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CN108292896B - 中压无变压器多电平变换器及用于控制中压无变压器多电平变换器的方法 - Google Patents

中压无变压器多电平变换器及用于控制中压无变压器多电平变换器的方法 Download PDF

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Abstract

一种多电平变换器，包含单相配置。单相配置具有由耦合到DC链路的第一电容器分离的第一半桥(HB)模块、第二HB模块，以及钳位到第一HB模块和第二HB模块的中点钳位(NPC)模块。此外，单相配置具有第一单独开关器件和第二单独开关器件，第一单独开关器件可操作地连接到第一HB模块和NPC模块，并且第二单独开关器件可操作地连接到第二HB模块和NPC模块。变换器还包含功率输出组件，功率输出组件包括多相并且提供多相交流(AC)功率，其中单相配置向功率输出组件的多相中的一相提供功率。

Description

中压无变压器多电平变换器及用于控制中压无变压器多电平 变换器的方法
技术领域
本发明的各方面总体涉及一种中压无变压器多电平变换器和一种用于控制中压无变压器多电平变换器的方法。
背景技术
传统上，由于单个功率半导体器件不能处理高电压，所以多电平功率变换器被用于中压AC驱动器、柔性AC传输系统(FACTS)和高压DC(HVDC)传输系统的应用。
多电平功率变换器包括多电平拓扑，其提供了串联连接开关的巧妙方式，因此可以处理高于器件额定值的电压。对于中压驱动器的工业需求引发了该领域的大量研究，其中大多数应用包括用于泵、鼓风机、压缩机、输送机等的驱动器。提供多电平电压，适用于中压应用的拓扑数量有限。最著名的拓扑是中点钳位(NPC)拓扑、快速电容(FC)拓扑和级联H桥多电平拓扑。
级联多电平变换器是许多中压和高压应用中的优选拓扑。该拓扑在业内已经建立了二十多年，但它也存在一定的缺点，主要是与为每个功率单元提供隔离的功率所需的特殊变压器相关的成本。此外，级联多电平拓扑传统上仅在单向功率流应用中实现，因此它不能在电动机应用中提供再生制动。例如，可以四象限操作，但是这样的操作将显著增加功率单元成本并且仍然需要变压器。模块化多电平变换器是另一种拓扑，它仍在开发中。该拓扑可以使用也可以不使用变压器，因此在需要再生制动的应用中可能是有益的；然而，该拓扑需要更多数量的半导体，并且其在低速/高转矩下的操作会非常困难。在中压电平的较低端，级联多电平拓扑和模块化多电平拓扑往往都非常昂贵。
发明内容
简而言之，本发明的各方面涉及无变压器多电平变换器、包括无变压器多电平变换器的电驱动系统以及用于控制无变压器多电平变换器的方法。
本发明的第一方面提供了一种多电平变换器，包括多个单相配置，单相配置包括：由耦合到DC链路的第一电容器分开的第一半桥(HB)模块和第二半桥HB模块，DC链路向单相配置提供电压；中点钳位(NPC)模块，NPC模块夹到第一HB模块和第二HB模块上；第一单独开关和第二单独开关，第一单独开关可操作地连接到第一HB模块和NPC模块，并且第二单独开关可操作地连接到第二HB模块和NPC模块；以及功率输出组件，包括三个相并且提供三相交流(AC)功率，其中单相配置向功率输出组件的三个相中的一个相提供功率。
本发明的第二方面提供了一种用于控制多电平变换器的方法，包括：提供包含多个开关器件的单相配置；以及使用脉宽调制(PWM)来开关多个开关器件，其中多个开关器件以相同的开关频率进行开关，并且其中多对互补PWM控制信号用于开关多个开关器件。
