Одноячеечная структура с возможностью вложения для использования в системе преобразования энергии

Изобретение относится в электротехнике и может использоваться для преобразования энергии. Технический результат состоит в повышении надежности работы. Для этого предлагается устройство, содержащее конденсаторный модуль, имеющий множество соединительных клемм и множество переключающих элементов. Каждый переключающий элемент имеет по меньшей мере одну клемму переключателя, соединенную с соответствующей соединительной клеммой, при этом переключающие элементы конфигурированы для взаимоисключающей работы с помощью управляющего устройства. 17 з.п. ф-лы, 19 ил.

 

I. ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

[0001] Настоящее изобретение относится в общем к многоуровневым топологиям для устройств преобразования энергии. В частности настоящее изобретение относится к более эффективным многоуровневым топологиям для применений с высоким уровнем мощности.

II. УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

[0002] В силовой электронике качество электроэнергии, плотность мощности и кпд являются самыми существенными факторами, которые необходимо учитывать при оптимизации преобразования энергии из одной формы в другую. Например, качество электроэнергии является значимым фактором при взаимодействии с электросетью и электрическими машинами. Поддержание высокого качества электроэнергии может быть важным, чтобы избежать проблем, таких как загрязнение электромагнитными помехами (electromagnetic interference) (EMI), скачки напряжения и сокращенный срок службы электрических машин из-за высоких гармоник тока и перенапряжений dv/dt. Преобразователи энергии играют важную роль в этом процессе.

[0003] В общем существует два способа достижения высокого качества электроэнергии и плотности в силовой электронике: увеличение частоты переключения и многоуровневая топология. Увеличение частоты переключения имеет ограничение, прежде всего для преобразователей высокой мощности и/или среднего напряжения, в связи с более высокими потерями силовых полупроводниковых приборов, связанными с более высокой частотой переключения, и внутренним ограничением скорости переключения для полупроводниковых приборов высокого напряжения и высокой мощности. Следовательно, для высоковольтных и высокоэнергетических применений многоуровневая топология является более эффективным подходом, чем увеличение частоты переключения.

[0004] Многоуровневые топологии преобразователей легче достигают высокого качества электроэнергии, высокой плотности при более высокой эффективности. Взаимодействуя с источником переменного электрического тока и/или нагрузкой, такими как местная энергосеть и электрические машины, многоуровневые преобразователи моделируют выходные сигналы переменного тока путем создания множества уровней напряжения на выходе преобразователя. Следовательно, частота переключения может быть уменьшена в связи с пониженными выходными гармониками как результат многоуровневого выхода. Несколько традиционных многоуровневых топологий и решений, касающихся управления, широко используются в промышленности.

[0005] Известной многоуровневой топологией является трехуровневая топология с фиксированной нейтральной точкой (neutral point clamped) (NPC), которая являлась «рабочей лошадкой» более десятилетия, особенно для выходного напряжения ниже 3,3 кВ. Однако расширение NPC-технологии сверх трех уровней для достижения качества электроэнергии более высокой мощности или для применений с повышенным напряжением представляет значительную сложность, и тем самым является непрактичным для широкого промышленного использования.

[0006] С целью достижения более высокого, чем трехуровневый, многоуровневого выхода необходимо найти способы соединения множества преобразователей. Принципиально есть два пути для соединения множества преобразователей - (а) соединение с помощью магнитных элементов, или (b) соединение с помощью (плавающих) конденсаторов.

[0007] Существует два подхода (т.е. топологии) для соединения множества преобразователей с помощью магнитных элементов для реализации многоуровневых преобразователей. Первый подход предусматривает использование множества преобразователей, как правило, соединенных параллельно (или шунтированных) и соединенных с уравнительными реакторами или межфазными трансформаторами. Этот первый подход контролируется с помощью чередующейся широтно-импульсной модуляции (pulse widht modulation, (PWM) и создает множество уровней выходного напряжения. К недостаткам этого подхода относятся циркулирующий ток между соединенными параллельно преобразователями, в конечном итоге ведущий к увеличению потерь, снижению использования полупроводников и повышенной сложности управления.

[0008] Второй подход предусматривает использование множества однофазных Н-мостов (либо двухуровневых, либо трехуровневых Н-мостов), соединенных последовательно (или каскадно), где каждый из указанных однофазных Н-мостов соединен с изолированным звеном постоянного тока. Благодаря гальванической развязке, создаваемой многообмоточным трансформатором, Н-мосты могут быть соединены напрямую с помощью каскадного соединения для получения многоуровневых выходных напряжений, соответственно. Многообмоточные трансформаторы, однако, являются сложными и громоздкими. Кроме того, этот подход является трудным и затратным для адаптации к четырехквадрантной работе.

[0009] В общем, для переработки одного и того же количества энергии конденсаторы и силовые полупроводниковые приборы, как правило, имеют более высокую плотность и более низкую стоимость, чем плотность и стоимость магнитных элементов. Следовательно, по сравнению с соединением множества преобразователей с помощью магнитных элементов соединение множества преобразователей с помощью (плавающих) конденсаторов обеспечивает более высокую плотность мощности и кпд при более низкой стоимости.

[00010] Модульные многоуровневые преобразователи (modular multilevel converters) (ММС) являются еще одной дополнительной и широко используемой топологией на основе конденсаторов. Ряд модульных Н-мостов каскадируется напрямую для получения множества уровней выходного напряжения, каждый из которых имеет свои собственные плавающие конденсаторы соединительного звена постоянного тока. Уровни напряжения этих звеньев постоянного тока строго регулируют, используя ток нагрузки между многими фазами каскадно включенных плеч моста. Размер конденсаторов звена постоянного тока обратно пропорционален основной частоте на соответствующей клемме переменного тока. Это решение, таким образом, не является оптимальным для применений с низкой и регулируемой частотой, таких как приводы электродвигателей, из-за достаточно больших плавающих конденсаторов звена постоянного тока.

[00011] Более совершенным подходом по сравнению с традиционными, описанными выше, является соединение множества преобразователей вместе посредством плавающих конденсаторов для создания множества уровней выходного напряжения. Напряжения на плавающих конденсаторах регулируются в каждом цикле переключения. Соответственно, размер конденсатора обратно пропорционален частоте переключения, а не основной частоте источника или нагрузки переменного тока. Поскольку частота переключения, как правило, превышает более чем в 30-50 раз основную частоту, размер плавающего конденсатора может быть эффективно уменьшен. Таким образом, может быть достигнуто дальнейшее увеличение плотности мощности и снижение стоимости.

III. КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

[00012] Учитывая вышеуказанные недостатки, необходимы улучшенные способы и системы для создания многоуровневых выходных сигналов для преобразования энергии. В частности, существует необходимость разработки улучшенных способов и систем на основе конденсаторов для преобразования энергии из одной формы в другую.

[00013] При определенных обстоятельствах модуль преобразования энергии содержит конденсаторный модуль, имеющий множество соединительных клемм и множество переключающих элементов. Каждый переключающий элемент имеет по меньшей мере одну клемму переключателя, соединенную с соответствующей соединительной клеммой, при этом переключающие элементы конфигурированы для взаимоисключающей работы посредством управляющего устройства. [00014] Варианты осуществления настоящего изобретения обеспечивают эффективные выходные уровни многоуровневого напряжения с по меньшей мере одной вложенной ячейкой с управляемой нейтральной точкой (neutral point piloted) (NPP). Кроме того, системы, выполненные в соответствии с вариантами осуществления, представляют собой по меньшей мере одну относительно простую трехуровневую NPP-структуру, наряду с уникальной системой управления. Такие NPP-структуры являются наращиваемыми для применений с более высоким уровнем напряжения, которые требуют наличия более трех уровней выходных сигналов, за счет простого повторения структуры путем вложения.

[00015] Плавающие конденсаторы, находящиеся во вложенных NPP-структурах, активно регулируют и балансируют в течение одного или более циклов переключения для поддержания их уровней напряжения. При этом размер конденсаторов обратно пропорционален частоте переключения, а не основной частоте на клемме переменного тока. Используя этот подход, может быть достигнуто повышенные качество электроэнергии и плотность мощности. Варианты осуществления обладают другими преимуществами, например, устранение неисправностей за счет резервирования включенных последовательно приборов, балансировка плавающих конденсаторов и более надежное/быстрое обнаружение короткого замыкания и перенапряжения приборов. В некоторых вариантах осуществления используются избыточные режимы переключений для достижения дополнительных функций управления, таких как регулирование напряжений плавающих конденсаторов и/или баланс теплового напряжения силовых полупроводниковых переключателей в разных положениях переключателя.

