一种用于多电平T型变换器的容错拓扑结构

摘要

容错电力变换的系统和方法包括具有多个逆变器相位支路的逆变器。每个相位支路包括正开关、负开关和双向中点开关。冗余相位支路包括被连接在正开关与双向中点开关之间的正冗余开关。冗余相位支路包括被连接在负开关和双向中点开关之间的负冗余开关。在检测到多个逆变相位支路中的至少一个开关中的故障状况时，将正冗余开关和负冗余开关中的一个闭合，以绕过具有故障状况的至少一个开关，以维持电力变换器的操作。

权利要求

1.一种电力变换系统，包括：

逆变器，其具有多个逆变器相位支路，每个相位支路包括正开关、负开关和双向中点开关；

冗余相位支路，其包括正冗余开关和负冗余开关，所述正冗余开关被串联连接到所述双向中点开关并通过所述双向中点开关与所述正开关并联，并且所述负冗余开关与所述双向中点开关串联连接并通过所述双向中点开关与所述负开关并联；

微控制器和栅极驱动器，所述栅极驱动器可操作地连接到所述多个逆变器相位支路的开关以及所述冗余相位支路的开关，其中，所述微控制器使用准零电压切换(ZVS)策略以将开关损耗从所述正开关和所述负开关转移到所述正冗余开关和所述负冗余开关，或使用准零电流切换(ZCS)策略以将开关损耗从所述双向中点开关转移到所述正冗余开关和所述负冗余开关，其中，在检测到所述多个逆变器相位支路中的至少一个开关中的故障状况时，将所述正冗余开关和所述负冗余开关中的一个闭合，以绕过具有故障状况的所述至少一个开关并且保持所述电力变换系统的操作。

2.根据权利要求1所述的电力变换系统，还包括：栅极驱动器电路，其被可操作地连接在所述微控制器与所述多个逆变器相位支路的开关以及所述冗余相位支路的开关之间，其中所述栅极驱动器电路从所述微控制器接收脉宽调制控制信号并将栅极控制信号发送到相应的开关。

3.根据权利要求1所述的电力变换系统，还包括：多个电流换能器，所述多个电流换能器中的电流换能器每个都与所述多个逆变器相位支路中的每个支路相关联，所述多个电流换能器被通信地连接到所述微控制器以向所述微控制器提供电流测量信号，其中所述微控制器识别所述逆变器中的故障状况，并且至少从所述电流测量信号确定识别出的故障的开关位置。

4.根据权利要求3所述的电力变换系统，还包括：

正电容器和负电容器，被串联连接在正端子与负端子之间以限定DC总线中点；

正电压换能器，被连接在所述正端子与所述DC总线中点之间；以及负电压换能器，被连接在所述负端子与所述DC总线中点之间；

其中所述正电压换能器和所述负电压换能器被通信地连接到所述微控制器，以向所述微控制器提供电压测量信号，所述电压测量信号被所述微控制器用于识别故障状况并确定识别出的故障状况的开关位置。

5.根据权利要求1所述的电力变换系统，还包括：

三相电机，其被连接到所述逆变器，其中所述多个逆变器相位支路包括三个逆变器相位支路。

6.根据权利要求1所述的电力变换系统，还包括：

DC总线，其包括DC总线中点；并且

所述冗余相位支路还包括冗余中点开关，其被连接在所述DC总线中点与正冗余开关以及负冗余开关之间，以用于定义冗余中点。

7.根据权利要求6所述的电力变换系统，其中，所述逆变器相位支路的所述双向中点开关被连接到所述冗余中点。

8.根据权利要求7所述的电力变换系统，其中，在检测到所述逆变器的开关中的故障时，所述微控制器将所述冗余中点开关操作到断开状态。

9.根据权利要求8所述的电力变换系统，其中，在检测到正开关中的故障时，所述微控制器操作处于闭合状态的所述正冗余开关和处于闭合位置的所述双向中点开关以将正电压提供给具有故障状况的相位支路。

10.根据权利要求8所述的电力变换系统，其中，在检测到双向中点开关中的故障时，所述微控制器将具有故障状况的相位支路的所述正开关或所述负开关操作为闭合状态，以将电压提供给具有故障状况的相关相位支路。

11.根据权利要求1所述的电力变换系统，其中，在将所述正开关和所述负开关操作到闭合配置之前，所述微控制器将所述正冗余开关、所述负冗余开关和所述双向中点开关操作到闭合配置，并且在将所述正冗余开关、所述负冗余开关和所述双向中点开关操作到断开配置之前，所述微控制器将所述正开关和所述负开关操作到断开配置。

