DE102013111927A1

DE102013111927A1 - Hybrid inverter device and method

Info

Publication number: DE102013111927A1
Application number: DE201310111927
Authority: DE
Inventors: Dragan Stamenkovic
Original assignee: GE Energy Power Conversion Technology Ltd
Current assignee: GE Energy Power Conversion Technology Ltd
Priority date: 2013-10-29
Filing date: 2013-10-29
Publication date: 2015-04-30

Abstract

Eine einphasige, fünfstufige hybride Energieumwandlungseinrichtung, die aufweist: einen ersten in Längsrichtung verlaufenden Arm, der vier in Reihe verbundene Schaltereinheiten aufweist, wie in einem fünfstufigen Inverter; einen zweiten in Längsrichtung verlaufenden Arm, der zwei in Reihe verbundene Schalter aufweist, wie in einem zweistufigen Inverter; eine Kondensatorsäule, die drei in Reihe verbundene Kondensatoren aufweist; und zwei in Reihe verbundene Sperrdioden. Der erste in Längsrichtung verlaufende Arm ist parallel mit den Sperrdioden verbunden, und der zweite in Längsrichtung verlaufende Arm ist parallel mit der Kondensatorsäule verbunden. Ebenso wird ein Energieumwandlungssystem geschaffen, das aufweist: eine mehrphasige, fünfstufige hybride Energieumwandlungseinrichtung, die mit einer ersten und einer zweiten Leistungsquelle verbunden ist, und eine Steuereinrichtung, die ein Steuersignal ausgibt.A single-phase, five-stage hybrid power conversion device comprising: a first longitudinal arm having four switch units connected in series, as in a five-stage inverter; a second longitudinal arm having two switches connected in series, as in a two-stage inverter; a condenser column having three capacitors connected in series; and two series-connected blocking diodes. The first longitudinal arm is connected in parallel with the blocking diodes, and the second longitudinal arm is connected in parallel with the capacitor column. There is also provided a power conversion system comprising: a multi-phase, five-stage hybrid power conversion device connected to a first and a second power source and a control device outputting a control signal.

Description

I. Gebiet der ErfindungI. Field of the Invention

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Leistungswandler. Genauer betrifft die vorliegende Erfindung die Erzeugung von mehrstufigen Leistungswandlerwandler unter Verwendung von unterschiedlichen Topologien.The present invention relates generally to power converters. More particularly, the present invention relates to the generation of multi-level power converter converters using different topologies.

II. Allgemeiner Stand der TechnikII. General State of the Art

Mehrstufige Inverter werden aufgrund der Vorteile einer Hochleistungsqualitätswellenform und einer hohen Spannungsfestigkeit in zunehmendem Umfang zur Durchführung einer Leistungswandlung in einer großen Vielfalt von Anwendungen eingesetzt. Diese Inverter geben eine Wechselspannungs-(AC-)Ausgangswellenform mit diskreten Spannungspegeln aus, wobei jeder Pegel eine glattere Sinuswellenform ausgibt, was den Umfang der benötigten Filterung verringert. Die Synthese der AC-Wellenform verringert die Verzerrung der gesamten niedrigen Oberschwingungen und erzeugt eine Gleichtaktspannung, die die von konkurrierenden zweistufigen Invertern übertrifft. Mehrstufige Leistungsinverter werden in Mittel- und Hochspannungsanwendungen, wie in AC-Antrieben, AC-Übertragungssystemen und Gleichspannungs-(DC-)Übertragungssystemen verwendet. Jedoch begrenzen die höheren Kosten von mehrstufigen Invertern ihren Einsatz in Niederspannungsanwendungen.Multi-stage inverters are increasingly being used to perform power conversion in a wide variety of applications due to the advantages of a high-power quality waveform and high withstand voltage. These inverters output an AC voltage output waveform with discrete voltage levels, with each level outputting a smoother sinusoid, which reduces the amount of filtering required. The synthesis of the AC waveform reduces the distortion of the entire low harmonics and produces a common-mode voltage that exceeds that of competing two-stage inverters. Multi-level power inverters are used in medium and high voltage applications, such as AC drives, AC transmission systems, and DC (DC) transmission systems. However, the higher cost of multi-stage inverters limits their use in low voltage applications.

Im Allgemeinen sind Inverter so aufgebaut, dass sie eine bestimmte Topologie aufweisen, beispielsweise eine dreistufige neutralpunktgekoppelte (NPC)-Topologie, einen kondensatorgekoppelten Inverterzweig und eine kaskadierte H-Brücken-Topologie. NPC-Inverter wandeln in drei Phasen Gleichspannung in Wechselspannung um und werden in Hochleistungsanwendungen zur Zugkraftübertragung verwendet, da sie die Kapazität pro Einheit erhöhen und gleichzeitig die Ausgabe von Spannungsoberschwingungen verringern. Ein dreistufiger Kondensatorkopplungsinverter verwendet einen Speicherkondensator in jedem Zweig zum Verkoppeln der beiden inneren Einrichtungen und vermeidet die Verwendung der beiden schnellen Dioden im NPC-Inverter. Eine H-Brückenkaskade ermöglicht das Anlegen einer Spannung über einer Last in jeder Einrichtung und wird häufig in Verbindung mit anderen mehrstufigen Inverterkonfigurationen verwendet, um gewünschte Signalausgangskennwerte zu erhalten.In general, inverters are constructed to have a particular topology, such as a three-stage NPC topology, a capacitor coupled inverter branch, and a cascaded H-bridge topology. NPC inverters convert DC voltage to AC voltage in three phases and are used in high-power traction applications because they increase the unit capacity while reducing the output of voltage harmonics. A three-stage capacitor coupling inverter uses a storage capacitor in each branch to couple the two internal devices and avoids the use of the two fast diodes in the NPC inverter. An H-bridge cascade allows a voltage to be applied across a load in each device and is often used in conjunction with other multi-level inverter configurations to obtain desired signal output characteristics.

Frühere Versuche haben verschiedene Topologien miteinander kombiniert, um mehrstufige Inverter zu erhalten. Einige Versuche kombinieren eine dreistufige NPC-Topologie mit einer zweistufigen Invertertopologie, die häufig auch die Verwendung eines Kondensators beinhaltet. Jedoch konnten diese Versuche des Standes der Technik, mehrstufige Invertertopologien zu kombinieren, keine idealen Eingangs- und Ausgangswellenformen liefern. Die oben genannten hybriden Topologien erzeugen außerdem auch keinen einfacheren fünfstufigen Inverter mit mehreren Kondensatoren.Previous attempts have combined different topologies to obtain multi-stage inverters. Some attempts combine a three-stage NPC topology with a two-stage inverter topology, which often involves the use of a capacitor. However, these prior art attempts to combine multi-level inverter topologies could not provide ideal input and output waveforms. The above hybrid topologies also do not produce a simpler five-stage inverter with multiple capacitors.

III. Überblick über Ausführungsformen der ErfindungIII. Overview of embodiments of the invention

Angesichts der beschriebenen Nachteile besteht ein Bedarf an einem vereinfachten mehrstufigen hybriden Inverter, der den nötigen Strom und die nötige Schaltspannung verringert und gleichzeitig die Spannungsausgabe erhöht.In view of the disadvantages described, there is a need for a simplified multi-stage hybrid inverter that reduces the necessary current and switching voltage while increasing the voltage output.

Die Topologie, die gemäß den Ausführungsformen verwendet wird, ist ein mehrstufiges hybrides Inverterdesign, das die Topologie eines fünfstufigen Inverters mit der Topologie eines zweistufigen Inverters kombiniert, mit zusätzlichen Kondensatoren, um die Spannung auszugleichen. Die Kombination dieser Topologien liefert Ergebnisse, die nicht typisch sind für die jeweils einzelnen Topologien, einschließlich einer Verringerung der Anzahl von Schaltern, einer Erhöhung der Ausgangsspannung, einer niedrigeren Spannung beim Schalten und einer Verringerung des Stroms.The topology used according to the embodiments is a multi-stage hybrid inverter design that combines the topology of a five-stage inverter with the topology of a two-stage inverter, with additional capacitors to balance the voltage. The combination of these topologies yields results that are not typical of the individual topologies, including a reduction in the number of switches, an increase in output voltage, a lower switching voltage, and a reduction in current.

Ein Vorteil der Ausführungsformen besteht darin, dass die hybride Topologie eine Verringerung der Anzahl von Schaltern, die nötig sind, um den Schaltkreis funktional zu betätigen, erlaubt. Zum Beispiel verlangt die Topologie in einem fünfstufigen Inverter ein verschachteltes Schaltkreisdesign der Hauptschalter und erzeugt dadurch eine Innenstufe und eine Außenstufe. In dieser Topologie benötigt die Innenstufe einen Schalter, der mit dem positiven Spannungsknoten verbunden ist, einen Schalter, der mit dem negativen Spannungsknoten verbunden ist, und zwei Schalter, die eine Neutralstellung einnehmen, um den Übergang von einer positiven auf eine negative Spannung zu erleichtern. Die Außenstufe benötigt auch einen Hauptschalter, der mit der positiven Spannung verbunden ist, einen Hauptschalter, der mit der negativen Spannung verbunden ist, und zwei Zwischenschalter, um Spannungsübergänge zu erleichtern. Insgesamt verlangt die typische fünfstufige Topologie acht Schalter.An advantage of the embodiments is that the hybrid topology allows for a reduction in the number of switches needed to functionally operate the circuit. For example, in a five-level inverter, the topology requires a nested circuit design of the main switches, thereby creating an indoor stage and an outdoor stage. In this topology, the indoor stage requires a switch connected to the positive voltage node, a switch connected to the negative voltage node, and two switches that assume a neutral position to facilitate the transition from a positive to a negative voltage. The outdoor unit also requires a main switch connected to the positive voltage, a main switch connected to the negative voltage, and two intermediate switches to facilitate voltage transitions. Overall, the typical five-level topology requires eight switches.

