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CN112534585A - 可扩展的多电平电力转换器 - Google Patents

可扩展的多电平电力转换器 Download PDF

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CN112534585A
CN112534585A CN201980037300.8A CN201980037300A CN112534585A CN 112534585 A CN112534585 A CN 112534585A CN 201980037300 A CN201980037300 A CN 201980037300A CN 112534585 A CN112534585 A CN 112534585A
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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
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University of Windsor
Original Assignee
MAGNA INTERNATIONAL Inc
University of Windsor
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Abstract

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。

Description

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“Scalable Multi-LevelPower Converter”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。
技术领域
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。
背景技术
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。
发明内容
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800V DC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发明构思、特征、优点和目的进行足够清楚的描述，以使得本领域技术人员能够理解和实践本公开内容。具体地，提供示例实施方式使得本公开内容将是全面的，并且将范围充分地传达给本领域技术人员。阐述了许多具体细节例如具体部件、装置和方法的示例，以提供对本公开内容的实施方式的全面理解。对于本领域的技术人员将明显的是，不需要采用具体细节，可以以许多不同的形式来实施示例实施方式，并且具体细节和示例实施方式都不应当被解释为限制本公开内容的范围。在一些示例实施方式中，并未详细描述公知的过程、公知的装置结构和公知的技术。
图1示出了具有常规两电平逆变器的电机驱动器10。电机驱动器10包括作为直流(DC)源的电池20，以用于在包括高侧导体22a和低侧导体22b的DC链路母线22上供应DC电力，其中高侧导体22a具有比低侧导体22b高的电压电位。一组两个平滑电容器24跨DC链路母线22连接在高侧导体22a与低侧导体22b之间以维持跨DC链路母线22的DC电压。第一电机驱动器10还包括具有三个相驱动器28a、28b、28c的第一逆变器26，其中，相驱动器28a、28b、28c各自分别被配置成切换来自DC链路母线22的电流以在对应的输出端子29a、29b、29c上供应AC电力。输出端子29a、29b、29c与将交流(AC)电力作为三相AC电力输送至电动机32的三个输出端子30中对应的输出端子连接。
第一电机驱动器10的第一逆变器26内的相驱动器28中的每个相驱动器包括高侧固态开关Sh，高侧固态开关Sh被配置成在输出端子29a、29b、29c中对应的输出端子与DC链路母线22的高侧导体22a之间选择性地传导电流。相驱动器28中的每个相驱动器还包括低侧固态开关Sl，低侧固态开关Sl被配置成在输出端子29a、29b、29c中对应的输出端子与DC链路母线22的低侧导体22b之间选择性地传导电流。每个固态开关Sh、Sl均包括开关晶体管34和体二极管36。图2示出了常规的两电平逆变器例如图1中示出的电机驱动器10的输出电压和输出电流。
虽然电机驱动器可以利用如以上所讨论的两电平逆变器，但是一些应用还利用三电平转换器。如在美国专利第8,228,695号中公开并在图3中再现的，提供了中性点钳位(NPC)三电平转换器40的一个支路的电路图，其利用耦接至DC链路41的绝缘栅双极型晶体管(IGBT)模块来提供输入电压V1和V2。转换器40包括用于NPC三电平转换器40的每个分支的三个双IGBT模块42、44、46。如果转换器40是三相转换器，则使用九个双IGBT模块。双IGBT模块42、44、46各自分别包括两个IGBT(用于顶部IGBT模块的IGBT 48、IGBT 50，用于中间IGBT模块的IGBT 52、IGBT 54，以及用于底部IGBT模块的IGBT 56、IGBT 58)。每个IGBT模块的两个IGBT串联连接，并提供第一中点49、第二中点53和第三点57。IGBT模块包括跨中点连接的反并联二极管(示出为60、62、64、66、68、70)。
考虑到这些常规或已知的多电平电力转换器设计，本公开内容的目的是提供基于高性能氮化镓(GaN)/碳化硅(SiC)的电力转换器，该电力转换器在转换器的热设计性能方面具有优势。与现有技术中使用的器件相比，基于GaN或SiC的器件可以提供更低的转换器损耗，使得可以以简化的冷却方式实现，而无需繁琐且昂贵的液冷转换器系统。
