CN104620489B - 电力转换装置 - Google Patents

Abstract

一种电力转换装置包括连接到第二转换器的第一转换器。所述第一转换器包括第一电容器，所述第二转换器包括与第三电容器串联连接的第二电容器。所述电容器与各自的电阻器并联连接。所述电力转换装置还包括与所述第一转换器并联连接并且与所述第二转换器串联连接的旁路开关。控制模块被配置以通过对所述第一转换器、所述第二转换器与所述旁路开关进行操作来控制单相输出电压。

Description

电力转换装置

技术领域

本文中描述的实施例一般地涉及一种电力转换装置。

背景技术

通常，经常出现的情况是，转换器包括二极管钳位型3电平电路。相对于这样的转换器，出现了对通过利用诸如碳化硅元件的低损耗器件将转换器器件小型化的需求。然而，就当前可用的碳化硅元件而言，没有已知的可承受高压的元件。因此，有必要将碳化硅元件布置成串联，或者将碳化硅元件和现存硅元件结合来采用多电平。在这两种方法中，串联元件的布置具有缺点，例如，电阻损耗的增加、组件总数的增加以及平衡控制的必要性。因此，相比起将元件布置成串联，多电平被认为更实用。

关于多电平技术，飞跨电容的方法已经被建议作为一种方法，其中，可以减少开关元件的数量来减少输出电压的电平的数量。然而，在这样的方法中，电容器的数量增加。

二极管钳位的方法已经被提出用于限制多电平器件中电容器数量的增加。在二极管钳位的方法中，具有滤波电容电压(a filter capacitor voltage)的平衡电路是有必要的，以便可以增大转换器器件的大小。除了二极管钳位的方法以外，其他方法包括单相全桥转换器(逆变器)的AC(交流)输入/输出点以串联的方式连接的级联方法，以及灰度控制方法。

在相关技术中，可以减少电容器的数目的同时保证高的电击穿强度。然而，开关元件的数目随着输出电压的电平的数目增加，因此，转换器器件的小型化是困难的。

因此，考虑使用将多个不同的电平转换器以串联的方式连接的多电平转换器。然而，对于每个电平转换器来说，抑制电平转换器的电容器的过电压的电路是必需的。尽管用于抑制过电压的保护电路包括用于执行快速放电的放电电阻器，但保护电路需要具有能承受大电流的容量，所以，存在一种保护电路变得更大的趋势。因此，减小电力转换装置的尺寸是有困难的。

附图说明

图1描绘了根据第一实施例的电力转换装置的多电平转换器。

图2描绘了根据第一实施例的与输到多电平转换器的输出电压命令相对应的各个转换器的命令值电压。

图3描绘了根据第一实施例的由在单相2电平转换器和单相3电平转换器中所包括的各个开关器件执行的开关控制。

图4描绘了当满足Vthr1>＝Vref>＝-Vthr1的条件时，多电平转换器的单相3电平转换器的电流路径。

图5描绘了当满足Vthr2>＝Vref>Vthr1的条件时，多电平转换器的单相3电平转换器的电流路径。

图6描绘了当满足Vref>Vthr2的条件时，多电平转换器的单相3电平转换器的电流路径。

图7描绘了根据第一实施例的双向旁路开关和过电压抑制电路被操作时的电流路径。

图8描绘了根据第一实施例的变形的电力转换装置中双向旁路开关被操作时的电流路径。

图9是描绘了根据第一实施例的变形的电力转换装置中的电容器中产生过电压时的过程的流程图。

图10描绘了根据第一实施例的第二变形的由控制模块执行的控制中双向旁路开关被操作并且单相3电平转换器的开关器件引入OFF状态时的电流路径。

图11描绘了根据第二实施例的电力转换装置的多电平转换器。

图12描绘了根据第二实施例的控制模块开始给各个电容器充电时的电流路径。

图13描绘了当由于单相2电平转换器的电容器的初始电压达到所要的初始电压值，根据第二实施例的控制模块仅继续对单相3电平转换器的电容器充电时的电流路径。

图14是描绘了根据第二实施例的电力转换装置中的初始充电过程的步骤的流程图。

具体实施方式

根据本发明，提供了一种电力转换装置，尽管其具有较少的部件，其也能提供恰当的控制。

根据实施例，一般地，电力转换装置包括第一转换器，该第一转换器连接到第二转换器。该第一转换器包括第一电容器，该第二转换器包括第二电容器，该第二电容器串联连接到第三电容器。所述电容器各自与相应的电阻器并联连接。该电力转换装置还包括旁路开关，该旁路开关与该第一转换器并联连接并且与该第二转换器串联连接。控制模块被配置为通过对该第一转换器、该第二转换器以及该旁路开关进行操作来控制单相输出电压。

根据另一实施例，一般地，用于车辆的电力转换装置是将单相交流电转换为直流电的电力转换装置。该电力转换装置包括单相2电平转换器、单相3电平转换器，以及双向旁路开关。该单相2电平转换器包括电容器。在该单相2电平转换器中，具有自灭弧能力并被布置为与该电容器并联的第一开关器件和第二开关器件，经由连接到提供单相交流电的电源的第一连接点连接成串联的两个元件；布置为与该电容器并联的第三开关器件和第四开关器件，经由第二连接点连接成串联的两个元件；以及对于每个开关器件都有二极管与该开关器件反向并联连接。该单相3电平转换器包括串联连接的两个电容器。在该单相3电平转换器中，被布置为与该等串联连接的电容器并联的第五开关器件和第六开关器件经由连接到该第二连接点的第三连接点连接成串联的两个元件，被布置为与连接成串联的两个元件的电容器并联的第七开关器件和第八开关器件经由第四连接点连接为串联的两个元件，将第九开关器件和第十开关器件以相反极性串联连接的双向开关被设置在从该第四连接点到中性点的路径中，并且对于每个开关器件都有二极管与该开关器件反向并联连接。在该双向旁路开关中，连接成串联的两个元件的第十一开关器件和第十二开关器件被布置为与该单相2电平转换器并联，被布置为与该第十一开关器件反向并联的二极管和被布置为与该第十二开关器件反向并联的二极管以相反的极性彼此连接。

