BR102015001567B1 - Perna de fase de conversor de potência, conversor e método de operação de uma perna de fase - Google Patents

Abstract

APARELHO DE CONVERSÃO DE POTÊNCIA. A presente invenção refere-se a um aparelho, que inclui um módulo de capacitor que tem uma pluralidade determinais de conexão e uma pluralidade de elementos de comutação. Cada elemento de comutação tem pelo menos um terminal de comutação acoplado a um terminal de conexão correspondente, em que os elementos de comutação são configurados para operação mutuamente exclusiva através de um dispositivo de controle.

Description

CAMPO DA INVENÇÃO

[001] A presente invenção refere-se geralmente a topologias multiníveis para dispositivos de conversão de potência. Em particular, a presente invenção refere-se a topologias multiníveis mais eficazes em aplicações de alta potência.

ANTECEDENTES DA INVENÇÃO

[002] Na eletrônica de potência, qualidade de potência, densidade de potência, e eficiência se encontram entre as considerações mais significativas ao otimizar a conversão de potência de uma forma para outra. Por exemplo, a qualidade de potência é um fator significativo quando se realiza a interface com a rede elétrica e máquinas elétricas. A manutenção da qualidade de alta potência pode ser importante para evitar problemas, tais como, poluição por interferência eletromagnética (EMI), cintilação e vida encurtada de máquinas elétricas devido às altas harmônicas de corrente e tensões dv/dt. Os conversores de potência desempenham um papel importante nesse processo.

[003] Existem geralmente dois métodos para atingir qualidade e densidade de alta potência na eletrônica de potência: aumentar a frequência de comutação e topologia multinível. O aumento da frequência de comutação apresenta limitação, especialmente para os conversores de alta potência e/ou média tensão, devido a perdas mais altas de semicondutores de potência associadas à frequência de comutação mais alta e ao limite intrínseco de velocidade de comutação para dispositivos semicondutores de alta tensão e alta potência. Desse modo, para aplicações de alta tensão e alta potência, a topologia multinível é uma abordagem mais eficaz que aumentar a frequência de comutação.

[004] As topologias de conversores multiníveis atingem mais facilmente a qualidade de alta potência e alta densidade em eficiência mais alta. A realização da interface com a fonte elétrica CA e/ou carga, tais como, rede elétrica e máquinas elétricas, conversores multiníveis emulam as formas de onda de saída corrente alternada (CA) ao fornecer múltiplos níveis de tensão na saída do conversor. Consequentemente, a frequência de comutação pode ser reduzida devido à harmônica de saída reduzida como resultado da saída multinível. Diversas topologias multiníveis convencionais e soluções de controle são amplamente usadas na indústria.

[005] Uma topologia multinível convencional é uma topologia fixada por ponto neutro de três níveis (NPC), que foi a locomotiva da indústria por mais de uma década, especialmente para tensão de saída abaixo de 3,3 kV. Entretanto, a expansão da tecnologia NPC além de três níveis, a fim de atingir qualidade de potência mais alta ou aplicações de tensão mais altas, representa uma complexidade significativamente aumentada impraticável, desse modo, para o amplo uso industrial.

[006] A fim de atingir a saída multinível maior que três, precisa-se encontrar meios para acoplar múltiplos conversores. Existem fundamentalmente dois meios para acoplar múltiplos conversores — (a)acoplamento através de componentes magnéticos, ou (b) acoplamento através de capacitores (volantes).

[007] Existem duas abordagens (isto é, topologias) para acoplar múltiplos conversores através de componentes magnéticos para realizar conversores multiníveis. Uma primeira abordagem inclui múltiplos conversores, geralmente conectados em paralelo (ou derivação), e acoplados aos reatores ou transformadores de interfase. Essa primeira abordagem é controlada com modulação de largura de pulso intercalada (PWM) e produz níveis de tensão de saída múltipla. As desvantagens dessa abordagem incluem circular a corrente entre os conversores acoplados paralelos, levando em última análise a perdas mais altas, utilização de semicondutor mais baixa e complexidade de controle aumentada.

[008] Uma segunda abordagem inclui múltiplas pontes H monofásicas (pontes H de dois níveis ou três níveis) conectadas em série (ou em cascata), onde cada uma dessas pontes H monofásicas é conectada aos enlaces CC isolados. Devido ao isolamento galvânico fornecido por um transformador de múltiplos enrolamentos, as pontes H podem ser acopladas em conjunto diretamente à conexão em cascata para produzir tensões de saída multiníveis de forma correspondente. Os transformadores de múltiplos enrolamentos, entretanto, são complexos e volumosos. Também, essa abordagem é difícil e dispendiosa para ser adaptada para a operação de quatro quadrantes.

[009] Geralmente, para processar a mesma quantidade de potência, os capacitores e semicondutores de potência tendem a ter densidade mais alta e custo mais baixo que aqueles dos componentes magnéticos. Portanto, em comparação ao acoplamento de múltiplos conversores aos componentes magnéticos, o acoplamento dos múltiplos conversores aos capacitores (volantes) fornece melhor densidade de potência e eficiência a um custo mais baixo.

[010] Os conversores multiníveis modulares (MMC) ainda são uma topologia baseada em capacitor adicional e amplamente usada. Inúmeras pontes H modulares são dispostas diretamente em cascata para fornecer níveis de tensão de saída múltipla, sendo que cada uma tem seus próprios capacitores de enlace CC flutuantes. Os níveis de tensão desses enlaces CC são firmemente regulados, usando a corrente de carga entre as multifases das pernas de ponte em cascata. O tamanho dos capacitores de enlace CC é inversamente proporcional à frequência fundamental do terminal CA correspondente. Essa solução, portanto, não é ótima para aplicações de frequência baixas e variáveis, tais como, acionamentos de motor, devido aos capacitores de enlace CC flutuantes bastante grandes.

[011] Uma abordagem melhor que as abordagens convencionais descritas acima inclui acoplar múltiplos conversores em conjunto através dos capacitores volantes para fornecer níveis de tensão de saída múltipla. As tensões ao longo dos capacitores flutuantes são reguladas a cada ciclo de comutação. Desse modo, o tamanho de capacitor é inversamente proporcional à frequência de comutação, em vez da frequência fundamental da fonte ou carga CA. Uma vez que a frequência de comutação é tipicamente mais de 30 a 50 vezes mais alta que a frequência fundamental, tamanho de capacitor flutuante ou volante pode ser eficazmente reduzido. Um aumento adicional da densidade de potência e uma redução no custo, desse modo, podem ser atingidos.

DESCRIÇÃO DA INVENÇÃO

[012] Dadas as deficiências mencionadas acima, os métodos e sistemas aprimorados são necessários para fornecer saídas multiníveis de conversão de potência. Mais particularmente, existe uma necessidade de métodos e sistemas baseados em capacitor aprimorado para converter potência de uma forma para outra.

[013] Sob determinadas circunstâncias, um módulo de conversão de potência inclui um módulo de capacitor que tem uma pluralidade de terminais de conexão e uma pluralidade de elementos de comutação. Cada elemento de comutação tem pelo menos um terminal de comutação acoplado a um terminal de conexão correspondente, em que os elementos de comutação são configurados para operação mutuamente exclusiva através de um dispositivo de controle.

[014] As realizações da presente invenção fornecem saídas de tensão multinível com pelo menos uma célula pilotada de ponto neutro aninhada (NPP). De maneira adicional, os sistemas construídos de acordo com as realizações incluem pelo menos uma estrutura NPP de três níveis relativamente simples, em conjunto com um sistema de controle exclusivo. Essas estruturas NPP são escalonáveis em aplicações de tensão mais altas que requerem saídas de mais de três níveis duplicando-se simplesmente a estrutura de uma maneira aninhada.

[015] Os capacitores volantes dentro das estruturas NPP aninhadas são ativamente controlados e equilibrados dentro de um ou mais ciclos de comutação para manter seus níveis de tensão. Dessa maneira, o tamanho dos capacitores é inversamente proporcional à frequência de comutação, não à frequência fundamental do terminal CA. Usando-se essa abordagem, a qualidade de potência e densidade de potência aumentada podem ser atingidas. As realizações incluem outras vantagens, tais como, redundância a falhas com dispositivos em série, compensação de capacitor volante, e detecção de curto-circuito e sobretensão de dispositivo mais robusta/mais rápida. Algumas realizações usam estados de comutação redundantes para atingir funções de controle adicionais, tal como, a regulação das tensões de capacitor volante e/ou equilíbrio de estresse térmico de comutadores semicondutores de potência em diferentes posições de comutação.

[016] Outras realizações incluem células NPP de três níveis, em conjunto com o controle de célula altamente preciso. Por exemplo, uma célula pode incluir três elementos de comutação formados por uma combinação de dispositivos de comutação unidirecionais e bidirecionais. Os capacitores de enlace CC nessas células são fornecidos, em conjunto com seis ou mais terminais de conexão para facilitar as disposições aninhadas que têm uma célula interna e uma célula externa.