首先参照图4A至图7B，示出了用于将直流电力转换成交流电力的多电平电力转换器80、280、380、480、580、680的示例实施方式，其中重复的特征用相同的附图标记来标记。多电平电力转换器80、280、380、480、580、680也可以被称为多电平(multilevel)或多电平(multi-level)逆变器。
本文所描述的多电平电力转换器80、280、380、480、580、680包括两个或更多个2电平转换器82、84。图4A中示出了这样的2电平转换器82的示例实施方式。每个2电平转换器82包括正直流输入线86和负直流输入线88以及多个固态转换器开关90、100、108、118、126、136。具体地，多个固态转换器开关分别被配置成将正直流输入线86和负直流输入线88切换至三相输出98、116、134。多个固态转换器开关90、100、108、118、126、136包括六个氮化镓(GaN)晶体管90、100、108、118、126、136。
如所示出的，每个2电平转换器82包括第一相高氮化镓晶体管90，第一相高氮化镓晶体管90包括连接至正直流输入线86的第一相高漏极92、第一相高栅极94以及连接至第一相输出线98的第一相高源极96。每个2电平转换器82还包括第一相低氮化镓晶体管100，第一相低氮化镓晶体管100包括连接至第一相高源极96和第一相输出线98的第一相低漏极102、第一相低栅极104以及连接至负直流输入线88的第一相低源极106。
2电平转换器82另外包括第二相高氮化镓晶体管108，第二相高氮化镓晶体管108包括连接至正直流输入线84的第二相高漏极110、第二相高栅极112以及连接至第二相输出线116的第二相高源极114。另外，2电平转换器82包括第二相低氮化镓晶体管118，第二相低氮化镓晶体管118包括连接至第二相高源极114和第二相输出线116的第二相低漏极120、第二相低栅极122以及连接至负直流输入线88的第二相低源极124。
2电平转换器82另外包括第三相高氮化镓晶体管126，第三相高氮化镓晶体管126包括连接至正直流输入线84的第三相高漏极128、第三相高栅极130以及连接至第三相输出线134的第三相高源极132。每个2电平转换器82还包括第三相低氮化镓晶体管136，第三相低氮化镓晶体管136包括连接至第三相高源极132和第三相输出线134的第三相低漏极138、第三相低栅极140以及连接至负直流输入线88的第三相低源极142。氮化镓(GaN)晶体管90、100、108、118、126、136中的每个GaN晶体管由控制信号操作，该控制信号可以由控制器提供并且可以是例如在下面更详细地讨论的脉冲宽度调制(PWM)信号。
这样的2电平转换器84的另一示例在图4B中示出。同样，正直流输入线86和负直流输入线88连同多个固态转换器开关144、152、160、168、176、184一起提供。更详细地，多个固态转换器开关144、152、160、168、176、184可以包括六个绝缘栅双极型晶体管(IGBT)144、152、160、168、176、184。因此，每个2电平转换器84包括第一相高绝缘栅双极型晶体管144，第一相高绝缘栅双极型晶体管144包括连接至正直流输入线84的第一相高集电极146、第一相高基极148以及连接至第一相输出线98的第一相高发射极150。2电平转换器84还包括第一相低绝缘栅双极型晶体管152，第一相低绝缘栅双极型晶体管152包括连接至第一相高发射极150和第一相输出线98的第一相低集电极154、第一相低基极156以及连接至负直流输入线88的第一相低发射极158。
另外，2电平转换器84包括第二相高绝缘栅双极型晶体管160，第二相高绝缘栅双极型晶体管160包括连接至正直流输入线86的第二相高集电极162、第二相高基极164以及连接至第二相输出线116的第二相高发射极166。每个2电平转换器84还包括第二相低绝缘栅双极型晶体管168，第二相低绝缘栅双极型晶体管168包括连接至第二相高发射极166和第二相输出线116的第二相低集电极170、第二相低基极172以及连接至负直流输入线88的第二相低发射极174。
2电平转换器84另外包括第三相高绝缘栅双极型晶体管176，第三相高绝缘栅双极型晶体管176包括连接至正直流输入线86的第三相高集电极178、第三相高基极180以及连接至第三相输出线134的第三相高发射极182。2电平转换器84还包括第三相低绝缘栅双极型晶体管184，第三相低绝缘栅双极型晶体管184包括连接至第三相高发射极182和第三相输出线134的第三相低集电极186、第三相低基极188以及连接至负直流输入线88的第三相低发射极190。IGBT 144、152、160、168、176、184中的每个IGBT由控制信号操作，该控制信号可以由控制器提供并且可以是例如脉冲宽度调制(PWM)信号。更具体地，由于在正直流输入线84和负直流输入线86处供应的DC电压保持恒定，所以本文所公开的2电平转换器82、84是电压源逆变器(VSI)。
如图5A和图5B所示，多电平电力转换器80、280的示例性实施方式分别包括以上讨论的多个2电平转换器82、84。更具体地，图5A和图5B中示出的多电平电力转换器80、280包括通过3电平输出级200连接以用作3电平转换器的两个2电平转换器82、82'和两个2电平转换器84、84'。多电平电力转换器80、280包括用于接收直流电力的直流电压的多个转换器输入204、206、208。因为图5A和图5B中示出的多电平电力转换器80、280为3电平转换器，所以多个转换器输入包括3电平正直流输入线204、3电平中间直流输入线206和3电平负直流输入线208。多电平电力转换器80、280分别还包括用于输出交流电力的第一相输出的3电平第一相最终输出线210、用于输出交流电力的第二相输出的3电平第二相最终输出线212以及用于输出交流电力的第三相输出的3电平第三相最终输出线214。因此，多电平电力转换器80、280包括多个固态转换器开关(作为两个2电平转换器82、82'的部件的GaN晶体管90、100、108、118、126、136)或多个固态转换器开关(作为两个2电平转换器84、84'的部件的IGBT 144、152、160、168、176、184)，所述多个固态转换器开关耦接至多个转换器输入204、206、208并且通过3电平输出级200耦接至第一相最终输出线210、第二相最终输出线212和第三相最终输出线214。从而，多电平电力转换器80、280被配置成将多个转换器输入204、206、208切换至第一相最终输出线210、第二相最终输出线212和第三相最终输出线214。
