CN103929045A - 变换器装置，驱动单元和相关方法 - Google Patents

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Abstract

本发明揭示至少一种变换器装置，该变换器装置至少包括嵌套式连接的第一变换器模块和第二变换器模块。该第一变换器模块和该第二变换器模块每一者包括多个开关单元。在该变换器装置进行电能变换时，该多个开关单元中的至少二者通过互补方式进行开关操作并且通过非互补方式进行开关操作。通过嵌套式结构的变换器装置可以改善其输出波形的品质。

Description

变换器装置,驱动单元和相关方法
技术领域
本发明公开的实施方式涉及变换器装置，驱动单元和方法，特别涉及一种具有新拓扑架构的变换器装置，驱动单元和方法。
背景技术
变换器（Converter）一般被用作能量变换装置，以将一种形式的能量变换成另一种形式的能量。特别地，多电平变换器，例如，三电平、五电平以及更高电平等级的变换器等，由于其较好的输出波形品质以及较高的耐压能力，在很多工业领域取得逐渐广泛的应用。例如，多电平逆变器已经被应用在石化、造纸、矿山、冶金、电厂、水处理厂等领域，以给特定的负载，例如，交流电机等提供交流输出电压。
现有的变换器所采用的拓扑架构一般包括三电平中点箝位架构和两相H桥级联式架构等。但是，现有拓扑架构的变换器的输入/输出波形仍然不太理想，因此有必要设计具有新的拓扑架构的变换器来解决现有变换器所存在的技术问题。
发明内容
有鉴于上文提及之技术问题，本发明的一个方面在于提供一种变换器装置。该变换器装置至少包括嵌套式连接的第一变换器模块和第二变换器模块，该第一变换器模块和该第二变换器模块每一者包括多个开关单元。其中，在该变换器装置进行电能变换时，该多个开关单元中的至少二者通过互补方式进行开关操作并且通过非互补方式进行开关操作。
在一些实施方式中，在提供的变换器装置中，该第一变换器模块或者该第二变换器模块包括横向桥臂第一级联端，横向桥臂第二级联端，第一纵向桥臂第一级联端，第一纵向桥臂第二级联端，第二纵向桥臂第一级联端以及第二纵向桥臂第二级联端。该横向桥臂第一级联端和该横向桥臂第二级联端之间串联至少两个反向连接的开关单元。该第一纵向桥臂第一级联端和该第一纵向桥臂第二级联端之间连接有至少一个第一开关单元。该第二纵向桥臂第一级联端和该第二纵向桥臂第二级联端之间连接有至少一个与该第一开关单元同向的第二开关单元。
在一些实施方式中，在提供的变换器装置中，该横向桥臂第一级联端或者与其他变换器模块对应的级联端进行连接或者连接到直流环节的直流中点。该横向桥臂第二级联端或者与其他变换器模块对应的级联端进行连接或者连接到交流传输端口。该第一纵向桥臂第一级联端，该第一纵向桥臂第二级联端，该第二纵向桥臂第一级联端和该第二纵向桥臂第二级联端四者之中的二者或者与其他变换器模块对应的级联端进行连接或者连接到直流环节的直流传输端口。该第一纵向桥臂第一级联端，该第二纵向桥臂第一级联端和该第二纵向桥臂第二级联端四者之中的另外二者或者与其他变换器模块对应的级联端进行连接或者连接到交流传输端口。
在一些实施方式中，在提供的变换器装置中，该变换器装置还包括飞跨电容器臂，该飞跨电容器臂至少包括串联连接的第一飞跨电容器和第二飞跨电容器。该飞跨电容器臂的一端电连接于该第一变换器模块的第一纵向桥臂第二级联端以及该第二变换器模块的第一纵向桥臂第一级联端，该第一飞跨电容臂的另一端电连接于该第一变换器模块的第二纵向桥臂第二级联端以及该第二变换器模块的第二纵向桥臂第一级联端。该第一飞跨电容器和该第二飞跨电容器之间定义一飞跨电容中点，该飞跨电容中点电连接于该第一变换器模块的横向桥臂第二级联端以及该第二变换器模块的横向桥臂第一级联端。
在一些实施方式中，在提供的变换器装置中，在一个或者多个基波周期内，该第一飞跨电容器和该第二飞跨电容器的电压通过选择性地利用该多个开关单元存在的冗余开关状态进行平衡。
在一些实施方式中，在提供的变换器装置中，在一个开关周期的至少一部分时间间隔，施加至该横向桥臂或者该第一、第二纵向桥臂的多个开关单元中的至少一者之开关驱动信号被封闭，以减少开关单元的开关次数。
在一些实施方式中，在提供的变换器装置中，该第一变换器模块与该第二变换器模块具有相同的结构，该第一变换器模块提供2n1+1个等级的输出电平，该第二变换器模块提供2n2+1个等级的输出电平，其中n1和n2均大于等于一，并且n1等于n2。
在一些实施方式中，在提供的变换器装置中，该第一变换器模块与该第二变换器模块具有不同的结构，该第一变换器模块提供2n1+1个等级的输出电平，该第二变换器模块提供2n2+1个等级的输出电平，其中n1和n2均大于等于一，并且n1不等于n2。
在一些实施方式中，在提供的变换器装置中，该变换器装置包括纵向桥臂和横向桥臂，该纵向桥臂包括至少一个第一开关单元，该横向桥臂包括至少一个第二开关单元，该第一开关单元包括n个串联连接的开关器件，该第二开关单元包括m个串联连接的开关器件，其中，n大于等于2，m大于等于2。
在一些实施方式中，在提供的变换器装置中，该多个开关单元中的至少一者包括至少两个串联连接的开关器件。在一些实施方式中，该至少两个串联连接的开关器件为低耐压器件。
在一些实施方式中，在提供的变换器装置中，该至少两个串联开关器件中的每一者均连接有对应的缓冲电路，该对应的缓冲电路用于使同一开关单元中的该至少两个开关器件在开关过程中保持电压均衡。
本发明的另一个方面在于提供一种变换器装置。该变换器装置至少包括嵌套式连接的第一变换器模块和第二变换器模块，该第一变换器模块和该第二变换器模块每一者包括多个开关单元。其中，该多个开关单元中的至少一者包括至少两个串联连接的开关器件。
在一些实施方式中，在提供的变换器装置中，在该变换器装置进行电能变换时，该多个开关单元中的至少二者通过互补方式进行开关操作并且通过非互补方式进行开关操作。
本发明的另一个方面在于提供一种三相变换器。该三相变换器包括接收或者输出第一相交流电的第一相桥臂，接收或者输出第二相交流电的第二相桥臂，以及接收或者输出第三相交流电的第三相桥臂。该第一相桥臂，该第二相桥臂和该第三相桥臂中的每一者均包括嵌套式连接的飞跨电容中点导向第一变换器模块和第二变换器模块，该第一变换器模块和该第二变换器模块每一者包括多个开关单元。其中，在该变换器装置进行电能变换时，该多个开关单元中的至少二者通过互补方式进行开关操作并且通过非互补方式进行开关操作。
本发明的另一个方面在于提供一种直流-交流变换器。该直流-交流变换器包括：第一直流线路，第二直流线路，第一开关单元，第二开关单元，第三开关单元，第四开关单元，第五开关单元，第六开关单元，第七开关单元，第八开关单元，第一电容器，第二电容器，第三电容器和第四电容器。该第一直流线路和该第二直流线路用于接收直流电压，该第一开关单元，该第二开关单元，该第五开关单元，该第六开关单元串联连接于该第一直流线路和该第二直流线路之间。该第三开关单元，该第四开关单元，该第七开关单元和第八开关单元串联连接于直流母线中点和第一输出点之间，该直流母线中点由该第三电容器和该第四电容器之间形成的连接点定义，该第一输出点由该第一开关单元和该第二开关单元形成的连接点定义，且该第一输出点用于输出具有五个等级电平的第一相交流电压。该第一电容器的一端连接于该第四开关单元和该第七开关单元之间，该第一电容器的另一端连接于该第一开关单元和该第五开关单元之间。该第二电容器的一端连接于该第四开关单元和该第七开关单元之间，该第二电容器的另一端连接于该第二开关单元和该第六开关单元之间。该第三电容器和该第四电容器串联连接于该第一直流线路和该第二直流线路之间。其中，该第一开关单元，该第二开关单元，该第三开关单元，该第四开关单元，该第五开关单元，该第六开关单元，该第七开关单元，该第八开关单元中的至少两者在执行电能变换操作时通过互补方式进行开关操作并且通过非互补方式进行开关操作。
