CN105556818B - 使用钳制节点偏置的多电平转换器装置及方法 - Google Patents

使用钳制节点偏置的多电平转换器装置及方法 Download PDF

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Abstract

一种多电平转换器(100)包括第一和第二DC总线(115a、115b)、串联耦接在第一和第二DC总线(115a、115b)之间的多个晶体管(Q1、Q2、Q3、Q4)及被配置为将连接多个晶体管的第一晶体管(Q1)和第二晶体管(Q2)的节点(112a)钳制的钳位电路(D1)。转换器(100)进一步包括耦接到钳制节点(112a)的偏置电路(116a)，其可降低或防止晶体管(Q2)上的电压应力。同样描述了相关的操作方法。

Description

使用钳制节点偏置的多电平转换器装置及方法
技术领域
本发明的主题涉及电力转换电路和方法，并且更特别地涉及逆变器装置和方法。
背景技术
整流器和逆变器电路应用于不间断电源(UPS)系统、电机驱动和其它电力装置中。一些逆变器和整流器具有使用多换相状态的多电平构造。例如，在以下专利中描述了各种多电平逆变器和整流器电路:Tamamachi等人的美国专利No.5,361,196、Lipo等人的美国专利No.6,031,738、Tanaka等人的美国专利No.6,795,323、Nielsen的美国专利No.6,838,925、Edwards等人的美国专利No.7,145,268以及Teichmann等人的美国专利No.7,573,732。
发明内容
本发明主题的一些实施例提供一种多电平转换器，其包括第一和第二DC总线、串联耦接在第一和第二DC总线之间的多个晶体管以及被配置为将连接多个晶体管的第一晶体管和第二晶体管的节点钳制的钳位电路。转换器进一步包括耦接到钳制节点的偏置电路。
第二晶体管可被耦接在钳制节点和AC节点之间。转换器可被配置成运行为整流器，且第二晶体管可被耦接在钳制节点和相位输入之间。在进一步的实施例中，转换器可被配置成运行为逆变器且第二晶体管可被耦接在钳制节点和相位输出之间。
在进一步的实施例中，偏置电路可被配置为将钳制节点耦接到第一DC总线，且第一和第二晶体管可被耦接在第二DC总线和AC节点之间。偏置电路可包括将钳制节点耦接到第一DC总线的电阻器。偏置电路可进一步被配置为使用钳位电路对耦接到第一DC总线的电容放电。
进一步的实施例提供一种多电平转换器，该多电平转换器包括第一和第二DC总线、AC节点、中性节点、串联耦接在第一DC总线和AC节点之间的第一和第二晶体管、耦接在中性节点和连接第一和第二晶体管的中性钳制节点之间的二极管、以及将中性钳制节点耦接到第二DC总线的电阻器。转换器进一步可包括串联耦接在第二DC总线和AC节点之间的第三和第四晶体管，耦接在中性节点和连接第三和第四晶体管的第二中性钳制节点之间的第二二极管，以及耦接在第二中性钳制节点和第一DC总线之间的第二电阻器。
更进一步的实施例提供运行多电平转换器的方法，该方法包括将连接转换器的第一晶体管和第二晶体管的钳制节点偏置，以限制穿过第二晶体管而产生的电压。第二晶体管可被耦接在转换器的AC节点和钳制节点之间。将钳制节点偏置可包括使用例如电阻器，将钳制节点耦接到转换器的DC总线。
附图说明
图1为示出根据本发明主题的一些实施例的转换器的示意图。
图2为示出根据进一步的实施例的转换器的示意图。
图3为示出根据一些实施例的包括逆变器的不间断电源(UPS)的示意图。
图4为示出根据一些实施例的包括整流器的UPS的示意图。
具体实施方式
