三电平变换器和用于控制三电平变换器的方法
三电平变换器和用于控制三电平变换器的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种三电平变换器，并且涉及用于控制三电平变换器的方法。
【背景技术】
[0002]三电平变换器是具有三个DC(直流)极的变换器。除了正DC极和负DC极以外，三电平变换器具有中性DC极。在下述文献中给出了三电平中点钳位变换器的不例:T.Brilckner, S.Bernet 和 H.Gilldner, “The Active NPC Converter and ItsLoss-balancing Control”, IEEE工业电子学汇刊,第52卷，第3期，2005年6月。特别地，给出了有源三电平中点钳位(ANPC)变换器的示例。
[0003]图1示出了有源三电平中点钳位变换器的开关支路的主要电路的示例。开关支路包括六个二极管D1至D6以及六个可控半导体开关S1到S6。因此，三个DC极Udc+、Udc_、NP中的任何极可以借助于可控半导体开关S1至S6以及二极管D1至D6来连接至开关支路的AC(交流)极。包括一个或更多条开关支路的变换器(如图1的变换器)可以用作整流器或逆变器。可控半导体开关S1至S6则是根据所使用的控制或调制方案而被控制的。
[0004]通常，ANPC变换器是利用各种PWM (脉冲宽度调制)方法来控制的，在PWM方法中，以脉冲方式将每个有源半导体开关控制成导通状态。这样的脉冲的长度根据控制方法而变化，使得例如，向变换器的AC输出提供所需的平均电压。当用作电源逆变器时，这种PWM变换器通常需要LCL滤波器，该LCL滤波器滤除PWM频率信号，但使实际有效的信号(即基频信号)通过。在这种情况下，所得到的主电流和主电压基本上是近似正弦的。ANPC变换器可以将功率从DC电路传递至AC网络(即用作逆变器)或者可以将功率从AC网络传递至DC电路(即用作整流器)。由于ANPC变换器可以提供去往中性DC极的电流路径，所以可能存在以下情况:如果进入中性DC极的总电流偏离零，则中性DC极的电位可能会偏移。结果，例如可能需要利用单独的调节电路和/或算法来使中性DC极的电位平衡。
[0005]关于上述基于PWM控制的方案的问题在于它需要使用LCL滤波器和复杂的调节电路来控制中性DC极的电位，这使该方案变得较复杂并且潜在地变得较昂贵。
【发明内容】
[0006]本发明的目的是提供一种方法和一种用于实现该方法的装置，以解决或至少缓解上述问题。本发明的目的通过一种三电平变换器和控制三电平变换器的方法来达到。
[0007]根据本发明的一个方面，提供了一种三电平变换器，所述三电平变换器包括三条开关支路，每条开关支路包括:
[0008]-第一可控半导体开关(Sll，S12，S13)和第二可控半导体开关(S21，S22，S23)，所述第一可控半导体开关(sil，S12，S13)和所述第二可控半导体开关(S21，S22，S23)串联连接在所述变换器的正直流极(Udc+)与所述开关支路的交流极(AC1，AC2，AC3)之间，其中，所述第一可控半导体开关连接至所述变换器的所述正直流极；
[0009]-第一二极管(Dll，D12，D13)和第二二极管(D21，D22，D23)，所述第一二极管(D11，D12，D13)与所述第一可控半导体开关并联连接，所述第二二极管(D21，D22，D23)与所述第二可控半导体开关并联连接；
[0010]-第三可控半导体开关(S31，S32，S33)和第四可控半导体开关(S41，S42，S43)，所述第三可控半导体开关(S31，S32，S33)和所述第四可控半导体开关(S41，S42，S43)串联连接在所述变换器的负直流极(Udc-)与所述开关支路的所述交流极(AC1，AC2，AC3)之间，其中，所述第四可控半导体开关连接至所述变换器的所述负直流极；
[0011]-第三二极管(D31，D32，D33)和第四二极管(D41，D42，D43)，所述第三二极管(D31，D32，D33)与所述第三可控半导体开关并联连接，所述第四二极管(D41，D42，D43)与所述第四可控半导体开关并联连接；
[0012]-第五可控半导体开关(S51，S52，S53)，所述第五可控半导体开关(S51，S52，S53)连接在所述变换器的中性直流极(NP)与所述第一可控半导体开关和所述第二可控半导体开关之间的连接点之间；
[0013]-第六可控半导体开关(S61，S62，S63)，所述第六可控半导体开关(S61，S62，S63)连接在所述变换器的所述中性直流极(NP)与所述第三可控半导体开关和所述第四可控半导体开关之间的连接点之间；以及
[0014]-第五二极管(D51，D52，D53)和第六二极管(D61，D62，D63)，所述第五二极管(D51，D52，D53)与所述第五可控半导体开关并联连接，所述第六二极管(D61，D62，D63)与所述第六可控半导体开关并联连接；以及
[0015]-用于控制可控半导体开关的装置(100)，其中，
[0016]a)用于控制可控半导体开关的所述装置(100)被配置成:当所述变换器(10)经由所述开关支路的所述交流极(AC1，AC2，AC3)连接至三相交流网络(20)并且所述变换器用作整流器时:
[0017]将所有开关支路当中的在其交流极(AC1，AC2，AC3)中具有最大正电压的开关支路的所述第三可控半导体开关(S31，S32，S33)、所述第四可控半导体开关(S41，S42，S43)和所述第五可控半导体开关(S51，S52，S53)控制成在上述开关支路在其交流极中具有最大正电压时的整个时间段内不导通；以及
[0018]将所有开关支路当中的在其交流极(AC1，AC2，AC3)中具有最负负电压的开关支路的所述第一可控半导体开关(Sll，S12，S13)、所述第二可控半导体开关(S21，S22，S23)和所述第六可控半导体开关(S61，S62，S63)控制成在上述开关支路在其交流极中具有最负负电压时的整个时间段内不导通，
[0019]并且其中，
[0020]b)用于控制可控半导体开关的所述装置(100)被配置成:当所述变换器(10)经由所述开关支路的所述交流极(AC1，AC2，AC3)连接至三相交流网络(20)并且所述变换器用作逆变器时:
[0021]将所有开关支路当中的在其交流极(AC1，AC2，AC3)中具有最大正电压的开关支路的所述第三可控半导体开关(S31，S32，S33)、所述第四可控半导体开关(S41，S42，S43)和所述第五可控半导体开关(S51，S52，S53)控制成在上述开关支路在其交流极中具有最大正电压时的整个时间段内不导通；并且将所有开关支路当中的在其交流极(AC1，AC2，AC3)中具有最大正电压的开关支路的所述第一可控半导体开关(Sll，S12，S13)和所述第二可控半导体开关(S21，S22，S23)控制成在上述开关支路在其交流极中具有最大正电压时的时间段的至少一部分内导通；以及
[0022]将所有开关支路当中的在其交流极(AC1，AC2，AC3)中具有最负负电压的开关支路的所述第一可控半导体开关(Sll，S12，S13)、所述第二可控半导体开关(S21，S22，S23)和所述第六可控半导体开关(S61，S62，S63)控制成在上述开关支路在其交流极中具有最负负电压时的整个时间段内不导通，并且将所有开关支路当中的在其交流极(AC1，AC2，AC3)中具有最负负电压的开关支路的所述第三可控半导体开关(S31，S32，S33)和所述第四可控半导体开关(S41，S42，S43)控制成在上述开关支路在其交流极中具有最负负电压时的时间段的至少一部分内导通。
[0023]根据本发明的另一个方面，提供了一种用于控制包括三条开关支路的三电平变换器的方法，每条开关支路包括:
[0024]-第一可控半导体开关(Sll，S12，S13)和第二可控半导体开关(S21，S22，S23)，所述第一可控半导体开关(sil，S12，S13)和所述第二可控半导体开关(S21，S22，S23)串联连接在所述变换器的正直流极(Udc+)与所述开关支路的交流极(AC1，AC2，AC3)之间，其中，所述第一可控半导体开关连接至所述变换器的所述正直流极；
[0025]-第一二极管(Dll，D12，D13)和第二二极管(D21，D22，D23)，所述第一二极管(D11，D12，D13)与所述第一可控半导体开关并联连接，所述第二二极管(D21，D22，D23)与所述第二可控半导体开关并联连接；
[0026]-第三可控半导体开关(S31，S32，S33)和第四可控半导体开关(S41，S42，S43)，所述第三可控半导体开关(S31，S32，S33)和所述第四可控半导体开关(S41，S42，S43)串联连接在所述变换器的负直流极(Udc-)与所述开关支路的所述交流极(AC1，AC2，AC3)之间，其中，所述第四可控半导体开关连接至所述变换器的所述负直流极；
[0027]-第三二极管(D31，D32，D33)和第四二极管(D41，D42，D43)，所述第三二极管(D31，D32，D33)与所述第三可控半导体开关并联连接，所述第四二极管(D41，D42，D43)与所述第四可控半导体开关并联连接；
[0028]-第五可控半导体开关(S51，S52，S53)，所述第五可控半导体开关(S51，S52，S53)连接在所述变换器的中性直流极(NP)与所述第一可控半导体开关和所述第二可控半导体开关之间的连接点之间；
[0029]第六可控半导体开关(S61，S62，S63) ，所述第六可控半导体开关(S61，S62，S63)连接在所述变换器的所述中性直流极(NP)与所述第三可控半导体开关和所述第四可控半导体开关之间的连接点之间；以及
[0030]-第五二极管(D51，D52，D53)和第六二极管(D61，D62，D63)，所述第五二极管(D51，D52，D53)与所述第五可控半导体开关并联连接，所述第六二极管(D61，D62，D63)与所述第六可控半导体开关并联连接，其中，所述方法包括:
[0031]a)当所述变换器(10)经由所述开关支路的所述交流极(AC1，AC2，AC3)连接至三相交流网络(20)并且所述变换器用作整流器时:
[0032]将所有开关支路当中的在其交流极(AC1，AC2，AC3)中具有最大正电压的开关支路的所述第三可控半导体开关(S31，S32，S33)、所述第四可控半导体开关(S41，S42，S43)和所述第五可控半导体开关(S51，S52，S53)控制成在上述开关支路在其交流极中具有最大正电压时的整个时间段内不导通；以及
[0033]将所有开关支路中的在其交流极(AC1，AC2，AC3)中具有最负负电压的开关支路的所述第一可控半导体开关(Sll，S12，S13)、所述第二可控半导体开关(S21，S22，S23)和所述第六可控半导体开关(S61，S62，S63)控制成在上述开关支路在其交流极中具有最负负电压时的整个时间段内不导通，以及
[0034]b)当所述变换器(10)经由所述开关支路的所述交流极(AC1，AC2，AC3)连接至三相交流网络(20)并且所述变换器用作逆变器时:
[0035]将所有开关支路当中的在其交流极(ACl，AC2，AC3)中具有最大正电压的开关支路的所述第三可控半导体开关(S31，S32，S33)、所述第四可控半导体开关(S41，S42，S43)和所述第五可控半导体开关(S51，S52，S53)控制成在当上述开关支路在其交流极中具有最大正电压时的整个时间段内不导通；并且将所有开关支路当中的在其交流极(AC1，AC2，AC3)中具有最大正电压的开关支路的所述第一可控半导体开关(Sll，S12，S13)和所述第二可控半导体开关(S21，S22，S23)控制成在上述开关支路在其交流极中具有最大正电压时的时间段的至少一部分内导通；以及
