平衡和/或放电电阻器布置的制作方法

2025-05-24 09:20:02 239次浏览

平衡和/或放电电阻器布置的制作方法
【专利摘要】记载了包括至少一个能量存储设备（120）、电阻器（206）、与电阻器（206）串联布置的开关（204）的电路。该能量存储设备与开关（204）和电阻器（206）的串联连接并联布置，并且该开关（204）被布置为选择性将电阻器（206）切换进与能量存储设备（120）的并联连接。在一些示例中，开关（204）包括半导体切换元件（202）的串联连接。在一些示例中，该电路可以包括用在多电平模块化转换器（300）中的子模块（200）。
【专利说明】平衡和/或放电电阻器布置
[0001]本发明涉及平衡和/或放电电阻器布置，在一些非排他的示例中，用在诸如电压源转换器的转换器中。
[0002]在含有诸如电容器的能量存储设备的电路中，经常期望将这些能量存储设备放电，以允许取得该电路用来保养等。这可以通过提供一个以上的放电电阻器(也被称为泄放电阻器)来实现，其经常与能量存储设备并联。电阻越高，能量存储设备放电越慢。然而，如果选择了低电阻，那么这可能在装置的正常使用期间导致电阻器中的损耗。因此，通常选择在这样的损耗与放电速度之间实现折衷的电阻。
[0003]尽管，对于包含家用电器等所有类型的电路都有这样的担忧，但随着其中存储的能量增加，不能将能量存储设备放电的结论变得越来越严重。
[0004]在例如可能在介质或者高压环境下操作的电压源转换器的转换器的环境下，保证在取得该电路之前能量存储设备已成功放电的需要可能变得紧迫。
[0005]EP2608382说明了用于电车的转换器。该转换器电路包括子模块，每个子模块都包含:电容器形式的能量存储设备;包含放电电阻器和放电开关的放电电路。在发生故障时，诸如超出限定范围的跨电容器的电压改变，放电信号被用于将开关闭合，以允许电容器放电。这具有的优点是:电阻器经常在电路之外，所以不需要考虑使用期间的损耗并且能够仅为了能量耗散来选择电阻器。
[0006]有关更高电压转换器，越来越关注基于IGBT的电压源转换器(VSC)。这些是高可控的转换器，其能够精确地生成具有低谐波分量的期望的电压形式，并且允许完全独立控制有功和无功功率，因此，能够满足例如静态补偿器(STATC0M)的网络的无功功率需要。由于这些优点，作为选择的技术，VSC通常替换掉基于晶闸管的电流源转换器(CSC)。特定类别的VSC是模块化多电平转换器(MMC)，其具有可以被设计为以高压操作的可缩放拓扑结构。MMC能够提供优良的谐波性能，并且这些优点与定时控制的相对缓解组合，使得MMC作为不断研究和开发的主题。
[0007]包含MMC的很多VSC设计具有串联布置的多个电容器。在大多数条件下，这些电容器在其应该保持相同电荷的意义上应该是平衡的。确实，所谓的电压共享、或者电压平衡在提供了一串串联连接的电容器的各种装置中是重要的。这通常是通过提供电阻器(经常称为平衡电阻器)来稳定电容器串中的电压共享，平衡电阻器跨每个电容器布置来实现的。然而，正如在电路中包含放电电阻器那样，这样的平衡电阻器会带来更高的操作损耗的成本。
[0008]根据本发明的第一方面，提供一种用在多电平模块化转换器中的子模块，所述子模块包括至少一个能量存储设备;子模块电阻器；以及与所述子模块电阻器串联布置的开关，其中，所述能量存储设备与所述开关和所述子模块电阻器的串联连接并联布置，并且所述开关被布置为选择性将所述子模块电阻器切换进与所述能量存储设备的并联连接，其中，所述开关包括半导体切换元件的串联连接。
[0009]子模块电阻器(其可以包括单个的电阻器元件、或者一起提供电阻的多个这样的元件)中的选择性切换意味着在一些操作状态中子模块电阻器可以切换出子模块电路。这反过来意味着当切换进电路时可以选择其电阻器值仅来执行其功能，而非作为考虑到在不需要的操作状态期间可能另外发生的损耗的折衷。提供切换元件的串联连接意味着可以使用快速动作半导体开关、诸如JFET和MOSFET，尽管这些通常不可用充分高的额定电压，该充分高的额定电压与多电平模块化转换器(MMC)的子模块的能量存储设备(典型地为一个以上的电容器)关联地使用，因为这样的转换器经常被布置为在高压环境下操作。
[0010]如要理解的是，用于MMC的模块通常还整合有一个以上例如电力电子开关、诸如IGBT等的切换设备，例如布置为半桥或者全桥布置以提供转换器子模块。