12.根据权利要求1所述的电力变换系统，其中，所述逆变器是中性点钳位(NPC)电力变换器、T型NPC电力变换器或有源NPC电力变换器中的至少一种。

13.根据权利要求1所述的电力变换系统，其中，每个所述双向中点开关都包括一对串联的相反取向的开关。

14.根据权利要求1所述的电力变换系统，其中，每个所述开关包括二极管以及固态开关，所述固态开关包括绝缘栅双极晶体管(IGBT)和金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)中的至少一个。

15.根据权利要求1所述的电力变换系统，其中，所述正冗余开关和所述负冗余开关为金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。

16.一种T型电力变换器的容错操作方法，包括：

提供T型电力变换器，所述T型电力变换器包括：

DC总线，其包括DC总线中点以及被可操作地连接到所述DC总线的三个逆变器相位支路，每个相位支路包括正开关、负开关和双向中点开关；

冗余相位支路，其包括正冗余开关和负冗余开关以及被连接在所述DC总线中点与所述冗余中点之间的双向中点冗余开关，所述正冗余开关和所述负冗余开关通过冗余中点与所述双向中点开关串联连接，所述正冗余开关通过所述双向中点开关与所述正开关并联连接，所述负冗余开关通过所述双向中点开关与所述负开关并联连接；

利用微控制器监视所述T型电力变换器内的至少一个电流；

基于所述至少一个电流来识别所述T型电力变换器中的故障状况；

基于所述至少一个电流来确定所述故障状况的开关位置；

在检测到所述故障状况时，将所述双向中点冗余开关切换到断开状态，并且将所述正冗余开关中的至少一个以及所述负冗余开关中的一个操作到闭合状态以绕过所述故障状况的开关位置；并且保持所述T型电力变换器的操作。

17.根据权利要求16所述的方法，其中，所述开关位置是初始三个逆变器相位支路的逆变器相位支路中的一个的正开关，并且还包括：操作处于闭合状态的所述正冗余开关；

操作处于闭合状态的所述逆变器相位支路的所述双向中点开关；

操作处于断开状态的所述中点冗余开关；并且

通过所述正冗余开关和所述双向中点开关将正电压提供给所述逆变器相位支路。

18.根据权利要求16所述的方法，其中，所述开关位置是初始三个逆变器相位支路的逆变器相位支路中的一个的双向中点开关，并且还包括：操作处于断开状态的所述正冗余开关；

操作处于断开状态的所述逆变器相位支路的所述双向中点开关；

操作处于断开状态的所述中点冗余开关；

操作处于闭合状态的所述正开关；并且

通过所述正开关将正电压提供给所述逆变器相位支路。

说明书

一种用于多电平T型变换器的容错拓扑结构

[0001] 相关申请的交叉引用

[0002] 本申请要求于2015年11月13日提交的美国临时专利申请No.62/255,075的优先权，所述申请的内容在此通过引用整体并入本文。

[0003] 关于联邦的声明

[0004] 赞助的研究或开发

[0005] 本发明是在美国国家科学基金会(NSF)授予的NSF-GOALI基金No.1028348的政府支持下进行的。政府对本发明享有一定的权利。

背景技术

[0006] 本发明的领域涉及电力变换器(power converter)的拓扑结构。特别地，本发明的领域涉及用于多电平T型电力变换器的容错拓扑结构。

[0007] 电力变换器是所有固态电力变换系统中最基本的功能单元，并且因此其容错能力在系统的可靠性中起着关键作用。在多电平电力变换器中，T型中性点钳位(NPC)变换器在工业应用中被认为是非常有前途的高性能多电平逆变器品种，因为相比于常规的I型NPC逆变器，其所使用的开关设备数量相对较少且效率较高。

[0008] 像其他类型的多电平变换器一样，T型NPC逆变器不免除受开关设备故障影响，例如绝缘栅双极型晶体管(IGBT)开路或短路故障。当这些逆变器被应用于诸如电动车辆(EV)、混合动力电动车辆(HEV)、不间断电源(UPS)、太阳能逆变器等安全关键性应用时，如果不提供容错解决方案，则此类开关设备故障可能导致灾难性系统故障。虽然T型NPC逆变器由于其独特的拓扑结构而具有一定的固有容错能力，但在容错操作期间，输出电压和线性操作范围将显着降低，这在其中额定电压为严格要求的一些应用(例如UPS、EV等)中是不允许的。因此，改进具有令人满意的容错特性的逆变器拓扑结构对于在故障条件下保证额定输出电压具有重要意义。

