变换器模块、装置、系统和相关方法
【技术领域】
[0001] 本发明公开的实施方式涉及变换器装置和驱动方法，特别涉及一种具有新拓扑架 构的变换器模块、装置、系统和相关方法。
【背景技术】
[0002] 变换器（Convener) -般被用作能量变换装置，W将一种形式的能量变换成另一 种形式的能量。特别地，多电平变换器，例如，H电平、五电平W及更高电平等级的变换器 等，由于其较好的输出波形品质W及较高的耐压能力，在很多工业领域取得逐渐广泛的应 用。例如，多电平逆变器已经被应用在石化、造纸、矿山、冶金、电厂、水处理厂等领域，W给 特定的负载，例如，交流电机等提供交流输出电压。
[0003] 现有的变换器所采用的拓扑架构一般包括H电平中点猜位架构和两相H桥级联 式架构等。但是，现有拓扑架构的变换器的输入/输出波形仍然不太理想，因此有必要设计 具有新的拓扑架构的变换器来解决现有变换器所存在的技术问题。
【发明内容】
[0004] 有鉴于上文提及之技术问题，本发明的一个方面在于提供一种变换器模块。该变 换器模块至少包括H个开关单元W及至少H个输入级联端和H个输出级联端。该至少H个 输入级联端可W分别与其他变换器模块的至少H个输出级联端连接或者与直流环节连接， 该至少H个输出级联端可W分别与其他变换器模块的至少H个输入级联端连接或者共同 连接在一起，W形成具有嵌套式结构的多电平变换器装置。其中，该至少H个开关单元被控 制成各自独立地执行开关动作，并且该至少H个开关单元的开通状态分别并排他地对应该 至少H个输出级联端不同的输出电压。
[0005] 在一些实施方式中，在提供的变换器装置中，该变换器模块为位于嵌套式结构最 外层的模块，其H个输入级联端分别与直流环节的第一端、第二端W及直流中点连接，其H 个输出级联端分别与其他变换器模块的H个输入级联端连接。该至少H个开关单元包括第 一开关单元，第二开关单元和第H开关单元，其中，该第一开关单元开通，该第二、第H开关 单元关断时，其第一输出级联端排他地提供第一等级输出电压。该第二开关单元开通，该第 一、第H开关单元关断时，其第二输出级联端排他地提供第二等级输出电压。该第H开关单 元开通，该第一、第二开关单元关断时，其第H输出级联端排他地提供第H等级输出电压。
[0006] 在一些实施方式中，在提供的变换器装置中，该变换器模块为位于嵌套式结构最 内层的模块，其H个输入级联端分别与其他变换器模块的H个输出级联端连接，其H个输 出级联端与变换器装置的输出端共同连接。该至少H个开关单元包括第一开关单元，第二 开关单元和第H开关单元，其中，该第一开关单元开通，该第二、第H开关单元关断时，其第 一输出级联端排他地提供第一等级输出电压。该第二开关单元开通，该第一、第H开关单元 关断时，其第二输出级联端排他地提供第二等级输出电压。该第H开关单元开通，该第一、 第二开关单元关断时，其第H输出级联端排他地提供第H等级输出电压。
[0007] 在一些实施方式中，在提供的变换器装置中，该变换器模块包括纵向桥臂和横向 桥臂，其中，该至少H个开关单元中至少二者被放置于该纵向桥臂上，该至少H个开关单元 中至少一者被放置在该横向桥臂上。
[0008] 在一些实施方式中，在提供的变换器装置中，至少一个位于横向桥臂的开关单元 为双向可控的开关。
[0009] 在一些实施方式中，在提供的变换器装置中，至少一个位于横向桥臂的开关单元 包括第一子开关和第二子开关，该第一子开关和该第二子开关分别为单向可控的开关，且 方向相反。
[0010] 在一些实施方式中，在提供的变换器装置中，施加至该第一子开关和第二子开关 的驱动信号中的一者相对于施加至该第一或者第二开关单元的驱动信号，其对应的信号突 变沿在开关时序上存在提前或者延后，而施加至该第一子开关和第二子开关的驱动信号中 的另一者相对于施加至该第一或者第二开关单元的驱动信号，其对应的信号突变沿在开关 时序上存在延后或者提自U。
[0011] 本发明的另一个方面在于提供一种变换器装置。该变换器装置至少包括第一变换 器模块和第二变换器模块，该第一变换器模块和该第二变换器模块每一者包括至少H个开 关单元W及至少H个输入级联端和至少H个输出级联端。其中，该第一变换器模块的H个 输入级联端分别与该第二变换器模块的H个输出级联端连接，W形成具有嵌套式结构的变 换器装置。在该变换器装置进行电能变换时，该第一变换器模块的H个开关单元被控制成 各自独立地执行开关操作，并且其H个开关单元的开通状态分别并排他地对应其H个输出 级联端不同的输出电压。该第二变换器模块的H个开关单元也被控制成各自独立地执行开 关操作，并且其H个开关单元的开通状态也分别并排他地对应其H个输出级联端不同的输 出电压，该第一变换器模块的输出电压和该第二变换器模块的输出电压相互叠加W形成该 变换器装置的输出电压。
[0012] 在一些实施方式中，在提供的变换器装置中，该第一变换器模块的H个输出级联 端与该变换器装置的输出端共同连接在一起。
