CN111313734A - 有源中点钳位型三电平变换器及其操作方法和控制装置 - Google Patents

有源中点钳位型三电平变换器及其操作方法和控制装置 Download PDF

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Abstract

本公开涉及一种有源中点钳位型三电平变换器及其操作方法和控制装置。该有源中点钳位型三电平变换器包括至少一个桥臂和控制装置，每个桥臂都包括多个输入端子、输出端子以及连接在多个输入端子和输出端子之间的多个开关，多个输入端子包括第一输入端子、第二输入端子、第三输入端子，多个开关包括第一外开关、第一内开关、第一钳位开关、第二外开关、第二内开关、第二钳位开关。该操作方法包括将桥臂从输出第一电平的第一状态改变为输出第二电平的第二状态的步骤。

Description

有源中点钳位型三电平变换器及其操作方法和控制装置
技术领域
本公开涉及电能变换领域，特别涉及一种有源中点钳位型三电平变换器、操作方法和控制装置。
背景技术
近年来，随着电力电子技术的发展，多电平逆变器被广泛应用于各种电能变换领域，例如，光伏发电系统、电机驱动系统、柔性输电系统等。相对于传统的两电平逆变器，多电平逆变器具有输出电压谐波含量低、功率开关电压应力低、EMI噪声低等优点。传统的多电平变换器可以分为三种类型：中点钳位型多电平变换器、飞跨电容型多电平变换器和H桥级联型多电平变换器。由于中点钳位型多电平变换器的拓扑和控制策略较为简单，因此中点钳位型多电平变换器是应用最为广泛的一种。
有源中点钳位型多电平变换器是基于传统的中点钳位型多电平变换器改进后的拓扑。有源中点钳位型多电平变换器使用有源开关器件反向并联在传统中点钳位型三电平电路的钳位二极管两端，因此，相比于传统的中点钳位型多电平变换器，有源中点钳位型多电平变换器具有更多开关状态的组合，从而可以实现更好的电路性能。
在此部分中描述的方法不一定是之前已经设想到或采用的方法。除非另有指明，否则不应假定此部分中描述的任何方法仅因其包括在此部分中就被认为是现有技术。类似地，除非另有指明，否则此部分中提及的问题不应认为在任何现有技术中已被公认。
发明内容
根据本公开的一个方面，提供了一种用于操作有源中点钳位型三电平变换器的方法，有源中点钳位型三电平变换器包括至少一个桥臂，每个桥臂都包括多个输入端子、一个输出端子以及连接在多个输入端子和输出端子之间的多个开关，多个输入端子包括第一输入端子、第二输入端子、第三输入端子，多个开关包括第一外开关、第一内开关、第二内开关、第二外开关、第一钳位开关、第二钳位开关，其中，第一外开关、第一内开关、第二内开关、第二外开关依次串联连接，第一外开关的一端连接到第一输入端子，第一外开关的另一端连接到第一内开关，第一钳位开关的一端连接到第二输入端子，第一钳位开关的另一端连接到第一外开关与第一内开关的连接点，第二外开关的一端连接到第三输入端子，第二外开关的另一端连接到第二内开关，第二钳位开关的一端连接到第二输入端子，第二钳位开关的另一端连接到第二外开关与第二内开关的连接点，输出端子连接到第一内开关与第二内开关的连接点，该方法包括将桥臂从输出第一电平的第一状态改变为输出第二电平的第二状态的步骤，其中第一电平高于第二电平，步骤包括：将桥臂从第一状态切换到第一过渡状态，其中，在第一状态中，第一外开关和第一内开关开通，桥臂中的其它开关关断，在第一过渡状态中，第一内开关开通，桥臂中的其它开关关断；将桥臂从第一过渡状态切换到第二过渡状态，其中，在第二过渡状态中，第一内开关和第一钳位开关开通，桥臂中的其它开关关断；将桥臂从第二过渡状态切换到第二状态，在第二状态中，第一内开关、第二内开关、第一钳位开关和第二钳位开关开通，桥臂中的其它开关关断。
根据本公开的另一个方面，提供了一种用于操作有源中点钳位型三电平变换器的控制装置，有源中点钳位型三电平变换器包括至少一个桥臂，每个桥臂都包括多个输入端子、一个输出端子以及连接在多个输入端子和输出端子之间的多个开关，多个输入端子包括第一输入端子、第二输入端子、第三输入端子，多个开关包括第一外开关、第一内开关、第二内开关、第二外开关、第一钳位开关、第二钳位开关，其中，第一外开关、第一内开关、第二内开关、第二外开关依次串联连接，第一外开关的一端连接到第一输入端子，第一外开关的另一端连接到第一内开关，第一钳位开关的一端连接到第二输入端子，第一钳位开关的另一端连接到第一外开关与第一内开关的连接点，第二外开关的一端连接到第三输入端子，第二外开关的另一端连接到第二内开关，第二钳位开关的一端连接到第二输入端子，第二钳位开关的另一端连接到第二外开关与第二内开关的连接点，输出端子连接到第一内开关与第二内开关的连接点，控制装置配置为向桥臂发送控制信号，从而控制桥臂通过以下步骤从输出第一电平的第一状态改变为输出第二电平的第二状态，其中第一电平高于第二电平，步骤包括：将桥臂从第一状态切换到第一过渡状态，其中，在第一状态中，第一外开关和第一内开关开通，桥臂中的其它开关关断，在第一过渡状态中，第一内开关开通，桥臂中的其它开关关断；将桥臂从第一过渡状态切换到第二过渡状态，其中，在第二过渡状态中，第一内开关和第一钳位开关开通，桥臂中的其它开关关断；将桥臂从第二过渡状态切换到第二状态，在第二状态中，第一内开关、第二内开关、第一钳位开关和第二钳位开关开通，桥臂中的其它开关关断。
根据本公开的另一个方面，提供了一种有源中点钳位型三电平变换器，包括：至少一个桥臂，每个桥臂都包括多个输入端子、一个输出端子以及连接在多个输入端子和输出端子之间的多个开关，多个输入端子包括第一输入端子、第二输入端子、第三输入端子，多个开关包括第一外开关、第一内开关、第二内开关、第二外开关、第一钳位开关、第二钳位开关，其中，第一外开关、第一内开关、第二内开关、第二外开关依次串联连接，第一外开关的一端连接到第一输入端子，第一外开关的另一端连接到第一内开关，第一钳位开关的一端连接到第二输入端子，第一钳位开关的另一端连接到第一外开关与第一内开关的连接点，第二外开关的一端连接到第三输入端子，第二外开关的另一端连接到第二内开关，第二钳位开关的一端连接到第二输入端子，第二钳位开关的另一端连接到第二外开关与第二内开关的连接点，输出端子连接到第一内开关与第二内开关的连接点；以及如本公开中所述的控制装置。
