一种具有中性点钳位(NPC)拓扑(其具有一个或多个相)的电压源转换器，包括：中间DC电路，其具有在正极端和负极端之间串联连接的至少第一和第二电容，在这两个电容之间提供中心抽头端，以及至少一个子电路，用于产生交流电压的一个相，每个子电路包括：AC端，用于供应脉冲电压；常规NPC转换器形式的电路设置，其具有在所述AC端与所述正极端之间的至少两个开关的第一串联连接、在所述AC端与所述负极端之间的至少两个开关的第二串联连接以及从所述中心抽头端到该两个双开关串联连接的中心的可切换连接；以及分配给所述双开关串联连接的附加的第一和第二辅助开关。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及电子转换器的技术。它涉及具有根据权利要求1的引言的中性点钳位(NPC)拓扑的电压源转换器(VSC)。它还涉及用于操作这样的转换器的方法。
技术介绍
3级电压源转换器(VSC)，在参考文献(I)和参考文献(2)(参见图1(a)，其具有晶体管T1-T4、二极管D1-D6、正极端P、负极端N和中性点O)中提出的在工业中广泛使用的3级中性点钳位(NPC)拓扑的特定情况下，最常在中等电压范围应用(例如，轧机、风扇、泵、海洋应用、开采、牵引和风能市场；参见参考文献(3)和(4))中使用。最近的调查示出3级NPC VSC还是对于低压应用有前途的备选方案(参见参考文献(5)和(6))。与在图1 (b)中示出的2级VSC相比，3级常规NPC VSC的特点是两个附加的有源开关、两个额外的隔离栅极驱动器和每相分支四个二极管。3相3级NPC VSC允许空间矢量图中的27个开关状态，而2级VSC只允许八个开关状态(参见参考文献(4))。因此，相电流和DC链接电压(Udc)的明显较好的可控性是优于2级转换器的最显著的优势(参见参考文献⑷)。另外，在例如光伏电网逆变器、整流器、马达驱动器和有源滤波器等应用中，如果考虑的开关频率足够高(参见参考文献￠))，则3级常规NPC和/或T型NPC(参见图1 (c))系统可以实现比2级转换器更低的损耗。常规NPC和/或T型VSC的一个相当大的劣势是跨半导体器件的通常不均匀的损耗分布以及因而产生的在它们的结上的不对称温度分布。在标准商用3级NPC桥分支模块中组装的半导体芯片大多数忽略特定元件上的损耗分布地尺寸化和额定化(参见参考文献(3))。采用该方式，由于损耗分布问题，使用这些器件常常导致具有昂贵且不受用的半导体面积的过大设计(参见参考文献(6))。除此之外，用于提高系统效率的调制方案可以促成不均匀的损耗分布，从而使其更糟、增加了功率模块内部的晶体管和二极管的操作温差和/或扩大了它们的热循环。部件的热失配导致模块内的材料上诱导的热应力并且热机械损坏可能发生(参见参考文献(7)和(8))。因此，因为高的功率密度、效率和部件可靠性的期望的特性可能互相冲突，3级NPC系统的设计变得相当复杂。由于不均等的损耗分布以及随之发生的跨相分支的半导体的结温分布的失配，在高功率转换器的特定情形下，NPC功率模块的使用通常导致低的半导体利用(参见参考文献(4))。采用这种方式，单个半导体器件(额定值不同)的使用在建立转换器的桥分支中更有利。采用额定值相似的单个半导体的NPC系统，通常使这些器件安装在独立的散热器中，以便实现个体部件的良好的热去耦。遗憾地，不同的单个半导体和/或独立散热器的使用通常导致成本增加且庞大的系统。 常规NPC的每相分支添加高达两个额外的有源开关导致损耗分布的明显改善，其中包含另外的开关状态与新的换向可能性(参见图1 (d)，其具有附加的晶体管Tax3和TAX4，以及参考文献(4)和(9))。该配置称为有源NPC (A-NPC)，允许中性抽头的上下通路的特定利用，并且从而，影响传导和开关损耗在半导体器件之间的分布(参见参考文献(9))。当与常规NPC拓扑比较时，A-NPC需要6个额外的有源开关(每分支两个)和6个额外的栅极驱动器。
