CN102468778A

CN102468778A - 用于三电平转换器的开关分支及其控制方法

Info

Publication number: CN102468778A
Application number: CN2011103623693A
Authority: CN
Inventors: 泰勒·维塔宁
Original assignee: ABB AB
Current assignee: ABB Technology AG
Priority date: 2010-11-17
Filing date: 2011-11-15
Publication date: 2012-05-23
Anticipated expiration: 2031-11-15
Also published as: US9088225B2; CN102468778B; DK2456059T3; EP2456059B1; US20120120698A1; EP2456059A1

Abstract

本发明提供了用于三电平转换器的开关分支及其控制方法。该开关分支包括：第一半导体开关(S1)和第二半导体开关(S2)；第一二极管(D1)和第二二极管(D2)；第三半导体开关(S3)和第四半导体开关(S4)；第三二极管(D3)；第四二极管(D4)；第五半导体开关(S5)和第六半导体开关(S6)；第五二极管(D5)；第六二极管(D6)；以及用于控制这些半导体开关的装置(10)，其中，第一半导体开关(S1)、第一二极管(D1)、第五半导体开关(S5)、第五二极管(D5)在第一开关分支所特有的半导体模块(11)中，并且第四半导体开关(S4)、第四二极管(D4)、第六半导体开关(S6)和第六二极管(D6)在第二开关分支所特有的半导体模块(12)中。

Description

用于三电平转换器的开关分支及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种用于三电平转换器的开关分支以及用于控制三电平转换器的开关分支的方法。

背景技术

三电平转换器是指具有三个直流极的转换器。除了直流正极和直流负极外，三电平转换器还具有直流中性极。T.Brückner，S.Bernet and H.Güldner，″The Active NPC Converter and Its Loss-Balancing Control″，IEEE transactions on industrial electronics，Vol.52，No.3，June 2005中给出了三电平中性点钳位式转换器的示例。特别地，给出了有源的三电平中性点钳位式转换器的示例。

图1示出了三电平转换器的开关分支的示例。该开关分支包括六个二极管D1至D6和六个可控开关S1至S6。包括一个或多个如图1所示的开关分支的转换器可以作为整流器或逆变器工作。然后，根据所使用的调整方案控制这些开关S1至S6。

在开关分支的整流器操作中，当电流通过交流极AC流进开关分支时，交流极AC可以通过第一二极管D1和第二二极管D2与直流正极Udc+连接，并且可以通过第二二极管D2和第五开关S5或者通过第三开关S3和第六二极管D6与直流中性极NP连接。此外，在开关分支的整流器操作中，当电流通过交流极AC流出开关分支时，直流负极Udc-可以通过第四二极管D4和第三二极管D3与交流极AC连接，并且直流中性极NP可以通过第六开关S6和第三二极管D3或者通过第五二极管D5和第二开关S2与交流极AC连接。

在开关分支的逆变器操作中，当电流通过交流极AC流进开关分支时，交流极AC可以通过第三开关S3和第四开关S4与直流负极Udc-连接，并且通过第三开关S3和第六二极管D6或者通过第二二极管D2和第五开关S5与直流中性极NP连接。此外，在开关分支的逆变器操作中，当电流通过交流极AC流出开关分支时，直流正极Udc+可以通过第一开关S1和第二开关S2与交流极AC连接，并且直流中性极NP可以通过第五二极管D5和第二开关S2或者通过第六开关S6和第三二极管D3与交流极AC连接。

图1中的开关分支可以实施为一个集成功率模块，该集成功率模块包括主电路的二极管和可控开关。然后，冷却优化会呈现问题，例如，因为不同的部件通常对冷却有不同的要求。

该问题的一个解决方案是向不同的部件分配负载以便在这些部件之间分配功耗。因此，直流中性极NP和交流极AC之间的连接在如上所述的可替选连接路径之间交替。

发明内容

本发明的目的是提供一种方法和用于实施该方法的设备，以解决或至少减轻上述问题。本发明的目的通过三电平转换器的开关分支、转换器、方法和计算机程序产品来实现，其中，这些开关分支、转换器、方法和计算机程序产品的特征如独立权利要求中所述。在从属权利要求中描述了本发明的优选实施例。

