[发明专利]具有中性点钳位拓扑的电压源转换器及其操作方法

说明书

技术领域

本发明涉及电子转换器的技术。它涉及具有根据权利要求1的引言的中性点钳位(NPC)拓扑的电压源转换器(VSC)。它还涉及用于操作这样的转换器的方法。

背景技术

3级电压源转换器(VSC)，在参考文献(1)和参考文献(2)(参见图1(a)，其具有晶体管T1-T4、二极管D1-D6、正极端P、负极端N和中性点0)中提出的在工业中广泛使用的3级中性点钳位(NPC)拓扑的特定情况下，最常在中等电压范围应用(例如，轧机、风扇、泵、海洋应用、开采、牵引和风能市场；参见参考文献(3)和(4))中使用。最近的调查示出3级NPC VSC还是对于低压应用有前途的备选方案(参见参考文献(5)和(6))。

与在图1(b)中示出的2级VSC相比，3级常规NPC VSC的特点是两个附加的有源开关、两个额外的隔离栅极驱动器和每相分支四个二极管。3相3级NPC VSC允许空间矢量图中的27个开关状态，而2级VSC只允许八个开关状态(参见参考文献(4))。因此，相电流和DC链接电压(U_DC)的明显较好的可控性是优于2级转换器的最显著的优势(参见参考文献(4))。

另外，在例如光伏电网逆变器、整流器、马达驱动器和有源滤波器等应用中，如果考虑的开关频率足够高(参见参考文献(6))，则3级常规NPC和/或T型NPC(参见图1(c))系统可以实现比2级转换器更低的损耗。常规NPC和/或T型VSC的一个相当大的劣势是跨半导体器件的通常不均匀的损耗分布以及因而产生的在它们的结上的不对称温度分布。

在标准商用3级NPC桥分支模块中组装的半导体芯片大多数忽略特定元件上的损耗分布地尺寸化和额定化(参见参考文献(3))。采用该方式，由于损耗分布问题，使用这些器件常常导致具有昂贵且不受用的半导体面积的过大设计(参见参考文献(6))。

除此之外，用于提高系统效率的调制方案可以促成不均匀的损耗分布，从而使其更糟、增加了功率模块内部的晶体管和二极管的操作温差和/或扩大了它们的热循环。

部件的热失配导致模块内的材料上诱导的热应力并且热机械损坏可能发生(参见参考文献(7)和(8))。因此，因为高的功率密度、效率和部件可靠性的期望的特性可能互相冲突，3级NPC系统的设计变得相当复杂。

由于不均等的损耗分布以及随之发生的跨相分支的半导体的结温分布的失配，在高功率转换器的特定情形下，NPC功率模块的使用通常导致低的半导体利用(参见参考文献(4))。采用这种方式，单个半导体器件(额定值不同)的使用在建立转换器的桥分支中更有利。采用额定值相似的单个半导体的NPC系统，通常使这些器件安装在独立的散热器中，以便实现个体部件的良好的热去耦。遗憾地，不同的单个半导体和/或独立散热器的使用通常导致成本增加且庞大的系统。

常规NPC的每相分支添加高达两个额外的有源开关导致损耗分布的明显改善，其中包含另外的开关状态与新的换向可能性(参见图1(d)，其具有附加的晶体管T_AX3和T_AX4，以及参考文献(4)和(9))。该配置称为有源NPC(A-NPC)，允许中性抽头的上下通路的特定利用，并且从而，影响传导和开关损耗在半导体器件之间的分布(参见参考文献(9))。当与常规NPC拓扑比较时，A-NPC需要6个额外的有源开关(每分支两个)和6个额外的栅极驱动器。

发明内容

本发明的目的是引入新颖的3级拓扑作为对典型的2级或3级VSC系统的备选方案，其对于中等开关频率范围值不仅可以实现比现有技术的拓扑更高的效率，而且还能够克服典型的3级系统的损耗分布问题，使得可以实现转换器输出功率和/或系统可靠性的显著提高。

该目的和其他目的由根据权利要求1的电压源转换器和根据权利要求18的方法获得。

根据本发明，具有中性点钳位(NPC)拓扑(其具有一个或多个相)的电压源转换器(VSC)包括：

-中间DC电路，其具有在正极端和负极端之间串联连接的至少第一和第二电容，在这两个电容之间提供中心抽头端；和

-至少一个子电路，用于产生交流电压的一个相，每个子电路包括：

○AC端，用于供应脉冲电压；

○常规的中性点钳位转换器形式的电路设置，其具有在所述AC端与所述正极端之间的至少两个开关的第一串联连接、在所述AC端与所述负极端之间的至少两个开关的第二串联连接以及从所述中心抽头端到该两个双开关串联连接的中心的可切换连接；以及

○分配给所述双开关串联连接的附加的第一和第二辅助开关。