[0036]将所有开关支路当中的在其交流极(ACl，AC2，AC3)中具有最负负电压的开关支路的所述第一可控半导体开关(Sll，S12，S13)、所述第二可控半导体开关(S21，S22，S23)和所述第六可控半导体开关(S61，S62，S63)控制成在上述开关支路在其交流极中具有最负负电压时的整个时间段内不导通，并且将所有开关支路当中的在其交流极(AC1，AC2，AC3)中具有最负负电压的开关支路的所述第三可控半导体开关(S31，S32，S33)和所述第四可控半导体开关(S41，S42，S43)控制成在上述开关支路在其交流极中具有最负负电压时的时间段的至少一部分内导通。
[0037]本发明基于以下构思:不论是用作整流器还是用作逆变器，控制ANPC变换器使得变换器的AC极仅有源地连接至正DC极和负DC极，而决不连接至中性DC极。
[0038]本发明的方案提供了以下优点:可以避免使用单独的调节电路来使中性DC极的电位平衡，取而代之在必要时可以替代地使用简单的平衡电阻器。另外，不需要LCL滤波器，但可以替代地使用简单的L滤波器。
【附图说明】
[0039]现在将参照附图并且结合优选实施例来对本发明进行更详细的说明，其中:
[0040]图1示出了根据实施例的三电平变换器的开关支路的电路图；
[0041]图2示出了根据实施例的三相三电平变换器的主要电路的电路图；
[0042]图3示出了根据实施例的变换器系统的框图；
[0043]图4(a)和4(b)示出了根据实施例的在整流器操作中的三电平变换器的开关支路中的电流路径；
[0044]图5(a)和5(b)示出了根据实施例的在逆变器操作中的三电平变换器的开关支路中的电流路径；
[0045]图6示出了根据实施例的三电平变换器的整流器操作中的电流波形和电压波形的示例；以及
[0046]图7示出了根据实施例的三电平变换器的逆变器操作中的电流波形和电压波形的示例。
【具体实施方式】
[0047]本发明的应用不限于任何特定的系统，而是可以应用于各种电气系统。此外，本发明的使用不限于利用特定基本频率的任何系统或者任何特定电压电平。
[0048]图2示出了根据实施例的三相三电平变换器的主要电路的电路图。应当指出的是，附图仅呈现对于理解本发明所必需的元件。变换器包括三条开关支路，一条开关支路用于三相中的一相。这样的变换器可以用作整流器以及可以用作逆变器。图2的变换器是ANPC变换器并且包括正直流极Udc+、负直流极Udc-和中性直流极NP。变换器中的每条开关支路包括交流极AC1、AC2、AC3。此外，变换器的每条开关支路包括串联连接在变换器的正直流极Udc+与开关支路的交流极AC1、AC2、AC3之间的第一可控半导体开关Sll、S12、S13和第二可控半导体开关S21、S22、S23，其中，第一可控半导体开关Sll、S12、S13连接至正直流极Udc+。在每条开关支路中，第一二极管D11、D12、D13与第一可控半导体开关S11、S12、S13并联连接，并且第二二极管D21、D22、D23与第二可控半导体开关S21、S22、S23并联连接。此外，每条开关支路包括串联连接在变换器的负直流极Udc-与开关支路的交流极AC1、AC2、AC3之间的第三可控半导体开关S31、S32、S33和第四可控半导体开关S41、S42、S43，其中，第四可控半导体开关S41、S42、S43连接至负直流极Udc-。在每条开关支路中，第三二极管D31、D32、D33与第三可控半导体开关S31、S32、S33并联连接，并且第四二极管D41、D42、D43与第四可控半导体开关S41、S42、S43并联连接。此外，变换器的每条开关支路包括第五可控半导体开关S51、S52、S53和第六可控半导体开关S61、S62、S63，该第五可控半导体开关S51、S52、S53连接在中性直流极NP与第一可控半导体开关Sll、S12、S13和第二可控半导体开关S21、S22、S23之间的连接点之间，该第六可控半导体开关S61、S62、S63连接在中性直流极NP与第三可控半导体开关S31、S32、S33和第四可控半导体开关S41、S42、S43之间的连接点之间。在每条开关支路中，第五二极管D51、D52、D53与第五可控半导体开关S51、S52、S53并联连接，并且第六二极管D61、D62、D63与第六可控半导体开关S61、S62、S63并联连接。可控半导体开关Sll至S63可以是IGBT(绝缘栅双极性晶体管)或FET(场效应晶体管)或者任何相当的可控半导体开关。图2还示出了经由其可以控制可控半导体开关Sll至S63的控制装置100。为清楚起见，例如，图2未示出控制装置100与可控半导体开关Sll至S63之间的控制连接。对可控半导体开关的控制可以涉及一个或更多个另外的控制部件。图2的示例性变换器还可以包括或连接至DC中间电路，该DC中间电路可以包括如所示出的连接在变换器的直流极之间的电容Cl和C2。电容C1、C2中的每个可以包括一个或更多个电容器。中间电路的结构也可以取决于所使用的电路配置而不同。此外，图2的示例性变换器可以包括或连接至如所示出的连接在变换器的直流极之间的用于使中性直流极NP的电位平衡的阻抗Rl和R2。阻抗Rl、R2的每一个可以包括一个或者更多个电阻器。合适的平衡阻抗Rl、R2的值取决于电路特性并且可以变化。
[0049]图3示出了示例性变换器系统的框图。图3的示例性系统包括第一变换器10，该第一变换器10与以上所描述的图2的三相三电平变换器对应。在该示例中，第一变换器10经由开关支路的交流极AC1、AC2、AC3连接至三相交流网络20，并且经由至少第一变换器的正直流极Udc+和负直流极Udc-以及包括电容Cl和C2的DC中间电路连接至第二变换器30。第一变换器10和第二变换器30还可以如图3的示例中所示的将其中性直流极NP连接在一起，只要它们二者具有这样的中性直流极即可。第二变换器30可以是驱动AC电机40 (因此用作逆变器或组合的逆变器/整流器)或者其他类型的负载的PffM控制的三电平变换器。第二变换器30也可以是二电平变换器。此外，例如还可以存在经由相同的DC中间电路连接至第一变换器10的多于一个的第二变换器30。如果至少一个第二变换器30是PffM控制的三电平变换器并且第二变换器30和第一变换器10的中性直流极如图3的示例中所示地连接在一起，则可以从第一变换器10中省略图2所示的平衡电阻Rl和R2，原因是第二变换器可以提供对中性直流极的电位的控制。图3未单独地示出可能的滤波器。例如，可以存在连接在第一变换器10与交流网络20之间的L滤波器。
[0050]在下文中，提供了关于当变换器10连接至三相交流网络20时图2的三相三电平变换器(或图3的第一变换器10)如何可以被控制的一些可能的实施例。图2的三相三电平变换器(或图3的第一变换器10)可以用作整流器和逆变器。
[0051]根据一个实施例，当变换器10用作整流器(并且因此功率从变换器的AC侧流至变换器的DC侧)时，所有开关支路当中的在其交流极AC1、AC2、AC3中具有最大正电压的开关支路的第三可控半导体开关S31、S32、S33、第四可控半导体开关S41、S42、S43以及第五可控半导体开关S51、S52、S53被控制成在上述开关支路在其交流极中具有最大正 电压时的整个时间段内不导通，而所有开关支路当中的在其交流极AC1、AC2、AC3中具有最负负电压(most negative)的开关支路中的第一可控半导体开关Sll、S12、S13、第二可控半导体开关S21、S22、S23以及第六可控半导体开关S61、S62、S63被控制成在上述开关支路在其交流极中具有最负负电压时的整个时间段内不导通。
[0052]换言之，在整流器操作中，所有开关支路当中总有一条开关支路一一即在其交流极AC1、AC2、AC3中具有最大正(最高)电压的开关支路——被控制成使得:只要上述开关支路在其交流极中具有最大正电压，则使第三可控半导体开关、第四可控半导体开关和第五可控半导体开关关断，借此上述开关支路中的第一二极管和第二二极管通过自然换流而导通，因此电流可以从上述开关支路的交流极传送到变换器的正直流极Udc+。
[0053]以类似的方式，在整流器操作中，所有开关支路当中总有一条开关支路一一即在其交流极AC1、AC2、AC3中具有最大负(最低)电压的开关支路被控制成使得:只要上述开关支路在其交流极中具有最负负电压，则使第一可控半导体开关、第二可控半导体开关以及第六可控半导体开关关断，借此上述开关支路中的第三二极管和第四二极管通过自然换流而导通，因此电流可以从变换器的负直流极Udc-传送至上述开关支路的交流极。
[0054]图4示出了根据实施例的整流器操作中的三电平变换器的开关支路中的电流路径。特别地，图4a)以虚线箭头示出了:当上述开关支路在其交流极AC中具有最大正电压时，电流如何经由该开关支路中的第一二极管Dl和第二二极管D2从交流极AC流至正直流极Udc+。以类似的方式，4b)以虚线箭头示出了:当上述开关支路在其交流极AC中具有最负负电压时，电流如何经由该开关支路的第三二极管D3和第四二极管D4从负直流极Udc-流至交流极AC。图6示出了在对应于图4的情形的整流器操作中的三电平变换器的开关支路中的一个AC周期内的AC电流(实线)和AC电压(虚线)波形的示例。
[0055]根据实施例，当变换器10用作逆变器(并且因此功率从变换器的DC侧流至变换器的AC侧)时，所有开关支路当中的在其交流极AC1、AC2、AC3中具有最大正电压的开关支路的第三可控半导体开关S31、S32、S33、第四可控半导体开关S41、S42、S43以及第五可控半导体开关S51、S52、S53被控制成在上述开关支路在其交流极中具有最大正电压时的整个时间段内不导通，并且所有开关支路当中的在其交流极AC1、AC2、AC3中具有最大正电压的开关支路中的第一可控半导体开关Sll、S12、S13和第二可控半导体开关S21、S22、S23被控制成在上述开关支路在其交流极中具有最大正电压时的时间段的至少一部分内导通。优选地，第二可控半导体开关被控制成在第一可控半导体开关之前导通，而第一可控半导体开关被控制成在第二可控半导体开关之前不导通。此外，所有开关支路当中的在其交流极AC1、AC2、AC3中具有最负负电压的开关支路的第一可控半导体开关Sll、S12、S13、第二可控半导体开关S21、S22、S23以及第六控半导体开关S61、S62、S63被控制成在上述开关支路在其交流极中具有最负负电压时的整个时间段内不导通，并且所有开关支路当中的在其交流极AC1、AC2、AC3中具有最负负电压的开关支路的第三可控半导体开关S31、S32、S33和第四可控半导体开关S41、S42、S43被控制成在上述开关支路在其交流极中具有最负负电压时的时间段的至少一部分内导通。优选地，第三可控半导体开关被控制成在第四可控半导体开关之前导通，而第四可控半导体开关被控制成在第三可控半导体开关之前不导通。
[0056]换言之，在其中功率从变换器的DC侧流至变换器的AC侧的逆变器操作中，所有开关支路当中总有一条开关支路——即在其交流极ACl、AC2、AC3中具有最大正电压的一条开关支路一一被控制成使得:只要上述开关支路在其交流极中具有最大正电压，则使第三可控半导体开关、第四可控半导体开关和第五可控半导体开关关断。另外，使上述开关支路的第一可控半导体开关和第二可控半导体开关在上述开关支路在其交流极中具有最大正电压时的时间段的至少一部分内被接通，借此电流可以通过上述开关支路的第一可控半导体开关和第二可控半导体开关从变换器的正直流极Udc+传送至上述开关支路的交流极。可以使上述开关支路中的第一可控半导体开关和第二可控半导体开关在上述开关支路在其交流极中具有最大正电压时的整个时间段内被接通，或者可以使上述开关支路中的第一可控半导体开关和第二可控半导体开关仅在上述开关支路在其交流极中具有最大正电压时的整个时间段的一部分内或比所述时间段长的时间段内被接通。具体地，可以使上述开关支路的第一可控半导体开关和第二可控半导体开关仅在以下这样的时间段内导通:该时间段是从变换器的DC侧向变换器的AC侧释放能量所需的并且该时间段可以小于上述开关支路在其交流极具有最大正电压时的时间段。还可以在稍微早于上述开关支路在其交流极中具有最大正电压之前使上述开关支路中的第一可控半导体开关和第二可控半导体开关被接通，这可以提高半导体开关之间的换流。在接通第一可控半导体开关和第二可控半导体开关时的这样的可能的时间提前可以是恒定的或者可以取决于系统的特性而变化。
