CN219980665U - 模块化多电平转换器及系统 - Google Patents

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Abstract

本实用新型涉及一种配置有电路拓扑的模块化多电平转换器，能够关于预定的输出电压电平来配置。利用相同数量的半导体开关，与先前的模块化多电平转换器相比，能够实现更多数量的电压电平。取决于给定的问题，该AC电流的最大输出电压能够从显著低于该DC电流的输入电压的值变化到这些值的倍数。通用电路拓扑能够通过能够布置成行的电压电平单元的可重复布置来适应期望数量的电压电平，且通过多个子模块的对应选择来适应多相负载。此外，要求保护用于布置具有将DC电流转换成AC电流的开关电容器的通用多电平转换器开关拓扑的方法。配置有根据本实用新型的电路拓扑的这种多电平转换器有利地具有用于平衡其子模块中的电容器电压的固有能力。

Description

模块化多电平转换器及系统
技术领域
本实用新型涉及一种模块化多电平转换器，其中相应子模块包括经由半导体开关连接的至少一个电容器。介绍了一种通用电路，其可扩展到预定数量的电压电平。
背景技术
功率转换器已被证明在日常生活中的许多应用中非常有用。例如，它们将由光伏生成的直流电转换成AC功率，就像它们将电池组的DC电压转换成例如计算机系统的独立(AC)功率一样。相反，它们可以被配置为从低压电网对电池组充电的整流器。它们对于由电动车辆或部分电动车辆、船舶或机车携带的电池组包供电的牵引机也特别有意义。
然而，具有三相电流的这种牵引机的传统三相供电不一定代表最佳可能的系统解决方案。例如，多相电机(即具有多于三相的电机)提供了潜在的优势，诸如在扩展的相数上改善的功率分配、更低的转矩波动或更好的误差容限。然而，无论扩展的相数如何，DC/AC转换器具有决定性的重要性，因为它对于电机的适当参数控制具有多种可能性。
传统的H桥逆变器、级联H桥逆变器、Z源逆变器、多电平转换器和模块化多电平转换器都是这种转换器的示例。近年来，多电平转换器因其优于传统的三电平脉冲持续时间调制的优势(例如，输出中的谐波更小或对较高电压的适用性)而特别引人注目。然而，当使用传统电路拓扑时，实现更高电压电平的复杂性和成本由于诸如半导体开关、栅极驱动器和电容器之类的必要部件的数量的指数增长而过度增加，例如，如在Vijeh，M.Rezanejad、E.Samadaei和K.Bertilsson的“A General Review of Multilevel Inverters Based onMain Submodules:Structural Point of View”，载于IEEE Transactions on PowerElectronics，第34卷，第10期，第9479-9502页，2019年10月，doi：10.1109/TPEL.2018.2890649中所描述的。
此外，对于多电平换流器，必须考虑不平衡电容器电压引起的风险。因此，将多电平转换器的子模块的电容器电压平衡到它们的标称值是相数扩展的主要障碍。一种可能的方法是实现了具有自平衡电容器电压的电路，例如在C.Gao和J.Lv的“A New Parallel-Connected Diode-Clamped Modular Multilevel Converter With Voltage Self-Balancing”，载于IEEE Transactions on Power Delivery，第32卷，第3期，第1616-1625页，2017年6月，doi:10.1109/TPWRD.2017.2670662中所描述的。本文描述了一种并联连接的三点逆变器拓扑，其中每条链具有两组并联连接的子模块。在这种电路拓扑中，子模块的电容器电压自动平衡，使得监控控制器被废弃，但是部件有相当大的增加。
替代地，N.Tashakor、M.Kilictas、E.Bagheri和S.Goetz，“Modular MultilevelConverter With Sensorless Diode-Clamped Balancing Through Level-AdjustedPhase-Shifted Modulation”，载于IEEE Transactions on Power Electronics，第36卷，第7期，第7725-7735页，2021年7月，doi：10.1109/TPEL.2020.3041599提出了一种具有单个子模块链的三点逆变器拓扑，这可以被认为是具有自平衡电容器电压的最简单的三点逆变器拓扑。然而，这种拓扑可能在特别不平衡的系统中充满效率损失。
电力电子中的开关电容器电路是近年来高度发展的另一个领域。具有这种开关电容器的转换器通过重新配置电容器的串联/并联连接来改变电压，因此类似于级联桥逆变器或模块化多电平转换器。借助于由这种开关电容器和多电平转换器的部件组成的电路拓扑，可以在不修改的情况下生成DC和AC电流，有时甚至具有经由相同晶体管的电流路径。然而，到目前为止，开关电容器的这种仪器化被添加到各个子模块之间的模块化多级功能中，并且不发生在各个子模块内，这就是为什么同样需要大量部件，诸如晶体管和/或电容器，有时甚至二极管。