技术实现思路
本专利技术的目的是引入新颖的3级拓扑作为对典型的2级或3级VSC系统的备选方案，其对于中等开关频率范围值不仅可以实现比现有技术的拓扑更高的效率，而且还能够克服典型的3级系统的损耗分布问题，使得可以实现转换器输出功率和/或系统可靠性的显著提高。该目的和其他目的由根据权利要求1的电压源转换器和根据权利要求18的方法获得。根据本专利技术，具有 中性点钳位(NPC)拓扑(其具有一个或多个相)的电压源转换器(VSC)包括:-中间DC电路，其具有在正极端和负极端之间串联连接的至少第一和第二电容，在这两个电容之间提供中心抽头端；和-至少一个子电路，用于产生交流电压的一个相，每个子电路包括:〇AC端，用于供应脉冲电压；〇常规的中性点钳位转换器形式的电路设置，其具有在所述AC端与所述正极端之间的至少两个开关的第一串联连接、在所述AC端与所述负极端之间的至少两个开关的第二串联连接以及从所述中心抽头端到该两个双开关串联连接的中心的可切换连接；以及〇分配给所述双开关串联连接的附加的第一和第二辅助开关。根据本专利技术的实施例，第一和第二双开关串联连接每个包括串联连接的两个有源开关，从所述中心抽头端到该两个双开关串联连接的中心的可切换连接，其每个包括二极管作为无源开关，并且附加的第一和第二辅助开关分别在所述AC端与所述正极和负极端之间连接。该实施例基于常规的3级NPC。根据本专利技术的另一个实施例，第一和第二所述附加辅助开关具有并联连接的二极管或有源开关。根据本专利技术的另一个实施例，一个或多个有源开关从所述第一和第二双开关串联连接连接到所述中心抽头端。NPC从而变成A-NPC。根据本专利技术的另一个实施例，第一和第二双开关串联连接每个包括串联连接的有源开关和二极管，从所述中心抽头端到该两个双开关串联连接的可切换连接每个包括二极管作为无源开关，并且附加的第一和第二辅助开关分别在所述AC端与所述正极和负极端之间连接。该实施例基于T型NPC。根据本专利技术的另一个实施例，第一和/或第二所述附加辅助开关具有并联连接的二极管或有源开关。根据本专利技术的另一个实施例，一个或多个有源开关从所述第一和第二双开关串联连接连接到所述中心抽头端。根据本专利技术的另外的实施例-中间DC电路具有在正极端和负极端之间串联连接的四个电容，在所述电容之间提供中心抽头端，-用于产生交流电压的一个相的至少一个子电路包括:〇在所述第一串联连接内的在所述AC端与所述正极端之间的至少四个开关；〇在所述第二串联连接内的在所述AC端与所述负极端之间的至少四个开关；〇在所述正极和负极端之间串联连接的四个附加辅助开关，其中AC端连接到该四个附加辅助开关的串联连接的中点；以及-一个或多个二极管连接在所述四个电容的每个串联连接与所述子电路开关的串联连接之间。这是基于与常规的3级NPC相似配置的5级NPC。根据本专利技术的另一个实施例，四个附加辅助开关中的任一个具有并联连接的二极管或有源开关。根据本专利技术的另一个实施例，一个或多个有源开关在所述四个电容的每个串联连接与所述子电路开关的串联连接之间连接。根据本专利技术的另外的实施例-中间DC电路具有在正极端和负极端之间串联连接的六个电容，在所述电容之间提供中心抽头端，-用于产生交流电压的一个相的至少一个子电路包括:〇在所述第一串联连接内的在所述AC端与所述正极端之间的至少六个开关；〇在所述第二串联连接内的在所述AC端与所述负极端之间的至少六个开关；〇在所述正极和负极端之间串联连接的六个附加辅助开关，其中AC端连接到该六个附加辅助开关的串联连接的中点；以及-在所述六个电容的每个串联连接与所述子电路开关的串联连接之间连接的一个或多个二极管。