专利名称：功率转换设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及将直流电压转换成交流电压的功率转换设备，尤其涉及降低单相三电平功率转换设备的损耗的技术。
背景技术：
为了减小将直流功率转换成交流功率的逆变设备中的波形畸变，已提出了三电平逆变器的方式(例如日本专利申请JP2008-17^84A、JP2007-28860A)。下面，作为单相三电平逆变器的现有技术示例，参照附图9 11，对日本专利申请JP2008-17^84A、 JP2007-28860A所公开的电路结构及其动作进行说明。图9是日本专利申请JP2008_17^84A所公开的单相三电平逆变器的电路结构图。 单相三电平逆变器通过利用控制器6a对构成逆变器电路3a的开关元件的通/断状态进行控制，将电源1的直流电压2E转换为单相交流电压，并将该单相交流电压提供给负载5。图9中，电容器Cl和电容器C2串联连接在电源1的两端。电容器Cl和电容器C2 构成第一直流电源和第二直流电源。当电源1的电压为2E时，电容器Cl和电容器C2的电压分别为E。电源1的两端还连接有电压检测器2，该电压检测器2检测电源1的电压2E。然后，在电容器Cl和电容器C2所构成的串联电路的两端连接着由开关元件Iu 4u串联连接而成的串联电路。构成上述串联电路的开关元件Iu 如分别与二极管Ix 4x反向并联连接。在开关元件Iu和2u的连接点、与开关元件:3u和如的连接点之间还串联连接着二极管切和6x。而且，二极管切和6x的连接点与电容器Cl和C2的连接点相连接。在电容器Cl和电容器C2所构成的串联电路的两端还连接着由开关元件Iv 4v 串联连接而成的串联电路。构成上述串联电路的开关元件Iv 4v分别与二极管Iy 4y 反向并联连接。在开关元件Iv和2v的连接点、与开关元件3v和4v的连接点之间还串联连接着二极管5y和6y。而且，二极管5y和6y的连接点与电容器Cl和C2的连接点相连接。在此，开关元件Iu 如及二极管Ix 6x构成第一半桥。开关元件Iv 4v及二极管Iy 6y构成第二半桥。进而，第一半桥和第二半桥构成逆变器电路3a。开关元件2u和;3u的连接点为U端子，开关元件2v和3v的连接点为V端子。U端子和V端子是逆变器电路3a的交流输出端子。在U端子和V端子之间并联连接着电压检测器4和负载5。然后，控制器6a输出开关元件Iu 如及Iv 4v的选通信号。为此，控制器6a 包括输出电压指令单元61、控制运算单元62、以及第一 PWM控制器63a。下面，对控制器6a的动作进行说明。首先，输出电压指令单元61输出逆变器电路 3a要施加到负载上的电压的指令值。控制运算单元62利用PI调节器等进行AVR运算，从而使电压检测器4检测出的交流输出电压与输出电压指令单元61输出的输出电压指令匹配。然后，控制运算单元62将AVR运算的结果除以电压检测器2检测出的直流输入电压，算出用于PWM控制的调制信号。第一 PWM控制器63a对内部生成的载波信号与控制运算单元62输出的调制信号进行大小比较，并生成开关元件Iu 如及Iv 4v的选通信号。将选通信号输出到逆变器电路3a。利用选通信号来对开关元件Iu 如及Iv 4v进行通/断控制。从而，在逆变器电路3a的U端子和V端子之间输出期望交流电压。
图10是示出图9中所示的逆变器电路3a的U端子和V端子之间所产生的输出电压波形的示例图。由于单相三电平逆变器通常在IOkHz左右的载波频率下工作，因此其输出电压具有更接近正弦波的波形。表1是示出与开关元件Iu 如及Iv 4v的通/断状态的组合相对应的逆变器电路3a的U端子和V端子之间输出的电压的表格。通过重复表1中所示的模式1 模式 8，在逆变器电路3a的U端子和V端子之间输出具有如图10所示波形的电压。如图10及表1所示，逆变器电路3a的输出电压有5种电平，分别为0、E、2E、-E、-2E。表 权利要求
1.一种单相三电平功率转换设备，包括由第一半桥和第二半桥构成的功率转换器，所述功率转换器根据输出电压在所述第一半桥或所述第二半桥中以半桥模式工作。
2.一种单相三电平功率转换设备，包括由第一半桥和第二半桥构成的功率转换器，所述功率转换器根据输入电压在所述第一半桥或所述第二半桥中以半桥模式工作。
