CN106165287B - 具有作为内部ac开关的链式链路串的混合型三电平npc晶闸管变换器 - Google Patents

具有作为内部ac开关的链式链路串的混合型三电平npc晶闸管变换器 Download PDF

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Abstract

用于功率变换的方法包括经由第一连接节点（310）和第二连接节点（312）而将第一串（302）与第二串（304）耦合，以形成功率变换器（104、300）的至少一个腿（301、303、305）。第一串（302）在第一母线（306）和第二母线（308）两端操作耦合，并且，包含经由第三连接节点（318）而耦合的第一分支（314）和第二分支（316）。第一分支（314）和第二分支（316）包括多个可控制的半导体开关（330）。此外，第二串（304）包含经由交流相母线（326）而耦合的第一链式链路（320）和第二链式链路（322），并且，包括多个切换单元（334）。在开关关断过程期间，对第一链式链路（320）和/或第二链式链路（322）进行控制，以在多个可控制的半导体开关（330）中的至少一个两端生成负电压。

Description

具有作为内部AC开关的链式链路串的混合型三电平NPC晶闸 管变换器
技术领域
本发明的实施例涉及功率变换器，并且更具体地，涉及多电平变换器。
背景技术
在过去的几十年中，由于功率变换在马达驱动、可再生的能量系统、高电压直流(HVDC)系统等中的即将发生的优点，功率变换的领域极大地发展。将电能从一种形式(例如，交流(AC)或直流(DC))变换成另一种形式(例如，DC或AC)的功率变换器利用各种功率电子装置。功率电子装置的示例是绝缘栅双极型晶体管(IGBT)和晶闸管。
与诸如IGBT的其他功率电子装置相比，晶闸管具有非常低的传导损失。另外，晶闸管能够保证突然失效，因此，对于需要将功率电子装置串联连接而将高电压阻断的应用，即使一个或多个晶闸管失效，系统也能够继续操作。晶闸管的这一优点实现真实冗余的设计，导致高得多的系统可靠性。这两个优点使晶闸管成为对于要求高电压、高效率以及高可靠性的HVDC应用的理想的装置。然而，晶闸管是仅可部分地控制的装置，并且因而不能如诸如IGBT的可完全地控制的装置那样关断。因此，晶闸管通常用于其中在AC电网的帮助的情况下使晶闸管关断的基于负载换向变换器(LCC)的典型的HVDC系统中。
由于晶闸管的切换限制，IGBT通常被认为是基于电压源变换器(VSC)的HVDC系统的主要的重负荷机器。与基于LCC的典型的HVDC相比，基于VSC的HVDC系统具有许多优点：1)能够支持无源网络，或充当岛的电网；2)能够独立于有功功率而控制无功功率。然而，IGBT缺乏晶闸管的上文中所提到的优点。
因此，仍然存在对于在经济上更可行以及在技术上可靠并且高效的备选的针对电压源变换器的解决方案的需要。
发明内容
根据本技术的实施例，提供用于功率变换的方法。方法包括经由第一连接节点和第二连接节点而将第一串与第二串耦合，以形成功率变换器的至少一个腿。第一串在第一母线和第二母线的两端操作耦合，并且，包含经由第三连接节点而耦合的第一分支和第二分支。此外，第一分支和第二分支包括多个可控制的半导体开关，并且，第二串包含经由交流相母线而耦合的第一链式链路和第二链式链路，并且，包括多个切换单元。方法还包括在开关关断过程期间，控制第一链式链路和/或第二链式链路，以在多个可控制的半导体开关中的至少一个开关的两端生成负电压。
根据本技术的另一实施例，提供包括一个或多个相腿的功率变换器。一个或多个相腿中的每个包含第一串，第一串包含第一分支和第二分支，第一分支和第二分支包括多个可控制的半导体开关、第一连接节点以及第二连接节点，其中，第一串在第一母线和第二母线的两端操作耦合，并且，第二分支经由第三连接节点而与第一分支操作耦合。一个或多个相腿中的每个还包括第二串，第二串经由第一连接节点和第二连接节点而与第一串操作耦合，其中，第二串包含第一链式链路和第二链式链路，第一链式链路和第二链式链路包括多个切换单元，并且，其中，第二链式链路经由交流相母线而与第一链式链路操作耦合。功率变换器还包括控制器，控制器配置成通过调节第一链式链路和第二链式链路而对多个可控制的半导体开关中的至少一个的开关关断过程进行控制；其中，在开关关断过程期间，利用第一链式链路和/或第二链式链路来在至少一个可控制的半导体开关的两端生成负电压。
