具有减小的共模电压的多电平转换器系统和方法.pdf

公开了一种用于操作多电平转换器的正弦脉冲宽度调制(SPWM)控制技术、计算机可读介质以及装置。其中，通过对多个载波信号或载波值与至少一个参考信号或参考值进行比较来确定期望AC节点电压电平，并且至少部分地基于开关电容器电压平衡目标或其他控制目标来从与期望AC节点电压电平对应的多个冗余开关状态中选择开关状态以生成开关控制信号。

1.  一种功率转换系统(2)，包括：
多电平转换器(100)，所述多电平转换器(100)包括第一DC节点 (101)和第二DC节点(102)、AC节点(116)以及包括开关设备(S1 至S6)和多个开关电容器(C1、C2)的转换器电路，所述转换器电路能 够根据多个开关控制信号(124)操作以在所述AC节点(116)处提供多 个不同的电压电平(L0至L3)；以及
控制器(122)，所述控制器(122)向所述多电平转换器(100)提供 所述开关控制信号(124)，所述控制器(122)被配置为对多个载波信号 或载波值(233、234、235)与至少一个参考信号或参考值(231、232) 进行比较(252)以确定用于所述多电平转换器(100)的操作的期望AC 节点电压电平(271)，并且所述控制器(122)被配置为至少部分地根据 控制目标(274)来从所述AC节点(116)处的所述不同的电压电平中的 至少一个不同的电压电平(L1、L2)的多个冗余开关状态中进行选择 (256)。

2.  根据权利要求1所述的功率转换系统(2)，其中，所述控制目标 (274)与对开关电容器电压的调节有关，并且其中，所述控制器(122) 被配置为至少部分地根据以下各项来从所述至少一个不同的电压电平 (L1、L2)的所述多个冗余开关状态中进行选择以促进对所述开关电容 器(C1、C2)的电压的调节：
所述期望AC节点电压电平(271)，
所述开关电容器(C1、C2)的当前电压情况，以及
流入或流出所述AC节点(116)的电流的极性。

3.  根据权利要求2所述的功率转换系统(2)，其中，所述控制器(122) 被配置为至少部分地从所述多个冗余开关状态中进行选择以将所述开关 电容器(C1、C2)的电压调节为至少一个参考电平(V_ref)。

4.  根据权利要求2所述的功率转换系统(2)，其中，所述多电平转 换器(100)包括：
第一电路(110)，所述第一电路(110)包括第一开关电路和箝位电 路，其中，所述第一开关电路包括在第一输入节点(111)与第二输入节 点(112)之间彼此串联连接的多个开关设备(S2至S5)，所述AC节点 (116)连接所述多个开关设备中的两个开关设备(S3、S4)，所述箝位电 路包括在所述第一开关电路的第一内部节点(114)与第二内部节点(118) 之间彼此串联连接的第一箝位元件(D1)和第二箝位元件(D2)以及连 结所述第一箝位元件(D1)和所述第二箝位元件(D2)的第三内部节点 (119)；以及
开关电容器电路(104)，所述开关电容器电路(104)包括第二开关 电路和多个电容器(C1、C2)，其中，所述第二开关电路包括分别连接在 对应DC节点(101、102)与所述第一开关电路的对应输入节点(111、 112)之间的多个电容器开关设备(S1、S6)，所述多个电容器(C1、C2) 分别连接在所述第三内部节点(119)与所述第一开关电路的对应输入节 点(111、112)之间，以及
其中，所述控制器(122)向所述电容器开关设备(S1、S6)和所述 第一开关电路的所述多个开关设备(S2至S5)提供所述多个开关控制信 号(124)以在所述AC节点(116)处提供所述多电平电压，所述控制器 (122)被配置为至少部分地根据所述期望AC节点电压电平(271)和所 述控制目标(274)来从所述AC节点(116)处的所述不同的电压电平中 的至少一个不同的电压电平(L1、L2)的多个冗余开关状态中进行选择。

5.  根据权利要求4所述的功率转换系统(2)，其中，所述多电平转 换器(100)被配置为根据所述控制器(122)提供的所述开关控制信号(124) 选择性地在所述AC节点(116)处提供整数N个电压电平中之一，其中， N≥4。

6.  根据权利要求1所述的功率转换系统(2)，其中，所述多电平转 换器(100)为逆变器(80)，并且其中，所述控制器(122)被配置为至 少部分地根据所述期望AC节点电压电平(271)和所述控制目标(274) 来提供所述多个开关控制信号(124)，以使得所述多电平转换器(100) 能够对经由所述DC节点(101、102)接收的DC输入功率进行转换以在 所述AC节点(116)处提供AC输出功率。

7.  根据权利要求1所述的功率转换系统(2)，其中，所述多电平转 换器(100)为整流器(70)，并且其中，所述控制器(122)被配置为至 少部分地根据所述期望AC节点电压电平(271)和所述控制目标(274) 来提供所述多个开关控制信号(124)，以使得所述多电平转换器(100) 能够对经由所述AC节点(116)接收的AC输入功率进行转换以在所述 DC节点(101、102)处提供DC输出功率并且使得所述多电平转换器(100) 能够对所述AC节点(116)处的电压电平进行控制。

8.  根据权利要求1所述的功率转换系统(2)，包括形成具有多个AC 节点(116)的多相转换系统的多个多电平转换器(100)，其中，所述控 制器(122)被配置为至少部分地根据所述期望AC节点电压电平(271) 和所述控制目标(274)来向所述多个多电平转换器(100)提供所述开关 控制信号(124)并且从对应AC节点(116)处的所述至少一个不同的电 压电平(L1、L2)的所述多个冗余开关状态中进行选择。

9.  根据权利要求1所述的功率转换系统(2)，其中，所述多电平转 换器(100)被配置为根据所述控制器(122)提供的所述开关控制信号(124) 选择性地在所述AC节点(116)处提供整数N个电压电平中之一，其中， N≥4。

10.  根据权利要求1所述的功率转换系统(2)，其中，所述多电平转 换器(100)包括：
第一电路(110)，所述第一电路(110)包括第一开关电路和箝位电 路，其中，所述第一开关电路包括在第一输入节点(111)与第二输入节 点(112)之间彼此串联连接的多个开关设备(S2至S5)，所述AC节点 (116)连接所述多个开关设备中的两个开关设备(S3、S4)，所述箝位电 路包括在所述第一开关电路的第一内部节点(114)与第二内部节点(118) 之间彼此串联连接的第一箝位元件(D1)和第二箝位元件(D2)以及连 结所述第一箝位元件(D1)和所述第二箝位元件(D2)的第三内部节点 (119)；以及
开关电容器电路(104)，所述开关电容器电路(104)包括第二开关 电路和多个电容器(C1、C2)，其中，所述第二开关电路包括分别连接在 对应DC节点(101、102)与所述第一开关电路的对应输入节点(111、 112)之间的多个电容器开关设备(S1、S6)，所述多个电容器(C1、C2) 分别连接在所述第三内部节点(119)与所述第一开关电路的对应输入节 点(111、112)之间，以及
其中，所述控制器(122)向所述电容器开关设备(S1、S6)和所述 第一开关电路的所述多个开关设备(S2至S5)提供所述多个开关控制信 号(124)以在所述AC节点(116)处提供所述多电平电压，所述控制器 (122)被配置为至少部分地根据所述期望AC节点电压电平(271)和所 述控制目标(274)来从所述AC节点(116)处的所述不同的电压电平中 的至少一个不同的电压电平(L1、L2)的多个冗余开关状态中进行选择。

11.  根据权利要求1所述的功率转换系统(2)，其中，所述多电平转 换器(100)为包括第一嵌套式中性点箝位型(NNPC)转换器级(100A) 和第二NNPC转换器级(100B)的嵌套式中性点箝位型H桥转换器(350)， 所述各个NNPC转换器级包括：
第一电路(110)，所述第一电路(110)包括第一开关电路和箝位电 路，其中，所述第一开关电路包括在第一输入节点(111)与第二输入节 点(112)之间彼此串联连接的多个开关设备(S2至S5)，所述AC节点 (116)连接所述多个开关设备中的两个开关设备(S3、S4)，所述箝位电 路包括在所述第一开关电路的第一内部节点(114)与第二内部节点(118) 之间彼此串联连接的第一箝位元件(D1)和第二箝位元件(D2)以及连 结所述第一箝位元件(D1)和所述第二箝位元件(D2)的第三内部节点 (119)；以及
开关电容器电路(104)，所述开关电容器电路(104)包括第二开关 电路和多个电容器(C1、C2)，其中，所述第二开关电路包括分别连接在 对应DC节点(101、102)与所述第一开关电路的对应输入节点(111、 112)之间的多个电容器开关设备(S1、S6)，所述多个电容器(C1、C2) 分别连接在所述第三内部节点(119)与所述第一开关电路的对应输入节 点(111、112)之间，以及
其中，所述控制器(122)被配置为至少部分地根据所述期望AC节 点电压电平(271)和所述控制目标(274)来向所述多个多电平转换器(100) 提供所述开关控制信号(124)并且从对应AC节点(116)处的所述至少 一个不同的电压电平(L1、L2)的所述多个冗余开关状态中进行选择。

