CN104811073B - 变换器模块、装置、系统和相关方法 - Google Patents

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Abstract

本发明揭示一种变换器模块，其包括至少三个开关单元以及至少三个输入级联端和至少三个输出级联端。该三个输入级联端可以分别与其他变换器模块的三个输出级联端连接或者与直流环节对应的端口连接，该三个输出级联端可以分别与其他变换器模块的三个输入级联端连接或者共同连接在一起，以形成具有嵌套式结构的多电平变换器装置。其中，该三个开关单元被控制成各自独立地执行开关动作，并且该三个开关单元的开通状态分别并排他地对应该三个输出级联端不同的输出电压。本发明还揭示变换器装置，电能变换系统及相关方法。

Description

变换器模块、装置、系统和相关方法
技术领域
本发明公开的实施方式涉及变换器装置和驱动方法，特别涉及一种具有新拓扑架构的变换器模块、装置、系统和相关方法。
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模块。该变换器模块至少包括三个开关单元以及至少三个输入级联端和三个输出级联端。该至少三个输入级联端可以分别与其他变换器模块的至少三个输出级联端连接或者与直流环节连接，该至少三个输出级联端可以分别与其他变换器模块的至少三个输入级联端连接或者共同连接在一起，以形成具有嵌套式结构的多电平变换器装置。其中，该至少三个开关单元被控制成各自独立地执行开关动作，并且该至少三个开关单元的开通状态分别并排他地对应该至少三个输出级联端不同的输出电压。
在一些实施方式中，在提供的变换器装置中，该变换器模块为位于嵌套式结构最外层的模块，其三个输入级联端分别与直流环节的第一端、第二端以及直流中点连接，其三个输出级联端分别与其他变换器模块的三个输入级联端连接。该至少三个开关单元包括第一开关单元，第二开关单元和第三开关单元，其中，该第一开关单元开通，该第二、第三开关单元关断时，其第一输出级联端排他地提供第一等级输出电压。该第二开关单元开通，该第一、第三开关单元关断时，其第二输出级联端排他地提供第二等级输出电压。该第三开关单元开通，该第一、第二开关单元关断时，其第三输出级联端排他地提供第三等级输出电压。
在一些实施方式中，在提供的变换器装置中，该变换器模块为位于嵌套式结构最内层的模块，其三个输入级联端分别与其他变换器模块的三个输出级联端连接，其三个输出级联端与变换器装置的输出端共同连接。该至少三个开关单元包括第一开关单元，第二开关单元和第三开关单元，其中，该第一开关单元开通，该第二、第三开关单元关断时，其第一输出级联端排他地提供第一等级输出电压。该第二开关单元开通，该第一、第三开关单元关断时，其第二输出级联端排他地提供第二等级输出电压。该第三开关单元开通，该第一、第二开关单元关断时，其第三输出级联端排他地提供第三等级输出电压。
在一些实施方式中，在提供的变换器装置中，该变换器模块包括纵向桥臂和横向桥臂，其中，该至少三个开关单元中至少二者被放置于该纵向桥臂上，该至少三个开关单元中至少一者被放置在该横向桥臂上。
在一些实施方式中，在提供的变换器装置中，至少一个位于横向桥臂的开关单元为双向可控的开关。
在一些实施方式中，在提供的变换器装置中，至少一个位于横向桥臂的开关单元包括第一子开关和第二子开关，该第一子开关和该第二子开关分别为单向可控的开关，且方向相反。
在一些实施方式中，在提供的变换器装置中，施加至该第一子开关和第二子开关的驱动信号中的一者相对于施加至该第一或者第二开关单元的驱动信号，其对应的信号突变沿在开关时序上存在提前或者延后，而施加至该第一子开关和第二子开关的驱动信号中的另一者相对于施加至该第一或者第二开关单元的驱动信号，其对应的信号突变沿在开关时序上存在延后或者提前。
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至少三个开关单元以及至少三个输入级联端和至少三个输出级联端。其中，该第一变换器模块的三个输入级联端分别与该第二变换器模块的三个输出级联端连接，以形成具有嵌套式结构的变换器装置。在该变换器装置进行电能变换时，该第一变换器模块的三个开关单元被控制成各自独立地执行开关操作，并且其三个开关单元的开通状态分别并排他地对应其三个输出级联端不同的输出电压。该第二变换器模块的三个开关单元也被控制成各自独立地执行开关操作，并且其三个开关单元的开通状态也分别并排他地对应其三个输出级联端不同的输出电压，该第一变换器模块的输出电压和该第二变换器模块的输出电压相互叠加以形成该变换器装置的输出电压。
在一些实施方式中，在提供的变换器装置中，该第一变换器模块的三个输出级联端与该变换器装置的输出端共同连接在一起。
在一些实施方式中，在提供的变换器装置中，该第一变换器模块和该第二变换器模块每一者包括第一开关单元、第二开关单元以及第三开关单元，其中，至少该第三开关单元为双向可控的开关。
在一些实施方式中，在提供的变换器装置中，该第一变换器模块和该第二变换器模块每一者包括第一开关单元、第二开关单元以及第三开关单元，该第三开关单元包括第一子开关和第二子开关，该第一子开关和该第二子开关分别为单向可控的开关，且方向相反。
在一些实施方式中，在提供的变换器装置中，施加至该第一子开关和第二子开关的驱动信号中的一者相对于施加至该第一或者第二开关单元的驱动信号，其对应的信号突变沿在开关时序上存在提前或者延后，而施加至该第一子开关和第二子开关的驱动信号中的另一者相对于施加至该第一或者第二开关单元的驱动信号，其对应的信号突变沿在开关时序上存在延后或者提前。
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串联连接的第一飞跨电容和第二飞跨电容；在一个或者多个开关周期内，该第一飞跨电容和该第二飞跨电容的电压通过选择性地利用该变换器装置所存在的冗余输出方式进行平衡。
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和一个第二开关单元，该横向桥臂包括至少一个第三开关单元，该第一开关单元、第二开关单元和第三开关单元分别包括n个、m个和k个串联连接的开关器件，其中，n大于等于2，m大于等于2，k大于等于2。
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电能变换系统，其用于进行电能变换并给负载提供电能。该电能变换系统包括第一变换器装置和第二变换器装置，该第一变换器装置至少用于将输入电能转换成直流电能，该第二变换器装置与该第一变换器装置电连接，该第二变换器装置至少用于将该直流电能转换成输出电能，并将该输出电能提供给该负载。其中，该第一、第二变换器装置中至少一者包括第一变换器模块和第二变换器模块，该第一变换器模块和第二变换器模块每一者包括至少三个开关单元以及至少三个输入级联端和至少三个输出级联端。其中，该第一变换器模块的三个输入级联端分别与该第二变换器模块的三个输出级联端连接，以形成具有嵌套式结构的变换器装置。在该电能变换系统进行电能变换时，该第一变换器模块的三个开关单元被控制成各自独立地执行开关操作，并且该第二变换器模块的三个开关单元也被控制成各自独立地执行开关操作。