本发明的另一个方面在于提供一种交流-直流变换器。该交流-直流变换器包括：第一直流线路，第二直流线路，第一开关单元，第二开关单元，第三开关单元，第四开关单元，第五开关单元，第六开关单元，第七开关单元，第八开关单元，第一电容器，第二电容器，第三电容器和第四电容器。该第一直流线路和该第二直流线路用于输出直流电压，该第一开关单元，该第二开关单元，该第五开关单元，该第六开关单元串联连接于该第一直流线路和该第二直流线路之间。该第三开关单元，该第四开关单元，该第七开关单元和第八开关单元串联连接于直流母线中点和第一输入点之间，该直流母线中点由该第三电容器和该第四电容器之间形成的连接点定义，该第一输入点由该第一开关单元和该第二开关单元之间形成的连接点定义，且该第一输入点用于输入交流电压。该第一电容器的一端连接于该第四开关单元和该第七开关单元之间，该第一电容器的另一端连接于该第一开关单元和该第五开关单元之间。该第二电容器的一端连接于该第四开关单元和该第七开关单元之间，该第二电容器的另一端连接于该第二开关单元和该第六开关单元之间。该第三电容器和该第四电容器串联连接于该第一直流线路和该第二直流线路之间。其中，该第一开关单元，该第二开关单元，该第三开关单元，该第四开关单元，该第五开关单元，该第六开关单元，该第七开关单元，该第八开关单元中的至少两者在执行电能变换操作通过互补方式进行开关操作并且通过非互补方式进行开关操作。
本发明的另一个方面在于提供一种驱动方法。该方法用于驱动变换器装置，该变换器装置至少包括形成嵌套式中点导向拓扑架构的第一变换器模块和第二变换器模块，该第一变换器模块或者该第二变换器模块包括至少第一开关单元和第二开关单元。该驱动方法至少包括如下步骤：提供第一总驱动信号至该第一开关单元；以及提供第二总驱动信号至该第二开关单元，以使得该第一开关单元和该第二开关单元通过互补方式进行开关操作并且通过非互补方式进行开关操作。
在一些实施方式中，在提供的驱动方法中，该变换器装置包括第一飞跨电容器和第二飞跨电容器，该方法还包括如下步骤：在一个或者多个基波周期内，选择性地利用施加至该第一开关单元的第一总驱动信号和施加至该第二开关单元的第二总驱动信号之间所存在的冗余开关状态以平衡该第一飞跨电容器和该第二飞跨电容器的电压。
在一些实施方式中，在提供的驱动方法中，该方法还包括如下步骤：在一个基波周期的至少一部分时间间隔，封闭施加至该横向桥臂或者该第一、第二纵向桥臂的多个开关单元中的至少一者之开关驱动信号，以减少开关单元的开关次数。
本发明的另一个方面在于提供一种驱动方法。该驱动方法用于驱动变换器装置。该变换器装置至少包括形成嵌套式中点导向拓扑架构的第一变换器模块和第二变换器模块，该第一变换器模块和该第二变换器模块每一者包括多个开关单元。其中，该多个开关单元中的至少一者包括至少串联连接的第一开关器件和第二开关器件。该驱动方法至少包括如下步骤：通过总驱动信号分配电路将总驱动信号分配成至少第一光驱动信号和第二光驱动信号；通过第一驱动电路将该第一光驱动信号转换成第一电驱动信号；通过第二驱动电路将该第二光驱动信号转换成第二电驱动信号；将该第一电驱动信号作用到该第一开关器件；以及将该第二电驱动信号作用到该第二开关器件。
本发明的另一个方面在于提供一种使用变换器装置在电网和三相交流电机之间执行电能变换的方法。该变换器装置包括交流-直流变换器和直流-交流变换器。该交流-直流变换器和直流-交流变换器中的至少一者包括形成嵌套式中点导向拓扑架构的第一变换器模块和第二变换器模块，该第一变换器模块或者该第二变换器模块包括至少第一开关单元和第二开关单元，该第一开关单元和该第二开关单元通过互补方式进行开关操作并且通过非互补方式进行开关操作。该方法至少包括如下步骤：使用该交流-直流变换器将从该电网接收的第一种三相交流电压转换成直流电压；使用该直流-交流变换器将该直流电压转换成第二种三相交流电压；以及将该第二种三相交流电压提供给该三相交流电机。
本发明的另一个方面在于提供一种驱动单元。该驱动单元用于驱动变换器装置，该变换器装置至少包括形成嵌套式中点导向拓扑架构的第一变换器模块和第二变换器模块，该第一变换器模块和该第二变换器模块每一者包括多个开关单元。其中，该多个开关单元中的至少一者至少包括串联连接的第一开关器件和第二开关器件。该驱动单元包括总驱动信号分配电路，第一驱动电路和第二驱动电路。该总驱动信号分配电路和该第一驱动电路以及该第二驱动电路进行光通信连接，该总驱动信号分配电路用于将总驱动信号分配成第一光驱动信号和第二光驱动信号。该第一驱动电路用于将该第一光驱动信号转换成第一电驱动信号，该第二驱动电路用于将该第二光驱动信号转换成第二电驱动信号。该第一开关器件根据该第一电驱动信号进行相应的开关动作，该第二开关器件根据该第二电驱动信号进行相应的开关动作。
在一些实施方式中，在该提供的驱动单元中，该第一开关器件并联连接有第一缓冲电路，该第二开关器件并联连接有第二缓冲电路，该第一缓冲电路和该第二缓冲电路使该第一开关器件和该第二开关器件的同步开关动作得到优化。
本发明的另一个方面在于提供一种变换器装置。该变换器装置至少包括第一变换器模块，第二变换器模块以及至少串联连接的第一飞跨电容器和第二飞跨电容器。该第一变换器模块和该第二变换器模块电连接在一起形成嵌套式中点导向拓扑结构。该第一变换器模块和该第二变换器模块每一者包括多个开关单元。其中，该变换器装置在执行进行电能变换操作时，施加至该多个开关单元中的开关驱动信号所存在的冗余状态被用来平衡该第一飞跨电容器和第二飞跨电容器的电压。
本发明的另一个方面在于提供一种变换器装置。该变换器装置至少包括第一变换器模块，第二变换器模块以及至少串联连接的第一飞跨电容器和第二飞跨电容器。该第一变换器模块和该第二变换器模块电连接在一起形成嵌套式中点导向拓扑结构。该第一变换器模块和该第二变换器模块每一者包括多个开关单元。其中，在一个基波周期的至少一部分时间间隔，施加至该多个开关单元中的至少一者的开关信号被封闭。
本发明提供的变换器装置，驱动单元和相关方法，一方面，通过使用嵌套式中点导向拓扑架构的变换器装置，可以改善其输出波形的品质；另一方面，通过至少两个串联连接的开关器件构成的开关单元取代单一的开关器件，可以使得变换器装置更经济可行；再一方面，通过驱动单元实现至少两个串联连接的开关器件同步开通或者关断，此外，利用相关的缓冲电路可以有利于取得较佳的均压特性。
附图说明
通过结合附图对本发明的实施方式进行描述，可以更好地理解本发明，在附图中：
图1所示为本发明提出的系统的一种实施方式的模块示意图；
图2所示为图1所示的系统中变换器装置的一种实施方式的详细拓扑架构示意图；
图3所示为图2所示的变换器装置具有模块式级联架构的一相桥臂的一种实施方式示意图；
图4所示为提供给图3所示的一相桥臂中的多个开关单元的一种实施方式的驱动信号波形示意图以及输出电压和输出电流的波形示意图；
图5所示为新拓扑架构的变换器装置的一种实施方式的输出波形示意图；
图6所示为新拓扑架构的变换器装置中的第一种开关单元的一种实施方式的详细电路示意图；
图7所示为新拓扑架构的变换器装置中的第一种开关单元的另一种实施方式的详细电路示意图；
图8所示为新拓扑架构的变换器装置中的第二种开关单元的一种实施方式的详细模块示意图；
图9所示为新拓扑架构的变换器装置中的第二种开关单元的另一种实施方式的详细模块示意图；
图10所示为新拓扑架构的变换器装置中的一相输入/输出臂的一种实施方式的详细电路示意图；
图11所示为驱动单元的至少一部分驱动电路的一种实施方式的模块示意图；以及
图12所示为驱动单元的至少一部分驱动电路的另一种实施方式的模块示意图；
图13所示为驱动方法的一种实施方式的流程图；
图14所示为驱动方法的另一种实施方式的流程图；以及
图15所示为能量变换方法的一种实施方式的流程图。
具体实施方式
以下将描述本发明的一个或者多个具体实施方式。首先要指出的是，在这些实施方式的具体描述过程中，为了进行简明扼要的描述，本说明书不可能对实际的实施方式的所有特征均作详尽的描述。应当可以理解的是，在任意一种实施方式的实际实施过程中，正如在任意一个工程项目或者设计项目的过程中，为了实现开发者的具体目标，或者为了满足系统相关的或者商业相关的限制，常常会做出各种各样的具体决策，而这也会从一种实施方式到另一种实施方式之间发生改变。此外，还可以理解的是，虽然这种开发过程中所作出的努力可能是复杂并且冗长的，然而对于与本发明公开的内容相关的本领域的普通技术人员而言，在本公开揭露的技术内容的基础上进行的一些设计，制造或者生产等变更只是常规的技术手段，不应当理解为本公开的内容不充分。
