CN108886320B - 包括与钳位电感器并联的能量转换器的转换器单元 - Google Patents

Abstract

根据第一方面，提供一种转换器单元，其包括：第一端子；第二端子；多个开关元件，所述多个开关元件被提供有相应栅极单元；能量存储元件；钳位电感器，所述钳位电感器设置成限制从能量存储元件到开关元件的电流的变化率；以及第一能量转换器，设置成与钳位电感器并联，第一能量转换器设置成当转换器单元将状态改变为处于短路状态时通过利用来自钳位电感器的能量向栅极单元提供功率。

Description

包括与钳位电感器并联的能量转换器的转换器单元

技术领域

本发明涉及转换器单元及关联的多电平AC/DC（交流/直流）转换器，其包括能量转换器，该能量转换器利用钳位电感器中的功率，由此来向开关元件的栅极单元供应功率。

背景技术

DC与AC之间的高压功率转换在本领域已知用于多种不同应用。一种这样的应用与HVDC（高压DC）相关。

概念模块化多电平转换器（M2C）表示一类电压源转换器（VSC）。M2C包括多个转换器单元，其各自包括开关元件和能量存储元件。

能够使用各种类型的开关元件，包括各种类型的晶体管（例如IGBT（绝缘栅双极晶体管））和各种类型的晶闸管（例如IGCT（集成栅极换向晶闸管））。提供栅极单元，以控制开关元件的开关。然而，栅极单元消耗功率，取决于所使用开关元件的类型其能够是相当大的。

在现有技术中，功率电子转换器用来把来自转换器单元的DC功率变换成适合于向栅极单元供应功率的DC功率。这种功率电子转换器应当将电压从千伏特（例如2.6 kV）变换成适合于栅极单元的电压（例如36 V）。具有极低增益的功率转换器具有极低占空比，以及经过开关元件的峰电流也可以是限制因素之一。因此，设计这种具有高功率要求的极低增益DC-DC转换器是挑战性的。

发明内容

目的是提供一种向转换器单元的栅极单元供应功率的有效方式。

根据第一方面，提供一种转换器单元，其包括：第一端子；第二端子；多个开关元件，所述多个开关元件被提供有相应栅极单元；能量存储元件；钳位电感器，设置成限制从能量存储元件到开关元件的电流的变化率；以及第一能量转换器，设置成与钳位电感器并联，第一能量转换器设置成当转换器单元将状态改变为处于短路状态时通过利用来自钳位电感器的能量向栅极单元供应功率。通过使用钳位电感器能量，栅极单元（和可选的附加单元电子器件）能够采用正常操作模式来供应功率，而无需极低增益DC-DC转换器。

转换器单元还可包括第二能量转换器，第二能量转换器是DC（直流）到DC转换器，其配置成当第一能量转换器提供不足以向栅极单元供应功率的功率时使用来自能量存储元件的能量向栅极单元供应功率。这允许栅极单元（和可选的其它单元电子器件）在经过转换器单元的平均电流极低时被供应功率。在这类状况中，钳位电感器可能没有足够能量以向栅极单元和其它单元电子器件供应功率。

第二能量转换器可以是双向DC到DC转换器。以此方式，来自钳位电感器的过剩能量（对于向栅极单元和单元电子器件供应功率，其不是要求的）能够用于对能量存储元件进行充电。

第二能量转换器可以是降压转换器。

第一能量转换器可以是DC到DC转换器。

开关元件可以是集成栅极换向晶闸管IGCT。

组件串可设置成与钳位电感器并联，组件串包括二极管和转换器电容器，其中第一能量转换器设置成与转换器电容器并联。

第二能量转换器可设置成与能量存储元件和钳位电感器的串联连接并联。

转换器单元可以是四象限转换器。

转换器单元可以是全桥单元。

转换器单元可以是二象限转换器。

转换器单元可以是半桥单元。

根据第二方面，提供一种多电平AC/DC转换器，其包括根据以上权利要求中的任一项的多个转换器单元。

一般来说，权利要求中使用的所有术语要根据它们在技术领域中的普通含意来解释，除非本文中另加明确限定。对“一/该（a/an/the）元件、设备、组件、部件、步骤等”的所有提及要开放式地解释为指元件、设备、组件、部件、步骤等的至少一个实例，除非另加明确陈述。本文所公开的任何方法的步骤不必须采用所公开的确切顺序来执行，除非另加明确陈述。

