多电平功率转换器的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种多电平功率转换器，其更具体地意欲工作在中等电压范围中。
【背景技术】
[0002] 已知的中等电压功率转换器通常使用串联设置的半导体开关以允许电压增加。将 这些半导体开关设置为串联的主要困难在于在每个时刻（instant)跨所有这些半导体开 关的端子获得相同的电压。如果产生瞬时或永久过载，则可能发生半导体开关的毁坏。
[0003] 已经发展了基于与变压器的使用关联的将对开关的控制交织（interleave)的技 术；它们使得可以管理电压的分配并且重构波形。但是，变压器具有不小的成本，并且它们 阻碍紧凑转换器的实现。
[0004] 已经出现了另一解决方案，即，NPC(中点钳位）类型的电池，其具有两对串联的半 导体开关、一侧连接至第一对的两个开关之间的公共点且另一侧连接至第二对的两个开关 之间的公共点的串联的两个二极管。此外发现两个电容器的串组（series)，其连接至由半 导体开关对形成的组件的端子。串联的两个二极管之间的公共点链接至所述串联的两个电 容器之间的公共点。
[0005] 此类型的电池导致令人满意的波形以及对半导体开关的电压约束的减少。另一方 面，可能发生跨电容器的端子的电压的不平衡。
[0006] 通过用一对半导体开关取代两个二极管，已经产生对NPC原始拓扑的改进。此拓 扑称为具有3个电压电平的ANPC。
[0007] 为了进一步增加可接受电压电平，已经提出将更多开关设置为串联并且增加电容 器，这导致称为具有5个电压电平的ANPC的拓扑。ANPC类型的5个电压电平的电池当前被 限制为6. 9kV量级的电压电平，这不一定足够。
[0008] 模块化多电平转换器（MMC)也是已知的，其中要跨DC电压源的端子而安装的每个 臂包括串联的两个组件，从而具有要链接至AC电流源的公共端子。每个组件包括几个模 块，其每个由至少两个串联的基本开关以及与它们并联连接的电容器形成。在模块的两个 基本开关的公共点与相邻模块的基本开关的串组的端部之间实施连接。作为模块的基本开 关的启用（enabled)或禁用（disabled)状态的函数（function)，使电容器短路或处在电路 中。电容器具有相同的值和相同的耐压，该耐压等于施加到臂的DC电压除以该臂的模块数 目之间的比率。电容器的值取决于在逆变器（inverter)操作的情况下AC侧输出信号的频 率、或者在整流器操作的情况下输入信号的频率。它们的耐压是受限的，因此使得可以限制 由它们的杂散电感产生的过压。在变速传动装置（drive)的情况下，电机的电源频率从零 改变为标称值，因此暗示着不可能具有合理值的电容器。
[0009] 还已经提出了生产浮置（floating)电容器类型的电池，其也称为嵌套的基本电 池。这样的浮置电容器类型的电池使得可以通过关联串联的任意数目的基本单元而将电压 源链接至电流源。每个基本电池包括串联的两个半导体开关，并且电容器以阶梯状方式将 两个相邻的基本电池链接在一起。然而，此解决方案展现出与浮置电容器在两个基本电池 之间的存在有关的缺点。基本电池的数目越大，与电容器有关的成本开销就越大并且这些 电容器中存储的能量就越大。电容器具有相同的值、但不同的耐压，耐压随着基本单元的等 级而增加，并且其等于kE/n，k是基本电池的等级，η是基本电池的总数目，并且E是在等级 为1的基本电池的输入施加的电压。电容器的值本质上与斩波频率有关。电容器的尺寸全 部为随着它们的耐压越高而越大。这对于它们拥有的杂散电感也成立。这些杂散电感导致 切换过压，并且更高的过压将因此发生在较高等级的基本电池上。
[0010] 在文章[1]、[2](将在说明书的末尾找到它们的出处）中，已经提出了具有串联的 三个半导体开关从而使得可以获得4个电压电平的电池，包括浮置电容器类型的电池。然 而，对于现有的半导体开关，目前其限制为6. 6kV量级的电压电平，其在某些应用中是不够 的，此电平仅对应于中等电压的有效范围的一小部分。电压电平的数目影响由电池供电的 电机的绝缘器随时间的耐受力。电压电平的数目越小，绝缘器的寿命减少的越多。它们经 受大振幅的电压梯级（tier)。
【发明内容】
[0011] 本发明的目的是提出一种能够工作在在现有技术的电压电平之上的电压电平的 多电平转换器，而既不需要凭借变压器、也不需要增加设置为串联的半导体开关的数目。
[0012] 本发明的另一目的是提出一种对于给定电压电平来说比现有技术的多电平转换 器更便宜且更可靠的多电平转换器。
[0013] 本发明的又一目的是提出一种使用具有受限的耐压的标准电容器组的多电平转 换器。
[0014] 本发明的再一目的是提出一种限制杂散电感的发生以及它们的影响的多电平转 换器。