(第一实施例)

图1描绘了电力转换装置11的多电平转换器。电力转换装置11可以被安装在，例如，车辆，比如汽车中。如图1所示，根据该第一实施例的多电平转换器1被配置为使得单相3电平转换器50和单相2电平转换器40串联连接。

多电平转换器1经由具有电感组件的无源元件2被连接到电力系统等的交流电源100。多电平转换器1将单相交流电转换成直流电，并且，此后，将直流电供应给电操作机器3。在该实施例中，安装上电力转换装置11的车辆并没有限制，电力转换装置11可以被安装到各种类型的车辆上。

多电平转换器1包括用于抑制在单相3电平转换器50中的电容段150的电容器15a、15b中的过电压的过电压抑制电路130。双向旁路开关120与单相2电平转换器40并联连接。

控制模块180对单相3电平转换器50，单相2电平转换器40以及双向旁路开关120进行控制。尽管控制模块180被描绘成在多电平转换器1的外部，控制模块180也可以被合并到多电平转换器1的内部。

单相2电平转换器40是单相转换器，并且包括开关器件4a至4d、电容器14a、电阻器14c和(回流)二极管6a至6d。开关器件4a至4d可以是自关断开关器件(例如，电子注入增强栅极晶体管，门极可关断晶闸管)。根据该实施例的单相2电平转换器40是SiC(碳化硅)器件。通过使用该SiC器件，可以降低开关损耗。

在单相2电平转换器40中，开关器件4a和开关器件4b串联连接。开关器件4a连接到电容器14a的正电位侧，以及开关器件4b连接到电容器14a的负电位侧。单相2电平转换器40具有在开关器件4a和开关器件4b之间的第一连接点41(交流输入/输出点)。第一连接点41经由无源元件2连接到交流电源100。二极管6a与开关器件4a反向并联连接，二极管6b与开关器件4b反向并联连接。

双向旁路开关120与单相2电平转换器40并联连接。在双向旁路开关120中，开关器件21a和开关器件21b串联连接。二极管22a与开关器件21a反向并联连接，二极管22b与开关器件21b反向并联连接。

在单相2电平转换器40中，开关器件4c和开关器件4d串联连接。开关器件4c连接到电容器14a的正电位侧，开关器件4d连接到电容器14a的负电位侧。单相2电平转换器40在开关器件4c和开关器件4d之间具有连接到单相3电平转换器50的第二连接点42(交流输入/输出点)。二极管6c与开关器件4c反向并联连接，二极管6d与开关器件4d反向并联连接。电阻器14c与电容器14a并联连接。

接下来，将对连接在单相2电平转换器40和电操作机器3之间的单相3电平转换器50进行说明。单相3电平转换器50包括两条电流路径、双向开关器件7、电容段150以及过电压抑制电路130。在单相3电平转换器50中所包含的所有开关器件5a至5f可以是自关断开关器件(例如，电子注入增强栅极晶体管、门极可关断晶闸管)。

在单相3电平转换器50中的电流路径中的一条包括开关器件5a、开关器件5b、二极管8a，以及二极管8b。开关器件5a、5b串联连接。开关器件5a连接在电容段150的正电位和交流输入/输出点42a(连接到第二连接点42的连接点)之间。开关器件5b连接在电容段150的负电位和交流输入/输出点42a之间。二极管8a与开关器件5a反向并联连接，二极管8b与开关器件5b反向并联连接。

单相3电平转换器50的电流路径的第二条包括开关器件5c、开关器件5d、二极管8c和二极管8d。开关器件5c、5d串联连接。开关器件5c连接在电容段150的正电位和交流输入/输出点42b(经由无源元件2连接到交流电源的第二连接点)之间。交流输入/输出点42b还连接到双向开关器件7。开关器件5d连接在电容段150的负电位和交流输入/输出点42b之间。二极管8c与开关器件5c反向并联连接，二极管8d与开关器件5d反向并联连接。

正如所述，双向开关器件7连接到交流输入/输出点42b。双向开关器件7包括开关器件5e、5f，开关器件5e、5f以相反的极性彼此连接(例如，发射极端子到发射极端子)，二极管8e、8f以相反的极性彼此串联连接(例如，阳极到阳极)。二极管8e与开关器件5e反向并联连接，二极管8f与开关器件5f反向并联连接。双向开关器件7连接到电容段150。

电容段150包括电容器15a、电容器15b、电阻器15c以及电阻器15d。电容器15a和电容器15b彼此串联连接。正电位线10a连接到电容器15a的正侧，中性点9连接到电容器15a的负侧。中性点9连接到电容器15b的正侧，负电位线10b连接到电容器15b的负侧。电阻器15c与电容器15a并联连接，电阻器15d与电容器15b并联连接。在根据第一实施例的单相3电平转换器50中，电阻器与每个电容器并联连接。电容段150在电容器15、15b之间的点处与过电压抑制电路130连接。换句话说，如图1所描绘，在电容器15a、15b之间的一个点通过过电压抑制电路130连接到中性点9。