附图说明

现在作为示例、参照附图来描述本发明，其中：

图1是示出能够应用本发明的实施例的环境的示意图；

图2是示出图1的转换器单元（在这里由单个转换器单元所表示）的任一个的示例的示意图；

图3是示出其中钳位电感器能量用来向栅极单元供应功率的、图1的转换器单元（在这里由单个转换器单元所表示）的任一个的示例的示意图；

图4是示出图3的转换器单元的半桥版本的示意图；

图5是示出与图3的转换器单元相似的、但还包括降压转换器的转换器单元的示意图；

图6是示出图5的转换器单元的半桥版本的示意图；

图7是示出图1的转换器单元的功率方面的示意图。

具体实施方式

现在将在下文参照附图更全面地描述本发明，附图中示出本发明的某些实施例。然而，本发明可采用许多不同形式来体现，而不应被解释为局限于本文所阐述的实施例；相反，这些实施例作为示例来提供，以使得本公开将是透彻和全面的，并且将向本领域的技术人员全面地传达本发明的范围。遍及本描述，相似附图标记指相似元件。

本文所提供的实施例基于如下实现：钳位电感器中的能量能够用来向转换器单元的（例如模块化多电平AC/DC转换器（又称作模块化多电平转换器（M2C）50）的）栅极单元供应功率。

M2C 50包括每个相的一个桥腿。图1示出一个这种桥腿52。附加相（例如对于三相系统）采用相同方式来配置。DC功率使用正DC总线DC+和负DC总线DC-来提供。阀控制单元（VCU）14连接到多个转换器单元9a-h（为了简洁的原因而未示出VCU与转换器单元之间的连接）。为了简洁的原因而从这个图表中省略臂电感器。

桥腿的上臂11a包括转换器单元9a-9d的第一集合，以及桥腿的下臂11b包括转换器单元9e-h的第二集合。全部转换器单元9a-9h通过来自VCU 14的控制信号来控制。这允许VCU 14例如实现脉宽调制（PWM），以便向AC端子40提供交流。通过串联放置若干转换器单元9a-d、9e-h，能够支持高压应用。此外，每个转换器单元的开关频率能够被降低，因而降低开关损耗。要注意，这里所示的转换器单元的数量只是示例，并且能够使用任何适当数量的转换器单元。经过上臂的电流表示为i_臂。由于上臂的转换器单元9a-d串联连接，所以电流i_臂经过上臂的转换器单元9a-d的每一个。同样的情况对于下臂成立，但是臂电流在下臂与上臂之间可以不同。

图2是示出图1的转换器单元（在这里由单个转换器单元9所表示）的任一个的示例的示意图。这里的转换器单元9是采用全桥结构形式的四象限转换器单元。转换器单元例如采用如图1所示的级联方式使用第一端子12a和第二端子12b来连接。

这里的转换器单元9包括例如采用集成栅极换向晶闸管（IGCT）、绝缘栅双极晶体管（IGBT）、栅关断晶闸管（GTO）或者任何其它适当高功率半导体的形式的四个开关元件S1-S4。相应反并联二极管D1-D4跨开关元件S1-S4的每一个来连接。能量存储元件6（例如电容器、超级电容器等）也跨两个开关元件S1-S2的第一腿和两个开关元件S3-S4的第二腿并联设置（经由钳位电感器L1）。全桥结构允许来自能量存储元件6、能够采取两种符号的电压的综合，由此转换器单元9的电压能够是或者零，能量存储元件6的电压，或者能量存储元件6的反向电压。

开关元件S1-S4各自具有相应栅极单元GU1-GU4。每个栅极单元GU1-GU4基于经由控制板（未示出）从控制器（例如图1的VCU 14）提供给栅极单元的控制信号来向相应开关元件提供适当信号。然而，栅极单元消耗功率，取决于所使用开关元件的类型，其能够是相当大的。在以下所示的示例中，开关元件S1-S4利用IGCT来例示；然而能够采用任何适当类型的开关元件。

钳位电感器L1设置在能量存储元件6的一侧上，以控制经过开关元件S1-S4的电流的变化率。当转换器单元9设置在零电压贡献模式（关断）时，钳位电感器L1中存储的能量需要被钳住，以便避免跨开关元件S1-S4的高压过冲。因此，RC缓冲器25用来钳住这个电压。RC缓冲器25包括缓冲器电阻器Rc、缓冲器电容器Cc和缓冲器二极管Dc（其也能够被理解为设置在RC缓冲器25外部）。以此方式，钳位电感器L1中存储的能量在需要时（例如在关断期间）在钳位电阻器Rc中被耗散。

