[发明专利]级联的多电平功率转换器

说明书

本发明涉及一种多电平功率转换器，包含：n个输入级(E_{in_n})，n至少等于1，每个输入级包含n+1个连接在一起的相同的输入转换器(CONV_{x_En})，输入转换器(CONV_{x_En})展现了从NPC(受钳制中性点)、ANPC(活跃受钳制中性点)、NPP(先导控制中性点)以及SMC(堆栈式多单元转换器)的结构中选出的相同拓扑；输出级(E_out)，连接于第一输入级，并且包含输出转换器(CONV_S)，向输出转换器(CONV_S)提供差动电压(V_float)，该差动电压(V_float)是因施加于第一输入级的第一输入转换器输出端的第一电位和施加于第一输入级的第二输入转换器输出端的第二电位所产生的，输出转换器(CONV_S)展现了从具有飞跨电容器(FC)、SMC(堆栈式多单元转换器)、NPC(受钳制中性点)、NPP(先导控制中性点)以及ANPC(活跃受钳制中性点)的结构中选出的拓扑。

技术领域

本发明涉及一种多电平功率转换器。更具体地讲，本发明的多电平转换器旨在在中等电压范围内操作。

背景技术

当前的某些应用要求非常高的电压。即使用于功率转换器的半导体的性能水平正在不断提高，它们的承压度仍不足以产生紧致和安全的功率转换器。因此，形成了各种允许电压增加同时又符合部件承压度的方案。

第一种方案仅涉及串行链接交换器。然而，无论在静态系统中还是在动态系统中，都难以在交换器中的每一个交换器上均匀地分配电压约束。例如，当接通时，交换最慢的交换器冒着承受过量瞬时电压的风险，而当关闭时，最快的交换器冒着被毁坏的风险。为了克服这些不利之处，人们推出了其它一些基于对交换器进行交错控制的方案。这些方案允许采用旨在恢复波形的多个电压电平。

已经出现的第二方案为人们所熟悉的NPC(受钳制中性点)拓扑。这一拓扑使平衡交换器所承受电压的问题得以明显改进，并且允许生成满意的波形。然而，这一拓扑具有对其使用的限制，并且特别在总线电容器上电压的平衡方面存在不足。于是，人们通过用受控交换器取代二极管来对这一NPC 型拓扑进行了改进。这一改进的拓扑被称为ANPC(活跃受钳制中性点)，并且已经在某些产品(来自ABB公司的ACS 2000)中实现了这一拓扑。例如，专利US6930899中描述了一种替代NPC拓扑的、称为NPP(先导控制中性点)的可选拓扑。

第三种方案已经出现，其使用了嵌套的单元。嵌套的单元转换器允许通过串行链接任何数目的交换器把电压源连接于电流源，而无论所要求的转换类型如何。每一个基本单元均具有两个交换器和一个电容器。然而，这一方案同样具有与每一个单元中飞跨电容器(flying capacitor)的存在相关的不足之处，飞跨电容器的数目导致了额外的开销，并且需要大量存储的能量。

为了减小电容器的尺寸以及降低存储在转换器中的能量，人们提出了第四种方案。这一方案称为堆栈多单元转换器(SMC)。专利EP1287609中所描述的这一方案涉及多个嵌套的单元转换器的链接。

最终，专利US5625545中描述了最后一种方案。这一方案涉及串行地链接所述单元的输出端，并且使用独立的源向每一个单元提供电能。每一个单元均具有一个整流器和一个倒相器。串行地链接所述单元的输出端，以在负载上生成所希望的电压电平。使用对倒相器的控制中的时间位移获得多电平电压。

另外，以下文档中也对各方案进行了描述。

-FANG ZHENG:A Generalized Multilevel Inverter Topology with SelfVoltage Balancing–01/03/2001,XP011022945