[0057]以类似的方式，在逆变器操作中，所有开关支路当中总有一条开关支路一一即在其交流极AC1、AC2、AC3中具有最负负电压的一条开关支路被控制成使得:只要上述开关支路在其交流极中具有最负负电压，则使第一可控半导体开关、第二可控半导体开关以及第六可控半导体开关关断。另外，使上述开关支路的第三可控半导体开关和第四可控半导体开关在上述开关支路在其交流极中具有最负负电压的时间段的至少一部分内被接通，借此电流可以通过上述开关支路中的第三可控半导体开关和第四可控半导体开关从上述开关支路的交流极传送至变换器的负直流极Udc-。可以使上述开关支路中的第三可控半导体开关和第四可控半导体开关在上述开关支路在其交流极中具有最负负电压时的整个时间段内被接通，或者可以使上述开关支路中的第三可控半导体开关和第四可控半导体开关仅在上述开关支路在其交流极中具有最负负电压时的整个时间段的一部分内或比所述时间段长的时间段内被接通。具体地，可以使上述开关支路的第三可控半导体开关和第四可控半导体开关仅在以下这样的时间段内导通:该时间段是从变换器的DC侧向变换器的AC侧释放能量所必需的并且该时间段可以小于上述开关支路在其交流极中具有最负负电压时的时间段。还可以在稍微早于上述开关支路在其交流极中具有最负负电压之前使上述开关支路的第三可控半导体开关和第四可控半导体开关被接通，这可以提高半导体开关之间的换流。在接通第三可控半导体开关和第四可控半导体开关时的这样的可能的时间提前可以是恒定的或者可以取决于系统的特征而变化。
[0058]图5示出了根据实施例的在逆变器操作中三电平变换器的开关支路中的电流路径。具体地，图5a)以虚线箭头示出了:当上述开关支路在其交流电流极AC中具有最大正电压时，电流如何经由该开关支路的第一可控半导体开关SI和第二可控半导体开关S2从正直流极Udc+流至交流极AC。以类似的方式，图5b)以虚线箭头示出了:当上述开关支路在其交流极AC中具有最负负电压时，电流如从经由该开关支路中的第三可控半导体开关S3和第四可控半导体开关S4从交流极AC流至负直流极Udc-。图7示出了在对应于图5的情形的逆变器操作中三电平变换器中的开关支路中的一个AC周期的AC电流(实线)和AC电压(虚线)波形的示例。
[0059]根据一个实施例，当变换器根据本文所描述的任何实施例用作整流器时，所有开关支路当中的在其交流极AC1、AC2、AC3中具有最大正电压的开关支路的第一可控半导体开关Sll、S12、S13和第二可控半导体开关S21、S22、S23还可以被控制成在上述开关支路在其交流极中具有最大正电压时的整个时间段内导通。此外，所有开关支路当中的在其交流极AC1、AC2、AC3中具有最负负电压的开关支路的第三可控半导体开关S31、S32、S33和第四可控半导体开关S41、S42、S43还可以被控制成在上述开关支路在其交流极中具有最负负电压时的整个时间段内导通。该实施例提供了以下优点:不论功率流的方向如何，都以同步的方式保证电流路径。
[0060]根据一个实施例，当变换器根据本文所描述的任何实施例用作整流器时，所有开关支路当中的在其交流极AC1、AC2、AC3中具有最大正电压的开关支路的第六可控半导体开关S61、S62、S63还可以被控制成在上述开关支路在其交流极中具有最大正电压时的整个时间段内导通。这提供了以下优点:可以使在不导通的第三可控半导体开关、第三二极管、第四可控半导体开关和第四二极管上的电压应力成为平均值Udc/2，原因是中性直流极NP连接至这些部件之间的连接点。此外，所有开关支路当中的在其交流极AC1、AC2、AC3中具有最负负电压的开关支路的第五可控半导体开关S51、S52、S53还可以被控制成在上述开关支路在其交流极中具有最负负电压时的整个时间段内导通。这提供了以下优点:可以使在不导通的第一可控半导体开关、第一二极管、第二可控半导体开关和第二二极管上的电压应力成为平均值Udc/2，原因是中性直流极NP连接至这些部件之间的连接点。由于基本上不传送功率/电流，所以这样的电压平衡连接不改变中性直流极NP的电位。
[0061]根据一个实施例，当变换器根据本文所描述的任何实施例用作逆变器时，所有开关支路当中的在其交流极AC1、AC2、AC3中具有最大正电压的开关支路的第六可控半导体开关S61、S62、S63还可以被控制成在上述开关支路在其交流极中具有最大正电压时的整个时间段内导通。这提供了以下优点:可以使在不导通的第三可控半 导体开关、第三二极管、第四可控半导体开关和第四二极管上的电压应力成为平均值Udc/2，原因是中性直流极NP连接至这些部件之间的连接点。此外，所有开关支路当中的在其交流极AC1、AC2、AC3中具有最负负电压的开关支路的第五可控半导体开关S51、S52、S53还可以被控制成在上述开关支路在其交流极具有最负负电压时的整个时间段内导通。这提供了以下优点，可以使在不导通的第一可控半导体开关、第一二极管、第二可控半导体开关和第二二极管上的电压应力成为平均值Udc/2，原因是中性直流极NP连接至这些部件之间的连接点。由于基本上不传送功率/电流，所以这样的电压平衡连接不改变中性直流极NP的电位。
[0062]根据本文所描述的各种实施例的可控半导体开关的控制可以通过或经由控制装置100来执行。还可以使用用于执行各种实施例的控制功能的另外的或单独的逻辑或物理单元(未示出)。控制装置100优选地能够直接地或者经由诸如驱动电路的其他控制设备来控制可控半导体开关。此外，控制装置优选地直接或经由合适的测量装置来获得例如交流极的电压，以便执行各种实施例。
[0063]根据实施例中的任一实施例或其组合的用于控制可控半导体开关的控制装置100可以被实现为配置成实现各实施例的功能的两个或更多个单独的单元或者一个单元。此处，术语“单元”通常是指物理实体或逻辑实体，例如物理设备或其一部分或者软件例程。例如，根据实施例中的任一实施例的控制装置100可以至少部分地借助于设置有合适的软件的一个或更多个计算机或者相当的数字信号处理(DSP)装备来实现。这样的计算机或数字信号处理装备优选地至少包括提供用于算术运算的存储区域的工作存储器(RAM)和中央处理单元(CPU)例如通用数字信号处理器。CPU可以包括一组寄存器、算术逻辑单元和CPU控制单元。CPU控制单元通过从RAM传递至CPU的一系列程序指令而被控制。CPU控制单元可以包括许多用于基本运算的微指令。微指令的实现可以取决于CPU设计而变化。程序指令可以是通过编程语言而被编码的，所述程序语言可以是高级程序语言例如C、JaVa等或者低级编程语言例如机器语言或汇编语言。计算机还可以具有操作系统，该操作系统可以向利用程序指令编写的计算机程序提供系统服务。实现本发明或其一部分的计算机或其他装置还可以包括用于接收例如测量和/或控制数据的合适的输入装置以及用于输出例如控制数据的输出装置。还可以使用用于实现根据实施例中的任一实施例的功能的模拟电路、可编程逻辑器件(PLD)或者离散电气部件和设备。例如，根据实施例中的任一实施例的控制装置100可以至少部分地借助于这样的模拟电路或可编程逻辑设备来实现。
[0064]可以在现有的系统元件中或者可以通过独立的专用元件或设备以集中或分布的方式来实现本发明。本变换器例如可以包括可以在根据本发明的实施例的功能中利用的可编程逻辑器件或处理器以及存储器。因此，例如在现有变换器中实现本发明的实施例所需的所有修改和配置可以被执行为软件例程，该软件例程可以被实现为增加的或升级的软件例程。如果本发明的功能的至少一部分通过软件来实现，则这样的软件可以被提供为包括计算机程序代码的计算机程序产品，该计算机程序产品在计算机上运行时使计算机或对应的装置执行上述根据发明的功能。这样的计算机程序代码可以被存储或者通常被包含在从其中能够被加载到执行程序代码的一个单元或多个单元上的计算机可读介质(诸如例如闪速存储器或光学存储器的合适的存储器)上。另外，实现本发明的这样的计算机程序代码例如可以经由合适的数据网络加载到执行计算机程序代码的一个单元或多个单元上并且它可以替换或更新可能存在的程序代码。
[0065] 对于本领域技术人员而言明显的是，随着技术进步，本发明的基本构思可能会以各种方式来实现。因此，本发明及其实施例不限于上述示例，而是可以在权利要求的范围内变化。
【主权项】
1.一种三电平变换器，所述三电平变换器包括三条开关支路，每条开关支路包括:第一可控半导体开关(sil，S12，S13)和第二可控半导体开关(S21，S22，S23)，所述第一可控半导体开关(Sll，S12，S13)和所述第二可控半导体开关(S21，S22，S23)串联连接在所述变换器的正直流极(Udc+)与所述开关支路的交流极(AC1，AC2，AC3)之间，其中，所述第一可控半导体开关连接至所述变换器的所述正直流极； 第一二极管(D11，D12，D13)和第二二极管(D21，D22，D23)，所述第一二极管(D11，D12，D13)与所述第一可控半导体开关并联连接，所述第二二极管(D21，D22，D23)与所述第二可控半导体开关并联连接； 第三可控半导体开关(S31，S32，S33)和第四可控半导体开关(S41，S42，S43)，所述第三可控半导体开关(S31，S32，S33)和所述第四可控半导体开关(S41，S42，S43)串联连接在所述变换器的负直流极(Udc-)与所述开关支路的所述交流极(AC1，AC2，AC3)之间，其中，所述第四可控半导体开关连接至所述变换器的所述负直流极； 第三二极管(D31，D32，D33)和第四二极管(D41，D42，D43)，所述第三二极管(D31，D32，D33)与所述第三可控半导体开关并联连接，所述第四二极管(D41，D42，D43)与所述第四可控半导体开关并联连接； 第五可控半导体开关(S51，S52，S53)，所述第五可控半导体开关(S51，S52，S53)连接在所述变换器的中性直流极(NP)与所述第一可控半导体开关和所述第二可控半导体开关之间的连接点之间； 第六可控半导体开关(S61，S62，S63)，所述第六可控半导体开关(S61，S62，S63)连接在所述变换器的所述中性直流极(NP)与所述第三可控半导体开关和所述第四可控半导体开关之间的连接点之间；以及 第五二极管(D51，D52，D53)和第六二极管(D61，D62，D63)，所述第五二极管(D51，D52，D53)与所述第五可控半导体开关并联连接，所述第六二极管(D61，D62，D63)与所述第六可控半导体开关并联连接；以及 用于控制可控半导体开关的装置(100)，其中， a)用于控制可控半导体开关的所述装置(100)被配置成:当所述变换器(10)经由所述开关支路的所述交流极(AC1，AC2，AC3)连接至三相交流网络(20)并且所述变换器用作整流器时: 将所有开关支路当中的在其交流极(AC1，AC2，AC3)中具有最大正电压的开关支路的所述第三可控半导体开关(S31，S32，S33)、所述第四可控半导体开关(S41，S42，S43)和所述第五可控半导体开关(S51，S52，S53)控制成在上述开关支路在其交流极中具有最大正电压时的整个时间段内不导通；以及 将所有开关支路当中的在其交流极(AC1，AC2，AC3)中具有最负负电压的开关支路的所述第一可控半导体开关(Sll，S12，S13)、所述第二可控半导体开关(S21，S22，S23)和所述第六可控半导体开关(S61，S62，S63)控制成在上述开关支路在其交流极中具有最负负电压时的整个时间段内不导通， 并且其中， b)用于控制可控半导体开关的所述装置(100)被配置成:当所述变换器(10)经由所述开关支路的所述交流极(AC1，AC2，AC3)连接至三相交流网络(20)并且所述变换器用作逆变器时: 将所有开关支路当中的在其交流极(AC1，AC2，AC3)中具有最大正电压的开关支路的所述第三可控半导体开关(S31，S32，S33)、所述第四可控半导体开关(S41，S42，S43)和所述第五可控半导体开关(S51，S52，S53)控制成在上述开关支路在其交流极中具有最大正电压时的整个时间段内不导通；并且将所有开关支路当中的在其交流极(AC1，AC2，AC3)中具有最大正电压的开关支路的所述第一可控半导体开关(Sll，S12，S13)和所述第二可控半导体开关(S21，S22，S23)控制成在上述开关支路在其交流极中具有最大正电压时的时间段的至少一部分内导通；以及 将所有开关支路当中的在其交流极(AC1，AC2，AC3)中具有最负负电压的开关支路的所述第一可控半导体开关(Sll，S12，S13)、所述第二可控半导体开关(S21，S22，S23)和所述第六可控半导体开关(S61，S62，S63)控制成在上述开关支路在其交流极中具有最负负电压时的整个时间段内不导通，并且将所有开关支路当中的在其交流极(AC1，AC2，AC3)中具有最负负电压的开关支路的所述第三可控半导体开关(S31，S32，S33)和所述第四可控半导体开关(S41，S42，S43)控制成在上述开关支路在其交流极中具有最负负电压时的时间段的至少一部分内导通。