附图说明
在参考附图来阅读下面的详细描述时，本发明的这些及其他特征、方面以及优点将变得更好理解，其中，在遍及所有的附图中，相似的字符表示相似的零件，其中：
图1是用于功率变换的系统的图解表示；
图2是根据本公开的方面的供在图1的系统中使用的模块化嵌入式多电平变换器(MEMC)的示范性的实施例的图解表示；
图3是根据本公开的方面的供在图2的功率变换器的部分中使用的切换单元的示范性的实施例的图解表示；
图4是根据本公开的方面的供在图2的功率变换器的部分中使用的切换单元的另一实施例的图解表示；
图5是根据本公开的方面的相腿的运行状态和相腿的图解表示；
图6是根据本公开的方面的图2的模块化嵌入式多电平变换器(MEMC)的区段的图解表示；
图7是根据本公开的方面的用于使在具有包含切换单元的链式链路的变换器中的晶闸管换向的方法的流程图表示；以及
图8是根据本公开的方面的使一个相腿从正状态到负状态的进展的图解表示。
具体实施方式
除非另有定义，否则本文中所使用的技术术语和科学术语具有与由本公开属于的领域的普通技术人员普遍地理解的相同的含义。如本文中所使用的术语“第一”、“第二”等不表示任何顺序、数量或重要性，而是用来将一个元件与另一个区分开。而且，术语“一”和“一个”不表示数量的限制，而是表示所引用的项中的至少一个的存在。术语“或”意味着是包括的，并且意味着所列出的项中的一个、一些或全部。“包括”、“包含”或“具有”及其变体在本文中的使用意味着囊括其后列出的项及其等效物以及附加的项。术语“连接”和“耦合”不局限于物理或机械连接或耦合，并且能够包括电连接或耦合，无论是直接的还是间接的。此外，术语“电路”和“电路系统”以及“控制器”可以包括单个组件或多个组件，这些组件是有源的和/或无源的，并且，连接或以另外的方式耦合在一起，以提供所描述的功能。
如将在下文中详细地描述的，提出了示范性的用于功率变换的系统和用于功率变换的方法的各种实施例。通过采用下文中所描述的功率变换器和用于功率变换的方法，提供多电平变换器。在一个示例中，功率变换器可以包括模块化多电平嵌入式变换器。如本文中所使用的术语多电平变换器用来指以非常低的畸变将一种形式的输入电压/电流变换成另一种形式的输出电压/电流的变换器。
现在转到附图，通过图1中的示例，描绘用于变换功率的系统100。在一个实施例中，用于变换功率的系统100可以包括源102、功率变换器104以及电网/公用事业/负载106。如本文中所使用的术语源用来指可再生的功率源、不可再生的功率源、发电机、电网等。而且，如本文中所使用的术语负载可以用来指电网、电器等。另外，功率变换器104可以是多电平变换器。在一个实施例中，源102可以与功率变换器104的第一端子(未示出)操作耦合。功率变换器104的第二端子(未示出)可以与负载106操作耦合。第一端子和第二端子可以备选地作为功率变换器104的输入端子或输出端子来采用。
而且，系统100可以包括控制器108。在一个实施例中，控制器108可以配置成控制功率变换器104的操作。作为示例，控制器108可以配置成通过控制功率变换器104的多个半导体开关的切换而控制功率变换器104的操作。此外，在一个实施例中，系统100还可以包括其他电路组件(未示出)，例如但不限于电路断路器、电感器、补偿器、电容器、整流器、电抗器、滤波器等。
现在，参考图2，描绘根据本公开的方面的供在图1的系统中使用的模块化嵌入式多电平变换器(MEMC)300的示范性的实施例的图解表示。在一个实施例中，MEMC 300分别包括三个腿301、303以及305。三个腿301、303以及305用于三个不同的相，并且因而还能够被称为相腿。此外，MEMC的每个相腿301、303以及305可以包括第一串(string)302和第二串304。应当注意到，虽然在图2中仅针对一个腿301示出某些参考数字，但这些参考数字能够同样地可应用于其他两个相腿303和305。更具体地，第一串302可以与第二串304操作耦合，以形成腿301。