现在将参考附图描述本发明主题的具体示例性实施例。然而，本发明的主题可以许多不同的形式实施且不应被解释为制于本文阐述的实施例；相反，提供这些实施例以使本公开透彻和完整，且将向本领域的这些技术人员全部传达本发明主题的范围。在附图中，相同的数字指示相同的元件。将理解的是，当元件被称为被“连接”或“耦接”到另一元件，它可以被直接连接或耦接到其它元件或可存在中介元件。如本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关所列项目的任意和所有组合。
本文所使用的术语的目的在于仅描述特定实施例而非旨在限制本发明的主题。如本文所使用的，除非另有明确陈述，单数形式的“一”、“一个”和“所述”旨在同样包括复数形式。将进一步理解，术语“包括”、“包含”当在本说明书中使用时，特指所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但不排除一个或者多个其它特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或其组合的存在或附加。
除非另有定义，本文使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有本发明主题所属领域的普通技术人员的普遍理解的相同意义。要进一步理解的是，诸如那些在通常使用的词典中定义的术语，应被解释为意思具有与说明书的上下文和相关领域中它们的意义一致的意义，且除非在本文中明确定义，将不能以理想化或过于正式的形式来理解。
图1示出根据一些实施例的多电平转换器100。可以利用转换器100作为转换器和/或整流器，且转换器100包括多个晶体管，此处以第一绝缘栅双极晶体管(IGBT)Q1、第二绝缘栅双极晶体管(IGBT)Q2、第三绝缘栅双极晶体管(IGBT)Q3和第四绝缘栅双极晶体管(IGBT)Q4表示。第一晶体管Q1和第二晶体管Q2被耦接于第一DC总线115a和AC节点114之间，且第三晶体管Q3和第四晶体管Q4被耦接于第二DC总线115b和AC节点114之间。AC节点114可经由电感器L被耦接到外部源和/或负载。晶体管Q1、Q2、Q2、Q4可由控制电路118控制。与晶体管Q1、Q2、Q2、Q4配对的反向并联的二极管可与晶体管集成，或者可为独立部件。分别使用耦接于节点112a、112b和中性节点N之间的相应的二极管D1、D2，将第一晶体管Q1与第二晶体管Q2之间的节点112a、以及第三晶体管Q3与第四晶体管Q4之间的节点112b中性钳制。中性钳制支持多电平运行。
如进一步示出的，转换器100包括耦接到中性钳制节点112a、112b的偏置电路116a、116b。偏置电路116a、116b被配置为当第一和第四晶体管Q1、Q4关断时，将中性钳制节点112a、112b偏置到预定的电压。如下更为详细地解释，在某些条件下，偏置电路116a、116b可用于限制穿过内部晶体管Q2、Q3而产生的电压。
图2示出根据进一步实施例的多电平转换器200，其中由耦接到DC总线的电阻器提供钳制节点偏置。转换器200包括第一DC总线115a和第二DC总线115b，第一晶体管Q1、第二晶体管Q2、第三晶体管Q3和第四晶体管Q4，中性钳位二极管D1、D2，电感器L，AC节点114以及第一中性钳制节点112a和第二中性钳制节点112b，如以上参考图1来描述。第一偏置电阻器R1被耦接于第一中性钳制节点112a和第二DC总线115b之间。第二偏置电阻器R2被耦接于第二中性钳制节点112b和第一DC总线115a之间。由电阻器R1、R2提供的偏置可防止穿过内部第二晶体管Q2和第三晶体管Q3的危险电压电平产生，例如如果当转换器200处于所有的晶体管Q1、Q2、Q2、Q4关断的非激活状态时，在耦接到AC节点114的线路中发生电压浪涌。电阻器R1、R2可具有足够提供保护内部第二晶体管Q2和第三晶体管Q3的偏置的电阻值，而无需支持总线115a、115b和中性N之间的过大的电流。出于维护和其它目的，第一偏置电阻器R1和第二偏置电阻器R2也可经由中性钳位二极管D1、D2来支持被耦接到第一DC总线115a和第二DC总线115b的电容器C1、C2的放电(放出)，从而使总线115a、115b断电。