过电压抑制电路130包括电阻器33a、二极管32a、开关器件31a、二极管32b、开关器件31b以及电阻器33b。电阻器33a连接到正电位线10a，电阻器33a、开关器件31a以及二极管32a彼此连接。开关器件31a以及二极管32a连接到中性点9。在这里，二极管32a与开关器件31a反向并联连接。中性点9、开关器件31b和二极管32b相互连接。开关器件31b和二极管32b连接到电阻器33b。电阻器33b连接到负电位导电线10b。二极管32b与开关器件31b反向并联连接。过电压抑制电路130连接到电操作机器3。

过电压抑制电路130防止电容器15a、15b中的过电压。

由于这样的电路构成，即使当设置了过电压抑制电路130时，在单相3电平转换器50中使用的开关器件的数量是8(开关器件5a至5f、开关器件31a、开关器件31b)，并且在单相3电平转换器50中使用的电容器的数量变成2(电容器15a、电容器15b)。因此，为了达到输出电压电平的数量所需的部件的数量可以减少。

如先前所述，根据该实施例的单相2电平转换器40由表现出小开关损耗的碳化硅(SiC)器件等构成，单相3电平转换器50由具有高电击穿强度的硅器件等构成。因此，单相2电平转换器40的开关损耗能够小于单相3电平转换器50的开关损耗。另一方面，与单相2电平转换器40相比，单相3电平转换器50具有更高的击穿性质。

在该实施例中，单相3电平转换器50经由正电位线10a和负电位线10b连接到电操作机器(其可以包括逆变器等)3，因此，由于供应了过电压控制电路130，单相3电平转换器50的可靠性增加。另一方面，单相2电平转换器40的可靠性没有必要与单相3电平转换器50的可靠性一样高。因此，在单相2电平转换器40上，设置了双向旁路开关120而不是包括过电压抑制电阻器的保护电路。因此，当在电容器15a、15b、14a中的任何一个中产生过电压时，可以通过对双向旁路开关120进行操作来使电流绕开单相2电平转换器40以防止电流流过单相2电平转换器40。例如，当在电容器14a中产生过电压时，双向旁路开关120允许电流绕开单相2电平转换器40，使得电流不流过单相2电平转换器40，此后，电容器14a通过电阻器14c放电，从而，可以减少电容器14a的电压。

双向旁路开关120包括开关器件21a、21b以及二极管22a、22b，因此，相比起设置有需要散热的电阻器的保护电路，双向旁路开关120可以允许减少器件的大小并且减少部件的数量。例如，电阻器33a以及电阻器32b可能需要散热，其一般需要较大的器件。

图2描绘了根据第一实施例的与传输给多电平转换器1的输出电压命令对应的各个转换器的命令值电压。在图2中，描绘了多电平转换器1的输出电压命令值Vref 201、单相3电平转换器50的命令值电压202、单相2电平转换器40的命令值电压203以及单相2电平转换器40的输出电压204。

也就是说，在根据该实施例的电力转换装置11中，多电平转换器1的输出电压命令值Vref 201是通过将单相3电平转换器50的命令值电压202与单相2电平转换器40的命令值电压203彼此组合来实现的。

然后，在根据该实施例的电力转换装置11中，将具有低的开关损耗的单相2电平转换器40的开关频率设置成高于单相3电平转换器50的开关频率，此后，对单相2电平转换器40进行控制，使得单相2电平转换器40遵循在输出电压命令值Vref 201中的精细变化。由于这样的控制，可以实现精细的电压控制以及开关损耗的减少。

一般地，具有小的开关损耗的元件例如碳化硅器件通常具有低的电击穿强度。鉴于上述情况，在该实施例中，为了允许具有高电击穿强度的单相3电平转换器50能在电压方面做出大的改变，具有阶梯状波形的控制被施加到单相3电平转换器50。

在该实施例中，相对于多电平转换器1的输出电压命令值Vref 201，设置了允许电容器15a、15b产生输出的阈值。例如，假设允许电容器15a、15b中的任一个产生输出的电压阈值为+-Vthr1。同样，假设允许电容器15a、15b都产生输出的电压阈值为+-Vthr2。控制模块180基于输出电压命令值Vref是否超过电压阈值+-Vthr1以及电压阈值+-Vthr2来控制在单相3电平转换器50中包含的开关器件5a至5f。

此外，控制模块180执行基于单相2电平转换器40的命令值电压203的控制，从而获得单相2电平转换器40的输出电压204。接下来，将对开关器件的具体控制进行说明。

图3示出了由在多电平转换器1中包含的开关器件5a-5f以及4a-4d执行的开关控制。在图3所示的实例中，示出了在单相3电平转换器50侧上的开关器件5a至5f的开关控制以及在单相2电平转换器40侧上的开关器件4a至4d的开关控制。

当满足Vthr1>＝Vref>＝-Vthr1的条件时(时间0至t1、t4至t5、t8或t8之后的时间)，控制模块180使在单相3电平转换器50中包含的开关器件5a和开关器件5c的组合或者在单相3电平转换器50中包含的开关器件5b和开关器件5d的组合中的任何一个组合进入ON状态。因此，电容器15a、15b的电压不在转换器50的输出电压上叠加，控制模块180通过将脉冲宽度调制(PWM)控制应用到单相2电平转换器40来输出整个转换器的输出电压命令值Vref。

