CN104104219B - 用于多电平逆变器的电力级预充电和动态制动装置 - Google Patents

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Abstract

用于多电平逆变器电力级（100）的预充电和动态制动电路（200），所述预充电和动态制动电路（200）具有共享电阻器，所述共享电阻器在第一操作模式下被连接成利用来自整流器电路（120）的电流对直流总线电容器（C）进行充电，以及在动态制动模式下被连接成与电容器（C）并联以消耗电力。

Description

用于多电平逆变器的电力级预充电和动态制动装置
背景技术
电力转换器被用于将输入电能从一种形式转换成另一种形式以驱动负载。一种形式的电力转换系统是电机驱动器，所述电机驱动器可以用于电动机负载的变速操作。多电平逆变器如级联H桥(CHB)逆变器有时被用于电机驱动器和其他电力转换系统中以生成并提供高电压驱动信号，其中各个电力单元或电力级串联连接。所述电力级中的每个级提供独立的直流(DC)源，并且被开关信号驱动以产生正或负输出电压，其中多级输出的串联组合提供多电平逆变器输出能力用于以可变速度和转矩来驱动负载。
发明内容
现在概述本公开内容的各个方面，以便于对本公开内容的基本理解，其中此概述不是本公开内容的详尽概述，并且既不旨在确定本公开内容的某些元素，也不旨在描绘其范围。相反，本概述的主要目的是为了在下文中所呈现的较详细描述之前以简化的形式呈现本公开内容的各种构思。本公开内容提供了用于对各个多电平逆变器电力级或单元的直流总线电容器进行预充电以及用于在电力级内使用共享电阻器来实现动态制动的装置和技术。
根据本公开内容的一个或更多个方面，提供了一种电力转换系统，该电力转换系统包括多电平逆变器，多电平逆变器具有一个或更多个逆变器臂，每个逆变器臂均具有多个电力级以及转换器系统控制器，多个电力级各自提供多个不同的输出电压电平，转换器系统控制器提供开关控制信号以设定电力级的各个输出电平。各个电力级包括直流总线电路以及开关电路，通过整流器向所述直流总线电路提供直流电压，开关电路以多个不同电平中之一提供电力级输出电压。预充电和动态制动电路被设置在各个电力级内，包括连接在整流器与开关电路之间的电阻器。预充电和动态制动电路操作于第一模式以传导电流从整流器通过电阻器以对直流总线电容器进行充电，以及操作于第二模式以旁通电阻器并且允许电流从整流器流至开关电路用于正常操作。在第三操作模式下，预充电和动态制动电路将电阻器与电容器并联连接，以便于动态制动操作。
在某些实施方式中，预充电和动态制动电路包括第一开关以及第一二极管，第一开关耦接在整流器与开关电路之间的直流电路支路中，第一二极管与第一开关并联耦接。对于正常或动态制动操作，闭合第一开关或者以其他方式使第一开关呈现为传导以旁通电阻器，并且断开开关或使开关呈现为不传导使得来自整流器的预充电电流流过电阻器以在预充电操作模式下对电容器进行充电。此外，在各种实施方式中，第二开关耦接在另外的直流电路支路与电阻器之间，其中第二开关在正常和预充电操作期间是断开或不传导的，并且在动态制动期间闭合或进行脉宽调制以选择性地将电阻器与直流总线电容器并联连接。在某些实现方案中，电力级控制器向第一开关和第二开关提供控制信号，以根据电力级的直流总线电压来设定操作模式，例如：如果直流总线电压小于第一(例如较低)阈值，则将电路设定成第一或预充电操作模式；当直流总线电压在第一阈值以上并且在第二(例如较高)阈值以下时，电路操作于第二或正常模式下，其中电阻器不传导任何电流；以及当直流总线电压超过第二阈值时，电路操作于第三或动态制动模式。
方法和非暂态计算机可读介质被设置有用于对多电平逆变器的各个电力级进行操作的计算机可执行指令。这些技术包括：如果直流总线电压小于第一阈值，则通过电阻器对电力级的直流总线电容进行预充电；以及如果电压大于第二阈值，则将电阻器与直流总线电容并联连接。在某些实施方式中，如果直流总线电压在第一阈值和第二阈值之间，则电阻器被旁通以允许电流在整流器与电力级开关电路之间流动。
附图说明
下面的描述和附图详细阐述了本公开内容的某些说明性实现方案，这些实施示出了可以执行本公开内容的各种原理的若干示例性方式。然而，所示出的示例并不穷举本公开内容的众多可能的实施方式。在下文结合附图考虑的详细描述中，将会阐述本公开内容的其他目的、优点和新型特征，在附图中：
图1是示出了基于三相13电平CHB逆变器的电机驱动电力转换系统的示意图，所述电机驱动电力转换系统具有三个逆变器臂，每个逆变器臂具有在中性点与电机负载相之间串联连接的六个电力级或电力单元；
图2是示出了根据本公开内容的一个或更多个方面的图1的电力转换器中的示例性电力级，所述电力级具有使用共享电阻器的预充电和动态制动电路；
图3是示出了根据本公开内容的另外的方面的用于操作多电平逆变器中的各个电力级的示例性方法的流程图；
图4是图示了图2的电力级在第一模式期间在第一操作模式下通过电阻器对直流总线电容器进行可控预充电的操作的示意图；
图5是示出了图2的电力级在正常操作期间的操作的示意图；以及
图6是示出了图2的电力级的动态制动操作的示意图，其中所述电阻器跨越直流总线电容器并联连接。
具体实施方式