根据一些实施例的转换器电路可被有利地用于UPS应用中。例如，图3示出包括整流器310的UPS 300，该整流器310具有被配置为耦接到诸如设施或发电机的AC源的相位输入311a、311b、311c。整流器310的输出通过第一总线315a和第二DC总线315b耦接到逆变器电路330。逆变器电路具有被配置为耦接到负载的相位输出311a、311b、311c。如进一步示出的，诸如电池或被配置为耦接到电池的电池转换器的辅助电源420，也可被耦接到第一DC总线315a和第二DC总线315b。存储电容器C1、C2被耦接到第一DC总线315a和第二DC总线315b中相应的一条DC总线与中性N之间。
如所示出的，整流器310可以是多电平整流器，其具有相位输入311a、311b、311c，且包括输入电感器La、Lb、Lc，耦接于第一DC总线315a和中性N之间的上部晶体管Q1a、Q2a、Q1b、Q2b、Q1c、Q2c以及耦接于第二DC总线315b和中性N之间的下部晶体管Q3a、Q4a、Q3b、Q4b、Q3c、Q4c。二极管D1a、D2a、D1b、D2b、D1c、D2c提供在上部和下部晶体管对中的相应一对晶体管之间的相应节点312的中性钳制。电阻器R1a、R2a、R1b、R2b、R1c、R2c将中性钳制节点312偏置，并为第一DC总线315a和第二DC总线315b的放电提供电流通路。UPS 300也可包括用于驱动晶体管Q1a、Q2a、Q1b、Q2b、Q1c、Q2c、Q3a、Q4a、Q3b、Q4b、Q3c、Q4c的控制电路(为清楚说明而未示出)，也包括诸如旁路电路的附加电路。
图4示出包括整流器410的UPS 400，该整流器410具有被配置为耦接到诸如设施或发电机的AC源的相位输入411a、411b、411c。整流器410的输出通过第一DC总线415a和第二DC总线415b耦接到逆变器电路430。逆变器电路具有被配置为耦接到负载的相位输出431a、431b、431c。如进一步示出的，辅助电源420也可被耦接到第一DC总线415a和第二DC总线415b。存储电容器C1、C2被耦接于第一DC总线415a和第二DC总线415b中的相应总线与中性N之间。
逆变器430可以是多电平逆变器，其包括输出电感器La、Lb、Lc，耦接于第一DC总线415a和中性N之间的上部晶体管Q1a、Q2a、Q1b、Q2b、Q1c、Q2c以及耦接于第二DC总线415b和中性N之间的下部晶体管Q3a、Q4a、Q3b、Q4b、Q3c、Q4c。二极管D1a、D2a、D1b、D2b、D1c、D2c提供在上部和下部晶体管对中的相应对之间的相应节点412的中性钳制。电阻器R1a、R2a、R1b、R2b、R1c、R2c将中性钳制节点412偏置，并为第一总线415a和第二DC总线415b提供放电通道。UPS 400也可包括用于驱动晶体管Q1a、Q2a、Q1b、Q2b、Q1c、Q2c、Q3a、Q4a、Q3b、Q4b、Q3c、Q4c的控制电路(为清楚说明而未示出)，连同诸如旁路电路的其它电路。
将认识到，根据本发明主题的一些实施例的转换器可用于许多不同的应用中的任意应用，诸如整流器、逆变器、电机驱动器等等。除了以上参考图2-4描述的电阻器连接，进一步的实施例可使用偏置电路，诸如使用其它无源网络和/或有源器件以提供相似偏置的偏置电路。将进一步认识到，尽管所说明的示例实施例包括具有中性钳制节点的三电平转换器，本发明主题的一些实施例可提供具有以其它方式而钳制以及使用与以上描述类似的偏置电路而偏置的节点的其它类型的多电平转换器，诸如具有多于四个晶体管和/或多于三种状态的转换器。
在附图和说明书中，已经公开了本发明主题的示例性实施例。尽管采用具体术语，但它们仅以一般和描述性方式使用而不用于限制目的，本发明主题的范围由以下权利要求限定。

