МНОГОУРОВНЕВЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ МОЩНОСТИ
MULTILEVEL POWER CONVERTER

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к многоуровневому преобразователю мощности. Многоуровневый преобразователь согласно изобретению предназначен, в частности, для работы в диапазоне средних напряжений.
Уровень техники
Некоторые приложения требуют в настоящее время очень высоких напряжений. Хотя характеристики полупроводников, применяющихся в преобразователях мощности, непрерывно улучшаются, их электрическая прочность все еще недостаточна, чтобы можно было предложить компактные и надежные преобразователи мощности. Поэтому были разработаны различные решения, позволяющие повысить напряжение, оставаясь в пределах электрической прочности компонентов.
Первое решение состоит просто в последовательном соединении коммутационных ключей. Однако сложно равномерно распределить ограничения по напряжению на каждом из ключей, как в статическом, так и в динамическом режиме. Например, при включении ключ на наиболее медленную коммутацию рискует оказаться под чрезмерным переходным напряжением, тогда как при запирании имеется риск повреждения наиболее быстрого ключа. Чтобы преодолеть эти трудности, предлагались другие решения, основанные на чередовании управления ключами. Эти решения позволяют предложить несколько уровней напряжений для воспроизведения формы волны.
Вторым предложенным решением является так называемая топология NPC (от "Neutral Point Clamped" – фиксированная нулевая точка). Эта топология вносит значительные улучшения в решение проблемы балансировки напряжений, которым подвергаются ключи, и позволяет генерировать волны удовлетворительной формы. Однако эта топология имеет ограниченное применение и имеет недостатки, связанные, в частности, с балансировкой напряжения на конденсаторах шины. Поэтому топология типа NPC была усовершенствована путем замены диодов на управляемые ключи. Эта усовершенствованная топология называется ANPC (от "Active Neutral Point Clamped" – активная фиксированная нулевая точка), она уже применялась в некоторых продуктах (ACS 2000 от фирмы ABB). Альтернатива топологии NPC, обозначенная NPP (от "Neutral Point Piloted" – управляемая нейтральная точка), была описана, например, в патенте US 6930899.
Было предложено третье решение, использующее сопряженные ячейки. Преобразователь на сопряженных ячейках позволяет соединить источник напряжения с источником тока, соединяя последовательно произвольное число ключей, независимо от типа желаемого преобразования. Каждая элементарная ячейка содержит два коммутационных ключа и один конденсатор. Однако это решение также имеет недостатки, связанные с наличием плавающих конденсаторов в каждой ячейке, причем их число влечет дополнительные расходы и значительное количество запасенной энергии.
Чтобы уменьшить размер конденсаторов и снизить энергию, запасенную в преобразователе, было предложено четвертое решение. Это решение было названо многоуровневым многоячейковым преобразователем (SMC, от "Stacked Multicell Converter"). Это решение, описанное в патенте EP 1287609, состоит в соединении нескольких преобразователей с сопряженными ячейками.
Наконец, последнее решение было описано в патенте US 5625545. Это решение состоит в последовательном соединении выхода ячеек и питании каждой ячейки от независимого источника. Каждая ячейка содержит выпрямитель и инвертор. Выходы ячеек соединены последовательно, чтобы создать желаемый уровень напряжения на зарядке. Используется временной сдвиг команд инверторов, чтобы получить многоуровневое напряжение.
Кроме того, решения были описаны в следующих документах:
- FANG ZHENG: "A Generalized Multilevel Inverter Topology with Self Voltage Balancing" - 01/03/2001, XP01 1022945
- ZHIGUO PAN ET AL: "A diode-clamped multilevel converter with reduced number of clamping diodes" - 22/02/2004, XP010703326
- ALIAN CHEN ET AL: "A novel type of combined multilevel converter topologies" - 02/1 1/2004, XP010799316
- ALIAN CHEN ET AL: "A multilevel converter topology with fault tolerant ability" - 22/02/2004, XP010703838
- BARBOSA P ET AL: "Active-Neutral-point-Clamped (ANPC) Multilevel Converter Technology", XP010933291
- US 2007/025126 A1
Решения, описанные в этих документах, предлагают использовать каскад преобразователей идентичной топологии.
