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1、10申请公布号CN104242710A43申请公布日20141224CN104242710A21申请号201410247768922申请日2014060513/922,40120130620USH02M7/487200701H02M7/48320070171申请人洛克威尔自动控制技术股份有限公司地址美国俄亥俄州72发明人迈赫迪纳里马尼吴斌程仲元纳维德R扎加里74专利代理机构北京集佳知识产权代理有限公司11227代理人朱胜李春晖54发明名称改进的多电平电压源转换器和系统57摘要本发明涉及一种改进的多电平电压源转换器和系统。呈现了嵌套中性点钳位NNPC多电平电力转换器级100和系统300，其中，转。
2、换器级包括具有飞跨开关电容器嵌套电路104的NPC逆变器核心电路110，使用所选择的冗余开关状态来选通NPC核心电路110和开关电容器电路104的开关以控制开关电容器的电压，以实现具有等间隔的电压步进值的多电平输出电压。多个逆变器级100能够满足以各种配置进行级联或连接以实施单相或多相电力转换系统，可以通过将转换器级100形成为H桥接配置并且使多个H桥接级彼此串联连接来实现更高的输出电压。30优先权数据51INTCL权利要求书3页说明书18页附图26页19中华人民共和国国家知识产权局12发明专利申请权利要求书3页说明书18页附图26页10申请公布号CN104242710ACN104242710。
3、A1/3页21一种多电平电力转换器100，包括逆变器电路110，所述逆变器电路110包括逆变器开关电路，所述逆变器开关电路包括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多个逆变器开关器件S2至S5、以及连接所述多个逆变器开关器件中的两个逆变器开关器件S3、S4的逆变器输出节点116，以及钳位电路，所述钳位电路包括在所述逆变器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钳位元件D1和第二钳位元件D2、以及接合所述第一钳位元件D1与所述第二钳位元件D2的第三内部节点119；开关电容器电路104，所述开关电容器电路104包括开关电容器电路。
4、开关器件S1、S6，所述开关电容器电路开关器件S1、S6各自连接在相应的直流输入101、102与相应的逆变器电路输入节点111、112之间，以及第一电容器和第二电容器C1、C2，所述第一电容器和第二电容器C1、C2各自连接在所述逆变器电路输入节点111、112中的相应一个与所述第三内部节点119之间；以及控制器122，所述控制器122向所述多个逆变器开关器件S2至S5以及所述开关电容器电路开关器件S1、S2提供开关控制信号，以提供在所述逆变器输出节点116处的多电平输出电压并控制所述第一电容器和第二电容器C1、C2的充电和放电。2根据权利要求1所述的多电平电力转换器100，其中，所述逆变器开关。
5、电路包括第一逆变器开关器件S2，所述第一逆变器开关器件S2具有连接至所述第一逆变器电路输入节点111的第一端子和连接至所述第一内部节点114的第二端子，第二逆变器开关器件S3，所述第二逆变器开关器件S3具有连接至所述第一内部节点114的第一端子和连接至所述逆变器输出节点116的第二端子，第三逆变器开关器件S4，所述第三逆变器开关器件S4具有连接至所述逆变器输出节点116的第一端子和连接至所述第二内部节点118的第二端子，以及第四逆变器开关器件S5，所述第四逆变器开关器件S5具有连接至所述第二内部节点118的第一端子和连接至所述第二逆变器电路输入节点112的第二端子；其中，所述第一钳位元件D1包。
6、括连接至所述第三内部节点119的第一端子和连接至所述第一内部节点114的第二端子；其中，所述第二钳位元件D2包括连接至所述第二内部节点118的第一端子和连接至所述第三内部节点119的第二端子；其中，所述开关电容器电路104包括第一开关电容器电路开关器件S1，所述第一开关电容器电路开关器件S1具有连接至第一直流输入101的第一端子和连接至所述第一逆变器输入节点111的第二端子，以及第二开关电容器电路开关器件S6，所述第二开关电容器电路开关器件S6具有连接至所述第二逆变器电路输入节点112的第一端子和连接至第二直流输入102的第二端子；权利要求书CN104242710A2/3页3其中，所述第一电容。