多个2电平转换器82、82'、84、84'包括第一2电平转换器82、84(第一电力转换器)和第二2电平转换器82'、84'(第二电力转换器)。图5A中示出的2电平转换器82、82'使用(如同图4A中的)GaN晶体管，而图5B中示出的2电平转换器84、84'是(如同图4B中的)IGBT。如所讨论的，第一2电平转换器82、84被配置成将3电平正直流输入线204(第一2电平转换器82、84中的第一正直流输入线86)和3电平中间直流输入线206(第一2电平转换器82、84中的第一负直流输入线88)切换至第一第一相输出线216、第一第二相输出线218和第一第三相输出线220。第二2电平转换器82'、84'被配置成将3电平中间直流输入线206(第二2电平转换器82'、84'中的第二正直流输入线86')和3电平负直流输入线208(第二2电平转换器82'、84'中的第二负直流输入线88')切换至第二第一相输出线222、第二第二相输出线224和第二第三相输出线226。
如上所述，3电平转换器或多电平电力转换器80、280还包括3电平输出级200，3电平输出级200包括多个双向固态开关227，多个双向固态开关227被配置成将来自第一2电平电力转换器82、84和第二2电平电力转换器82'、84'之一的输出线216、218、220、222、224、226中的对应输出线切换至3电平第一相最终输出线210、3电平第二相最终输出线212和3电平第三相最终输出线214。
如图4A和图5A所示，基于GaN晶体管的2电平转换器82、82'不包括用于氮化镓(GaN)晶体管90、100、108、118、126、136中的任何一个的反并联二极管225。替代地，这些GaN晶体管具有通过源极至漏极沟道进行反向传导的能力。如图4B和图5B所示，基于IGBT的2电平转换器84、84'各自分别包括跨IGBT 144、152、160、168、176、184中的每一个的开关输出端子并联连接的反并联二极管225。
如图6A所示，提供了用于电动机(例如，图1的电动机32)的包括可扩展3电平转换器380的电机驱动电路300。与以上讨论且在5A和图5B中示出的3电平转换器或多电平电力转换器80、280类似，电机驱动电路300包括用于接收直流电压的多个转换器输入204、208(例如，3电平正直流输入线204和3电平负直流输入线208)。电机驱动电路300包括第一电力转换器82、84，第一电力转换器82、84包括多个固态转换器开关(例如，如图4A和图4B中示出的2电平转换器82、84一样配置)，所述多个固态转换器开关被配置成将耦接至多个转换器输入204、208中的至少之一的多个第一输入线86、88切换至针对电动机32的三个AC相的第一第一相输出线216、第一第二相输出线218和第一第三相输出线220。电机驱动电路300还包括第二电力转换器82'、84'(另一2电平转换器)，第二电力转换器82'、84'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多个转换器输入204、208中的至少之一的多个第二输入线86'、88'切换至针对电动机32的三个AC相的第二第一相输出线222、第二第二相输出线224和第二第三相输出线226。
电机驱动电路300另外包括3电平输出级200。如上所述，3电平输出级200包括以下将详细讨论的多个双向固态开关227，所述多个双向固态开关227被配置成将来自第一电力转换器82、84和第二电力转换器82'、84'之一的输出线216、218、220、222、224、226中的对应输出线切换至第一相最终输出线210、第二相最终输出线212和第三相最终输出线214，以将包括三个AC相的AC电力提供给电动机32。尽管示例电机驱动电路300被配置用于3相操作，但是应当理解，可以构造类似的电机驱动电路用于单相操作。通过使用双向开关227进行适当的切换，电机驱动电路300可以被用于多相开放式绕组电机驱动器。
电机驱动电路300还包括耦接至第一电力转换器82、84和第二电力转换器82'，84'的中性点钳位输入级382。中性点钳位输入级382包括跨3电平正直流输入线204和3电平负直流输入线208串联连接的第一输入电容器384和第二输入电容器386。3电平正直流输入线204和3电平负直流输入线208之间具有DC电压(Vp-Vn)。中点端子388被设置在第一输入电容器384与第二输入电容器386之间并且被加电(energized)至DC电压的一半。可以针对输入级382提供其他配置或布置，例如，具有一个或更多个开关的有源装置，或者具有在中点端子388与3电平正直流输入线204之间连接的一个或更多个第一电池单元以及在中点端子388与3电平负直流输入线208之间连接的一个或更多个第二电池单元的电池。
图6A中示出的2电平转换器82、82'、84、84'包括减少漏电感的母排系统。双向开关227与负载端子或多电平电力转换器380的三相输出线210、212、214之间的连接具有较高漏电感，就多电平电力转换器380的功能而言这不是问题。
