本发明涉及功率电子转换器的领域并且特定地涉及四电平反相器电路拓扑。
背景技术：
多电平转换器，具体地是中点钳位式转换器（npcc），被广泛用于中电压（mv）范围中的单和三相双向电网连接的应用，包含滚轧机、扇、泵、海上器械、采矿、拖拉、不间断电源（ups）和可再生能源一体化。多电平转换器的有吸引力的特性包含在转换器输入和输出端子的相对低的谐波幅度、降低的开关损失和降低的电磁干扰。另一方面，串联连接的开关的数量与转换器电平的数量一起增加。因此，总转换器成本增加以及所以半导体传导损失也增加。多电平转换器拓扑因此最适合于中到高电压和高功率应用，至今无高电压阻挡半导体对这些应用是可用的。
为了降低功率电子转换器的成本，带有低半导体部分数目的电路拓扑被赞同，其也可改进系统功率密度（低重量转换器）和功率效率。在wo2011/132206a1中公开了带有降低的数量的二极管的示范性四电平有源中点钳位式转换器（anpcc）电路拓扑。
ep0727870a2和ep0481304a2涉及带有转换器分支的多电平转换器，转换器分支包括串联连接的若干可控制的开关。
cn102796404a示出若干转换器桥，其中的每个包括带有一个开关的四个转换器分支，其与彼此间不具有中间连接。
技术实现要素：
本发明的目的是要简化拓扑以及要对应地降低四电平功率转换器的制造成本。该目的通过根据独立权利要求的四电平功率转换器达成。优选的实施例从从属专利权利要求中是明显的。
根据本发明，四电平电压源转换器（vsc）拓扑具有将两个中间电压电平连接到负载端子的两个中间转换器分支，以及互连所述两个中间分支的互连开关。互连开关取代对应的四电平现有技术拓扑中存在的两个受控的开关。对于全双向实现，四电平转换器因而仅要求五个有源开关。降低的数量的有源开关/栅驱动器和四个可用的输出电压电平使得此解决方案对于带有改进的可靠性、良好的功率质量和最小化的过滤要求的更低成本功率电子器件是令人感兴趣的。
特定地，四电平全功率因数电压源功率转换器具有dc链路，其包含连接第一和第二输入dc端子的三个或四个电容器的串联连接，并以相应的第一和第二中间电压电平来定义第一和第二dc中间端子。电容器可视为分电压电容器。
四电平转换器具有单相桥，其用于将四个电压电平中的任意一个电压电平连接到负载或输出ac端子，并且包括：
-第一转换器分支，其将第一输入端子连接到负载端子；
-第一中间分支，其包含可控制的第一中间分支开关和第一中间分支二极管，其在第一连接点与彼此互连并且其将第一中间端子连接到负载端子；
-第二转换器分支，其将负载端子连接到第二输入端子，以及
-第二中间分支，其包含可控制的第二中间分支开关和第二中间分支二极管，其在第二连接点与彼此互连并且其将负载端子连接到第二中间端子。
四电平功率转换器进一步包括用于将第二连接点连接到第一连接点的可控制的中间分支互连开关。
可控制的互连开关可以被连接到位于第一中间分支中的第一开关和第一二极管之间的第一连接点并且可以被连接到位于第二中间分支中的第二开关和第二二极管之间的第二连接点。
根据本发明的一实施例，在第一中间分支中，第一可控制开关和第一二极管串联连接并且提供它们之间的第一连接点。此外，在第二中间分支中，第二可控制开关和第二二极管串联连接并且提供它们之间的第二连接点。因而，所述两个中间分支开关和所述两个中间分支二极管可以通过互连开关以h的形式与彼此连接。
需要注意的是，第一二极管和第二二极管可以被连接到负载端子，第一可控制开关可以被连接到第一中间端子以及第二可控制开关可以被连接到第二中间端子。
根据本发明的一实施例，第一分支、第一中间分支、第二分支和第二中间分支在负载端子处互连。换言之，分支可以采用像星型的方式与彼此互连。需要注意的是，分支不共享公共成员，即没有属于两个分支的二极管、开关等。
根据本发明的一实施例，第一和第二中间分支包含单独第一可控制开关和第二可控制开关作为可控制开关。可以的是，除了或超出相应的中间分支开关之外，第一和第二中间分支不包含另外的可控制开关。
根据本发明的一实施例，第一中间分支包括另外的二极管，其反并联连接到第一可控制开关和/或以反方向连接到第一二极管。此外，第二中间分支包括另外的二极管，其反并联连接到第二可控制开关和/或以反方向连接到第二二极管。
根据本发明的一实施例，第一可控制开关（s2）和可控制互连开关（s5）由相同的栅驱动电源来供给。四个示例，当单相桥包括确切地五个可控制开关时，单相桥和/或功率转换器可仅包括四个栅驱动电源以用于向五个栅驱动电路提供辅助功率。可控制第一中间分支开关和可控制互连开关可以共享公共的电源，这进一步降低转换器组件的数量。