在一些实施方式中，在提供的电能变换系统中，该输入电能为交流电能和直流电能中的一种，该输出电能为交流电能和直流电能中的一种。
在一些实施方式中，在提供的电能变换系统中，该第一变换器模块的三个输出级联端与该第一或者第二变换器装置的输出端共同连接在一起。
在一些实施方式中，在提供的电能变换系统中，该第一变换器模块的三个开关单元的开通状态分别并排他地对应其三个输出级联端不同的输出电压。该第二变换器模块的三个开关单元的开通状态也分别并排他地对应其三个输出级联端不同的输出电压。
在一些实施方式中，在提供的电能变换系统中，该第一变换器装置为全控整流装置。
在一些实施方式中，在提供的电能变换系统中，该第一变换器装置为非全控整流装置。
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至少三个开关单元以及至少三个输入级联端和至少三个输出级联端。其中，该第一变换器模块的三个输入级联端分别与该第二变换器模块的三个输出级联端连接，以形成具有嵌套式结构的变换器装置。在该变换器装置进行电能变换时，该第一变换器模块的三个开关单元被控制成各自独立地执行开关操作，并且其三个开关单元的开通状态分别并排他地对应其三个输出级联端不同的输出电压。该第二变换器模块的三个开关单元也被控制成各自独立地执行开关操作，并且其三个开关单元的开通状态也分别并排他地对应其三个输出级联端不同的输出电压。
在一些实施方式中，在提供的三相变换器中，该第一变换器模块的三个输出级联端与该三相变换器装置的输出端共同连接在一起。
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，该第一变换器模块或者该第二变换器模块包括至少第一开关单元，第二开关单元和第三开关单元。该驱动方法至少包括如下步骤：独立提供第一开关驱动信号至该第一开关单元，使得该第一开关单元开通时，该第一变换器模块或者该第二变换器模块排他地产生第一等级输出电压；独立提供第二开关驱动信号至该第二开关单元，使得该第二开关单元开通时，该第一变换器模块或者该第二变换器模块排他地产生第二等级输出电压；以及独立提供第三开关驱动信号至该第三开关单元，使得该第三开关单元开通时，该第一变换器模块或者该第二变换器模块排他地产生第三等级输出电压。
在一些实施方式中，该第三开关单元包括第一子开关和第二子开关，该第一子开关和该第二子开关分别为单向可控的开关，且方向相反时。在提供的驱动方法中，该方法还包括如下步骤：调整该第一子开关和第二子开关的驱动信号使其分别相对该第一开关单元或者该第二开关单元提前或者延后执行开关动作。
本发明提供的变换器装置和驱动方法，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，通过独立控制变换器装置的多个开关单元，使其按照特定的开关样式执行开关动作，更具体地，各个开关单元的开通状态分别并排他地对应该变换器模块不同的输出电压，从而可以获得期望的电压波形。
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3a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3b所示为图3a所示的变换器装置第一变换器模块及相关驱动电路的一种实施方式的等效电路示意图；
图3c所示为图3a所示的变换器装置第一变换器模块及相关驱动电路的一种实施方式的详细结构示意图；
图3d所示为图3a所示的变换器装置第二变换器模块及相关驱动电路的一种实施方式的详细结构示意图；
图4a所示为提供给图3a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的波形示意图；
图4b所示为提供给图3b所示的变换器模块的多个开关单元的一种实施方式的驱动信号波形示意图；
图4c所示为提供给图3c所示的变换器模块的多个开关单元的另一种实施方式的驱动信号波形示意图；
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所示为驱动方法的一种实施方式的流程图；以及
图12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 Point Piloted，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（flying capacitor）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单个双向控制的开关单元或者两个方向相关的开关单元。在一些实施方式中，这些开关单元被控制成彼此独立地执行开关操作。特别地，该多个开关单元的开通状态分别并排他地对应该变换器模块不同的输出电压。并且，在一些实施方式中，位于横向桥臂的两个开关单元可以被控制成以基本同步地方式执行开关操作（也即，同时处于开通状态或者同时处于关断状态），并且以基本相等的时间间隔执行开关动作。在实际应用时，为确保纵向桥臂的第一开关单元或者第二开关单元换流并且保证死区时间，可以对施加至横向桥臂的开关单元的开关驱动信号作相应的调整，例如，使一个开关提前执行开关动作，或者使另一个开关延后执行开关动作。
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，在一个或者多个开关周期内，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（Digital Signal 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 SpecificIntegrated 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可以为被动式前端变换器装置，例如，具有由二极管器件形成的整流桥结构，以执行单向的或者交流至直流的整流操作，也可以为主动式前端变换器装置，例如，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，以执行双向的电能变换操作。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3a，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3a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235，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均为单向可控的开关，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为反向开关，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。