如图7A的示例所示，另一电机驱动电路400包括可扩展5电平转换器480。可扩展5电平转换器480由两个3电平转换器380、380'构建，每个3电平转换器被配置成对最终耦接至三相最终输出线484、486、488的三个DC输入线204、204'、206、206'、208、208'进行切换。具体地，可扩展5电平转换器480的多个转换器输入包括5电平正直流输入线402、5电平第一中间直流输入线404、5电平第二中间直流输入线406、5电平的第三中间直流输入线408和5电平负直流输入线410。第一电力转换器380和第二电力转换器380'各自分别是3电平转换器380、380'。3电平转换器380、380'可以各自分别与图6A中示出的3电平转换器380类似，并且各自分别包括耦接至5电平正直流输入线402和5电平第二中间直流输入线406之一的3电平正直流输入线204、204'。3电平转换器380、380'各自的3电平中间直流输入线206、206'分别耦接至5电平第一中间直流输入线404和5电平第三直流输入线408之一。3电平转换器380、380'各自的3电平负直流输入线208、208'分别耦接至5电平第二中间直流输入线406和5电平负直流输入线410之一。
如以上所讨论的，3电平转换器380、380'各自还包括第一2电平转换器82、84，第一2电平转换器82、84被配置成将耦接至3电平正直流输入线204、204'的第一正直流输入线86和耦接至3电平中间直流输入线206、206'的第一负直流输入线88切换至第一第一相输出线416、第一第二相输出线418和第一第三相输出线420。另外，3电平转换器380、380'各自分别包括第二2电平转换器82'、84'，第二2电平转换器82'、84'被配置成将耦接至3电平中间直流输入线206、206'的第二正直流输入线86'和耦接至3电平负直流输入线208、208'的第二负直流输入线88'切换至第二第一相输出线422、第二第二相输出线424和第二第三相输出线426。每个3电平转换器380、380'还包括3电平输出级200，该3电平输出级200包括多个3电平双向固态开关227，所述多个3电平双向固态开关227被配置成将来自第一2电平电力转换器82、84和第二2电平电力转换器82'、84'之一的输出线216、218、220、222、224、226中的对应输出线切换至3电平第一相输出线210、3电平第二相输出线212和3电平第二相输出线214(各自分别为输出线416、418、420、422、424、426之一)。同样，(在2电平转换器82、82'、84、84'中使用的)多个固态转换器开关中的每个固态转换器开关可以例如是氮化镓(GaN)晶体管或绝缘栅双极型晶体管。
电机驱动电路400另外包括5电平输出级482。5电平输出级482与以上描述的3电平输出级200相同，并且包括下面进一步详细讨论的多个双向固态开关227，所述多个双向固态开关被配置成将来自第一电力转换器380和第二电力转换器380'之一的输出线416、416'、418、418'、420、420'中的对应输出线切换至5电平第一相最终输出线484、5电平第二相最终输出线486和5电平第三相最终输出线488，以将包括三个AC相的AC电力提供给电动机32。
尽管在图7A中未示出，但是一个或更多个输入级可以生成被提供给各个不同DC输入线402、404、406、408、410的不同电压。虽然示例电机驱动电路400被配置用于3相操作，但是应当理解，可以构造类似的电机驱动电路用于单相操作。通过使用双向开关227进行适当的切换，该系统可以用于多相开放式绕组电机驱动器。
如在图5A、图5B、图6B和图7B中详细描述的，多电平电力转换器80、280、380中的3电平输出级200中的多个双向开关227以及多电平电力转换器480中的5电平输出级482中的多个双向开关227每个均包括两个IGBT用以将来自电力转换器82、82'、84、84'、380、380'之一的三相输出中的一相切换至最终输出线210、212、214、484、486、488，以向电动机32提供AC电力。根据一方面并且如图6A所示，输出级200包括以基频切换并且通过简单的导线连接而不是通过母排连接来连接的六个双向开关227(绝缘栅双极型晶体管(IGBT)模块)。
更具体地，对于第一相，多个双向固态开关227包括第一第一相上部绝缘栅双极型晶体管228，第一第一相上部绝缘栅双极型晶体管228包括：耦接至第一电力转换器82、84、380的第一第一相输出线216、416的第一第一相上部漏极230；第一第一相上部栅极232；以及第一第一相上部源极234。多个双向固态开关227还包括第二第一相上部绝缘栅双极型晶体管236，第二第一相上部绝缘栅双极型晶体管236包括：耦接至第一相最终输出线210、484的第二第一相上部漏极238；第二第一相上部栅极240；以及耦接至第一第一相上部源极234的第二第一相上部源极242。另外，多个双向固态开关包括第一第一相下部绝缘栅双极型晶体管244，第一第一相下部绝缘栅双极型晶体管244包括：耦接至第一相最终输出线210、484的第一第一相下部漏极246；第一第一相下部栅极248；以及第一第一相下部源极250。多个双向固态开关227包括第二第一相下部绝缘栅双极型晶体管252，第二第一相下部绝缘栅双极型晶体管252包括：耦接至第二电力转换器82'、84'、380'的第二第一相输出线222、422的第二第一相下部漏极254；第二第一相下部栅极256；以及耦接至第一第一相下部源极250的第二第一相下部源极258。
对于第二相，多个双向固态开关227包括第一第二相上部绝缘栅双极型晶体管260，第一第二相上部绝缘栅双极型晶体管260包括：耦接至第一电力转换器82、84、380的第一第二相输出线218、418的第一第二相上部漏极261；第一第二相上部栅极262；以及第一第二相上部源极263。多个双向固态开关227包括第二第二相上部绝缘栅双极型晶体管264，第二第二相上部绝缘栅双极型晶体管264包括：耦接至第二相最终输出线212、486的第二第二相上部漏极265；第二第二相上部栅极266；以及耦接至第一第二相上部源极263的第二第二相上部源极267。另外，多个双向固态开关227包括第一第二相下部绝缘栅双极型晶体管268，第一第二相下部绝缘栅双极型晶体管268包括：耦接至第二相最终输出线212、486的第一第二相下部漏极269；第一第二相下部栅极270；以及第一第二相下部源极271。多个双向固态开关227另外包括第二第二相下部绝缘栅双极型晶体管272，第二第二相下部绝缘栅双极型晶体管272包括：耦接至第二电力转换器82'、84'、380'的第二第二相输出线222、422的第二第二相下部漏极273；第二第二相下部栅极274；以及耦接至第一第二相下部源极271的第二第二相下部源极275。
