多电平功率转换器制造技术

多电平转换器，包括一个或多个臂(B)，所述臂各自连接在电压源(VDC)与电流源(I)之间。每个臂包括级联的两级(E1、E2)，第一级要连接至电压源(VDC)，第二级要连接至电流源(I)。第一级(Et1)包括级联的等级为1至n的若干基本级(E1n、…、E12、E11)，等级为1的基本级(E11)连接至第二级(Et2)，等级为n的基本级(E1n)必须连接至电压源(VDC)。每个基本级(E1n)包括串联的一对相同的NPC类型电池(Cen1、Cen2)，所述连接在等级为1的基本级中是直接的，对于等级大于1的每个基本级，经由n-1个电容电池(Can(1)、…、Can(n-1))进行所述连接，第二级(Et2)包括浮动电容器电池(Ce10)。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及多电平功率转换器，更具体地用于工作在中等电压范围中。
技术介绍
已知的中等电压功率转换器通常使用设置为串联以允许电压增加的半导体开关。 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跨越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。 基于将开关的控制进行交织（interleave)且与变压器的使用相关联的技术已经 发展了，并且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。 已经出现了另一解决方案，即所谓的NPC(中性点钳位）拓扑。NPC类型的电池包 括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、和另一侧连接至 第二对的两个开关之间的公共点的串联的两个二极管。此外发现串联的两个电容，它们连 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。 此拓扑产生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 能发生跨越电容器的端子的电压的不平衡。 通过用一对半导体开关取代两个二极管，改进了NPC原始拓扑。此拓扑称为具有 3个电压电平的ANPC。 通过将开关设置为串联并且通过添加电容器，产生了用于增加可接受的电压电平 的另一改进。此拓扑称为具有5个电压电平的ANPC。公司ABB已经开发了该ANPC。然而， 目前，该ANPC被限制为6. 9kV量级的电压电平。 另一技术基于浮动电容器电池（也称为嵌套的基本电池）的关联。电压源可以经 由任意数目的串联的这样的基本电池而链接至电流源。每个基本电池包括串联的两个半导 体开关，并且诸如电容器的储能器件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动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。 当面对由于将大量半导体开关设置为串联以便达到高电压电平而导致的困难时， 已经提倡限制串联的开关的数目，以及将级（stages)与级联嵌套的电池（cellsnestedin cascade)相关联，其中每级包括若干个嵌套的基本电池。 因此，在专利申请US2007/0025126中，描述了至少包括两个臂的多电平功率转 换器，其中该臂配备有通过电容器链接在一起的嵌套的基本电池。 在第一配置（configuration)中，每个臂包括3级的级联。这些级各自具有介于 一和三之间的不同等级。每级包括与该级的等级一样多的嵌套的基本电池对。这些嵌套的 基本电池对可以采取三个电压电平。此第一配置的缺点是其使用许多开关和电容器，因此 使得其昂贵且非常不可靠。 在第二配置中，每个臂包括两级的级联，其中一个是等级一，另一个是等级二。每 级包括三个一组的多个嵌套的基本电池。这些基本电池的三个一组可以采取四个电压电 平。在此第二变型中，将根据所使用的电容器属于第一级还是第二级，用不同的电压电平对 所述电容器充电。这给出对标准化的限制。此外，电容器的寄生电感全部越高，耐压就越大。 由于为电池切换最大电压电平而导致的过压将限制该设置（setup)的吸引力。
技术实现思路