7、器C1包括连接至所述第一逆变器电路输入节点111的第一端子和连接至所述第三内部节点119的第二端子；以及其中，所述第二电容器C2包括连接至所述第三内部节点119的第一端子和连接至所述第二逆变器电路输入节点112的第二端子。3根据权利要求2所述的多电平电力转换器100，其中，所述控制器122向所述逆变器开关器件S2至S5以及所述开关电容器电路开关器件S1、S2提供所述开关控制信号，以提供在四个不同的电平之一处的输出电压。4根据权利要求1所述的多电平电力转换器100，其中，所述控制器122向所述逆变器开关器件S2至S5以及所述开关电容器电路开关器件S1、S2提供所述开关控制信号，以提供在四个不同电。
8、平之一处的输出电压。5根据权利要求4所述的多电平电力转换器100，其中，所述控制器122在提供所述开关控制信号时、从针对四个不同输出电压电平中的至少一个的多个冗余开关状态中进行选择，以控制所述第一电容器和第二电容器C1、C2的充电和放电、以将相应的第一电容器电压和第二电容器电压VC1、VC2调节成小于在第一直流输入101与第二直流输入102之间的直流输入电压VDC的一半。6根据权利要求4所述的多电平电力转换器100，其中，所述控制器122向所述逆变器开关器件S2至S5以及所述开关电容器电路开关器件S1、S2提供所述开关控制信号，以提供在基本上等间隔步进的四个不同电平之一处的输出电压。7根据权利。
9、要求1所述的多电平电力转换器100，其中，所述控制器122向所述逆变器开关器件S2至S5以及所述开关电容器电路开关器件S1、S2提供所述开关控制信号，以提供在基本上等间隔步进的多个不同的电平之一处的输出电压。8一种多电平电力转换器100，包括逆变器电路110，包括逆变器开关电路，所述逆变器开关电路包括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多个逆变器开关器件S3至S6、以及连接所述多个逆变器开关器件中的两个逆变器开关器件S4、S5的逆变器输出节点116，以及钳位电路，所述钳位电路包括在所述逆变器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。
10、接的第一钳位元件和第二钳位元件D1、D2、以及接合所述第一钳位元件D1与所述第二钳位元件D2的第三内部节点119；开关电容器电路104，所述开关电容器电路104包括第一开关电容器电路开关器件S1，所述第一开关电容器电路开关器件S1具有连接至第一直流输入101的第一端子和连接至第四内部节点106的第二端子，第二开关电容器电路开关器件S2，所述第二开关电容器电路开关器件S2具有连接至所述第四内部节点106的第一端子和连接至所述第一逆变器电路输入节点111的第二端子，第三开关电容器电路开关器件S7，所述第三开关电容器电路开关器件S7具有连接至所述第二逆变器电路输入节点112的第一端子和连接至第五内部。
11、节点108的第二端子，权利要求书CN104242710A3/3页4第四开关电容器电路开关器件S8，所述第四开关电容器电路开关器件S8具有连接至所述第五内部节点108的第一端子和连接至第二直流输入102的第二端子，第一电容器C1，所述第一电容器C1包括连接至所述第一逆变器电路输入节点111的第一端子和连接至所述第三内部节点119的第二端子，第二电容器C2，所述第二电容器C2包括连接至所述第三内部节点119的第一端子和连接至所述第二逆变器电路输入节点112的第二端子，第三电容器C3，所述第三电容器C3包括连接至所述第四内部节点106的第一端子和连接至第六内部节点113的第二端子，以及第四电容器C4。
12、，所述第四电容器C4包括连接至所述第六内部节点113的第一端子和连接至所述第五内部节点108的第二端子；以及控制器122，所述控制器122向所述多个逆变器开关器件S3至S6以及所述开关电容器电路开关器件S1、S2、S7、S8提供开关控制信号，以提供在所述逆变器输出节点116处的多电平输出电压并控制所述第一电容器、所述第二电容器、所述第三电容器和所述第四电容器C1、C2、C3、C4的充电和放电。9一种电力转换系统300、400、420、430、440、450、1000，包括多个多电平电力转换器100，各个多电平电力转换器100包括逆变器电路110，所述逆变器电路110包括逆变器开关电路，所述逆变。