此外，第一串302可以在第一母线306与第二母线308之间操作耦合。在一个实施例中，第一母线306可以包括正DC母线，并且，第二母线308可以包括负DC母线。第二串304可以经由第一连接节点310和第二连接节点312而与第一串302操作耦合。而且，第一串302可以包括第一分支314，第一分支314经由第三连接节点318而与第二分支316操作耦合。类似地，第二串304可以包括第一链式链路320，第一链式链路320经由至少一个AC相326和电感器324而与第二链式链路322操作耦合。此处的术语“链式链路”指诸如元件334的切换模块的串联的串。在实施例中，电感器324是分离式电感器，即，电感器324分离成两个部分。第三连接节点318可以与第三母线328操作耦合。
另外，第一相腿301可以经由第三连接节点318而与第二相腿303操作耦合。此外，在一个示例中，三个第一串302中的每个的第三连接节点318可以彼此操作耦合。第三母线328是可以浮动或接地的中间母线，或高阻抗接地母线。然而，在另一实施例中，对于诸如机器驱动的应用，三个第一串302中的每个的第三连接节点318可以与中性母线操作耦合。此外，三个腿301、303、305可以在第一母线306与第二母线308之间操作耦合。
在一个实施例中，第三母线328可以相对于第一母线306而处于负电位处并且相对于第二母线308而处于正电位处。而且，第一串302可以包括多个可控制的半导体开关330。在图2的示例中，多个可控制的半导体开关可以包括可部分地控制的半导体开关。然而，在另一实施例中，多个可控制的半导体开关可以包括可完全地控制的半导体开关。此外，多个可控制的半导体开关可以包括可部分地控制的半导体开关和可完全地控制的半导体开关的组合。作为非限制性的示例，第一串302可以包括可部分地控制的半导体开关、可完全地控制的半导体开关或可部分地控制的半导体开关和可完全地控制的半导体开关的组合。此外，在一个示例中，第一串302的第一分支314可以包括两个可控制的半导体开关330。类似地，第一串302的第二分支316可以包括两个可控制的半导体开关330。可控制的半导体开关330可以包括与晶闸管333或硅控整流器组合的功率二极管332。在其他实施例中，可控制的半导体开关330可以包括晶闸管、反并联晶闸管等。在一个实施例中，可控制的半导体开关330可以包含一个或多个晶闸管，这些晶闸管串联连接，以产生(develop)适当的电压额定。应当注意到，为了便于解释，相对于晶闸管而描述随后的段落中的实施例，然而，本文中所提出的技术同样地可应用于如上文中所讨论的其他可控制的半导体开关。
每个腿301、303以及305中的电感器324与至少一个交流(AC)相(例如，A、B以及C)操作耦合。另外，第二串304的第一链式链路320和第二链式链路322可以包括彼此串联连接的多个切换单元334。切换单元334可以是多个可完全地控制的半导体开关和能量存储装置的组合。可完全地控制的半导体开关可以包括绝缘栅双极型晶体管(IGBT)、金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)、场效应晶体管(FET)、门极可关断晶闸管、绝缘栅极换向晶闸管(IGCT)、注入增强型栅极晶体管(IEGT)、基于碳化硅的开关、基于氮化镓的开关、基于砷化镓的开关或其等效物。
现在，参考图3，描绘诸如图2的切换单元334的切换单元的示范性的实施例的图解表示400。在目前预期的配置中，切换单元400可以被称为半桥变换器，并且，包括可完全地控制的半导体开关402和404、能量存储装置406、第一连接器408以及第二连接器410。如先前所注意到的，可完全地控制的半导体开关402、404可以包括IGBT、MOSFET、FET、IEGT、门极可关断晶闸管、IGCT、基于碳化硅的开关、基于氮化镓的开关、基于砷化镓的开关或其等效物。此外，可完全地控制的半导体开关402、404中的每个还可以包括功率二极管412，功率二极管412可以是内置的，并且，与可完全地控制的半导体开关402和404反并联。内置的功率二极管412可以提供续流路径。这些功率二极管412还可以被称为续流二极管。
