CN107873119A - 具有交流输出的多电平中压功率转换设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种具有AC输出的模块化多电平功率转换设备，其包括具有并联的多个臂(1.1、1.2、1.3)的模块化多电平DC/AC转换器(21)，其端部定义输入端子(27、28)，每个臂包括两个串联的模块(4.11、4.12、4.13、4.14、4.15、4.16)的模块链，每个开关模块具有安置在能量存储设备(4.3)上的端子的串联的一对开关(T111、T211)，DC/AC转换器调节转换设备输出处的频率。该设备还包括具有DC输出(20)的转换器，包括连接到DC/AC转换器(21)的输入端(27、28)的两个输出端(A、22、91、92)，所述转换器具有调节转换设备的输出处的幅度的DC输出(20)，DC/AC转换器(21)还包括用于控制模块的开关(T111、T211)的装置(29)，其在至少一个时间间隔内对开关施加全波指令，单个模块链中的模块同时处于相同的状态。

Description

具有交流输出的多电平中压功率转换设备
技术领域
本发明涉及旨在中压下运行的具有AC输出的多电平功率转换设备的领域。这种转换器可用于交流电机的大功率可变速驱动应用。中压可变速驱动器的主要市场之一是通过集成将引导相同旋转机的可变速驱动器，用可变速系统来替代以固定速度运行的旋转电机(即,市场份额的97％)。
背景技术
多电平DC/AC功率转换器基于将开关模块串联放置，开关模块由电子开关形成以便允许输出处的高压上升，这些电子开关是具有有限电压耐受的低压部件。
NPC(表示“中性点钳位”)型的功率转换器是已知的，包括一系列具有两对串联的电子开关的多个模块，串联的两个二极管一边连接到第一对的两个电子开关之间的公共节点，并且另一边连接到第二对的两个电子开关之间的公共节点。此外，还有连接至由所述电子开关对形成的组件的端子的两个串联的电容器。串联的两个二极管之间的公共节点链接到串联的两个电容器之间的公共节点。
这种类型的模块引致令人满意的波形并且引致电子开关上电压限制的降低。另一方面，可以产生电容器两端的电压的不平衡。
通过用一对电子开关代替两个二极管，发生了对NPC原始拓扑的改进。这一拓扑被称为具有3电压电平的ANPC。
为了进一步提高可接受的电压电平，已经提出将更多的电子开关串联放置以及增加电容器，从而引致被称为具有5电压电平的ANPC拓扑。ANPC 5电压电平类型的电池目前被限制在约为6.9kV的电压电平，这不一定是足够的。
如图1所示，还已知一种DC/AC模块化多电平转换器(通称为MMC)，其包括多个臂1.1、1.2、1.3，多个臂的端部将直流末端端子1p、1n定义为跨DC电源端子并联安置，每个臂1.1、1.2、1.3由两个串联安置并链接到公共端子3.1、3.2、3.3的两个半臂1.11、1.12、1.21、1.22、1.31、1.32形成。这些公共端子3.1、3.2、3.3定义要链接到AC负载70的AC端子。该负载70被表示为电机。在示例中，DC/AC转换器是三相的，臂1.1、1.2、1.3中的每一个对应于一相，相1对应臂1.1，相2对应臂1.2以及相3对应臂1.3。单相转换器只有两个臂。
每个半臂1.11、1.12、1.21、1.22、1.31、1.32包括串联安置的开关模块的模块链。它经由电感器L11、L12、L21、L22、L31、L32链接到公共端子3.1、3.2、3.3中的一个以便符合电流源和电压源的连接规则。优选地，同一臂的两个电感器具有同一值以便简化设置的操作。两个电感器可以耦合。在随后的描述中，链接到正DC端子1p的模块链将被称为第一模块链，并且链接到负DC端子1n的模块链被称为第二模块链。每个半臂有相同数量的开关模块。
臂1.1的开关模块从端子1p到端子1n依次被标记为4.11至4.16。臂1.2的开关模块从端子1p到端子1n依次被标记为4.21至4.26。臂1.3的开关模块从端子1p到端子1n依次被标记为4.31至4.36。
每个开关模块包括至少一对串联布置的电子开关，其具有公共节点40，所述电子开关对与能量存储设备4.3并联连接形成半桥布置，该能量存储设备4.3具有浮动电容。
模块4.11的电子开关被标记为T111、T211。模块4.12的电子开关被标记为T112、T212。编号以相同的方式继续，并且因此，模块4.16的电子开关被标记为T116、T216。
在臂1.2中，模块4.21的电子开关被标记为T121、T221。模块4.22的电子开关被标记为T122、T222。模块4.26的电子开关被标记为T126、T226。
在臂1.3中，模块4.31的电子开关被标记为T131、T231。模块4.32的电子开关被标记为T132、T232。模块4.36的电子开关被标记为T136、T236。
在每个模块中，能量存储设备4.3具有正极性(+)的端子，旨在对其充电的充电电流(正电流)通过该端重新进入。能量存储设备4.3具有负极性(-)的端子，旨在对其放电的放电电流(负电流)通过该端子再次进入。电子开关中的一个(即，在开关模块4.11的顶部、被称为T111的电子开关)链接至能量存储设备4.3的正端子(+)。另一个电子开关(即，在开关模块4.11的底部、被称为T211的电子开关)链接至能量存储设备4.3的负端子(-)。
与电子功率开关(electronic power switch)T111反向并联安置的二极管被标记为D111。与电子功率开关T211反向并联安置的二极管被标记为D211。
其他模块的电子功率开关和二极管的编号遵循相同的原理。它们在本说明书中不一定被命名但在某些附图中被引用。在后面的说明中，链接至能量存储设备4.3的正端子(+)的电子开关T111、T112、T113、T114、T115、T116被称为第一电子开关，并且链接至能量存储设备4.3的负端子(-)的电子开关T211、T212、T213、T214、T215、T216被称为第二电子开关。该术语也适用于二极管。
