多相电流馈电模块化多电平转换器

摘要

提出了多相电流馈电模块化多电平转换器CMMC。CMMC包括：多个级联子模块SM(57)，串联连接在接地点与交流AC电压输出点(V)之间，其中每个SM包括可连接的串联电容器(C1、C2、Cn)；阻塞二极管(D)，连接在输入直流DC电源点(idc)与AC电压输出点之间，其中多相CMMC的每相包括多个级联SM(57)的臂和阻塞二极管(D)；以及输入DC电源(50、51)，连接在接地与输入DC电源点之间。输出AC电压(Va、Vb、Vc)在臂中的两个臂之间差分地引出。

说明书

技术领域

本公开涉及多相电流馈电模块化多电平转换器。

背景技术

涉及直流-交流转换的不同应用，诸如电机驱动和电网连接的应用(包括UPS系统)，可以由燃料电池、光伏(PV)板、电池或其他低压(LV)直流电源馈电。通常LV直流输出不足以满足交流侧的需求。因此，如图1所描绘的，升压转换器被用于调节和提高LV直流输出电压。在许多情况下，使用高压增益转换器(诸如电压倍增器或隔离解决方案)会极大影响整个系统转换系统的效率。这对于燃料电池应用来说尤其如此，因为其输出电压非常低。图1示出了经由升压转换器(BC)连接到电压源逆变器(VSI)的LV直流电源1。VSI转而经由滤波器连接到输出交流V

在另一方面，逆变阶段通常根据目标应用的电压和功率水平，使用高压额定半导体器件MOSFET或IGBT。高压半导体器件的这种利用导致显著的开关损耗和导通损耗，从而导致系统效率恶化。因此，具有可靠的、模块化的、紧凑的、冗余的且高效的功率转换系统一直是上述应用中常见的挑战。

近些年来，模块化多电平转换器(MMC)已经被证明是针对诸如高压DC(HVDC)、柔性AC输电系统(FACTS)、电机驱动系统、以及PV应用之类的许多应用的可靠的、冗余的且高效的解决方案。然而，这种MMC并不直接适用于利用LV MOSFET的LV系统来提高系统效率和冗余。

发明内容

一个目标是要提供适用于低压系统的高效的电流馈电模块化多电平转换器(CMMC)系统。

根据一方面提出了多相CMMC。多相CMMC包括：多个级联子模块(SM)，串联连接在接地点与交流(AC)电压输出点之间，其中每个SM包括可连接的串联电容器；阻塞二极管，连接在输入直流(DC)电源点与AC电压输出点之间，其中多相CMMC的每相包括多个级联SM的臂和阻塞二极管；以及输入DC电源，连接在接地和输入DC电源点之间。输出AC电压在臂中的两个臂之间差分地引出。

多相CMMC可以包括三相系统的三相。

每个SM可以包括下开关和上开关，该下开关和上开关被配置为以互补的方式进行正弦调制。

通过所提出的CMMC实现了高调制指数。所提出的CMMC的另外的优点是具有高电压增益可能性的灵活的升压能力、多电平操作、利用低成本以及LV MOSFET和LV电解电容器降低成本、具有LV MOSFET的低通态电阻的高效率、能够以最小需求实现滤波器电感器、能够使用冗余单元的可能性、能够用作接口接合附加直流电源的多端口转换器、能够用在同步整流模式下操作的MOSFET替换阻塞二极管来进一步提高效率、通过每个臂的更多的SM来实现更高的电压增益。

通常，权利要求中使用的所有术语应该根据其在技术领域内的常见含义来解释，除非本文另外明确定义。所有“一/一个/该元件、装置、部件、方法、步骤等”的参考应该公开解释为元件、装置、部件、方法、步骤等的至少一个实例，除非另外明确说明。本文公开的任何方法的步骤不需要按公开的准确顺序执行，除非明确说明。

附图说明

现在通过示例参考附图来描述各个方面和实施例，其中：

图1是示意性示出并网低压直流电源的图；

图2是示意性示出两电平电压源逆变器(VSI)的备选实施例的图；

图3是示意性示出升压转换器的备选的高压增益直流-直流转换器的图；

图4是示意性示出电流馈电模块化多电平转换器(CMMC)的图；以及

图5是示意性示出由图4的CMMC实现的高调制值的图。

具体实施方式

现在本文下面将会参考附图更全面地描述本公开的方面，其中示出了本发明的某些实施例。

然而，这些方面可以以许多不同的形式实现，并且不应该被解释为限制；相反，这些实施例通过示例被提供，使得本公开将是彻底和完全的，并且向本领域的技术人员完全传达本发明的所有方面的范围。整篇描述中相同的数字指示相同的元件。