而且，在一个非限制性的示例中，能量存储装置406可以包括电容器。在图3的示例中，可完全地控制的半导体开关402可以与能量存储装置406串联操作耦合，以形成第一支路414。而且，另一个可完全地控制的半导体开关404形成第二支路416。第二支路416可以与第一支路414并联操作耦合。另外，第一支路414和第二支路416可以在第一连接器408与第二连接器410之间操作耦合。虽然图3的示例将半桥变换器配置中的切换单元400描绘为包括两个可完全地控制的半导体开关以及一个能量存储装置，但还预期使用其他数量的可完全地控制的半导体开关402、404以及能量存储装置406。在一个实施例中，可以布置一些或全部的切换单元，以形成如将在图4中描述的全桥变换器配置。
此外，在一个非限制性的示例中，在可完全地控制的半导体开关402被激活并且可完全地控制的半导体开关404被停用时，能量存储装置406可以出现于第一连接器408和第二连接器410的两端。因此，能量存储装置406两端的电荷作为第一连接器408和第二连接器410两端的电压而出现。备选地，在可完全地控制的半导体开关404被激活并且可完全地控制的半导体开关402被停用时，旁路第一支路414，由此提供第一连接器408和第二连接器410两端的零电压。因此，通过控制图2的第二串304上的多个切换单元334中的可完全地控制的半导体开关402和404的切换，可以调节在第二串304两端产生的电压。
现在，参考图4，描绘图2的切换单元334的备选的实施例的图解表示500。在目前预期的配置中，切换单元400可以被称为全桥变换器，并且，可以包括可完全地控制的半导体开关502、504、514及516、能量存储装置506、第一连接器508以及第二连接器510。如先前所注意到的，可完全地控制的半导体开关502、504、514及516可以包括IGBT、MOSFET、FET、IEGT、门极可关断晶闸管、IGCT、基于碳化硅的开关、基于氮化镓的开关、基于砷化镓的开关或其等效物。此外，可完全地控制的半导体开关502、504、514、516中的每个还可以分别包括功率二极管512、511、513或515，这些功率二极管可以是内置的，并且，与可完全地控制的半导体开关反并联。如能够看到的，与图3的切换单元400相比，切换单元500包括两个附加的可完全地控制的半导体开关，并且，切换单元500的输出出现于第一连接器508和第二连接器510的两端。在一个实施例中，对可完全地控制的半导体开关502、504、514、516进行控制，以调节第一连接器508和第二连接器510两端的电压。与切换单元400相反，切换单元500能够在第一连接器508和第二连接器510两端产生3个电压电平。三个电压电平将是零电压电平和正极性电压电平以及负极性电压电平，其中，正极性电压电平和负极性电压电平表示能量存储装置506两端的电荷。
参考图5，描绘诸如图2的腿301的相腿552的操作状态和相腿552的图解表示550。为了便于理解，将相对于图2而描述图5。通常，在MEMC 300(图2)的操作期间，对于每个相腿301、303以及305，可以存在至少三个操作状态，正、负以及零。在图5中，诸如图2的第一链式链路320的第一链式链路和诸如图2的第二链式链路322的第二链式链路分别由电压源Vp和Vn表示。如在上文中注意到的，第一链式链路和第二链式链路包括多个切换单元(未示出)，然而，为了便于解释，通过电压源Vp和Vn代替了第一链式链路和第二链式链路。换句话说，电压源Vp和Vn的电压取决于与图2的链式链路320和322中的多个切换单元334相对应的可完全地控制的半导体开关的切换。而且，在目前预期的配置中，诸如图2的第一串302的第一串包括表示为T1、T2、T3以及T4的四个可控制的半导体开关。