在同一个开关链中，链接至能量存储设备相同极性的端子的所有电子功率开关被称为同源开关(homologues)。
半臂的模块被分配了从半臂的最正端(most positive end)以升序计数的等级。同一个臂的两个半臂中具有相同等级的模块称为同源模块。
电子功率开关T111、T211等可以从例如IGBT绝缘栅双极晶体管、FET场效应晶体管、MOSFET MOS晶体管、GTO栅极截止晶闸管、IGCT集成栅极-换向晶闸管等中选择。
能量存储设备4.3可以例如从电容器、电池、燃料电池等中选择。
在图2A至2D中示出了与图1所示相同类型的开关模块。
其第一电子开关被称为T1以及相关联的二极管D1。其第二电子功率开关称为T2以及相关联的二极管D2。在这些图中，作为其电子功率开关T1、T2的断开或接通状态的函数，这种开关模块内部的电流Iu的流动路径是可见的。电流Iu交替地为正(图2A、2B)和负(图2C、2D)。同一模块中的两个电子功率开关T1、T2在空载时间(dead time)值内处于相反的状态(接通或断开)。开关模块的两个电子功率开关T1、T2不需要同时接通，否则，能量存储设备4.3会被短路。
在图2A中，第一电子功率开关T1接通并且第二电子功率开关T2断开。电流Iu为正，其通过第一电子功率开关T1进入开关模块4，并且通过两个电子功率开关T1、T2之间的公共节点40从该处流出(emerge)。其不经过能量存储设备4.3。
在图2B中，第二电子功率开关T2接通并且第一电子功率开关T1断开。电流Iu为正，其通过能量存储设备4.3进入开关模块4，其经过第二二极管D2并通过两个电子功率开关T1、T2之间的公共节点40流出(emerge)。电流Iu为能量存储设备充电4.3。
在图2C中，第一电子功率开关T1接通并且第二电子功率开关T2断开。电流Iu为负，其通过两个电子功率开关T1、T2之间的公共节点40进入开关模块4，其经过第一二极管D1并通过第一二极管D1的阴极从开关模块流出(emerge)。它不经过能量存储设备4.3。
在图2D中，第二电子功率开关T2接通并且第一电子功率开关T1断开。电流Iu为负，其通过两个电子功率开关T1、T2之间的公共节点40进入开关模块，其经过第二电子功率开关T2和能量存储设备4.3并从开关模块中流出(emerge)，而不通过第一电子功率开关T1，也不通过第一二极管D1。能量存储设备4.3放电。
在如图1所示的传统模块化多电平DC/AC转换器中，开关模块链的功能既改变基于直流电源形成并且呈现在每个公共端子3.1、3.2、3.3的电平处的信号的幅度，又调节该信号的频率。电子功率开关由脉冲宽度调制PWM控制。
通过电子功率开关T1、T2的这种控制，当电流Iu为正时，其交替地从第一电子功率开关T1接通的情况(图2A)转到第二二极管D2导通的情况(图2B)。每当第二二极管D2导通时，能量存储设备4.3的端子间电压增加。当电流Iu为负时，其交替地从第二电子功率开关T2接通的情况(图2D)转到第一二极管D1导通的情况(图2C)。每当第二电子功率开关T2接通时，能量存储设备4.3的端子间电压减小。
再次参考图1，并且将注意力集中在其中一个臂上，例如臂1.1，对其两个半臂的模块的控制之间存在关系。
假定设置平衡良好，并且由直流电源提供的电压等于VDC，由于在所示的示例中，开关模块链在每个半臂上包括三个开关模块，因此，每个能量存储设备4.3被充电至VDC/3。使用n个模块时，电压将为VDC/n。在同一臂中，为了符合电压公式，不能同时接通链接到能量存储装置的同一端(或正或负)的所有电子功率开关。实际上在每个时刻，一个半臂的端子间电压和另一个半臂的端子间电压之和等于由直流电源输出的电压。
在半臂中，通过这一PWM控制，开关模块依次被激活，这意味着链接到能量存储设备的同一端(或正或负)的电子功率开关依次被接通或断开。分接在公共端子3.1、3.2或3.3中的一个的电平处产生的交流电压包括的电平的数量等于半臂中的模块数量加一。
Rainer Marquardt的专利申请DE 10 10 031中首次描述了在每个臂中使用例如图2所示串联安置的两个开关模块链的模块化多电平转换器。
专利申请EP 2 408 081还描述了使用串联安置的开关模块链的多电平转换器。
文献WO2014/133026A1和EP2963801A1还描述了模块化多电平功率转换设备。同样还有题为“由模块化多级级联逆变器驱动的可调速电机的启动和低速运行”的文章中-Makoto等-ECCE，2012-IEEE-15/09/2012，第718-725页。
如果这些模块化多电平DC/AC转换器旨在以AC侧非常低的频率(小于大约10赫兹)提供输出信号，则可以特别地调节AC电机的速度，因为在每个开关模块内有浮动电容能量存储设备，在这些能量存储设备中流动的电流改变方向(reverse direction)缓慢以至于这些能量存储设备继续充电直到达到它们的击穿电压并具有被损坏的风险。如果有必要对这些能量存储设备过度设计(over-dimension)，那么，因为这些能量存储设备通常都非常昂贵，所以模块化多电平转换器的成本变得过高。
此外，包括在这些模块化多电平转换器中的能量存储设备的大小和成本与输出信号的频率成反比。频率越低，转换器的体积越大、成本越高。这限制了具有很多开关模块的模块化多电平转换器在可变速AC电机的电源中的应用。
发明内容
本发明的目的是具体地提出一种具有AC输出的模块化多电平功率转换设备，其可以提供低频信号，而且体积不庞大、成本不昂贵。
本发明的另一个目的是提供一种用于中压应用的、使用低压功率组件的模块化多电平功率转换设备，使用这些组件可以比使用中压组件获得更高的效率。