3.—种功率转换设备，包括由第一半桥和第二半桥构成的功率转换器，所述功率转换器通过控制多个开关元件的通/断状态，将直流输入电压转换成具有正电压、负电压和中间电压这三种电位电平的交流相电压；以及控制器，所述控制器通过对构成所述第一半桥和第二半桥的开关元件提供选通信号， 控制所述开关元件的通/断状态，其中，所述控制器包括第一 PWM控制器，所述第一 PWM控制器输出选通信号，用于使所述功率转换器在全桥模式下工作；第二 PWM控制器，所述第二 PWM控制器输出选通信号，用于使所述功率转换器在半桥模式下工作；以及选通信号选择器，所述选通信号选择器输出所述第一 PWM控制器的输出或所述第二 PWM控制器的输出，作为所述开关元件的选通信号。
4.一种功率转换设备，包括由第一半桥和第二半桥构成的功率转换器，所述功率转换器通过控制多个开关元件的通/断状态，将直流输入电压转换成具有正电压、负电压、中间电压这三种电位电平的交流相电压；以及控制器，所述控制器通过对构成所述第一半桥和第二半桥的开关元件提供选通信号， 控制所述开关元件的通/断状态，其中，所述控制器包括第一 PWM控制器，所述第一 PWM控制器输出选通信号，用于使所述功率转换器在全桥模式下工作；第二 PWM控制器，所述第二 PWM控制器输出选通信号，用于使所述功率转换器在半桥模式下工作；选通信号选择器，所述选通信号选择器输出所述第一 PWM控制器的输出或所述第二 PWM控制器的输出，作为所述开关元件的选通信号；以及桥切换单元，所述桥切换单元在使所述功率转换器在半桥模式下工作时，使所述第一半桥和第二半桥交替地工作。
5.如权利要求3所述的功率转换设备，其特征在于，当只需对所述第一半桥或所述第二半桥的所述开关元件进行通/断控制就能输出交流相电压时，所述选通信号选择器输出第二 PWM控制器的输出作为所述开关元件的选通信号。
6.如权利要求3所述的功率转换设备，其特征在于，所述直流输入电压由第一直流电压源和第二直流电压源串联均分，当第一电源和第二电源的电压值大于交流相电压指令的振幅值时，所述选通信号选择器输出第二 PWM控制器的输出作为所述开关元件的选通信号。
7.如权利要求1所述的功率转换设备，其特征在于， 所述功率转换器的半桥包括第一端子和第二端子，所述第一端子和第二端子连接至串联连接的第一直流电压源和第二直流电压源的两端；第三端子，所述第三端子连接至所述第一直流电压源和第二直流电压源的连接点； 第一电路，所述第一电路具有串联连接的第一、第二、第三和第四开关元件、以及分别与所述第一、第二、第三和第四开关元件反向并联连接的第一、第二、第三和第四二极管，其中所述第一、第二、第三和第四开关元件串联连接而成的串联电路的两端与所述第一端子和第二端子连接，且所述第二开关元件和第三开关元件的连接点为交流输出端子；第五二极管，所述第五二极管连接在所述第三端子与所述第一开关元件和第二开关元件的连接点之间；以及第六二极管，所述第六二极管连接在所述第三开关元件和第四开关元件的连接点与所述第三端子之间。
8.如权利要求1所述的功率转换设备，其特征在于， 所述功率转换器的半桥包括第一端子和第二端子，所述第一端子和第二端子连接至串联连接的第一直流电压源和第二直流电压源的两端；第三端子，所述第三端子连接至所述第一直流电压源和第二直流电压源的连接点； 第一电路，所述第一电路具有串联连接的第一开关元件和第四开关元件、以及与所述第一开关元件和第四开关元件反向并联连接的二极管，其中所述串联连接的第一开关元件和第四开关元件的两端与所述第一端子和第二端子连接，且所述第一开关元件和第四开关元件的连接点为交流输出端子；以及第二电路，在所述第二电路中，具有反向耐压的第二开关元件和第三开关元件反向并联连接，其中一个反向并联连接的连接点与所述第三端子连接，另一个反向并联连接的连接点与所述交流输出端子连接。
