ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ
POWER CONVERTER

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к преобразователю электрической энергии, который приспособлен для подсоединения между источником напряжения постоянного тока и источником напряжения переменного тока и для создания множества уровней напряжения на стороне переменного тока.
Уровень техники
Реверсивные преобразователи электрической энергии обычно присоединяют между положительным зажимом источника постоянного тока, отрицательным зажимом источника постоянного тока и множеством зажимов источника переменного тока, например, тремя зажимами источника переменного тока. Напряжение на каждом зажиме источника переменного тока регулируется с помощью соответствующего участка фазы преобразователя, который конструктивно является идентичным и независимым по отношению к другим участкам фазы. Для простоты известные преобразователи и преобразователи согласно изобретению будут описаны со ссылкой на один зажим источника переменного тока.
Преобразователи вырабатывают выходное напряжение на зажиме источника переменного тока, которое не является синусоидальным, поскольку он варьируется согласно ограниченному числу уровней напряжения. Это генерирует гармонические составляющие высокой частоты, которые неблагоприятно влияют на качество напряжения переменного тока и требуют использования соответствующих фильтров подавления гармоник.
Уровни напряжения, которые выдаются на зажиме источника переменного тока, в общем, являются уровнями на положительном и отрицательном зажимах источника постоянного тока и, по усмотрению, некоторым количеством промежуточных напряжений, например, средним напряжением между положительным и отрицательным зажимами источника постоянного тока.
Составляющие высокой частоты могут быть уменьшены посредством увеличения числа уровней напряжения, выдаваемых преобразователем. Таким образом, повышается качество напряжения переменного тока, и может быть снижена стоимость фильтров.
В научной публикации «Компенсация потерь в трехуровневых инверторах источников напряжений, используя активные NPC-переключатели» (T. Bruckner, S. Bernet, 17-21 июня, 2001 г.) приведено описание преобразователя с активной фиксированной нейтралью (ANPC-преобразователь). В ANPC-преобразователях конденсаторы секций положительного и отрицательного напряжений присоединены последовательно между зажимами источника постоянного тока и образуют между ними нейтраль.
Секция положительного напряжения и секция отрицательного напряжения соединены с конденсаторами секций положительного и отрицательного напряжений, и ниже секций положительного и отрицательного напряжений по направлению течения тока присоединен переключатель. ANPC-преобразователь выдает три уровня напряжения, т.е. напряжения положительного и отрицательного зажимов источника постоянного тока и нейтрали.
В документе US 7292460 приведено описание усовершенствования ANPC-преобразователей, где секция положительного напряжения, секция отрицательного напряжения и переключатель могут содержать большое число конденсаторов и пар блоков переключателей. Каждый из блоков переключателей содержит управляемый переключатель с антипараллельным диодом. Посредством надлежащего управления напряжение конденсаторов можно добавить или вычесть из обычных выходных напряжений ANPC-преобразователя. Таким образом, число уровней выходного напряжения увеличивается.
В документе US 6958924 приведено описание многоуровневого многоячейкового преобразователя (SMC-преобразователь), где несколько каскадов секций переключения присоединены между источником постоянного тока и источником переменного тока. В каждой секции предусмотрены два переключателя, которые управляются таким образом, чтобы они всегда находились в противоположных состояниях.
Каскады определяют две концевые группы блоков переключателей и, по меньшей мере, одну промежуточную группу блоков переключателей, которые являются общими с прилегающими каскадами. Конденсаторы соединены параллельно с секциями переключения каскадов и имеют напряжения, увеличивающиеся от источника переменного тока к источнику постоянного тока. Все каскады замкнуты накоротко на зажиме источника переменного тока.
В документе US 7313008 приведено описание преобразователя, имеющего две концевые группы переключения, состоящие из диодов, и промежуточную группу переключения, содержащую управляемые переключатели. Конденсаторы соединяют группы переключения на стороне переменного тока, в то время как, по меньшей мере, концевые группы переключения замкнуты накоротко на зажиме источника переменного тока.
Раскрытие изобретения
Задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы предложить гибкий и надежный многоуровневый преобразователь.
Другая задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы снизить потери мощности, связанные с преобразованием мощности.
Эти и другие задачи можно решить с помощью преобразователя электрической энергии по любому из пунктов приложенной формулы изобретения.
Краткое описание чертежей
Многочисленные признаки и преимущества преобразователя по настоящему изобретению станут понятными из приведенного ниже подробного описания предпочтительного варианта выполнения настоящего изобретения, который представлен в неограничивающем примере со ссылкой на приложенные чертежи, на которых:
фиг. 1 – схема преобразователя по первому варианту выполнения изобретения;
фиг. 2 – схема преобразователя по второму варианту выполнения изобретения;
фиг. 3 – схема преобразователя по третьему варианту выполнения изобретения;
фиг. 4 – схема преобразователя по четвертому более общему варианту выполнения изобретения; и
фиг. 5 – схема преобразователя по фиг. 4, на которой обозначены другие элементы.
Осуществление изобретения
Как показано на приложенных чертежах, преобразователь электрической энергии в целом обозначен номером поз. 1. Преобразователь 1 содержит множество плеч 21, 22, 33, 34, 35, 36, 41, 42, 43 моста. Плечо 41 моста будет описано в качестве примера применительно ко всем плечам моста, в то время как соединение плеч моста описано ниже.
Плечо 41 моста содержит один или несколько последовательно соединенных блоков переключателей 414, 415, а в некоторых вариантах выполнения также 416, 417. Каждый блок переключателя, например, блок переключателя 414, содержит управляемый переключатель 414a и диод 414b, соединенный встречно с управляемым переключателем 414a.