本发明的另一个目的是提供一种不需要过度设计的浮动电容能量存储设备的模块化多电平功率转换设备。
本发明的另一个目的是提供一种可变速驱动器，其使用如此表征的模块化多电平功率转换设备，并且其可以以恒定的转矩和低速运行，特别是用于通风、泵送、牵引的应用。
本发明的另一个目的是提出一种在减小诸如庞大的体积和昂贵的成本的功率变压器或平滑LC滤波器的无源组件方面具有需求的可变速驱动器。
为了实现这一点，本发明是一种具有AC输出和AC或DC输入的模块化多电平功率转换设备，包括：
模块化多电平DC/AC转换器，具有并联安置的多个臂，该多个臂的端部定义DC输入端子，每个臂包括链接到公共端子的串联的两个开关模块链，该公共端子定义该模块化多电平功率转换设备的AC输出端子，每个开关模块包括串联布置、安置在能量存储设备的端上的至少一对电子功率开关，同一开关模块链中，链接到能量存储设备的相同极性的端子的电子功率开关被称为同源开关，模块化多电平DC/AC转换器被设计成调节模块化多电平转换设备的输出频率，并且还包括用于电子功率开关以将它们置于接通或断开状态的控制装置，其特征在于：
所述控制装置适于在所述功率转换设备的运行的时间间隔的至少一部分期间对所述电子功率开关施加全波控制，同一开关模块链中的开关模块则使得其同源电子功率开关同时处于同一状态，并且其还包括：
具有DC输出和DC或AC输入的转换器，包括链接到模块化多电平转换器的DC输入端子的两个输出端子，具有DC输出的转换器被设计为调节功率转换设备的输出幅度。
每个模块包括链接到能量存储设备的正极性的端子的第一功率开关和链接到能量存储设备的负极性的端子的第二功率开关，并且在全波控制期间，电流仅在第一功率开关处于接通状态的开关模块中流动。
控制装置在时间间隔的至少一个第二剩余时间部分期间对所述电子功率开关应用PWM控制，当模块化多电平功率转换设备的输出电流小于阈值时应用PWM控制，当输出电流大于或等于阈值时，应用全波控制。
在PWM控制期间，控制装置依次控制同一模块链的模块中的电子功率开关。
在模块中，每个电子功率开关与二极管反向并联以形成顺电流(current-wise)双向开关元件。
同一臂的模块链到公共端子的连接通过电感器实现。
每个电子功率开关可以从绝缘栅双极晶体管、场效应晶体管、MOSFET晶体管、栅极截止晶闸管、集成栅极换向晶闸管中选择。
能量存储设备可以从电容器、电池、燃料电池中选择。
具有DC输出和DC输入的转换器可以是具有单个臂的模块化多电平DC/DC转换器，臂的端部定义两个DC输入端子，包括具有公共端子的串联的两个半臂，这个公共端子定义DC输出端子中的一个，臂的端部中的一个定义另一个输出端子，每个半臂包括具有串联安置的至少一对电子功率开关的开关模块的模块链，所述电子功率开关对被安置在能量存储设备端子之间，以及用于每个模块的电子功率开关的控制装置。
用于模块化多电平DC/DC转换器的每个模块的电子功率开关的控制装置可以对电子功率开关应用全波控制，该全波控制具有比用于模块化多电平DC/AC转换器的每个模块的电子功率开关的控制装置的全波控制的频率更大的频率。
具有DC输出和AC输入的转换器可以是开关受控整流桥。
作为一种变型，具有DC输出和AC输入的转换器可以是模块化多电平AC/DC转换器。
本发明还涉及一种包括如此表征的模块化多电平功率转换设备的可变速驱动器。
当模块化多电平功率转换设备包括具有DC输出和AC输入的转换器时，AC输入被设计为链接到AC电源。
当模块化多电平功率转换设备包括具有DC输入和DC输出的转换器时，可变速驱动器还可以包括具有AC输入和DC输出的转换器，其被设计为在AC输入侧上链接到AC电源，并且在DC输出侧链接到具有DC输入和DC输出的转换器。
变压器被设计为一侧连接到AC电源，另一侧链接到具有AC输入的转换器的AC输入，并且模块化多电平转换设备的DC输出可以被提供到可变速驱动器中。
附图说明
在参考附图的同时，阅读单纯作为完全非限制性指示给出的示例性实施例的描述将更好地理解本发明，其中：
图1示出了传统的DC/AC模块化多电平转换器；
图2A、2B、2C、2D示出了作为其电子功率开关的状态的函数，开关模块中的电流的各种路径；
图3示出了作为本发明主题的具有DC输入和AC输出的示例性模块化多电平功率转换设备；
图4A示出了正弦指令信号，在全波控制的情况下，其将用于确定图3的模块化多电平DC/AC转换器的第一臂、第二和第三臂的开关模块的第一和第二功率开关的切换时刻；
图4B、4C、4D示出了根据图4A的命令信号，位于图3的模块化多电平DC/AC转换器的每个臂中的开关模块的电子功率开关的状态的时间图；
图4E示出了简单电压Va、Vb、Vc作为时间的函数的演变，并且图4F示出了在两个公共端子之间分接的复合电压作为时间的函数的演变；
图5A1、5A2示出了用来确定施加到电子功率开关的全波控制和PWM控制的时机的参考信号和锯齿波载波作为时间的函数，在图5A1中参考信号是完整的正弦函数，并且在图5A2中参考信号是峰值电平处截断的正弦曲线，图5B示出了简单电压Va、Vb、Vc作为时间的函数的演变；
图6A示出了随着时间的推移，由图3所示的DC电源传输的DC电压的演变，并且图6B示出了随着时间的推移，由图3所示的模块化多电平DC/DC转换器形成的DC电压的演变；
图7A、7B、7C、7D示出了在全波控制期间，电流在图3的模块化多电平DC/AC转换器中的流动路径以及电流在由这个转换器提供的负载中流经的路径；
图8示出了可变速驱动器，其包括作为本发明主题的具有DC输入和AC输出的模块化多电平功率转换设备；
图9A示出了作为本发明主题的另一示例性的具有AC输入和AC输出的模块化多电平功率转换设备，图9B示出了作为本发明主题的可变速驱动器，其包括另一示例性的具有AC输入和AC输出的模块化多电平功率转换设备；
