多电平转换器制造技术

本发明专利技术公开一种多电平电力转换器。所述电力转换器包括可操作地耦合在第一总线与第二总线之间的至少一个支线，并且所述至少一个支线包括：第一串，所述第一串包括多个非可控的半导体开关、第一节点、第二节点以及第三节点，其中所述第一节点耦合到第三总线上；一个或多个第二串，其中所述一个或多个第二串中的每一个包括至少一个完全可控的半导体开关，并且其中所述第二串中的一个耦合在所述第一节点与所述第三总线之间，而另一第二串耦合在所述第二节点与所述第三节点之间；以及一个或多个第三串，其中所述一个或多个第三串中的每一个包括至少一个能量存储装置并且耦合到所述第一串、所述一个或多个第二串或其组合上。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术的各实施例大体涉及多电平转换器(converter)，并且更确切地说涉及利用数目减少的完全可控的半导体开关来实现的多电平转换器。
技术介绍
应理解，转换器用于将一种形式的电源转换为另一种形式。三电平转换器的引进导致了多电平转换器的出现。随后，若干多电平转换器拓扑结构得到发展。多电平转换器的概念建立用于利用若干低压直流(DC)电源通过一系列半导体开关的使用来获得更高的功率，所述若干低压直流(DC)电源通过合成阶梯电压波形来进行电力转换。电容器、电池以及可再生能源电压源可用作DC电压源。多电平转换器提供优于常规的两电平转换器的若干优点，所述两电平转换器使用高开关频率脉宽调制(PWM)。此外，多电平转换器通常适用于中高功率应用。近来，由于高功率应用的数目的增加，对多电平转换器的需求也随之增加。常规地，多电平转换器通常仅包括完全可控的半导体开关。然而，因为完全可控的半导体开关的高成本，所以完全可控的半导体开关的使用增加了转换器的成本。另一可替代的转换器为仅使用二极管的二极管整流器。尽管二极管整流器的成本较低，但二极管整流产生具有严重失真的输出波形。
技术实现思路
根据本专利技术的各方面，提出了一种电力转换器。电力转换器包括可操作地耦合在第一总线与第二总线之间的至少一个支线，其中所述至少一个支线包括第一串，所述第一串包括多个非可控的半导体开关、第一节点、第二节点以及第三节点，其中所述第一节点耦合到第三总线上。至少一个支线还包括一个或多个第二串，其中所述一个或多个第二串中的每一个包括至少一个完全可控的半导体开关，并且其中一个第二串可操作地耦合在第一节点与第三总线之间，并且另一个第二串可操作地耦合在第二节点与第三节点之间。此外，至少一个支线包括一个或多个第三串，其中所述一个或多个第三串中的每一个包括至少一个能量存储装置，并且其中所述一个或多个第三串中的每一个可操作地耦合到第一串、一个或多个第二串或其组合上。其中，所述至少一个完全可控的半导体开关包括绝缘栅双极晶体管、金属氧化物半导体场效应晶体管、场效应晶体管、注入增强栅极晶体管、集成门极换流晶闸管或其组合。其中，所述至少一个完全可控的半导体开关包括基于砷化镓的开关、基于氮化镓的开关、基于碳化硅的开关或其组合。其中，所述多个非可控的半导体开关包括功率二极管。其中，所述第一总线包括正直流总线并且所述第二总线包括负直流总线。其中，所述第一串包括经由所述第一节点可操作地耦合到第二部分的第一部分，并且所述第一串可操作地耦合在所述第一总线与所述第二总线之间。所述的电力转换器进一步包括可操作地耦合到所述第一串、所述一个或多个第二串或者所述第一串和所述一个或多个第二串两者上的第四总线。其中，所述第四总线包括至少一个交流相。其中，所述至少一个能量存储装置包括电容器。其中，所述一个或多个第三串可操作地彼此并联耦合。其中，所述一个或多个第二串的所述至少一个完全可控的半导体开关经配置以选择性地切换，以提供经过所述第一串、所述一个或多个第二串、所述一个或多个第三串以及直流链的电流遍历路径。根据本专利技术的另一方面，提出了电力转换系统。