[0009] 针对T型NPC逆变器的容错操作的现有解决方案主要通过并联一个或三个冗余逆变器支路(leg)来实现。这确保了在逆变器故障状态下的额定电压输出，但是由于采用了多得多额外的半导体设备，所以系统成本更高而效率降低。相反，现有容错拓扑结构中的冗余半导体设备中的大多数在电路中是闲置的，在健康状况下不会对系统性能改善做出贡献。由于额外的切换和导通损耗，这会降低系统效率。

[0010] 改善T型NPC变换器的容错能力的另一个先前尝试使用软件控制策略，通过使用T型变换器的有限固有容错能力。这种容错解决方案的缺点是故障后操作期间的输出电压降低。

发明内容

[0011] 电力变换系统的示例性实施例包括具有多个逆变器相位支路的逆变器。逆变器的每个相位支路包括正开关以及负开关和双向中点开关。冗余相位支路包括正冗余开关和负冗余开关。正冗余开关与双向中点开关串联连接，并通过双向中点开关与正开关并联。负冗余开关与双向中点开关串联连接，并通过双向中点开关与负开关并联。在检测到所述多个逆变相位支路中的至少一个开关中的故障状况时，将所述正冗余开关和所述负冗余开关中的一个闭合，以绕过(bypass)具有故障状况的所述至少一个开关并且保持所述电力变换系统的操作。

[0012] T型电力变换器的容错操作的方法的示例性实施例包括提供T型电力变换器。T型电力变换器包括DC总线，该DC总线还包括DC总线中点以及可操作地连接到DC总线的三个逆变器相位支路。每个相位支路包括正开关、负开关和双向中点开关。冗余相位支路包括正冗余开关和负冗余开关。正冗余开关和负冗余开关通过冗余中点与双向中点开关串联连接。正冗余开关通过双向中点开关与正开关并联连接。负冗余开关通过双向中点开关与负开关并联连接。中点冗余开关被连接在DC总线中点与冗余中点之间。利用微控制器监视T型电力变换器内的至少一个电流。基于该至少一个电流来识别T型电力变换器中的故障状况。基于至少一个电流来确定故障状况的开关位置。在检测到故障状况时，双向中点冗余开关被切换到断开状态。正冗余开关和负冗余开关中的至少一个被切换到闭合状态以绕过故障开关。T型电力变换器的操作保持不变。

附图说明

[0013] 图1是容错三相电力系统的示例性实施例的示意图。

[0014] 图2是描绘在开关Sa1中的示例性开路故障期间容错T型NPC逆变器的实施例中的电流的示意图。

[0015] 图3是描绘在开关Sa3中的示例性开路故障期间容错T型NPC逆变器的实施例中的电流的示意图。

[0016] 图4是描绘容错T型NPC逆变器的另一个示例性实施例的示意图。

[0017] 图5是描绘在提供热过载能力的示例性操作期间容错T型NPC逆变器的实施例中的电流的示意图。

[0018] 图6A和6B是示例性地描绘在使用和不使用热过载能力的情况下电路的结温曲线的比较的图。

[0019] 图7是示例性的准ZVS切换序列的时序图。

[0020] 图8是示例性地描绘在开关S1与Sa1之间的负载电流共享的图。

具体实施方式

[0021] 所公开的主题还可以利用以下定义的术语来描述。

[0022] 除非上下文另有规定或指示，否则术语“一”、“一个”以及“该”意味着“一个或多个”。

[0023] 如本文所使用的，“大约”、“近似”、“基本上”以及“显着地”将被本领域普通技术人员理解并且将在某种程度上根据其被使用的上下文而变化。如果考虑到术语被使用的上下文，存在对于本领域的普通技术人员来说是不清楚的术语的使用，则“约”和“近似”将意味着加或减≤10％的特定术语，并且“基本上”和“显着地”将表示加或减>10％的特定术语。

[0024] 如本文所使用的，术语“包括(include)”和“包括(including)”具有与术语“包含(comprise)”和“包含(comprising)”相同的含义。术语“包含”和“包含”应被解释为“开放的”过渡术语，其允许权利要求中列举的那些组件进一步包括额外组件。术语“由......构成(consist)”和“由...构成(consisting of)”应该被解释为“封闭的”过渡术语，其不允许包括除了权利要求中所列举的组件之外的其他组件。术语“基本上由...构成”应该被解释为部分封闭的，并且允许仅包括不会从根本上改变所要求保护的主题的性质的额外组件。