现在参照附图，在下文中结合附图描述了若干实施方式或实现方案，其中贯穿全文使用相同的附图标记来标记相同的元件，并且其中各种特征不一定按比例绘制。提出了多电平逆变器电力级架构，其中利用中间直流总线电路中的开关电路，使用单个共享电阻器来实现预充电和动态制动功能，以选择性地连接电阻器以控制对直流总线电容的充电或者将电阻器与直流总线电容并联连接以便于消耗来自受驱动电机或其他负载的反EMF，同时还便于利用被旁通的电阻器来正常操作。动态制动和预充电功能是级联H桥和其他多电平电力转换器架构的特征的期望组合，并且本公开内容提供了简单而有效的设计用于实现两种功能，其中各个电力级内的局部电路构成级联或串联连接的多单元结构。可以使用动态制动装置来选择性地减缓由电力转换器驱动的电机负载，并且本公开内容提供了选择性开关来连接阻抗以消耗由于电机减速从电机负载返回的电力。
还可以例如在启动时或在电力中断后使用相同的阻抗来进行预充电，以对直流总线电容器进行充电，其中直流总线电压下降到标称电平以下。当直流总线电压在预定阈值以下时，激活各个电力级内的电路，以通过传导来自电力级整流器或其他局部直流源的电流通过阻抗以限制到电容器的涌入电流来按可控速率对电容器充电，从而保护电容器和对半导体器件进行充电而避免过电流条件。在所示出的实施方式中，例如共享电阻器的尺寸被确定为使得当充电到可管理的电平时减少电流尖峰，并且还便于动态制动操作。因此通过以最小数量的电路元件提供这些功能，该电路呈现为显著优于传统的多电平逆变器。此外，本公开内容公开的技术使用具有共享电阻器的板载电路找到了与涉及任意数量的级联电力级的低电压以及中间电压或高电压电力转换器应用相关联的实用性，所述共享电阻器的大小是针对与各个电力单元或级相关联的电力电平来确定的。
在图1中示出了示例性多电平逆变器电机驱动电力转换系统10，其中各个电力单元或电力级100并入了使用共享电阻器的预充电和动态制动电路。电力转换器10包括三相多电平逆变器40，所述三相多电平逆变器40针对三个部分或逆变器臂102U、102V和102W中的每个，具有串联连接的电力级100-1、100-2、100-3、100-4、100-5、100-6，三个部分或逆变器臂102U、102V和102W与电机负载50的相应电机相U、V和W相关联。尽管在多相多电平逆变器驱动电机负载的背景下示出了本公开内容的构思，但是驱动其他形式的负载50的其他实施方式也是可能的，所述负载50包括但不限于单相交流(AC)负载，其中本公开内容不限于多相电机驱动型电力转换器。此外，在某些实施方式中，各个电力级100包括具有开关器件(例如，以下图2中的具有相关联的二极管D11-D14的Q1-Q4)的H桥开关电路或逆变器40，尽管可以在各个电力级100中设置任何合适形式的输出开关电路140，其中两个或更多个开关构成开关电路，所述开关电路用于根据由电力转换器控制器60的控制器64或逆变器控制部件提供的开关控制信号62来生成具有两个或更多个可能电平之一的电力级输出。
图1的示例是针对三个电机负载相U、V和W中的每一个具有六个电力单元或电力级100的多相13电平逆变器40(例如对于相U，100-U1、100-U2、100-U3、100-U4、100-U5和100-U6构成第一逆变器臂102U；对于相V，100-V1、100-V2、100-V3、100-V4、100-V5和100-V6构成第二逆变器臂102V；以及对于相W，级100-W1、100-W2、100-W3、100-W4、100-W5和100-W6构成第三逆变器臂102W)。此外，该示例中的逆变器臂102中的每一个被连接在电力转换器中性点N与相应的电机引线U、V或W之间。本公开内容的各个方面可以结合具有任意整数“N”个电力级100的单相或多相多电平逆变器型电力转换系统来实现，其中N大于1。另外，虽然所示出的实施方式利用级联的H桥级100来构成电机驱动系统10的每个输出相的多电平逆变器臂102，但是可以使用其他类型和形式的电力级100，例如具有包括多于或少于四个开关器件的开关电路的级100，其中本公开内容的更广泛的方面不限于图示实施方式中所示的H桥电力单元100。例如，其中各个单元100可以包括少至两个开关器件或者大于或等于2的任意整数个开关的实施方式也是可能的。
向电力转换器10提供来自相移变压器30的多相交流输入电力，相移变压器30具有多相初级32(在所示实施方式中的Δ配置)，多相初级32从交流电源20接收三相电力。变压器30包括18个三相次级34，三相次级34具有6组3个Δ配置的三相次级34，所述6组中的每一组处于不同的相关系。在所示出的示例中，虽然初级32和次级34被配置为Δ绕组，但是可以替选地使用“Y”连接的初级绕组和/或次级绕组或其他绕组配置。此外，尽管该变压器具有三相初级绕组32和次级绕组34，但是可以使用其他单相或多相实现方案，并且次级或次级组不必相移。在图1的示例中的每个三相次级34被耦接成提供交流电力以驱动三相多电平逆变器40的相应电力级100的三相整流器120。该示例中的逆变器40是具有6个级联H桥电力级100-U1至100-U6的13电平逆变器，13电平逆变器具有输出104-U1至104-U6，输出104-U1至104-U6在中性点N与三相电机负载50的第一绕组U之间彼此串联连接(级联)。类似地，电力级100-V1至100-V6提供在中性点N与第二绕组V之间串联连接的电压输出104-V1至104-V6，而电力级100-W1至100-W6提供在中性点N与电机50的第三绕组W之间串联连接的电压输出104-W1至104-W6。
在操作中，电机驱动控制器60向与第一电机绕组U相关联的电力级100-U1至100-U6提供控制信号62U，并且还向电力级100-V1至100-V6提供控制信号62V以及向电力级100-W1至100-W6提供控制信号62W。虽然图1中所示出的逆变器40是向相U、V和W提供输出电力以驱动三相电机50的多相单元，但是本公开内容的构思也适用于单相转换器，例如从源20接收三相输入的三相至单相转换器，单元100的单个串联连接的组向单相电机或其他单相输出负载提供电力。此外，可以使用具有多于三个的相或逆变器臂102的电力级100的相应串联连接的组来提供其他多相输出。
