C功率转换 器，但是NPC类型的逆变器电路110的中心节点119不需要连接至任何系统"中性点"。转 换器100经由DC端子101和102从电源90接收DC输入电功率，其中，图1示出包括两个串 联连接的电池的示例性输入配置，每个电池具有V DC/2的电压值，从而功率转换器100被提 供有值为的DC输入电压。另外，虽然没有对功率转换器的所有实现进行严格要求，但是 图1中所示的配置包括连接至DC输入电压90的两个电池的连接点的中性节点"N"。当用 作逆变器级时，可以将任何适当的DC电源90--包括但不限于一个或更多个电池、有源和 /或无源整流器等--与功率转换器100结合使用。此外，DC电源90可以包括DC总线电 容，不管是以任何串联和/或并联配置连接的多个电容器的任何组合还是单个电容器。此 外，NNPC转换器级100的某些实施方式可以包括连接在DC输入端子101与102之间的一 个或更多个板载电容。
[0036] 转换器级100包括逆变器电路110,逆变器电路110具有在第一逆变器电路输入节 点111与第二逆变器电路输入节点112之间彼此串联连接的开关设备S2至S5以及连接其 中的两个逆变器开关设备S3和S4的逆变器输出节点116。其中，逆变器输出节点116直 接地或间接地连接至转换器100的AC输出端子120。此外，逆变器电路110可以包括在节 点111与112之间彼此串联连接的任何整数个开关设备S。在所示的示例中，设置有四个设 备--S2至S5,其中，输出节点116具有在输出节点116与上输入节点111之间的两个开 关设备S2和S3以及连接在输出节点116与第二逆变器输入节点112之间的两个开关S4 和S5。此外，开关电容器电路104包括如所示连接在逆变器输入节点111与对应的DC输 入端子101之间的附加开关Sl以及连接在逆变器输入节点112与对应的DC输入端子102 之间的附加开关S6。可以在功率级100的电路104和110中使用任何适当类型的开关设 备Sl至S6,包括但不限于基于半导体的开关，诸如绝缘栅双极晶体管（IGBT)、硅可控整流 器（SCR)、栅极关断晶闸管（GTO)、集成门极换流晶闸管（IGCT)等。此外，虽然所有实施方 式没有严格的要求，但是如图1所示，各个开关Sl至S6包括在开关断开时沿着相反方向传 导电流的二极管。
[0037] 逆变器电路110还包括具有第一箝位元件和第二箝位元件--诸如彼此串联连接 的二极管Dl和D2--的箝位电路。其中，Dl的阴极连接至第一内部节点114, D2的阳极 连接至第二内部节点118。D2的阴极在第三内部节点119处连结至Dl的阳极。Dl提供从 第三内部节点119至第一内部节点114的导电通路，而D2提供从第二内部节点118到第三 内部节点119的导电通路。在其他实施方式中可以使用有源箝位开关或其他箝位元件，而 不是附图中所示的箝位二极管。其中二极管或其他箝位元件在逆变器开关电路的第一内 部节点与第二内部节点之间彼此串联连接的其他配置是可能的。另外，如图所示可以使用 单个二极管Dl和D2,还可以使用多个二极管或其他箝位元件。例如，可以用在节点119与 114之间的任何适当的串联和/或并联配置的两个或更多个二极管来代替D1，可以用在节 点118与119之间以任何适当的方式互连的两个或更多个二极管来代替D2。此外，二极管 Dl和D2和/或NNPC转换器100的开关设备Sl至S6两端的箝位二极管可以替选地为箝位 开关（未示出）。还可以用有源开关来替换箝位二极管Dl和D2以实现有源中性点箝位。
[0038] 开关电容器电路104包括分别连接在预期的DC输入端子101和102与节点111 和112中的对应的节点之间的开关Sl和S6。另外，如图所示，开关电容器电路104包括分 别连接在第三内部节点119与对应的逆变器电路输入节点111和112之间的第一电容器Cl 和第二电容器C2。可以使用任何适当的类型和配置的电容器Cl和C2,其中，电容器Cl可 以是在节点111与119之间提供第一电容Cl的单个电容器或者以任何适当的串联和/或 并联配置连接的多个电容器，电容器C2可以是在节点119与112之间提供第二电容C2的 单个电容器或者以任何适当的串联和/或并联配置连接的多个电容器。此外，虽然本公开 内容没有严格要求，但是Cl和C2优选地具有基本相等的电容值。