13、器开关电路包括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多个逆变器开关器件S2至S5、以及连接所述多个逆变器开关器件中的两个逆变器开关器件S3、S4的逆变器输出节点116，以及钳位电路，所述钳位电路包括在所述逆变器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钳位元件和第二钳位元件D1、D2、以及接合所述第一钳位元件D1与所述第二钳位元件D2的第三内部节点119；开关电容器电路104，所述开关电容器电路104包括开关电容器电路开关器件S1、S6，所述开关电容器电路开关器件S1、S6各自连接在相应的直流输入101、102与相应的逆变器电。
14、路输入节点111、112之间，以及第一电容器和第二电容器C1、C2，所述第一电容器和第二电容器C1、C2各自连接在所述逆变器电路输入节点111、112中的相应一个与所述第三内部节点119之间；以及控制器122，所述控制器122向所述多个逆变器开关器件S2至S5以及所述开关电容器电路开关器件S1、S2提供开关控制信号，以提供在所述逆变器输出节点116处的多电平输出电压并控制所述第一电容器和第二电容器C1、C2的充电和放电。10根据权利要求9所述的电力转换系统300，其中，所述控制器122向所述逆变器开关器件S2至S5以及所述开关电容器电路开关器件S1、S2提供所述开关控制信号，以提供在至少四个不。
15、同电平之一处的每个多电平电力转换器100的输出电压。权利要求书CN104242710A1/18页5改进的多电平电压源转换器和系统背景技术0001电力转换器用于将输入电能从一种形式转换为另一种形式以驱动负载。电力转换器系统的一种形式为电机驱动器，其可以被采用用于电动机负载的变速操作。针对需要相对大的输出电压的应用，开发了所谓的多电平电压源转换器结构，包括飞跨电容器设计、中性点钳位NPC设计以及级联混合类型。NPC设计包括跨提供中性节点的直流输入连接的一对电容器，每个电容器被充电至直流输入值的一半。跨直流母线连接了一系列开关，一对二极管将中间开关节点连接至中性点。NPC转换器有利地提供了相对简单的。
16、电路结构，但是增加NPC转换器中的输出电平的个数增加了开关和二极管传导损耗并且导致增加的反向恢复电流。另外，高输出电平NPC转换器经受开关器件损耗的不均匀分布，从而限制针对给定开关类型的最大电力定额、输出电流和开关频率。此外，随着输出电平的个数增加，钳位二极管的个数基本上增加。飞跨电容器设计利用选择性地互连的一个或更多个电容器以提供输出电压。然而，该类多电平转换器经受高切换频率的需求以保持电容器适当平衡，并且飞跨电容器上的电压必须初始化。可以使用级联H桥接CHB类型以实现显著高的输出电压电平和高输出电力定额，并且使得能够使用相对低的切换频率和低电压部件。然而，CHB设计需要显著更高个数的部件以。
17、实现再生操作，CHB转换器通常需要相移变压器，导致更高的成本。另外，CHB方法需要大量的隔离直流源。因此，仍然需要能够提供用于以可变的速度和扭矩驱动负载的多电平逆变器输出能力的改进的多电平电力转换器和系统设计。发明内容0002现在总结本公开内容的各个方面以便利对本公开内容的基本理解，其中，本发明内容不是本公开内容的宽泛概述，既不意在标识本公开内容的特定元素，也不意在描述本公开内容的范围。更确切地，本发明内容的主要目的为在以下呈现更详细的描述之前以简化形式来呈现本公内容的各种构思。0003本公开内容提供了多电平电力转换器级和采用以多种配置连接的两个或更多个这样的多电平转换器的电力转换系统。多电平。
18、电力转换器包括NPC型逆变器电路，其嵌套在开关电容器电路中以形成嵌套NPCNNPC电力转换器，其中，控制器操作逆变器和开关电容器电路的开关以提供多电平输出电压。在某些实施方式中，控制器采用对冗余开关状态的选择性选择来控制开关电容器的充电和放电以实现预定的目标电容器电压值。在某些实施中，开关控制和电容器电压调节有利地确保开关电容器电压小于直流输入电压值的一半，便利提供在基本上等间隔步进的多个不同电平之一处的转换器输出电压，从而平衡由各个开关器件可见的电压。0004在某些实施方式中，逆变器电路包括在逆变器电路输入节点之间串联连接的两个或更多个逆变器开关器件、以及连接所述逆变器开关器件中的两个逆变器。
19、开关器件的逆变器输出节点。所述逆变器还包括钳位电路，所述钳位电路具有在所述逆变器开关电路的第一内部节点与第二内部节点之间串联连接的第一钳位元件和第二钳位元件例如钳位开关或二极管、以及接合所述第一钳位元件与所述第二钳位元件的第三内部节点。在某些实施说明书CN104242710A2/18页6中，开关电容器电路包括两个或更多个开关，所述两个或更多个开关各自连接在所述逆变器输入节点之一与相应的直流输入之间；以及第一电容器和第二电容器，所述第一电容器和第二电容器各自连接在所述逆变器电路输入节点中的相应一个与所述第三内部节点之间。所述控制器向逆变器开关和开关电容器电路开关器件提供开关控制信号，以提供在所述。
