阅读说明：本技术 多电平飞跨电容器转换器模块 (Multi-level flying capacitor converter module ) 是由 艾尔诺·特梅西 马蒂亚斯·陶尔 迈克尔·弗里施 哈迪乌扎曼·赛义德 于 2020-02-07 设计创作，主要内容包括：本发明涉及多电平飞跨电容器转换器模块,包括第一子模块和与第一子模块分离的第二子模块,其中,第一子模块和第二子模块中的至少一个经由DC电容器钳位至电力源,特别是DC源,并且其中,第一子模块和第二子模块中的至少一个包括与第一电容器不同的飞跨电容器和多个电力开关,多个电力开关中的每个电力开关包括半导体开关和二极管。(The invention relates to a multi-level flying capacitor converter module comprising a first sub-module and a second sub-module separate from the first sub-module, wherein at least one of the first and second sub-modules is clamped to a power source, in particular a DC source, via a DC capacitor, and wherein at least one of the first and second sub-modules comprises a flying capacitor different from the first capacitor and a plurality of power switches, each of the plurality of power switches comprising a semiconductor switch and a diode.)

多电平飞跨电容器转换器模块

技术领域

本发明涉及飞跨电容器多电平转换器，特别地，涉及适用于高功率和高开关频率应用的多电平飞跨电容器转换器。

背景技术

多电平转换器/逆变器和升压器正引起日益增长的相当多的兴趣，特别是在例如太阳能发电厂或风能发电厂、电动车辆充电器的技术领域中。与简单的单电平逆变器相比，多电平逆变器使得能够有较高的额定功率、较高的效率和较低的谐波失真。已知下述三种基本的多电平逆变器架构：多点钳位(或二极管钳位)、飞跨电容器(即，相对于地浮置)和具有单独的直流(DC)源的级联H桥。三电平中性点钳位(3L-NPC)转换器已经广泛用于高功率中压应用。3L-NPC拓扑的主要缺点可以从功率器件之间的损耗分布不平衡中看出。三电平ANPC(3L-ANPC)拓扑是通过使用开关器件替换3L-NPC钳位二极管来解决该问题的有效方法。因此，3L-ANPC可以通过在换向策略中切换不同的零状态来改变功率器件的损耗分布。

原则上，飞跨电容器逆变器表现出如下架构：自动保证针对无源负载的电压平衡特性，并且因此提供了针对多点钳位逆变器的有吸引力的替选方案。图1示出了现有技术的3电平飞跨电容器转换器的一个支路，该3电平飞跨电容器转换器包括二极管(D1、D2、D3、D4)、电容器(C_int、C1)以及形式上的开关或晶体管(T1、T2、T3、T4)。电容器中的一个电容器(C_int)钳位至电力源(DC+，DC-)并且另一个电容器(C1)表示飞跨电容器，该飞跨电容器相对于地电位浮置。转换器的3个支路中的每一个输出由转换器获得的所产生的交流电的一个电流相位。类似地，图2示出了现有技术的5电平飞跨电容器转换器的示例，该5电平飞跨电容器转换器包括六对晶体管和二极管以及两个飞跨电容器。本文中，为了方便起见，将一对晶体管和二极管表示为电力开关。

然而，现在的飞跨电容器多电平转换器/逆变器和升压器拓扑尤其存在不能充分符合以下需要：与所需电容器的低的电感连接、换向回路的低感应闭合以及来自功率模块中的飞跨电容器拓扑的高的可获得的功率输出。

本发明的目的是提供满足上述需要的多电平飞跨电容器转换器模块。

发明内容

本发明通过提供一种多电平飞跨电容器转换器模块来满足上述目的，该多电平飞跨电容器转换器模块包括至少第一子模块和与第一子模块不同的第二子模块。在此处和以下中，所谓的术语“转换器”包括DC至AC逆变器，但该术语不限于此。转换器可以例如至少部分地以BUCK(降压DC至DC)功率转换器、BOOST(升压DC至DC)功率转换器或它们的组合的形式来实现。例如，多电平转换器可以为3电平转换器或5电平转换器。第二子模块与第一子模块分离并且可以形成在第二基板上，所述第二基板与其上形成有第一子模块的第一基板不同。