对于第三相，多个双向固态开关227包括第一第三相上部绝缘栅双极型晶体管276，第一第三相上部绝缘栅双极型晶体管276包括：耦接至第一电力转换器82、84、380的第一第三相输出线220、420的第一第三相上部漏极277；第一第三相上部栅极278；以及第一第三相上部源极279。多个双向固态开关227还包括第二第三相上部绝缘栅双极型晶体管280，第二第三相上部绝缘栅双极型晶体管280包括：耦接至第三相最终输出线214、488的第二第三相上部漏极281；第二第三相上部栅极282；以及耦接至第一第三相上部源极279的第二第三相上部源极283。另外，多个双向固态开关227包括第一第三相下部绝缘栅双极型晶体管284，第一第三相下部绝缘栅双极型晶体管284包括：耦接至第三相最终输出线214、488的第一第三相下部漏极285；第一第三相下部栅极286；以及第一第三相下部源极287。多个双向固态开关227还包括第二第三相下部绝缘栅双极型晶体管288，第二第三相下部绝缘栅双极型晶体管288包括：耦接至第二电力转换器82'、84'、380'的第二第三相输出线226、426的第二第三相下部漏极289；第二第三相下部栅极290；耦接至第一第三相下部源极287的第二第三相下部源极291。每个双向开关227包括跨IGBT 228、236、244、252、260、264、268、272、276、280、284、288中的每个IGBT的开关输出端子并联连接的一对反并联二极管225。然而，用作双向开关227的IGBT模块不需要短路保护。它们可以在电动机侧线间故障或相对地故障的情况下运行。
根据另一方面，在图8中提供了包括可扩展多电平电力转换器580的另一电机驱动电路500。电机驱动电路500包括第一电力转换器84、第二电力转换器84'(例如，使用如图4B中的IGBT 144、152、160、168、176、184)以及耦接至第一电力转换器84和第二电力转换器84'的中性点钳位输入级382，所述第一电力转换器84和第二电力转换器84'与图6A中示出的电机驱动电路300中所使用的第一电力转换器84和第二电力转换器84'类似。电机驱动电路500包括用于接收直流电压的多个转换器输入204、208(例如，3电平正直流输入线204和3电平负直流输入线208)。第一电力转换器84包括多个固态转换器开关144、152、160、168、176、184(如图4B中示出的2电平转换器84一样配置)，所述多个固态转换器开关144、152、160、168、176、184被配置成将耦接至多个转换器输入204、208中的至少一个转换器输入的多个第一输入线86、88切换至针对电动机32的三个AC相的第一第一相输出线216、第一第二相输出线218和第一第三相输出线220。电机驱动电路500还包括第二电力转换器84'(另一2电平转换器)，第二电力转换器84'包括多个固态转换器开关144、152、160、168、176、184，多个固态转换器开关144、152、160、168、176、184被配置成将耦接至多个转换器输入204、208中的至少一个转换器输入的多个第二输入线86'、88'切换至针对电动机32的三个AC相的第二第一相输出线222、第二第二相输出线224和第二第三相输出线226。同样，两个2电平转换器84、84'各自分别包括六个IGBT(IGBT 144、152、160、168、176、184)并且可以是图4B中示出的类型。
然而，电机驱动电路500包括不包含IGBT的三极管输出级526。替代地，多个双向固态开关527中的每个双向固态开关是用于交流电的金属氧化物可控硅三极管(TRIAC)或MOS门控TRIAC，例如，MOS门控TRIAC可以由背对背布置的两个IXYS MOS门控晶闸管形成。另一方面，如果使用简单的TRIAC，则可以在电机驱动器的分流路径中使用额定值非常小的静态补偿器(STATCOM)(电压源逆变器，用于无功电流控制)。MOS门控TRIAC在功能上与反并联连接的栅极关断晶闸管(GTO)或具有公共栅极连接的对称栅极换向晶闸管(SGCT)匹配。这提供了对电机驱动电路500的电流的可扩展性。
更详细地，对于第一相，多个双向固态开关527包括用于交流电的第一相高三极管528，第一相高三极管528包括耦接至第一相最终输出线210的第一相高三极管第一阳极530、第一相高三极管门极532以及耦接至第一电力转换器84的第一第一相输出线216的第一相高三极管第二阳极534。多个双向固态开关527还包括用于交流电的第一相低三极管536，第一相低三极管536包括耦接至第二电力转换器84'的第二第一相输出线222的第一相低三极管第一阳极538、第一相低三极管门极540以及耦接至第一相高三极管第一阳极530和第一相最终输出线210的第一相低三极管第二阳极542。
另外，对于第二相，多个双向固态开关527包括用于交流电的第二相高三极管544，第二相高三极管544包括耦接至第二相最终输出线212的第二相高三极管第一阳极546、第二相高三极管门极548以及耦接至第一电力转换器84的第一第二相输出线218的第二相高三极管第二阳极550。多个双向固态开关527另外包括用于交流电的第二相低三极管552，第二相低三极管552包括耦接至第二电力转换器84'的第二第二相输出线224的第二相低三极管第一阳极554、第二相低三极管门极556以及耦接至第二相高三极管第一阳极546和第二相最终输出线212的第二相低三极管第二阳极558。
对于第三相，多个双向固态开关527包括用于交流电的第三相高三极管560，第三相高三极管560包括耦接至第三相最终输出线214的第三相高三极管第一阳极562、第三相高三极管门极564以及耦接至第一电力转换器84的第一第三相输出线220的第三相高三极管第二阳极566。多个双向固态开关527另外包括用于交流电的第三相低三极管568，第三相低三极管568包括耦接至第二电力转换器84'的第二第三相输出线226的第三相低三极管第一阳极570、第三相低三极管门极572以及耦接至第三相高三极管第一阳极562和第三相最终输出线214的第三相低三极管第二阳极574。