附图说明
附图示例性地示出了实施例并且构成说明书的一部分，与说明书的文字描述一起用于讲解实施例的示例性实施方式。所示出的实施例仅出于例示的目的，并不限制权利要求的范围。在所有附图中，相同的附图标记指代类似但不一定相同的要素。
图1是示出根据本公开的示例性实施例的有源中点钳位型三电平变换器的结构图；
图2是示出根据本公开的示例性实施例的有源中点钳位型三电平变换器的桥臂的结构图；
图3a-图3b是示出根据本公开的示例性实施例的有源中点钳位型三电平变换器的桥臂的脉冲宽度调制(PWM)调制的信号图；
图4是示出根据本公开的示例性实施例的操作桥臂从输出第一电平的第一状态改变为输出第二电平的第二状态的步骤的示例性方法的流程图；
图5是示出根据本公开的示例性实施例的操作桥臂从输出第二电平的第二状态改变为输出第一电平的第一状态的步骤的示例性方法的流程图；
图6是示出根据本公开的示例性实施例的操作桥臂从输出第三电平的第三状态改变为输出第二电平的第二状态的步骤的示例性方法的流程图；
图7是示出根据本公开的示例性实施例的操作桥臂从输出第二电平的第二状态改变为输出第三电平的第三状态的步骤的示例性方法的流程图；
图8是示出根据本公开的示例性实施例的操作桥臂从输出第一电平的第一状态改变为输出第三电平的第三状态的步骤的示例性方法的流程图；
图9是示出根据本公开的示例性实施例的操作桥臂从输出第三电平的第三状态改变为输出第一电平的第一状态的步骤的示例性方法的流程图；
图10a-图10g是示出根据本公开的示例性实施例的当输出电流为正电流时在第一状态、第一过渡状态、第二过渡状态、第二状态、第四过渡状态、第三过渡状态、第三状态中的桥臂的开关的状态的示意图；
图11a-图11g是示出根据本公开的示例性实施例的当输出电流为负电流时在第一状态、第一过渡状态、第二过渡状态、第二状态、第四过渡状态、第三过渡状态、第三状态中的桥臂的开关的状态的示意图。
具体实施方式
在本公开中，除非另有说明，否则使用术语“第一”、“第二”等来描述各种要素不意图限定这些要素的位置关系、时序关系或重要性关系，这种术语只是用于将一个元件与另一元件区分开。在一些示例中，第一要素和第二要素可以指向该要素的同一实例，而在某些情况下，基于上下文的描述，它们也可以指代不同实例。
在本公开中对各种示例的描述中所使用的术语只是为了描述特定示例的目的，而并非旨在进行限制。除非上下文另外明确地表明，如果不特意限定要素的数量，则该要素可以是一个也可以是多个。此外，本公开中所使用的术语“和/或”涵盖所列出的项目中的任何一个以及全部可能的组合方式。
图1是示出根据本公开的示例性实施例的有源中点钳位型三电平变换器的结构图。如图1所示，有源中点钳位型三电平变换器100包括桥臂101、102、103和控制器104。根据一些实施例，有源中点钳位型三电平变换器100还包括总输入端子111a、111b、111c。
根据一些实施例，桥臂101-103中的每一个都包括多个输入端子、一个输出端子以及连接在多个输入端子和输出端子之间的多个开关。桥臂101包括输入端子101a、101b、101c、输出端子101d，桥臂102包括输入端子102a、102b、102c、输出端子102d，桥臂103包括输入端子103a、103b、103c、输出端子103d，其中，输入端子101a、102a、103a连接到相同的总输入端子111a，输入端子101b、102b、103b连接到相同的总输入端子111b，输入端子101c、102c、103c连接到相同的总输入端子111c。
根据一些实施例，桥臂101-103中的每一个将接收到的输入电压转换为输出电压。根据一些实施例，桥臂101-103中的每一个接收来自各自输入端子的输入电压，并且通过控制桥臂中的多个开关的开通或关断，将接收到的输入电压转换为输出电压，在各自的输出端子输出。根据一些实施例，桥臂的输入电压为直流电压，而桥臂的输出电压为交流电压。
根据一些实施例，总输入端子111a上的电压保持为第一电平U1，总输入端子111b上的电压保持为第二电平U2，总输入端子111c上的电压保持为第三电平U3。其中，第一电平U1高于第二电平U2，第二电平U2高于第三电平U3。相应地，输入端子101a-103a上的电压保持为第一电平U1，输入端子101b-103b上的电压保持为第二电平U2，输入端子101c-103c上的电压保持为第三电平U3。根据桥臂开关状态的不同，桥臂101-103的输出端子101d-103d输出电压可以是第一电平U1、第二电平U2或第三电平U3。
根据一些实施例，控制器104耦合到桥臂101-103。控制器104向桥臂101-103分别发送控制信号，控制桥臂101-103的输出电压。根据一些实施例，控制器104分别接收来自该有源中点钳位型三电平变换器的采样信号(例如，变换器的输出电压、输出电流的采样信号)，然后基于采样信号计算出桥臂101-103的调制信号，最后通过脉冲宽度调制(PWM)调制得到桥臂101-103的控制信号。根据另一些实施例，控制器104向桥臂101-103分别发送控制信号，控制桥臂101-103中的多个开关的开通或关断，从而控制桥臂101-103的输出电压。根据一些实施例，控制器104可以用汇编语言或硬件编程语言(例如，VERILOG、VHDL、C++)对可编程硬件(例如，包括现场可编程门阵列(FPGA)和/或可编程逻辑阵列(PLA)的可编程逻辑电路)进行编程来实现。根据另一些实施例，控制器104可以通过不可编程的硬件电路来实现，例如，专用集成电路。
虽然图1的例子仅示出了三个桥臂和一个控制器，但是应理解，图1仅是示例性的，有源中点钳位型三电平变换器100所具有的桥臂或控制器数量不限于此。