20、逆变器输出节点处的多电平输出并且控制第一电容器和第二电容器的充电和放电。各种实施是可以的，例如四个或更多个不同的线与中性点之间的输出电压电平。某些实施提供了级联的开关电容器电路系统，其包括针对更高个数的可能输出电平的两个飞跨电容器以及相关联的开关器件的多个集合。0005根据本公开内容的另外的方面，提供了一种电力转换系统，包括两个或更多个嵌套NPC转换器级或模块。在某些实施方式中，两个NNPC模块的直流输入被连接在一起，其中，第一转换器级的逆变器输出连接至系统中性节点，第二级的逆变器输出提供系统的交流输出。以这种方式，可以实现NNPCH桥接配置，两个或更多个这样的配置可以级联或串联连接以实现各种。
21、输出电力电平和输出电压。此外，可以使用这样的模块或其组的多个集合来构造电力转换系统，以提供用于驱动负载的多相输出。另外，在这些多级系统中，可以提供开关控制以从各种冗余总开关状态中进行选择以实现对各个开关电容器的充电和放电的控制，并且可以便利由各个开关器件可见的电压平衡并且有利地提供在基本上等间隔步进的任何合适个数的不同电平处的输出电压。附图说明0006以下描述和附图详细提出了本公开内容的某些示例性实施，其表示其中可以执行本公开内容的各种原理的若干个示例性方式。然而，所示示例并不是本公开内容的许多可能实施方式的穷举。当结合附图考虑时，本公开内容的其他目的、优点和创新特征将在以下详细描述中提出，在。
22、附图中0007图1是示出了根据本公开内容的一个或更多个方面的示例性嵌套中性点钳位NNPC多电平电力转换器的示意图，该NNPC多电平电力转换器包括逆变器电路和开关电容器电路以及控制器，该控制器使用冗余开关状态选择以控制第一飞跨电容器和第二飞跨电容器的充电和放电以提供多电平输出电压、并将飞跨电容器调节为直流输入电压电平的三分之一；0008图2是示出了以基本上等间隔的步进提供四电平电压输出的图1中的NNPC电力转换器的开关状态的示例性集合的部分示意图；0009图3是示出了提供三相电压输出以驱动电机负载的三个NNPC电力转换器和相关联的直流源的示意图；0010图4是示出了针对图1和图2的NNPC电力转。
23、换器的四电平线与中性点间的电压输出波形的曲线图；0011图5是示出了针对图3的三相电机驱动实施的七电平线间电压输出波形的曲线图；0012图6是示出了在图1和图2的NNPC电力转换器控制器中的示例性电平移位脉宽调制实施的曲线图；0013图7是示出了用于在图1和图2的NNPC电力转换器控制器中提供脉宽调制开关说明书CN104242710A3/18页7控制信号的示例性空间矢量调制技术的曲线图；0014图8是示出了在图1和图2的NNPC电力转换器控制器中的示例性脉宽调制处理的流程示意图，所述脉宽调制处理向一个或更多个NNPC电力转换器提供开关控制信号，以在逆变器输出节点处提供多电平输出电压并且将飞跨电。
24、容器的充电和放电控制为预定电平；0015图9是示出了NNPCH桥接NNPCHB电力转换系统的示意图，该NNPCHB电力转换系统包括具有提供系统中性点的第一级的逆变器输出和提供线电压输出以驱动电机负载的第二级的逆变器输出的两个NNPC电力转换器级；0016图10A至10D示出了如下开关状态表其向图9的NNPCH桥接电力转换系统提供开关控制信号，以生成多电平输出电压并且控制每个NNPC电力转换器级的飞跨电容器的充电和放电；0017图11是示出了针对图9的NNPCH桥接电力转换系统的示例性七电平线与中性点间的电压输出波形的曲线图；0018图12是示出了针对图9的NNPCH桥接电力转换系统的示例性13。
25、电平线间电压输出波形的曲线图；0019图13是示出了具有被配置成提供三相校正用于生成直流母线电压的三个NNPC电力转换器的示例性三相电力转换系统的示意图，其中，三个NNPC电力转换器提供三相交流输出，直流母线中点节点通过可选阻抗链接连接至可选的输入和输出滤波器；0020图14是示出了具有提供校正的三个NNPC转换器和提供交流输出的三个NNPC转换器的另一个示例性三相电力转换系统的示意图，其中，输入变压器和直流母线中点节点通过可选阻抗链接连接至输出滤波器；0021图15是示出了多相电力转换系统的示意图，该多相电力转换系统使用向用于三个输出相的电力NNPC转换器提供直流母线的三个串联连接的输入整流。