[0025] 图1是容错三相电力系统10的示例性实施例的示意图。系统10包括容错逆变器12。更具体地说，容错逆变器12包括两部分，即多电平T型NPC逆变器14和冗余相位支路(phase leg)16。容错逆变器12的这些部分如本文所公开那样操作以向被连接到示例性三相位支路(相位支路A 20、相位支路B 22和相位支路C 24)中的每一个的三相电机18提供电力。如本文将进一步详细描述的，容错逆变器12包括多个开关。

[0026] 容错逆变器12被连接到微控制器26，其接收来自T型NPC逆变器14的故障检测输入28和来自冗余相位支路16的故障检测输入30。如本文将进一步详细描述的，故障检测输入可以包括容错逆变器12内的测量出的电压和/或电流，如本文进一步详细描述的，其被微控制器26用于操作开关。

[0027] 微控制器26将控制信号(示例性地脉宽调制(PWM)控制信号)提供给栅极驱动器电路32。栅极驱动器电路(gate driver circuit)32转而将栅极信号(gate signal)34提供给T型NPC逆变器14的开关，并且将栅极信号36提供给给冗余相位支路16的开关。每个开关可以被体现为绝缘栅双极型晶体管(IGBT)或者被实施为金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。如本文进一步详细描述的，开关基于断开和闭合状态之间的栅极信号进行操作。

[0028] 在示例性实施例中，系统10操作以将来自电源38的三相电力提供给三相电机18。在示例性实施例中，该系统可以以20kHz操作开关，但这仅仅是示例性实施例中的切换(switching)可能发生的示例性频率。如本文所描绘的T型NPC逆变器14示例性地提供简单且高效的电力变换器，特别是在较低的操作电压下。因此，T型NPC逆变器14的实施例示例性地与不间断电源、太阳能系统和混合动力车辆一起使用。

[0029] 电源38包括DC总线40。DC总线40提供正端子42、负端子44和DC总线中点端子46。T型NPC逆变器14包括三条支路，分别表示位于放置在相位支路A20上的输出端子A处、放置在相位支路B22上的输出端子B处以及放置在相位支路C24上的输出端子C处的输出。T型NPC逆变器14包括正开关48Sx1。在本说明书中，“x”是指表示开关所连接到的适当相位支路的a、b、c中的任一个。正开关48(Sx1)将相应的相位支路输出端子连接到正端子42。双向中点开关50(Sx2和Sx3)将相应的相位支路输出端子连接到DC总线中点端子46。在示例性实施例中，双向中点开关50(Sx2和Sx3)是串联连接的一对相反取向的IGBT开关，而在替代实施例中，这种双向开关可以是诸如RB-IGBT的集成模块化开关。负开关52(Sx4)将相应的相位支路输出端子连接到负端子44。通过选择性地操作这些开关，可以由微控制器26控制在相位支路中的每个中提供的电力。

[0030] 然而，将认识到，在上述拓扑结构中的一个或多个开关出现短路或开路故障的情况下，逆变器14将失去功能，导致逆变器的低效操作或完全故障。如本文所公开的系统的实施例提供容错，以在各种开关中的各种检测到的故障下提供替代操作或维持部分操作。这可以使得能够在故障可以被修复或处理之前在故障状况下继续系统操作。

[0031] 该系统通过并入和控制被连接在DC总线40与T型NPC逆变器14之间的冗余相位支路16来实现所公开的容错。冗余相位支路16示例性地包括正冗余开关54(S1)、双向中点冗余开关56(S2，S3)和负冗余开关58(S4)。冗余正开关54将正端子42连接到冗余中点60。冗余负开关58将负端子44连接到冗余中点60。双向中点冗余开关54将DC总线中点46连接到冗余中点60。将认识到，当双向中点冗余开关54处于闭合配置时，则DC总线中点46和冗余中点60将是等效的。在正常操作期间(没有任何检测到的故障)，系统在正冗余开关54和负冗余开关58断开并且中点冗余开关56闭合的情况下操作，使得冗余相位支路16对于逆变器14不可见。

[0032] 在实施例中，系统10可采用各种故障检测解决方案中的任一种来检测和识别一个或多个开关中的故障。在一个示例性实施例中，电流换能器62位于输出端子A、B、C以及DC总线中点46或冗余中点60处。此外，电压换能器64可以位于正端子42和/或负端子44与DC总线中点46之间。正如基于本公开本领域普通技术人员将认识到的这些或其他换能器产生由微控制器26接收的故障检测输入28、30。基于故障检测输入，微控制器能够检测开关故障并识别正在发生的开关和故障类型(开路或短路)。