2.根据权利要求1所述的三电平变换器，其中，按照备选方案a)，用于控制可控半导体开关的所述装置(100)还被配置成: 将所有开关支路当中的在其交流极(AC1，AC2，AC3)中具有最大正电压的所述开关支路的所述第一可控半导体开关(Sll，S12，S13)和所述第二可控半导体开关的(S21，S22，S23)控制成在上述开关支路在其交流极中具有最大正电压时的整个时间段内导通；以及 将所有开关支路当中的在其交流极(AC1，AC2，AC3)中具有最负负电压的开关支路的所述第三可控半导体开关(S31，S32，S33)和所述第四可控半导体开关(S41，S42，S43)控制成在上述开关支路在其交流极中具有最负负电压时的整个时间段内导通。3.根据权利要求1或2所述的三电平变换器，其中，按照备选方案a)，用于控制可控半导体开关的所述装置(100)还被配置成: 将所有开关支路当中的在其交流极(AC1，AC2，AC3)中具有最大正电压的开关支路的所述第六可控半导体开关(S61，S62，S63)控制成在上述开关支路在其交流极中具 有最大正电压时的整个时间段内导通；以及 将所有开关支路当中的在其交流极(AC1，AC2，AC3)中具有最负负电压的开关支路的所述第五可控半导体开关(S51，S52，S53)控制成在当上述开关支路在其交流极中具有最负负电压时的整个时间段内导通。4.根据权利要求1所述的三电平变换器，其中，根据备选方案b)，用于控制可控半导体开关的所述装置(100)还被配置成: 将所有开关支路当中的在其交流极(AC1，AC2，AC3)中具有最大正电压的开关支路的所述第六可控半导体开关(S61，S62，S63)控制成在上述开关支路在其交流极中具有最大正电压时的整个时间段内导通；以及 将所有开关支路当中的在其交流极(AC1，AC2，AC3)中具有最负负电压的开关支路的所述第五可控半导体开关(S51，S52，S53)控制成在上述开关支路在其交流极中具有最负负电压时的整个时间段内导通。5.根据权利1或4所述的三电平变换器，其中，根据替选方案b)，用于控制可控半导体开关的所述装置(100)还被配置成: 将所述第二可控半导体开关(S21，S22，S23)控制成在所述第一可控半导体开关(S11，S12，S13)之前导通，并且将所述第一可控半导体开关控制成在所述第二可控半导体开关之前不导通；以及 将所述第三可控半导体开关(S31，S32，S33)控制成在所述第四可控半导体开关(S41，S42，S43)之前导通，并且将所述第四可控半导体开关控制成在所述第三可控半导体开关之前不导通。6.一种用于控制包括三条开关支路的三电平变换器的方法，每条开关支路包括: 第一可控半导体开关(Sll，S12，S13)和第二可控半导体开关(S21，S22，S23)，所述第一可控半导体开关(Sll，S12，S13)和所述第二可控半导体开关(S21，S22，S23)串联连接在所述变换器的正直流极(Udc+)与所述开关支路的交流极(AC1，AC2，AC3)之间，其中，所述第一可控半导体开关连接至所述变换器的所述正直流极； 第一二极管(D11，D12，D13)和第二二极管(D21，D22，D23)，所述第一二极管(D11，D12，D13)与所述第一可控半导体开关并联连接，所述第二二极管(D21，D22，D23)与所述第二可控半导体开关并联连接； 第三可控半导体开关(S31，S32，S33)和第四可控半导体开关(S41，S42，S43)，所述第三可控半导体开关(S31，S32，S33)和所述第四可控半导体开关(S41，S42，S43)串联连接在所述变换器的负直流极(Udc-)与所述开关支路的所述交流极(AC1，AC2，AC3)之间，其中，所述第四可控半导体开关连接至所述变换器的所述负直流极； 第三二极管(D31，D32，D33)和第四二极管(D41，D42，D43)，所述第三二极管(D31，D32，D33)与所述第三可控半导体开关并联连接，所述第四二极管(D41，D42，D43)与所述第四可控半导体开关并联连接； 第五可控半导体开关(S51，S52，S53)，所述第五可控半导体开关(S51，S52，S53)连接在所述变换器的中性直流极(NP)与所述第一可控半导体开关和所述第二可控半导体开关之间的连接点之间； 第六可控半导体开关(S61，S62，S63)，所述第六可控半导体开关(S61，S62，S63)连接在所述变换器的所述中性直流极(NP)与所述第三可控半导体开关和所述第四可控半导体开关之间的连接点之间；以及 第五二极管(D51，D52，D53)和第六二极管(D61，D62，D63)，所述第五二极管(D51，D52，D53)与所述第五可控半导体开关并联连接，所述第六二极管(D61，D62，D63)与所述第六可控半导体开关并联连接，其中，所述方法包括: a)当所述变换器(10)经由所述开关支路的所述交流极(AC1，AC2，AC3)连接至三相交流网络(20)并且所述变换器用作整流器时: 将所有开关支路当中的在其交流极(AC1，AC2，AC3)中具有最大正电压的开关支路的所述第三可控半导体开关(S31，S32，S33)、所述第四可控半导体开关(S41，S42，S43)和所述第五可控半导体开关(S51，S52，S53)控制成在上述开关支路在其交流极中具有最大正电压时的整个时间段内不导通；以及 将所有开关支路中的在其交流极(AC1，AC2，AC3)中具有最负负电压的开关支路的所述第一可控半导体开关(Sll，S12，S13)、所述第二可控半导体开关(S21，S22，S23)和所述第六可控半导体开关(S61，S62，S63)控制成在上述开关支路在其交流极中具有最负负电压时的整个时间段内不导通，以及 b)当所述变换器(10)经由所述开关支路的所述交流极(AC1，AC2，AC3)连接至三相交流网络(20)并且所述变换器用作逆变器时: 将所有开关支路当中的在其交流极(AC1，AC2，AC3)中具有最大正电压的开关支路的所述第三可控半导体开关(S31，S32，S33)、所述第四可控半导体开关(S41，S42，S43)和所述第五可控半导体开关(S51，S52，S53)控制成在当上述开关支路在其交流极中具有最大正电压时的整个时间段内不导通；并且将所有开关支路当中的在其交流极(AC1，AC2，AC3)中具有最大正电压的开关支路的所述第一可控半导体开关(Sll，S12，S13)和所述第二可控半导体开关(S21，S22，S23)控制成在上述开关支路在其交流极中具有最大正电压时的时间段的至少一部分内导通；以及 将所有开关支路当中的在其交流极(AC1，AC2，AC3)中具有最负负电压的开关支路的所述第一可控半导体开关(Sll，S12，S13)、所述第二可控半导体开关(S21，S22，S23)和所述第六可控半导体开关(S61，S62，S63)控制成在上述开关支路在其交流极中具有最负负电压时的整个时间段内不导通，并且将所有开关支路当中的在其交流极(AC1，AC2，AC3)中具有最负负电压的开关支路的所述第三可控半导体开关(S31，S32，S33)和所述第四可控半导体开关(S41，S42，S43)控制成在上述开关支路在其交流极中具有最负负电压时的时间段的至少一部分内导通。7.根据权利要求6所述的方法，其中，按照备选方案a)，所述方法还包括: 将所有开关支路当中的在其交流极(AC1，AC2，AC3)中具有最大正电压的所述开关支路的所述第一可控半导体开关(Sll，S12，S13)和所述第二可控半导体开关的(S21，S22，S23)控制成在上述开关支路在其交流极中具有最大正电压时的整个时间段内导通；以及将所有开关支路当中的在其交流极(AC1，AC2，AC3)中具有最负负电压的开关支路的所述第三可控半导体开关(S31，S32，S33)和所述第四可控半导体开关(S41，S42，S43)控制成在上述开关支路在其交流极中具有最负负电压时的整个时间段内导通。8.根据权利要求6或7所述的方法，按照备选方案a)，所述方法还包括: 将所有开关支路当中的在其交流极(AC1，AC2，AC3)中具有最大正电压的开关支路的所述第六可控半导体开关(S61，S62，S63)控制成在上述开关支路在其交流极中具有最大正电压时的整个时间段内导通；以及 将所有开关支路当中的在其交流极(AC1，AC2，AC3)中具有最负负电压的开关支路的所述第五可控半导体开关(S51，S52，S53)控制成在上述开关支路在其交流极中具有最负负电压时的整个时间段内导通。9.根据权利要求6所述的方法，其中，按照备选方案b)，所述方法还包括: 将所有开关支路当中的在其交流极(AC1，AC2，AC3)中具有最大正电压的开关支路的所述第六可控半导体开关(S61，S62，S63)控制成在上述开关支路在其交流极中具有最大正电压时的整个时间段内导通；以及 将所有开关支路当中的在其交流极(AC1，AC2，AC3)中具有最负负电压的开关支路的所述第五可控半导体开关(S51，S52，S53)控制成在上述开关支路在其交流极中具有最负负电压时的整个时间段内导通。10.根据权利要求6或9所述的方法，其中，按照备选方案b)， 将所述第二可控半导体开关(S21，S22，S23)控制成在所述第一可控半导体开关(S11，S12，S13)之前导通，并且将所述第一可控半导体开关控制成在所述第二可控半导体开关之前不导通；以及 将所述第三可控半导体开关(S31，S32，S33)控制成在所述第四可控半导体开关(S41，S42，S43)之前导通，并且将所述第四可控半导体开关控制成在所述第三可控半导体开关之前不导通。
【专利摘要】提供了一种三电平变换器和用于控制三电平变换器的方法，其中，所有开关支路当中的在其交流极(AC1，AC2，AC3)中具有最大正电压的开关支路的第三可控半导体开关(S31，S32，S33)、第四可控半导体开关(S41，S42，S43)和第五可控半导体开关(S51，S52，S53)被控制成在上述开关支路在其交流极中具有最大正电压时的整个时间段内不导通，而所有开关支路当中的在其交流极(AC1，AC2，AC3)中具有最负负电压的开关支路中的第一可控半导体开关(S11，S12，S13)、第二可控半导体开关(S21，S22，S23)和第六可控半导体开关(S61，S62，S63)被控制成在上述开关支路在其交流极中具有最负负电压时的整个时间段内不导通。
【IPC分类】H02M7/483, H02M7/217
【公开号】CN105490569
【申请号】CN201510639124
【发明人】泰勒·维塔宁
【申请人】Abb技术有限公司
【公开日】2016年4月13日
【申请日】2015年9月29日
【公告号】EP3002867A1, EP3002867A9, US20160099654