尽管前述多电平转换器的最新发展已经展示了它们令人感兴趣的可能性，诸如提供大量输出电压或集成电压放大。大多数现有的电路拓扑仅具有有限数量的输出电压电平和有限的放大率。另外，对于多电平转换器，平衡电容器电压至关重要，应在电路拓扑或控制中予以考虑。
实用新型内容
鉴于此，本实用新型的目的是提供一种用于布置多相多电平转换器的电路拓扑的方法，该方法可以容易地适用于预定数量的相电流，并且能够生成最大输出电压远高于由DC电流源供应的输入电压的交流电。这将借助于低压电容器来实现。此外，子模块中的电容器电压应该能够彼此自动平衡。此外，将提供配置有电路拓扑的模块化多电平转换器。
为了实现上述目的，提出了一种用于根据模块化多电平转换器的电路拓扑来布置电路的方法，其中模块化多电平转换器包括控制器和至少一个子模块，并且其中根据至少一个子模块中的电路拓扑来布置多个半导体开关和多个中间电路电容器。电路拓扑在下输入连接与上输入连接之间提供了第一中间电路电容器以及与其并联的第一半桥。此外，与其并联，它提供了连接到下输入连接并经由第七半导体开关连接到上输入连接的第二半桥和第三半桥。此外，它提供了第二中间电路电容器，该第二中间电路电容器布置在第一半桥的中心抽头与第二半桥和第三半桥到第七半导体开关的连接之间。根据预定数量的电压电平，可以通过每个选择性可重复电压电平单元将电路拓扑扩展两个电压电平。在第二半桥和第三半桥中，相应上半导体开关由控制器与相应下半导体开关互补地切换。下输入连接或者连接到第一相邻子模块的上输入连接或者连接到DC电流源的负极。上输入连接或者连接到第二相邻子模块的下输入连接或者连接到DC电流源的正极。借助于两个半桥处的相应中心抽头来提供相应输出连接。
相应可重复电压电平单元包括相应中间电路电容器、相应半桥和相应半导体开关。相应中间电路电容器的一端连接到相应半桥的中心抽头，而另一端连接到相应半导体开关，其中相应半导体开关又连接到相应半桥的上端。相应可重复电压电平单元可以经由电路拓扑中的三个连接继续集成：第一连接由相应半桥的下端形成，并且分别连接到第一半桥的中心抽头。第二连接由相应半桥的上端布置，并且第三连接布置在相应半桥与相应中间电路电容器之间的连接处，其中第二连接和第三连接插置在第七半导体开关与另外两个半桥的连接之间。
因此，根据本实用新型的电路拓扑以其基本形式提供了五个电压电平(没有选择性可重复电压电平单元)。通过相应可重复电压电平单元，这分别被扩展了两个电压电平。
当选择相应半导体开关类型时，应该考虑第一半桥的下半导体开关或上半导体开关可以分别包括内部反并联二极管，但是所述二极管不是绝对必要的，也可以省略。另一方面，第二半桥和第三半桥的下半导体开关或上半导体开关必须分别包括内部反并联二极管，而它们对于第二半桥和第三半桥的相应其他上半导体开关或下半导体开关中的负载的预期电源不是必需的。除此之外，在半桥之外的任何另外半导体开关中不允许这种内部反并联二极管。
在根据本实用新型的方法的一个实施方案中，至少一个子模块在其相应输出连接处连接到负载的一相。通过借助于脉冲持续时间调制来控制半导体开关，从而生成交流电。
在根据本实用新型的方法的另一实施方案中，根据负载的预定数量的相选择多个子模块，并且子模块彼此串联连接。因此，根据本实用新型的电路拓扑有利地允许具有低电压中间电路电容器的配置，即使DC电流源具有高电压范围内的端电压VDC。在输出连接处供应的输出电压可以是所述端电压的几分之一到几倍。N个子模块经由它们的下输入连接和上输入连接而被彼此串联，从而提供了具有N(输出)相的多端口多相逆变器。
具有多相的负载也称为多相负载。通过根据本实用新型的多个子模块的布置，子模块的所有中间电路电容器在DC电流源的电压电平下自平衡。这有利地避免了电压传感器的其他必要布置(从现有技术中已知)或昂贵的控制技术。
对于数量为NL的电压电平，根据本实用新型的电路拓扑包括作为每个子模块的部件的数量为NS的半导体开关，
以及对于数量为NS的半导体开关数量为NC的中间电路电容器,
其中根据上面关于内部反并联二极管的描述，这产生了必须不包括这种二极管的数量NNA个的半导体开关，
必须包括这种二极管的数量NWA个的半导体开关，
NWA＝2， (4)
以及可以但不一定必须包括这种二极管的数量NOW个的半导体开关，NOW＝NL-1，(5)。
由串联连接提供的多端口多相逆变器因此包括N乘NC个中间电路电容器和N乘NS个半导体开关。每个子模块的电压电平的可能数量NL可以根据多相负载的要求来选择，其中由相应子模块供应的相应相电压可以在这些NL电压电平内变化。原则上，不同数量的电压电平单元也可以布置在相应子模块中。
对于N个相同的子模块，以下适用于串联连接的第一中间电路电容器的电容Ci1：
C11＝C21＝…＝CN1， (6)
这就是为什么它们各自的电容器电压也匹配：
由于具有端电压VDC的DC电流源和一系列第一中间电路电容器形成电路，因此适用以下情况：
或
从等式(9)可以得出，与DC电流源相比，根据本实用新型的电路拓扑对于第一中间电路电容器具有固有电压降低。
与电容器电压相比，相电压Vi可以通过第i个子模块的电压电平单元的根据本实用新型的可重复布置被调节到期望值。对于NL电压电平，此值由下式给出
