高壓高功率多電平驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)的制作方法
【專利摘要】高壓、高功率多電平驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)包括堆疊在一起的多個(gè)中性點(diǎn)先導(dǎo)NPP變換器單元。至少一個(gè)箝位二極管連接到一個(gè)或多個(gè)NPP變換器單元以提供中性點(diǎn)先導(dǎo)箝位NPPC變換器結(jié)構(gòu)。連接到NPPC變換器結(jié)構(gòu)的飛跨電容器產(chǎn)生中性點(diǎn)箝位飛跨電容器變換器單元結(jié)構(gòu)。
【專利說明】局壓局功率多電平驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本申請(qǐng)的主題一般涉及帶許多輸入和輸出相位的高壓高功率多電平驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)，更具體地，涉及組合了傳統(tǒng)的多電平中性點(diǎn)箝位(NPC)和多電平中性點(diǎn)先導(dǎo)(neutral-point-piloted, NPP)變換器拓?fù)涞募軜?gòu)的多電平驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)。

【背景技術(shù)】
[0002]已經(jīng)提出大量的多電平驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)。一種已知的多電平驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)是諸如圖1中所示的傳統(tǒng)三電平中性點(diǎn)箝位變換器10。另一種已知的多電平驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)是諸如圖2中所示的三電平中性點(diǎn)先導(dǎo)變換器20。盡管已經(jīng)證明已知的NPC和NPP變換器結(jié)構(gòu)在許多應(yīng)用中是有優(yōu)勢(shì)的，但這些已知的變換器結(jié)構(gòu)在操作效率和波形質(zhì)量兩方面有改進(jìn)的空間。
[0003]還有另一種已知的多電平驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)30在圖3中示出。盡管圖3中所示的多電平變換器30的結(jié)構(gòu)相比NPC和NPP變換器結(jié)構(gòu)有改進(jìn)，但在操作效率以及可靠性方面仍然有改進(jìn)的空間。
[0004]還有另一種已知的多電平驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)在圖4中描繪出，圖4圖示了五電平中性點(diǎn)先導(dǎo)(neutral-point-piloted)變換器結(jié)構(gòu)40。圖4中所示的變換器結(jié)構(gòu)40使用飛跨電容器42、44提供基于飛跨電容器(FC)的多電平變換器。已經(jīng)證明這種變換器拓?fù)湓谀承└邏?、高功率?qū)動(dòng)應(yīng)用中是有優(yōu)勢(shì)的，但在操作效率上仍有改進(jìn)的空間。
[0005]圖5-8圖示本領(lǐng)域已知的另外的傳統(tǒng)變換器拓?fù)?，包括?jí)聯(lián)橋變換器結(jié)構(gòu)50、模塊化多電平變換器結(jié)構(gòu)60、有源中性點(diǎn)變換器結(jié)構(gòu)70和混合變換器結(jié)構(gòu)80。與已知的NPC和NPP變換器結(jié)構(gòu)相似，這些傳統(tǒng)的變換器結(jié)構(gòu)在操作效率和/或波形質(zhì)量和/或可靠性上仍有改進(jìn)的空間。
[0006]鑒于前面描述，需要提供這樣一種高壓高功率多電平驅(qū)動(dòng)器拓?fù)洌鐾負(fù)涮峁┰诓僮餍屎?或波形質(zhì)量和/或可靠性方面超過已知的多電平變換器結(jié)構(gòu)所能提供的進(jìn)一步改進(jìn)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本申請(qǐng)的示例性實(shí)施例涉及高壓、高功率(HVHP)多電平驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)。示例性HVHP實(shí)施例包括堆疊在一起的多個(gè)中性點(diǎn)先導(dǎo)變換器單元，并配置有箝位二極管以實(shí)現(xiàn)零輸出電壓電平。
