BR112015004807B1

BR112015004807B1 - Aparelho conversor de potência e método de controlar o mesmo

Info

Publication number: BR112015004807B1
Application number: BR112015004807-2A
Authority: BR
Inventors: Yuusuke KOUNO; Kentaro Suzuki; Ryuta Hasegawa; Tomoyuki MAKINO; Yosuke Nakazawa
Original assignee: Kabushiki Kaisha Toshiba
Priority date: 2013-01-24
Filing date: 2014-01-22
Publication date: 2022-01-25
Also published as: US9450509B2; JP5872494B2; JP2014143854A; CN104620489A; EP2949034B1; EP2949034A4; IN2015DN01031A; KR20150038116A; WO2014115539A1; CN104620489B; US20140203632A1; BR112015004807A2; KR101724217B1; ZA201501244B; EP2949034A1

Abstract

APARELHO CONVERSOR DE ENERGIA. A presente invenção refere-se a um aparelho conversor de energia compreendendo um primeiro conversor conectado com um segundo conversor. O primeiro conversor inclui um primeiro capacitor e, o segundo conversor inclui um segundo capacitor conectado em série com um terceiro capacitor. Cada um dos capacitores é conectado em paralelo com o respectivo resistor. O aparelho conversor de energia também inclui uma chave de desvio conectada em paralelo com o primeiro conversor, e conectada em série com o segundo conversor. Um módulo de controle é configurado para controlar uma voltagem de saída de fase única, via operação do primeiro conversor, segundo conversor, e chave de desvio.

Description

Campo Técnico

[001] As modalidades descritas nesta relacionam-se geralmente a um aparelho conversor de potência.

Técnica Antecedente

[002] Convencionalmente, é frequente o caso em que um conversor inclui um circuito de fixação de diodo nível 3. Com respeito a tal conversor, há uma demanda por uma miniaturização de um dispositivo conversor usando um dispositivo de baixa perda, tal como, por exemplo, um elemento de carbeto de silício. No entanto, até agora com os elementos de carbeto de silício correntemente disponíveis, não há elemento conhecido que suporte uma alta tensão. Por conseguinte, faz-se necessário arranjar os elementos de carbeto de silício em série ou adotar multiníveis, onde o elemento carbeto de silício é combinado com um elemento de silício existente. Destes métodos, o arranjo dos elementos em série apresenta um número de inconvenientes, tal como, por exemplo, o aumento das perdas por resistência, aumento do número total de componentes, e a necessidade de controlar o equilíbrio. Portanto, o arranjo em multiníveis é visto como mais prático que um arranjo de elementos em série.

[003] Com respeito à técnica de arranjo em multiníveis, um método de capacitores de fuga (Flying Capacitors) foi proposto como método onde o número de elementos de chaveamento pode ser reduzido em relação ao número de níveis de uma tensão de saída. No entanto, o número de capacitores é aumentado em tal método.

[004] Um método de travamento de capacitor (Diode-Clamping) foi proposto para limitar o aumento do número de capacitores em um dispositivo multinível. No método de travamento de capacitor, faz-se necessário um círculo de equilíbrio tendo uma tensão de capacitor de filtro, de modo a haver a possibilidade de aumentar o tamanho do dispositivo conversor. Além do método de travamento de capacitor, outros métodos incluem método de cascata, onde pontos de entradas/saída CA (Corrente Alternada) de conversores de ponte completa de fase única (inversor) são conectados em série, e método de controle de escala de cinza.

[005] Na técnica pertinente, o número de capacitores pode ser reduzido, e ainda garantir uma alta resistência à ruptura elétrica. No entanto, o número de elementos de chaveamento aumenta com o número de níveis da tensão de saída e, portanto, tornando difícil a miniaturização do dispositivo conversor.

[006] Por conseguinte, é considerado o uso de um conversor multinível, onde uma pluralidade de conversores de diferentes níveis é conectada em série. No entanto, um circuito que suprime a sobre- tensão de um capacitor do conversor de nível se torna necessário para cada conversor de nível. Embora um circuito de proteção para suprimir a sobretensão inclua um resistor de descarga para realizar uma descarga rápida, ainda é requerido que o circuito de proteção tenha uma capacidade que permita suportar uma grande corrente elétrica, por conseguinte, dando surgimento à tendência de os circuitos de proteção serem avantajados.

[007] O documento US2012/092915 descreve um aparelho conversor de potência que tem um inversor 1, outro inversor 2a conectado em série ao inversor 1 e capacitores de suavização CH, CL conectados ao lado da corrente direta do inversor 1. O documento DE19646043 descreve um sistema de fonte de alimentação que tem um conversor de tensão 15 conectado a uma bateria 16 e um inversor 14 conectado em série ao conversor de tensão 15 e a um iniciador/gerador 10. O documento JP2010-045935 descreve um circuito de descarga para um condensador que tem um inversor 19, condensadores 13, 14 conectados ao inversor 19 e um módulo semicondutor para descarregar os condensadores 13, 14.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO PROBLEMA A SER RESOLVIDO PELA INVENÇÃO

[008] À medida que o circuito de proteção para suprimir a sobretensão se torna maior, é difícil reduzir o tamanho do aparelho conversor de potência.

MEIOS PARA RESOLVER O PROBLEMA

[009] Um aparelho conversor de potência de acordo com a invenção inclui as características de acordo com a concretização 1.

Breve Descrição dos Desenhos

[0010] A Figura 1 representa um conversor multinível de um aparelho conversor de potência de acordo com uma primeira modalidade; A Figura 2 representa tensões de valor de comando para os respectivos conversores, que correspondem aos comandos de tensão de saída para o conversor multinível, de acordo com a primeira modalidade; A Figura 3 representa controles de chaveamento realizados pelos respectivos dispositivos de comutação incluídos em um conversor de nível 2 de fase única e conversor de nível 3 de fase única, de acordo com a primeira modalidade; A Figura 4 representa uma trajetória de corrente do conversor de nível 3 de fase única do conversor multinível, quando é satisfeita a condição Vthrl > Vref > Vthrl; A Figura 5 representa uma trajetória corrente de um conversor de nível 3 de fase única do conversor multinível, quando é satisfeita a condição Vthr1> Vref > Vthr1; A Figura 6 representa uma trajetória corrente do conversor de nível 3 de fase única, quando é satisfeita a condição Vthr1> Vref > Vthr1; A Figura 7 representa uma trajetória corrente, quando são operadas uma chave de desvio bidirecional e um circuito de supressão de sobretensão, de acordo com a primeira modalidade; A Figura 8 representa uma trajetória de corrente quando uma é operada chave de desvio bidirecional em um aparelho conversor de potência de acordo com uma modificação da primeira modalidade; A Figura 9 é um fluxograma que representa o processamento, quando é gerada uma sobretensão em um capacitor no aparelho conversor de potência de acordo com a modificação da primeira modalidade; A Figura 10 representa uma trajetória de corrente quando é operada uma chave de desvio bidirecional e um dispositivo de chaveamento de um conversor de nível 3 de fase única é colocado no estado DESLIGADO, em um controle realizado por um módulo de controle de acordo com uma segunda modalidade da primeira modalidade; A Figura 11 representa um conversor multinível de um aparelho conversor de potência, de acordo com a segunda modalidade; A Figura 12 representa uma trajetória corrente quando um módulo de controle de acordo com a segunda modalidade inicia o carregamento dos respectivos capacitores; A Figura 13 representa uma trajetória de corrente quando o módulo de controle de acordo com a segunda modalidade dá continuidade ao carregamento somente dos capacitores de um conversor de nível 3 de fase única, uma vez que a tensão inicial de um conversor de nível 2 de fase única tenha alcançado o valor de tensão desejado; e A Figura 14 é um fluxograma que representa as etapas de carregamento inicial no aparelho conversor de potência, de acordo com a segunda modalidade.

Descrição das Modalidades

[0011] De acordo com presente invenção, é provido um aparelho conversor de potência, que pode prover um controle apropriado enquanto inclui um nível reduzido de partes.

[0012] Em geral, de acordo com uma modalidade, um aparelho de conversão de potência inclui um primeiro conversor conectado com um segundo conversor. O primeiro conversor inclui um primeiro capacitor, e o segundo conversor inclui um segundo capacitor conectado em série com um terceiro capacitor. Cada um dos capacitores é conectado em paralelo com o respectivo resistor. O aparelho conversor de potência também inclui uma chave de desvio (bypass switch) conectada em paralelo com o primeiro conversor e em série com o segundo conversor. Um módulo de controle é configurado para controlar uma tensão de saída de fase única com a operação do primeiro conversor e segundo conversor, e chave de desvio.