除非另作定义，在本说明书和权利要求书中使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属技术领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本说明书以及权利要求书中使用的“第一”或者“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“一个”或者“一”等类似词语并不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“或者”包括所列举的项目中的任意一者或者全部。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现在“包括”或者“包含”前面的元件或者物件涵盖出现在“包括”或者“包含”后面列举的元件或者物件及其等同元件，并不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。此外，“电路”或者“电路系统”以及“控制器”等可以包括单一组件或者由多个主动元件或者被动元件直接或者间接相连的集合，例如一个或者多个集成电路芯片，以提供所对应描述的功能。
首先，在下文将详细描述的本发明的实施方式涉及变换器（Converter，或者也称作变流器以及变频器等，以下统称作变换器），该变换器一般用于执行能量变换操作，以单向地或者双向地将一种形式的能量（例如直流电或者交流电）转换成另一种形式的能量（例如，直流电或者交流电）。特别地，在一些实施方式中，本发明的发明人集体一起经潜心研究提出一种新的拓扑架构的变换器，或者也可以称为改进的嵌套式（Nested）中点导向（Neutral PointPiloted，NPP）拓扑架构的变换器，通过该新拓扑架构或者改进的嵌套式中点导向拓扑架构的变换器，可以获得更好的输出波形，或者有效地减小输出电压纹波，从而可以减小滤波器的体积，以及提高变换器的功率等级等。在此所谓的“嵌套式中点导向拓扑架构”是指通过多个飞跨电容器（flyingcapacitor）至少将两个具有相同或者不相同多电平等级阶数的变换器模块以从内到外或者从外到内的方式（或者也可以看作从左到右或者从右到左，或者类似于剥洋葱皮的方式）进行级联，以实现更高电平等级阶数的输出，例如，一种嵌套方式可以为将两个同样为三电平的变换器模块进行内外级联，以获得具有五电平的变换器；或者另外一种嵌套方式也可以为将一个三电平的变换器模块和另一个为五电平的变换器模块进行内外级联，以获得具有七电平的变换器，当然，该七电平的变换器也可以由三个同样为三电平的变换器模块依次级联而成。此外，也可以根据需要将多个变换器模块进行嵌套式级联，以扩展到更高输出电平等级的变换器。
其次，在本发明提供的改进的嵌套式中点导向拓扑架构变换器中，其进行嵌套式级联的变换器模块一般包括多个开关单元，例如，其提供三电平输出的变换器模块可以包括在纵向桥臂设置的两个开关单元和在横向桥臂设置的两个开关单元，在一些实施方式中，这些开关单元可以被控制成进行互补式开关操作（也即，一个开关单元开通而另一个开关单元关断）并且进行非互补式开关操作（例如，两个开关单元同时开通或者同时关断）。
接着，在本发明提供的改进的嵌套式中点导向拓扑架构变换器中，在一个或者多个基波周期内，可以选择性地利用开关单元所存在的冗余开关状态来平衡飞跨电容器电压。
接着，在本发明提供的改进的嵌套式中点导向拓扑架构变换器中，在一个基波周期的至少一部分时间间隔，在不改变开关状态及不影响电压电流输出状态的情况下，可以封闭施加至多个开关单元中的至少一者之开关驱动信号，以减少开关单元的开关次数。
接着，在本发明提供的改进的嵌套式中点导向拓扑架构变换器中，其进行嵌套式级联的变换器模块一般包括多个开关单元，该多个开关单元中的至少一者可以进一步设置为多开关器件串联连接的结构。在一些特定的实施方式中，这些多开关器件可以采用低耐压的开关器件，并且根据该变换器运作时相关的工作条件（例如直流母线电压等），以及低耐压开关器件的耐压值，可以选择合适数量的开关器件进行串联连接。
再次，为了使得该串联连接的多个开关器件能够同步被开通或者关断，本发明还提供相关的驱动电路来提供各自的驱动信号给该多个开关器件，并且，在一些特定的实施方式中，为了减小或者消除由于驱动信号之间的不同步或者开关器件之间自身特性参数的差异所引起的开关器件电压不均衡问题，该多个串联连接的开关器件中的每一者还连接有缓冲电路，在该缓冲电路以及对应的驱动电路的作用下，可以实现较佳的均压特性。
应当可以为本领域具有一般知识和技能的技术人员所理解的是，该具有新拓扑架构或者改进的嵌套式中点导向拓扑架构的变换器可以被具体实现成交流-直流变换器（rectifier，或者也称作整流器或者整流装置），以将单相、三相或者多相的交流电压转换成直流电压。此外，该具有新拓扑架构或者改进的嵌套式中点导向拓扑架构的变换器也可以被具体实现成直流-交流变换器（inverter，或者也称作逆变器或者逆变装置），以将直流电压转换成单相、三相或者多相的交流电压，从而可以用来驱动特定的负载，例如三相交流电机等。
图1所示为本发明提供的系统100的一种实施方式的模块示意图。基本而言，图示的系统100可以为任何以变换器为主要部件的电能变换系统，并且该变换器可以实施本发明提出的新拓扑架构或者改进的嵌套式中点导向拓扑架构。特别地，在一些实施方式中，该系统100可以为基于多电平变换器的系统，并可以适用于中高功率和中高电压等应用场合。举例而言，该系统100可以应用到以下领域，包括但不限于：石化、造纸、矿山、冶金、发电厂、水处理厂等领域，以驱动特定的负载，例如泵，风机，传送装置等。
如图1所示，该系统100大致包括变换器装置120和控制器140，该变换器装置120和控制器140可以进行通信连接。在一种实施方式中，该控制器140可以与变换器装置120进行电连接，以通过一个或者多个电连接线路，例如导电线，传送控制信号106给变换器装置120。在另外一种实施方式中，该控制器140也可以与变换器装置120进行光连接，以通过光通信线路，例如，一个或者多个光纤，传送控制信号106给变换器装置120。该控制器140可以包括任何合适的可编程电路或者装置，包括数字信号处理器（DigitalSignal Processor，DSP）、现场可编程门阵列（Field Programmable Gate Array，FPGA）、可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）以及专用集成电路（Application Specific Integrated Circuit，ASIC）等。该变换器装置120响应从该控制器140传送而来的控制信号106，以在第一功率装置110和第二功率装置130之间执行单向或者双向的电能变换操作。
在一种实施方式中，该变换器装置120包括第一变换器122，直流环节124和第二变换器126。在一种实施方式中，该第一变换器122可以为交流-直流变换器，其被配置成将该第一功率装置110（例如，电网）提供的第一电能102（例如，第一交流电压）转换成直流电能123（例如，直流电压）。在一种实施方式中，该第一变换器122可以具有由二极管器件形成的整流桥结构，以执行交流至直流的整流操作，也可以具有将在下文详细描述的附图2的嵌套式中点导向拓扑架构。在一种实施方式中，该直流环节124可以包括多个电容器，其对该第一变换器122提供的第一直流电压123进行滤波，以提供第二直流电压125给该第二变换器126。在一种实施方式中，该第二变换器126为直流-交流变换器，其被配置成将该第二直流电压125转换成第二交流电压104，并将该第二交流电压104传送到第二功率装置130（例如，交流电机）。在一种实施方式中，该第二变换器126可以具有由有源可控开关器件形成的结构，特别地，可以具有将在下文详细描述的附图2的嵌套式中点导向拓扑架构。虽然未作图示，但是该系统100也可能包括其他的部件或者装置，例如，在第一功率装置110和该变换器装置120之间可以设置滤波装置以及断路器等，并且，在该变换器装置120和该第二功率装置130之间，也可以设置滤波装置以及断路器等。