图5还描绘相腿552的操作状态，例如正状态554、负状态558以及零状态556。如能够看到的，正状态554包括使第一晶闸管T1和第三晶闸管T3接通并且使第二晶闸管T2和第四晶闸管T4关闭。此外，负状态558包括使第二晶闸管T2和第四晶闸管T4接通并且使第一晶闸管T1和第三晶闸管T3关闭，并且，零状态556包括使第二晶闸管T2和第三晶闸管T3接通并且使第一晶闸管T1和第四晶闸管T4关闭。取决于状态，电压源Vp和Vn经由电感器L而在至少一个AC相(由电压Vphs表示)与三个母线之一(正DC母线(由电压+Vdc表示)、负DC母线(由电压-Vdc表示)或中间母线(由电压Vmid表示))之间连接。例如，在正状态554中，电压源Vp在AC相电压Vphs与正DC母线电压+Vdc之间连接。同时，电压源Vn在AC相电压Vphs与中间母线电压Vmid之间连接，中间母线电压Vmid可相对于正DC母线电压+Vdc而处于负电位处。
在负状态558期间，电压源Vp在AC相电压Vphs与中间母线电压Vmid之间连接，然而，电压源Vn在AC相326与负DC母线之间连接。在零状态556期间，电压源Vp和Vn两者都在AC相电压Vphs与中间母线电压Vmid之间连接。如能够从图5看到的，为了从一个状态转变成另一状态，可需要使一个或多个晶闸管关闭或换向。例如，在正状态554期间，晶闸管T1和T3在传导，并且，为了开始到负状态558的转变，需要使第一晶闸管T1关闭，然后，需要使晶闸管T2接通，并且然后，再次需要使晶闸管T3关闭。
在一个实施例中，为了迫使使晶闸管换向，迫使晶闸管电流为零，并且，晶闸管的阳极电压相对于其阴极保持为负持续指定的关断时间tq。此外，维持于负电压处持续时间tq之后的阳极电压的上升率限于指定的电压斜升水平。在一个实施例中，指定的拖延时间和指定的斜升水平两者都基于晶闸管特性和总体系统参数而确定。
在本技术的一个实施例中，对图2的链式链路320和322中的切换单元334两端的电压进行调节，以控制晶闸管换向(也被称为开关或晶闸管关断过程)。应当注意到，虽然本讨论在MEMC变换器的上下文中提供晶闸管换向示例，但本文中所公开的晶闸管换向的技术能够应用于利用与具有切换单元的链式链路组合的晶闸管的任何其他功率变换装置。
现在，参考图6，描绘图2的模块化嵌入式多电平变换器(MEMC)300的区段600的图解表示。为了便于理解，将相对于图1和图2而描述图6。在所示出的区段中，描绘切换单元334的晶闸管333、二极管332、电感器324以及链式链路602。还描绘切换单元334的示例，如在图3中，切换单元334是半桥变换器配置400，并且，还示出正DC母线电压+Vdc以及AC相电压Vphs。如先前所描述的，如在图4中，切换单元334还能够是全桥变换器配置500。此外，链式链路602还可以包括半桥变换器配置和全桥变换器配置的组合。为了便于解释，晶闸管333两端的电压的正极性示出为+/-符号，并且，通过晶闸管333的电流的正方向在图6中示出为向下的箭头。此外，还示出链式链路602的等效的电压源Vp。如先前所讨论的，电压源Vp的电压取决于切换单元334的控制。在使晶闸管333接通时，晶闸管两端的电压VT为正并且接近于零，并且，通过晶闸管的电流iT为正。还应当注意到，对于未在区段600中示出的MEMC 300中的其他晶闸管，在每个晶闸管在传导时，每个晶闸管将与至少一个链式链路串联。链式链路可来自相同的相腿，或来自不同的相腿。此外，同时未传导的晶闸管可以共享共同的链式链路。
在实施例中，利用控制器108来对MEMC 300的包括晶闸管换向的总体操作进行控制。在一个实施例中，为了使晶闸管333关闭，控制器108首先去除晶闸管333的门信号。然而，应当注意到，仅仅通过去除晶闸管333的门信号，将不使晶闸管333关闭，而是还需要将晶闸管电流iT降低至零。此外，仅在晶闸管电压VT为负时，即，在电压(Vphs+Vp)高于电压+Vdc时，晶闸管电流iT将转到零，其中，电压Vphs由电压Vn定义(图5)。由于切换单元334具有能量存储组件(例如，图2的元件406)，因而不借助于诸如通常在常规的晶闸管换向中需要的AC电网的任何外部功率源，能够将电流iT调节为零。因而，控制器108对链式链路602中的切换单元334进行控制，以便使电压Vp高于电压+Vdc。另外，在电流iT下降时，控制器108根据晶闸管特性的要求而对晶闸管电流iT的电流下降斜升率diT/dt进行控制。例如，在一个实施例中，晶闸管特性可要求晶闸管电流iT的下降斜率diT/dt应当小于或等于10A/μs。因此，控制器107调节电压Vp并且控制下降斜率。