[0013] Em geral, de acordo com outra modalidade, um aparelho conversor de potência para um veículo é um aparelho conversor de potência para converter potência CA de fase única em potência CC. O aparelho conversor de potência inclui um conversor de nível 2 de fase única um conversor de nível 3 de fase única e uma chave de desvio bidirecional. O conversor de nível 2 de fase única inclui um capacitor. No conversor de nível 2 de fase única, um primeiro e segundo dispositivos de chaveamento têm uma capacidade de auto-extinção de arco e são arranjados em paralelo com o capacitor e conectados como dois elementos em série, via um primeiro ponto de conexão conectado com uma fonte de potência, que supre potência CA de fase única a um terceiro e quarto dispositivos de chaveamento, que são arranjados em paralelo com o capacitor e conectados como elementos em série via um segundo ponto de conexão, e um diodo é conectado em reverso-paralelo com o dispositivo de chaveamento para cada dispositivo de chaveamento. O conversor de nível 3 de fase única inclui dois capacitores conectados em série. No conversor de nível 3 de fase única, um quinto e sexto dispositivos de chaveamento, arranjados em paralelo com os capacitores conectados em série, são conectados como dois elementos em série via um terceiro ponto de conexão conectado com o segundo ponto de conexão, um sétimo e oitavo dispositivos de chaveamento, arranjados em paralelo com os capacitores conectados como dois elementos em série, são conectados como dois elementos em série via um quarto ponto de conexão, uma chave bidirecional, onde um nono e décimo dispositivos de chaveamento são conectados em série com polaridades opostas, é provida em uma trajetória do quarto ponto de conexão a um ponto neutro, e um diodo é conectado em reverso-paralelo com o dispositivo de chaveamento para cada dispositivo de chaveamento. Na chave de desvio bidirecional, um décimo primeiro e décimo segundo dispositivos de chaveamento, conectados como dois elementos em série, são arranjados em paralelo com o conversor de nível 2 de fase única, e um diodo arranjado em reverso-paralelo com o décimo primeiro dispositivo de chaveamento, e um diodo arranjado em reverso-paralelo com o décimo segundo dispositivo de chaveamento são conectados entre si com polaridades opostas.

(Primeira Modalidade)

[0014] A Figura 1 representa um conversor multinível de um aparelho conversor de potência 11. O aparelho conversor de potência 11 pode ser montado, por exemplo, em um veículo, tal como um automóvel. Como mostrado na Figura 1, o conversor multinível 1, de acordo com esta primeira modalidade, é configurado de modo que um conversor de nível 3 de fase única 50 e conversor de nível 2 de fase única 40 sejam conectados em série.

[0015] O conversor multinível 1 é conectado a uma fonte CA 100 de um sistema de potência ou similar via um elemento passivo 2 tendo um componente de indutância. O conversor multinível 1 converte a potência CA de fase única em potência CC, em seguida supre potência CC a uma máquina eletricamente operada 3. Nesta modalidade, o veículo no qual um aparelho conversor de potência 11 está montado não constitui um aspecto limitante, e o aparelho conversor de potência 11 pode ser montado em vários tipos de veículo.

[0016] O conversor multinível 1 inclui um circuito de supressão de sobretensão 130 para suprimir a sobretensão nos capacitores 15a, 15b da seção de capacitor 150 no conversor de nível 3 de fase única. Uma chave de desvio bidirecional 120 é conectada em paralelo com o conversor de nível 2 de fase única 40.

[0017] O módulo de controle 180 controla o conversor de nível 3 de fase única 50, o conversor de nível 2 de fase única 40, e a chave de desvio bidirecional 120. Embora o módulo de controle 180 seja representado como conversor multinível externo 1, o módulo de controle 180 também pode ser incorporado no conversor multinível 1.

[0018] O conversor de nível 2 de fase única 40 é um conversor de fase única e inclui os dispositivos de chaveamento 4a a 4d, capacitor 14a, resistor 14c, e diodos (de refluxo) 6a a 6d. Os dispositivos de chaveamento 4a a 4d podem ser dispositivos de chaveamento autodesligáveis (por exemplo, transistores de porta de injeção melhorados, tiristores de porta de desligamento). O conversor de nível 2 de fase única 40 de acordo com esta modalidade é um dispositivo de Carbeto de Silício. Usando o dispositivo de Carbeto de Silício, as perdas por chaveamento podem ser reduzidas.

[0019] No conversor de nível 2 de fase única 40, os dispositivos de chaveamento 4a e 4b são conectados em série. O dispositivo de chaveamento 4a é conectado a um lado de potencial positivo do capacitor 14a e o dispositivo de chaveamento 4b conectado a um lado de potencial negativo do capacitor 14a. O conversor de nível 2 de fase única 40 tem um primeiro ponto de conexão 41 (ponto de entrada/ saída CA) entre o dispositivo de chaveamento 4a e o dispositivo de chaveamento 4b. O primeiro ponto de conexão 41 é conectado à fonte CA 100 via elemento passivo 2. O diodo 6a é conectado em reverso- paralelo com o dispositivo de chaveamento 4a, e o diodo 6b é conectado em reverso-paralelo com o dispositivo de chaveamento 4b.

[0020] A chave de desvio bidirecional 120 é conectada em paralelo com o conversor de nível 2 de fase única 40. A chave de desvio bidirecional 120, dispositivos de chaveamento 21a e 21b são conectados em série. Um diodo 22a é conectado em reverso- paralelo com o dispositivo de chaveamento 21a, e um diodo 22b é conectado em reverso-paralelo com o dispositivo de chaveamento 21b.

[0021] No conversor de nível 2 de fase única 40, os dispositivos de chaveamento 4c e 4d são conectados em série. O dispositivo de chaveamento 4c é conectado a um lado de potencial positivo do capacitor 14a e o dispositivo de chaveamento 4d conectado a um lado de potencial negativo do capacitor 14a. O conversor de nível 2 de fase única 40 tem uma segundo ponto de conexão 42 (ponto de entrada/saída CA entre o dispositivo de chaveamento 4c e dispositivo de chaveamento 4d que é conectado com o conversor de nível 3 de fase única. O diodo 6c é conectado em reverso-paralelo com dispositivo de chaveamento 4d. O resistor 14c é conectado em paralelo com o capacitor 14a.

[0022] A seguir, será explicado o conversor nível 3 de fase única 50, conectado entre o conversor de nível 2 de fase única e a máquina eletricamente operada 3. O conversor de nível 3 de fase única 50 inclui duas trajetórias de corrente, dispositivo de chaveamento bidirecional 5, seção de capacitor 150, e circuito de supressão de sobretensão 130. Todos os dispositivos de chaveamento 5a a 5f incluídos no conversor de nível 3 de fase única 50 podem ser um dispositivo de chaveamento autodesligável (por exemplo, transistores de porta de injeção melhorados, tiristores de porta de desligamento).

[0023] Uma das trajetórias de corrente no conversor de nível 3 de fase única 50 inclui o dispositivo de chaveamento 5a, dispositivo de chaveamento 5b, diodo 8a, e diodo 8b. Os dispositivos de chaveamento 5a e 5b são conectados em série. O dispositivo de chaveamento 5a é conectado entre o potencial positivo da seção de capacitor 150 e o ponto de entrada/ saída CA 42a (ponto de conexão entre o potencial negativo da seção de capacitor 150 e o ponto de entrada/saída CA 42). O dispositivo de chaveamento 5b é conectado entre um potencial negativo da seção de capacitor 150 e o ponto de entrada/saída CA 42a. O diodo 8a é conectado em reverso-paralelo com o dispositivo de chaveamento 5a, e o diodo 8b é conectado em reverso- paralelo com o dispositivo de chaveamento 5b.

[0024] A segunda das trajetórias de corrente do conversor nível 3 de fase única 50 inclui o dispositivo de chaveamento 5c, diodo 8c, e diodo 8d. Os dispositivos de chaveamento 5c e 5d são conectados em série. O dispositivo de chaveamento 5c é conectado entre um potencial positivo da seção de capacitor 150 e o ponto de entrada/saída CA 42b (um segundo ponto de conexão para a fonte CA 100 via meio passivo). O ponto de entrada/saída CA 42b também é conectado ao dispositivo de chaveamento bidirecional 7. O dispositivo de chaveamento 5d é conectado entre um potencial negativo da seção de capacitor 150 e o ponto de entrada/saída CA 42b. O diodo 8c é conectado em reverso-paralelo com o dispositivo de chaveamento 5c, e o diodo 8d é conectado em reverso-paralelo com o dispositivo de chaveamento 5d.