在其他实施方式中，该系统100也可以应用到发电领域，包括但不限于风力发电装置，光伏发电装置，以及水力发电装置等。该系统100内的变换器装置120也可以实施在此提及的新的拓扑架构或者改进的嵌套式中点导向拓扑架构。在一种实施方式中，该第一功率装置10可以包括一个或者多个风力发电装置，该风力发电装置可以将风能转换成变化频率的电能。该第一变换器122可以为交流-直流变换器，该第二变换器126可以为直流-交流变换器，其可以将变化频率的第一电能102转换成固定频率的第二电能104，例如，频率为50Hz或者60Hz的交流电能。该固定频率的第二交流电能104可以被提供给第二功率装置130，例如，电网，以供电网进行传输和配送。在一些实施方式中，该第二功率装置130也可以包括负载，例如在机车或者泵等装置中使用的电机，该电机在该第二电能104的作用下而工作。在一些实施方式中，当该系统100为光伏发电装置时，该第一变换器122也可以为直流-直流变换器，或者也可以将该第一变换器省去，而仅使用直流-交流变换器126，以将该第一功率装置110，例如光伏面板所提供的直流电能转换成交流电能104。
在其他实施方式中，该系统100也可以应用到需要使用不间断电源系统（Uninterruptible/UninterruptedPower System,UPS）进行供电的领域。在此情形下，该系统100内的变换器装置120也可以实施在此提及的新的拓扑架构或者改进的嵌套式中点导向拓扑架构。在一种实施方式中，该第一变换器122可以为交流-直流变换器，其可以被设置成将第一功率装置110（例如，电网）提供的第一交流电能转换或者整流成直流电能。该系统100还可以包括能量存储装置127，以接收该第一变换器122所转换得到的直流电能。在一种实施方式中，该第二变换器126可以为直流-交流变换器，其可以被设置成将该第一变换器122转换得到的直流电能或者将该能量存储装置127提供的直流电能转换成第二交流电能，并将该第二交流电能提供给该第二功率装置130（例如，负载）。
图2所示为变换器200的一种实施方式的详细拓扑架构示意图。在一种实施方式中，该变换器200可以为图1所示的第二变换器126，或者更具体地，为一种直流-交流变换器。在一种实施方式中，该变换器200包括第一端口202和第二端口204，该第一端口202和第二端口204用于接收直流电压，例如，由如图1所示的第一变换器122提供的直流电压123。该第一端口202与第一直流线路206电连接，该第二端口204与第二直流线路208电连接，并且，在该第一端口202和该第二端口204之间电连接有直流环节210，该直流环节210用于对接收的直流电压进行滤波，以及维持恒定的电压输出给与之相连的开关器件。在一种实施方式中，该直流环节210包括第一电容器212和第二电容器214，并且该第一电容器212和第二电容器之间定义一个直流中点216。在其他实施方式中，该直流环节210也可以包括多于两个的电容器，并且至少部分电容器也可以并联连接。
请进一步参阅图2，该变换器200还包括第一相桥臂220，第二相桥臂250，第三相桥臂280。该第一相桥臂220，第二相桥臂250和第三相桥臂280电连接在第一直流线路206和第二直流线路208之间，以接收直流环节210提供的直流电压，并从各自对应的端口输出电压。在一种实施方式中，该第一相桥臂220通过第三端口235提供第一相交流输出电压，该第二相桥臂250通过第四端口265提供第二相交流输出电压，该第三相桥臂280通过第五端口295提供第三相交流输出电压，并且该三相交流输出电压在相位上彼此相差120度。当然，在该变换器200实施为交流-直流变换器时，该三个交流传输端口235，265，295也可以输入交流电压，该第一端口202和第二端口204也可以输出直流电压。
请一并参阅图2和图3，在一种实施方式中，该第一相桥臂220包括至少两个变换器模块，并且该至少两个变换器模块具有基本相同的结构，从而可以通过低输出电平阶数的模块与模块之间的级联，灵活方便地组合得到具有高输出电平阶数的变换器桥臂。具体而言，该第一相桥臂220包括嵌套式级联的第一变换器模块222和第二变换器模块224。在一种实施方式中，该第一变换器模块222提供2n1+1个等级的输出电平，该第二变换器模块224提供2n2+1个等级的输出电平，其中n1和n2均大于等于一，并且n1等于n2。在另外一种实施方式中，n1也可以不等于n2。在图示的实施方式中，该第一变换器模块222和第二变换器模块224均提供五个等级的输出电平，并且，每一者均包括六个端口，以进行级联，下文将这些用作模块之间级联的端口简称为“级联端”。
更具体而言，该第一变换器模块222包括第一纵向桥臂201，第二纵向桥臂203和横向桥臂205。需要注意的是，在此所述的“纵向”和“横向”主要与读者在观察附图2和附图3所看到的物理方向相对应，其目的是方便描述本发明，而不应当用来将本发明的保护范围限制在该特定的物理方向，本发明实际的保护范围应当以权利要求中限定的元件和元件之间的电路连接关系为准。该第一纵向桥臂201包括第一开关单元228，该第一开关单元228的一端形成该第一纵向桥臂第一级联端237，另一端形成该第一纵向桥臂的第二级联端225。该第二纵向桥臂203包括第二开关单元232，该第二开关单元232与该第一开关单元228同向设置，该第二开关单元232的一端形成该第二纵向桥臂第一级联端241，另一端形成该第一纵向桥臂的第二级联端229。该横向桥臂205包括串联连接的第三开关单元234和第四开关单元236，并且该第三开关单元234和该第四开关单元236反向设置，该第三开关单元234的一端形成该横向桥臂205的第一级联端227，该第四开关单元236的一端形成该横向桥臂205的第二级联端239。并且，该第二级联端239还与定义在第一电容器225和第二电容器227之间（该第一电容器225和第二电容器227也称作飞跨电容）的电容中点相连接，以形成连接点223。此外，该第一电容器225的两端还分别与两个级联端237和239相连接，该第二电容器227的两端还分别与两个级联端241和239相连接。
类似地，该第二变换器模块224也包括第一纵向桥臂207，第二纵向桥臂209和横向桥臂271。该第一纵向桥臂207包括第五开关单元238，该第五开关单元238的一端形成该第一纵向桥臂第一级联端237，另一端形成该第一纵向桥臂的第二级联端211。该第二纵向桥臂209包括第六开关单元242，该第六开关单元242与该第五开关单元238同向设置，该第六开关单元242的一端形成该第二纵向桥臂第一级联端221，另一端形成该第一纵向桥臂的第二级联端215。该横向桥臂271包括串联连接的第七开关单元244和第八开关单元246，并且该第七开关单元244和该第八开关单元246反向设置，该第七开关单元244的一端形成该横向桥臂271的第一级联端219，该第八开关单元236的一端形成该横向桥臂271的第二级联端213。并且，该第二级联端216还与定义在直流环节210的第一电容器212和第二电容器214之间的直流母线中点相连接，以形成连接点216。此外，该第一电容器212的两端还分别与两个级联端211和213相连接，该第二电容器214的两端还分别与两个级联端213和215相连接。
在图示的实施方式中，通过将相对应的级联端235和237电连接在一起；将相对应的级联端219和239电连接在一起，以及将相对应的级联端241和221电连接在一起，即可以得到该变换器桥臂220的嵌套式级联结构。可以理解的是，在其他实施方式中，可以将三个或者三个以上的六级联端模块进行类似方式的级联，可以扩展得到更高输出电平阶数的变换器装置。在图示的实施方式中，由于该第一变换器模块222被设置为最内层，其三个级联端225，227，229共同连接在一起，并且与交流传输端口235相连接，以接收或者输出交流电。此外，由于该第二变换器模块224被设置为最外层，其第一纵向桥臂第二级联端211通过第一直流线路206连接到直流环节210的第一直流传输端口202，而其第二纵向桥臂第二级联端215通过第二直流线路208连接到直流环节210的第二直流传输端口204，以用于输入或者输出直流电。
