CN114649970A - 转换器 - Google Patents

Abstract

本公开的各实施例涉及转换器。一种转换器和操作转换器的方法。该转换器包括DC链路电容器、与开关单元串联的上臂和下臂、上开关和下开关。上开关和下开关被连接在一起，并且连接点形成输出电压端子。转换器还包括上阀部件和下阀部件，它们被布置为使得上阀部件允许电流从DC链路电容器的中心点流向上臂，并且下阀部件允许电流从下臂流向DC链路电容器的中心点。通过上阀部件或下阀部件的电流路径包括电感以形成谐振电路。

Description

转换器

技术领域

本发明总体涉及转换器，并且具体涉及一种多电平中性点钳位转换器。

背景技术

当电力从一种形式转换为另一形式时，多电平转换器通常与高压结合使用。采用转换器的典型转换包括直流(DC)到交流(AC)转换、DC到DC转换以及AC到DC转换。当在高压下操作时，转换器拓扑结构通常不同于与较低电压结合使用的拓扑结构。

一种用于高压的转换器拓扑结构是模块化多电平转换器(MMC)，其中转换器相脚由上臂和下臂中的多个串联连接的开关单元形成。每个开关单元包括电容器，并且电容器的电压可以被绕过或设置为串联连接以提供期望相位输出。MMC的输出电压可以通过改变串联连接的电容器的数量来逐步改变。输出电压的逐步改变使得能够产生近似正弦波的输出电压，从而导致低总谐波失真(THD)。在其他转换器方案中，输出电压由调制DC电压的脉冲宽度形成。代替输出电压的逐步改变，脉冲可以具有恒定幅度并且脉冲持续时间在调制时段中发生改变。电压的有效值由脉冲的相对长度决定。在脉宽调制输出电压中，THD可以通过增加用于产生输出电压的电压电平的数目来改善。

因为每个开关单元中都包含大电容器，所以与模块化多电平转换器有关的缺点与庞大结构有关。因为该结构中未使用DC链路，所以MMC拓扑结构中的电容器用于存储能量。进一步地，拓扑结构的另一缺点与低输出频率的操作有关。在低输出频率下，例如，如果MMC用于驱动电机，则需要进一步增加电容器的能量以维持操作。

发明内容

本发明的目的是提供一种转换器电路和操作转换器电路的方法，以减轻上述缺点。本发明的目的通过一种特征在于独立权利要求中所述的内容的方法和转换器来实现。本发明的优选实施例在从属权利要求中被公开。

本发明基于提供转换器电路的想法，其中多个开关单元被布置在转换器臂中。在电路中，通过串联连接期望数目的开关单元电容器来选择输出电压电平。所获得的输出电压电平几乎保持完整开关时段。在每个开关时段结束时，一个臂的所有开关单元电容器都被插入电路中，并且获得谐振情况。谐振通过二极管停止，从而允许能量从开关单元电容器转移到DC链路电容器。每个开关时段结束时的消隐时间具有恒定值，并且与使得能够获得良好THD的开关时段的持续时间相比较小。

开关单元中的电容器并非作为能量存储装置操作，而是用于对输出电压整形。因此，与MMC转换器中的电容器相比较时，电容器的尺寸最小。进一步地，由于DC链路电容器用作能量存储装置，所以转换器可以在低频下操作。

附图说明

在下文中参考附图借助于优选实施例对本发明进行更详细的描述，其中

图1示出了根据实施例的转换器的基本拓扑结构；

图2示出了开关单元的示例；

图3示出了开关时段的示例；以及

图4示出了转换器的电流波形和电压波形。

具体实施方式

图1示出了根据本发明一个实施例的转换器拓扑结构的基本结构。图1示出了转换器的一个相位，并且相位输出由点a形成。

该实施例的转换器包括具有中心点的DC链路电容器。在图1中，具有中心点的DC链路电容器被示为由两个串联连接的电容器组成，并且这两个电容器均具有电压U_DC，因此DC链路电容器的中心点由电容器之间的点形成，并且在图1中被示为b。

进一步地，转换器包括上臂S1和下臂S4。臂包括串联连接的开关单元。开关单元是独立控制单元，这些单元包括电容器和桥式电路。每个开关单元中的桥式电路使得能够旁路开关单元的电容器或将开关单元的电容器设置为串联连接。

转换器还包括与上臂串联连接的上开关S2和与下臂串联连接的下开关S3。上开关和下开关由可以串联连接的一个或多个开关部件构成。在下文中，上开关和下开关被称为单个部件，分别称为上开关部件和下开关部件。上开关部件S2和下开关部件S3还具有反并联二极管，以使得电流能够沿两个方向流动。