[0025] O dispositivo de chaveamento bidirecional 7, como descrito, é conectado ao ponto de entrada/saída CA 42b. O dispositivo de chaveamento bidirecional 7 inclui dispositivos de chaveamento 5e e 5f que são conectados entre si por polaridades opostas (por exemplo, terminal emissor com terminal emissor) e diodos 8e e 8f que são conectados em série por polaridades opostas (por exemplo, anodo com anodo). O diodo 8e é conectado em reverso-paralelo com o dispositivo de chaveamento 5e e o diodo 8f é conectado em reverso-paralelo com o dispositivo de chaveamento 5f. O dispositivo de chaveamento bidirecional 7 é conectado com a seção de capacitor 150.

[0026] A seção de capacitor 150 inclui capacitor 15a e capacitor 15b, resistor 15c e resistor 15d. Os capacitores 15a e 15b são conectados em série. Uma linha de potencial positivo 10a é conectada ao lado positivo do capacitor 15a e o ponto neutro 9 é conectado ao lado negativo do capacitor 15a. O ponto neutro 9 é conectado ao lado positivo do capacitor 15b, e a linha de potencial negativo 10b é conectada a um lado negativo do capacitor 15b. O resistor 15c é conectado em paralelo com o capacitor 15a, e o resistor 15d é conectado em paralelo com o capacitor 15b. No conversor de nível 3 de fase única 50, de acordo com esta primeira modalidade, um resistor é conectado em paralelo com cada capacitor. A seção de capacitor 150 é conectada no ponto entre capacitores 15a, 15b com o circuito de supressão de sobretensão 130. Em outras palavras, como na Figura 1, um ponto entre os capacitores 15a e 15b é conectado com o ponto neutro 9 via circuito de supressão de sobretensão 130.

[0027] O circuito de supressão de sobretensão 130 inclui resistor 33a, diodo 32a, dispositivo de chaveamento 31a, diodo 32b, dispositivo de chaveamento 31b, e resistor 33b. O resistor 33a é conectado a uma linha de potencial positivo 10a, enquanto o resistor 33a, dispositivo de chaveamento 31a, e diodo 32a são conectados. O dispositivo de chaveamento 31a e o diodo 32a são conectados com um ponto neutro 9. Aqui, o diodo 32a é conectado em reverso-paralelo com o dispositivo de chaveamento 31a. O ponto neutro 9, dispositivo de chaveamento 31b, diodo 32b, são conectados. O dispositivo de chaveamento 31b e diodo 32b são conectados com o resistor 33b. O resistor 33b é conectado com a linha condutiva de potencial negativo 10b. O resistor 32b é conectado em reverso-paralelo com o dispositivo de chaveamento 31b. O circuito de supressão de sobretensão 130 é conectado com a máquina eletricamente operada 3.

[0028] O circuito de supressão de sobretensão 130 impede uma sobretensão nos capacitores 15a e 15b.

[0029] Devido a tal constituição de circuito, mesmo quando é provido o circuito de supressão de sobretensão 130, o número de dispositivos de chaveamento usado no conversor de nível 3 de fase única 50 é 8 (dispositivos de chaveamento 5a a 5f, e dispositivos de chaveamento 31a e 31b) e o número de capacitores no conversor de nível 3 de fase única 50 se torna 2 (capacitores 15a e 15b). Portanto, o número de partes requeridas para o número de níveis de tensão de saída pode ser reduzido.

[0030] Como descrito anteriormente, o conversor de nível 2 de fase única 40, de acordo com esta modalidade, é constituído de um dispositivo de Carbeto de Silício, ou similar, que apresenta uma pequena perda de chaveamento, e o conversor de nível 3 de fase única 50 é constituído de um dispositivo de Silício ou similar tendo uma resistência elevada à ruptura. Portanto, perda por chaveamento do conversor de nível 2 de fase única 40 pode ser menor que a perda por chaveamento do conversor de nível 3 de fase única 50. Por outro lado, o conversor de nível 3 de fase única 50 tem uma propriedade de ruptura maior que do conversor de nível 2 de fase única 40.

[0031] Nesta modalidade, o conversor de nível 3 de fase única 50 é conectado com a máquina eletricamente operada (que pode incluir um inversor ou similar) 3 via linha potencial positiva 10a e linha de potencial negativa 10b, e, assim, a confiabilidade do conversor de nível 3 de fase única é aumentada com a provisão do circuito de supressão de sobretensão 130. Por outro lado, não é necessário, no tocante à confiabilidade do conversor de nível 2 de fase única 40, que ela seja tão alta quanto do conversor de nível 3 de fase única 50. Por conseguinte, no conversor de nível 2 de fase única, é provida a chave de desvio bidirecional 120 em vez de um circuito de proteção incluindo um resistor de supressão de sobretensão. Assim, quando de uma sobretensão em qualquer um dos capacitores 15a, 15b 14a, 14b, é possível fazer a corrente elétrica contornar o conversor de nível 2 de fase única 40, para evitar que a corrente elétrica passe através do conversor de nível 2 de fase única 40. Por exemplo, quando de uma sobretensão no capacitor 14a, uma chave de desvio bidirecional 120 permite que a corrente elétrica contorne o conversor de nível 2 de fase única 40, de modo que a corrente elétrica não passe através do conversor de nível 2 de fase única 40, e, em seguida, o capacitor 14a é descarregado pelo resistor 14c, e, assim, a tensão do capacitor 14a é reduzida.

[0032] A chave de desvio bidirecional 120 inclui dispositivos de chaveamento 21a e 21b e diodos 22a e 22b, e, assim, a chave de desvio bidirecional 120 permite o uso de dispositivos menores e reduz o número de partes, em comparação com um circuito de proteção provido com resistores que requeiram dissipação de calor. O resistor 33a e o resistor 32b, por exemplo, podem requerer uma dissipação de calor, que, em geral, requer dispositivos maiores.

[0033] A Figura 2 representa tensões de valor de comando para os respectivos conversores, que correspondem com um comando de tensão de saída transmitido para o conversor multinível 1, de acordo com a primeira modalidade. Na Figura 2, são representados um comando de tensão de saída Vref 201 para um conversor multinível 1, uma tensão de valor de comando 202 para o conversor de nível 3 de fase única 50, tensão de valor de comando 203 para o conversor de nível 2 de fase única 40, e tensão de saída 204 para o conversor de nível 2 de fase única 40.

[0034] Ou seja, no aparelho conversor de potência 11, de acordo com esta modalidade, o valor de comando de tensão de saída Vref 201 para o conversor multinível 1 é realizado combinando a tensão de valor de comando 202 para o conversor de nível 3 de fase única com a tensão de valor de comando 203 para o conversor de nível 2 de fase única 40.

[0035] Assim, no aparelho conversor de potência 11, de acordo com esta modalidade, a frequência de chaveamento do conversor de nível 2 de fase única 40 tendo baixa perda de chaveamento é ajustada maior que a frequência de chaveamento do conversor de nível 3 de fase única, e, em seguida, o conversor de nível 2 de fase única 40 é controlado de modo que o conversor de nível 2 de fase única 40 siga uma mudança detalhada no valor de comando de tensão de saída Vref 201. Com tal controle, um controle de tensão detalhado e redução nas perdas de chaveamento podem ser executados.

[0036] Em geral, um elemento tendo uma pequena perda por chaveamento, tal como um dispositivo de Carbeto de Silício, tipicamente, tem baixa resistência à ruptura elétrica. Em vista disso, nesta modalidade, para permitir que o conversor de nível 3 de fase única 50 apresente uma resistência de ruptura elétrica elevada, para uma grande mudança em tensão, um controle com forma de onda em degrau é aplicado ao conversor de nível 3 de fase única 50.

[0037] Nesta modalidade, com respeito ao valor de comando de tensão de saída Vref 201 para o conversor multinível 1, são providos valores de limiar, para permitir que os capacitores 15a, 15b produzam uma saída. Por exemplo, assumindo um valor de limiar de tensão que permita qualquer um dos capacitores 15a, 15b produza uma saída ± Vthr1. Também, assumindo um valor de limiar de uma tensão que permita ambos os capacitores 15a, 15b produzam uma saída ±Vthr2. O módulo de controle 180 controla os dispositivos de chaveamento 5a a 5f incluídos no conversor de nível 3 de fase única 50 baseado em se (ou não) o valor de comando de tensão de saída Vref excede o valor de limiar da tensão ±Vthr1 e valor de limiar da tensão ±Vthr2.