В настоящем описании встречное соединение относится к направлению токов, текущих в диоде 414b и управляемом переключателе 414a. В частности, ток, текущий в блоке переключателя 414 в первом направлении, будет протекать через управляемый переключатель 414a при условии, что управляемый переключатель 414a находится во включенном состоянии. Вместе с тем, если управляемый переключатель 414a находится в выключенном состоянии, блок переключателя 414 препятствует течению тока в первом направлении. Кроме того, ток, текущий в блоке переключателя 414 во втором направлении, противоположном первому направлению, течет через диод 414b.
Как вариант, плечо 41 моста разделено на группы 411, 412 переключения, т.е. плечо 41 моста содержит множество групп 411, 412 переключения. Каждая группа 411, 412 переключения содержит, в свою очередь, один или несколько блоков переключателей, например, блоки переключателей 414, 415 в группе 411 переключения и блоки переключателей 416, 417 в группе 412 переключения. Однако, как ясно из всего описания и из фигур, плечи моста также могут состоять только из одного блока переключателя, который соответствует одной группе переключения.
Преобразователь 1 содержит первый каскад 2, второй каскад 3 и третий каскад 4. Каскады 2, 3, 4 соединены последовательно и, в частности, второй каскад 3 соединен с первым каскадом 2 и третьим каскадом 4. Каждый каскад 2, 3, 4 содержит некоторое количество плеч моста, входных узловых точек и выходных узловых точек и, по усмотрению, конденсаторы и другие узловые точки. Плечи моста, узловые точки и конденсаторы именуются как первый, второй или третий в зависимости от наименования их каскада 2, 3, 4. Однако это не относится к блокам переключателей конкретного плеча моста.
Во время использования преобразователя 1 фаза сети переменного тока, например, нагрузка переменного тока или источник питания, может быть соединена с первой выходной узловой точкой 23 первого каскада 2. Кроме того, сеть постоянного тока, например, нагрузка постоянного тока или источник питания, может быть соединена с третьей входной узловой точкой 44 положительного напряжения и с третьей входной узловой точкой 46 отрицательного напряжения третьего каскада 4. Однако с упомянутыми узловыми точками могут быть соединены другие электрические компоненты между преобразователем 1 и внешней сетью.
Поскольку каскады 2, 3, 4 соединены последовательно, входные узловые точки 24, 25 первого каскада 2 соединены или другими словами соответствуют выходным узловым точкам второго каскада 3 (на фигурах для их обозначения используется один и тот же номер позиции). Сходным образом, входные узловые точки 37, 38, 39 второго каскада 3 соединены или соответствуют выходным узловым точкам третьего каскада 4.
Когда преобразователь 1 соединен с упомянутыми сетями переменного тока и постоянного тока, преобразователь 1 управляется в виде инвертора, электрический ток в целом течет через каждый каскад 2, 3, 4 от соответствующих входных узловых точек к выходным узловым точкам. Однако термины «входной» и «выходной» предназначены только для обозначения некоторых конкретных элементов каскадов 2, 3, 4, а не для ограничения объема формулы изобретения до конкретного использования преобразователя 1. Фактически, преобразователь 1 в целом является реверсивным преобразователем, и он также может использоваться в качестве выпрямителя с электрическим током, текущим в целом от выходных узловых точек к входным узловым точкам каждого каскада 2, 3, 4.
Первый каскад 2 содержит первое плечо 21 моста положительного напряжения и первое плечо 22 моста отрицательного напряжения. Первое плечо 21 моста положительного напряжения присоединено между первой выходной узловой точкой 23 и первой входной узловой точкой 24 положительного напряжения, в то время как первое плечо 22 моста отрицательного напряжения присоединено между первой выходной узловой точкой 23 и первой входной узловой точкой 25 отрицательного напряжения.
Второй каскад 3 содержит секцию 31 положительного напряжения и секцию 32 отрицательного напряжения. Секция 31 положительного напряжения соединена со второй входной узловой точкой 37 положительного напряжения, второй входной узловой точкой 38 промежуточного напряжения и первой входной узловой точкой 24 положительного напряжения, которая также образует вторую выходную узловую точку положительного напряжения. Кроме того, секция 32 отрицательного напряжения соединена со второй входной узловой точкой 38 промежуточного напряжения, второй входной узловой точкой 39 отрицательного напряжения и первой входной узловой точкой 25 отрицательного напряжения, которая образует вторую выходную узловую точку отрицательного напряжения. Следует отметить, что секция 31 положительного напряжения и секция 32 отрицательного напряжения соединены у второй входной узловой точки 38 промежуточного напряжения.
Более подробно, секция 31 положительного напряжения содержит второе плечо 33 моста с положительным выводом и второе промежуточное плечо 34 моста положительного напряжения. Второе плечо 33 моста с положительным выводом присоединено между первой входной узловой точкой 24 положительного напряжения и второй входной узловой точкой 37 положительного напряжения, и второе промежуточное плечо 34 моста положительного напряжения присоединено между первой входной узловой точкой 24 положительного напряжения и второй входной узловой точкой 38 промежуточного напряжения.
Сходным образом, секция 32 отрицательного напряжения содержит второе промежуточное плечо 35 моста отрицательного напряжения и второе плечо 36 моста с отрицательным выводом. Второе промежуточное плечо 35 моста отрицательного напряжения присоединено между первой входной узловой точкой 25 отрицательного напряжения и второй входной узловой точкой 38 промежуточного напряжения, и второе плечо 36 моста с отрицательным выводом присоединено между первой входной узловой точкой 25 отрицательного напряжения и второй входной узловой точкой 39 отрицательного напряжения.