本发明首先基于如下思想：开关分支的第一半导体开关、第一二极管、第五半导体开关和第五二极管存在于第一开关分支所特有的半导体模块中，并且开关分支的第四半导体开关、第四二极管、第六半导体开关和第六二极管存在于第二开关分支所特有的半导体模块中。本发明还基于如下思想：当转换器作为整流器工作时，控制半导体开关，以使得当电流通过交流极流进开关分支时，使所述电流始终流过第一二极管或第五半导体开关，并且以使得当电流通过交流极流出开关分支时，使所述电流始终流过第四二极管或第六半导体开关。此外或可替选地，当转换器作为逆变器工作时，控制半导体开关，以使得当电流通过交流极流进开关分支时，使所述电流始终流过第六二极管或第四半导体开关，并且以使得当电流通过交流极流出开关分支时，使所述电流流过第五二极管或第一半导体开关。

本发明的解决方案提供了如下优点：与所有部件位于相同外壳中的一个大型集成功率模块相比，可以优化存在于明确分离的模块中的部件实体的冷却。此外，由于以调制频率相互换向的半导体通常在物理上存在于相同的半导体模块内，因此可以最小化换向电流通路的漏感以及由漏感引起的功率突增。因而，也使由这样的功率突增引起的额外损耗和干扰最小化。

附图说明

现在，将参照附图并结合优选实施例详细地说明本发明，在附图中：

图1示出了根据实施例的三电平转换器的开关分支的电路图；

图2示出了根据实施例的三电平转换器的开关分支的电路图；

图3示出了半导体模块结构的示例；

图4示出了根据实施例的三电平转换器的开关分支的电路图；以及

图5示出了根据实施例的三相三电平转换器的主电路的电路图。

具体实施方式

本发明的应用不限于任何特定的系统，而是可应用于各种电力系统。此外，本发明的使用不限于利用特定基频的任何系统或任何特定电压电平。

图2示出了根据实施例的三电平转换器的开关分支的电路图。应当注意，该图仅示出了理解本发明所必需的部件。该开关分支可以是诸如三相转换器的多相转换器的一个开关分支，或者是例如单相转换器的开关分支。这样的转换器可以作为整流器和/或作为逆变器工作。图2的开关分支包括交流极AC、直流正极Udc+、直流负极Udc-和直流中性极NP。此外，该开关分支包括串联连接在开关分支的直流正极Udc+与交流极AC之间的第一半导体开关S1和第二半导体开关S2。第一二极管D1与第一半导体开关S1并联连接，以及第二二极管D2与第二半导体开关S2并联连接。此外，该开关分支包括串联连接在开关分支的直流负极Udc-与交流极AC之间的第三半导体开关S3和第四半导体开关S4。第三二极管D3与第三半导体开关S3并联连接，以及第四二极管D4与第四半导体开关S4并联连接。此外，该开关分支包括第五半导体开关S5和第六半导体开关S6，其中，该第五半导体开关S5连接在第一半导体开关S1和第二半导体开关S2之间的连接点与直流中性极NP之间，该第六半导体开关S6连接在第三半导体开关S3和第四半导体开关S4之间的连接点与直流中性极NP之间。第五二极管D5与第五半导体开关S5并联连接，并且第六二极管D6与第六半导体开关S6并联连接。半导体开关S1至S6可以是IGBT(绝缘栅双极晶体管)或FET(场效应晶体管)或任何相应的半导体开关。图2还示出了控制装置10，其中可以通过该控制装置根据某一种调制方法控制开关S1至S6。然而，本发明并不限于任何特定的调制方法。半导体开关S1至S6的控制可以包括一个或更多个附加控制部件(未示出)。该开关分支配置还可以包括与交流极AC连接的交流滤波器(未示出)，该滤波器可以是例如L型或LCL型。