本发明的第三方面提供了一种电驱动系统，包括：电源组件，该电源组件包括直流(DC)链路；多电平变换器，耦合到DC链路，用于产生多相功率，变换器包括单相配置，其中，DC链路向单相配置提供电压，单相配置包括：由耦合到DC链路的第一电容器分开的第一半桥(HB)模块和第二半桥HB模块，中点钳位(NPC)模块，NPC模块夹到第一HB模块和第二HB模块上，第一单独开关和第二单独开关，第一单独开关可操作地连接到第一HB模块和NPC模块，并且第二单独开关可操作地连接到第二HB模块和NPC模块；以及功率输出组件，包括三个相并且提供三相交流功率，其中，单相配置向功率输出组件的三个相中的一个相提供功率。
附图说明
图1示出了根据本发明示例性实施例的、用于无变压器多电平变换器的一个相的所提出的拓扑的实施例的示意图。
图2示出了根据本发明的示例性实施例的、用于无变压器多电平变换器的一个相的所提出的拓扑的另一实施例的示意图。
图3示出了根据本发明示例性实施例的、对于无变压器多电平变换器的一个相的、包括相对于参考信号波形不同的载波的载波结构的图形表示。
图4示出了根据本发明示例性实施例的、包括无变压器多电平变换器，特别是三相电动机驱动电压逆变器的系统的实施例的示意图。
图5示出了根据本发明的示例性实施例的、包括如图4所示的三相电动机驱动电压逆变器的背对背结构的实施例的示意图。
图6示出了根据本发明的示例性实施例的、针对一个相在无变压器多电平变换器中用PSPWM获得的、模拟输出电压和电流波形的图形表示。
图7和图8示出了根据本发明的示例性实施例的、针对一个相在无变压器多电平变换器中用PSPWM获得的、耦合到DC链路的电容器的模拟电压的图形表示。
图9示出了根据本发明的示例性实施例的、针对一相在无变压器多电平变换器中用PSPWM获得的NPC模块的电容器的模拟电压的图形表示。
图10和图11示出了根据本发明的示例性实施例的、分别针对三个相在无变压器多电平变换器中用PSPWM获得的输出电流和线电压的模拟波形的图形表示。
具体实施方式
为了便于理解本发明的实施例、原理和特征，在下文中参照在说明性实施例中的实现来对其进行说明。特别地，其是以无变压器多电平变换器、包括这种无变压器多电平变换器的电驱动系统以及用于控制这种无变压器多电平变换器的方法为上下文描述的。然而，本发明的实施例不限于用于所描述的设备或方法。
在下文中描述为构成各种实施例的组件和材料旨在是说明性的而非限制性的。执行与本文描述的材料相同或相似的功能的许多合适部件和材料被包含在本发明的实施例的范围内。
所描述的无变压器多电平变换器包括可用于中压电动机驱动应用的五电平中压拓扑。中压应用是例如在工业过程控制中使用的中压交流(AC)电动机的应用，其工作在1kV以上和/或50kV以下，特别是4.16kV和13.8kV之间。
图1示出了根据本发明示例性实施例的、用于无变压器多电平变换器的一个相的所提出的拓扑的实施例的示意图。
图1示出了单相配置10，本文也称为单相模块10，具有用于三相电动机驱动电压逆变器的一个相A的所提出的拓扑。对于示例性逆变器的每个相，所提出的拓扑包括由DC链路电容器C2分开的两个半桥(HB)模块42、44、中点钳位(NPC)模块46和两个单独的开关器件Q2、Q2N。
用于第一HB模块42的电路包括功率半导体开关器件Q1和Q1N以及具有为DC链路14的所提供直流(DC)链路电压Vdc的四分之一的电压额定值的电容器C1。用于第二HB模块44的电路包括功率半导体开关器件Q5和Q5N以及具有为DC链路14的所提供DC链路电压Vdc的四分之一的电压额定值的电容器C3。
中点钳位(NPC)模块46的配置包括功率半导体开关器件Q3、Q3N、Q3C、Q3CN、Q4、Q4N和电容器C4、C5。电容器C4、C5均具有为所提供DC链路电压Vdc的四分之一的电压额定值。另一个电容器C2分开两个HB模块42、44，其中电容器C2具有为DC链路总线电压Vdc的一半的电压额定值。此外，所提出的模块10的拓扑包括两个单独的开关器件Q2和Q2N，每个开关器件布置在HB配置42、44之一和NPC配置46之间。
