CN108631631A - 多电平逆变器 - Google Patents

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Abstract

描述了一种逆变器电路以及用于操作该逆变器电路的方法，所述逆变器电路连接到两电平直流电压电源并且能够形成五电平输出电压。该逆变器电路包括串联连接的六个单向功率半导体开关，每个单向功率半导体开关在供应的直流电压的正节点和负节点之间连接到反并联二极管。逆变器电路还包括在串联连接的第一开关和第五开关的阴极之间的串联连接的两个内部电容器，电容器的连接点被连接到逆变器电路的内部节点。在使用时，单向功率半导体开关被控制以便设定逆变器电路的输出电压。

Description

多电平逆变器
技术领域
本发明涉及多电平逆变器，例如能够产生五个电压电平的多电平逆变器。
背景技术
在直流(DC)电力和交流(AC)电力之间转换的电力电子应用中广泛使用逆变器。最常见的逆变器类型，PWM逆变器将直流电压转换为交流输出电压，该输出电压由具有不同宽度的脉冲组成。形成输出电压的方法称为脉宽调制(PWM)，输出电压形成的目的通常是产生具有所需基本分量和不利谐波的最小含量的脉冲图形。
在低电压(例如小于1kV的电网电压)下，最常见的逆变器类型是两电平逆变器，通过该逆变器，输出电压可以仅具有供应的直流电压的正极或负极的值。由于例如，商业功率部件的耐压限制和创建的输出电压的更好的波形，在较高的电网电压下，经常使用多电平逆变器。
中等电网电压水平(例如，大于1kV的电网电压)经常用于工业应用中。在此电压电平下，有时会提供能够产生具有3至5级电平台阶的输出电压的逆变器，部分原因是逆变器功率级仍然可以通过使用市售的IGBT(绝缘栅双极晶体管)元件来实现。为此目的存在许多已知的拓扑结构，例如，NPC(中性点钳位)，MMC(模块化多电平转换器)和CHB(级联H桥)等等。
已知拓扑的缺点是例如特别是由于具有3级输出电压的NPC的高压台阶，这往往会在长电缆的马达端产生有害的过电压尖峰，从而降低了绕组绝缘的寿命。通过一些拓扑结构，功率部件的耐压能力限制了可用性。此外，通过MMC和CHB，从系统成本的观点来看，控制装置的部件数量和复杂性可能造成不利。
发明内容
本发明的目的是提供一种新颖的逆变器电路，其能够产生5电平输出电压波形。根据本发明的解决方案比现有技术有利，因为功率部件数量很少，并且电路中的大多数功率部件经历的电压应力仅为供应的直流链路电压电平的约1/4。以下是为了提供对本发明的各种实施例的一些方面的基本理解的简要概述，稍后给出示例性实施例的更详细的描述。本发明的目的通过独立权利要求中陈述的内容来实现，其他优选实施例在从属权利要求中公开。
根据本发明，逆变器电路经由四个功率节点连接到外部功率电路，其中第一节点连接到正极，第二节点连接到负极且第三节点连接到供应的直流链路电压的中点，并且第四节点是连接到载荷的输出节点。
逆变器电路包括串联连接的六个单向功率半导体开关(以下简称为开关)，每个单向功率半导体开关具有阳极和阴极，并且每个连接到反并联二极管。第二至第六开关的阳极分别串联连接至第一至第五开关的阴极。第一开关的阳极连接到第一功率节点，第六开关的阴极连接到第二功率节点并且第三开关的阴极连接到输出节点。该逆变器电路进一步包括连接在第三功率节点和内部节点之间的双向功率半导体电路。逆变器电路还包括在串联连接的第一开关和第五开关的阴极之间的串联连接的两个内部电容器，电容器的连接点连接到逆变器电路的内部节点。逆变器电路还包括从第四开关的阴极到串联连接的第二开关的阴极的正向方向上的串联连接的两个内部二极管，二极管的连接点连接到逆变器电路的内部节点。
本发明的逆变器电路的双向功率半导体电路通常包括两个相反串联连接的单向功率半导体开关，每个连接到反并联二极管，或者两个相反并联的单向反向阻断功率半导体开关。
根据本发明的逆变器系统包括如上所述的逆变器电路，能够控制逆变器电路的所有单向功率半导体开关的操作的控制单元，以及能够测量输出电流和将这些信息发送给控制单元的传感器。