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种三电平变换器，并且涉及用于控制三电平变换器的方法。
【背景技术】
[0002]三电平变换器是具有三个DC(直流)极的变换器。除了正DC极和负DC极以外，三电平变换器具有中性DC极。在下述文献中给出了三电平中点钳位变换器的不例:T.Brilckner, S.Bernet 和 H.Gilldner, “The Active NPC Converter and ItsLoss-balancing Control”, IEEE工业电子学汇刊,第52卷，第3期，2005年6月。特别地，给出了有源三电平中点钳位(ANPC)变换器的示例。
[0003]图1示出了有源三电平中点钳位变换器的开关支路的主要电路的示例。开关支路包括六个二极管D1至D6以及六个可控半导体开关S1到S6。因此，三个DC极Udc+、Udc_、NP中的任何极可以借助于可控半导体开关S1至S6以及二极管D1至D6来连接至开关支路的AC(交流)极。包括一个或更多条开关支路的变换器(如图1的变换器)可以用作整流器或逆变器。可控半导体开关S1至S6则是根据所使用的控制或调制方案而被控制的。
[0004]通常，ANPC变换器是利用各种PWM (脉冲宽度调制)方法来控制的，在PWM方法中，以脉冲方式将每个有源半导体开关控制成导通状态。这样的脉冲的长度根据控制方法而变化，使得例如，向变换器的AC输出提供所需的平均电压。当用作电源逆变器时，这种PWM变换器通常需要LCL滤波器，该LCL滤波器滤除PWM频率信号，但使实际有效的信号(即基频信号)通过。在这种情况下，所得到的主电流和主电压基本上是近似正弦的。ANPC变换器可以将功率从DC电路传递至AC网络(即用作逆变器)或者可以将功率从AC网络传递至DC电路(即用作整流器)。由于ANPC变换器可以提供去往中性DC极的电流路径，所以可能存在以下情况:如果进入中性DC极的总电流偏离零，则中性DC极的电位可能会偏移。结果，例如可能需要利用单独的调节电路和/或算法来使中性DC极的电位平衡。
[0005]关于上述基于PWM控制的方案的问题在于它需要使用LCL滤波器和复杂的调节电路来控制中性DC极的电位，这使该方案变得较复杂并且潜在地变得较昂贵。
【发明内容】
[0006]本发明的目的是提供一种方法和一种用于实现该方法的装置，以解决或至少缓解上述问题。本发明的目的通过一种三电平变换器和控制三电平变换器的方法来达到。
[0007]根据本发明的一个方面，提供了一种三电平变换器，所述三电平变换器包括三条开关支路，每条开关支路包括:
[0008]-第一可控半导体开关(Sll，S12，S13)和第二可控半导体开关(S21，S22，S23)，所述第一可控半导体开关(sil，S12，S13)和所述第二可控半导体开关(S21，S22，S23)串联连接在所述变换器的正直流极(Udc+)与所述开关支路的交流极(AC1，AC2，AC3)之间，其中，所述第一可控半导体开关连接至所述变换器的所述正直流极；
[0009]-第一二极管(Dll，D12，D13)和第二二极管(D21，D22，D23)，所述第一二极管(D11，D12，D13)与所述第一可控半导体开关并联连接，所述第二二极管(D21，D22，D23)与所述第二可控半导体开关并联连接；
[0010]-第三可控半导体开关(S31，S32，S33)和第四可控半导体开关(S41，S42，S43)，所述第三可控半导体开关(S31，S32，S33)和所述第四可控半导体开关(S41，S42，S43)串联连接在所述变换器的负直流极(Udc-)与所述开关支路的所述交流极(AC1，AC2，AC3)之间，其中，所述第四可控半导体开关连接至所述变换器的所述负直流极；
[0011]-第三二极管(D31，D32，D33)和第四二极管(D41，D42，D43)，所述第三二极管(D31，D32，D33)与所述第三可控半导体开关并联连接，所述第四二极管(D41，D42，D43)与所述第四可控半导体开关并联连接；
[0012]-第五可控半导体开关(S51，S52，S53)，所述第五可控半导体开关(S51，S52，S53)连接在所述变换器的中性直流极(NP)与所述第一可控半导体开关和所述第二可控半导体开关之间的连接点之间；
[0013]-第六可控半导体开关(S61，S62，S63)，所述第六可控半导体开关(S61，S62，S63)连接在所述变换器的所述中性直流极(NP)与所述第三可控半导体开关和所述第四可控半导体开关之间的连接点之间；以及
[0014]-第五二极管(D51，D52，D53)和第六二极管(D61，D62，D63)，所述第五二极管(D51，D52，D53)与所述第五可控半导体开关并联连接，所述第六二极管(D61，D62，D63)与所述第六可控半导体开关并联连接；以及
[0015]-用于控制可控半导体开关的装置(100)，其中，
[0016]a)用于控制可控半导体开关的所述装置(100)被配置成:当所述变换器(10)经由所述开关支路的所述交流极(AC1，AC2，AC3)连接至三相交流网络(20)并且所述变换器用作整流器时:
[0017]将所有开关支路当中的在其交流极(AC1，AC2，AC3)中具有最大正电压的开关支路的所述第三可控半导体开关(S31，S32，S33)、所述第四可控半导体开关(S41，S42，S43)和所述第五可控半导体开关(S51，S52，S53)控制成在上述开关支路在其交流极中具有最大正电压时的整个时间段内不导通；以及
[0018]将所有开关支路当中的在其交流极(AC1，AC2，AC3)中具有最负负电压的开关支路的所述第一可控半导体开关(Sll，S12，S13)、所述第二可控半导体开关(S21，S22，S23)和所述第六可控半导体开关(S61，S62，S63)控制成在上述开关支路在其交流极中具有最负负电压时的整个时间段内不导通，
[0019]并且其中，
[0020]b)用于控制可控半导体开关的所述装置(100)被配置成:当所述变换器(10)经由所述开关支路的所述交流极(AC1，AC2，AC3)连接至三相交流网络(20)并且所述变换器用作逆变器时:
[0021]将所有开关支路当中的在其交流极(AC1，AC2，AC3)中具有最大正电压的开关支路的所述第三可控半导体开关(S31，S32，S33)、所述第四可控半导体开关(S41，S42，S43)和所述第五可控半导体开关(S51，S52，S53)控制成在上述开关支路在其交流极中具有最大正电压时的整个时间段内不导通；并且将所有开关支路当中的在其交流极(AC1，AC2，AC3)中具有最大正电压的开关支路的所述第一可控半导体开关(Sll，S12，S13)和所述第二可控半导体开关(S21，S22，S23)控制成在上述开关支路在其交流极中具有最大正电压时的时间段的至少一部分内导通；以及
[0022]将所有开关支路当中的在其交流极(AC1，AC2，AC3)中具有最负负电压的开关支路的所述第一可控半导体开关(Sll，S12，S13)、所述第二可控半导体开关(S21，S22，S23)和所述第六可控半导体开关(S61，S62，S63)控制成在上述开关支路在其交流极中具有最负负电压时的整个时间段内不导通，并且将所有开关支路当中的在其交流极(AC1，AC2，AC3)中具有最负负电压的开关支路的所述第三可控半导体开关(S31，S32，S33)和所述第四可控半导体开关(S41，S42，S43)控制成在上述开关支路在其交流极中具有最负负电压时的时间段的至少一部分内导通。
[0023]根据本发明的另一个方面，提供了一种用于控制包括三条开关支路的三电平变换器的方法，每条开关支路包括:
[0024]-第一可控半导体开关(Sll，S12，S13)和第二可控半导体开关(S21，S22，S23)，所述第一可控半导体开关(sil，S12，S13)和所述第二可控半导体开关(S21，S22，S23)串联连接在所述变换器的正直流极(Udc+)与所述开关支路的交流极(AC1，AC2，AC3)之间，其中，所述第一可控半导体开关连接至所述变换器的所述正直流极；
[0025]-第一二极管(Dll，D12，D13)和第二二极管(D21，D22，D23)，所述第一二极管(D11，D12，D13)与所述第一可控半导体开关并联连接，所述第二二极管(D21，D22，D23)与所述第二可控半导体开关并联连接；
[0026]-第三可控半导体开关(S31，S32，S33)和第四可控半导体开关(S41，S42，S43)，所述第三可控半导体开关(S31，S32，S33)和所述第四可控半导体开关(S41，S42，S43)串联连接在所述变换器的负直流极(Udc-)与所述开关支路的所述交流极(AC1，AC2，AC3)之间，其中，所述第四可控半导体开关连接至所述变换器的所述负直流极；
[0027]-第三二极管(D31，D32，D33)和第四二极管(D41，D42，D43)，所述第三二极管(D31，D32，D33)与所述第三可控半导体开关并联连接，所述第四二极管(D41，D42，D43)与所述第四可控半导体开关并联连接；
[0028]-第五可控半导体开关(S51，S52，S53)，所述第五可控半导体开关(S51，S52，S53)连接在所述变换器的中性直流极(NP)与所述第一可控半导体开关和所述第二可控半导体开关之间的连接点之间；
[0029]第六可控半导体开关(S61，S62，S63) ，所述第六可控半导体开关(S61，S62，S63)连接在所述变换器的所述中性直流极(NP)与所述第三可控半导体开关和所述第四可控半导体开关之间的连接点之间；以及
[0030]-第五二极管(D51，D52，D53)和第六二极管(D61，D62，D63)，所述第五二极管(D51，D52，D53)与所述第五可控半导体开关并联连接，所述第六二极管(D61，D62，D63)与所述第六可控半导体开关并联连接，其中，所述方法包括:
[0031]a)当所述变换器(10)经由所述开关支路的所述交流极(AC1，AC2，AC3)连接至三相交流网络(20)并且所述变换器用作整流器时:
[0032]将所有开关支路当中的在其交流极(AC1，AC2，AC3)中具有最大正电压的开关支路的所述第三可控半导体开关(S31，S32，S33)、所述第四可控半导体开关(S41，S42，S43)和所述第五可控半导体开关(S51，S52，S53)控制成在上述开关支路在其交流极中具有最大正电压时的整个时间段内不导通；以及
[0033]将所有开关支路中的在其交流极(AC1，AC2，AC3)中具有最负负电压的开关支路的所述第一可控半导体开关(Sll，S12，S13)、所述第二可控半导体开关(S21，S22，S23)和所述第六可控半导体开关(S61，S62，S63)控制成在上述开关支路在其交流极中具有最负负电压时的整个时间段内不导通，以及
[0034]b)当所述变换器(10)经由所述开关支路的所述交流极(AC1，AC2，AC3)连接至三相交流网络(20)并且所述变换器用作逆变器时:
[0035]将所有开关支路当中的在其交流极(ACl，AC2，AC3)中具有最大正电压的开关支路的所述第三可控半导体开关(S31，S32，S33)、所述第四可控半导体开关(S41，S42，S43)和所述第五可控半导体开关(S51，S52，S53)控制成在当上述开关支路在其交流极中具有最大正电压时的整个时间段内不导通；并且将所有开关支路当中的在其交流极(AC1，AC2，AC3)中具有最大正电压的开关支路的所述第一可控半导体开关(Sll，S12，S13)和所述第二可控半导体开关(S21，S22，S23)控制成在上述开关支路在其交流极中具有最大正电压时的时间段的至少一部分内导通；以及