图9中的(1)至图9中的(3)示出了图8中的第一相(R相)顶部开关(第一电力转换器84的第一相高绝缘栅双极型晶体管144和第一相低绝缘栅双极型晶体管152)和用于交流电的第一相高三极管528的示例脉冲宽度调制(PWM)波形。具体地，图9中的(1)示出了用于控制第一电力转换器84的第一相高绝缘栅双极型晶体管144的PWM波形，并且图9(2)示出了用于控制第一电力转换器84的第一相低绝缘栅双极型晶体管152的PWM波形。图9中的(3)示出了用于控制用于交流电的第一相高三极管528的PWM波形。类似地，可以使用第一相电压作为参考来切换底部开关(第二电力转换器84'的第一相高绝缘栅双极型晶体管144和第一相低绝缘栅双极型晶体管152)和用于交流电的第一相低三极管536。这些PWM波形可以使用图10中示出的(针对多电平转换器580的一个相示出的)PWM逻辑生成结构来生成。更详细地，在互补转换器开关之间的操作中使用互锁时间，从而，被指示为D的块是基于参考PWM信号的上升沿的预定时间延迟。gate_R节点控制第一电力转换器84的第一相高绝缘栅双极型晶体管144和第一相低绝缘栅双极型晶体管152以及第二电力转换器84'的第一相高绝缘栅双极型晶体管144和第一相低绝缘栅双极型晶体管152。gate_R_steer节点控制用于交流电的第一相高三极管528和用于交流电的第一相低三极管536。
图11中的(1)至图11中的(3)示出了(用于输入至图10中的vc+节点和vc-节点的)正载波信号和负载波信号的波形以及(用于输入至图10中的vr_ref节点的)对应的参考电压波形。图12中的(1)至图12中的(3)示出了(用于输入至图10中的vc+节点和vc-节点的)正载波信号和负载波信号的波形以及(用于输入至图10中的vr_ref节点的)对应的参考电压波形。
在操作中，通过图9中的(1)至图9中的(3)中示出的参考电压对MOS门控TRIAC 527或双向IGBT 227进行切换。同样，仅示出了针对多电平电力转换器528的顶部开关144、152的参考电压。对于第一相，PWM开关允许正电流和负电流两者，同时极电压在+0.5Vdc与0之间切换。在此期间，底部MOS门控TRIAC(例如，用于交流电的第一相低三极管536)或双向IGBT 227关闭。在第一相参考电压的负半周期中，互补的底部MOS门控TRIAC(用于交流电的第一相高三极管528)或双向IGBT 227导通，而不会使输出电流停止。同样，这将允许正电流和负电流两者，同时极电压在0与-0.5Vdc之间切换。最好在对应的MOS门控TRIAC 527或双向IGBT 227关断时使所有器件保持关闭。
为了说明两个转换器84、84'的额定功率，图13中的(1)至图13中的(6)示出了针对400V输入电压的电压波形和电流波形。具体地，图13中的(1)和图13中的(2)分别示出了第一电力转换器的第一第一相输出线处的电压波形和电流波形，并且图13中的(3)和图13中的(4)分别示出了第二电力转换器的第二第一相输出线处的电压波形和电流波形。图13中的(5)和图13中的(6)分别示出了在第一电力转换器84和第二电力转换器84'的操作期间第一相最终输出线210处(在MOS门控TRIAC 527之后)的电压波形和电流波形。虽然，电压波形和电流波形是针对400V输入电压示出的，但是应当理解，包括可扩展多电平电力转换器580的电机驱动电路500也可以在800V输入电压下操作。
美国专利第8,228,695号的中性点钳位(NPC)三电平转换器40(图3中示出)遭受通过二极管68和74在电流(即，从转换器40流出的电流)的正方向上变成两电平转换器的困扰。相比之下，在图5A、图5B、图6A、图6B、图7A和图7B中示出的示例中用作双向固态开关227的双向IGBT 227以及在图8的电机驱动电路500中用作双向固态开关527的用于交流电的金属氧化物可控硅三极管(MOS门控TRIAC)不遭受这样的缺陷。图15示出了图8中示出的电机驱动电路500的示例线间电压(用于仿真的电阻性和电感性(RL)负载包括22欧姆电阻和3.5毫亨电感)。
从而，电机驱动电路500输出图15中的(1)中示出的三相电流波形。应当注意，在电机驱动电路500输出的波形中，除了开关频率纹波之外没有高频噪声。图15中的(2)示出了在开关频率为30kHz、互锁时间为300ns下多电平电力转换器580的三相输出电流的FFT结果。
图16中的(1)至图16中的(5)示出了针对多电平转换器580中的两个转换器84、84'的功率的计算。图16中的(1)和图16中的(2)中示出的电压波形和电流波形是针对第一电力转换器84的，并且该电压是线间电压。图16中的(3)和图16中的(4)中示出的电压波形和电流波形是在第一电力转换器84的操作期间电机驱动电路500输出至电动机32的电压波形和电流波形。图16中的(5)示出了可以用于计算电机驱动电路500的功率输出的特定值。效率可能会受到每个MOS门控TRIAC 527或双向IGBT 227的器件压降(device drop)的影响。例如，具有200安培电流的每个双向IGBT 227的器件压降可以是2.3伏(电流路径中的IGBT和二极管贡献1.2伏+1.1伏)，而每个MOS门控TRIAC 527的器件压降可以是1.7伏。因此，与使用双向IGBT 227的多电平转换器相比，图8的可扩展多电平电力转换器580传导损耗将较小。
图17示出了其中MOS门控TRIAC作为可扩展多电平电力转换器680的部件的另一电机驱动电路600。具体地，针对驱动周期的不同时间，可以使用两个2电平电压源逆变器(VSI)84、84'充当用于一对三相绕组中的每个三相绕组的多电平电力转换器680。因此，存在十二个双向固态开关527(MOS门控TRIAC)。因此，例如，可以在恒转矩区域期间使用一组绕组，并且可以在其他区域期间使用另一组绕组。在上述两种情况下，它都是三电平转换器。