12.  根据权利要求1所述的功率转换系统(2)，其中，所述多电平转 换器(100)为背对背转换器，所述背对背转换器包括：
至少一个多电平整流器级(70)；
至少一个多电平逆变器级(80)；以及
连接在所述多电平整流器级(70)与所述多电平逆变器级(80)之间 的中间DC电路(90)；
其中，所述多电平整流器级(70)和所述多电平逆变器级(80)每个 包括第一DC节点(101)和第二DC节点(102)、AC节点以及包括开关 设备(S1至S6)和多个开关电容器(C1、C2)的转换器电路，所述转换 器电路能够根据多个开关控制信号(124)操作以在所述AC节点(116) 处提供多个不同的电压电平(L0至L3)；
其中，所述控制器(122)被配置为至少部分地根据所述控制目标(274) 和所述整流器级(70)的期望AC节点电压电平(271)来提供所述多个 开关控制信号(124)，以使得所述多电平整流器级(70)能够对经由所述 AC节点(116)接收的AC输入功率进行转换以在所述DC节点(101、 102)处提供DC输出功率并且使得所述多电平转换器(100)能够对所述 AC节点(116)处的电压电平进行控制；以及
其中，所述控制器(122)被配置为至少部分地根据所述控制目标(274) 和所述逆变器(80)的期望AC节点电压电平(271)来提供所述多个开 关控制信号(124)，以使得所述多电平逆变器级(80)能够对经由所述 DC节点(101、102)接收的DC输入功率进行转换以在所述AC节点(116) 处提供AC输出功率。

13.  根据权利要求1所述的功率转换系统(2)，其中，所述控制目标 (274)与共模抑制有关，并且其中，所述控制器(122)被配置为提供所 述多个开关控制信号(124)以至少部分地促进减小所述功率转换系统(2) 中的共模电压。

14.  根据权利要求1所述的功率转换系统(2)，其中，所述多电平转 换器(100)为整流器(70)，并且其中，所述控制目标(274)与功率因 数校正有关。

15.  根据权利要求1所述的功率转换系统(2)，其中，所述多电平转 换器(100)为整流器(70)，并且其中，所述控制目标(274)与对所述 第一DC节点(101)和所述第二DC节点(102)两端的DC电压的调节 有关。

16.  一种用于操作多电平转换器(100)的方法(250)，其中，所述 多电平转换器(100)具有第一DC节点(101)和第二DC节点(102)、 AC节点(116)以及包括开关设备(S1至S6)和多个开关电容器(C1、 C2)的转换器电路，所述转换器电路能够根据多个开关控制信号(124) 操作以在所述AC节点(116)处提供多个不同的电压电平(L0至L3)， 所述方法包括：
通过对多个载波信号或载波值(233、234、235)与至少一个参考信 号或参考值(231、232)进行比较来确定(252)期望AC节点电压电平 (271)；
至少部分地根据控制目标(274)来选择性地从对应于所述期望AC 节点电压电平(271)的多个冗余开关状态中进行挑选(256)；以及
向所述转换器电路提供(258)所述开关控制信号(124)以操作所述 多电平转换器(100)。

17.  根据权利要求16所述的方法(250)，其中，所述控制目标(274) 与对开关电容器电压的调节有关，并且其中，至少部分地根据以下各项来 选择性地从所述多个冗余开关状态中进行挑选(256)以促进对所述开关 电容器(C1、C2)的电压的调节：
所述期望AC节点电压电平(271)，
所述开关电容器(C1、C2)的当前电压情况，以及
流入或流出所述AC节点(116)的电流的极性。

18.  根据权利要求16所述的方法(250)，其中，所述多电平转换器 (100)为逆变器(80)，并且其中，至少部分地根据所述期望AC节点电 压电平(271)和所述控制目标(274)来向所述转换器电路提供所述开关 控制信号(124)，以使得所述多电平转换器(100)能够对经由所述DC 节点(101、102)接收的DC输入功率进行转换以在所述AC节点(116) 处提供AC输出功率。

19.  根据权利要求16所述的方法(250)，其中，所述多电平转换器 (100)为整流器(70)，并且其中，至少部分地根据所述期望AC节点电 压电平(271)和所述控制目标(274)来向所述转换器电路提供所述开关 控制信号(124)，以使得所述多电平转换器(100)能够对经由所述AC 节点(116)接收的AC输入功率进行转换以在所述DC节点(101、102) 处提供DC输出功率并且使得所述多电平转换器(100)能够对所述AC 节点(116)处的电压电平进行控制。

20.  一种非暂态计算机可读介质，具有用于操作多电平转换器(100) 的计算机可执行指令，所述多电平转换器(100)具有第一DC节点(101) 和第二DC节点(102)、AC节点(116)以及包括开关设备(S1至S6) 和多个开关电容器(C1、C2)的转换器电路，所述转换器电路能够根据 多个开关控制信号(124)操作以在所述AC节点(116)处提供多个不同 的电压电平(L0至L3)，所述计算机可读介质具有用于进行下述操作的 计算机可执行指令：
通过对多个载波信号或载波值(233、234、235)与至少一个参考信 号或参考值(231、232)进行比较来确定(252)期望AC节点电压电平 (271)；
至少部分地根据控制目标(274)来选择性地从对应于所述期望AC 节点电压电平(271)的多个冗余开关状态中进行挑选(256)；以及
向所述转换器电路提供(258)所述开关控制信号(124)以操作所述 多电平转换器(100)。