可以供应的相电压Vi可以提高到DC电流源的端电压VDC之上，条件是
NL>2N+1 (11)。
无论电压电平NL的数量如何，都应该适当地选择相应部件，以便满足VDC/N除了第二半桥和第三半桥之外的所有半导体开关的标称电容器电压或漏源电压。另一方面，第二半桥和第三半桥的半导体开关应该能够持续至多(NL-1)VDC/2N的漏源电压。
在根据本实用新型的方法的又一实施方案中，根据负载的预定数量的相选择多个子模块，并且子模块彼此并联连接。
在根据本实用新型的方法的另一实施方案中，为了生成DC电压，至少一个子模块中的控制器选择性地将第二半桥中的上半导体开关切换为断开，并且将第三半桥中的上半导体开关切换为闭合，或者将第二半桥中的下半导体开关切换为断开，并且将第三半桥中的下半导体开关切换为闭合。取决于负载要求，至少一个子模块中的控制器将至少一个中间电路电容器切换到连接到输出连接的(DC)电路中。至少一个子模块的所有中间电路电容器的旁路也是可能的。
在根据本实用新型的方法的又一实施方案中，第二半桥的第一输出连接和到下输入连接的连接被连接到第一相邻子模块的对应连接。第三半桥的第二输出连接和到上输入连接的连接被连接到第二相邻子模块的对应连接。通过在具有串联和并联连接的模块化多电平转换器中已知的并联开关状态的仪器化，生成了对总DC电压输出的贡献。一种具有串联和并联连接的模块化多电平转换器，缩写为MMSPC，例如在Goetz,S.M.；Peterchev,A.V.；Weyh,T.,“Modular Multilevel Converter With Series and Parallel ModuleConnectivity:Topology and Control”，载于Power Electronics,IEEE Transactions on第30卷，第1期，第203,215页，2015年，doi：10.1109/TPEL.2014.231022中所描述的。由于根据本实用新型的实施方案，在并联切换状态下，可以在经由相应输入连接彼此连接的子模块链中并联切换相应相邻子模块中的相应中间电路电容器，即原则上切换到所有子模块的所有中间电路电容器。
在根据本实用新型的方法的继续的其他实施方案中，第四半桥和第五半桥与第二半桥和第三半桥并联布置。第四半桥和第五半桥处的相应中心抽头连接到第一相邻子模块的对应连接。第二半桥和第三半桥的相应输出连接连接到第二相邻子模块的对应连接。由控制器在相应输出连接处生成交流电，其中由于附加的第四半桥和第五半桥，相邻子模块的相应中间电路电容器可以并联连接。
此外，要求保护模块化多电平转换器，其中模块化多电平转换器包括控制器和至少一个子模块。在至少一个子模块中，根据电路拓扑布置多个半导体开关和多个中间电路电容器。电路拓扑在下输入连接与上输入连接之间提供了第一中间电路电容器和与其并联的第一半桥。此外，与其并联，它提供了连接到下输入连接并经由第七半导体开关连接到上输入连接的第二半桥和第三半桥。此外，它提供了第二中间电路电容器，该第二中间电路电容器被布置在第一半桥的中心抽头与第二半桥和第三半桥到第七半导体开关的连接之间。根据预定数量的电压电平，可以通过每个选择性可重复电压电平单元将电路拓扑扩展两个电压电平。控制器被配置成在第二半桥和第三半桥中将相应上半导体开关与相应下半导体开关互补地切换。下输入连接或者连接到第一相邻子模块的上输入连接或者连接到DC电流源的负极。上输入连接或者连接到第二相邻子模块的下输入连接或者连接到DC电流源的正极。借助于相应中心抽头在两个半桥上提供相应输出连接。
在根据本实用新型的模块化多电平转换器的配置中，至少一个子模块在其相应输出连接处连接到负载的相，其中控制器被配置成借助于脉冲持续时间调制来生成交流电。
在根据本实用新型的模块化多电平转换器的另外配置中，根据负载的预定数量的相选择子模块的数量。子模块彼此串联连接。
在根据本实用新型的模块化多电平转换器的又一配置中，根据负载的预定数量的相选择多个子模块。子模块并联连接到DC电流源。
在根据本实用新型的模块化多电平转换器的另一个配置中，为了生成DC电压，至少一个子模块的控制器选择性地将第二半桥中的上半导体开关切换为断开，并且将第三半桥中的上半导体开关切换为闭合，或者将第二半桥中的下半导体开关切换为断开，并且将第三半桥中的下半导体开关切换为闭合。
在根据本实用新型的模块化多电平转换器的又一配置中，第二半桥的第一输出连接和到下输入连接的连接被连接到第一相邻子模块的对应连接。第三半桥的第二输出连接和到上输入连接的连接被连接到第二相邻子模块的对应连接。控制器被配置成通过在具有串联和并联连接的模块化多电平转换器中的并联开关状态的仪器化来生成相应子模块对总DC电压输出的贡献。
在根据本实用新型的模块化多电平转换器的继续的其他配置中，第四半桥和第五半桥与第二半桥和第三半桥并联布置。第四半桥和第五半桥处的相应中心抽头连接到第一相邻子模块的对应连接。第二半桥和第三半桥的相应输出连接连接到第二相邻子模块的对应连接。控制器被配置成在相应输出连接处生成交流电。由于附加的第四半桥和第五半桥，相邻子模块的相应中间电路电容器可以并联连接。