根据本发明的一实施例，四电平转换器的第一和第二转换器分支各自包含用于反相器操作的可控制开关。
根据发明的实施例，第一和第二转换器分支各自包含二极管。相应的二极管可反并联连接到第一和第二转换器分支的相应的可控制开关。
根据本发明的一实施例，第一和第二转换器分支中的每个包含单独一个可控制开关和/或单独一个二极管。
本发明进一步指向用于与功率电网双向功率交换的三相功率转换器，其包括并联连接到三相转换器的相同dc链路的三个单相桥。可在静态同步补偿器（statcom）应用中有益地使用这样的三相转换器。
附图说明
将参考随附附图中图示的优选示范性实施例，在以下文本中更详细地解释本发明的主题，其中：
图1描绘现有技术的有源中点钳位式转换器电路拓扑；
图2描绘根据本发明的第一实施例的四电平转换器；
图3描绘三相转换器实现；
图4描绘光电（pv）应用中的所提出的四电平转换器电路；
图5到8描绘pv应用中的备选实施例；
图9描绘单向四电平反相器的实现；
图10描绘单向整流器的实现；以及
图11和12描绘带有降低的共态噪声放射的三相转换器。
具体实施方式
图1描绘如wo2011/132206a1中公开的现有技术的有源中点钳位式转换器（anpcc）电路拓扑。转换器电路将第一或正输入dc端子p以及第二或负输入dc端子n连接到负载端子a。电路包含电力地串联连接并且被布置在输入dc端子之间的四个分压电容器cp、cmp、cmn、cn，其中第一电容器cp连接到正输入dc端子p，第二电容器cn连接到负输入dc端子n，以及两个中间电容器cmp、cmn在第一和第二电容器之间连接。在第一电容器cp和中间电容器之间定义第一或正的中间端子t1，以及在第二电容器cn和中间电容器之间定义第二或负的中间端子t2。分压电容器的电容一般选择以通过第一和第二电容器中的每个电容器提供dc端子电压upn的三分之一的电压下降u0p、u0n。
第一或正转换器分支将第一输入端子p连接到负载端子a并且包括在第一连接点c1串联连接的两个受控的电子开关s1、s2，并且能够将电流从第一输入端子p传导到负载端子a。开关可以是绝缘栅双极性晶体管（igbt）或金属氧化物半导体场效应晶体管（mosfet），并且包含相应的反并联二极管，其将电流从负载传导到输入端子。第一中间分支将第一中间端子t1连接到第一连接点c1，并且经由开关s5和在相对的方向上经由反并联二极管将电流从第一连接点c1传导到第一中间端子t1。
第二或负转换器分支将第二输入端子n连接到负载端子a并且包括在第二连接点c2串联连接的两个受控的电子开关s4、s3，并且能够将电流从负载端子a传导到第二输入端子n。开关可以是igbt或mosfet，并且包含相应的反并联二极管，其将电流从输入传导到负载端子。第二中间分支将第二中间端子t2连接到第二连接点c2，并且经由开关s6和在相对的方向上经由反并联二极管将电流从中间端子t2传导到连接点c2。
图2描绘根据本发明的第一实施例的四电平转换器。如在图1的现有技术anpcc的情况中，转换器电路包含dc链路和单相桥，将第一或正输入dc端子p和第二或负输入dc端子n连接到负载端子a。dc功率源（例如带有对于光电（pv）应用的1.5kv的dc电压upn）或由整流转换器级馈送的中间链路可以被连接到输入dc端子，而负载端子可以被连接到电能分布电网或连接到ac负载（例如带有达到500hz的可变频率的可变速度驱动应用）。
dc链路包含电力地串联连接并且布置在输入dc端子p、n之间的四个分压电容器cp、cmp、cmn、cn。在第一电容器cp和中间电容器cmp、cmn之间定义第一或正中间端子t1，以及在中间电容器cmp、cmn和第二电容器cn之间定义第二或负中间端子t2。
第一转换器分支经由可控制开关s1将第一输入dc端子p连接到负载端子a，并且将电流从第一输入dc端子p传导到负载端子a，而第二转换器分支经由可控制开关s4将负载端子a连接到第二输入端子n，并且将电流从负载端子a传导到第二输入端子n。第一中间分支将第一中间端子t1连接到负载端子a并且包含在第一连接点c1串联连接的可控制开关s2和第一二极管d1。第一中间分支可将电流从第一中间端子t1传导到负载端子a，以及经由反并联于s2的二极管将电流从第一连接点c1传导到第一中间端子t1。第二中间分支将第二中间端子t2连接到负载端子a并且包含在第二连接点c2串联连接的可控制开关s3和第二二极管d2。第二中间分支可将电流从负载端子a传导到第二中间端子t2，以及经由反并联于s3的二极管将电流从第二中间端子t2传导到第二连接点c2。