[0038] A seguir, o módulo de controle 180 realiza um controle com base na tensão de valor de comando 203 para o conversor de nível 2 de fase única 40, de modo a adquirir a tensão de saída 204 do conversor de nível 2 de fase única 40. A seguir, o controle específico do dispositivo de chaveamento será explicado.

[0039] A Figura 3 mostra controles de chaveamento realizados pelos dispositivos de chaveamento 5a a 5f e dispositivos de chaveamento 4a a 4d incluídos em um conversor multinível 1. No exemplo mostrado na Figura 3, um controle de chave dos dispositivos de chaveamento 5a a 5f de um conversor de nível 3 de fase única 50 e controle de chaveamento dos dispositivos de chaveamento 4a a 4d em um conversor 40 de nível 2 de fase única são mostrados.

[0040] Quando é satisfeita a condição Vthrl > Vref > -Vthrl, (tempo 0 a t1, t3 a t5 ou depois de um lapso t8), o módulo de controle 180 coloca quer uma de combinação de dispositivo de chaveamento 5a e dispositivo de chaveamento 5c incluídos no conversor de nível 3 de fase única ou combinação do dispositivo de chaveamento 5b e dispositivo de chaveamento 5d incluído no conversor de nível 3 de fase única no estado LIGADO. Por conseguinte, as tensões dos capacitores 15a, 15b não resultam sobrepostas em uma tensão de saída do conversor 50, e o módulo de controle 180 produz um valor de comando de tensão de saída Vref de todo o conversor, aplicando um controle de modulação de largura de pulso ao conversor de nível 2 de fase única 40.

[0041] A Figura 4 mostra uma trajetória de corrente do conversor de nível 3 de fase única do conversor multinível 1, quando é satisfeita a condição Vthrl > Vref > -Vthrl. Em uma modalidade mostrada na Figura 4, um controle de chaveamento é realizado de modo que a combinação do dispositivo de chaveamento 5a e dispositivo de chaveamento 5c sejam colocados no estado LIGADO, e outros dispositivos de chaveamento 5b, 5d a 5f no estado DESLIGADO. Neste caso, uma corrente elétrica passa através de uma trajetória indicada por uma linha em negrito 401 e não há possibilidade de as tensões dos capacitores 15a, 15b se sobreporem a uma tensão de saída de conversor do conversor 50. Embora a Figura 4 mostre um exemplo onde apenas a combinação do dispositivo de chaveamento 5a e o dispositivo de chaveamento 5c estão colocados no estado LIGADO, é também possível adotar um exemplo onde apenas a combinação de dispositivo de chaveamento 5b e dispositivo de chaveamento 5d estão colocados no estado LIGADO.

[0042] De volta para a Figura 3, quando é satisfeita a condição Vthr2 > Vref > Vthrl (tempo t1 a t2, t2 a t4) o módulo de controle 180 realiza um controle, de modo que os dispositivos de chaveamento 5a, 5e, 5f incluídos no conversor de nível 3 de fase única 30 estão colocados no estado LIGADO. Devido a tal controle, a tensão do capacitor 15a é adicionada à tensão de saída do conversor 50, e, assim, o conversor de nível 2 de fase única 40 produz uma tensão diferencial, que é obtida subtraindo a tensão do capacitor 15a do valor de comando de tensão de saída Vref de todo o conversor para o conversor 50, de acordo com um controle de modulação de largura de pulso pelo módulo de controle 180.

[0043] A Figura 5 mostra uma trajetória de corrente do conversor de nível 3 de fase única 50 quando é satisfeita a condição Vthr2 > Vref > Vthr1. No exemplo da Figura 5, um controle de chaveamento é feito de modo que apenas a combinação de dispositivos de chaveamento 5a, 5e, 5f é colocada no estado LIGADO, e outros dispositivos de chaveamento colocados no estado DESLIGADO. Neste caso, a corrente elétrica passa por uma trajetória indicada por linha em negrito 501, e, assim, apenas a tensão do capacitor 15a se sobrepõe à tensão de saída do conversor 50.

[0044] De volta para a Figura 3, quando é satisfeita a condição Vref > Vthr2 (tempo t2 a t3), o módulo de controle 180 coloca os dispositivos de chaveamento 5a, 5d, incluídos no conversor de nível 3 de fase única 50, no estado LIGADO. Devido a tal controle, as tensões dos capacitores 15a e 15b são adicionadas à tensão de saída do conversor 50, e, assim, o conversor de nível 2 de fase única 40 produz uma tensão diferencial, que é obtida subtraindo as tensões dos capacitores 15a, 15b do valor de comando de tensão de saída Vref de todo o conversor para o conversor 50, de acordo com um controle de modulação de largura de pulso 180.

[0045] A Figura 6 mostra uma trajetória corrente do conversor de nível 3 de fase única 50, quando é satisfeita a condição Vref > Vthr2. No exemplo da Figura 6, um controle de chaveamento é realizado de modo que apenas a combinação do dispositivo de chaveamento 5a e dispositivo de chaveamento 5d sejam colocados no estado LIGADO. Aqui, uma corrente elétrica passa através de uma trajetória indicada por uma linha em negrito 601, e, assim, as tensões dos capacitores 15a, 15b se sobrepõem à tensão de saída do conversor 50.

[0046] De volta para a Figura 3, quando é satisfeita a condição - Vthrl > Vref > -Vthr2 (tempo t5 a t6, t7 a t8) o módulo de controle 180 coloca os dispositivos de chaveamento 5b, 5e e 5f no conversor de nível 3 de fase única 50 no estado LIGADO. Devido a tal controle, a tensão do capacitor 15b é subtraída da tensão de saída do conversor 50, e, assim, o conversor de nível 2 de fase única 40 produz uma tensão diferencial, obtida adicionando a tensão do capacitor 15b ao valor de comando de tensão de saída Vref de todo o conversor para o conversor 50, de acordo com um controle de modulação de largura de pulso realizado pelo módulo de controle 180.

[0047] Quando é satisfeita a condição -Vthr2 > Vref (tempo t6 a t7) o módulo de controle 180 coloca os dispositivos de chaveamento 5b e 5c incluídos no conversor de nível 3 de fase única 50 no estado LIGADO. Devido ao controle, as tensões de capacitores 15a e 15b são subtraídas da tensão de saída do conversor 50, e, assim, o conversor de nível 2 de fase única 40 produz uma tensão diferencial, obtida adicionando as tensões dos capacitores 15a, 15b ao valor de comando de tensão de saída Vref de todo o conversor para o conversor 50, de acordo com um controle de modulação de largura de pulso realizado pelo módulo de controle 180.

[0048] Desta maneira, o módulo de controle 180 desta modalidade, controla os dispositivos de chaveamento 5a a 5f incluídos no conversor de nível 3 de fase única 50, de acordo com predeterminados valores incrementais de tensão (valor de limiar +Vthr2, valor de limiar +Vthr1). Assim, o módulo de controle 180 controla os dispositivos de chaveamento 4a a 4d incluídos no conversor de nível 2 de fase única 40, que corresponde a uma mudança na tensão de saída menor que uma predeterminada tensão.

[0049] Realizando o controle acima mencionado, o aparelho conversor de potência 11 desta modalidade diminui o número de vezes que os respectivos dispositivos de chaveamento 5a a 5f chaveiam para 4 vezes per um período da tensão de saída. Nesta modalidade, o número de vezes chaveamento não é limitado a quatro vezes, que pode mudar dependendo do número de valores de limiar ou similares. O número de vezes de chaveamento pode ser adicionalmente diminuído, diminuindo o número dos valores de limiar. Por exemplo, o número de vezes de chaveamento pode ser uma vez, duas vezes, três vezes, etc..

[0050] O conversor de nível 3 de fase única 50 produz uma forma de onda em degrau, que se torna a base da tensão de saída do conversor multinível 1. O conversor de nível 3 de fase única 50 é constituído do elemento Silício, e, assim, a perda por chaveamento é geralmente alto, o conversor de nível 3 de fase única 50 apresenta alta resistência à ruptura elétrica. Nesta modalidade, a forma de onda em degrau é adotada como forma de onda do conversor de nível 3 de fase única 50, e, assim, o número de vezes de chaveamento per um período pode ser reduzido. Portanto, o número de vezes de chaveamento pode ser limitado, e, por conseguinte, as perdas por chaveamento podem ser reduzidas.