根据实施例，第一半导体开关S1、第一二极管D1、第五半导体开关S5和第五二极管D5存在于第一开关分支所特有的半导体模块11中，而第四半导体开关S4、第四二极管D4、第六半导体开关S6和第六二极管D6存在于第二开关分支所特有的半导体模块12中。在该上下文中，术语“半导体模块”通常是指如下模块：该模块包括布置在共同基板上且以适当的方式相互电连接的若干个半导体元件。此外，第二半导体开关S2、第二二极管D2、第三半导体开关S3和第三二极管D3可以如图2所示一样存在于第三开关分支所特有的半导体模块13中。

图3示出了半导体模块结构的示例，其中，可以利用该半导体模块结构实现图2中的第一开关分支所特有的半导体模块11、第二开关分支所特有的半导体模块12和第三开关分支所特有的半导体模块13。图3的逆变器分支模块包括串联连接的两个半导体开关，每个半导体开关都按图中所示的方式与二极管并联连接。借助于图3描述的半导体模块结构或相应的结构，图2的开关分支结构易于实现。

根据实施例，第二半导体开关S2和第二二极管D2存在于第一开关分支所特有的半导体模块中，而第三半导体开关S3和第三二极管D3存在于第二开关分支所特有的半导体模块中。图4中示出了该实施例，图4示出了根据实施例的三电平转换器的开关分支的电路图。图4的开关分支与图2的开关分支相对应，除了第二半导体开关S2和第二二极管D2存在于第一开关分支所特有的半导体模块110中、以及第三半导体开关S3和第三二极管D3存在于第二开关分支所特有的半导体模块120中。

如上所述，包括一个或多个上述开关分支的转换器可以作为整流器和/或逆变器工作。对于整流器工作模式和逆变器工作模式，下表示出了电流极性和根据所使用的调制方案可交替地连接到交流极AC的相应直流极：

工作模式	整流器	逆变器	整流器	逆变器
					电流极性	+	+	-	-
交流换向	Udc-/NP	Udc+/NP	Udc+/NP	Udc-/NP

该表中的正(+)电流极性是指电流i通过交流极AC从开关分支流出的情况，如图2和图4的箭头所示。而负(-)电流极性是指电流流向相反方向(即，通过交流极AC流进开关分支)的情况。

根据实施例，当包括一个或多个上述开关分支的转换器作为整流器工作时，控制开关分支的半导体开关S1至S6，以使得当电流通过交流极AC流进开关分支时，使所述电流始终流过第一二极管D1或第五半导体开关S5，并且以使得当电流通过交流极AC流出开关分支时，使所述电流始终流过第四二极管D4或第六半导体开关S6。可替选地，或者此外，当包括一个或多个上述开关分支的转换器作为逆变器工作时，控制开关分支的半导体开关S1至S6，以使得当电流通过交流极AC流进开关分支时，使所述电流始终流过第六二极管D6或第四半导体开关S4，并且以使得当电流通过交流极AC流出开关分支时，使所述电流始终流过第五二极管D5或第一半导体开关S1。由于上述控制，当流过交流极AC的电流具有某一极性时，换向半导体始终位于相同的半导体模块内。例如，当转换器作为整流器工作时，第一半导体模块11、110的第一二极管D1和第五半导体开关S5在电流通过交流极AC流进开关分支时相互换向，并且第二半导体模块12、120的第四二极管D4和第六半导体开关S6在电流通过交流极AC流出开关分支时相互换向。以相似的方式，当转换器作为逆变器工作时，第一半导体模块11、110的第六二极管D6和第四半导体开关S4在电流通过交流极AC流进开关分支时相互换向，并且第二半导体模块12、120的第五二极管D5和第一半导体开关S1在电流通过交流极AC流出开关分支时相互换向。

此外，除了整流器工作模式和逆变器工作模式外，对于工作模式在整流器工作模式与逆变器工作模式之间变化的情况，可以存在中间过渡工作模式。于是，在过渡工作模式期间，换向至直流中性极NP以及从直流中性极NP换向可以是上述整流器工作模式与逆变器工作模式的混合。与整流器工作模式时期和逆变器工作模式时期相比，这样的过渡工作模式时期通常占据更短的时间。过渡工作模式典型地通过直流中性极NP换向而出现，这意味着，典型地，通过将整流器模式的直流中性极NP电流通路改变成逆变器模式的直流中性极NP电流通路，建立在整流器工作模式与逆变器工作模式之间的过渡模式，以及通过将逆变器模式的直流中性极NP电流通路改变成整流器模式的直流中性极NP电流通路，建立在逆变器工作模式与整流器工作模式之间的过渡模式。然而，应当注意，如何实现整流器工作模式与逆变器工作模式之间的过渡与本发明的基本思想并不相关。