[0033] 示例

[0034] 本文将通过用于减轻如可以由微控制器检测到和识别出的各种示例性故障的系统操作的实施例的多个示例，来进一步详细地描述系统10的操作。以下示例是说明性的，并非旨在限制所要求保护的主题的范围。

[0035] 考虑到T型NPC逆变器的电路对称性，在四种示例性故障情况中表示了所有开关故障的情况。将认识到，虽然在本文讨论的示例性实施例中仅讨论了A相位支路中的故障，但类似的容错操作适用于任何其他相位支路。因此将认识到，为了公开的目的，例如，开关Sa1和Sx1(其中x＝a、b或c)是可互换的。此外，为了简单和简洁，假设逆变器中仅发生单个设备故障。虽然将认识到，在一些实施例中，可以如本文所公开的那样同时解决多个开关故障。如本文所公开的其他实施例仍也适用于相关的续流(free-wheeling)二极管故障。

[0036] 情况I：IGBT Sa1中的开路故障

[0037] 图2是描绘在开关Sa1中的示例性开路故障期间容错T型NPC逆变器的实施例中的电流(current flow)66的示意图。一旦IGBT Sa1发生开路故障，T型逆变器的A相位支路将不能产生正电压。该故障由微控制器26示例性地识别，并且微控制器26通过栅极驱动器电路32提供控制信号以闭合正冗余开关54并且闭合双向中点开关50(Sa2，Sa3)。在这种操作中，IGBT Sa1(现在具有开路故障)操作上由来自冗余相位支路16的正冗余开关54(S1)和中点开关50(Sa2，Sa3)替代。冗余支路上的其他IGBT被保持在断开(关闭)状态。如在图2中看到的，电流62通过正冗余开关S1和中点开关50Sa2将所需的正电压提供给输出端子A。如可以看出的，在这种容错操作期间，三相逆变器仍然可以输出额定电压，但将被操作为两电平逆变器。将认识到，类似的容错解决方案可以被应用于其他IGBT Sx1(其中x＝b或c)和Sx4(用于负电压)(其中x＝a、b或c)中的开路故障。

[0038] 情况II：IGBT Sa1中的短路故障

[0039] 通常，如果没有快速保护动作可用(通常保护速度应该在10μs内)，则IGBT模块中的短路故障模式由于大的短路电流以及IGBT接合线或焊接点中的快速累积的热耗散而以开路模式结束。当在IGBT Sa1(或Sx1或Sx4)中示例性地发生短路故障时，假设大的短路电流将通过熔化接合线或破坏IGBT封装中的焊接点来将短路故障转变为开路故障，则这种故障情形下的容错解决方案将与情况I中解释的开路故障的容错解决方案相同。

[0040] 情况III：IGBT Sa2中的开路故障

[0041] 图3是描绘在开关Sa2中的示例性开路故障期间容错T型NPC逆变器的实施例中的电流66的示意图。如果在IGBT Sa2中发生开路故障，则开路故障将消除对访问DC总线冗余中点60的双向中点开关50的使用，以用于故障相。一旦微控制器26检测到该故障，微控制器就通过栅极驱动器电路32提供控制信号，以通过仅使用Sx1和Sx4进行容错操作而将逆变器14作为两电平逆变器来操作。如图3中所描绘的，微控制器26通过关断(开路状态)冗余相位支路16上的所有开关以这种方式来操作电路，并且所有双向中点开关50(Sx2和Sx3)将被切断。在故障后操作中，额定和最大电压输出不存在降额，但与在三电平调制下的谐波失真相比，在两电平调制下谐波失真将更高。将会认识到，类似的容错解决方案可以被应用于双向中点开关50中的其他IGBT Sx2/Sx3中的开路故障。

[0042] 情况IV：IGBT Sa2中的短路故障

[0043] 如果发生IGBT Sa2中的示例性短路故障，则在识别并确定故障时，由于反向阻断能力的丧失，微控制器26操作互补开关(complimentary switch)Sa3被切断。在互补开关Sa3被关断的情况下，三电平逆变器因此仅通过使用Sa1和Sa4用于故障后操作而作为两电平逆变器来操作。该操作与上面讨论的情况III类似。类似的容错策略可以被应用于IGBT Sx2(其中x＝b或c)和Sx3(其中x＝a、b或c)的短路故障。

[0044] 如上面的示例所示，当T型逆变器中的任何IGBT具有故障时，在逆变器的容错操作区域期间不需要降额。然而，响应于某些故障，逆变器被调制为两电平逆变器。将认识到，与当在三电平健康操作下发现的结果相比，作为两电平逆变器的操作可能导致输出电流和电压中的谐波失真略高。然而，特别是当安全关键性应用中使用逆变器时，为了保持操作，效率的折衷是合理的，特别是直到故障条件能够被修复或解决为止。