[0051] O conversor de nível 2 de fase única 40 realiza um controle de chaveamento em alta velocidade, para compensar a diferença de tensão entre a forma de onda em degrau de saída do conversor de nível 3 de fase única 50 e a saída global desejada da tensão de saída do conversor multinível. Desta maneira, o conversor de nível 2 de fase única 40 compensa a diferença de tensão entre a forma de onda em degrau do conversor de nível 3 de fase única 50 e a tensão de saída do conversor multinível.

[0052] Nesta modalidade, o conversor de nível 2 de fase única 40 pode ser usado para compensar diferenças de tensão relativamente pequenas, ajustando apropriadamente as tensões de valor de limiar Vthr1, Vthr2, e, assim, uma terceira saída de tensão a partir do conversor de nível 2 de fase única 40 se torna desnecessária, permitindo o uso de elementos de chaveamento com baixa resistência à ruptura no conversor 40. Ou seja, ajustando Vthr1 e Vthr2 para prover níveis de tensão próximos dos valores de tensão de saída global, a tensão provida pelo conversor de nível 2 de fase única 40 pode ser relativamente pequena. O conversor de nível 2 de fase única 40 também realiza um controle de chaveamento em alta velocidade, para compensar diferença de tensão entre uma forma de onda em degrau do conversor de nível 3 de fase única 50 e a tensão de entrada/saída de todo o conversor multinível. Nesta modalidade, as perdas decorrentes do chaveamento em alta velocidade podem ser reduzidas, usando um componente de Carbeto de Silício como o conversor de nível 2 de fase única 40.

[0053] O conversor de nível 3 de fase única 50 usa um elemento com alta resistência à ruptura, tal como um componente baseado em Silício.

[0054] Mesmo quando um componente baseado em Silício com grandes perdas por chaveamento é usado como conversor de nível 3 de fase única 50, as perdas globais por chaveamento podem ser diminuídas em comparação com um método de controle de modulação de largura de pulso convencional, usando onda triangular, porque poucos chaveamentos são necessários. Por conseguinte, as perdas por chaveamento podem ser reduzidas. Ou seja, não apenas é possível reduzir as perdas por chaveamento usando um componente de Carbeto de Silício ou similar como conversor de nível 2 de fase única 40, mas também é possível diminuir as perdas por chaveamento no conversor de nível 3 de fase única 50, reduzindo o número de chaveamentos requeridos pelo conversor 50 para produzir a forma de onda desejada. Por conseguinte, as perdas por chaveamento do conversor multinível 1 podem ser adicionalmente reduzidas.

[0055] A seguir, será explicada a maneira da operação do aparelho conversor de potência 11 nesta modalidade quando de uma sobretensão. Quando o capacitor 14a ou qualquer dos capacitores 15a, 15b excede um valor de tensão de limiar de limite superior, o módulo de controle 180 opera a chave de desvio bidirecional 120 e o circuito de supressão de sobretensão 130. O módulo de controle 180 também executa um controle que coloca todos os dispositivos de chaveamento 5a a 5e e todos os dispositivos de chaveamento 4a a 4d no estado DESLIGADO (estado aberto). A Figura 7 mostra a trajetória de corrente quando a chave de desvio bidirecional 120 e o circuito de supressão de sobretensão 130 são operados. Com respeito aos valores de tensão limiar de limite superior, assume-se que valores apropriados sejam ajustados nos respectivos capacitores 15a, 15b, 14a.

[0056] Ou seja, o módulo de controle 180 realiza um controle, de modo que quando o módulo de controle 180 detecta que uma das tensões nos capacitores 14a, 15a, 15b excede a tensão limiar de limite superior, como mostrado na figura, os dispositivos de chaveamento 31a, 31b do circuito de supressão de sobretensão 130 são colocados no estado LIGADO (suprindo eletricidade aos dispositivos de chaveamento 31a, 31b). Neste instante, o módulo de controle 180 também realiza um controle que coloca os dispositivos de chaveamento 21a, 22b da chave de desvio bidirecional 120 no estado LIGADO.

[0057] Devido a tal controle, como indicado pela trajetória de corrente da Figura 7, uma corrente elétrica passa nos resistores 33a, 33b dentro do circuito de supressão de sobretensão 130. Estes resistores 33a, 33b têm valores de resistência pequenos em comparação com aqueles dos resistores 15c, 15d. Por conseguinte, uma grande corrente elétrica flui para os resistores 33a, 33b, e, assim, as tensões nos capacitores 15a, 15b podem ser reduzidas rapidamente. Por outro lado, a corrente elétrica não flui para o conversor de nível 2 de fase única 40, e, assim, a sobretensão gerada no capacitor 14a é descarregada pelo resistor 14c de modo que uma sobretensão do capacitor 14a pode ser suprimida.

[0058] Por outro lado, quando os valores de resistência dos resistores 15c 15d são grandes, e por conseguinte, dificilmente uma corrente elétrica flui para os resistores 15c, 15d. No entanto, quando o circuito de supressão de sobretensão 130 não é operado, a despeito da geração de sobretensão nos capacitores 15a, 15b, a eletricidade armazenada nos capacitores 15a, 15b segue para os resistores 15c, 15d, e, assim, pode ser suprimida a geração de sobretensão nos capacitores 15a, 15b.

[0059] Esta modalidade foi explicada em conjunção com o caso em que, quando é gerada uma sobretensão em um dos capacitores 15a, 15b, 14a, são operados o circuito de supressão de sobretensão 130 e a chave de desvio bidirecional 120. No entanto, esta modalidade não se limita a tal exemplo, e também pode ser aplicável a um caso em que o módulo de controle 180 detecta uma anormalidade.

[0060] Como uma anormalidade que o módulo de controle 180 pode detectar, pode se considerar a anormalidade que ocorre dentro do aparelho conversor de potência 11, a anormalidade que ocorre ao redor de aparelho conversor de potência 11, (por exemplo, em outros componentes, tal como fonte de potência) ou a anormalidade que ocorre na máquina eletricamente operada 3 (por exemplo, um veículo, ou similar), onde o aparelho conversor de potência 11 está montado, ou similar.

[0061] Como anormalidade dentro do aparelho conversor de potência 11, por exemplo, também pode ser considerado o caso em que a temperatura de um dos respectivos elementos dentro do aparelho conversor de potência 11 excede o valor admissível.

[0062] Como anormalidade ao redor de do aparelho conversor de potência 11, por exemplo, pode ser considerado a anormalidade em que a tensão da fonte de potência é reduzida, um caso em que se detecta um curto-circuito ou um caso em que um sinal de falha transmitido a partir de outro equipamento é recebido em um sinal de controle ao redor de um aparelho conversor de potência 11.

[0063] Como anormalidade no veículo, por exemplo, um caso pode ser considerado em que uma anormalidade (uma sobrecorrente, por exemplo) ocorre na linha suspensa ou similar.

[0064] No aparelho conversor de potência 11, nesta modalidade, é possível proteger capacitores 14a, 15a, 15b ou similares do aparelho conversor de potência 11, operando a chave de desvio bidirecional 120 e o circuito de supressão de sobretensão 130, quando ocorre uma anormalidade.

(Modificação 1 da Primeira Modalidade)

[0065] Na primeira modalidade foi provida uma explicação com respeito ao exemplo no qual a chave de desvio bidirecional 120 e o circuito de supressão de sobretensão 130 são operados quando ocorre uma sobretensão nos capacitores 14a, 15a, 15b. Neste caso, nem um de conversor de nível 2 de fase única 40 e conversor de nível 3 de fase única 50 pode ser usado. No entanto, mesmo que o conversor de nível 2 de fase única 40 não possa ser usado, um controle de tensão de saída é possível usando apenas o conversor de nível 3 de fase única 50, embora a perda de corrente elétrica seja grande. Por conseguinte, na Modificação 1 da primeira modalidade, foi provida uma explicação com respeito a um exemplo onde a tensão de saída é controlada usando apenas o conversor de nível 3 de fase única 50.

[0066] Por exemplo, quando a tensão no capacitor 14a se torna uma sobretensão, e excede o valor de limiar de limite superior e, ao mesmo tempo, as tensões nos capacitores 15a, 15b caem dentro dos valores de tensão de limiar de limite superior, embora o conversor de nível 2 de fase única 40 não possa ser usado, o conversor de nível 3 de fase única 50 pode ser usado.

