可扩展的多电平电力转换器制造技术

用于将直流电力转换成交流电力的多电平电力转换器或逆变器包括一个或更多个2电平转换器，每个2电平转换器均包括被配置成将两根输入线切换至三相输出线的氮化镓(GaN)晶体管。该多电平电力转换器可以用在可以提供3相AC供应的电机驱动电路中。两个电力转换器——其可以是2电平电力转换器或3电平电力转换器——可以通过包括双向开关晶体管的输出级交替地切换以向AC电机提供AC电力，所述双向开关晶体管被配置成切换来自多电平电力转换器的对应的三相输出线。多电平电力转换器切换来自中性点钳位输入级的输入线，所述中性点钳位输入级包括跨其间具有DC电压的输入端子串联连接的电容器以使中点端子被加电有输入端子之间的电压的一半的中间电压。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】可扩展的多电平电力转换器相关申请的交叉引用该PCT国际专利申请要求于2018年6月6日提交的题为“ScalableMulti-LevelPowerConverter”的美国临时专利申请序列号第62/681,244号的权益和优先权，该美国临时专利申请的全部公开内容通过引用并入本文。
本公开内容总体上涉及用于将直流(DC)电力转换成交流(AC)电力的多电平电力转换器。更具体地，本公开内容涉及用于电机驱动电路的这样的多电平电力转换器。
技术介绍
该部分提供与本公开内容相关的背景信息，该背景信息不一定是现有技术。电动机驱动器——也称为变频驱动器(VFD)——在各种应用中用于向电动机提供交流(AC)电力。电动机驱动器通常用在电动车辆中用于以不同速度范围为牵引电机提供动力。电动机驱动器还具有工业和商业应用，例如用于以不同的速度范围运行鼓风机、传送带或其他机器。这样的变频驱动器通常包括使用固态开关来切换DC源以生成具有多个不同电压水平的输出的多电平电压转换器。在过去，绝缘栅双极型晶体管(IGBT)或金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)被用作开关。然而，IGBT和MOSFET在其运行速度方面受限，并且通常不能在超过10kHz的频率下运行以切换电机驱动应用所需的高电流。氮化镓(GaN)固态开关具有快速切换电机驱动应用所需电流的能力。然而，市场上可买到的氮化镓(GaN)固态开关的额定工作电压最高为650V，这低于现代电动车辆所需的输入DC电压，该输入DC电压可以具有800V或更大的DC母排电压。因此，需要克服这些缺点的多电平电力转换器和电机驱动电路。
技术实现思路
该部分提供本公开内容的总体概述，而不是其全部范围或其所有特征和优点的全面公开。根据本公开内容的一方面，一种用于将直流电力转换成交流电力的多电平电力转换器。该多电平电力转换器包括用于接收直流电力的直流电压的多个转换器输入。该多电平电力转换器还包括用于输出交流电力的第一相输出的第一相最终输出线、用于输出交流电力的第二相输出的第二相最终输出线以及用于输出交流电力的第三相输出的第三相最终输出线。另外，该多电平电力转换器包括耦接至多个转换器输入并且耦接至第一相最终输出线、第二相最终输出线以及第三相最终输出线的多个固态转换器开关。多个固态转换器开关被配置成将多个转换器输入切换至第一相最终输出线、第二相最终输出线和第三相最终输出线。根据另一方面，该多电平电力转换器包括一个或更多个2电平转换器，每个2电平转换器包括被配置成将输入DC线切换至三相输出线的六个氮化镓(GaN)晶体管或IGBT。以这种方式，可以使用2电平转换器作为单元构建块来构造多电平电力转换器，例如3电平转换器。在2电平转换器中使用650V氮化镓器件将产生能够承受800VDC输入电压的多电平电力转换器。根据本公开内容的又一方面，还提供了一种用于电动机的电机驱动电路。该电机驱动电路包括用于接收直流电压的多个转换器输入。该电机驱动电路还包括第一电力转换器，该第一电力转换器包括多个固态转换器开关。第一电力转换器的多个固态转换器开关被配置成将耦接至多个转换器输入中的至少一个转换器输入的多个第一输入线切换至针对电动机的三个AC相的第一第一相输出线、第一第二相输出线和第一第三相输出线。电机驱动电路另外包括第二电力转换器，该第二电力转换器包括多个固态转换器开关。第二电力转换器的多个固态转换器开关被配置成将耦接至多个转换器输入中的至少至少一个转换器输入的多个第二输入线切换至针对电动机的三个AC相的第二第一相输出线、第二第二相输出线和第二第三相输出线。电机驱动电路还包括输出级，该输出级包括多个双向固态开关。