Второй каскад 3 также содержит второй конденсатор 51 секции положительного напряжения и второй конденсатор 52 секции отрицательного напряжения. Второй конденсатор 51 секции положительного напряжения присоединен между второй входной узловой точкой 37 положительного напряжения и второй входной узловой точкой 38 промежуточного напряжения, а второй конденсатор 52 секции отрицательного напряжения присоединен между второй входной узловой точкой 38 промежуточного напряжения и второй входной узловой точкой 39 отрицательного напряжения. Несмотря на то, что для простоты вторые конденсаторы 51, 52 положительного и отрицательного напряжений описаны как часть второго каскада 3, они также могут рассматриваться как часть третьего каскада 4.
Третий каскад 4 содержит третье плечо 41 моста положительного напряжения, третье плечо 42 моста промежуточного напряжения и третье плечо 43 моста отрицательного напряжения. Третье плечо 41 моста положительного напряжения присоединено между второй входной узловой точкой 37 положительного напряжения, которая также может рассматриваться как третья выходная узловая точка положительного напряжения, и третьей входной узловой точкой 44 положительного напряжения. Третье плечо 42 моста промежуточного напряжения присоединено между второй входной узловой точкой 38 промежуточного напряжения, т.е. третьей выходной узловой точкой промежуточного напряжения, и третьей входной узловой точкой 45 промежуточного напряжения. Третья входная узловая точка 45 промежуточного напряжения может быть заземлена, как показано на фигурах, или может быть не заземлена. Третье плечо 43 моста отрицательного напряжения присоединено между второй входной узловой точкой 39 отрицательного напряжения, т.е. третьей выходной узловой точкой отрицательного напряжения и третьей входной узловой точкой 46 отрицательного напряжения.
Третий каскад 4 также содержит третий конденсатор 53 секции положительного напряжения и третий конденсатор 54 секции отрицательного напряжения. Третий конденсатор 53 секции положительного напряжения присоединен между третьей входной узловой точкой 44 положительного напряжения и третьей входной узловой точкой 45 промежуточного напряжения, а третий конденсатор 54 секции отрицательного напряжения присоединен между третьей входной узловой точкой 45 промежуточного напряжения и третьей входной узловой точкой 46 отрицательного напряжения. Несмотря на то, что для простоты третьи конденсаторы 53, 54 положительного и отрицательного напряжений описаны как часть третьего каскада 4, они также могут относиться к другим частям фазы преобразователя.
В вариантах выполнения на фиг. 1, 2 и 3 первое плечо 21 моста положительного напряжения и первое плечо 22 моста отрицательного напряжения состоят только из одного блока переключателя.
Однако в общем варианте выполнения на фиг. 4 и 5 каждое из первых плеч 21, 22 моста положительного и отрицательного напряжения содержит множество групп 211, 212, 221, 222 переключения. Эти группы 211, 212, 221, 222 переключения взаимно соединены последовательно в каждом соответствующем плече 21, 22 моста у одной или нескольких первых соединительных узловых точек 213, 223. Количество групп 211, 212 переключения первого плеча 21 моста положительного напряжения и количество групп 221, 222 переключения первого плеча 21 моста отрицательного напряжения являются одинаковыми. Каждая из указанных групп 211, 212, 221, 222 переключения содержит соответствующий блок переключателя 214, 215, 224, 225.
В этом варианте выполнения первый каскад 2 также содержит один или несколько первых соединительных конденсаторов 55. Количество первых соединительных конденсаторов 55 равно количеству групп 211, 212 переключения первого плеча 21 моста положительного напряжения (которое также является количеством групп 221, 222 переключения первого плеча 22 моста отрицательного напряжения) за вычетом единицы. Каждый первый соединительный конденсатор 55 присоединен между соответствующей первой соединительной узловой точкой 213 первого плеча 21 моста положительного напряжения и соответствующей первой соединительной узловой точкой 223 первого плеча 22 моста отрицательного напряжения.
В вариантах выполнения на фиг. 1 и 3 вторые плечи 33, 36 моста с положительным и отрицательным выводами и вторые промежуточные плечи 34, 35 моста положительного и отрицательного напряжений состоят только из одного блока переключателя.
Однако в варианте выполнения на фиг. 2 и в общем варианте выполнения на фиг. 4 и 5 вторые плечи 33, 36 моста с положительным и отрицательным выводами и вторые промежуточные плечи 34, 35 моста положительного и отрицательного напряжений содержат множество групп 331, 332, 341, 342, 351, 352, 361, 362 переключения. Указанные группы 331, 332, 341, 342, 351, 352, 361, 362 переключения взаимно соединены последовательно в каждом соответствующем плече 33, 34, 35, 36 моста у одной или нескольких вторых соединительных узловых точек 333, 343, 353, 363. Каждая из указанных групп 331, 332, 341, 342, 351, 352, 361, 362 переключения содержит соответствующий блок переключателя 334, 335, 344, 345, 354, 355, 364, 365.
Количество групп 331, 332 переключения второго плеча 33 моста с положительным выводом, количество групп 341, 342 переключения второго промежуточного плеча 34 моста положительного напряжения, количество групп 351, 352 переключения второго промежуточного плеча 35 моста отрицательного напряжения и количество групп 361, 362 переключения второго плеча 36 моста с отрицательным выводом являются одинаковыми.