根据本发明，可以控制单向功率半导体开关，使得输出电流经由内部电容器流动，使其电压在设定点值附近保持在预定的可允许极限值内。在本发明的一些形式中，设定点值是供应的直流链路电压的1/4，这使得可以控制输出节点和第三功率节点之间的电压，使得它具有基本上五个不同的值。
在本发明的实施例中，逆变器系统包括如上所述的多个逆变器电路，在共用控制单元之下以形成多相输出电压。有利地，可以使用这些多相逆变器，例如，在变频器中形成用于控制马达载荷的三相电压或在有源前端转换器中形成三相电压。
在根据本发明的设备中，其中控制单元基于具有可下载软件的数字逻辑电路，例如，微处理器，本发明还包括新的计算机程序，即软件包，它可以被下载到存储器装置中。该计算机程序包括计算机可执行指令，以用于实现用于控制逆变器电路的单向功率半导体开关的操作的上述方法。
本发明还包括一种新的计算机程序产品，该计算机程序产品包括例如非易失性计算机可读介质，例如光盘“CD”，该介质以用于控制逆变器电路的单向功率半导体开关的操作的计算机程序编码。
本发明还包括电力电子转换器，例如变频器，电力电子转换器包括至少三个根据本发明的逆变器电路以用于向电力电子变换器的输出端，输入端或两个外部功率连接端产生三相AC电压。
附图说明
在下文，参考附图使用实例更详细地解释本发明，其中，
图1示出了根据本发明的逆变器电路，
图2示出了具有反并联二极管的单向功率半导体开关，
图3A和3B表示双向功率半导体电路，
图4示出了5电平逆变器电路的输出电压，
图5示出用于切换状态确定的流程图，
图6示出了切换状态的确定，
图7示出了根据本发明的三相逆变器电路，并且
图8示出再生变频器。
具体实施方式
图1示出了根据本发明的逆变器电路10的示意图。要注意的是，该图被简化为集中于与清楚理解本发明相关的元件，同时为了清楚的目的而省略了其他元件，例如一些部件的识别标记，可控部件的控制布置等，这对于本领域的普通技术人员而言是显而易见的。
逆变器电路通过三个功率节点DC+，N和DC-连接到具有两个基本相等的电压电平UDC/2的外部两电平直流电压链路。DC+节点连接到正极，DC节点连接到负极，N节点连接到直流链路电压的中点。逆变器电路的输出节点U连接到载荷。以本领域公知的方式，可以通过整流交流输入来提供节点DC+和DC-两端的直流电压。
逆变器电路包括串联连接的六个功率半导体开关V1...V6(以下简称为开关)，每个开关具有阳极和阴极。由于这种应用的相关开关通常只能在从阳极到阴极的一个方向上传导电流，所以每个开关都连接到反并联二极管。第二至第六开关的阳极分别串联连接至第一至第五开关的阴极。第一开关的阳极连接到第一功率节点DC+，第六开关的阴极连接到第二功率节点DC-，并且第三开关的阴极连接到输出节点U。
逆变器电路进一步包括在第三功率节点N与内部节点P之间的双向功率半导体电路，在图1的实施例中，电路包括两个类似的开关V7，V8，如以上V1...V6，两个类似的开关相反地串联连接，并且每个开关连接到反并联二极管。
逆变器电路进一步包括串联连接的两个内部电容器C1，C2，两个内部电容器C1，C2串联连接在串联连接的第一(V1)和第五(V5)开关的阴极之间，电容器的连接点连接到逆变器电路的内部节点P。
逆变器电路还包括在从第四开关(V4)的阴极到串联连接的第二开关(V2)的阴极的正向方向上的串联连接的两个内部二极管D1，D2，二极管的连接点被连接到逆变器电路的内部节点P。
图2详细示出了如图1所示连接到反并联二极管的功率半导体开关V。开关V具有两个功率端子，阳极AV和阴极KV以及控制端子栅极GV。开关V可以有利地是IGBT(绝缘栅双极型晶体管)，其能够仅在从阳极到阴极的方向上传导电流。为了防止负电压的有害影响，二极管D反并联连接到开关V。二极管仅能够沿正向方向，即从阳极端子AD到阴极端子KD的方向，传导电流。
图3A和3B示出了用于图1所示的双向功率半导体电路的替代实现示例。图3A包括与图1中示出的部件相同的部件，但是这里分别连接到反并联二极管的开关V7，V8的顺序都是相反的。在图3B中，每个开关V7，V8与二极管串联连接，并且这些单向反向阻断功率半导体开关反并联连接。具有一体的反向阻断特性的装置也可用于图3B中的配置，在这种情况下，不需要单独的串联二极管。