[017] Cada elemento de comutação pode ser formado por múltiplos dispositivos semicondutores de potência conectados em série. A conexão em série pode estender a tensão nominal de cada elemento de comutação e aprimorar a confiabilidade reduzindo-se o estresse de tensão de cada dispositivo semicondutor de potência. A operação de tolerância a falhas é fornecida simplesmente ao desviar os dispositivos semicondutores defeituosos. Um subproduto das técnicas de controle reveladas é detecção mais rápida de falhas, tais como, dessaturação e sobretensão de comutadores semicondutor de potência.

[018] Em outra realização, a estrutura aninhada dos módulos NPP pode ser implantada em uma disposição híbrida, onde pelo menos uma das células externas é uma célula NPP aninhada, enquanto a célula interna pode ter topologia e/ou níveis de saída diferentes, tal como, uma célula NPC de 3 níveis ou de 2 níveis. Uma disposição híbrida também pode incluir as células internas e externas com diferentes tipos e/ou tamanhos de comutadores de potência. Em outra realização, a estrutura aninhada da célula NPP pode ser implantada em um sistema de conversão de potência multifásico. Um conversor multifásico (por exemplo, trifásico) com células NPP aninhadas, por exemplo, pode compartilhar um enlace CC para fornecer a conversão CC-CA, CA-CC ou CC-CC trifásica. As funções e vantagens adicionais, assim como, a estrutura e operação de diversas realizações, são descritas em detalhes abaixo com referência aos desenhos em anexo. Nota-se que a invenção não é limitada às realizações específicas descritas no presente documento. Tais realizações são apresentadas no presente documento apenas para propósitos ilustrativos. As realizações adicionais serão aparentes para os elementos técnicos no assunto relevante com base nos ensinamentos contidos no presente documento.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[019] A presente invenção é ilustrada nos desenhos anexos, ao longo dos quais, as referências numéricas similares podem indicar partes correspondentes ou similares nas diversas Figuras. Os desenhos servem apenas para os propósitos de ilustrar as realizações preferidas e não devem ser construídos como uma limitação da invenção. Dada a seguinte descrição dos desenhos, os aspectos inovadores da presente invenção devem se tornar evidentes para um técnico no assunto.

[020] A Figura 1A é uma ilustração do diagrama de blocos de uma célula NPP incluída dentro de um único conversor de um sistema de conversão de potência, construído de acordo com as realizações da presente invenção.

[021] A Figura 1B é uma ilustração gráfica de um diagrama de tempo para os sinais gerados para controle da célula interna mostrada na Figura 1A, de acordo com as realizações.

[022] A Figura 2A é uma ilustração do diagrama de blocos da célula NPP interna construída de acordo com as realizações.

[023] A Figura 2B é uma ilustração gráfica do diagrama de tempo para os sinais gerados para controle e implantação da célula interna ilustrada na Figura 2A.

[024] A Figura 2C é uma ilustração do diagrama de blocos de uma implantação de um comutador de potência usado dentro dos elementos de comutação na célula NPP ilustrada na Figura 2A de acordo com as realizações.

[025] A Figura 3 é uma ilustração do diagrama de blocos de uma célula NPP externa construída de acordo com as realizações.

[026] A Figura 4 é uma ilustração mais detalhada do diagrama de blocos de uma única célula monofásica NPP aninhada de 5 níveis construída a partir de uma combinação aninhada das Figuras 2A e 3.

[027] A Figura 5A é um diagrama de estado dos estados de comutação usados para controlar a célula monofásica NPP aninhada ilustrada na Figura 4.

[028] A Figura 5B é uma ilustração tabular dos estados de comutação para controle das estruturas de célula aninhada mostradas na Figura 4.

[029] A Figura 5C é uma ilustração dos diagramas de tempo, em conjunto com uma forma de onda de saída, associada aos estados de comutação das Figuras 5A e 5B.

[030] A Figura 5D é uma ilustração de outro diagrama de tempo de acordo com a Figura 4.

[031] A Figura 6A é uma ilustração de uma primeira trajetória de fluxo de estado de comutação através da célula NPP de 3 níveis interna e externa, de acordo com as realizações.

[032] A Figura 6B é uma ilustração de uma segunda trajetória de fluxo de estados de comutação (redundante) através da célula NPP de 3 níveis interna e externa da Figura 6A.

[033] A Figura 7 é uma ilustração do diagrama de blocos de estruturas de célula aninhada de 5 níveis usadas em um conversor multifásico de acordo com as realizações.

[034] A Figura 8 é uma ilustração de uma célula NPP aninhada de 7 níveis, de acordo com uma realização alternativa da presente invenção.

[035] A Figura 9 é uma ilustração do diagrama de blocos do sistema de conversão de potência no qual as realizações da presente invenção podem ser praticadas.

[036] A Figura 10 é uma ilustração do diagrama de blocos de um dispositivo de controle e estrutura de célula aninhada construídos de acordo com uma realização alternativa da presente invenção.

[037] A Figura 11 é um fluxograma de um método para praticar uma realização da presente invenção.

[038] A Figura 12 é uma ilustração do diagrama de blocos de um sistema de computador no qual os aspectos das realizações da presente invenção podem ser implantados.

DESCRIÇÃO DE REALIZAÇÕES DA INVENÇÃO

[039] Embora a presente invenção seja descrita no presente documento com realizações ilustrativas para aplicações particulares, deve-se compreender que a invenção não se limita a isso. Aqueles técnicos no assunto com acesso aos ensinamentos fornecidos no presente documento irão reconhecer as modificações, aplicações e realizações adicionais abrangidas pelo escopo da mesma e campos adicionais em que a invenção pode ser de utilidade significativa.

[040] Exceto onde definido de outro modo, os termos técnicos e científicos usados no presente documento têm o mesmo significado comumente compreendido por um técnico no assunto a qual esta invenção pertence. Os termos "primeiro”, "segundo”, e similares, conforme usado no presente documento, não denotam nenhuma ordem, quantidade ou importância, mas, em vez disso, são usados para distinguir um elemento do outro. Também, os termos "um" e "uma" não denotam uma limitação de quantidade, mas, em vez disso, denotam a presença de pelo menos um dos itens referidos. O termo "ou" destina-se a ser inclusivo e a significar quaisquer, diversos ou todos os itens listados.

[041] O uso de "que inclui”, "que compreende” ou "que tem" e variações dos mesmos no presente documento destina-se a abranger os itens posteriormente listados e equivalentes dos mesmos, assim como, itens adicionais. Os termos "conectado" e "acoplado" não são restritos às conexões ou acoplamentos físicos ou mecânicos, e podem incluir conexões ou acoplamentos elétricos, diretos ou indiretos. Os termos "circuito”, "conjunto de circuitos” e "controlador" podem incluir um único componente ou uma pluralidade de componentes, que são componentes ativos e/ou passivos e podem ser opcionalmente conectados ou, de outro modo, acoplados em conjunto para fornecer a função descrita.

[042] Nas diversas realizações, a conversão de potência multinível é atingida de uma maneira que forneça qualidade de potência e densidade mais alta que as abordagens convencionais a custos mais baixos. Em uma realização, uma topologia de célula NPP aninhada multinível (por exemplo, três níveis) é fornecida para atingir os níveis de tensão de saída múltipla. Os sinais de controle emitidos a partir de um controlador ativam/desativam seletivamente os componentes de conversor interno para controlar os níveis de saída de tensão - aumentando os níveis para cinco, sete, nove, onze ou mais.

[043] A topologia de célula aninhada é criada substituindo-se as estruturas de célula individuais, enrolando uma célula ao redor da outra, formando uma célula interna aninhada dentro de uma célula externa. Nessas estruturas de célula aninhada, os dispositivos comutadores, capacitores de enlace CC e outros componentes interiores, podem ser configurados para operar de uma maneira em cascata para produzir os níveis de saída múltipla requeridos.

[044] O controlador pode ser configurado para controlar a operação dos elementos de comutação - ativando (ligando) e desativando (desligando) os comutadores de potência dentro dos elementos de comutação, um de cada vez. Toda vez que um comutador de potência é ativado, um nível de tensão de saída é expresso em uma das células. A ativação e desativação dos comutadores de potência permite o controle preciso dos níveis de tensão emitidos a partir do conversor.

VISÃO GERAL DE ESTRUTURA DE CÉLULA

[045] A Figura 1A é uma ilustração do diagrama de blocos de uma célula de 3 níveis básica 200 (por exemplo, NPP) configurada para operação dentro de um dos conversores em um sistema de conversão de potência. Para propósitos de ilustração, as realizações e as Figuras representativas das mesmas, serão explicadas no contexto de células NPP. Desse modo, a Figura 1A fornece princípios operacionais básicos de células NPP, de acordo com as realizações.