有利地，可以在根据本实用新型的模块化多电平转换器中使用低压电容器或替代地低压能量存储单元，以处理高压范围内的DC功率输入并提供AC功率输出，从而保持总成本和安装空间非常低。根据本实用新型的模块化多电平转换器有利地允许具有介于4.2V(三电平六相系统)与400V(九电平单相系统)之间的幅度的输出交流电压用于例如具有100V端电压的电池组包作为DC电流源。
此外，要求保护一种系统，该系统包括DC电流源、具有至少一相的负载和根据本实用新型的模块化多电平转换器，其中模块化多电平转换器被配置成执行根据本实用新型的方法。系统例如是车辆牵引系统的一部分，其中负载是电动机。
总体上，本实用新型在此提供下述1、8和15的技术方案，下述2-7和9-14为本实用新型的优选技术方案：
1.一种用于根据模块化多电平转换器的电路拓扑布置电路的方法，其中所述模块化多电平转换器包括控制器和至少一个子模块，其中在所述至少一个子模块中，根据所述电路拓扑布置多个半导体开关和多个中间电路电容器，其中所述电路拓扑在下输入连接与上输入连接之间提供第一中间电路电容器和与其并联的第一半桥，此外还提供与其并联的第二半桥和第三半桥，所述第二半桥和所述第三半桥连接到所述下输入连接并且经由第七半导体开关连接到所述上输入连接，并且此外还提供第二中间电路电容器，所述第二中间电路电容器布置在所述第一半桥的中心抽头与所述第二半桥和所述第三半桥到所述第七半导体开关的所述连接之间，其中所述电路拓扑能够根据预定数量的电压电平通过选择性可重复电压电平单元分别扩展两个电压电平，其中所述控制器在所述第二半桥和所述第三半桥中将相应上半导体开关与相应下半导体开关互补地切换，其中所述下输入连接连接到第一相邻子模块的上输入连接或连接到DC电流源的负极，并且所述上输入连接连接到第二相邻子模块的下输入连接或连接到所述DC电流源的正极，并且其中通过所述相应中心抽头，在所述两个半桥处提供相应输出连接。
2.根据前述项1所述的方法，其中所述至少一个子模块在其相应输出连接处连接到负载的相，并且其中所述半导体开关的所述控制器借助于脉冲持续时间调制来生成交流电。
3.根据前述项1或2所述的方法，其中根据负载的预定数量的相选择多个子模块，并且所述子模块彼此串联连接。
4.根据前述项1或2所述的方法，其中根据所述负载的预定数量的相选择多个子模块，并且所述子模块并联连接到所述DC电流源。
5.根据前述项1所述的方法，其中为了生成DC电压，至少一个子模块中的所述控制器选择性地将所述第二半桥中的所述上半导体开关切换为断开，并且将所述第三半桥中的所述上半导体开关切换为闭合，或者将所述第二半桥中的所述下半导体开关切换为断开，并且将所述第三半桥中的所述下半导体开关切换为闭合。
6.根据前述项1所述的方法，其中所述第二半桥的第一输出连接以及与所述下输入连接的连接连接到所述第一相邻子模块的对应连接，其中所述第三半桥的第二输出连接以及与所述上输入连接的连接连接到所述第二相邻子模块的对应连接，并且其中通过在具有串联和并联连接的模块化多电平转换器中的并联开关状态的仪器化来生成对总DC电压输出的贡献。
7.根据前述项1所述的方法，其中第四半桥和第五半桥与所述第二半桥和所述第三半桥并联布置，其中所述第四半桥和所述第五半桥处的相应中心抽头连接到所述第一相邻子模块的对应连接，其中所述第二半桥和所述第三半桥的所述相应输出连接连接到所述第二相邻子模块的对应连接，并且其中所述控制器在所述相应输出连接处生成交流电，其中由于附加的所述第四半桥和所述第五半桥，相邻子模块的所述相应中间电路电容器并联连接。
8.一种模块化多电平转换器，其中所述模块化多电平转换器包括控制器和至少一个子模块，其中在所述至少一个子模块中，根据电路拓扑布置多个半导体开关和多个中间电路电容器，其中所述电路拓扑在下输入连接与上输入连接之间提供第一中间电路电容器和与其并联的第一半桥，此外还提供与其并联的第二半桥和第三半桥，所述第二半桥和所述第三半桥连接到所述下输入连接并且经由第七半导体开关连接到所述上输入连接，并且此外还提供第二中间电路电容器，所述第二中间电路电容器布置在所述第一半桥的中心抽头与所述第二半桥和所述第三半桥到所述第七半导体开关的所述连接之间，其中所述电路拓扑能够根据预定数量的电压电平通过选择性可重复电压电平单元分别扩展两个电压电平，其中所述控制器被配置成在所述第二半桥和所述第三半桥中将相应上半导体开关与相应下半导体开关互补地切换，其中所述下输入连接连接到第一相邻子模块的上输入连接或连接到DC电流源的负极，并且所述上输入连接连接到第二相邻子模块的下输入连接或连接到所述DC电流源的正极，并且其中通过所述相应中心抽头，在所述两个半桥处提供相应输出连接。
9.根据前述项8所述的模块化多电平转换器，其中所述至少一个子模块在其相应输出连接处连接到负载的相，并且其中所述控制器被配置成借助于脉冲持续时间调制来生成交流电。
10.根据前述项8或9所述的模块化多电平转换器，其中根据负载的预定数量的相选择多个子模块，并且所述子模块彼此串联连接。
11.根据前述项8或9所述的模块化多电平转换器，其中根据所述负载的预定数量的相选择多个子模块，并且所述子模块并联连接到所述DC电流源。