应当注意到，虽然在此规定，在链式链路602的帮助的情况下，将晶闸管电流iT调节为零，但可以同时利用MEMC变换器中的多于一个链式链路来将晶闸管电流iT调节为零。例如，同步使用电压源Vp和Vn两者来使晶闸管换向。
如上文中所讨论的，为了使晶闸管333关闭，晶闸管电流iT应当降低至零。控制器108能够通过不同的方法而确定晶闸管电流iT达到零的时间点。在其中存在随晶闸管333如图6中所示的那样用来运载负电流的反并联二极管332的实施例中，控制器108基于反并联二极管332中的负电流的测量而确定这种时间点。然而，如果不存在负电流的路径，则控制器108检测零晶闸管电流的时间点的另一种方式基于晶闸管两端的电压的测量。
如果在使晶闸管333关闭之后，晶闸管电压VT转到为负，则使晶闸管关闭的整个过程可以结束。然而，如果在使晶闸管333关闭之后，晶闸管333需要将正电压阻断，则控制器108维持施加负晶闸管电压VT持续时段tq。时段tq也可以被称为关闭时间，即，在晶闸管电流iT达到零之后并且在能够使晶闸管电压VT为正之前需要经过的时段。时段tq能够被许多因素影响，并且，基于晶闸管特性和总体系统参数而选择。此外，在时段tq之后，控制器108将晶闸管上的正电压的再施加率dv/dt调节为再次基于晶闸管特性和总体系统参数而确定的指定的斜升水平。
参考图7，描绘用于在具有包含切换单元的链式链路的变换器中使晶闸管换向的方法的流程图表示650。为了便于理解，将相对于图1和图6而描述图7。方法从步骤652开始，其中，晶闸管处于导通状态中，即，晶闸管电流iT和晶闸管电压VT大于零。在步骤652处，将至晶闸管的门信号去除，并且然后，使晶闸管电流iT以控制的diT/dt的斜率缓慢地降低。如上文中所提到的，为了降低晶闸管电流iT，控制器108将负电压施加于晶闸管两端。换句话说，控制器108对链式链路602中的切换单元334进行控制，以便使电压Vp高于电压+Vdc。在步骤656处，确定晶闸管电流iT是否实际上己降低至零。如果晶闸管电流iT未降低至零，则可以在某时间之后重复步骤656，或方法可以后退至步骤654，以将至晶闸管的门信号去除。然而，如果晶闸管电流iT实际上为零，则方法移到步骤658。在步骤658处，确定晶闸管电压VT是否将大于零。如果晶闸管电压VT将大于零，则方法移到步骤660，否则，方法移到步骤664，步骤664公开了晶闸管处于关闭状态中。在步骤660处，控制器108维持将负电压施加于晶闸管两端持续作为关闭时间的时段tq。在时段tq之后，如果需要的话，在步骤662处将正电压以控制的dv/dt率施加于晶闸管两端，并且然后步骤664公开晶闸管处于关闭状态中。
参考图8，描绘一个相腿702(即，相a)从正状态到负状态的进展的图解表示700。为了便于理解，将相对于图2、图5以及图6而描述图8。图8示出分别与三个AC相a、b以及c相对应的电压波形Va、Vb以及Vc。还描绘与相腿a的第一链式链路和第二链式链路相对应的链式链路电流iap和ian。此外，与三个相腿702、704、706(与相a、b以及c相对应)有关的第一链式链路电压源和第二链式链路电压源分别由电压源Vap、Van、Vbp、Vbn、Vcp以及Vcn表示。
相腿702经由零状态而从正状态转变成负状态。在零状态中，电压源Vp和Vn两者都在AC相电压Va与中间母线电压Vmid之间连接。如果电压源Vp和Vn仅包含单向电压模块(例如，仅能够产生正电平电压和零电平电压的图3的半桥变换器400)，则在零状态期间，AC相电压Va处于与中间母线电压Vmid相同的电压。然而，为了从零状态转变成负状态，并且因此为了使晶闸管T3换向，电压源Vp或Vn中的至少一个应当能够产生某负电压。因此，电压源Vp和Vn可以包括至少一些双向电压模块(例如，能够产生正电平电压以及负电平电压连同零电平电压的图4的全桥变换器500)。还应当注意到，链式链路的双向电压能力的范围在相腿从一个状态转变成另一个状态所花费的时间中起重要作用。