[046] No exemplo da Figura 1A, a célula NPP de 3 níveis 200 inclui elementos de comutação 205, 228 e 232, que são controláveis através de um dispositivo de controle 140. O dispositivo de controle 140 controla a operação da célula NPP 200 através dos sinais de controle 106. Conforme compreendido por aqueles técnicos no assunto, o dispositivo de controle 140 pode ser acoplado à célula NPP 200 através de enlaces de comunicação sem fio, óptica ou outros enlaces de comunicação similares.

[047] Os capacitores volantes 261 e 263 formam um módulo de capacitor (por exemplo, enlace CC 226). Nas realizações, a célula NPP 200 é aninhável ou conectável, em uma disposição em cascata a outras células com 2 ou 3 terminais de conexão, tais como, células NPP idênticas. Conforme pode ser avaliado por um técnico no assunto, as realizações da presente invenção não se limitam a três elementos de comutação nem a dois capacitores volantes.

[048] O elemento de comutação 228 inclui terminais de conexão 225 (que têm uma orientação interior em relação à célula 200) e 235 (por exemplo, orientação exterior em relação à célula 200 e à direção do elemento 228) nas respectivas extremidades. De maneira similar, o elemento de comutação 232 inclui terminais de conexão 229 (por exemplo, interior) e 241 (por exemplo, exterior) nas respectivas extremidades.

[049] O elemento de comutação 205 inclui terminais de conexão 227 (interior) e 239 (exterior) nas respectivas extremidades. O terminal de conexão 239 é formado através da conexão dos capacitores volantes 261 e 263. Tal conexão ocorre ao longo da trajetória formada pela conexão serial dos capacitores volantes 261 e 263. O outro terminal do capacitor volante 261 é acoplado aos terminais de conexão 235. De maneira similar, o outro terminal do capacitor volante 263 é acoplado ao terminal de conexão 241. Os termos "interior" e "exterior" usados no presente documento servem apenas para propósitos de ilustração e não limitam o escopo das diversas realizações.

[050] O controle da célula NPP 200 é atingido através da manipulação dos elementos de comutação 205, 228, e 232 em resposta aos sinais de controle 106. Os estados de comutação dos elementos de comutação 205, 228, e 232 ocorrem de maneira mutuamente exclusiva. Ou seja, quando um elemento de comutação dentro de uma célula é ativado (LIGADO), os outros elementos de comutação dentro dessa célula são desativados (DESLIGADOS), com substancialmente zero sobreposições entre os diversos estados de comutação. Essa comutação mutuamente exclusiva facilita a produção eficiente de diferentes níveis de tensões de saída.

[051] Por exemplo, quando o elemento de comutação 228 é LIGADO, os elementos de comutação 205, e 232 são DESLIGADOS, e o primeiro terminal de saída em cascata 225 produz um primeiro nível tensão de saída de Vp. Quando o elemento de comutação 232 é LIGADO, os elementos de comutação 205 e 228 são DESLIGADOS, e o terminal de saída em cascata 229 produz um segundo nível tensão de saída Vn.

[052] De maneira similar, quando o elemento de comutação 205 é LIGADO, OS elementos de comutação 228 e 232 são DESLIGADOS, e o terminal de saída em cascata 227 fornece um terceiro nível tensão de saída de Vmid, em que os níveis de saída são diferentes uns dos outros. De maneira mais específica, cada uma das tensões de saída de nível diferente (Vp, Vn e Vmid) é exclusivamente associada a um respectivo elemento de comutação LIGADO. Esse processo de controle é explicado em detalhes muito maiores abaixo. Dessa maneira, a célula NPP 200 representa uma célula NPP de 3 níveis topologia.

[053] Apenas por meio de exemplo, e sem limitação, cada um dos elementos de comutação 205, 228, e 232 pode ser implementado como um comutador de potência, sendo que cada um é controlável para permitir o fluxo de corrente bidirecional. Os elementos de comutação 228 e 232 podem bloquear a tensão unidirecional, enquanto o elemento de comutação 205 pode bloquear a tensão bidirecional. De maneira alternativa, conforme ilustrado no exemplo da Figura 2A abaixo, um ou mais dos elementos de comutação 228, e 232 pode ser implementado como dois ou mais comutadores de potência unidirecional conectados em série. O elemento de comutação 205 pode ser implantado em dois ou mais comutadores de potência unidirecional conectados em série em polaridade reversa. Como pode ser avaliado por aqueles técnicos no assunto, múltiplos dispositivos de baixa tensão conectados em série geralmente fornecem uma capacidade de suportar tensão total mais alta adequada para as necessidades de aplicação.

[054] Nas realizações, o número de comutadores de potência dentro de cada elemento de comutação é um fator econômico considerado no custo e capacidade de produção de um conversor individual. Como tal, a presente invenção não se limita aos elementos de comutação que incluem apenas um ou dois comutadores de potência.

[055] A Figura 1B é uma ilustração gráfica de um diagrama de tempo 190 de sinais de temporização gerados para controlar a célula interna 200, mostrada na Figura 4 abaixo. Na Figura 1B, por exemplo, em uma instância de tempo o comutador de potência 205 é ativado (estado LIGADO), passando de "0" para "1" e o comutador de potência 228 é desativado (estado DESLIGADO), passando de "1" para "0." Na instância de tempo t1, o comutador de potência 205 é desativado, passando de "1" para "0”, e um comutador de potência 232 é ativado, passando de "0" para "1." A ativação e desativação são controladas através de sinais de acionamento (discutidos em maiores detalhes abaixo) que podem ser gerados por um único dispositivo de controle, tal como, o dispositivo de controle 140. As realizações da presente invenção também podem produzir um estado flutuante em que todos os comutadores de potência são desligados ou desconectados de todos os outros terminais de conexão.

[056] A Figura 2A é uma ilustração detalhada do diagrama de blocos de uma implantação da célula interna 200 mostrada na Figura 1A. A Figura 2A também mostra drivers de porta associados aos elementos de comutação 228, 232, e 205. Os múltiplos comutadores de potência na célula interna 200 também são controlados para realizar operações de comutação de uma maneira mutuamente exclusiva. Conforme mostrado na Figura 2A, o elemento de comutação 228 é configurado para ser ligado/desligado de acordo com os sinais de acionamento 309 fornecidos a partir de um driver de porta 301. O elemento de comutação 232 é configurado para ser ligado/desligado de acordo com os sinais de acionamento 315 fornecidos a partir de um driver de porta 307.

[057] O comutador de potência 234 (também referido como subcomutador) é configurado para ser ligado/desligado de acordo com os sinais de acionamento de comutação 311 fornecidos a partir de um terceiro driver de porta 303. O comutador de potência 236 (também referido como um segundo subcomutador) é configurado para ser ligado/desligado de acordo com os sinais de acionamento de comutação 313 fornecidos a partir de um driver de porta 305. Em algumas realizações, conforme ilustrado na Figura 2C, os sinais de acionamento 311 e 313 fornecidos para os comutadores de potência 234 e 236 operam de maneira síncrona.

[058] Na Figura 2B, em um primeiro instante de tempo, um primeiro sinal de acionamento 309 tem uma borda descendente que indica que o elemento de comutação 228 (S1) está mudando do estado LIGADO para o estado DESLIGADO. Em um instante de tempo de t0 - y0, onde "y0-y7" são quantidades de tempo finitas que ocorrem antes ou após o instante de tempo "t". Por exemplo, t0 - y0 ocorre antes de t0, em que uma primeira porção do elemento de comutação 205 (S2) (por exemplo, comutador de potência 236) é ativada através de um segundo sinal de acionamento 313.

[059] Na realidade, como pode ser avaliado por um técnico no assunto em que o instante de tempo y0-y7, o elemento de comutação 205 ainda é controlado em um estado DESLIGADO. O elemento de comutação 205 é controlado em um estado LIGADO apenas quando ambos os subcomutadores 234 e 236 são ligados. Em uma quantidade de tempo finita após t0, por exemplo, em t0+y1, uma segunda porção (por exemplo, o comutador de potência 234) do elemento de comutação 205 é ligada através de um terceiro sinal de acionamento 311. No instante de tempo t0+y1, o elemento de comutação 205 muda formalmente para o estado LIGADO.

[060] De maneira similar, em um instante de tempo de t1-y2, antes de t1, a primeira porção do elemento de comutação 205 (S2) (comutador de potência 236) é desativada durante um estado DESLIGADO através do segundo sinal de acionamento 313. Em um instante de tempo ti, um quarto sinal de acionamento 315 muda o elemento de comutação 232 (S4) para um estado LIGADO. Em um instante de tempo t1+y3, a segunda porção do elemento de comutação 205 (S3) (comutador de potência 234) é formalmente alterada para um estado DESLIGADO através do terceiro sinal de acionamento 311. Nas realizações, pode ser avaliado por aqueles técnicos no assunto que todas as quantidades de tempo y0-y7, podem ser valores diferentes. O processo descrito acima é repetido para os estados remanescentes t2 ~ t3. Dessa maneira, as bordas ascendentes e descendentes de 228, 205, e 232 são substancialmente não sobrepostas.

