[发明专利]中压无变压器多电平变换器及用于控制中压无变压器多电平变换器的方法

说明书

一种多电平变换器，包含单相配置。单相配置具有由耦合到DC链路的第一电容器分离的第一半桥(HB)模块、第二HB模块，以及钳位到第一HB模块和第二HB模块的中点钳位(NPC)模块。此外，单相配置具有第一单独开关器件和第二单独开关器件，第一单独开关器件可操作地连接到第一HB模块和NPC模块，并且第二单独开关器件可操作地连接到第二HB模块和NPC模块。变换器还包含功率输出组件，功率输出组件包括多相并且提供多相交流(AC)功率，其中单相配置向功率输出组件的多相中的一相提供功率。

技术领域

本发明的各方面总体涉及一种中压无变压器多电平变换器和一种用于控制中压无变压器多电平变换器的方法。

背景技术

传统上，由于单个功率半导体器件不能处理高电压，所以多电平功率变换器被用于中压AC驱动器、柔性AC传输系统(FACTS)和高压DC(HVDC)传输系统的应用。

多电平功率变换器包括多电平拓扑，其提供了串联连接开关的巧妙方式，因此可以处理高于器件额定值的电压。对于中压驱动器的工业需求引发了该领域的大量研究，其中大多数应用包括用于泵、鼓风机、压缩机、输送机等的驱动器。提供多电平电压，适用于中压应用的拓扑数量有限。最著名的拓扑是中点钳位(NPC)拓扑、快速电容(FC)拓扑和级联H桥多电平拓扑。

级联多电平变换器是许多中压和高压应用中的优选拓扑。该拓扑在业内已经建立了二十多年，但它也存在一定的缺点，主要是与为每个功率单元提供隔离的功率所需的特殊变压器相关的成本。此外，级联多电平拓扑传统上仅在单向功率流应用中实现，因此它不能在电动机应用中提供再生制动。例如，可以四象限操作，但是这样的操作将显著增加功率单元成本并且仍然需要变压器。模块化多电平变换器是另一种拓扑，它仍在开发中。该拓扑可以使用也可以不使用变压器，因此在需要再生制动的应用中可能是有益的；然而，该拓扑需要更多数量的半导体，并且其在低速/高转矩下的操作会非常困难。在中压电平的较低端，级联多电平拓扑和模块化多电平拓扑往往都非常昂贵。

发明内容

简而言之，本发明的各方面涉及无变压器多电平变换器、包括无变压器多电平变换器的电驱动系统以及用于控制无变压器多电平变换器的方法。

本发明的第一方面提供了一种多电平变换器，包括多个单相配置，单相配置包括：由耦合到DC链路的第一电容器分开的第一半桥(HB)模块和第二半桥HB模块，DC链路向单相配置提供电压；中点钳位(NPC)模块，NPC模块夹到第一HB模块和第二HB模块上；第一单独开关和第二单独开关，第一单独开关可操作地连接到第一HB模块和NPC模块，并且第二单独开关可操作地连接到第二HB模块和NPC模块；以及功率输出组件，包括三个相并且提供三相交流(AC)功率，其中单相配置向功率输出组件的三个相中的一个相提供功率。

本发明的第二方面提供了一种用于控制多电平变换器的方法，包括：提供包含多个开关器件的单相配置；以及使用脉宽调制(PWM)来开关多个开关器件，其中多个开关器件以相同的开关频率进行开关，并且其中多对互补PWM控制信号用于开关多个开关器件。

本发明的第三方面提供了一种电驱动系统，包括：电源组件，该电源组件包括直流(DC)链路；多电平变换器，耦合到DC链路，用于产生多相功率，变换器包括单相配置，其中，DC链路向单相配置提供电压，单相配置包括：由耦合到DC链路的第一电容器分开的第一半桥(HB)模块和第二半桥HB模块，中点钳位(NPC)模块，NPC模块夹到第一HB模块和第二HB模块上，第一单独开关和第二单独开关，第一单独开关可操作地连接到第一HB模块和NPC模块，并且第二单独开关可操作地连接到第二HB模块和NPC模块；以及功率输出组件，包括三个相并且提供三相交流功率，其中，单相配置向功率输出组件的三个相中的一个相提供功率。

附图说明

图1示出了根据本发明示例性实施例的、用于无变压器多电平变换器的一个相的所提出的拓扑的实施例的示意图。