Somit wird eine hybride Energieumwandlungseinrichtung geschaffen, bei der jede Phase aufweist:
einen ersten in Längsrichtung verlaufenden Arm, der eine erste Schaltereinheit und eine zweite Schaltereinheit, von denen jede mit einem positiven Spannungsknoten verbunden ist, und eine dritte Schaltereinheit und eine vierte Schaltereinheit aufweist, die jeweils mit einem negativen Spannungsknoten verbunden sind, wobei die ersten, zweiten, dritten und vierten Schaltereinheiten in Reihe verbunden sind;
einen zweiten in Längsrichtung verlaufenden Arm, der eine erste Schaltereinheit aufweist, die mit einer zweiten Schaltereinheit in Reihe verbunden ist, wobei der zweite in Längsrichtung verlaufende Arm parallel mit dem ersten in Längsrichtung verlaufenden Arm verbunden ist; und
eine Kondensatorsäule, die einen ersten Kondensator aufweist, der mit einem zweiten Kondensator und einem dritten Kondensator in Reihe verbunden ist, wobei die Kondensatorsäule parallel zum zweiten in Längsrichtung verlaufenden Arm verbunden ist.Thus, a hybrid energy conversion device is provided in which each phase comprises:
a first longitudinal arm having a first switch unit and a second switch unit, each of which is connected to a positive voltage node, and a third switch unit and a fourth switch unit, each connected to a negative voltage node, the first, second , third and fourth switch units are connected in series;
a second longitudinal arm having a first switch unit connected in series with a second switch unit, the second longitudinal arm being connected in parallel with the first longitudinal arm; and
a condenser column having a first condenser connected in series with a second condenser and a third condenser, the condenser column being connected in parallel to the second longitudinal arm.

Der erste in Längsrichtung verlaufende Arm der oben genannten hybriden Energieumwandlungseinrichtung kann für eine siebenstufige Spannungsausgabe eine fünfte Schaltereinheit, die mit dem positiven Spannungsknoten verbunden ist, und eine sechste Schaltereinheit aufweisen, die mit einem negativen Spannungsknoten verbunden ist.The first longitudinal arm of the above hybrid power conversion device may include a fifth switch unit connected to the positive voltage node and a sixth switch unit connected to a negative voltage node for a seven-level voltage output.

Jeder von den drei Kondensatoren der Kondensatorsäule irgendeiner der oben genannten hybriden Energieumwandlungsvorrichtungen kann so bemessen sein, dass sie eine Lastspannung auf einem Bruchteil der Spannung der DC-Spannungsquelle halten kann.Each of the three capacitors of the capacitor column of any of the above hybrid power conversion devices may be sized to hold a load voltage at a fraction of the voltage of the DC voltage source.

Die Spannungen der drei Kondensatoren der Kondensatorsäule irgendeiner der oben genannten hybriden Energieumwandlungseinrichtungen können in einem oder mehreren Schaltsteuerungszyklen durch selektives Verwenden redundanter Schaltzustände der Schaltsignale, die sowohl über den ersten als auch über den zweiten in Längsrichtung verlaufenden Arm zu den Schaltereinheiten geliefert werden, im Wesentlichen ausgeglichen werden.The voltages of the three capacitors of the capacitor column of any of the above hybrid power conversion devices may be substantially balanced in one or more switching control cycles by selectively using redundant switching states of the switching signals provided to the switch units via both the first and second longitudinal arms become.

Die Schaltereinheiten auf den ersten und zweiten in Längsrichtung verlaufenden Armen irgendeiner der oben genannten hybriden Energieumwandlungseinrichtungen können aus gleichen Bauteilen gebildet sein.The switch units on the first and second longitudinal arms of any of the above hybrid power conversion devices may be formed of like components.

Der Inverter irgendeiner der oben genannten hybriden Energieumwandlungseinrichtungen kann ferner eine erste Sperrdiode aufweisen, die mit einer zweiten Sperrdiode in Reihe verbunden ist, wobei die ersten und zweiten Sperrdioden parallel mit dem ersten in Längsrichtung verlaufenden Arm verbunden sein können.The inverter of any of the above hybrid power conversion devices may further include a first blocking diode connected in series with a second blocking diode, wherein the first and second blocking diodes may be connected in parallel with the first longitudinally extending arm.

Jede von den Schaltereinheiten auf den ersten und zweiten in Längsrichtung verlaufenden Armen irgendeiner der oben genannten hybriden Energieumwandlungseinrichtungen kann unidirektional in Bezug auf den Strom und bidirektional in Bezug auf die Spannung sein.Each of the switch units on the first and second longitudinal arms of any of the above hybrid power conversion devices may be unidirectional with respect to the current and bidirectional with respect to the voltage.

Jede von den Schaltereinheiten auf den ersten und zweiten in Längsrichtung verlaufenden Armen irgendeiner der oben genannten hybriden Energieumwandlungseinrichtungen kann unidirektional in Bezug auf die Spannung und bidirektional in Bezug auf den Strom sein.Each of the switch units on the first and second longitudinal arms of any of the above hybrid power conversion devices may be unidirectional with respect to the voltage and bidirectional with respect to the current.

In einer zweizweigigen Topologie ist ein Schalter mit dem positiven Spannungsknoten verbunden, und ein Schalter ist mit einem negativen Spannungsknoten verbunden. Eine einfache Addierung eines fünfstufigen Inverters mit acht Schaltern und eines zweistufigen Inverters mit zwei Schaltern würde 10 Schalter ergeben. Das in den Ausführungsformen als Beispiel verwendete hybride Design behält die vier Hauptschalter der fünfstufigen Invertertopologie. In diesem hybriden Ansatz werden statt der vier Zwischenschalter, die in einem herkömmlichen fünfstufigen Inverter nötig sind, die Schalter aus der zweistufigen Invertertopologie verwendet, um als Zwischenschalter zu dienen, die Spannungsübergänge erleichtern.In a two-tiered topology, a switch is connected to the positive voltage node and a switch is connected to a negative voltage node. A simple addition of a five-stage inverter with eight switches and a two-stage inverter with two switches would result in 10 switches. The hybrid design used as an example in the embodiments retains the four main switches of the five-stage inverter topology. In this hybrid approach, instead of the four intermediate switches needed in a conventional five-stage inverter, the switches from the two-stage inverter topology are used to serve as intermediate switches that facilitate voltage transitions.

Ein erfindungsgemäßes hybrides Energieumwandlungssystem kann aufweisen:
eine Stromquellenverbindung, die eine Verbindung mit einer Stromquelle herstellt;
eine DC-Spannungsquelle, die mit einer Spannung verbunden ist, wobei eine DC-Spannungsquelle einen positiven Spannungsknoten und einen negativen Spannungsknoten aufweist;
eine Energieumwandlungseinrichtung mit mindestens einer Phase, wobei jede Phase aufweist: einen ersten in Längsrichtung verlaufenden Arm aus vier in Reihe verbundenen gleichen Schaltereinheiten, wobei die ersten und dritten Schaltereinheiten ein erstes Schaltereinheitspaar bilden und die zweiten und vierten Schaltereinheiten ein zweites Schaltereinheitspaar bilden; einen zweiten in Längsrichtung verlaufenden Arm, der zwei in Reihe verbundene gleiche Schaltereinheiten aufweist, wobei die beiden Schaltereinheiten ein drittes Schaltereinheitspaar bilden; eine Kondensatorsäule, die drei in Reihe verbundene Kondensatoren aufweist; und zwei Sperrdioden, die in Reihe verbunden sind;
eine Steuereinrichtung, die mit der Energieumwandlungseinrichtung kommuniziert; und
eine Betätigungseinrichtung zum Betätigen der Steuereinrichtung, um ein Bezugssignal für eine gewünschte Spannungsumwandlung zu liefernA hybrid energy conversion system according to the invention may comprise:
a power source connection that connects to a power source;
a DC voltage source connected to a voltage, a DC voltage source having a positive voltage node and a negative voltage node;
a power conversion device having at least one phase, each phase comprising: a first longitudinal arm of four same switch units connected in series, the first and third switch units forming a first switch unit pair and the second and fourth Switch units form a second switch unit pair; a second longitudinal arm having two identical switch units connected in series, the two switch units forming a third switch unit pair; a condenser column having three capacitors connected in series; and two blocking diodes connected in series;
a controller communicating with the power conversion device; and
an actuator for actuating the controller to provide a reference signal for a desired voltage conversion

Der erste Zweig der Energieumwandlungseinrichtung des oben genannten Systems kann mit den beiden Dioden parallel verbunden sein, und der zweite Zweig ist mit der Kondensatorsäule parallel verbunden.The first branch of the energy conversion device of the above-mentioned system may be connected in parallel with the two diodes, and the second branch is connected in parallel with the capacitor column.