具有减小的共模电压的多电平转换器系统和方法
技术领域
本申请总体上涉及功率转换，更特别地涉及一种具有减小的共模电 压的多电平转换器系统和方法。
背景技术
多电平转换器可以用于对交流电(AC)进行整流以产生直流电(DC)， 还可以用于生成用于在电动机或其他功率转换系统中使用的AC输出电 压。这种模块化形式的转换器可特别用于需要较大输出电压的情形。多电 平电压源转换器架构包括快速或开关电容器设计(FC)、中性点箝位型 (NPC)设计、模块化多电平转换器(MMC)以及级联类型和混合类型， 诸如级联H桥(CHB)设计。NPC设计包括连接在DC输入的两端以提 供中性点的一对电容器以及连接在DC总线两端的一系列开关，其中，每 个电容器被充电到DC输入值的一半，并且一对二极管将中间开关节点 连接至中性点。多电平转换器为中压大功率转换应用诸如电动机、微栅极 和分布式生成系统提供某些优势。与2电平电压源转换器(VSC)相比较， 这些拓扑结构的主要特征是如下能力：减小AC侧波形的谐波失真、减小 dv/dt开关应力、减小开关损耗以及最小化或甚至消除对于接口变换器的 需求。已经提出了某些变型配置和混合配置，包括5电平H桥NPC (5L-HNPC)、3电平有源NPC(3L-ANPC)以及5电平有源NPC (5L-ANPC)。虽然这些混合拓扑结构缓和了经典多电平拓扑结构的一些 缺陷，但仍然存在某些缺点。例如，5L-ANPC为3L-ANPC和3L-FC的 组合，其增加了电平的数目以达到更高的输出电平。然而，除了由于需要 对快速电容器电压进行控制以促进对所有开关使用同样的额定开关而带 来的系统复杂度之外，由于5L-ANPC的开关的电压强度不同，对于顶部 开关和底部开关串联连接两个设备，其中，外部开关额定值为DC链路电 压的一半，而内部设备只能看到DC链路电压的三分之一。
可以运行于很宽的电压范围(例如，2.4Kv至7.2Kv)的嵌套式中性 点箝位型(NNPC)多电平设计诸如4电平NNPC转换器解决了这些缺点， 其中，所有的开关经历相同或相似的电压应力电平而不需要多个开关的串 联连接。而且，NNPC架构通常具有比常规多电平转换器少的部件，并且 可以缓和对于复杂变换器的需求。此外，通过控制快速电容器电压容易实 现这些优点中的某些优点，从而对开关设备电压电平进行控制。然而，使 用空间矢量调制(SVM)来实现开关电容器电压控制或其他控制目标在 每个开关周期内需要进行很多计算，因而增大了控制系统复杂度，并且计 算时延会恶化控制系统的性能。因此，仍然需要一种用于操作NNPC或 其他多电平转换器架构而没有空间矢量调制技术的计算复杂度的简单且 鲁棒的控制技术和装置。
发明内容
现在对本公开内容的多个方面进行概述以便于基本理解本公开内容。 其中，此概述不是本公开内容的详尽综述，而且既不意在识别本公开内容 的某些元素也不意在限定其范围。相反，本概述的主要目的在于在下文中 呈现更详细的描述之前以简化的形式来呈现本公开内容的多种概念。
本公开内容提供正弦脉冲宽度调制(SPWM)技术，通过使用该技 术可以缓和或避免空间矢量调制技术的复杂度并且经由可以被应用于多 相多电平转换器的每个相的简单的正弦PWN(SPWM)控制来实现NNPC 和其他多电平转换器配置的益处。本发明人理解，可以使用不同的PWM 技术诸如空间矢量调制以通过使用开关冗余产生输出电平并且同时调节 快速电容器电压来控制并平衡NNPC或者其他多电平或开关电容器转换 器的快速电容器电压。然而，本发明人理解，基于SVM的方法需要进行 增加控制系统实现的复杂度的很多计算，特别是在其中有大量冗余开关状 态的低调制指数操作中。可以有利地采用本公开内容的SPWM技术，以 在保持单相或多相功率转换系统的NNPC和其他多电平转换器的益处的 同时减小实现控制系统的复杂度并且从而提高整个系统的性能。
根据本公开内容的多个方面提供了一种功率转换系统和控制装置。其 中，多电平转换器根据控制信号可操作以在AC节点处提供多个不同的电 压电平，其中，控制器被配置为对多个载波信号或载波值与硬件和/或固 件/软件中的至少一个参考信号或参考值进行比较来确定用于多电平转换 器的操作的期望AC节点电压电平。控制器至少部分地基于控制目标诸如 对转换器的开关电容器电压的调节或平衡来选择性地从不同的电压电平 中的至少一个电压电平的多个冗余开关状态中进行挑选。在某些实施方式 中，控制器至少部分地根据期望AC节点电压电平、开关电容器的当前电 压情况、以及流入或流出AC节点的电流的极性来从冗余状态中进行选 择，以促进电容器电压调节。在多个实施方式中，可以通过冗余开关状态 选择来实现一个或更多个控制目标，包括但不限于开关电容器电压平衡或 调节、共模减小、功率因数校正、DC总线电压调节、噪声减小或控制等。
可以有利地采用SPWM和选择性冗余状态选择的使用来在仍然实现 一个或更多个控制目标并提供多电平转换器的优势的同时避免与空间矢 量调制方法关联的复杂度和计算强度。而且，在某些实施方式中，多电平 转换器是可操作以在AC节点处提供四个或更多个不同的电压电平的嵌 套式中性点箝位型(NNPC)转换器，并且多个实施方式可以包括形成多 相系统的多个转换器。此外，在多个实施方式中可以将转换器用作整流器 或逆变器。在某些实施方式中，功率转换系统包括结合介于中间的DC总 线电路形成背对背整流器/逆变器的第一多电平转换器和第二多电平转换 器，其中，控制器对载波信号或载波值与参考进行比较以向多电平整流器 级或多电平逆变器级提供开关控制，从多个冗余开关状态中进行选择以实 现一个或更多个控制目标。此外，在另外的实施方式中，多电平转换器是 包括两个多电平NNPC转换器级的NNPC H桥结构。
根据本公开内容的另外的方面提供了一种用于操作多电平转换器的 方法。该方法包括：通过对载波信号或载波值与至少一个参考信号或参考 值进行比较来确定期望AC节点电压电平；至少部分地基于控制目标来选 择性地从与期望AC节点电压电平对应的多个冗余开关状态中进行挑选； 以及向转换器电路提供开关控制信号。在某些实施方式中，控制目标与开 关电容器电压调节有关，其中，至少部分地根据期望AC节点电压电平、 当前开关电容器电压和在转换器的AC节点处流动的电流的极性来做出 冗余开关状态挑选。可以在多电平逆变器中采用上述方法以经由开关控制 信号至少部分地根据期望AC节点电压电平和控制目标来对DC输入功率 进行转换并在AC节点处提供AC输出功率。在整流器实现中，控制器至 少部分地根据期望AC节点电压电平和控制目标来提供开关控制信号以 对经由AC节点接收的AC输入功率进行转换从而在DC节点处提供DC 输出功率并使得多电平转换器能够对AC节点处的电压电平进行控制。按 照本公开内容的另外的方面，非暂态计算机可读介质设置有用于执行上述 方法的计算机可执行指令。
附图说明
以下的描述和附图详细阐述本公开内容的某些说明性实现，这些说明 性实现表示可以实现本公开内容的多种原理的多种示例性方式。然而，所 示示例没有涵盖本公开内容的多个可能实施方式。当结合附图考虑时，在 以下详细描述中阐述本公开内容的其他目标、优点和新特征。在附图中：
图1是示出根据本公开内容的一个或更多个方面的示例性嵌套式中 性点箝位型(NNPC)多电平功率转换器的示意图，该NNPC多电平功率 转换器包括逆变器电路和开关电容器电路并且具有控制器，控制器使用冗 余开关状态选择来控制对第一快速电容器和第二快速电容器的充电和放 电以在实现一个或更多个控制目标的同时提供多电平AC节点电压并且 对快速电容器电压进行调节；
图2是示出用以提供具有基本等间隔的步长的4电平AC节点电压 的图1的NNPC功率转换器的开关状态的示例性集合的局部示意图；
图3是示出用于提供三相电压输出以驱动电机负载的三个NNPC功 率转换器及关联NNPC整流器DC电源的示意图；
图4是示出图1和图2的NNPC功率转换器的4电平线与中性点间 电压输出的波形的曲线图；
图5是示出图3的三相电动机实现的7电平线与线间电压输出波形 的曲线图；
图6是示出图1和图2的NNPC功率转换器控制器中的示例性电平 平移脉冲宽度调制实现的曲线图；
图7是示出根据本公开内容的另外的方面的、具有提供5电平输出的 多个开关电容器嵌套级的另一NNPC功率转换器的示意图；
图8是示出用于图7的5电平NNPC功率转换器的开关状态的示例 性集合的表格；
图9是示出根据本公开内容的一个或更多个方面的、用于通过使用正 弦脉冲宽度调制来操作多电平转换器的示例性方法的流程图；
图10是示出根据本公开内容的多个方面的、用选择性冗余矢量选择 提供开关控制信号以实现操作多电平转换器的控制目标的控制器的示例 性电路实现的示意图；
图11A和图11B提供示出用于控制4电平NNPC转换器以促进调节 开关电容器电压电平的详细过程的流程图；以及
图12是示出包括两个NNPC功率转换器级的NNPC H桥(NNPCHB) 功率转换系统的示意图，其中，第一级的逆变器输出提供系统中性点，而 第二级的逆变器输出提供用以驱动电机负载的线电压输出。
具体实施方式
现在参考上述图，在下文中结合附图来描述若干实施方式或实现。其 中，相似的附图标记自始至终用于指代相似的元素，并且各个特征并非一 定按比例绘制。