第一子模块和第二子模块中的至少一个经由第一电容器(DC电容器)钳位至电力源，特别是DC源。例如，第一子模块包括DC电容器。此外，第一子模块和第二子模块中的至少一个包括(其自身的、未被另一子模块共享的)(与DC电容器不同并且相对于地浮置)的飞跨电容器和多个电力开关，所述多个电力开关中的每个电力开关包括半导体开关和二极管(未与任何其他一个电力开关共享的其自身的半导体开关和二极管)或者由其组成。半导体开关可以为晶体管例如MOSFET或绝缘栅双极型晶体管。飞跨电容器可以连接至多个电力开关中的两个电力开关。彼此结合形成转换器的一个支路的第一子模块和第二子模块被配置成基于由电力源输入的电流来输出一个单电流相位。所输出的电流相位可以被供应至交流(AC)电网或某个电容性负载。

与现有技术不同，转换器电路的支路分布在至少两个子模块中(或者形成在至少两个不同的基板上)。由于这种分布式拓扑，特别地，能够有利地实现与现有技术中已知的拓扑相比的减小的外部DC链路电容器的电容从而实现成本降低并且功率输出增加。

根据实施方式，第一子模块被配置成输出交流电的电流相位的正半波，并且第二子模块被配置成输出该电流相位的负半波。在这种情况下，第一子模块的第一飞跨电容器连接至位于第一电力开关对中的电力开关之间的节点和位于第一二极管对中的二极管之间的另一节点，第一电力开关对中的电力开关之一直接连接至电力源的正极，以及第二子模块的第二飞跨电容器连接至位于第二电力开关对中的电力开关之间的节点和位于第二二极管对中的二极管之间的另一节点，第二电力开关对中的电力开关之一直接连接至电力源的负极。在此处和以下描述中，任何提及的电力开关对由串联连接的两个电力开关组成，并且任何提及的二极管对由串联连接的两个二极管组成。第一二极管对和第二二极管对中的二极管都不是各个子模块的电力开关之一的一部分。通过这种配置，可以提供非常有效的DC至AC逆变器。

根据特定实施方式，提供了一种5电平DC至AC逆变器。在这种情况下，第一子模块包括串联连接的三个电力开关和串联连接的附加的三个二极管、第一飞跨电容器和第二飞跨电容器、以及第一电容器，其中，第一飞跨电容器连接至位于三个电力开关中的第一电力开关与第二电力开关之间的节点和三个二极管中的第一二极管的阴极，并且其中，第二飞跨电容器连接至位于三个电力开关中的第二电力开关与第三电力开关之间的另一节点和三个二极管中的第二二极管的阴极。另外，第二子模块包括串联连接的三个电力开关和串联连接的附加的三个二极管、第一飞跨电容器和第二飞跨电容器，其中，第一飞跨电容器连接至位于三个电力开关中的第一电力开关与第二电力开关之间的节点和三个二极管中的第一二极管的阴极，并且其中，第二飞跨电容器连接至位于三个电力开关中的第二电力开关与第三电力开关之间的另一节点和三个二极管中的第二二极管的阴极。

根据可替选实施方式，支路电路与上面描述的方法不同地分布。在该可替选实施方式中，第一子模块包括DC电容器和第二电容器，第二电容器连接在形成在第一子模块中的第一电力开关对中的电力开关之间。此外，第二子模块包括飞跨电容器，该飞跨电容器连接至形成在第二子模块中的第二电力开关对中的电力开关。此外，第一子模块和第二子模块彼此电连接。第二子模块未被钳位至电力源并且包括输出，所述输出被配置成输出电流相位并且定位在第二电力开关对中的电力开关之间。在5电平转换器的情况下，该实施方式还可以包括第三子模块，第三子模块电连接至第一子模块和第二子模块并且包括另一飞跨电容器，该另一飞跨电容器连接至形成在第三子模块中的第三电力开关对中的电力开关。

在根据上述示例之一的多电平飞跨电容器转换器模块的操作期间，第一闭合换向回路可以形成在第一子模块中，并且与第一闭合换向回路不同的第二闭合换向回路可以形成在第二子模块中。

另外，提供了一种功率模块，其包括根据上述实施方式之一的多电平飞跨电容器转换器模块。例如，功率模块可以适用于在太阳能发电厂、风能发电厂和水能发电厂中使用。

此外，提供了上述实施方式中的任意实施方式的多电平飞跨电容器转换器模块至少部分地作为BUCK功率转换器、BOOST功率转换器或它们的组合的用途/操作。因此，提供了一种对由直流电力源提供的直流电进行逆变、升压或降压的方法。该方法包括下述步骤：提供根据上述实施方式之一的多电平飞跨电容器转换器模块或者上述的功率模块；以及控制多个电力开关以：