关键操作特征(其与所有示出的双向功率半导体电路的变型相同)是，当开关V7导通时，电流可以从节点N流向节点P，但是不会以其他方式流动。当开关V8导通时，电流可以从节点P流向节点N，但反之亦然。如果V7和V8都导通，电流可以在两个方向上流动。
图4图示了图1的逆变器电路的输出电压波形uU-N的示例，输出电压即输出节点U和功率节点N之间的电压。电压值可以在值+UDC/2，+UDC/4，0，-UDC/4和-UDC/2之间逐步地改变。为了清楚起见，示出的波形被简化，实际上每个电压台阶可以包括具有宽度调制的多个脉冲。例如，在从t1到t2的时间段内，输出电压可以在0和+UDC/4之间变化几次，并且在从t2到t3的时间段期间，它可以在+UDC/4和+UDC/2之间交替变化。逆变器输出电压的一般目标通常遵循基本正弦波SIN的形式。
图1的逆变器电路的输出电压由单向功率半导体开关V1...V8的控制确定。开关控制逻辑的一般流程图在图5中给出，并且在图6中给出更详细的图示。
在开关控制的第一阶段I中，期望的输出电压是确定的。这通常通过控制单元中的所谓的调制器功能来进行，并且该确定可以基于例如，三相逆变器装置的输出电流控制。输出电压可以有五个不同的值+UDC/2，+UDC/4，0，-UDC/4和-UDC/2。
在某些操作状态下，输出电流经由内部电容器C1，C2流动，根据电流方向对它们进行充电或放电。在开关控制的第二阶段II中，测量电容器电压uCl，uC2和输出电流iU方向，并且基于这些测量结果确定电容器充电/放电的需求。在图6中，作为输出电流方向(正iU＞0或负iU＜0)和切换状态的函数的电容器电压改变方向(duCl，duC2)的依赖性用+符号(电容器电压正在增加)和-符号(降低的电压)标记。两个电容器的电压目标值为UDC/4，但实际上需要在此值附近有一个小公差DU。因此，例如如果电压低于UDC/4-DU，则需要对电容器充电；如果电压高于UDC/4+DU，则需要对电容器放电。
在开关控制的第三阶段III中，将确定哪些开关需要被接通以具有期望的输出电压并且用于根据需要改变内部电容器的电压。根据本发明的逆变器电路允许用于该目的的九个不同的切换状态SS，如图6所示。在每个切换状态中的逆变器电路操作的描述如下：
在切换状态1(SS1)中，开关V1，V2，V3和V7导通(在图6的图中标记为1)，因此输出节点U连接到输入节点DC+，并且无论输出电流方向如何，输出电压均为+UDC/2。V7的导通状态对输出电压没有影响，它只是在必要时确保平滑过渡到SS2或SS3。
在SS2中，开关V1，V3，V4和V7导通。正载荷电流从DC+经由V1，Cl，D1和V3流向输出节点U，从而对电容器C1充电。负输出电流从U经由V4，D2，C1和V1流向DC+，从而使电容器C1放电。无论输出电流方向如何，输出电压为+UDC/4(DC+节点电压减去电容器C1的电压)。V7的导通状态对输出电压没有影响，它只需在必要时确保平滑过渡到SS3。
在SS3中，开关V2，V3，V7和V8导通。正载荷电流从N经由V7，V8的反并联二极管，C1，V2和V3流向U，从而使C1放电。负载荷电流从U经由V3和V2的反并联二极管，C1，V8，和V7的反并联二极管流向U，因而给C1充电。无论输出电流方向如何，输出电压为+UDC/4(C1电压)。
在SS4中，开关V3，V4，V7和V8导通，因此不管输出电流方向如何，在直流链路中点节点N和输出节点U之间总是存在直流电流路径，因此输出电压为0。电容器电压保持不变。
在SS5中，开关V2，V3，V6和V8导通。正载荷电流从DC-经由V6的反并联二极管，C2，C1，V2和V3流向U，从而使两个电容器放电。载荷电流从U流出，经由V2和V3的反并联二极管，C1，C2和V6流向UDC-，从而对两个电容充电。输出电压为0(两个电容器的电压都加到直流电压上)。
在SS6中，开关V1，V4，V5和V7导通。正载荷电流从DC+流出，经V1，C1，C2，V2，V5和V4的反并联二极管流向U，从而对两个电容充电。负载荷电流从U流出，通过V4，V5，C2，C1和V1的反并联二极管流向UDC+，从而使两个电容器放电。输出电压为0(DC+电压减去两个电容器的电压)。