Целью изобретения является предложить решение, альтернативное всем решениям уровня техники, позволяющее комбинировать большое число компонентов, чтобы можно было работать при повышенных уровнях напряжения без использования трансформатора и при максимально ограниченном числе пассивных компонентов.
Сущность изобретения
Указанная цель достигается многоуровневым преобразователем мощности, содержащим:
- n входных ступеней, причем n по меньшей мере равно 1, и каждая входная ступень содержит n+1 одинаковых входных преобразователей, соединенных друг с другом, причем каждый преобразователь питается входным напряжением и регулируется так, чтобы подать электрический потенциала на выход, исходя из указанного входного напряжения,
- если n больше или равно 2, каждый входной преобразователь входной ступени ранга n-1 питается напряжением, образованным посредством электрических потенциалов, приложенных к двум выходам двумя преобразователями ранга n,
- выходную ступень, соединенную с входной ступенью ранга 1 и содержащую выходной преобразователь, питаемый дифференциальным напряжением, образованным посредством первого электрического потенциала, приложенного к выходу первого входного преобразователя входной ступени ранга 1, и второго электрического потенциала, приложенного к выходу второго входного преобразователя входной ступени ранга 1, причем указанный выходной преобразователь управляется так, чтобы прикладывать электрический потенциал на выход,
- причем входные преобразователи имеют одинаковую топологию, выбранную из структур типа NPC, ANPC, NPP и SMC,
- выходной преобразователь имеет топологию, отличную от топологии, выбранной для входных преобразователей, причем указанная топология выходного преобразователя выбрана из: структуры с плавающим конденсатором, SMC, NPC, NPP и ANPC.
Согласно одному варианту осуществления входные преобразователи имеют топологию типа NPP, а выходной преобразователь имеет топологию с плавающим конденсатором.
Согласно другому варианту осуществления входные преобразователи имеют топологию типа NPC, а выходной преобразователь имеет топологию с плавающим конденсатором.
Согласно другому варианту осуществления входные преобразователи имеют топологию типа ANPC, а выходной преобразователь имеет топологию с плавающим конденсатором.
Согласно другому варианту осуществления входные преобразователи имеют топологию типа NPP, а выходной преобразователь имеет топологию типа SMC.
Согласно другому варианту осуществления входные преобразователи имеют топологию типа NPC, а выходной преобразователь имеет топологию типа SMC.
Согласно другому варианту осуществления входные преобразователи имеют топологию типа ANPC, а выходной преобразователь имеет топологию типа SMC.
Краткое описание фигур
Другие характеристики и преимущества выявятся из следующего подробного описания, проводимого с обращением к приложенным чертежам, перечисленным ниже:
- фигура 1 схематически показывает многоуровневый преобразователь мощности согласно изобретению,
- фигура 2 показывает многоуровневый преобразователь по изобретению, содержащий всего одну входную ступень и одну выходную ступень,
- фигура 3 показывает многоуровневый преобразователь по изобретению, имеющий входную ступень с топологией NPP и выходную ступень с топологией с плавающим конденсатором,
- фигура 4 показывает многоуровневый преобразователь по изобретению, имеющий входную ступень с топологией NPC и выходную ступень с топологией с плавающим конденсатором,
- фигура 5 показывает многоуровневый преобразователь по изобретению, имеющий входную ступень с топологией ANPC и выходную ступень с топологией с плавающим конденсатором на выходе,
- фигуры 6A-6L иллюстрируют разные последовательности протекания тока в многоуровневом преобразователе согласно изобретению, имеющем входную ступень с топологией NPP и выходную ступень с топологией с плавающим конденсатором,
- фигура 7 показывает многоуровневый преобразователь по изобретению, имеющий входную ступень с топологией NPP и выходную ступень с топологией SMC.
Подробное описание по меньшей мере одного варианта осуществления
Изобретение относится к многоуровневому преобразователю мощности, позволяющему работать при высоких напряжениях, более точно в диапазоне средних напряжений от 2,3 кВ до 13,8 кВ. Оно основано на объединении элементарных структур в каскад, причем каждая элементарная структура основана на последовательном соединении ограниченного числа компонентов.