a)借助于至少第一子模块和第二子模块将直流电逆变成交流电；或者

b)借助于第一子模块和第二子模块中的至少一个对直流电进行升压；或者

c)借助于第一子模块和第二子模块中的至少一个对直流电进行降压。

将参照附图描述本发明的附加的特征和优点。在描述中，参照旨在说明本发明的优选实施方式的附图。应当理解，这样的实施方式不表示本发明的全部范围。

附图说明

图1示出了现有技术的3电平飞跨电容器转换器。

图2示出了现有技术的5电平飞跨电容器转换器。

图3示出了根据本发明的实施方式的3电平飞跨电容器转换器模块的一部分的电路图。

图4示出了根据本发明的另一实施方式的5电平飞跨电容器转换器模块的一部分的电路图。

图5示出了根据本发明的另一实施方式的3电平飞跨电容器转换器模块的一部分的电路图。

图6示出了根据本发明的另一实施方式的5电平飞跨电容器转换器模块的一部分的电路图。

具体实施方式

本发明提供了多电平(例如，3电平或5电平)飞跨电容器转换器模块，其特别适用于在太阳能发电厂或风能发电厂、电动车辆充电器等中的操作。在一些实施方式中，所公开的多电平飞跨电容器转换器模块适用于以电网频率向交流(AC)电网供应AC电力，其中，该模块被钳位至某个直流(DC)源。DC源可以体现为被配置成生成或产生被供应至该模块的DC电力的任意类型的DC源。

例如，DC电力可以实现为光伏太阳能电池或阵列、燃料电池、被配置成(例如，经由整流电路)生成DC电力的风力涡轮机、被配置成生成DC电力的水力涡轮机，或者其他单极电力源。特别地，多电平飞跨电容器转换器模块可以被配置成将由DC源生成的DC波形转换成适用于向AC电网和在一些实施方式中耦合至AC电网的负载传递的AC波形。AC电网可以是例如向住宅和商业用户供应公用AC电力的公用电网。这种公用电网可以在固定的电网频率例如f＝ω/2π＝50Hz或60Hz下具有基本上正弦的双极电压。

根据本发明，转换器模块至少被划分成两个单独的子模块，每个子模块可以形成在单独的基板上。图3示出了根据本发明的实施方式的3电平飞跨电容器转换器模块的一个支路。图4相应地示出了根据本发明的实施方式的5电平飞跨电容器转换器模块的一个支路。必须注意的是，尽管以下描述限于3电平转换器和5电平转换器，但是本发明也涵盖任何多电平转换器设计。

如图3所示，该实施方式的3电平飞跨电容器转换器模块包括两个子模块(参见该图的左侧和右侧)。三电平拓扑用于减少开关损耗和输出滤波器的工作量。例如，图3所示的拓扑可以替代图1所示的表示现有技术的示例的拓扑。子模块中的一个可以形成在第一基板上，以及子模块中的另一个可以形成在与第一基板不同的第二基板上。子模块中的每个子模块可以包括用于钳位至相同DC源(DC+，DC-)的电容器(DC电容器)C_int。对于两个子模块，电容器C_int原则上可以完全地或部分地相同(如果电容器C_int相同，则子模块仅形成在第一基板和第二基板之一上)。与现有技术不同，至一个AC相位的转换是由子模块中针对正半波的一个子模块(左侧)和子模块中针对负半波的另一个子模块(右侧)来执行。常规电路(如图1所示)在两个子模块中/在两个单独的基板上的分布与现有技术相比特别地使得能够获得更高的功率。

如图3所示，左侧子模块包括形成第一电力开关的晶体管T1和二极管D1以及形成第二电力开关的T2和二极管D2。此外，在此处和以下描述中，电力开关中的晶体管可以由任意半导体开关替代。飞跨电容器C1(利用一个电容器电极)连接至位于第一电力开关与第二电力开关之间的节点，并且飞跨电容器C1(利用另一电容器电极)连接至位于附加的二极管D5与D6之间的另一节点(实际上连接至二极管D5的阳极和二极管D6的阴极)。

相应地，右侧子模块包括形成第三电力开关的晶体管T3和二极管D3以及形成第四电力开关的T4和二极管D4(子模块中的每个子模块中存在两个电力开关)。飞跨电容器C2(利用一个电容器电极)连接至位于第三电力开关与第四电力开关之间的节点并且飞跨电容器C2(利用另一电容器电极)连接至位于附加的二极管D7与D8之间的另一节点(实际上连接至二极管D7的阳极和二极管D8的阴极)。在此处和以下中，晶体管中的一些或每个晶体管可以为MOSFET晶体管，特别是绝缘栅双极型晶体管。在图3所示的子模块中的每个子模块中形成有具有相对低的换向回路电感的闭合换向回路。