下文中在嵌套式中性点箝位型(NNPC)多电平转换器级100的上下 文中公开正弦脉冲宽度调制(SPWM)操作过程和功率转换装置。可以在 适于SPWM操作的其他形式和类型的多电平转换器级——包括但不限于 开关电容器多电平转换器、级联多电平转换器诸如级联H桥(CHB)、中 性点箝位型(NPC)多电平转换器级、模块化多电平转换器(MMC)、 NNPC级等——中采用本公开内容的多个方面和构思。
图1示出其中可以实现本公开内容的多个方面的示例性多电平转换 器级100。所示的转换器100无论作为整流器还是逆变器来操作都是将开 关电容器或快速电容器(FC)拓扑结构与中性点箝位型(NPC)拓扑结 构进行结合以实现AC节点116处的4电平电压操作的嵌套式中性点箝位 型(NNPC)配置。此外，在本实施方式中，为了确保输出电压的等间隔 的步长，将转换器级100的开关电容器C1和C2两端的电压调节为总DC 链路电压的三分之一，然而并非本公开内容的所有实施方式都有这样严格 的要求。NNPC转换器100有利地采用比常规4电平拓扑结构少的部件并 且具有较低的复杂度。而且，转换器级100中的二极管和电容器的数目比 常规4电平NPC设计的二极管和电容器的数目要少得多。虽然在图1中 以4电平转换器100的形式示出，但是本公开内容的多种构思发现与提供 任何整数N个离散AC电压电平的多电平转换器级有关的效用，其中，N ≥4。如以下进一步描述的，根据图2的表格126中所示的6种不同的开 关组合在转换器100中实现4个输出电平，其中，NNPC转换器开关设备 S1至S6被额定为V_DC/3。
图1的示例性4电平NNPC转换器级100可以与其他这样的级100 组合以形成多相多电平功率转换系统(例如，以下图3)，并且所描述的 NNPC功率转换器100或者具有开关电容器或快速电容器的其他多电平 转换器可以用于形成用于驱动任何类型的负载例如电动机的单相或多相 电源。然而，本公开内容的多种构思并不限于任何具体应用，而是可以用 于驱动任何类型的负载的任何形式的功率转换系统中。此外，多电平级 100可以用于形成用于DC-AC转换的逆变器，例如电动机的输出级；并 且/或者级100可以用于形成对所接收的单相或多相AC输入功率进行转 换以提供DC输出功率的多电平整流器电路。如图1中所示，转换器级 100具有在逆变器应用的情况下分别作为输入的第一DC端子101和第二 DC端子102、以及在逆变器应用的情况下提供单相AC输出电压及关联 输出电流i_out以驱动负载(未示出)的AC端子120。
图1的NNPC多电平转换器100包括嵌套有NPC类型的逆变器电路 110的开关电容器(例如，快速电容器)电路104。使用NNPC转换器级 的NNPC多电平转换器和系统的示例在转让给本申请的受让人的于2013 年6月20日提交的题为MULTILEVEL VOLTAGE SOURCE  CONVERTERS AND SYSTEMS的第13/922,401号美国专利申请中进行 了示出和描述，该申请的全部内容通过引用合并于本文。虽然本文中称为 NNPC功率转换器，但是NPC类型的逆变器电路110的中心节点119不 需要连接至任何系统“中性点”。转换器100经由DC端子101和102从 电源90接收DC输入电功率，其中，图1示出包括两个串联连接的电池 的示例性输入配置，每个电池具有V_DC/2的电压值，从而功率转换器100 被提供有值为V_DC的DC输入电压。而且，虽然没有对功率转换器100的 所有实现进行严格要求，但是图1中所示的配置包括连接至DC输入电源 90的两个电池的连接点的中性节点“N”。任何适当的DC电源90——包 括但不限于一个或更多个电池、有源的和/或无源的整流器等——可以与 用作逆变器级的功率转换器100结合使用。此外，DC电源90可以包括 DC总线电容，DC总线电容可以是单个电容器或以任何串联和/或并联配 置连接的多个电容器的任何组合。此外，NNPC转换器级100的某些实施 方式可以包括连接在DC输入端子101和102之间的一个或更多个板载电 容。
转换器级100包括逆变器(或转换器)电路110，逆变器(或转换器) 电路110具有提供在第一逆变器电路输入节点111与第二逆变器电路输入 节点112之间彼此串联连接的开关设备S2至S5的第一开关电路以及连接 两个逆变器开关设备S3和S4的逆变器输出或“AC”节点116。其中， 在图1的示例中，逆变器输出节点116直接地或间接地连接至转换器100 的AC输出端子120。而且，逆变器电路110可以包括在节点111和112 之间彼此串联连接的任何整数个开关设备S。在所示的示例中，提供了四 个设备S2至S5，其中，AC节点116具有在AC节点116与上输入节点 111之间的两个开关设备S2和S3以及连接在输出节点116与第二逆变器 输入节点112之间的两个开关S4和S5。此外，开关电容器电路104包括 如图所示连接在逆变器输入节点111和112之间的附加开关S1和S6、以 及对应的DC输入端子101和102。可以在功率级100的电路104和电路 110中使用任何适当类型的开关设备S1至S6，包括但不限于基于半导体 的开关诸如绝缘栅双极晶体管(IGBT)、硅可控整流器(SCR)、栅极关 断晶闸管(GTO)、集成门极换流晶闸管(IGCT)等。此外，如图1所 示，各个开关S1至S6包括用于在开关断开时沿着相反方向传导电流的反 并联二极管，然而并非所有实施方式都有严格的要求。
逆变器电路110还包括具有第一箝位元件和第二箝位元件——诸如 彼此串联连接的二极管D1和D2——的箝位电路。其中，D1的阴极连接 至第一内部节点114，D2的阳极连接至第二内部节点118。D2的阴极在 第三内部节点119处连结至D1的阳极。二极管D1提供从第三内部节点 119至第一内部节点114的导电通路，而D2提供从第二内部节点118到 第三内部节点119的导电通路。在其他实施方式中可以使用有源箝位开关 或其他箝位元件来代替附图中所示的箝位二极管。在可能的其他配置中， 二极管或其他箝位元件在逆变器开关电路的第一内部节点与第二内部节 点之间彼此串联连接。另外，如图所示可以使用单个二极管D1和D2， 或者可以使用多个二极管或其他箝位元件。例如，可以用在节点119与 114之间的任何适当的串联和/或并联配置的两个或更多个二极管来代替 D1，可以用在节点118与119之间的以任何适当的方式互连的两个或更多 个二极管来代替D2。此外，替选地，NNPC转换器100的开关设备S1 至S6两端的二极管D1和D2和/或箝位二极管可以为箝位开关(未示出)。 还可以用有源开关来替换箝位二极管D1和D2以实现有源中性点箝位。
开关电容器电路104包括连接在相应的DC输入端子101和102与 逆变器输入节点111和112中的对应的逆变器输入节点之间的开关S1和 S6。而且，如图所示，开关电容器电路104包括分别连接在第三内部节点 119与对应的逆变器电路输入节点111和112之间的第一电容器C1和第 二电容器C2，其中，连结电容器C1和C2的中心节点连接至节点119。 可以使用任何适当的类型和配置的电容器C1和C2，其中，各个电容器 C1和C2可以是单个电容器或以任何适当的串联和/或并联配置连接以在 节点111和119之间提供第一电容C1以及在节点119和112之间提供第 二电容C2的多个电容器。此外，虽然本公开内容没有严格要求，但是开 关电容器或快速电容器C1和C2优选地具有基本相等的电容值。
同样参考图2至图5，当转换器100作为逆变器操作时，控制器122 向各个逆变器开关设备S2至S5提供开关控制信号124-2、124-3、124-4 和124-5并且向开关电容器电路开关设备S1和S6提供控制信号124-1和 124-6，以在AC节点116处生成四个可能的不同的输出电压电平中之一， 例如AC输出电压。类似地，当转换器100作为整流器操作时，控制器 122提供开关控制信号124以在AC节点116处提供四个可能的不同的电 压电平中之一，从而促进用以执行各种控制功能诸如输出DC总线电压调 节、功率因数校正等的整流器操作。其中，典型的安装包括连接在栅极或 电源电压与AC节点116之间的电感，由此将AC节点116处的电压控制 为四个可能的不同的电压电平中之一的转换器100的操作实现了多电平 转换。在箝位设备D1和D2为有源设备的其他实施方式中，控制器122 还可以向有源设备诸如有源箝位设备D1和D2提供开关控制信号。
如以下进一步描述的，本公开内容提供可以通过以下方式在控制器 122中实现的基于正弦脉冲宽度调制(SPWM)的调制技术：例如使用具 有相同的频率和相同的幅度的3电平平移的三角形载波(以下图6)。可 以使用同相布局(IPD)调制技术或其他符号三角形调制技术，其中，如 以下图6中进一步示出的，所示的IPD示例提供所有同相载波。在操作 中，控制器122对载波与一个或更多个调制信号或参考信号进行比较，从 而确定要在AC节点116处提供的期望AC电平。基于AC节点116处的 期望电平(无论是用于作为整流器来操作还是作为逆变器来操作)，如图 2的表格126中所示，可以经由所生成的控制信号124-1至124-6将对应 的开关操作应用于功率开关S1至S6。
