CN110473452B - 一种电力电子积木 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种电力电子积木，第一逆导型全控开关单元的第一端作为电力电子积木的第一端口，第二端作为第四端口；第一开关单元的第一端以及第二端均与第一逆导型全控开关单元的第二端连接，第一开关单元的第三端与第二逆导型全控开关单元的第二端连接并作为电力电子积木的第二端口，第一开关单元的第四端分别与第二逆导型全控开关单元的第一端，第一电感单元的第一端以及第二开关单元的第一端连接，第二开关单元的第二端与第一电感单元的第二端连接并作为电力电子积木的第三端口。第一开关单元具有第一状态和第二状态。应用本申请的方案，由于电力电子积木的拓扑可重构，激发了学生设计电路的操作体验，同时学生在搭建电路时又非常方便。

Description

一种电力电子积木

技术领域

本发明涉及电力电子技术领域，特别是涉及一种电力电子积木。

背景技术

电力电子技术是多个领域的关键技术。在产业的需求刺激下，不仅电力电子技术本身日新月异，相关产业对应用型电力电子技术人才的需求也更加迫切。然而，长期以来电力电子技术教育的发展的步伐，未能紧跟产业技术的发展。尤其是实践教学环节，不仅实验内容陈旧，实验装置的设计通常也是仅能满足验证性的实验，无法进行设计性实验来激发学生身临其境的操作感，也就难以落实“做中学，学中做”的要求。

目前的电力电子技术在试验时，普遍采用的是挂箱式的结构。挂箱中相关电路已经连接完毕，无需学生手动设计电路连接，学生仅能进行验证性实验，不利于激发学生的操作体验。并且，电力电子技术中实验种类繁多，例如有升压变换电路，降压变换电路等，导致所需的挂箱种类繁多，进而导致检修的工作量大，实验成本较高。而如果不采用挂箱式结构，仅放置各个元器件由学生自主连接，虽然能够激发学生体验，但会严重占用教学时长，且不同的学生水平参差不齐，电路连接错误的情况会经常出现，导致找出电路连接的错误以及修改非常麻烦，因此通常不会由学生自主连接元器件来实现教学。

综上所述，如何在电力电子实验教学时，激发学生设计电路的操作感，同时又能够避免学生自主设计电路占用时长过长，电路错误的修改不便的问题，是目前本领域技术人员急需解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种电力电子积木，以在电力电子实验教学时，激发学生设计电路的操作感，同时又能够避免学生自主设计电路占用时长过长，电路错误的修改不便的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：

一种电力电子积木，包括：第一逆导型全控开关单元，第二逆导型全控开关单元，第一开关单元，第二开关单元以及第一电感单元；

所述第一逆导型全控开关单元的第一端作为电力电子积木的第一端口，第二端作为所述电力电子积木的第四端口；所述第一开关单元的第一端以及第二端均与所述第一逆导型全控开关单元的第二端连接，所述第一开关单元的第三端与所述第二逆导型全控开关单元的第二端连接并作为所述电力电子积木的第二端口，所述第一开关单元的第四端分别与所述第二逆导型全控开关单元的第一端，所述第一电感单元的第一端以及所述第二开关单元的第一端连接，所述第二开关单元的第二端与所述第一电感单元的第二端连接并作为所述电力电子积木的第三端口；

所述第一开关单元的第二端与所述第一开关单元的第四端之间导通，且所述第一开关单元的第一端与所述第一开关单元的第三端之间关断时，为所述第一开关单元的第一状态；所述第一开关单元的第二端与所述第一开关单元的第四端之间关断，且所述第一开关单元的第一端与所述第一开关单元的第三端之间导通时，为所述第一开关单元的第二状态。

优选的，还包括：第三开关单元，第一储能单元以及第二储能单元；

所述第三开关单元的第一端与所述第一逆导型全控开关单元的第一端连接，所述第三开关单元的第三端与所述第一储能单元的第一端连接，所述第三开关单元的第二端与所述第二逆导型全控开关单元的第二端连接，所述第三开关单元的第四端与所述第二储能单元的第二端连接，所述第一储能单元的第二端与所述第二储能单元的第一端连接并作为所述电力电子积木的第五端口；