根据实施例，可以通过将根据上述任意实施例的三个开关分支连接在一起来实现三相三电平转换器。图5示出了根据实施例的转换器的示例性电路图，其中，该转换器包括三个与图2或图4的开关分支对应的开关分支。已通过如下方式将三个开关分支连接在一起：将每个开关分支的直流正极Udc+连接在一起，将每个开关分支的直流负极Udc-连接在一起，并且将每个开关分支的直流中性极NP连接在一起。该图仅示出了理解本发明所必需的部件。为了清楚，图5未示出这些半导体开关的控制装置。图5的转换器既可作为整流器也可作为逆变器。应当注意，在不背离本发明的基本思想的情况下，转换器电路配置可以与图5所示的配置不同。因而，示例性的三相转换器包括分别具有交流极AC1、AC2和AC3的三个开关分支。转换器配置还可以包括与交流极AC1、AC2和AC3连接的交流滤波器(未示出)，该滤波器可以是例如L型或LCL型。每个开关分支均包括如上结合图2和图4所述的一样所连接的第一二极管D11、D12、D13、第二二极管D21、D22、D23、第三二极管D31、D32、D33、第四二极管D41、D42、D43、第五二极管D51、D52、D53以及第六二极管D61、D62、D63。每个开关分支均还包括如上结合图2和图4所述的一样所连接的第一半导体开关S11、S12、S13、第二半导体开关S21、S22、S23、第三半导体开关S31、S32、S33、第四半导体开关S41、S42、S43、第五半导体开关S51、S52、S53以及第六半导体开关S61、S62、S63。半导体开关S11至S63可以是IGBT(绝缘栅双极晶体管)或FET(场效应晶体管)或任何相应的半导体开关。图5中的示例性转换器的直流中间电路可以包括所示出的电容器C1和C2。根据所使用的电路配置，中间电路的结构也可以不同。优选地，以与上述方式相似的方式控制每个开关分支的半导体开关S11至S63。

根据上述的各个实施例的半导体开关的控制可以通过或经由控制装置10来执行，其中该控制装置也可以执行开关的正常调制控制。还可以使用附加或独立的逻辑或者物理单元(未示出)来执行本发明的控制功能。本发明的功能可以使用例如独立逻辑装置来实现，该逻辑装置可以例如独立于开关的正常调制控制。

根据上述实施例中的任何一个或其组合来控制半导体开关的控制装置10和/或独立逻辑装置可以被实现为一个单元或实现为两个以上独立单元，这些独立单元被配置成实施各个实施例的功能。这里，术语“单元”一般是指物理或逻辑实体，诸如物理设备或其一部分或者软件例程。根据任何一个实施例的控制装置10例如可以至少部分地通过设置有适当软件的一个或多个计算机或者相应的数字信号处理(DSP)设备来实现。优选地，这样的计算机或数字信号处理设备至少包括提供用于算术运算的存储空间的工作存储器(RAM)和诸如通用数字信号处理器的中央处理单元(CPU)。该CPU可包括一组寄存器、算术逻辑单元和CPU控制单元。利用从RAM传送到CPU的程序指令序列来控制CPU控制单元。CPU控制单元可包括用于基本操作的大量微指令。微指令的实施可以根据CPU设计而变化。可利用程序语言对程序指令进行编码，该程序语言可以是诸如C、Java等高级程序语言，或者是诸如机器语言或汇编语言的低级程序语言。计算机还可具有为写有程序指令的计算机程序提供系统服务的操作系统。实施本发明的计算机或其它设备、或者其一部分还可包括适当的用于接收例如测试和/或控制数据的输入装置和用于输出例如控制数据的输出装置。还可以使用一个或多个特定的集成电路、或者分立的电气部件和器件来实现根据任一实施例的功能。