这是基于与常规的3级NPC相似配置的7级NPC。根据本专利技术的另一个实施例，六个附加辅助开关中的任一个具有并联连接的二极管或有源开关。根据本专利技术的另一个实施例，一个或多个有源开关在所述六个电容的每个串联连接与所述子电路开关的串联连接之间连接。根据本专利技术的另一个实施例，所述第一和本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种具有中性点钳位NPC拓扑的电压源转换器(VSC)，所述拓扑具有一个或多个相，所述电压源转换器包括：?中间DC电路，其具有在正极端和负极端之间串联连接的至少第一和第二电容，在该两个电容之间提供中心抽头端，以及?至少一个子电路，用于产生交流电压的一个相，每个子电路包括：○AC端，用于供应脉冲电压；○常规NPC转换器形式的电路设置，其具有在所述AC端与所述正极端之间的至少两个开关的第一串联连接、在所述AC端与所述负极端之间的至少两个开关的第二串联连接以及从所述中心抽头端到该两个双开关串联连接的中心的可切换连接；以及○分配给所述双开关串联连接的附加的第一和第二辅助开关。
【技术特征摘要】
2011.11.04 EP 11187801.31.一种具有中性点钳位NPC拓扑的电压源转换器(VSC)，所述拓扑具有一个或多个相，所述电压源转换器包括: -中间DC电路，其具有在正极端和负极端之间串联连接的至少第一和第二电容，在该两个电容之间提供中心抽头端，以及 -至少一个子电路，用于产生交流电压的一个相，每个子电路包括: OAC端，用于供应脉冲电压； 〇常规NPC转换器形式 的电路设置，其具有在所述AC端与所述正极端之间的至少两个开关的第一串联连接、在所述AC端与所述负极端之间的至少两个开关的第二串联连接以及从所述中心抽头端到该两个双开关串联连接的中心的可切换连接；以及〇分配给所述双开关串联连接的附加的第一和第二辅助开关。2.按权利要求1所述的电压源转换器，其特征在于，所述第一和第二双开关串联连接每个包括串联连接的两个有源开关，从所述中心抽头端到该两个双开关串联连接的中心的所述可切换连接每个包括二极管作为无源开关，并且所述附加的第一和第二辅助开关分别在所述AC端与所述正极和负极端之间连接。3.按权利要求2所述的电压源转换器，其特征在于，所述附加的辅助开关中的第一和/或第二辅助开关具有并联连接的二极管或有源开关。4.按权利要求2所述的电压源转换器，其特征在于，一个或多个有源开关从所述第一和第二双开关串联连接连接到所述中心抽头端。5.按权利要求1所述的电压源转换器，其特征在于，所述第一和第二双开关串联连接每个包括串联连接的有源开关和二极管，从所述中心抽头端到该两个双开关串联连接的中心的所述可切换连接每个包括二极管作为无源开关，并且所述附加的第一和第二辅助开关分别在所述AC端与所述正极和负极端之间连接。6.按权利要求5所述的电压源转换器，其特征在于，所述附加的辅助开关中的第一和/或第二辅助开关具有并联连接的二极管或有源开关。7.按权利要求5所述的电压源转换器，其特征在于，一个或多个有源开关从所述第一和第二双开关串联连接连接到所述中心抽头端。8.按权利要求1所述的电压源转换器，其特征在于 -所述中间DC电路具有在所述正极端和所述负极端之间串联连接的四个电容，在所述电容之间提供中心抽头端 -用于产生交流电压的一个相的所述至少一个子电路包括: 〇在所述第一串联...
【专利技术属性】
技术研发人员：T·B·塞罗，J·W·科拉，P·A·G·兰斯塔德，J·K·J·P·林纳，
申请(专利权)人：阿尔斯通技术有限公司，
类型：发明
国别省市：
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