[0013] 在一些实施方式中，在提供的变换器装置中，该第一变换器模块和该第二变换器 模块每一者包括第一开关单元、第二开关单元W及第H开关单元，其中，至少该第H开关单 元为双向可控的开关。
[0014] 在一些实施方式中，在提供的变换器装置中，该第一变换器模块和该第二变换器 模块每一者包括第一开关单元、第二开关单元W及第H开关单元，该第H开关单元包括第 一子开关和第二子开关，该第一子开关和该第二子开关分别为单向可控的开关，且方向相 反。
[0015] 在一些实施方式中，在提供的变换器装置中，施加至该第一子开关和第二子开关 的驱动信号中的一者相对于施加至该第一或者第二开关单元的驱动信号，其对应的信号突 变沿在开关时序上存在提前或者延后，而施加至该第一子开关和第二子开关的驱动信号中 的另一者相对于施加至该第一或者第二开关单元的驱动信号，其对应的信号突变沿在开关 时序上存在延后或者提自U。
[0016] 在一些实施方式中，在提供的变换器装置中，该变换器装置还包括串联连接的第 一飞跨电容和第二飞跨电容；在一个或者多个开关周期内，该第一飞跨电容和该第二飞跨 电容的电压通过选择性地利用该变换器装置所存在的兀余输出方式进行平衡。
[0017] 在一些实施方式中，在提供的变换器装置中，该第一变换器模块与该第二变换器 模块具有相同的结构，该第一变换器模块提供2ni+l个等级的输出电平，该第二变换器模块 提供化2+1个等级的输出电平，其中〇1和均大于等于一，并且〇1等于〇2。
[0018] 在一些实施方式中，在提供的变换器装置中，该第一变换器模块与该第二变换器 模块具有不同的结构，该第一变换器模块提供化1+1个等级的输出电平，该第二变换器模块 提供化2+1个等级的输出电平，其中ni和ri2均大于等于一，并且ni不等于rv
[0019] 在一些实施方式中，在提供的变换器装置中，该变换器装置包括纵向桥臂和横向 桥臂，该纵向桥臂包括至少一个第一开关单元和一个第二开关单元，该横向桥臂包括至少 一个第H开关单元，该第一开关单元、第二开关单元和第H开关单元分别包括n个、m个和k 个串联连接的开关器件，其中，n大于等于2,m大于等于2,k大于等于2。
[0020] 在一些实施方式中，在提供的变换器装置中，该至少两个串联开关器件中的每一 者均连接有对应的缓冲电路，该对应的缓冲电路用于使同一开关单元中的该至少两个开关 器件在开关过程中保持电压均衡。
[0021] 本发明的另一个方面在于提供一种电能变换系统，其用于进行电能变换并给负载 提供电能。该电能变换系统包括第一变换器装置和第二变换器装置，该第一变换器装置至 少用于将输入电能转换成直流电能，该第二变换器装置与该第一变换器装置电连接，该第 二变换器装置至少用于将该直流电能转换成输出电能，并将该输出电能提供给该负载。其 中，该第一、第二变换器装置中至少一者包括第一变换器模块和第二变换器模块，该第一变 换器模块和第二变换器模块每一者包括至少H个开关单元W及至少H个输入级联端和至 少H个输出级联端。其中，该第一变换器模块的H个输入级联端分别与该第二变换器模块 的H个输出级联端连接，W形成具有嵌套式结构的变换器装置。在该电能变换系统进行电 能变换时，该第一变换器模块的H个开关单元被控制成各自独立地执行开关操作，并且该 第二变换器模块的H个开关单元也被控制成各自独立地执行开关操作。
[0022] 在一些实施方式中，在提供的电能变换系统中，该输入电能为交流电能和直流电 能中的一种，该输出电能为交流电能和直流电能中的一种。
[0023] 在一些实施方式中，在提供的电能变换系统中，该第一变换器模块的H个输出级 联端与该第一或者第二变换器装置的输出端共同连接在一起。
[0024] 在一些实施方式中，在提供的电能变换系统中，该第一变换器模块的H个开关单 元的开通状态分别并排他地对应其H个输出级联端不同的输出电压。该第二变换器模块的 H个开关单元的开通状态也分别并排他地对应其H个输出级联端不同的输出电压。
[0025] 在一些实施方式中，在提供的电能变换系统中，该第一变换器装置为全控整流装 置。
[0026] 在一些实施方式中，在提供的电能变换系统中，该第一变换器装置为非全控整流 装置。
[0027] 本发明的另一个方面在于提供一种H相变换器。该H相变换器包括接收或者输出 第一相交流电的第一相桥臂，接收或者输出第二相交流电的第二相桥臂，W及接收或者输 出第H相交流电的第H相桥臂。该第一相桥臂，该第二相桥臂和该第H相桥臂中的每一者 均至少包括嵌套式连接的第一变换器模块和第二变换器模块，该第一变换器模块和该第二 变换器模块每一者包括至少H个开关单元W及至少H个输入级联端和至少H个输出级联 端。其中，该第一变换器模块的H个输入级联端分别与该第二变换器模块的H个输出级联 端连接，W形成具有嵌套式结构的变换器装置。在该变换