[0011]优选的是，选择子模块电阻器，以便提取的电流超过(优选的是实质上超过)由(典型地为恒功率负载)子模块控制电路系统提取的电流，这在稳定子模块之间的电压共享方面可能是有利的。
[0012]在一个实施例中，切换元件的串联连接包括与无源组件互相连接的半导体开关，布置为使得单输入切换信号会使串联中的所有切换元件在实质上重叠的时间帧中操作。这允许切换元件之间的负载共享。
[0013]可以串联布置切换元件，使得串联中的切换元件的切换状态的改变对所述串联中的随后的切换元件提供切换信号。这是一个开关切换串联中的下个开关的方便途径。在一个示例中，分压器可以提供在切换元件之间，并布置为分割前面的开关的输出处的电压，使得前面的开关的输出处的电压的一部分对随后的开关提供切换信号。
[0014]如本领域技术人员可以理解的，分压器典型地包括元件(典型地为电阻器、电容器或者电感器)，其动作以使供应电压下降至供应电压的一部分，该部分根据元件的比率。
[0015]在本发明的一个特定实施例中，开关可以被门极信号切断，结果导致跨第一切换元件观察到电压。该电压可以被分压器分割，使其一部分向串联中的下个切换元件提供门极信号。因此，这允许相对大的电压差异来提供相对小的门极电压，如典型地可能对半导体开关要求的那样。因此，在这样的示例中，提供切换信号的一部分的电压可以优选的是比输出电压小。
[0016]在一个示例中，分压器包括第一电阻和第二电阻，并且还包括与每个电阻关联的电容。可以选择电容来动态将切换元件的门极电容平衡，并相对门极电容处于支配地位，以分别减小对参数变化的灵敏度。两个电容的比率可以约等于两个电阻的比率的倒数。
[0017]在另一个示例中，可以跨整个开关提供分压器来分割总电压，经常是均等地在切换元件之间分割。这样的分压器可以包括分压组件的串联串(例如提供静态电压共享的电阻器的串联串和/或提供动态电压共享的电容器的串)，并可以具有布置在分压元件之间的多个“分接头” (tapping)以向切换元件供应输入。例如，每个切换元件可以与一个以上的门极偏置组件(例如，分压器的分压组件)关联，其中，门极偏置组件被布置为分割跨开关的电压。
[0018]在本发明的一个实施例中，开关可以被门极信号切断，结果导致跨第一切换元件观察到电压。该电压将动作，以将下个切换元件切断，诸如此类沿链而上。一旦所有的切换元件支持跨其的电压，分压器将管理串联中的每个切换元件支持的总电压的份额。因此，这允许大于任何单独切换元件的额定的电压由切换元件的链支持。
[0019]如上所述，分压器可以包括一个以上的电阻，该电阻可以由一个以上的电阻器提供。在另一个示例中，分压器可以包括一个或者串联的齐纳二极管，其可以与一个以上的电容器和/或电阻器结合设置，以提供分压器。
[0020]第一切换元件可以例如在子模块的控制器的控制下直接切换。这可以开始切换切换元件的串联的过程，每个切换元件由前面的开关的切换状态的改变而触发，如上所述。然而，还可以向一些或者所有的切换元件提供这样的直接切换信号(尽管优选的是这样的信号被定时，以保证没有一个切换元件在任何一次承载放电能量存储设备的全负载)。
[0021]还可以是对每个子模块提供控制器，和/或共同的控制器用于多于一个的子模块。在一个示例中，共同控制器能够用于所有子模块。在其他示例中，子模块控制器可以与转换器控制电路系统通信。
[0022]开关可以包括常通开关，例如由常通切换元件构成。这提供了故障安全，其中，在切换信号失去时，该电阻器将被切换进电路(这可以是故意的或者或许可以表明转换器的更宽泛的关机)，并且在其他操作模式下被主动控制出电路。
[0023]在一个示例中，至少一个切换元件包括能够逐步接通和/或断开(称为“箍缩”(pinching)流过其中的电流)的设备。这样的设备包含场效应晶体管(FET)，诸如结栅场效应晶体管(JFET)。因此，如果布置为使得切换元件的切换可以由前面的切换元件的切换状态的改变触发，那么串联中的下个开关可以在前面的开关的切换状态的改变完成之前被触发。这反过来意味着没有一个切换元件需要单独承载能量存储设备的全负载，并且这能够实现而不用精确控制向多个切换元件的多个切换信号。耗尽模式JFET提供“常通”开关，如本文一些示例说明的那样。适当的替代是金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)，如果需要常通开关，尤其是耗尽模式M0SFET。然而，切换元件不需要都是相同的类型。在一个特定示例中，最下方开关可以是增强模式M0SFET，串联的其余部分提供有耗尽模式JFET或者MOSFET ο这可以提供常断开关。