9.如权利要求1所述的功率转换设备，其特征在于， 所述功率转换器的半桥包括第一端子和第二端子，所述第一端子和第二端子连接至串联连接的第一直流电压源和第二直流电压源的两端；第三端子，所述第三端子连接至所述第一直流电压源和第二直流电压源的连接点； 第一电路，所述第一电路具有串联连接的第一开关元件和第四开关元件、以及与所述第一开关元件和第四开关元件反向并联连接的二极管，其中所述串联连接的第一开关元件和第四开关元件的两端与所述第一端子和第二端子连接，且所述第一开关元件和第四开关元件的连接点为交流输出端子；以及第二电路，在所述第二电路中，分别反向并联地连接有二极管的第二开关元件和第三开关元件反向串联连接，其中一个串联连接的连接点与所述第三端子连接，另一个串联连接的连接点与所述交流输出端子连接。
10.如权利要求1所述的功率转换设备，其特征在于，所述功率转换器的半桥包括第一端子和第二端子，所述第一端子和第二端子连接至串联连接的第一直流电压源和第二直流电压源的两端；第三端子，所述第三端子连接至所述第一直流电压源和第二直流电压源的连接点； 第一电路，所述第一电路具有串联连接的第一开关元件和第四开关元件、以及与所述第一开关元件和第四开关元件反向并联连接的二极管，其中所述串联连接的第一和第四开关元件的两端与所述第一端子和第二端子连接，且所述第一开关元件和第四开关元件的连接点为交流输出端子；以及第二电路，在所述第二电路中，由第二开关元件与二极管串联连接而成的电路、和由第三开关元件与二极管串联连接而成的电路反向并联连接，其中一个反向并联连接的连接点与所述第三端子连接，另一个反向并联连接的连接点与所述交流输出端子连接。
11.如权利要求2所述的功率转换设备，其特征在于， 所述功率转换器的半桥包括第一端子和第二端子，所述第一端子和第二端子连接至串联连接的第一直流电压源和第二直流电压源的两端；第三端子，所述第三端子连接至所述第一直流电压源和第二直流电压源的连接点； 第一电路，所述第一电路具有串联连接的第一、第二、第三和第四开关元件、以及分别与所述第一、第二、第三和第四开关元件反向并联连接的第一、第二、第三和第四二极管，其中所述第一、第二、第三和第四开关元件串联连接而成的串联电路的两端与所述第一端子和第二端子连接，且所述第二开关元件和第三开关元件的连接点为交流输出端子；第五二极管，所述第五二极管连接在所述第三端子与所述第一开关元件和第二开关元件的连接点之间；以及第六二极管，所述第六二极管连接在所述第三开关元件和第四开关元件的连接点与所述第三端子之间。
12.如权利要求3所述的功率转换设备，其特征在于， 所述功率转换器的半桥包括第一端子和第二端子，所述第一端子和第二端子连接至串联连接的第一直流电压源和第二直流电压源的两端；第三端子，所述第三端子连接至所述第一直流电压源和第二直流电压源的连接点； 第一电路，所述第一电路具有串联连接的第一、第二、第三和第四开关元件、以及分别与所述第一、第二、第三和第四开关元件反向并联连接的第一、第二、第三和第四二极管，其中所述第一、第二、第三和第四开关元件串联连接而成的串联电路的两端与所述第一端子和第二端子连接，且所述第二开关元件和第三开关元件的连接点为交流输出端子；第五二极管，所述第五二极管连接在所述第三端子与所述第一开关元件和第二开关元件的连接点之间；以及第六二极管，所述第六二极管连接在所述第三开关元件和第四开关元件的连接点与所述第三端子之间。
13.如权利要求4所述的功率转换设备，其特征在于， 所述功率转换器的半桥包括第一端子和第二端子，所述第一端子和第二端子连接至串联连接的第一直流电压源和第二直流电压源的两端；第三端子，所述第三端子连接至所述第一直流电压源和第二直流电压源的连接点； 第一电路，所述第一电路具有串联连接的第一、第二、第三和第四开关元件、以及分别与所述第一、第二、第三和第四开关元件反向并联连接的第一、第二、第三和第四二极管，其中所述第一、第二、第三和第四开关元件串联连接而成的串联电路的两端与所述第一端子和第二端子相连接，且所述第二开关元件和第三开关元件的连接点为交流输出端子；第五二极管，所述第五二极管连接在所述第三端子与所述第一开关元件和第二开关元件的连接点之间；以及第六二极管，所述第六二极管连接在所述第三开关元件和第四开关元件的连接点与所述第三端子之间。