而且，如表格126中进一步所示，存在两个中间电平(电平1和电 平2)的冗余状态。发明人理解，在考虑到AC节点116处流动的电流的 情况下选择性地使用某些冗余状态可以根据需要对快速电容器进行充电 或放电以实现电容器电压平衡或电压调节控制目标。此外，可以采用从冗 余开关状态中进行选择来促进或实现一个或更多个另外的控制目标，诸如 功率转换系统中的共模电压的控制或减小、和/或整流器转换器操作的功 率因数控制、整流器转换器100的DC总线输出电压的控制或调节等。因 此，控制器122有利地操作以通过对载波与一个或更多个调制信号或参考 信号进行比较来确定期望AC节点电压电平；确定C1和C2的当前电容 器电压；确定流入或流出AC节点116的电流的方向；并且基于此来确定 (如果存在期望AC节点电压电平的冗余开关状态)要选择冗余开关状态 中的哪个冗余开关状态以便在转换器级100的每个控制循环实现对C1和 C2两端的开关电容器电压的调节。
控制器122因此充分利用开关状态的冗余来产生期望AC节点电压， 同时控制快速电容器C1和C2的电压。如图2的表格126中所示，对于 中间电压电平V_DC/6和-V_DC/6，在所示的4电平转换器100中有两个冗余 开关状态。每个冗余状态为各个快速电容器C1和C2提供特定的充电和 放电电流路径。类似的冗余状态可用于更高电平的转换器，诸如以下结合 图7和图8示出和描述的5电平转换器。在某些实施方式中，控制器利 用如下能力：从冗余开关状态中进行选择以对电容器C1和C2充电和放 电从而使额定参考电压值(例如，某一示例中V_ref＝V_DC/3)与所测量的电 容器电压值V_C1和V_C2之差最小化。
在某些实施方式中，控制器122还可以接收图中未示出的反馈信号诸 如电压和/或电流，包括但不限于指示流入或流出AC节点116的电流的 极性和幅度的测量的、感测的或红外的信号或值、电容器C1和C2两端 的电压V_C1和V_C2等。控制器122被实现为转换器100的一部分，并且/ 或者可以为独立的部件或系统。单个控制器122可以向多个转换器级100 提供信号124以实现以下进一步描述的促进实现一个或更多个控制目标 的SPWM技术。可以使用任何适当的硬件、处理器执行的软件或固件、 可编程逻辑或以上各项的组合来实现转换器控制器122。其中，控制器122 的示例性实施方式包括一个或更多个处理元件诸如微处理器、微控制器、 现场可编程门阵列(FPGA)、数字信号处理(DSP)、可编程逻辑等连同 电子存储器、程序存储器和信号调节驱动器电路；处理元件被编程或被配 置为生成适合于操作功率级100的开关设备的逆变器开关控制信号124 并且执行用于驱动负载的其他操作任务。此外，将计算机可读介质与可以 作为程序指令存储在形成控制器122的一部分或与控制器122在操作上相 关联的电子存储器中的计算机可执行指令一起考虑来实现所描述的功率 转换开关控制过程和技术。
如从图2中最佳可知，控制器122向开关S1至S6提供脉冲宽度调 制(PWM)形式的开关控制信号124以在AC(例如逆变器输出)节点 116处提供多电平输出电压(例如线与中性点间电压V_AN)。在所示实施方 式中，例如，控制器122向开关S1至S6提供开关控制信号124来提供处 于四个不同的线与中性点间电压电平中之一的输出电压V_AN。图4中的曲 线图210示出逆变器输出节点116处相对于中性点“N”的示例性的4电 平线与中性点间电压波形212(V_AN)。在图3中，三个NNPC级100a、 100b和100c连接至三相电源102的对应的相A、B和C以形成在包括等 值的两个DC总线电容的DC总线电路90中提供DC电压的三相整流器 电路70，其中，连接节点提供系统中性点N。此外，如从图3中可知， 三个不同的NNPC转换器级100r、100s和100t可以连接至DC总线电路 90的正线90a和负线90b以形成三相多电平逆变器80，三相多电平逆变 器80向电机相线202提供用以驱动三相电机负载200的AC输出电压。 其中，控制器122向NNPC级100r至100t中的每个NNPC级提供一组 逆变器开关控制信号124b。图5图示示出图3的系统中的示例性的线与 线间电压波形222的曲线图220，其中，三个NNPC逆变器级100r、100s 和100t的控制开关以120^o的相对相角提供用于驱动电机负荷200的7电 平线与线间电压波形222。
此外，如图6的曲线图230中进一步示出的，控制器122被配置为实 现正弦脉冲宽度调制，以查明或确定功率转换器级100的AC节点116处 的电压的期望电压电平。如从图6中可知，比如，示出了同相分布脉冲宽 度调制实现，其中，三角波载波信号或载波值233、234和235互相抵消， 并且控制器122将信号或值233至235与一个或更多个调制信号或参考信 号231和/或232进行比较。在某些实施方式中，只需要使用单个参考信 号231，并且可以根据任何适当的输入诸如期望系统运行条件(例如设定 点)与一个或更多个反馈信号或反馈值的比较来生成参考。控制器122 采用适当的逻辑或编程来实现功率转换器级100的六个开关设备S1至S6 的开关控制信号。特别地，控制器122可以使用硬件载波信号生成器电路 和适当的硬件比较器来实现正弦三角调制，并且/或者可以使用用对应的 编程指令编程的适当的处理器电路来生成表示载波233至235的数值并进 行与固件/软件中的一个或多个参考信号231、232的比较。在确定转换器 级100的期望AC节点电平之后，控制器122确定该期望AC节点电压电 平是否涉及冗余开关状态，如果涉及冗余开关状态，则执行从冗余状态中 选择或挑选以实现期望AC节点电压以及一个或更多个控制目标诸如所 示或所描述的电容器电压调节目标、共模减小、功率因数校正(整流器实 现的功率因数校正)等。在这点上，控制器122可以用处理器执行的固件 /软件、和/或通过使用逻辑电路、或上述两种方式的组合等来实现本公开 内容的矢量选择构思。
在这点上，发明人还理解，使用背对背NNPC多电平转换器配置或 其他背对背多电平转换器配置构造的AC-DC-AC功率转换器中的系统共 模电压Vcm是整流器70的共模电压贡献Vcmr与逆变器80的共模电压 贡献Vcmi之和。在所示配置中，具有中性点“N”、输入接地节点“g”、 输出零电压或中性节点“0”，其中，整流器贡献Vcmr＝Vg-Vn，逆变器 贡献Vcmi＝Vo-Vn，功率转换系统2中的整体贡献或总贡献为 Vcm＝Vog＝Vcmi-Vcmr。另外，本公开内容的某些方面有利地通过由控制 器122提供整流器开关控制信号和逆变器开关控制信号124来提供背对背 多相多电平转换系统2的操作，以便于通过整流器70和逆变器80的共模 贡献来实现共模电压控制。在一些情况下，提供给整流器级100a至100c 的开关控制信号124a和提供给多电平逆变器级100r至100t的逆变器开 关控制信号124b提供完全或至少部分地消除，其中，逆变器共模贡献通 过控制器122的冗余矢量选择来完全或者至少部分地抵消或消除与整流 器70关联的共模电压贡献。从而，可以选择性地采用由控制器122进行 的表格126中的冗余开关状态的选择以实现除了电容器电压调节控制目 标之外的共模电压减小。
此外，在某些实施方式中，控制器122提供开关控制信号124以控 制对开关电容器C1和C2的充电和放电以便将各个级100的对应的电容 器电压V_C1和V_C2调节为DC总线电路90的DC电压V_DC的目标分数。 此外，对电容器电压V_C1和V_C2的控制有利于基本上平均分布在给定级100 的各个开关设备S1至S6处可见的电压。图2示出与NNPC开关设备S1 至S6的不同的开关状态对应的6个可能的开关矢量V1、V2、V3、V4、 V5和V6连同与输入DC电平V_DC有关的对应的线与中性点间电压值。 其中，“1”指示对应的开关S为“接通”或导通。此外，表格126示出对 应级100的AC端子处的对应的不同的电压电平“L”，这种情况下，提 供相对于中性点N的4个不同的电压电平L0至L3。如以上所讨论的， 控制器122采用正弦脉冲宽度调制技术来在给定的脉冲宽度调制控制循 环期间初步确定转换器100的期望电平(L0、L1、L2和L3)。从而，如 果期望AC节点电压电平有可用的冗余开关状态(例如，所示的4电平转 换器场景中的L1或L2)，则控制器122采用逻辑和/或适当的处理器实现 的算法来优先地选择冗余开关状态中之一以生成对应的脉冲宽度调制控 制信号124，从而对转换器级100进行控制。
图2的4电平示例中的开关矢量V1对应于第一电平“3”，冗余开关 矢量V2和V3提供第二电压电平“2”，开关矢量V4和V5二者提供第三 电平“1”，第六开关矢量V6提供第四电平“0”。具体地，第一 矢量V1提供+V_DC/2的AC节点电压电平。第二开关矢量V2和第三开关 矢量V3(L2)关于线与中性点间AC节点电压彼此冗余，每个开关矢量 产生+V_DC/6的值。矢量V4和矢量V5(L1)也是冗余开关状态对，其中， 每个矢量提供-V_DC/6的AC节点电压值，最后的开关状态或矢量6在转换 器100的AC节点处产生-V_DC/2的电压。而且，如从图2中可知，通过冗 余矢量选择来控制对电容器C1和电容器C2的充电和放电，其中，对于 允许智能矢量选择以控制电容器充电和/或放电的冗余开关状态，对对应 电容器电压的影响会不同。例如，在期望AC节点电压电平为V_DC/6的情 况下，如果输出电流I_OUT为正(>0)，则可以选择矢量V2来对C1充电， 否则如果输出电流为负，则对C1放电。替选地，冗余矢量V3的选择对 C1和C2放电以得到正的输出电流，并且在输出电流为负的情况下对电 容器C1和C2充电。此外，如从图2的表格126中可知，可以通过在控 制器122中从冗余矢量V4和V5中选择来进行类似的充电和/或放电选择， 其中，期望的输出电压电平为-V_DC/6(电平L1)。