所述第三开关单元的第一端与所述第三开关单元的第三端之间导通，且所述第三开关单元的第二端与所述第三开关单元的第四端之间导通时，为所述第三开关单元的第一状态；所述第三开关单元的第一端与所述第三开关单元的第三端之间关断，且所述第三开关单元的第二端与所述第三开关单元的第四端之间关断时，为所述第三开关单元的第二状态。

优选的，所述第一逆导型全控开关单元包括第一NMOS管以及反并联的第一二极管，所述第二逆导型全控开关单元包括第二NMOS管以及反并联的第二二极管；

所述第一NMOS管的栅极作为所述第一逆导型全控开关单元的控制端，所述第一NMOS管的源极与所述第一二极管的阳极连接，并作为所述第一逆导型全控开关单元的第二端，所述第一NMOS管的漏极与所述第一二极管的阴极连接，并作为所述第一逆导型全控开关单元的第一端；所述第二NMOS管的栅极作为所述第二逆导型全控开关单元的控制端，所述第二NMOS管的源极与所述第二二极管的阳极连接，并作为所述第二逆导型全控开关单元的第二端，所述第二NMOS管的漏极与所述第二二极管的阴极连接，并作为所述第二逆导型全控开关单元的第一端。

优选的，所述第一储能单元为第一电容或第一电池；所述第二储能单元为第二电容或第二电池；

其中，当所述第一储能单元为所述第一电容时，所述第一电容的第一端作为所述第一储能单元的第一端，所述第一电容的第二端作为所述第一储能单元的第二端，当所述第一储能单元为所述第一电池时，所述第一电池的阳极作为所述第一储能单元的第一端，所述第一电池的阴极作为所述第一储能单元的第二端；

当所述第二储能单元为所述第二电容时，所述第二电容的第一端作为所述第二储能单元的第一端，所述第二电容的第二端作为所述第二储能单元的第二端，当所述第二储能单元为所述第二电池时，所述第二电池的阳极作为所述第二储能单元的第一端，所述第二电池的阴极作为所述第二储能单元的第二端。

优选的，所述第二开关单元为继电器，所述继电器的第一被控端作为所述第二开关单元的第一端，所述继电器的第二被控端作为所述第二开关单元的第二端，通过控制所述继电器的控制回路的导通和关断，实现对所述继电器的被控回路的导通和关断的控制。

优选的，还包括，分别与所述第一逆导型全控开关单元以及所述第二逆导型全控开关单元连接，用于通过接收的控制信号控制所述第一逆导型全控开关单元的状态以及控制所述第二逆导型全控开关单元的状态的驱动保护电路。

优选的，电力电子积木应用于降压式变换电路中，所述降压式变换电路包括第一电力电子积木和第二电力电子积木；

所述第一电力电子积木的第一端口与第一电源正极连接，所述第一电力电子积木的第二端口分别与所述第一电源的负极以及所述第二电力电子积木的第二端口连接，所述第一电力电子积木的第三端口与所述第二电力电子积木的第五端口连接；所述第二电力电子积木的第五端口与第一负载的第一端连接，所述第二电力电子积木的第二端口与所述第一负载的第二端连接；

所述第一电力电子积木中的第一开关单元处于第一状态；所述第一电力电子积木中的第二开关单元处于关断状态，所述第一电力电子积木中的第三开关单元处于第一状态；所述第二电力电子积木中的第三开关单元处于第一状态。

优选的，电力电子积木应用于升压式变换电路中，所述升压式变换电路包括第三电力电子积木和第四电力电子积木；

所述第三电力电子积木的第一端口与第二负载的第一端连接，所述第三电力电子积木的第二端口分别与所述第二负载的第二端以及所述第四电力电子积木的第二端口连接，所述第三电力电子积木的第三端口与所述第四电力电子积木的第五端口连接；所述第四电力电子积木的第五端口与第二电源的正极连接，所述第四电力电子积木的第二端口与所述第二电源的负极连接。