[0067] Por conseguinte, quando uma tensão no capacitor 14a se torna uma sobretensão e excede o valor de tensão de limiar de limite superior, e, ao mesmo tempo, as tensões nos capacitores 15a e 15b caem dentro dos valores de tensão de limiar de limite superior, o módulo de controle 180 realiza um controle de prosseguir com a operação, operando os dispositivos de chaveamento 21a, 21b da chave de desvio bidirecional 120, colocando os respectivos dispositivos de chaveamento 4a a 4d do conversor de nível 2 de fase única 40 no estado DESLIGADO (estado aberto), e operando os respectivos dispositivos de chaveamento 5a a 5f do conversor de nível 3 de fase única 50. O módulo de controle 180 não realiza controle de operação no circuito de supressão de sobretensão 130.

[0068] A Figura 8 mostra uma trajetória de corrente quando a chave de desvio bidirecional 120 é operada nesta modificação. Na trajetória de corrente, no exemplo da Figura 8, a corrente elétrica não flui para o capacitor 14a, e, assim, a sobretensão produzida no capacitor 14a pode ser descarregada pelo resistor 14c. Por outro lado, o módulo de controle 180 controla a tensão de saída, controlando os dispositivos de chaveamento 5a a 5f.

[0069] O controle realizado na modificação pode ser combinado com o controle realizado na primeira modalidade. A Figura 9 é um fluxograma mostrando as etapas do processo acima mencionado no aparelho conversor de potência 11, de acordo com esta modificação.

[0070] Como na Figura 9, o módulo de controle 180 determina se uma tensão em um dos capacitores 14a, 15a, 15b excede (ou não) o valor de tensão de limiar de limite superior (etapa S601). Quando a tensão não excede o valor de tensão de limiar de limite superior (Etapa S601, NÃO), o processo na Etapa S601 é repetido.

[0071] Por outro lado, quando o módulo de controle 180 determina que a tensão em um dos capacitores 14a, 15a, 15b excede o valor de tensão de limiar de limite superior (Etapa S601, SIM), o módulo de controle 180 determina se as tensões dos capacitores 15a, 15b caem dentro (ou não) dos valores de tensão de limiar de limite superior (Etapa S602). Quando as tensões dos capacitores 15a, 15b do conversor 50 não caem dentro dos valores de tensão de limiar de limite superior (Etapa S602; NÃO), o módulo de controle 180 realiza, como primeiro controle, um controle da operação da chave de desvio bidirecional 120 e do circuito de supressão de sobretensão 130 como na primeira modalidade (Etapa S603).

[0072] Quando as tensões dos capacitores 15a, 15b caem dentro dos valores de tensão de limiar de limite superior (Etapa S602 - SIM) o módulo de controle 180 realiza, como segundo controle, um controle de operação da chave de desvio bidirecional 120 e conversor de nível 3 de fase única 50, em um estado onde o circuito de supressão de sobretensão 130 é interrompido, como no controle acima mencionado (Etapa S604).

[0073] Nesta modificação, quando a sobretensão é gerada no capacitor, o processo é chaveado, dependendo de se tensões dos capacitores 15a, 15b caem (ou não) dentro dos valores de tensão de limiar de limite superior, para permitir a realização de um controle de operação, para controlar a tensão de saída, tanto quanto possível, quando ocorre uma anormalidade.

(Modificação 2 da Primeira Modalidade)

[0074] Na modalidade acima mencionada e na Modificação 1, foi provida uma explicação com respeito ao caso em que uma sobretensão é gerada em um capacitor. No entanto, o controle usando a chave de desvio bidirecional 120 não se limita ao caso em que uma sobretensão é gerada em um capacitor, e pode ser realizado em um caso em que uma baixa tensão é gerada no capacitor.

[0075] Por conseguinte, na Modificação 2 da primeira modalidade, a explicação é realizada com respeito ao controle realizado quando uma tensão quer dos capacitores 15a, 15b se torna mais baixa que o valor de tensão de limiar de limite inferior. Na Modificação 2 da primeira modalidade, quando uma tensão de quer um dos capacitores 15a, 15b se torna mais baixa que do valor de tensão de limiar de limite inferior, é desejável realizar um controle para aumentar a tensão do capacitor 15a, 15b.

[0076] Por conseguinte, um módulo de controle 180, de acordo com a modificação 2 da primeira modalidade, realiza um controle onde, quando a tensão de qualquer um dos capacitores 15a, 15b se torna mais baixa que um valor de tensão de limiar de limite inferior, a chave de desvio bidirecional 120 é operada de modo a aumentar a potência elétrica do capacitor 15a, 15b. O circuito de supressão de sobretensão 130 também é mantido no estado interrompido.

[0077] A Figura 10 mostra um controle realizado pelo módulo de controle 180, de acordo com a Modificação 2 da primeira modalidade. Ou seja, a Figura 10 mostra uma trajetória de corrente formada quando a chave de desvio bidirecional 120 é operada, e os dispositivos de chaveamento 5a a 5f são colocados em um estado DESLIGADO (estado aberto). Formando a trajetória de corrente como na Figura 10, é possível carregar os capacitores 15a, 15b.

(segunda Modalidade)

[0078] Na segunda modalidade, é provida uma explicação com respeito a um caso em que um carregamento inicial é aplicado a um conversor multinível 1. A Figura 11 representa um conversor multinível 1 de um aparelho conversor de potência, de acordo com a segunda modalidade. Um aparelho conversor de potência 800, nesta modalidade, tem como constituição para um carregamento inicial, um dispositivo de chaveamento 41a, dispositivo de chaveamento 42a, e resistor 43, em comparação com aparelho conversor de potência 11 da primeira modalidade. Ademais, no aparelho conversor de potência 800, de acordo com esta modalidade, o módulo de controle 180 é modificado para um módulo de controle 850, que difere do módulo de controle 180 com respeito ao processamento.

[0079] O dispositivo de chaveamento 42a é conectado entre um elemento passivo 2 e o conversor de nível 2 de fase única 40. O dispositivo de chaveamento 41a e resistor 43, conectados em série são conectados em paralelos com o dispositivo de chaveamento 42a. Ou seja, o elemento serial formado pelo dispositivo de chaveamento 41a e resistor 43 é conectado em paralelo com o dispositivo de chaveamento 42a. Ademais, uma extremidade do dispositivo de chaveamento 41a é conectada com o elemento passivo 2, e uma extremidade do resistor 43 é conectada com o conversor de nível 2 de fase única 40.

[0080] O módulo de controle 850 é iniciado, carregando capacitores 14a, 15a, 15b como parte de uma técnica de carregamento inicial. Conquanto o capacitor 14a e capacitores 15a, 15b sejam diferentes com respeito aos valores de tensão inicial desejados, os valores de tensão inicial são decididos com base na razão de capacitor dos respectivos capacitores.

[0081] Nesta modalidade, é descrito um exemplo no qual os capacitores 15a, 15b assumem valores de tensão inicial desejados maiores que do capacitor 14a.

[0082] O módulo de controle 850 realiza um controle de modo que quando a tensão inicial do capacitor 14a alcança um valor de tensão inicial desejado, o módulo de controle 850 controla a chave de desvio bidirecional 120, e prossegue com o carregamento dos capacitores 15a, 15b, e interrompe o carregamento do capacitor 14a.

[0083] A Figura 12 mostra uma trajetória de corrente quando o módulo de controle 850 inicia o carregamento do capacitor 14a e capacitores 15a e 15b. No exemplo mostrado na Figura 12, o módulo de controle 850 realiza um controle onde a chave de desvio bidirecional 120 e o circuito de supressão de sobretensão 130 são interrompidos depois de os dispositivos de chaveamento 4a a 4d terem sido colocados no estado DESLIGADO e os dispositivos de chaveamento 5a a 5f no estado DESLIGADO e o dispositivo de chaveamento 41 no estado LIGADO. O carregamento dos capacitores 14a, 15a, 15b é iniciado quando da formação da trajetória de corrente da Figura 12.

[0084] A Figura 13 mostra a trajetória corrente quando o módulo de controle 850 continua carregando apenas capacitores 15a, 15b, quando a tensão inicial do capacitor 14a alcança o valor de tensão inicial desejado. No exemplo da Figura 13, o módulo de controle 850 controla a chave de desvio bidirecional 120 de modo a interromper o carregamento dos capacitores 14a e prosseguir com o carregamento dos capacitores 15a, 15b. Assim, o módulo de controle 850 realiza um controle de modo que o carregamento do capacitor 14a não seja realizado, até completar o carregamento dos capacitores 15a, 15b.