[0039] 接下来，参考图2至图5,当转换器100作为逆变器操作时，控制器122向各个逆变 器开关设备S2至S5分别提供开关控制信号124-2、124-3、124-4和124-5,并且向开关电 容器电路开关设备Sl和S6提供控制信号124-1和124-6,以生成四个可能的不同的输出 电压电平中之一。如果箝位设备Dl和D2是有源设备，则控制器122还向有源箝位设备Dl 和D2提供开关控制信号。在某些实施方式中，控制器122还可以接收图中未示出的反馈信 号，诸如电压和/或电流。控制器122被实现为转换器100的一部分并且/或者可以为独立 的部件或系统，并且单个控制器122可以向多个转换器级100提供信号124以实现如下面 进一步描述的用于减小共模电压的空间矢量调制技术。可以使用任何适当的硬件、处理器 执行的软件或固件、可编程逻辑或以上各项的组合来实现转换器控制器122,其中，控制器 122的示例性实施方式包括电子存储器、程序存储器、信号调节驱动电路以及一个或更多个 处理元件诸如微处理器、微控制器、现场可编程门阵列（FPGA)、数字信号处理（DSP)、可编 程逻辑等；其中，处理元件被编程或被配置成生成适合于操作功率级100的开关设备的逆 变器开关控制信号124并且执行用以驱动负载的其他操作任务。此外，将计算机可读介质 与计算机可执行指令一起考虑用于实现所描述的功率转换开关控制过程和技术，计算机可 执行指令可以作为程序指令存储在形成控制器122的一部分或与控制器122在操作上关联 的电子存储器中。
[0040] 如从图2中最佳可知，控制器122以脉冲宽度调制（PWM)的形式向开关Sl至S6 提供开关控制信号124以在逆变器输出节点116处提供多电平输出电压（例如，线与中性 点间的电压V an)。在所示实施方式中，例如，控制器122向开关Sl至S6提供开关控制信号 124以在四个不同的线与中性点间电压电平中之一处提供输出电压V an。图4中的曲线图 210示出逆变器输出节点116处相对于中性节点"N"的示例性的4电平线与中性点间电压 波形212 (Van)。在图3中，三个NNPC级100a、IOOb和IOOc连接至三相电源102的对应的 相A、B和C以形成在包括等值的两个DC总线电容的DC总线电路90中提供DC电压的三相 整流器电路70，其中，连接节点提供系统中性点N。此外，如从图3中可知，三个不同的NNPC 转换器级l〇〇r、IOOs和IOOt可以连接至DC总线电路90的正线90a和负线90b以形成三 相多电平逆变器80,三相多电平逆变器80向电机相线202提供用以驱动三相电机负载200 的AC输出电压，其中，控制器122向NNPC级IOOr至IOOt中的每个NNPC级提供一组逆变 器开关控制信号124b。图5图示示出图3的系统中的示例性的线与线间电压波形222的曲 线图220,其中，三个NNPC逆变器级IOOrUOOs和IOOt的控制开关以120°的相对相角提 供用于驱动电机负荷200的7电平线与线间电压波形222。
[0041] 此外，如图3中进一步所示，发明人理解，使用背对背NNPC或其他背对背多电平转 换器配置构造的AC-DC-AC功率转换器2中的系统共模电压Vcm是整流器70的共模电压贡 献Vcmr与逆变器80的共模电压贡献Vcmi的和。在所示配置中，具有中性点"N"、输入接 地节点"g"、输出零电压或中性节点"〇"，其中，整流器贡献Vcmr = Vg-Vn，逆变器贡献Vcmi =Vo-Vn,功率转换系统2中的整体贡献或总贡献为Vcm = Vog = Vcmi-Vcmr。另外，本公 开内容的某些方面有利地通过由控制器122提供整流器开关控制信号和逆变器开关控制 信号124来提供背对背多相多电平转换系统2的操作，以便于抵消整流器70和逆变器80 的共模电压贡献。在一些情况下，如以下关于图8至图12进一步描述的，提供给整流器级 100a至100c的开关控制信号124a和提供给多电平逆变器级IOOr至IOOt的逆变器开关控 制信号124b提供全部或至少部分消除，其中，逆变器共模贡献完全或者至少部分抵消或消 除与整流器70关联的共模电压贡献。