Так, согласно фигуре 1, многоуровневый преобразователь по изобретению содержит:
in_n
in_n
x_En
x_En
x_En
y_En
- n входных ступеней E, где n по меньшей мере равно 1, и каждая входная ступень E содержит n+1 одинаковых входных преобразователей CONV (x может меняться от 1 до n+1), соединенных друг с другом, причем каждый преобразователь CONV питается входным напряжением V и управляется так, чтобы выдавать электрический потенциал на выходе S (y может меняться от 1 до n), исходя из указанного входного напряжения,
- если n больше или равно 2, каждый входной преобразователь входной ступени ранга n-1 питается напряжением, образованным посредством электрических потенциалов, приложенных к двум выходам двумя преобразователями ранга n,
out
S
float
1_S
- выходную ступень E, соединенную с входной ступенью ранга 1 и содержащую выходной преобразователь CONV, питаемый дифференциальным напряжением V, образованным посредством первого электрического потенциала, приложенного к выходу первого входного преобразователя входной ступени ранга 1, и второго электрического потенциала, приложенного к выходу второго входного преобразователя входной ступени ранга 1. Выходной преобразователь управляется так, чтобы прикладывать электрический потенциал на его выходе S.
Согласно изобретению входные преобразователи имеют одинаковую топологию. Эта топология выбрана из структур типа NPC ("Neutral Point Clamped"), ANPC ("Active Neutral Point Clamped"), NPP ("Neutral Point Piloted") и SMC ("Stacked Multicell Converter").
Согласно изобретению топология выходного преобразователя отличается от топологии, выбранной для входных преобразователей, она выбирается из структуры с плавающим конденсатором (FC от "Flying Capacitor"), структур SMC, NPC, NPP и ANPC.
in_1
out
Далее в описании для упрощения будет рассматриваться базовая структура, отвечающая определенным выше критериям и содержащая всего одну входную ступень E и одну выходную ступень E. Таким образом, эта базовая структура содержит:
1-E1
1-E1
1-E1
- первый входной преобразователь CONV, питаемый на входе первым напряжением V и управляемый так, чтобы прикладывать первый электрический потенциал на первом выходе S,
2_E1
2_E1
2_E1
- второй входной преобразователь CONV, питаемый на входе вторым напряжением V и управляемый так, чтобы прикладывать второй электрический потенциал на втором выходе S,
S
1_E1
2_E1
float
1_S
- выходной преобразователь CONV, соединенный с первым выходом S и вторым выходом S, чтобы быть запитанным дифференциальным напряжением V, образованным посредством первого электрического потенциала и второго электрического потенциала, и управляемый так, чтобы прикладывать электрический потенциал на выходе S.
Ниже на фигурах 3-5 описывается первый предложенный вариант.
in_1
1_E1
2_E1
float
1_E1
2_E1
1_E1
2_E1
Во входной ступени E входные преобразователи CONV, CONV реализованы, например, с простыми топологиями, соединяющими последовательно два ключа. В этих решениях дифференциальное напряжение V равно напряжению V (=V =V), то есть половине полного входного напряжения (V + V). Таким образом, каждый из входных ключей несет половину входного напряжения.
Преобразователь для выходной ступени выбирают так, чтобы можно было использовать те же ключи, что и на входной ступени, и чтобы ограничить число ключей на этой ступени.
Различные структуры, отвечающие этим критериям, представлены на фигурах 3-7.
1_E1
2_E1
S
Так, фигура 3 показывает многоуровневый преобразователь согласно изобретению, содержащий входные преобразователи CONV, CONV, имеющие топологию NPP, и выходной преобразователь CONV, имеющий топологию с плавающим конденсатором.
1_E1
2_E1
S
Фигура 4 показывает многоуровневый преобразователь согласно изобретению, содержащий входные преобразователи CONV, CONV, имеющие топологию NPC, и выходной преобразователь CONV, имеющий топологию с плавающим конденсатором.
1_E1
2_E1
S
Фигура 5 показывает многоуровневый преобразователь согласно изобретению, содержащий входные преобразователи CONV, CONV, имеющие топологию ANPC, и выходной преобразователь CONV, имеющий топологию с плавающим конденсатором.