在其他实施方式中，该横向桥臂205也可以包括一个或者多个自身具有双向控制导通能力的开关。并且，该第二级联端239还与定义在第一电容器231和第二电容器233之间（该第一电容器231和第二电容器233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231的两端还分别与两个级联端235和239相连接，该第二电容器233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均为单向可控的开关，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为反向开关，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变换器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。
图3b所示为图3a所示的变换器装置第一变换器模块222或者第二变换器模块224及相关驱动电路的一种实施方式的等效电路示意图。在图3b中，该变换器模块以150标示，并且该变换器模块150可以作为基本的模块作扩展连接，以形成具有嵌套式结构的多电平变换器。在一种实施方式中，该变换器模块150包括第一开关单元152，第二开关单元156以及第三开关单元154。在其他实施方式中，该变换器模块150可以包括多于三个的开关单元。该第一、第二开关单元152，156可为单向可控的开关，而该第三开关单元154为双向可控的开关，其可以为单一的器件，也可以包括两个子开关，分别控制相反方向的电流流过。该第一开关单元152的一端与直流环节174的一端连接，或者更具体而言，与该直流环节174的第一电容器158的一端连接，并形成第一输入级联端168。该第一开关单元152的另一端形成第一输出级联端182，其可以和变换器模块150的输出端口相连接。该第二开关单元156的一端与该直流环节174的另一端，或者更具体而言，与该直流环节174的第二电容器162的一端连接，并形成第二输入级联端172。该第二开关单元156的另一端形成第二输出级联端184，其也可以和变换器模块150的输出端口相连接。该第三开关单元154的一端与该直流环节174的直流中点，也即，与该第一电容器158和第二电容器162之间的连接点164相连接，并形成第三输入级联端164。该第三开关单元154的另一端形成第三输出级联端，其也可以与变换器模块150的输出端口相连接。在图3b中，三个输入级联端口164，168，172可以分别与其他变化器模块的三个输出级联端口连接，三个输出级联端口166，182，184可以分别与其他变化器模块的三个输入级联端口连接，以形成具有嵌套式结构的多电平变换器装置。
图3b所示的变换器模块150在运作时，可以通过控制单元176独立控制该三个开关单元152，154，156，使得该变换器模块150可以提供不同等级的输出电压。更具体而言，当第一开关单元152被开通，第二、第三开关单元154，156被关断时，该变换器模块150通过第一输出级联端182提供第一等级输出电压Vp。当第二开关单元156被开通，第一、第三开关单元154，156被关断时，该变换器模块150通过第二输出级联端184提供第二等级输出电压Vn。当第三开关单元156被开通，第一、第二开关单元152，154被关断时，该变换器模块150通过第三输出级联端166提供第三等级输出电压Vmid。也即，该三个开关单元152、154、156的开通状态排他地或者唯一地对应该变换器模块150不同的输出电压。
请返回参阅图2，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，请结合参阅图4a所示的施加至八个开关单元的开关驱动信号的时序图以及所输出的开关电压的波形图，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一种组合开关状态，在输出电平为中间等级0时，也有一种组合开关状态。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，也即存在开关状态的冗余。因此，在一些实施方式中，可以选择性地利用所存在的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。
请进一步参阅图3c，其所示为图3a中该第一变换器模块222及相关开关驱动单元的一种实施方式的示意图。该第一变换器模块222中的多个开关单元被控制成独立地执行开关动作。更具体而言，如图3b所示，该第一开关单元228在第一开关驱动单元301独立提供的第一开关驱动信号309的作用下执行开关动作，该第二开关单元232在第二开关驱动单元307独立提供的第二开关驱动信号315的作用下执行开关动作，该第三开关单元234（也称作第一子开关）在第三开关驱动单元303独立提供的第三开关驱动信号311的作用下执行开关动作，该第四开关单元236（也称作第二子开关）在第四开关驱动单元305独立提供的第四开关驱动信号313的作用下执行开关动作。更具体而言，在第一开关单元228开通时，第二、第三、第四开关单元232，234，236均关断，使得第一变换器模块222输出第一等级电压Vp。在第二开关单元232开通时，第一、第三、第四开关单元228，234，236均关断，使得第一变换器模块222输出第二等级电压Vn。在第三、第四开关单元234，236开通时，第一、第二开关单元228，232均关断，使得第一变换器模块222输出第三等级电压Vmid。
此外，在一些实施方式中，施加至横向桥臂205的第三开关驱动信号311和第四开关驱动信号313二者保持同步。例如，如图4b所示，在t0-t1时间范围内均为开通信号，而在t1-t2时间范围内均为关断信号。因此，在一些实施方式中，可以使用单一的控制器来产生该第三开关驱动信号311和第四开关驱动信号313，但是，在实际执行时，为了确保第一开关单元228或者第二开关单元232换流，避免例如开关单元同时导通而造成电容器短路，并且为了保证死区时间，可以对该第三开关驱动信号311和第四开关驱动信号313作相应的调整，使得该第三开关单元234和该第四开关单元236中之一者相对第一或者第二开关单元228，232提前执行开关动作，而另一者相对第一或者第二开关单元228，232延后执行开关动作。如图4c所示，第一开关驱动信号309的下降沿发生在t0时刻时，第三开关驱动信号311的上升沿发生在t4时刻，其相对t0具有一定的提前，而第四开关驱动信号313的上升沿发生在t5时刻，其相对t0具有一定的延迟。