图2是示出根据本公开的示例性实施例的有源中点钳位型三电平变换器的桥臂的结构图。桥臂200包括多个输入端子201a-201c、输出端子201d以及连接在多个输入端子和输出端子之间的多个开关211-216。多个输入端子包括第一输入端子201a、第二输入端子201b、第三输入端子201c，多个开关包括第一外开关211、第一内开关212、第二内开关213、第二外开关214、第一钳位开关215、第二钳位开关216。
根据一些实施例，多个开关211-216可以是相同类型的开关器件，其中，每个开关包括一个有源开关器件和一个与该有源开关器件反并联的二极管。根据一些实施例，如图2所示，多个开关211-216中的每一个都包括一个绝缘栅双极晶体管(IGBT)和一个与该IGBT反并联的二极管，其中反并联的二极管的正极连接到IGBT的发射极，该二极管的负极连接到IGBT的集电极。为了便于描述，下文中将开关中IGBT的集电极称为“开关的正极”，将开关中IGBT的栅极称为“开关的栅极”，将开关中IGBT的发射极称为“开关的负极”。根据另一些实施例，多个开关211-216中的每一个都包括一个金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)和一个与该MOSFET反并联的二极管。
根据另一些实施例，多个开关211-216可以是不同类型的开关器件，例如，第一外开关211、第二外开关214、第一钳位开关215、第二钳位开关216可以是MOSFET和二极管的组合，而第一内开关212、第二内开关213可以是IGBT和二极管的组合。
根据一些实施例，用来形成开关211-216的材料可包括但不限于硅(Si)、锗(Ge)、碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)或其组合。
如图2所示，第一外开关211、第一内开关212、第二内开关213、第二外开关214依次串联连接。第一外开关211位于第一输入端子201a与第一内开关212之间，其中，第一外开关211的正极连接到第一输入端子201a，第一外开关211的负极连接到第一内开关212的正极。第一内开关212位于第一外开关211与第二内开关213之间，其中，第一内开关212的负极连接到第二内开关213的正极，第一内开关212和第二内开关213的连接点连接到输出端子201d。第二内开关213位于第一内开关212与第二外开关214之间，第二内开关213的负极连接到第二外开关214的正极。第二外开关214位于第二内开关213与第三输入端子201c之间，第二外开关214的负极连接到第三输入端子201c。第一钳位开关215位于第二输入端子201b与第一外开关211和第一内开关212的连接点之间，第一钳位开关215的正极连接到第一外开关211和第一内开关212的连接点，第一钳位开关215的负极连接到第二输入端子201b。第二钳位开关216位于第二输入端子201b与第二内开关213和第二外开关214的连接点之间，第二钳位开关216的正极连接到第二输入端子201b，第二钳位开关216的负极连接到第二内开关213和第二外开关214的连接点。
根据一些实施例，多个开关211-216中的每一个的栅极(即，开关中IGBT的栅极)接收来自控制器的控制信号。响应于控制器的控制信号，多个开关211-216中的每一个相应地开通或关断，其中，开关中的IGBT将相应地开通或关断。当多个开关211-216中的某一开关开通时，在电流从该开关的正极流向该开关的负极时，电流流经该开关中的IGBT；而在电流从该开关的负极流向该开关的正极时，电流流经该开关中的二极管。当多个开关211-216中的某一开关关断时，由于该开关中的IGBT关断，电流无法流经该开关中的IGBT，因此电流不能从该开关的正极流向该开关的负极；而在电流从该开关的负极流向该开关的正极时，电流流经该开关中的二极管。
根据一些实施例，响应于控制器的控制信号为高电平，多个开关211-216中的每一个开通；响应于控制器的控制信号为低电平，多个开关211-216中的每一个关断。根据另一些实施例，响应于控制器的控制信号为高电平，多个开关211-216中的每一个关断；响应于控制器的控制信号为低电平，多个开关211-216中的每一个开通。
根据一些实施例，当桥臂处于第一状态时，桥臂的输出电压uo为第一电平U1；当桥臂处于第二状态时，桥臂的输出电压uo为第二电平U2；当桥臂处于第三状态时，桥臂的输出电压uo为第三电平U3。根据一些实施例，当桥臂处于第一状态时，第一外开关211、第一内开关212开通，第一钳位开关215、第二内开关213、第二外开关214、第二钳位开关216关断。根据另一些实施例，当桥臂处于第二状态时，第一内开关212、第一钳位开关215、第二内开关213、第二钳位开关216开通，第一外开关211、第二外开关214关断。根据另一些实施例，当桥臂处于第三状态时，第二内开关213、第二外开关214开通，第一外开关211、第一内开关212、第一钳位开关215、第二钳位开关216关断。另外，为了便于描述，下文中，当输出电流方向为从输出端子201d流出时，输出电流为正电流；当输出电流方向为流入输出端子201d时，输出电流为负电流。
根据一些实施例，桥臂200还包括电容221、222。如图2所示，电容221在第一输入端子201a与第二输入端子201b之间，电容222在第二输入端子201b与第三输入端子201c之间。
图3a-图3b是示出根据本公开的示例性实施例的有源中点钳位型三电平变换器的桥臂的脉冲宽度调制(PWM)调制的信号图。
根据一些实施例，控制器基于采样信号(例如，变换器的输出电压、输出电流的采样信号)计算得出调制信号us。控制器将调制信号us与载波信号uc1、uc2进行比较，得到桥臂的输出电压uo。