上开关部件S2和下开关部件S3被连接在一起，开关部件之间的连接点形成输出电压端子a。

上臂S1、上开关部件S2、下开关部件S3以及下臂S4的串联连接与DC链路电容器并联，如图1所示。如所提及的，在图1的示例中，DC链路电容器由两个串联连接的电容器形成。因此，在点c与点d之间形成DC链路，电容器的串联连接被连接在这两个点之间。点c和点d也是转换器的输入端子。

进一步地，转换器包括上阀部件和下阀部件。在最简单的形式中，上阀部件和下阀部件是二极管。然而，阀部件可以由一个或多个可控部件形成，诸如包括IGBT部件和MOSFET部件的开关部件。在下文中，上阀部件和下阀部件被称为上二极管D+和下二极管D-。

上二极管D+被连接在上臂与上开关部件之间的点与DC链路电容器的中心点之间。下二极管D-被连接在下臂与下开关部件之间的点与DC链路电容器的中心点之间。上二极管的极性允许电流从DC链路电容器的中心点流向上臂，并且下二极管的极性允许电流从下臂流向DC链路电容器的中心点。进一步地，根据本发明，通过上二极管和下二极管中的每个二极管的电流路径包括电感以形成谐振电路。因此，当上二极管或下二极管被正向偏置时，所形成的电流路径包括电感以形成谐振电路。在图1中，电感L_σ被示为分立部件，该分立部件被连接在上二极管D+和下二极管D-的串联连接与DC链路电容器的中心点之间。

上臂S1和下臂S4包括开关单元的串联连接。图2中示出了开关单元的示例。该示例的开关单元包括两个开关部件S_main,i和S_aux,i。主开关S_main,i位于用于旁路开关单元中的电容器的开关部件中。因此，当主开关导通时，电容器不在电流路径中。辅助开关S_aux,i用于连接电流路径中的电容器。如所提及的，臂包括开关单元的串联连接。因此，当开关单元中的多个开关单元串联连接时，串联连接的电容器的数目可以与开关一起选择。通常，开关单元的开关被控制为使得开关中的只有一个开关正在导通，以使得可以改变串联连接的电容器的数目。图2所呈现的单元拓扑结构为半桥拓扑结构，其中采用了两个开关部件。开关单元还可以使用全桥拓扑结构来实现。其他拓扑结构也可以结合开关单元使用。

在本发明的转换器中，DC电压通过上臂和上开关部件或通过下臂和下开关部件被切换到输出a。点a相对于DC链路中心点的电压取决于有源开关单元的数目。有源开关单元是指其中电容器被连接到电流路径的开关单元，即，S_aux,i正在导通而S_main,i正在阻断。当开关单元活动时，它们的电压会降低输出电压。例如，考虑上开关S2正在导通而下开关S3正在阻断。如果上臂中的所有电容器都被旁路，则DC链路的中心点与输出a之间的电压为U_DC，U_DC为DC链路的一半的电压。当开关单元在上臂S1中活动时，点a的电压降低了有源开关单元的电压的幅度，即，Ua＝U_DC-Uc，其中Ua是DC链路的中心点与输出a之间的电压，U_DC是DC链路的一半的电压，并且Uc是开关单元电容器的电压。当多个开关单元活动时，点a的电压进一步降低。因此，对于图1的拓扑结构，输出电压电平可以被改变。开关单元的数目不限于任何特定数目。随着数目的增加，则输出a处可用的电压电平更多。

操作时，通常向转换器提供电压参考。转换器的控制器通过选择所需数目的开关单元来实现电压参考。开关单元被激活，并且产生电压电平。由于转换器能够产生不同的电压电平，所以转换器并非基于脉宽调制方案来操作，其中开关时段中的平均电压电平通过在所计算的时段内使恒定DC链路电压处于活动状态来获得。相反，通过本发明的转换器，选定电压电平在几乎完整的开关时段内产生，如图3所示。图3示出了开关时段T_s，该开关时段T_s由激活时间或导通时间T_on和消隐时间t_b组成。图3还示出了前一开关时段的结束和下一开关时段的开始，并且可以看出，在该示例中，电压电平在连续开关时段内增加。