12.根据前述项8所述的模块化多电平转换器，其中为了生成DC电压，所述控制器被配置成选择性地保持所述第二半桥中的所述上半导体开关断开并且所述第三半桥中的所述上半导体开关闭合，或者所述第二半桥中的所述下半导体开关断开并且所述第三半桥中的所述下半导体开关闭合。
13.根据前述项8所述的模块化多电平转换器，其中所述第二半桥的第一输出连接和到所述下输入连接的连接连接到所述第一相邻子模块的对应连接，其中所述第三半桥的第二输出连接和到所述上输入连接的连接连接到所述第二相邻子模块的对应连接，并且其中所述控制器被配置成通过在具有串联和并联连接的模块化多电平转换器中的并联开关状态的仪器化来生成相应子模块对总DC电压输出的贡献。
14.根据前述项8所述的模块化多电平转换器，其中第四半桥和第五半桥与所述第二半桥和所述第三半桥并联布置，其中所述第四半桥和所述第五半桥处的相应中心抽头连接到所述第一相邻子模块的对应连接，其中所述第二半桥和所述第三半桥的所述相应输出连接连接到所述第二相邻子模块的对应连接，并且其中所述控制器被配置成在所述相应输出连接处生成交流电，其中由于附加的所述第四半桥和所述第五半桥，相邻子模块的所述相应中间电路电容器并联连接。
15.一种系统，其中所述系统包括DC电流源、具有至少一相的负载以及根据前述项8至14中任一项所述的模块化多电平转换器，其中所述模块化多电平转换器被配置成执行根据前述项1至7中任一项所述的方法。
附图说明
本实用新型的附加优点和配置来自说明书和附图。
不言而喻，上述特征和下面将要解释的特征不仅可以以各自指定的组合使用，而且可以以其他组合或它们自身使用，而不脱离本实用新型的范围。
连续且全面地描述了这些附图，并且相同的部件与相同的附图标记相关联。
图1示出了根据本实用新型的电路拓扑的配置中的一般电路图。
图2示出了根据本实用新型的电路拓扑的另外配置中具有不同数量的电压电平单元的电路图。
图3示出了根据本实用新型的电路拓扑的又一配置中具有五个电压电平的电路图中的电流路径。
图4示出了根据本实用新型的电路拓扑的半导体开关的选择。
图5示出了根据本实用新型的电路拓扑的第二半桥和第三半桥的控制方案。
图6示意性地示出了根据本实用新型的电路拓扑的配置中的电路。
图7示意性地示出了根据本实用新型的多电平转换器的配置中的子模块的并联连接。
图8示意性地示出了根据本实用新型的多电平转换器的另外配置中的子模块的串行连接。
图9示出了根据本实用新型的电路拓扑的另一配置中的DC电压输出的两个替换电路图。
图10示出了根据本实用新型的电路拓扑的又一配置中具有并联功能的另外两个电路图。
具体实施方式
在图1中，在根据本实用新型的电路拓扑的配置中示出了用于第i个子模块的通用电路拓扑100。第一中间电路电容器Ci1111以及与其并联的具有第五半导体开关Si5105和第六半导体开关Si6106的第一半桥布置在下输入连接131与上输入连接132之间。此外，与其并联，具有第一半导体开关Si1 101和第二半导体开关Si2 102的第二半桥以及具有第三半导体开关Si3 103和第四半导体开关Si4 104的第三半桥连接到下输入连接131，并且经由分别可重复电压电平单元120和第七半导体开关Si7 107连接到上输入连接132。此外，第二中间电路电容器Ci2布置在第一半桥的中心抽头与第七半导体开关Si7107之间。通过第二半桥和第三半桥处的相应中心抽头，在输出连接139处向负载提供输出电压。可重复电压电平单元120包括第三中间电路电容器Ci3，包括第八半导体开关Si8108和第九半导体开关Si9109的另外半桥，以及第十半导体开关。通过分别重复电压电平单元120，通用电路拓扑100被分别扩展了两个电压电平，由此输出电压可以有利地根据预定数量的电压电平而变化。
图2示出了根据本实用新型的电路拓扑的另外配置中具有不同数量的电压电平单元的电路图230、250、270、290。虽然通过省略具有半导体开关105和106的第一半桥以及另外部件107和112，可以从图1中的通用电路拓扑100中导出现有技术中已知的三电平电路拓扑230，但是通过省略电压电平单元120、通过布置一次电压电平单元120以及通过布置两次图1的电压电平单元120，可以对应地获得五电平电路拓扑250、七电平电路拓扑270和九电平电路拓扑290。在九电平电路拓扑290中，重复布置添加了重复的第八半导体开关Si11208、重复的第九半导体开关Si12209、重复的第十半导体开关Si13210和重复的第三中间电路电容器Ci4213。