本专利技术的目的是提出一种多电平转换器，其能够工作在比现有技术的电压电平高 的电压电平，而既无需凭借变压器也无需增加半导体开关的数目。 本专利技术的另一目的是提出一种多电平转换器，其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。 本专利技术的又一目的是提出一种多电平转换器，其使用具有有限耐压的标准电容器 组。 本专利技术的再一目的是提出一种多电平转换器，其限制寄生电感的出现。 这些目的通过NPC类型的电池和电容电池的关联而实现。 更具体地，本专利技术是包括一个或多个臂的多电平转换器，所述臂各自配置为连接 在电压源与电流源之间。所述臂或每个臂包括级联连接的两级，第一级用于连接至所述电 压源，第二级用于连接至所述电流源。第一级包括级联连接的等级为1至n(n大于1)的n 个基本级，等级为1的基本级连接至第二级，等级为n的基本级用于连接至所述电压源。每 个基本级包括串联连接的一对相同的NPC类型的电池，所述连接是在等级为1的基本级中 直接的，对于等级为n(n大于1)的每个基本级，经由n-1个电容电池进行所述连接。第二 级包括浮动电容器类型的电池。 在此多电平转换器中，电容电池包括串联布置的两个储能器件，这些储能器件具 有同一个储能量。 在基本级中，NPC类型的电池包括具有两个储能器件的电容桥，其中所述储能器件 具有同一个储能量。此基本级的电容电池的每个储能器件具有与NPC类型的电池的储能器 件之一相同的储能量。 因此，第一级的所有储能器件具有同一个储能量。 为了遵守关于电压源和电流源的连接规则，经由电感将基本级的至少一个NPC类 型的电池连接至相邻基本级的NPC类型的电池。 在作为本专利技术的主题的转换器中，NPC类型的电池包括串联布置的一组四个基本 开关，其中两个在末端（extreme)位置并且，其中两个在中间位置。不直接链接的在末端位 置的基本开关和在中间位置的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，并且这两个基本开关形成基本开关单元（cell)。 NPC类型的电池拥有将在所述电池的输入施加的电压与在所述电池的输出出现的 电压相关的转换函数（功能）。所述电池的两个基本开关单元也各自拥有转换函数。NPC 类型的电池的转换函数取决于两个基本开关单元的转换函数。 此外，同一个基本级的NPC类型的电池具有同一个转换函数。 在同一个基本级的NPC类型的两个电池中，以相同方式控制相似的基本开关。 在作为本专利技术的主题的转换器中，浮动电容器类型的电池包括串联布置的一组四 个基本开关，其中两个在末端位置，并且其中两个在中间位置。在末端位置的两个基本开关 总是处于互补状态，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。在末端位置的两个基本开关形成第一基本开关单元。在中间位置的两个基 本开关形成第二基本开关单元。 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。 从电容器、电池和燃料电池之中选择储能器件。 本专利技术还涉及一种变速驱动装置（drive)，包括具有特征在于作为AC/DC整流器 工作的转换器、和特征在于作为DC/AC逆变器工作的转换器的级联，所述两个转换器在它 们两端通过电压源而连续链接在一起。【附图说明】 通过在参考附图的同时阅读纯粹通过完全非限制的指示方式给出的对示例性实 施例的描述，将更好地理解本专利技术，其中： 图1A以非常示意的方式图示了作为本专利技术的主题的多电平转换器臂，其中级联 地安装第一级和第二级，第一级是n个基本级的级联，图1B是包括与图1A的臂类似的两个 臂的单相多电平转换器； 图2A示出了作为本专利技术的主题的多电平转换器的NPC类型的电池，并且图2B、图 2C、图2D图示了在此电池中导致NPC类型的电池的三个状态的电流流动； 图3A示出了带有具有作为本专利技术的主题的多电平转换器的三个电压电平的浮动 电容器的类型的电池，并且图3B、图3C、图3D、图3E图示了在此浮本文档来自技高网...

【技术保护点】
多电平转换器，包括一个或多个臂(B)，所述臂各自配置为连接在电压源(VDC)与电流源(I)之间，其中，所述臂或每个臂包括级联连接的两级(E1、E2)，第一级(Et1)用于连接至所述电压源(VDC)，第二级(Et2)用于连接至所述电流源(I)，其中，所述第一级(Et1)包括级联连接的等级为1至n(n大于1)的n个基本级(E11、…、E1n)，等级为1的基本级(E11)连接至第二级(Et2)，等级为n的基本级(E1n)用于连接至所述电压源(VDC)，其特征在于：每个基本级(E11、E1n)包括串联连接的一对相同的NPC类型电池(Ce11、Ce12；Cen1、Cen2)，所述连接在等级为1的基本级(E1)中是直接的，对于等级为n(n大于1)的每个基本级，经由n‑1个电容电池(Can(1)、Can(n‑1))进行所述连接，所述第二级(Et2)包括浮动电容器类型的电池(Ce10)。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：JP拉维维莱，
申请(专利权)人：施耐德东芝换流器欧洲公司，
类型：发明
国别省市：法国;FR