Die drei Kondensatoren der Kondensatorsäule irgendeiner der oben genannten Energieumwandlungseinrichtungen können so bemessen sein, dass sie eine Lastspannung halten, die einem Bruchteil der Spannung der DC-Spannungsquelle entspricht.The three capacitors of the condenser column of any of the above energy conversion devices may be sized to hold a load voltage that is a fraction of the voltage of the DC voltage source.

Die Schaltereinheiten auf den ersten und zweiten in Längsrichtung verlaufenden Armen irgendeines der oben genannten Energieumwandlungssysteme können aus gleichen Bauteilen gebildet sein.The switch units on the first and second longitudinal arms of any of the above power conversion systems may be formed of like components.

Die Energieumwandlungseinrichtung irgendeines der oben genannten Energieumwandlungssysteme kann drei Phasen für die Umwandlung aufweisen, wobei die einzelnen Phasen Energieumwandlungseinrichtungen aufweisen können, die im Wesentlichen gleich aufgebaut sind.The energy conversion device of any of the above energy conversion systems may have three phases for the conversion, wherein the individual phases may include energy conversion devices that are constructed substantially the same.

Die Energieumwandlungseinrichtung irgendeines der oben genannten Energieumwandlungssysteme kann drei Phasen für die Umwandlung aufweisen, wobei die einzelnen Phasen Energieumwandlungseinrichtungen aufweisen können, die verschieden aufgebaut sind.The energy conversion device of any of the above energy conversion systems may comprise three phases for conversion, wherein the individual phases may comprise energy conversion devices of different construction.

Das Bezugssignal, das von der Steuereinrichtung irgendeines der oben genannten Energieumwandlungssysteme ausgegeben wird, kann einander entgegengesetzte Zustände innerhalb jedes Schaltereinheitspaars auf den ersten und zweiten in Längsrichtung verlaufenden Armen erleichtern.The reference signal output from the controller of any of the above power conversion systems may facilitate opposite states within each switch unit pair on the first and second longitudinal arms.

Jedes von den oben genannten Systemen kann mehrere Steuereinrichtungen aufweisen, die von einem zentralen Prozessor betätigt werden, wobei jede von den Steuereinrichtungen ein Bezugssignal für jedes Schaltereinheitspaar erzeugt, das einander entgegengesetzte Zustände sicherstellt, wobei jedes Bezugssignal von einem Signalerzeuger erzeugt wird.Each of the above systems may include a plurality of controllers operated by a central processor, each of the controllers generating a reference signal for each switch unit pair ensuring mutually opposite states, each reference signal being generated by a signal generator.

Jede von den Schaltereinheiten auf den ersten und zweiten in Längsrichtung verlaufenden Armen irgendeines der oben genannten Energieumwandlungssysteme kann unidirektional in Bezug auf den Strom und bidirektional in Bezug auf die Spannung sein.Each of the switch units on the first and second longitudinal arms of any of the above power conversion systems may be unidirectional with respect to the current and bidirectional with respect to the voltage.

Jede von den Schaltereinheiten auf den ersten und zweiten in Längsrichtung verlaufenden Armen irgendeines der oben genannten Energieumwandlungssysteme kann unidirektional in Bezug auf die Spannung und bidirektional in Bezug auf den Strom sein.Each of the switch units on the first and second longitudinal arms of any of the above power conversion systems may be unidirectional with respect to voltage and bidirectional with respect to the current.

Gemäß der Erfindung kann ein Verfahren geschaffen wer-den zum Betätigen eines fünfstufigen Inverters, um variable Ausgangsspannungen mit Bezug auf einen Masseknoten zu erhalten, umfassend
Bereitstellen einer ersten Schaltereinheit mit einem ersten Steuersignal von einer Steuereinrichtung;
Bereitstellen einer zweiten Schaltereinheit mit einem zweiten Steuersignal von der Steuereinrichtung, das komplementär ist zum ersten Steuersignal;
Bereitstellen einer dritten Schaltereinheit mit einem dritten Steuersignal von der Steuereinrichtung;
Bereitstellen einer vierten Schaltereinheit mit einem vierten Steuersignal von der Steuereinrichtung, das komplementär ist zum dritten Steuersignal;
Bereitstellen einer fünften Schaltereinheit mit einem fünften Steuersignal von der Steuereinrichtung;
Bereitstellen einer sechsten Schaltereinheit mit einem sechsten Steuersignal von der Steuereinrichtung, das komplementär ist zum fünften Steuersignal.According to the invention, a method may be provided for operating a five-stage inverter to obtain variable output voltages with respect to a ground node
Providing a first switch unit with a first control signal from a controller;
Providing a second switch unit with a second control signal from the control means that is complementary to the first control signal;
Providing a third switch unit with a third control signal from the control device;
Providing a fourth switch unit having a fourth control signal from the control means which is complementary to the third control signal;
Providing a fifth switch unit with a fifth control signal from the control device;
Providing a sixth switch unit with a sixth control signal from the control means which is complementary to the fifth control signal.

Das Verfahren kann ferner das Anpassen der Steuersignale der fünften und sechsten Schaltereinheiten umfassen, um eine ordnungsgemäße Kommunikation der ersten und zweiten Schaltereinheiten sicherzustellen und um Totzeit während des Schaltens zu vermeiden.The method may further comprise adjusting the control signals of the fifth and sixth switch units to ensure proper communication of the first and second switch units and to avoid dead time during switching.

Die oben erwähnte Synergie der Topologien macht es möglich, dass ein Schaltkreis mit sechs Schaltern statt der erwarteten 10 Schalter funktioniert. Diese Synergie geht teilweise auf die Tatsache zurück, dass die Zwischenschalter nicht an einer Neutralspannung angeordnet sind. Dadurch, dass Zwischenschalter aus der zweistufigen Invertertopologie parallel mit Hauptschaltern aus der fünfstufigen Invertertopologie vorliegen, ist das Ergebnis eine bessere Regulierung der Spannungsausgabe, anders als bei einer typischen fünfstufigen Invertertopologie, wo die Zwischenschalter quer zu den Hauptschaltern liegen. The above-mentioned synergy of the topologies makes it possible for a circuit with six switches to function instead of the expected 10 switches. This synergy is partly due to the fact that the intermediate switches are not arranged at a neutral voltage. By having intermediate switches from the two-stage inverter topology in parallel with main switches from the five-level inverter topology, the result is better regulation of the voltage output, unlike a typical five-stage inverter topology where the intermediate switches are transverse to the main switches.

In einem Ausführungsbeispiel enthält ein einzelphasiger Inverter einen ersten in Längsrichtung verlaufenden Arm mit einer ersten Schaltereinheit und einer zweiten Schaltereinheit, die jeweils mit einem positiven Spannungsknoten verbunden sind, und einer dritten Schaltereinheit und einer vierten Schaltereinheit, die jeweils mit einem negativen Spannungsknoten verbunden sind. Der Inverter enthält außerdem einen zweiten in Längsrichtung verlaufenden Arm mit einer ersten Schaltereinheit, die in Reihe mit einer zweiten Schaltereinheit verbunden ist. Der zweite in Längsrichtung verlaufende Arm ist dann parallel mit dem ersten in Längsrichtung verlaufenden Arm verbunden.In one embodiment, a single-phase inverter includes a first longitudinal arm having a first switch unit and a second switch unit, each connected to a positive voltage node, and a third switch unit and a fourth switch unit, each connected to a negative voltage node. The inverter further includes a second longitudinal arm having a first switch unit connected in series with a second switch unit. The second longitudinal arm is then connected in parallel with the first longitudinal arm.

Ein weiterer Vorteil ist eine im Vergleich zu einem fünfstufigen NPC-Inverter höhere Spannungsausgabe an den Inverteranschlüssen. Bei einem typischen fünfstufigen Inverter beträgt die Ausgangsspannung eine Hälfte der DC-Zwischenkreisspannung VDC, d. h. die Spannung ist 1/2_VDC. Diese Ausgangsspannung ist fünfstufigen Invertern geschuldet, die nur zwei Kondensatoren auf jeder Stufe enthalten, um die Spannung zu teilen. In dem vorgeschlagenen Design ermöglicht die Verwendung von drei Kondensatoren jedoch auch eine Spannung, die 2/3 der DC-Zwischenkreisspannung beträgt, d. h. 2/3_VDC. Der Anstieg von 1/2_VDC auf 2/3_VDC ergibt eine Erhöhung der Spannungsausgabe des Hybriddesigns von bis zu etwa 20%. Another advantage is a higher voltage output at the inverter terminals compared to a five-stage NPC inverter. In a typical five-stage inverter, the output voltage is one half of the DC link voltage VDC, ie, the voltage is 1/2 _VDC . This output voltage is due to five-stage inverters, which contain only two capacitors at each stage to divide the voltage. However, in the proposed design, the use of three capacitors also allows a voltage that is 2/3 of the DC link voltage, ie 2/3 _VDC . The increase from 1/2 _VDC to 2/3 _VDC results in an increase in the voltage output of the hybrid design of up to about 20%.

Ein weiterer Vorteil ist die Fähigkeit, Schaltverluste aufgrund einer Schaltspannung, die niedriger ist als bei fünfstufigen Inverterdesigns, zu verringern. Die hybride Topologie ermöglicht eine Kommutierung, wenn die Spannung 1/3_VDC ist und nicht erst bei 1/2_VDC, wie man dies bei typischen fünfstufigen Topologien sieht. Diese Abnahme der Spannung während des Schaltens ermöglicht eine längere Standzeit von Schaltungskomponenten.Another advantage is the ability to reduce switching losses due to a switching voltage that is lower than five-level inverter designs. The hybrid topology allows commutation when the voltage is 1/3 _VDC rather than at 1/2 _VDC as seen in typical five-level topologies. This decrease in voltage during switching allows longer life of circuit components.