本发明可以在现有的系统元件中实现或者通过以集中或分布的方式使用独立的专用元件或器件来实现。当前转换器的开关分支或转换器可以包括例如可以用于根据本发明实施例的功能中的处理器和存储器。因此，例如在现有的转换器开关分支或转换器中实施本发明的实施例所要求的全部修改和配置均可实现为作为添加或更新的软件例程实施的软件例程。如果本发明的至少部分功能通过软件来实施，则可以提供这样的软件作为包括计算机程序代码的计算机程序产品，其中，该计算机程序代码当在计算机上运行时，使计算机或相应的装置执行如上所述根据本发明的功能。这样的计算机程序代码可存储或通常包含在计算机可读介质中，诸如例如闪存或光存储器的适当存储器，其中，计算机程序代码被从存储器加载到执行程序代码的一个或多个单元。此外，实现本发明的这样的计算机程序代码例如可以经由例如适当的数据网络被加载到执行计算机程序代码的一个或多个单元，并且该计算机程序代码可替换或更新现有的程序代码。

对于本领域的普通技术人员而言显而易见的是，随着技术进步，可以各种方式来实现本发明的基本思想。因此，本发明及其实施例并不限于上述示例，而是可以在所附权利要求的保护范围内变化。

Claims

1.一种用于三电平转换器的开关分支，所述开关分支包括：

第一半导体开关(S1；S11，S12，S13)和第二半导体开关(S2；S21，S22，S23)，所述第一半导体开关和第二所述半导体开关串联连接在所述开关分支的直流正极(Udc+)与交流极(AC；AC1，AC2，AC3)之间；

与所述第一半导体开关并联连接的第一二极管(D1；D11，D12，D13)、以及与所述第二半导体开关并联连接的第二二极管(D2；D21，D22，D23)；

第三半导体开关(S3；S31，S32，S33)和第四半导体开关(S4；S41，S42，S43)，所述第三半导体开关和所述第四半导体开关串联连接在所述开关分支的直流负极(Udc-)与交流极(AC；AC1，AC2，AC3)之间；

与所述第三半导体开关并联连接的第三二极管(D3；D31，D32，D33)、以及与所述第四半导体开关并联连接的第四二极管(D4；D41，D42，D43)；

第五半导体开关(S5；S51，S52，S53)，连接在所述第一半导体开关和所述第二半导体开关之间的连接点与直流中性极(NP)之间；

第六半导体开关(S6；S61，S62，S63)，连接在所述第三半导体开关和所述第四半导体开关之间的连接点与所述直流中性极(NP)之间；

与所述第五半导体开关并联连接的第五二极管(D5；D51，D52，D53)、以及与所述第六半导体开关并联连接的第六二极管(D6；D61，D62，D63)；以及

用于控制所述半导体开关的装置(10)，其特征在于，

所述第一半导体开关(S1；S11，S12，S13)、所述第一二极管(D1；D11，D12，D13)、所述第五半导体开关(S5；S51，S52，S53)和所述第五二极管(D5；D51，D52，D53)存在于第一开关分支所特有的半导体模块(11；110)中；

所述第四半导体开关(S4；S41，S42，S43)、所述第四二极管(D4；D41，D42，D43)、所述第六导体开关(S6；S61，S62，S63)和所述第六二极管(D6；D61，D62，D63)存在于第二开关分支所特有的半导体模块(12；120)中；以及

所述用于控制所述半导体开关的装置(10)被配置成：

当所述转换器作为整流器工作时，控制所述半导体开关，以使得当电流通过所述交流极(AC)流进所述开关分支时，使所述电流始终流过所述第一二极管(D1；D11，D12，D13)或所述第五半导体开关(S5；S51，S52，S53)，并且以使得当电流通过所述交流极(AC)流出所述开关分支时，使所述电流流过所述第四二极管(D4；D41，D42，D43)或所述第六半导体开关(S6；S61，S62，S63)；以及/或者