图10A示出了每个臂具有两个开关模块的三相DC/AC转换器，并且图10B示出了在全波控制期间，在其AC输出端子R、S、T和中点O之间获得的简单电压的时间图以及端子R和D之间的复合电压的时间图。
在下面描述中，各个附图的相同、相似或等同的部分具有相同的参考标号，以便于从一个图过渡到另一个图。
具体实施方式
参考图3，现在聚焦在作为本发明主题的示例性的具有AC输出和DC输入的模块化多电平功率转换设备。这是一个三相功率转换设备。
它包括级联的模块化多电平DC/DC转换器(或斩波器)20和模块化多电平DC/AC转换器(或逆变器)21。
多电平DC/DC转换器20包括臂20.1，其端部22、23形成两个DC输入端子，其旨在在使用中链接到DC电源24。臂20.1包括具有公共端子A的串联的两个半臂25。每个半臂25包括经由电感器L1、L2链接到公共端子A的开关模块26的模块链。这些开关模块类似于图2A-2D的开关模块，其中，一对顺电流双向开关元件串联并且浮动能量存储设备与该开关元件对并联安置。我们没有详细地表示每个开关模块26，可以参考图2A-2D来看它们的结构。
模块化多电平DC/AC转换器21类似于图1中所描述的转换器。因此，不再详细描述。转换器的所有臂1.1、1.2、1.3并联链接，并且它们的端部定义两个参考标记为27、28的DC端子。端子27(正)链接到模块化多电平DC/DC转换器20的公共端子A，端子28(负)链接到臂20.1的端部22中的一个，其端部旨在用于DC电源24的负端子。这些是模块化多电平DC/AC转换器21的输入端子或是模块化多电平DC/DC转换器20的输出端子。假定模块化多电平DC/AC转换器21的所有组件具有与图1中相同的参考标记。每个半臂以及由此模块链上的每一个模块链接到DC输入端子27或28中的一个。
在本发明中，模块化多电平DC/AC转换器21的功能是将由模块化多电平DC/DC转换器20提供的DC电压转换成AC电压并调节输出端的信号(也就是出现在AC侧的公共端子3.1、3.2、3.3处的信号)的频率。这些公共端子3.1、3.2、3.3要链接到负载，负载在该示例中表示为具有三个星状安置的绕组、并因此具有公共端子70.1的电机70。每个绕组被安置在链接臂的两个半臂的公共端子3.1、3.2、3.3和负载70的公共端子70.1之间。与现有技术中的情况相反，这些信号的幅度是由模块化多电平DC/DC转换器20控制。频率控制功能和幅度控制功能之间存在去耦合(decoupling)。
作为本发明主题的具有AC输出的模块化多电平功率转换设备的特征在于，对于模块化多电平DC/AC转换器21的每个模块，对其电子功率开关的控制使得在能量储存设备4.3中流过的电流被限制至最大值而无论其流动方向如何。这个电流是充电电流(或正电流)或放电电流(或负电流)。表示在在先描述的图2B和2D中的状态的持续期间因此被限制以便防止能量存储设备充电或放电太久。
在图2B、2D中的配置中，人们不寻求或者寻求尽可能少的时间，而在图2A、2C的配置中，人们寻求最经常和最长时间。
如果用全波控制来控制每个开关模块的电子功率开关，则模块化多电平DC/AC转换器21内部电流的这种流动是可能的。
在图3中示意性地示出了用于单个开关模块4.16、参考标记为29的控制装置，其用于开关模块4.16的电子功率开关T116和T216。当然，对于模块化多电平DC/AC转换器21的所有模块的所有电子功率开关，都存在这种控制装置。
为了便于理解模块化多电平DC/AC转换器21的运行，首先将参考图10A来解释由全波控制控制的三相传统DC/AC转换器的运行。这不是一个多电平转换器。它包括通过其端部端子(extreme terminal)跨DC电源的端子并联链接的三个臂B1、B2、B3，DC电源传输电压VDC并且由具有中点O的串联的两个电容器C1、C2表示。每个臂分成具有公共端子的两个半臂并且这些公共端子形成转换器的AC输出端子，标记为R、S、T。每个半臂仅包括具有电子功率开关的顺电流双向开关元件和反向并联的二极管。臂B1包括电子功率开关T10、二极管D10，它们链接到DC电源的正端子(+)，即链接到电容C1。臂B1还包括电子功率开关T10'、二极管D10'，它们链接到DC电源的负端子(-)，即链接到电容器C2。臂B2包括电子功率开关T20、二极管D2，它们链接到DC电源的正端子(+)，即链接到电容器C1。臂B2还包括电子功率开关T20'、二极管D20'，它们链接到DC电源的负端子(-)，即链接到电容C2。臂B3包括电子功率开关T30、二极管D30，它们链接到DC电源的正端子(+)，即链接到电容器C1。臂B3还包括电子功率开关T30'、二极管D30'，它们链接到DC电源的负端子(-)，即链接到电容器C2。
利用全波控制，AC输出端子R、S或T与中点O之间的电压以图10B中所示的形式在+VDC/2和-VDC/2之间变化。每个模块的电子功率开关在空载时间(dead time)内处于相反的状态，因为它们不可以同时处于接通状态否则会有电源VDC短路的风险。在输出信号的一段时间内，每个电子功率开关接通一半的时间。前三个时间图分别代表简单电压VR0、VSO、VTO，最后一个时间图表示端子R和端子S之间的复合电压URS。
当电子功率开关T10接通时，输出端子R的电压变为+VDC/2。如果沿臂B1流过的电流为正，则其流过电子功率开关T10。如果沿臂B1流过的电流为负，则其流过二极管D10。当电子功率开关T10'接通时，输出端子R的电压变为-VDC/2。如果沿臂B1流过的电流为正，则其流过二极管D10'。如果沿臂B1流过的电流为负，则其流过电子功率开关T10'。