输出级的多个双向固态开关被配置成将第一电力转换器和第二电力转换器之一的输出线中的对应输出线切换至第一相最终输出线、第二相最终输出线和第三相最终输出线，以将包括三个AC相的AC电力提供给电动机。其他适用领域将根据本文所提供的描述变得明显。该概述中的描述和特定示例仅用于说明的目的，而不旨在限制本公开内容的范围。附图说明本文描述的附图仅用于对选定实施方式而非所有可能的实现方式进行说明的目的，并且不旨在限制本公开内容的范围。图1是包括常规的两电平逆变器的电机驱动器的示意图；图2示出了图1中常规的两电平逆变器的输出电压和输出电流；图3是现有技术中性点钳位多电平电力转换器的一个相支路的电路图；图4A是根据本公开内容的方面的使用氮化镓(GaN)晶体管的2电平转换器的示意图；图4B是根据本公开内容的方面的使用绝缘栅双极型晶体管(IGBT)的另一2电平转换器的示意图；图5A是根据本公开内容的方面的包括图4A所示设计中的两个2电平转换器的3电平转换器的示意图；图5B是根据本公开内容的方面的包括图4B所示设计中的两个2电平转换器的另一3电平转换器的示意图；图6A是根据本公开内容的方面的包括两个2电平转换器的电机驱动电路的示意图；图6B是根据本公开内容的方面的在图6A的电机驱动电路中使用的双向开关的示意图；图7A是根据本公开内容的方面的包括两个3电平转换器的电机驱动电路的示意图；图7B是根据本公开内容的方面的在图7A的电机驱动电路中使用的双向开关的示意图；图8示出了根据本公开内容的方面的具有用于交流电的金属氧化物可控硅三极管的另外的电机驱动电路；图9示出了根据本公开内容的方面的图8的电机驱动电路中的第一电力转换器的第一相高绝缘栅双极型晶体管和第一相低绝缘栅双极型晶体管以及用于交流电的第一相高三极管的第一相操作的示例脉冲宽度调制波形；图10示出了根据本公开内容的方面的用于图8的电机驱动电路的第一相的脉冲宽度调制逻辑生成结构；图11和图12示出了根据本公开内容的方面的图10的脉冲宽度调制逻辑生成结构所使用的正载波信号的波形、负载波信号的波形以及对应参考电压的波形；图13示出了根据本公开内容的方面的针对到图8的电机驱动电路的输入电压为400V的电压波形和电流波形；图14示出了根据本公开内容的方面的图8中示出的电机驱动电路的示例线间电压；图15示出了根据本公开内容的方面的由图8的电机驱动电路输出的三相电流波形以及所述三相输出的快速傅立叶变换(FFT)结果；图16示出了根据本公开内容的方面的针对图8的电机驱动电路的两个转换器的功率的计算；以及图17示出了具有用于交流电的金属氧化物可控硅三极管的另一电机驱动电路。具体实施方式在以下描述中，阐述细节以提供对本公开内容的理解。在一些情况下，未详细描述或示出某些电路、结构和技术，以免使本公开内容模糊。通常，本公开内容涉及非常适于在许多应用中使用的类型的多电平电力转换器和电机驱动电路。将结合一个或更多个示例实施方式来描述本公开内容的多电平电力转换器和电机驱动电路。然而，所公开的具体示例实施方式仅被提供用于对专利技术构思、特征、优点和目的进行足够清楚本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于将直流电力转换成交流电力的多电平电力转换器，包括：/n多个转换器输入，其用于接收所述直流电力的直流电压；/n第一相最终输出线，其用于输出所述交流电力的第一相输出；/n第二相最终输出线，其用于输出所述交流电力的第二相输出；/n第三相最终输出线，其用于输出所述交流电力的第三相输出；以及/n多个固态转换器开关，其耦接至所述多个转换器输入并且耦接至所述第一相最终输出线、所述第二相最终输出线和所述第三相最终输出线，并且所述多个固态转换器开关被配置成将所述多个转换器输入切换至所述第一相最终输出线、所述第二相最终输出线和所述第三相最终输出线。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20180606 US 62/681,2441.一种用于将直流电力转换成交流电力的多电平电力转换器，包括：
多个转换器输入，其用于接收所述直流电力的直流电压；
第一相最终输出线，其用于输出所述交流电力的第一相输出；
第二相最终输出线，其用于输出所述交流电力的第二相输出；
第三相最终输出线，其用于输出所述交流电力的第三相输出；以及
多个固态转换器开关，其耦接至所述多个转换器输入并且耦接至所述第一相最终输出线、所述第二相最终输出线和所述第三相最终输出线，并且所述多个固态转换器开关被配置成将所述多个转换器输入切换至所述第一相最终输出线、所述第二相最终输出线和所述第三相最终输出线。