开关器件Q1、Q1N、Q2、Q2N、Q3、Q3N、Q3C、Q3CN、Q4、Q4N、Q5、Q5N可以包含例如但不限于诸如绝缘栅双极型晶体管(IGBT)的功率晶体管。如图1所示，没有串联连接的开关器件。根据所描述的实施例，所提出的拓扑每个相包括总共12个开关器件Q1、Q1N、Q2、Q2N、Q3、Q3N、Q3C、Q3CN、Q4、Q4N、Q5、Q5N。
DC链路14包括正输入端子P和负输入端子N。例如可以通过标准变压器/二极管整流器来提供DC链路14的输入电压。或者，可以使用背对背的逆变器结构，例如如图5所示，用于典型的无变压器电动机驱动拓扑。图1所描述的拓扑产生输出作为相A的相电压电势以及相输出电流IOUT。
图2示出了根据本发明的示例性实施例的、用于无变压器多电平变换器的一个相A的所提出的拓扑的另一实施例的示意图。图2示出了关于图1的替代拓扑，其中图1的相同附图标记用于标记图2中的相同元件。应该注意的是，为了简单起见，参考图1的示例性实施例描述了本文进一步描述的实施例。本领域的普通技术人员将会认识到，图1和图2的实施例可以容易地彼此替换，并且本文现在参考图1进一步描述的实施例也适用于图2的实施例。图1和2的实施例类似，但是与两个HB配置42、44相关的DC链路电容器C1、C3的结构是不同的。
在整个图1中，QxN、QxCN指示相应开关器件相对于Qx、QxC以互补方式开关。例如，开关器件Q1N相对于Q1等以互补的方式开关。这意味着Qx-QxN和QxC-QxCN可以被认为是互补开关对，其中当其中一个开关器件(例如Q1)接通时，互补开关器件Q1N关断。
单相配置10的每个开关器件Q1、Q1N、Q2、Q2N、Q3、Q3N、Q3C、Q3CN、Q4、Q4N、Q5、Q5N响应来自控制器，特别是来自PWM控制器的控制信号S1、S1N、S2、S2N、S3、S3N、S4、S4N。根据一个实施例，使用四对开关信号S1/S1N、S2/S2N、S3/S3N、S4/S4N来驱动所有开关器件Q1、Q1N、Q2、Q2N、Q3、Q3N、Q3C、Q3CN、Q4、Q4N、Q5、Q5N。控制信号Sx/SxN是互补信号，这意味着例如当S1接通(1)时，S1N关断(0)。
结合下面提供的表I，图1示出了对于一个相，如何将控制信号S1/S1N、S2/S2N、S3/S3N、S4/S4N分配给开关器件Q1、Q1N、Q2、Q2N、Q3、Q3N、Q3C、Q3CN、Q4、Q4N、Q5、Q5N：
表I：PWM信号分配
信号 开关器件
S1 Q1,Q5
S1N Q1N,Q5N
S2 Q2
S2N Q2N
S3 Q3,Q3C
S3N Q3N,Q3CN
S4 Q4
S4N Q4N
四个开关信号S1、S2、S3、S4及其各自的互补开关信号S1N、S2N、S3N、S4N可以使用相移PWM载波方法或相位层叠PWM方法或其它合适的PWM方法从任何PWM调制器获得。
移相PWM(PSPWM)载波方法是用于许多多电平应用的方法，例如级联H桥拓扑。使用PSPWM载波方法，将作为特定相的基准的正弦波形与例如大致三角形的载波进行比较，以获得用于特定开关器件的开关实例，例如用于开关器件Q2的开关信号S2。可以使用其它载波，例如梯形载波。一个简单的逻辑逆变器可以为S2N提供信号。对于其它信号S1、S3、S4中的每一个使用单独的载波，这些载波大致是三角形的载波。一个相的载波之间的相移Tshift由公式(1)给出，其中Ts是用于所有开关器件的开关频率：
Figure GDA0002378258790000081
图3示出了根据本发明示例性实施例的、对于无变压器多电平变换器的一个相的、包括相对于参考信号波形不同的载波的载波结构的图形表示。图3示出了根据上述原理的典型载波结构，包括四个不同控制信号S1、S2、S3、S4的四个不同载波30、32、34、36，这些载波包括相对于包括正弦波形的参考信号波形38的三角波形。