[00016] Другие варианты осуществления представляют собой трехуровневые NPP-ячейки с высокоточным управлением ячейкой. Например, ячейка может содержать три переключающих элемента, выполненных в виде комбинации однонаправленных и двунаправленных переключающих устройств. Такие ячейки снабжаются конденсаторами звена постоянного тока, а также шестью или более соединительными клеммами для облегчения получения вложенных конструкций, имеющих внутреннюю ячейку и внешнюю ячейку.

[00017] Каждый переключающий элемент может быть сформирован из множества силовых полупроводниковых приборов, соединенных последовательно. Последовательное соединение может расширить диапазон номинального напряжения каждого переключающего элемента и повысить надежность путем снижения градиента напряжения каждого силового полупроводникового прибора. Отказоустойчивый режим работы обеспечивается простым байпасом отказавших полупроводниковых приборов. Побочным продуктом раскрытого способа управления является более быстрое обнаружение неисправностей, таких как выход из насыщения и перенапряжение силовых полупроводниковых переключателей. [00018] В других вариантах осуществления вложенная структура NPP-модулей может быть реализована в гибридном исполнении, когда по меньшей мере одна из внешних ячеек является NPP-ячейкой, в то время как внутренняя ячейка может иметь другие топологию и/или выходные уровни, например, 3-уровневая NPC-ячейка или 2-уровневая ячейка. Гибридное исполнение может также включать в себя внутреннюю и внешнюю ячейки с различными типами и/или размерами силовых переключателей. В другом варианте осуществления вложенная структура NPP-ячейки может быть реализована в виде многофазной системы преобразования энергии. Многофазный (например, трехфазный) преобразователь с вложенными NPP-ячейками, например, может совместно использовать одно соединительное звено постоянного тока для получения трехфазного DC-AC, AC-DC или DC-DC преобразования. Дополнительные признаки и преимущества, а также структура и работа различных вариантов осуществления описываются подробно ниже со ссылкой на сопроводительные чертежи. Следует заметить, что изобретение не ограничивается конкретными вариантами осуществления, описанными в настоящем документе. Такие варианты осуществления представлены в настоящем документе только в иллюстративных целях. Дополнительные варианты осуществления будут понятны специалистам в соответствующей (-их) области (-ях) на основании раскрытия изобретения в настоящем документе.

IV. КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[00019] Настоящее изобретение иллюстрируется на чертежах, на которых подобные номера позиций указывают на подобные детали на разных чертежах. Чертежи предназначены только для целей иллюстрации предпочтительных вариантов осуществления и не должны трактоваться как ограничивающие изобретение. Учитывая последующее подробное описание чертежей, новаторские аспекты настоящего изобретения будут очевидны специалисту в данной области изобретения.

[00020] Фиг. 1А изображает структурную схему иллюстративной NPP-ячейки, заключаемой внутри отдельного преобразователя иллюстративной системы преобразования энергии, выполненной в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения.

[00021] Фиг. 1В представляет собой графическое изображение иллюстративной временной диаграммы для сигналов, генерируемых для управления внутренней ячейкой, изображенной на фиг. 1А, в соответствии с вариантами осуществления.

[00022] Фиг. 2А изображает иллюстративную структурную схему внутренней NPP-ячейки, выполненной в соответствии с вариантами осуществления.

[00023] Фиг. 2В представляет собой графическое изображение временной диаграммы для сигналов, генерируемых для управления и иллюстративного осуществления внутренней ячейки, изображенной на фиг. 2А.

[00024] Фиг. 2С изображает структурную схему, иллюстрирующую осуществление силового переключателя, используемого внутри переключающих элементов в иллюстративной NPP-ячейке, изображенной на фиг. 2А, в соответствии с вариантами осуществления.

[00025] Фиг. 3 изображает иллюстративную структурную схему, иллюстрирующую внешнюю NPP-ячейку, выполненную в соответствии с вариантами осуществления.

[00026] Фиг. 4 изображает более подробную структурную схему, иллюстрирующую отдельную 5-уровневую вложенную однофазную NPP-ячейку, выполненную из вложенной комбинации фиг. 2А и 3.

[00027] Фиг. 5А изображает иллюстративную диаграмму состояний переключения, используемых для управления иллюстративной вложенной NPP однофазной ячейкой, изображенной на фиг. 4.

[00028] Фиг. 5В изображает таблицу, иллюстрирующую пример состояний переключения для управления структурами вложенных ячеек, показанных на фиг. 4.

[00029] Фиг. 5С является иллюстрацией примера временных диаграмм наряду с примером формы выходного сигнала, которые относятся к состояниям переключения на фиг. 5А и 5В.

[00030] Фиг. 5D является иллюстрацией другого примера временной диаграммы в соответствии с фиг. 4.

[00031] Фиг. 6А иллюстрирует путь протекания тока для первого состояния переключения через внутреннюю и внешнюю 3-уровневую NPP-ячейку в соответствии с вариантами осуществления.

[00032] Фиг. 6В иллюстрирует путь протекания тока для второго (резервного) состояния переключения через внутреннюю и внешнюю 3-уровневую NPP-ячейку на фиг. 6А.

[00033] Фиг. 7 изображает структурную схему иллюстративных 5-уровневых структур вложенных ячеек, используемых в многофазном преобразователе в соответствии с вариантами осуществления. [00034] Фиг. 8 изображает иллюстративную 7-уровневую вложенную NPP-ячейку в соответствии с альтернативным вариантом осуществления настоящего изобретения.

[00035] Фиг. 9 изображает иллюстративную структурную схему иллюстративной системы преобразования энергии, в которой могут быть реализованы варианты осуществления настоящего изобретения.

[00036] Фиг. 10 изображает структурную схему, иллюстрирующую устройство управления и структуру вложенной ячейки, выполненные в соответствии с альтернативным вариантом осуществления настоящего изобретения.

[00037] Фиг. 11 изображает блок-схему иллюстративного способа реализации варианта осуществления настоящего изобретения.

[00038] Фиг. 12 изображает структурную схему, представляющую собой иллюстративную компьютерную систему, в которой могут быть реализованы аспекты вариантов осуществления настоящего изобретения.

V. ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ РАЗНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

[00039] В то время как настоящее изобретение описывается в настоящем документе с помощью иллюстративных примеров осуществления для конкретных применений, следует понимать, что изобретение не ограничено этим. Специалисты в данной области техники, имеющие доступ к идеям, изложенным в настоящем документе, могут предложить дополнительные модификации, применения и варианты осуществления в пределах объема сущности этих идей и для дополнительных областей, в которых изобретение имело бы существенное значение.

[00040] Если не установлено иное, технические и научные термины, использованные в настоящем документе, имеют то же самое значение, как это обычно понимается специалистами в данной области техники, к которой относится настоящее изобретение. Термины «первый», «второй» и подобные, в том виде, в каком они используются в настоящем документе, не обозначают какого-либо порядка, количества или важности, а используются для отличия одного элемента от другого. Кроме того, единственное число не означает ограничения по количеству, а означают присутствие по меньшей мере одного из элементов, на которые делаются ссылки. Термин «или» предназначается для того, чтобы быть инклюзивным и обозначать любой, некоторые или все из перечисленных элементов.

[00041] Использование «включающий в себя», «содержащий» или «имеющий» и их вариантов в настоящем документе означает охват элементов, перечисляемых в дальнейшем, и их эквивалентов, а также дополнительных элементов. Термины «соединенный» и «связанный» не ограничиваются физическими или механическими соединениями или связями и могут включать в себя электрические соединения или связи, прямые или косвенные. Термины «цепь», «схема» и «контроллер» могут включать либо один элемент, либо множество элементов, которые могут быть или активными и/или пассивными элементами и могут быть опционально соединенными или иным образом связанными вместе для обеспечения описанной функции.

[00042] В различных вариантах осуществления многоуровневое преобразование энергии достигается таким путем, который обеспечивает более высокие качество электроэнергии и плотность мощности по сравнению с традиционными подходами при более низких затратах. В одном варианте осуществления предлагается многоуровневая (например, трехуровневая) топология NPP вложенной ячейки для получения множества уровней выходного напряжения. Сигналы управления, выходящие из контроллера, избирательно активируют/деактивируют внутренние элементы преобразователя для управления уровнями выходного напряжения, увеличивая число уровней до пяти, семи, девяти, одиннадцати или более.

[00043] Топология вложенных ячеек создается путем копирования структур индивидуальных ячеек, охватывающих одну ячейку внутри другой, с формированием внутренней ячейки, вложенной в границы внешней ячейки. В этих структурах вложенных ячеек переключающие устройства, конденсаторы звенья постоянного тока и другие внутренние компоненты могут быть выполнены с возможностью работы каскадным образом для создания необходимого множества уровней выходного сигнала.

