一种用于多电平T型变换器的容错拓扑结构制造技术

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。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】一种用于多电平T型变换器的容错拓扑结构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专利技术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。政府对本专利技术享有一定的权利。
技术介绍
本专利技术的领域涉及电力变换器(powerconverter)的拓扑结构。特别地，本专利技术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。
技术实现思路
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。T型电力变换器的容错操作的方法的示例性实施例包括提供T型电力变换器。T型电力变换器包括DC总线，该DC总线还包括DC总线中点以及可操作地连接到DC总线的三个逆变器相位支路。每个相位支路包括正开关、负开关和双向中点开关。冗余相位支路包括正冗余开关和负冗余开关。正冗余开关和负冗余开关通过冗余中点与双向中点开关串联连接。正冗余开关通过双向中点开关与正开关并联连接。负冗余开关通过双向中点开关与负开关并联连接。中点冗余开关被连接在DC总线中点与冗余中点之间。利用微控制器监视T型电力变换器内的至少一个电流。基于该至少一个电流来识别T型电力变换器中的故障状况。基于至少一个电流来确定故障状况的开关位置。在检测到故障状况时，双向中点冗余开关被切换到断开状态。正冗余开关和负冗余开关中的至少一个被切换到闭合状态以绕过故障开关。T型电力变换器的操作保持不变。附图说明图1是容错三相电力系统的示例性实施例的示意图。图2是描绘在开关Sa1中的示例性开路故障期间容错T型NPC逆变器的实施例中的电流的示意图。图3是描绘在开关Sa3中的示例性开路故障期间容错T型NPC逆变器的实施例中的电流的示意图。图4是描绘容错T型NPC逆变器的另一个示例性实施例的示意图。图5是描绘在提供热过载能力的示例性操作期间容错T型NPC逆变器的实施例中的电流的示意图。图6A和6B是示例性地描绘在使用和不使用热过载能力的情况下电路的结温曲线的比较的图。图7是示例性的准ZVS切换序列的时序图。图8是示例性地描绘在开关S1与Sa1之间的负载电流共享的图。具体实施方式所公开的主题还可以利用以下定义的术语来描述。除非上下文另有规定或指示，否则术语“一”、“一个”以及“该”意味着“一个或多个”。如本文所使用的，“大约”、“近似”、“基本上”以及“显着地”将被本领域普通技术人员理解并且将在某种程度上根据其被使用的上下文而变化。如果考虑到术语被使用的上下文，存在对于本领域的普通技术人员来说是不清楚的术语的使用，则“约”和“近似”将意味着加或减≤10％的特定术语，并且“基本上”和“显着地”将表示加或减>10％的特定术语。如本文所使用的，术语“包括(include)”和“包括(including)”具有与术语“包含(comprise)”和“包含(comprising)”相同的含义。术语“包含”和“包含”应被解释为“开放的”过渡术语，其允许权利要求中列举的那些组件进一步包括额外组件。术语“由......构成(consist)”和“由...构成(consistingof)”应该被解释为“封闭的”过渡术语，其不允许包括除了权利要求中所列举的组件之外的其他组件。术语“基本上由...构成”应该被解释为部分封闭的，并且允许仅包括不会从根本上改变所要求保护的主题的性质的额外组件。图1是容错三相电力系统10的示例性实施例的示意图。系统10包括容错逆变器12。更具体地说，容错逆变器12包括两部分，即多电平T型NPC逆变器14和冗余相位支路(phaseleg)16。容错逆变器12的这些部分如本文所公开那样操作以向被连接到示例性三相位支路(相位支路A20、相位支路B22和相位支路C24)中的每一个的三相电机18提供电力。如本文将进一步详细描述的，容错逆变器12包括多个开关。容错逆变器12被连接到微控制器26，其接收来自T型NPC逆变器14的故障检测输入28和来自冗余相位支路16的故障检测输入30。如本文将进一步详细描述的，故障检测输入可以包括容错逆变器12内的测量出的电压和/或电流，如本文进一步详细描述的，其被微控制器26用于操作开关。微控制器26将控制信号(示例性地脉宽调制(PWM)控制信号)提供给栅极驱动器电路32。