该系统包括第一电力转换器。此外，该系统包括直流链，所述直流链可操作地耦合到第一电力转换器上并且包括可操作地串联耦合的一个或多个直流链电容器。此外，该系统包括通过第一总线和第二总线可操作地耦合到第一电力转换器上第二电力转换器，其中所述第二电力转换器包括可操作地耦合在第一总线与第二总线之间的至少一个支线，其中所述至少一个支线包括第一串，所述第一串包括多个非可控的半导体开关；一个或多个第二串，其中所述一个或多个第二串中的每一个包括至少一个完全可控的半导体开关；以及一个或多个第三串，其中所述一个或多个第三串中的每一个包括至少一个能量存储装置，并且其中所述一个或多个第三串中的每一个可操作地耦合到第一串、一个或多个第二串或其组合上。此外，该系统包括预充电单元，所述预充电单元经配置以对一个或多个第三串中的至少一个能量存储装置以及直流链中的一个或多个直流链电容器进行充电。其中，所述第一电力转换器包括多个完全可控的半导体开关。其中，所述第一电力转换器包括交流到直流转换器、直流到交流转换器或者其组合，并且所述第二电力转换器包括交流到直流转换器。其中，所述第二电力转换器包括多电平电力转换器。其中，所述预充电单元包括辅助三相电源。所述的系统进一步包括控制器，所述控制器经配置以控制所述一个或多个第二串的所述至少一个完全可控的半导体开关的切换。其中，所述控制器经配置以：选择性地切换所述电力转换器的所述一个或多个第二串中的所述至少一个完全可控的半导体开关；以及基于所述至少一个完全可控的半导体开关的选择性切换而产生多电平电压。其中，所述控制器经配置以：开启所述电力转换器的所述一个或多个第二串中的所述至少一个完全可控的半导体开关以将所述一个或多个直流链电容器和所述至少一个能量存储装置充电至直流链电压的第一预定值；以及关闭所述至少一个已开启的完全可控的半导体开关以将所述一个或多个直流链电容器充电至所述直流链电压的第二预定值。根据本专利技术的又一方面，提出了电力转换方法。该方法包括在电力转换器的初始状态期间对直流链电容器以及电力转换器的至少一个能量存储装置进行预充电，其中电力转换器包括可操作地耦合在第一总线与第二总线之间的至少一个支线，其中所述至少一个支线包括第一串，所述第一串包括多个非可控的半导体开关；一个或多个第二串，其中所述一个或多个第二串中的每一个包括至少一个完全可控的半导体开关；以及一个或多个第三串，其中所述一个或多个第三串中的每一个包括至少一个能量存储装置，并且其中所述一个或多个第三串中的每一个可操作地耦合到第一串、一个或多个第二串或其组合上。此外，该方法包括可操作地将电力转换器耦合到电网上。此外，该方法包括选择性地切换电力转换器的一个或多个第二串中的至少一个完全可控的半导体开关。另外地，该方法包括基于对至少一个完全可控的半导体开关的选择性切换而产生多电平电压。其中，对所述直流链电容器以及所述电力转换器的至少一个能量存储装置进行预充电包括：开启所述电力转换器的所述一个或多个第二串中的所述至少一个完全可控的半导体开关，以将所述直流链电容器和所述至少一个能量存储装置充电至直流链本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种电力转换器，其包括：可操作地耦合在第一总线与第二总线之间的至少一个支线，其中所述至少一个支线包括：第一串，所述第一串包括多个非可控的半导体开关、第一节点、第二节点以及第三节点，其中所述第一节点耦合到第三总线上；一个或多个第二串，其中所述一个或多个第二串中的每一个包括至少一个完全可控的半导体开关，并且其中所述第二串中的一个可操作地耦合在所述第一节点与所述第三总线之间，而另一第二串可操作地耦合在所述第二节点与所述第三节点之间；以及一个或多个第三串，其中所述一个或多个第三串中的每一个包括至少一个能量存储装置，并且其中所述一个或多个第三串中的每一个可操作地耦合到所述第一串、所述一个或多个第二串或其组合上。