В этих вариантах выполнения второй каскад 3 также содержит один или несколько вторых соединительных конденсаторов 56 секции положительного напряжения и один или несколько вторых соединительных конденсаторов 57 секции отрицательного напряжения в таком же количестве, как и вторые соединительные конденсаторы 56 секции положительного напряжения. Количество вторых соединительных конденсаторов 56 секции положительного напряжения равно количеству групп 331, 332 переключения второго плеча 33 моста с положительным выводом за вычетом единицы. В варианте выполнения на фиг. 2 предусмотрен один второй соединительный конденсатор 56 секции положительного напряжения.
Каждый второй соединительный конденсатор 56 секции положительного напряжения присоединен между соответствующей второй соединительной узловой точкой 333 второго плеча 33 моста с положительным выводом и второй соединительной узловой точкой 343 второго промежуточного плеча 34 моста положительного напряжения. Кроме того, каждый второй соединительный конденсатор 57 секции отрицательного напряжения присоединен между соответствующей второй соединительной узловой точкой 353 второго промежуточного плеча 35 моста отрицательного напряжения и второй соединительной узловой точкой 363 второго плеча 36 моста с отрицательным выводом.
В вариантах выполнения на фиг. 1 и 2 третьи плечи 41, 42, 43 моста положительного, промежуточного и отрицательного напряжений содержат два блока переключателей 414, 415, 424, 425, 434, 435.
В частности, третье плечо 42 моста промежуточного напряжения содержит первый блок переключателя 424, приспособленный для препятствования течению тока в первом направлении, и второй блок переключателя 425, приспособленный для препятствования течению тока во втором направлении, противоположном первому направлению. Первый и второй блоки переключателей 424, 425 третьего плеча 42 моста промежуточного напряжения могут рассматриваться как отдельная группа 421 переключения.
Первый и второй блоки переключателей 424, 425 третьего плеча 42 моста промежуточного напряжения могут быть соединены, например, не последовательно. Это означает, что ток может протекать одновременно через управляемый переключатель 424a первого блока переключателя 424 и через диод 425b второго блока переключателя 425. Кроме того, другой ток может протекать одновременно через диод 424b первого блока переключателя 424 и через управляемый переключатель 425a второго блока переключателя 425.
Предпочтительно, третье плечо 42 моста промежуточного напряжения является единственным плечом моста, где блоки переключателей соединены не последовательно. В общем, в любом другом плече моста, содержащем более одного блока переключателя, последовательное соединение блоков переключателей предпочтительно является соединением, в котором все блоки переключателей имеют одинаковую ориентацию. Другими словами, ток, текущий в некотором направлении, может проходить через диоды всех блоков переключателей, и ток в противоположном направлении может проходить через управляемые переключатели всех блоков переключателей при условии, что они находятся во включенном состоянии.
В вариантах выполнения на фиг. 1 и 2 третьи плечи 41, 43 моста положительного и отрицательного напряжений содержат два блока переключателей и, в частности, первый блок переключателя 414, 434 и второй блок переключателя 415, 435. Первый и второй блоки переключателей 414, 415 третьего плеча 41 моста положительного напряжения могут рассматриваться как отдельная группа 411 переключения третьего плеча 41 моста положительного напряжения, и первый и второй блоки переключателей 434, 435 третьего плеча 43 моста отрицательного напряжения могут рассматриваться как отдельная группа 431 переключения третьего плеча 43 моста отрицательного напряжения.
Преимущественно, блокирующие напряжения групп 411, 431 переключения третьих плеч 41, 43 моста положительного и отрицательного напряжений задаются суммой блокирующих напряжений соответствующих первых и вторых блоков переключателей 414, 415, 434, 435. Кроме того, все первые и вторые блоки переключателей 414, 415, 424, 425, 434, 435 третьих плеч 41, 42, 43 мостов положительного, отрицательного и промежуточного напряжений могут иметь одно и то же блокирующее напряжение. Это блокирующее напряжение может быт одним и тем же для всех блоков переключателей первого и/или второго каскада 2, 3.
Однако в варианте выполнения, который не показан на фигурах, третьи плечи 41, 43 положительного и отрицательного напряжений могут состоять только из одного блока переключателя. Эта компоновка, в общем, более дорогостоящая, поскольку блоки переключателей третьих плеч 41, 43 положительного и отрицательного напряжений требуют более высокого блокирующего напряжения.
Блокирующее напряжение является максимальным напряжением, которое, как предполагается, выдерживает переключатель в установившемся режиме в конкретном состоянии управления и в конкретном направлении.
В варианте выполнения на фиг. 3 и в общем варианте выполнения на фиг. 4 и 5 третьи плечи 41, 42, 43 мостов положительного, отрицательного и промежуточного напряжений содержат множество групп 411, 412, 421, 422, 431, 432 переключения. Указанные группы 411, 412, 421, 422, 431, 432 переключения взаимно соединены последовательно в каждом соответствующем плече 41, 42, 43 моста у одной или нескольких третьих соединительных узловых точек 413, 423, 433.
Количество групп 411, 412 переключения третьего плеча 41 моста положительного напряжения, количество групп 421, 422 переключения третьего плеча 42 моста промежуточного напряжения и количество групп 431, 432 переключения третьего плеча 43 моста отрицательного напряжения являются одинаковыми.
Каждая группа 411, 412, 421, 422, 431, 432 третьих плеч 41, 42, 43 мостов положительного, промежуточного и отрицательного напряжений в этих вариантах выполнения может иметь одни и те же признаки, описанные со ссылкой на варианты выполнения на фиг. 1 и 2 для соответствующих групп переключения. Например, дополнительная третья группа 412 переключения положительного напряжения содержит первый блок переключателя 416 и второй блок переключателя 417, дополнительная группа 422 переключения промежуточного напряжения содержит первый блок переключателя 426 и второй блок переключателя 427, и дополнительная группа 432 переключения отрицательного напряжения содержит первый блок переключателя 436 и второй блок переключателя 437.