图4示出了当满足Vthr1>＝Vref>＝-Vthr1的条件时，多电平转换器1的单相3电平转换器50的电流路径。在图4所示的实例中，进行开关控制使得开关器件5a和开关器件5c的组合进入ON状态，并且使其他开关器件5b、5d至5f进入OFF状态。在这种情况下，电流流过由粗线401指示的路径，因此，电容器15a、15b的电压不可能被叠加在转换器50的转换器输出电压上。尽管图4示出了仅使开关器件5a和开关器件5c的组合进入ON状态时的实例，但是其还可以被用作仅使开关器件5b和开关器件5d的组合进入ON状态时的实例。

回到图3，当满足Vthr2>＝Vref>Vthr1的条件时(时间t1至t2，t3至t4)，控制模块180执行控制，使得在单相3电平转换器50中包含的开关器件5a、5e、5f进入ON状态。由于这样的控制，电容器15a的电压被加到转换器50的转换器输出电压，因此，单相2电平转换器40根据由控制模块180执行的脉冲宽度调制控制来输出差分电压给转换器50，该差分电压通过从整个转换器的输出电压命令值Vref减去电容器15a的电压获得。

图5示出了当满足Vthr2>＝Vref>Vthr1的条件时，单相3电平转换器50的电流路径。在如图5所示的实例中，进行开关控制仅使开关器件5a、5e、5f的组合进入ON状态，而使其他开关器件进入OFF状态。在这种情况下，电流流过由粗线501表示的路径，因此，仅电容器15a的电压被叠加在转换器50的输出电压上。

返回到图3，当满足Vref>Vthr2的条件时(时间t2至t3)，控制模块180使在单相3电平转换器50中包含的开关器件5a、5d进入ON状态。由于这样的控制，电容器15a、15b的电压被加到转换器50的输出电压，因此，单相2电平转换器40根据由控制模块180执行的脉冲宽度调制控制来输出差分电压给转换器50，该差分电压通过从整个转换器的输出电压命令值Vref减去电容器15a、15b的电压获得。

图6示出了当满足Vref>Vthr2的条件时，单相3电平转换器50的电流路径。如图6所示的实例中，进行开关控制仅使开关器件5a和开关器件5d的组合进入ON状态。在这种情况下，电流流过由粗线601指示的路径，因此，电容器15a、15b的电压叠加在转换器50的输出电压上。

返回到图3，当满足-Vthr1>Vref>＝-Vthr2的条件时(时间t5至t6，t7至t8)，控制模块180使在单相3电平转换器50中包含的开关器件5b、5e以及5f进入ON状态。由于这样的控制，从转换器50的输出电压中减去电容器15b的电压，因此，单相2电平转换器40根据控制模块180执行的脉冲宽度调制控制来输出差分电压给转换器50，该差分电压通过将电容器15b的电压加到整个转换器的输出电压命令值Vref来得到。

当满足-Vthr2>Vref的条件时(时间t6至t7)，控制模块180使在单相3电平转换器50中包含的开关器件5b以及5c进入ON状态。由于这样的控制，从转换器50的输出电压中减去电容器15a、15b的电压，因此，单相2电平转换器根据由控制模块180执行的脉冲宽度调制控制输出差分电压给转换器50，该差分电压通过将电容器15a、15b的电压加到整个转换器的输出电压命令值Vref而获得。

以这种方式，本实施例的控制模块180根据预定的电压增值量(阈值+-Vthr2，阈值+-Vthr1)来控制在单相3电平转换器50中包含的开关器件5a至5f。然后，控制模块180根据小于预定电压的输出电压的变化来控制在单相2电平转换器40中包含的开关器件4a至4d。

通过执行上述控制，本实施例的电力转换装置11在输出电压的每个周期中，能将各个开关器件5a至5f的开关次数减少到4次。然而，在本实施例中，开关的次数并不限于4次，并且这个数值可以根据阈值的数目等来改变。开关次数可以通过降低阈值的数目来进一步减少。例如，开关的次数可以是1次、2次、3次等等。

单相3电平转换器50产生阶梯状波形，该阶梯状波形成为多电平转换器1的输出电压的基础。单相3电平转换器50由硅元件构成，因此，尽管总的来说开关损耗高，但是单相3电平转换器50表现出高电击穿强度。然而，在本实施例中，采用阶梯状波形作为单相3电平转换器50的输出波形，因此，可以减少在每周期内的开关的次数。因此，可以限制开关的次数，可以减少开关损耗。

单相2电平转换器40执行高速开关控制，以补偿单相3电平转换器50的输出阶梯状波形与多电平转换器输出电压的期望的总体输出之间的电压差。以这种方式，单相2电平转换器40补偿来自单相3电平转换器50的阶梯状波形与期望的多电平转换器输出电压之间的电压差。

在本实施例中，单相2电平转换器40可以用于通过恰当地设置阈值电压Vthr1、Vthr2来补偿相对小的电压差值，因此，从单相2电平转换器40输出的高电压是没有必要的，因此可以在转换器40中使用具有低电击穿强度的开关元件。也就是说，通过设置Vthr1和Vthr2以提供在期望的整体输出电压值附近的电压电平，由单相2电平转换器40提供的电压电平相对来说可以小。单相2电平转换器40还执行高速开关控制以补偿单相3电平转换器50的阶梯状波形和整个多电平转换器1的交流输入/输出电压之间的电压差。在该实施例中，由于高速开关引起的损耗可以通过使用碳化硅组件作为单相2电平转换器40来减少。