图3示出了根据本实用新型的电路拓扑的又一配置中具有五个电压电平的电路图310、320、330、340、350、360、370中的电流路径321、331、341、351、361、371。使用五电平电路拓扑310，示出了电路图320中的第一零电压电平路径321、电路图330中的正电压电平路径331、电路图340中的负电压电平路径341、电路图350中的第二零电压电平路径351、电路图360中的双正电压电平路径361和电路图370中的双负电压电平路径371。因此，示出了六个不同的电流路径321、331、341、351、361、371，从而产生了五个电压电平这经由七个(功率)半导体开关Si1 101、Si2 102、Si3103、Si4 104、Si5 105、Si6 106、Si7 107和两个中间电路电容器Ci1 111和Ci2 112来实现，其中在第二半桥和第三半桥中，相应上半导体开关Si1 101和Si3 103与相应下半导体开关Si2102和Si4 104互补地切换。应当注意，第二半桥和第三半桥的下半导体开关(Si2 102和Si4104)或上半导体开关(Si1 101和Si3 103)分别包括内部反并联二极管，而后者在第二半桥和第三半桥的相应其他半导体开关(即相应上半导体开关(Si1 101和Si3 103)或下半导体开关(Si2 102和Si4 104))中是可选的。第一半桥的第五半导体开关Si5105和第六半导体开关Si6106中的内部反并联二极管也是可选的，而第七半导体开关Si7107必须不包括内部反并联二极管。从根据本实用新型的电路拓扑可以看出，第一中间电路电容器Ci1111的负连接本质上连接到负载相的零点。取决于子模块的相应开关状态，可以表示输出电压的五个电压电平中的一者，这将在下面进一步描述。
首先，对于电路图320和350，存在两个零电压电平路径321和351，它们不向流过输出连接139的负载电流提供电压贡献，其中第一零电压电平路径321中的半导体开关Si1101和Si3103以及第二零电压电平路径351中的半导体开关Si2 102和Si4 104闭合。同时，相应零电压电平路径321和351不影响两个中间电路电容器Ci1111和Ci2112，然而，其中可能并联连接以平衡其电容器电压的所述电容器可以由连接到输入连接的DC电压源充电。DC电压源或DC电流源可以被实现为电池组、电容器、太阳能电池或太阳能模块、电转换器(例如，电力电子器件)的DC电压或DC电流输出、整流器输出等，
电路图330中的正电压电平路径331由闭合的半导体开关Si2102、Si3103、Si6106和Si7107形成，并且将电压电平添加到负载电流。相应闭合的半导体开关将第二中间电路电容器Ci2112充电至电容器电压/>使得/>
通过具有两个中间电路电容器Ci1111和Ci2112的双正电压电平路径361，在电路图360中实现了两个电压电平因为在用于生成交流电压的开关周期中，具有两个正电压电平的开关状态跟随具有一个正电压电平的开关状态，所以中间电路电容器Ci2112被充电至具有一个电压电平的先前激活的开关状态中的电容器电压/>因此，两个电容器电压相等，并且/>适用。双正电压电平路径361借助于闭合的半导体开关Si2102、Si3103和Si5105形成，而子模块的其余半导体开关断开。
在负电压电平路径341中，半导体开关Si1101、Si4104、Si6106和Si7107闭合，从而产生输出电压具体地，两个闭合的半导体开关Si6106和Si7107形成电流路径，通过该电流路径，第二中间电路电容器Ci2112被充电至第一中间电路电容器Ci1111的电容器电压，当充电完成时，最终导致/>
双负电压电平路径371由闭合的半导体开关Si1101、Si4104和Si5105形成，并且最低输出电压由形成。因为在用于生成交流电压的开关周期中，具有两个负电压电平的开关状态跟随具有一个负电压电平的开关状态，所以中间电路电容器Ci2112被充电至具有一个电压电平的先前激活的开关状态中的电容器电压/>因此，两个电容器电压相等，并且/>适用。
导致相应输出电压的子模块状态在表1中示出为相应半导体开关位置的函数。
表1
图4示出了根据本实用新型的电路拓扑的半导体开关的选择。如上所述，反并联二极管对于子模块中的一些半导体开关是必要的，而对于其他半导体开关则不是绝对必要的，甚至是被禁止的。在图4的410中示出了具有反并联二极管的半导体开关的选择。尽管在半桥的半导体开关的附图的电路图中使用的符号代表金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET 411，但是就电路而言，它也可以由双极结型晶体管(BJT)412或场效应晶体管(FET)413或具有隔离栅电极和npn结构的双极结型晶体管(IGBT/NPN)414或具有隔离栅电极的n沟道双极结型晶体管(IGBT/N沟道)415来代替，每个都设置有反并联二极管。然而，所示的选择并不旨在排除具有反并联二极管的另外半导体开关类型。在图4的420中示出了没有反并联二极管的半导体开关的选择。尽管在用于这种半导体开关的附图的电路图中使用的符号代表具有隔离栅电极和npn结构的双极结型晶体管(IGBT/NPN)421，但是就电路而言，它也可以由双极结型晶体管(BJT)422或场效应晶体管(FET)423或具有隔离栅电极的n沟道双极结型晶体管(IGBT/N沟道)424或具有上游二极管的场效应晶体管(FET)425代替。然而，本文所示的选择也不旨在排除没有反并联二极管的另外半导体开关类型。
图5示出了借助于脉冲持续时间调制的用于根据本实用新型的电路拓扑的第二半桥和第三半桥的控制方案500。为了在每个子模块的输出电压中生成正弦波形，使用脉冲持续时间调制，同时通过改变相应子模块的相应参考电压510来提供多相电压的电压参考。这借助于控制方案500来实现，其中第i相Vi *的参考电压510和载波信号520用于生成半导体开关Si1的栅极信号501、半导体开关Si2的栅极信号502、半导体开关Si3的栅极信号503以及半导体开关Si4的栅极信号504。可以想到用于负载调节的整个范围的控制方法，以便生成参考电压510。一个简单的示例是正弦波形：