尽管PSPWM载波方法是用于为开关器件生成命令的最广泛使用的原理之一，但也可以使用其它PWM方法。例如，在授予Mihalache的美国专利第9184673号(“用于多电平变换器的脉宽调制控制”)中描述了优化的PWM方法，其内容通过引用并入本文。应该注意的是，为了简单起见，本文提供的实施例是相对于用于向开关器件提供控制命令的PSPWM载波方法来描述的。
下面提供的表II示出了图1所示的示例性拓扑的可能的电压电平，其中相电压电势A是相对于负输入端子N测量的。在表II中，当由信号Sx驱动的相应开关器件Qx接通时，信号Sx接通(1)。当由信号Sx驱动的开关器件Qx关断时，信号Sx关断(0)。
在公式(2)中，相电压VAN可作为开关指令(即，开关控制信号)和提供的DC链路电压Vdc的函数来提供：
VAN＝(S1+S2+S3+S4)·V (2)。
表II：相对于图1的输出相电压VAN：
Figure GDA0002378258790000082
Figure GDA0002378258790000091
通过电容器C1、C3、C4和C5的瞬时电流Ic1、Ic3、Ic4、Ic5可以如公式(3)-(6)中所提供的那样来表示，分别为：
Figure GDA0002378258790000092
Figure GDA0002378258790000093
IC4＝(S2-S3·S4)·Iout (5)；
IC5＝((1-S3)·(1-S4)-(1-S2))·Iout (6)。
为了将电容器C1、C3、C4、C5的电压保持在期望的值，C1、C3、C4、C5的平均电流应当等于零。即使在DC链路14上有三个电容器C1、C2、C3，在内电容器C2是外电容器C1和C3的电压的两倍情况下，只要外电容器C1和C3可以保持在它们的正确电压值(DC链路电压Vdc的四分之一)，内电容器C2的电压也将具有正确的电平。
由公式(3)至(6)表达的关系可以进一步简化为调制参考信号波形38(参见图3)的瞬时值的函数。假设相位参考电压如公式(7)中给出的那样，通过电容器C1、C3、C4、C5的电容器电流Ic1、Ic3、Ic4、Ic5可以分别如下面提供的表III中所描述，作为相位电流IOUT和每个开关信号S1、S2、S3和S4的占空比d1、d2、d3、d4的函数：
ref＝m·sin(ω·t) (7)
可以看出，在稳态和理想条件下，公式(8)中所示的关系为真，这意味着通过电容器C1、C3、C4、C5的平均电流在输出基频上为零。这也意味着电容器C1、C3、C4、C5能够将其电压保持在期望的初始水平：
Figure GDA0002378258790000101
表III：作为电流和占空比d1、d2、d3、d4(每个开关周期)的函数的平均电容器电流Ic1、Ic3、Ic4、Ic5：
Figure GDA0002378258790000102
Figure GDA0002378258790000111
然而，可能存在几个非理想条件，例如有限器件开关次数、器件电压降、开关器件之间的占空比失配、动态步进等。所有这些条件都会影响电容器C1、C3、C4、C5两端的电压。如果不减轻，则电容器C1、C3、C4、C5中的一个或多个电容器相对于其初始条件的电压会漂移的更高或更低。
为了平衡非理想条件的任何影响，可以稍微改变四个占空比d1、d2、d3和d4，以便影响每个电容器电流Ic1、Ic3、Ic4、Ic5，例如可以在表III中看到。基于调制波形的相电流极性和瞬时位置，可以修改通过具体电容器C1、C3、C4、C5的电流Ic1、Ic3、Ic4、Ic5，以加速或减速具体电容器C1、C3、C4、C5的充电/放电，而不影响具体电容器的输出电压，只要占空比修改遵循公式(9)，其是符合公式(2)的充分条件：