[0008]另一實(shí)施例涉及高壓、高功率(HVHP)多電平驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)，包括堆疊在一起的多個(gè)中性點(diǎn)先導(dǎo)(NPP)變換器單元和連接到每個(gè)NPP變換器單元的至少一個(gè)箝位二極管，以提供中性點(diǎn)先導(dǎo)箝位(NPPC)變換器結(jié)構(gòu)。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0009]通過結(jié)合附圖在下文進(jìn)行的詳細(xì)描述，本發(fā)明的前述和其它特征、方面和優(yōu)點(diǎn)是顯然的，在附圖中相同的字符代表相同的部件，圖中:
[0010]圖1是圖示本領(lǐng)域已知的3-電平NPC變換器結(jié)構(gòu)的簡化圖；
[0011]圖2是圖示本領(lǐng)域已知的另一 3-電平NPC變換器結(jié)構(gòu)的簡化圖；
[0012]圖3圖示本領(lǐng)域已知的高壓、高功率多電平變換器結(jié)構(gòu)；
[0013]圖4圖示本領(lǐng)域已知的另一高壓、高功率多電平變換器結(jié)構(gòu)；
[0014]圖5是圖示本領(lǐng)域已知的級(jí)聯(lián)橋變換器結(jié)構(gòu)的簡化圖；
[0015]圖6圖示本領(lǐng)域已知的模塊化多電平變換器結(jié)構(gòu)；
[0016]圖7圖示本領(lǐng)域已知的有源中性點(diǎn)變換器結(jié)構(gòu)；
[0017]圖8圖示本領(lǐng)域已知的混合變換器結(jié)構(gòu)；
[0018]圖9圖示根據(jù)一個(gè)實(shí)施例五電平中性點(diǎn)先導(dǎo)箝位變換器結(jié)構(gòu)；
[0019]圖10圖示根據(jù)一個(gè)實(shí)施例七電平中性點(diǎn)箝位飛跨電容器(NPCFC)變換器結(jié)構(gòu)；以及
[0020]圖11圖示根據(jù)一個(gè)實(shí)施例η-電平NPCFC變換器結(jié)構(gòu)。
[0021]盡管上文指出的附圖闡述了替代性實(shí)施例，但如在討論中指出的本發(fā)明的其它實(shí)施例也被考慮。在所有情況下，本申請(qǐng)通過代表而不是限制給出本發(fā)明的圖示的實(shí)施例。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以設(shè)計(jì)落入本發(fā)明的原理的范圍和精神內(nèi)的各種其它的變形和實(shí)施例。
具體實(shí)現(xiàn)方式
[0022]圖9圖解說明根據(jù)一個(gè)實(shí)施例五電平中性點(diǎn)先導(dǎo)箝位(NPPC)變換器結(jié)構(gòu)9CLNPPC變換器90對(duì)多相變頻驅(qū)動(dòng)應(yīng)用及其它是特別有用的。NPPC變換器90可以被看成是組合了諸如圖1和2中描繪的那些傳統(tǒng)的三電平中性點(diǎn)箝位(NPC)和三電平中性點(diǎn)先導(dǎo)(NPP)多電平變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的架構(gòu)。本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)與傳統(tǒng)的NPC和NPP變換器相比，NPPC變換器90降低了半導(dǎo)體開關(guān)損耗幾乎40%，并具有基本上更好的電波形質(zhì)量。
[0023]根據(jù)一個(gè)方面，通過堆疊兩個(gè)中壓NPP變換器單元92、94，NPPC變換器90有利地提供一種高電壓輸出/功率。NPP變換器單元92、94分別用一個(gè)或多個(gè)相應(yīng)的二極管96、98箝位，以通過將中間節(jié)點(diǎn)95連接到輸出節(jié)點(diǎn)93從而實(shí)現(xiàn)零輸出電壓電平。輸出電壓電平+1和-1是通過使用中間橋臂97、99實(shí)現(xiàn)的。只有兩個(gè)裝置被有利地切換，以實(shí)現(xiàn)范圍為I < |V0| <2的輸出電壓，產(chǎn)生低的開關(guān)損耗。
[0024]高壓NPPC變換器結(jié)構(gòu)90使用中壓NPP單元92、94，與傳統(tǒng)的高壓NPP單元結(jié)構(gòu)相t匕，在每個(gè)臂97、99中產(chǎn)生更少數(shù)目的半導(dǎo)體裝置。進(jìn)一步地，高壓NPPC變換器90有利地實(shí)現(xiàn)+1和-1伏的輸出電壓電平，這用傳統(tǒng)的NPP結(jié)構(gòu)是不可能實(shí)現(xiàn)的。傳統(tǒng)的高壓NPP變換器單元需要四個(gè)裝置來進(jìn)行切換以實(shí)現(xiàn)范圍為I < |V0| <2的輸出電壓，導(dǎo)致高的開關(guān)損耗，這是不期望的。高壓NPPC變換器90有利地僅僅只需要兩個(gè)裝置進(jìn)行切換來實(shí)現(xiàn)如本文中指出的范圍為I < |V0| < 2的輸出電壓。