[0045] 图4是描绘容错T型NPC逆变器12的另一个示例性实施例的示意图。在容错T型NPC逆变器的示例性实施例中。在容错逆变器12的示例性实施例中，将认识到正冗余开关54(S1)和负冗余开关58(S4)被实施在金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)中。在示例性实施例中，MOSFET是SiC MOSFET。应该认识到，MOSFET提供较高的效率，但是这种效率的成本较高。然而，本发明人已经认识到，在冗余相位支路16中使用MOSFET提供了改善的效率，超过了仅以MOSFET替换两个IGBT所预期的效率，并且这些效率抵消了在故障条件下操作时逆变器的降低的效率。此外，由于由配置提供的低压降，双向中点冗余开关56(S2，S3)和双向中点开关50(Sx2，Sx3)取而代之地以RB-IGBT实施。

[0046] 在示例性实施例中，如本文所公开的系统10可以进一步用于提供具有改善的热过载能力的T型NPC逆变器14。在示例性实施例中，当在如图4中描绘的容错逆变器12的实施例中实施时，这可能是特别有利的。三电平NPC逆变器在低幅度调制指数(即Ma≤0.5)下呈现类似于两电平逆变器的输出电压波形。因此，代替被用于输出任何零电压状态，低调制指数下的双向中点开关50(Sx2和Sx3x＝a、b、c)可以被用于来将冗余相位支路传导到固有的三支路以共享过载电流。

[0047] 图5是描绘在提供热过载能力的示例性操作期间容错T型NPC逆变器12的实施例中的电流66的示意图。在示例性实施例中，微控制器检测逆变器12中的过载电流的状况。在检测到过载电流时，例如在正端子42处，微控制器26通过栅极驱动器电路32提供控制信号以关闭正冗余开关54和双向中点开关50(Sa2，Sa3)以将用于过载电流的并联路径(parallel path)提供给相位支路A。该并联路径有助于消除过载电流，为逆变器提供热保护。将认识到，系统10可以以类似的方式操作以为系统中的其他开关(例如Sx1，Sx4，其中x＝a、b、c)提供过载电流保护。

[0048] 图6A和图6B是描绘使用和不使用如上面所公开的使用冗余相位支路的热过载能力的示例性IGBT Sa1的结温曲线的示例性比较的图。在相同的热过载能力下，具有/不具有来自冗余相位支路的电流共享的IGBT Sa1的结温分布。图6A是以常规方式在过载状态下操作的逆变器的结温曲线图。图6B是根据如上面公开的方式在过载减轻配置中操作的逆变器的结温曲线图。如从图的比较中可以容易地看出的，所公开的过载减轻配置提供了结温的显着降低。这种改进可能特别适合于诸如EV、伺服电机驱动器等的一些工业应用，其中过载或高转矩是最常见的功能要求之一。

[0049] 将认识到，在实施例中，T型NPC逆变器12中的设备之间的损耗分布不平衡。例如，当逆变器在高调制指数下操作时，设备损耗中的大部分从正开关48(Sx1)和负开关52(Sx4)中消散。为了缓解这些主IGBT模块中的高结温，使用准零电压切换(ZVS)策略将开关损耗从相应的正开关48或负开关52转移到冗余相位支路16上的正冗余开关54(S1)和负冗余开关58(S4)以及T型逆变器14中的双向中点开关50(Sx2，Sx3)。

[0050] 图7是可与如本文公开的示例性实施例一起使用的示例性准ZVX切换序列的时序图。当冗余相位支路16由微控制器26操作以与其他支路共享过载电流时，正冗余开关54(S1)和负冗余开关58(S4)以及双向中点开关50(Sx2，Sx3)在正开关48(Sx1)和负开关52(Sx4)导通之前被接通。这为正开关48(Sx1)和负开关52(Sx4)的后续接通提供了非常低的导通状态电压。当开关被关断时，该过程在正开关48(Sx1)和负开关52(Sx4)首先关断闭的情况下反转(reverse)。然后切断正冗余开关54(S1)和负冗余开关58(S4)以及双向中点开关50(Sx2，Sx3)，以类似地实现准ZVS软切换。

[0051] 如本文公开的软切换的示例性实施例可以进一步改善正开关48(Sx1)和负开关52(Sx4)中的热应力的缓解。图8是示例性地描绘在开关S1与Sa1之间的负载电流共享的图。图8示例性地示出了在导通瞬间、关断瞬间的电流共享以及在并联导通模式下的电流共享。应该注意的是，不是对于所有的切换状态都可以利用冗余支路进行电流共享，这是图8所示的开关S1和Sa1之间不连续的电流共享的原因。

[0052] 参考

[0053] 在此以下参考文献被列出并且通过引用将以下参考文献整体并入本文。

[0054] M.Schweizer and J.W.Kolar,“Design and implementation of a highly efficient three-level T-Type converter for low-voltage applications,”IEEE Trans.on Power Electronics,vol.28,no.2,pp.899-907,Feb.2013.