Δd1+Δd2+Δd3+Δd4＝0 (9)。
图4示出了根据本发明示例性实施例的、包括无变压器多电平变换器，特别是三相电动机驱动电压逆变器的系统的实施例的示意图。
图4示出了包括三相电动机驱动电压逆变器40的系统100，三相电动机驱动电压逆变器包括三个相A、B、C。每个相包括连接到DC链路14的单相配置10(本文也称为单相模块10)，其中对于每个相A、B、C，单相模块10包括如图1中所描述的拓扑。或者，逆变器40可以包括具有如图2的拓扑的一个或多个相A、B、C单相模块10。从图4中可以看出，仅示出了相A的完整电路，并且仅示意性示出了相B和C的拓扑。
如前，对于示例性逆变器40的每个相A、B、C，所提出的拓扑包括由DC链路电容器C2分隔开的第一和第二半桥(HB)模块42、44、中点钳位(NPC)模块46和两个单独的开关器件Q2、Q2N。单独开关器件Q2可操作地连接到第一HB模块42和NPC模块46，并且第二单独开关Q2N可操作地连接到第二HB模块44和NPC模块46。
根据所描述的实施例，所提出的拓扑每个相A、B、C包括总共12个开关器件。DC链路14将电压Vdc提供给单相模块10。所有相A、B、C共用DC链路14，这也意味着所有相A、B、C共用耦合到DC链路14的电容器C1、C2、C3。因此，仅有八个电容器(共用的DC链路电容器C1、C3以及每个单相模块10的电容器C4、C5)可能需要针对三相逆变器40进行平衡。
逆变器40可以可操作地耦合到控制器50(特别是脉宽调制(PWM)控制器)和电动机60(特别是AC电动机)。逆变器40可用于中压驱动器，例如4160V中压驱动器。无变压器多电平变换器40包括功率输出组件16并且产生经由相输出线路70输出的三相AC电源。经由线路70的AC输出可以连接到负载，在该示例中负载包括电动机60。电动机60可以通过控制由多电平逆变器40产生的输出电压的频率和/或幅值来操作。
电动机60可以包括任何AC型电动机，例如同步、异步、永磁体、并且可以具有低压、中压或高压的额定值。例如，工业过程控制中使用的中压AC电动机可以工作在4.16kV到13.8kV的范围内。可以使用更高或更低的电压。可以连接多于一个的AC电动机60。可以使用其它负载来作为电动机60的替代或附加。例如，AC电动机60对由个三相A、B、C上的多电平变换器施加的电压作出响应，以增加、降低或保持速度或位置。
控制器50可以包括例如具有存储器的处理器，其能够存储和执行具体指令以实现所示的PWM控制。控制器50可以例如但不限于通过具有内部或外部存储器的微控制器、或者通过定点或浮点数字信号处理器(DSP)或者通过可编程逻辑器件(PLD)、或者以上提到的任何组合来实现。
图5示出了根据本发明的示例性实施例的、例如如图4所示的包括三相电动机驱动电压逆变器40的背对背结构的实施例的示意图。
如前所描述的，DC链路14的输入电压可以例如由标准变压器/二极管整流器提供。或者，如图5所示，背对背逆变器结构可以用于典型的无变压器电动机驱动拓扑。图5的结构包括如图4的两个逆变器40，其中包括具有输入端子P和N的电压Vdc的DC链路14对两个逆变器40进行馈电，使得每个逆变器40包括具有三个相A、B、C的三相AC功率形式的输入或输出。
图6示出了根据本发明示例性实施例的、分别针对一个相A、B或C在无变压器多电平变换器40中用PSPWM获得的输出电压VOUT和输出电流IOUT的模拟波形的图形表示。模拟参数如下表IV所示。
表IV：模拟参数：
参数 值
C1,C3,C4,C5 每个10,000μF
C2 5,000μF
开关频率 600Hz
DC链路电压 1,950*4＝7,800V
Rload 5.41欧姆
Lload 7.6mH