在SS7中，开关V4，V5，V7和V8导通。正载荷电流从N流出，经由V7，V8的反并联二极管，C2以及V5和V4的反并联二极管流到输出节点U，从而对电容器C2充电。负输出电流从U流出，经由V4，V5，C2，V8和V7的反并联二极管流到N，从而使电容器C2放电。无论输出电流方向如何，输出电压为-UDC/4(N节点的电压减去电容器C2的电压)。
在SS8中，开关V3，V4，V6和V8导通。正载荷电流从DC-流出，经由V6的反并联二极管，C2，D1和V3流到输出节点U，从而使电容器C2放电。负输出电流从V流出，经由V4，D2，C2和V6流向DC-，从而对电容器C2充电。无论输出电流方向如何，输出电压为-UDC/4(DC-节点的电压加上电容器C2的电压)。V8的导通状态对输出电压没有影响，它只需在必要时确保平滑过渡到SS7。
在SS9中，开关V4，V5，V6和V8导通，因此输出节点U连接到输入节点DC-，输出电压是-UDC/2，而与输出电流方向无关。V8的导通状态对输出电压没有影响，它只需在必要时确保平滑过渡到SS7或SS8。
举例来说，考虑期望的输出电压是+UDC/4并且输出电流iu是正的情况。在这种情况下，如果电容器C1需要充电，则图6显示要选择的适当切换状态是SS2。相反，如果电容器C1需要放电，则图6显示选择的适当切换状态是SS3。
对于其他情况可以做出类似的确定。例如，考虑期望的输出电压为0并且输出电流iu为负的情况。在这种情况下，如果电容器C1和C2都需要充电，则选择的适当切换状态是SS5，如果电容器C1和C2都需要放电，则选择的适当切换状态是SS6，并且如果两个电容器都不能充电或放电，那么适当的切换状态是SS4。
图7示出了根据本发明的三相逆变器系统70的示意图，其包括连接到根据本发明如上所述的共用两电平直流电压源DC+，N，DC-的三个单相逆变器电路INUU，INUV，INUW。在该示例中，控制单元CU对于所有逆变器是共用的，从所有的输出相位专用电流传感器接收输出电流信息iU，iV，iW。CU执行通过控制连接到输出节点U，V，W的载荷(未示出)所需的措施，并且将控制信号gU，gV，gW发送到单相逆变器，以便设定所需的相位专用切换状态。
图7提供了三相逆变器系统的一个示例。存在许多替代布置。例如，可以为每个单相逆变器电路提供单独的控制单元。当然，其他系统可以设置有少于或多于三个的相位。
图8示出了其中可以使用如图7中所示的三相逆变器的已知应用的示例。在此，第一逆变器INU用于向马达M提供可变频率/可变电压。另一个逆变器AFE用作具有节点DC+，N和DC-的中间直流链路以及滤波单元LFU之间的所谓有源前端转换器，经由该滤波单元LFU将AFE连接到具有相位L1，L2，L3的电网。当然，虽然在此描述了单相和三相逆变器装置，但是本发明的原理适用于具有任何数量的相位的逆变器系统。对于本领域技术人员而言，图8的布置的其他变体将是显而易见的；例如，可以提供整流电路来代替图8中所示的AFE。
除非另有明确说明，否则以上描述中提供的具体示例并非穷举，也不应将其解释为限制所附权利要求的范围和/或适用性。除非另有明确说明，否则在所附权利要求中列举的特征可相互自由组合。在本文中使用“包含”和“包括”的动词作为开放性限制，既不排除也不要求也存在未叙述的特征。此外，应该理解，在本文中使用“一”或“一个”，即单数形式，并不排除多个。

Claims (15)

1.一种逆变器电路，具有连接到正直流链路电压的第一功率节点，连接到负直流链路电压的第二功率节点，连接到所述正直流链路电压和负直流链路电压之间的中点的第三功率节点，以及输出节点，所述逆变器电路包括：
串联连接的六个单向功率半导体开关，每个单向功率半导体开关具有阳极和阴极，并且每个单向功率半导体开关连接到反并联二极管，其中，第一单向功率半导体开关的阳极连接到所述第一功率节点，第六单向功率半导体开关的阴极连接到所述第二功率节点，并且第二单向功率半导体开关到第六单向功率半导体开关的阳极分别连接到串联连接的第一单向功率半导体开关到第五单向功率半导体开关的阴极，其中，第三单向功率半导体开关的阴极连接到所述逆变器电路的所述输出节点；