2.根据权利要求1所述的多电平电力转换器，其中，所述多个转换器输入包括正直流输入线和负直流输入线，并且所述多个固态转换器开关包括2电平转换器，所述2电平转换器包括：
第一相高氮化镓晶体管，其包括连接至所述正直流输入线的第一相高漏极、第一相高栅极以及连接至第一相输出线的第一相高源极；
第一相低氮化镓晶体管，其包括连接至所述第一相高源极和所述第一相输出线的第一相低漏极、第一相低栅极以及连接至所述负直流输入线的第一相低源极；
第二相高氮化镓晶体管，其包括连接至所述正直流输入线的第二相高漏极、第二相高栅极以及连接至第二相输出线的第二相高源极；
第二相低氮化镓晶体管，其包括连接至所述第二相高源极和所述第二相输出线的第二相低漏极、第二相低栅极以及连接至所述负直流输入线的第二相低源极；
第三相高氮化镓晶体管，其包括连接至所述正直流输入线的第三相高漏极、第三相高栅极以及连接至第三相输出线的第三相高源极；以及
第三相低氮化镓晶体管，其包括连接至所述第三相高源极和所述第三相输出线的第三相低漏极、第三相低栅极以及连接至所述负直流输入线的第三相低源极。


3.根据权利要求1所述的多电平电力转换器，其中，所述多个转换器输入包括正直流输入线和负直流输入线，并且所述多个固态转换器开关包括2电平转换器，所述2电平转换器包括：
第一相高绝缘栅双极型晶体管，其包括连接至所述正直流输入线的第一相高集电极、第一相高基极以及连接至第一相输出线的第一相高发射极；
第一相低绝缘栅双极型晶体管，其包括连接至所述第一相高发射极和所述第一相输出线的第一相低集电极、第一相低基极以及连接至所述负直流输入线的第一相低发射极；
第二相高绝缘栅双极型晶体管，其包括连接至所述正直流输入线的第二相高集电极、第二相高基极以及连接至第二相输出线的第二相高发射极；
第二相低绝缘栅双极型晶体管，其包括连接至所述第二相高发射极和所述第二相输出线的第二相低集电极、第二相低基极以及连接至所述负直流输入线的第二相低发射极；
第三相高绝缘栅双极型晶体管，其包括连接至所述正直流输入线的第三相高集电极、第三相高基极以及连接至第三相输出线的第三相高发射极；以及
第三相低绝缘栅双极型晶体管，其包括连接至所述第三相高发射极和所述第三相输出线的第三相低集电极、第三相低基极以及连接至所述负直流输入线的第三相低发射极。


4.根据权利要求1所述的多电平电力转换器，其中，所述多个转换器输入包括3电平正直流输入线、3电平中间电力输入线和3电平负直流输入线，并且所述第一相最终输出线是3电平第一相输出线，并且所述第二相最终输出线是3电平第二相输出线，并且所述第三相最终输出线是3电平第三相输出线，并且所述多个固态转换器开关包括：
第一2电平转换器，其被配置成将耦接至所述3电平正直流输入线的第一正直流输入线和耦接至所述3电平中间直流输入线的第一负直流输入线切换至第一第一相输出线、第一第二相输出线以及第一第三相输出线；
第二2电平转换器，其被配置成将耦接至所述3电平正直流输入线的第二正直流输入线和耦接至所述3电平负直流输入线的第二负直流输入线切换至第二第一相输出线、第二第二相输出线以及第二第三相输出线；以及
3电平输出级，其包括多个双向固态开关，所述多个双向固态开关被配置成将所述第一2电平电力转换器和所述第二2电平电力转换器之一的输出线中的对应输出线切换至所述3电平第一相输出、所述3电平第二相输出以及所述3电平第三相输出。