能够从图8看到，在相腿702从正状态转变成负状态时，相腿704处于正状态中，并且，相腿706处于负状态中。为了支持全DC母线电压(即，+Vdc至-Vdc)，期望同时地使至少一个相腿处于正状态中并且使一个相腿处于负状态中。因而，在本实施例中，相腿704有效地在由正DC母线和负DC母线形成的整个DC母线的两端与相腿706串联连接。在图8中，相腿702从正状态经由零状态到负状态的转变在五个阶段中示出。在第一阶段708中，相腿702处于正状态中；在第三阶段712中，相腿702处于零状态中，并且，在第五阶段716中，相腿702处于负状态中。此外，第二阶段710是正状态与零状态之间的其中晶闸管T1(图5)换向的中间阶段，并且，第四阶段714是零状态与负状态之间的其中晶闸管T3换向的另一中间阶段。
如先前所讨论的，相腿702从正状态到负状态的转变中的第一步骤是将晶闸管T1关断。换句话说，如果存在至晶闸管T1的门信号，则控制器108将该门信号去除。在下一个步骤中，控制器108以控制的最大变化率将晶闸管T1中的电流驱动至零。这等效于以某指定的电流下降斜升率di/dt将上部链式链路ip中的电流驱动至零或零以下。为了支持在电流ip降低至零时的所要求的相腿电流，下部链式链路电流in也以相同的di/dt在相反的方向上变化。出于此目的，如图8中所示，控制器108生成电压源Vap、Van、Vbp以及Vbn中的循环电流718并且控制循环电流718。
在上部链式链路电流ip横过零并且因而晶闸管T1电流横过零之后，控制器108将晶闸管电压VT保持于零或稍微偏负的伏特数持续所要求的关断时间tq。换句话说，控制器108将上部链式链路电压控制成等于或稍大于相电压Va与DC链路电压Vdc之间的差。在此阶段期间，T1的反并联二极管将传导，并且，运载上部链式链路的负电流。在关断时间tq之后，控制器108在控制的dv/dt率下将上部链式链路电压提高至中间母线电压。一旦晶闸管电压VT降到中间母线电压Vmid，控制器108就将门脉冲提供给晶闸管T2，以使晶闸管T2接通，用于将上部链式链路与中间母线连接。这完成相腿702从正状态至零状态的转变。然后，控制器108利用类似的步骤，用于将晶闸管T3从零状态转变成负状态。
上文中所描述的功率变换器和功率变换的方法的各种实施例帮助开发多电平功率变换器，由此允许生成高功率/电压/电流输出。此外，功率变换器中的晶闸管的使用提供与常规的模块化功率变换器相比不那么昂贵并且高效的系统。本技术的优点之一是，不需要诸如用于晶闸管换向过程的AC功率电网的任何外部功率源，并且因而增强变换器的控制灵活性。
虽然在本文中仅图示并且描述本发明的某些特征，但本领域技术人员将想到许多修改和改变。因此，要理解到，所附权利要求意图覆盖如落入本发明的真实精神内的所有这类修改和改变。

Claims (19)

1.一种用于功率变换的方法，包含：
至少一个相桥臂(301、303、305)，其中，所述至少一个相桥臂中的每一个包括：
第一串(302)，其中，所述第一串(302)在第一母线(306)和第二母线(308)的两端操作耦合，包含经由第三连接节点(318)而耦合的第一分支(314)和第二分支(316)，以及第一连接节点(310)和第二连接节点(312)，其中，所述第一分支(314)和所述第二分支(316)包括多个可控制的半导体开关(330)；
第二串(304)，其中，所述第二串(304)经由所述第一连接节点(310)和所述第二连接节点(312)而操作耦合至所述第一串(302)，包含经由交流相母线(326)而耦合的第一链式链路(320)和第二链式链路(322)，其中，链式链路包括多个切换单元(334)；
其中，所述多个可控制的半导体开关包括多个晶闸管(333)；以及
所述第三连接节点(318)操作性连接至第三母线(328)，其中，所述第三母线包括浮地或接地母线；
所述方法包括步骤：在开关关断过程期间，对所述第一链式链路(320)和/或所述第二链式链路(322)进行控制，以在所述多个可控制的半导体开关(330)中的至少一个的两端生成负电压。
2.如权利要求1所述的方法，包含在所述开关关断过程期间，将至少一个晶闸管的门信号去除。
3.如权利要求2所述的方法，包含控制器以预定的电流下降斜率降低所述至少一个晶闸管的晶闸管电流。
4.如权利要求3所述的方法，包含在检测到所述晶闸管电流己达到零之后，将负电压施加于所述至少一个晶闸管的两端持续关断时段。