请继续参阅图2，该第二相桥臂250具有与第一相桥臂220相类似的结构。举例而言，该第二相桥臂250也包括以嵌套式方式进行级联的第一变换器模块252和第二变换器模块254，并且二者均具有六个级联端以进行模块之间的级联连接。该第一变换器模块252包括四个开关单元258，262，264，266，该第二变换器模块254包括另外四个开关单元268，272，274，276。其中该四个开关单元258，262，264，266串联连接形成纵向桥臂，该另外四个开关单元268，272，274，276串联连接形成横向桥臂。该纵向桥臂的两端分别与第一直流线路206和第二直流线路208电连接。该横向桥臂的一端与直流环节的中点216电连接，该横向桥臂的另一端电连接于开关单元258，262之间的连接点263。该第二相桥臂250还包括两个飞跨电容器255，257，该两个飞跨电容器255，257串联连接形成电容器臂，该两个飞跨电容器255，257的一端共同连接形成连接点253，该连接点253电连接在两个开关单元266和274之间，该第一飞跨电容器255的另一端电连接在两个开关单元268和258之间，该第二飞跨电容器257的另一端电连接在两个开关单元262和272之间。
请继续参阅图2，该第三相桥臂280也具有与第一相桥臂220相类似的结构。举例而言，该第三相桥臂280也包括以嵌套式方式进行级联的第一变换器模块282和第二变换器模块284，并且二者均具有六个级联端以进行模块之间的级联连接。该第一变换器模块282包括四个开关单元288，292，294，296，该第二变换器模块284包括另外四个开关单元298，302，304，306。其中该四个开关单元288，298，292，302串联连接形成纵向桥臂，该另外四个开关单元294，296，304，306串联连接形成横向桥臂。该纵向桥臂的两端分别与第一直流线路206和第二直流线路208电连接。该横向桥臂的一端与直流环节的中点216电连接，该横向桥臂的另一端电连接于开关单元288，292之间的连接点293。该第三相桥臂280还包括两个飞跨电容285，287，该两个飞跨电容285，287串联连接形成电容器臂，该两个飞跨电容器285，287的一端共同连接形成连接点283，该连接点283电连接在两个开关单元296和304之间，该第一飞跨电容器285的另一端电连接在两个开关单元298和288之间，该第二飞跨电容器287的另一端电连接在两个开关单元292和302之间。
在一种实施方式中，该第一相桥臂220，该第二相桥臂250，该第三相桥臂280均提供五电平输出电压。在一种实施方式中，该第一相桥臂220中各个开关单元的开关状态可以如下表1所示：
表1变换器第一相桥臂输出电压与桥臂开关单元的开关状态关系
由表1可以看出，通过控制该第一相桥臂220中八个开关单元的开通和关断状态，可以使得该第一相桥臂输出-2、1、0、-1、-2五个电平等级的输出电压。并且，在电平等级为2和-2，也即在该第一相桥臂220输出最高和最低电压等级时，该八个开关单元具有唯一的组合开关状态。而在输出电平为中间等级-1和1时，有两种组合的开关状态，在输出电平为中间等级0时，有三种组合的开关状态。因此，在一些实施方式中，可以选择性地利用该等冗余开关状态来控制第一飞跨电容器285和第二飞跨电容器287的充放电，以实现电荷或者电压平衡。从表1可以看出，变换器中的多个开关单元被设置成通过互补方式进行开关操作，例如，第一开关单元228和第三开关单元234之间的开关状态呈互补关系。类似地，第二开关单元232和第四开关单元236，第五开关单元238和第七开关单元244，以及第六开关单元242和第八开关单元246之间的开关状态均呈互补关系。
图4显示了提供给图3所示的第一相桥臂220的八个开关单元的一种实施方式的驱动信号波形图以及输出电压和输出电流的波形图。如图4所示，该第一相桥臂220中的开关单元在执行开关操作的过程中还具有非互补的开关状态。例如，在输出电压563的电平从“1”切换到“2”时，第七开关单元244（T2）的开关信号切换到低电平信号，而第五开关单元238（T1）的开关信号延迟一段时间td之后切换到高电平信号。一般而言，由于开关器件的关断时间通常大于开通时间，通过引入这样的延迟时间间隔td可以防止因为两个开关器件同时开通而使得电容器发生短路。因此，在此延迟时间间隔td内，该第七开关单元244（T2）和第五开关单元238（T1）之间开关状态为非互补关系，而在此延迟时间间隔td之后，该第七开关单元244（T2）和第五开关单元238（T1）之间的开关状态为互补关系。另外，从图4可以看出，在输出电压563的电平为“1”时，第五开关单元238（T1）的开关信号为低电平信号，此时，由于第七开关单元244（T2）之中的反并联二极管可以对输出电流565起续流作用，因此可以将施加至该第七开关单元244（T2）的开关信号封闭，或者使该开关信号为低电平信号，也即，在t0至t1时间间隔范围内，该第七开关单元244（T2）和第五开关单元238（T1）之间开关状态也为非互补关系。类似地，从图4可以看出，由于引入延迟导通时间td，该第六开关单元242（T4）和第八开关单元246（T3）之间的开关状态可以为互补关系并且可以为非互补关系。同样类似地，从图4可以看出，由于引入延迟导通时间td，该第四开关单元234（S3）和第二开关单元232（S4）之间的开关状态呈互补关系并且呈非互补关系。另外，从图4可以看出，在该实施方式中，在图示的一个基波周期t0-t8，由于二极管的续流作用，或者电路断路，施加至横向桥臂的开关单元T2，T3，S2，S3的开关驱动信号在一些时间间隔内被封闭，以减少这些开关单元的开关次数，从而可以降低损耗。在其他实施方式中，也可以对施加至纵向桥臂的开关单元T1，T4，S1，S4的开关驱动信号进行封闭，以减少开关次数以及降低损耗。
图5所示为图2所示的新拓扑架构的变换器装置的一种实施方式的输出波形示意图560。如图5所示，该变换器的一相桥臂可以提供五个电平等级的电压输出。
图6所示为变换器装置中的第一种开关单元310的一种实施方式的详细电路示意图。在一种实施方式中，第一种开关单元310可以为图2中所示的三相桥臂中沿着纵向桥臂的任意一个开关单元。在一种特定的实施方式中，第一相桥臂220中纵向桥臂的所有开关单元238，228，232，242均具有如图6所示的结构。特别地，该开关单元310可以为单一的开关器件，也可以包括串联连接的第一开关器件316，第二开关器件318，第i开关器件322，其中i大于等于2。进一步，在一些实施方式中，该第一开关器件316并联连接有第一反并联二极管324，该第二开关器件318并联连接有第二反并联二极管326，该第i开关器件322并联连接有第i反并联二极管328。在一些情形下，也可以将该第一开关器件316和对应的第一反并联二极管324集成在一起，并将该集成在一起的模块称为开关器件。可以理解的是，由于将该第一开关器件316，第二开关器件318，第i开关器件322进行串联连接，因此，可以选择耐压值较低的开关器件，来取代耐压值相对较高单个的开关器件312以及与之相关的二极管314。在此所述的多个开关器件312，314，322可以为任意合适的基于半导体的开关器件，包括但不限于，绝缘栅双极型晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistors，IGBT）、集成门极换流晶闸管（IntegratedGate Commutated Thyristors，IGCT）以及金属氧化物半导体场效应晶体管（MetalOxideSemiconductor Field-Effect Transistor,MOSFET）等。
图7所示为变换器装置中的第一种开关单元320的另一种实施方式的详细电路示意图。图7所示的该第一种开关单元320与图6所示的第一种开关单元相类似310，例如，该第一种开关单元320可以为单一的开关器件，也可以包括串联连接的第一开关器件316，第二开关器件318，第i开关器件322，其中i大于等于2，以及与各个开关器件反并联连接的第一反并联二极管324，第二反并联二极管326，第i反并联二极管328。进一步，该第一种开关单元320还包括与第一开关器件316并联连接的第一缓冲电路323，与第二开关器件318并联连接的第二缓冲电路325，以及与第三开关器件322并联连接的第三缓冲电路327。在一种实施方式中，该第一缓冲电路323，该第二缓冲电路325和该第三缓冲电路327可以为无源缓冲电路。该等缓冲电路323，325，327的主要作用为减小或者消除由于作用到该等开关器件的驱动信号之间的差异而导致的电压不均衡的问题，也即可以取得较好的动态或者静态的均压特性。