所述第三电力电子积木中的第一开关单元处于第一状态，所述第三电力电子积木中的第二开关单元处于关断状态，所述第三电力电子积木中的第三开关单元处于第一状态；所述第四电力电子积木中的第三开关单元处于第一状态。

优选的，电力电子积木应用于DC-DC变换电路中，所述DC-DC变换电路包括第五电力电子积木和第六电力电子积木；

所述第五电力电子积木的第一端口作为所述DC-DC变换电路的第一输入端，所述第五电力电子积木的第二端口作为所述DC-DC变换电路的第二输入端，所述第五电力电子积木的第三端口与所述第六电力电子积木的第四端口或所述第六电力电子积木的第三端口连接，所述第六电力电子积木的第一端口作为所述DC-DC变换电路的第一输出端，所述第六电力电子积木的第二端口作为所述DC-DC变换电路的第二输出端；

所述第五电力电子积木中的第一开关单元处于第一状态，所述第五电力电子积木中的第二开关单元处于关断状态，所述第五电力电子积木中的第三开关单元处于第一状态；所述第六电力电子积木中的第一开关单元处于第一状态，所述第六电力电子积木中的第二开关单元处于导通状态，所述第六电力电子积木中的第三开关单元处于第一状态。

优选的，电力电子积木应用于3L-NPC电路中，所述3L-NPC电路包括第七电力电子积木，第八电力电子积木以及第九电力电子积木；

所述第七电力电子积木的第三端口或者所述第七电力电子积木的第四端口与所述第九电力电子积木的第一端口连接，所述第七电力电子积木的第二端口与所述第八电力电子积木的第一端口连接，所述第八电力电子积木的第三端口或者所述第八电力电子积木的第四端口与所述第九电力电子积木的第二端口连接；

所述第七电力电子积木中的第一开关单元处于第一状态，所述第七电力电子积木中的第二开关单元处于导通状态，所述第七电力电子积木中的第三开关单元处于第一状态；所述第八电力电子积木中的第一开关单元处于第一状态，所述第八电力电子积木中的第二开关单元处于导通状态，所述第八电力电子积木中的第三开关单元处于第一状态；所述第九电力电子积木中的第一开关单元处于第一状态，所述第九电力电子积木中的第二开关单元处于关断状态，所述第九电力电子积木中的第三开关单元处于第一状态。

应用本发明实施例所提供的技术方案，该拓扑可重构的电力电子积木包括：第一逆导型全控开关单元，第二逆导型全控开关单元，第一开关单元，第二开关单元以及第一电感单元。本申请的电力电子积木中，各个器件之间已经具有设定的连接关系，无需手动连接，有利于避免学生自主设计电路占用时长过长。而本申请的电力电子积木所呈现出的具体的电路拓扑结构，取决于第一逆导型全控开关单元和第二逆导型全控开关单元的状态，且取决于第一开关单元的状态以及第二开关单元的通断，即允许学生通过这些量的调整，自主进行电路的拓扑结构设计。此外，某一个电力电子积木作为整个实验电路的一部分时，其对外端口的选择也是由学生自主选取并连接。例如，在控制第一开关单元处于第一状态之后，由电力电子积木中的第一逆导型全控开关单元与第二逆导型全控开关单元的连接关系可知，选取电力电子积木的第一端口以及第二端口便可以作为常用的半桥单元。又如当第二开关单元处于关断状态，第一开关单元处于第一状态时，选取电力电子积木的第三端口以及第四端口便可以作为电感使用。综上，本申请的拓扑可重构的电力电子积木，允许学生自主参与电路的设计，激发了学生设计电路的操作体验，同时学生在搭建电路时又非常方便，能够避免学生自主设计电路占用时长过长，电路错误的修改不便的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明中电力电子积木的一种结构示意图；