请进一步参阅图3d，其所示为图3a中该第二变换器模块224及相关开关驱动单元的一种实施方式的示意图。该第二变换器模块224中的多个开关单元也被控制成独立地执行开关动作。更具体而言，如图3d所示，该第五开关单元238在第五开关驱动单元317独立提供的第五开关驱动信号325的作用下执行开关动作，该第六开关单元242在第六开关驱动单元319独立提供的第六开关驱动信号327的作用下执行开关动作，该第七开关单元244在第七开关驱动单元321独立提供的第七开关驱动信号329的作用下执行开关动作，该第八开关单元246在第八开关驱动单元323独立提供的第八开关驱动信号331的作用下执行开关动作。与图3c所示的第一变换器模块222相类似，施加至横向桥臂271的第七开关驱动信号329和第八开关驱动信号331也保持同步，因此，在一些实施方式中，可以使用单一的控制器来产生该第七开关驱动信号329和第八开关驱动信号331，但是，在实际执行时，为了确保第五开关单元238或者第六开关单元242换流，避免例如开关单元同时导通而造成电容器短路，并且为了保证死区时间，可以对该第七开关驱动信号329和第八开关驱动信号331作相应的调整，使得该第七开关单元244和该第八开关单元246中之一者相对第五或者第六开关单元238，242提前执行开关动作，而另一者相对第五或者第六开关单元238，242延后执行开关动作。
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（Integrated Gate 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，在一个或者多个开关周期内，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。
图11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，独立提供第一开关驱动信号给第一开关单元，例如，通过第一开关驱动单元301独立提供第一开关驱动信号309给第一变换器模块222的第一开关单元228（参见图3c）。特别地，该第一开关单元228被开通时，第二、第三、第四开关单元232，234，236均关断，使得第一变换器模块222输出第一等级电压Vp。
在一种实施方式中，该方法560还包括步骤564。在步骤564中，独立提供第二开关驱动信号给第二开关单元，例如，通过第二开关驱动单元307独立提供第二开关驱动信号315给第一变换器模块222的第二开关单元232。特别地，在第二开关单元232开通时，第一、第三、第四开关单元228，234，236均关断，使得第一变换器模块222输出第二等级电压Vn。
在一种实施方式中，该方法560还包括步骤566。在步骤566中，独立提供第三开关驱动信号给第三开关单元（或者横向第一子开关），例如，通过第三开关驱动单元303独立提供第三开关驱动信号311给第一变换器模块222的第三开关单元234。在步骤566中，还提供第四开关驱动信号给第四开关单元（或者横向第二子开关），例如，通过第四开关驱动单元305独立提供第四开关驱动信号313给第一变换器模块222的第四开关单元236。特别地，在第三、第四开关单元234，236开通时，第一、第二开关单元228，232均关断，使得第一变换器模块222输出第三等级电压Vmid。在一些实施方式中，施加至第三开关单元的第三开关驱动信号和施加至第四开关单元的第四开关驱动信号相对施加至第一开关单元的第一开关驱动信号或者施加至第二开关单元的第二开关驱动信号存在提前或者延后。
图12所示为能量变换方法700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3a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 (24)

1.一种变换器模块，其特征在于：该变换器模块包括
至少三个开关单元，包括第一开关单元、第二开关单元以及第三开关单元，其中，至少该第三开关单元包括第一子开关和第二子开关，施加至该第一子开关的驱动信号和施加至第二子开关的驱动信号保持同步；及
至少三个输入级联端和至少三个输出级联端，其中该至少三个输入级联端可以分别与其他变换器模块的至少三个输出级联端连接或者与直流环节对应的端口连接，该至少三个输出级联端可以分别与其他变换器模块的至少三个输入级联端连接或者共同连接在一起，以形成具有嵌套式结构的多电平变换器装置；
其中，该至少三个开关单元被控制成各自独立地执行开关动作，并且该至少三个开关单元的开通状态分别并排他地对应该至少三个输出级联端不同的输出电压。
2.如权利要求1所述的变换器模块，其特征在于：该变换器模块为位于嵌套式结构最外层的模块，其三个输入级联端分别与直流环节的第一端、第二端以及直流中点连接，其三个输出级联端分别与其他变换器模块的三个输入级联端连接；其中，该第一开关单元开通，该第二、第三开关单元关断时，其第一输出级联端排他地提供第一等级输出电压；该第二开关单元开通，该第一、第三开关单元关断时，其第二输出级联端排他地提供第二等级输出电压；该第三开关单元开通，该第一、第二开关单元关断时，其第三输出级联端排他地提供第三等级输出电压。
3.如权利要求1所述的变换器模块，其特征在于：该变换器模块为位于嵌套式结构最内层的模块，其三个输入级联端分别与其他变换器模块的三个输出级联端连接，其三个输出级联端与变换器装置的输出端共同连接；其中，
该第一开关单元开通，该第二、第三开关单元关断时，其第一输出级联端排他地提供第一等级输出电压；该第二开关单元开通，该第一、第三开关单元关断时，其第二输出级联端排他地提供第二等级输出电压；该第三开关单元开通，该第一、第二开关单元关断时，其第三输出级联端排他地提供第三等级输出电压。
4.如权利要求1所述的变换器模块，其特征在于：该变换器模块包括纵向桥臂和横向桥臂，其中，该第一开关单元和该第二开关单元被放置于该纵向桥臂上，该第三开关单元被放置在该横向桥臂上。
5.如权利要求4所述的变换器模块，其特征在于：该第三开关单元为双向可控的开关。
6.如权利要求4所述的变换器模块，其特征在于：该第一子开关和该第二子开关分别为单向可控的开关，且方向相反。
7.一种变换器装置，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至少三个开关单元以及至少三个输入级联端和至少三个输出级联端；其中，该第一变换器模块的三个输入级联端分别与该第二变换器模块的三个输出级联端连接，以形成具有嵌套式结构的变换器装置；在该变换器装置进行电能变换时，该第一变换器模块的三个开关单元被控制成各自独立地执行开关操作，并且其三个开关单元的开通状态分别并排他地对应其三个输出级联端不同的输出电压；该第二变换器模块的三个开关单元也被控制成各自独立地执行开关操作，并且其三个开关单元的开通状态也分别并排他地对应其三个输出级联端不同的输出电压；其中该第一变换器模块和该第二变换器模块每一者包括第一开关单元、第二开关单元以及第三开关单元，其中，至少该第三开关单元包括第一子开关和第二子开关，施加至该第一子开关的驱动信号和施加至第二子开关的驱动信号保持同步。
8.如权利要求7所述的变换器装置，其特征在于：该第一变换器模块的三个输出级联端与该变换器装置的输出端共同连接在一起。