对于臂1.1、1.2、1.3中的每一个，在周期的一半的时间段期间，电感器L11、L21、L31链接到正输入端子27，而在周期的另一半的时间段期间，电感器L12、L22、L32链接到负输入端子28。由于这些电感器的存在，存在于正输入端子27或负输入端子处的电位不在公共端子3.1、3.2、3.3处存在。这些公共端子处的电位不能被直接控制。
在图3所示的DC/AC转换器21中，为了在链接到电感器L11、L21、L31中的一个的公共节点40处获得电压+VDC，控制装置29同时接通第一模块链的所有开关模块4.11、4.12、4.13中的第一电子功率开关T111、T112、T113。但是，第二模块链的所有开关模块4.14、4.15、4.16中的第一电子功率开关T114、T115、T116不能接通。否则会造成臂短路。
为了确保不得到这种短路，控制装置29还接通第二模块链的所有开关模块4.14、4.15、4.16中的所有第二电子功率开关T214、T215、T216，这一操作与对第一模块链中的第一电子功率开关T111、T112、T113的控制同步。
为了在电感器L12、L22、L32的与链接到公共端子3.1、3.2、3.3的端子相对的端部端子处获得电压-VDC，控制装置29同时接通第二模块链的所有开关模块4.14、4.15、4.16中的第一电子功率开关T114、T115、T116。但是，第一模块链的所有开关模块4.1、4.12、4.13中的第一电子功率开关T111、T112、T113不可以接通，其处于断开状态，否则会产生臂短路。
为了确保不得到这种短路，控制装置29还接通第一模块链的所有开关模块4.11、4.12、4.13中的所有第二电子功率开关T211、T212、T213，这一操作与对第二模块链中的第一电子功率开关T114、T115、T116的控制同步。
在其第一电子功率开关接通的模块中，如果电流为正则电流将流过第一电子功率开关(如图2A所示)，如果电流为负则电流将流过第一二极管(如图2C所示)。电流不再流过能量存储设备。电流仅在其第一功率开关接通的开关模块中流动。电流不会流过其第二功率开关接通的开关模块。
一个开关模块链的第一电子功率开关和另一个开关模块链的第一电子功率开关在空载时间内处于互补状态。
一个开关模块链的第二电子功率开关和另一个开关模块链的第二电子功率开关在空载时间内处于互补状态。
同一个开关模块的电子功率开关在空载时间内处于互补状态。
在开关模块中，当接通第二电子功率开关时，能量存储设备的电压存在于该开关模块的第一电子功率开关的端子两端。
在本发明中，通过全波控制，第二电子功率开关不涉及输出信号的产生。但是通过将它们接通并将它们与能量存储设备相关联，它们具有削减施加到当时处于断开状态的第一电子功率开关的端子的电压的功能。因此他们在设置中实际上是存在的。
因此，能量存储设备4.3之后仅用作信号限幅器(signal clipper)。相对于传统PWM控制所需的电容值，能量存储设备4.3的电容值能够有所减小。
在本发明中，在应用于三相异步电机类型的负载的框架内，频率可以是赫兹或者实际上高达约10赫兹的数量级并且占空比为0.5。占空比对应于在具有AC输出的模块化多电平功率转换设备的输出处期望信号的周期的一半。
在图4A中示出的是正弦指令信号，其将用于确定模块化多电平DC/AC转换器21的开关模块的第一和第二电子功率开关的切换时刻。这些模块都在第一模块链中。正弦①涉及例如臂1.1的开关模块4.11的电子功率开关T111、T211。正弦②例如涉及臂1.2的开关模块4.21的电子功率开关T121、T221。正弦③涉及臂1.3的开关模块4.31的电子功率开关T131、T231。切换时刻对应于命令信号改变符号的时刻。
在图4B、4C、4D的时间图中分别示出的是第一和第二电子功率开关T111和T211、T121和T221、T131和T231在全波控制期间的状态。对各个臂的控制位移了三分之一的周期。在状态1中它们是接通的，并且状态0中它们是断开的。电子功率开关的切换是由相关指令信号的符号变化引起的。
在图4E中示出的是作为时间的函数，分别称为Va、Vb、Vc的简单电压的演变。简单电压Va、Vb、Vc是公共端子3.1、3.2、3.3中的每一个与模块化多电平DC/AC转换器21的输入DC电源(DC总线)的虚拟中点之间的电压。这个简单电压具有两个边沿(porches)，一为正且另一为负。这些边沿顶部有一个偏移(offset)，这是因为公共端子3.1、3.2、3.3处的电位不能被直接控制。
在图4F中示出的是作为时间的函数，在两个公共端子之间分接的复合电压的演变。电压Vab存在于端子3.1和3.2之间，电压Vbc存在于端子3.2和3.3之间，电压Vca存在于端子3.3和3.1之间。该复合电压具有一零、一正、一负的三个边沿。
最终，无论在半臂中串联放置多少个开关模块，复合电压总是有三个电平。因为同一半臂的所有开关模块都以同样的方式被同步地控制，所以由控制装置29提供的控制是简单的。它们的第一电子功率开关同时处于同一状态。它们的第二电子功率开关同时处于同一状态，该状态与第一电子功率开关的状态相反。同一臂中、但属于不同的半臂的模块，以相反的方式被同步地控制。另一方面，输出信号的形状与始终是AC负载的电源所要求的波形的正弦曲线相差甚远。
通过这种全波控制，对于每个臂，根据指令电压的符号，其半臂中的一个的所有模块的第一和第二电子功率开关的状态被有意地以这种方式同步地控制，从而使得该半臂的每个模块中流动的电流不流过能量存储设备4.3。对于能量存储设备的端子上的电容和电压纹波方面的需求大大降低。能量存储设备4.3具有削减(clip)在模块的第一和第二电子功率开关不同步的切换期间，也就是在空载期间，出现的过电压的功能。
能量存储设备的尺寸由传统的公式I＝CdU/dt获得，其中，C是DC/AC转换器的开关模块的能量存储设备的电容，I是流过它的电流，以及U是其端子间的电压。能量存储设备中的电流的流动时间被限制为最大值。