单相3电平转换器50使用表现出高电击穿强度的元件，例如基于硅的组件。

即使当使用具有较大的开关损耗的基于硅的组件来作为单相3电平转换器50时，相比起常规的使用三角波的脉冲宽度调制控制方法，由于需要的切换次数减少，可以减少整体开关损耗。因此，可以减少开关损耗。也就是说，不仅可以通过使用碳化硅组件等作为单相2电平转换器40来减少开关损耗，而且还可以通过减少为了输出所要波形由转换器50所需要的切换次数来减少在单相3电平转换器50中的开关损耗。因此，多电平转换器1的开关损耗可以进一步减少。

接下来，将对在电容器过电压时的本实施例的电力转换装置11的操作方式进行说明。当电容器14a或者电容器15a、15b中的任意一个超过上限阈值电压值时，控制模块180对双向旁路开关120以及过电压抑制电路130进行操作。控制模块180还执行使所有的开关器件5a至5e和所有的开关器件4a至4d进入OFF状态(断开状态)的控制。图7示出了当对双向旁路开关120以及过电压抑制电路130进行操作时的电流路径。至于上限阈值电压值，假设在相应的电容器15a、15b、14a中设置恰当的值。

也就是说，控制模块180执行控制使得当控制模块180检测到电容器14a、15a、15b处的电压中的一个电压超过上限阈值电压值时，如图7所示，使过电压抑制电路130的开关器件31a、31b进入ON状态(给开关器件31a、31b供电)。在这个时间点，控制模块180还执行使双向旁路开关120的开关器件21a、22b进入ON状态的控制。

由于这样的控制，如图7所示的电流路径所指示，电流流入过电压抑制电路130内部的电阻器33a、33b中。相比起电阻器15c、15d，这些电阻器33a、33b具有较小的电阻值。因此，大电流流入电阻器33a、33b，因此在电容器15a、15b处的电压能快速地降低。另一方面，电流不流入单相2电平转换器40中，因此，在电容器14a上产生的过电压通过电阻器14c放电，从而可以抑制电容器14a的过电压。

另一方面，电阻器15c、15d的电阻值大。因此，电流几乎不流入电阻器15c、15d。然而，当尽管在电容器15a、15b中产生了过电压但过电压抑制电路130不被操作时，存储在电容器15a、15b中的电流入电阻器15c、15d，从而在电容器15a、15b上产生的过电压可以被抑制。

本实施例已经结合当过电压在电容器15a、15b、14a中的一个电容器中产生时，过电压抑制电路130以及双向旁路开关120被操作的情况进行了说明。然而，本实施例并不限于这种实例，并且这种实施例可以应用于控制模块180检测到异常的情况中。

作为控制模块180检测到的异常，例如，在电力转换装置11的内部发生的异常、在电力转换装置11周围发生的异常(例如，在其他组件，例如电源供应器中)，或者在安装了电力转换装置11等的电操作机器3(例如车辆等)中的异常。

作为电力转换装置11的内部的异常，例如，考虑了在电力转换装置11内部的各个元件中的一个元件的温度超过允许值的情况。

作为在电力转换装置11周围的异常，例如，考虑了降低了电源电压的情况，检测到短路电流的情况或者在电力转换装置11周围的控制系统中接收到从其他设备发出的故障信号的情况。

作为在车辆中的异常，例如，发生在架空线路等中的异常(例如，过电流)的情况。

在本实施例的电力转换装置11中，当异常发生时，可以通过对双向旁路开关120以及过电压抑制电路130进行操作来保护电力转换装置11的电容器14a、15a、15b等。

(第一实施例的变形1)

在第一实施例中，已经对关于当电容器14a、15a、15b中的一个电容器中出现过电压时，对双向旁路开关120以及过电压抑制电路130进行操作的实例进行了说明。在这种情况下，单相2电平转换器40以及单相3电平转换器50中没有一个可以被使用。然而，即使单相2电平转换器40不能被使用，可以通过仅使用单相3电平转换器50来实现输出电压的控制，尽管电功率损耗大。因此，在第一实施例的变形1中，将对关于输出电压仅通过使用单相3电平转换器50来控制的实例进行说明。

例如，当在电容器14a处的电压变成过电压并超过上限阈值电压值同时在电容器15a、15b处的电压落在上限阈值电压值内时，尽管单相2电平转换器40不能被使用，但是单相3电平转换器50可以被使用。

因此，当在电容器14a处的电压变成过电压并超过上限阈值电压值同时在电容器15a、15b处的电压落在上限阈值电压值以内时，控制模块180通过对双向旁路开关120的开关器件21a、21b进行操作，通过使单相2电平转换器40的各个开关器件4a至4d进入OFF状态(断开状态)，以及通过对单相3电平转换器50的各个开关器件5a至5f进行操作，来执行继续操作的控制。控制模块180不执行对过电压抑制电路130进行操作的控制。

图8示出了在本变形中当对双向旁路开关120进行操作时的电流路径。在图8所示实例中描述的电流路径中，电流不流入电容器14a，因此，在电容器14a中产生的过电压可以通过电阻器14c来放电。另一方面，控制模块180通过控制开关器件5a至5f来控制输出电压。