В варианте выполнения на фиг. 3 и в общем варианте выполнения на фиг. 4 и 5 третий каскад 4 содержит один или несколько третьих соединительных конденсаторов 58 секции положительного напряжения и один или несколько третьих соединительных конденсаторов 59 секции отрицательного напряжения в таком же количестве, как и третьи соединительные конденсаторы 58 секции положительного напряжения. Количество третьих соединительных конденсаторов 58 секции положительного напряжения равно количеству групп 411, 412 переключения третьего плеча 41 моста положительного напряжения за вычетом единицы. В варианте выполнения на фиг. 3 предусмотрен один третий соединительный конденсатор 58 секции положительного напряжения.
Каждый третий соединительный конденсатор 58 секции положительного напряжения присоединен между соответствующей третьей соединительной узловой точкой 413 третьего плеча 41 моста положительного напряжения и третьей соединительной узловой точкой 423 третьего плеча 42 моста промежуточного напряжения. Кроме того, каждый третий соединительный конденсатор 59 секции отрицательного напряжения присоединен между соответствующей третьей соединительной узловой точкой 423 третьего плеча 42 моста промежуточного напряжения и третьей соединительной узловой точкой 433 третьего плеча 43 моста отрицательного напряжения.
Все конденсаторы преобразователя 1 предпочтительно заряжены согласно критерию, что напряжение конденсаторов выше для конденсаторов рядом со стороной постоянного тока, т.е. с третьей входной узловой точкой 44, 45, 46, и напряжение конденсаторов ниже для конденсаторов рядом со стороной переменного тока, т.е. рядом с первой выходной узловой точкой 23.
Фактически, третьи конденсаторы 53, 54 секций положительного и отрицательного напряжений заряжены до первого напряжения, и вторые конденсаторы 51, 52 секций положительного и отрицательного напряжений заряжены до второго напряжения, которое составляет долю первого напряжения. В настоящем описании термин «доля» означает соответствующую долю, т.е. долю меньше единицы.
Более конкретно, самый ближний конденсатор к первой выходной узловой точке 23 заряжен до минимального напряжения, а другие конденсаторы заряжены до напряжений, которые являются кратными значениями минимального напряжения. Самый ближний конденсатор к первой выходной узловой точке 23 может быть одним из первых соединительных конденсаторов 55 при наличии таковых, или, в ином случае, одним из вторых соединительных конденсаторов 56, 57 секций положительного или отрицательного напряжений при наличии таковых, или, в ином случае, каким-либо из вторых конденсаторов 51, 52 секций положительного или отрицательного напряжений.
DC
DC
DC
DC
DC
Например, в варианте выполнения на фиг. 1, когда разность напряжений между третьими входными узловыми точками 44, 46 положительного и отрицательного напряжений равна V, вторые конденсаторы 51, 52 секций положительного или отрицательного напряжений заряжены до напряжения приблизительно V/4. Кроме того, третьи конденсаторы 53, 54 секций положительного и отрицательного напряжений заряжены до напряжения приблизительно V/2. Преобразователь 1 этого варианта выполнения может выдавать в первой выходной узловой точке 23 пять уровней напряжения, которые равны 0, ±V/4 и ±V/2.
DC
DC
DC
DC
DC
DC
В варианте выполнения на фиг. 2 вторые соединительные конденсаторы 56, 57 секций положительного или отрицательного напряжений заряжены до напряжения приблизительно V/6, вторые конденсаторы 51, 52 секций положительного или отрицательного напряжений заряжены до напряжения приблизительно V/3, и третьи конденсаторы 53, 54 секций положительного и отрицательного напряжений заряжены до напряжения приблизительно V/2. Преобразователь 1 этого варианта выполнения может выдавать в первой выходной узловой точке 23 семь уровней напряжения, которые равны 0, ±V/6, ±V/3 и ±V/2.
DC
DC
DC
DC
DC
DC
В варианте выполнения на фиг. 3 вторые конденсаторы 51, 52 секций положительного или отрицательного напряжений заряжены до напряжения приблизительно V/6, третьи соединительные конденсаторы 58, 59 секций положительного или отрицательного напряжений заряжены до напряжения приблизительно V/3, и третьи конденсаторы 53, 54 секций положительного и отрицательного напряжений заряжены до напряжения приблизительно V/2. Преобразователь 1 этого варианта выполнения может выдавать в первой выходной узловой точке 23 семь уровней напряжения, которые равны 0, ±V/6, ±V/3 и ±V/2.
В общем, когда к преобразователю 1 добавлен первый соединительный конденсатор 55, второй соединительный конденсатор 56 секции положительного напряжения или третий соединительный конденсатор 58 секции положительного напряжения, количество уровней выходного напряжения может быть увеличено, по меньшей мере, на два уровня.
Ниже приведено описание управления преобразователем. Фактически, преобразователь 1 содержит контроллер, который не показан на фигурах. Преобразователь 1 управляется контроллером для получения выходного напряжения в первой выходной узловой точке 23, причем выходное напряжение имеет положительные полуволны и отрицательные полуволны, чередующиеся с фундаментальной частотой.
Во время положительной полуволны выходное напряжение равно или выше напряжения в третьей входной узловой точке 45 промежуточного напряжения, а во время отрицательной полуволны выходное напряжение равно или ниже напряжения в третьей входной узловой точке 45 промежуточного напряжения.