Фигуры 6A-6L более конкретно иллюстрируют последовательности работы структуры с топологией NPP для входных преобразователей и топологией с плавающим конденсатором для выходного преобразователя.
Для выходной ступени должны соблюдаться определенные правила:
- транзисторы T1 и T2 имеют дополняющее функционирование в пределах времени задержки,
- транзисторы T3 и T4 имеют дополняющее функционирование в пределах времени задержки.
float
Чтобы поддерживать постоянным среднее напряжение на зажимах плавающего конденсатора C, команды транзисторов T1 и T3, соответственно T2 и T4 являются почти одинаковыми в пределах фазового смещения, что позволит зарядному току временно проходить через указанный конденсатор.
Управление ключами выходной ступени основано, например, на перекрестной модуляции с N треугольными несущими, сдвинутыми по времени (в идеале на 2π/n), на частоте коммутации, соответствующей n ячейкам (здесь N равно 2) этой ступени, и синусоидальной несущей с частотой выходного сигнала, чтобы определить моменты коммутации ключей.
Для входной ступени должны соблюдаться определенные правила:
- транзисторы (T5a, T5b), (T7a, T7b), (T9a, T9b), (T11a, T11b) соединены попарно таким образом, чтобы их коммутации были одновременными.
- Одновременное управление T5 и T6 запрещено. Эти ключи имеют дополняющее функционирование в период задержки.
- Одновременное управление T5 и T7 запрещено. Эти ключи имеют дополняющее функционирование в период задержки.
- Одновременное управление T7 и T11 запрещено. Эти ключи имеют дополняющее функционирование в период задержки.
- Одновременное управление T7 и T8 запрещено. Эти ключи имеют дополняющее функционирование в период задержки.
- Одновременное управление T9 и T10 запрещено. Эти ключи имеют дополняющее функционирование в период задержки.
- Одновременное управление T11 и T12 запрещено. Эти ключи имеют дополняющее функционирование в период задержки.
- Одновременное управление T9 и T11 запрещено. Эти ключи имеют дополняющее функционирование в период задержки.
Для управления ключами T7 и T9 используются дополняющие друг друга сигналы, причем сами эти сигналы являются дополняющими сигналов управления ключей T8 и T10. Эти сигналы зависят от знака заданного напряжения.
Управление ключами T5, T6, T11 и T12 применяет, например, две треугольные несущие, смещенные по амплитуде и фазе относительно несущих, использующихся для управления ключами выходной ступени, чтобы ограничить гармонический спектр выходного напряжения.
На фигурах 6A-6L показаны разные последовательности функционирования, соблюдая определенные выше правила. Каждая фигура показывает разный маршрут протекания тока через входную ступень и выходную ступень.
Эти правила функционирования идеально адаптированы, когда напряжения на зажимах конденсаторов сбалансированы. Однако если необходимо сбалансировать эти напряжения, это должно быть сделано. Один контрольный пример описывается ниже.
Принцип балансировки напряжений на зажимах конденсаторов многоуровневого преобразователя согласно изобретению будет описан ниже для топологии, показанной на фигуре 4.
На фигуре 4 многоуровневый преобразователь согласно изобретению содержит несколько ячеек коммутации. Каждая ячейка коммутации образована из двух ключей (T1, T1'-T2, T2'-T3U, T3'U-T3L, T3'L-T4U, T4'U-T4L, T4'L), действие которых является дополняющим, то есть когда один является проводником, другой блокирован.
k
Для описания функционирования каждого элемента используется функция коммутации f.
k
Если f=1, это означает, что ключ Tk закрыт, а ключ T'k открыт.
k
Если f=0, это означает, что ключ Tk элемента открыт, а ключ T'k закрыт.
В топологии многоуровневого преобразователя, показанной на фигуре 4, входное напряжение должно быть равномерно распределено между входными конденсаторами C1, C2, C3, C4, и, чтобы обеспечить хорошее распределение напряжений между ключами, напряжение конденсатора Cf должно быть равно четверти входного напряжения.