5.一种用于电动机的电机驱动电路，包括：
多个转换器输入，其用于接收直流电压；
第一电力转换器，其包括多个固态转换器开关，所述多个固态转换器开关被配置成将耦接至所述多个转换器输入中的至少一个转换器输入的多个第一输入线切换至针对所述电动机的三个AC相的第一第一相输出线、第一第二相输出线和第一第三相输出线；
第二电力转换器，其包括多个固态转换器开关，所述多个固态转换器开关被配置成将耦接至所述多个转换器输入中的至少一个转换器输入的多个第二输入线切换至针对所述电动机的三个AC相的第二第一相输出线、第二第二相输出线和第二第三相输出线；以及
输出级，其包括多个双向固态开关，所述多个双向固态开关被配置成将来自所述第一电力转换器和所述第二电力转换器之一的输出线中的对应输出线切换至第一相最终输出线、第二相最终输出线和第三相最终输出线以将包括所述三个AC相的AC电力提供给所述电动机。


6.根据权利要求5所述的电机驱动电路，其中，所述多个转换器输入包括3电平正直流输入线和3电平负直流输入线；
所述电机驱动电路还包括中性点钳位输入级，所述中性点钳位输入级耦接至所述第一电力转换器和所述第二电力转换器并且包括跨其间具有DC电压的所述3电平正直流输入线和所述3电平负直流输入线串联连接的第一输入电容器和第二输入电容器，并且所述中性点钳位输入级包括设置在所述第一输入电容器与所述第二输入电容器之间并且被加电至所述DC电压的一半的中点端子；
所述第一电力转换器是第一2电平转换器，并且所述多个第一输入线包括耦接至所述3电平正直流输入线的第一正直流输入线和耦接至所述中点端子的第一负直流输入线，所述第一2电平转换器被配置成将所述第一正直流输入线和所述第一负直流输入线切换至所述第一第一相输出线、所述第一第二相输出线和所述第一第三相输出线；并且
所述第二电力转换器是第二2电平转换器，并且所述多个第二输入线包括耦接至所述中点端子的第二正直流输入线和耦接至所述3电平负直流输入线的第二负直流输入线，所述第二2电平转换器被配置成将所述第二正直流输入线和所述第二负直流输入线切换至所述第二第一相输出线、所述第二第二相输出线和所述第二第三相输出线。


7.根据权利要求5所述的电机驱动电路，其中，所述多个转换器输入包括5电平正直流输入线、5电平第一中间直流输入线、5电平第二中间直流输入线、5电平第三中间直流输入线和5电平负直流输入线，并且所述第一电力转换器和所述第二电力转换器中的每一个都是3电平转换器，所述3电平转换器包括：
耦接至所述5电平正直流输入线和所述5电平第二中间直流输入线之一的3电平正直流输入线、耦接至所述5电平第一中间直流输入线和所述5电平第三直流输入线之一的3电平中间直流输入线以及耦接至所述5电平第二中间直流输入线和所述5电平负直流输入线之一的3电平负直流输入线；
第一2电平转换器，其被配置成将耦接至所述3电平正直流输入线的第一正直流输入线和耦接至所述3电平中间直流输入线的第一负直流输入线切换至第一第一相输出线、第...

【专利技术属性】
技术研发人员：德玛莉亚·班纳吉，赖春燕，田江波，阿尼麦斯·孔杜，伊沙安·高希，纳拉扬·钱德拉·卡尔，贾斯明·热热那·辛库拉，拉克希米·瓦拉哈·耶尔，菲利普·科塔，
申请(专利权)人：麦格纳国际公司，温莎大学，
类型：发明
国别省市：加拿大;CA