根据一些实施例，当调制信号us大于0时，将调制信号us与载波信号uc1进行比较。当调制信号us大于载波信号uc1时，桥臂输出第一电平U1；当调制信号us小于载波信号uc1时，桥臂输出第二电平U2。
图3a示出了当调制信号us大于0时的桥臂的PWM调制的信号图。为了示例的目的，图3a中仅示出了两个载波周期，但是可以理解，在其它的载波周期中，情况与图3a所示出的两个周期类似。当时间t大于t0且小于t1时，调制信号us大于载波信号uc1，桥臂输出第一电平U1；当时间t大于t1且小于t2时，调制信号us小于载波信号uc1，桥臂输出第二电平U2；当时间t大于t2且小于t3时，调制信号us大于载波信号uc1，桥臂输出第一电平U1；当时间t大于t3且于小于t4时，调制信号us小于载波信号uc1，桥臂输出第二电平U2；当时间t大于t4且小于t5时，调制信号us大于载波信号uc1，桥臂输出第一电平U1。
根据另一些实施例，当调制信号us小于0时，将调制信号us与载波信号uc2进行比较。当调制信号us大于载波信号uc2时，桥臂输出第二电平U2；当调制信号us小于载波信号uc2时，桥臂输出第三电平U3。
图3b示出了当调制信号us小于0时的桥臂的PWM调制的信号图。为了示例的目的，图3b中仅示出了两个载波周期，但是可以理解，在其它的载波周期中，情况与图3b所示出的两个周期类似。当时间t大于t0且小于t1时，调制信号us小于载波信号uc2，桥臂输出第三电平U3；当时间t大于t1且小于t2时，调制信号us大于载波信号uc2，桥臂输出第二电平U2；当时间t大于t2且小于t3时，调制信号us小于载波信号uc2，桥臂输出第三电平U3；当时间t大于t3且小于t4时，调制信号us大于载波信号uc2，桥臂输出第二电平U2；当时间t大于t4且小于t5时，调制信号us小于载波信号uc2，桥臂输出第三电平U3。
根据一些实施例，如结合图3a所描述的，当调制信号us大于0时，桥臂的输出电压uo在第一电平U1和第二电平U2之间切换。根据一些实施例，如结合图3b所描述的，当调制信号us小于0时，桥臂的输出电压uo在第二电平U2和第三电平U3之间切换。
根据一些实施例，如结合图2所描述的，当桥臂处于第一状态时，第一外开关211、第一内开关212开通，第一钳位开关215、第二内开关213、第二外开关214、第二钳位开关216关断，输出第一电平U1；当桥臂处于第二状态时，第一内开关212、第一钳位开关215、第二内开关213、第二钳位开关216开通，第一外开关211、第二外开关214关断，输出第二电平U2。由于桥臂在第一状态下的开关状态与桥臂在第二状态下的开关状态差异较大，直接将桥臂从第一状态切换到第二状态将会导致开关损耗过大、开关应力过高，因此，根据本公开的实施例，将桥臂先从第一状态切换到过渡状态，再切换到第二状态，以减小开关损耗、降低开关应力。由于类似的原因，当桥臂从第二状态切换到第一状态、从第二状态切换到第三状态或者从第三状态切换到第二状态时，也可以从初始状态切换到过渡状态，再切换到最终状态。
图4是示出根据本公开的示例性实施例的操作桥臂从输出第一电平的第一状态改变为输出第二电平的第二状态的步骤的示例性方法的流程图。如图4所示，该操作桥臂的方法例如可以包括以下步骤。
在步骤S401中，将桥臂从第一状态切换到第一过渡状态。其中，在第一状态中，第一外开关、第一内开关开通，桥臂中的其它开关关断；在第一过渡状态中，第一内开关开通，桥臂中的其它开关关断。
在第一状态中，当输出电流Io为正电流时，桥臂1000的状态如图10a所示。其中，第一外开关1011、第一内开关1012开通，其余开关1013-1016关断，相应地，第一外开关1011、第一内开关1012中的IGBT开通，其余开关中的IGBT关断。此时，输出电流Io流经第一输入端子1001a、第一外开关1011中的IGBT、第一内开关1012中的IGBT、输出端子1001d，桥臂1000输出第一电平U1。当输出电流Io为负电流时，桥臂1000的状态如图11a所示，其中多个开关1011-1016的状态与输出电流为正电流时相同，而输出电流Io流经输出端子1001d、第一内开关1012中的二极管、第一外开关1011中的二极管、第一输入端子1001a，桥臂1000输出第一电平U1。
当桥臂从第一状态向第一过渡状态切换时，关断第一外开关，而维持其余开关的状态不变。
在第一过渡状态中，当输出电流Io为正电流时，桥臂1000的状态如图10b所示，第一内开关1012开通，其余开关1011、1013-1016关断，相应地，第一内开关1012中的IGBT开通，其余开关中的IGBT关断。此时，输出电流Io流经第二输入端子1001b、第一钳位开关1015中的二极管、第一内开关1012中的IGBT、输出端子1001d，桥臂1000输出第二电平U2。当输出电流Io为负电流时，桥臂1000的状态如图11b所示，其中多个开关1011-1016的状态与输出电流Io为正电流时相同，而输出电流Io流经输出端子1001d、第一内开关1012中的二极管、第一外开关1011中的二极管、第一输入端子1001a，桥臂1000输出第一电平U1。
在步骤S403中，将桥臂从第一过渡状态切换到第二过渡状态。其中，在第二过渡状态中，第一内开关、第一钳位开关开通，桥臂中的其它开关关断。
换言之，当桥臂从第一过渡状态向第二过渡状态切换时，开通第一钳位开关，而维持其余开关的状态不变。
在第二过渡状态中，当输出电流Io为正电流时，桥臂1000的状态如图10c所示，第一内开关1012、第一钳位开关1015开通，其余开关1011、1013、1014、1016关断，相应地，第一内开关1012、第一钳位开关1015中的IGBT开通，其余开关1011、1013、1014、1016中的IGBT关断。此时，输出电流Io流经第二输入端子1001b、第一钳位开关1015中的二极管、第一内开关1012中的IGBT、输出端子1001d，桥臂输出第二电平U2。当输出电流Io为负电流时，桥臂1000的状态如图11c所示，其中多个开关1011-1016的状态与输出电流Io为正电流时相同，而输出电流Io流经输出端子1001d、第一内开关1012中的二极管、第一钳位开关1015中的IGBT、第二输入端子1001b，桥臂输出第二电平U2。