9.如权利要求7所述的变换器装置，其特征在于：该第三开关单元为双向可控的开关。
10.如权利要求7所述的变换器装置，其特征在于：该第一子开关和该第二子开关分别为单向可控的开关，且方向相反。
11.如权利要求7所述的变换器装置，其特征在于：该变换器装置还包括串联连接的第一飞跨电容和第二飞跨电容；在一个或者多个开关周期内，该第一飞跨电容和该第二飞跨电容的电压通过选择性地利用该变换器装置所存在的冗余输出方式进行平衡。
12.如权利要求7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个等级的输出电压，该第二变换器模块提供2n2+1个等级的输出电压，其中n1和n2均大于等于一，并且n1等于n2。
13.如权利要求7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个等级的输出电压，该第二变换器模块提供2n2+1个等级的输出电压，其中n1和n2均大于等于一，并且n1不等于n2。
14.如权利要求7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和至少一个第二开关单元，该横向桥臂包括至少一个第三开关单元；该第一开关单元、第二开关单元和第三开关单元分别包括n个、m个和k个串联连接的开关器件，其中，n大于等于2，m大于等于2，k大于等于2。
15.如权利要求14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。
16.一种电能变换系统，其用于进行电能变换并给负载提供电能，其特征在于：该电能变换系统包括第一变换器装置和第二变换器装置，该第一变换器装置至少用于将输入电能转换成直流电能，该第二变换器装置与该第一变换器装置电连接，该第二变换器装置至少用于将该直流电能转换成输出电能，并将该输出电能提供给该负载；其中，该第一、第二变换器装置中至少一者包括第一变换器模块和第二变换器模块，该第一变换器模块和第二变换器模块每一者包括至少三个开关单元以及至少三个输入级联端和至少三个输出级联端；其中，该第一变换器模块的三个输入级联端分别与该第二变换器模块的三个输出级联端连接，以形成具有嵌套式结构的变换器装置；在该电能变换系统进行电能变换时，该第一变换器模块的至少三个开关单元被控制成各自独立地执行开关操作，并且该第二变换器模块的至少三个开关单元也被控制成各自独立地执行开关操作；其中，该第一变换器模块和该第二变换器模块每一者包括第一开关单元、第二开关单元以及第三开关单元，其中，至少该第三开关单元包括第一子开关和第二子开关，施加至该第一子开关的驱动信号和施加至第二子开关的驱动信号保持同步。
17.如权利要求16所述的电能变换系统，其特征在于：该输入电能为交流电能和直流电能中的一种，该输出电能为交流电能和直流电能中的一种。
18.如权利要求16所述的电能变换系统，其特征在于：该第一变换器模块的三个输出级联端与该第一或者第二变换器装置的输出端共同连接在一起。
19.如权利要求16所述的电能变换系统，其特征在于：该第一变换器模块的三个开关单元的开通状态分别并排他地对应其三个输出级联端不同的输出电压；该第二变换器模块的三个开关单元的开通状态也分别并排他地对应其三个输出级联端不同的输出电压。
20.如权利要求16所述的电能变换系统，其特征在于：该第一变换器装置为全控整流装置。
21.如权利要求16所述的电能变换系统，其特征在于：该第一变换器装置为非全控整流装置。
22.一种三相变换器，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至少包括三个开关单元以及至少三个输入级联端和至少三个输出级联端；其中，该第一变换器模块的三个输入级联端分别与该第二变换器模块的三个输出级联端连接，以形成具有嵌套式结构的变换器装置；在该变换器装置进行电能变换时，该第一变换器模块的三个开关单元被控制成各自独立地执行开关操作，并且其三个开关单元的开通状态分别并排他地对应其三个输出级联端不同的输出电压；该第二变换器模块的三个开关单元也被控制成各自独立地执行开关操作，并且其三个开关单元的开通状态也分别并排他地对应其三个输出级联端不同的输出电压，其中，该第一变换器模块和该第二变换器模块每一者包括第一开关单元、第二开关单元以及第三开关单元，其中，至少该第三开关单元包括第一子开关和第二子开关，施加至该第一子开关的驱动信号和施加至第二子开关的驱动信号保持同步。
23.如权利要求22所述的三相变换器，其特征在于：该第一变换器模块的三个输出级联端与该三相变换器装置的输出端共同连接在一起。
24.一种驱动方法，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，该第一变换器模块或者该第二变换器模块包括至少第一开关单元，第二开关单元和第三开关单元，该第三开关单元包括第一子开关和第二子开关，该驱动方法至少包括如下步骤：
独立提供第一开关驱动信号至该第一开关单元，使得该第一开关单元开通时，该第一变换器模块或者该第二变换器模块排他地产生第一等级输出电压；
独立提供第二开关驱动信号至该第二开关单元，使得该第二开关单元开通时，该第一变换器模块或者该第二变换器模块排他地产生第二等级输出电压；以及
独立提供第三开关驱动信号至该第三开关单元的该第一子开关和该第二子开关，使得该第三开关单元开通时，该第一变换器模块或者该第二变换器模块排他地产生第三等级输出电压。
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US14/547,274 US10644609B2 (en) 2014-01-24 2014-11-19 Nestable single cell structure for use in a power conversion system
CA2878767A CA2878767C (en) 2014-01-24 2015-01-15 A nestable single cell structure for use in a power conversion system
RU2015101199A RU2676752C2 (ru) 2014-01-24 2015-01-19 Одноячеечная структура с возможностью вложения для использования в системе преобразования энергии
JP2015008197A JP2015139365A (ja) 2014-01-24 2015-01-20 電力変換システムおよび方法
EP15152266.1A EP2899870B1 (en) 2014-01-24 2015-01-23 Power converter phase legs, power converter and method