钳位能量取决于开关该单元所在的电流并且由此取决于包括转换器单元9的整个转换器的操作点。如下面更详细提供的，在本文提供的实施例中，钳位电感器中存储的能量用来向转换器单元9的单元电子器件（包括栅极单元GU1-GU4）供应功率。

这是可行的，因为由栅极单元所要求的功率随开关电流而增加，以及钳位电感器中存储的能量也随增加的开关电流而增加。

图3是示出其中钳位电感器能量用来向栅极单元供应功率的、图1的转换器单元（在这里由单个转换器单元所表示）的任一个的示例的示意图。

在这里，组件串20设置成与钳位电感器L1并联。组件串20包括二极管Dc1和转换器电容器Cc1。此外，第一能量转换器15设置成与转换器电容器Cc1并联。第一能量转换器15是DC/DC转换器，其用来向开关元件S1-S4的每一个的栅极单元（为了简洁的原因而未示出）提供适当电压的DC功率。第一能量转换器15还能够用来向转换器单元9的其它组件（在这里未示出，例如控制器板）供应功率。

IGCT对其栅极单元具有高功率要求（大约115 W），并且所要求功率取决于开关频率以及IGCT的开关电流。栅极单元中的功率损耗具有固定损耗部分以及随开关电流和频率而改变的损耗部分。栅极单元中的固定功率损耗小于20 W。

在基于IGCT的MMC配置的情况下，在一个示例中，单元电子器件所要求的功率在正常操作期间为大约460 W。相比之下，当使用IGBT时，总单元电子器件功率要求为大约30 W，即，小于IGCT单元功率供应要求的10%。

现在将更为详细地分析栅极单元和整个转换器单元的功率要求。栅极单元功率损耗具有四个主要部分：逻辑损耗、后沿电流损耗、接通损耗和关断损耗。逻辑电路损耗是恒定的，并且独立于开关频率和臂电流。后沿损耗与由栅极单元在IGCT接通周期期间所供应的后沿电流相关，并且取决于IGCT操作的占空比。接通损耗主要取决于IGCT的开关频率。最后，栅极单元的关断损耗取决于开关频率，以及栅极单元的关断电流和关断损耗为栅极单元中的总损耗的大约80%。因此，由栅极单元所要求的功率高度取决于转换器的开关频率和操作区域。栅极单元所要求的功率的变化随平均阀电流线性改变，并且当阀在无负载操作时仅要求19 W。

图4是示出图3的转换器单元的半桥版本的示意图。在这种类型的转换器单元中还能够应用第一能量转换器15。如单元领域已知的，二象限转换器单元（例如图3的一个单元）能够提供能够是零或者能量存储元件6的电压的电压。

现在看图5，这是示出与图3的转换器单元相似的、但还包括第二能量转换器22的转换器单元的示意图。

在转换器的无负载操作期间或者通电期间，开关电流将为零或者极小，以及由钳位电感器所产生的能量可能不足以向栅极单元供应功率。通过使用附加功率电子转换器（第二能量转换器），还能够操控这种状况。

第二能量转换器22设置成与能量存储元件6（与钳位电感器L1串联连接）并联，以由此使用能量存储元件的能量的部分来向第一能量转换器15提供功率。在这个示例中，第二能量转换器使用降压转换器22（其包括具有可选的开关二极管Ds的降压开关S降压、降压电感器Lbuck、降压电容器Cbuck和降压二极管Dbuck）来实现。第一能量转换器15跨降压电容器Cbuck来设置。

如上所解释的，无负载的功率要求极小，但是仍然需要被解决。近似功率计算示出，附加功率供应可需要大约90 W容量，以及GU所要求的能量的其余部分将从钳位电感器来得出，如上所解释的。相比之下，当采用常规设计时，功率转换器需要为整个转换器单元提供大约460 W。

在这个示例中，当阀平均操作电流小于100 A时，降压转换器22额定为由单元电子器件所要求的功率，其为大约90 W。当转换器单元9在高于100 A平均电流操作时，降压转换器22则能够是不活动的，以及来自钳位电感器L1的能量足以供应单元电子器件。在正常操作期间，平均电流典型地将足够高，以使得降压转换器无需是活动的。因此，降压转换器22仅需要在转换器的通电和去通电期间是活动的。这能够通过对降压开关Sbuck的适当控制（即，通过将降压开关Sbuck设置在非导通状态来去活整个降压转换器22）来实现。