在步骤S405中，将桥臂从第二过渡状态切换到第二状态。其中，在第二状态中，第一内开关、第二内开关、第一钳位开关、第二钳位开关开通，桥臂中的其它开关关断。
换言之，当桥臂从第二过渡状态向第二状态切换时，开通第二内开关、第二钳位开关，而维持其余开关的状态不变。
在第二状态中，当输出电流Io为正电流时，桥臂1000的状态如图10d所示，第一内开关1012、第二内开关1013、第一钳位开关1015、第二钳位开关1016开通，其余开关1011、1014关断，相应地，第一内开关1012、第二内开关1013、第一钳位开关1015、第二钳位开关1016中的IGBT开通，其余开关1011、1014中的IGBT关断。输出电流Io流经第二输入端子1001b、并联的两组开关1012、1013、1015、1016、输出端子1001d，输出第二电平U2，其中，输出电流Io流经第一钳位开关1015中的二极管、第一内开关1012的IGBT，并且流经第二钳位开关1016的IGBT、第二内开关1013中的二极管。当输出电流Io为负电流时，桥臂1000的状态如图11d所示，其中多个开关1011-1016的状态与输出电流Io为正电流时相同，输出电流Io流经输出端子1001d、并联的两组开关1012、1013、1015、1016、第二输出端子1001b，输出第二电平U2，其中，输出电流Io流经第一内开关1012中的二极管、第一钳位开关1015的IGBT，并且流经第二内开关1013的IGBT、第二钳位开关1016中的二极管。
与只开通一组内开关、钳位开关相比，同时开通两组内开关、钳位开关降低了开关电路的总等效电阻，从而降低了开关电路的导通损耗；并且也降低了流经单个开关的电流值，从而优化了开关损耗分布，避免了部分开关的结温较高。
另外，当桥臂从输出第一电平向输出第二电平切换时，第一内开关持续导通，电流在与第一内开关相同侧的第一外开关和第一钳位开关之间切换，使得换流回路较小，避免因换流回路的寄生电感而导致的较高开关应力。
图5是示出根据本公开的示例性实施例的操作桥臂从输出第二电平的第二状态改变为输出第一电平的第一状态的步骤的示例性方法的流程图。如图5所示，该操作桥臂的方法例如可以包括以下步骤。
在步骤S501中，将桥臂从第二状态切换到第二过渡状态。在第二状态、第二过渡状态中，桥臂的开关状态、电流流经路径、输出电平与参考图4所描述的相同。当桥臂从第二状态向第二过渡状态切换时，关断第二内开关、第二钳位开关，而维持其余开关的状态不变。
在步骤S503中，将桥臂从第二过渡状态切换到第一过渡状态。在第一过渡状态中，桥臂的开关状态、电流流经路径、输出电平与参考图4所描述的相同。当桥臂从第二过渡状态向第一过渡状态切换时，关断第一钳位开关，而维持其余开关的状态不变。
在步骤S505中，将桥臂从第一过渡状态切换到第一状态。在第一状态中，桥臂的开关状态、电流流经路径、输出电平与参考图4所描述的相同。当桥臂从第一过渡状态向第一状态切换时，开通第一外开关，而维持其余开关的状态不变。
与桥臂从输出第一电平向输出第二电平切换的过程类似，当桥臂从输出第二电平向输出第一电平切换时，第一内开关持续导通，电流在与第一内开关相同侧的第一外开关和第一钳位开关之间切换，使得换流回路较小，避免因换流回路的寄生电感而导致的较高开关应力。
图6是示出根据本公开的示例性实施例的操作桥臂从输出第三电平的第三状态改变为输出第二电平的第二状态的步骤的示例性方法的流程图。如图6所示，该操作桥臂的方法例如可以包括以下步骤。
在步骤S601中，将桥臂从第三状态切换到第三过渡状态。其中，在第三状态中，第二外开关、第二内开关开通，桥臂中的其它开关关断；在第三过渡状态中，第二内开关开通，桥臂中的其它开关关断。
在第三状态中，当输出电流Io为正电流时，桥臂1000的状态如图10g所示。其中，第二外开关1014、第二内开关1013开通，其余开关1011、1012、1015、1016关断，相应地，第二外开关1014、第二内开关1013中的IGBT开通，其余开关中的IGBT关断。此时，输出电流Io流经第三输入端子1001c、第二外开关1014中的二极管、第二内开关1013中的二极管、输出端子1001d，桥臂1000输出第三电平U3。当输出电流Io为负电流时，桥臂1000的状态如图11g所示，其中多个开关1011-1016的状态与输出电流Io为正电流时相同，而输出电流Io流经输出端子1001d、第二内开关1013中的IGBT、第二外开关1014中的IGBT、第三输入端子1001c，桥臂1000输出第三电平U3。
当桥臂从第三状态向第三过渡状态切换时，关断第二外开关，而维持其余开关的状态不变。
在第三过渡状态中，当输出电流Io为正电流时，桥臂1000的状态如图10f所示，第二内开关1013开通，其余开关1013-1016关断，相应地，第二内开关1013中的IGBT开通，其余开关中的IGBT关断。此时，输出电流Io流经第三输入端子1001c、第二外开关1014中的二极管、第二内开关1013中的二极管、输出端子1001d，桥臂1000输出第三电平U3。当输出电流Io为负电流时，桥臂1000的状态如图11f所示，其中多个开关1011-1016的状态与输出电流Io为正电流时相同，而输出电流Io流经输出端子1001d、第二内开关1013中的IGBT、第二钳位开关1016中的二极管、第二输入端子1001b，桥臂1000输出第二电平U2。
在步骤S603中，将桥臂从第三过渡状态切换到第四过渡状态。其中，在第四过渡状态中，第二内开关、第二钳位开关开通，桥臂中的其它开关关断。
当桥臂从第三过渡状态向第四过渡状态切换时，开通第二钳位开关，而维持其余开关的状态不变。