图7示出另一NNPC功率转换器100，NNPC功率转换器100在这种 情况下包括配置在NPC核心电路110周围的多个开关电容器嵌套级，并 且提供5电平输出。该嵌套式功率转换器100包括逆变器电路110、开关 电容器电路104和控制器122。如在图1的上述NNPC单元100中所示， 图7的转换器100中的逆变器电路110包括在逆变器电路输入节点111和 112之间彼此串联连接的开关设备S3至S6、以及连接S4和S5的逆变器 输出节点116。此外，逆变器电路110包括如所示在开关S4和S5附近的 第一内部节点114与第二内部节点118之间彼此串联连接的箝位开关或其 他箝位元件D1和D2。箝位电路还包括连结箝位元件D1和D2的第三内 部节点119。附图中的箝位设备被示出为二极管。然而，有源开关诸如 IGBT和IGCT也可以用于箝位目的。
图7的转换器100还包括双嵌套式开关电容器电路104，其中，第一 开关S1连接在第一DC输入101与第四内部节点106之间，第二开关S2 连接在节点106与第一逆变器输入节点111之间。此外，第三开关S7连 接在第二逆变器电路输入节点112与第五内部节点108之间，第四开关 S8连接在第五内部节点108与第二DC输入102之间。图7中提供两级 串联连接的开关的电容器C1/C2和C3，其中，C1连接在节点111与节点 119之间，C2连接在节点119与节点112之间，C3连接在节点106与节 点108之间。控制器122提供开关控制信号124以操作逆变器开关S3至 S6以及电容器开关设备S1、S2、S7和S8，从而在逆变器输出节点116 处提供多电平输出电压，同时例如使用上述冗余开关矢量的选择来控制电 容器C1至C3的充电和放电。
图8图示示出了图7的5电平转换器100的八个开关S1至S8的开 关状态和对应的开关控制信号124-1至124-8、连同对电容器电压的对应 影响(不可用或“N/A”，取决于输出电流I_OUT的极性进行充电和放电) 的表格240。如同以上所示的4电平示例(例如，以上图2中的表格126)， 控制器122在从可用的冗余状态中进行选择的过程中采用具有冗余状态 的AC节点电压电平的各冗余开关状态的开关电容器电压影响特征、连 同一个或更多个测量值诸如AC节点电流的极性、开关电容器电压电平 等。如从图8的表格240中可知，与图2的表格126的情况类似，存在具 有多个冗余状态的若干AC节点电压电平(例如，该5电平示例中的中间 电平1至3)。具体地，电平L3包括可能的开关矢量V2至V4，其中，每 个可能的开关矢量对电容器C1、C2和C3两端的电压有不同的潜在影响。 类似地，三个冗余状态V9至V11可用于由控制器122来选择以实现图8 中的AC节点电压电平L1。此外，如图所示，中间电平L2具有四个可用 的冗余开关状态或矢量V5至V8。
虽然对4电平实现和5电平实现进行了示出和描述，但是应当理解的 是，本公开内容的多种正弦脉冲宽度调制技术可以结合可操作以提供任何 数目N个离散AC节点电压电平的多电平转换器的操作来使用，其中，N ≥4。而且，虽然所示的示例为NNPC类型多电平转换器100，但是本公 开内容的多个构思可以与任何适当形式的能够在AC节点处提供多于三 个离散电压电平的多电平转换器关联地来使用。
现在，参考图9和图10，图9示出下述示例性过程或方法250，该示 例性过程或方法250用于对根据多个开关控制信号124可操作的多电平转 换器诸如以上说明和描述的转换器100进行操作以在AC节点116处提供 多个不同的电压电平L0至L3。另外，图10示意性地示出控制器122中 的方法250的实现。示例性控制器122可以包括执行过程250的至少一个 可编程处理器和/或适当的逻辑，并且多个适当的实现可以使用硬件、处 理器执行的软件、处理器执行的固件、可编程逻辑或以上各项的组合等来 实现，其中，程序指令根据需要存储在与控制器122关联的存储器中。在 这点上，可以通过使用来自具有执行本文所述的过程和控制器功能的计算 机可执行指令的非暂态计算机可读介质的计算机可执行指令来实现图9 的示例性方法250和本公开内容的其他方法，上述非暂态计算机可读介质 诸如计算机存储器、功率转换器控制系统内的存储器(例如，控制器122)、 CD-ROM、软盘、闪存驱动器、数据库、服务器、计算机等。应当理解 的是，当以一系列动作或事件的形式来图示或描述示例性方法250时，本 公开内容的多个方法不限于这样的动作或事件的所示顺序，除非本文中具 体阐述。在这点上，除非下文中具体提到，否则一些动作或事件可以以不 同的顺序发生和/或与不同于本文说明和描述的动作或事件的其他动作或 事件同时发生；而且实现根据本公开内容的过程或方法并非需要所有的所 示步骤。
图9的方法250开始于步骤252，其中，控制器122通过对多个载波 信号或载波值(例如，图6中的载波233、234和235)与至少一个参考 信号或参考值(以上图6中的231、232)进行比较来确定期望AC节点 电压电平(图10中的期望电平271)。如前所述，控制器122可以通过使 用硬件电路来比较多个信号，并且/或者可以经由用于生成和使用可以由 可编程处理器进行比较的载波值和参考值的可编程处理器来进行多个信 号的比较。在步骤254，控制器122确定是否存在期望AC节点电平的冗 余状态。例如，如果对于以上图2中的表格126所例示的4电平示例，当 前期望AC节点电平为L1或L2，则控制器122具有从其中挑选以得到期 望AC节点电压电平的两个不同的冗余状态或矢量，其中，从冗余状态中 进行选择使得能够选择性地实现一个或更多个控制目标(例如，图10中 的控制目标274)。
如果当前期望AC节点电平有冗余状态(步骤254为是)，则过程250 继续进行至步骤256，在步骤256，控制器至少部分地根据控制目标274 来从对应于期望AC节点电压电平的多个冗余开关状态中进行挑选或选 择。而且，如从图9中可知，在不存在能够从其中挑选期望AC节点电平 的冗余状态(步骤254为否)的情况下，过程250不包括冗余状态选择， 由此方法250中由控制器122从冗余状态中进行的选择是选择性的。在这 种情况下，或者在控制器122在步骤256已经从可用的冗余状态中进行了 选择之后，方法250继续进行至步骤258，在步骤258，控制器122向转 换器电路提供开关控制信号124以操作多电平转换器100。例如，在以上 图2的示例中，如以上详细描述，控制器122根据所选择的开关状态或矢 量V1至V6来实现开关控制信号124-1至124-6。在这点上，控制器122 可以包括任何适当的信号调节电路或信号驱动器电路(未示出)以致动多 电平转换器100的对应的开关设备S1至S6。
在方法250的某些实施方式中，控制器122接收一个或更多个反馈信 号或反馈值(图10中的FB 264)，诸如开关电容器电压、流入或流出AC 节点116的电流的极性等。而且，在某些实施方式中，在控制目标274与 调节开关电容器电压有关的情况下，在步骤256处从多个冗余开关状态中 进行选择的操作至少部分地根据期望AC节点电压电平271、开关电容器 C1和C2的当前电压状态以及流入或流出AC节点116的电流的极性来进 行，以促进对开关电容器C1和C2的电压的调节。另外，在转换器100 是逆变器(例如以上图3中的逆变器80)的情况下，控制器在步骤258 至少部分地根据期望AC节点电压电平271和控制目标274来向转换器电 路提供开关控制信号124，以使得转换器100能够对经由DC节点101和 102接收的DC输入功率进行转换以在AC节点116处提供AC输出功率。 而且，在转换器100被用作整流器70的情况下，控制器122在步骤258 至少部分地根据期望AC节点电压电平271和控制目标274来提供开关控 制信号124，以使得多电平转换器100能够对经由AC节点116接收的AC 输入功率进行转换以在DC节点101和102处提供DC输出功率，并使得 多电平转换器100能够对AC节点电压进行控制。
图10还示出实现图9的过程250的控制器122的逻辑和/或编程的详 细实现。如图10中所示，示例性控制器122包括接收至少一个设定点(SP) 信号或值262以及一个或更多个反馈信号或值(FB)264的闭环(CL) 控制部件或电路260，其中，闭环控制部件260将至少一个参考输出(REF) 提供给实现一个或更多个比较器266的部件/电路，一个或更多个比较器 266用于对从闭环控制部件260输出的参考信号或参考值与多个载波268 (例如，以上图6中的载波信号或载波值233至235)进行比较。比较器 266提供指示转换器级100的期望AC节点电平271的一个或更多个输出， 诸如整数电平数(例如，以上4电平示例中的0、1、2或3)。期望电平 271被提供给冗余状态选择部件272(例如，固件/软件、可编程逻辑、和 /或硬件逻辑等)，冗余状态选择部件272根据至少一个控制目标274选择 性地从任何可用的冗余开关状态或矢量中进行挑选。