就工业级多电平电力转换的制造而言，本公开内容提供了多电力转换中的电压可扩展性。这种以两电平转换器82、82'、84、84'作为基本构建模块的模块化构思解决了例如针对较高级别(N＝5，7...)多电平电力转换的制造和电压不平衡复杂性的问题。
本公开内容提供了具有基于两个单独电路板的三电平转换器的机会，其中，该三电平转换器具有例如额定值为650V的器件。因此，可以使用两个现有的(额定功率为高功率转换器一半的)两电平转换器82、82'、84、84'来构建3电平等效高功率转换器(例如，多电力转换器80、280、380、480、580、680)。这将针对800V电池系统给出解决方案以运行用于EV应用的高压、高速电机。与现有技术中使用的器件相比，所公开的使用氮化镓开关晶体管的多电平电力转换器80例如具有降低的电力转换损耗并且可以在成本非常低的空气冷却散热器系统下操作。
具体地参照电机驱动电路500，其他优点包括通过实现多个TRIAC开关527提供的三电平效应。TRIAC开关527的成本可以与硅MOSFET相当，并且可以在更高的电压下使用。由于每个转换器中的额定值低于常规的2电平逆变器和3电平T型中性点钳位(TNPC)的三个支路，因此可以实现开关527的较低功率水平选择。与高功率2电平电压源逆变器84、84'相比，这样的布置针对每个开关527要求一半的额定电压和相同的额定电流。从而，由于开关527的较低额定电压而具有降低的开关损耗。另外，第一电力转换器84和第二电力转换器84'中的每一个仅导通半个周期。因此，在每个转换器84、84'中，传导损耗为一半。电机驱动电路(例如，电机驱动电路500)的热应力将被分担，从而在每个转换器84、84'上减半。与常规的2电平电压源逆变器相比，还提供了低电压总谐波失真(THD)。更具体地，THD可以与3电平逆变器相当。与2电平逆变器相比，由逆变器引起的对DC链路的电压纹波较小。与2电平逆变器相比，还提供了电压相对于时间的较低变化率(dV/dt)(与3电平逆变器相当)。另外，所公开的电机驱动电路和多电平电力转换器提供了降低的EMI、E驱动损耗以及与3电平逆变器相当的NVH。所公开的电机驱动电路500对于800V动力总成应用是高度有利的，因为可以在不改变器件规格的情况下使用两个现有的400V 2电平逆变器(第一电力转换器84和第二电力转换器84')。如果使用400V电池，则每个器件527两端将最大仅有200V。最后，对于所公开的电机驱动电路500，每相峰电压是dc电压的一半的1.39倍。
然而显然，可以在不脱离所附权利要求书中限定的范围的情况下对本文所描述和所示出的内容进行改变。已经出于说明和描述的目的提供了对实施方式的前述描述。这并非旨在穷举或限制本公开内容。特定实施方式的各个元件或特征通常不限于该特定实施方式，而是在适用的情况下是可互换的并且可以用于选定实施方式，即使没有具体示出或描述也是如此。特定实施方式的各个元件或特征还可以以许多方式进行改变。这样的变型不应被视为是脱离本公开内容，并且所有这样的修改旨在包括在本公开内容的范围内。
本文所使用的术语仅出于描述特定示例实施方式的目的并且不旨在是限制性的。如本文所使用的，除非上下文另外清楚地指示，否则单数形式“一”、“一个”以及“该”也可以旨在包括复数形式。术语“包括”、“包含”、“含有”和“具有”是包含性的，并且因此指定存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件，但是不排除存在或添加一个或更多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或其群组。除非具体地被标识为执行顺序，否则本文所描述的方法步骤、处理和操作不应被解释为必须要求以所讨论或者示出的特定顺序来执行。还应当理解，可以采用附加步骤或替选步骤。
当元件或层被称为“在另一元件或层上”、“接合至”、“连接至”或“耦接至”另一元件或层时，该元件或层可以直接在其他元件或层上、接合至、连接至或耦接至其他元件或层，或者可以存在中间元件或中间层。相比之下，当元件被称为“直接在另一元件或层上”、“直接接合至”、“直接连接至”或“直接耦接至”另一元件或层时，可以不存在中间元件或层。用于描述元件之间的关系的其他词语应当以同样的方式解释(例如，“在...之间”与“直接在...之间”、“相邻”与“直接相邻”等)。如本文所使用的，术语“和/或”包括相关联的列出项中的一个或更多个项的任何和所有组合。
尽管在本文中术语第一、第二、第三等可以用于描述各种元件、部件、区域、层和/或部分，但是这些元件、部件、区域、层和/或部分不应当受这些术语限制。这些术语可以仅用于将一个元件、部件、区域、层或部分与另一区域、层或部分区分开。除非上下文清楚地指示，否则在本文中使用术语例如“第一”、“第二”和其他数字术语时不暗含次序或顺序。因此，在不脱离示例实施方式的教示的情况下，以下讨论的第一元件、第一部件、第一区域、第一层或第一部分可以被称为第二元件、第二部件、第二区域、第二层或第二部分。
为了便于描述，本文中可以使用空间相对术语例如“内部”、“外部”、“在……之下”、“在……以下”、“下部”、“在……以上”、“上部”、“顶部”、“底部”等描述如附图中所示的一个元件或特征与其他元件或特征的关系。空间相对术语可以旨在包括除了附图中描绘的取向之外的装置在使用或操作中的不同取向。例如，如果附图中的装置被翻转，则被描述为在其他元件或特征“以下”或“之下”的元件将被定向在其他元件或特征“以上”。因此，示例术语“在……以下”可以包括以上和以下两个取向。装置可以以其他方式定向(以旋转一定角度或以其他取向定向)，并且本文中使用的空间相对描述也依此解释。

Claims (15)

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：