在第四过渡状态中，当输出电流Io为正电流时，桥臂1000的状态如图10e所示，第二内开关1013、第二钳位开关1016开通，其余开关1011、1012、1014、1015关断，相应地，第二内开关1013、第二钳位开关1016中的IGBT开通，其余开关1011、1012、1014、1015中的IGBT关断。此时，输出电流Io流经第二输入端子1001b、第二钳位开关1016中的IGBT、第二内开关1013中的二极管、输出端子1001d，桥臂1000输出第二电平U2。当输出电流Io为负电流时，桥臂1000的状态如图11e所示，其中多个开关1011-1016的状态与输出电流Io为正电流时相同，而输出电流Io流经输出端子1001d、第二内开关1013中的IGBT、第二钳位开关1016中的二极管、第二输入端子1001b，桥臂1000输出第二电平U2。
在步骤S605中，将桥臂从第四过渡状态切换到第二状态。
当桥臂从第四过渡状态向第二状态切换时，开通第一内开关、第一钳位开关，而维持其余开关的状态不变。在第二状态中，桥臂的开关状态、电流流经路径、输出电平与参考图4所描述的相同。
与桥臂从输出第一电平向输出第二电平切换的过程类似，当桥臂从输出第三电平向输出第二电平切换时，第二内开关持续导通，电流在与第二内开关相同侧的第二外开关和第二钳位开关之间切换，使得换流回路较小，避免因换流回路的寄生电感而导致的较高开关应力。
图7是示出根据本公开的示例性实施例的操作桥臂从输出第二电平的第二状态改变为输出第三电平的第三状态的步骤的示例性方法的流程图。如图7所示，该操作桥臂的方法例如可以包括以下步骤。
在步骤S701中，将桥臂从第二状态切换到第四过渡状态。在第二状态、第四过渡状态中，桥臂的开关状态、电流流经路径、输出电平与参考图4、图6所描述的相同。当桥臂从第二状态向第四过渡状态切换时，关断第一内开关、第一钳位开关，而维持其余开关的状态不变。
在步骤S703中，将桥臂从第四过渡状态切换到第三过渡状态。在第三过渡状态中，桥臂的开关状态、电流流经路径、输出电平与参考图6所描述的相同。当桥臂从第四过渡状态向第三过渡状态切换时，关断第二钳位开关，而维持其余开关的状态不变。
在步骤S705中，将桥臂从第三过渡状态切换到第三状态。在第三状态中，桥臂的开关状态、电流流经路径、输出电平与参考图6所描述的相同。当桥臂从第三过渡状态向第三状态切换时，开通第二外开关，而维持其余开关的状态不变。
与桥臂从输出第一电平向输出第二电平切换的过程类似，当桥臂从输出第二电平向输出第三电平切换时，第二内开关持续导通，电流在与第二内开关相同侧的第二外开关和第二钳位开关之间切换，使得换流回路较小，避免因换流回路的寄生电感而导致的较高开关应力。
图8是示出根据本公开的示例性实施例的操作桥臂从输出第一电平的第一状态改变为输出第三电平的第三状态的步骤的示例性方法的流程图。如图8所示，该操作桥臂的方法例如可以包括以下步骤。
在步骤S801中，将桥臂从第一状态切换到第一过渡状态。在第一状态、第一过渡状态中，桥臂的开关状态、电流流经路径、输出电平与参考图4所描述的相同。当桥臂从第一状态向第一过渡状态切换时，关断第一外开关，而维持其余开关的状态不变。
在步骤S803中，将桥臂从第一过渡状态切换到第二过渡状态。在第二过渡状态中，桥臂的开关状态、电流流经路径、输出电平与参考图4所描述的相同。当桥臂从第一过渡状态向第二过渡状态切换时，开通第一钳位开关，而维持其余开关的状态不变。
在步骤S805中，将桥臂从第二过渡状态切换到第二状态。在第二状态中，桥臂的开关状态、电流流经路径、输出电平与参考图4所描述的相同。当桥臂从第二过渡状态向第二状态切换时，开通第二内开关、第二钳位开关，而维持其余开关的状态不变。
在步骤S807中，将桥臂从第二状态切换到第四过渡状态。在第四过渡状态中，桥臂的开关状态、电流流经路径、输出电平与参考图6所描述的相同。当桥臂从第二状态向第四过渡状态切换时，关断第一内开关、第一钳位开关，而维持其余开关的状态不变。
在步骤S809中，将桥臂从第四过渡状态切换到第三过渡状态。在第三过渡状态中，桥臂的开关状态、电流流经路径、输出电平与参考图6所描述的相同。当桥臂从第四过渡状态向第三过渡状态切换时，关断第二钳位开关，而维持其余开关的状态不变。
在步骤S811中，将桥臂从第三过渡状态切换到第三状态。在第三状态中，桥臂的开关状态、电流流经路径、输出电平与参考图6所描述的相同。当桥臂从第三过渡状态向第三状态切换时，开通第二外开关，而维持其余开关的状态不变。
在桥臂从输出第一电平向输出第三电平切换的过程中，存在两次电流换流过程：当桥臂从输出第一电平向输出第二电平切换时，第一内开关持续导通，电流在与第一内开关相同侧的第一外开关和第一钳位开关之间切换；当桥臂从输出第二电平向输出第三电平切换时，第二内开关持续导通，电流在与第二内开关相同侧的第二外开关和第二钳位开关之间切换。在两次电流换流过程中，电流均是在与持续导通的内开关同侧的外开关、钳位开关之间换流，换流回路均较小，避免因换流回路的寄生电感而导致的较高开关应力。
图9是示出根据本公开的示例性实施例的操作桥臂从输出第三电平的第三状态改变为输出第一电平的第一状态的步骤的示例性方法的流程图。
在步骤S901中，将桥臂从第三状态切换到第三过渡状态。在第三状态、第三过渡状态中，桥臂的开关状态、电流流经路径、输出电平与参考图6所描述的相同。当桥臂从第三状态向第三过渡状态切换时，关断第二外开关，而维持其余开关的状态不变。
在步骤S903中，将桥臂从第三过渡状态切换到第四过渡状态。在第四过渡状态中，桥臂的开关状态、电流流经路径、输出电平与参考图6所描述的相同。当桥臂从第三过渡状态向第四过渡状态切换时，开通第二钳位开关，而维持其余开关的状态不变。
在步骤S905中，将桥臂从第四过渡状态切换到第二状态。在第二状态中，桥臂的开关状态、电流流经路径、输出电平与参考图4所描述的相同。当桥臂从第四过渡状态向第二状态切换时，开通第一内开关、第一钳位开关，而维持其余开关的状态不变。