图7和图8示出了DC链路电容器C1、C2、C3的模拟电压的图形表示，其中根据本发明的示例性实施例，图7示出了外部的DC链路电容器C1和C3(例如参见图1)的模拟电压，并且图8示出了内部的DC链路电容器C2的模拟电压(参见例如图1)。在用PSPWM和如表IV所示的模拟参数操作多电平逆变器40时获得模拟电压。如图7所示，电容器C1和C3保持其初始平均值。结果，电容器C2也保持初始平均值，其是DC链路电压Vdc的一半，并且是电容器C1和C3的电压的两倍。
图9示出了根据本发明的示例性实施例的NPC模块46(参见例如图4)的电容器C4和C5的模拟电压的图形表示。在用PSPWM和如表IV中所示的模拟参数操作多电平逆变器40时获得模拟电压。如图9所示，电容器C4和C5也基本保持其提供的DC链路电压Vdc的四分之一的初始平均值。
图10和图11示出了根据本发明的示例性实施例的、分别针对所有三个相A、B或C在无变压器多电平变换器40中用PSPWM获得的输出电流102、104、106(图10)和线电压110、112、114(图11)的模拟波形的图形表示。表IV给出了模拟参数。
总之，根据示例性实施例，如本文的无变压器多电平变换器40包括以下特征：
-在每个相A、B和C上，所提出的拓扑包括由DC链路电容器C2(也被称为内电容器)分开的两个半桥(HB)模块42、44、一个中点钳位(NPC)模块46和两个单独的开关器件Q2、Q2N。
-DC链路14处的两个电容器C1和C3以及NPC模块46的两个电容器C4和C5可能需要平衡。这些电容器中的每一个具有为提供的DC母线电压Vdc的四分之一的电压额定值。
-所有的相A、B、C共用DC链路14；因此，对于三相逆变器40可能仅需要平衡八个电容器。
-所有开关器件Q1、Q1N、Q2、Q2N、Q3、Q3N、Q3C、Q3CN、Q4、Q4N、Q5、Q5N具有等于所提供的DC链路总线电压Vdc的四分之一的电压应力。
-由于没有串联连接的开关器件，因此所提出的逆变器40允许更简单的栅极驱动控制并且得到更可靠的产品。
-可以使用相移脉宽调制(PSPWM)或相位层叠PWM(PDPWM)控制。在这两种情况下，有效的输出开关频率是单个开关器件的开关频率的四倍。所有开关器件Q1、Q1N、Q2、Q2N、Q3、Q3N、Q3C、Q3CN、Q4、Q4N、Q5、Q5N以相同的频率进行开关。
-所提出的示例性逆变器40可以用于无变压器应用(背对背无变压器型拓扑，例如参见图5)。但是在输入-输出电压不匹配的情况下，逆变器40也可以与前端变压器一起使用。在这种情况下，可以使用更简单的变压器。
虽然已经以示例性形式公开了本发明的实施例，但是对于本领域技术人员来说显而易见的是，在不脱离如下面的权利要求中所阐述的本发明的精神和范围及其等同方案的情况下，可以在其中进行许多修改、添加和删除。

Claims (15)

1.一种多电平变换器(40)，包括：
多个单相配置(10)，所述单相配置(10)包括：
由耦合到DC链路(14)的第一电容器(C2)分开的第一半桥模块(42)和第二半桥模块(44)，所述DC链路向所述单相配置(10)提供电压(Vdc)，
中点钳位模块(46)，所述中点钳位模块(46)夹到所述第一半桥模块(42)和所述第二半桥模块(44)上，
第一单独开关器件(Q2)和第二单独开关器件(Q2N)，所述第一单独开关器件(Q2)可操作地连接到所述第一半桥模块(42)和所述中点钳位模块(46)，并且所述第二单独开关器件(Q2N)可操作地连接到所述第二半桥模块(44)和所述中点钳位模块(46)；以及
