[发明专利]四电平功率转换器和三相功率转换器

说明书

本发明涉及四电平电压源转换器拓扑，其具有将两个中间电压电平连接到负载端子的两个中间转换器分支，以及具有耦合两个中间分支的互连开关。互连开关取代对应的四电平现有技术拓扑中的存在的两个受控的开关。对于全双向实现，四电平转换器因而仅要求五个有源开关。降低的数量的有源开关/栅驱动器以及四个可用输出电压电平使得该解决方案对于带有改进的可靠性、良好的功率质量和最小化的过滤要求的更低成本功率电子器件是令人感兴趣的。

技术领域

本发明涉及功率电子转换器的领域并且特定地涉及四电平反相器电路拓扑。

背景技术

多电平转换器，具体地是中点钳位式转换器（NPCC），被广泛用于中电压（MV）范围中的单和三相双向电网连接的应用，包含滚轧机、扇、泵、海上器械、采矿、拖拉、不间断电源（UPS）和可再生能源一体化。多电平转换器的有吸引力的特性包含在转换器输入和输出端子的相对低的谐波幅度、降低的开关损失和降低的电磁干扰。另一方面，串联连接的开关的数量与转换器电平的数量一起增加。因此，总转换器成本增加以及所以半导体传导损失也增加。多电平转换器拓扑因此最适合于中到高电压和高功率应用，至今无高电压阻挡半导体对这些应用是可用的。

为了降低功率电子转换器的成本，带有低半导体部分数目的电路拓扑被赞同，其也可改进系统功率密度（低重量转换器）和功率效率。在WO 2011/132206 A1中公开了带有降低的数量的二极管的示范性四电平有源中点钳位式转换器（ANPCC）电路拓扑。

EP 0 727 870 A2和EP 0 481 304 A2涉及带有转换器分支的多电平转换器，转换器分支包括串联连接的若干可控制的开关。

CN 102 796 404 A示出若干转换器桥，其中的每个包括带有一个开关的四个转换器分支，其与彼此间不具有中间连接。

发明内容

本发明的目的是要简化拓扑以及要对应地降低四电平功率转换器的制造成本。该目的通过本发明的四电平功率转换器达成。优选的实施例也由本发明给出。

根据本发明，四电平电压源转换器（VSC）拓扑具有将两个中间电压电平连接到负载端子的两个中间转换器分支，以及互连所述两个中间分支的互连开关。互连开关取代对应的四电平现有技术拓扑中存在的两个受控的开关。对于全双向实现，四电平转换器因而仅要求五个有源开关。降低的数量的有源开关/栅驱动器和四个可用的输出电压电平使得此解决方案对于带有改进的可靠性、良好的功率质量和最小化的过滤要求的更低成本功率电子器件是令人感兴趣的。

特定地，四电平全功率因数电压源功率转换器具有DC链路，其包含连接第一和第二输入DC端子的三个或四个电容器的串联连接，并以相应的第一和第二中间电压电平来定义第一和第二DC中间端子。电容器可视为分电压电容器。

四电平转换器具有单相桥，其用于将四个电压电平中的任意一个电压电平连接到负载或输出AC端子，并且包括：

-第一转换器分支，其将第一输入DC端子连接到负载端子；

-第一中间分支，其包含可控制的第一中间分支开关和第一中间分支二极管，其在第一连接点与彼此互连并且其将第一DC中间端子连接到负载端子；

-第二转换器分支，其将负载端子连接到第二输入DC端子，以及

-第二中间分支，其包含可控制的第二中间分支开关和第二中间分支二极管，其在第二连接点与彼此互连并且其将负载端子连接到第二DC中间端子。

四电平功率转换器进一步包括用于将第二连接点连接到第一连接点的可控制的中间分支互连开关。所述第一和第二转换器分支中的每个包含单独一个可控制开关和/或单独一个二极管。

可控制的互连开关可以被连接到位于第一中间分支中的第一开关和第一二极管之间的第一连接点并且可以被连接到位于第二中间分支中的第二开关和第二二极管之间的第二连接点。