[00044] Контроллер может быть выполнен с возможностью управления работой переключающих элементов - активирования (включения) и деактивирования (выключения) силовых переключателей внутри переключающих элементов поочередно. Каждый раз, когда силовой переключатель активирован, уровень выходного напряжения устанавливается на одной из ячеек. Активирование и деактивирование силовых переключателей позволяет осуществлять точное управление уровнями напряжения, выходящего из преобразователя.

ОБЗОР СТРУКТУР ЯЧЕЕК

[00045] Фиг. 1А изображает структурную схему иллюстративной базовой 3-уровневой ячейки 200 (например, NPP), выполненной для работы в одном из преобразователей иллюстративной системы преобразования энергии. Для целей иллюстрации варианты осуществления и чертежи, представляющие их, будут поясняться в контексте NPP-ячеек. Так, фиг. 1А представляет основные принципы работы NPP-ячеек в соответствии с вариантами осуществления.

[00046] В примере на фиг. 1А 3-уровневая NPP-ячейка 200 содержит переключающие элементы 205, 228 и 232, которые управляются с помощью управляющего устройства 140. Управляющее устройство 140 управляет работой NPP-ячейки 200 посредством управляющих сигналов 106. Как понятно специалистам в данной области техники, управляющее устройство 140 может быть связано с NPP-ячейкой 200 с помощью беспроводной, оптической или иных подобных линий связи.

[00047] Плавающие конденсаторы 261 и 263 образуют конденсаторный модуль (например, звено 226 постоянного тока). В вариантах осуществления NPP-ячейка 200 является вкладываемой или соединяемой в каскадную конструкцию с другими ячейками с 2 или 3 соединительными клеммами, например, идентичными NPP-ячейками. Как будет понятно специалистам в данной области техники, варианты осуществления настоящего изобретения не ограничены тремя переключающими элементами или же двумя плавающими конденсаторами.

[00048] Переключающий элемент 228 содержит соединительную клемму 225 (имеющую внутреннее расположение относительно ячейки 200) и соединительную клемму 235 (например, с внешним расположением по отношению к ячейке 200 и направлению элемента 228) на соответствующих концах. Подобным же образом переключающий элемент 232 содержит соединительные клеммы 229 (например, внутреннюю) и 241 (например, внешнюю) на соответствующих концах.

[00049] Переключающий элемент 205 содержит соединительные клеммы 227 (внутреннюю) и 239 (внешнюю) на соответствующих концах. Соединительная клемма 239 формируется через соединение плавающих конденсаторов 261 и 263. Одно такое соединение проходит по линии, образуемой последовательным соединением плавающих конденсаторов 261 и 263. Другой вывод плавающего конденсатора 261 соединен с соединительными клеммами 235. Подобным же образом другой вывод плавающего конденсатора 263 соединен с соединительной клеммой 241. Термины «внутренний» и «внешний», используемые в настоящем документе, предназначены только для целей иллюстрации и не ограничивают объем разных вариантов осуществления.

[00050] Управление NPP-ячейкой 200 достигается посредством манипулирования переключающими элементами 205, 228 и 232 в ответ на управляющие сигналы 106. Состояния переключения переключающих элементов 205, 228 и 232 возникают взаимоисключающим образом. То есть, когда один переключающий элемент внутри ячейки активирован (включен), другие переключающие элементы внутри этой же ячейки деактивированы (выключены) по существу с нулевым перекрытием между разными состояниями переключения. Такое взаимоисключающее переключение облегчает эффективное создание различных уровней выходных напряжений.

[00051] Например, когда переключающий элемент 228 включен, переключающие элементы 205 и 232 выключены и на первой выходной клемме 225 каскадного включения создается выходное напряжение Vp первого уровня. Когда переключающий элемент 232 включен, переключающие элементы 205 и 228 выключены и на выходной клемме 229 каскадного включения создается выходное напряжение Vn второго уровня.

[00052] Подобным же образом, когда переключающий элемент 205 включен, переключающие элементы 228 и 232 выключены и на выходной клемме 227 каскадного включения создается выходное напряжение Vmid третьего уровня, где выходные уровни отличаются друг от друга. В частности, каждое из выходных напряжений разных уровней (Vp, Vn и Vmid) ассоциируется исключительно с соответствующим включенным переключающим элементом. Этот процесс управления разъясняется более подробно ниже. Таким образом NPP-ячейка 200 представляет 3-уровневую топологию NPP-ячейки.

[00053] Только в качестве примера, а не ограничения, каждый из переключающих элементов 205, 228 и 232 может сам по себе быть выполнен в виде силового переключателя, при этом каждый поддается управлению для обеспечения возможности двунаправленного протекания электрического тока. Переключающие элементы 228 и 232 могут блокировать однополярное напряжение, в то время как переключающий элемент 205 может блокировать биполярное напряжение. Альтернативно, как показано на примере на фиг. 2А ниже, один или более переключающих элементов 228 и 232 могут быть выполнены в виде двух или более однонаправленных силовых переключателей, соединенных последовательно. Переключающий элемент 205 может быть выполнен с двумя или более однонаправленными силовыми переключателями, соединенными последовательно с обратной полярностью. Как известно специалистам в данной области техники, множество низковольтных устройств, соединенных последовательно, как правило, обеспечивают более высокий показатель полного выдерживаемого напряжения, пригодный для потребностей области применения.

[00054] В вариантах осуществления число силовых переключателей внутри каждого переключающего элемента является экономическим фактором, учитываемым в себестоимости и производительности индивидуального преобразователя. Как таковое, настоящее изобретение не ограничено переключающими элементами, которые включают в себя всего лишь один или два силовых переключателей.

[00055] Фиг. 1 В является графическим изображением иллюстративной временной диаграммы 190 сигналов синхронизации, вырабатываемых для управления внутренней ячейкой 200, изображенной на фиг. 4 ниже. На фиг. 1В, например, в момент времени t₀ силовой переключатель 205 активируется (состояние включения), переходит из «0» в «1», а силовой переключатель 228 деактивируется (состояние выключения), переходит из «1» в «0». В момент времени t₁ силовой переключатель 205 деактивируется, переходя из «1» в «0», а силовой переключатель 232 активируется, переходя из «0» в «1». Управление активацией и деактивацией осуществляется с помощью управляющих сигналов (обсуждаемых подробнее ниже), которые генерируются единым управляющим устройством, таким как управляющее устройство 140. В вариантах осуществления настоящего изобретения может также создаваться высокоимпедансное состояние, при котором все силовые переключатели отключены или отсоединены от всех других соединительных клемм.

[00056] Фиг. 2А представляет подробную структурную схему, иллюстрирующую реализацию внутренней ячейки 200, изображенной на фиг. 1А. Фиг. 2А также изображает драйверы для управления затвором, относящиеся к переключающим элементам 228, 232 и 205. Управление многочисленными силовыми переключателями во внутренней ячейке 200 производится для выполнения операций переключения взаимоисключающим образом. Как показано на фиг. 2А, переключающий элемент 228 выполнен с возможностью включения/выключения в соответствии с управляющими сигналами 309, поступающими от драйвера 301 для управления затвором. Переключающий элемент 232 выполнен с возможностью включения/выключения в соответствии с управляющими сигналами 315, поступающими от драйвера 307 для управления затвором.

[00057] Силовой переключатель 234 (также именуемый субпереключатель) выполнен с возможностью включения/выключения в соответствии с управляющими сигналами 311, поступающими от третьего драйвера 303 для управления затвором. Силовой переключатель 236 (также именуемый вторым суб-переключателем) выполнен с возможностью включения/выключения в соответствии с переключающими управляющими сигналами 313, поступающими от драйвера 305 для управления затвором. В некоторых вариантах осуществления, как показано на фиг. 2С, управляющие сигналы 311 и 313, поступающие на силовые переключатели 234 и 236, действуют синхронно.

[00058] На фиг. 2В в момент времени t₀ первый управляющий сигнал 309 имеет задний фронт, указывающий на то, что переключающий элемент 228 (S1) переходит из состояния включения в состояние выключения. В момент времени t₀-y₀, где «у0-у7» являются конечными, кванты времени возникают до или после момента времени «t». Например, t_0-y0 возникает до t₀, в котором первая часть переключающего элемента 205 (S2) (например, силовой переключатель 236) активируется с помощью второго управляющего сигнала 313.

[00059] В действительности, как будет понятно специалисту в данной области техники, в момент времени t_0-y0 переключающий элемент 205 по-прежнему управляется в состоянии выключения. Переключающий элемент 205 управляется в состоянии включения только тогда, когда оба субпереключателя 234 и 236 включаются. В конечное время после t₀, например в момент t_0+y1, вторая часть (например, силовой переключатель 234) переключающего элемента 205 включается посредством третьего управляющего сигнала 311. В момент времени t_0+y1 переключающий элемент 205 формально переходит в состояние включения.