[061] A Figura 2C é uma ilustração do diagrama de blocos de um comutador de potência 228 da Figura 2A de acordo com as realizações. Em uma realização, o elemento de comutação 228 pode ser configurado para incluir qualquer tipo de comutadores de potência (interiores aos elementos de comutação). Por exemplo, os elementos de comutação 238, 228, 232, 242 podem ser configurados para corresponder precisamente à configuração do elemento de comutação 228.

[062] De maneira mais específica, em uma realização, o elemento de comutação 228 inclui um comutador de potência 316, um comutador de potência 318, e um n-ésimo comutador de potência 322, onde n é igual a ou maior que dois. Por meio de exemplo, os comutadores de potência 316 e 318 são conectados em paralelo em relação aos diodos antiparalelos 324, e 326. O n-ésimo comutador de potência 322 é conectado em paralelo a um n-ésimo diodo antiparalelo 328. Em algumas condições, cada comutador de potência pode ser integrado ao seu diodo antiparalelo correspondente para formar um único comutador.

[063] Uma vez que os comutadores de potência 316, 318, e o n- ésimo comutador de potência 322 são conectados em série entre as linhas CC 206 e 208, cada um dos comutadores é aplicado a uma porção da tensão CC. Desse modo, os comutadores de baixa tensão nominal podem ser usados para substituir um único comutador de potência 312, que tem uma alta tensão nominal. Conforme mostrado na Figura 2C, o único comutador de potência 312 também é integrado a um diodo antiparalelo 314. De maneira adicional, um número mais alto de comutadores de potência fornece um nível maior de redundância.

[064] Apenas por meio de exemplo, e sem limitação, os comutadores de potência descritos nas realizações podem ser formados por transistor de efeito de campo semicondutor de óxido de metal (MOSFET), transistor bipolar de porta isolada (IGBT), e tiristor comutado de porta integrada (IGCT), para mencionar alguns.

[065] A Figura 3 é uma ilustração do diagrama de blocos da célula externa 201 discutida acima, de acordo com as realizações. A Figura 3 também mostra drivers de porta associados aos comutadores de potência dentro de cada um dos elementos de comutação 238, 242, e 271. Conforme anteriormente observado, os múltiplos dispositivos na célula externa 201 são controlados para realizar operações de comutação de uma maneira mutuamente exclusiva.

[066] De maneira mais específica, o elemento de comutação 238 é configurado para ser ligado/desligado de acordo com os sinais de acionamento de comutação 325 fornecidos a partir de um driver de porta 317. O elemento de comutação 242 é configurado para ser ligado/desligado de acordo com os sinais de acionamento de comutação 327 fornecidos a partir de um driver de porta 319. O comutador de potência 244, dentro do elemento de comutação 271, é configurado para ser ligado/desligado de acordo com os sinais de acionamento de comutação 329 fornecidos a partir de um driver de porta 321. O comutador de potência 246 é configurado para ser ligado/desligado de acordo com os sinais de acionamento 331 fornecidos a partir de um driver de porta 323.

[067] Em algumas realizações, os sinais de acionamento de comutação 329 e 331 operam de maneira síncrona e são gerados a partir de um único controlador. Para assegurar a comutação adequada dos elementos de comutação 238 ou 242, e assegurar o tempo morto, a fim de evitar curtos- circuitos dos capacitores volantes, os instantes de comutação dos sinais de acionamento 329 e 331 são ajustados. Por exemplo, os sinais de acionamento 329 e 331 podem ser consequentemente ajustados de modo a avançar a comutação ou retardar a comutação dos subcomutadores 246 e/ou 244 no elemento de comutação 271 em quantidades de tempo a substancialmente pequenas em relação aos sinais de acionamento fornecidos para o elemento de comutação 238 ou 242.

[068] A Figura 4 é um diagrama de blocos mais detalhado de uma das pernas de fase 220 da Figura 1A. Conforme observado acima, a primeira perna de fase 220 é formada por uma estrutura aninhada que inclui a célula externa 201 enrolada ao redor da célula interna 200. O comportamento de componentes, estrutura e operação dentro da célula interna 200 e da célula externa 201 são virtualmente idênticos. Essa técnica permite a expansão da topologia de 3 níveis de uma célula NPP básica para atingir saídas que têm cinco níveis (como no caso da primeira perna de fase 220), ou sete, nove, onze ou mais níveis.

[069] Por meio de exemplo, em outra realização da presente invenção, as estruturas aninhadas podem ser híbridas, por exemplo, tendo uma célula NPC de 2 níveis ou de 3 níveis que é enrolada dentro da célula NPP de 3 níveis. Muitas outras estruturas aninhadas híbridas são possíveis e são abrangidas pelo escopo da presente invenção.

[070] Na Figura 4, a célula externa 201 inclui capacitores 212 e 214. Na ilustração da Figura 4, os capacitores 212 e 214 formam um enlace CC 210. Em outras realizações, os capacitores 212 e 214 não precisam ser configurados para formar um enlace CC. Os capacitores 212 e 214 são essencialmente idênticos aos capacitores 261 e 263 da célula interna 200 como capacitores "volantes". De maneira similar, os comutadores de potência 238, 242, 244, e 246 da célula externa 201 são essencialmente equivalentes ou idênticos aos comutadores de potência 228, 232, 234, e 236 da célula interna 200.

[071] Na Figura 4, o elemento de comutação 205 é um comutador bidirecional que conduz a corrente bidirecional e bloqueia a tensão bidirecional. Esse pode ser implantado como dois comutadores de potência unidirecional inversamente acoplados 234 e 236. Entretanto, a presente invenção não se limita a essa implantação de comutador de potência particular. No exemplo da Figura 4, os comutadores de potência 234 e 236 são controláveis através do dispositivo de controle 140 para permitir que as correntes elétricas que têm direções opostas fluam através dos mesmos. Os elementos de comutação 228 e 232 podem conduzir a corrente bidirecional e bloquear a tensão unidirecional.

[072] Um dos terminais 235 do elemento de comutação 228 é acoplado a um terminal do módulo de capacitor 226 ou, mais especificamente, a um terminal do capacitor volante 261. Esse acoplamento permite que o terminal 235 funcione como um primeiro terminal de entrada em cascata. O outro terminal 225 do elemento de comutação 228 funciona como um primeiro terminal de saída em cascata e é capaz de ser acoplado ao terminal de saída 260.

[073] Um terminal do elemento de comutação 232 é acoplado a outro terminal do módulo de capacitor 226, de maneira mais específica, a um terminal do capacitor volante 263, que permite que o terminal 241 funcione como um segundo terminal de entrada em cascata. O terminal de conexão 229 funciona como um segundo terminal de saída em cascata e, também é capaz de ser acoplado ao terminal de saída 260.

[074] Um terminal 239 do elemento de comutação 205 é acoplado a um ponto de conexão 239 do enlace CC 226 e funciona como um terceiro terminal de entrada em cascata. Outro terminal 227 do elemento de comutação 205 funciona como um terceiro terminal de saída em cascata e, também é acoplável ao terminal de saída 260.

[075] Em um primeiro cenário, os terminais de entrada em cascata 235, 239, e 241 podem ser respectivamente acoplados a três terminais de saída em cascata de outra célula NPP (por exemplo, a célula 201). Nesse primeiro cenário, a célula 200 é a célula interna, e a célula 201 é a célula externa, conforme anteriormente observado.

[076] Em um segundo cenário, os terminais de saída em cascata 225, 227, e 29 podem ser respectivamente acoplados a três terminais de entrada em cascata de outra célula. Nesse segundo cenário, entretanto, a célula 200 funciona como a célula externa e a outra célula funciona como a célula interna. A célula 201 pode funcionar similarmente como uma célula interna. As células NPP aninhadas em disposições em cascata permitem a expansão do número de níveis de saída de tensão realizáveis.

[077] Durante a operação e controle da célula interna 200, quando um elemento de comutação é ativado, uma tensão é emitida a partir d mesmo. Por exemplo, quando o elemento de comutação 228 (orientado na mesma direção que o elemento de comutação 232) é ativado, os terminais 235 e 225 se conectam entre si. Quando o elemento de comutação 205 é ativado, os terminais 239 e 227 se conectam entre si. De maneira similar, quando o elemento de comutação 232 é ativado, os terminais 229 e 241 se conectam entre si.