图8所示变换器装置中的第二种开关单元330的一种实施方式的详细模块示意图。在一种实施方式中，第二种开关单元330可以为图2中所示的三相桥臂中沿着横向桥臂的任意一个开关单元。在一种特定的实施方式中，第一相桥臂220中横向桥臂的所有开关单元234，236，244，246均具有如图8所示的结构。特别地，该开关单元330可以为单一的开关器件，也可以包括串联连接的第一开关器件336，第二开关器件338，第m开关器件342，其中m大于等于2。进一步，在一些实施方式中，该第一开关器件336并联连接有第一反并联二极管344，该第二开关器件338并联连接有第二反并联二极管346，该第m开关器件342并联连接有第m反并联二极管348。可以理解的是，由于将该第一开关器件336，第二开关器件338，第m开关器件342进行串联连接，因此，可以选择耐压值较低的开关器件，来取代耐压值相对较高的单个开关器件332以及与之相关的二极管334。在一些实施方式中，在该第二种开关单元330中使用的多个串联连接的开关器件336，338，342可以与该第一种开关单元310和320中使用的多个串联连接的开关器件316，318，322相同。在其他实施方式中，在该第二种开关单元330中使用的多个串联连接的开关器件336，338，342也可以与该第一种开关单元310和320中使用的多个串联连接的开关器件316，318，322相同。另外，在一些实施方式中，该第二种开关单元330中串联连接的开关器件的数量可以与可以与该第一种开关单元310和320中使用的多个串联连接的开关器件相同，也可以不相同。类似的，在此所述的多个开关器件312，314，322可以为任意合适的基于半导体的开关器件，包括但不限于，绝缘栅双极型晶体管、集成门极换流晶闸管以及金属氧化物半导体场效应晶体管等。
图9所示为变换器装置中的第二种开关单元340的另一种实施方式的详细模块示意图。图9所示的该第二种开关单元340与图8所示的第二种开关单元相类似330，例如，该第二种开关单元340可以为单一的开关器件，也可以包括串联连接的第一开关器件336，第二开关器件338，第m开关器件342，其中m大于等于2，以及分别与各个开关器件反并联连接的第一反并联二极管344，第二反并联二极管346，第m反并联二极管348。进一步，该第二种开关单元340还包括与第一开关器件336并联连接的第一缓冲电路343，与第二开关器件338并联连接的第二缓冲电路345，以及与第三开关器件342并联连接的第三缓冲电路347。在一种实施方式中，该第一缓冲电路343，该第二缓冲电路345和该第三缓冲电路347可以为无源缓冲电路。该等缓冲电路343，345，347的主要作用为减小或者消除由于作用到该等开关器件的驱动信号之间的差异而导致的电压不均衡的问题，也即可以取得较好的动态或者静态的均压特性。
图10所示为图2所示的变换器装置中的单相桥臂的另一种实施方式的详细电路示意图。特别地，该单相桥臂400可以代替图2所示的第一相桥臂220，第二相桥臂250，第三相桥臂280中的任意一者或者全部，以使得变换器装置可以提供七个电平等级的输出电压。在图10所示的实施方式中，该单相桥臂400可以通过第一端口402和第二端口404接收输入直流电压，并通过直流环节460进行滤波，并维持稳定的直流电压作用到其后的开关单元或者开关器件，然后通过第三端口405输出交流电压。在一种实施方式中，该直流环节460电连接在第一直流线路406和第二直流线路408之间，并且该直流环节460包括第一电容器462和第二电容器464。
如图10所示，该单相桥臂400还包括以嵌套式方式进行级联的第一变换器模块410，第二变换器模块420，第三变换器模块430。该三个变换器模块410，420，430均提供三电平输出电压，从而使得该单相桥臂400可以提供七电平输出电压。在其他实施方式中，也可以将第一变换器模块410和第二变换器模块420先通过嵌套式级联，以构建成一个单独的五电平变换器模块，然后将该五电平变换器模块与第三变换器模块430进行嵌套式级联，得到可以输出七电平的单相桥臂400。类似地，该第一变换器模块410，该第二变换器模块420和第三变换器模块430每一者均设置有六个级联端，以实现模块与模块之间的级联。该第一变换器模块410包括四个开关单元412，414，416，418，该第二变换器模块420包括四个开关单元422，424，426，428，该第三变换器模块430包括四个开关单元432，434，436，438。其中，六个开关单元432，422，412，414，424，434串联连接形成纵向桥臂；另外六个开关单元438，436，428，426，418，416串联连接形成横向桥臂。该横向桥臂的一端电连接于该直流环节460的直流中点466，该横向桥臂的另一端电连接于第三端口405或者开关单元412和414之间的第一连接点413。该单相桥臂400还包括由第一飞跨电容442和第二飞跨电容444串联连接形成的第一电容器臂440，以及由第三飞跨电容452和第四飞跨电容454串联连接形成的第二电容器臂450。该第一飞跨电容器442和第二飞跨电容器444的一端共同连接于开关单元418和426之间的第二点连接点443，该第一飞跨电容器442的另一端电连接于开关单元422和412之间，第二飞跨电容器444的另一端电连接与开关单元414和424之间。该第三飞跨电容器452和第四飞跨电容器454的一端共同连接于开关单元436和428之间的第三连接点453，该第三飞跨电容器452的另一端电连接于开关单元432和422之间，该第四飞跨电容器454的另一端电连接于开关单元424和434之间。
类似地，在一些实施方式中，该七电平输出的单相桥臂400中的至少两个开关单元可以通过互补方式进行开关操作并且可以通过非互补方式进行开关操作。另外，在一个或者多个基波周期内，该单相桥臂400中的多个飞跨电容器的电压可以使用开关单元所存在的冗余开关状态进行平衡。进一步，在一个基波周期内的至少一部分时间间隔，在不改变开关状态和不影响电压电流输出状态的情况下，可以将施加至该单相桥臂400中多个开关的开关信号的至少一者封闭，以减少开关单元的开关次数。
图11所示为驱动单元500的至少一部分驱动电路的一种实施方式的模块示意图。在一种实施方式中，图11示出了用于驱动如图2或者图10所示的一个开关单元的驱动单元500的模块示意图。如图10所示，该驱动单元500包括总驱动信号分布电路512，第一驱动电路514，第二驱动电路516和第p个驱动电路518，其中，p大于等于2，并且该p个驱动电路的数量与开关单元中的串联连接的开关器件的数量相对应。在一种实施方式中，该总驱动信号电路512通过光通信方式，例如通过光纤线缆与该第一驱动电路514，第二驱动电路516以及第p驱动电路518连接。该总驱动信号分布电路512接收总驱动信号542，并将该总驱动信号542分配成第一光驱动信号544，第二光驱动信号546，第p光驱动信号548，其中，p大于等于2。该总驱动信号542一般由如图1所示的控制器140执行一定的算法得到，包括但不限于，脉冲宽度调制算法，空间矢量脉冲宽度调制算法等。该第一驱动电路514将该第一光驱动信号544转换成第一电驱动信号552，并将该第一电驱动信号552作用到第一开关器件522。该第二驱动电路516将该第二光驱动信号546转换成第二电驱动信号554，并将该第二电驱动信号554作用到第二开关器件524。该第p驱动电路518将该第p光驱动信号548转换成第p电驱动信号550，并将该第p电驱动信号550作用到第p开关器件526。该第一开关器件522并联连接有第一反并联二极管528，该第二开关器件524并联有第二反并联二极管532，该第p开关器件526并联有第p反并联二极管534。该第一电驱动信号552，该第二电驱动信号554以及该第p电驱动信号550同时为开通信号或者关断信号，以使得该第一开关器件522，第二开关器件524以及第p开关器件526可以同时开通或者关断。
图12所示为驱动单元500的至少一部分驱动电路的另一种实施方式的模块示意图。图12所示的实施方式基本上与图11所示的实施方式相类似，例如，该驱动单元500也包括总驱动信号分配电路512，第一驱动电路514，第二驱动电路516以及第p驱动电路518。特别地，在该实施方式中，该第一开关器件522还并联连接有第一缓冲电路529，该第二开关器件524还并联连接有第二缓冲电路531，该第p开关器件526还并联连接有第p缓冲电路533。在其他实施方式中，该等缓冲电路529，531，533也可以通过串联方式与各自的开关单元522，524，526相连接。由于作用到各个开关器件的驱动信号在传输过程中存在着一定的差异或者各个开关器件之间的特性参数存在着差异，通过该多个缓冲电路可以消除由于驱动信号之间的差异或者开关器件的特性差异而导致的电压不均衡问题，以取得较佳的均压特性。