【技术特征摘要】
2012.12.19 US 13/7192591.一种电力转换器，其包括：
可操作地耦合在第一总线与第二总线之间的至少一个支线，其中所
述至少一个支线包括：
第一串，所述第一串包括多个非可控的半导体开关、第一节点、
第二节点以及第三节点，其中所述第一节点耦合到第三总线上；
一个或多个第二串，其中所述一个或多个第二串中的每一个包
括至少一个完全可控的半导体开关，并且其中所述第二串中的一个
可操作地耦合在所述第一节点与所述第三总线之间，而另一第二串
可操作地耦合在所述第二节点与所述第三节点之间；以及
一个或多个第三串，其中所述一个或多个第三串中的每一个包
括至少一个能量存储装置，并且其中所述一个或多个第三串中的每
一个可操作地耦合到所述第一串、所述一个或多个第二串或其组合
上。
2.根据权利要求1所述的电力转换器，其中所述至少一个完全可
控的半导体开关包括绝缘栅双极晶体管、金属氧化物半导体场效应晶
体管、场效应晶体管、注入增强栅极晶体管、集成门极换流晶闸管或
其组合。
3.根据权利要求1所述的电力转换器，其中所述至少一个完全可
控的半导体开关包括基于砷化镓的开关、基于氮化镓的开关、基于碳
化硅的开关或其组合。
4.根据权利要求1所述的电力转换器，其中所述多个非可控的半
导体开关包括功率二极管。
5.根据权利要求1所述的电力转换器，其中所述第一总线包括正
直流总线并且所述第二总线包括负直流总线。
6.根据权利要求1所述的电力转换器，其中所述第一串包括经由
所述第一节点可操作地耦合到第二部分的第一部分，并且所述第一串

\t可操作地耦合在所述第一总线与所述第二总线之间。
7.根据权利要求1所述的电力转换器，其进一步包括可操作地耦
合到所述第一串、所述一个或多个第二串或者所述第一串和所述一个
或多个第二串两者上的第四总线。
8.根据权利要求7所述的电力转换器，其中所述第四总线包括至
少一个交流相。
9.根据权利要求1所述的电力转换器，其中所述至少一个能量存
储装置包括电容器。
10.根据权利要求1所述的电力转换器，其中所述一个或多个第三
串可操作地彼此并联耦合。
11.根据权利要求1所述的电力转换器，其中所述一个或多个第二
串的所述至少一个完全可控的半导体开关经配置以选择性地切换，以
提供经过所述第一串、所述一个或多个第二串、所述一个或多个第三
串以及直流链的电流遍历路径。
12.一种用于电力转换的系统，其包括：
第一电力转换器；
直流链，所述直流链可操作地耦合到所述第一电力转换器上并且包
括可操作地串联耦合的一个或多个直流链电容器；
第二电力转换器，所述第二电力转换器经由第一总线和第二总线可
操作地耦合到所述第一电力转换器上，其中所述第二电力转换器包
括：
可操作地耦合在所述第一总线与所述第二总线之间的至少一个
支线，其中所述至少一个支线包括：
包括多个非可控的半导体开关的第一串；
一个或多个第二串，其中所述一个或多个第二串中的每一个
包括至少一个完全可控的半导体开关；
一个或多个第三串，其中所述一个或多个第三串中的每一个
包括至少一个能量存储装置，并且其中所述一个或多个第三串

\t中的每一个可操作地耦合到所述第一串、所述一个或多个第二
串或其组合上；以及
预...

【专利技术属性】
技术研发人员：S施勒德，S索亚，沈捷，
申请(专利权)人：通用电气公司，
类型：发明
国别省市：美国;US