图2为一种具体场合中电力电子积木的一种结构示意图；

图3为一种具体场合中电力电子积木的另一种结构示意图；

图4为一种具体场合中电力电子积木的外部接口示意图；

图5为本发明中电力电子积木的又一种结构示意图；

图6为电力电子积木应用于降压式变换电路中的拓扑结构示意图；

图7为图6中的第一电力电子积木和第二电力电子积木之间的端口连接示意图；

图8为电力电子积木应用于升压式变换电路中的拓扑结构示意图；

图9为电力电子积木应用于DC-DC变换电路中的拓扑结构示意图；

图10为电力电子积木应用于T型三电平结构的拓扑结构示意图；

图11为图10中的两个电力电子积木之间的端口连接示意图；

图12为电力电子积木应用于3L-NPC电路中中的拓扑结构示意图。

具体实施方式

本发明的核心是提供一种电力电子积木，允许学生自主参与电路的设计，激发了学生设计电路的操作体验，同时学生在搭建电路时又非常方便，能够避免学生自主设计电路占用时长过长，电路错误的修改不便的问题。

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参考图1，图1为本发明中一种电力电子积木的结构示意图，该电力电子积木包括：第一逆导型全控开关单元10，第二逆导型全控开关单元20，第一开关单元30，第二开关单元40以及第一电感单元50；

第一逆导型全控开关单元10的第一端作为电力电子积木的第一端口，第二端作为电力电子积木的第四端口；第一开关单元30的第一端以及第二端均与第一逆导型全控开关单元10的第二端连接，第一开关单元30的第三端与第二逆导型全控开关单元20的第二端连接并作为电力电子积木的第二端口，第一开关单元30的第四端分别与第二逆导型全控开关单元20的第一端，第一电感单元50的第一端以及第二开关单元40的第一端连接，第二开关单元40的第二端与第一电感单元50的第二端连接并作为电力电子积木的第三端口；

第一逆导型全控开关单元10以及第二逆导型全控开关单元20的具体器件构成可以根据需要进行设定和调整，例如在图2的实施方式中，第一逆导型全控开关单元10包括第一NMOS管Q1以及反并联的第一二极管D1，第二逆导型全控开关单元20包括第二NMOS管Q2以及反并联的第二二极管D2，

具体的，第一NMOS管Q1的栅极作为第一逆导型全控开关单元10的控制端，第一NMOS管Q1的源极与第一二极管D1的阳极连接，并作为第一逆导型全控开关单元10的第二端，第一NMOS管Q1的漏极与第一二极管D1的阴极连接，并作为第一逆导型全控开关单元10的第一端；第二NMOS管Q2的栅极作为第二逆导型全控开关单元20的控制端，第二NMOS管Q2的源极与第二二极管D2的阳极连接，并作为第二逆导型全控开关单元20的第二端，第二NMOS管Q2的漏极与第二二极管D2的阴极连接，并作为第二逆导型全控开关单元20的第一端。

又如图3的实施方式中，采用IGBT作为逆导型全控开关单元中的全控开关，此外，实际应用中还可以采用MCT，IGCT，SHIT等全控开关。与全控开关反向并联的二极管，可以是全控开关自身的体二极管，也可以是外接的二极管，均不影响本发明的实施。

第一开关单元30具有两种状态，其中，当第一开关单元30的第二端与第一开关单元30的第四端之间导通，且第一开关单元30的第一端与第一开关单元30的第三端之间关断时，为第一开关单元30的第一状态。相应的，当第一开关单元30的第二端与第一开关单元30的第四端之间关断，且第一开关单元30的第一端与第一开关单元30的第三端之间导通时，为第一开关单元30的第二状态。第一开关单元30在功能上相当于一个双刀单掷开关。可以看出，通过切换第一开关单元30的状态，便改变电力电子积木内部的电路连接，进而重构出不同的拓扑结构。

此外，电力电子积木中还包括第一电感单元50以及与之并联的第二开关单元40，第一电感单元50可以包括一个感性元件或者为多个感性元件的组合，可以是可调电感、固定电感等，均不影响本发明的实施。例如图2和图3中，第一电感单元50中仅包括一个固定电感Lr。第二开关单元40在功能上相当于一个单刀单掷开关，导通时便将第一电感单元50短路，关断时使得第一电感单元50得以被接入电路中使用。