[0024]根据本发明的第二方面，提供一种多电平模块化转换器，包括多个根据本发明的第一方面的子模块和至少一个控制器，其中，所述控制器或每个所述控制器被布置为选择性操作子模块的开关，以在如下至少一个情况下将电阻器切换进与能量存储设备的并联连接:
(i)转换器关机；
(ii)阻断转换器的至少部分中的至少一个子模块；
(iii)检测到子模块中的电压不平衡。
[0025]关机时电阻器的切换允许电阻器作为放电电阻器动作。在转换器被阻断的状态下，这样的切换允许子模块电阻器辅助跨子模块将电压被动平衡。
[0026]在其他示例中，这样的平衡可以通过如下方式主动进行:例如监控子模块中的电压不平衡，并选择性将给定的电阻器切换进子模块来消除不平衡。在一些实施例中，在检测到发生状态(i)或者(ii)(并且在一些示例中，不在其他操作状态)时，可以进行电压不平衡监控，以检测能够使开关的操作(即，选项(iii)之上)的电压不平衡。
[0027]在一些实施例中，转换器可以是AC/DC转换器。如本领域技术人员熟悉的，这样的转换器通常可以被认为包括多个阀，每个阀与交流电压的相位和直流电压的极性有关，并在MMC的情况下，每个阀包括子模块的串联连接。状态(i i )可以包括阻断这样的转换器的阀。
[0028]根据本发明的另一方面，提供一种平衡包括电容器的串联连接的电路中的电压的方法，所述方法包括:提供电阻器和开关的至少一个串联连接;并且将电容器的串联连接中的至少一个电容器与电阻器和开关的串联连接并联布置;并且还包括选择性将至少一个电阻器切换进或者切换出所述电路，以平衡跨电容器的串联连接的电压。
[0029]这样的主动切换允许电阻器在一些使用状态下处于电路之外，因此，允许选择对平衡优化的电阻器，而非考虑到其他使用状态下的损耗来选择。电容器可以是单个的电容元件，或者可以是布置为共同供应电容的多个这样的元件。开关可以包括切换元件的串联连接，并可以例如具有结合本发明的第一方面说明的开关的任何特征。在一些示例中，电容器的串联连接中的多个、或者每个电容器可以具有与其并联布置的、开关和电阻器的串联连接。该方法可以包括控制开关以共同或者单独地切换。
[0030]该方法可以包括当关联的电容器超过第一阈值电压时，将电阻器切换进电路;和/或当电容器电压下降到第二电压阈值以下时，将其切换出电路。因此，这将提供电压控制作为主动平衡方法的一部分。第一和第二阈值可以相同或者不同。
[0031]在这样的示例中，优选的是选择电阻器，以便提取的电流超过(优选的是实质上)由跨关联的电容器连接的任何其他负载提取的电流。这是因为:这样的负载典型地具有恒功率特性，由此，电流将增加且电压减少，并能够因而使电容器的串联串中的共享不稳定。
[0032]电容器可以是模块化转换器的子模块内的能量存储设备，例如在本发明的第一方面中说明的子模块，其中，示例电阻器可以是子模块电阻器。该方法还可以适用到本发明的第二方面的MMC，尤其是例如当这样的子模块处于阻断状态时。
[0033]有关本发明的一个方面的教导可以适用到任何其他方面。本发明还包括使用和/或控制在本发明的第一和第二方面中说明的装置的方法。
[0034]现在以示例的方式仅参考下面的附图来说明本发明的实施例，其中:
图1A是现有技术的多电平转换器的概要附图；
图1B示出图1A的多电平转换器的子模块；
图2示出根据本发明的一个实施例的用于多电平转换器的子模块；
图3示出根据本发明的一个实施例的多电平转换器；
图4A和4B示出在本发明的一个示例中的跨切换元件的电压；
图5A和5B示出在图4A和4B的示例中的切换元件处的门极电压；
图6示出根据本发明的一个实施例的可切换电阻器电路；
图7A和7B示出在本发明的一个示例中的跨切换元件的电压；以及图8A和8B示出在图7A和7B的示例中的切换元件处的门极电压。
[0035]图1A所示的是布置在AC网络102与DC网络104之间的多电平转换器100。多电平转换器100包含在DC极110之间布置的串联连接的转换器子模块108(为了清楚仅标出了一些)的各相腿106(共同形成桥)。进一步结合下面的图1B来说明子模块108。每个腿106由两个阀107(为了清楚仅标出一个)构成。因此，本领域技术人员知道这样的转换器100可以被说明为包括6个阀107。阀107包括向腿106的AC连接与DC极110之间的子模块108的串联连接。