In einer anderen Ausführungsform enthält der Spannungsinverter eine Kondensatorsäule, die drei in Reihe verbundene Kondensatoren aufweist. Die drei Kondensatoren sind außerdem parallel zum ersten in Längsrichtung verlaufenden Arm verbunden. In dieser Ausführungsform trägt jeder Kondensator einen gleich großen Teil der DC-Zwischenkreisspannung, genauer trägt jeder Kondensator 1/3_VDC.In another embodiment, the voltage inverter includes a capacitor column having three capacitors connected in series. The three capacitors are also connected in parallel to the first longitudinal arm. In this embodiment, each capacitor carries an equal part of the DC link _voltage , more specifically, each capacitor carries 1/3 _VDC .

Ein weiterer Vorteil ist die Fähigkeit, Schaltverluste aufgrund eines Stroms, der niedriger ist als bei fünfstufigen Inverterdesigns, zu verringern. Die hybride Topologie ermöglicht eine Stromsenkung, während sie aber die gleiche Ausgangsspannung erreicht. Typischerweise führt eine Zunahme des Stroms, der durch einen Schaltkreis fließt, dazu, dass mehr Wärme von den Schaltkreiskomponenten emittiert wird. Die Wärmeemission bewirkt einen Temperaturanstieg in Komponenten, der schließlich zum Ausfall von Komponenten führen kann. Durch Verringern der Strommenge, die nötig ist, um die gleiche gewünschte Spannung auszugeben, wird die Ausfallrate von Komponenten als Funktion der Senkung der Komponententemperatur verringert.Another advantage is the ability to reduce switching losses due to a lower current than five-stage inverter designs. The hybrid topology allows for current reduction while achieving the same output voltage. Typically, an increase in the current flowing through a circuit results in more heat being emitted from the circuit components. The heat emission causes a temperature increase in components, which can eventually lead to failure of components. By reducing the amount of current needed to output the same desired voltage, the failure rate of components is reduced as a function of lowering the component temperature.

Noch ein weiterer Vorteil ist die Verhütung eines Kurzschlusses durch die Einbeziehung von Sperrdioden in die Topologie. In einem weiteren Ausführungsbeispiel enthält der Inverter zwei Sperrdioden, die in Reihe verbunden sind, und die beiden Dioden sind parallel zum ersten in Längsrichtung verlaufenden Arm verbunden.Yet another advantage is the prevention of a short circuit through the inclusion of blocking diodes in the topology. In another embodiment, the inverter includes two blocking diodes connected in series, and the two diodes are connected in parallel to the first longitudinal arm.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung sowie der Aufbau und die Betriebsweise von verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung werden nachstehend ausführlich mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben. Man beachte, dass die Erfindung nicht auf die hierin beschriebenen spezifischen Ausführungsformen beschränkt ist. Diese Ausführungsformen werden hierin nur zur Veranschaulichung angegeben. Für einen Fachmann auf dem bzw. den betreffenden technischen Gebieten werden weitere Ausführungsformen ausgehend von den hierin enthaltenen Lehren naheliegend sein.Other features and advantages of the invention, as well as the structure and operation of various embodiments of the invention will now be described in detail with reference to the accompanying drawings. Note that the invention is not limited to the specific embodiments described herein. These embodiments are given herein by way of illustration only. For a person skilled in the relevant technical fields, further embodiments will be apparent starting from the teachings contained herein.

IV. Kurze Beschreibung der ZeichnungenIV. Brief description of the drawings

Die begleitenden Zeichnungen, die hierin aufgenommen sind und die einen Teil der Patentschrift bilden, veranschaulichen die vorliegende Erfindung und dienen zusammen mit der Beschreibung dazu, die Grundlagen der Erfindung zu erklären und einen Fachmann auf dem bzw. den entsprechenden Gebieten in die Lage zu versetzen, die Erfindung in die Praxis umzusetzen und anzuwenden.The accompanying drawings, which are incorporated in and constitute a part of the specification, illustrate the present invention and, together with the description, serve to explain the principles of the invention and to enable any person skilled in the relevant fields to do so. to put the invention into practice and apply it.

1A ist ein Blockschema eines Leistungssysteminverters gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung. 1A FIG. 10 is a block diagram of a power system inverter according to one embodiment of the present disclosure. FIG.

1B ist ein Blockschema eines alternativen Ausführungsbeispiels des Leistungswandlungssystems der vorliegenden Offenbarung. 1B FIG. 12 is a block diagram of an alternative embodiment of the power conversion system of the present disclosure. FIG.

2A ist ein Beispiel für einen Schaltplan der hybriden Invertertopologie und gibt jede von den kombinierten Topologien an. 2A is an example of a hybrid inverter topology schematic showing each of the combined topologies.

2B ist ein Beispiel für einen Schaltplan der hybriden Invertertopologie, das Wandlungsmodule und -komponenten kenntlich macht. 2 B is an example of a hybrid inverter topology schematic that identifies transient modules and components.

3 ist ein Ausführungsbeispiel einer typischen Wellenform der Ausgangsspannung und des Ausgangsstroms der in 2A und 2B beschriebenen Richteinrichtung. 3 is an embodiment of a typical output voltage and output current waveform of FIG 2A and 2 B described straightening device.

4 ist eine Veranschaulichung von als Beispiel angegebenen Pulssignalen für entsprechende Schaltereinheiten gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung. 4 FIG. 10 is an illustration of exemplary pulsed signals for corresponding switch units according to one embodiment of the present disclosure. FIG.

V. Ausführliche Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen.V. Detailed Description of the Preferred Embodiments.

Obwohl die vorliegende Erfindung hierin mit veranschaulichenden Ausführungsformen für bestimmte Anwendungen beschrieben wird, sei klargestellt, dass die Erfindung nicht darauf beschränkt ist. Ein Fachmann, der Zugang hat zu den hierin angegebenen Lehren wird weitere Modifikationen, Anwendungen und Ausführungsformen innerhalb ihres Bereichs sowie weitere Felder erkennen, in denen die Erfindung von besonderer Nützlichkeit sein würde.Although the present invention is described herein with illustrative embodiments for particular applications, it should be understood that the invention is not limited thereto. One skilled in the art having access to the teachings herein will recognize further modifications, applications and embodiments within their scope, as well as other fields in which the invention would be of particular utility.

1A ist die Darstellung eines Blockschemas eines Systems 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung. Das System 100 kann irgendein geeignetes auf einem Inverter basierendes System sein, das so konfiguriert werden kann, dass es die hierin offenbarte hybride Topologie implementiert. In manchen Ausführungsformen kann das System 100 ein mehrstufiges Invertersystem sein, das für Hochleistungs- und Hochspannungsanwendungen geeignet ist. 1A is the representation of a block scheme of a system 100 according to an embodiment of the present disclosure. The system 100 may be any suitable inverter-based system that may be configured to implement the hybrid topology disclosed herein. In some embodiments, the system 100 a multi-stage inverter system suitable for high power and high voltage applications.

Wie in 1A dargestellt ist, weist das Leistungsinvertersystem 100 allgemein eine Leistungsrichteinrichtung 120 auf, die mit einer Steuereinrichtung 140 in Kommunikationsverbindung steht. Die Steuereinrichtung 140 kann ein elektrisches Steuersignal 106 ausgeben, um eine Kommunikation mit der Leistungsrichteinrichtung 120 zu gewährleisten. Bei dem Steuer-signal 106 kann es sich um ein Signal von einer Steuereinrichtung oder um mehrere Signale von mehreren Steuereinrichtungen handeln. Die Steuereinrichtung 140 kann auch ein optisches Steuersignal 106 emittieren. Die Steuereinrichtung 140 kann irgendwelche geeigneten programmierbaren Schaltkreise oder Einrichtungen aufweisen, wie einen digitalen Signalprozessor (DSP), ein anwenderprogrammierbares Gate-Array (field-programmable gate array, FPGA), einen programmierbaren logischen Controller (PLC) und eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC). Die Leistungsrichteinrichtung 120 kann betätigt werden, um als Reaktion auf die Steuersignale 106, die von der Steuereinrichtung 140 gesendet werden, eine unidirektionale oder bidirektionale Leistungswandlung zwischen einer ersten Leistungseinrichtung 110 und einer zweiten Leistungseinrichtung 130 durchzuführen.As in 1A is shown, the power inverter system 100 generally a power leveling device 120 on that with a control device 140 is in communication connection. The control device 140 can be an electrical control signal 106 spend to communicate with the performance judging facility 120 to ensure. At the control signal 106 it may be a signal from a controller or multiple signals from multiple controllers. The control device 140 can also be an optical control signal 106 emit. The control device 140 may include any suitable programmable circuits or devices, such as a digital signal processor (DSP), a field-programmable gate array (FPGA), a programmable logic controller (PLC) and an application specific integrated circuit (ASIC). The power leveling device 120 can be actuated to respond to the control signals 106 by the control device 140 a unidirectional or bidirectional power conversion between a first power device 110 and a second power device 130 perform.

