用于三電平逆變器的開關(guān)支路及其控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及用于三電平逆變器的開關(guān)支路，以及用于控制三電平逆變器的開關(guān)支路的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]三電平轉(zhuǎn)換器，比如逆變器和/或整流器，是具有三個直流極的轉(zhuǎn)換器。除了直流正極和直流負(fù)極以外，三電平轉(zhuǎn)換器還具有直流中性極?？梢允褂萌娖睫D(zhuǎn)換器拓?fù)?，以便例如獲得較高直流電壓電平，并且減少對輸出電流濾波的需要。在下述文獻(xiàn)中給出了三電平中性點(diǎn)鉗位式轉(zhuǎn)換器的不例:T.BrUckner、S.Bernet和H.Gilldner于2005年6月的IEEE工業(yè)電子學(xué)期刊的第 52 卷第 3 號的“The Active MC Converter and Its Loss-BalancingControl”。具體地，給出了三電平中性點(diǎn)鉗位式(NPC)轉(zhuǎn)換器和有源中性點(diǎn)鉗位式(ANPC)轉(zhuǎn)換器的示例。
[0003]圖1示出了三電平NPC逆變器的主電路的示例。該示例性三電平逆變器為三相逆變器，并且因此包括三個開關(guān)支路101、102、103，每個開關(guān)支路包括六個二極管和四個可控半導(dǎo)體開關(guān)。在逆變器的操作期間，可以根據(jù)要使用的調(diào)制方案來控制該可控半導(dǎo)體開關(guān)。示例性逆變器還包括用于將逆變器與如DC中間電路的DC電源(未示出)相連接的直流正極P、直流負(fù)極N和直流中性極M。示例性逆變器還包括用于對例如三相電力系統(tǒng)(未示出)進(jìn)行供給的三個交流極AC1、AC2、AC3。
[0004]與上述解決方案相關(guān)的可能問題為:尤其當(dāng)三電平逆變器的功率等級提高時，在三電平逆變器中形成的換向回路會變得不理想，并且可能產(chǎn)生的雜散電感會在電流在逆變器的部件之間進(jìn)行換向期間生成有害的電壓尖峰。對此的一個具體示例為在下述情況時:三電平逆變器的開關(guān)支路101、102、103的交流極AC1、AC2、AC3的電壓極性分別要從正變成負(fù)，或從負(fù)變成正，而電流從開關(guān)支路的上半部分換向至下半部分，或者從開關(guān)支路的下半部分換向至上半部分。在此情形下可能發(fā)生有害的電壓尖峰。當(dāng)調(diào)制電壓和輸出交流電流具有相反極性時，可能發(fā)生類似的有害換向。對于該問題的一個解決方案將是使用鉗位電路或緩沖電路來抑制這樣的電壓尖峰。然而，這樣的電路可能是昂貴的，并且在與半導(dǎo)體開關(guān)的標(biāo)稱電流相比較時，操作范圍仍會受限。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是提供一種設(shè)備和方法，以解決或至少緩解上述問題。本發(fā)明的目的通過用于三電平逆變器的開關(guān)支路、逆變器和方法來實(shí)現(xiàn)，其中，開關(guān)支路、逆變器和方法的特征在于獨(dú)立權(quán)利要求中所述的。在從屬權(quán)利要求中描述了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式。
[0006]本發(fā)明基于如下的思想:向開關(guān)支路的上半部分和下半部分提供額外的開關(guān)連接，使得電流能夠在所述開關(guān)支路的半部分內(nèi)進(jìn)行換向，而不管電流極性如何。
[0007]本發(fā)明的解決方案提供了如下優(yōu)點(diǎn):昂貴且有損耗的鉗位電路或緩沖電路不再被需要，或者他們可以被減少，以便甚至在較高功率等級下對在電流在開關(guān)支路的半部分之間換向期間的電壓尖峰進(jìn)行抑制。此外，主電路母線設(shè)計(jì)變得更容易，因?yàn)榈湫偷膿Q向不發(fā)生在上半部分模塊和下半部分模塊之間。
【附圖說明】
[0008]現(xiàn)在，將參照附圖并結(jié)合優(yōu)選實(shí)施方式來更詳細(xì)地說明本發(fā)明，在附圖中:
[0009]圖1示出了根據(jù)實(shí)施方式的三相三電平逆變器的主電路的電路圖；
[0010]圖2示出了根據(jù)實(shí)施方式的三電平逆變器的開關(guān)支路的電路圖；
[0011 ]圖3示出了半導(dǎo)體模塊結(jié)構(gòu)的示例；
[0012]圖4示出了半導(dǎo)體模塊結(jié)構(gòu)的示例；