期望从单个低压(LV)直流输入获取能量以用于交流输出，并且多相电流馈电模块化多电平转换器(CMMC)对于LV应用也是有效的。换言之，期望在逆变操作内利用模块化结构实现升压能力。这允许LV直流电源与更高的交流电源的连接、利用具有降低导通损耗的LV MOSFET(例如50至200V)、降低跨不同系统部件的电压应力、并且通过增加的冗余提高可靠性。

将LV直流电源连接到交流系统通常需要如图1中所描绘的附加的升压转换阶段。这种附加的阶段为整个功率转换系统带来额外的复杂度、转换损耗和成本。此外，在大多数情况下，必须要使用高压IGBT，这引入较高的开关损耗和导通损耗。换言之，LV MOSFET的利用以及源自LV MOSFET的低通态电阻的益处相当有限。此外，输出滤波器需求相当有挑战性，并且该滤波器显著影响系统的体积和损耗。

通过用图2A至图2C中所示的现有技术的三电平选项中的任何选项来替换传统的两电平电压源逆变器(VSI)，这些问题可以稍微缓解。在这些选项下，可以利用MOSFET，但是为了利用LV MOSFET(例如50至200V)，可以利用更多数目的电平，并且在较高功率水平下，这实际上是不可能的，因为在这种拓扑中很难最小化换向回路(commutation loops)。

图2A示出了飞跨电容器开关，该飞跨电容器开关具有四个串联连接的开关15至18，其中第一电容器19被连接在开关15、16与17、18之间，以及第二电容器20连接开关15和18。

图2B示出了二极管嵌位开关，该二极管嵌位开关具有四个串联连接的开关15至18，其中两个串联连接的电容器23和24连接开关15和18。第一二极管21被连接在开关17至18与电容器23、24之间。第二二极管22被连接在电容器23、24与开关15、16之间。

图2C示出了T型开关，该T型开关具有两个串联连接的开关29和30，开关29和30连接两个串联连接的电容器25和26。另外两个串联连接的开关被连接在电容器25、26与开关29、30之间。

在另一方面，例如对于燃料电池应用相当有挑战性，其中存在非常低的输出电压(小于150V)并且不像PV阵列或电池那样直接进行串联连接。因此，需要利用图3中所示的高升压直流-直流转换器(诸如级联升压转换器和双有源桥)，这导致了进一步的复杂度和损耗。

图3A示出了级联升压转换器，每个级联升压转换器包括电感器2、31，电感器2、31被连接到第一开关4、33进而被连接到电容器5、34。电感器2、32还被连接到开关3、32。

图3B示出了双有源桥，该双有源桥具有连接在第一导体35与变压器40的第一侧之间的第一组四个开关36至39，变压器40在其另一侧被连接到第二组四个开关41至44和电容器45。

提出了转换解决方案，其中维持跨不同半导体的LV应力的高升压能力受限于电池电压。此外，高转换比率可以通过添加更多串联的电池来获得，这转而增加了电压电平的数目并显著降低所需的滤波。该转换器可以利用低成本的LV MOSFET(例如50至200V)和电解电容器。

参考图4提出了利用级联子模块(SM)的多相CMMC。示出了每相具有n个SM 57的三相V

每个SM可以包括电容器C，该电容器C与两个串联连接的开关S

通过如图4中所示的多相CMMC，在一个开关周期时间期间，通过L

开关S

例如通过每个臂的四个SM(即n＝4)，可以使用与插入SM的最小数目(一次插入的SM在0至1之间变化)相对应的、参考信号v

CMMC操作

考虑图4中所示的三相CMMC，每个臂充当在一侧具有公共接地的独立电压源，而交流输出在臂之间差分地获得。在三分之一的基波周期期间，能量从直流电源50被传递到每个臂的SM电容器C

对于其中一次插入的SM在0至1之间的CMMC操作，每个开关周期被划分为与SM的数目(例如n＝4)相等的多个时间间隔，并且能量在每个间隔的一部分期间被存储在电感器L

对于其中一次插入的SM在1至2之间的CMMC操作，每个开关周期被划分为与SM的一半数目相等的多个间隔，并且能量在每个间隔的一部分期间被存储在电感器L

CMMC调制

为了实现所提出的CMMC操作，可以使用经修改的空间矢量调制(MSVM)，其参考信号v

通过使用CMMC调制可以实现直流侧升压操作的恒定占空比。CMMC可以具有高值的调制指数M，以便在输出电压中具有较小的失真。该转换器的数学推导可以被驱动并且平均SM电容器电压

其中n为每个臂的SM的数目，并且M是图5中定义的调制指数。

作为直流电源电压(V

本公开的方面在上文已经主要参考其一些实施例和示例进行了描述。然而，如本领域的技术人员所理解的，除了上文公开的实施例以外的其他实施例在所附专利权利要求定义的本发明的范围内同样是可能的。