[0036]将所有开关支路当中的在其交流极(ACl，AC2，AC3)中具有最负负电压的开关支路的所述第一可控半导体开关(Sll，S12，S13)、所述第二可控半导体开关(S21，S22，S23)和所述第六可控半导体开关(S61，S62，S63)控制成在上述开关支路在其交流极中具有最负负电压时的整个时间段内不导通，并且将所有开关支路当中的在其交流极(AC1，AC2，AC3)中具有最负负电压的开关支路的所述第三可控半导体开关(S31，S32，S33)和所述第四可控半导体开关(S41，S42，S43)控制成在上述开关支路在其交流极中具有最负负电压时的时间段的至少一部分内导通。
[0037]本发明基于以下构思:不论是用作整流器还是用作逆变器，控制ANPC变换器使得变换器的AC极仅有源地连接至正DC极和负DC极，而决不连接至中性DC极。
[0038]本发明的方案提供了以下优点:可以避免使用单独的调节电路来使中性DC极的电位平衡，取而代之在必要时可以替代地使用简单的平衡电阻器。另外，不需要LCL滤波器，但可以替代地使用简单的L滤波器。
【附图说明】
[0039]现在将参照附图并且结合优选实施例来对本发明进行更详细的说明，其中:
[0040]图1示出了根据实施例的三电平变换器的开关支路的电路图；
[0041]图2示出了根据实施例的三相三电平变换器的主要电路的电路图；
[0042]图3示出了根据实施例的变换器系统的框图；
[0043]图4(a)和4(b)示出了根据实施例的在整流器操作中的三电平变换器的开关支路中的电流路径；
[0044]图5(a)和5(b)示出了根据实施例的在逆变器操作中的三电平变换器的开关支路中的电流路径；
[0045]图6示出了根据实施例的三电平变换器的整流器操作中的电流波形和电压波形的示例；以及
[0046]图7示出了根据实施例的三电平变换器的逆变器操作中的电流波形和电压波形的示例。
【具体实施方式】
[0047]本发明的应用不限于任何特定的系统，而是可以应用于各种电气系统。此外，本发明的使用不限于利用特定基本频率的任何系统或者任何特定电压电平。
[0048]图2示出了根据实施例的三相三电平变换器的主要电路的电路图。应当指出的是，附图仅呈现对于理解本发明所必需的元件。变换器包括三条开关支路，一条开关支路用于三相中的一相。这样的变换器可以用作整流器以及可以用作逆变器。图2的变换器是ANPC变换器并且包括正直流极Udc+、负直流极Udc-和中性直流极NP。变换器中的每条开关支路包括交流极AC1、AC2、AC3。此外，变换器的每条开关支路包括串联连接在变换器的正直流极Udc+与开关支路的交流极AC1、AC2、AC3之间的第一可控半导体开关Sll、S12、S13和第二可控半导体开关S21、S22、S23，其中，第一可控半导体开关Sll、S12、S13连接至正直流极Udc+。在每条开关支路中，第一二极管D11、D12、D13与第一可控半导体开关S11、S12、S13并联连接，并且第二二极管D21、D22、D23与第二可控半导体开关S21、S22、S23并联连接。此外，每条开关支路包括串联连接在变换器的负直流极Udc-与开关支路的交流极AC1、AC2、AC3之间的第三可控半导体开关S31、S32、S33和第四可控半导体开关S41、S42、S43，其中，第四可控半导体开关S41、S42、S43连接至负直流极Udc-。在每条开关支路中，第三二极管D31、D32、D33与第三可控半导体开关S31、S32、S33并联连接，并且第四二极管D41、D42、D43与第四可控半导体开关S41、S42、S43并联连接。此外，变换器的每条开关支路包括第五可控半导体开关S51、S52、S53和第六可控半导体开关S61、S62、S63，该第五可控半导体开关S51、S52、S53连接在中性直流极NP与第一可控半导体开关Sll、S12、S13和第二可控半导体开关S21、S22、S23之间的连接点之间，该第六可控半导体开关S61、S62、S63连接在中性直流极NP与第三可控半导体开关S31、S32、S33和第四可控半导体开关S41、S42、S43之间的连接点之间。在每条开关支路中，第五二极管D51、D52、D53与第五可控半导体开关S51、S52、S53并联连接，并且第六二极管D61、D62、D63与第六可控半导体开关S61、S62、S63并联连接。可控半导体开关Sll至S63可以是IGBT(绝缘栅双极性晶体管)或FET(场效应晶体管)或者任何相当的可控半导体开关。图2还示出了经由其可以控制可控半导体开关Sll至S63的控制装置100。为清楚起见，例如，图2未示出控制装置100与可控半导体开关Sll至S63之间的控制连接。对可控半导体开关的控制可以涉及一个或更多个另外的控制部件。图2的示例性变换器还可以包括或连接至DC中间电路，该DC中间电路可以包括如所示出的连接在变换器的直流极之间的电容Cl和C2。电容C1、C2中的每个可以包括一个或更多个电容器。中间电路的结构也可以取决于所使用的电路配置而不同。此外，图2的示例性变换器可以包括或连接至如所示出的连接在变换器的直流极之间的用于使中性直流极NP的电位平衡的阻抗Rl和R2。阻抗Rl、R2的每一个可以包括一个或者更多个电阻器。合适的平衡阻抗Rl、R2的值取决于电路特性并且可以变化。
[0049]图3示出了示例性变换器系统的框图。图3的示例性系统包括第一变换器10，该第一变换器10与以上所描述的图2的三相三电平变换器对应。在该示例中，第一变换器10经由开关支路的交流极AC1、AC2、AC3连接至三相交流网络20，并且经由至少第一变换器的正直流极Udc+和负直流极Udc-以及包括电容Cl和C2的DC中间电路连接至第二变换器30。第一变换器10和第二变换器30还可以如图3的示例中所示的将其中性直流极NP连接在一起，只要它们二者具有这样的中性直流极即可。第二变换器30可以是驱动AC电机40 (因此用作逆变器或组合的逆变器/整流器)或者其他类型的负载的PffM控制的三电平变换器。第二变换器30也可以是二电平变换器。此外，例如还可以存在经由相同的DC中间电路连接至第一变换器10的多于一个的第二变换器30。如果至少一个第二变换器30是PffM控制的三电平变换器并且第二变换器30和第一变换器10的中性直流极如图3的示例中所示地连接在一起，则可以从第一变换器10中省略图2所示的平衡电阻Rl和R2，原因是第二变换器可以提供对中性直流极的电位的控制。图3未单独地示出可能的滤波器。例如，可以存在连接在第一变换器10与交流网络20之间的L滤波器。
[0050]在下文中，提供了关于当变换器10连接至三相交流网络20时图2的三相三电平变换器(或图3的第一变换器10)如何可以被控制的一些可能的实施例。图2的三相三电平变换器(或图3的第一变换器10)可以用作整流器和逆变器。
[0051]根据一个实施例，当变换器10用作整流器(并且因此功率从变换器的AC侧流至变换器的DC侧)时，所有开关支路当中的在其交流极AC1、AC2、AC3中具有最大正电压的开关支路的第三可控半导体开关S31、S32、S33、第四可控半导体开关S41、S42、S43以及第五可控半导体开关S51、S52、S53被控制成在上述开关支路在其交流极中具有最大正 电压时的整个时间段内不导通，而所有开关支路当中的在其交流极AC1、AC2、AC3中具有最负负电压(most negative)的开关支路中的第一可控半导体开关Sll、S12、S13、第二可控半导体开关S21、S22、S23以及第六可控半导体开关S61、S62、S63被控制成在上述开关支路在其交流极中具有最负负电压时的整个时间段内不导通。
[0052]换言之，在整流器操作中，所有开关支路当中总有一条开关支路一一即在其交流极AC1、AC2、AC3中具有最大正(最高)电压的开关支路——被控制成使得:只要上述开关支路在其交流极中具有最大正电压，则使第三可控半导体开关、第四可控半导体开关和第五可控半导体开关关断，借此上述开关支路中的第一二极管和第二二极管通过自然换流而导通，因此电流可以从上述开关支路的交流极传送到变换器的正直流极Udc+。
[0053]以类似的方式，在整流器操作中，所有开关支路当中总有一条开关支路一一即在其交流极AC1、AC2、AC3中具有最大负(最低)电压的开关支路被控制成使得:只要上述开关支路在其交流极中具有最负负电压，则使第一可控半导体开关、第二可控半导体开关以及第六可控半导体开关关断，借此上述开关支路中的第三二极管和第四二极管通过自然换流而导通，因此电流可以从变换器的负直流极Udc-传送至上述开关支路的交流极。
[0054]图4示出了根据实施例的整流器操作中的三电平变换器的开关支路中的电流路径。特别地，图4a)以虚线箭头示出了:当上述开关支路在其交流极AC中具有最大正电压时，电流如何经由该开关支路中的第一二极管Dl和第二二极管D2从交流极AC流至正直流极Udc+。以类似的方式，4b)以虚线箭头示出了:当上述开关支路在其交流极AC中具有最负负电压时，电流如何经由该开关支路的第三二极管D3和第四二极管D4从负直流极Udc-流至交流极AC。图6示出了在对应于图4的情形的整流器操作中的三电平变换器的开关支路中的一个AC周期内的AC电流(实线)和AC电压(虚线)波形的示例。
[0055]根据实施例，当变换器10用作逆变器(并且因此功率从变换器的DC侧流至变换器的AC侧)时，所有开关支路当中的在其交流极AC1、AC2、AC3中具有最大正电压的开关支路的第三可控半导体开关S31、S32、S33、第四可控半导体开关S41、S42、S43以及第五可控半导体开关S51、S52、S53被控制成在上述开关支路在其交流极中具有最大正电压时的整个时间段内不导通，并且所有开关支路当中的在其交流极AC1、AC2、AC3中具有最大正电压的开关支路中的第一可控半导体开关Sll、S12、S13和第二可控半导体开关S21、S22、S23被控制成在上述开关支路在其交流极中具有最大正电压时的时间段的至少一部分内导通。优选地，第二可控半导体开关被控制成在第一可控半导体开关之前导通，而第一可控半导体开关被控制成在第二可控半导体开关之前不导通。此外，所有开关支路当中的在其交流极AC1、AC2、AC3中具有最负负电压的开关支路的第一可控半导体开关Sll、S12、S13、第二可控半导体开关S21、S22、S23以及第六控半导体开关S61、S62、S63被控制成在上述开关支路在其交流极中具有最负负电压时的整个时间段内不导通，并且所有开关支路当中的在其交流极AC1、AC2、AC3中具有最负负电压的开关支路的第三可控半导体开关S31、S32、S33和第四可控半导体开关S41、S42、S43被控制成在上述开关支路在其交流极中具有最负负电压时的时间段的至少一部分内导通。优选地，第三可控半导体开关被控制成在第四可控半导体开关之前导通，而第四可控半导体开关被控制成在第三可控半导体开关之前不导通。
[0056]换言之，在其中功率从变换器的DC侧流至变换器的AC侧的逆变器操作中，所有开关支路当中总有一条开关支路——即在其交流极ACl、AC2、AC3中具有最大正电压的一条开关支路一一被控制成使得:只要上述开关支路在其交流极中具有最大正电压，则使第三可控半导体开关、第四可控半导体开关和第五可控半导体开关关断。另外，使上述开关支路的第一可控半导体开关和第二可控半导体开关在上述开关支路在其交流极中具有最大正电压时的时间段的至少一部分内被接通，借此电流可以通过上述开关支路的第一可控半导体开关和第二可控半导体开关从变换器的正直流极Udc+传送至上述开关支路的交流极。可以使上述开关支路中的第一可控半导体开关和第二可控半导体开关在上述开关支路在其交流极中具有最大正电压时的整个时间段内被接通，或者可以使上述开关支路中的第一可控半导体开关和第二可控半导体开关仅在上述开关支路在其交流极中具有最大正电压时的整个时间段的一部分内或比所述时间段长的时间段内被接通。具体地，可以使上述开关支路的第一可控半导体开关和第二可控半导体开关仅在以下这样的时间段内导通:该时间段是从变换器的DC侧向变换器的AC侧释放能量所需的并且该时间段可以小于上述开关支路在其交流极具有最大正电压时的时间段。还可以在稍微早于上述开关支路在其交流极中具有最大正电压之前使上述开关支路中的第一可控半导体开关和第二可控半导体开关被接通，这可以提高半导体开关之间的换流。在接通第一可控半导体开关和第二可控半导体开关时的这样的可能的时间提前可以是恒定的或者可以取决于系统的特性而变化。