因此，转换器的拓扑结构允许选择电压电平并且在作为固定时段的导通时间T_on内将电压电平切换到输出。进一步地，当电压变为零时，消隐时间t_b也具有固定长度。

转换器的操作原理基于谐振。在以下示例中，在电流正在(即，通过连接点a)流出到所连接的系统的情况下，对转换器的操作进行了解释，并且输出电压为正。下臂不会被操作，并且在下臂的开关单元中的每个开关单元中，主开关和辅助开关均处于阻断状态。在导通时间T_on期间，上臂S1中的若干个开关单元被插入，以便在端子a处实现期望输出电压。进一步地，上开关S2正在导通而下开关S3正在阻断。

一旦开关单元在上臂S1中被插入或激活，则正二极管D+被反向偏置。随着电流正在流过上臂S1，有源单元正在充电。在导通时间T_on结束时，所有被旁路的开关单元被再次插入，以使上臂S1与DC链路电压U_DC有效并联。

当所有开关单元被插入时，消隐时间t_b开始。上臂中的开关单元的电压超过DC链路U_DC的电压，并且正二极管D+被正向偏置，并且该正二极管D+开始导通。在电流路径的电感L_σ两端看到的电压降等于DC链路电容器电压U_DC与上臂电压之间的差异，并且谐振发生在由DC链路电容器、上臂的电容器、正二极管D+以及电感形成的电流路径中。因为只有开关部件的电阻和连接电阻位于电流路径中，所以该电路无阻尼。

在谐振开始时，电流流过正二极管D+并且从上臂电容器流向DC链路。在正二极管被反向偏置时，谐振电流无法改变其方向。因此，谐振持续谐振时段的一半，并且在电流被阻断时停止。

谐振时段由下式给出：

其中L_σ是谐振路径的电感；

n是臂中的单元的数目；

C_cell是一个开关单元的电容；

C_dc是DC链路电容的一半。

由于Lσ很小并且C_cell相对于C_dc很小，所以谐振时段比开关时段短得多，这导致t_b/T_on比例很小。小比例意味着高输出电压质量。

在操作中，当消隐时间结束时，启动新调制并且选择新电压电平。

在正输出电压和流入电流的情况下，转换器电路的操作与上述类似，不同之处在于下开关S3用于导通LC谐振，而上开关S2正在阻断。在导通时间T_on期间，由于电流方向为去往转换器，所以上开关S2的反并联二极管正在导通，并且下开关S3正在处于阻断状态。通过上臂S1中的有源开关单元的数量再次选择输出电压。由于电流方向朝向转换器，即，电流正在通过相位输出a流向转换器，所以有源开关单元中的电容器正在放电。

在消隐时间t_b期间，插入所有单元并且接通下开关S3，并且臂S1与DC链路并联。谐振通过上臂S1、下开关S3、负二极管D-以及电感发生。再者，在谐振时段的一半时，负二极管D-被反向偏置，并且下开关S3可以关断。可以在没有电流流过部件的情况下进行关断。在消隐时间结束时，操作继续到下一开关时段。

图4示出了使用本发明的转换器获得的波形的示例。在图4的左绘图中，示出了完整输出电压时段内的电压波形和电流波形。右绘图示出了左绘图的详细波形。在右绘图中，输出电压为正，输出电流为正，即，从转换器流出。如所见，在给定正弦波参考电压时，脉冲的电压电平被改变以表示正弦波。在右绘图中可以看出，在导通时间T_on期间电压如何略微减小。电压电平的减小由于有源开关单元的充电所致。进一步地，在消隐时间期间，单元电压被示为增加。电压的增加由于谐振以及看到电路中的电感两端的电压这一事实所致。

在图1的示例中，谐振所需的电感被示为分立电感部件。然而，电感可以通过电路的布局或分立部件和布局的组合来获得。众所周知，每个物理电路都有一定电感值。该值可能会以已知方式受到布局考虑因素的影响。谐振的要求设置了电感的限制。

还应当指出，在所提出的转换器拓扑结构中，DC链路电容器的平衡可以以与常用中性点钳位(NPC)转换器类似的方式来实现。

在本发明的转换器的操作方法中，获得电压参考。然后，确定实现电压参考所需的开关单元的数目。所确定的数目的开关单元在所确定的导通时间T_on内激活到电流路径。当所确定的时段导通时间T_on期满时，所讨论的臂的所有开关单元在消隐时间段t_b内激活到电流路径。消隐时间之后，新开关时段开始，并且操作继续。

以已知方式，排序算法可以用于平衡臂内的单元电压。进一步地，臂电压(即，臂中的电容器电压之和)也维持在给定偏差内。开关单元电容器的电容可以使用以下方程计算：

C_cell＝I_pkT_s/(δV_cellV_DC/n)