如以上图9和图10中所示，相比于与空间矢量调制技术关联的大量 计算和复杂度，用硬件和/或固件/软件实现控制器122中的过程250和实 现非常简单和容易。而且，控制器122使用正弦脉冲宽度调制进行的计算 或处理的量独立于调制指数，而在SVM技术中并非如此。此外，图9和 图10的方法可以容易地适用于更高次的多电平转换器100(例如，以上 图7和图8的5电平示例)。
图11A和图11B示出根据本公开内容的多个方面的用于操作所示4 电平转换器100的详细过程300，其中，控制目标274与将转换器100的 电压V_C1和V_C2平衡或调节至预定参考值V_ref——诸如在一个可能的实现 中为V_DC/3——有关。在图11A中的步骤302确定期望AC节点电平(例 如，以上图2的表格126中的电平L0至L3)。如果期望AC节点电压电 平为“0”，则控制器122在步骤304选择矢量V6并使用V6来生成开关 控制信号124(根据表格126，L0没有冗余矢量或开关状态)。类似地， 如果期望AC节点电平为“3”,则控制器122在步骤306根据图2中的表 格126选择矢量V1。如果期望AC节点电压电平为“2”，则过程300在 以下进一步讨论的图11B中继续。
否则，如果期望AC节点电压电平为“1”，则控制器122在步骤308 确定(例如，根据图10中的一个或多个反馈信号或值264)AC节点电流 极性为正还是为负。对于正的电流流(图11A中步骤308为是)，控制器 在步骤310对条件进行检查，并且在条件检查结果为真(步骤310为是) 的情况下在步骤312选择V5。在这点上，步骤310中的条件((V_C1>V_ref) 且(V_C2>V_ref))或者((V_C1<V_ref)且(V_C2>V_ref)且(ΔV_C1<ΔV_C2))表示 下述情况：其中电容器电压V_C1和V_C2都超过期望参考电平V_ref；或者C1 两端的电压V_C1低于V_ref，C2两端的电压高于V_ref，并且与电容器C2关 联的电压差ΔV_C2(表示V_C2与V_ref之间的差的绝对值)大于与电容器C1 关联的电压差。在所示实施方式中，在这些情况下，控制器122在步骤 312选择矢量V5，因为这样对电压V_C1没有影响，而会对C2进行充电以 增加C2两端的电压从而获取正的AC节点电流流，如图2中的表格126 所示。
否则(步骤310为否)，控制器122对比图11A中步骤314所述的情 况对当前情形进行检验，并且在结果为真(步骤314为是)的情况下在步 骤316选择矢量V4。否则(步骤314为否)，控制器122选择V4或V5， 其中，控制器122在步骤318可选地从V4和V5中进行选择以实现附加 控制目标274(例如，共模电压减小或控制、功率因数校正、DC总线电 压调节、开关噪声减小、THD减小等)。对于期望AC节点电平L1，在 AC节点电流为负(图11A中步骤308为否)的情况下，控制器在步骤320 对条件进行检查。如果检查结果为真(步骤320为是)，则控制器122在 步骤322选择矢量V5；否则(步骤320为否)在步骤324对条件进行检 查，如果检查结果为真(步骤324为是)，则控制器122在步骤326选择 矢量V4。否则(步骤324为否)，控制器122在步骤328选择矢量V4或 V5，例如以实现附加控制目标274。
同样参考图11B，如果期望AC节点电压电平为“2”，则控制器在步 骤329确定AC节点电流是正的还是负的。对于正的AC节点电流(步骤 329为是)，控制器122在步骤330对条件进行检查，并且在检查结果为 真(步骤330为是)的情况下在步骤332选择矢量V3。否则(步骤330 为否)，控制器122在图11B中的步骤334对各个条件进行检验。如果各 个条件为真(步骤334为是)，则在步骤336选择矢量V2，否则(步骤 334为否)，控制器122在步骤338选择V2或V3以在当前PWM控制循 环中操作转换器级100。对于AC节点电平为“2”且AC节点电流流为 负(图11B中步骤329为否)的情况下，控制器122在步骤340对条件进 行检查，并在检查结果为真(步骤340为是)的情况下在步骤342选择矢 量V3。否则(步骤340为否)，控制器122在步骤344对条件进行检查， 并在检查结果为真(步骤344中为是)的情况下在步骤346选择矢量V2。 如果这些条件都不满足(步骤344为否)，则控制器122例如根据不同的 控制目标274在步骤348选择V2或V3。4电平转换器100可能有其他实 现，例如在决定如何实施对电容器C1和C2的充电/放电以实现电容器电 压调节控制目标274的过程中使用不同的条件检查。而且，通过使用在控 制器122中的处理部件的硬件和/或固件/软件编程时实现的适当逻辑，可 能有多种其他的实施方式以实现或促进一个或更多个控制目标274，包括 但不限于以上提到的那些目标。此外，对于具有任何适当数目的电平“N” (例如，以上图7和图8的5电平转换器100)的控制器，可以采用类似 的处理。
接下来参考图12，控制器122可以对采用多电平转换器100的系统 中的各个转换器级100实现相同或类似的控制过程250、300。图12中示 出了功率转换器350，其包括如以上结合图1和图2描述的、以H桥配置 连接以实现逆变器的两个NNPC级100A和100B，本文中称为NNPC H 桥(NNPCHB)。NNPCHB转换器350包括如上所述从电源90接收输入 DC电压的DC输入端子351和352，DC输入端子351和352如图所示连 接至NNPC级100A和100B两者的DC输入。类似于图1的NNPC转换 器级100，图12中的第一级100A包括开关设备SA1、SA2、SA3、SA4、 SA5和SA6、以及箝位开关或其他箝位元件DA1和DA2以及具有对应电 压V_CA1和V_CA2(例如V_DC/3)的电容器CA1和CA2。同样地，第二级100B 包括开关SB1、SB2、SB3、SB4、SB5和SB6、以及箝位元件DB1和DB2 以及具有对应电容器电压V_CB1和V_CB2(例如V_DC/3)的电容器CB1和CB2。 附图中将开关设备DA1、DA2、DB1和DB2示为二极管，然而也可以用 有源开关例如IGBT和IGCT作为箝位元件。图12中的转换器100A的 AC节点116连接至系统中性点356，并且第二多电平功率转换器100B的 AC节点116向功率转换系统350提供AC输出354。
这种情况下的控制器122向第一NNPC转换器100A提供开关控制信 号124A，并向第二NNPC级100B提供一组开关控制信号124B。所提出 的SPWM技术的主要特征在于，其可以分别应用于每个分支以控制该分 支的快速电容器同时生成输出波形。在每个相中，只有调制信号相对于彼 此具有180度的相移。而且对于不同的相，调制信号相对于彼此具有±120 度的相移。
以上示例仅仅是对本公开内容的多个方面的几个可能的实施方式的 说明，其中，本领域技术人员基于对本说明书和附图的阅读和理解可以想 到多种等同替换和/或修改。尤其关于上述各部件(组件、设备、系统、 电路等)所进行的多种功能，除非另有说明，否则用于描述这些部件的术 语(包括对“装置”的提及)旨在对应于执行所描述部件的特定功能的任 何部件(即，功能上等同)诸如硬件、处理器执行的软件或其组合，尽管 这些术语与执行本公开内容的所示实现中的功能的所公开的结构在结构 上不等同。此外，虽然可以仅参照多个实现中之一来公开本公开内容的特 定特征，但是这样的特征可以与其他实现的一个或更多个其他特征组合， 因为这样的特征可以被期望用于任何给定的或特定的应用并对该应用有 利。同样，就在详细描述和/或权利要求中所使用的术语“包括 (including)”、“包括(includes)”、“具有(having)”、“具有(has)”、“带 有(with)”、或者其多种变型而言，这样的术语旨在以类似于术语“包括 (comprising)”的方式表示包括。
本公开内容还可以通过以下方案来实现：
方案1.一种功率转换系统，包括：
多电平转换器，所述多电平转换器包括第一DC节点和第二DC节点、 AC节点以及包括开关设备和多个开关电容器的转换器电路，所述转换器 电路能够根据多个开关控制信号操作以在所述AC节点处提供多个不同 的电压电平；以及
控制器，所述控制器向所述多电平转换器提供所述开关控制信号，所 述控制器被配置为对多个载波信号或载波值与至少一个参考信号或参考 值进行比较以确定用于所述多电平转换器的操作的期望AC节点电压电 平，并且所述控制器被配置为至少部分地根据控制目标来从所述AC节点 处的所述不同的电压电平中的至少一个不同的电压电平的多个冗余开关 状态中进行选择。
方案2.根据方案1所述的功率转换系统，其中，所述控制目标与对 开关电容器电压的调节有关，并且其中，所述控制器被配置为至少部分地 根据以下各项来从所述至少一个不同的电压电平的所述多个冗余开关状 态中进行选择以促进对所述开关电容器的电压的调节：
所述期望AC节点电压电平，
所述开关电容器的当前电压情况，以及
流入或流出所述AC节点的电流的极性。
方案3.根据方案2所述的功率转换系统，其中，所述控制器被配置 为至少部分地从所述多个冗余开关状态中进行选择以将所述开关电容器 的所述电压调节为至少一个参考电平。