图4示出了5电平飞跨电容器转换器模块的一个支路。5电平设计虽然更加复杂，但是与3电平设计相比，会产生更低的谐波。如图4所示，该实施方式的5电平飞跨电容器转换器模块还包括两个子模块(参见该图的左侧和右侧)。例如，图4所示的拓扑可以替代图2所示的表示现有技术的示例的拓扑。子模块中的一个可以形成在第一基板上，以及子模块中的另一个可以形成在与第一基板不同的第二基板上。子模块中的每个子模块可以包括用于钳位至相同DC源的电容器。对于两个子模块，该电容器原则上可以完全地或部分地相同(如果电容器相同，则子模块仅形成在第一基板和第二基板之一上)。与现有技术不同，至一个AC相位的转换是由子模块中针对正半波的一个子模块和子模块中针对负半波的另一个子模块来执行。常规电路(如图2所示)在两个子模块中/在两个单独的基板上的分布与现有技术相比特别地使得能够获得更高的功率。

如图4所示，左侧子模块包括三个电力开关，电力开关中的每个电力开关由晶体管和二极管组成。飞跨电容器连接至位于第一电力开关对中的电力开关之间的节点和位于第一附加二极管对中的二极管之间的另一节点。另一飞跨电容器连接至位于第二电力开关对中的电力开关(与第一对电力开关共享电力开关中的一个)之间的节点和位于第二附加二极管对中的二极管(与第一二极管对共享二极管中的一个)之间的另一节点。

相应地，右侧子模块包括三个电力开关(与图4左侧所示的子模块中的电力开关互补)，电力开关中的每个电力开关由晶体管和二极管组成(子模块中的每个子模块中存在三个电力开关)。飞跨电容器连接至位于电力开关对中的电力开关之间的节点和位于附加二极管对中的二极管之间的另一节点，并且另一飞跨电容器连接至位于另一电力开关对中的电力开关之间的节点和位于另一附加二极管对中的二极管之间的另一节点。在图4所示的子模块中的每个子模块中形成有具有相对低的换向回路电感的闭合换向回路。

注意，在图3和图4所示的实施方式中，正半波子模块可以操作为BUCK(降压DC至DC)功率转换器。另一方面，图3和图4所示的多电平飞跨电容器转换器的实施方式中的负半波子模块可以操作为BOOST(升压DC至DC)功率转换器。如果需要，可以在图3和图4所示的配置中添加外部电容器。

图5示出了根据本发明的另一实施方式的3电平飞跨电容器转换器模块的一部分的电路图。同样，如图1所示的常规电路被分布在两个子模块中(在两个单独的基板上)。子模块中的一个包括内部电力开关并且子模块中的另一个包括外部电力开关。支路的一个子模块(左侧所示)包括钳位至DC源的电容器C1和连接在电力开关之间的电容器C2，所述电力开关中的一个由晶体管T1和二极管D1组成，而另一个由晶体管T2和二极管D2组成。

支路的另一子模块(右侧所示)包括两个另外的电力开关，所述电力开关中的一个由晶体管T3和二极管D3组成，而另一个由晶体管T4和二极管D4组成。此外，另一子模块包括连接至所述电力开关的飞跨电容器C3。另一子模块不直接钳位至DC源，而是电连接至包括钳位至DC源的电容器C1的子模块。同样，在子模块中的每个子模块中可以形成有闭合换回回路，并且常规电路在两个子模块中的分布与现有技术相比使得能够有更高的功率增益。

参照图5描述的电路的分布的构思还可以被转变为5电平(或更高电平)转换器模块，如图6所示。图6所示的转换器模块包括附加的(第三)子模块。子模块中的每个子模块包括在5电平设计中使用的第六电力开关中的两个(每个电力开关由晶体管和二极管组成)。第一子模块(参见图6的左侧)包括钳位至DC源的电容器和连接在第一电力开关对中的电力开关之间的电容器。图6所示的实施方式的第二子模块包括电力开关对、连接在电力开关之间的电容器以及连接至电力开关的飞跨电容器。第三子模块(参见图6的中间草图和右侧)对应于图5所示的3电平设计的第二子模块。

注意，在图5和图6所示的实施方式中，子模块可以操作为组合的BUCK功率转换器和BOOST功率转换器。

特别地，提供了包括如图3至图6之一所示的电路的多电平飞跨电容器转换器模块。

与现有技术中已知的拓扑相比，上面描述的实施方式全部提供了高开关频率、高度集成配置以及减小的外部DC链路电容器的电容的优点，从而使成本降低并且功率输出增加。

所有先前讨论的实施方式都不旨在作为限制，而是用作示出本发明的特征和优点的示例。应理解，上面描述的特征中的一些或全部也可以以不同的方式组合。