ES15152266T ES2835856T3 (es) 2014-01-24 2015-01-23 Patas de fase de convertidor de potencia, convertidor de potencia y método
BR102015001567-4A BR102015001567B1 (pt) 2014-01-24 2015-01-23 Perna de fase de conversor de potência, conversor e método de operação de uma perna de fase

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Families Citing this family (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10069430B2 (en) * 2013-11-07 2018-09-04 Regents Of The University Of Minnesota Modular converter with multilevel submodules
KR101687913B1 (ko) * 2015-08-05 2016-12-19 명지대학교 산학협력단 하나의 변압기를 구비하는 upfc 장치
DE102015226199A1 (de) 2015-12-21 2017-06-22 Siemens Aktiengesellschaft Anordnung zum Einschalten eines Zweirichtungsschalters eines Konvertermoduls, Konvertermodul für einen Modularen Multi-Level-Umrichter mit der Anordnung sowie Verfahren zur Herstellung der Betriebsbereitschaft eines Konvertermoduls mit einem Zweirichtungsschalter
CN108123592B (zh) * 2016-11-29 2020-11-10 台达电子企业管理（上海）有限公司 用于功率变流器母线电容的放电控制方法
CN107947599A (zh) * 2017-11-27 2018-04-20 国网北京市电力公司 电力电子变流器
EP3573227A1 (en) * 2018-05-23 2019-11-27 Nidec ASI S.A. Electric power converter
EP3687059A1 (de) 2019-01-22 2020-07-29 Siemens Aktiengesellschaft Betreiben von schaltelementen eines mehrpegelenergiewandlers
CN110895296A (zh) * 2019-12-03 2020-03-20 天津送变电工程有限公司 一种继电保护测试转换装置及方法
DE102022205483A1 (de) * 2022-05-31 2023-11-30 Rolls-Royce Deutschland Ltd & Co Kg Schnelles Schalten von Transistoren in einem Wandler mit begrenzter Kapazität
CN117767781A (zh) * 2024-02-20 2024-03-26 深圳市恒运昌真空技术股份有限公司 五电平逆变电路、逆变器及射频电源

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1477778A (zh) * 2003-07-18 2004-02-25 清华大学 分层叠加式电压型多电平电路拓扑结构
CN101262180A (zh) * 2008-04-25 2008-09-10 清华大学 箝位式多电平变换器用的单相电路拓扑结构
CN201570979U (zh) * 2009-12-02 2010-09-01 浙江大学 一种基于arm微处理器控制的igbt串联电路
CN102187562A (zh) * 2008-10-16 2011-09-14 东芝三菱电机产业系统株式会社 功率转换装置
CN102460932A (zh) * 2009-06-19 2012-05-16 三菱电机株式会社 电力变换装置
CN103368427A (zh) * 2012-04-05 2013-10-23 艾默生网络能源有限公司 单相逆变器及其系统和三相逆变器及其系统

Family Cites Families (72)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS62178832A (ja) * 1986-02-03 1987-08-05 Hitachi Ltd インバ−タ付空気調和機の制御回路
DE4311229C1 (de) 1993-04-02 1994-09-01 Mannesmann Ag Nicht-spurgebundenes Fahrzeug mit Elektromotor
KR0177948B1 (ko) * 1995-09-22 1999-05-15 구자홍 브러쉬레스 직류모터 제어용 인버터 제어장치
DE10027575A1 (de) * 1999-09-02 2001-04-05 Abb Patent Gmbh ARCP Mehrpunktstromrichter mit potentialvariablen Zwischenkapazitäten
US6697271B2 (en) * 2000-08-16 2004-02-24 Northrop Grumman Corporation Cascaded multi-level H-bridge drive
US6459596B1 (en) * 2000-08-18 2002-10-01 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy Method and apparatus for a Reduced parts-counts multilevel rectifier
CA2400023C (en) * 2000-09-13 2009-07-14 Abb Research Ltd. An open-loop/closed-loop converter with active clamping switches
JP4389446B2 (ja) 2003-01-15 2009-12-24 富士電機システムズ株式会社 電力変換装置
US6825624B2 (en) * 2003-03-11 2004-11-30 Visteon Global Technologies, Inc. Hill hold for electric vehicle