[0057]以类似的方式，在逆变器操作中，所有开关支路当中总有一条开关支路一一即在其交流极AC1、AC2、AC3中具有最负负电压的一条开关支路被控制成使得:只要上述开关支路在其交流极中具有最负负电压，则使第一可控半导体开关、第二可控半导体开关以及第六可控半导体开关关断。另外，使上述开关支路的第三可控半导体开关和第四可控半导体开关在上述开关支路在其交流极中具有最负负电压的时间段的至少一部分内被接通，借此电流可以通过上述开关支路中的第三可控半导体开关和第四可控半导体开关从上述开关支路的交流极传送至变换器的负直流极Udc-。可以使上述开关支路中的第三可控半导体开关和第四可控半导体开关在上述开关支路在其交流极中具有最负负电压时的整个时间段内被接通，或者可以使上述开关支路中的第三可控半导体开关和第四可控半导体开关仅在上述开关支路在其交流极中具有最负负电压时的整个时间段的一部分内或比所述时间段长的时间段内被接通。具体地，可以使上述开关支路的第三可控半导体开关和第四可控半导体开关仅在以下这样的时间段内导通:该时间段是从变换器的DC侧向变换器的AC侧释放能量所必需的并且该时间段可以小于上述开关支路在其交流极中具有最负负电压时的时间段。还可以在稍微早于上述开关支路在其交流极中具有最负负电压之前使上述开关支路的第三可控半导体开关和第四可控半导体开关被接通，这可以提高半导体开关之间的换流。在接通第三可控半导体开关和第四可控半导体开关时的这样的可能的时间提前可以是恒定的或者可以取决于系统的特征而变化。
[0058]图5示出了根据实施例的在逆变器操作中三电平变换器的开关支路中的电流路径。具体地，图5a)以虚线箭头示出了:当上述开关支路在其交流电流极AC中具有最大正电压时，电流如何经由该开关支路的第一可控半导体开关SI和第二可控半导体开关S2从正直流极Udc+流至交流极AC。以类似的方式，图5b)以虚线箭头示出了:当上述开关支路在其交流极AC中具有最负负电压时，电流如从经由该开关支路中的第三可控半导体开关S3和第四可控半导体开关S4从交流极AC流至负直流极Udc-。图7示出了在对应于图5的情形的逆变器操作中三电平变换器中的开关支路中的一个AC周期的AC电流(实线)和AC电压(虚线)波形的示例。
[0059]根据一个实施例，当变换器根据本文所描述的任何实施例用作整流器时，所有开关支路当中的在其交流极AC1、AC2、AC3中具有最大正电压的开关支路的第一可控半导体开关Sll、S12、S13和第二可控半导体开关S21、S22、S23还可以被控制成在上述开关支路在其交流极中具有最大正电压时的整个时间段内导通。此外，所有开关支路当中的在其交流极AC1、AC2、AC3中具有最负负电压的开关支路的第三可控半导体开关S31、S32、S33和第四可控半导体开关S41、S42、S43还可以被控制成在上述开关支路在其交流极中具有最负负电压时的整个时间段内导通。该实施例提供了以下优点:不论功率流的方向如何，都以同步的方式保证电流路径。
[0060]根据一个实施例，当变换器根据本文所描述的任何实施例用作整流器时，所有开关支路当中的在其交流极AC1、AC2、AC3中具有最大正电压的开关支路的第六可控半导体开关S61、S62、S63还可以被控制成在上述开关支路在其交流极中具有最大正电压时的整个时间段内导通。这提供了以下优点:可以使在不导通的第三可控半导体开关、第三二极管、第四可控半导体开关和第四二极管上的电压应力成为平均值Udc/2，原因是中性直流极NP连接至这些部件之间的连接点。此外，所有开关支路当中的在其交流极AC1、AC2、AC3中具有最负负电压的开关支路的第五可控半导体开关S51、S52、S53还可以被控制成在上述开关支路在其交流极中具有最负负电压时的整个时间段内导通。这提供了以下优点:可以使在不导通的第一可控半导体开关、第一二极管、第二可控半导体开关和第二二极管上的电压应力成为平均值Udc/2，原因是中性直流极NP连接至这些部件之间的连接点。由于基本上不传送功率/电流，所以这样的电压平衡连接不改变中性直流极NP的电位。
[0061]根据一个实施例，当变换器根据本文所描述的任何实施例用作逆变器时，所有开关支路当中的在其交流极AC1、AC2、AC3中具有最大正电压的开关支路的第六可控半导体开关S61、S62、S63还可以被控制成在上述开关支路在其交流极中具有最大正电压时的整个时间段内导通。这提供了以下优点:可以使在不导通的第三可控半 导体开关、第三二极管、第四可控半导体开关和第四二极管上的电压应力成为平均值Udc/2，原因是中性直流极NP连接至这些部件之间的连接点。此外，所有开关支路当中的在其交流极AC1、AC2、AC3中具有最负负电压的开关支路的第五可控半导体开关S51、S52、S53还可以被控制成在上述开关支路在其交流极具有最负负电压时的整个时间段内导通。这提供了以下优点，可以使在不导通的第一可控半导体开关、第一二极管、第二可控半导体开关和第二二极管上的电压应力成为平均值Udc/2，原因是中性直流极NP连接至这些部件之间的连接点。由于基本上不传送功率/电流，所以这样的电压平衡连接不改变中性直流极NP的电位。
[0062]根据本文所描述的各种实施例的可控半导体开关的控制可以通过或经由控制装置100来执行。还可以使用用于执行各种实施例的控制功能的另外的或单独的逻辑或物理单元(未示出)。控制装置100优选地能够直接地或者经由诸如驱动电路的其他控制设备来控制可控半导体开关。此外，控制装置优选地直接或经由合适的测量装置来获得例如交流极的电压，以便执行各种实施例。
[0063]根据实施例中的任一实施例或其组合的用于控制可控半导体开关的控制装置100可以被实现为配置成实现各实施例的功能的两个或更多个单独的单元或者一个单元。此处，术语“单元”通常是指物理实体或逻辑实体，例如物理设备或其一部分或者软件例程。例如，根据实施例中的任一实施例的控制装置100可以至少部分地借助于设置有合适的软件的一个或更多个计算机或者相当的数字信号处理(DSP)装备来实现。这样的计算机或数字信号处理装备优选地至少包括提供用于算术运算的存储区域的工作存储器(RAM)和中央处理单元(CPU)例如通用数字信号处理器。CPU可以包括一组寄存器、算术逻辑单元和CPU控制单元。CPU控制单元通过从RAM传递至CPU的一系列程序指令而被控制。CPU控制单元可以包括许多用于基本运算的微指令。微指令的实现可以取决于CPU设计而变化。程序指令可以是通过编程语言而被编码的，所述程序语言可以是高级程序语言例如C、JaVa等或者低级编程语言例如机器语言或汇编语言。计算机还可以具有操作系统，该操作系统可以向利用程序指令编写的计算机程序提供系统服务。实现本发明或其一部分的计算机或其他装置还可以包括用于接收例如测量和/或控制数据的合适的输入装置以及用于输出例如控制数据的输出装置。还可以使用用于实现根据实施例中的任一实施例的功能的模拟电路、可编程逻辑器件(PLD)或者离散电气部件和设备。例如，根据实施例中的任一实施例的控制装置100可以至少部分地借助于这样的模拟电路或可编程逻辑设备来实现。
[0064]可以在现有的系统元件中或者可以通过独立的专用元件或设备以集中或分布的方式来实现本发明。本变换器例如可以包括可以在根据本发明的实施例的功能中利用的可编程逻辑器件或处理器以及存储器。因此，例如在现有变换器中实现本发明的实施例所需的所有修改和配置可以被执行为软件例程，该软件例程可以被实现为增加的或升级的软件例程。如果本发明的功能的至少一部分通过软件来实现，则这样的软件可以被提供为包括计算机程序代码的计算机程序产品，该计算机程序产品在计算机上运行时使计算机或对应的装置执行上述根据发明的功能。这样的计算机程序代码可以被存储或者通常被包含在从其中能够被加载到执行程序代码的一个单元或多个单元上的计算机可读介质(诸如例如闪速存储器或光学存储器的合适的存储器)上。另外，实现本发明的这样的计算机程序代码例如可以经由合适的数据网络加载到执行计算机程序代码的一个单元或多个单元上并且它可以替换或更新可能存在的程序代码。
[0065] 对于本领域技术人员而言明显的是，随着技术进步，本发明的基本构思可能会以各种方式来实现。因此，本发明及其实施例不限于上述示例，而是可以在权利要求的范围内变化。
【主权项】
1.一种三电平变换器，所述三电平变换器包括三条开关支路，每条开关支路包括:第一可控半导体开关(sil，S12，S13)和第二可控半导体开关(S21，S22，S23)，所述第一可控半导体开关(Sll，S12，S13)和所述第二可控半导体开关(S21，S22，S23)串联连接在所述变换器的正直流极(Udc+)与所述开关支路的交流极(AC1，AC2，AC3)之间，其中，所述第一可控半导体开关连接至所述变换器的所述正直流极； 第一二极管(D11，D12，D13)和第二二极管(D21，D22，D23)，所述第一二极管(D11，D12，D13)与所述第一可控半导体开关并联连接，所述第二二极管(D21，D22，D23)与所述第二可控半导体开关并联连接； 第三可控半导体开关(S31，S32，S33)和第四可控半导体开关(S41，S42，S43)，所述第三可控半导体开关(S31，S32，S33)和所述第四可控半导体开关(S41，S42，S43)串联连接在所述变换器的负直流极(Udc-)与所述开关支路的所述交流极(AC1，AC2，AC3)之间，其中，所述第四可控半导体开关连接至所述变换器的所述负直流极； 第三二极管(D31，D32，D33)和第四二极管(D41，D42，D43)，所述第三二极管(D31，D32，D33)与所述第三可控半导体开关并联连接，所述第四二极管(D41，D42，D43)与所述第四可控半导体开关并联连接； 第五可控半导体开关(S51，S52，S53)，所述第五可控半导体开关(S51，S52，S53)连接在所述变换器的中性直流极(NP)与所述第一可控半导体开关和所述第二可控半导体开关之间的连接点之间； 第六可控半导体开关(S61，S62，S63)，所述第六可控半导体开关(S61，S62，S63)连接在所述变换器的所述中性直流极(NP)与所述第三可控半导体开关和所述第四可控半导体开关之间的连接点之间；以及 第五二极管(D51，D52，D53)和第六二极管(D61，D62，D63)，所述第五二极管(D51，D52，D53)与所述第五可控半导体开关并联连接，所述第六二极管(D61，D62，D63)与所述第六可控半导体开关并联连接；以及 用于控制可控半导体开关的装置(100)，其中， a)用于控制可控半导体开关的所述装置(100)被配置成:当所述变换器(10)经由所述开关支路的所述交流极(AC1，AC2，AC3)连接至三相交流网络(20)并且所述变换器用作整流器时: 将所有开关支路当中的在其交流极(AC1，AC2，AC3)中具有最大正电压的开关支路的所述第三可控半导体开关(S31，S32，S33)、所述第四可控半导体开关(S41，S42，S43)和所述第五可控半导体开关(S51，S52，S53)控制成在上述开关支路在其交流极中具有最大正电压时的整个时间段内不导通；以及 将所有开关支路当中的在其交流极(AC1，AC2，AC3)中具有最负负电压的开关支路的所述第一可控半导体开关(Sll，S12，S13)、所述第二可控半导体开关(S21，S22，S23)和所述第六可控半导体开关(S61，S62，S63)控制成在上述开关支路在其交流极中具有最负负电压时的整个时间段内不导通， 并且其中， b)用于控制可控半导体开关的所述装置(100)被配置成:当所述变换器(10)经由所述开关支路的所述交流极(AC1，AC2，AC3)连接至三相交流网络(20)并且所述变换器用作逆变器时: 将所有开关支路当中的在其交流极(AC1，AC2，AC3)中具有最大正电压的开关支路的所述第三可控半导体开关(S31，S32，S33)、所述第四可控半导体开关(S41，S42，S43)和所述第五可控半导体开关(S51，S52，S53)控制成在上述开关支路在其交流极中具有最大正电压时的整个时间段内不导通；并且将所有开关支路当中的在其交流极(AC1，AC2，AC3)中具有最大正电压的开关支路的所述第一可控半导体开关(Sll，S12，S13)和所述第二可控半导体开关(S21，S22，S23)控制成在上述开关支路在其交流极中具有最大正电压时的时间段的至少一部分内导通；以及 将所有开关支路当中的在其交流极(AC1，AC2，AC3)中具有最负负电压的开关支路的所述第一可控半导体开关(Sll，S12，S13)、所述第二可控半导体开关(S21，S22，S23)和所述第六可控半导体开关(S61，S62，S63)控制成在上述开关支路在其交流极中具有最负负电压时的整个时间段内不导通，并且将所有开关支路当中的在其交流极(AC1，AC2，AC3)中具有最负负电压的开关支路的所述第三可控半导体开关(S31，S32，S33)和所述第四可控半导体开关(S41，S42，S43)控制成在上述开关支路在其交流极中具有最负负电压时的时间段的至少一部分内导通。