通过全波控制，现在几乎不借助能量存储设备，并且其电容值比用常规PWM控制来控制电子功率开关的电容值小20倍。
为了改善本发明主题的具有AC输出的功率转换设备的输出端的信号的波形，并且为了减少谐波，替代在功率转换设备的运行的整个时间间隔内保持纯全波控制，使用与PWM控制相关联的全波混合控制也是适当的。
在功率转换设备的运行时间间隔内，当负载70中的AC电流的幅度低、小于阈值时，将使用PWM控制。当负载70中的AC电流的幅度高、大于或等于阈值时，将使用全波控制。在PWM控制期间，半臂的模块被依次控制而不是被同时控制。在负载中流动的这种AC电流也称为作为本发明主题的模块化多电平功率转换设备的输出电流。
由控制装置29传输的这个PWM控制相当于当负载70中的电流为正、且其幅度小于阈值时，允许电流流过第一半臂的开关模块中的第二二极管从而允许电流流过第一半臂的模块的能量存储设备4.3。该PWM控制相当于当负载70中的电流为负、且其幅度小于阈值时，允许电流流过第二半臂的开关模块中的第二电子功率开关，从而允许电流流过第二半臂的模块的能量存储设备。
通过使用这一混合控制，模块的能量存储设备4.3的端子间的电压的增加是有限的且合理的。给予能量存储设备4.3的值远小于如果永久使用传统PWM控制所需的值。
实际上，具有传统PWM控制的能量存储设备的尺寸是基于用于时间参数(dt)的输出信号的频率和对能量存储设备充电的电流(I)的。给予能量存储设备的电容对应于电流是最大值并且频率最小的情况。在本发明中，因为负载70中的电流具有小于阈值的有限幅度，所以能量存储设备中的电流不会非常高。
与PWM控制相关联的全波混合控制可以通过将称为调制信号(modulant)的正弦或截断的正弦参考信号与称为载波的锯齿波信号进行比较来实现。
可以参考图5A1和5A2。在图5A1中，参考信号是一个完整的正弦曲线，在图5A2中，参考信号是在峰值电平处截断的正弦曲线。参考信号的频率是输出处期望信号的频率，而且，如果正弦是完整的，则且其幅度大于锯齿波信号的幅度，如果正弦是被截断，则其幅度等于锯齿波信号的幅度。锯齿波信号的频率是电子功率开关的切换频率。它是比参考信号的频率更高的频率，其可以是103赫兹甚至更高的数量级。
在传统PWM控制中，参考信号的幅度总是低于载波的幅度。
只要参考信号的幅度低于载波的幅度就使用PWM控制，并且存在于公共端子3.1、3.2、3.3处的电压Va、Vb、Vc相当严格地遵循参考信号的形状。例如，在臂1.1中，在对应于第一电子功率开关T111、T112、T113、T114、T115、T116断开的时间间隔期间，开关模块4.11至4.16内部的电流流过能量存储设备4.3，以及取决于电流为负还是正，流过第二电子功率开关T211、T212、T213、T214、T215、T216或第二二极管D211、D212、D213、D214、D215、D216。对于半臂的各个模块的电子功率开关的控制是依次的。属于同一臂的两个半臂的两个同源模块的电子功率开关的控制是同步的。
一旦参考信号的幅度变得等于或大于载波的幅度就使用全波控制，并且存在于公共端子3.1、3.2、3.3的电平处的电压Va、Vb、Vc偏离参考信号的形状，并且具有与图4E所示的峰值附近的形状相当的形状。一旦参考信号的幅度达到载波的幅度，这就意味着负载中的电流达到阈值。例如，在臂1.1中，只要同一半臂中的开关模块4.11、4.12、4.13或4.14、4.15、4.16的第一电子功率开关T111、T112、T113或T114、T115，T116保持接通，则开关模块4.11至4.16内部的电流就不流过能量存储设备4.3。
在图5B中所示的作为时间的函数的是简单电压的演变，简单电压为每个公共端子3.1、3.2、3.3与负载70的公共端子70.1之间的电压，该简单电压分别被称为Va、Vb、Vc。图5A和5B之间的比例不同。
利用这样的与PWM控制相关联的全波混合控制，通过调整参考信号和载波的幅度，可以发现折中从而使得可以限制能量存储设备的端子两端的电压同时在公共端子3.1、3.2、3.3的电平处获得电压，该电压的频率是可控制的并且其更接近期望的正弦曲线。
关于模块化多电平DC/DC转换器20，其臂20.1可以由与模块化多电平DC/AC转换器21相同的开关模块26形成。
如同模块化多电平DC/AC转换器21，模块化多电平DC/DC转换器20的开关模块26也利用全波控制进行控制。在图3中示意性地利用参考标记30示出、并用于单个开关模块26的是其电子功率开关的控制装置。
另一方面，该全波控制的频率将高于模块化多电平DC/AC转换器21中使用的全波控制的频率。该频率可以是大约百赫兹的数量级，占空比α在0.1和0.9之间。占空比α对应于第一电子功率开关的接通时间与切断周期之间的比率。在模块化多电平DC/DC转换器20的输入电压Ve与输出电压Vs之间，存在Vs＝αVe的关系。控制占空比α的值可以调节DC输出电压Vs的幅度。
图6A示出了随着时间的推移，由直流电源24提供的直流电压的演变，图6B示出了对于给定的占空比α值，对应于多电平DC/DC转换器20的输出端子的端子27和28间存在的DC输出电压随时间的变化。
当然可以通过PWM控制来控制模块化多电平DC/DC转换器20的模块26，其中参考信号是恒定的(constant)并且载波是锯齿波信号。
现在将集中注意图7A、7B、7C、7D，其示出了在全波控制的变型中三相模块化多电平DC/AC转换器21和三相负载70中的电流的路径。负载的每个相都链接到公共端子3.1、3.2、3.3。