[00060] Подобным же образом, в момент времени t_1-y2 до t₁ первая часть переключающего элемента 205 (S2) (силовой переключатель 236) деактивируется в течение состояния выключения посредством второго управляющего сигнала 313. В момент времени t₁ четвертый управляющий сигнал 315 переводит переключающий элемент 232 (S4) в состояние включения. В момент времени t_1+у3 вторая часть переключающего элемента 205 (S3) (силовой переключатель 234) формально переключается в состояние выключения посредством третьего управляющего сигнала 311. В вариантах осуществления специалистам в данной области техники может быть понятно, что все кванты времени у₀-у₇ могут иметь разные значения. Процесс, описанный выше, повторяется для остальных состояний t2~t3. Таким образом, передние и задние фронты для 228, 305 и 232 являются по существу не перекрывающимися.

[00061] Фиг. 2С представляет собой структурную схему, иллюстрирующую силовой переключатель 228 на фиг. 2А, в соответствии с вариантами осуществления. В одном варианте осуществления переключающий элемент 228 может быть выполнен с возможностью использования любого вида силовых переключателей (внутренних по отношению к переключающим элементам). Например, переключающие элементы 238, 228, 232, 242 могут быть выполнены с возможностью точного соответствия конфигурации переключающего элемента 228. [00062] В частности, в одном варианте осуществления переключающий элемент 228 содержит силовой переключатель 316, силовой переключатель 318 и n-й силовой переключатель 322, где n равно или больше двух. В качестве примера силовые переключатели 316 и 318 соединены параллельно с соответствующими встречно-параллельными диодами 324 и 326. n-й силовой переключатель 322 соединен параллельно с n-м встречно-параллельным диодом 328. В некоторых условиях каждый силовой переключатель может быть объединен с соответствующим встречно-параллельным диодом для формирования единого переключателя.

[00063] Поскольку силовые переключатели 316, 318 и n-й силовой переключатель 322 соединены последовательно между линиями 206 и 208 постоянного тока, каждый из этих переключателей снабжается частью напряжения постоянного тока. Таким образом, переключатели с низким номинальным напряжением могут использоваться для замены единого силового переключателя 312, который имеет высокое номинальное напряжение. Как показано на фиг. 2С, единый силовой переключатель 312 также объединяется с встречно-параллельным диодом 314. Кроме того, большее количество силовых переключателей обеспечивает более высокий уровень резервирования.

[00064] Только в качестве примера, а не ограничения, силовые переключатели, описанные в вариантах осуществления, могут быть выполнены на полевом МОП-транзисторе (metal oxide semiconductor field effect transistor) (MOSFET), биполярном транзисторе с изолированным затвором (insulated gate bipolar transistor) (IGBT) и коммутируемом по затвору запираемом тиристоре, если упомянуть только некоторые варианты.

[00065] Фиг. 3 представляет структурную схему, иллюстрирующую внешнюю ячейку 201, описанную выше, в соответствии с вариантами осуществления. Фиг. 3 также представляет драйверы для управления затвором, относящиеся к силовым переключателям внутри каждого из переключающих элементов 238, 242 и 271. Как отмечалось выше, управление множеством устройств во внешней ячейке 201 осуществляется для выполнения операций переключения взаимоисключающим образом.

[00066] В частности, переключающий элемент 238 выполнен с возможностью включения/выключения в соответствии с переключающими управляющими сигналами 325, поступающими от драйвера 317 для управления затвором. Переключающий элемент 242 выполнен с возможностью включения/выключения в соответствии с переключающими управляющими сигналами 327, поступающими от драйвера 319 для управления затвором. Силовой переключатель 244 внутри переключающего элемента 271 выполнен с возможностью включения/выключения в соответствии с переключающими управляющими сигналами 329, поступающими от драйвера 321 для управления затвором. Силовой переключатель 246 выполнен с возможностью включения/выключения в соответствии с управляющими сигналами 331, поступающими от драйвера 323 для управления затвором.

[00067] В некоторых вариантах осуществления переключающие управляющие сигналы 329 и 331 действуют синхронно и генерируются от единого контроллера. Для обеспечения должной коммутации переключающих элементов 238 или 242 и для обеспечения времени бестоковой паузы с целью предотвращения коротких замыканий плавающих конденсаторов, моменты переключения управляющих сигналов 329 и 331 регулируются. Например, управляющие сигналы 329 и 331 могут быть отрегулированы соответственно таким образом, чтобы ускорить переключение или замедлить переключение суб-переключателей 246 и/или 244 в переключающем элементе 271 по существу в небольшом кванте времени, относительно управляющих сигналов, подаваемых к переключающему элементу 238 или 242.

[00068] Фиг. 4 представляет более подробную структурную схему одного из плеч 220 фазы (фаз) на фиг. 1А. Как отмечено выше, первое плечо 220 фазы формируется из вложенной структуры, состоящей из внешней ячейки 201, охватывающей внутреннюю ячейку 200. Элементы, структура и параметры работы в пределах внутренней ячейки 200 и внешней ячейки 201 практически одинаковые. Такой способ позволяет расширять 3-уровневую топологию базовой NPP-ячейки для получения выходных сигналов, имеющих пять уровней (как в случае с первым плечом 220 фазы), или семь, девять, одиннадцать или более уровней.

[00069] В качестве примера в другом варианте осуществления настоящего изобретения вложенные структуры могут быть гибридными, например, имеющими 2-уровневую ячейку или 3-уровневую NPC-ячейку, которая охватывается 3-уровневой NPP-ячейкой. Возможны многие другие гибридные вложенные структуры, которые находятся в пределах объема и сущности настоящего изобретения.

[00070] На фиг. 4 внешняя ячейка 201 содержит конденсаторы 212 и 214. На иллюстрации фиг. 4 конденсаторы 212 и 214 образуют звено 210 постоянного тока. В других вариантах осуществления конденсаторы 212 и 214 не обязательно должны быть выполнены с возможностью образования звена постоянного тока. Конденсаторы 212 и 214 являются по существу идентичными конденсаторам 261 и 263 внутренней ячейки 200 в качестве «плавающих» конденсаторов. Аналогичным образом силовые переключатели 238, 242, 244 и 246 внешней ячейки 291 являются по существу эквивалентными или идентичными силовым переключателям 228, 232, 234 и 236 внутренней ячейки 200.

[00071] На фиг. 4 переключающий элемент 205 является двунаправленным переключателем, который проводит двунаправленный ток и блокирует биполярное напряжение. Он может быть осуществлен в виде двух встречно соединенных однонаправленных силовых переключателей 234 и 236. Однако настоящее изобретение не ограничено этим конкретным осуществлением силового переключателя. В примере на фиг. 4 силовые переключатели 234 и 236 управляются с помощью управляющего устройства 140 для того, чтобы дать возможность электрическим токам, имеющим противоположные направления, протекать через них. Переключающие элементы 228 и 232 могут проводить двунаправленный ток и блокировать однополярное напряжение.

[00072] Одна из клемм 235 переключающего элемента 228 соединена с клеммой конденсаторного модуля 226 или, в частности, с клеммой плавающего конденсатора 261. Такое соединение позволяет клемме 235 работать в качестве первой входной клеммы каскадного включения. Другая клемма 225 переключающего элемента 228 работает в качестве первой выходной клеммы каскадного включения и может быть подключена к выходной клемме 260.

[00073] Одна клемма переключающего элемента 232 соединена с другой клеммой конденсаторного модуля 226, в частности, с одной клеммой плавающего конденсатора 263, давая возможность клемме 241 работать в качестве второй входной клеммы каскадного включения. Соединительная клемма 229 функционирует в качестве второй выходной клеммы каскадного включения и также может быть соединена с выходной клеммой 260.

[00074] Клемма 239 переключающего элемента 205 соединена с точкой подключения звена 226 постоянного тока и работает в качестве третьей входной клеммы каскадного включения. Другая клемма 227 переключающего элемента 205 работает в качестве третьей выходной клеммы каскадного включения и также может быть соединена с внешней клеммой 260.

[00075] В первом иллюстративном варианте входные клеммы 235, 239 и 241 каскадного включения могут быть соединены соответственно с тремя выходными клеммами каскадного включения другой NPP-ячейки (например, ячейки 201). В этом первом иллюстративном варианте ячейка 200 является внутренней ячейкой, а ячейка 201 является внешней, как отмечалось выше.

[00076] Во втором иллюстративном варианте выходные клеммы 225, 227 и 229 каскадного включения могут быть соединены соответственно с тремя входными клеммами каскадного включения другой ячейки. В этом втором варианте, однако, ячейка 200 работает как внешняя ячейка, а другая ячейка работает как внутренняя ячейка. Ячейка 201 может подобным образом работать как внутренняя ячейка. Вложение NPP-ячеек в схемах каскадирования дает возможность расширить число достижимых уровней выходного напряжения.