在步骤S907中，将桥臂从第二状态切换到第二过渡状态。在第二过渡状态中，桥臂的开关状态、电流流经路径、输出电平与参考图4所描述的相同。当桥臂从第二状态向第二过渡状态切换时，关断第二内开关、第二钳位开关，而维持其余开关的状态不变。
在步骤S909中，将桥臂从第二过渡状态切换到第一过渡状态。在第一过渡状态中，桥臂的开关状态、电流流经路径、输出电平与参考图4所描述的相同。当桥臂从第二过渡状态向第一过渡状态切换时，关断第一钳位开关，而维持其余开关的状态不变。
在步骤S911中，将桥臂从第一过渡状态切换到第一状态。在第一状态中，桥臂的开关状态、电流流经路径、输出电平与参考图4所描述的相同。当桥臂从第一过渡状态向第一状态切换时，开通第一外开关，而维持其余开关的状态不变。
在桥臂从输出第三电平向输出第一电平切换的过程中，存在两次电流换流过程：当桥臂从输出第三电平向输出第二电平切换时，第二内开关持续导通，电流在与第二内开关相同侧的第二外开关和第二钳位开关之间切换；当桥臂从输出第二电平向输出第一电平切换时，第一内开关持续导通，电流在于第一内开关相同侧的第一外开关和第一钳位开关之间切换。在两次电流换流过程中，电流均是在与持续导通的内开关同侧的外开关、钳位开关之间换流，换流回路均较小，避免因换流回路的寄生电感而导致的较高开关应力。
如上述参考图4-图9所描述的，当桥臂处于任一状态时，在输出电流为正电流或负电流时，桥臂中的开关状态相同。因此，根据本公开中的实施例的操作有源中点钳位型三电平变换器的方法无需检测输出电流的方向，降低了操作方法的复杂度。
虽然已经参照附图描述了本公开的实施例或示例，但应理解，上述的方法、系统和设备仅仅是示例性的实施例或示例，本发明的范围并不由这些实施例或示例限制，而是仅由授权后的权利要求书及其等同范围来限定。实施例或示例中的各种要素可以被省略或者可由其等同要素替代。此外，可以通过不同于本公开中描述的次序来执行各步骤。进一步地，可以以各种方式组合实施例或示例中的各种要素。重要的是随着技术的演进，在此描述的很多要素可以由本公开之后出现的等同要素进行替换。

Claims (13)

1.一种用于操作有源中点钳位型三电平变换器的方法，所述有源中点钳位型三电平变换器包括至少一个桥臂，每个桥臂都包括多个输入端子、一个输出端子以及连接在所述多个输入端子和所述输出端子之间的多个开关，所述多个输入端子包括第一输入端子、第二输入端子、第三输入端子，所述多个开关包括第一外开关、第一内开关、第二内开关、第二外开关、第一钳位开关、第二钳位开关，其中，所述第一外开关、所述第一内开关、所述第二内开关、所述第二外开关依次串联连接，所述第一外开关的一端连接到所述第一输入端子，所述第一外开关的另一端连接到所述第一内开关，所述第一钳位开关的一端连接到所述第二输入端子，所述第一钳位开关的另一端连接到所述第一外开关与所述第一内开关的连接点，所述第二外开关的一端连接到所述第三输入端子，所述第二外开关的另一端连接到所述第二内开关，所述第二钳位开关的一端连接到所述第二输入端子，所述第二钳位开关的另一端连接到所述第二外开关与所述第二内开关的连接点，所述输出端子连接到所述第一内开关与所述第二内开关的连接点，
所述方法包括将所述桥臂从输出第一电平的第一状态改变为输出第二电平的第二状态的步骤，其中所述第一电平高于所述第二电平，所述步骤包括：
将所述桥臂从所述第一状态切换到第一过渡状态，其中，在所述第一状态中，所述第一外开关和所述第一内开关开通，所述桥臂中的其它开关关断，在所述第一过渡状态中，所述第一内开关开通，所述桥臂中的其它开关关断；
将所述桥臂从所述第一过渡状态切换到第二过渡状态，其中，在所述第二过渡状态中，所述第一内开关和所述第一钳位开关开通，所述桥臂中的其它开关关断；
将所述桥臂从所述第二过渡状态切换到所述第二状态，在所述第二状态中，所述第一内开关、所述第二内开关、所述第一钳位开关和所述第二钳位开关开通，所述桥臂中的其它开关关断。
2.如权利要求1所述的方法，还包括将所述桥臂从输出所述第二电平的所述第二状态改变为输出所述第一电平的所述第一状态的步骤，所述步骤包括：
将所述桥臂从所述第二状态切换到所述第二过渡状态；
将所述桥臂从所述第二过渡状态切换到所述第一过渡状态；
将所述桥臂从所述第一过渡状态切换到所述第一状态。
3.如权利要求1或2所述的方法，还包括将所述桥臂从输出第三电平的第三状态改变为输出所述第二电平的所述第二状态的步骤，其中所述第二电平高于所述第三电平，所述步骤包括：
将所述桥臂从所述第三状态切换到第三过渡状态，其中，在所述第三状态中，所述第二外开关和所述第二内开关开通，所述桥臂中的其它开关关断，在所述第三过渡状态中，所述第二内开关开通，所述桥臂中的其它开关关断；
将所述桥臂从所述第三过渡状态切换到第四过渡状态，在所述第四过渡状态中，所述第二内开关和所述第二钳位开关开通，所述桥臂中的其它开关关断；
将所述桥臂从所述第四过渡状态切换到所述第二状态。
4.如权利要求3所述的方法，还包括将所述桥臂从输出所述第二电平的所述第二状态改变为输出所述第三电平的所述第三状态的步骤，所述步骤包括：
将所述桥臂从所述第二状态切换到所述第四过渡状态；
将所述桥臂从所述第四过渡状态切换到所述第三过渡状态；
将所述桥臂从所述第三过渡状态切换到所述第三状态。
5.如权利要求3所述的方法，还包括将所述桥臂从输出所述第一电平的所述第一状态改变为输出所述第三电平的所述第三状态的步骤，所述步骤包括：
将所述桥臂从所述第一状态切换到所述第一过渡状态；
将所述桥臂从所述第一过渡状态切换到所述第二过渡状态；
将所述桥臂从所述第二过渡状态切换到所述第二状态；
将所述桥臂从所述第二状态切换到所述第四过渡状态；
将所述桥臂从所述第四过渡状态切换到所述第三过渡状态；
将所述桥臂从所述第三过渡状态切换到所述第三状态。
6.如权利要求3所述的方法，还包括将所述桥臂从输出所述第三电平的所述第三状态改变为输出所述第一电平的所述第一状态的步骤，所述步骤包括：
将所述桥臂从所述第三状态切换到所述第三过渡状态；