功率输出组件(16)，包括三个相(A、B、C)并且提供三相交流功率，其中所述单相配置(10)向所述功率输出组件(16)的所述三个相(A、B、C)之一提供功率，其中，所述第一半桥模块(42)包括第一多个开关器件(Q1、Q1N)和电压额定值为所述DC链路(14)提供的电压(Vdc)的四分之一的第二电容器(C1)，其中，所述第二半桥模块(44)包括第二多个开关器件(Q5、Q5N)和电压额定值为所述DC链路(14)提供的电压(Vdc)的四分之一的第三电容器(C3)，其中，所述中点钳位模块(46)包括第三多个开关器件(Q3、Q3N、Q4、Q4N、Q3C、Q3CN)以及第四电容器和第五电容器(C4、C5)，所述第四电容器和所述第五电容器(C4、C5)中的每一个的电压额定值为所述DC链路(14)提供的电压(Vdc)的四分之一。
2.根据权利要求1所述的多电平变换器(40)，其中，所述第一电容器(C2)的电压额定值为所述DC链路(14)提供的电压(Vdc)的一半。
3.根据权利要求1所述的多电平变换器(40)，其中，控制器(50)可操作地耦合到所述第一单独开关器件(Q2)和所述第二单独开关器件(Q2N)以及所述第一多个开关器件、所述第二多个开关器件和所述第三多个开关器件中的开关器件(Q1、Q1N、Q3、Q3N、Q3C、Q3CN、Q4、Q4N、Q5、Q5N)中的每个开关器件，用于通过脉宽调制控制开关器件(Q1、Q1N、Q2、Q2N、Q3、Q3N、Q3C、Q3CN、Q4、Q4N、Q5、Q5N)的开关事件，其中所述每个开关器件(Q1、Q1N、Q2、Q2N、Q3、Q3N、Q3C、Q3CN、Q4、Q4N、Q5、Q5N)以相同的开关频率进行开关。
4.根据权利要求1所述的多电平变换器(40)，包括用于每个相的单相配置(10)，其中，所有单相配置(10)共用所述DC链路(14)以及所述第一电容器、所述第二电容器和所述第三电容器。
5.一种用于控制多电平变换器(40)的方法，包括：
提供包含多个开关器件(Q1、Q1N、Q2、Q2N、Q3、Q3N、Q3C、Q3CN、Q4、Q4N、Q5、Q5N)的单相配置；以及
使用脉宽调制来开关所述多个开关器件(Q1、Q1N、Q2、Q2N、Q3、Q3N、Q3C、Q3CN、Q4、Q4N、Q5、Q5N)，
其中，所述多个开关器件(Q1、Q1N、Q2、Q2N、Q3、Q3N、Q3C、Q3CN、Q4、Q4N、Q5、Q5N)以相同的开关频率进行开关，并且
其中，多对互补脉宽调制控制信号(S1/S1N、S2/S2N、S3/S3N、S4/S4N)用于开关所述多个开关器件(Q1、Q1N、Q2、Q2N、Q3、Q3N、Q3C、Q3CN、Q4、Q4N、Q5、Q5N)，其中，所述单相配置(10)包括：
由耦合到DC链路(14)的第一电容器(C2)分开的第一半桥模块(42)和第二半桥模块(44)，所述DC链路向所述单相配置(10)提供电压(Vdc)，
中点钳位模块(46)，所述中点钳位模块(46)夹到所述第一半桥模块(42)和所述第二半桥模块(44)上，
其中，所述第一半桥模块(42)包括第二电容器(C1)，所述第二电容器的电压额定值为所述DC链路(14)提供的电压(Vdc)的四分之一，并且所述第二半桥模块(44)包括第三电容器(C3)，所述第三电容器的电压额定值为所述DC链路(14)提供的电压(Vdc)的四分之一，以及
其中，所述中点钳位模块(46)包括第四电容器和第五电容器(C4、C5)，所述第四电容器和第五电容器(C4、C5)中的每一个的电压额定值为所述DC链路(14)提供的电压(Vdc)的四分之一。
6.根据权利要求5所述的用于控制多电平变换器(40)的方法，其中，所述多对互补脉宽调制控制信号(S1/S1N、S2/S2N、S3/S3N、S4/S4N)中的每一对均包括互补的第一控制信号和第二控制信号，其中，当所述第一控制信号接通时，所述第二控制信号关断。
7.根据权利要求5或6所述的用于控制多电平变换器(40)的方法，还包括：
通过相移脉宽调制载波方法或相位层叠脉宽调制方法获得所述互补脉宽调制控制信号(S1/S1N、S2/S2N、S3/S3N、S4/S4N)。