[0036]在每个转换器阀107中还提供了阀电抗器112(仅标出两个以使避免图复杂化)，以限制转换器腿106之间的瞬时电流流动，因而，能使转换器腿106连接并操作。还提供了一种直流链路电容器114，其操作来使直流电压平滑。转换器100是在控制切换和监控功能的转换器控制电路系统116的控制下。腿106中使用虚线符号来示出可能提供比示出更少或更多的子模块108。
[0037]如本领域技术人员可以想到的:本上下文中的子模块108是多个这样的模块中的一个，多个这样的模块用于通过其中的开关的选择性切换来在转换器100中合成电压形式。在下文中更详细说明。
[0038]如图1B所示，在该示例中，每个转换器子模块108包括与电容器120并联连接的、串联连接的IGBT 118形式的一对开关，每个开关都与单向电流设备关联，单向电流设备在这种情况下为二极管122并与IGBT开关118并联布置。第一 IGBT 118a布置在与电容器120串联的端子之间，并且第二IGBT 118b被布置为当接通时旁路电容器120。每个子模块110的电容器120被配置为具有充分高的电容值，以限制电容器端子处的电压变化。电容器120与泄放电阻124关联，以允许其放电。还提供了子模块控制器126，并且被布置成对IGBT 118a、b进行开关。子模块控制器126被布置为实现自主保护策略并对来自转换器控制电路系统116的指令进行响应。在已知的转换器设计中，子模块控制器126与转换器控制电路系统116之间的通信利用的是光纤。
[0039]本领域技术人员会熟悉这样的转换器100的功能。然而，简而言之，可以控制每个子模块108来假定三个切换状态中的I个。在正常使用中，电容器120或者插入到电路中或者被旁路。更具体而言，当第一 IGBT 118a接通且第二 IGBT 118b断开时，电容器120插入到电路；当第一IGBT 118a断开且第二IGBT 118b接通时，电容器120被旁路。还存在阻断状态，其中，两个IGBT 118都断开，并且电流仅能够流过IGBT 118的二极管122。被用于MMC时，通常布置阻断的子模块108，使得电容器120可以例如从与AC和/或DC网络的剩余连接充电，但是不放电。在故障期间，在启动、关闭和/或在转换器100待机中，可以采用阻断状态。阻断状态可以同时适用到阀17中的所有子模块108。
[0040]通过控制子模块108中的IGBT 118，能够精确地合成电压形式。
[0041]如本领域技术人员可以理解的，图1B的布置被称为半桥布置，并且提供了2象限单极(2-quadrant unipolar)模块，其能够提供零或正电压并能够在两个方向传导电流。尽管在本文中说明了半桥子模块设计，但这纯粹是示例的方式，也可以采用其他子模块设计，诸如全桥布置，其中，子模块包括2对切换元件(经常为IGBT)和能量存储设备(经常为电容器的形式)。切换元件对与电容器并联连接。这定义了能够提供负、零或者正电压并能够在两个方向传导电流的4象限双极(4-quadrant bipolar)模块。全桥子模块具有某些优点，诸如改善的故障处理(尤其是改善的DC故障处理)，但是需要更多切换组件并具有更高的操作损耗。本领域技术人员可以理解正在开发其他子模块设计，包含多电平子模块(例如在W02014/005634、W02012/04027和US2008/0198630中记载的，其以允许的最大程度并入本文)。确实，转换器可以是混合类型，含有多于一个类型的子模块108。本文列出的原则能够适当适用于任何子模块设计。
[0042]此外，本领域技术人员可以意识到备选的MMC设计和图1所示的布置纯粹只是一个这样的设计的示例。例如，组件和/或其间的连接可以是可配置的。
[0043]图2示出根据本发明的实施例的子模块，本文记作“切换电阻器”子模块200，其在该示例中被布置为形成具有图1A所示的结构的MMC的子模块200。在与图1A和IB的子模块108共同的特征标注同样的数字。尤其是，切换电阻器子模块200包括一对串联连接的开关，在这种情况下与电容器120并联连接的IGBT 118a、118b，每个与单向电流设备、这种情况下为二极管122关联。