可以看出，将电力电子积木接入电路时，可以进行三个步骤的设定调整。

其一是选定第一开关单元30的状态以及第二开关单元40的通断；

其二是定义控制器发送的驱动信号，通过驱动信号可以调整第一逆导型全控开关单元10以及第二逆导型全控开关单元20的状态，驱动信号通常是PWM信号，当然，在具体场合中也可以是其他形式的驱动信号。图4为本申请的电力电子积木的一种外部接口示意图，控制器可以通过PWM1这一接口向第一逆导型全控开关单元10发送驱动信号，对第一逆导型全控开关单元10进行控制。相应的，可以通过PWM2这一接口向第二逆导型全控开关单元20发送驱动信号，对第二逆导型全控开关单元20进行控制。例如通过两路PWM信号分别驱动第一逆导型全控开关单元10以及第二逆导型全控开关单元20中的IGBT，使得电力电子积木作为半桥部件使用。又如通过两路驱动信号控制第一逆导型全控开关单元10以及第二逆导型全控开关单元20中的IGBT均关断，使得电力电子积木作为半二极管桥使用。

其三是选择电力电子积木需要与外部连接的端口，该种实施方式中电力电子积木具有第一端口，第二端口，第三端口以及第四端口，在图2以及图3中均依次表示为A，B，C，D。

本申请提供了一种拓扑可重构的电力电子积木，包括：第一逆导型全控开关单元10，第二逆导型全控开关单元20，第一开关单元30，第二开关单元40以及第一电感单元50。本申请的电力电子积木中，各个器件之间已经具有设定的连接关系，无需手动连接，有利于避免学生自主设计电路占用时长过长。而本申请的电力电子积木所呈现出的具体的电路拓扑结构，取决于第一逆导型全控开关单元10和第二逆导型全控开关单元20的状态，且取决于第一开关单元30的状态以及第二开关单元40的通断，即允许学生通过这些量的调整，自主进行电路的拓扑结构设计。此外，某一个电力电子积木作为整个实验电路的一部分时，其对外端口的选择也是由学生自主选取并连接。例如，在控制第一开关单元30处于第一状态之后，由电力电子积木中的第一逆导型全控开关单元10与第二逆导型全控开关单元20的连接关系可知，选取电力电子积木的第一端口以及第二端口便可以作为常用的半桥单元。又如当第二开关单元40处于关断状态，第一开关单元30处于第一状态时，选取电力电子积木的第三端口以及第四端口便可以作为电感使用。综上，本申请的拓扑可重构的电力电子积木，允许学生自主参与电路的设计，激发了学生设计电路的操作体验，同时学生在搭建电路时又非常方便，能够避免学生自主设计电路占用时长过长，电路错误的修改不便的问题。

在本发明的一种具体实施方式中，可参阅图5，还包括：第三开关单元60，第一储能单元70以及第二储能单元80；

第三开关单元60的第一端与第一逆导型全控开关单元10的第一端连接，第三开关单元60的第三端与第一储能单元70的第一端连接，第三开关单元60的第二端与第二逆导型全控开关单元20的第二端连接，第三开关单元60的第四端与第二储能单元80的第二端连接，第一储能单元70的第二端与第二储能单元80的第一端连接并作为电力电子积木的第五端口；

第三开关单元60的第一端与第三开关单元60的第三端之间导通，且第三开关单元60的第二端与第三开关单元60的第四端之间导通时，为第三开关单元60的第一状态；第三开关单元60的第一端与第三开关单元60的第三端之间关断，且第三开关单元60的第二端与第三开关单元60的第四端之间关断时，为第三开关单元60的第二状态。

考虑到除了逆导型全控开关单元以及感性部件之外，储能部件也是电力电子实验中经常需要使用的部件，因此，该种实施方式中的电力电子积木包括了第一储能单元70，第二储能单元80以及第三开关单元60。当第三开关单元60处于第一状态时，便可以使得第一储能单元70和/或第二储能单元80连接至电路中。第五端口在本申请中用N表示，第五端口通常在电路中作为中性点。