图6示意性地示出了根据本实用新型的电路拓扑的第一配置中具有单个负载630的电路600。在不连接到另外的子模块的情况下，电路600从DC电流源611生成用于单个负载630的单相AC电流。
图7示意性地示出了根据本实用新型的多电平转换器的第二配置中的子模块的并联连接700。相应子模块701、702、703、704在其输入连接处并联连接到DC电流源711，且各自生成用于多相负载730的多相电流的相。
图8示意性地示出了根据本实用新型的多电平转换器的另外配置中的子模块的串联连接800。相应子模块701、702、703、809各自生成用于多相负载730的多相电流的相。子模块701、702、703、809在其输入连接处彼此串联连接，其中第一子模块701和第N个子模块809连接到DC电流源711。因此，与DC电流源711的端电压VDC相比，每个子模块701、702、703、809的输入电压降低了因子1/N(参见等式(9))。
图9示出了根据本实用新型的电路拓扑的另一配置中的DC电压输出的两个替换电路图910、920。通过适当控制相应子模块，特别是第三半桥中的半导体开关Si3103和Si4104(见图1)，相应子模块可以用于输出DC电压，这取决于具有不同可切换电压值的电压电平单元120的数量。虽然相应子模块的另外半导体开关105、106、107、108、109、110被适当地切换以生成所选择的电压电平，但是图1的第三半导体开关Si3 103在替换电路图910中断开，使得DC电压连接911用于连接到DC电压负载，而图1的第四半导体开关Si4 104在替换电路图920中断开，使得DC电压连接921用于连接到DC电压负载，
图10示出了根据本实用新型的电路拓扑的又一配置中具有并联功能的两个电路图1010、1020。在电路图1010中，根据模块化多电平转换器中并联功能的已知实现，形成了到链中前一相邻子模块的连接1018和到链中下一个相邻子模块的连接1019，但是用于输出DC电流。在电路图1020中，具有第十一半导体开关Si111021和第十二半导体开关Si121022的第四半桥以及具有第十三半导体开关Si131023和第十四半导体开关Si141024的第五半桥附加地布置在根据本实用新型的电路拓扑中(图1中的附图标记100)。利用第二半桥和第三半桥处的中心抽头(在图1中由附图标记139表示)，根据模块化多电平转换器(例如，在前述MMSPC中)中的并联功能的已知实现，形成到链中的下一个相邻子模块的连接1029。通过在两个新添加的第四半桥和第五半桥处的中心抽头，形成了到链中前一相邻子模块的连接1028。电路图1020被提供用于交流电。由于根据本实用新型的具有半导体开关Si5105和Si6106以及可重复电压电平单元120的第一半桥的布置，可以形成相应子模块对交流电的电压贡献。
参考编号列表
100 第i个子模块的通用电路拓扑
101 第一半导体开关Si1
102 第二半导体开关Si2
103 第三半导体开关Si3
104 第四半导体开关Si4
105 第五半导体开关Si5
106 第六半导体开关Si6
107 第七半导体开关Si7
108 第八半导体开关Si8
109 第九半导体开关Si9
110 第十半导体开关Si10
111 第一中间电路电容器Ci1
112 第二中间电路电容器Ci2
113 第三中间电路电容器Ci3
120 可重复电压电平单元
131 下输入连接
132 上输入连接
139 负载连接
208 重复的第八半导体开关Si11
209 重复的第九个半导体开关Si12
210 重复的第十半导体开关Si13
213 重复的第三中间电路电容器Ci4
230 具有三电平电路拓扑的电路
250 具有五电平电路拓扑的电路
270 具有七电平电路拓扑的电路
290 具有九电平电路拓扑的电路
310 五电平电路拓扑
320 输出电压为零的电路图
321 第一零电压电平路径
330 具有输出电压Vi的电路图
331 正电压电平路径
340 具有输出电压-Vi的电路图
341 负电压电平路径
350 输出电压为零的电路图
351 第二零电压电平路径
360 具有输出电压2Vi的电路图
361 双正电压电平路径
370 具有输出电压-2Vi的电路图
371 双负电压电平路径
410 具有反并联二极管的半导体开关
411 MOSFET
412 双极结型晶体管BJT
413 FET
414 IGBT(NPN)
415 IGBT(N沟道)
420 没有反并联二极管的半导体开关
421 IGBT(NPN)
422 BJT
423 FET
424 IGBT(N沟道)
425 FET和二极管
500 脉宽调制控制方案
501 到栅极Si1
502 到栅极Si2
503 到栅极Si3
504 到栅极Si4
510 第i相参考电压Vi*
520 载波信号
600 单个负载电路图
611 DC电流源
630 单相负载