In einer Ausführungsform enthält die Leistungsrichteinrichtung 120, wie in 1A dargestellt, mindestens eine Phase, kann aber mehrere Phasen aufweisen. 1A zeigt einen ersten Inverter 122, einen zweiten Inverter 124 und einen dritten Inverter 126. In einer Ausführungsform kann der erste Inverter 122 ein AC-DC-Inverter bzw. Gleichrichter sein, der so ausgelegt ist, dass er eine erste elektrische Leistungsspannung (102) (z. B. eine elektrische Wechselspannungsleistung), die von der ersten Leistungseinrichtung 110 (z. B. einem Stromversorgungsnetz) ausgegeben wird, in elektrische Gleichstromleistung 123 (z. B. Gleichspannung) umwandelt. In dieser Ausführungsform kann der zweite Inverter 124 ein Gleichrichter sein, der so ausgelegt ist, dass er die zweite Gleichspannung 123 in eine zweite Gleichspannung 125 umwandelt.In one embodiment, the power leveler includes 120 , as in 1A shown, at least one phase, but may have multiple phases. 1A shows a first inverter 122 , a second inverter 124 and a third inverter 126 , In one embodiment, the first inverter 122 be an AC-DC inverter or rectifier, which is designed so that it has a first electrical power voltage ( 102 ) (eg, an AC electrical power) received from the first power device 110 (eg a power grid), into DC electrical power 123 (eg DC voltage). In this embodiment, the second inverter 124 a rectifier designed to be the second DC voltage 123 in a second DC voltage 125 transforms.

Der zweite Inverter 124 ist ähnlich aufgebaut wie ein herkömmlicher DC-Zwischenkreiswandler, ohne den DC-Zwischenkreisspannungsfilter. In einer Ausführungsform kann der dritte Inverter 126 ein DC-AC-Inverter bzw. Wechselrichter sein, der so gestaltet ist, dass er die zweite Gleichspannung 125 in eine zweite Wechselspannung 104 umwandelt und die zweite Wechselspannung 104 zur zweiten Leistungseinrichtung 130 (z. B. einem elektrischen Wechselstrommotor) liefert. In anderen Ausführungsformen können der erste Inverter 122, der zweite Inverter 124 und/oder der dritte Inverter 126 die hybride Invertertopologie verwenden, die nachstehend ausführlich mit Bezug auf 2A und 2B beschrieben wird. Es sei klargestellt, dass ein Fachmann weitere Phasen zu der Leistungsrichteinrichtung 120 dieser Ausführungsform hinzufügen kann.The second inverter 124 is similar in construction to a conventional DC link converter without the DC link voltage filter. In one embodiment, the third inverter 126 a DC-AC inverter configured to receive the second DC voltage 125 in a second AC voltage 104 converts and the second AC voltage 104 to the second power device 130 (eg, an AC electric motor). In other embodiments, the first inverter 122 , the second inverter 124 and / or the third inverter 126 use the hybrid inverter topology, which will be described in detail below with reference to 2A and 2 B is described. It should be understood that one skilled in the art will have additional phases to the power aligning device 120 add to this embodiment.

1B ist eine Darstellung einer alternativen Ausführungsform des in 1A dargestellten Leistungsrichtsystems, und genauer einer alternativen Gestaltung der Leistungsrichteinrichtung 121. In 1B weist die Leistungsrichteinrichtung 121 einen ersten Inverter 127, einen zweiten Inverter 128 und einen dritten Inverter 129 auf. Jedoch ist in der alternativen Ausführungsform jeder Inverter mit einer separaten Gleichspannungsquelle verbunden. 1B is a representation of an alternative embodiment of the in 1A shown Leistungsrichtsystems, and more specifically an alternative design of the power directing device 121 , In 1B indicates the performance judging facility 121 a first inverter 127 , a second inverter 128 and a third inverter 129 on. However, in the alternative embodiment, each inverter is connected to a separate DC power source.

Der erste Inverter 127 kann ein AC-DC-Inverter bzw. Gleichrichter sein, der die Wechselspannung 102 der ersten Leistungseinrichtung 110 in eine Gleichspannung 105 umwandelt, die von einer zweiten Leistungseinrichtung 132 empfangen wird. Ebenso wandelt der zweite Inverter 128 die Wechselspannung 102 in Gleichspannung 106 um, die von einer zweiten Leistungseinrichtung 134 empfangen wird, und der dritte Inverter 129 wandelt die Wechselspannung 102 in Gleichspannung 107 um, die von einer zweiten Leistungseinrichtung 136 empfangen wird. Dieser Aufbau ist nützlich in elektrischen Stromversorgungssystemen, wo drei einphasige Transformatoren dem Aufwärts-/Abwärtstransformieren von dreiphasigen Spannungen dienen. Es sei klargestellt, dass ein Fachmann weitere Phasen zu der Leistungsrichteinrichtung 120 dieser alternativen Ausführungsform hinzufügen kann.The first inverter 127 may be an AC-DC inverter or rectifier, which is the AC voltage 102 the first power device 110 in a DC voltage 105 converted from a second power device 132 Will be received. Likewise, the second inverter converts 128 the AC voltage 102 in DC voltage 106 um, that of a second power facility 134 is received, and the third inverter 129 converts the AC voltage 102 in DC voltage 107 um, that of a second power facility 136 Will be received. This construction is useful in electric power systems where three single-phase transformers serve to up / down transform three-phase voltages. It should be understood that one skilled in the art will have additional phases to the power aligning device 120 add to this alternative embodiment.

Auch wenn dies in 1A und 1B nicht dargestellt ist, kann das System 100 in manchen Ausführungsformen eine oder mehrere andere Einrichtung(en) und Komponente(n) aufweisen. Zum Beispiel kann einer bzw. können mehrere Filter und/oder Leistungsschalter zwischen der ersten Leistungseinrichtung 110 und den Leistungsrichteinrichtungen 120 und 121 angeordnet sein. Ebenso kann einer bzw. können mehrere Filter und/oder Leistungsschalter zwischen den Leistungsrichteinrichtungen 120, 121 und der zweiten Leistungseinrichtung 130 in 1A (oder zweiten Leistungseinrichtungen 132, 134 oder 136 in 1B) angeordnet sein.Even if this is in 1A and 1B not shown, the system can 100 in some embodiments, comprise one or more other device (s) and component (s). For example, one or more filters and / or power switches may be interposed between the first power device 110 and the performance judges 120 and 121 be arranged. Likewise, one or more filters and / or power switches may be connected between the power leveling devices 120 . 121 and the second power device 130 in 1A (or second power facilities 132 . 134 or 136 in 1B ) can be arranged.

2A ist eine Darstellung eines Beispiels für eine Schaltkreistopologie. Die Topologie des einphasigen Zweigs 200 umfasst einen Gleichspannungsquelleneingang über sowohl positiven als auch negativen Knoten, einen zweistufigen Inverter-Schaltzweig 201, der mit dem Mittelpunkt eines dreistufigen NPC-Inverterzweigs 202 verbunden ist, mit einer Kondensatorsäule 209. Die Kombination aus den beiden Topologien erzeugt eine hybride Topologie für den fünfstufigen Inverter. 2A FIG. 12 is an illustration of an example of a circuit topology. FIG. The topology of the single-phase branch 200 includes a DC source input via both positive and negative nodes, a two-stage inverter switching branch 201 , the center of a three-stage NPC inverter branch 202 connected to a condenser column 209 , The combination of the two topologies creates a hybrid topology for the five-stage inverter.

Zum Beispiel wird ein Schaltzweig 203 erzeugt, der einen Inverter-Schaltzweig 201 und eine Kondensatorsäule 209 aufweist, die drei in Reihe verbundene Kondensatoren beinhaltet. Die Kondensatorsäule 209 ist parallel mit dem Schaltzweig 201 des zweistufigen Inverters verbunden. Wie oben beschrieben, liefert die Kombination dieser Topologien Ergebnisse, die nicht typisch sind für die jeweils einzelnen Topologien, einschließlich einer Verringerung der Anzahl von Schaltern, einer Erhöhung der Ausgangsspannung, einer niedrigeren Spannung beim Schalten und einer Verringerung des Stroms.For example, a switching branch 203 generates an inverter switching branch 201 and a condenser column 209 comprising three capacitors connected in series. The condenser column 209 is parallel to the switching branch 201 connected to the two-stage inverter. As described above, the combination of these topologies provides results that are not typical of each individual topology, including a reduction in the number of switches, an increase in output voltage, a lower switching voltage, and a reduction in current.