[0025]盡管圖3中圖解說明的多電平變換器單元結(jié)構(gòu)30看起來類似于高壓NPPC變換器結(jié)構(gòu)90，但在兩個(gè)結(jié)構(gòu)30、90之間有顯著的不同。當(dāng)晶體管Q2、Q5或Q3、Q6接通，Ql、Q4和SWl、SW2關(guān)斷時(shí)，零電壓輸出到多電平變換器30的AC輸出端32，產(chǎn)生通過兩個(gè)半導(dǎo)體開關(guān)Q2、Q5或Q3、Q6的電流。與此相區(qū)別，NPPC變換器單元結(jié)構(gòu)90在不切換相應(yīng)的半導(dǎo)體開關(guān)時(shí)實(shí)現(xiàn)零輸出電壓，原因是SW197的關(guān)斷足夠了。實(shí)際上，箝位二極管96、98自動(dòng)地導(dǎo)通，在輸出端93產(chǎn)生零輸出電壓。NPPC變換器單元結(jié)構(gòu)90因此相比用多電平變換器30的實(shí)現(xiàn)，產(chǎn)生降低的損耗和提高的可靠性。
[0026]圖10圖解說明根據(jù)一個(gè)實(shí)施例七電平中性點(diǎn)箝位飛跨電容器(NPCFC)變換器結(jié)構(gòu)100。變換器結(jié)構(gòu)100組合了圖9中所示的NPPC拓?fù)浜突陲w跨電容器(FC)的多電平變換器拓?fù)?，以提供七電平NPCFC變換器100。NPCFC變換器單元100有利地使用與諸如圖4中所示的五電平NPP變換器單元相同數(shù)目的飛跨電容器在輸出相電壓波形中產(chǎn)生七電平，導(dǎo)致更高的波形質(zhì)量、降低的濾波需求和更高的效率。
[0027]圖11圖解說明根據(jù)一個(gè)實(shí)施例η-電平NPCFC變換器單元結(jié)構(gòu)110?？梢哉J(rèn)識(shí)到如圖9中所示的五電平NPPC變換器90是η-電平NPCFC變換器單元結(jié)構(gòu)110沒有任何飛跨電容器時(shí)的特殊情況。
[0028]在
【發(fā)明內(nèi)容】
的解釋中，本文描述了用于多相變頻驅(qū)動(dòng)，dc/ac、ac/ac、ac/dc或ac/dc/ac功率變換應(yīng)用的高壓高功率(HVHP)多電平驅(qū)動(dòng)器拓?fù)?。HVHP多電平驅(qū)動(dòng)器拓?fù)浣M合了傳統(tǒng)的中性點(diǎn)箝位和中性點(diǎn)先導(dǎo)多電平變換器拓?fù)涞募軜?gòu)，提供提高的操作效率和/或更高的波形質(zhì)量和/或提高的可靠性。HVHP多電平驅(qū)動(dòng)器拓?fù)淇梢赃M(jìn)一步與飛跨電容器型多電平變換器拓?fù)浣M合，以提供新的η-電平中性點(diǎn)箝位飛跨電容器(NPCFC)變換器拓?fù)洌湎啾纫阎亩嚯娖阶儞Q器單元拓?fù)渚哂懈郊拥膬?yōu)點(diǎn)。
[0029]盡管在本文中只圖解說明和描述了本發(fā)明的某些特征，但許多變形和變化是本領(lǐng)域技術(shù)人員容易想到的。因此，要理解所附權(quán)利要求旨在覆蓋落入本發(fā)明的真實(shí)精神內(nèi)中的所有這種變形和變化。
【權(quán)利要求】
1.一種具有多個(gè)輸入和輸出相位的高壓、高功率HVHP多電平驅(qū)動(dòng)器，包括: 堆疊在一起的多個(gè)多電平中性點(diǎn)先導(dǎo)NPP變換器單元；以及 多個(gè)箝位二極管，其中，每個(gè)多電平NPP變換器單元通過至少一個(gè)相應(yīng)的箝位二極管連接到共同的中性點(diǎn)，以提供多電平中性點(diǎn)先導(dǎo)箝位NPPC變換器。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的HVHP多電平驅(qū)動(dòng)器，其中所述多個(gè)多電平NPP變換器單元包括中壓多電平NPP變換器單元。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的HVHP多電平驅(qū)動(dòng)器，其中每個(gè)多電平NPP變換器單元包括三電平NPP變換器單元。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的HVHP多電平驅(qū)動(dòng)器，其中所述HVHP多電平驅(qū)動(dòng)器包括五電平NPPC變換器。