Контроль элементов коммутации осуществляется так, чтобы достигались три следующие цели:
- получение желаемого выходного напряжения,
Cf
- балансировка напряжения V на зажимах плавающего конденсатора Cf,
dC
- балансировка напряжения V шины постоянного тока, образованной конденсаторами C1, C2, C3 и C4.
Cf
Балансировка напряжения V
Напряжение Vcf на зажимах плавающего конденсатора Cf изменяют путем пропускания через него тока. Таблица ниже показывает величину выходного тока, протекающего через плавающий конденсатор, в зависимости от состояний ключей.
Состояние
<i>f4U</i><i>f</i><sub>4L</sub>
<i>f3U</i><i>f3L</i>
<i>f</i><sub>2</sub>
<i>f1</i>
Фазовое напряжение
Cf
V1
0
0
0
1
-Vdc/4
-I<sub>S</sub>
V2
0
0
1
0
-Vdc/4
I<sub>S</sub>
V5
0
1
0
1
0
-I<sub>S</sub>
V6
0
1
1
0
0
I<sub>S</sub>
V9
1
1
0
1
Vdc/4
-I<sub>S</sub>
V10
1
1
1
0
Vdc/4
I<sub>S</sub>
В других состояниях, принимаемых ключами, через плавающий конденсатор Cf не протекает никакой ток, таким образом, его напряжение не может изменяться, и в таком случае балансировка не требуется и невозможна.
В общем, если на выходе требуется напряжение величиной -Vdc/4, блок управления ключей выбирает между состояниями V1 или V2, учитывая изменение напряжения Vcf на зажимах плавающего конденсатора.
Чтобы получить нулевое выходное напряжение, блок управления должен выбрать между состояниями V5 и V6 из таблицы выше, в зависимости от состояния напряжения Vcf на зажимах плавающего конденсатора.
Чтобы получить выходное напряжение Vdc/4, блок управления должен выбрать между состояниями V9 и V10 из таблицы выше, в зависимости от состояния напряжения Vcf на зажимах плавающего конденсатора.
Балансировка напряжения Vdc шины постоянного тока
Что касается уравнивания напряжения Vdc шины постоянного тока, известно, что средняя точка O имеет плавающий потенциал с фиксированным средним значением, но что этот потенциал флуктуирует вблизи этого среднего значения в соответствии с эволюцией условий зарядки или управления ключами. Эта флуктуация должна быть управляемой, чтобы оставаться в допустимом рабочем диапазоне.
O+
O
O-
Топология на фигуре 4 содержит три промежуточные точки O+, O, O- на входных преобразователях. На уровне этих трех точек могут циркулировать три тока I, I и I.
Учитывая воздействие каждого из этих трех токов, получают следующие результаты:
O+
O
O-,
- При ненулевом токе I и при токах I и Iпредполагаемыхнулевыми:
где:
S
T означает период между коммутациями,
C означает емкость конденсаторов C1, C2, C3 и C4,
Ci
ΔV означает изменение напряжения на зажимах конденсатора Ci (i =1, 2, 3 или 4) в период между коммутациями.
O
O+
O-,
- При ненулевом токе I и при токах I и Iпредполагаемыхнулевыми:
O-
O+
O,
При ненулевом токе I и при токах I и Iпредполагаемыхнулевыми:
Используя принцип наложения, получают полное изменение напряжений на зажимах конденсаторов, суммируя изменения, полученные для каждой возможной конфигурации:
Чтобы расцепить эти величины, можно отметить, что
- баланс в точке O+ связан с соотношением:
- баланс в точке O- связан с соотношением:
- баланс в точке O связан с соотношением:
То есть:
O+
O
O-
C1
C2
C3
C4
Следующая таблица показывает состояния ключей, которые приводят к наличию токов I, I, I и которые порождают изменение напряжений V, V, V, V на зажимах конденсаторов.