常用的储能部件为电容以及电池，即第一储能单元70可以为第一电容或第一电池；第二储能单元80可以为第二电容或第二电池。

其中，当第一储能单元70为第一电容时，第一电容的第一端作为第一储能单元70的第一端，第一电容的第二端作为第一储能单元70的第二端，当第一储能单元70为第一电池时，第一电池的阳极作为第一储能单元70的第一端，第一电池的阴极作为第一储能单元70的第二端；

当第二储能单元80为第二电容时，第二电容的第一端作为第二储能单元80的第一端，第二电容的第二端作为第二储能单元80的第二端，当第二储能单元80为第二电池时，第二电池的阳极作为第二储能单元80的第一端，第二电池的阴极作为第二储能单元80的第二端。

电容可以是有极性的电容，也可以是无极性的电容，例如图2以及图3的实施方式中，第一储能单元70以及第二储能单元80均为有极性电容，分别标示为C1和C2。当选取为电池时，可以是一次电池也可以是二次电池，均不影响本发明的实施。

第一开关单元30，第二开关单元40以及第三开关单元60在图2以及图3中依次标示为K1，K2以及K3。在图2以及图3中，第一开关单元30以及第三开关单元60均为第一状态，第二开关单元40为断开状态。

在实际应用中，可以使用继电器等机械开关，或者使用MOSFET，IGBT等半导体可控开关来实现这三个开关单元。考虑到继电器的开关速度虽然较慢，但是导通电阻和寄生电容均较小，而电力电子积木在进行拓扑结构的切换时并不会切换地太频繁，即并不需要频繁地对这三个开关单元执行操作，因此通常可以选取继电器来实现这三个开关单元。例如，当第二开关单元40为继电器时，可以将该继电器的第一被控端作为第二开关单元40的第一端，将该继电器的第二被控端作为第二开关单元40的第二端，通过控制该继电器的控制回路的导通和关断，实现对该继电器的被控回路的导通和关断的控制。而对于第一开关单元30或第三开关单元60而言，通常可以采用两个继电器或者具有双被控回路的继电器来实现。

还需要说明的是，在控制继电器的控制回路的通断时，可以采用发送电信号的方式来控制，也可以通过手动调整机械结构的方式来控制。便于描述仍以第二开关单元40为例，例如传动部件的一端与按键或者拨杆连接，另一端与继电器的控制回路连接，通过按下按键或者拨动拨杆，使得传动部件动作，进而传动部件会闭合继电器的控制回路。又如图4的实施方式中，通过TX和RX接口输入控制信号，电力电子积木中内设的逻辑电路可以接收控制信号，进而逻辑电路根据控制信号的内容控制继电器的控制回路的通断。

当然，无论是通过机械结构的方式还是通过电信号的方式对第一，第二，第三开关单元进行控制，均是较为传统的控制方式，因此本申请未给出这部分控制电路的示意图或机械结构的示意图。

在本发明的一种具体实施方式中，还包括，分别与第一逆导型全控开关单元10以及第二逆导型全控开关单元20连接，用于通过接收的控制信号控制第一逆导型全控开关单元10的状态以及控制第二逆导型全控开关单元20的状态的驱动保护电路。

具体的，驱动保护电路通常接收的是PWM控制信号，可以对信号进行滤波，放大等预处理操作，再输出至第一逆导型全控开关单元10以及第二逆导型全控开关单元20的控制端。

需要说明的是，本申请的方案在实际应用中，通常选用的电力电子积木的结构是图5的具有三个开关单元的结构。具体的，可以如图2或图3所示，后续实施例中的各个电力电子积木均为具有三个开关单元的结构的电力电子积木。

可参见图6，电力电子积木应用于降压式变换电路中，降压式变换电路包括第一电力电子积木和第二电力电子积木；

第一电力电子积木的第一端口与第一电源VCC1的正极连接，第一电力电子积木的第二端口分别与第一电源VCC1的负极以及第二电力电子积木的第二端口连接，第一电力电子积木的第三端口与第二电力电子积木的第五端口连接；第二电力电子积木的第五端口与第一负载R1的第一端连接，第二电力电子积木的第二端口与第一负载R1的第二端连接；

