多电平转换器的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及半导体功率转换技术，尤其涉及一种可以输出多个电压电平的多电平转换器。
【背景技术】
[0002]多电平转换器通常使用多个功率半导体开关，其耦合于较低电平的DC-link(直流母线)电压来通过合成阶梯电压波形执行功率转换。多电平转换器能够有效地减少输出电压的谐波失真及dv/dt，提高输出电压的谐波性能。因此，近年来多电平转换器在例如并网接口及马达驱动器等的高压大容量电力电子及交流调速系统中已经得到了广泛应用。
[0003]用于实现多电平功率转换器可以具有多种不同的拓扑结构，例如中性点箝位(Neutral-Point Clamped, NPC)转换器拓扑结构、中性点先导(Neutral-Point Piloted,NPP)转换器拓扑结构、飞跨电容器(Flying Capacitor, FC)转换器拓扑结构以及Η桥(H-Bridge)转换器拓扑结构等。
【发明内容】
[0004]本发明的一个方面在于提供一种多电平转换器，其包括:
[0005]第一开关支路，其连接在正极直流母线端与交流输出端之间，并包括串联连接的第一开关元件及第二开关元件；
[0006]第二开关支路，其连接在所述交流输出端与负极直流母线端之间，并包括串联连接的第三开关元件及第四开关元件；
[0007]第三开关支路，其连接在直流母线中性点与所述第一开关支路的所述第一开关元件和所述第二开关元件的连接点之间；
[0008]第四开关支路，其连接在所述直流母线中性点与所述第二开关支路的所述第三开关元件和所述第四开关元件的连接点之间，并且，所述第四开关支路完全独立于所述第三开关支路；以及
[0009]飞跨电容器，其连接在所述第一开关支路的所述第一开关元件和所述第二开关元件的所述连接点与所述第二开关支路的所述第三开关元件和所述第四开关元件的所述连接点之间。
[0010]本发明的多电平转换器的结构简单、对称，降低了各个开关元件的控制及布局复杂度；相较于现有的多电平转换器拓扑结构来说需要更少的功率半导体开关，使用更少的飞跨电容器，因此，本发明的多电平转换器的成本低廉；本发明的多电平转换器通过半导体开关状态的合适选择，达到飞跨电容器电路结构的冗余设计，使得飞跨电容器的充电和放电能够交替性地进行，从而能够容易地平衡飞跨电容器两端的电压，进而能够输出稳定的电压电平；本发明的多电平转换器能够有效地减少输出电压的谐波失真及dV/dt，提高输出电压的谐波性能。此外，本发明的多电平转换器的操作方法简单、控制容易。
【附图说明】
[0011]当参照附图阅读以下详细描述时，本发明的这些和其它特征、方面及优点将变得更好理解，在附图中，相同的元件标号在全部附图中用于表示相同的部件，其中:
[0012]图1是根据本发明的第一【具体实施方式】的三相多电平转换器的电路图；
[0013]图2是图1所示的多电平转换器的一个相脚的电路图；
[0014]图3示出图2所示的带有双向可控载流方向的双向功率半导体开关模块的另一种实现方式；
[0015]图4a_4b示出图2所示的多电平转换器在输出第一电压电平时电流流过的路径；
[0016]图5a_5b示出图2所示的多电平转换器在输出第二电压电平时电流流过的路径；
[0017]图6a_6b示出图2所示的多电平转换器在输出第三电压电平时电流流过的路径；
[0018]图6c_6d示出图2所示的多电平转换器在输出第三电压电平时电流流过的另一条路径；
[0019]图7a_7d示出图2所示的多电平转换器在输出第四电压电平时电流流过的路径；
[0020]图8a_8d示出图2所示的多电平转换器在输出第五电压电平时电流流过的路径；
[0021]图9a示出图2所示的多电平转换器在电流为正向时的各个半导体开关的操作；
[0022]图9b示出图2所示的多电平转换器在电流为负向时的各个半导体开关的操作；
[0023]图10是根据本发明的第二【具体实施方式】的多电平转换器的电路图 '及
[0024]图11是根据本发明的第三【具体实施方式】的多电平转换器的电路图。
【具体实施方式】
[0025]为帮助本领域的技术人员能够确切地理解本发明所要求保护的主题，下面结合附图详细描述本发明的【具体实施方式】。
[0026]除非另作定义，本权利要求书和说明书中所使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属技术领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本说明书以及权利要求书中所使用的“第一”、“第二”、“第三”、“第四”、“第五”、“第六”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“一个”或者“一”等类似词语并不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“包括”或者“具有”等类似的词语意指出现在“包括”或者“具有”前面的元件或者物件涵盖出现在“包括”或者“具有”后面列举的元件或者物件及其等同元件，并不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。