在图7A中，输入充电电流Idc基本上均匀地分布在相1的第一半臂1.11和相3的第一半臂1.31中，它流过负载70并通过相2的第二半臂1.22返回到模块化多电平DC/AC转换器21。在图7B中，充电电流Idc完全流过相1的第一半臂1.11，它流过负载70并通过相2的第二半臂1.22和相3的第二半臂1.32返回到模块化多电平DC/AC转换器21，同时电流基本上均匀地分布在它们中的每一个。在图7C中，充电电流Idc基本上均匀地分布在相1的第一半臂1.11和相2的第一半臂1.21中，电流流过负载70并通过相3的第二半臂1.32返回到模块化多电平DC/AC转换器。在图7D中，充电电流Idc完全进入相2的第一半臂1.21，电流流过负载70并通过相1的第二半臂1.12和相3的第二半臂2.32返回模块化多电平DC/AC转换器21，同时电流基本上均匀地分布在它们中的每一个。这些图对应于正充电电流Idc。
由于存在电感器L11、L12、L21、L22、L31、L32，当半臂(例如在顶部)的模块停止被控制时，并且半臂(例如在底部)的模块变得受控时，电流需要一定的时间从顶部半臂流到底部半臂。但是考虑到时间尺度(time scale)，可以认为输出电流是恒定的并且发生的转换(transition)是可以忽略的。但是正是在这个转换期间电流将流入能量存储设备。
现在参考图8，其示意性地示出作为本发明主题的可变速驱动器。该可变速驱动器包括作为本发明主题的、具有AC输出和DC输入的模块化多电平功率转换设备82。
可变速驱动器包括级联的三相AC电源80、AC/DC转换器81、以及作为本发明主题的模块化多电平DC/AC功率转换设备82。负载70旨在链接到模块化多电平DC/AC转换器21的输出处。作为本发明主题的DC/AC功率转换设备的谐波性能的函数，可能不再需要使用在采用现有技术中被限制为五电压电平的多电平DC/AC转换器(例如NPC或ANPC转换器)时所需的平滑滤波器。与PWM控制相关联的全波混合控制使得可以减少相对于全波控制的谐波。相比使用全波控制的变型，在模块化多电平DC/AC功率转换设备82的输出处可获得更多的电压电平。三相AC电源80是AC网络。
在使用像如图1所示的模块化多电平DC/AC转换器的现有技术的可变速驱动器中，在三相AC电源和模块化多电平DC/AC转换器之间还有一个AC/DC转换器。需要提供放置在模块化多电平DC/AC转换器和AC/DC转换器之间的LC滤波器用于过滤电流和电压。也可以提供在三相AC电源和AC/DC转换器之间连接(wire up)的电流平滑LC滤波器，以及提供模块化多电平DC/AC转换器和负载之间的电压平滑LC滤波器。
在使用本发明的模块化DC/AC功率转换设备82的可变速驱动器中，变压器不是强制性的。如果使用的话，它将被连接在三相交流电源80和AC/DC转换器81之间。其用参考标记84表示，并用虚线表示为可选的。它用于将在中压可变速驱动应用中的AC电源80的电压电平调整(adapt)为例如2.3kV和15kV之间。
变压器通常是一个体积庞大而昂贵的部件。可以通过串联的模块链来省略，从而使得三相AC电源的电压电平能够被直接支持。
图9A现在示出了作为本发明主题的模块化多电平AC/AC功率转换设备的另一个非限制性的示例。在这个示例中，模块化多电平AC/AC功率转换设备是三相的。当然，它也可以是单相的。该模块化多电平AC/AC功率转换设备可以应用于可变速驱动器。它包括如图2所示的模块化多电平DC/AC转换器21，但是没有DC/DC模块化多电平转换器。替代DC/DC模块化多电平转换器，其具有链接到模块化多电平DC/AC转换器21的AC/DC转换器90。该AC/DC转换器90旨在在一侧链接到AC电源80。在另一侧，其链接到由模块化多电平DC/AC转换器21的臂的端部定义的两个DC端子27、28。
AC/DC转换器90可以是开关受控(controlled-switching)整流桥型的AC/DC转换器90。它包括并联安置的三个臂90.1、90.2、90.3，它们的端部91、92定义了链接到模块化多电平DC/AC转换器21的DC端子27、28的两个DC端子。每个臂90.1、90.2、90.3包括具有公共节点A1、A2、A3的串联的两个基本半导体断路器9.11、9.12、9.21、9.22、9.31、9.32，这些公共节点A1，A2，A3的每一个定义了旨在链接到AC电源80的AC输入端子(或AC输入)。
在图9A中，基本断路器9.11、9.12、9.21、9.22、9.31、9.32已经被表示为晶闸管，但这仅仅是非限制性示例。当然可以用其他类型的可控半导体断路器来代替它们。
在图9B所示的另一实施例中，AC/DC转换器90已经被替换为具有与图1所示的模块化多电平DC/AC转换器的模块41类似的模块的模块化多电平AC/DC转换器，该模块化多电平AC/DC转换器然后具有几个并联安置的臂95.1、95.2、95.3，其端部定义了DC端子97、98。这些DC端子链接到模块化多电平DC/AC转换器21的DC端子27、28，并因此与它们合并。每个臂95.1、95.2、95.3包括串联安置的具有公共端子93.1、93.2、93.3的开关模块41的两个链96.11、96.12、96.21、96.22、96.31、96.32。与这些公共端子的连接通过电感器实现。这些公共端子93.1、93.2、93.3定义要链接到AC电源80的AC端子。每个开关模块41与图2A-2D所示的相同。在图9B中，还已经提出了变压器84，其被设计成在一侧链接到AC电源80并且在另一侧链接到模块化多电平功率转换设备的具有AC输入和DC输出的转换器90的AC输入。变压器84是可选的。
在这些实施例中，AC/DC转换器用于调节由DC/AC模块化多电平转换器产生的信号的幅度。
虽然已经详细地表示和描述了本发明的几个示例性实施例，但是应当理解，在不脱离本发明的范围的情况下，可以进行各种改变和修改。

Claims (16)

1.一种具有AC输出和AC或DC输入的模块化多电平功率转换设备，包括：