[0055] S.Chen,S.Ogawa,and A.Iso,“High-power IGBT modules for 3-level power converters,”FUJI Electric Review,vol.59,no.4,2013.

[0056] U.Choi,F.Blaabjerg,and K.Lee“, Reliability improvement of a T-Type three-level inverter with fault-tolerant control strategy,”IEEE Trans.on Power Electronics,vol.30,no.5,pp.2660-2673,May 2015.

[0057] W.Zhang,et al,“A fault-tolerant T-Type three-level inverter system,”in IEEE2014Applied Power Electronics Conference(APEC),2014,pp.274-280.[0058] L.M.Tolbert,F.Z.Peng,and T.G.Habetler“, Multilevel PWM Methods at low modulation indices,”IEEE Trans.on Power Electronics,vol.15,no.4,pp.719-725,Jul.2000.

[0059] J.He,T.Zhao,X.Jing,and N.A.O.Demerdash,“Application of wide bandgap devices in renewable energy systems-benefits and challenges,”in Proc.of IEEE 2014International Conference on Renewable Energy Research and Application(ICRERA),2014,pp.749-754.

[0060] T.Zhao and J.He,“An optimal switching pattern for“SiC+Si”hybrid device based voltage source converters,”in Proc.of IEEE 2015Applied Power Electronics Conference(APEC),2015,pp.1276-1281.

[0061] 在电力变换系统的示例性实施例中，电力变换系统包括具有多个逆变器相位支路的逆变器，每个相位支路包括正开关、负开关和双向中点开关。电力变换系统的冗余相位支路包括正冗余开关和负冗余开关。正冗余开关与双向中点开关串联连接，并通过双向中点开关与正开关并联。负冗余开关与双向中点开关串联连接，并通过双向中点开关与负开关并联。在示例性实施例中，逆变器可以是中性点钳位(NPC)T型电力变换器。

[0062] 电力变换系统的示例性实施例进一步包括在检测到多个逆变器相位支路中的至少一个开关中的故障状况时，将正冗余开关和负冗余开关中的一个闭合以绕过具有故障状况的至少一个开关并且保持电力变换系统的操作。

[0063] 在电力变换系统的示例性实施例中，在检测到过载状况时，微控制器将双向中点开关以及冗余正开关和冗余负开关中的一个操作为断开状态以提供额外的电流通路。更进一步地，正冗余开关和负冗余开关可以是金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)，并且双向中点开关是反向阻断绝缘栅双极晶体管(RB-IGBT)。

[0064] 在电力变换系统的示例性实施例中，该系统还包括DC总线，其包括DC总线中点。系统的冗余相位支路还包括被连接在DC总线中点与冗余正开关以及冗余负开关之间的冗余中点开关，以定义冗余中点。

[0065] 除了上述任何实施例之外，电力变换系统还包括逆变器相位支路的双向中点开关被连接到冗余中点。在电力变换系统的另一个实施例中，在检测到逆变器的开关中的故障时，微控制器将冗余中点开关操作到断开状态。此外，在一个实施例中，在检测到正开关中的故障时，微控制器操作处于闭合状态的冗余正开关和处于闭合位置的双向中点开关以将正电压提供给具有故障状况的相位支路。在电力变换系统的另一个实施例中，在检测到双向中点开关中的故障时，微控制器将具有故障状况的相位支路的正开关或负开关操作为闭合状态，以将电压提供给具有故障状况的相位支路。

[0066] 在电力变换系统的示例性实施例中，微控制器使用准零电压切换(ZVS)策略将来自正开关和负开关的开关损耗转移到冗余正开关、冗余负开关和双向中点开关。在电力变换系统的另一示例性实施例中，在将正开关和负开关操作到闭合状态之前，微控制器将冗余正开关、冗余负开关和双向中点开关操作到闭合状态，并且在将冗余正开关、冗余负开关和双向中点开关操作到断开状态之前，微控制器将正开关和负开关操作到断开配置。