[0085] A seguir, é provida uma explicação com respeito ao processamento de carregamento inicial no módulo de controle 850 do aparelho conversor de potência 800 nesta modalidade. A Figura 14 é um fluxograma mostrando as etapas do processamento, acima mencionado no aparelho conversor de potência 800, de acordo com esta modalidade.

[0086] Como na Figura 14, o módulo de controle 850 realiza um controle de partida de carga do capacitor 14a e capacitores 15a, 15b (etapa S1101). Devido a tal controle de partida, o carregamento dos capacitores 14a, 15a, 15b é iniciado usando a trajetória de corrente mostrada na Figura 12.

[0087] A seguir, o módulo de controle 850 determina se a tensão inicial do capacitor 14a alcançou (ou não) um valor de tensão inicial desejado, ou seja, se uma quantidade de carga do capacitor 14a excedeu (ou não) um valor de limiar (Etapa S1102). Quando o módulo de controle 850 determina que a tensão inicial do capacitor 14a ainda não atingiu o valor de tensão inicial desejado (Etapa 1102, NÃO) o módulo de controle 850 prossegue com o carregamento usando a trajetória de corrente mostrada na Figura 12, e realiza novamente a determinação na Etapa S1102.

[0088] Por outro lado, quando o módulo de controle 850 determina que a tensão inicial do capacitor 14a atingiu o valor de tensão inicial desejado (Etapa S1102; SIM), o módulo de controle 850 controla a chave de desvio bidirecional (circuito) 120, de modo a operar a chave de desvio bidirecional 120 (Etapa S1103). Devido a tal controle, o módulo de controle 850 inicia o processamento, usando a trajetória de corrente mostrada na Figura 13.

[0089] A seguir, o módulo de controle 850 detecta se tensões iniciais dos capacitores 15a, 15b alcançaram (ou não) os valores de tensão inicial desejados, ou seja, se as quantidades de carga dos capacitores 15a, 15b excederam (ou não) os valores de limiar (Etapa S1104). Quando o módulo de controle 850 determina que as tensões iniciais dos capacitores 15a, 15b ainda não alcançaram os valores de tensão inicial desejados (Etapa 1104; NÃO), ele prossegue com o carregamento, usando a trajetória de corrente mostrada na Figura 13 e novamente faz a determinação na Etapa S1104.

[0090] Por outro lado, quando o módulo de controle 850 determina que os valores de tensão inicial dos capacitores 15a, 15b alcançaram os valores de tensão inicial desejados (Etapa S1104; SIM) o módulo de controle 850 realiza um controle, interrompendo o carregamento dos capacitores 15a, 15b (Etapa S1105).

[0091] O carregamento dos capacitores 14a, 15a, 15b, até os valores de tensão inicial desejados, pode ser realizado de acordo com as etapas acima mencionadas.

[0092] Como explicado até aqui, de acordo com as primeira e segunda modalidades, é possível executar o método de circuito multinível, que pode produzir tensões multinível, enquanto reduz o número de partes dos dispositivos de chaveamento e número de partes dos capacitores, em comparação com o número de partes de técnica anterior. Um resfriamento efetivo é facilmente conseguido, diminuindo o número de partes. Uma vez facilitado o resfriamento, as tolerâncias de margem são aumentadas, de modo que o aparelho conversor de potência possa ser miniaturizado.

[0093] De acordo com as primeira e segunda modalidades, as perdas por chaveamento de todo o conversor multinível 1 podem ser adicionalmente reduzidas.

[0094] Adicionalmente, de acordo com as primeira e segunda modalidades, quando ocorre uma anormalidade (por exemplo, quando for gerada uma sobretensão) é possível evitar que as tensão do capacitor 14a e capacitores 15a, 15b se tornem uma sobretensão.

[0095] Ademais, operando a chave de desvio bidirecional 120 quando uma anormalidade for detectada, uma corrente de circuito principal não flui para o capacitor do conversor de nível 2 de fase única 40 ou capacitores do conversor de nível 3 de fase única 50 e a carga armazenada nos capacitores é gradualmente descarregada através da resistência de descarga. Assim, é possível proteger capacitores de sobretensão ou similar. Assim, de acordo com as primeira e segunda modalidades, faz-se desnecessário prover um resistor de supressão de sobretensão superdimensionado, e, portanto, o volume (tamanho) do sistema de proteção de circuito pode ser reduzido.

[0096] Conquanto certas modalidades tenham sido descritas, tais modalidades foram apresentadas meramente com propósito exemplar, sem pretender limitar o escopo da invenção. Na verdade, as modalidades descritas podem ser configuradas em uma variedade de formas; ademais, várias omissões, substituições, e mudanças com respeito à forma das modalidades descritas nesta poderão ser feitas sem sair do espírito das invenções. As concretizações e seus equivalentes pretendem cobrir tais formas ou modificações que caiam dentro do escopo e espírito da invenção.

Claims

1. Aparelho conversor de potência que compreende: um primeiro conversor (40) que inclui um primeiro capacitor (14a); um segundo conversor (50) que inclui um segundo capacitor (15a) conectado em série a um terceiro capacitor (15b) para formar uma seção de capacitor, o segundo conversor (50) conectado em série ao primeiro conversor (40); e um módulo de controle (180) configurado para controlar uma tensão de saída de fase única ao operar o primeiro conversor (40), o segundo conversor (50) e a chave de desvio (120), caracterizado pelo fato de que o aparelho de conversão de potência (11) compreende ainda uma chave de desvio (120) conectada em paralelo ao primeiro conversor (40) e em série ao segundo conversor (50), e um circuito de supressão de sobretensão (130) conectado ao segundo capacitor (15a) e ao terceiro capacitor (15b), em que o primeiro capacitor (14a) está conectado em paralelo a um primeiro resistor (14c), o segundo capacitor (15a) está conectado em paralelo a um segundo resistor (15c), o terceiro capacitor (15b) está conectado em paralelo a um terceiro resistor (15d), e em que o módulo de controle (180) é configurado para determinar se um dentre o primeiro capacitor (14a), o segundo capacitor (15a), e o terceiro capacitor (15b) excede um nível de tensão predeterminado, e para controlar a chave de desvio (120) e o circuito de supressão de sobretensão (130) para reduzir um nível de tensão de qualquer um dentre o primeiro capacitor (14a), o segundo capacitor (15a), e o terceiro capacitor (15b) quando se determina que o nível de tensão predeterminado foi excedido.

2. Aparelho conversor de potência, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o primeiro conversor (40) é um conversor de nível 2 de fase única.

3. Aparelho conversor de potência, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o segundo conversor (50) é um conversor de nível 3 de fase única.

4. Aparelho conversor de potência, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o módulo de controle (180) é configurado para controlar a chave de desvio (120) e o circuito de supressão de sobretensão (130) para impedir carregamento de qualquer um dentre o primeiro capacitor (14a), o segundo capacitor (15a), e o terceiro capacitor (15b) quando se detecta uma anormalidade no aparelho conversor de potência ou em um componente ao qual o aparelho conversor de potência está conectado.

5. Aparelho conversor de potência, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o primeiro conversor (40) inclui: um primeiro dispositivo de chaveamento (4a) conectado em série a um segundo dispositivo de chaveamento (4b); um terceiro dispositivo de chaveamento (4c) conectado em série a um quarto dispositivo de chaveamento (4d); um primeiro resistor (14c) conectado a um primeiro terminal do primeiro capacitor e um segundo terminal do primeiro capacitor (14a); um primeiro diodo (6a) conectado em reverso-paralelo ao primeiro dispositivo de chaveamento (4a); um segundo diodo (6b) conectado em reverso-paralelo ao segundo dispositivo de chaveamento (4b); um terceiro diodo (6c) conectado em reverso-paralelo ao terceiro dispositivo de chaveamento (4c); e um quarto diodo (6d) conectado em reverso-paralelo ao quarto dispositivo de chaveamento (4d), em que o primeiro terminal do primeiro capacitor (14a) é conectado ao primeiro dispositivo de chaveamento (4a) e ao terceiro dispositivo de chaveamento (4c), e o segundo terminal do primeiro capacitor (14a) é conectado ao segundo dispositivo de chaveamento (4b) e ao quarto dispositivo de chaveamento (4d).