14.如权利要求2所述的功率转换设备，其特征在于， 所述功率转换器的半桥包括第一端子和第二端子，所述第一端子和第二端子连接至串联连接的第一直流电压源和第二直流电压源的两端；第三端子，所述第三端子连接至所述第一直流电压源和第二直流电压源的连接点； 第一电路，所述第一电路具有串联连接的第一和第四开关元件、以及与所述第一和第四开关元件反向并联连接的二极管，其中所述串联连接的第一和第四开关元件的两端与所述第一端子和第二端子连接，且所述第一开关元件和第四开关元件的连接点为交流输出端子；以及第二电路，在所述第二电路中，具有反向耐压的第二开关元件和第三开关元件反向并联连接，其中一个反向并联连接的连接点与所述第三端子连接，另一个反向并联连接的连接点与所述交流输出端子连接。
15.如权利要求3所述的功率转换设备，其特征在于， 所述功率转换器的半桥包括第一端子和第二端子，所述第一端子和第二端子连接至串联连接的第一直流电压源和第二直流电压源的两端；第三端子，所述第三端子连接至所述第一直流电压源和第二直流电压源的连接点； 第一电路，所述第一电路具有串联连接的第一开关元件和第四开关元件、以及与所述第一开关元件和第四开关元件反向并联连接的二极管，其中所述串联连接的第一开关元件和第四开关元件的两端与所述第一端子和第二端子连接，且所述第一开关元件和第四开关元件的连接点为交流输出端子；以及第二电路，在所述第二电路中，具有反向耐压的第二开关元件和第三开关元件反向并联连接，其中一个反向并联连接的连接点与所述第三端子连接，另一个反向并联连接的连接点与所述交流输出端子连接。
16.如权利要求4所述的功率转换设备，其特征在于， 所述功率转换器的半桥包括第一端子和第二端子，所述第一端子和第二端子连接至串联连接的第一直流电压源和第二直流电压源的两端；第三端子，所述第三端子连接至所述第一直流电压源和第二直流电压源的连接点； 第一电路，所述第一电路具有串联连接的第一开关元件和第四开关元件、以及与所述第一开关元件和第四开关元件反向并联连接的二极管，其中所述串联连接的第一开关元件和第四开关元件的两端与所述第一端子和第二端子连接，且所述第一开关元件和第四开关元件的连接点为交流输出端子以及第二电路，在所述第二电路中，具有反向耐压的第二开关元件和第三开关元件反向并联连接，其中一个反向并联连接的连接点与所述第三端子连接，另一个反向并联连接的连接点与所述交流输出端子连接。
17.如权利要求2所述的功率转换设备，其特征在于， 所述功率转换器的半桥包括第一端子和第二端子，所述第一端子和第二端子连接至串联连接的第一直流电压源和第二直流电压源的两端；第三端子，所述第三端子连接至所述第一直流电压源和第二直流电压源的连接点； 第一电路，所述第一电路具有串联连接的第一开关元件和第四开关元件、以及与所述第一开关元件和第四开关元件反向并联连接的二极管，其中所述串联连接的第一和第四开关元件的两端与所述第一端子和第二端子连接，且所述第一开关元件和第四开关元件的连接点为交流输出端子；以及第二电路，在所述第二电路中，分别反向并联地连接有二极管的第二开关元件和第三开关元件反向串联连接，其中一个串联连接的连接点与所述第三端子连接，另一个串联连接的连接点与所述交流输出端子连接。
18.如权利要求3所述的功率转换设备，其特征在于， 所述功率转换器的半桥包括第一端子和第二端子，所述第一端子和第二端子连接至串联连接的第一直流电压源和第二直流电压源的两端；第三端子，所述第三端子连接至所述第一直流电压源和第二直流电压源的连接点； 第一电路，所述第一电路具有串联连接的第一开关元件和第四开关元件、以及与所述第一开关元件和第四开关元件反向并联连接的二极管，其中所述串联连接的第一和第四开关元件的两端与所述第一端子和第二端子连接，且所述第一开关元件和第四开关元件的连接点为交流输出端子；以及第二电路，在所述第二电路中，分别反向并联地连接有二极管的第二开关元件和第三开关元件反向串联连接，其中一个串联连接的连接点与所述第三端子连接，另一个串联连接的连接点与所述交流输出端子连接。