[078] Nas realizações, o controle de célula é atingido ativando-se e desativando-se os elementos de comutação um de cada vez. Para propósitos de ilustração, os componentes dentro da célula interna 200 têm uma designação de nível S, e os componentes dentro da célula externa 201 têm uma designação de nível T. A transição de um estado de comutação para o próximo estado de comutação, dentro dos respectivos níveis S e T, é realizada através da coordenação dos sinais de controle 106 fornecidos para cada célula a partir do dispositivo de controle 140.Por meio de exemplo, cada um dos sinais de controle 106 pode incluir múltiplos sinais de controle simultaneamente enviados para os drivers de porta dentro de comutadores de potência individuais de cada elemento de comutação, para todos os comutadores de potência em um nível particular. Por exemplo, um sinal para os comutadores de potência dentro do elemento de comutação 228 (S1), outro sinal para 232 (S4) e um terceiro sinal para o elemento de comutação 205 que inclui os comutadores de potência 236/234 (S2/S3). Também, um sinal para 238 (TI), outro sinal para 242 (T4) e um terceiro sinal para 244/246 (T2/T3).

[079] Esse controle de sinal coordenado assegura que não mais que um elemento de comutação na célula interna de nível S 200 seja LIGADO em um determinado tempo. De maneira similar, não mais que um elemento de comutação na célula externa de nível T 201 é LIGADO em um determinado tempo. As estruturas de célula aninhada dentro da perna de fase 220, combinadas com o uso do dispositivo de controle 140, produzem tensões de saída multiníveis de qualidade de potência e densidade de potência mais altas. A estrutura dessas células aninhadas pode ser replicada, sendo que cada célula produz um número predeterminado de saídas para expandir o número de níveis de saída de tensão.

[080] Por exemplo, e como uma expansão da discussão acima em relação à Figura 1A, a célula interna 200 pode ser configurada e controlada para fornecer uma tensão de saída que tem três níveis. De maneira similar, a célula externa 201 pode ser configurada e controlada para fornecer uma tensão de saída que tem três níveis. O nível de tensão de saída da perna de fase com células aninhadas pode ser 2* número de célula +1, quando tanto as células internas como externas são células de 3 níveis.

[081] Na ilustração da Figura 4, a célula interna 200 e a célula externa 201 fornecem tensões de saída de 5 níveis. De maneira mais específica e apenas por meio de exemplo, e sem limitação, os capacitores e elementos de comutação dentro de cada uma das células 200 e 201 são estruturados para ter seis terminais de conexão. Os terminais de conexão de uma estrutura de célula se conectam aos terminais de conexão correspondentes da outra estrutura de célula.

[082] Similar à disposição da célula interna 200, a célula NPP externa 201 inclui os elementos de comutação 238, 242, e 271. O elemento de comutação 238 tem um terminal de conexão 237 (por exemplo, interior) e uma extremidade e um terminal de conexão 211 (por exemplo, exterior) em sua outra extremidade. Por meio de exemplo, o elemento de comutação 242 é orientado na mesma direção que o elemento de comutação 238. O elemento de comutação 242 tem um terminal de conexão 221 (interior) e uma extremidade e 215 (exterior) em sua outra extremidade. O elemento de comutação 271 inclui comutadores de potência 244 e 246 que são inversamente acoplados em série.

[083] De maneira adicional, o elemento de comutação 271 tem um terminal de conexão 219 (interior) e uma extremidade. Um terminal de conexão (exterior) do elemento de comutação 271 é acoplado a um terminal de conexão 216 definido entre os capacitores 212 e 214 do módulo de capacitor 210. Além disso, as extremidades do capacitor 212 são acopladas aos dois terminais de conexão 211 e 216, respectivamente. De maneira similar, duas extremidades do segundo capacitor 214 são acopladas aos dois terminais de conexão 216 e 215, respectivamente.

[084] A título de revisão, as estruturas de célula NPP aninhadas são formadas acoplando-se os terminais de conexão 237 e 235 em conjunto, acoplando-se os terminais de conexão 219 e 239 em conjunto, e acoplando-se os terminais de conexão 241 e 221, em conjunto. Em outras realizações, conexões similares podem ser efetuadas para formar uma topologia de conversor de nível mais alto conectando-se mais de três módulos de conversor de seis terminais.

[085] Na Figura 4, os terminais de conexão 225, 227, 229 (isto é, terminais interiores) da célula interna 200, são conectados à porta CA 260 para receber ou fornecer tensão CA. De maneira adicional, o terminal de conexão 211 é acoplado à porta CC 202 através da primeira linha CC 206. O terminal de conexão 215 é acoplado à porta CC 204 através da linha CC 208. Dessa maneira, os terminais de conexão 211 e 215 são configurados para receber ou fornecer tensões CC.

[086] A Figura 5A é uma ilustração de um diagrama de nível de tensão de máquina de estado para duas células aninhadas estrutura (célula interna 200 e célula externa 201). Na Figura 5A, um primeiro dígito dentro de cada figura oval 560 representa um estado da célula externa 201. Um segundo dígito dentro da figura oval 560 representa um estado da célula interna 200. Conforme mostrado na Figura 5A, por exemplo, dois estados igualmente válidos podem ocorrer para produzir os mesmos níveis de saída de tensão de 1 e -1, respectivamente, conforme ilustrado em maiores detalhes abaixo com referência às Figuras. 5B e 5C.

[087] A Figura 5B é uma ilustração tabular dos estados de comutação para controlar as estruturas de célula internas e externas 200 e 201 das Figuras 5A e 5B configuradas na perna de fase 220 da Figura 4. A primeira perna de fase 220 pode ser controlada para fornecer uma tensão de saída que tem cinco níveis de tensão diferentes 501. Os níveis de tensão 501 são produzidos controlando-se seletivamente os comutadores de célula externa 201 (comutadores de nível T) através dos estados de comutação 502 e os comutadores de célula interna 200 (comutadores de nível S) através dos estados de comutação 504.

[088] A Figura 5C é uma ilustração gráfica que inclui sinais de temporização 512 e 514 e a forma de onda de tensão de saída resultante 511. Na Figura 5C, por exemplo, os sinais de temporização 512 são representativos dos estados de comutação 502 (consulte a Figura 5B) para os componentes (Figura 3) dentro da célula externa 201. De maneira similar, os sinais de temporização 514 são representativos dos estados de comutação 504 para os componentes (Figura 5B) dentro da célula interna 200.

[089] A aplicação sequencial dos sinais de temporização 512 e 514 nas células internas e externas 201 e 200 produz a tensão de saída que tem múltiplos níveis e um padrão selecionável. De maneira mais específica, o padrão da tensão de saída 511 pode se assemelhar a um padrão sinusoidal. A forma de onda 511 é produzida como uma saída multinível da primeira perna de fase 220 do conversor multifásico 700 (ou 122), mostrado na Figura 5C. Outros padrões de forma de onda não sinusoidal são realizáveis e são abrangidos pelo escopo da presente invenção.

[090] Por meio de exemplo, na ilustração da Figura 5C, os sinais de temporização 512 são aplicados através dos respectivos sinais de controle 325, 327, 329, e 331, conforme descrito acima. De maneira similar, os sinais de temporização 514 são aplicados através dos respectivos sinais de controle 309, 315, 311, e 313. Os sinais de controle, mostrados nas Figuras 5A e 5B, podem ser subsinais dos sinais de controle 106, gerados pelo único dispositivo de controle 140.

[091] De maneira alternativa, os sinais de controle mostrados nas Figuras 5A e 5B podem ser gerados por múltiplos dispositivos de controle.

[092] A Figura 5D é uma ilustração de uma forma de onda de tensão de saída 550 do conversor multifásico de acordo com as realizações. Conforme mostrado na Figura 5D, através do uso de um conversor que tem uma estrutura de célula aninhada e múltiplas pernas de fase, uma perna de fase do conversor pode fornecer uma tensão de saída que tem cinco ou mais níveis na forma de semelhança substancial da forma de onda de corrente alternada desejada.

[093] Nas realizações, a tensão de capacitor volante é mantida usando os estados de comutação redundantes. Conforme usado no presente documento, a expressão "estados de comutação redundantes" significa que a mesma saída de nível comandada pode ser proporcionada fornecendo-se sinais de comutação que têm combinações diferentes de estados de comutação para a pluralidade de comutadores de potência dentro do conversor. O uso de estados de comutação redundantes permite que o padrão de pulso dos sinais de pulso individuais seja selecionado, de modo que os objetivos de controle adicionais sejam atingidos além das formas de onda de tensão de saída desejadas. Esses objetivos de controle adicionais podem incluir (a) regulação de tensão de capacitor volante em um valor predeterminado; e (b) equilíbrio de estresse térmico dos comutadores de potência em diferentes posições de comutação.