[0013]圖5示出了根據(jù)實(shí)施方式的三電平逆變器的開關(guān)支路的電路圖和物理布局；以及
[0014]圖6示出了根據(jù)實(shí)施方式的三相三電平逆變器的主電路的電路圖和物理布局。
【具體實(shí)施方式】
[0015]本發(fā)明的應(yīng)用不限于任何特定的系統(tǒng)，而是可應(yīng)用于各種電氣系統(tǒng)。此外，本發(fā)明的使用不限于利用特定基頻的任何系統(tǒng)或任何特定電壓電平。
[0016]圖2示出了根據(jù)實(shí)施方式的用于三電平逆變器的開關(guān)支路的電路圖。應(yīng)當(dāng)注意，該圖僅呈現(xiàn)了理解本發(fā)明所必需的元件。該開關(guān)支路可以是如三相逆變器的多相逆變器的一個開關(guān)支路，或者是如單相逆變器的開關(guān)支路。圖2的開關(guān)支路包括交流極AC、直流正極P、直流負(fù)極N和直流中性極M。此外，該開關(guān)支路包括串聯(lián)地連接在開關(guān)支路的直流正極P與交流極AC之間的第一可控半導(dǎo)體開關(guān)S1和第二可控半導(dǎo)體開關(guān)S2，其中第一可控半導(dǎo)體開關(guān)S1連接至直流正極P。第一二極管D1與第一可控半導(dǎo)體開關(guān)S1并聯(lián)地連接，而第二二極管D2與第二可控半導(dǎo)體開關(guān)S2并聯(lián)地連接。此外，該開關(guān)支路包括串聯(lián)地連接在開關(guān)支路的直流負(fù)極N與交流極AC之間的第三可控半導(dǎo)體開關(guān)S3和第四可控半導(dǎo)體開關(guān)S4，其中第四可控半導(dǎo)體開關(guān)S4連接至直流負(fù)極N。第三二極管D3與第三可控半導(dǎo)體開關(guān)S3并聯(lián)地連接，而第四二極管D4與第四可控半導(dǎo)體開關(guān)S4并聯(lián)地連接。此外，該開關(guān)支路包括第五二極管D5和第六二極管D6，該第五二極管D5連接在直流中性極Μ與處于第一可控半導(dǎo)體開關(guān)S1和第二可控半導(dǎo)體開關(guān)S2之間的連接點(diǎn)之間，而該第六二極管D6連接在直流中性極Μ與處于第三可控半導(dǎo)體開關(guān)S3和第四可控半導(dǎo)體開關(guān)S4之間的連接點(diǎn)之間。此外，開關(guān)支路包括串聯(lián)地連接在開關(guān)支路的直流中性極Μ與交流極AC之間的第五可控半導(dǎo)體開關(guān)S5和第七二極管D7，并且開關(guān)支路包括串聯(lián)地連接在開關(guān)支路的直流中性極Μ與交流極AC之間的第六可控半導(dǎo)體開關(guān)S6和第八二極管D8。因此，圖2的開關(guān)支路的上半部分包括第一可控半導(dǎo)體開關(guān)S1、第二可控半導(dǎo)體開關(guān)S2、第五可控半導(dǎo)體開關(guān)S5、第一二極管D1、第二二極管D2、第五二極管D5和第七二極管D7。因此，圖2的開關(guān)支路的下半部分包括第三可控半導(dǎo)體開關(guān)S3、第四可控半導(dǎo)體開關(guān)S4、第六可控半導(dǎo)體開關(guān)S6、第三二極管D3、第四二極管D4、第六二極管D6和第八二極管D8?？煽匕雽?dǎo)體開關(guān)S1至S6可以是IGBT (絕緣柵雙極晶體管)或FET (場效應(yīng)晶體管)或任何對應(yīng)的可控半導(dǎo)體開關(guān)。圖2還示出了控制布置30，可以通過或經(jīng)由該控制布置30來對開關(guān)S1至S6進(jìn)行控制。對半導(dǎo)體開關(guān)S1至S6的控制可以涉及一個或更多個額外的控制部件(未示出)。
[0017]可以將開關(guān)支路的半導(dǎo)體部件中的兩個或更多個設(shè)置在半導(dǎo)體模塊中。在本文中，術(shù)語“半導(dǎo)體模塊”通常指如下模塊:該模塊包括布置在公共基板上并且以適當(dāng)?shù)姆绞较嗷ル娺B接的兩個或更多個半導(dǎo)體元件。
[0018]根據(jù)實(shí)施方式，如圖2的示例所示，第一可控半導(dǎo)體開關(guān)S1、第二可控半導(dǎo)體開關(guān)S2、第五可控半導(dǎo)體開關(guān)S5、第一二極管D1、第二二極管D2、第五二極管D5和第七二極管D7駐留在第一開關(guān)支路專用半導(dǎo)體模塊10中。此外，第三可控半導(dǎo)體開關(guān)S3、第四可控半導(dǎo)體開關(guān)S4、第六可控半導(dǎo)體開關(guān)S6、第三二極管D3、第四二極管D4、第六二極管D6和第八二極管D8駐留在第二開關(guān)支路專用半導(dǎo)體模塊20中。圖