Wie in 2B dargestellt ist, weist der einzelphasige Zweig 200 einen ersten Anschluss 204 und einen zweiten Anschluss 205 auf, die jeweils eine Gleichspannung über dem positiven bzw. dem negativen Knoten empfangen und ausgeben. Der einzelphasige Zweig 200 weist auch einen dritten Anschluss 206 auf, um Wechselspannungen auszugeben oder zu empfangen. Außerdem weist der einzelphasige Zweig 200 einen ersten Kondensator 232, einen zweiten Kondensator 236 und einen dritten Kondensators 234 auf. Ein Ende des ersten Kondensators 232 ist mit einer ersten Gleichspannungsleitung 207 verbunden, und das andere Ende des ersten Kondensators 232 ist mit einem Knotenpunkt 242 verbunden. Der zweite Kondensator 236 ist mit dem ersten Kondensator 232 in Reihe verbunden und über den zweistufigen Inverterzweig 201 parallel mit Knotenpunkten 242 und 244 verbunden. Der dritte Kondensator 234, der mit dem zweiten Kondensator 236 in Reihe verbunden ist, weist ein Ende auf, das mit der zweiten Gleichspannungsleitung 208 verbunden ist, und ein anderes Ende, das mit einem Knotenpunkt 244 verbunden ist.As in 2 B is shown, the single-phase branch 200 a first connection 204 and a second connection 205 each receive and output a DC voltage across the positive and the negative nodes, respectively. The single-phase branch 200 also has a third port 206 to output or receive AC voltages. In addition, the single-phase branch points 200 a first capacitor 232 , a second capacitor 236 and a third capacitor 234 on. One end of the first capacitor 232 is with a first DC voltage line 207 connected, and the other end of the first capacitor 232 is with a node 242 connected. The second capacitor 236 is with the first capacitor 232 connected in series and across the two-stage inverter branch 201 parallel with nodes 242 and 244 connected. The third capacitor 234 that with the second capacitor 236 is connected in series, has an end that with the second DC voltage line 208 connected, and another end, that with a node 244 connected is.

Die Gleichspannungsquelle weist einen Spannungswert V auf, und bevor der einzelphasige Zweig 200 eine sinusförmige Ausgangsspannung erzeugt, weisen die drei Kondensatoren 232, 234, 236 jeweils eine Spannung auf, die einem Drittel der Gleichspannung entspricht, d. h. jeder Kondensator weist eine Spannung von 1/3 V auf. Die Spannung, die von dem einzelphasigen Zweig 200 erzeugt wird, ist eine Wellenform mit den folgenden fünf Stufen: +1/3 V, +2/3 V, 0, –1/3 V, –2/3 V. Ob eine Stufe positiv oder negativ ist, hängt direkt von der Gestaltung der Schaltereinheiten in dem einzelphasigen Zweig 200 ab oder davon, ob der Strom durch Schaltereinheiten fließt, die sich auf den positiven oder negativen Stufen befinden. Genauer ergibt eine bestimmte Gestaltung des einzelphasigen Zweigs 200 eine positive Spannung, wenn der Strom durch die Schaltereinheiten 212 und/oder 214 fließt. Dagegen ergibt eine Gestaltung eine negative Spannung, wenn der Strom durch Schaltereinheiten 222 und/oder 224 fließt.The DC voltage source has a voltage value V, and before the single-phase branch 200 produces a sinusoidal output voltage, the three capacitors have 232 . 234 . 236 each a voltage equal to one third of the DC voltage, ie each capacitor has a voltage of 1/3 V on. The tension coming from the single-phase branch 200 is a waveform with the following five levels: +1/3 V, +2/3 V, 0, -1/3 V, -2/3 V. Whether a level is positive or negative depends directly on the Design of the switch units in the single-phase branch 200 Whether or not the current flows through switch units located on the positive or negative stages. More specifically, a particular design of the single-phase branch 200 a positive voltage when the current through the switch units 212 and or 214 flows. In contrast, a design gives a negative voltage when the current through switch units 222 and or 224 flows.

Der einzelphasige Zweig 200 weist eine erste Invertergruppe 210 und eine zweite Invertergruppe 220 auf, die auf verschachtelte Weise verbunden sind. Jede Invertergruppe 210 und 220 ist so gestaltet, dass sie eine dreistufige Ausgangsspannung ausgibt, so dass der einzelphasige Zweig 200 eine fünfstufige Ausgangsspannung liefern kann. Es sei klargestellt, dass ein Fachmann zusätzliche Invertergruppen hinzufügen kann, um Ausgangsspannungen mit zunehmenden Pegeln zu erzeugen. Zum Beispiel kann eine fünfstufige Invertergruppe mit einer dreistufigen Invertergruppe verschachtelt sein, um eine siebenstufige Ausgangsspannung zu erzeugen.The single-phase branch 200 has a first inverter group 210 and a second inverter group 220 which are connected in a nested way. Each inverter group 210 and 220 is designed so that it outputs a three-level output voltage, so that the single-phase branch 200 can deliver a five-level output voltage. It should be understood that one skilled in the art may add additional inverter groups to produce output voltages at increasing levels. For example, a five-level inverter group may be nested with a three-level inverter group to produce a seven-level output voltage.

In dem Ausführungsbeispiel von 2B weist die erste Invertergruppe 210 drei bidirektionale Schaltereinheiten 212, 214, 216 auf, und die zweite Invertergruppe 220 weist drei Schaltereinheiten 222, 224, 226 auf. Von diesen Schaltern sind vier Schaltereinheiten 212, 214, 222, 224 in Reihe verbunden, um einen ersten, in Längsrichtung verlaufenden Arm des fünfstufigen Schaltzweigs 202 zu bilden. Außerdem sind Schaltereinheiten 216 und 226 in Reihe verbunden, um einen zweiten, in Längsrichtung verlaufenden Arm des fünfstufigen Schaltzweigs 201 zu bilden. Eine Schaltereinheit kann aus einem Schalter oder aus mehreren Schaltern bestehen, die zusammenarbeiten, um sich je nach ihrer Nennleistung eine Last zu teilen.In the embodiment of 2 B indicates the first inverter group 210 three bidirectional switch units 212 . 214 . 216 on, and the second inverter group 220 has three switch units 222 . 224 . 226 on. Of these switches are four switch units 212 . 214 . 222 . 224 connected in series to a first, longitudinally extending arm of the five-stage switching branch 202 to build. There are also switch units 216 and 226 connected in series to a second, longitudinal arm of the five-stage switching branch 201 to build. A switch unit may consist of one or more switches that work together to share a load according to their rating.

Typische gesteuerte Schalter weisen Leistungs-Halbleiter auf, wie Bipolartransistoren mit isolierter Gate-Elektrode (IG-BTs), mit einer antiparallelen Diode über ihren Emitter-Kollektor-Übergängen. Ein IGBT ist eine Leistungs-Halbleitereinrichtung mit drei Klemmen, die einen isolierten Feldeffekttransistor für den Steuereingang und einen bipolaren Leistungstransistor als Schalter aufweist.Typical controlled switches have power semiconductors, such as insulated gate bipolar transistors (IG-BTs), with an anti-parallel diode across their emitter-collector junctions. An IGBT is a three terminal power semiconductor device having an insulated field effect transistor for the control input and a bipolar power transistor as a switch.

Metalloxidhalbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFETs) sind ebenfalls von Vorteil. MOSFETs sind in erster Linie deshalb von Vorteil, weil sie (1) eine antiparallele Schottky-Diode aufweisen, die die Notwendigkeit für den Kauf zusätzlicher Dioden eliminiert, (2) Schnellschalteigenschaften und einen hohen Wirkungsgrad haben, und (3) mit einer Spannungsquelle statt einer Stromquelle eingeschaltet werden.Metal oxide semiconductor field effect transistors (MOSFETs) are also advantageous. MOSFETs are advantageous in the first place because they have (1) an antiparallel Schottky diode which eliminates the need for the purchase of additional diodes, (2) having fast switching characteristics and high efficiency, and (3) having a voltage source instead of one Power source are turned on.

Die Leistungs-Halbleitereinrichtungen können auch Integrated Gate-Commutated Thyristors (IGCTs), Gate Turn-Off Thyristors (GTOs) oder andere Arten sein. Der IGBT-Emitter ist einer MOSFET-Source oder einer IGCT- oder GTO-Anode gleichwertig. Der IGBT-Kollektor ist einem MOSFET-Drain oder einer IGCT- oder GTO-Kathode gleichwertig.The power semiconductor devices may also be integrated gate-commutated thyristors (IGCTs), gate turn-off thyristors (GTOs), or other types. The IGBT emitter is equivalent to a MOSFET source or an IGCT or GTO anode. The IGBT collector is equivalent to a MOSFET drain or an IGCT or GTO cathode.

Beispielsweise durchläuft der einzelphasige Zweig 200, wenn der Stromdurchsatz nicht null ist, eine Reihe von Schritten, in denen verschiedene Schaltereinheitskonfigurationen erzeugt werden, um die sinusförmige Ausgangswellenform zu erzeugen. Dieser Ablauf ist nachstehend in einer Tabelle von Steuersignalen dargestellt (Tabelle I). In Tabelle I bezeichnet ein Wert „1” einen Transistor, der „ein” sein sollte, um bestimmte Ausgangsspannungen zu erreichen. TABELLE 1 –2/3 V –1/3 V 0 1/3 V 2/3 V Schaltereinheit 212 0 0 0 1 1 Schaltereinheit 214 0 0 1 1 1 Schaltereinheit 222 1 1 1 0 0 Schaltereinheit 224 1 1 0 0 0 Schaltereinheit 216 1 0 1/0 1 0 Schaltereinheit 226 0 1 0/1 0 1 For example, the single-phase branch passes through 200 if the current throughput is not zero, a series of steps in which different switch unit configurations are generated to generate the sinusoidal output waveform. This process is shown below in a table of control signals (Table I). In Table I, a value "1" denotes a transistor which should be "on" to achieve certain output voltages. TABLE 1 -2/3 v -1/3 v 0 1/3 v 2/3 V switch unit 212 0 0 0 1 1 switch unit 214 0 0 1 1 1 switch unit 222 1 1 1 0 0 switch unit 224 1 1 0 0 0 switch unit 216 1 0 1/0 1 0 switch unit 226 0 1 0/1 0 1

Wie in Tabelle I dargestellt ist, werden die Schaltereinheit 212 und 222 in entgegengesetzte Zustände verbunden, d. h. wenn eine Schaltereinheit leitet, tut die andere Schaltereinheit dies nicht. Ebenso sind auch Schaltereinheiten 214 und 224 so gepaart, dass sie komplementär zueinander sind. Schließlich sind die Zwischenschaltereinheiten 216 und 226 komplementär zueinander, um den Übergang von einem positiven Spannungspegel zu einem negativen Spannungspegel zu erleichtern.As shown in Table I, the switch unit 212 and 222 connected in opposite states, ie when a switch unit conducts, the other switch unit does not do so. Likewise, switch units are also 214 and 224 paired so that they are complementary to each other. Finally, the intermediate switch units 216 and 226 complementary to one another to facilitate the transition from a positive voltage level to a negative voltage level.