可以使用任意合适的硬件、处理器执行的软件或固件、或它们的组合来实现电机驱动控制器60及其部件64，其中控制器60的示例性实施方式包括一个或更多个处理元件，例如微处理器、微控制器、FPGA、DSP、可编程逻辑等，以及电子存储器、程序存储器和信号调理驱动器电路，处理元件被编程为或以其他方式配置成生成逆变器开关控制信号62并且执行其他电机驱动操作任务以驱动负载50，逆变器开关控制信号62适于操作电力级100的开关器件。
图2示出了H桥电力级100的一种可能的实现方案，可以复制H桥电力级100以构成诸如图1中所示出的单相或多相多电平逆变器40的级联电力级。图2中的电力级包括三相交流输入108，三相交流输入108具有输入端子108A、108B和108C，输入端子108A、108B和108C可连接用于接收交流输入电力，在该情况下三相电力来自交流源例如图1中的变压器30的次级绕组34。其他实现方案也是可能的，其中各个电力级或单元100接收单相交流输入电力，或者其中各个电力级100从外部直流源(未示出)接收直流输入电力。在所示出的示例中，交流输入电力从单元输入108被提供给整流器电路120，整流器电路120具有构成三相整流器120的板载整流器二极管D1至D6，三相整流器120从相应的变压器次级34接收三相交流电力并且在连接到直流总线电路130的输出端子121(+)和122(-)处提供直流输出电力。在该示例中，使用了无源整流器120，但是也可以使用有源整流器电路或其他形式的整流器，不论具有单相还是多相交流输入。
图2中的电力级100还包括直流链路或总线电路130和输出开关电路140(例如H桥逆变器)，该输出开关电路140以多个不同的输出电压电平中的一个受控输出电压电平向电力单元输出104提供输出电压VOUT，该电力单元输出104具有第一输出端子104A和第二输出端子104B。在某些实施方式中，可以在各个电力级100中设置旁通电路来旁通输出104(未示出)。直流总线电路130包括直流总线电容器C，该直流总线电容器C被连接在上电路支路或第一电路支路与第二电路支路或下电路支路之间，上电路支路或第一电路支路在整流器120的正输出节点121与连接到输出开关电路140的正输入节点131之间延伸，所述第二电路支路或下电路支路在整流器120的负输出节点122与输出开关电路140的负输入节点132之间延伸。此外，如下面进一步描述，预充电和动态制动电路200设置在整流器120和输出开关电路140之间。
在正常操作中，整流器120跨越直流总线电容器C来提供直流电力。转而直流链路电路130向H桥逆变器140提供输入，该H桥逆变器140由四个开关器件Q1至Q4构成，这四个开关器件Q1至Q4被配置成“H”桥电路。虽然所示出的电力级100基于由内部整流器电路120提供的直流源进行操作，该整流器电路120通过来自相应变压器次级34的交流输入来驱动，但是可以向根据本公开内容的电力级100提供任何适当形式的直流输入，并且电力级100可以但不需要包括板载整流电路120。此外，可以在各个级100的输出开关电路140(例如逆变器)中使用任何合适的开关电路配置，该输出开关电路140具有至少两个开关器件Q，所述至少两个开关器件Q被配置成在具有至少两个不同电平的级输出104处选择性地提供电压。此外，可以在电力级100中使用任何合适类型的开关器件Q，开关器件Q包括但不限于基于半导体的开关，例如绝缘栅双极晶体管(IGBT)、可控硅整流器(SCR)、栅极关断晶闸管(GTO)、集成栅极整流晶闸管(IGCT)等。
所示出的四开关H桥输出开关电路140有利地允许控制器60选择性地生成开关控制信号，以在输出104处以受控方式提供至少两个不同的电压电平。例如，当开关器件Q1和Q4导通(传导)而其他器件Q2和Q3关断(不传导)时，在输出端子104A和104B处提供正直流电平的电压输出VOUT，其基本上等于跨越电容器C的直流总线电压(例如+VDC)。相反地，当Q2和Q3导通而Q1和Q4关断时提供负输出电压电平VOUT(例如-VDC)。该配置还通过导通Q1和Q3同时保持Q2和Q4关断(或替选地通过导通Q2和Q4同时保持Q1和Q3关断)来允许约零伏的三个不同的输出电压电平。因此，示例性H桥电力级100有利地允许选择两个或更多个不同的输出电压，并且六个这样的级的级联配置(例如图1)允许逆变器控制部件64选择性地生成开关控制信号以实现应用于相应电机相U、V或W的13个不同的电压电平(线到中性点)。这转而允许25个不同的线到线电压电平。要注意的是，可以使用其他可能的开关电路来实现针对各个级100的两个、三个、或K个电平的可选输出，其中K是大于1的任意正整数。可以使用电机驱动控制器60中的任何合适的逻辑或电路来向给定的电力级100提供逆变器开关控制信号62，例如基于载波的开关电路和/或实现脉宽调制(PWM)开关控制信号62的数字逻辑。此外，控制器60可以包括信号电平放大和/或驱动器电路(未示出)，以提供足以选择性地致动开关器件Q1至Q4的合适的驱动电压和/或电流电平，例如诸如比较器、载波发生器或数字逻辑和信号驱动器。