图7示出了第一电力电子积木和第二电力电子积木之间的端口连接示意图。

第一电力电子积木中的第一开关单元处于第一状态；第一电力电子积木中的第二开关单元处于关断状态，第一电力电子积木中的第三开关单元处于第一状态；第二电力电子积木中的第三开关单元处于第一状态。

需要指出的是，该种实施方式中的降压式变换电路仅是一种具体场合中的降压式变换电路，在其他场合中，可以通过多个电力电子积木以及其他元器件连接成其他形式的降压式变换电路。该降压式变换电路通过驱动信号控制第一电力电子积木中的第一逆导型全控开关单元以及第一电力电子积木中的第二逆导型全控开关单元来实现降压，具体的，控制图6中的Q1导通，Q2关断时，电感Lr储能，控制Q1关断，Q2导通时，电感Lr释能。一个开关周期内，第二电力电子积木中的电容的充电电荷高于放电电荷时，电容电压升高，直至达到充放电平衡，相应的，一个周期内的放电电荷高于充电电荷时，电容电压逐渐下降。

除了降压式变换电路之外，升压式变换电路以及升降压式变换电路均是电力电子实验中经常需要使用的电路，本申请的电力电子模块均可以进行构建。

例如在本发明的一种具体实施方式中，可参阅图8，电力电子积木应用于升压式变换电路中，升压式变换电路包括第三电力电子积木和第四电力电子积木；

第三电力电子积木的第一端口与第二负载R2的第一端连接，第三电力电子积木的第二端口分别与第二负载R2的第二端以及第四电力电子积木的第二端口连接，第三电力电子积木的第三端口与第四电力电子积木的第五端口连接；第四电力电子积木的第五端口与第二电源VCC2的正极连接，第四电力电子积木的第二端口与第二电源VCC2的负极连接。

第三电力电子积木中的第一开关单元处于第一状态，第三电力电子积木中的第二开关单元处于关断状态，第三电力电子积木中的第三开关单元处于第一状态；第四电力电子积木中的第三开关单元处于第一状态。

又如在图9中，电力电子积木应用于DC-DC变换电路中，DC-DC变换电路包括第五电力电子积木和第六电力电子积木，可以通过调节占空比实现输出电压高于或低于输入电压的目的。

具体的，第五电力电子积木的第一端口作为DC-DC变换电路的第一输入端，第五电力电子积木的第二端口作为DC-DC变换电路的第二输入端，第五电力电子积木的第三端口与第六电力电子积木的第四端口或第六电力电子积木的第三端口连接，第六电力电子积木的第一端口作为DC-DC变换电路的第一输出端，第六电力电子积木的第二端口作为DC-DC变换电路的第二输出端；

第五电力电子积木中的第一开关单元处于第一状态，第五电力电子积木中的第二开关单元处于关断状态，第五电力电子积木中的第三开关单元处于第一状态；第六电力电子积木中的第一开关单元处于第一状态，第六电力电子积木中的第二开关单元处于导通状态，第六电力电子积木中的第三开关单元处于第一状态。

需要说明的是，该种实施方式中的DC-DC变换电路也可以设计为T型三电平结构，即采用图10中的两个电力电子积木替换图9的第五电力电子积木，图10中的这两个电力电子积木的端口连接示意图可参见图11所示，其中，图10中的虚线框中的部件为图11的一号电力电子积木中的部件，其余部件为图11中的二号电力电子积木中的部件。

前述实施方式中的电路拓扑均需要两个电力电子积木，在其他实施方式中，也可以有更多的电力电子积木参与电路拓扑的构建，例如在本发明的一种具体实施方式中，可参阅图12，电力电子积木应用于3L-NPC电路中，3L-NPC电路包括第七电力电子积木，第八电力电子积木以及第九电力电子积木。