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电平中间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；以及
3电平输出级，其包括多个3电平双向固态开关，所述多个3电平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3电平第一相输出线、3电平第二相输出线和3电平第二相输出线。
8.根据权利要求5所述的电机驱动电路，其中，所述多个固态转换器开关中的每个固态转换器开关是氮化镓(GaN)晶体管。
9.根据权利要求8所述的电机驱动电路，其中，所述多个固态转换器开关包括：
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所述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所述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所述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。
10.根据权利要求5所述的电机驱动电路，其中，所述多个固态转换器开关中的每个固态转换器开关是绝缘栅双极型晶体管。
11.根据权利要求10所述的电机驱动电路，其中，所述多个固态转换器开关包括：
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所述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所述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所述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。
12.根据权利要求5所述的电机驱动电路，其中，所述多个双向固态开关中的每个双向固态开关是绝缘栅双极型晶体管。
13.根据权利要求12所述的电机驱动电路，其中，所述多个双向固态开关包括：
第一第一相上部绝缘栅双极型晶体管，其包括耦接至所述第一电力转换器的所述第一第一相输出线的第一第一相上部漏极、第一第一相上部栅极和第一第一相上部源极；
第二第一相上部绝缘栅双极型晶体管，其包括耦接至所述第一相最终输出线的第二第一相上部漏极、第二第一相上部栅极以及耦接至所述第一第一相上部源极的第二第一相上部源极；
第一第一相下部绝缘栅双极型晶体管，其包括耦接至所述第一相最终输出线的第一第一相下部漏极、第一第一相下部栅极和第一第一相下部源极；
第二第一相下部绝缘栅双极型晶体管，其包括耦接至所述第二电力转换器的所述第二第一相输出线的第二第一相下部漏极、第二第一相下部栅极以及耦接至所述第一第一相下部源极的第二第一相下部源极；
第一第二相上部绝缘栅双极型晶体管，其包括耦接至所述第一电力转换器的所述第一第二相输出线的第一第二相上部漏极、第一第二相上部栅极和第一第二相上部源极；
第二第二相上部绝缘栅双极型晶体管，其包括耦接至所述第二相最终输出线的第二第二相上部漏极、第二第二相上部栅极以及耦接至所述第一第二相上部源极的第二第二相上部源极；
第一第二相下部绝缘栅双极型晶体管，其包括耦接至所述第二相最终输出线的第一第二相下部漏极、第一第二相下部栅极和第一第二相下部源极；
第二第二相下部绝缘栅双极型晶体管，其包括耦接至所述第二电力转换器的所述第二第二相输出线的第二第二相下部漏极、第二第二相下部栅极以及耦接至所述第一第二相下部源极的第二第二相下部源极；
第一第三相上部绝缘栅双极型晶体管，其包括耦接至所述第一电力转换器的所述第一第三相输出线的第一第三相上部漏极、第一第三相上部栅极和第一第三相上部源极；
第二第三相上部绝缘栅双极型晶体管，其包括耦接至所述第三相最终输出线的第二第三相上部漏极、第二第三相上部栅极以及耦接至所述第一第三相上部源极的第二第三相上部源极；
第一第三相下部绝缘栅双极型晶体管，其包括耦接至所述第二相最终输出线的第一第三相下部漏极、第一第三相下部栅极和第一第三相下部源极；以及
第二第三相下部绝缘栅双极型晶体管，其包括耦接至所述第二电力转换器的所述第二第三相输出线的第二第三相下部漏极、第二第三相下部栅极以及耦接至所述第一第三相下部源极的第二第三相下部源极。
14.根据权利要求5所述的电机驱动电路，其中，所述多个双向固态开关中的每个双向固态开关是用于交流电的金属氧化物可控硅三极管。
15.根据权利要求14所述的电机驱动电路，其中，所述多个双向固态开关包括：
用于交流电的第一相高三极管，其包括耦接至所述第一相最终输出线的第一相高三极管第一阳极、第一相高三极管门极以及耦接至所述第一电力转换器的所述第一第一相输出线的第一相高三极管第二阳极；
用于交流电的第一相低三极管，其包括耦接至所述第二电力转换器的所述第二第一相输出线的第一相低三极管第一阳极、第一相低三极管门极以及耦接至所述第一相高三极管第一阳极和所述第一相最终输出线的第一相低三极管第二阳极；
用于交流电的第二相高三极管，其包括耦接至所述第二相最终输出线的第二相高三极管第一阳极、第二相高三极管门极以及耦接至所述第一电力转换器的所述第一第二相输出线的第二相高三极管第二阳极；
用于交流电的第二相低三极管，其包括耦接至所述第二电力转换器的所述第二第二相输出线的第二相低三极管第一阳极、第二相低三极管门极以及耦接至所述第二相高三极管第一阳极和所述第二相最终输出线的第二相低三极管第二阳极；
用于交流电的第三相高三极管，其包括耦接至所述第三相最终输出线的第三相高三极管第一阳极、第三相高三极管门极以及耦接至所述第一电力转换器的所述第一第三相输出线的第三相高三极管第二阳极；以及
用于交流电的第三相低三极管，其包括耦接至所述第二电力转换器的所述第二第三相输出线的第三相低三极管第一阳极、第三相低三极管门极以及耦接至所述第三相高三极管第一阳极和所述第三相最终输出线的第三相低三极管第二阳极。
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