8.根据权利要求7所述的用于控制多电平变换器(40)的方法，其中，基于多个载波信号，通过相移脉宽调制载波方法获得所述互补脉宽调制控制信号(S1/S1N、S2/S2N、S3/S3N、S4/S4N)，所述载波信号包括具有与参考信号相比大致三角形状的波形，所述参考信号包括具有大致正弦形状的波形。
9.根据权利要求7所述的用于控制多电平变换器(40)的方法，其中，对于所述单相配置(10)的多对互补脉宽调制控制信号中的每一对互补脉宽调制控制信号，使用单独的载波，在单独的载波之间的相移Tshift对应于
Figure FDA0002378258780000041
其中Ts是开关频率。
10.根据权利要求5所述的用于控制多电平变换器(40)的方法，还包括：
改变用于控制所述多个开关器件(Q1、Q1N、Q2、Q2N、Q3、Q3N、Q3C、Q3CN、Q4、Q4N、Q5、Q5N)的占空比(d1、d2、d3、d4)，以影响电容器(C1、C3、C4、C5)的电流(IC1、IC3、IC4、IC5)，其中，占空比修改符合Δd1+Δd2+Δd3+Δd4＝0，其中d1、d2、d3、d4为所述多个开关器件的占空比。
11.根据权利要求5所述的用于控制多电平变换器(40)的方法，包括用于每个相(A、B、C)的单相配置(10)，其中，所有单相配置(10)共用所述DC链路(14)和所述第一电容器、所述第二电容器和所述第三电容器(C1、C2、C3)。
12.一种电驱动系统(100)，包括：
电源组件，包括直流链路(14)；
多电平变换器(40)，耦合到所述直流链路(14)，用于产生多相功率，所述多电平变换器(40)包括单相配置(10)，其中，所述直流链路(14)向所述单相配置(10)提供电压(Vdc)，所述单相配置(10)包括：
由耦合到所述直流链路(14)的第一电容器(C2)分开的第一半桥模块(42)和第二半桥模块(44)，
中点钳位模块(46)，所述中点钳位模块(46)夹到所述第一半桥模块(42)和所述第二半桥模块(44)上，
第一单独开关器件(Q2)和第二单独开关器件(Q2N)，所述第一单独开关器件(Q2)可操作地连接到所述第一半桥模块(42)和所述中点钳位模块(46)，并且所述第二单独开关器件(Q2N)可操作地连接到所述第二半桥模块(44)和所述中点钳位模块(46)；以及
功率输出组件(16)，包括三个相(A、B、C)并且提供三相交流功率，其中，所述单相配置(10)向所述功率输出组件(16)的所述三个相(A、B、C)中的一个相提供功率，其中，所述第一半桥模块(42)包括第一多个开关器件(Q1、Q1N)，所述第二半桥模块(44)包括第二多个开关器件(Q5、Q5N)，并且所述中点钳位模块(46)包括第三多个开关器件(Q3、Q3N、Q4、Q4N、Q3C、Q3CN)。
13.根据权利要求12所述的电驱动系统(100)，还包括：负载，所述负载包括电机并且连接到所述功率输出组件(16)。
14.根据权利要求12所述的电驱动系统(100)，还包括脉宽调制控制器(50)，所述脉宽调制控制器可操作地耦合到单独开关器件(Q2、Q2N)和所述第一半桥模块和所述第二半桥模块(42、44)和所述中点钳位模块(46)的开关器件(Q1、Q1N、Q3、Q3N、Q3C、Q3CN、Q4、Q4N、Q5、Q5N)中的每个开关器件，用于通过脉宽调制控制开关器件(Q1、Q1N、Q2、Q2N、Q3、Q3N、Q3C、Q3CN、Q4、Q4N、Q5、Q5N)的开关事件，其中，所述每个开关器件(Q1、Q1N、Q2、Q2N、Q3、Q3N、Q3C、Q3CN、Q4、Q4N、Q5、Q5N)以相同的开关频率进行开关。
15.根据权利要求13所述的电驱动系统(100)，其中，所述电机包括在4.16kV至13.8kV的范围内工作的中压交流电动机。
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