[0044]此外，切换电阻器子模块200包括:与电容器120和IGBT118的串联连接并联的、常通半导体开关(本文记作“切换元件” 202 )的串联连接，其形成常通开关204 ο常通开关204与子模块电阻器206(在实践中，其可以是诸如电阻器网络的多个电阻器元件)串联设置。
[0045]子模块电阻器206能够在开关204的门极未被驱动时，对电容器120(即用作放电、或者泄放电阻器)提供安全放电路径，但是驱动该门极以将常通开关204切断(并因此从电路中移除电阻器206)会防止在其不需要的可操作状态期间的损耗。此外，并且如下文进一步的详细说明那样，能够控制开关204来管理在该示例中的转换器阀107中的电压平衡。
[0046]开关204的常通本质是有利的，因为其提供了“故障安全”，在不存在控制信号时保留了安全放电路径，并且意味着就此而言整合有这样的多组件电路不会降低可靠性。这还允许存储在子模块/转换器中的能量被放电，可能直接到零，而不需要任何能量输入(与此相反，常断开关可能需要单独的能源，以当存储的能量接近零电压时保持其接通)。
[0047]其他优点可以在转换器的所谓“黑启动”中发现，其拓扑结构没有提供对每个电容器120的充电路径，直至该电容器已到达充分的电压来对关联的切换组件通电。在该实施例中，开关204可以“接通”来提供这样的路径。
[0048]在该示例中，尽管可以使用其他JFET，但所有的切换元件202都是耗尽模式的碳化硅JFET，或者，切换元件202可以包括耗尽模式MOSFET(例如硅MOSFET)。此外，本文说明了η沟道设备的电路，但P沟道设备的反向版本也是可能的配置。
[0049]切换元件202串联连接。通常不会在MMC的子模块中使用诸如耗尽模式FET的半导体设备，因为这样的开关典型地不可用来提供充足的额定电压。然而，如下文详细说明，通过串联布置切换元件202并进一步布置电路系统的其余部分以保证不会由一个切换元件202承载子模块202的全部负载，这样的设备能够被用于本文说明的方式。
[0050]在该示例中，常通开关204仅从最下方设备的门极可控，使得开关204能够在施加(或者移除)单个信号时改变状态。
[0051]如本领域技术人员熟悉的，η沟道JFET是如下半导体:在适用到门极端子(通常被记作门极212)的偏置电压的控制下，在记作“源极”208与“漏极”210的端子之间传导电流。这些端子仅在最下方的切换元件202有标出，以避免使图复杂化。
[0052]考虑开始点，其中，没有驱动最下方切换元件202的门极212(门极电压、或者Vgs是O):其是耗尽模式设备，因此接通。因为该切换元件不支持伏特，所以，下个切换元件202也具有O的Vgs，并且也接通，诸如此类沿链而上。因此，开关204接通。
[0053]如果最下方切换元件202的门极212被朝向其负阈值驱动，那么其开始关断并且其漏极源极电压(Vds)上升。要注意的是，存在跨最下方切换元件202布置的分压器214，以便向上方的切换元件202输送其Vds的一部分作为Vgs(更通常而言，可以提供这样的分压器来将链中的每个切换元件202与下面的切换元件202耦接)。
[0054]每个分压器214包括门极电阻器仏和源极电阻器Rs，其向串联中的下个切换元件202的门极端子供应漏极源极电压的一部分作为切换信号。还提供有门极电容器仏和源极电容器Cs。在该示例中，选择CjPCs以与RdPR大致具有倒数比(本领域技术人员可以理解，在实践中，可能需要一些微调来实现最佳值)。作为良好实践的点，可以选择Cs以相对串联中的下个切换元件202的门极电容处于支配地位，以便切换元件门极电容中的制造变化对电路性能具有可以忽略的效果。在使用中，门极电容器Cg和源极电容器Cs用来在切换瞬时期间动态平衡切换元件202的电压共享，而电阻器Rg和Rs提供静态共享。
[0055]布置每个分压器214，使得当下切换元件202的Vds到达预定值时，下个切换元件202的门极电压Vgs到达其关断阈值，诸如此类沿链而上。
[0056]图3示出与图1所示类似的转换器300(其中，与图1共同的部分标出有同样的附图标记)。然而，图1所示的子模块108已被替换为图2的切换电阻器子模块200，并且子模块控制器126对来自转换器控制电路系统302的指令进行响应。还布置了转换器控制电路系统302来向子模块控制器126提供信号，其反过来在需要子模块电阻器206时向最下方切换元件202的门极212提供信号，以改善效率，以切换出电路(S卩，在不需要用于平衡或者放电的可操作的状态等)。布置为使得子模块控制器126比放电(子模块)电阻器206提取更少的电流。此外，转换器控制电路系统302可以执行监控功能，尤其是监控跨子模块200的电压，以允许平衡子模块200中的主动切换，下文进一步详细说明。