Контроллер, в частности, сконфигурирован для обеспечения подачи управляющих сигналов на управляемые переключатели преобразователя для чередования включенных состояний и выключенных состояний. Во включенном состоянии блок переключателя проводит ток в обоих направлениях, и его управляемый переключатель проводит ток в одном направлении. В выключенном состоянии блоки переключателей проводят ток только в одном направлении, и их управляемые переключатели не проводят ток ни в каком направлении.
В преобразователе 1 некоторые пары блоков переключателей управляются таким образом, чтобы они всегда были в противоположных состояниях. Однако, как известно специалистам в этой области, даже если пара блоков переключателей будет находиться в противоположных состояниях, по существу, постоянно, когда блок переключателя находится в выключенном состоянии, другой блок переключателя пары может быть включен только с небольшой задержкой по времени. Это позволяет исключить короткое замыкание некоторых компонентов преобразователя 1, в частности, конденсаторов.
В частности, контроллер сконфигурирован для обеспечения управления блоком переключателя 214 первого плеча 21 моста положительного напряжения и блоком переключателя 224 первого плеча 22 моста отрицательного напряжения, так чтобы они всегда находились в противоположных состояниях.
Кроме того, контроллер предпочтительно сконфигурирован для обеспечения поддержания указанного блока переключателя 214 первого плеча 21 моста положительного напряжения во включенном состоянии во время положительной полуволны и для поддержания указанного блока переключателя 224 первого плеча 22 моста отрицательного напряжения во включенном состоянии во время отрицательной полуволны.
Это относится, по меньшей мере, к одному блоку переключателя 214 первого плеча 21 моста положительного напряжения и, по меньшей мере, к одному блоку переключателя 224 первого плеча 22 моста отрицательного напряжения. В некоторых вариантах выполнения это соответствует в целом плечам 21, 22 моста положительного и отрицательного напряжений.
Следовательно, эти блоки переключателей 214, 224 первого каскада 2 переключаются с фундаментально частотой, и, в частности, они переключаются единовременно из включенного состояния в выключенное состояние и единовременно из выключенного состояния во включенное состояние во время фундаментального периода, который равен обратной величине фундаментальной частоты.
Как будет описано ниже, многие другие ключи преобразователя 1 переключаются с частотой переключения, которая является кратной величиной фундаментальной частоты. Это означает, что они переключаются из включенного состояния в выключенное состояние и из выключенного состояния во включенное состояние множество раз во время фундаментального периода.
Для уменьшения потерь энергии преобразователя предпочтительно переключать на фундаментальной частоте максимально возможное количество переключателей.
Для упрощения подробного объяснения управления блоками переключателей второго и третьего каскадов 3, 4 будет сделана ссылка на вариант выполнения из фиг. 1, где для каждого плеча моста предусмотрена только одна группа переключения. Когда плечо моста содержит множество групп переключения, каждая группа переключения может управляться независимо, в ряде случаев с различными состояниями управления в группах переключения или переключателях одной и той же группы переключения. Однако для второго и третьего каскадов 3, 4 все группы переключения плеча моста управляются согласно одной и той же общей логике, как описано применительно к варианту выполнения из фиг. 1.
Контроллер сконфигурирован для обеспечения управления блоком переключателя 334 второго плеча 33 моста с положительным выводом и блоком переключателя 344 второго промежуточного плеча 34 моста положительного напряжения, так чтобы они всегда находились в противоположных состояниях, и для обеспечения управления блоком переключателя 354 второго промежуточного плеча 35 моста отрицательного напряжения и блоком переключателя 364 второго плеча 36 моста с отрицательным выводом, так чтобы они всегда находились в противоположных состояниях.
Кроме того, контроллер сконфигурирован таким образом, чтобы во время положительной полуволны поддерживать указанный блок переключателя 354 второго промежуточного плеча 35 моста отрицательного напряжения во включенном состоянии и переключать указанный блок переключателя 344 второго промежуточного плеча 34 моста положительного напряжения на частоте переключения. Симметрично контроллер сконфигурирован таким образом, чтобы во время отрицательной полуволны поддерживать указанный блок переключателя 344 второго промежуточного плеча 34 моста положительного напряжения во включенном состоянии и переключать указанный блок переключателя 354 второго промежуточного плеча 35 моста отрицательного напряжения на частоте переключения.
Более конкретно, во время положительной полуволны второе промежуточное плечо 35 моста отрицательного напряжения в целом поддерживается во включенном состоянии, и второе плечо 36 моста с отрицательным выводом в целом поддерживается в выключенном состоянии. Симметрично во время отрицательной полуволны второе промежуточное плечо 34 моста положительного напряжения в целом поддерживается во включенном состоянии, и второе плечо 33 моста с положительным выводом в целом поддерживается в выключенном состоянии.
Следовательно, секция 31 положительного напряжения имеет низкие потери энергии, во время отрицательной полуволны, и секция 32 отрицательного напряжения низкие потери энергии во время положительной полуволны. Это управление также поддерживает относительно низкую разность напряжения, которая прикладывается к блокам переключателей первого каскада 2, когда они находятся в выключенном состоянии. Соответственно, могут использоваться переключатели с относительно низкими блокирующими напряжениями.