[094] Nas realizações ilustrativas, a tensão de saída das estruturas de célula aninhada é dependente do grau no qual a tensão dos capacitores volantes, tais como, as tensões ao longo dos capacitores volantes 261/263, pode ser regulada em um valor predeterminado. Por meio de exemplo, essa regulação é atingida controlando-se ativamente a corrente que flui através dos capacitores volantes através do uso de estados de comutação redundantes para carregar e descarregar o capacitor volante. Essas técnicas de compensação podem ser implantadas, por exemplo, conforme revelado no pedido de patente U.S. intitulado "Improved Modulation Scheme for Power Conversion System and Method”, número do dossiê do advogado 267333, depositado em 24 de outubro de 2013, os conteúdos do mesmo são incorporados a título de referência em sua totalidade.

[095] De maneira mais específica, a Figura 6A é uma ilustração de uma trajetória de fluxo de corrente de primeiro estágio através de uma perna de fase de conversor de potência genérica 600, similar à perna de fase 220, da Figura 4, de acordo com outra realização. A Figura 6B é uma ilustração de uma trajetória de fluxo de segundo estágio através da perna de fase de conversor de potência genérica 600 da Figura 6A.

[096] A título de contexto, a saída de tensão final de uma estrutura de célula aninhada, tal como, a estrutura aninhada 220 da Figura 4, é a soma da saída da célula de três níveis externa 201 e da célula de três níveis interna 200. Ou seja, a saída de tensão final é a soma dos estados das duas células NPP de três níveis. O uso dos estados de comutação redundantes alavanca a estrutura interna das células aninhadas para atingir objetivos de controle e operação adicionais, tal como, a regulação de tensão de capacitor volante e/ou equilíbrio de estresse térmico nos comutadores de potência.

[097] Por exemplo, na estrutura 220, para gerar "1" como a tensão na saída 260, a saída da célula externa 201 e da célula interna 200 pode ser "1" e "0”, respectivamente. De maneira alternativa, a saída pode ser "0" e "1”, produzindo um nível de tensão de saída idêntico. Entretanto, as trajetórias de corrente que passam para os capacitores volantes correspondentes podem ser opostas, fazendo com que um carregue e o outro descarregue o capacitor volante 602.

[098] Na Figura 6A, o capacitor volante 602 é um capacitor através do qual há uma necessidade de regular as características operacionais no mesmo, tal como, a tensão. Uma primeira trajetória de corrente 604 mostra corrente que flui até o capacitor volante 602 e até uma saída 606. Ou seja, na Figura 6A, quando um nível de tensão de saída de "1" for requerido na porta de saída 606, uma primeira trajetória de corrente 604 ou uma segunda trajetória de corrente 608 pode ser selecionada. Devido à redundância de estados de comutação para operar a pluralidade de elementos de comutação, a primeira ou segunda trajetória de corrente 604 e 608 (consulte a Figura 6B) pode ser formada, de modo que o capacitor volante 602 possa ser carregado e/ou descarregado para regulação de sua tensão.

[099] Por exemplo, os sinais de informações de tensão de capacitor volante recebidos por um controlador 140' (descrito abaixo) podem indicar que o capacitor volante 602 se encontra em uma condição de sobretensão ou tem uma tensão maior que um nível de tensão predeterminado. Como um resultado, o controlador é configurado para gerar os sinais de pulso individuais que têm uma primeira combinação de estados de comutação, mostrado na Figura 6B, para permitir que o capacitor volante 602 seja descarregado.

[0100] De maneira alternativa, os sinais de informações de tensão de capacitor volante recebidos pelo controlador podem indicar que o capacitor volante 602 se encontra em uma condição de subtensão ou tem uma tensão menor que um valor predeterminado. Aqui, o gerador de padrão de pulso é configurado para gerar os sinais de pulso individuais que têm uma segunda combinação de estados de comutação, conforme mostrado na Figura 6A, para permitir que o capacitor volante 602 seja carregado. Consequentemente, as tensões no capacitor volante 602 e no capacitor volante 610 podem ser dinamicamente reguladas em cada ciclo de comutação.

[0101] A Figura 7 é uma ilustração do diagrama de blocos de um conversor multifásico 700 formado por três pernas de fase separadas 220, 250, e 280, de acordo com as realizações. A perna de fase 220 inclui a única célula NPP de 3 níveis 200 da Figura 1A configurada como uma célula interna enrolada dentro de uma célula externa 201. Cada uma das pernas de fase 220, 250, e 280 é uma única fase (por exemplo, 120° de deslocamento de fase umas das outras) de um conversor multifásico. Para propósitos de ilustração e simplificação, a Figura 7 é discutida dentro do contexto do conversor 700. Maiores detalhes das estruturas de célula aninhada foram fornecidos na discussão acima, particularmente, na discussão da Figura 4 acima.

[0102] Na Figura 7, cada uma das pernas de fase 220, 250, 280 é acoplada entre a primeira e a segunda linha CC 206 e 208 para receber uma tensão CC a partir de um enlace CC 210 e fornecer uma tensão de saída nas portas de saída correspondentes 260, 265, e 285. Embora a discussão detalhada abaixo se dirija principalmente à primeira perna de fase 220, a discussão refere-se igualmente às pernas de fase 250 e 280. Desse modo, uma discussão detalhada das pernas de fase 250 e 280 não será fornecida no presente documento.

[0103] As pernas de fase 220, 250, e 280 fornecem tensões CA de primeira, segunda e terceira fase correspondentes através das portas de saída 260, 265, e 285, respectivamente. Por meio de exemplo, as tensões CA de primeira, segunda e terceira fase podem ser deslocadas umas das outras em 120 graus.

[0104] Quando o conversor 700 é implantado como um conversor CA-CC, as portas de saída 260, 265, e 285 podem ser configuradas de maneira alternativa como portas de entrada CA para receber as tensões de entrada CA. De maneira similar, a primeira e a segunda porta 202 e 204 podem ser configuradas como portas de saída CC para emitir tensões CC. Para as conversões CC-CA e CC-CC, essas portas podem ser configuradas e conectadas de uma maneira consequentemente similar.

[0105] A Figura 8, por exemplo, é uma ilustração de uma estrutura NPP aninhada de 7 níveis 800 de acordo com uma realização alternativa da presente invenção. Ou seja, a estrutura NPP (por exemplo, perna de fase) 800 é capaz de produzir uma tensão de saída de 7 níveis. A estrutura NPP 800, de acordo com as estruturas de célula NPP descritas acima, inclui as células 200 e 201, descritas acima. Entretanto, a estrutura 800 também inclui uma terceira célula - uma célula externa 203. Desse modo, a estrutura 800 inclui três células de 3 níveis NPP básicas em uma disposição aninhada.

[0106] A Figura 9 é uma ilustração do diagrama de blocos de um sistema de conversão de potência 900 no qual as realizações da presente invenção podem ser praticadas. Por meio de exemplo, e sem limitação, o sistema 900 inclui uma topologia NPP aninhada. Na Figura 9, o sistema 900 é um sistema de conversão multinível para atingir qualidade de potência e densidade de potência mais altas. O sistema 900 inclui um módulo conversor de potência 120 acoplado ao dispositivo de controle 140.

[0107] O módulo conversor de potência 120 inclui um primeiro conversor 122, um enlace CC/dispositivo de armazenamento de energia 124 e um segundo conversor 700. Apenas por meio de exemplo, o primeiro conversor 122 converte uma primeira potência CA 102 a partir de um primeiro dispositivo de potência, tal como, uma fonte de potência 110 (por exemplo, rede elétrica) em potência CC 123 (por exemplo, tensão CC). Os conversores 122 e 700 podem incluir pelo menos uma célula NPP de 3 níveis básica configurada em uma topologia aninhada, conforme discutido acima com referência às Figuras 1A a 2B.

[0108] Um componente de enlace CC dentro do dispositivo 124 pode incluir um ou mais capacitores para filtrar a tensão CC 123 emitida a partir do primeiro conversor 122 para fornecer uma tensão CC filtrada para o segundo conversor 700. No módulo conversor de potência 120, o segundo conversor 700 converte a tensão CC filtrada em uma segunda tensão CA 104 (discutida em maiores detalhes abaixo). A segunda tensão CA 104 é emitida para um segundo dispositivo de potência, tal como, uma carga de potência 130 (por exemplo, um motor elétrico CA).

[0109] De maneira mais específica, o sistema de conversão de potência 900 inclui pelo menos uma célula NPP de 3 níveis configurada em uma estrutura aninhada que fornece conversão de potência multinível mais eficiente para aplicações de alta potência, assim como, para aplicações de frequência baixa e variável. No exemplo da Figura 9, a energia elétrica de frequência fixa 102 (por exemplo, 50 ou 60 hertz de CA) é convertida em energia elétrica de frequência variável 104. A energia elétrica de frequência variável 104 é fornecida para a carga de potência 130 (por exemplo, tal como, um motor). O sistema de conversão de potência 900 também pode incluir um componente de armazenamento de energia dentro do dispositivo 124, para armazenar a potência CC fornecida a partir do primeiro conversor 122.