6. Aparelho conversor de potência, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o segundo conversor (50) inclui: um quinto dispositivo de chaveamento (5a) conectado em série a um sexto dispositivo de chaveamento (5b), o quinto dispositivo de chaveamento conectado a um primeiro terminal do segundo capacitor (15a) e o sexto dispositivo de chaveamento conectado ao primeiro terminal do terceiro capacitor (15b); um sétimo dispositivo de chaveamento (5c) conectado em série a um oitavo dispositivo de chaveamento (5d), o sétimo dispositivo de chaveamento conectado ao primeiro terminal do segundo capacitor (15a), o oitavo dispositivo de chaveamento conectado ao primeiro terminal do terceiro capacitor (15b); e uma chave bidirecional (7) que inclui um nono dispositivo de chaveamento (5e) conectado em série a um décimo dispositivo de chaveamento (5f), o décimo dispositivo de chaveamento (5f) conectado a uma primeira conexão que está entre o segundo capacitor (15a) e o terceiro capacitor (15b), e o nono dispositivo de chaveamento (5e) está conectado a um segundo ponto de conexão que está entre o sétimo dispositivo de chaveamento (5c) e oitavo dispositivo de chaveamento (5d).

7. Aparelho conversor de potência, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o aparelho é para converter potência CA de fase única (100) em potência CC, o primeiro conversor (40) é um conversor de nível 2 de fase única que inclui ainda: um primeiro dispositivo de chaveamento (4a) e um segundo dispositivo de chaveamento (4b) que estão conectados em série entre si para formar um primeiro elemento conectado em série que está conectado em paralelo ao primeiro capacitor (14a), o primeiro elemento conectado em série tendo um primeiro ponto de conexão (41) entre os primeiro e segundo dispositivos de chaveamento (4a, 4b) que podem ser conectados a uma fonte de potência (100) que fornece corrente alternada de fase única; e um terceiro dispositivo de chaveamento (4c) e um quarto dispositivo de chaveamento (4d) que estão conectados em série entre si para formar um segundo elemento conectado em série que está conectado em paralelo ao primeiro capacitor (14a), o segundo elemento conectado em série tendo um segundo ponto de conexão (42) entre os terceiro e quarto dispositivos de chaveamento (4c, 4d); o segundo conversor (50) é um conversor de nível 3 de fase única que inclui ainda: um quinto dispositivo de chaveamento (5a) e um sexto dispositivo de chaveamento (5b) que estão conectados em série entre si para formar um terceiro elemento conectado em série que está conectado em paralelo à seção de capacitor, o terceiro elemento conectado em série tendo um terceiro ponto de conexão (42a) entre os quinto e sexto dispositivos de chaveamento (5a, 5b) que está conectado ao segundo ponto de conexão; um sétimo dispositivo de chaveamento (5c) e um oitavo dispositivo de chaveamento (5d) que estão conectados em série entre si para formar um quarto elemento conectado em série que está conectado em paralelo à seção de capacitor, o quarto elemento conectado em série tendo um quarto ponto de conexão (42b) entre os sétimo e oitavo dispositivos de chaveamento (5c, 5d); e uma chave bidirecional (7) que tem um nono dispositivo de chaveamento (5e) e um décimo dispositivo de chaveamento (5f) que estão conectados em série entre si com polaridades opostas, a chave bidirecional conectada entre o quarto ponto de conexão (42c) e um terminal terra (9), e a chave de desvio bidirecional (120) é uma chave bidirecional e incluindo um décimo primeiro dispositivo de chaveamento (21a) e um décimo segundo dispositivo de chaveamento (21b) conectados em série entre si com polaridades opostas, a chave de desvio bidirecional conectada em paralelo ao conversor de nível 2 de fase única (40).

8. Aparelho conversor de potência, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que cada dispositivo de chaveamento está conectado em reverso-paralelo a um diodo (6a, 6b, 6c, 6d, 8a, 8b, 8c, 8d, 8e, 8f, 22a, 22b).

9. Aparelho conversor de potência, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que compreende ainda: um primeiro resistor (15c) conectado em paralelo ao segundo capacitor (15a); um segundo resistor (15d) conectado em paralelo ao terceiro capacitor (15b); e um circuito de supressão de sobretensão (130) que inclui um terceiro resistor (33a, 33b) conectado em série a um décimo terceiro dispositivo de chaveamento (31a, 31b), para formar um quinto elemento conectado em série que está conectado em paralelo a um dentre os segundo capacitor (15a) e terceiro capacitor (15b).

10. Aparelho conversor de potência, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que compreende ainda: um módulo de controle (180) configurado para realizar um controle de modo que, quando da determinação de que uma anormalidade ocorreu, o módulo de controle liga o décimo primeiro dispositivo de chaveamento (21a) e décimo segundo dispositivo de chaveamento (21b) da chave de desvio bidirecional (120), liga o décimo terceiro dispositivo de chaveamento (31a, 31b), abre todos os dispositivos de chaveamento no conversor de nível 2 de fase única (40), e abre todos os dispositivos de chaveamento no conversor de nível 3 de fase única (50).

11. Aparelho conversor de potência, de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de que o módulo de controle (180) determina a ocorrência da anormalidade se um nível de tensão do primeiro capacitor (14a), do segundo capacitor (15a), ou do terceiro capacitor (15b) excede um valor de tensão de limiar de limite superior predeterminado.

12. Método de controlar um aparelho conversor de potência, o aparelho conversor de potência compreendendo: um primeiro conversor (40) que inclui um primeiro capacitor (14a); um segundo conversor (50) que inclui um segundo capacitor (15a) conectado em série a um terceiro capacitor (15b) para formar uma seção de capacitor, o segundo conversor (50) conectado em série ao primeiro conversor (40); e um módulo de controle (180) configurado para controlar uma tensão de saída de fase única ao operar o primeiro conversor (40), o segundo conversor (50) e a chave de desvio (120), caracterizado pelo fato de que o aparelho de conversão de potência (11) ainda compreende uma chave de desvio (120) conectada em paralelo ao primeiro conversor (40) e em série ao segundo conversor (50), e um circuito de supressão de sobretensão (130) conectado ao segundo capacitor (15a) e ao terceiro capacitor (15b), em que o primeiro capacitor (14a) está conectado em paralelo a um primeiro resistor (14c), o segundo capacitor (15a) está conectado em paralelo a um segundo resistor (15c), o terceiro capacitor (15b) está conectado em paralelo a um terceiro resistor (15d), e em que o módulo de controle (180) é configurado para determinar se um dentre o primeiro capacitor (14a), o segundo capacitor (15a), e o terceiro capacitor (15b) excede um nível de tensão predeterminado, e para controlar a chave de desvio (120) e o circuito de supressão de sobretensão (130) para reduzir um nível de tensão de qualquer um dentre o primeiro capacitor (14a), o segundo capacitor (15a), e o terceiro capacitor (15b) quando se determina que o nível de tensão predeterminado foi excedido, o método compreendendo as etapas de: determinar se qualquer um dentre o primeiro capacitor (14a), o segundo capacitor (15a), e o terceiro capacitor (15b) tem um nível de tensão que excede um valor de limite superior predeterminado; colocar a chave de desvio bidirecional (120) em um estado condutivo e ligar o circuito de supressão de sobretensão (130) para reduzir o nível de tensão, quando se determina que qualquer um dentre o primeiro capacitor (14a), o segundo capacitor (15a), e o terceiro capacitor (15b) tem um nível de tensão que excede o valor de limite superior predeterminado; determinar se qualquer um dentre o segundo capacitor (15a) e o terceiro capacitor (15b) excede o valor de limite superior predeterminado, quando se determinou primeiro que qualquer um dentre o primeiro capacitor (14a), o segundo capacitor (15a), e o terceiro capacitor (15b) tem um nível de tensão que excede o valor de limite superior predeterminado; e colocar a chave de desvio bidirecional (120) em estado condutivo e desligar o circuito de supressão de sobretensão (130), quando se determinou que nenhum dentre os segundo e terceiro capacitores (15a, 15b) tem um nível de tensão que excede o valor de limite superior predeterminado após ser determinado primeiro que qualquer um dentre os primeiro capacitor (14a), segundo capacitor (15a), e terceiro capacitor (15b) tem um nível de tensão que excede o valor de limite superior predeterminado.

13. Método, de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo fato de que compreende ainda: detectar se uma anormalidade ocorreu no aparelho conversor de potência e quaisquer circuitos aos quais o aparelho conversor de potência está conectado; e colocar a chave de desvio bidirecional (120) em um estado condutivo e ligar o circuito de supressão de sobretensão (130) quando se detecta uma anormalidade.