图13所示为驱动方法560的一种实施方式的流程图。特别地，该驱动方法用于驱动具有嵌套式中点导向拓扑架构的变换器，例如，如图2所示的变换器200。该变换器200的第一相桥臂220包括嵌套式连接的第一变换器模块222和第二变换器模块224，该第一变换器模块222和该第二变换器模块224每一者包括多个开关单元，该多个开关单元中的至少一者包括至少串联连接的第一开关器件和第二开关器件，例如图6-图7所示的串联连接的开关器件。
在一种实施方式中，该方法560可以从步骤562开始执行。在步骤562中，提供第一总驱动信号给第一开关单元，例如，提供第一总驱动信号给第一相桥臂220中第二变换器模块224的第五开关单元238。由上图4可知，在输出电平等级为2时，由于引入一定的延迟时间间隔td，提供给该第五开关单元238的第一总驱动信号包括“0”电平信号和“1”电平信号。
在一种实施方式中，该方法560还包括步骤564。在步骤564中，提供第二总驱动信号给第二开关单元，例如，提供第二总驱动信号给第一相桥臂220中第二变换器模块224的第七开关单元244。由上图4可知，在输出电平等级为2时，提供给该第七开关单元244的第二总驱动信号均为“0”，也即，该第五开关单元238和该第七开关单元244被配置成通过互补方式进行开关操作并且通过非互补方式进行开关操作。
图14所示为驱动方法600的一种实施方式的流程图。特别地，该驱动方法用于驱动具有嵌套式中点导向拓扑架构的变换器，例如，如图2所示的变换器200。该变换器200的第一相桥臂220包括嵌套式连接的第一变换器模块222和第二变换器模块224，该第一变换器模块222和该第二变换器模块224每一者包括多个开关单元。该多个开关单元中的至少一者包括至少串联连接的第一开关器件和第二开关器件，例如图6-图7所示的串联连接的开关器件。
在一种实施方式中，该方法600可以从步骤602开始执行。在步骤602中，将总驱动信号分配成至少第一光驱动信号和第二光驱动信号，该步骤可以由图11和图12中的总驱动信号分配电路512执行。
该方法600还包括步骤604。在步骤604中，将第一光驱动信号转换成第一电驱动信号，该步骤604可以由图11和图12中的第一驱动电路514来执行。
该方法600还包括步骤606。在步骤606中，将第二光驱动信号转换成第二电驱动信号，该步骤606可以由图10和图11中的第二驱动电路516来执行。
该方法600还包括步骤608。在步骤608中，将第一电驱动信号作用到开关单元中的第一开关器件。
该方法600还包括步骤610。在步骤610中，将第二电驱动信号作用到同一开关单元中的第二开关器件，以使得该第一开关器件和第二开关器件基本上可以同步开通或者关断。
图15所示为能量变换方法的一种实施方式的流程图。特别地，在一些实施方式中，可以使用具有嵌套式中点导向拓扑架构的变换器，例如，如图2和图3所示的变换器200来执行能量变换操作。在一种实施方式中，该方法700可以从步骤702开始执行。在步骤702中，使用具有嵌套式中点导向拓扑架构的第一变换器装置（交流-直流变换器）将电网提供的第一种交流电压转换成直流电压。在一些实施方式中，该变换后的直流电压可以通过直流环节进行滤波。在其他实施方式中，也可以使用被动式器件，例如功率二极管形成的整流桥装置将第一种交流电压转换成直流电压。
该方法700还包括步骤704。在步骤704中，使用具有嵌套式中点导向拓扑架构的第二变换器装置（直流-交流变换器）将直流电压转换成第二种交流电压。
该方法700还包括步骤706。在步骤706中，将该第二交流电压作用到负载，例如交流电机。当该第二交流电压为三相交流电压时，该负载可以为三相交流电机。
虽然结合特定的实施方式对本发明进行了说明，但本领域的技术人员可以理解，对本发明可以作出许多修改和变型。因此，要认识到，权利要求书的意图在于涵盖在本发明真正构思和范围内的所有这些修改和变型。

Claims (25)

1.一种变换器装置，其特征在于：该变换器装置至少包括嵌套式连接的第一变换器模块和第二变换器模块，该第一变换器模块和该第二变换器模块每一者包括多个开关单元，其中，在该变换器装置进行电能变换时，该多个开关单元中的至少二者通过互补方式进行开关操作并且通过非互补方式进行开关操作。
2.如权利要求1所述的变换器装置，其特征在于：该第一变换器模块或者该第二变换器模块包括横向桥臂第一级联端，横向桥臂第二级联端，第一纵向桥臂第一级联端，第一纵向桥臂第二级联端，第二纵向桥臂第一级联端以及第二纵向桥臂第二级联端；该横向桥臂第一级联端和该横向桥臂第二级联端之间串联至少两个反向连接的开关单元；该第一纵向桥臂第一级联端和该第一纵向桥臂第二级联端之间连接有至少一个第一开关单元；该第二纵向桥臂第一级联端和该第二纵向桥臂第二级联端之间连接有至少一个与该第一开关单元同向的第二开关单元。
3.如权利要求2所述的变换器装置，其特征在于：该横向桥臂第一级联端或者与其他变换器模块对应的级联端进行连接或者连接到直流环节的直流中点；该横向桥臂第二级联端或者与其他变换器模块对应的级联端进行连接或者连接到交流传输端口；该第一纵向桥臂第一级联端，该第一纵向桥臂第二级联端，该第二纵向桥臂第一级联端和该第二纵向桥臂第二级联端四者之中的二者或者与其他变换器模块对应的级联端进行连接或者连接到直流环节的直流传输端口；该第一纵向桥臂第一级联端，该第二纵向桥臂第一级联端和该第二纵向桥臂第二级联端四者之中的另外二者或者与其他变换器模块对应的级联端进行连接或者连接到交流传输端口。
4.如权利要求2所述的变换器装置，其特征在于：该变换器装置还包括飞跨电容器臂，该飞跨电容器臂至少包括串联连接的第一飞跨电容器和第二飞跨电容器；该飞跨电容器臂的一端电连接于该第一变换器模块的第一纵向桥臂第二级联端以及该第二变换器模块的第一纵向桥臂第一级联端，该第一飞跨电容臂的另一端电连接于该第一变换器模块的第二纵向桥臂第二级联端以及该第二变换器模块的第二纵向桥臂第一级联端；该第一飞跨电容器和该第二飞跨电容器之间定义一飞跨电容中点，该飞跨电容中点电连接于该第一变换器模块的横向桥臂第二级联端以及该第二变换器模块的横向桥臂第一级联端。
5.如权利要求4所述的变换器装置，其特征在于：在一个或者多个基波周期内，该第一飞跨电容器和该第二飞跨电容器的电压通过选择性地利用该多个开关单元所存在的冗余开关状态进行平衡。
6.如权利要求2所述的变换器装置，其特征在于：在一个基波周期的至少一部分时间间隔，施加至该横向桥臂或者该第一、第二纵向桥臂的多个开关单元中的至少一者之开关驱动信号被封闭，以减少开关单元的开关次数。
7.如权利要求1所述的变换器装置，其特征在于：该第一变换器模块与该第二变换器模块具有相同的结构，该第一变换器模块提供2n1+1个等级的输出电平，该第二变换器模块提供2n2+1个等级的输出电平，其中n1和n2均大于等于一，并且n1等于n2。
8.如权利要求1所述的变换器装置，其特征在于：该第一变换器模块与该第二变换器模块具有不同的结构，该第一变换器模块提供2n1+1个等级的输出电平，该第二变换器模块提供2n2+1个等级的输出电平，其中n1和n2均大于等于一，并且n1不等于n2。
9.如权利要求1所述的变换器装置，其特征在于：该变换器装置包括纵向桥臂和横向桥臂，该纵向桥臂包括至少一个第一开关单元，该横向桥臂包括至少一个第二开关单元，该第一开关单元包括n个串联连接的开关器件，该第二开关单元包括m个串联连接的开关器件，其中，n大于等于2，m大于等于2。
10.如权利要求1所述的变换器装置，其特征在于：该多个开关单元中的至少一者包括至少两个串联连接的开关器件。
11.如权利要求10所述的变换器装置，其特征在于：该至少两个串联开关器件中的每一者均连接有对应的缓冲电路，该对应的缓冲电路用于使同一开关单元中的该至少两个开关器件在开关过程中保持电压均衡。