如图2中进一步示出的，各个电力级100还包括双功能的预充电和动态制动电路200，该预充电和动态制动电路200可以被连接到整流器120(或其他直流输入)与输出开关电路140之间的直流路径中的任何位置。在所示出的示例中，预充电和动态制动电路200被配置在整流器120与直流总线电容C之间，尽管其他实现方案也是可能的。此外，根据本公开内容，预充电和动态制动电路200有利地采用单个共享电阻器206，其能够操作地用于对直流链路电容器电压进行受控预充电以及用于动态制动操作两者。此外，针对这两个目的，在电路200中设置了第一开关202和第二开关210用于电阻器206的选择性连接。另外，在每个电力级100内设置了预充电和动态制动控制电路220，以如图2所示的表中所总结的三个不同模式之一来控制电力级100的操作。具体而言，控制器220选择性地改变预充电和动态制动电路200的开关状态以实现对直流链路电容器C进行预充电的第一模式，以及实现正常操作模式和用于动态制动的第三模式。此外，在某些实施方式中，控制器220至少部分地根据电路130中的直流总线电压来选择性地设定操作模式。例如，如图2中所示，控制器220可以接收指示跨越直流总线电容器C的电压(VDC)的一个或更多个反馈信号。可以使用任何合适的硬件、处理器执行的固件、处理器执行的软件、逻辑电路、FPGA等来构造预充电和动态制动控制器220，并且控制器220可以使用任何合适的反馈信号以选择性地设定如本文所述的电力级120的操作模式。
如图2中所示，在任意给定时间，示例性预充电和动态制动控制器220根据中间直流电路130的所感测到的直流总线电压来操作电力级100，并且通过将总线电压与第一阈值和第二阈值进行比较将预充电和动态制动电路200选择性地置于三个不同的操作模式中的一个操作模式下。在各种实现方案中，其他形式的操作模式开关可以全部或部分地基于电机驱动器10或其电力级100的一个或更多个其他的操作条件。在所示出的示例中，电路200包括电阻器206，电阻器206被耦接在整流器120与输出开关电路140之间，控制器220在第一操作模式(预充电)下操作电路200以传导来自整流器120的电流通过电阻器206到达电容器C。在第二(正常)操作模式下，控制器220操作电路200以旁通电阻器206，从而允许电流直接从整流器120流到开关电路140。在第三操作模式下将电阻器206与电容器C并联连接来实现动态制动。
如图2所示，第一开关202被耦接在节点121与节点131之间的第一直流总线电路支路中，并且根据来自控制器220的第一控制信号222在第一状态(断开或不传导)下操作，以防止电流直接流过整流器120与开关电路140之间的开关202。根据控制信号222，第一开关器件202还能够操作于第二状态(闭合或传导)，以允许电流流过开关202。可以使用诸如接触器、继电器、或基于半导体的开关元件(例如IGBT、SCR、GTO、IGCT等)的任何合适的开关器件202，其中开关器件202的大小优选地确定为适合正常操作中所需的最大电流。虽然图2的实施方式提供了在上或正直流电路支路121、131中的第一开关器件202，但是其他实施方式也是可能的，其中第一开关202替选地设置在节点122与节点132之间的下直流电路支路中。此外，如所示出的，二极管204被连接在开关202两端，阳极端子被连接到输出开关电路节点131而阴极被连接到整流器120的输出节点121。例如在动态制动操作期间，二极管204允许再生电流从输出开关电路140流至节点121，但是当开关器件202断开或不传导时防止或阻断正向电流从节点121流至输出开关电路140。
如所示出的，电阻器206和第二二极管208被连接在与第一开关器件202的触点并联的电路支路中，电阻器206被连接在节点121与内部节点209之间，第二二极管208的阳极被连接到节点209而阴极被连接到节点131。此外，第二开关器件210被耦接在节点122和节点132处的第二直流电路支路与第一内部节点209之间。第二开关210根据来自预充电和动态制动控制器220的第二控制信号224来进行操作，并且可以是包括但不限于接触器、继电器、或基于半导体的开关元件(例如IGBT、SCR、GTO、IGCT等)的任何合适类型的开关器件。控制器220包括任何合适的逻辑和信号调理和/或驱动器电路用于提供控制信号222和224，以根据本文中所描述的操作和功能来适当地操作第一开关器件202和第二开关器件210。
还参照图3至图6，图3示出了根据本公开内容的各个方面的用于操作电力转换系统的示例性处理或方法300，该示例性处理或方法300可以使用各个电力级104的预充电和动态制动控制器220在三个模式下的操作来实现。本公开内容的各个方面还提供了非暂态计算机可读介质，例如操作地与控制器220相关联的电子存储器，所述非暂态计算机可读介质包括用于执行所描述的方法的计算机可执行指令，所述方法包括图3的所示出的方法300。虽然下面以一系列动作或事件的形式示出和描述了方法300，但是将理解的是，本公开内容的各种方法不限于这样的动作或事件的所示顺序。在这点上，除了如在下文中具体规定的之外，一些动作或事件可以根据本公开内容以不同的次序发生和/或与除了在本文中所示出和描述的动作或事件之外的其他动作或事件同时发生。还要注意的是，并非所有示出的步骤需要根据本公开内容的处理或方法来实现，并且可以组合一个或更多个这样的动作。本公开内容的所示出的方法300和其他方法可以以硬件、处理器执行的软件或它们的组合来实现，例如在本文中所述的示例性控制器220中实现，并且可以以存储在有形的非暂态计算机可读介质中，例如存储在与一个示例中的控制器220操作关联的存储器中的计算机可执行指令的形式来实施。