Состояние
<i>f4U</i><i>f</i><sub>4L</sub>
<i>f3U</i><i>f</i><sub>3L</sub>
<i>f</i><sub>2</sub>
<i>f1</i>
Фазовое напряжение
I<sub>O+</sub>
I<sub>O</sub>
I<sub>O-</sub>
V1
0
0
0
1
-Vdc/4
V2
0
0
1
0
-Vdc/4
I<sub>S</sub>
V4
0
1
0
0
-Vdc/4
I<sub>S</sub>
V3
0
0
1
1
0
I<sub>S</sub>
V5
0
1
0
1
0
I<sub>S</sub>
V6
0
1
1
0
0
I<sub>S</sub>
V8
1
1
0
0
0
I<sub>S</sub>
V7
0
1
1
1
Vdc/4
I<sub>S</sub>
V9
1
1
0
1
Vdc/4
I<sub>S</sub>
10
1
1
1
0
Vdc/4
O
O-
Чтобы обеспечить выходное напряжение величиной -Vdc/4, блок управления выбирает, в зависимости от состояния зарядки конденсаторов шины, одно из состояний V1, V2 или V4, определенных в таблице выше, таким образом, чтобы получить ток I или I.
O
O-
O+
Чтобы обеспечить нулевое выходное напряжение, блок управления выбирает, в зависимости от состояния зарядки конденсаторов шины, одно из состояний V3, V5, V6 или V7, определенных в таблице выше, таким образом, чтобы получить ток I, или I, или I.
O
O+
Чтобы обеспечить выходное напряжение величиной Vdc/4, блок управления выбирает, в зависимости от состояния зарядки конденсаторов шины, одно из состояний V7, V9 или V10, определенных в таблице выше, таким образом, чтобы получить ток I или I.
S
На рисунках показаны не все конфигурации, возможные для этого первого предложения. Исходя из фигур 3-5, можно предложить другие конфигурации, состоящие в замене выходного преобразователя CONV с плавающим конденсатором выходным преобразователем, имеющим топологию NPC, NPP или ANPC.
Ниже с обращением к фигуре 7 описывается второй предложенный вариант.
in_1
1_E1
2_E1
out
S
Этот второй вариант состоит в сочетании входной ступени E, входные преобразователи которой CONV, CONV имеют простую топологию, и выходной ступени E, выходной преобразователь CONV которой имеет более сложную топологию, содержащую увеличенное число соединенных последовательно ключей.
1_E1
2_E1
На входе, как и в первом предложенном варианте, преобразователи CONV, CONV реализованы в топологии типа NPC, NPP или ANPC.
S
На выходе преобразователь CONV выполнен в топологии типа SMC, что позволяет соединять последовательно любое число ключей, ограничивая размер применяемых плавающих конденсаторов.
in_1
1_E1
2_E1
out
S
Так, фигура 7 показывает многоуровневый преобразователь, имеющий входную ступень E, входные преобразователи CONV, CONV, которые имеют топологию NPP, и выходную ступень E, выходной преобразователь которой CONV имеет топологию SMC.
Другие возможные конфигурации для этого второго предложенного варианта, то есть NPC+SMC и ANPC+SMC, не показаны, но следует понимать, что они являются составной частью изобретения.
Таким образом, изобретение направлено на каскадное соединение известных базовых модулей, чтобы можно было последовательно включать подходящее число ключей. Различные возможные предложенные структуры позволяют адаптироваться к разным рабочим напряжениям в диапазоне от 2,3 кВ до 13,8 кВ.
Преимуществом описанного выше первого предложенного варианта является то, что он требует лишь небольшое количество ключей.
Со своей стороны, второй предложенный вариант позволяет увеличить число последовательных ключей, но также позволяет смешивать типы ключей. Ключи, использующиеся для входных ступеней, предпочтительно будут отличаться по типу от ключей, использующихся для выходной ступени. Чтобы соблюдать уровень напряжения, необходимый для каждого компонента, разность потенциалов, прикладываемая на вход выходного преобразователя, равна E/2. Для входной ступени два ключа должны быть в состоянии нести E/2, тогда как шесть ключей выходного преобразователя должны нести E/2.
В обоих предложенных выше вариантах вышеописанный контроль может потребоваться, чтобы обеспечить сбалансированность напряжений на зажимах конденсаторов. Принципы балансирования применяются идентичным образом ко всем топологиям, описанным в настоящей заявке.