US7050311B2 (en) * 2003-11-25 2006-05-23 Electric Power Research Institute, Inc. Multilevel converter based intelligent universal transformer
US20070223258A1 (en) * 2003-11-25 2007-09-27 Jih-Sheng Lai Multilevel converters for intelligent high-voltage transformers
US20070230226A1 (en) * 2003-11-25 2007-10-04 Jih-Sheng Lai Multilevel intelligent universal auto-transformer
US6969967B2 (en) * 2003-12-12 2005-11-29 Ut-Battelle Llc Multi-level dc bus inverter for providing sinusoidal and PWM electrical machine voltages
ES2296142T3 (es) * 2004-06-18 2008-04-16 Abb Schweiz Ag Procedimiento para el tratamiento de errores en un circuito convertidor para la conmutacion de tres niveles de tension.
WO2006000111A1 (de) * 2004-06-23 2006-01-05 Abb Schweiz Ag Oberschwingungsarme mehrphasige umrichterschaltung
US7126833B2 (en) * 2004-11-24 2006-10-24 Ut-Battelle, Llc Auxiliary quasi-resonant dc tank electrical power converter
JP2006271042A (ja) 2005-03-23 2006-10-05 Fuji Electric Holdings Co Ltd マルチレベルインバータ
EP1922803B1 (de) 2005-09-09 2018-02-21 Siemens Aktiengesellschaft Vorrichtung für die elektroenergieübertragung
US20090080225A1 (en) * 2005-12-28 2009-03-26 Abb Research Ltd Voltage source converter and method of controlling a voltage source converter
US7778045B2 (en) * 2006-06-06 2010-08-17 Ideal Power Converters, Inc. Universal power conversion methods
US7746041B2 (en) * 2006-06-27 2010-06-29 Virginia Tech Intellectual Properties, Inc. Non-isolated bus converters with voltage divider topology
US7663268B2 (en) * 2006-08-30 2010-02-16 The Regents of the University of Cailfornia Converters for high power applications
US7652393B2 (en) * 2006-09-14 2010-01-26 American Power Conversion Corporation Apparatus and method for employing a DC source with an uninterruptible power supply
US8287848B2 (en) * 2006-10-03 2012-10-16 Tris Pharma Inc Formulations containing an ionic mineral-ion exchange resin complex and uses thereof
TWI346441B (en) * 2006-11-10 2011-08-01 Delta Electronics Inc Three-level ac generating circuit and control method thereof
US7612603B1 (en) * 2007-01-24 2009-11-03 Intersil Americas Inc. Switching frequency control of switched capacitor circuit using output voltage droop
US7573732B2 (en) * 2007-05-25 2009-08-11 General Electric Company Protective circuit and method for multi-level converter
US7787270B2 (en) * 2007-06-06 2010-08-31 General Electric Company DC-DC and DC-AC power conversion system
FR2933547B1 (fr) * 2008-07-01 2010-09-10 Converteam Sas Ondulateur trois niveaux
IT1393717B1 (it) * 2009-03-31 2012-05-08 Meta System Spa Dispositivo e metodo per la conversione di corrente continua in corrente alternata
US8427010B2 (en) * 2009-05-29 2013-04-23 General Electric Company DC-to-AC power conversion system and method
JP5471128B2 (ja) * 2009-07-31 2014-04-16 富士電機株式会社 電力変換装置
FR2952482B1 (fr) * 2009-11-06 2011-11-18 Mge Ups Systems Dispositif convertisseur comprenant au moins cinq niveaux de tension continue et alimentation sans interruption pourvue dudit dispositif.