Komplementäre Zustände der oben genannten Schaltereinheitspaare können durch eine Steuereinrichtung gewährleistet werden, mit einer Betätigungseinrichtung, die komplementäre Bezugssignale zu den einzelnen Schaltereinheiten in den Schaltereinheitspaaren sendet, wie in 1A und 1B dargestellt ist. Die komplementären Bezugssignale können von einer oder mehreren Steuereinrichtungen gesendet werden, die synchronisiert sind und logische Steuersignale bei einer bestimmten Frequenz abgeben, die dafür ausgelegt ist, die einander entgegengesetzten Zustände der Schaltereinheitspaare zu gewährleisten. Complementary states of the above-mentioned switch unit pairs can be ensured by a controller having an actuator that sends complementary reference signals to the individual switch units in the switch unit pairs, as in FIG 1A and 1B is shown. The complementary reference signals may be transmitted by one or more controllers that are synchronized and provide logic control signals at a particular frequency that is configured to ensure the opposing states of the switch unit pairs.

Mehrere Steuereinrichtungen können für die Leistungsrichteinrichtung 100, die in 1A und 1B dargestellt ist, nötig sein. Da die Leistungsrichteinrichtung 100 mehrere Phasenzweige benötigt, genauer erste Inverter 122, 127, zweite Inverter 124, 128 und dritte Inverter 126, 129, können mehrere Steuereinrichtungen nötig sein, um zu gewährleisten, dass jedes Schaltereinheitspaar komplementäre Bezugssignale empfängt. Obwohl dies nicht dargestellt ist, können zusätzlich mehrere Steuereinrichtungen eine Regelung durch einen Steuerprozessor benötigen, der für die Koordination der Bezugssignale zuständig sein würde.Several control devices can be used for the power leveling device 100 , in the 1A and 1B is shown, be necessary. As the power leveling device 100 several phase branches needed, more precisely first inverter 122 . 127 , second inverter 124 . 128 and third inverter 126 . 129 For example, multiple controllers may be needed to ensure that each switch unit pair receives complementary reference signals. Although not shown, in addition, multiple controllers may require control by a control processor that would be responsible for coordinating the reference signals.

Der einzelphasige Zweig 200 weist eine erste Diode 262 und eine zweite Diode 264 auf, die miteinander in Reihe verbunden sind und mit dem Schaltzweig 202 parallel verbunden sind. Jeweils ein Ende von beiden Dioden 262 und 264 ist mit demselben Knotenpunkt verbunden. Das andere Ende der ersten Diode 262 ist mit einem Knotenpunkt 246 verbunden, während das andere Ende der zweiten Diode 264 mit einem Knotenpunkt 248 verbunden ist. Die Stelle, wo die Dioden 262 und 264 angeordnet sind, ermöglicht eine Blockierung des Stroms, wenn die Spannung null ist.The single-phase branch 200 has a first diode 262 and a second diode 264 on, which are connected together in series and with the switching branch 202 connected in parallel. One end of both diodes 262 and 264 is connected to the same node. The other end of the first diode 262 is with a node 246 connected while the other end of the second diode 264 with a node 248 connected is. The place where the diodes 262 and 264 allows blocking of the current when the voltage is zero.

Die erste Diode 262 blockiert Strom für positive Spannungspegel, während die zweite Diode 264 Strom für negative Spannungspegel blockiert. Diese Blockierung ist nötig, da in einer herkömmlichen dreistufigen Invertertopologie ohne die Verwendung der Diode ein Kurzschluss auftreten würde. Zu einem Kurzschluss kommt es, weil beim Übergang vom leitenden zum Blockierungszustand die Ladung des internen Diodenspeichers entladen werden muss. Dies führt dazu, dass ein Strom in der Diode in umgekehrter Richtung fließt. Dadurch, dass entweder die erste Diode 262 leitend gemacht wird, wenn der Strom größer ist als null, oder aber die zweite Diode 264, wenn der Strom kleiner ist als null, wird der Weg, auf dem der magnetisierende Strom umläuft, stabilisiert.The first diode 262 blocks current for positive voltage levels while the second diode 264 Power blocked for negative voltage levels. This blocking is necessary because a short circuit would occur in a conventional three-level inverter topology without the use of the diode. A short circuit occurs because the charge of the internal diode memory must be discharged during the transition from the conducting to the blocking state. This causes a current in the diode to flow in the reverse direction. In that either the first diode 262 is made conductive when the current is greater than zero, or the second diode 264 when the current is less than zero, the path on which the magnetizing current circulates is stabilized.

Für einen optimierten Betrieb des Inverters werden Dioden 262 und 264 installiert, um den Strom zu blockieren, wenn die Spannung null ist. Wenn die Spannung null ist und der Strom größer ist als null, lässt die erste Diode 262 Strom durch die Schaltereinheiten 212 und 214 fließen. Jedoch blockiert die Diode 262 den Strom durch die Schaltereinheiten 222 und 224. Ebenso lässt die zweite Diode 264, wenn die Spannung null ist und der Strom kleiner ist als null, den Strom durch die Schaltereinheiten 222 und 224 fließen, blockiert aber den Strom durch die Schaltereinheiten 212 und 214.For an optimized operation of the inverter become diodes 262 and 264 installed to block the current when the voltage is zero. If the voltage is zero and the current is greater than zero, the first diode will fail 262 Current through the switch units 212 and 214 flow. However, the diode is blocking 262 the current through the switch units 222 and 224 , Likewise, the second diode leaves 264 if the voltage is zero and the current is less than zero, the current through the switch units 222 and 224 flow, but blocks the flow through the switch units 212 and 214 ,

Man beachte, dass der Strom den gleichen Weg durch die beiden Energieumwandlungseinrichtungen nimmt, die in 2A und 2B dargestellt sind. Man beachte auch, dass keine Konfiguration, die bewirkt, dass die Kondensatoren 232, 234, 236 der Richteinrichtungen in 2A und 2B einen Kurzschluss bilden, als mögliche Konfiguration in Frage kommt.Note that the current takes the same path through the two energy conversion devices that are in 2A and 2 B are shown. Also note that no configuration that causes the capacitors 232 . 234 . 236 the straightening devices in 2A and 2 B make a short circuit as possible configuration comes into question.

3 ist ein Ausführungsbeispiel einer typischen Wellenform der Ausgangsspannung und des Ausgangsstroms der in 2A und 2B beschriebenen Richteinrichtungen, die jeweils zu den drei Kondensatoren 232, 246 und 236 fließen. Die Ausgangsspannung ist in der Regel ein pulsbreitenmoduliertes (PWM) Signal, und der Strom ist eine Quasi-Sinuswelle. Der Stromwert ist direkt mit der Synchronisierung der Steuereinrichtungen verknüpft, wie oben beschrieben. Somit wird der Stromwert so gesteuert, dass er über einem Zeitraum einen Durchschnittswert null hat, um sicherzustellen, dass eine konstante Durchschnittsspannung von 1/3 an den Klemmen jedes der Kondensatoren 232, 234 und 236 vorhanden ist. Die Spannung wird zwischen dem niedrigsten Potentialpegel der Spannungsquelle, der von Knoten 204 und 205 erkannt wird, und der Klemme der Stromquelle, genauer dem dritten Anschluss 206, der mit der Energieumwandlungseinrichtung verbunden ist, gemessen. 3 is an embodiment of a typical output voltage and output current waveform of FIG 2A and 2 B described straightening devices, each to the three capacitors 232 . 246 and 236 flow. The output voltage is typically a pulse width modulated (PWM) signal, and the current is a quasi-sine wave. The current value is directly linked to the synchronization of the controllers, as described above. Thus, the current value is controlled to have an average value of zero over a period of time to ensure that a constant average voltage of 1/3 at the terminals of each of the capacitors 232 . 234 and 236 is available. The voltage is between the lowest potential level of the voltage source, that of nodes 204 and 205 is detected, and the terminal of the power source, more precisely, the third terminal 206 , which is connected to the energy conversion device, measured.

4 ist eine Veranschaulichung von Pulssignalen für entsprechende Schalter gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung. Genauer ist 4 eine Darstellung der Pulssignale für entsprechende Schaltereinheitspaare. 4 FIG. 10 is an illustration of pulse signals for respective switches according to one embodiment of the present disclosure. FIG. Is more accurate 4 a representation of the pulse signals for corresponding switch unit pairs.