26、器；0022图16是示出了具有针对分别由多脉冲整流器驱动的三个输出相中的每个相的NNPCH桥接NNPCHB转换器级的另一个示例性三相电力转换系统的示意图；0023图17是示出了具有针对每个相的多个级联NNPCH桥接NNPCHB电力转换器的另一个三相电力转换系统的示意图；0024图18是示出了具有连接在直流输入端子之间的集成式电容器的NNPC电力转换器级的另一个实施方式的示意图；0025图19是示出了与电感器串联连接以形成模块化输出相的图18中的两个NNPC电力转换器级的示意图；0026图20是示出了与电感器串联连接以形成模块化输出相的图18中的整数个NNPC电力转换器级的示意图；0027图21。
27、是示出了针对图19中的NNPC电力转换器级的七电平线与中性点间的电压输出波形的曲线图；0028图22是示出了针对图19中的NNPC电力转换器级的13电平线间电压输出波形的曲线图；0029图23是示出了级联的基于NNPC的电力转换系统的单相的示意图，其中，第一NNPC转换器的逆变器输出连接至第二NNPC转换器的直流电源中点节点；说明书CN104242710A4/18页80030图24是示出了针对图23的级联的基于NNPC的电力转换系统的示例性七电平线与中性点间的电压输出波形的曲线图；0031图25是示出了针对图23中的电力转换系统的示例性13电平线间电压输出波形的曲线图；0032图26是示出了另。
28、一个示例性NNPC电力转换器和相关联的开关表的部分示意图，其中，控制器将开关电容器电压调节成直流输入电压的四分之一；0033图27是示出了另一个示例性NNPC电力转换器和相关联的开关表的部分示意图，其中，控制器将开关电容器电压调节成直流输入电压的五分之一；0034图28是示出了根据本公开内容的另外的方面的具有多个开关电容器嵌套级的另一个交替NNPC电力转换器的示意图；以及0035图29是示出了使用向针对三个输出相的电力NNPC转换器提供直流母线的三个串联连接的输入整流器的另一个多相电力转换系统的示意图，该多相电力转换系统具有用于对开关电容器进行预充电和电压平衡的主电力变压器或不同变压器的辅助绕。
29、组。具体实施方式0036现在参照附图，以下结合附图描述若干个实施方式或实施，其中，相同的附图标记用于贯穿全文指代相同元件，以及其中各个特征未必是按比例的。以下将说明并描述电力转换器级100以及通过所示转换器级100的各种互连形成的电力转换系统，其中，可以使用所描述的嵌套NPCNNPC电力转换器100以形成用于驱动任何类型的负载的单相或多相电源，可以在电机驱动器中采用所描述的电力转换器和电力转换系统，尽管本公开内容的各种构思并不限制于任何特定应用。0037图1示出了示例性多电平电力转换器100，其分别具有第一直流输入101和第二直流输入102、以及提供单相交流输出电压和相关联的输出电流IOUT以。
30、驱动负载未示出的交流输出120。所示电力转换器100在本文中被称为嵌套中性点钳位NNPC电力转换器，并且包括嵌套在NPC型逆变器电路110中的开关电容器例如飞跨电容器电路104。尽管在本文中被称为NNPC电力转换器，但是NPC型逆变器电路110的中心节点119不需要连接至任何系统“中性点”。通过端子101和102向电力转换器100提供来自直流源90的输入直流电能，其中，图1示出了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VDC/2的电压值从而向电力转换器100提供具有值VDC的直流输入电压。此外，尽管不是对电力转换器100的所有实施的严格要求，但是图1中所示的配置包括连接至直流输入源。
31、90的两个电池的连接点的中性节点“N”。可以结合电力转换器100使用任何合适的直流源90，包括但不限制于一个或更多个电池、有源和/或无源整流器等。另外，直流源90可以包括直流母线电容器、单个电容器或任何串联和/或并联配置连接的多个电容器的任意组合。此外，如以下结合图18所示的，NNPC转换器级100的某些实施方式可以包括在直流输入端子101与102之间连接的机载电容。0038如图1所示，逆变器电路110包括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器件S2至S5、以及连接所述开关器件中的两个开关器件S3和S4的逆变器输出节点116，其中，逆变器输出节点1。