[0110] A Figura 10 é uma ilustração do diagrama de blocos 1000 de um dispositivo de controle 140' e uma estrutura de célula aninhada 220 construída para implantar a técnica de estado de comutação redundante observada acima. O sistema da Figura 10 é configurado para equilibrar as tensões de capacitor volante regulando-se ativamente a corrente que flui através dos capacitores volantes 261/263 do módulo de capacitor 226 através do uso de estados de comutação redundantes.

[0111] Na Figura 10, o dispositivo de controle 140' é similar ao dispositivo de controle 140 das Figuras. 1A e 9. O dispositivo de controle 140', entretanto, inclui funcionalidade adicional para implantar o processo de estados redundantes discutido acima.

[0112] O dispositivo de controle 140' inclui um modulador de alta ordem 1002 configurado para gerar sinais de pulso multiníveis iniciais 1003 através de um ou mais métodos de modulação. Os sinais de pulso multiníveis iniciais 1003 não são diretamente transmitidos para acionar a perna de fase aninhada 220. Em vez disso, os sinais de pulso multiníveis iniciais 1003 são usados para gerar os sinais de pulso individuais que, por sua vez, são usados para acionar uma pluralidade de elementos de comutação da perna de fase 220.

[0113] No sistema da Figura 10, as tensões (Vfc212, Vfc214, Vfc261, e Vfc263,) dos capacitores volantes 261/263 podem ser diretamente obtidas em tempo real usando um ou mais sensores de tensão (não mostrados) em associação com os capacitores flutuantes. Essas tensões em tempo real são fornecidas para o controlador 140' através de sinais de informações de tensão 1010 e 1012. Em outras realizações, as tensões de capacitor volante (Vfc212, Vfc214, Vfc261 e Vfc263) podem ser indiretamente obtidas através de cálculo ou previsão. O gerador de pulso 1000 fornece o primeiro e o segundo sinal de controle de nível 1014 e 1016, respectivamente, para controlar a operação das células aninhadas 200 e 201 para sintetizar a tensão de saída desejada, enquanto atinge os objetivos de controle adicionais, tal como, regulação de tensões ao longo dos capacitores volantes (Vfc212, Vfc214, Vfc261 e Vfc263), e/ou equilíbrio de estresse térmico dos comutadores de potência.

[0114] Na estrutura aninhada 220 da Figura 10, quando inúmeros níveis de saída de tensão, tais como, os níveis de tensão 501 da Figura 5C são desejados, a técnica de estados de comutação redundantes discutida acima pode ser aplicada. Por exemplo, devido aos estados de comutação redundância para operar os comutadores de potência dentro da célula interna 200 e da célula externa 201, uma pluralidade de trajetórias de corrente pode ser formada. Essas trajetórias de corrente permitem que a corrente passe através dos comutadores de circuito selecionados, de modo que o capacitor volante 261/263 possa ser carregado e/ou descarregado para manter suas tensões em níveis predeterminados. Essa operação pode correr dentro dos princípios operacionais dos dispositivos de comutação de nível S e nível L discutidos acima, por exemplo, em relação às Figuras. 5A e 5B.

[0115] A Figura 11 é um fluxograma de um método 1100 para praticar uma realização da presente invenção. Na Figura 11, o método 1100 é fornecido para controlar uma saída de um sistema de conversão de potência que inclui duas ou mais células. Cada uma das duas ou mais células contém uma pluralidade de elementos de comutação, em que pelo menos uma das células é uma célula NPP de 3 níveis.

[0116] Para facilidade de descrição, uma ou mais etapas ou operações incluídas no método 1100 são agrupadas em blocos. No entanto, um técnico no assunto irá compreender prontamente que as operações descritas em cada bloco podem ser realizadas de maneira independente, sequencial ou assíncrona, sem se afastar do escopo da presente invenção.

[0117] O método 1100 inclui um primeiro bloco 1102 que compreende controlar de maneira sequencial cada um dentre a pluralidade de elementos de comutação em uma primeira célula através dos primeiros sinais de controle, sendo que a etapa para controlar de maneira sequencial é responsiva a um primeiro estado de comutação. O método 1100 inclui adicionalmente um segundo bloco 1104 que compreende controlar de maneira sequencial cada um dentre a pluralidade de elementos de comutação na segunda célula através dos segundos sinais de controle, sendo que o controle de segunda célula é responsivo a um segundo estado de comutação. O método 1100 inclui adicionalmente um bloco 1106, quando um dos elementos de comutação da primeira ou da segunda célula é LIGADO, todos os outros elementos de comutação dentro da respectiva célula são DESLIGADOS.

[0118] A Figura 12 é uma ilustração do diagrama de blocos de um sistema de computador 1200 no qual os aspectos da presente invenção podem ser implantados. O sistema de computador 1200 inclui um ou mais processadores, tal como, o processador 1204. O processador 1204 pode ser um processador de propósito geral, tal como, uma unidade de processamento central (CPU) ou um processador de propósito especial, tal como, uma unidade de processador gráfico (GPU). O processador 1204 é conectado a uma infraestrutura de comunicação 1206 (por exemplo, um barramento de comunicações, barra de cruzamento ou rede). Diversas realizações de software são descritas nos termos desse sistema de computador. Após a leitura dessa descrição, será tornará aparente para um técnico no assunto relevante como implantar a invenção usando outros sistemas e/ou arquiteturas de computador.

[0119] O sistema de computador 1200 pode incluir um sistema de processamento gráfico 1202 que realiza simulação física e tarefas de processamento gráfico para renderizar imagens para uma tela associada 1230. O sistema de computador 1200 também inclui uma memória principal 1208, de preferência, memória de acesso aleatório (RAM) e, também pode incluir uma memória secundária 1210.

[0120] A memória secundária 1210 pode incluir, por exemplo, uma unidade de disco rígido 1212 e/ou uma unidade de armazenamento removível 1214, que representa uma unidade de disquete, uma fita magnética drive, uma unidade de disco óptico etc. A unidade de armazenamento removível 1214 lê a partir de e/ou grava em uma unidade de armazenamento removível 1216. A unidade de armazenamento removível 1216 representa uma unidade de barramento serial universal (USB), unidade flash, fita magnética, disco óptico etc. que é lido e gravado pela unidade de armazenamento removível 1214. Conforme será avaliado, a unidade de armazenamento removível 1216 inclui um meio de armazenamento utilizável por computador que tem armazenado no mesmo software e/ou dados de computador.

[0121] Nas realizações alternativas, a memória secundária 1210 pode incluir outros dispositivos similares para permitir que os programas de computador ou outras instruções sejam carregadas no sistema de computador 1200. Tais dispositivos podem incluir, por exemplo, uma unidade de armazenamento removível 1222 e uma interface 1220. Os exemplos disso podem incluir um cartucho de programa e cartucho de interface, um chip de memória removível (tal como uma memória somente leitura programável apagável (EPROM), ou memória somente leitura programável (PROM)) e soquete associado, e outras unidades de armazenamento removível 1222 e interfaces 1220, que permitem que o software e dados sejam transferidos a partir da unidade de armazenamento removível 1222 para o sistema de computador 1200.

[0122] O sistema de computador 1200 também pode incluir uma interface de comunicações 1224. A interface de comunicações 1224 permite que o software e dados sejam transferidos entre o sistema de computador 1200 e os dispositivos exteriores. Os exemplos de interface de comunicações 1224 podem incluir um modem, uma interface de rede (tal como, placa Ethernet), uma porta de comunicações, um slot e cartão de Associação Internacional de cartão de memória de computador pessoal (PCMCIA), etc.

[0123] O software e os dados transferidos através da interface de comunicações 1224 se encontram na forma de sinais 1228 que podem ser eletrônicos, eletromagnéticos, ópticos ou outros sinais capazes de ser recebidos pela interface de comunicações 1224. Esses sinais 1228 são fornecidos para a interface de comunicações 1224 através de uma trajetória de comunicações (por exemplo, canal) 1226. Esse canal 1226 transmite sinais 1228 e pode ser implantado usando um fio ou cabo, fibra óptica, uma linha de telefone, um enlace celular, um enlace de radiofrequência (RF) e outros canais de comunicações.

[0124] Neste documento, os termos "meio de programa de computador" e "meio utilizável por computador" são usados geralmente para se referir aos meios, tais como, uma unidade de armazenamento removível 1214, um disco rígido instalado na unidade de disco rígido drive 1212 e os sinais 1228. Esses produtos de programa de computador fornecem software para o sistema de computador 1200.

[0125] Os programas de computador (também referidos como lógica de controle de computador) são armazenados na memória principal 1208 e/ou memória secundária 1210. Os programas de computador também podem ser recebidos através da interface de comunicações 1224. Tais programas de computador, quando executados, permitem que o sistema de computador 1200 realize funções da presente invenção, conforme discutido no presente documento. Consequentemente, tais programas de computador representam os controladores do sistema de computador 1200.