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的HVHP多電平驅(qū)動(dòng)器，其中所述五電平NPPC變換器包括每個(gè)單元含有-2V、-1V,OV, +IV和+2V的輸出電壓電平。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的HVHP多電平驅(qū)動(dòng)器，其中所述多電平NPPC變換器包括每個(gè)單元含有-2V、-1V,0V, +IV和+2V的輸出電壓電平。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的HVHP多電平驅(qū)動(dòng)器，其中所述HVHP多電平驅(qū)動(dòng)器進(jìn)一步包括多個(gè)飛跨電容器，其中，每個(gè)多電平NPPC變換器包括從所述多個(gè)飛跨電容器中選擇的至少一個(gè)飛跨電容器，并且其中，所述多個(gè)飛跨電容器、所述多個(gè)多電平NPPC變換器和所述多個(gè)箝位二極管共同提供中性點(diǎn)箝位飛跨電容器NPCFC變換器單元結(jié)構(gòu)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的HVHP多電平驅(qū)動(dòng)器，其中所述NPCFC變換器單元包括七電平輸出單元。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的HVHP多電平驅(qū)動(dòng)器，其中所述NPCFC變換器單元包括N電平輸出單元，其中，N是輸出電壓電平的數(shù)目。
10.一種高壓、高功率HVHP多電平驅(qū)動(dòng)器，包括: 堆疊在一起的多個(gè)多電平中性點(diǎn)先導(dǎo)NPP變換器單元；以及 多個(gè)箝位二極管，其中，每個(gè)多電平NPP變換器單元通過從所述多個(gè)箝位二極管中選擇的至少一個(gè)相應(yīng)的箝位二極管連接到共同的中性點(diǎn)，以為所述HVHP多電平驅(qū)動(dòng)器提供零輸出電壓電平節(jié)點(diǎn)。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的HVHP多電平驅(qū)動(dòng)器，其中所述多個(gè)多電平NPP變換器單元包括中壓多電平NPP變換器單元。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的HVHP多電平驅(qū)動(dòng)器，其中每個(gè)多電平NPP變換器單元包括三電平NPP變換器單元。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的HVHP多電平驅(qū)動(dòng)器，其中所述HVHP多電平驅(qū)動(dòng)器包括五電平NPPC變換器。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的HVHP多電平驅(qū)動(dòng)器，其中所述五電平NPPC變換器包括每個(gè)單元含有-2V、-1V,0V, +IV和+2V的輸出電壓電平。
15.根據(jù)權(quán)利要求10所述的HVHP多電平驅(qū)動(dòng)器，其中所述多電平NPPC變換器包括每個(gè)單元含有-2V、-1V,0V, +IV和+2V的輸出電壓電平。
16.根據(jù)權(quán)利要求10所述的HVHP多電平驅(qū)動(dòng)器，其中所述HVHP多電平驅(qū)動(dòng)器進(jìn)一步包括多個(gè)飛跨電容器，其中，每個(gè)多電平NPPC變換器包括從所述多個(gè)飛跨電容器中選擇的至少一個(gè)飛跨電容器，并且其中，所述多個(gè)飛跨電容器、所述多個(gè)多電平NPPC變換器和所述多個(gè)箝位二極管共同提供中性點(diǎn)箝位飛跨電容器NPCFC變換器單元結(jié)構(gòu)。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的HVHP多電平驅(qū)動(dòng)器，其中所述NPCFC變換器單元包括七電平輸出單元。
18.根據(jù)權(quán)利要求16所述的HVHP多電平驅(qū)動(dòng)器，其中所述NPCFC變換器單元包括N電平輸出單元，其中，N是一個(gè)輸出相位中輸出電壓電平的數(shù)目。
【文檔編號(hào)】H02M7/487GK104335473SQ201380027051
【公開日】2015年2月4日 申請(qǐng)日期:2013年5月22日 優(yōu)先權(quán)日:2012年5月25日
【發(fā)明者】R.K.古普塔, 張迪, R.達(dá)塔 申請(qǐng)人:通用電氣公司