32、16直接或间接连接至转换器100的交流输出端子120。另外，逆变器电路110可以包括在节点111与节点112之间说明书CN104242710A5/18页9彼此串联连接的任何整数个开关器件S。在所示示例中，提供了四个器件S2至S5，输出节点116具有在输出节点116与上输入节点111之间的两个开关器件S2和S3，以及在输出节点116与第二逆变器输入节点112之间连接的两个开关S4和S5。此外，开关电容器电路104包括如所示在逆变器输入111与对应的直流输入端子101之间的附加开关S1以及在逆变器输入112与对应的直流输入端子102之间的附加开关S6。可以在电力级100的电路104和110中使用任。
33、何合适类型的开关器件S1至S6，包括但不限制于基于半导体的开关例如绝缘栅双极晶体管IGBT、硅可控整流器SCR、门极可关断晶闸管GTO、集成门极换向晶闸管IGCT等。另外，如图1所示，各个开关S1至S6包括用于当开关断开时导通在反向上的电流的二极管。0039NNPC转换器100的逆变器电路110还包括具有第一钳位元件和第二钳位元件例如彼此串联连接的二极管D1和D2的钳位电路，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处接合至D1的阳极。在该配置中，D1提供了从第三内部节点119到第一内部节点114的导通路径，D2提供了从第二内部节点1。
34、18到第三内部节点119的导通路径。可以在其他实施方式中使用有源钳位开关或其他钳位元件代替如在附图中所示的钳位二极管。其中二极管或其他钳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的其他配置也是可以的。另外，可以如所示地使用单个二极管D1和D2，或可以使用多个二极管或其他钳位元件。例如，可以使用以在节点119与节点114之间以任何合适的串联和/或并联配置互连的两个或更多个二极管来代替D1，使用在节点118与节点119之间以任何合适的方式互连的两个或更多个二极管来代替D2。另外，跨NNPC转换器100的开关器件S1至S6的二极管D1和D2和/或钳位二极管可替换地可以为钳位开。
35、关未示出。还可以由有源开关代替钳位二极管D1和D2以实现有源中性点钳位。0040开关电容器电路104包括在预期直流输入端子101和102与逆变器电路输入节点111和112中的对应之一之间连接的开关S1和S6。此外，开关电容器电路104包括如所示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之间的第一电容器C1以及连接在第三内部节点119与对应的逆变器电路输入节点112之间的第二电容器C2。可以使用任何适合类型和配置的电容器C1和C2，其中，各个电容器C1和C2可以为以任何合适的串联和/或并联配置连接以提供节点111与节点119之间的第一电容C1以及节点119与节点112之间的第二。
36、电容C2的单个电容器或多个电容器。另外，优选地C1和C2具有基本上相等的电容值，尽管本公开内容未如此严格要求。0041还参照图2至图5，控制器122向各个逆变器开关器件S2至S5提供开关控制信号1242、1243、1244以及1245，并且向开关电容器电路开关器件S1和S6提供开关控制信号1241和1246。如果钳位器件D1和D2是有源器件，则控制器122还向有源钳位器件D1和D2提供开关控制信号。控制器122还接受未在图中示出的反馈信号例如电压和/或电流。控制器122可以被实施为转换器100的一部分和/或可以为分立的部件或系统，单个控制器122可以向多个转换器级100提供信号124。可以使用。
37、任何合适的硬件、处理器执行软件或固件或上述组合来实施转换器控制器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例如微处理器、微控制器、FPGA、DSP、可编程逻辑电路等、以及电子存储器、程序存储器以及信号调节驱动器电路元件，处理元件被编程或不然被配置成生说明书CN104242710A6/18页10成适于操作电力级100的开关器件的逆变器开关控制信号124以及执行其他电机驱动操作任务以驱动负载。另外，计算机可读介质被设想具有用于实施所描述的电力转换器开关控制处理以及技术的计算机可执行指令，该计算机可执行指令可以被存储在形成控制器122的一部分的或不然与控制器122在操作上相关。