[0126] Em uma realização, onde a invenção é implantada usando software, o software pode ser armazenado em um produto de programa de computador e carregado no sistema de computador 1200 usando a unidade de armazenamento removível 1214, disco rígido 1212 ou interface de comunicações 1224. A lógica de controle (software), quando executada pelo processador 1204, faz com que o processador 1204 realize as funções da invenção, conforme descrito no presente documento.

CONCLUSÃO

[0127] As realizações, exemplos e modificações alternativos que ainda podem ser englobados pelos ensinamentos apresentados no presente documento podem ser realizados por aqueles técnicos no assunto, particularmente, à luz da descrição detalhada anterior. Ademais, deve-se compreender que a terminologia usada no presente documento se destina a se encontrar na natureza das palavras da descrição, em vez de limitação.

[0128] Aqueles técnicos no assunto também irão avaliar que diversas adaptações e modificações das realizações preferidas e alternativas descritas acima podem ser configuradas sem se afastar do escopo da invenção. Portanto, deve-se compreender que, abrangida pelo escopo das reivindicações anexas, a invenção pode ser praticada além da maneira especificamente descrita no presente documento.

Claims (10)

1. PERNA DE FASE (220, 250, 280) DE CONVERSOR DE POTÊNCIA, compreendendo: uma célula interna (200) compreendendo: primeiro, segundo, terceiro, quarto, quinto e sexto terminais de conexão interiores (235, 241, 239, 225, 229, 227); pelo menos um capacitor (261) acoplado entre o primeiro e o terceiro terminais de conexão interiores (235, 239), e pelo menos um capacitor (263) acoplado entre o segundo e o terceiro terminais de conexão interiores (241, 239), os capacitores (261, 263) definindo um módulo de capacitor interior (226); e uma pluralidade de elementos de comutação interiores incluindo um primeiro elemento de comutação (228) interior acoplado entre o primeiro e o quarto terminais de conexão interiores (235, 225), um segundo elemento de comutação interior (232) acoplado entre o segundo e o quinto terminais de conexão interiores (241, 229), e um terceiro elemento de comutação interior (205) acoplado entre o terceiro e o sexto terminais de conexão interiores (239, 227); uma célula externa (201) compreendendo: primeiro, segundo, terceiro, quarto, quinto e sexto terminais de conexão exteriores (211, 215, 216, 237, 221, 219); pelo menos um capacitor (212) acoplado entre o primeiro e o terceiro terminais de conexão exteriores (211, 216), e pelo menos um capacitor (214) acoplado entre o segundo e o terceiro terminais de conexão exteriores (215, 216), os capacitores (212, 214) definindo um módulo de capacitor exterior (210); e uma pluralidade de elementos de comutação exteriores incluindo um primeiro elemento de comutação exterior (238) acoplado entre o primeiro e o quarto terminais de conexão exteriores (211, 237), um segundo elemento de comutação exterior (242) acoplado entre o segundo e o quinto terminais de conexão exteriores (215, 221), e um terceiro elemento de comutação exterior (271) acoplado entre o terceiro e o sexto terminais de conexão exteriores (216, 219); caracterizada pelos elementos de comutação interiores (228, 232, 205) serem configurados para operação mutuamente exclusiva através de um dispositivo de controle (140); em que os elementos de comutação exteriores (238, 242, 271) são configurados para operação mutuamente exclusiva através do dispositivo de controle (140); e em que o primeiro, segundo e terceiro terminais de conexão interiores (235, 241, 239) da célula interna (200) são acoplados respectivamente ao quarto, quinto e sexto terminais de conexão exteriores (237, 221, 219) da célula externa (201) e o quarto, quinto e sexto terminais de conexão interiores (225, 229, 227) da célula interna (200) são acoplados em conjunto e a uma porta CA (260) para formar uma estrutura aninhada.

2. PERNA DE FASE (220, 250, 280), de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo primeiro, segundo e terceiro terminais de conexão exteriores (211, 215, 216) da célula externa (201) serem acopláveis a terminais de conexão de uma segunda célula externa (203).

3. PERNA DE FASE (220, 250, 280), de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo primeiro e segundo terminais de conexão exteriores (211, 215) da célula externa (201) serem acopláveis a uma primeira e segunda linhas CC (206, 208) de um conversor.

4. PERNA DE FASE (220, 250, 280) DE CONVERSOR DE POTÊNCIA, compreendendo: uma célula interna (200) compreendendo: primeiro, segundo, terceiro, quarto, quinto e sexto terminais de conexão interiores (235, 241, 239, 225, 229, 227); pelo menos um capacitor (261) acoplado entre o primeiro e o terceiro terminais de conexão interiores (235, 239), e pelo menos um capacitor (263) acoplado entre o segundo e o terceiro terminais de conexão interiores (241, 239), os capacitores (261, 263) definindo um módulo de capacitor interior (226); e uma pluralidade de elementos de comutação interiores incluindo um primeiro elemento de comutação (228) interior acoplado entre o primeiro e o quarto terminais de conexão interiores (235, 225), um segundo elemento de comutação interior (232) acoplado entre o segundo e o quinto terminais de conexão interiores (241, 229), e um terceiro elemento de comutação interior (205) acoplado entre o terceiro e o sexto terminais de conexão interiores (239, 227); uma célula externa (201) compreendendo: primeiro, segundo, terceiro, quarto, quinto e sexto terminais de conexão exteriores (211, 215, 216, 237, 221, 219); pelo menos um capacitor (212) acoplado entre o primeiro e o terceiro terminais de conexão exteriores (211, 216), e pelo menos um capacitor (214) acoplado entre o segundo e o terceiro terminais de conexão exteriores (215, 216), os capacitores (212, 214) definindo um módulo de capacitor exterior (210); e uma pluralidade de elementos de comutação exteriores incluindo um primeiro elemento de comutação exterior (238) acoplado entre o primeiro e o quarto terminais de conexão exteriores (211, 237), um segundo elemento de comutação exterior (242) acoplado entre o segundo e o quinto terminais de conexão exteriores (215, 221), e um terceiro elemento de comutação exterior (271) acoplado entre o terceiro e o sexto terminais de conexão exteriores (216, 219); caracterizada pelos elementos de comutação interiores (228, 232, 205) serem configurados para operação mutuamente exclusiva através de um dispositivo de controle (140); em que os elementos de comutação exteriores (238, 242, 271) são configurados para operação mutuamente exclusiva através do dispositivo de controle (140); e em que o primeiro e segundo terminais de conexão exteriores (211, 215) da célula externa (201) são acoplados respectivamente a primeira e segunda linhas CC (206, 208) de um conversor de potência, e o quarto, quinto e sexto terminais de conexão exteriores (237, 221, 219) da célula externa (201) são acoplados respectivamente ao primeiro, segundo e terceiro terminais de conexão interiores (235, 241, 239) da célula interna (200) para formar uma estrutura aninhada.

5. PERNA DE FASE (220, 250, 280), de acordo com a reivindicação 4, caracterizada pelo quarto, quinto e sexto terminais de conexão interiores (225, 229, 227) da célula interna (200) serem acopláveis a terminais de conexão de uma segunda célula interna.

6. PERNA DE FASE (220, 250, 280), de acordo com a reivindicação 4, caracterizada pelo quarto, quinto e sexto terminais de conexão interiores (225, 229, 227) da célula interna (200) serem acoplados em conjunto e a uma porta CA (260).

7. PERNA DE FASE (220, 250, 280), de acordo com qualquer uma das reivindicações 4 a 6, caracterizada pelas células interna e externa (200, 201) serem configuradas para produzir cooperativamente uma saída multinível, a saída multinível opcionalmente incluindo três ou mais níveis.

8. CONVERSOR, compreendendo: uma primeira linha CC (206); uma segunda linha CC (208); caracterizado por pelo menos uma perna de fase de conversor de potência (220, 250, 280), conforme definida em qualquer uma das reivindicações 1 a 7, ser acoplada entre a primeira e segunda linhas CC (206, 208).

9. MÉTODO (1100) DE OPERAÇÃO DE UMA PERNA DE FASE (220, 250, 280), conforme definida em qualquer uma das reivindicações 1 a 7, caracterizado por (i) antes de um dos elementos de comutação (228, 238, 232, 242, 205, 271) particular se tornar inativo, um dos um ou mais comutadores de potência (234, 236, 244, 246, 316, 318) de outro elemento de comutação (228, 238, 232, 242, 205, 271) se tornam ativos; e (ii) após aquele em particular dos elementos de comutação (228, 238, 232, 242, 205, 271) se tornar inativo, outro dos um ou mais comutadores de potência (234, 236, 244, 246, 316, 318) do outro elemento de comutação (228, 238, 232, 242, 205, 271) se torna ativo.

10. MÉTODO (1100), de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo outro elemento de comutação (228, 238, 232, 242, 205, 271) se tornar ativo quando todos os comutadores de potência (234, 236, 244, 246, 316, 318) são ativos.

Images