[发明专利]一种用于多电平T型变换器的容错拓扑结构

说明书

容错电力变换的系统和方法包括具有多个逆变器相位支路的逆变器。每个相位支路包括正开关、负开关和双向中点开关。冗余相位支路包括被连接在正开关与双向中点开关之间的正冗余开关。冗余相位支路包括被连接在负开关和双向中点开关之间的负冗余开关。在检测到多个逆变相位支路中的至少一个开关中的故障状况时，将正冗余开关和负冗余开关中的一个闭合，以绕过具有故障状况的至少一个开关，以维持电力变换器的操作。

相关申请的交叉引用

本申请要求于2015年11月13日提交的美国临时专利申请No.62/255,075的优先权，所述申请的内容在此通过引用整体并入本文。

关于联邦的声明

赞助的研究或开发

本发明是在美国国家科学基金会(NSF)授予的NSF-GOALI基金No.1028348的政府支持下进行的。政府对本发明享有一定的权利。

背景技术

本发明的领域涉及电力变换器(power converter)的拓扑结构。特别地，本发明的领域涉及用于多电平T型电力变换器的容错拓扑结构。

电力变换器是所有固态电力变换系统中最基本的功能单元，并且因此其容错能力在系统的可靠性中起着关键作用。在多电平电力变换器中，T型中性点钳位(NPC)变换器在工业应用中被认为是非常有前途的高性能多电平逆变器品种，因为相比于常规的I型NPC逆变器，其所使用的开关设备数量相对较少且效率较高。

像其他类型的多电平变换器一样，T型NPC逆变器不免除受开关设备故障影响，例如绝缘栅双极型晶体管(IGBT)开路或短路故障。当这些逆变器被应用于诸如电动车辆(EV)、混合动力电动车辆(HEV)、不间断电源(UPS)、太阳能逆变器等安全关键性应用时，如果不提供容错解决方案，则此类开关设备故障可能导致灾难性系统故障。虽然T型NPC逆变器由于其独特的拓扑结构而具有一定的固有容错能力，但在容错操作期间，输出电压和线性操作范围将显着降低，这在其中额定电压为严格要求的一些应用(例如UPS、EV等)中是不允许的。因此，改进具有令人满意的容错特性的逆变器拓扑结构对于在故障条件下保证额定输出电压具有重要意义。

针对T型NPC逆变器的容错操作的现有解决方案主要通过并联一个或三个冗余逆变器支路(leg)来实现。这确保了在逆变器故障状态下的额定电压输出，但是由于采用了多得多额外的半导体设备，所以系统成本更高而效率降低。相反，现有容错拓扑结构中的冗余半导体设备中的大多数在电路中是闲置的，在健康状况下不会对系统性能改善做出贡献。由于额外的切换和导通损耗，这会降低系统效率。

改善T型NPC变换器的容错能力的另一个先前尝试使用软件控制策略，通过使用T型变换器的有限固有容错能力。这种容错解决方案的缺点是故障后操作期间的输出电压降低。

发明内容

电力变换系统的示例性实施例包括具有多个逆变器相位支路的逆变器。逆变器的每个相位支路包括正开关以及负开关和双向中点开关。冗余相位支路包括正冗余开关和负冗余开关。正冗余开关与双向中点开关串联连接，并通过双向中点开关与正开关并联。负冗余开关与双向中点开关串联连接，并通过双向中点开关与负开关并联。在检测到所述多个逆变相位支路中的至少一个开关中的故障状况时，将所述正冗余开关和所述负冗余开关中的一个闭合，以绕过(bypass)具有故障状况的所述至少一个开关并且保持所述电力变换系统的操作。