所示出的处理300开始于302，向转换系统10施加电力。如前面所提到的，预充电特征可以被用于系统10的初始加电和/或在暂时性中断后电力的恢复。在304处，控制器220确定直流总线电压是否小于第一(预充电)阈值THPC。在一个可能的实现方案中，预充电阈值THPC可以设定在标称直流总线电压处或标称直流总线电压的附近，所述标称直流总线电压与电力级100的正常操作相关联。如果直流总线电压处于第一阈值或其以上(在304处为否)，则处理300继续到如下所述的308。
还参照图4，如果总线电压小于阈值THPC(在图3中在304处为是)，则在306处控制器220切换到对总线电容器C进行预充电的第一操作模式。如图4中所示，控制器220提供第一控制信号222以便断开第一(预充电)开关202，并且提供第二控制信号224以保持第二开关210关断(非传导)。如图4中所示，在第一预充电模式下来自整流器120的电流从节点121通过电阻器206和二极管208流到节点131，然后通过直流总线电容器C在节点132处流到下直流电路支路，从而在节点122处返回到负整流端。对于该操作，电阻器206具有根据直流总线电容器C的电容被选择或设计的电阻值，用于控制电容器C的充电时间。在这方面，电阻器206的电阻尤其对完全放电的总线电容器C设定涌入电流的极限，从而保护整流器120的半导体器件(例如无源整流二极管和/或有源整流器开关)防止过电流条件，并且还保护电容器C防止高涌入电流。此外，如图3中所示，处理300返回到在304处再次相对于阈值THPC估定直流总线电压电平并且在306处继续预充电操作，直到直流总线电压处于阈值电平THPC为止。
当直流总线电压处于第一阈值电平THPC或其以上(在304处为否)时，图3中的处理300进行到308，其中(例如通过控制器220)确定直流总线电压是否超过第二(动态制动)阈值THDB，第二(动态制动)阈值THDB高于第一阈值THPC。第二阈值THDB可以被设定为适于在电力单元或级100中触发动态制动的任意期望的电平，诸如在一个非限制性示例中在标称直流总线电压电平以上约5％-10％。如果直流总线电压在第一阈值与第二阈值之间(在308处为否)，则在310处控制器220操作于第二模式或正常模式，控制信号222和224将第一开关202保持在闭合或导通(例如传导)状态，并且将第二开关210保持在断开/关断(例如非传导)状态。在图5中进一步说明了该操作，其中直流电流从正整流器节点121通过闭合的第一开关202流到输出开关电路140的上输入节点131，从而保持跨越电容器C的直流总线电压并且允许开关电路140根据来自电力转换器控制器60的开关控制信号62(上面的图1)来进行开关操作。
再返回到图3，当直流总线电压处于第一阈值和第二阈值之间时，该正常模式操作在304、308和310处继续。然而，如果直流总线电压超过第二(上)阈值THDB(在308处为是)，则处理300进行到312，控制器220进入第三(动态制动)模式。在图6中进一步说明了该动态制动操作，控制器220经由控制信号222将第一开关202保持在闭合或传导状态，并且经由控制信号224选择性地闭合第二开关210(使其传导)。在某些实施方式中，在第三(动态制动)操作模式期间控制器220可以简单地闭合开关210。此外，在其他可能的实施方式中，控制器220可以提供控制信号224，以便对开关210进行脉宽调制。在一些实现方案中，例如，可以至少部分地根据例如直流总线电压电平来控制控制信号224的脉宽调制操作，控制器220针对直流总线电压在阈值THDB以上的较大偏移来增加脉冲宽度。此外，对于这样的脉宽调制实现方案，在经由控制信号224对第二开关210的控制中，可以使用任何合适的开关频率。此外，如图6中所示，控制器220在动态制动模式下的操作提供了通过电阻器206的电路路径，以用于传导电流从输出开关电路节点131通过闭合的开关202(和/或通过阻断的二极管204)返回，并且然后通过电阻器206和开关210。
因此，控制器220在动态制动模式下的操作提供了经由电阻器206的阻抗以消耗从输出开关电路140回流的多余能量。在这点上，除了上述的电阻器206在预充电操作模式下执行的涌入电流限制功能之外，还可以根据所期望的制动阻抗值来设定共享电阻器206的电阻值。电阻206确定制动转矩，从而确定所驱动的电机负载50的减速速率，并且脉宽调制开关210的占空比确定制动电阻器的额定电力。在某些非限制性实施方式中，例如，电阻器206可以被设定为约5Ω至10Ω。
此外，如图3中所示，处理300返回到如上所述在304和308处再次估定直流总线电压，从而实现电力单元100的三个模式的操作，用于选择性地对总线电容器C进行预充电、以正常模式操作和/或提供动态制动。
下表1示出了直流总线电压VDC与控制器220的操作模式以及开关202和210的状态之间的关系。
本公开内容还可以通过以下方案来实现：
方案1.一种电力转换系统，包括：
多电平逆变器，所述多电平逆变器包括至少一个逆变器臂，所述至少一个逆变器臂包括多个电力级，各个电力级包括：
直流总线电路，所述直流总线电路具有第一直流电路支路和第二直流电路支路，
整流器电路，所述整流器电路向所述直流总线电路提供直流电压，
输出；以及
开关电路，所述开关电路能够根据开关控制信号进行操作以在所述输出处以多个不同的输出电压电平之一提供输出电压，以及
预充电和动态制动电路，所述预充电和动态制动电路具有连接在所述整流器电路与所述开关电路之间的电阻器，所述预充电和动态制动电路操作于第一操作模式以传导来自所述整流器电路的电流通过所述电阻器，以对所述直流总线电路的电容器进行充电；操作于第二操作模式以旁通所述电阻器并且允许电流从所述整流器电路流至所述开关电路；以及操作于第三操作模式，以将所述电阻器与所述直流总线电路的所述电容器并联连接，