其中

I_pk是最大峰值电流；

T_s是开关时段的持续时间；

δV_cell为单元允许的标称电压偏差；

V_DC是DC链路电压的一半；以及

n是臂中的开关单元的数目。

如所提及的，谐振时段的持续时间已知，因此峰值电流取决于V_DC与臂电压之间的差异。

在转换器中，谐振电路无阻尼，因此电流路径上没有添加电阻器。由于电阻几乎为零，所以几乎所有被递送到臂的能量都在消隐时间期间被传递回到DC链路。

操作时，DC链路作为能量缓冲器操作，而臂负责电压整形，不需要像模块化多电平转换器那样充当例如能量存储装置。在导通时间T_on期间，能量大部分从DC链路被递送到输出端子，仅部分被递送到臂中的电容器。在消隐时间期间，能量使用谐振从臂被反馈到DC链路。

上开关S2和下开关S3的切换功能与功率因数有关。例如，如果功率因数为1，则开关在基频下操作。

进一步地，由于开关总是通过反并联二极管的导通而关断，所以上开关S2和下开关S3可能具有零电压关断。

根据本发明的实施例，臂中的开关单元被一个接一个地激活，其中每次激活之间的时间段很短。当没有同时激活单元时，输出电压不会一步改变到所需值。当以连续方式激活时，可以控制输出电压的改变率。当使用长输出电缆时，降低的dV/dt可能会降低EMI频率并且减少电压反射。

具有DC链路作为能量缓冲器代替开关单元的电容器的事实使得能够操作本发明的转换器来以低频驱动电机。在本发明的转换器中，由于只有开关频率和额定值具有影响，所以基频与转换器电容器能量完全解耦。

对于本领域技术人员而言，显而易见的是，随着技术的进步，可以以各种方式实现本发明概念。本发明及其实施例不限于上文所描述的示例，而是可以在权利要求的范围内发生变化。

Claims (10)

1.一种转换器，具有：

DC链路电容器，具有中心点(b)；

上臂(S1)和下臂(S4)，两个臂包括串联连接的开关单元，每个开关单元具有电容器和桥式电路以旁路所述电容器或将所述电容器设置为处于串联连接；

上开关(S2)，与所述上臂串联连接；

下开关(S3)，与所述下臂串联连接；

所述上开关(S2)和所述下开关(S3)被连接在一起，并且所述连接点形成输出电压端子(a)；并且

所述上臂、所述上开关、所述下开关以及所述下臂的所述串联连接与所述DC链路电容器并联连接；

所述转换器还包括上阀部件(D+)和下阀部件(D-)；

所述上阀部件被连接到所述上臂与所述上开关之间的点、以及被连接到所述DC链路电容器的所述中心点；并且

所述下阀部件被连接到所述下臂与所述下开关之间的点、以及被连接到所述DC链路电容器的所述中心点；

所述阀部件被布置为使得所述上阀部件允许电流从所述DC链路电容器的所述中心点流向所述上臂，并且所述下阀部件允许电流从所述下臂流向所述DC链路电容器的所述中心点；

其中通过所述上阀部件和/或所述下阀部件的电流路径包括电感以形成谐振电路。

2.根据权利要求1所述的转换器，其中所述电感是被连接到所述电流路径的分立电感元件。

3.根据权利要求1或2所述的转换器，其中所述谐振电路包括所述DC链路电容器和所述开关单元的所述电容器。

4.根据权利要求1、2或3所述的转换器，其中由于所述电流路径的布局，所述电感是寄生电感。

5.根据前述权利要求1至4中任一项所述的转换器，其中所述上阀部件和所述下阀部件是二极管。

6.根据前述权利要求1至4中任一项所述的转换器，其中所述上阀部件和所述下阀部件是可控开关部件。

7.根据前述权利要求1至6中任一项所述的转换器，其中所述上开关和所述下开关中的每个开关均由单个开关部件组成。

8.根据前述权利要求1至6中任一项所述的转换器，其中所述上开关和所述下开关中的每个开关均包括开关部件的串联连接。

9.根据前述权利要求1至8中任一项所述的转换器，其中所述臂中的所述开关单元适于在每次激活之间的短时间段内被一个接一个地激活。

10.一种操作根据权利要求1所述的转换器的方法，其中所述方法包括：获得电压参考；

确定获得与所述电压参考相对应的输出电压所需的开关单元的数目；

在所确定的导通时间(T_on)时段内将所述开关单元的所确定的数量的电容器连接到所述电流路径；以及

在所确定的导通时间(T_on)之后，在消隐时间(t_b)的持续时间内，将所有开关单元的电容器连接到所述电流路径。

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