[0042] 此外，在某些实施方式中，控制器122提供开关控制信号124以控制对开关电容器 Cl和C2的充电和放电以便将各个级100的对应的电容器电压VcJPVc2调节为DC总线电 路90的DC电压V dc的目标分数。此外，对电容器电压V JP Vc2的控制有利于基本上平均分 布在给定级100的各个开关设备SI至S6处可见的电压。图2示出给定级100的示例性开 关状态表格126,其示出对应于NNPC开关设备Sl至S6的不同开关状态的6个可能的开关 矢量VI、V2、V3、V4、V5和V6连同相对于输入DC电平V dc的对应的线与中性点间电压值，其 中，"1"指示对应的开关S为"接通"或导通。此外，表格126示出对应级100的AC端子处 的对应的不同电压电平"L"，这种情况下，提供相对于中性点N的4个不同的电压电平。
[0043] 图2中的开关矢量Vl对应于第一电平"3"，冗余开关矢量V2和V3提供第二电压 电平" 2 "，开关矢量V4和V5二者提供第三电平" 1"，第六开关矢量V6提供第四电平"0 "。 具体地，第一矢量Vl提供+VDC；/2的输出电压电平。第二开关矢量V2和第三开关矢量V3相 对于线与中性点间输出电压彼此冗余，每个开关矢量产生+V DC/6的值。矢量V4和矢量V5 也是冗余开关状态对，其中，每个矢量提供-vDye的输出值，最后的开关状态或矢量V6产 生-V DC/2的输出电压。此外，如从图2中可知，通过冗余矢量选择来控制对电容器Cl和电 容器C2的充电和放电，其中，对对应电容器电压的影响在各个冗余开关状态下可以不同， 以使得智能矢量选择能够控制电容器的充电和/或放电。例如，在期望的输出电压电平为 1/6的情况下，如果输出电流I ot为正（>0)，则可以选择矢量V2来对Cl充电，或者如果输 出电流为负，则对Cl放电。冗余矢量V3的替选选择对Cl和C2放电以得到正的输出电流， 并且在输出电流为负的情况下对电容器Cl和C2充电。此外，如从图2的表格126中可知， 可以通过在控制器122中从冗余矢量V4和V5中选择来进行类似的充电和/或放电选择， 其中，期望的输出电压电平为_V dc/6。
[0044] 同样参考图6,如图6的曲线图240所示，为了提供共模电压控制和电容器均衡， 控制器122通过使用根据源自期望的输出负载条件的参考矢量的空间矢量调制来向整流 器70和逆变器80二者的级100提供控制信号124作为脉冲宽度调制开关控制信号。控制 器122确定围绕图6中所示的参考矢量V Mf的当前位置的三个控制矢量V i、％和V 3(或者 在以下描述的合成虚拟矢量se时为四个矢量）的相对停留时间（驻留时间），其中，参考矢 量具有对应的调制指数或幅度（M)和对应的相角Θ，并且根据某电动机或其他功率转 换系统实现中的期望的电机负载位置和转矩在整个空间矢量调制图240中旋转。
[0045] 图7示出可以在图1至图3的NNPC功率转换器2的控制器122中实现的、用于生 成脉冲宽度调制开关控制信号124的过程250。下面以一系列动作或事件的形式来对过程 250示出和说明，然而本公开内容的各种方法不限于所示的这样的动作或事件的顺序。在 这点上，根据本公开内容，除非下文中有特别说明，否则一些动作或事件可以以不同的顺序 发生，并且/或者与除本文中所示的或所描述的动作或事件之外的其他动作或事件同时发 生。还应该说明的是，实现根据本公开内容的过程或方法可能并非需要全部的所示步骤，而 是可以组合一个或更多个这样的动作。本公开内容的所示方法250或其他方法可以用硬 件、处理器执行的软件或上述硬件和软件的组合来实现，诸如用示例性控制器122来实现； 并且可以用有形非暂态计算机可读介质、诸如在