2.根据权利要求1所述的三电平变换器，其中，按照备选方案a)，用于控制可控半导体开关的所述装置(100)还被配置成: 将所有开关支路当中的在其交流极(AC1，AC2，AC3)中具有最大正电压的所述开关支路的所述第一可控半导体开关(Sll，S12，S13)和所述第二可控半导体开关的(S21，S22，S23)控制成在上述开关支路在其交流极中具有最大正电压时的整个时间段内导通；以及 将所有开关支路当中的在其交流极(AC1，AC2，AC3)中具有最负负电压的开关支路的所述第三可控半导体开关(S31，S32，S33)和所述第四可控半导体开关(S41，S42，S43)控制成在上述开关支路在其交流极中具有最负负电压时的整个时间段内导通。3.根据权利要求1或2所述的三电平变换器，其中，按照备选方案a)，用于控制可控半导体开关的所述装置(100)还被配置成: 将所有开关支路当中的在其交流极(AC1，AC2，AC3)中具有最大正电压的开关支路的所述第六可控半导体开关(S61，S62，S63)控制成在上述开关支路在其交流极中具 有最大正电压时的整个时间段内导通；以及 将所有开关支路当中的在其交流极(AC1，AC2，AC3)中具有最负负电压的开关支路的所述第五可控半导体开关(S51，S52，S53)控制成在当上述开关支路在其交流极中具有最负负电压时的整个时间段内导通。4.根据权利要求1所述的三电平变换器，其中，根据备选方案b)，用于控制可控半导体开关的所述装置(100)还被配置成: 将所有开关支路当中的在其交流极(AC1，AC2，AC3)中具有最大正电压的开关支路的所述第六可控半导体开关(S61，S62，S63)控制成在上述开关支路在其交流极中具有最大正电压时的整个时间段内导通；以及 将所有开关支路当中的在其交流极(AC1，AC2，AC3)中具有最负负电压的开关支路的所述第五可控半导体开关(S51，S52，S53)控制成在上述开关支路在其交流极中具有最负负电压时的整个时间段内导通。5.根据权利1或4所述的三电平变换器，其中，根据替选方案b)，用于控制可控半导体开关的所述装置(100)还被配置成: 将所述第二可控半导体开关(S21，S22，S23)控制成在所述第一可控半导体开关(S11，S12，S13)之前导通，并且将所述第一可控半导体开关控制成在所述第二可控半导体开关之前不导通；以及 将所述第三可控半导体开关(S31，S32，S33)控制成在所述第四可控半导体开关(S41，S42，S43)之前导通，并且将所述第四可控半导体开关控制成在所述第三可控半导体开关之前不导通。6.一种用于控制包括三条开关支路的三电平变换器的方法，每条开关支路包括: 第一可控半导体开关(Sll，S12，S13)和第二可控半导体开关(S21，S22，S23)，所述第一可控半导体开关(Sll，S12，S13)和所述第二可控半导体开关(S21，S22，S23)串联连接在所述变换器的正直流极(Udc+)与所述开关支路的交流极(AC1，AC2，AC3)之间，其中，所述第一可控半导体开关连接至所述变换器的所述正直流极； 第一二极管(D11，D12，D13)和第二二极管(D21，D22，D23)，所述第一二极管(D11，D12，D13)与所述第一可控半导体开关并联连接，所述第二二极管(D21，D22，D23)与所述第二可控半导体开关并联连接； 第三可控半导体开关(S31，S32，S33)和第四可控半导体开关(S41，S42，S43)，所述第三可控半导体开关(S31，S32，S33)和所述第四可控半导体开关(S41，S42，S43)串联连接在所述变换器的负直流极(Udc-)与所述开关支路的所述交流极(AC1，AC2，AC3)之间，其中，所述第四可控半导体开关连接至所述变换器的所述负直流极； 第三二极管(D31，D32，D33)和第四二极管(D41，D42，D43)，所述第三二极管(D31，D32，D33)与所述第三可控半导体开关并联连接，所述第四二极管(D41，D42，D43)与所述第四可控半导体开关并联连接； 第五可控半导体开关(S51，S52，S53)，所述第五可控半导体开关(S51，S52，S53)连接在所述变换器的中性直流极(NP)与所述第一可控半导体开关和所述第二可控半导体开关之间的连接点之间； 第六可控半导体开关(S61，S62，S63)，所述第六可控半导体开关(S61，S62，S63)连接在所述变换器的所述中性直流极(NP)与所述第三可控半导体开关和所述第四可控半导体开关之间的连接点之间；以及 第五二极管(D51，D52，D53)和第六二极管(D61，D62，D63)，所述第五二极管(D51，D52，D53)与所述第五可控半导体开关并联连接，所述第六二极管(D61，D62，D63)与所述第六可控半导体开关并联连接，其中，所述方法包括: a)当所述变换器(10)经由所述开关支路的所述交流极(AC1，AC2，AC3)连接至三相交流网络(20)并且所述变换器用作整流器时: 将所有开关支路当中的在其交流极(AC1，AC2，AC3)中具有最大正电压的开关支路的所述第三可控半导体开关(S31，S32，S33)、所述第四可控半导体开关(S41，S42，S43)和所述第五可控半导体开关(S51，S52，S53)控制成在上述开关支路在其交流极中具有最大正电压时的整个时间段内不导通；以及 将所有开关支路中的在其交流极(AC1，AC2，AC3)中具有最负负电压的开关支路的所述第一可控半导体开关(Sll，S12，S13)、所述第二可控半导体开关(S21，S22，S23)和所述第六可控半导体开关(S61，S62，S63)控制成在上述开关支路在其交流极中具有最负负电压时的整个时间段内不导通，以及 b)当所述变换器(10)经由所述开关支路的所述交流极(AC1，AC2，AC3)连接至三相交流网络(20)并且所述变换器用作逆变器时: 将所有开关支路当中的在其交流极(AC1，AC2，AC3)中具有最大正电压的开关支路的所述第三可控半导体开关(S31，S32，S33)、所述第四可控半导体开关(S41，S42，S43)和所述第五可控半导体开关(S51，S52，S53)控制成在当上述开关支路在其交流极中具有最大正电压时的整个时间段内不导通；并且将所有开关支路当中的在其交流极(AC1，AC2，AC3)中具有最大正电压的开关支路的所述第一可控半导体开关(Sll，S12，S13)和所述第二可控半导体开关(S21，S22，S23)控制成在上述开关支路在其交流极中具有最大正电压时的时间段的至少一部分内导通；以及 将所有开关支路当中的在其交流极(AC1，AC2，AC3)中具有最负负电压的开关支路的所述第一可控半导体开关(Sll，S12，S13)、所述第二可控半导体开关(S21，S22，S23)和所述第六可控半导体开关(S61，S62，S63)控制成在上述开关支路在其交流极中具有最负负电压时的整个时间段内不导通，并且将所有开关支路当中的在其交流极(AC1，AC2，AC3)中具有最负负电压的开关支路的所述第三可控半导体开关(S31，S32，S33)和所述第四可控半导体开关(S41，S42，S43)控制成在上述开关支路在其交流极中具有最负负电压时的时间段的至少一部分内导通。7.根据权利要求6所述的方法，其中，按照备选方案a)，所述方法还包括: 将所有开关支路当中的在其交流极(AC1，AC2，AC3)中具有最大正电压的所述开关支路的所述第一可控半导体开关(Sll，S12，S13)和所述第二可控半导体开关的(S21，S22，S23)控制成在上述开关支路在其交流极中具有最大正电压时的整个时间段内导通；以及将所有开关支路当中的在其交流极(AC1，AC2，AC3)中具有最负负电压的开关支路的所述第三可控半导体开关(S31，S32，S33)和所述第四可控半导体开关(S41，S42，S43)控制成在上述开关支路在其交流极中具有最负负电压时的整个时间段内导通。8.根据权利要求6或7所述的方法，按照备选方案a)，所述方法还包括: 将所有开关支路当中的在其交流极(AC1，AC2，AC3)中具有最大正电压的开关支路的所述第六可控半导体开关(S61，S62，S63)控制成在上述开关支路在其交流极中具有最大正电压时的整个时间段内导通；以及 将所有开关支路当中的在其交流极(AC1，AC2，AC3)中具有最负负电压的开关支路的所述第五可控半导体开关(S51，S52，S53)控制成在上述开关支路在其交流极中具有最负负电压时的整个时间段内导通。9.根据权利要求6所述的方法，其中，按照备选方案b)，所述方法还包括: 将所有开关支路当中的在其交流极(AC1，AC2，AC3)中具有最大正电压的开关支路的所述第六可控半导体开关(S61，S62，S63)控制成在上述开关支路在其交流极中具有最大正电压时的整个时间段内导通；以及 将所有开关支路当中的在其交流极(AC1，AC2，AC3)中具有最负负电压的开关支路的所述第五可控半导体开关(S51，S52，S53)控制成在上述开关支路在其交流极中具有最负负电压时的整个时间段内导通。10.根据权利要求6或9所述的方法，其中，按照备选方案b)， 将所述第二可控半导体开关(S21，S22，S23)控制成在所述第一可控半导体开关(S11，S12，S13)之前导通，并且将所述第一可控半导体开关控制成在所述第二可控半导体开关之前不导通；以及 将所述第三可控半导体开关(S31，S32，S33)控制成在所述第四可控半导体开关(S41，S42，S43)之前导通，并且将所述第四可控半导体开关控制成在所述第三可控半导体开关之前不导通。
【专利摘要】提供了一种三电平变换器和用于控制三电平变换器的方法，其中，所有开关支路当中的在其交流极(AC1，AC2，AC3)中具有最大正电压的开关支路的第三可控半导体开关(S31，S32，S33)、第四可控半导体开关(S41，S42，S43)和第五可控半导体开关(S51，S52，S53)被控制成在上述开关支路在其交流极中具有最大正电压时的整个时间段内不导通，而所有开关支路当中的在其交流极(AC1，AC2，AC3)中具有最负负电压的开关支路中的第一可控半导体开关(S11，S12，S13)、第二可控半导体开关(S21，S22，S23)和第六可控半导体开关(S61，S62，S63)被控制成在上述开关支路在其交流极中具有最负负电压时的整个时间段内不导通。
【IPC分类】H02M7/483, H02M7/217
【公开号】CN105490569
【申请号】CN201510639124
【发明人】泰勒·维塔宁
【申请人】Abb技术有限公司
【公开日】2016年4月13日
【申请日】2015年9月29日
【公告号】EP3002867A1, EP3002867A9, US20160099654
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