在本变形中执行的控制可以与第一实施例中执行的控制组合。图9是示出根据本变形的在电力转换装置11中的上述过程的步骤的流程图。

如图9所示，控制模块180确定在电容器14a、15a、15b中的一个电容器的电压是否超过上限阈值电压值(步骤S601)。当电压没有超过上限阈值电压值时(步骤S601：否)，则重复在步骤S601中的过程。

另一方面，当控制模块180确定电容器14a、15a、15b中的一个电容器中的电压超过上限阈值电压值时(步骤S601：是)，控制模块180确定电容器15a、15b的电压是否落在上限阈值电压值以内(步骤S602)。当转换器50的电容器15a、15b的电压没有落在上限阈值电压值以内时(步骤S602：否)，作为第一控制，控制模块180以同第一实施例同样的方式执行对双向旁路开关120以及过电压抑制电路130进行操作的控制(步骤S603)。

当电容器15a、15b的电压落在上限阈值电压值以内时(步骤S602：是)，作为第二控制，控制模块180在过电压抑制电路130被停止的状态下，以与上述控制相同的方式执行对双向旁路开关120进行操作以及对单相3电平转换器50进行操作的控制(步骤S604)。

在本变形中，当在电容器中产生过电压时，根据电容器15a、15b的电压是否落在上限阈值电压值以内来切换过程，以允许执行操作控制从而当异常出现时，尽可能地控制输出电压。

(第一实施例的变形2)

在上述实施例以及变形1中，对关于在电容器中产生过电压的情况进行了说明。然而，使用双向旁路开关120的控制并不限于在电容器中产生过电压的情况，也可以在电容器中产生低电压的情况中执行。

因此，在第一实施例的变形2中，将对关于当电容器15a、15b中的任意一个电容器的电压低于下限阈值电压值时，执行的控制进行说明。在第一实施例的变形2中，当电容器15a、15b中的任意一个电容器的电压变成低于下限阈值电压值时，最好执行增加电容器15a、15b的电压的控制。

因此，根据第一实施例的变形2的控制模块120在电容器15a、15b中的任意一个电容器的电压变得低于下限阈值电压值时对双向旁路开关120进行操作的情况中执行控制，以增加电容器15a、15b的电功率。过电压抑制电路130也被保持在停止的状态。

图10示出了根据第一实施例的变形2的控制模块180执行的控制。也就是说，图10示出了当对双向旁路开关120进行操作并且使开关器件5a至5f进入OFF状态(断开状态)时形成的电流路径。通过形成如图10所示的电流路径，可以对电容器15a、15b进行充电。

(第二实施例)

在第二实施例中，关于向多电平转换器1施加了初始充电的情况进行了说明。图11描绘了根据第二实施例的电力转换装置的多电平转换器1。当相比起第一实施例的电力转换装置11时，作为执行初始充电的构造，该实施例的电力转换装置800包括开关器件41a、开关器件42a以及电阻器43。另外，在根据本实施例的电力转换装置800中，控制模块180变成在过程上与控制模块180不同的控制模块850。

开关器件42a被连接在无源元件2和单相2电平转换器40之间。串联连接的开关器件41a和电阻器43与开关器件42a并联连接。也就是说，由开关器件41a和电阻器43形成的串联元件与开关器件42a并联连接。另外，开关器件41a的一端连接到无源元件2，电阻器43的一端连接到单相2电平转换器40。

控制模块850开始给电容器14a、15a、15b充电来作为初始充电技术的一部分。尽管电容器14a以及电容器15a、15b在所要的初始电压值上彼此不同，初始电压值基于各个电容器的电容比值来决定。

在该实施例中，将描述电容器15a、15b与电容器14a相比具有更大的所要的初始电压值的实例。

控制模块850进行控制，使得当电容器14a的初始电压达到所要的初始电压值时，控制模块850控制双向旁路开关120，使得对电容器15a、15b的充电继续，而对电容器14a的充电停止。

图12示出了当控制模块850开始对电容器14a以及电容器15a、15b进行充电时的电流路径。在如图12所示的实例中，控制模块850执行控制，在该控制中，在使开关器件4a至4d进入OFF状态、开关器件5a至5f进入OFF状态，以及开关器件41进入ON状态之后，停止双向旁路开关120以及过电压抑制电路130。当形成如图12所示的电流路径时，对电容器14a、15a、15b的充电开始。

图13示出了当由于电容器14a的初始电压达到所要的初始电压值，控制模块850仅继续对电容器15a、15b进行充电的电流路径。在图13所示的实例中，控制模块850控制双向旁路开关120使得对电容器14a的充电停止，而对电容器15a、15b的充电继续。以这种方式，控制模块850执行控制，使得直到对电容器15a、15b的充电完成时才对电容器14a进行充电。

接下来，将对关于在本实施例的电力转换装置800的控制模块850中的初始充电过程进行说明。图14是示出在根据本实施例的电力转换装置800中的上述过程中的步骤的流程图。

如图14所示，控制模块850执行对电容器14a以及电容器15a、15b的充电开始控制(步骤S1101)。由于这样的充电开始控制，利用如图12所示的电流路径，对电容器14a、15a、15b的充电开始。

接下来，控制模块850确定电容器14a的初始电压是否达到所要的初始值，也就是说，电容器14a的充电量是否超过阈值(步骤S1102)。当控制模块850确定电容器14a的初始电压还没有达到所要的初始电压值时(步骤S1102：否)，控制模块850利用如图12所示的电流路径继续充电，并且再次执行步骤S1102的确定。