图6是示出图5的转换器单元的半桥版本的示意图。

图7是示出图1的转换器单元的功率方面的示意图。水平轴表示平均臂电流（A），以及垂直轴表示功率（W）。

实线30示出由钳位电感器所供应的功率。点32示出转换器单元的栅极单元的功率消耗。虚线示出转换器单元中的功率消耗，包括低效因子。

从图表中看到，从大约90 A，由钳位电感器所提供的功率足以向转换器单元供应功率，以及降压转换器在高于这个操作点能够是不活动的。在一个实施例中，第二能量转换器改为使用双向DC-DC转换器来实现，从而允许来自钳位电感器的过剩能量被反馈到单元电容器。当转换器单元9在高于90 A平均电流操作时，来自钳位电感器L1的能量则足以供应单元电子器件，在这个点，双向DC-DC转换器能够在反向功率模式中操作，由此双向DC-DC转换器能够将额外能量反馈到单元电容器。在正常操作期间，平均电流典型地将足够高，以使得双向DC-DC转换器在反向功率模式中操作。因此，双向DC-DC转换器在转换器的通电和去通电期间作为前向功率模式操作，并且在正常操作期间（即，当转换器单元9在高于90 A平均电流操作时）作为反向功率模式操作。这能够通过对双向DC-DC转换器中的开关的适当控制来实现。

以上主要已经参照几个实施例来描述本发明。然而，如本领域的技术人员易于意识到的，除了以上所公开实施例之外的其它实施例在如由所附专利权利要求所限定的本发明的范围之内是同等可能的。

Claims (12)

1.一种模块化多电平转换器单元（9），所述转换器单元包括：

第一端子（12a）；

第二端子（12b）；

多个开关元件（S1-S4），所述多个开关元件被提供有相应栅极单元（GU1-GU4）；

能量存储元件（6）；

钳位电感器（L1），所述钳位电感器与所述能量存储元件（6）串联连接，

其中所述能量存储元件（6）与所述钳位电感器（L1）的所述串联连接与两个开关元件（S1、S2）的串联连接并联设置，由此所述钳位电感器（L1）配置成限制从所述能量存储元件到所述开关元件（S1-S4）的电流的变化率；以及

采用DC到DC转换器形式的第一能量转换器（15），所述第一能量转换器设置成与所述钳位电感器（L1）并联，所述第一能量转换器（15）配置成当所述转换器单元（9）将状态改变为处于短路状态时通过利用来自所述钳位电感器（L1）的能量向所述栅极单元（GU1-GU4）提供功率，其中，DC表示直流。

2.如权利要求1所述的转换器单元（9），所述转换器单元（9）还包括第二能量转换器，所述第二能量转换器是DC到DC转换器（22），所述DC到DC转换器配置成当所述第一能量转换器（15）提供不足以向所述栅极单元（GU1-GU4）供应功率的功率时使用来自所述能量存储元件的能量向所述栅极单元（GU1-GU4）供应功率。

3.如权利要求2所述的转换器单元（9），其中，所述第二能量转换器（22）是双向DC到DC转换器。

4.如权利要求2所述的转换器单元（9），其中，所述第二能量转换器（22）是降压转换器。

5.如以上权利要求中的任一项所述的转换器单元（9），其中，每个开关元件（S1-S4）是集成栅极换向晶闸管IGCT。

6.如权利要求1至4中的任一项所述的转换器单元（9），其中，组件串（20）设置成与所述钳位电感器（L1）并联，所述组件串（20）包括二极管（Dc1）和转换器电容器（Cc1），其中所述第一能量转换器（15）设置成与所述转换器电容器（Cc1）并联。

7.如权利要求2所述的转换器单元（9），其中，组件串（20）设置成与所述钳位电感器（L1）并联，所述组件串（20）包括二极管（Dc1）和转换器电容器（Cc1），其中所述第一能量转换器（15）设置成与所述转换器电容器（Cc1）并联，并且其中，所述第二能量转换器（22）设置成与所述能量存储元件（6）和所述钳位电感器（L1）的所述串联连接并联。

8.如权利要求1至4中的任一项所述的转换器单元（9），其中，所述转换器单元（9）是四象限转换器。

9.如权利要求8所述的转换器单元（9），其中，所述转换器单元（9）是全桥单元。

10.如权利要求1至4中的任一项所述的转换器单元（9），其中，所述转换器单元（9）是二象限转换器。

11.如权利要求10所述的转换器单元（9），其中，所述转换器单元是半桥单元。

12.一种多电平AC/DC转换器（50），包括多个如以上权利要求中的任一项所述的转换器单元（9），其中，AC表示交流。