Предпочтительно, контроллер сконфигурирован таким образом, чтобы во время перехода от положительной полуволны к отрицательной полуволне поддерживать во включенном состоянии второе промежуточное плечо 34 моста положительного напряжения и второе промежуточное плечо 35 моста отрицательного напряжения, переключать первое плечо 22 моста отрицательного напряжения из выключенного состояния во включенное состояние и затем переключать первое плечо 21 моста положительного напряжения из включенного состояния в выключенное состояние. Кроме того, контроллер сконфигурирован таким образом, чтобы во время перехода от отрицательной полуволны к положительной полуволне поддерживать во включенном состоянии второе промежуточное плечо 34 моста положительного напряжения и второе промежуточное плечо 35 моста отрицательного напряжения, переключать первое плечо 21 моста положительного напряжения из выключенного состояния во включенное состояние и затем переключать первое плечо 22 моста отрицательного напряжения из включенного состояния в выключенное состояние.
Преимущественно, во время этих переходов первые плечи моста 21, 22 положительного и отрицательного напряжений могут переключать ток, по существу, при нулевом напряжении, поскольку они закорочены блоком переключателя 344 второго промежуточного плеча 34 моста положительного напряжения и блоком переключателя 354 второго промежуточного плеча 35 моста отрицательного напряжения, которые управляются до включенного состояния.
Что касается третьего каскада 4, контроллер сконфигурирован для обеспечения управления первым блоком переключателя 424 третьего плеча 42 моста промежуточного напряжения и первым блоком переключателя 414 третьего плеча 41 моста положительного напряжения, так чтобы они всегда находились в противоположных состояниях, и для обеспечения управления вторым блоком переключателя 425 третьего плеча 42 моста промежуточного напряжения и первым блоком переключателя 434 третьего плеча 43 моста отрицательного напряжения, так чтобы они всегда находились в противоположных состояниях.
Более конкретно, контроллер сконфигурирован таким образом, чтобы во время положительной полуволны поддерживать второй блок переключателя 425 третьего плеча 42 моста промежуточного напряжения во включенном состоянии и переключать первый блок переключателя 424 третьего плеча 42 моста промежуточного напряжения при частоте переключения, которая является кратным числом фундаментальной частоты.
Сходным образом, контроллер сконфигурирован таким образом, чтобы во время отрицательной полуволны поддерживать первый блок переключателя 424 третьего плеча 42 моста промежуточного напряжения во включенном состоянии и переключать второй блок переключателя 425 третьего плеча 42 моста промежуточного напряжения при частоте переключения.
Согласно первой возможной логической схеме управления для вторых блоков переключателей 415, 435 третьих плеч 41, 43 моста положительного и отрицательного напряжений контроллер сконфигурирован для управления вторыми блоками переключателей 415, 435 третьих плеч 41, 43 моста положительного и отрицательного напряжений, так чтобы они всегда находились в противоположных состояниях. В этом случае предпочтительно контроллер сконфигурирован таким образом, чтобы поддерживать второй блок переключателя 415 третьего плеча 41 моста положительного напряжения во включенном состоянии во время положительной полуволны и поддерживать второй блок переключателя 435 третьего плеча 43 моста отрицательного напряжения во включенном состоянии во время отрицательной полуволны.
Эта логическая схема управления является преимущественной, поскольку вторые блоки переключателей 415, 435 третьих плеч 41, 43 моста положительного и отрицательного напряжений переключаются при фундаментальной частоте во время обеих полуволн в отличие от первых блоков переключателей 414, 434 третьих плеч 41, 43 моста положительного и отрицательного напряжений, которые переключаются при частоте переключения, по меньшей мере, для одной полуволны.
Согласно второй возможной логической схеме управления контроллер сконфигурирован для управления первым и вторым блоками переключателей 414, 415 третьего плеча 41 моста положительного напряжения, так чтобы они всегда находились в одинаковом состоянии, и для управления первым и вторым блоками переключателей 434, 435 третьего плеча 43 моста отрицательного напряжения, так чтобы они всегда находились в одинаковом состоянии.
Ниже приведено описание предпочтительного управления для поддержания, по существу, постоянного напряжения конденсаторов во время использования преобразователя 1. Это описание сфокусировано на вторых конденсаторах 51, 52 секций положительного и отрицательного напряжений. Вместе с тем третьи конденсаторы 53, 54 секций положительного и отрицательного напряжений не требуют специального управления, поскольку их напряжение может оставаться постоянным благодаря источнику постоянного тока, соединенному с третьими узловыми точками 44, 46 положительного и отрицательного напряжений, и, по усмотрению, с помощью заземления третьей входной узловой точки 45 промежуточного напряжения.
В случае, когда преобразователь 1 содержит дополнительные конденсаторы, например, первый соединительный конденсатор 55 или второй или третий конденсаторы 56, 57, 58, 59 секций положительного и отрицательного напряжений, может быть внедрено сходное управление.
Заявитель заметил, что уровни положительного напряжения, которые ниже напряжения третьей узловой точки 44 положительного напряжения, и уровни отрицательного напряжения, которые выше напряжения третьей узловой точки 46 отрицательного напряжения, могут выдаваться в первой выходной узловой точке 23 с раздельными линиями тока, которые, таким образом, именуются резервируемыми линиями тока. Эти линии тока содержат переключатели во включенном состоянии и, по усмотрению, конденсаторы.
DC
Например, в варианте выполнения на фиг. 1 уровень напряжения V/4 может выдаваться с первой линией тока, содержащей третье плечо 41 моста положительного напряжения, второй конденсатор 51 секции положительного напряжения, второе промежуточное плечо 43 моста положительного напряжения и первое плечо 21 моста положительного напряжения. Таким образом, второй конденсатор 51 секции положительного напряжения заряжается или разряжается в зависимости от того, течет ли ток от третьего каскада 4 ко второму каскаду 2 или от первого каскада 2 к третьему каскаду 4.