[0057]在特定示例中，放电电阻器206是27kQ电阻器，并且设定分压器212，以便当最下方切换元件202的Vds已到达700V时，下个切换元件202的Vgs已到达其-3V的关断阈值，诸如此类沿链而上。门极电阻器是IM Ω电阻器，并且源极电阻器是4.3kQ电阻器。该示例的门极电容器是68pF电容器，并且源极电容器是1nF电容器。在该示例中，切换元件202的额定电压为1000V。
[0058]图4和5示出这样的电路中的开关204的模拟的响应。
[0059]图4A和4B示出每个切换元件202的Vds的增加，最下方切换元件的Vds示出为实线402，中间开关的Vds示出为虚线404，并且最上切换元件202的Vds示出为点划线406。图4B示出不同的更详细的时间帧的、图4A所示的数据的一部分。可见，切换元件202对单输入信号进行快速响应。还要理解的是，没有一个切换元件202在任何一次受到全负载(2000V)，其可能导致该切换元件202的过载(在该示例中，恢复其具有1000V的额定电压)。随着开关204接通，会发生类似的负载共享。
[0060]图5A和5B示出在最下方切换元件202处的门极电压。因此，控制输入被用于触发三个切换元件202的切换。如上所述，切换元件202的JFET具有在4.03*10—4秒到达的-3V的关断阈值(参见图5B)，此时，所有的切换元件实质上断开(参见图4B)。还要注意的是，门极电压被控制为-10V。尽管在理想情况下，本领域技术人员可以理解这对切换状态没有进一步的影响，但是在由于温度导致噪声、切换阈值变化等时驱动门极电压超出其阈值是良好实践的问题。
[0061]如上所述，在操作的第一模式中，可以控制开关204，使其在装置的正常使用期间通常断开，进而允许在含有开关204的装置关断时断开，以便电阻器206能够将电容器120放电，因此，允许安全取得电路系统用来修复、保养等。
[0062]然而，存在操作的其他模式，可以对尤其是辅助对以串布置的电容器的串联进行平衡有利。现在说明，诸如图3所示的MMC的上下文中的一个示例。
[0063]如本领域技术人员熟悉的，如果阀107、或者转换器100作为整体被阻断(如上所述)，那么子模块108中的电容器120能够经由二极管122充电。然而，这些电容器120将另外被子模块控制器126放电，其具有支配性恒功率要求。在这样的情形下(其中，阀107中的电容器能够被视为串联连接的电容器)，期望将电容器120(或者至少给定阀中的电容器120)进行平衡，使得跨每个电容器能看到相同的充电，并且每个电容器提取均等的电流。然而，由于制造公差等带来的任何不平衡可能导致特定子模块108具有更低的电压，因此提取更多电流，结果导致趋向于生成能量不平衡的、不受控制的反馈回路。
[0064]然而，控制器，诸如在该示例中的子模块控制器126或者转换器控制电路系统302或者其组合能够被用于在这样的电路中控制切换电阻器子模块200。尤其是，当转换器300、其腿106或者阀107进入阻断状态时，能够控制开关204以允许其接通(S卩，切换元件202被控制为接通)，将电阻器206插入到电路。此外，如果布置电路使得由电阻器206提取的电流相对子模块控制器126的电流处于支配地位，那么会发生如下情形:当跨电容器的电压更高时，该电容器将提取更多电流，并提供收敛反馈回路。
[0065]在这样的示例中，电阻器206在通常操作中仍然能够被切换出电路，因此，能够跨每个电容器由电阻进行电容器串中的电压共享，而没有由于电阻器206的存在导致的操作损耗的成本。
[0066]作为这样的被动平衡的替代，或者进一步，当转换器100处于阻断状态时，可以进行主动平衡。在这样的示例中，能够(例如通过一个以上的控制器，诸如子模块控制器126或者转换器控制电路系统302或者其组合)监控跨每个电容器120的电压，并且根据需要操作开关204来控制电压。例如，当跨电容器120的电压超过第一阈值时，电阻器206能够被切换进;并且当电压低于阈值时，被切换出。