[00077] В процессе работы и управления внутренней ячейки 200, когда переключающий элемент активирован, из него выводится напряжение. Например, когда переключающий элемент 228 (ориентированный в том же направлении, что и переключающий элемент 232) активируется, клеммы 235 и 225 соединяются вместе. Когда переключающий элемент 205 активируется, клеммы 239 и 227 соединяются вместе. Аналогичным образом, когда переключающий элемент 232 активируется, клеммы 229 и 241 соединяются вместе.

[00078] В вариантах осуществления управление ячейкой достигается путем активирования и деактивирования переключающих элементов поочередно. Для целей иллюстрации компоненты внутри внутренней ячейки 200 имеют обозначение S-уровня, а компоненты внутри внешней ячейки 201 имеют обозначение Т-уровня. Переход от одного состояния переключения к следующему состоянию переключения в пределах соответствующих S и Т уровней осуществляется посредством координации управляющих сигналов 106, поступающих к каждой ячейке от управляющего устройства 140. [00079] В качестве примера каждый из управляющих сигналов 106 может представлять собой множество управляющих сигналов, посылаемых одновременно к драйверам для управления затвором в пределах индивидуальных силовых переключателей каждого переключающего элемента для всех силовых переключателей на конкретном уровне. Например, один сигнал на силовые переключатели в пределах переключающего элемента 228 (S1), другой сигнал на 232 (S4) и третий сигнал на переключающий элемент 205, содержащий силовые переключатели 236/234 (S2/S3). Кроме того, один сигнал на 238 (T1), другой сигнал на 242 (Т4) и третий сигнал на 244/246 (Т2/Т3).

[00080] Такое скоординированное сигнальное управление гарантирует то, что не более чем один переключающий элемент во внутренней ячейке 200 S-уровня находится во включенном состоянии в заданный момент времени. Аналогично, не более чем один переключающий элемент во внешней ячейке 201 Т-уровня находится во включенном состоянии в заданный момент времени.

[00081] Структуры с вложенными ячейками в пределах плеча 220 фазы в сочетании с использованием управляющего устройства 140 создают многоуровневые выходные напряжения более высокого качества электроэнергии и более высокой плотности мощности. Структуры таких вложенных ячеек могут быть повторены, причем каждая ячейка создает заранее заданное количество выходных сигналов для расширения числа уровней выходного напряжения.

[00082] Например, и в качестве расширения обсуждения, представленного выше в отношении фиг. 1А, внутренняя ячейка 200 может быть выполнена и управляться таким образом, чтобы создавать выходное напряжение, имеющее три уровня. Аналогичным образом внешняя ячейка 201 может быть выполнена и управляться таким образом, чтобы создавать выходное напряжение, имеющее три уровня. Уровень выходного напряжения плеча фазы с вложенными ячейками будет равен 2^* номер ячейки + 1, когда и внутренняя ячейка, и внешняя ячейка являются 3-уровневыми ячейками.

[00083] В иллюстративном примере на фиг. 4 внутренняя ячейка 200 и внешняя ячейка 201 создают 5-уровневые выходные напряжения. В частности, и только в качестве примера, а не ограничения, конденсаторы и переключающие элементы в пределах каждой из ячеек 200 и 201 структурированы таким образом, чтобы иметь шесть соединительных клемм. Соединительные клеммы структуры одной ячейки соединяются с соответствующими соединительными клеммами структуры другой ячейки.

[00084] Подобно устройству внутренней ячейки 200, внешняя NPP-ячейка 201 содержит переключающие элементы 238, 242 и 271. Переключающий элемент 238 имеет соединительную клемму 237 (например, внутреннюю) на одном конце и соединительную клемму 211 (например, внешнюю) на его другом конце. В качестве примера переключающий элемент 242 ориентирован в том же самом направлении, что и переключающий элемент 238. Переключающий элемент 242 имеет соединительную клемму 221 (внутреннюю) на одном конце и 215 (внешнюю) на его другом конце. Переключающий элемент 271 содержит силовые переключатели 244 и 246, которые соединены встречно-последовательно.

[00085] Кроме того, переключающий элемент 271 имеет соединительную клемму 219 (внутреннюю) на одном конце. Соединительная клемма (внешняя) переключающего элемента 271 соединена с соединительной клеммой 216, установленной между конденсаторами 212 и 214 конденсаторного модуля 210. Кроме того, концы конденсатора 212 соединены с двумя соединительными клеммами 211 и 216, соответственно. Аналогичным образом, два конца второго конденсатора 214 соединены с двумя соединительными клеммами 216 и 215, соответственно.

[00086] В качестве обзора, структуры вложенной NPP-ячейки формируются путем соединения вместе соединительных клемм 237 и 235, соединения вместе соединительных клемм 219 и 239 и соединения вместе соединительных клемм 241 и 221. В других вариантах осуществления аналогичные соединения могут быть произведены для формирования топологии преобразователя более высокого уровня путем соединения более трех шестиклеммных преобразовательных модулей.

[00087] На фиг. 4 соединительные клеммы 225, 227, 229 (т.е. внутренние клеммы) внутренней ячейки 200 соединены с портом 260 переменного тока для приема или передачи напряжения переменного тока. Кроме того, соединительная клемма 211 соединена с портом 202 постоянного тока посредством первой линии 206 постоянного тока. Соединительная клемма 215 соединена с портом 204 постоянного тока посредством линии 208 постоянного тока. Таким образом соединительные клеммы 211 и 215 выполнены с возможностью приема или передачи напряжений постоянного тока.

[00088] Фиг. 5А представляет иллюстративную схему уровней напряжения машины состояний для структуры с двумя вложенными ячейками (внутренняя ячейка 200 и внешняя ячейка 201). На фиг. 5А первая цифра внутри каждого овала 560 представляет состояние внешней ячейки 201. Вторая цифра внутри овала 560 представляет состояние внутренней ячейки 200. Как показано на фиг. 5А, например, два равно действительных состояния могут возникнуть для получения одних и тех же уровней выходного напряжения 1 и -1 соответственно, что проиллюстрировано более детально ниже со ссылкой на фиг. 5В и 5С.

[00089] Фиг. 5В является табличным представлением иллюстративных состояний переключения для управления структурами 200 и 201 внутренней и внешней ячеек на фиг. 5А и 5В, сформированных в плече 220 фазы на фиг. 4. Первое плечо 220 фазы может управляться для создания выходного напряжения, имеющего пять разных уровней 501 напряжения. Уровни 501 напряжения создаются путем селективного управления переключателями внешней ячейки 201 (переключатели Т-уровня) посредством состояний 502 переключения и переключателями внутренней ячейки 200 (переключатели S-уровня) посредством состояний 504 переключения.

[00090] Фиг. 5С является графическим представлением иллюстративных сигналов 512 и 514 синхронизации и формы 511 результирующего выходного сигнала напряжения. На фиг. 5С, например, сигналы 512 синхронизации представляют состояния 502 переключения (см. фиг. 5В) для компонентов (фиг. 3) внутри внешней ячейки 201. Аналогичным образом, сигналы 514 синхронизации представляют состояния 504 переключения для компонентов (фиг. 5В) внутри внутренней ячейки 200.

[00091] Последовательная подача сигналов 512 и 514 синхронизации на внешнюю и внутреннюю ячейки 201 и 200 создает выходное напряжение, имеющее множество уровней и выбираемую импульсную последовательность. В частности, импульсная последовательность выходного напряжения 511 может быть сходной с импульсной последовательностью синусоидальной формы. Форма сигнала 511 создается как многоуровневый выход первого плеча 220 фазы многофазного преобразователя 700 (или 122), изображенного на фиг. 5С. Другие импульсные последовательности сигналов не синусоидальной формы также достижимы и находятся в пределах объема и сущности настоящего изобретения.

[00092] В качестве примера, на иллюстративном изображении фиг. 5С сигналы 512 синхронизации подаются посредством соответствующих управляющих сигналов 325, 327, 329 и 331, как описано выше. Аналогичным образом, сигналы 514 синхронизации подаются посредством соответствующих управляющих сигналов 309, 315, 311 и 313. Управляющие сигналы, показанные на фиг. 5А и 5В, могут быть субсигналами управляющих сигналов 106, генерируемых единым управляющим устройством 140. Альтернативно, управляющие сигналы, показанные на фиг. 5А и 5В, могут генерироваться множеством управляющих устройств.

[00093] Фиг. 5D представляет форму сигнала 550 выходного напряжения многофазного преобразователя в соответствии с вариантами осуществления. Как показано на фиг. 5D, благодаря использованию преобразователя, имеющего структуру вложенной ячейки и множество плеч фаз, одно плечо фазы этого преобразователя может создать выходное напряжение, имеющее пять или более уровней, с формой, по существу напоминающей необходимую форму сигнала переменного тока.