当所述转换器作为逆变器工作时，控制所述半导体开关，以使得当电流通过所述交流极(AC)流进所述开关分支时，使所述电流始终流过所述第六二极管(D6；D61，D62，D63)或所述第四半导体开关(S4；S41，S42，S43)，并且以使得当电流通过所述交流极流出所述开关分支时，使所述电流始终导流过所述第五二极管(D5；D51，D52，D53)或所述第一半导体开关(S1；S11，S12，S13)。

2.根据权利要求1所述的用于三电平转换器的开关分支，其特征在于，所述第二半导体开关(S2；S21，S22，S23)、所述第二二极管(D2；D21，D22，D23)、所述第三导体开关(S3；S31，S32，S33)和所述第三二极管(D3；D31，D32，D33)存在于第三开关分支所特有的半导体模块(13)中。

3.根据权利要求1所述的用于三电平转换器的开关分支，其特征在于，

所述第二半导体开关(S2；S21，S22，S23)和所述第二二极管(D2；D21，D22，D23)存在于所述第一开关分支所特有的半导体模块(110)中；以及

所述第三半导体开关(S3；S31，S32，S33)和所述第三二极管(D3；D31，D32，D33)存在于所述第二开关分支所特有的半导体模块(120)中。

4.一种三相三电平转换器，其包括三个根据权利要求1至3中任一项所述的开关分支。

5.根据权利要求4所述的转换器，其特征在于，每个开关分支的直流正极(Udc+)连接在一起，每个开关分支的直流负极(Udc-)连接在一起以及每个开关分支的直流中性极(NP)连接在一起。

6.一种用于控制三电平转换器的开关分支的方法，所述开关分支包括：

第一半导体开关(S1；S11，S12，S13)和第二半导体开关(S2；S21，S22，S23)，所述第一半导体开关和所述第二半导体开关串联连接在所述开关分支的直流正极(Udc+)与交流极(AC；AC1，AC2，AC3)之间；

第三半导体开关(S3；S31，S32，S33)和第四半导体开关(S4；S41，S42，S43)，所述第三半导体开关和第四半导体开关串联连接在所述开关分支的直流负极(Udc-)与交流极(AC；AC1，AC2，AC3)之间；

与所述第五半导体开关并联连接的第五二极管(D5；D51，D52，D53)、以及与所述第六半导体开关并联连接的第六二极管(D6；D61，D62，D63)，所述开关分支的特征在于，

所述第四半导体开关(S4；S41，S42，S43)、所述第四二极管(D4；D41，D42，D43)、所述第六导体开关(S6；S61，S62，S63)和所述第六二极管(D6；D61，D62，D63)存在于第二开关分支所特有的半导体模块(12；120)中；以及所述方法的特征在于，所述方法包括：

当所述转换器作为整流器工作时，控制所述半导体开关，以使得当电流通过所述交流极(AC)流进所述开关分支时，使所述电流始终流过所述第一二极管(D1；D11，D12，D13)或所述第五半导体开关(S5；S51，S52，S53)，并且以使得当电流通过所述交流极(AC)流出所述开关分支时，使所述电流始终流过所述第四二极管(D4；D41，D42，D43)或所述第六半导体开关(S6；S61，S62，S63)；以及/或者

当所述转换器作为逆变器工作时，控制所述半导体开关，以使得当电流通过所述交流极(AC)流进所述开关分支时，使所述电流始终流过所述第六二极管(D6；D61，D62，D63)或所述第四半导体开关(S4；S41，S42，S43)，并且以使得当电流通过所述交流极流出所述开关分支时，使所述电流始终流过所述第五二极管(D5；D51，D52，D53)或所述第一半导体开关(S1；S11，S12，S13)。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述第二半导体开关(S2；S21，S22，S23)、所述第二二极管(D2；D21，D22，D23)、所述第三导体开关(S3；S31，S32，S33)和所述第三二极管(D3；D31，D32，D33)存在于第三开关分支所特有的半导体模块(13)中。

8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，

9.一种计算机程序产品，包括计算机程序代码，其中，在计算机上执行所述程序代码使得所述计算机执行根据权利要求6至8中任一项所述的方法的步骤。