根据本发明的转换器也包含可控制互连开关s5，其将第二连接点c2连接到第一连接点c1，并将电流从第二连接点c2传导到第一连接点c1。两个中间分支中的每个仅包括一个单可控制开关s2、s3，但没有另外的有源开关元件。因此对于全双向实现，所提出的四电平电压源转换器（vsc）拓扑仅要求五个有源开关和六个二极管，即比图1中描绘的anpcc四电平转换器少一个有源开关。二极管可用与可控制互连开关s5反并联来将第一连接点c1与第二连接点c2互连。
在用所提出的四电平转换器构造的单相反相器中，下面的表中给出用于综合四个输出电压电平ua0以用于控制在负载端子a的ac电流的开关状态。表中的星“*”表示开关能够假定是“1”和“0”中的任一个。最后一列中的输出电压电平ua0是基于假设：在中间端子之间相等地共享跨dc链路的总电压upn，即u0p=u0m=u0n=upn/3。
附加地，带有四个隔离的辅助电源的仅五个栅驱动电路对驱动开关是必要的。开关s5和s2可对于它们相应的栅驱动共享公共电源，因为这两个栅驱动如由第一连接点c1定义的永久地在相同电势上。
开关s1和s4和它们的反并联二极管需要阻挡全dc链路电压upn，然而它们可被调制成仅在dc链路电压upn的三分之一被硬切换。所有其它半导体开关需要阻挡dc链路电压upn的仅三分之一。具体地，由与功率半导体开关的确代替的anpcc的半导体开关的相同类型的并且具体地相同阻挡电压能力的功率半导体开关（例如igbt）来实现可控制互连开关s5。
图2的实施例表示单相实现，其中两个中间电容器cmp、cmn在电容器连接点c3串联连接。相应地，在负载端子a的电压电平ua0相对于在电容器连接点c3定义的中间电压电平。中间电压电平优选地在对应于dc链路电压upn的一半的电平，其容易地被建立，假如中间电容器cmp、cmn两者以及第一和第二电容器cp、cn分别具有相同电容的话。特定地，中间电压电平可以在共地或地面电势上。
图3描绘本发明的三相转换器实现，带有单dc中间链路，其包括第一和第二电容器cp、cn和dc端子p、n之间串联布置的一元中间电容器cm。此处，一元中间电容器cm取代第一实施例的两个中间电容器cmp、cmn。根据第一实施例的三个相同的单相桥并联连接到dc中间链路，带有经由相应的电感或线过滤器la、lb、lc连接到三相负载或功率电网的相应的输出端子a、b、c。
图4描绘包含电压upv的pv源的光电（pv）应用中的所提出的四电平转换器电路。pv源连接到转换器的dc链路的中间端子t1、t2。包含带有四个受控的半导体开关s1x到s4x的dc-dc转换器级的辅助电路ax经由适合的电感连接到pv源以及连接到转换器的dc端子p、n。将pv源连接到dc链路的中间端子减轻当以全功率因数操作时来自dc链路电容器cp、cmp、cmn、cn的不对称功率消耗的问题。在这样的情况下，跨ipm和imn的dc电流分量将以别的方式由ac负载耗尽并且产生跨dc链路电容器的电压不平衡。备选辅助电路可包含划分pv源电压以及附加地将pv源电压中点连接到电容器连接点c3，其定义转换器的中间电压电平。另一方面，以如静态同步补偿器（statcom）应用中的零功率因数操作所提出的四电平转换器首先不引起不对称功率消耗。
图5到图8描绘pv应用中的所提出的四电平转换器电路的备选实施例，每个采用包含用于改进的dc链路电容器电压平衡的dc-dc转换器的辅助电路。
图9描绘单向四电平反相器的实现以及图10描绘单向整流器的实现。在图9中，开关s1和s4是无并联二极管的，而在图10中，已除去了开关s1和s4并且仅二极管d1和d4已被保留。
图11和图12各自描绘带有对电网的降低的共态噪声放射的三相四电平转换器。在图11中，电容器是cy可选的，而在图12中，两个电容器cy之间的虚线的连接是可选的。
尽管已在附图和前述的描述中详细描述了公开，要将此类描述考虑为说明性的或示范性的且不是限制性的。从附图、公开和所附的权利要求的研究中，对所公开的实施例的变体能够由本领域技术人员和通过实践所要求的发明来被理解和实施。在权利要求中，词语“包括”不排除其它元素或步骤，并且不定冠词“一（a或an）”不排除多个。仅仅在不同权利要求中记载某些元素或步骤的事实不指示这些元素或步骤的组合不能够用于获利，特定地，除了实际权利要求依赖性之外，任何另外有意义的权利要求组合应被认为是被公开的。