双向功率半导体电路，所述双向功率半导体电路连接在所述逆变器电路的所述第三功率节点与所述逆变器电路的内部节点之间；
串联连接的两个内部电容器，所述两个内部电容器连接在所述串联连接的第一单向功率半导体开关和第五单向功率半导体开关的阴极之间，并且所述电容器的连接点连接到所述逆变器电路的所述内部节点；
串联连接的两个内部二极管，所述两个内部二极管在从所述串联连接的第四单向功率半导体开关的阴极到第二单向功率半导体开关的阴极的正向方向上连接，所述二极管的连接点连接到所述逆变器电路的所述内部节点。
2.根据权利要求1所述的逆变器电路，其中，
所述双向功率半导体电路包括具有反并联二极管的两个相反地串联连接的单向功率半导体开关。
3.根据权利要求1所述的逆变器电路，其中，
所述双向功率半导体电路包括两个相反地并联连接的单向反向阻断功率半导体开关。
4.根据权利要求1至3中的任一项所述的逆变器电路，其中，
所述单向功率半导体开关被控制为使得所述逆变器电路的输出电流经由所述逆变器电路的所述内部电容器流动。
5.根据前述权利要求中任一项所述的逆变器电路，其中，
所述单向功率半导体开关被控制为使得所述内部电容器的电压保持在设定点值附近的预定的可允许极限值内。
6.根据权利要求5所述的逆变器电路，其中，
所述内部电容器电压的所述设定点值是所述直流链路电压的1/4。
7.根据前述权利要求中任一项所述的逆变器电路，其中，
所述单向功率半导体开关被控制为使得所述逆变器电路的所述输出节点和所述第三功率节点之间的电压可以被设置为五个不同值中的一个。
8.一种逆变器系统，包括根据前述权利要求中任一项所述的逆变器电路，并且还包括用于测量所述逆变器输出电流的传感器以及控制单元，其中所述控制单元能够控制所述逆变器电路的所有单向功率半导体开关并在其控制功能中使用测量到的输出电流值。
9.一种逆变器系统，包括多个根据权利要求1至7中任一项所述的逆变器电路，每个逆变器包括用于测量所述逆变器输出电流的传感器以及控制单元，其中所述控制单元能够控制所有逆变器电路的所有单向功率半导体开关，并在其控制功能中使用测量到的输出电流值。
10.一种控制逆变器电路的方法，
其中，所述逆变电路包括串联连接的六个单向功率半导体开关，每个单向功率半导体开关具有阳极和阴极，并且每个单向功率半导体开关连接到反并联二极管，其中，第一单向功率半导体开关的阳极连接到第一功率节点，第六单向功率半导体开关的阴极连接到第二功率节点，并且第二单向功率半导体开关到第六单向功率半导体开关的阳极分别连接到串联连接的第一单向功率半导体开关到第五单向功率半导体开关的阴极，其中，第三单向功率半导体开关的阴极连接到所述逆变器电路的输出节点，
其中所述逆变器电路进一步包括串联连接的两个内部电容器，所述两个内部电容器被连接在串联连接的所述第一单向功率半导体开关和第五单向功率半导体开关的所述阴极之间；
所述方法包括，控制所述单向功率半导体开关以便将所述逆变器电路的所述输出节点和第三功率节点之间的电压设定为正直流链路电压值和负直流链路电压值之间的五个不同值中的一个。
11.根据权利要求10所述的方法，还包括，
控制所述单向功率半导体开关，使得所述逆变器电路的输出电流经由所述逆变器电路的所述内部电容器流动。
12.根据权利要求10或权利要求11所述的方法，还包括，
控制所述单向功率半导体开关，使得所述内部电容器的电压保持在设定点值附近的预定的可允许极限值内。
13.根据权利要求8至9中任一项所述的系统，其中，
所述控制单元基于具有可下载软件的数字逻辑电路，例如，微处理器。
14.一种能够下载到控制单元的存储器装置的计算机程序，
包括用于实施根据权利要求10到12中任一项所述的方法的计算机可执行指令。
15.一种计算机程序产品，包括非易失性计算机可读介质，例如，用根据权利要求14所述的计算机程序编码的光盘“CD”。
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