[0067]尽管本文已说明了特定示例的一些细节，但可以有变化。例如，在分压器212中，Rg可以被替换为一个或者串联的齐纳二极管，并且设备仍然能够如上所述发挥功能。此外，可以完全移除分压器212(或者一些分压器212)，例如替换为对所有或者子组的切换元件202的直接切换信号。
[0068]当然，上述实施例示出三个切换元件，可以有两个、四个或更多这样的切换元件。
[0069]底部JFET切换元件202和分压器212能够被替换为低电压增强模式的M0SFET。如果开关如上所述，那么该MOSFET仅必须支持3V+的安全余量，要求将其之上的JFET切换元件切断，成为常断开关204。
[0070]图6示出切换电阻器电容器电路600的其他实施例。该电路还可以形成用于转换器的子模块的部分，附加有例如结合图2示出的IGBT或者其他切换元件。
[0071]该实施例与图2所示的具有一些共同特征，并且同样的部分标出有同样的数字。然而，在该示例中，切换元件202由每个包括一个电阻器(门极电阻器Rg)和一个电容器(门极电容器Cg)的门极偏置组件602切换。门极偏置组件602跨开关204连接在单个的总体分压器中，而非如图3所示每级在单独分压器中。
[0072]考虑开始点，其中，没有驱动最下方切换元件202的门极，其在该示例中还是耗尽模式FET:其是耗尽模式设备，因此接通。因为最下方切换元件202不支持伏特，因此上面的FET具有Vgs多0，并且也接通，诸如此类沿链而上。如果最下方切换元件202的门极被朝向其负阈值驱动，那么其开始关断并且其Vds上升，朝向其负阈值驱动上面的最下方切换元件202的乂0，诸如此类沿链而上。
[0073]包括门极电阻器仏和门极电容器Cg的分压器使切换元件202大约均等地共享总电压，由于电阻静态地共享并且由于电容动态地共享。由于上述原因，选择Cg来在切换元件202中相对门极电容处于支配地位。可以将一个、一些或者所有的门极电阻器仏替换为一个以上的齐纳二极管。IXYS公司的提供的IXTY1R6N100D2是可以用于本申请的FET。可能需要或者期望与每个FET门极串联的额外电阻器来微调动态性能。
[0074]当然还要注意的是，该电路包括比图2所示的布置更少的组件，这可能在成本和/或可靠性方面具有优点。此外，其对半导体设备的门极阈值电压的变化更不敏感。
[0075]图7和8示出在模拟的电路中开关204的模拟的响应，其中，放电电阻器206是27kQ电阻器，门极电阻器是IM Ω电阻器，并且该示例的门极电容器是470pF电容器。
[0076]图7A和7B示出每个切换元件202的Vds的增加，最下方切换元件的Vds示出为实线702，中间开关的Vds示出为虚线704，并且最上切换元件202的Vds示出为点划线706。图7B示出不同的更详细的时间帧的、图7A所示的数据的一部分。可见，切换元件202良好地共享电压。
[0077]图8A和SB示出在最下方切换元件202处的门极电压。因此，控制输入被用于触发切换元件202的切换。如上所述，切换元件的FET具有在4.03*10—4秒到达的-3V的关断阈值(参见图8B)，此时，所有的切换元件实质上断开(参见图7B)，电压上升率由电路中电容的充电率指示。还要注意的是，门极电压被控制为-10V。尽管在理想情况下，本领域技术人员可以理解这对切换状态没有进一步的影响，但在由于温度导致噪声、切换阈值变化等时驱动门极电压超出其阈值是良好实践的问题。
[0078]为了简要比较图2与图6所所示的布置，本领域技术人员可以理解，在图2中，每个切换元件202的动作仅依赖于跨其下面的切换元件202的电压，使得前者保护后者不会超过其额定。如果总电压小于所有切换元件202的电压设定的总和，那么上方切换元件202可以携带很少电压或没有电压。在图6中，电路的动作是在切换元件202之间共享总电压而不管其大小;为了实现这一目的，形成分压器的电阻器链必须跨越总电压(即，存在与每个切换元件202关联的电阻器，使得电阻器Rg的数量等于切换元件202的数量，而非每个切换元件202之间的单独的分压器，如图2的实施例的情况那样)。
[0079]在本文说明的实施例的更多示例性变化中，子模块200能够以全桥(而非半桥)设计来提高，或者是本领域技术人员想到的任何其他设计子模块。此外，本发明可以适用于具有示出以外的设计的转换器。可以串联提供更少或更多(可能多很多)的切换元件202。确实，尤其是关于平衡，本文说明的技术不需要完全在转换器中进行，而是可以适用到任何串联连接的电容器。本领域技术人员可以想到本发明的范围内的其他变化。