[00094] В вариантах осуществления напряжение на плавающем конденсаторе поддерживается путем использования избыточных состояний переключения. В том виде, в каком это используется в настоящем документе, выражение «избыточные состояния переключения» означает, что тот же самый выходной сигнал заданного уровня может быть создан путем подачи сигналов переключения, имеющих различные комбинации состояний переключения, на множество силовых переключателей внутри преобразователя. Использование избыточных состояний переключения позволяет выбирать импульсную последовательность из индивидуальных импульсных сигналов таким образом, что достигаются дополнительные цели управления в дополнение к требуемым формам выходных сигналов. Такие дополнительные цели управления могут включать в себя: (а) регулирование напряжения на плавающем конденсаторе до заранее заданного значения; и (b) баланс теплового напряжения силовых переключателей в разных позициях переключения.

[00095] В иллюстративных вариантах осуществления выходное напряжение структур с вложенными ячейками зависит от уровня, до которого напряжение на плавающих конденсаторах, например, напряжение на плавающих конденсаторах 261/263, могут регулироваться при регулировании до заранее заданного уровня. В качестве примера, такое регулирование достигается за счет активного управления током, протекающим через плавающие конденсаторы, посредством использования избыточных состояний переключения для зарядки и разрядки плавающего конденсатора. Такие способы балансировки могут быть реализованы, например, как раскрыто в заявке на патент США, озаглавленной «Усовершенствованная схема и способ модуляции для системы преобразования энергии» («lmproved Modulation Scheme for Power Conversion System and Method», номер дела патентного поверенного 267333, зарегистрировано 24 октября 2013 г., содержимое которой включается полностью в настоящий документ путем ссылки.

[00096] В частности, фиг. 6А представляет путь протекания электрического тока первого каскада через плечо 600 фазы типичного преобразователя мощности, подобное плечу 220 фазы на фиг. 4, в соответствии с другим вариантом осуществления. Фиг. 6 В представляет путь протекания электрического тока второго каскада через плечо 600 фазы типичного преобразователя мощности на фиг. 6А.

[00097] В качестве предпосылки, конечное выходное напряжение структуры вложенной ячейки, например, вложенной структуры 220 на фиг. 4, является суммарной величиной напряжения на выходе внешней трехуровневой ячейки 201 и внутренней трехуровневой ячейки 200. Т.е. итоговое выходное напряжение представляет собой сумму состояний двух трехуровневых NPP-ячеек. Использование избыточных состояний переключения улучшает внутреннюю структуру вложенных ячеек для достижения дополнительных целей управления и функционирования, например, регулирования напряжения плавающего конденсатора и/или баланса теплового напряжения на силовых переключателях.

[00098] Например, в структуре 220 для формирования «1» как напряжения на выходе 260, выходной сигнал внешней ячейки 201 и внутренней ячейки 200 может быть «1» и «0», соответственно. Альтернативно, выходной сигнал может быть «0» и «1», создавая идентичный уровень выходного напряжения. Однако пути тока, протекающего к соответствующим плавающим конденсаторам, будут противоположными, побуждая один путь заряжать, а другой - разряжать плавающий конденсатор 602.

[00099] На фиг. 6А плавающий конденсатор 602 является конденсатором, с помощью которого необходимо иметь возможность регулировать его рабочие характеристики, например напряжение. Т.е., на фиг. 6А, когда уровень выходного напряжения «1» требуется на выходном порте 606, может быть выбран либо первый путь 604 электрического тока, либо второй путь 608 электрического тока. Благодаря избыточности состояний переключения для управления множеством силовых элементов, либо первый, либо второй пути 604 и 608 электрического тока (см. фиг. 6В) могут быть сформированы таким образом, что плавающий конденсатор 602 может заряжаться и/или разряжаться для регулирования напряжения на нем.

[00100] Например, информационные сигналы напряжения плавающего конденсатора, принимаемые контроллером 140' (описан ниже), могут указывать на то, что плавающий конденсатор 602 находится в режиме перенапряжения или имеет напряжение, превышающее заранее заданный уровень напряжения. В результате контроллер выполнен с возможностью генерирования индивидуальных импульсных сигналов, имеющих первую комбинацию состояний переключения, изображенную на фиг. 6В, чтобы дать возможность плавающему конденсатору 602 разрядиться.

[00101] Альтернативно, информационные сигналы напряжения плавающего конденсатора, полученные контроллером, могли бы указывать на то, что плавающий конденсатор 602 находится в режиме падения напряжения или имеет напряжение, меньшее чем заранее заданное значение. При этом генератор импульсных последовательностей выполнен с возможностью генерирования индивидуальных импульсных сигналов, имеющих вторую комбинацию состояний переключения, как показано на фиг. 6А, чтобы дать возможность плавающему конденсатору 602 разрядиться. Следовательно, напряжения на плавающем конденсаторе 602 и плавающем конденсаторе 610 могут динамически регулироваться в каждом цикле переключения.

[00102] Фиг. 7 представляет иллюстративную структурную схему многофазного преобразователя 700, образованного тремя отдельными плечами 220, 250 и 280 фаз в соответствии с вариантами осуществления. Плечо 220 фазы содержит отдельную 3-уровневую NPP-ячейку по фиг. 1А, выполненную в виде внутренней ячейки, охваченной внешней ячейкой 201. Каждое из плеч 220, 250 и 280 фаз представляет отдельную фазу (например, со сдвигом 120° друг от друга) многофазного преобразователя. Для целей иллюстрации и упрощения, фиг. 7 обсуждается в контексте преобразователя 700. Более подробные детали структур вложенных ячеек были представлены ранее, прежде всего при обсуждении фиг. 4 выше.

[00103] На фиг. 7 каждое из плеч 220, 250, 280 фаз соединяется между первой и второй линиями 206 и 208 постоянного тока для приема напряжения постоянного тока из звена 210 постоянного тока и выдачи выходного напряжения на соответствующих выходных портах 260, 265 и 285. Хотя подробное обсуждение ниже прежде всего касается первого плеча 220 фазы, обсуждение равным образом относится к плечам 250 и 280 фаз. По существу, детальное обсуждение плеч 250 и 280 фаз не будет представлено в настоящем документе.

[00104] Плечи 220, 250 и 280 фаз производят соответствующие напряжения первой, второй и третьей фазы переменного тока через выходные порты 260, 265 и 285, соответственно. В качестве примера напряжения первой, второй и третьей фазы переменного тока могут быть смещены друг относительно друга на 120 градусов.

[00105] Когда преобразователь 700 реализован в виде AC-DC преобразователя, выходные порты 260, 265 и 285 могут быть альтернативно выполнены как входные порты переменного тока для приема входных напряжений переменного тока. Аналогичным образом, первый и второй порты 202 и 204 могут быть выполнены как выходные порты постоянного тока для выдачи напряжений постоянного тока. Для DC-AC и DC-DC преобразований эти порты могут быть выполнены и соединены соответственно подобным образом.

[00106] Фиг. 8, например, представляет иллюстративную 7-уровневую вложенную NPP-структуру 800 в соответствии с альтернативным вариантом осуществления настоящего изобретения. Т.е., NPP-структура (например, плечо фазы) 800 способно выдавать 7-уровневое выходное напряжение. NPP-структура 800 в соответствии со структурами NPP-ячейки, описанными выше, включает в себя ячейки 200 и 201, описанные выше. Однако структура 800 также содержит третью ячейку - внешнюю ячейку 203. Следовательно, структура 800 содержит три базовых 3-уровневых NPP-ячейки с вложенной схемой расположения.

[00107] Фиг. 9 представляет структурную схему иллюстративной системы 900 преобразования энергии, в которой варианты осуществления настоящего изобретения могут быть реализованы на практике. В качестве примера, а не ограничения, система 900 представляет вложенную NPP-топологию. На фиг. 9 система 900 является многоуровневой системой преобразования для получения более высокого качества электроэнергии и плотности мощности. Система 900 содержит модуль 120 преобразования энергии, соединенный с управляющим устройством 140.

[00108] Иллюстративный модуль 120 преобразования энергии содержит первый преобразователь 122, устройство 124 звена постоянного тока/накопления энергии и второй преобразователь 700. В качестве только примера, первый преобразователь 122 конвертирует первую мощность 102 переменного тока от первого силового устройства, такого как источник 110 питания (например, электрическая сеть), в мощность 123 постоянного тока (например, напряжение постоянного тока). Преобразователи 122 и 700 могут содержать по меньшей мере одну базовую 3-уровневую NPP-ячейку, выполненную по вложенной топологии, как обсуждалось выше со ссылкой на фиг. 1А-2В.