Claims (16)

1.一种多电平转换器，包括:
第一和第二DC总线；
多个晶体管，串联耦接在所述第一和第二DC总线之间；
钳位电路，被配置为将连接所述多个晶体管的第一晶体管和第二晶体管的节点钳制到所述多电平转换器的中性节点；
AC节点，被耦接到所述多个晶体管，其中所述第二晶体管被耦接在钳制节点和所述AC节点之间，其中所述钳制节点是被所述钳位电路钳制到所述中性节点的，连接所述第一晶体管和所述第二晶体管的所述节点；以及
偏置电路，包括将所述钳制节点耦接到所述第一DC总线的电阻器。
2.根据权利要求1所述的转换器，其中所述转换器被配置成运行为整流器，其中所述AC节点包括所述整流器的相位输入，且其中所述第二晶体管被耦接在所述钳制节点和所述相位输入之间。
3.根据权利要求1所述的转换器，其中所述转换器被配置成运行为逆变器，其中所述AC节点包括所述逆变器的相位输出，且其中所述第二晶体管被耦接在所述钳制节点和所述相位输出之间。
4.根据权利要求1所述的转换器,其中所述偏置电路进一步被配置为使用所述钳位电路对被耦接到所述第一DC总线的电容放电。
5.一种不间断电源，包括根据权利要求1所述的转换器。
6.一种多电平转换器，包括：
第一和第二DC总线；
AC节点；
中性节点；
第一和第二晶体管，串联耦接在所述第一DC总线和所述AC节点之间；
二极管，耦接在所述中性节点和连接所述第一和第二晶体管的中性钳制节点之间；以及
电阻器，将所述中性钳制节点耦接到所述第二DC总线。
7.根据权利要求6所述的转换器，其中所述二极管包括第一二极管，其中所述中性钳制节点包括第一中性钳制节点，其中所述电阻器包括第一电阻器，且其中所述转换器进一步包括：
第三和第四晶体管，串联耦接在所述第二DC总线和所述AC节点之间；以及
第二二极管，耦接在所述中性节点和连接所述第三和第四晶体管的第二中性钳制节点之间；以及
第二电阻器，耦接在所述第二中性钳制节点和所述第一DC总线之间。
8.一种不间断电源，包括权利要求7所述的转换器。
9.根据权利要求8所述的不间断电源，其中所述转换器为整流器或逆变器。
10.一种操作根据权利要求6所述的多电平转换器的方法，所述方法包括：
将连接转换器的第一晶体管和第二晶体管的钳制节点偏置到预定的电压，以限制穿过所述第二晶体管而产生的电压。
11.根据权利要求10所述的方法,其中所述第二晶体管被耦接在所述转换器的AC节点和所述钳制节点之间。
12.根据权利要求10所述的方法，其中所述第二晶体管包括所述转换器的内部晶体管。
13.根据权利要求10所述的方法,其中所述转换器包括整流器，且其中所述第二晶体管被耦接在所述钳制节点和相位输入之间。
14.根据权利要求10所述的方法,其中所述转换器包括逆变器，且其中所述第二晶体管被耦接在所述钳制节点和相位输出之间。
15.根据权利要求10所述的方法,其中将连接所述转换器的第一晶体管和第二晶体管的钳制节点偏置到预定的电压以限制穿过所述第二晶体管而产生的电压，包括将所述钳制节点耦接到所述转换器的第二DC总线。
16.根据权利要求15所述的方法,其中将所述钳制节点耦接到所述转换器的第二DC总线，包括经由电阻器将所述钳制节点耦接到所述第二DC总线。
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