Ein Pulssignal 412 entspricht der Schaltereinheit 212 und ein Pulssignal 424 entspricht der Schaltereinheit 224. Die entsprechenden Pulssignale der Schaltereinheiten sind innerhalb des Paares aus den Schaltereinheiten 214, 224 komplementär. Ebenso entsprechen Pulssignale 414 und 424 Schaltereinheiten 214 und 224, und die Pulssignale sind innerhalb des Paares aus Schaltereinheiten 214, 224 komplementär. Schließlich entsprechen Pulssignale 416 und 426 Schaltereinheiten 216 und 226, und die Pulssignale sind innerhalb des Paares aus Schaltereinheiten 216, 226 komplementär.A pulse signal 412 corresponds to the switch unit 212 and a pulse signal 424 corresponds to the switch unit 224 , The corresponding pulse signals of the switch units are within the pair of switch units 214 . 224 complementary. Likewise, pulse signals correspond 414 and 424 switch units 214 and 224 , and the pulse signals are within the pair of switch units 214 . 224 complementary. Finally, pulse signals correspond 416 and 426 switch units 216 and 226 , and the pulse signals are within the pair of switch units 216 . 226 complementary.

Man beachte, dass der Abschnitt, der mit Ausführliche Beschreibung betitelt ist, und nicht die mit Kurze Beschreibung und Zusammenfassung betitelten Abschnitte herangezogen werden sollten, um die Ansprüche auszulegen. Die mit Kurze Beschreibung und Zusammenfassung betitelten Abschnitte mögen eines oder mehrere, können jedoch nicht alle Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung nennen, die vom Erfinder bzw. den Erfindern in Betracht gezogen werden, und sollen daher die vorliegende Erfindung und die beigefügten Ansprüche in keiner Weise einschränken.Note that the section entitled "Detailed Description" should be used to interpret the claims, rather than the sections entitled "Brief Description and Summary". The sections entitled "Brief Description and Summary" may or may not cite all embodiments of the present invention contemplated by the inventor (s) and are therefore not intended to limit the present invention and the appended claims in any way.

Eine einzelphasige, fünfstufige hybride Energieumwandlungseinrichtung, die aufweist: einen ersten in Längsrichtung verlaufenden Arm, der vier in Reihe verbundene Schaltereinheiten aufweist, wie in einem fünfstufigen Inverter; einen zweiten in Längsrichtung verlaufenden Arm, der zwei in Reihe verbundene Schalter aufweist, wie in einem zweistufigen Inverter; eine Kondensatorsäule, die drei in Reihe verbundene Kondensatoren aufweist; und zwei in Reihe verbundene Sperrdioden. Der erste in Längsrichtung verlaufende Arm ist parallel mit den Sperrdioden verbunden, und der zweite in Längsrichtung verlaufende Arm ist parallel mit der Kondensatorsäule verbunden. Ebenso wird ein Energieumwandlungssystem geschaffen, das aufweist: eine mehrphasige, fünfstufige hybride Energieumwandlungseinrichtung, die mit einer ersten und einer zweiten Leistungsquelle verbunden ist, und eine Steuereinrichtung, die ein Steuersignal ausgibt.A single-phase, five-stage hybrid power conversion device comprising: a first longitudinal arm having four series-connected switch units as in a five-level inverter; a second longitudinal arm having two switches connected in series, as in a two-stage inverter; a condenser column having three capacitors connected in series; and two series-connected blocking diodes. The first longitudinal arm is connected in parallel with the blocking diodes, and the second longitudinal arm is connected in parallel with the capacitor column. There is also provided a power conversion system comprising: a multi-phase, five-stage hybrid power conversion device connected to a first and a second power source and a control device outputting a control signal.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

Fig. 1A

100: System
102: Spannung
104: Wechselspannung
106: Steuersignal
110: Erste Leistungseinrichtung
120: Leistungsrichteinrichtung
122: Erster Inverter
123: Gleichspannung
124: Zweiter Inverter
125: Gleichspannung
126: Dritter Inverter
130: Zweite Leistungseinrichtung
140: Steuereinrichtung

Fig. 1B

100: System
102: Spannung
105: Gleichspannung
106: Gleichspannung
107: Gleichspannung
110: Erste Leistungseinrichtung
121: Leistungsrichteinrichtung
127: Erster Inverter
128: Zweiter Inverter
129: Dritter Inverter
132: Zweite Leistungseinrichtung
134: Zweite Leistungseinrichtung
136: Zweite Leistungseinrichtung
140: Steuereinrichtung

Fig. 2A

200: Einzelphasiger Zweig
201: Schaltzweig
202: Schaltzweig
203: Schaltzweig
209: Kondensatorsäule
232: Erster Kondensator
234: Dritter Kondensator
236: Zweiter Kondensator

Fig. 2B

200: Einzelphasiger Zweig
204: Anschluss/Knoten
205: Anschluss/Knoten
206: Dritter Anschluss
207: Gleichspannungsleitung
208: Zweite Gleichspannungsleitung
210: Invertergruppe
212: Schalteinheit
214: Schalteinheit
216: Schalteinheit
220: Invertergruppe
222: Schalteinheit
224: Schalteinheit
226: Schalteinheit
232: Kondensator
234: Kondensator
236: Kondensator
242: Knotenpunkt
244: Knotenpunkt
246: Knotenpunkt
248: Knotenpunkt
250
252: Knotenpunkt
254
262: Diode
264: Diode

Fig. 3 – Darstellung eines BeispielsFig. 4

212: Schalteinheit
214: Schalteinheit
216: Schalteinheit
222: Schalteinheit
226: Schalteinheit

Fig. 1A

100: system
102: tension
104: AC
106: control signal
110: First power device
120: Power leveler
122: First inverter
123: DC
124: Second inverter
125: DC
126: Third inverter
130: Second power facility
140: control device

Fig. 1B

100: system
102: tension
105: DC
106: DC
107: DC
110: First power device
121: Power leveler
127: First inverter
128: Second inverter
129: Third inverter
132: Second power facility
134: Second power facility
136: Second power facility
140: control device

Fig. 2A

200: Single-phase branch
201: switching branch
202: switching branch
203: switching branch
209: condenser column
232: First capacitor
234: Third capacitor
236: Second capacitor

Fig. 2B

200: Single-phase branch
204: Port / node
205: Port / node
206: Third connection
207: DC line
208: Second DC voltage line
210: inverter group
212: switching unit
214: switching unit
216: switching unit
220: inverter group
222: switching unit
224: switching unit
226: switching unit
232: capacitor
234: capacitor
236: capacitor
242: junction
244: junction
246: junction
248: junction
250
252: junction
254
262: diode
264: diode

Fig. 3 - Representation of an example Fig. 4

212: switching unit
214: switching unit
216: switching unit
222: switching unit
226: switching unit

Claims

A hybrid power conversion device, wherein each phase comprises: a first longitudinal arm having a first switch unit and a second switch unit, each connected to a positive voltage node, and a third switch unit and a fourth switch unit, each having a connected to negative voltage node, wherein the first, second, third and fourth switch units are connected in series; a second longitudinal arm having a first switch unit connected in series with a second switch unit, the second longitudinal arm being connected in parallel with the first longitudinal arm; and a condenser column having a first condenser connected in series with a second condenser and a third condenser, the condenser column being connected in parallel to the second longitudinal arm.

The conversion device of claim 1, wherein the first longitudinal arm comprises a fifth switch unit connected to the positive voltage node and a sixth switch unit connected to a negative voltage node for a seven-level output.

A conversion device according to claim 1 or 2, wherein each of the three capacitors of the condenser column is sized to hold a load voltage corresponding to a fraction of the voltage of the DC voltage source.

The conversion device of claim 3, wherein the voltages of the three capacitors of the capacitor column are substantially equalized in one or more switching control cycles by selectively using redundant switching states of the switching signals sent to the switch units via both the first and second longitudinal arms ,

Conversion device according to one of the preceding claims, wherein the switch units on the first and second longitudinal arms consist of identical components.

Conversion apparatus according to any one of the preceding claims, wherein the converter further comprises a first blocking diode connected in series with a second blocking diode, wherein the first and second blocking diodes may be connected in parallel with the first longitudinal arm.

Conversion device according to one of the preceding claims, wherein the switch units on the first and second longitudinal arms are each unidirectional with respect to the current and bidirectional with respect to the voltage.

Conversion device according to one of the preceding claims, wherein the switch units on the first and second longitudinal arms are each unidirectional with respect to the voltage and bidirectional with respect to the current.

Hybrid energy conversion system, comprising: a power source connection that connects to a power source; a DC voltage source connected to a voltage, the one DC voltage source having a positive voltage node and a negative voltage node; a power conversion device having at least one phase, each phase comprising: a first longitudinal arm of four similar switch units connected in series, the first and third switch units forming a first switch unit pair and the second and fourth switch units forming a second switch unit pair; a second longitudinal arm having two identical switch units connected in series, the two switch units forming a third switch unit pair; a condenser column having three capacitors connected in series; and two blocking diodes connected in series; a controller communicating with the power conversion device; and an actuator for actuating the controller to provide a reference signal for a desired voltage conversion.

A method of operating a five-step converter to obtain variable output voltages with respect to a ground node, comprising: Feeding a first switch unit with a first control signal from a control device; Feeding a second switch unit with a second control signal from the control means which is complementary to the first control signal; Feeding a third switch unit with a third control signal from the control device; Feeding a fourth switch unit with a fourth control signal from the control means which is complementary to the third control signal; Feeding a fifth switch unit with a fifth control signal from the control device; Charging a sixth switch unit with a sixth control signal from the controller, which is complementary to the fifth control signal.