模块化多电平DC/AC转换器(21)，具有并联安置的多个臂(1.1、1.2、1.3)，其端部定义了DC输入端子(27、28)，每个臂包括两个链接到公共端子(3.1、3.2、3.3)的串联的开关模块(4.11、4.12、4.13、4.14、4.15、4.16)的模块链，该公共端子定义模块化多电平功率转换设备的AC输出端子，每个开关模块(4.11、4.12、4.13、4.14、4.15、4.16)包括安置在能量存储设备(4.3)的端子上、串联布置的至少一对电子功率开关(T111、T211)，同一模块链中的链接到能量存储设备(4.3)的相同极性的端子的电子功率开关(T111、T112、T113)被称为同源开关，模块化多电平DC/AC转换器(21)被设计成调节模块化多电平转换设备的输出频率，并且
还包括用于电子功率开关以便将它们置于接通或者断开状态的控制装置(29)，
其特征在于，所述控制装置(29)适于在功率转换设备的运行的时间间隔的至少一部分期间向电子功率开关施加全波控制，同一模块链的开关模块(4.11、4.12、4.13)使同源电子功率开关(T111、T112、T113)同时处于同一状态，并且其特征在于，还包括具有DC输出和DC或AC输入的转换器(20)，其包括链接到模块化多电平转换器(21)的DC输入端子(27、28)的两个输出端子(A、22)，具有DC输出的所述转换器被设计成调节功率转换设备的输出幅度。
2.根据权利要求1所述的模块化多电平功率转换设备，其中，每个开关模块(4.11、4.12、4.13)包括链接到能量存储设备(4.3)的正极性端子的第一功率开关(T111、TT112、T113)和链接到能量存储设备(4.3)的负极性端子的第二功率开关(T211、T212、T213)，其中，在全波控制期间，电流仅在第一功率开关处于接通状态的开关模块中流动。
3.根据权利要求1或2所述的模块化多电平功率转换设备，其中，控制装置(29)在所述时间间隔的至少一个其它剩余部分期间将PWM控制施加于所述电子功率开关(T111、T211、T112、T212、T113、T213)，当模块化多电平功率转换设备的输出电流小于阈值时施加PWM控制，并且当输出电流大于或等于阈值时施加全波控制。
4.根据权利要求3所述的模块化多电平功率转换设备，其中，所述控制装置(29)在所述PWM控制期间依次控制同一模块链中的模块的电子功率开关。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的模块化多电平功率转换设备，其中，每个电子功率开关(T111)与二极管(D111)反向并联。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的模块化多电平功率转换设备，其中，每个电子功率开关(T111、T211)从绝缘栅双极晶体管、场效应晶体管、MOSFET晶体管、栅极截止晶闸管、集成栅极换向晶闸管中选择。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的模块化多电平功率转换设备，其中，所述能量存储设备(4.3)从电容器、电池、燃料电池中选择。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的模块化多电平功率转换设备，其中，同一臂的模块链与公共端子(3.1、3.2、3.3)的连接经由电感器(L11、L12、L21、L22、L31、L32)实现。
9.根据权利要求1至5中任一项所述的模块化多电平功率转换设备，其中，具有DC输出和DC输入的转换器(20)是具有单臂(20.1)的模块化多电平DC/DC转换器，其端部定义两个DC输入端子，其包括具有公共端子(A)的串联的两个半臂(25)，该公共端子(A)定义DC输出端子中的一个，端部中的一个定义另一个输出端子(22)，每个半臂包括具有串联安置的至少一对电子功率开关的开关模块的模块链(26)，该电子功率开关对安置在能量存储设备的两端，以及用于每个模块中的电子功率开关的控制装置(30)。
10.根据权利要求9所述的模块化多电平功率转换设备，其中用于所述模块化多电平DC/DC转换器(20)的每个模块(26)中的电子功率开关的控制装置(30)将全波控制施加于电子功率开关，全波控制具有比用于模块化多电平DC/AC转换器(21)的每个模块(411、4.12、4.13)中的电子功率开关的控制装置(29)的全波控制的频率更大的频率。
11.根据权利要求1至8中任一项所述的模块化多电平功率转换设备，其中具有DC输出和AC输入的转换器(90)是开关受控整流桥。
12.根据权利要求1至8中任一项所述的模块化多电平功率转换设备，其中具有DC输出和AC输入的转换器(90)是模块化多电平AC/DC转换器。
13.一种可变速驱动器，包括如权利要求1至12中任一项所述的模块化多电平功率转换设备。
14.根据权利要求13所述的可变速驱动器，其中，所述模块化多电平功率转换装置包括具有DC输出和AC输入的转换器(90)，所述AC输入(A1、A2、A3)被设计为链接到AC电源(80)。
15.根据权利要求13所述的可变速驱动器，其中，所述模块化多电平功率转换设备包括具有DC输入和DC输出的转换器(20)，所述可变速驱动器还包括具有AC输入和DC输出的转换器(81)，被设计为在AC输入侧链接到AC电源(80)，并且在DC输出侧链接到具有DC输入和DC输出的转换器(20)。
16.根据权利要求15所述的可变速驱动器，还包括变压器(84)，其被设计成在一侧链接到AC电源(80)并且在另一侧链接到模块化多电平功率转换设备的、具有AC输入和DC输出的转换器(90)的AC输入。
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