【主权项】
1.一种用在多电平模块化转换器中的子模块，所述子模块包括至少一个能量存储设备、子模块电阻器以及与所述子模块电阻器串联布置的开关，其中，所述能量存储设备与所述开关和所述子模块电阻器的串联连接并联布置，并且所述开关被布置为选择性将所述子模块电阻器切换进与所述能量存储设备的并联连接，其中，所述开关包括半导体切换元件的串联连接。2.根据权利要求1所述的子模块，其中，所述子模块被布置为由控制器控制，并且选择所述子模块电阻器，以便提取超过由所述控制器提取的电流的电流。3.根据任何前述权利要求所述的子模块，其中，布置切换元件的所述串联，使得所述串联中的切换元件的切换状态的改变为所述串联中的随后的切换元件提供切换信号。4.根据权利要求3所述的子模块，包括布置在所述串联中的切换元件之间的分压器，其中，所述分压器被布置为分割前面的切换元件的输出处的电压，使得所述前面的切换元件的所述输出处的所述电压的一部分对随后的切换元件提供切换信号。5.根据权利要求4所述的子模块，其中，所述分压器包括第一电阻和第二电阻。6.根据权利要求5所述的子模块，其中，所述分压器包括与所述电阻的每个关联的电容。7.根据权利要求6所述的子模块，其中，所述两个电容的比率约等于所述两个电阻的比率的倒数。8.根据权利要求3所述的子模块，包括跨至少两个切换元件布置的分压器，所述分压器被布置为共享跨所述切换元件的电压。9.根据任何前述权利要求所述的子模块，其中，所述第一切换元件通过切换信号而直接切换。10.根据任何前述权利要求所述的子模块，其中，所述开关是常通开关。11.根据任何前述权利要求所述的子模块，其中，至少一个切换元件包括JFET或者MOSFETo12.—种多电平模块化转换器，包括多个根据权利要求1至11中的任一项所述的子模块和至少一个控制器，其中，所述控制器或每个所述控制器被布置为选择性操作子模块的所述开关，以在如下中的至少一个情况下将所述电阻器切换进与所述能量存储设备的并联连接: a.所述转换器关机； b.阻断所述转换器中的至少一个子模块； c.检测到所述子模块中的电压不平衡。13.—种平衡包括电容器的串联连接的电路中的电压的方法，所述方法包括:提供电阻器和开关的至少一个串联连接;并且将所述电容器的串联连接中的至少一个电容器与电阻器和开关的串联连接并联布置;并且还包括选择性将至少一个电阻器切换进或者切换出所述电路，以平衡跨所述电容器的串联连接的所述电压。14.根据权利要求13所述的方法，其中，至少一个开关包括切换元件的串联连接。15.根据权利要求13或14所述的方法，包括当与其并联连接的电容器的所述电压超过第一阈值电压时，将电阻器切换进所述电路。16.根据权利要求13至15中的任一项所述的方法，包括当与其并联连接的电容器的所述电压下降到第二电压阈值以下时，将电阻器切换出所述电路。17.根据权利要求13至16中的任一项所述的方法，包括平衡多电平模块化转换器的子模块内的电容器的方法。18.—种控制多电平模块化转换器的子模块的方法，所述子模块包括至少一个能量存储设备、子模块电阻器以及与所述子模块电阻器串联布置的开关，其中，所述开关包括半导体切换元件的串联连接，并且其中，所述能量存储设备与所述开关和所述子模块电阻器的所述串联连接并联布置，所述方法包括选择性将所述子模块电阻器切换进与所述能量存储设备的并联连接。19.根据权利要求18的方法，包括在如下中的至少一个情况下，选择性将所述子模块电阻器切换进与所述能量存储设备的并联连接: i.所述转换器关机； ?.阻断所述转换器中的至少一个子模块； ii1.检测到所述子模块中的电压不平衡。
【文档编号】H02M7/219GK106031009SQ201580010917
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2015年2月25日
【发明人】J.L.乌特勒姆
【申请人】阿尔斯通技术有限公司

文档序号 : 【 10654746 】

技术研发人员：J.L.乌特勒姆
技术所有人：阿尔斯通技术有限公司

备注：该技术已申请专利，仅供学习研究，如用于商业用途，请联系技术所有人。
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J.L.乌特勒姆丨阿尔斯通技术有限公司