所述至少一个逆变器臂的输出彼此串联耦接，所述至少一个逆变器臂的最后电力级的输出提供输出以驱动负载；以及
控制器，所述控制器操作用于提供所述开关控制信号以设定所述多电平逆变器的所述电力级的各个输出电压电平。
方案2.根据方案1所述的电力转换系统，其中，各个电力级的所述预充电和动态制动电路包括：
第一开关器件，所述第一开关器件耦接在所述整流器与所述开关电路之间的所述直流总线电路的所述第一电路支路中，所述第一开关器件根据第一控制信号操作于第一状态以防止电流直接流过所述整流器与所述开关电路之间的所述第一开关器件；以及操作于第二状态以允许电流流过所述第一开关器件；
第一二极管，所述第一二极管与所述第一开关器件并联耦接，所述第一二极管具有连接到所述整流器的阴极和连接到所述开关电路的阳极；
第二二极管，所述第二二极管与所述电阻器串联耦接，所述电阻器在与所述第一开关器件并联的电路支路中，所述第二二极管具有连接到所述电阻器的阳极和连接到所述开关电路的阴极；以及
电力级控制器，所述电力级控制器提供所述第一控制信号，以选择性地将所述第一开关器件在所述第一操作模式下置于所述第一状态，以及将所述第一开关器件在所述第二操作模式和所述第三操作模式下置于所述第二状态。
方案3.根据方案2所述的电力转换系统，其中，各个电力级的所述预充电和动态制动电路包括：
第二开关器件，所述第二开关器件耦接在所述第二直流电路支路与第一内部节点之间，所述第一内部节点将所述第二二极管与所述电阻器接合，所述第二开关器件根据第二控制信号操作于第一状态，以防止电流在所述第一内部节点与所述第二直流电路支路之间流动；以及操作于第二状态，以允许电流在所述第一内部节点与所述第二直流电路支路之间流动；
其中所述电力级控制器提供所述第二控制信号以选择性地将所述第二开关器件在所述第一操作模式和所述第二操作模式下置于所述第一状态，以及在所述预充电和动态制动电路处于所述第三操作模式期间的至少一部分时间内将所述第二开关器件置于所述第二状态。
方案4.根据方案3所述的电力转换系统，其中，所述电力级控制器提供所述第二控制信号，以在所述第三操作模式下脉宽调制所述第二开关器件。
方案5.根据方案4所述的电力转换系统，其中，所述电力级控制器至少部分地根据所述直流总线电路的直流总线电压来改变所述预充电和动态制动电路的操作模式。
方案6.根据方案5所述的电力转换系统，其中，如果所述直流总线电压小于第一阈值，则所述电力级控制器以所述第一操作模式操作所述预充电和动态制动电路；如果所述直流总线电压大于第二阈值，则所述电力级控制器以第三操作模式操作所述预充电和动态制动电路；以及如果所述直流总线电压在所述第一阈值与所述第二阈值之间，则所述电力级控制器以所述第二操作模式操作所述预充电和动态制动电路，所述第二阈值大于所述第一阈值。
方案7.根据方案3所述的电力转换系统，其中，所述第二开关器件是绝缘栅双极晶体管。
方案8.根据方案2所述的电力转换系统，其中，所述电力级控制器至少部分地根据所述直流总线电路的直流总线电压来改变所述预充电和动态制动电路的操作模式。
方案9.根据方案8所述的电力转换系统，其中，如果所述直流总线电压小于第一阈值，则所述电力级控制器以所述第一操作模式操作所述预充电和动态制动电路；如果所述直流总线电压大于第二阈值，则所述电力级控制器以第三操作模式操作所述预充电和动态制动电路；以及如果所述直流总线电压在所述第一阈值与所述第二阈值之间，则所述电力级控制器以所述第二操作模式操作所述预充电和动态制动电路，所述第二阈值大于所述第一阈值。
方案10.根据方案1所述的电力转换系统，其中，各个预充电和动态制动电路的操作模式至少部分地根据所述直流总线电路的直流总线电压来确定。
方案11.根据方案10所述的电力转换系统，其中，如果所述直流总线电压小于第一阈值，则各个预充电和动态制动电路操作于所述第一操作模式；如果所述直流总线电压大于第二阈值，则各个预充电和动态制动电路操作于所述第三操作模式；以及如果所述直流总线电压在所述第一阈值与所述第二阈值之间，则各个预充电和动态制动电路操作于所述第二操作模式，所述第二阈值大于所述第一阈值。
方案12.根据方案1所述的电力转换系统，其中，如果相应直流总线电路的直流总线电压小于第一阈值，则各个预充电和动态制动电路操作于所述第一操作模式；如果所述直流总线电压大于第二阈值，则各个预充电和动态制动电路操作于第三操作模式；以及如果所述直流总线电压在所述第一阈值与所述第二阈值之间，则各个预充电和动态制动电路操作于所述第二操作模式，所述第二阈值大于所述第一阈值。
方案13.一种用于操作多电平逆变器中的各个电力级的方法，所述方法包括：
如果给定电力级的直流总线电压小于第一阈值，则通过电阻器对所述给定电力级的直流总线电容进行预充电；以及
如果所述给定电力级的所述直流总线电压大于第二阈值，则将所述电阻器与所述直流总线电路的所述电容器并联连接，用于动态制动由所述多电平逆变器驱动的负载，所述第二阈值大于所述第一阈值。
方案14.根据方案13所述的方法，包括：如果所述直流总线电压在所述第一阈值与所述第二阈值之间，则旁通所述电阻器以允许电流从整流器电路流至所述给定电力级的开关电路。
方案15.根据方案14所述的方法，包括：如果所述给定电力级的所述直流总线电压大于所述第二阈值，则对将所述电阻器与所述电容器并联连接的开关进行脉宽调制，用于动态制动所述负载。
方案16.根据方案13所述的方法，包括：如果所述给定电力级的所述直流总线电压大于所述第二阈值，则对将所述电阻器与所述电容器并联连接的开关进行脉宽调制，用于动态制动所述负载。