另一方面，当控制模块850确定电容器14a的初始电压已经达到所要的初始电压值(步骤S1102：是)，控制模块850控制双向旁路开关(电路)120，以对双向旁路开关120进行操作(步骤S1103)。由于这样的控制，控制模块850利用如图13所示的电流路径开始充电。

接下来，控制模块850确定电容器15a、15b的初始电压是否达到所要的初始电压值，也就是说，对电容器15a、15b的充电量是否已经超过阈值(步骤S1104)。当控制模块850确定电容器15a、15b的初始电压还没有达到所要的初始电压值时(步骤S1104：否)，控制模块850使用如图13所示的电流路径继续充电，并且再次执行步骤S1104的确定过程。

另一方面，当控制模块850确定电容器15a、15b的初始电压值已经达到所要的初始电压值时(步骤S1104：是)，控制模块850执行停止对电容器15a、15b的充电的控制(步骤S1105)。

可以根据上述步骤来实现将电容器14a、15a、15b充电到所要的初始电压值。

正如目前为止已经说明的那样，根据第一和第二实施例，可以实现多电平电路方法，相比起现有技术，其能在输出多电平电压的同时，减少开关器件部件的数目以及电容器部件的数目。通过减少部件的数目，可以容易地获得有效的冷却。由于冷却变得更容易，公差裕度增加，使得电力转换装置能够小型化。

根据第一实施例和第二实施例，可以进一步减少整个多电平转换器1的开关损耗。

另外，根据第一实施例和第二实施例，当异常发生时(例如，当产生过电压时)，可以防止电容器14a的电压以及电容器15a、15b的电压变成过电压。

另外，当检测到异常时，通过对双向旁路开关120进行操作，主电路电流不流入单相2电平转换器40的电容器或者单相3电平转换器50的电容器中，在电容器中的存储电荷通过放电电阻逐渐放电。因此，可以保护电容器免受过电压等的损害。以这种方式，根据第一实施例和第二实施例，用于单相2电平转换器的大尺寸过电压抑制电阻器变得没有必要，因此，可以降低保护电路系统的体积(尺寸)。

尽管已经对某些实施例进行了描述，这些实施例仅通过举例的方式展现，而不是用于限制本发明的范围。事实上，本文中描述的实施例可以用各种其他形式体现；此外，在不偏离本发明的精神的前提下，在本文描述的实施例的各种形式中，可以做出各种省略、替换以及改变。所附权利要求书及其等同物旨在覆盖落在本发明范围以及精神内的这些形式及修改。

Claims (13)

1.一种电力转换装置，包括：

第一转换器，所述第一转换器包括与第一电阻器并联连接的第一电容器；

第二转换器，所述第二转换器包括与第三电容器串联连接的第二电容器，所述第二电容器与第二电阻器并联连接，所述第三电容器与第三电阻器并联连接，所述第二转换器与所述第一转换器串联连接；

旁路开关，所述旁路开关与所述第一转换器并联连接，并且与所述第二转换器串联连接；

过电压抑制电路，所述过电压抑制电路连接到所述第二电容器和所述第三电容器；以及

控制模块，所述控制模块被配置以通过对所述第一转换器、所述第二转换器以及所述旁路开关进行操作以控制单相输出电压，其中，

所述控制模块被配置以确定所述第一电容器、所述第二电容器以及所述第三电容器中的任何一个是否超过预定的电压电平，并且当确定所述预定的电压电平被超过时，对所述旁路开关以及所述过电压抑制电路进行控制以降低所述第一电容器、所述第二电容器以及所述第三电容器中的任何一个的电压电平。

2.根据权利要求1所述的电力转换装置，其中，所述第一转换器是单相2电平转换器。

3.根据权利要求1所述的电力转换装置，其中，所述第二转换器是单相3电平转换器。

4.根据权利要求1所述的电力转换装置，其中，所述控制模块被配置以对所述旁路开关以及所述过电压抑制电路进行控制从而当在所述电力转换装置中或者连接到所述电力转换装置的组件中检测到异常时，防止对所述第一电容器、所述第二电容器以及所述第三电容器中的任何一个进行充电。

5.根据权利要求1所述的电力转换装置，其中，所述第一转换器包括：

第一开关器件，所述第一开关器件与第二开关器件串联连接；

第三开关器件，所述第三开关器件与第四开关器件串联连接；

第一电阻器，所述第一电阻器连接到所述第一电容器的第一端子以及所述第一电容器的第二端子；

第一二极管，所述第一二极管与所述第一开关器件反向并联连接；

第二二极管，所述第二二极管与所述第二开关器件反向并联连接；

第三二极管，所述第三二极管与所述第三开关器件反向并联连接；

以及

第四二极管，所述第四二极管与所述第四开关器件反向并联连接，

其中，所述第一电容器的所述第一端子连接到所述第一开关器件和所述第三开关器件，所述第一电容器的所述第二端子连接到所述第二开关器件和所述第四开关器件。

6.根据权利要求1所述的电力转换装置，其中，所述第二转换器包括：

第五开关器件，所述第五开关器件与第六开关器件串联连接，所述第五开关器件连接到所述第二电容器的第一端子，并且所述第六开关器件连接到所述第三电容器的第一端子；

第七开关器件，所述第七开关器件与第八开关器件串联连接，所述第七开关器件连接到所述第二电容器的所述第一端子，所述第八开关器件连接到所述第三电容器的所述第一端子；

双向开关，所述双向开关包括与第十开关器件串联连接的第九开关器件，所述第十开关器件连接到位于所述第二电容器的第二端子和所述第三电容器的第二端子之间的第一连接点，所述第九开关器件连接到位于所述第七开关器件和所述第八开关器件之间的第二连接点。