[0067] 在T型电力变换器的容错操作的方法的示例性实施例中，提供了一种T型电力变换器。T型电力变换器包括具有DC总线中点的DC总线以及可操作地连接到DC总线的三个逆变器相位支路。逆变器的每个相位支路包括正开关、负开关和双向中点开关。电力变换器的冗余相位支路包括正冗余开关和负冗余开关。正冗余开关和负冗余开关与双向中点开关被串联连接到冗余中点。正冗余开关通过双向中点开关与正开关并联连接。负冗余开关通过双向中点开关与负开关并联连接。中点冗余开关被连接在DC总线中点与冗余中点之间。

[0068] 该方法的示例性实施例还包括利用微控制器监视T型电力变换器内的至少一个电流。基于该至少一个电流来识别T型电力变换器中的故障状况。基于至少一个电流来确定故障状况的开关位置。在检测到故障状况时，中点冗余开关被切换到断开状态，并且正冗余开关中的至少一个以及负冗余开关中的一个被切换到闭合状态以绕过故障状况的开关位置。T型电力变换器的操作保持不变。

[0069] 该方法的其他示例性实施例还包括利用微控制器监视T型电力变换器内的至少一个电流或电压。在检测到过载状况时，微控制器将双向中点开关和冗余正开关中的一个以及冗余负开关中的一个操作为断开状态，以提供额外的电流通路。更进一步地，正冗余开关和负冗余开关可以是金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)，并且双向中点开关是反向阻断绝缘栅双极晶体管(RB-IGBT)。

[0070] 在该方法的示例性实施例中，电力变换器包括DC总线，其包括DC总线中点。电力变换器的冗余相位支路还包括被连接在DC总线中点与冗余正开关以及冗余负开关之间的冗余中点开关，以定义冗余中点。

[0071] 在该方法的示例性实施例中，微控制器使用准零电压切换(ZVS)策略将来自正开关和负开关的开关损耗转移到冗余正开关、冗余负开关和双向中点开关。在该方法的另一示例性实施例中，在将正开关和负开关操作到闭合状态之前，微控制器将冗余正开关、冗余负开关和双向中点开关操作到闭合状态，并且在将冗余正开关、冗余负开关和双向中点开关操作到断开状态之前，微控制器将正开关和负开关切换到断开状态。

[0072] 在前面的描述中，将对本领域技术人员轻易显而易见的是可对这里公开的本发明进行不同的替换和修改而不偏离本发明的范围和精神。这里说明性描述的本发明可在缺少任何未在此具体公开的元素或限制的情况下实践。已被使用的术语或表述用作说明术语而不是限制，且这些术语和表述的使用不旨在排除任何所显示和描述的其部分的特征的等同物，但认识到的是在本发明的范围内多种修改是可能的。因此，应理解的是，尽管已通过具体实施方案和任选的特征说明了本发明，领域技术人员可寻求本文公开的概念的修改和/或变化，且这样的修改和变化被认为是在本发明的范围内。

[0073] 本文做出了对许多专利和非专利文献的引用。所引用的文献在此通过引用以全文并入本文。在在说明书中术语的定义相比较于在引用的文献中术语的定义不一致的情况下，术语应被理解为基于本说明书的定义。

[0074] 在上面的描述中，为了简洁、清楚和理解，已经使用了某些术语。由于这些术语被用于描述性目的并且旨在被广义地解释，因此不需要从中推断出超出现有技术的要求的不必要的限制。本文描述的不同系统和方法步骤可以单独使用或与其他系统和方法组合使用。可以预期的是，在所附权利要求的范围内可以有各种等同方案、替代方案和修改。

[0075] 附图中提供的功能框图、操作序列和流程图表示用于执行本公开的新颖方面的示例性架构、环境和方法。尽管为了简化说明的目的，本文所包括的方法可以是功能图、操作序列或流程图的形式，并且可以被描述为一系列动作，但是应该明白和理解的是，方法不受动作顺序的限制，因为一些动作可以根据此以与本文所示出和描述的其他动作不同顺序发生和/或与本文所示和描述的其他动作同时发生。例如，本领域的技术人员将明白和理解，方法可以可替选地诸如在状态图中被表示为一系列相互关联的状态或事件。此外，并非方法中示出的所有动作都可能是新颖实施方式所必需的。

[0076] 本书面描述使用示例来公开本发明(包括最佳模式)，并且还使本领域技术人员能够制造和使用本发明。本发明的可取得专利的范围由权利要求限定，并且可以包括本领域技术人员想到的其他示例。如果其具有不与本权利要求的字面语言不同的结构元件，或者如果其包括与本权利要求的字面语言具有非实质区别的等同结构元件，则这些其他示例旨在在本权利要求的范围内。