[0027]图1是根据本发明的第一【具体实施方式】的多电平转换器去实现三相多电平转换器的一个示例的电路图，图2是图1所示的三相多电平转换器的一个相脚的电路图。如图1和图2所示，根据本发明的第一【具体实施方式】的多电平转换器100包括用于DC母线电压输入的正极直流母线端P与负极直流母线端N、以及串联连接在正极直流母线端P与负极直流母线端N之间的第一电容器C1和第二电容器C2，直流母线中性点Μ位于第一电容器C1和第二电容器C2之间。
[0028]参照图2所示，多电平转换器100包括连接在正极直流母线端Ρ与交流输出端a之间的第一开关支路101和连接在交流输出端a与负极直流母线端N之间的第二开关支路102，其中第一开关支路101包括串联连接的第一开关元件S1及第二开关元件S2，第二开关支路102包括串联连接的第三开关元件S3及第四开关元件S4。多电平转换器100还包括第三开关支路103、第四开关支路104以及飞跨电容器Cf，其中，第三开关支路103连接在直流母线中性点Μ与第一开关支路101的第一开关元件S1和第二开关元件S2的连接点1之间，第四开关支路104连接在直流母线中性点Μ与第二开关支路102的第三开关元件S3和第四开关元件S4的连接点2之间，并且，第三开关支路103完全独立于第四开关支路104。在本说明书中，所谓的第三开关支路103完全独立于第四开关支路104是指:第一，第三开关支路103与第四开关支路104在各自的元件上是相互独立的，第三开关支路103和第四开关支路104不存在共用的元件；第二，分别流过第三开关支路103与第四开关支路104的电流也是各自独立的，第三开关支路103和第四开关支路104不存在电流共同流过的路径。从而，第三开关支路103和第四开关支路104在控制上完全独立、控制简便，可以减轻元件布局的复杂度；而且，能够降低支路的电流负载，便于元件的散热，提高元件的使用寿命。飞跨电容器Cf连接在第一开关支路101的第一开关元件S1和第二开关元件S2的连接点1与第二开关支路102的第三开关元件S3和第四开关元件S4的连接点2之间。
[0029]第一开关元件S1包括带有单向可控载流方向的双向功率半导体开关模块，在本【具体实施方式】中，第一开关元件S1包括反并联连接的带有单向可控载流方向的单向第一半导体开关Q1与第一续流二极管D1。在一个【具体实施方式】中，第一半导体开关Q1可以为一种绝缘栅双极晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT)。在另一个【具体实施方式】中，第一半导体开关Q1也可以为一种集成门极换流晶闸管(Integrated GateCommutated Thyristor, IGCT)。
[0030]第二开关元件S2包括带有单向可控载流方向的双向功率半导体开关模块，在本【具体实施方式】中，第二开关元件S2包括反并联连接的带有单向可控载流方向的单向第二半导体开关Q2与第二续流二极管D2。在一个【具体实施方式】中，第二半导体开关Q2可以为一种绝缘栅双极晶体管。在另一个【具体实施方式】中，第二半导体开关Q2也可以为一种集成门极换流晶闸管。
[0031]第一开关元件S1和第二开关元件S2均具有从正极直流母线端P至交流输出端a的可控载流方向。
[0032]第三开关元件S3包括带有单向可控载流方向的双向功率半导体开关模块，在本【具体实施方式】中，第三开关元件S3包括反并联连接的带有单向可控载流方向的单向第三半导体开关Q3与第三续流二极管D3。在一个【具体实施方式】中，第三半导体开关Q3可以为一种绝缘栅双极晶体管。在另一个【具体实施方式】中，第三半导体开关Q3也可以为一种集成门极换流晶闸管。
[0033]第四开关元件S4包括带有单向可控载流方向的双向功率半导体开关模块，在本【具体实施方式】中，第四开关元件S4包括反并联连接的带有单向可控载流方向的单向第四半导体开关Q4与第四续流二极管D4。在一个【具体实施方式】中，第四半导体开关Q4可以为一种绝缘栅双极晶体管。在另一个【具体实施方式】中，第四半导体开关Q4也可以为一种集成门极换流晶闸管。
[0034]第三开关元件S3和第四开关元件S4均具有从交流输出端a至负极直流母线端N的可控载流方向。
[0035]在本【具体实施方式】中，第三开关支路103包括带有双向可控载流方向的双向第一功率半导体开关模块SW1。在一个【具体实施方式】中,第一功率半导体开关模块SW