[00109] Компонент звена постоянного тока в устройстве 124 может включать в себя один или более конденсаторов для фильтрации напряжения 123 постоянного тока, выходящего из первого преобразователя 122, для подачи отфильтрованного напряжения постоянного тока на второй преобразователь 700. В иллюстративном модуле 120 преобразования энергии второй преобразователь 700 преобразует отфильтрованное напряжение постоянного тока во второе напряжение 104 переменного тока (обсуждаемое более подробно ниже). Второе напряжение 104 переменного тока выводится на второе силовое устройство, такое как силовая нагрузка 130 (например, электродвигатель переменного тока).

[00110] В частности, система 900 преобразования энергии содержит по меньшей мере одну 3-уровневую NPP-ячейку, выполненную в виде вложенной структуры, которая обеспечивает более эффективное многоуровневое преобразование энергии для работы в применениях с высоким уровнем мощности, а также на низкой и переменой частоте. В примере на фиг. 9 электропитание 104 с фиксированной частотой (например, от 50 до 60 Гц переменного тока) преобразуется в электропитание 104 с переменной частотой. Электропитание 104 с переменной частотой подается на силовую нагрузку 130 (например, электродвигатель). Система 900 преобразования энергии может также содержать элемент накопления энергии внутри устройства 124 для накопления энергии постоянного тока, предоставляемого первым преобразователем 122.

[00111] Фиг. 10 представляет структурную схему 1000 управляющего устройства 140' и структуру 220 вложенной ячейки для осуществления способа избыточных состояний переключения, упомянутого выше. Система на фиг. 10 выполнена с возможностью балансирования напряжений на плавающих конденсаторах путем активного регулирования тока, протекающего через плавающие конденсаторы 261/263 конденсаторного модуля 226, посредством использования избыточных состояний переключения.

[00112] На фиг. 10 управляющее устройство 140' подобно управляющему устройству 140 на фиг. 1А и 9. Управляющее устройство 140', однако, обладает дополнительными функциональными возможностями для осуществления процесса избыточных состояний, описанного выше. [00113] Управляющее устройство 140' содержит модулятор 1002 высокого порядка, выполненный с возможностью генерирования начальных многоуровневых импульсных сигналов 1003 одним или более способами модуляции. Начальные многоуровневые импульсные сигналы 1003 не передаются непосредственно для управления вложенным плечом 220 фазы. Вместо этого, начальные многоуровневые импульсные сигналы 1003 используются для генерирования индивидуальных импульсных сигналов, которые в свою очередь используются для управления множеством переключающих элементов плеча 220 фазы.

[00114] Таким путем плечо 220 фазы может создавать выходные напряжение и/или ток, имеющий форму волны, соответствующую форме волны начальных многоуровневых импульсных сигналов 1003. Например, модулятор 1002 высокого порядка может быть выполнен с возможностью генерирования начальных многоуровневых импульсных сигналов 1003, имеющих пять, семь, девять, одиннадцать или более уровней, соответствующих выходу плеча 220 фазы.

[00115] В одном варианте осуществления модулятор 1002 выполнен с возможностью генерирования многоуровневых импульсных сигналов 1003 способом модуляции с множеством несущих, таким как, например, способ широтно-импульсной модуляции со сдвигом уровня (level-shifted pulse width modulation) (LSPWM). В других вариантах осуществления модулятор 1002 высокого порядка может быть выполнен с возможностью генерирования начальных многоуровневых импульсных сигналов 1003 с использованием других способов модуляции, хорошо известных в технике.

[00117] На фиг. 10 модулятор 1002 может принимать командный сигнал 106', поступающий от генератора 1004 командных сигналов. Командный сигнал 106' может представлять собой командный сигнал напряжения, имеющий форму, соответствующую форме необходимого напряжения. Например, командный сигнал 106' напряжения может иметь синусоидальную форму, соответствующую требуемому выходному напряжению переменного тока вложенной ячейки 220. Командный сигнал 106' может также представлять собой командный сигнал частоты, указывающий на необходимую выходную частоту.

[00118] В вариантах осуществления модулятор 1002 высокого порядка может также принимать сигналы 1008 с множеством несущих, поступающие от генератора 1006 сигналов несущей частоты. Например, генератор 1006 сигналов несущей частоты может генерировать сигналы с множеством несущих, причем каждый сигнал несущей частоты имеет специфическую форму сигнала (например, треугольную, пилообразную и т.д.). В случае LSPWM-способа сигналы 1008 несущей частоты сдвинуты относительно друг друга, чтобы установить диапазон линейной модуляции для командного сигнала 106'.

[00119] В иллюстративной системе на фиг. 10 напряжения (V_fC212, V_fC214, V_fc261 и V_fc263) на плавающих конденсаторах 261/263 могут быть получены непосредственно в реальном времени, с использованием одного или более датчиков напряжения (не показаны) совместно с плавающими конденсаторами. Эти напряжения в реальном времени подаются на контроллер 140' посредством информационных сигналов 1010 и 1012 напряжения. В других вариантах осуществления напряжения (V_fc212, V_fc214, V_fc261 и V_fc263) на плавающих конденсаторах могут быть получены косвенным образом путем вычисления или предварительной оценки. Генератор 1000 импульсов вырабатывает сигналы 1014 и 1016 управления первого и второго уровня соответственно для управления работой вложенных ячеек 200 и 201 с целью синтезирования необходимого выходного напряжения, одновременно достигая дополнительных целей управления, таких как регулирование напряжения на плавающих конденсаторах (V_fC212, V_fc214, V_fC261 и V_fC263) и/или баланс теплового напряжения силовых переключателей.

[00120] Во вложенной структуре на фиг. 10, когда необходимо получить некоторое количество уровней выходного напряжения, таких как уровни 501 напряжения на фиг. 5С, может быть применен способ избыточных состояний переключения, обсужденный выше. Например, благодаря избыточности состояний переключения для управления силовыми переключателями в границах внутренней ячейки 200 и внешней ячейки 201 может быть сформировано множество путей тока. Эти пути тока позволяют току протекать через выбранные прерыватели цепи таким образом, что плавающий конденсатор 261/263 может быть заряжен и/или разряжен для поддержания напряжения на заранее заданных уровнях. Такое действие может произойти в рамках принципов работы переключающих устройств S-уровня и Т-уровня, обсужденных выше, например, в отношении фиг. 5А и 5В.

[00121] Фиг. 11 представляет блок-схему иллюстративного способа 1100 использования на практике варианта осуществления настоящего изобретения. На фиг. 11 предлагается способ 1100 управления выходным сигналом системы преобразования энергии, содержащей две или более ячеек. Каждая из двух или более ячеек содержит множество переключающих элементов, где по меньшей мере одна из ячеек является 3-уровневой NPP-ячейкой.

[00122] Для облегчения описания один или более шагов или операций, включенных в способ 1100, сгруппированы в блоки. Тем не менее, обычному специалисту в данной области техники будет понятно, что операции, описанные в каждом блоке, могут быть выполнены независимо, последовательно или асинхронно в пределах сущности и объема настоящего изобретения.

[00123] Способ 1100 содержит первый блок 1102, который предусматривает последовательное управление каждым из множества переключающих элементов в первой из ячеек с помощью первых управляющих сигналов, причем шаг последовательного управления является ответным на первое состояние переключения. Способ 1100 дополнительно включает в себя второй блок 1104, предусматривающий последовательное управление каждым из множества переключающих элементов во второй ячейке с помощью вторых управляющих сигналов, причем управление второй ячейкой является ответным на второе состояние переключения. Способ 1100 дополнительно включает блок 1106, когда один из переключающих элементов первой или второй ячеек является включенным, все остальные переключающие элементы в пределах соответствующей ячейки являются выключенными.

[00124] Фиг. 12 представляет структурную схему иллюстративной компьютерной системы 1200, на которой могут быть реализованы аспекты настоящего изобретения. Компьютерная система 1200 содержит один или более процессоров, например процессор 1204. Процессор 1204 может быть процессором общего назначения, таким как центральный процессор (central processing unit) (CPU), или специализированным процессором, таким как графический процессор (graphics processor unit) (GPU). Процессор 1204 соединен с коммуникационной инфраструктурой 1205 (например, каналом связи, соединительной шиной или сетью). Описываются различные варианты осуществления программного обеспечения с опорой на эту иллюстративную компьютерную систему. После прочтения этого описания специалисту в данной (-ых) области (-ях) техники будет очевидно, как внедрять изобретение, используя другие компьютерные системы и/или архитектуры.

[00125] Компьютерная система 1200 может содержать графическую систему 1202 обработки, которая выполняет задачи моделирования физической среды и обработки графических данных для передачи изображений на соответствующий дисплей 1230. Компьютерная система 1200 также содержит основную память 1208, предпочтительно оперативное запоминающее устройство (random access memory) (RAM), и может также содержать вспомогательную память 1210.