5.如权利要求4所述的方法，其中，基于所述晶闸管两端的反并联二极管中的电流的测量或所述晶闸管两端的电压的测量，确定所述晶闸管电流降低至零的时间点。
6.如权利要求5所述的方法，包含控制器以预定的电压斜升率将正电压施加于所述至少一个晶闸管的两端。
7.如权利要求6所述的方法，其中，基于晶闸管特性和总体系统参数而确定所述电流下降斜率、所述关断时段以及所述电压斜升率。
8.如权利要求7所述的方法，其中，对所述第一链式链路和所述第二链式链路进行控制包含对所述多个切换单元两端的电压进行控制。
9.如权利要求8所述的方法，其中，对所述多个切换单元两端的电压进行控制包含从多个半桥变换器生成零电压或正电压或从多个全桥变换器生成零电压、正电压或负电压。
10.一种功率变换器(104、300)，包含：
一个或多个相桥臂(301、303、305)，其中，所述一个或多个相桥臂(301、303、305)中的每个包含：
第一串(302)，包含第一分支(314)和第二分支(316)，所述第一分支(314)和所述第二分支(316)包括多个可控制的半导体开关(330)、第一连接节点(310)以及第二连接节点(312)，其中，所述第一串(302)在第一母线(306)和第二母线(308)的两端操作耦合，并且，所述第二分支(316)经由第三连接节点(318)而与所述第一分支(314)操作耦合；以及
第二串(304)，经由所述第一连接节点(310)和所述第二连接节点(312)而与所述第一串(302)操作耦合，其中，所述第二串(304)包含第一链式链路(320)和第二链式链路(322)，所述第一链式链路(320)和所述第二链式链路(322)包括多个切换单元(334)，并且，其中，所述第二链式链路(322)经由交流相母线(326)而与所述第一链式链路(320)操作耦合；以及
控制器(108)，配置成通过调节所述第一链式链路(320)和所述第二链式链路(322)而对所述多个可控制的半导体开关(330)中的至少一个的开关关断过程进行控制；其中，在所述开关关断过程期间，利用所述第一链式链路(320)和/或所述第二链式链路(322)来在所述至少一个可控制的半导体开关(330)的两端生成负电压；
其中，所述多个可控制的半导体开关包括多个晶闸管(333)；以及
所述第三连接节点(318)操作性连接至第三母线(328)，其中，所述第三母线包括浮地或接地母线。
11.如权利要求10所述的功率变换器，其中，所述多个切换单元包含多个可完全地控制的半导体开关和至少一个能量存储装置。
12.如权利要求11所述的功率变换器，其中，所述多个可完全地控制的半导体开关包含绝缘栅双极型晶体管、场效应晶体管、门极可关断晶闸管、绝缘栅极换向晶闸管、注入增强型栅极晶体管、基于碳化硅的开关、基于氮化镓的开关、基于砷化镓的开关或其组合，其中，所述场效应晶体管包括金属氧化物半导体场效应晶体管。
13.如权利要求10所述的功率变换器，其中，所述第一母线包含正直流母线，并且，所述第二母线包含负直流母线。
14.如权利要求10所述的功率变换器，其中，所述第三连接节点与第三母线操作耦合，所述第三母线包含高阻抗接地母线。
15.如权利要求14所述的功率变换器，其中，所述控制器使所述一个或多个相桥臂中的每个在正状态或负状态或零状态中操作。
16.如权利要求15所述的功率变换器，其中，在所述正状态中，所述第一链式链路和所述第二链式链路在所述第一母线与所述第三母线之间连接，在所述负状态中，所述第一链式链路和所述第二链式链路在所述第三母线与所述第二母线之间连接，并且，在所述零状态中，所述第一链式链路和所述第二链式链路两者都与所述第三母线连接。
17.如权利要求10所述的功率变换器，其中，在所述开关关断过程期间，所述控制器利用另一相桥臂的所述第一链式链路和所述第二链式链路。
18.如权利要求17所述的功率变换器，其中，在所述开关关断过程期间，所述控制器以预定的电流下降斜率降低所述第一链式链路中的电流，并且，以与所述电流下降斜率的值相同的电流斜升率提高所述第二链式链路中的电流。
19.如权利要求17所述的功率变换器，其中，在所述开关关断过程期间，所述控制器生成两个相桥臂之间的循环电流。
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