栅极驱动器电路(gatedrivercircuit)32转而将栅极信号(gatesignal)34提供给T型NPC逆变器14的开关，并且将栅极信号36提供给给冗余相位支路16的开关。每个开关可以被体现为绝缘栅双极型晶体管(IGBT)或者被实施为金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。如本文进一步详细描述的，开关基于断开和闭合状态之间的栅极信号进行操作。在示例性实施例中，系统10操作以将来自电源38的三相电力提供给三相电机18。在示例性实施例中，该系统可以以20kHz操作开关，但这仅仅是示例性实施例中的切换(switchi本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种电力变换系统，包括：逆变器，其具有多个逆变器相位支路，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，其包括正冗余开关和负冗余开关，所述正冗余开关被串联连接到所述双向中点开关并通过所述双向中点开关与所述正开关并联，并且所述负冗余开关与所述双向中点开关串联连接并通过所述双向中点开关与所述负开关并联；其中，在检测到所述多个逆变器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。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.11.13 US 62/255,0751.一种电力变换系统，包括：逆变器，其具有多个逆变器相位支路，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，其包括正冗余开关和负冗余开关，所述正冗余开关被串联连接到所述双向中点开关并通过所述双向中点开关与所述正开关并联，并且所述负冗余开关与所述双向中点开关串联连接并通过所述双向中点开关与所述负开关并联；其中，在检测到所述多个逆变器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。2.根据权利要求1所述的电力变换系统，还包括：微控制器和栅极驱动器，所述栅极驱动器可操作地连接到所述多个逆变器相位支路的开关以及所述冗余相位支路的开关。3.根据权利要求2所述的电力变换系统，还包括：栅极驱动器电路，其被可操作地连接在所述微控制器与所述多个逆变器相位支路的开关以及所述冗余相位支路的开关之间，其中所述栅极驱动器电路从所述微控制器接收脉宽调制控制信号并将栅极控制信号发送到相应的开关。4.根据权利要求2所述的电力变换系统，还包括：多个电流换能器，所述多个电流换能器中的电流换能器每个都与所述多个逆变器相位支路中的每个支路相关联，所述多个电流换能器被通信地连接到所述微控制器以向所述微控制器提供电流测量信号，其中所述微控制器识别所述逆变器中的故障状况，并且至少从所述电流测量信号确定识别出的故障的开关位置。5.根据权利要求4所述的电力变换系统，还包括：正电容器和负电容器，被串联连接在正端子与负端子之间以限定DC总线中点；正电压换能器，被连接在所述正端子与所述DC总线中点之间；以及负电压换能器，被连接在所述负端子与所述DC总线中点之间；其中所述正电压换能器和所述负电压换能器被通信地连接到所述微控制器，以向所述微控制器提供电压测量信号，所述电压测量信号被所述微控制器用于识别故障状况并确定识别出的故障状况的开关位置。6.根据权利要求2所述的电力变换系统，还包括：三相电机，其被连接到所述逆变器，其中所述多个逆变器相位支路包括三个逆变器相位支路。7.根据权利要求2所述的电力变换系统，还包括：DC总线，其包括DC总线中点；并且所述冗余相位支路还包括冗余中点开关，其被连接在所述DC总线中点与冗余正开关以及冗余负开关之间，以用于定义冗余中点。8.根据权利要求7所述的电力变换系统，其中，所述逆变器相位支路的所述双向中点开关被连接到所述冗余中点。9.根据权利要求8所述的电力变换系统，其中，在检测到所述逆变器的开关中的故障时，所述微控制器将所述冗余中点开关操作到断开状态。10.根据权利要求9所述的电力变换系统，其中，在检测到正开关中的故障时，所述微控制器操作处于闭合状态的所述冗余正开关和处于闭合位置的所述双向中点开关以将正电压提供给具有故障状况的相位支路。11.根据权利要求9所述的电力变换系统，其中，在检测到双向中点开关中的故障时，所述微控制器将具有故障状况的相位支路的所述正开关或所述负开关操作为闭合状态，以将电压提供给具有故障状况的相关相位支路。12.根据权利要求...

【专利技术属性】
技术研发人员：何降彪，纳比勒·A·O·德梅达什，
申请(专利权)人：马凯特大学，
类型：发明
国别省市：美国,US