38、联的电子存储器中作为程序指令。0042最好由图2可见，将开关控制信号124以脉宽调制的形式提供给开关S1至S6、以提供在逆变器输出节点116处的多电平输出电压例如线与中性点间的电压VAN。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以提供在四个不同的线与中性点间的电压电平之一处的输出电压VAN。图4中的曲线图210示出了相对于中性节点“N”在逆变器输出节点116处的示例性四电平线与中性点间的电压波形212VAN。另外，由图3可见，三个不同的NNPC转换器级100可以连接至对应的直流源90以向电机相线路202提供交流输出电压以驱动三相电机负载200，其中控制器122。
39、向每个NNPC级100提供开关控制信号124的集合。图5示出了表示图3的系统中的示例性线间电压波形222的曲线图220，其中在相对的相位角120处的三个NNPC级100的受控切换提供七电平线间电压波形222。0043另外，在某些实施方式中，提供开关控制信号124操作以控制开关电容器C1和C2的充电和放电，以将对应的电容器电压VC1和VC2调节成在第一直流输入101和第二直流输入102处接收的直流输入电压VDC的目标部分。另外，控制电容器电压VC1和VC2便利了在各个开关器件S1至S6处可见的电压的基本上均匀的分布，从而提供显著的优点。图2示出了表示与NNPC开关器件S1至S6的不同开关状态对应。
40、的六个可能的开关矢量V1、V2、V3、V4、V5和V6以及相对于输入直流电平VDC的对应的线与中性点间的电压值的示例性开关状态表126，其中“1”表示对应开关S“接通”或导通。在操作中，第一矢量V1提供VDC/2的输出电压电平，第二开关矢量V2与第三开关矢量V3相对于线与中性点间的输出电压彼此冗余，每个矢量获得VDC/6的值。矢量V4与矢量V5也是冗余开关状态对，每个矢量提供VDC/6的输出值，最终开关状态或矢量V6获得VDC/2的输出电压。由图2可见，另外，通过冗余矢量选择来控制电容器C1和C2的充电和放电，针对冗余开关状态对相应的电容器电压的作用可以不同、使得智能地选择矢量以控制电容器充电。
41、和/或放电。例如，如果期望输出电压电平为VDC/6，则当输出电流IOUT为正0时可以选择矢量V2对C1进行充电，或当输出电流为负时可以选择矢量V2对C1进行放电。可替代地选择冗余矢量V3针对正输出电流对C1和C2进行放电，当输出电流为负时对这些电容器C1和C2进行充电。另外，由图2的表126中可见，可以当期望输出电压电平为VDC/6时通过从冗余矢量V4和V5进行选择来进行相似的充电和/或放电选择。0044还参照图6和图7，可以在控制器122中使用任何合适形式的脉宽调制开关控制信号生成技术。图6中的曲线图230示出了示例性基于载波的脉宽调制实施，其中相反极性的调制信号231和232与电平移位三角。
42、形载波波形233、234和235一起使用用于生成用于六个转换器开关S1至S6的开关控制信号124。在另一个可能的实施方式中，如图7的曲线图240所示可以使用空间矢量调制，其中控制器122确定围绕如所示的参考矢量VREF的当前位置的三个控制矢量V1、V2和V3的相对次数，其中参考矢量VREF具有相应的调制索引M和相应的相位角，并且根据在某些电机驱动器实施中的期望电机负载位置和扭矩贯穿空间矢量调制图240进行旋转。说明书CN104242710A107/18页110045参照图2和图8，在图8的流程图中示出了用于生成脉宽调制开关控制信号124的处理250，该处理250可以在图1和图2的NNPC电力转。
43、换器控制器的控制器122中实施。以下以一些列动作或事件的形式来说明和描述处理250，尽管本公开内容的各个方法并不受这样的动作或事件的所示顺序的限制。关于此，除非在下文特别指出，一些动作或事件可以与除了根据本公开内容在此说明和描述的动作或事件之外的其他动作或事件以不同顺序和/或同时发生。还应当注意，并非所有说明的步骤需要实施根据本公开内容的处理或方法，可以将一个或更多个这样的动作进行组合。本公开内容的所示方法250和其他方法可以以硬件、处理器执行软件或其组合的形式例如在示例性控制器122中来实施，并且可以以存储在有形非暂态计算机可读介质例如在一个示例中的与控制器122在操作上相关联的存储器中的计。
44、算机可执行指令的形式来体现。0046在操作中，将开关控制信号124提供给NNPC开关S1至S6以生成多电平输出电压VAN、并控制电容器C1和C2的充电和放电。图8的示例是针对三相系统例如以上的图3的，其中控制器122执行空间矢量调制以生成针对与电机相A、B和C相关联的三个NNPC转换器100中的每个的开关控制信号124。在某些实施中，基于关于输出电流IOUT的一个或更多个反馈值例如针对三相示例的IA、IB、IC以及针对NNPC转换器100中的每个的开关电容器电压VC1和VC2来完成对冗余开关矢量例如来自图2的表126的选择。由图8可见，所示处理250表示空间矢量调制处理，其中根据接收到的调制索。