[0015] 为了实现此，本发明提出生产一种包括由级联安装的等级为1至n(n是大于1的 整数）的几个级形成的至少一个臂的多电平转换器，等级为1的级意欲连接至电流源并且 等级为η的级意欲连接至电压源。等级为1的级包括单个具有四个电压电平的开关结构。 等级为i (i位于2与η之间）的级包括串联安装的i个相同的具有四个电压电平的开关结 构。这些开关结构的每个包括：具有三个电压电平的浮置电容器类型的电池，其包括拥有中 间节点的串联的基本开关的四个一组；两个基本单元，其各自由呈现两个末端（extreme) 端子和中点的串联的基本开关对形成；以及具有两个端部的电容分压桥，其包括串联安装 的储能设备的三个一组，其中两个储能设备在末端位置。处于末端位置的每个储能设备连 接至不同的基本开关单元的末端端子，并且每个基本开关单元的中点连接至基本开关的四 个一组的不同端部。等级为i的级的每个浮置电容器类型的电池的中间节点连接至等级为 i-Ι的级的具有四个电压电平的开关结构的电容分压桥的端部。
[0016] 如此定义的转换器使得可以通过具有受限的耐压（6. 5kV)的当前可用的开关获 得13. SkV量级的电压电平，同时将级的数目限制为两个，因此仅使用串联的六个基本开 关。
[0017] 为了对具有四个电压电平的开关结构进行电压平衡，同一个电容分压桥的储能设 备具有同一个储能量和同一个耐压。
[0018] 为了遵守电压源与电流源之间的连接规则，等级为i的级的至少一个浮置电容器 类型的电池的中间节点经由电感器连接至等级为i-ι的级的电容分压桥的端部。
[0019] 当几个电感器将等级为i的级链接至等级为i-Ι的级时，这些电感器具有同一个 值。
[0020] 同一级的两个基本开关单元的两对基本开关拥有同一个开关函数。
[0021] 在操作期间，同一对的基本开关总是处于互补状态中以在死区时间（dead time) 值内。
[0022] 在浮置电容器类型的电池的基本开关的四个一组中，两个在末端位置并且两个在 中间位置，在末端位置的两个基本开关总是处于互补状态，并且在中间位置的两个基本开 关总是处于互补状态，其中一个被启用并且另一个被禁用。
[0023] 基本开关各自包括与反向并联连接的二极管关联的可控电子电源开关。
[0024] 从电容器、电池和燃料电池之中选择储能设备。
[0025] 本发明还涉及一种变速传动装置，包括具有特征在于工作作为AC/DC整流器的转 换器和特征在于工作作为DC/AC逆变器的转换器的级联，所述两个转换器在它们的DC侧通 过电压源而链接在一起。
【附图说明】
[0026] 通过在参考附图的同时阅读纯粹通过完全非限制的指示的方式给出的对示例性 实施例的描述，将更好地理解本发明，附图中：
[0027] 图IA以非常示意的方式图示作为本发明的主题的多电平转换器臂，其中级联地 安装η个级，图IB是包括与图IA的臂类似的两个臂的单相多电平转换器；
[0028] 图2示出作为本发明的主题的多电平转换器的具有4个电压电平的开关结构之 ，
[0029] 图3Α示出作为本发明的主题的具有两级的转换器在逆变器操作中的臂，图3Β示 出作为本发明的主题的具有两级的转换器在整流器操作中的臂；
[0030] 图4. 1至4. 13图示对用于图2的具有4个电压电平的开关结构的基本开关的控 制的选点（setpoint)电压Vref使用的载波的选点信号Vref (图4. 1)的时序图：图2的具 有4个电压电平的开关结构的基本开关的控制信号的Κ1、ΚΓ (图4. 2)、K2、K2'（图4. 3)、 K3u、Κ3' u、Κ3Ι、Κ3' 1(图4. 4):在DC/AC转换操作中的具有4个电压电平的开关结构的 输出电压 Vs (图 4. 13)的 Kl (图 4. 5)、ΚΓ (图 4. 6)、K2 (图 4. 7)、K2'（图 4. 8)、K3u (图 4. 9)、K3' u(图 4. 10)、K3I(图 4. 11)、K3' 1(图 4. 12);
[0031] 图5. 1至5. 14图示对用于图3Α的多电平转换器的臂的基本开关的控制的选点 电压Vref使用的载波的选点信号Vref (图5. 1)的时序图：用于图3Α的多电平转换器的 臂的基本开关的控制的开关函数的Τ1、Τ1'（图5. 2)、Τ2、Τ2'（图5. 3)、T3u、Τ3' u、Τ3Ι、 T3' I (图 5. 4)、T4u、T4' u、T4I、T4' I (图 5. 5)、T5u、T5' u、T5I、T5' I (图 5. 6)、T6u、T6' u、 T6I、T6' I、T7u、T7' u、T7I、T7' 1(图5. 7):在DC/AC转换操作中的图3A的多电平转换器的 臂的输出电压 Vs (图 5. 14)的 FlO (图 5. 8)、F20 (图 5. 9)、F30 (图 5. 10)、