7.根据权利要求1所述的电力转换装置，其中，所述装置被配置为将单相交流电转换成直流电，

所述第一转换器是单相2电平转换器，进一步包括：

第一开关器件和第二开关器件，所述第一开关器件与所述第二开关器件彼此串联连接以形成第一串联连接元件，所述第一串联连接元件与所述第一电容器并联连接，所述第一串联连接元件具有在所述第一开关器件与所述第二开关器件之间的第一连接点，所述第一连接点能连接到提供单相交流的电源；以及

第三开关器件和第四开关器件，所述第三开关器件与所述第四开关器件彼此串联连接以形成第二串联连接元件，所述第二串联连接元件与所述第一电容器并联连接，所述第二串联连接元件具有在所述第三开关器件与所述第四开关器件之间的第二连接点，

所述第二转换器是单相3电平转换器，进一步包括：

第五开关器件和第六开关器件，所述第五开关器件与所述第六开关器件彼此串联连接以形成第三串联连接元件，所述第三串联连接元件与由所述第二电容器和所述第三电容器形成的电容段并联连接，所述第三串联连接元件具有在所述第五开关器件和所述第六开关器件之间的第三连接点，所述第三连接点连接到所述第二连接点；

第七开关器件与第八开关器件，所述第七开关器件与所述第八开关器件彼此串联连接以形成第四串联连接元件，所述第四串联连接元件与所述电容段并联连接，所述第四串联连接元件具有在所述第七开关器件和所述第八开关器件之间的第四连接点；以及

双向开关，所述双向开关具有第九开关器件和第十开关器件，所述第九开关器件和所述第十开关器件以相反的极性彼此串联连接，所述双向开关连接在所述第四连接点与接地端之间，并且

所述旁路开关是包括第十一开关器件和第十二开关器件的另一个双向开关，所述第十一开关器件和所述第十二开关器件以相反的极性彼此串联连接，所述旁路开关并联连接到所述单相2电平转换器。

8.根据权利要求7所述的电力转换装置，其中，每个开关器件与二极管反向并联连接。

9.根据权利要求8所述的电力转换装置，进一步包括：

所述第一电阻器，所述第一电阻器与所述第二电容器并联连接；

所述第二电阻器，所述第二电阻器与所述第三电容器并联连接；以及

所述过电压抑制电路，所述过电压抑制电路包括第三电阻器，所述第三电阻器与第十三开关器件串联连接以形成第五串联连接元件，所述第五串联连接元件与所述第二电容器和所述第三电容器中的一个并联连接。

10.根据权利要求9所述的电力转换装置，进一步包括：

所述控制模块，所述控制模块被配置以进行控制，使得在确定发生异常时，所述控制模块开启所述旁路开关的所述第十一开关器件和所述第十二开关器件，开启所述第十三开关器件，并且断开在所述单相2电平转换器中的所有开关器件和断开所述单相3电平转换器中的所有开关器件。

11.根据权利要求10所述的电力转换装置，其中，如果所述第一电容器、所述第二电容器或者所述第三电容器的电压电平超过预定的上限阈值电压值，那么所述控制模块确定发生了异常。

12.一种控制电力转换装置的方法，所述电力转换装置包括：

第一转换器，所述第一转换器包括与第一电阻器并联连接的第一电容器；

第二转换器，所述第二转换器包括与第三电容器串联连接的第二电容器，所述第二电容器与第二电阻器并联连接，所述第三电容器与第三电阻器并联连接，所述第二转换器与所述第一转换器串联连接；

旁路开关，所述旁路开关与所述第一转换器并联连接，并且与所述第二转换器串联连接；

过电压抑制电路，所述过电压抑制电路连接到所述第二电容器和所述第三电容器；以及

控制模块，所述控制模块被配置以通过对所述第一转换器、所述第二转换器以及所述旁路开关进行操作以控制单相输出电压，其中，

所述控制模块被配置以确定所述第一电容器、所述第二电容器以及所述第三电容器中的任何一个是否超过预定的电压电平，并且当确定所述预定的电压电平被超过时，对所述旁路开关以及所述过电压抑制电路进行控制以降低所述第一电容器、所述第二电容器以及所述第三电容器中的任何一个的电压电平，

所述方法包括：

确定所述第一电容器、所述第二电容器以及所述第三电容器中的任何一个是否具有超过预定上限值的电压电平；

当确定所述第一电容器、所述第二电容器以及所述第三电容器中的任何一个具有超过了所述预定上限值的电压电平时，使所述旁路开关处于导通的状态，并且，开启所述过电压抑制电路；

当首先已经确定所述第一电容器、所述第二电容器以及所述第三电容器中的任何一个具有超过所述预定上限值的电压电平时，确定所述第二电容器和所述第三电容器中的任何一个是否超过所述预定上限值；以及

在首先已经确定所述第一电容器、所述第二电容器以及所述第三电容器中的任何一个具有超过所述预定上限值的电压电平之后，当确定所述第二电容器和所述第三电容器中不存在任何一个具有超过所述预定上限值的电压电平时，使所述旁路开关处于导通状态并且关断所述过电压抑制电路。

13.根据权利要求12所述的方法，进一步包括：

检测在所述电力转换装置和连接到所述电力转换装置的任何电路中是否发生异常；以及

当检测到所述异常时，使所述旁路开关处于导通状态并且开启所述过电压抑制电路。