700 具有并联连接的电路图
711 DC电流源
701 第一子模块
702 第二子模块
703 第三子模块
704 第四子模块
730 多相负载
800 具有串联连接的电路图
809 第N子模块
910 具有用于DC输出的第一变体的替换电路图
911 负载连接
920 具有用于DC输出的第二变体的替换电路图
921 与负载的连接
1010 具有DC输出作为第一变体的电路图
1018 到前一子模块的连接
1019 到下一个子模块的连接
1020 具有AC输出作为第二变体的电路图
1021 第十一半导体开关
1022 第十二半导体开关
1023 第十三半导体开关
1024 第十四半导体开关
1028 到前一子模块的连接
1029 到下一个子模块的连接。

Claims (8)

1.一种模块化多电平转换器，其特征在于，所述模块化多电平转换器包括控制器和至少一个子模块(701,702,703,704,809)，其中在所述至少一个子模块(701,702,703,704,809)中，根据电路拓扑(100,250,270,290,310,600,910,920,1010,1020)布置多个半导体开关(101,102,103,104,105,106,107,108,109,110,208,209,210,1021,1022,1023,1024)和多个中间电路电容器(111,112,113,213)，其中所述电路拓扑(100,250,270,290,310,600,910,920,1010,1020)在下输入连接(131)与上输入连接(132)之间提供第一中间电路电容器(111)和与其并联的第一半桥，此外还提供与其并联的第二半桥和第三半桥，所述第二半桥和所述第三半桥连接到所述下输入连接(131)并且经由第七半导体开关(107)连接到所述上输入连接(132)，并且此外还提供第二中间电路电容器(112)，所述第二中间电路电容器布置在所述第一半桥的中心抽头与所述第二半桥和所述第三半桥到所述第七半导体开关(107)的所述连接之间，其中所述电路拓扑(100,250,270,290,310,600,910,920,1010,1020)能够根据预定数量的电压电平通过选择性可重复电压电平单元(120)分别扩展两个电压电平，其中所述控制器被配置成在所述第二半桥和所述第三半桥中将相应上半导体开关(101,103)与相应下半导体开关(102,104)互补地切换，其中所述下输入连接(131)连接到第一相邻子模块的上输入连接(132)或连接到DC电流源(711)的负极，并且所述上输入连接(132)连接到第二相邻子模块的下输入连接(131)或连接到所述DC电流源(711)的正极，并且其中通过所述相应中心抽头，在所述两个半桥处提供相应输出连接(139)。
2.根据权利要求1所述的模块化多电平转换器，其特征在于，所述至少一个子模块(701,702,703,704,809)在其相应输出连接(139)处连接到负载(630)的相，并且其中所述控制器被配置成借助于脉冲持续时间调制(500)来生成交流电。
3.根据权利要求1或2所述的模块化多电平转换器，其特征在于，根据负载(730)的预定数量的相选择多个子模块(701,702,703,809)，并且所述子模块(701,702,703,809)彼此串联连接。
4.根据权利要求1或2所述的模块化多电平转换器，其特征在于，根据负载(730)的预定数量的相选择多个子模块(701,702,703,704)，并且所述子模块(701,702,703,704)并联连接到所述DC电流源(711)。
5.根据权利要求1所述的模块化多电平转换器，其特征在于，为了生成DC电压，所述控制器被配置成选择性地保持所述第二半桥中的所述上半导体开关(101)断开并且所述第三半桥中的所述上半导体开关(103)闭合，或者所述第二半桥中的所述下半导体开关(102)断开并且所述第三半桥中的所述下半导体开关(104)闭合。
6.根据权利要求1所述的模块化多电平转换器，其特征在于，所述第二半桥的第一输出连接和到所述下输入连接的连接连接到所述第一相邻子模块的对应连接，其中所述第三半桥的第二输出连接和到所述上输入连接的连接连接到所述第二相邻子模块的对应连接，并且其中所述控制器被配置成通过在具有串联和并联连接的模块化多电平转换器中的并联开关状态的仪器化来生成相应子模块对总DC电压输出的贡献。
7.根据权利要求1所述的模块化多电平转换器，其特征在于，第四半桥和第五半桥与所述第二半桥和所述第三半桥并联布置，其中所述第四半桥和所述第五半桥处的相应中心抽头连接到所述第一相邻子模块的对应连接，其中所述第二半桥和所述第三半桥的所述相应输出连接连接到所述第二相邻子模块的对应连接，并且其中所述控制器被配置成在所述相应输出连接处生成交流电，其中由于附加的所述第四半桥和所述第五半桥，相邻子模块的所述相应中间电路电容器(111,112,113)并联连接。
8.一种系统，其特征在于，所述系统包括DC电流源(711)、具有至少一相的负载(630,730)以及根据权利要求1至7中任一项所述的模块化多电平转换器。
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