12.一种变换器装置，其特征在于：该变换器装置至少包括嵌套式连接的第一变换器模块和第二变换器模块，该第一变换器模块和该第二变换器模块每一者包括多个开关单元，其中，该多个开关单元中的至少一者包括至少两个串联连接的开关器件。
13.如权利要求12所述的变换器装置，其特征在于：在该变换器装置进行电能变换时，该多个开关单元中的至少二者通过互补方式进行开关操作并且通过非互补方式进行开关操作。
14.一种三相变换器，其特征在于：该三相变换器包括接收或者输出第一相交流电的第一相桥臂，接收或者输出第二相交流电的第二相桥臂，以及接收或者输出第三相交流电的第三相桥臂；该第一相桥臂，该第二相桥臂和该第三相桥臂中的每一者均包括嵌套式连接的飞跨电容中点导向第一变换器模块和第二变换器模块，该第一变换器模块和该第二变换器模块每一者包括多个开关单元；其中，在该变换器装置进行电能变换时，该多个开关单元中的至少二者通过互补方式进行开关操作并且通过非互补方式进行开关操作。
15.一种直流-交流变换器，其特征在于：该直流-交流变换器包括：第一直流线路，第二直流线路，第一开关单元，第二开关单元，第三开关单元，第四开关单元，第五开关单元，第六开关单元，第七开关单元，第八开关单元，第一电容器，第二电容器，第三电容器和第四电容器；该第一直流线路和该第二直流线路用于接收直流电压，该第一开关单元，该第二开关单元，该第五开关单元，该第六开关单元串联连接于该第一直流线路和该第二直流线路之间；该第三开关单元，该第四开关单元，该第七开关单元和第八开关单元串联连接于直流母线中点和第一输出点之间，该直流母线中点由该第三电容器和该第四电容器之间形成的连接点定义，该第一输出点由该第一开关单元和该第二开关单元形成的连接点定义，且该第一输出点用于输出交流电压；该第一电容器的一端连接于该第四开关单元和该第七开关单元之间，该第一电容器的另一端连接于该第一开关单元和该第五开关单元之间；该第二电容器的一端连接于该第四开关单元和该第七开关单元之间，该第二电容器的另一端连接于该第二开关单元和该第六开关单元之间；该第三电容器和该第四电容器串联连接于该第一直流线路和该第二直流线路之间；其中，该第一开关单元，该第二开关单元，该第三开关单元，该第四开关单元，该第五开关单元，该第六开关单元，该第七开关单元以及该第八开关单元中的至少两者在执行电能变换操作时通过互补方式进行开关操作并且通过非互补方式进行开关操作。
16.一种交流-直流变换器，其特征在于：该交流-直流变换器包括：第一直流线路，第二直流线路，第一开关单元，第二开关单元，第三开关单元，第四开关单元，第五开关单元，第六开关单元，第七开关单元，第八开关单元，第一电容器，第二电容器，第三电容器和第四电容器；该第一直流线路和该第二直流线路用于输出直流电压，该第一开关单元，该第二开关单元，该第五开关单元，该第六开关单元串联连接于该第一直流线路和该第二直流线路之间；该第三开关单元，该第四开关单元，该第七开关单元和第八开关单元串联连接于直流母线中点和第一输入点之间，该直流母线中点由该第三电容器和该第四电容器之间形成的连接点定义，该第一输入点由该第一开关单元和该第二开关单元之间形成的连接点定义，且该第一输入点用于输入交流电压；该第一电容器的一端连接于该第四开关单元和该第七开关单元之间，该第一电容器的另一端连接于该第一开关单元和该第五开关单元之间；该第二电容器的一端连接于该第四开关单元和该第七开关单元之间，该第二电容器的另一端连接于该第二开关单元和该第六开关单元之间；该第三电容器和该第四电容器串联连接于该第一直流线路和该第二直流线路之间；其中，该第一开关单元，该第二开关单元，该第三开关单元，该第四开关单元，该第五开关单元，该第六开关单元，该第七开关单元以及该第八开关单元中的至少两者在执行电能变换操作时通过互补方式进行开关操作并且通过非互补方式进行开关操作。
17.一种驱动方法，该方法用于驱动变换器装置，该变换器装置至少包括形成嵌套式中点导向拓扑架构的第一变换器模块和第二变换器模块，该第一变换器模块或者该第二变换器模块包括至少第一开关单元和第二开关单元，该驱动方法至少包括如下步骤：
提供第一总驱动信号至该第一开关单元；以及
提供第二总驱动信号至该第二开关单元，以使得该第一开关单元和该第二开关单元通过互补方式进行开关操作并且通过非互补方式进行开关操作。
18.如权利要求17所述的驱动方法，其特征在于：该变换器装置包括第一飞跨电容器和第二飞跨电容器，该方法还包括如下步骤：在一个或者多个基波周期内，选择性地利用施加至该第一开关单元的第一总驱动信号和施加至该第二开关单元的第二总驱动信号之间所存在的冗余开关状态以平衡该第一飞跨电容器和该第二飞跨电容器的电压。
19.如权利要求17所述的驱动方法，其特征在于：该方法还包括如下步骤：在一个基波周期的至少一部分时间间隔，封闭施加至该横向桥臂或者该第一、第二纵向桥臂的多个开关单元中的至少一者之开关驱动信号，以减少开关单元的开关次数。
20.一种驱动方法，该方法用于驱动变换器装置，该变换器装置至少包括形成嵌套式中点导向拓扑架构的第一变换器模块和第二变换器模块，该第一变换器模块和该第二变换器模块每一者包括多个开关单元；其中，该多个开关单元中的至少一者包括串联连接的至少第一开关器件和第二开关器件；该驱动方法至少包括如下步骤：
通过总驱动信号分配电路将总驱动信号分配成至少第一光驱动信号和第二光驱动信号；
通过第一驱动电路将该第一光驱动信号转换成第一电驱动信号；
通过第二驱动电路将该第二光驱动信号转换成第二电驱动信号；
将该第一电驱动信号作用到该第一开关器件；以及
将该第二电驱动信号作用到该第二开关器件。
21.一种使用变换器装置在电网和三相交流电机之间执行电能变换的方法，该变换器装置包括交流-直流变换器和直流-交流变换器，该交流-直流变换器和直流-交流变换器中的至少一者包括形成嵌套式中点导向拓扑架构的第一变换器模块和第二变换器模块，该第一变换器模块或者该第二变换器模块包括至少第一开关单元和第二开关单元，该第一开关单元和该第二开关单元通过互补方式进行开关操作并且通过非互补方式进行开关操作，该方法至少包括如下步骤：
使用该交流-直流变换器将从该电网接收的第一种三相交流电压转换成直流电压；
使用该直流-交流变换器将该直流电压转换成第二种三相交流电压；以及
将该第二种三相交流电压提供给该三相交流电机。
22.一种驱动单元，其特征在于：该驱动单元用于驱动变换器装置，该变换器装置至少包括形成嵌套式中点导向拓扑架构的第一变换器模块和第二变换器模块，该第一变换器模块和该第二变换器模块每一者包括多个开关单元；其中，该多个开关单元中的至少一者至少包括串联连接的第一开关器件和第二开关器件；该驱动单元包括总驱动信号分配电路，第一驱动电路和第二驱动电路；该总驱动信号分配电路和该第一驱动电路以及该第二驱动电路进行光通信连接，该总驱动信号分配电路用于将总驱动信号分配成第一光驱动信号和第二光驱动信号；该第一驱动电路用于将该第一光驱动信号转换成第一电驱动信号，该第二驱动电路用于将该第二光驱动信号转换成第二电驱动信号；该第一开关器件根据该第一电驱动信号进行相应的开关动作，该第二开关器件根据该第二电驱动信号进行相应的开关动作。
23.如权利要求22所述的驱动单元，其特征在于：该第一开关器件连接有第一缓冲电路，该第二开关器件连接有第二缓冲电路，该第一缓冲电路和该第二缓冲电路使该第一开关器件和该第二开关器件的在执行开关动作的均压特性得到优化。
24.一种变换器装置，其特征在于：该变换器装置至少包括第一变换器模块，第二变换器模块以及至少第一飞跨电容器和第二飞跨电容器；该第一变换器模块和该第二变换器模块电连接在一起形成嵌套式中点导向拓扑结构；该第一变换器模块和该第二变换器模块每一者包括多个开关单元，其中，该变换器装置在执行进行电能变换操作时，施加至该多个开关单元中的开关驱动信号所存在的冗余状态被用来平衡该第一飞跨电容器和第二飞跨电容器的电压。
25.一种变换器装置，其特征在于：该变换器装置至少包括第一变换器模块，第二变换器模块以及至少第一飞跨电容器和第二飞跨电容器；该第一变换器模块和该第二变换器模块电连接在一起形成嵌套式中点导向拓扑结构；该第一变换器模块和该第二变换器模块每一者包括多个开关单元，其中，在一个基波周期的至少一部分时间间隔，施加至该多个开关单元中的至少一者的开关信号被封闭。
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