EP2502340A1 (de) 2009-11-19 2012-09-26 Siemens Aktiengesellschaft Umrichter und submodul eines umrichters zum laden oder entladen eines energiespeichers
FR2956266B1 (fr) * 2010-02-05 2012-02-03 Mge Ups Systems Dispositif convertisseur et alimentation sans interruption equipee d'un tel dispositif
EP2372893B1 (en) * 2010-03-31 2012-06-27 Ce+T Multilevel inverter
US8471584B2 (en) * 2010-05-28 2013-06-25 General Electric Company Switching device failure detection system and method for multilevel converters
US8614905B2 (en) * 2010-06-23 2013-12-24 Abb Technology Ag Voltage converting apparatus and method for converting a voltage
EP2413489B1 (en) * 2010-07-30 2013-09-11 Vinotech Holdings S.à.r.l. Highly efficient half-bridge DC/AC converter
WO2012040257A1 (en) * 2010-09-21 2012-03-29 Curtiss-Wright Electro-Mechanical Corporation Two terminal multilevel converter
US8441820B2 (en) * 2010-09-29 2013-05-14 General Electric Company DC-link voltage balancing system and method for multilevel converters
US9515617B2 (en) * 2010-10-27 2016-12-06 Merus Audio Aps Audio amplifier using multi-level pulse width modulation
EP2633612A1 (en) * 2010-10-27 2013-09-04 Alstom Technology Ltd. Modular multilevel converter
JP5724314B2 (ja) * 2010-11-16 2015-05-27 富士電機株式会社 パワー半導体モジュール
EP2456059B1 (en) * 2010-11-17 2018-05-23 ABB Schweiz AG Switching branch modul for a three-level converter and method for controlling that switching branch
CN103081324B (zh) * 2010-11-17 2015-07-08 富士电机株式会社 交流-交流转换器
US8867295B2 (en) * 2010-12-17 2014-10-21 Enpirion, Inc. Power converter for a memory module
EP2487786A3 (en) 2011-02-08 2015-06-03 Fuji Electric Co., Ltd. Five-level power conversion device
WO2012140008A2 (en) * 2011-04-15 2012-10-18 Siemens Aktiengesellschaft Multilevel converter and method of starting up a multilevel converter
FR2975549B1 (fr) * 2011-05-17 2015-01-02 Converteam Technology Ltd Onduleur de tension a 2n+1 niveaux
US8792254B2 (en) * 2011-06-28 2014-07-29 General Electric Company Multilevel power converter and methods of manufacturing and operation thereof
JP5644944B2 (ja) * 2011-07-05 2014-12-24 富士電機株式会社 マルチレベル変換回路
US8922054B2 (en) * 2011-07-31 2014-12-30 General Electric Company Distributed DC energy storage for supplying an intermittent subsea load
RU2496206C2 (ru) 2011-08-19 2013-10-20 Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ ЗАОЧНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ" Преобразователь с импульсной передачей энергии и питанием от сети переменного тока
EP2590312A1 (en) * 2011-11-04 2013-05-08 Alstom Technology Ltd Voltage source converter (VSC) with neutral-point-clamped (NPC) topology and method for operating such voltage source converter
US9281756B2 (en) * 2011-11-11 2016-03-08 Varentec, Inc. Power flow controller with a fractionally rated back-to-back converter
US9036379B2 (en) * 2011-11-15 2015-05-19 General Electric Company Power converter based on H-bridges
RU2517300C2 (ru) 2011-12-07 2014-05-27 Федеральное государственное унитарное предприятие Производственное объединение "Север" Способ управления статическим преобразователем в системе генерирования электрической энергии переменного тока в режиме короткого замыкания
EP2800266A4 (en) 2011-12-28 2015-08-19 Panasonic Ip Man Co Ltd INVERTER DEVICE WITH MULTIPLE LEVELS
US9490689B2 (en) * 2012-01-05 2016-11-08 Schneider Electric It Corporation Methods and apparatus for controlling power switches via a digital communication bus
JP5803683B2 (ja) * 2012-01-13 2015-11-04 富士電機株式会社 マルチレベル電力変換回路
JP2013215043A (ja) * 2012-04-02 2013-10-17 Fuji Electric Co Ltd マルチレベル電力変換装置
US20130313906A1 (en) * 2012-05-23 2013-11-28 General Electric Company Remote load bypass system
US9148069B2 (en) * 2012-05-25 2015-09-29 General Electric Company High voltage high power multi-level drive structure
JP6040582B2 (ja) * 2012-06-14 2016-12-07 富士電機株式会社 マルチレベル電力変換回路の保護制御方式
GB2503670B (en) * 2012-07-03 2014-12-10 Dyson Technology Ltd Method of preheating a brushless motor
US9252670B2 (en) * 2012-12-19 2016-02-02 General Electric Company Multilevel converter
CN203151382U (zh) * 2013-01-16 2013-08-21 通用电气能源电能变换科技有限公司 中高压变换器装置，风力、光伏发电系统及不间断电源系统
CN103973128A (zh) * 2013-01-30 2014-08-06 通用电气能源电能变换科技有限公司 无变压器式电能变换系统以及相关方法
US9246407B2 (en) * 2013-03-29 2016-01-26 General Electric Company Voltage balancing system and method for multilevel converters
CN104601000A (zh) 2013-10-31 2015-05-06 通用电气公司 变换器控制器,电能变换系统以及控制方法
CN105099241B (zh) * 2014-04-18 2019-03-19 通用电气公司 控制器、电能变换系统和方法

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1477778A (zh) * 2003-07-18 2004-02-25 清华大学 分层叠加式电压型多电平电路拓扑结构
CN101262180A (zh) * 2008-04-25 2008-09-10 清华大学 箝位式多电平变换器用的单相电路拓扑结构
CN102187562A (zh) * 2008-10-16 2011-09-14 东芝三菱电机产业系统株式会社 功率转换装置
CN102460932A (zh) * 2009-06-19 2012-05-16 三菱电机株式会社 电力变换装置
CN201570979U (zh) * 2009-12-02 2010-09-01 浙江大学 一种基于arm微处理器控制的igbt串联电路
CN103368427A (zh) * 2012-04-05 2013-10-23 艾默生网络能源有限公司 单相逆变器及其系统和三相逆变器及其系统

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