方案17.一种非暂态计算机可读介质，所述非暂态计算机可读介质具有用于操作多电平逆变器中的各个电力级的计算机可执行指令，所述非暂态计算机可读介质包括用于如下操作的计算机可执行指令：
如果给定电力级的直流总线电压小于第一阈值，则通过电阻器对所述给定电力级的直流总线电容进行预充电；以及
如果所述给定电力级的所述直流总线电压大于第二阈值，则将所述电阻器与所述直流总线电路的所述电容器并联连接，用于动态制动由所述多电平逆变器驱动的负载，所述第二阈值大于所述第一阈值。
方案18.根据方案17所述的非暂态计算机可读介质，包括如下计算机可执行指令：如果所述直流总线电压在所述第一阈值和所述第二阈值之间，则旁通所述电阻器以允许电流从整流器电路流至所述给定电力级的开关电路。
方案19.根据方案18所述的非暂态计算机可读介质，包括如下计算机可执行指令：如果所述给定电力级的所述直流总线电压大于所述第二阈值，则对将所述电阻器与所述电容器并联连接的开关进行脉宽调制，用于动态制动所述负载。
方案20.根据方案17所述的非暂态计算机可读介质，包括如下计算机可执行指令：如果所述给定电力级的所述直流总线电压大于所述第二阈值，则对将所述电阻器与所述电容器并联连接的开关进行脉宽调制，用于动态制动所述负载。
以上示例仅说明本公开内容的各个方面的若干可能实施方式，其中其他本领域技术人员在阅读和理解本说明书与附图时将会想到等效替换和/或修改。特别是关于由上述部件(组件、器件、系统、电路等)执行的各种功能，除非另有说明，否则用于描述这样的部件的术语(包括所提及的“装置”)旨在对应于执行所描述的部件的指定功能(即，功能上等效)的任何部件，诸如硬件、处理器执行的软件或它们的组合，即使其在结构上与执行本公开内容的所示实现方案的功能的所公开结构不等同。另外，尽管可能仅针对若干实现方案中的一个实现方案公开了本公开内容的特定特征，但是这样的特征可以与其他实现方案的一个或更多个其他特征组合，只要针对任何给定或特定应用这种组合会是期望的且有利的。另外，对于在具体实施方式部分和/或权利要求中使用的术语“包括(including、includes)”、“具有(having、has、with)”或其变体而言，这样的术语意在以类似于术语“包括(comprising)”的方式而是内含性的。
部件清单
电力转换系统 10
多电平逆变器 40
负载 50
控制器 60
开关控制信号 62
电力级 100
逆变器臂 102
输出 104
整流器电路 120
直流总线电路 130
直流总线电路 130
开关电路 140
预充电和动态制动电路 200
第一开关器件 202
电阻器 206
第二二极管 208
第一内部节点 209
第二开关器件 210
电力级控制器 220
第一控制信号 222
第二控制信号 224
第一直流电路支路 121,131
第二直流电路支路 122,132
方法 300
旁通 310
第二阈值 312

Claims (10)

1.一种电力转换系统(10)，包括：
多电平逆变器(40)，所述多电平逆变器(40)包括至少一个逆变器臂(102)，所述至少一个逆变器臂(102)包括多个电力级(100)，各个电力级(100)包括：
直流总线电路(130)，所述直流总线电路(130)具有第一直流电路支路(121，131)和第二直流电路支路(122，132)，
整流器电路(120)，所述整流器电路(120)向所述直流总线电路(130)提供直流电压，
输出(104)；以及
开关电路(140)，所述开关电路(140)能够根据开关控制信号(62)进行操作以在所述输出(104)处以多个不同的输出电压电平中之一提供输出电压，以及
预充电和动态制动电路(200)，所述预充电和动态制动电路(200)具有连接在所述整流器电路(120)与所述开关电路(140)之间的电阻器(206)，所述预充电和动态制动电路(200)操作于第一操作模式以传导来自所述整流器电路(120)的电流通过所述电阻器(206)，以对所述直流总线电路(130)的电容器(C)进行充电；操作于第二操作模式以旁通所述电阻器(206)并且允许电流从所述整流器电路(120)流至所述开关电路(140)；以及操作于第三操作模式，以将所述电阻器(206)与所述直流总线电路(130)的所述电容器(C)并联连接，
所述至少一个逆变器臂(102)的所述输出(104)彼此串联耦接，所述至少一个逆变器臂(102)的最后电力级(100)的输出(104)提供输出以驱动负载(50)；以及
控制器(60)，所述控制器(60)进行操作用于提供所述开关控制信号(62)以设定所述多电平逆变器(40)的所述电力级(100)的各个输出电压电平，
其中，各个电力级(100)的所述预充电和动态制动电路(200)包括：
第一开关器件(202)，所述第一开关器件(202)耦接在所述整流器电路(120)与所述开关电路(140)之间的所述直流总线电路(130)的所述第一直流电路支路(121，131)中，所述第一开关器件(202)根据第一控制信号(222)操作于第一状态以防止电流直接流过所述整流器电路(120)与所述开关电路(140)之间的所述第一开关器件(202)；以及操作于第二状态以允许电流流过所述第一开关器件(202)；
第一二极管(204)，所述第一二极管(204)与所述第一开关器件(202)并联耦接，所述第一二极管(204)具有连接到所述整流器电路(120)的阴极和连接到所述开关电路(140)的阳极；