19.如权利要求4所述的功率转换设备，其特征在于， 所述功率转换器的半桥包括第一端子和第二端子，所述第一端子和第二端子连接至串联连接的第一直流电压源和第二直流电压源的两端；第三端子，所述第三端子连接至所述第一直流电压源和第二直流电压源的连接点； 第一电路，所述第一电路具有串联连接的第一开关元件和第四开关元件、以及与所述第一开关元件和第四开关元件反向并联连接的二极管，其中所述串联连接的第一和第四开关元件的两端与所述第一端子和第二端子连接，且所述第一开关元件和第四开关元件的连接点为交流输出端子；以及第二电路，在所述第二电路中，分别反向并联地连接有二极管的第二开关元件和第三开关元件反向串联连接，其中一个串联连接的连接点与所述第三端子连接，另一个串联连接的连接点与所述交流输出端子连接。
20.如权利要求2所述的功率转换设备，其特征在于， 所述功率转换器的半桥包括第一端子和第二端子，所述第一端子和第二端子连接至串联连接的第一直流电压源和第二直流电压源的两端；第三端子，所述第三端子连接至所述第一直流电压源和第二直流电压源的连接点； 第一电路，所述第一电路具有串联连接的第一开关元件和第四开关元件、以及与所述第一开关元件和第四开关元件反向并联连接的二极管，其中所述串联连接的第一和第四开关元件的两端与所述第一端子和第二端子连接，且所述第一开关元件和第四开关元件的连接点为交流输出端子；以及第二电路，在所述第二电路中，由第二开关元件与二极管串联连接而成的电路、和由第三开关元件与二极管串联连接而成的电路反向并联连接，其中一个反向并联连接的连接点与所述第三端子连接，另一个反向并联连接的连接点与所述交流输出端子连接。
21.如权利要求3所述的功率转换设备，其特征在于， 所述功率转换器的半桥包括第一端子和第二端子，所述第一端子和第二端子连接至串联连接的第一直流电压源和第二直流电压源的两端；第三端子，所述第三端子连接至所述第一直流电压源和第二直流电压源的连接点； 第一电路，所述第一电路具有串联连接的第一开关元件和第四开关元件、以及与所述第一开关元件和第四开关元件反向并联连接的二极管，其中所述串联连接的第一和第四开关元件的两端与所述第一端子和第二端子连接，且所述第一开关元件和第四开关元件的连接点为交流输出端子；以及第二电路，在所述第二电路中，由第二开关元件与二极管串联连接而成的电路、和由第三开关元件与二极管串联连接而成的电路反向并联连接，其中一个反向并联连接的连接点与所述第三端子连接，另一个反向并联连接的连接点与所述交流输出端子连接。
22.如权利要求4所述的功率转换设备，其特征在于， 所述功率转换器的半桥包括第一端子和第二端子，所述第一端子和第二端子连接至串联连接的第一直流电压源和第二直流电压源的两端；第三端子，所述第三端子连接至所述第一直流电压源和第二直流电压源的连接点； 第一电路，所述第一电路具有串联连接的第一开关元件和第四开关元件、以及与所述第一开关元件和第四开关元件反向并联连接的二极管，其中所述串联连接的第一开关元件和第四开关元件的两端与所述第一端子和第二端子连接，且所述第一开关元件和第四开关元件的连接点为交流输出端子；以及第二电路，在所述第二电路中，由第二开关元件与二极管串联连接而成的电路、和由第三开关元件与二极管串联连接而成的电路反向并联连接，其中一个反向并联连接的连接点与所述第三端子连接，另一个反向并联连接的连接点与所述交流输出端子连接。
23.如权利要求4所述的功率转换设备，其特征在于，当只需对所述第一半桥或所述第二半桥的所述开关元件进行通/断控制就能输出交流相电压时，所述选通信号选择器输出第二 PWM控制器的输出作为所述开关元件的选通信号。
24.如权利要求4所述的功率转换设备，其特征在于，所述直流输入电压由第一直流电压源和第二直流电压源串联均分， 当第一电源和第二电源的电压值大于所述交流相电压指令的振幅值时，所述选通信号选择器输出第二 PWM控制器的输出作为所述开关元件的选通信号。
全文摘要
本发明提供一种能够降低开关元件的损耗的单相三电平功率转换设备。在具有第一半桥和第二半桥的单相三电平功率转换设备中，当输出振幅小于或等于直流输入电压的振幅一半的单相交流电压时，在第一半桥或第二半桥中进行半桥工作，并且在进行半桥工作的桥之间进行交替切换，能够降低功率转换设备内部的开关元件所发生的损耗，并且能够防止损耗集中在某一特定的开关元件。
文档编号H02M7/5387GK102347703SQ20111022450
公开日2012年2月8日 申请日期2011年7月21日 优先权日2010年7月22日
发明者阿部康 申请人:富士电机株式会社