[00126] Вспомогательная память 1210 может включать в себя, например, жесткий диск 1212 и/или съемный накопитель 1214, представляющий собой дисковод для гибких дисков, накопитель на магнитной ленте, оптический дисковод и т.п. Съемный накопитель 1214 считывает со съемного запоминающего устройства 1218 или/и записывает на него. Съемное запоминающее устройство 1218 представляет собой накопитель универсальной последовательной шины (universal serial bus) (USB), флэш-накопитель, магнитную ленту, оптический диск и т.п., которое считывается съемным накопителем 1214 и записывается на него. Следует понимать, что съемное запоминающее устройство 1218 представляет собой используемую компьютером среду для хранения информации, имеющую записанные на ней компьютерное программное обеспечение и/или данные.

[00127] В альтернативных вариантах осуществления вторичная память 1210 может представлять собой другие подобные устройства, которые позволяют загружать компьютерные программы или другие инструкции в компьютерную систему 1200. Такие устройства могут включать в себя, например, съемное запоминающее устройство 1222 и интерфейс 1220. Примерами этого могут служить программный картридж и интерфейс картриджа, съемный чип памяти (такой как стираемое программируемое постоянное запоминающее устройство (erasable programmable read only memory) (EPROM) или программируемое постоянное запоминающее устройство (programmable read only memory) (PROM)) и соответствующее гнездо, а также другие съемные запоминающие устройства 1222 и интерфейсы 1220, которые позволяют передавать программное обеспечение и данные из съемного запоминающего устройства 1222 в компьютерную систему 1200.

[00128] Компьютерная система 1200 может также содержать интерфейс 1224 связи. Интерфейс 1224 связи позволяет передавать программное обеспечение и данные между компьютерной системой 1200 и внешними устройствами. Примерами интерфейса 1224 связи могут быть модем, сетевой интерфейс (такой как коммуникационная плата сети Ethernet), коммуникационный порт, слот и карта Международной ассоциации по картам памяти для персональных компьютеров (Personal Computer Memory Card International Association) (PCMCIA) и т.д.

[00129] Программное обеспечение и данные, передаваемые через интерфейс 1224 связи, представлены в форме сигналов 1228, которые могут быть электронными, электромагнитными, оптическими или другими сигналами, которые могут быть получены с помощью интерфейса 1224 связи. Эти сигналы 1228 подаются на интерфейс 1224 связи по коммуникационному тракту (например, каналу) 1226. Этот канал 1226 проводит сигналы 1228 и может быть реализован с использованием провода или кабеля, оптического волокна, телефонной линии, линии сотовой связи, линии передачи ВЧ-диапазона и других каналов связи.

[00130] В настоящем документе термины «компьютерный программный носитель» и «используемый компьютером носитель» используются, как правило, для обозначения носителя, такого как съемный накопитель 1214, жесткий диск, установленный в накопителе 1212 для жестких дисков, и сигналы 1228. Эти компьютерные программные продукты предоставляют программное обеспечение для компьютерной системы 1200.

[00131] Компьютерные программы (также обозначаемые как компьютерная управляющая логика) хранятся в основной памяти 1208 и/или вспомогательной памяти 1210. Компьютерные программы могут быть получены по интерфейсу 1224 связи. Такие компьютерные программы при выполнении позволяют компьютерной системе 1200 реализовать признаки настоящего изобретения, как обсуждалось в настоящем документе. Соответственно, такие компьютерные программы представляют контроллеры компьютерной системы 1200.

[00132] В варианте осуществления, в котором изобретение реализуется с использованием программного обеспечения, это программное обеспечение может сохраняться в компьютерном программном продукте и загружаться в компьютерную систему 1200 с помощью съемного носителя 1214, накопителя 1212 на жестких дисках или интерфейса 1224 связи. Управляющая логика (программное обеспечение) при выполнении процессором 1204 побуждает процессор 1204 выполнять функции изобретения, как описано в настоящем документе.

Заключение

[00133] Альтернативные варианты осуществления, примеры и модификации, которые будут по-прежнему охватываться идеями изобретения, представленными в настоящем документе, могут быть осуществлены специалистами в данной области техники, особенно в свете предшествующего подробного описания. Кроме того, следует понимать, что терминология, используемая в настоящем документе, предназначена для обозначения сути слов и описания, а не для ограничения.

[00134] Специалистам в данной области техники будет понятно, что различные варианты и модификации предпочтительных и альтернативных вариантов осуществления, описанных выше, могут быть выполнены в пределах объема и сущности изобретения. Следовательно, следует понимать, что в объеме прилагаемой формулы изобретения это изобретение может быть осуществлено на практике иным образом, чем описано конкретно в настоящем документе.

1. Устройство для преобразования энергии, содержащее: ячейку, включающую:

первую, вторую, третью, четвертую, пятую и шестую соединительные клеммы;

по меньшей мере один конденсатор, включенный между первой и третьей соединительными клеммами, и по меньшей мере один конденсатор, включенный между второй и третьей соединительными клеммами, при этом упомянутые конденсаторы образуют конденсаторный модуль; и

множество переключающих элементов, включающее первый переключающий элемент, включенный между первой и четвертой соединительными клеммами, второй переключающий элемент, включенный между второй и пятой соединительными клеммами, и третий переключающий элемент, включенный между третьей и шестой соединительными клеммами;

при этом переключающие элементы конфигурированы для взаимоисключающей работы с помощью управляющего устройства; и

(a) первая, вторая и третья соединительные клеммы выполнены с возможностью соединения с соединительными клеммами внешней ячейки устройства для преобразования энергии, а четвертая, пятая и шестая соединительные клеммы соединены между собой и с линией переменного тока,

или

(b) первая, вторая и третья соединительные клеммы выполнены с возможностью соединения с соединительными клеммами внешней ячейки устройства для преобразования энергии и третья, четвертая и пятая соединительные клеммы выполнены с возможностью соединения с соединительными клеммами внутренней ячейки устройства для преобразования энергии,

или

(c) первая и вторая соединительные клеммы выполнены с возможностью соединения соответственно с первой и второй линиями постоянного тока устройства для преобразования энергии, а четвертая, пятая и шестая соединительные клеммы выполнены с возможностью соединения с соединительными клеммами внутренней ячейки устройства для преобразования энергии.

2. Устройство по п. 1, в котором упомянутые конденсаторы конденсаторного модуля являются плавающими конденсаторами.

3. Устройство по п. 1, в котором упомянутые конденсаторы конденсаторного модуля являются конденсаторами звена постоянного тока.

4. Устройство по п. 1, в котором работа множества переключающих элементов является по существу не перекрывающейся.

5. Устройство по п. 1, которое формирует структуру первой ячейки, и эта структура первой ячейки выполнена с возможностью вложения в структуру второй ячейки.

6. Устройство по п. 5, в котором компоненты внутри структуры второй ячейки по существу идентичны компонентам внутри структуры первой ячейки.

7. Устройство по п. 6, в котором первая и вторая ячейки формируют вложенную структуру.

8. Устройство по п. 7, в котором структуры первой и второй ячеек выполнены с возможностью совместного создания многоуровневого выходного сигнала.

9. Устройство по п. 8, в котором многоуровневый выходной сигнал имеет три или более уровней.

10. Устройство по п. 1, в котором по меньшей мере один из множества переключающих элементов сформирован из двух или более силовых переключателей, которые соединены последовательно.

11. Устройство по п. 10, в котором последовательно соединенные силовые переключатели обеспечивают отказоустойчивую работу.

12. Устройство по п. 1, в котором упомянутый третий переключающий элемент является двунаправленным переключателем.

13. Устройство по п. 12, в котором упомянутый двунаправленный переключатель выполнен с возможностью проведения двунаправленного тока и блокирования биполярного напряжения.

14. Устройство по п. 1, в котором по меньшей мере один из переключающих элементов (i) сформирован из одного или более силовых переключателей; и (ii) становится активным только тогда, когда все из одного или более силовых переключателей являются активными.

15. Устройство по п. 14, в котором (i) до того, как какой-либо конкретный один из переключающих элементов становится активным, один или более силовых переключателей другого переключающего элемента становится активным; и (ii) после того, как какой-либо конкретный один из переключающих элементов становится активным, другой один из одного или более силовых переключателей другого переключающего элемента становится активным.

16. Устройство по п. 15, в котором упомянутый другой переключающий элемент становится активным, когда все силовые переключатели являются активными.

17. Устройство по п. 1, которое формирует структуру первой ячейки, выполненную с возможностью вложения в структуру второй ячейки; и

структура первой ячейки отличается от структуры второй ячейки.

18. Устройство по п. 1, в котором управляющее устройство выполнено с возможностью последовательного управления множеством переключающих элементов посредством управляющих сигналов, и

управляющее устройство управляет напряжением на конденсаторном модуле.