方案4.根据方案2所述的功率转换系统，其中，所述多电平转换器 包括：
第一电路，所述第一电路包括第一开关电路和箝位电路，其中，所述 第一开关电路包括在第一输入节点与第二输入节点之间彼此串联连接的 多个开关设备，所述AC节点连接所述多个开关设备中的两个开关设备， 所述箝位电路包括在所述第一开关电路的第一内部节点与第二内部节点 之间彼此串联连接的第一箝位元件和第二箝位元件以及连结所述第一箝 位元件和所述第二箝位元件的第三内部节点；以及
开关电容器电路，所述开关电容器电路包括第二开关电路和多个电容 器，其中，所述第二开关电路包括分别连接在对应DC节点与所述第一开 关电路的对应输入节点之间的多个电容器开关设备，所述多个电容器分别 连接在所述第三内部节点与所述第一开关电路的对应输入节点之间，以及
其中，所述控制器向所述电容器开关设备和所述第一开关电路的所述 多个开关设备提供所述多个开关控制信号以在所述AC节点处提供所述 多电平电压，所述控制器被配置为至少部分地根据所述期望AC节点电压 电平和所述控制目标来从所述AC节点处的所述不同的电压电平中至少 一个不同的电压电平的多个冗余开关状态中进行选择。
方案5.根据方案4所述的功率转换系统，其中，所述多电平转换器 被配置为根据所述控制器提供的所述开关控制信号选择性地在所述AC 节点处提供整数N个电压电平中之一，其中，N≥4。
方案6.根据方案1所述的功率转换系统，其中，所述多电平转换器 为逆变器，并且其中，所述控制器被配置为至少部分地根据所述期望AC 节点电压电平和所述控制目标来提供所述多个开关控制信号，以使得所述 多电平转换器能够对经由所述DC节点接收的DC输入功率进行转换以在 所述AC节点处提供AC输出功率。
方案7.根据方案1所述的功率转换系统，其中，所述多电平转换器 为整流器，并且其中，所述控制器被配置为至少部分地根据所述期望AC 节点电压电平和所述控制目标来提供所述多个开关控制信号，以使得所述 多电平转换器表格对经由所述AC节点接收的AC输入功率进行转换以在 所述DC节点处提供DC输出功率并且使得所述多电平转换器能够对所述 AC节点处的电压电平进行控制。
方案8.根据方案1所述的功率转换系统，包括形成具有多个AC节 点的多相转换系统的多个多电平转换器，其中，所述控制器被配置为至少 部分地根据所述期望AC节点电压电平和所述控制目标来向所述多个多 电平转换器提供所述多个开关控制信号并且从对应AC节点处的所述至 少一个不同的电压电平的所述多个冗余开关状态中进行选择。
方案9.根据方案1所述的功率转换系统，其中，所述多电平转换器 被配置为根据所述控制器提供的所述开关控制信号选择性地在所述AC 节点处提供整数N个电压电平中之一，其中，N≥4。
方案10.根据方案1所述的功率转换系统，其中，所述多电平转换器 包括：
第一电路，所述第一电路包括第一开关电路和箝位电路，其中，所述 第一开关电路包括在第一输入节点与第二输入节点之间彼此串联连接的 多个开关设备，所述AC节点连接所述多个开关设备中的两个开关设备， 所述箝位电路包括在所述第一开关电路的第一内部节点与第二内部节点 之间彼此串联连接的第一箝位元件和第二箝位元件以及连结所述第一箝 位元件和所述第二箝位元件的第三内部节点；以及
开关电容器电路，所述开关电容器电路包括第二开关电路和多个电容 器，其中，所述第二开关电路包括分别连接在对应DC节点与所述第一开 关电路的对应输入节点之间的多个电容器开关设备，所述多个电容器分别 连接在所述第三内部节点与所述第一开关电路的对应输入节点之间，以及
其中，所述控制器向所述电容器开关设备和所述第一开关电路的所述 多个开关设备提供所述多个开关控制信号以在所述AC节点处提供所述 多电平电压，所述控制器被配置为至少部分地根据所述期望AC节点电压 电平和所述控制目标来从所述AC节点处的所述不同的电压电平中至少 一个不同的电压电平的多个冗余开关状态中进行选择。
方案11.根据方案1所述的功率转换系统，其中，所述多电平转换器 为包括第一嵌套式中性点箝位型(NNPC)转换器级和第二NNPC转换器 级的嵌套式中性点箝位型H桥转换器，所述各个NNPC转换器级包括：
第一电路，所述第一电路包括第一开关电路和箝位电路，其中，所述 第一开关电路包括在第一输入节点与第二输入节点之间彼此串联连接的 多个开关设备，所述AC节点连接所述多个开关设备中的两个开关设备， 所述箝位电路包括在所述第一开关电路的第一内部节点与第二内部节点 之间彼此串联连接的第一箝位元件和第二箝位元件以及连结所述第一箝 位元件和所述第二箝位元件的第三内部节点；以及
开关电容器电路，所述开关电容器电路包括第二开关电路和多个电容 器，其中，所述第二开关电路包括分别连接在对应DC节点与所述第一开 关电路的对应输入节点之间的多个电容器开关设备，所述多个电容器分别 连接在所述第三内部节点与所述第一开关电路的对应输入节点之间，以及
其中，所述控制器被配置为至少部分地根据所述期望AC节点电压电 平和所述控制目标来向所述多个多电平转换器提供所述开关控制信号并 且从对应AC节点处的所述至少一个不同的电压电平的所述多个冗余开 关状态中进行选择。
方案12.根据方案1所述的功率转换系统，其中，所述多电平转换器 为背对背转换器，所述背对背转换器包括：
至少一个多电平整流器级；
至少一个多电平逆变器级；以及
连接在所述多电平整流器级与所述多电平逆变器级之间的中间DC 电路；
其中，所述多电平整流器级和所述多电平逆变器级每个包括第一DC 节点和第二DC节点、AC节点以及包括开关设备和多个开关电容器的转 换器电路，所述转换器电路能够根据多个开关控制信号操作以在所述AC 节点处提供多个不同的电压电平；
其中，所述控制器被配置为至少部分地根据所述控制目标和所述整流 器级的期望AC节点电压电平来提供所述多个开关控制信号，以使得所述 多电平整流器级能够对经由所述AC节点接收的AC输入功率进行转换以 在所述DC节点处提供DC输出功率并且使得所述多电平转换器能够对所 述AC节点处的电压电平进行控制；以及
其中，所述控制器被配置为至少部分地根据所述控制目标和所述逆变 器的期望AC节点电压电平来提供所述多个开关控制信号，以使得所述多 电平逆变器级能够对经由所述DC节点接收的DC输入功率进行转换以在 所述AC节点处提供AC输出功率。
方案13.根据方案1所述的功率转换系统，其中，所述控制目标与共 模抑制有关，并且其中，所述控制器被配置为提供所述多个开关控制信号 以至少部分地促进减小所述功率转换系统中的共模电压。
方案14.根据方案1所述的功率转换系统，其中，所述多电平转换器 为整流器，并且其中，所述控制目标与功率因数校正有关。
方案15.根据方案1所述的功率转换系统，其中，所述多电平转换器 为整流器，并且其中，所述控制目标与对所述第一DC节点和所述第二 DC节点两端的DC电压的调节有关。
方案16.一种用于操作多电平转换器的方法，其中，所述多电平转换 器具有第一DC节点和第二DC节点、AC节点以及包括开关设备和多个 开关电容器的转换器电路，所述转换器电路能够根据多个开关控制信号操 作以在所述AC节点处提供多个不同的电压电平，所述方法包括：
通过对多个载波信号或载波值与至少一个参考信号或参考值进行比 较来确定期望AC节点电压电平；
至少部分地根据控制目标来选择性地从对应于所述期望AC节点电 压电平的多个冗余开关状态中进行挑选；以及
向所述转换器电路提供所述开关控制信号以操作所述多电平转换器。
方案17.根据方案16所述的方法，其中，所述控制目标与对开关电 容器电压的调节有关，并且其中，至少部分地根据以下各项来选择性地从 所述多个冗余开关状态中进行挑选以促进对所述开关电容器的电压的调 节：
所述期望AC节点电压电平，
所述开关电容器的当前电压情况，以及
流入或流出所述AC节点的电流的极性。
方案18.根据方案16所述的方法，其中，所述多电平转换器为逆变 器，并且其中，至少部分地根据所述期望AC节点电压电平和所述控制目 标来向所述转换器电路提供所述开关控制信号，以使得所述多电平转换器 能够对经由所述DC节点接收的DC输入功率进行转换以在所述AC节点 处提供AC输出功率。
方案19.根据方案16所述的方法，其中，所述多电平转换器为整流 器，并且其中，至少部分地根据所述期望AC节点电压电平和所述控制目 标来向所述转换器电路提供所述开关控制信号，以使得所述多电平转换器 能够对经由所述AC节点接收的AC输入功率进行转换以在所述DC节点 处提供DC输出功率并且使得所述多电平转换器能够对所述AC节点处的 电压电平进行控制。
方案20.一种非暂态计算机可读介质，具有用于操作多电平转换器的 计算机可执行指令，所述多电平转换器具有第一DC节点和第二DC节点、 AC节点以及包括开关设备和多个开关电容器的转换器电路，所述转换器 电路能够根据多个开关控制信号操作以在所述AC节点处提供多个不同 的电压电平，所述计算机可读介质具有用于进行下述操作的计算机可执行 指令：
通过对多个载波信号或载波值与至少一个参考信号或参考值进行比 较来确定期望AC节点电压电平；
至少部分地根据控制目标来选择性地从对应于所述期望AC节点电 压电平的多个冗余开关状态中进行挑选；以及
向所述转换器电路提供所述开关控制信号以操作所述多电平转换器。