DC
Уровень напряжения V/4 также может выдаваться со второй линией тока, содержащей третье плечо 42 моста промежуточного напряжения, второй конденсатор 51 секции положительного напряжения, второе плечо 33 моста с положительным выводом и первое плечо 21 моста положительного напряжения. Опять же второй конденсатор 51 секции положительного напряжения заряжается или разряжается в зависимости от направления тока, но зарядка или разрядка со второй линией тока меняет порядок на обратный по отношению к первой линии тока.
DC
Таким образом, когда в первой выходной узловой точке 23 требуется первый уровень положительного напряжения ниже напряжения третьей входной узловой точки 44 положительного напряжения, например, V/4 для варианта выполнения из фиг. 1, контроллер конфигурируется для управления переключателями посредством чередования, по меньшей мере, первой линии тока и второй линии тока, предпочтительно, в течение одного и того же времени.
DC
Сходным образом, когда в первой выходной узловой точке 23 требуется первый уровень отрицательного напряжения выше напряжения третьей входной узловой точки 46 отрицательного напряжения, например, -V/4 для варианта выполнения из фиг. 1, контроллер конфигурируется для управления переключателями посредством чередования, по меньшей мере, третьей линии тока и четвертой линии тока, предпочтительно, в течение одного и того же времени.
В других вариантах выполнения может быть больше двух резервных линий тока, которые адаптированы для выдачи одного и того же напряжения.
DC
Например, когда рассматривается вариант выполнения из фиг. 3, и требуется напряжение V/6, предусмотрены три резервные линии тока. Первая линия тока содержит третье плечо 41 моста положительного напряжения, второй конденсатор 51 секции положительного напряжения, второе промежуточное плечо 34 моста положительного напряжения и первое плечо 21 моста положительного напряжения. Вторая линия тока содержит третье плечо 42 моста промежуточного напряжения, второй конденсатор 51 секции положительного напряжения, группу 331 переключения второго плеча 33 моста с положительным выводом, которая расположена рядом со вторым конденсатором 51 секции положительного напряжения, второй соединительный конденсатор 56 секции положительного напряжения, группу 342 переключения второго промежуточного плеча 34 моста положительного напряжения, которая расположена рядом с первым плечом 21 моста положительного напряжения, и плечо 21 моста положительного напряжения. Третья линия тока содержит третье плечо 42 моста промежуточного напряжения, группу 341 переключения второго промежуточного плеча 34 моста положительного напряжения, которая расположена рядом со вторым конденсатором 51 секции положительного напряжения, второй соединительный конденсатор 56 секции положительного напряжения, группу 332 переключения второго плеча 33 моста с положительным выводом, которая расположена рядом с первым плечом 21 моста положительного напряжения, и плечо 21 моста положительного напряжения.
Следует отметить, что процесс зарядки и разрядки для второго конденсатора 51 секции положительного напряжения меняется на обратный между первой и второй линиями, а для второго соединительного конденсатора 56 секции положительного напряжения он меняется на обратный между второй и третьей линиями. Таким образом, три линии могут чередоваться для поддержания постоянных напряжений конденсаторов.
В общем, когда рассматривается второй конденсатор 51 секции положительного напряжения, первая линия тока содержит, по меньшей мере, блок переключателя третьего плеча 41 моста положительного напряжения, причем этот блок переключателя расположен рядом со вторым конденсатором 51 секции положительного напряжения, второй конденсатор 51 секции положительного напряжения и блок переключателя второго промежуточного плеча 34 моста положительного напряжения, который расположен рядом со вторым конденсатором 51 секции положительного напряжения. Кроме того, вторая линия тока содержит, по меньшей мере, блок переключателя третьего плеча 42 моста промежуточного напряжения, расположенный рядом со вторым конденсатором 51 секции положительного напряжения, второй конденсатор 51 секции положительного напряжения и блок переключателя второго плеча 33 моста с положительным выводом, который расположен рядом со вторым конденсатором 51 секции положительного напряжения.
Для поддержания постоянного напряжения второго конденсатора 52 секции отрицательного напряжения третья линия тока содержит, по меньшей мере, блок переключателя третьего плеча 43 моста отрицательного напряжения, расположенный рядом со вторым конденсатором 52 секции отрицательного напряжения, второй конденсатор 52 секции отрицательного напряжения и блок переключателя второго промежуточного плеча 35 моста отрицательного напряжения, расположенный рядом со вторым конденсатором 52 секции отрицательного напряжения. Четвертая линия тока содержит, по меньшей мере, блок переключателя третьего плеча 42 моста промежуточного напряжения, расположенный рядом со вторым конденсатором 52 секции отрицательного напряжения, второй конденсатор 52 секции отрицательного напряжения и блок переключателя второго плеча 36 моста с отрицательным выводом, расположенный рядом со вторым конденсатором 52 секции отрицательного напряжения.
Разумеется, первая и вторая линии тока должны выдавать первый уровень положительного напряжения, а третья и четвертая линии тока должны выдавать первый уровень отрицательного напряжения.
В самых общих чертах, когда рассматривается любой из конденсаторов преобразователя 1, первая линия тока содержит конденсатор, блок переключателя выше конденсатора по направлению течения тока и рядом с его положительным зажимом и блок переключателя ниже конденсатора по направлению течения тока и рядом с его отрицательным зажимом. Вторая линия тока содержит конденсатор, блок переключателя выше конденсатора по направлению течения тока и рядом с его отрицательным зажимом и блок переключателя ниже конденсатора по направлению течения тока и рядом с его положительным зажимом.