第二二极管(208)，所述第二二极管(208)与所述电阻器(206)串联耦接，所述电阻器(206)在与所述第一开关器件(202)并联的电路支路中，所述第二二极管(208)具有连接到所述电阻器(206)的阳极和连接到所述开关电路(140)的阴极；以及
电力级控制器(220)，所述电力级控制器(220)提供所述第一控制信号(222)，以选择性地将所述第一开关器件(202)在所述第一操作模式下置于所述第一状态，以及将所述第一开关器件(202)在所述第二操作模式和所述第三操作模式下置于所述第二状态。
2.根据权利要求1所述的电力转换系统(10)，其中，各个电力级(100)的所述预充电和动态制动电路(200)包括：
第二开关器件(210)，所述第二开关器件(210)耦接在所述第二直流电路支路(122，132)与第一内部节点(209)之间，所述第一内部节点(209)将所述第二二极管(208)与所述电阻器(206)接合，所述第二开关器件(210)根据第二控制信号(224)操作于第一状态，以防止电流在所述第一内部节点(209)与所述第二直流电路支路(122，132)之间流动；以及操作于第二状态，以允许电流在所述第一内部节点(209)与所述第二直流电路支路(122，132)之间流动；
其中所述电力级控制器(220)提供所述第二控制信号(224)以选择性地将所述第二开关器件(210)在所述第一操作模式和所述第二操作模式下置于所述第一状态，以及在所述预充电和动态制动电路(200)处于所述第三操作模式期间的至少一部分时间内将所述第二开关器件(210)置于所述第二状态。
3.根据权利要求2所述的电力转换系统(10)，其中，所述电力级控制器(220)提供所述第二控制信号(224)，以在所述第三操作模式下脉宽调制所述第二开关器件(210)。
4.根据权利要求2所述的电力转换系统(10)，其中，所述第二开关器件(210)是绝缘栅双极晶体管。
5.根据权利要求1所述的电力转换系统(10)，其中，各个预充电和动态制动电路(220)的操作模式至少部分地根据所述直流总线电路(130)的直流总线电压来确定。
6.根据权利要求1所述的电力转换系统(10)，其中，如果相应的直流总线电路(130)的直流总线电压小于第一阈值，则各个预充电和动态制动电路(200)操作于所述第一操作模式；如果所述直流总线电压大于第二阈值，则各个预充电和动态制动电路(200)操作于所述第三操作模式；以及如果所述直流总线电压在所述第一阈值与所述第二阈值之间，则各个预充电和动态制动电路(200)操作于所述第二操作模式，所述第二阈值大于所述第一阈值。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的电力转换系统(10)，其中，所述第一操作模式是预充电模式，所述第二操作模式是正常模式，并且所述第三操作模式是动态制动模式。
8.根据权利要求1至6中任一项所述的电力转换系统(10)，其中，所述第一状态是断开状态，并且所述第二状态是闭合状态。
9.一种用于操作多电平逆变器(40)中的各个电力级(100)的方法(300)，各个电力级(100)包括预充电和动态制动电路(200)，所述方法(300)包括：
通过所述预充电和动态制动电路(200)，
如果给定电力级(100)的直流总线电压小于第一阈值，则在第一操作模式下通过传导电流从整流器电路(120)通过电阻器(206)以对直流总线电路(130)的电容器(C)进行充电，来通过所述电阻器(206)对所述给定电力级(100)的直流总线电容器(C)进行预充电(306)；
如果所述直流总线电压在所述第一阈值与第二阈值之间，则在第二操作模式下旁通所述电阻器(206)并且允许电流从所述整流器电路(120)流至开关电路(140)，所述第二阈值大于所述第一阈值；以及
如果所述给定电力级的所述直流总线电压大于所述第二阈值，则在第三操作模式下将所述电阻器(206)与所述直流总线电路(130)的所述电容器(C)并联连接(312)，用于动态制动由所述多电平逆变器(40)驱动的负载(50)，
其中，各个电力级(100)的所述预充电和动态制动电路(200)包括：
第一开关器件(202)，所述第一开关器件(202)耦接在所述整流器电路(120)与所述开关电路(140)之间的所述直流总线电路(130)的第一直流电路支路(121，131)中，所述第一开关器件(202)根据第一控制信号(222)操作于第一状态以防止电流直接流过所述整流器电路(120)与所述开关电路(140)之间的所述第一开关器件(202)；以及操作于第二状态以允许电流流过所述第一开关器件(202)；
第一二极管(204)，所述第一二极管(204)与所述第一开关器件(202)并联耦接，所述第一二极管(204)具有连接到所述整流器电路(120)的阴极和连接到所述开关电路(140)的阳极；
第二二极管(208)，所述第二二极管(208)与所述电阻器(206)串联耦接，所述电阻器(206)在与所述第一开关器件(202)并联的电路支路中，所述第二二极管(208)具有连接到所述电阻器(206)的阳极和连接到所述开关电路(140)的阴极；以及
电力级控制器(220)，所述电力级控制器(220)提供第一控制信号(222)，以选择性地将所述第一开关器件(202)在所述第一操作模式下置于所述第一状态，以及将所述第一开关器件(202)在所述第二操作模式和所述第三操作模式下置于所述第二状态。
10.根据权利要求9所述的方法(300)，其中，所述第一操作模式是预充电模式，所述第二操作模式是正常模式，并且所述第三操作模式是动态制动模式。
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