45、引“M”和相位角“”来确定期望输出状态例如电机位置和扭矩。在252处接收并使用期望输出状态以识别参考矢量VREF图7的位置。参考矢量转而用于识别三个周围控制矢量V1、V2和V3例如图7，空间矢量调制处理用于确定在图8中的252处的对应的“接通时间”持续时间间隔T1、T2和T3。在254处，控制矢量和持续时间间隔用于确定针对与周围矢量V1、V2和V3中的一个、一部分或全部相关联的每个电机输出相的冗余开关状态如果存在的话。例如，图2中的状态表126表示矢量开关状态V2与V3如V4与V5一样彼此冗余。在256处接收针对输出电流IA、IB和IC的反馈以及针对每个相的开关电容器电压VC1和VC2。004。
46、7在图8的258处，控制器122评估关于每个电机相的可用冗余开关状态的成本函数“J”，并且从冗余状态中选择使各个相的成本函数最小化的那些冗余状态。在所示示例中，成本函数与电容器电压VCI例如以上图1中的VC1和VC2相关，函数使用根据其调节这些电容器电压图8中的VCREF的期望或预定的参考值。根据本公开内容的某些方面，不像传统的NPC电力转换器，在某些实施方式中的目标调节飞跨电容器电压值VCREF小于VDC/2。例如，在图1的示例中，通过控制器122智能地选择冗余开关矢量将电容器电压VC1和VC2控制或调节成VDC/3。在其他非限制性示例中，目标值VCREF可以为小于直流输入电压的一半的另一个。
47、值例如VDC/4以下图26或VDC/5图27。0048使用针对三相中的每个相选择的开关矢量，在图8的260处由控制器122执行选通信号生成以生成针对每个对应的NNPC转换器级100的开关器件S1至S6的开关控制信号124的三个集合。以这种方式，控制器122操作以使得将适当的输出电压提供给电机负载200图3并且还对每个NNPC电力级100的电容器C1和C2上的电压进行调节。这种对开关电容器电压VC1和VC2的仔细调节转而便利NNPC转换器100的操作以提供在基本上等间隔输出电平处的输出电压例如图2中的VAN。例如，在图2的示例中，在以VDC/3的步进间隔开的四个不同电平处提供输出电压。因此，使用。
48、在所示NNPC转换器100中的经调说明书CN104242710A118/18页12节的较低的电容器电压电平便利通过开关器件S1至S6可见的电压的均匀分布。因此，所有的开关器件S1至S6经历相等的电压应力，任一个器件不需要太大。0049还参照图9至图12，图9示出了电力转换器300，其包括以在本文中被称为NNPCH桥接NNPCHB的H桥接配置连接的结合图1和图2以上描述的两个NNPC级100A和100B。NNPCHB转换器300包括如上所述从源90接收输入直流电压的直流输入端子301和302，如所示输入端子301和302被连接至NNPC级100A和100B二者的直流输入。与图1的NNPC转换器级。
49、100相似，图9中的第一级100A包括开关器件SA1、SA2、SA3、SA4、SA5和SA6、以及钳位开关或其他钳位元件DA1和DA2、以及具有相应电压VCA1和VCA2例如VDC/K，其中K2的电容器CA1和CA2。相似地，第二级100B包括SB1、SB2、SB3、SB4、SB5和SB6、以及钳位元件DB1和DB2、以及具有相应电容器电压VCB1和VCB2例如VDC/K，其中K2的电容器CB1和CB2。在附图中将开关器件DA1、DA2、DB1和DB2示出为二极管，但是有源开关例如IGBT和IGCT也可以用作钳位元件。0050图9中的逆变器100A的逆变器输出节点116连接至系统中性节点306，第二多电平电力转换器100B的逆变器输出节点116提供电力转换系统300的交流输出304。在这种情况下，控制器122向第一NNPC转换器100A提供开关控制信号124A、以及向第二NNPC级100B提供开关控制信号124B的集合。在一个非限制性实施方式中，控制器122通过选择给定的矢量V1至V36根据在图10A至10D中所示的开关状态或矢量表310，来提供开关控制信号以提供在七个可能的电平之一处的期望的线与中性点间的电压VAN。另外，由图9还可见，可以与相应的直流源90一起提供NNPCHB转换器300的三个集合，以提供用于驱动三相电机负载200的输出电压，对应转换器300的控制器122。