将所述桥臂从所述第三过渡状态切换到所述第四过渡状态；
将所述桥臂从所述第四过渡状态切换到所述第二状态；
将所述桥臂从所述第二状态切换到所述第二过渡状态；
将所述桥臂从所述第二过渡状态切换到所述第一过渡状态；
将所述桥臂从所述第一过渡状态切换到所述第一状态。
7.一种用于操作有源中点钳位型三电平变换器的控制装置，所述有源中点钳位型三电平变换器包括至少一个桥臂，每个桥臂都包括多个输入端子、一个输出端子以及连接在所述多个输入端子和所述输出端子之间的多个开关，所述多个输入端子包括第一输入端子、第二输入端子、第三输入端子，所述多个开关包括第一外开关、第一内开关、第二内开关、第二外开关、第一钳位开关、第二钳位开关，其中，所述第一外开关、所述第一内开关、所述第二内开关、所述第二外开关依次串联连接，所述第一外开关的一端连接到所述第一输入端子，所述第一外开关的另一端连接到所述第一内开关，所述第一钳位开关的一端连接到所述第二输入端子，所述第一钳位开关的另一端连接到所述第一外开关与所述第一内开关的连接点，所述第二外开关的一端连接到所述第三输入端子，所述第二外开关的另一端连接到所述第二内开关，所述第二钳位开关的一端连接到所述第二输入端子，所述第二钳位开关的另一端连接到所述第二外开关与所述第二内开关的连接点，所述输出端子连接到所述第一内开关与所述第二内开关的连接点，
所述控制装置配置为向所述桥臂发送控制信号，从而控制所述桥臂通过以下步骤从输出第一电平的第一状态改变为输出第二电平的第二状态，其中所述第一电平高于所述第二电平，所述步骤包括：
将所述桥臂从所述第一状态切换到第一过渡状态，其中，在所述第一状态中，所述第一外开关和所述第一内开关开通，所述桥臂中的其它开关关断，在所述第一过渡状态中，所述第一内开关开通，所述桥臂中的其它开关关断；
将所述桥臂从所述第一过渡状态切换到第二过渡状态，其中，在所述第二过渡状态中，所述第一内开关和所述第一钳位开关开通，所述桥臂中的其它开关关断；
将所述桥臂从所述第二过渡状态切换到所述第二状态，在所述第二状态中，所述第一内开关、所述第二内开关、所述第一钳位开关和所述第二钳位开关开通，所述桥臂中的其它开关关断。
8.如权利要求7所述的控制装置，还配置为向所述桥臂发送控制信号，从而控制所述桥臂通过以下步骤从输出所述第二电平的所述第二状态改变为输出所述第一电平的所述第一状态，所述步骤包括：
将所述桥臂从所述第二状态切换到所述第二过渡状态；
将所述桥臂从所述第二过渡状态切换到所述第一过渡状态；
将所述桥臂从所述第一过渡状态切换到所述第一状态。
9.如权利要求7或8所述的控制装置，还配置为向所述桥臂发送控制信号，从而控制所述桥臂通过以下步骤从输出第三电平的第三状态改变为输出所述第二电平的所述第二状态，其中所述第二电平高于所述第三电平，所述步骤包括：
将所述桥臂从所述第三状态切换到第三过渡状态，其中，在所述第三状态中，所述第二外开关和所述第二内开关开通，所述桥臂中的其它开关关断，在所述第三过渡状态中，所述第二内开关开通，所述桥臂中的其它开关关断；
将所述桥臂从所述第三过渡状态切换到第四过渡状态，在所述第四过渡状态中，所述第二内开关和所述第二钳位开关开通，所述桥臂中的其它开关关断；
将所述桥臂从所述第四过渡状态切换到所述第二状态。
10.如权利要求9所述的控制装置，还配置为向所述桥臂发送控制信号，从而控制所述桥臂通过以下步骤从输出所述第二电平的所述第二状态改变为输出所述第三电平的所述第三状态，所述步骤包括：
将所述桥臂从所述第二状态切换到所述第四过渡状态；
将所述桥臂从所述第四过渡状态切换到所述第三过渡状态；
将所述桥臂从所述第三过渡状态切换到所述第三状态。
11.如权利要求9所述的控制装置，还配置为向所述桥臂发送控制信号，从而控制所述桥臂通过以下步骤从输出所述第一电平的所述第一状态改变为输出所述第三电平的所述第三状态，所述步骤包括：
将所述桥臂从所述第一状态切换到所述第一过渡状态；
将所述桥臂从所述第一过渡状态切换到所述第二过渡状态；
将所述桥臂从所述第二过渡状态切换到所述第二状态；
将所述桥臂从所述第二状态切换到所述第四过渡状态；
将所述桥臂从所述第四过渡状态切换到所述第三过渡状态；
将所述桥臂从所述第三过渡状态切换到所述第三状态。
12.如权利要求9所述的控制装置，还配置为向所述桥臂发送控制信号，从而控制所述桥臂通过以下步骤从输出所述第三电平的所述第三状态改变为输出所述第一电平的所述第一状态，所述步骤包括：
将所述桥臂从所述第三状态切换到所述第三过渡状态；
将所述桥臂从所述第三过渡状态切换到所述第四过渡状态；
将所述桥臂从所述第四过渡状态切换到所述第二状态；
将所述桥臂从所述第二状态切换到所述第二过渡状态；
将所述桥臂从所述第二过渡状态切换到所述第一过渡状态；
将所述桥臂从所述第一过渡状态切换到所述第一状态。
13.一种有源中点钳位型三电平变换器，包括：
至少一个桥臂，每个桥臂都包括多个输入端子、一个输出端子以及连接在所述多个输入端子和所述输出端子之间的多个开关，所述多个输入端子包括第一输入端子、第二输入端子、第三输入端子，所述多个开关包括第一外开关、第一内开关、第二内开关、第二外开关、第一钳位开关、第二钳位开关，其中，所述第一外开关、所述第一内开关、所述第二内开关、所述第二外开关依次串联连接，所述第一外开关的一端连接到所述第一输入端子，所述第一外开关的另一端连接到所述第一内开关，所述第一钳位开关的一端连接到所述第二输入端子，所述第一钳位开关的另一端连接到所述第一外开关与所述第一内开关的连接点，所述第二外开关的一端连接到所述第三输入端子，所述第二外开关的另一端连接到所述第二内开关，所述第二钳位开关的一端连接到所述第二输入端子，所述第二钳位开关的另一端连接到所述第二外开关与所述第二内开关的连接点，所述输出端子连接到所述第一内开关与所述第二内开关的连接点；以及
如权利要求7-12中任一项所述的控制装置。
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