第七电力电子积木的第三端口或者第七电力电子积木的第四端口与第九电力电子积木的第一端口连接，第七电力电子积木的第二端口与第八电力电子积木的第一端口连接，第八电力电子积木的第三端口或者第八电力电子积木的第四端口与第九电力电子积木的第二端口连接；

第七电力电子积木中的第一开关单元处于第一状态，第七电力电子积木中的第二开关单元处于导通状态，第七电力电子积木中的第三开关单元处于第一状态；第八电力电子积木中的第一开关单元处于第一状态，第八电力电子积木中的第二开关单元处于导通状态，第八电力电子积木中的第三开关单元处于第一状态；第九电力电子积木中的第一开关单元处于第一状态，第九电力电子积木中的第二开关单元处于关断状态，第九电力电子积木中的第三开关单元处于第一状态。

前述实施方式中，以降压式变换电路，升压式变换电路3L-NPC电路等为例，对电力电子积木的构建方式进行了举例说明，在其他具体场合中，电力电子积木完全可以有其他形式的构建方式，表一为电力电子积木的拓扑举例，需要说明的是，表一列出的是常用的拓扑，并非表示全部的拓扑形式。例如，需要选取电力电子积木作为电容使用时，除了表一中的A，B端口的选择，还可以选择为A，N端口，又或者是选择B，N端口。表一中，K1的0表示第一开关单元30为第一状态，K1的1表示第一开关单元30为第二状态，K2的0表示第二开关单元40为断开状态，K2的1表示第二开关单元40为导通状态，K3的0表示第三开关单元60为第一状态，K3的1表示第三开关单元60为第二状态。打钩表示可以使用该端口作为对外连接的端口。

表一：电力电子积木的拓扑举例

还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的技术方案及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (8)

1.一种电力电子积木，其特征在于，包括：第一逆导型全控开关单元，第二逆导型全控开关单元，第一开关单元，第二开关单元以及第一电感单元；

所述第一逆导型全控开关单元的第一端作为电力电子积木的第一端口，第二端作为所述电力电子积木的第四端口；所述第一开关单元的第一端以及第二端均与所述第一逆导型全控开关单元的第二端连接，所述第一开关单元的第三端与所述第二逆导型全控开关单元的第二端连接并作为所述电力电子积木的第二端口，所述第一开关单元的第四端分别与所述第二逆导型全控开关单元的第一端，所述第一电感单元的第一端以及所述第二开关单元的第一端连接，所述第二开关单元的第二端与所述第一电感单元的第二端连接并作为所述电力电子积木的第三端口；

所述第一开关单元的第二端与所述第一开关单元的第四端之间导通，且所述第一开关单元的第一端与所述第一开关单元的第三端之间关断时，为所述第一开关单元的第一状态；所述第一开关单元的第二端与所述第一开关单元的第四端之间关断，且所述第一开关单元的第一端与所述第一开关单元的第三端之间导通时，为所述第一开关单元的第二状态；

还包括：第三开关单元，第一储能单元以及第二储能单元；

所述第三开关单元的第一端与所述第一逆导型全控开关单元的第一端连接，所述第三开关单元的第三端与所述第一储能单元的第一端连接，所述第三开关单元的第二端与所述第二逆导型全控开关单元的第二端连接，所述第三开关单元的第四端与所述第二储能单元的第二端连接，所述第一储能单元的第二端与所述第二储能单元的第一端连接并作为所述电力电子积木的第五端口；

所述第三开关单元的第一端与所述第三开关单元的第三端之间导通，且所述第三开关单元的第二端与所述第三开关单元的第四端之间导通时，为所述第三开关单元的第一状态；所述第三开关单元的第一端与所述第三开关单元的第三端之间关断，且所述第三开关单元的第二端与所述第三开关单元的第四端之间关断时，为所述第三开关单元的第二状态；

所述第一逆导型全控开关单元包括第一NMOS管以及反并联的第一二极管，所述第二逆导型全控开关单元包括第二NMOS管以及反并联的第二二极管；

所述第一NMOS管的栅极作为所述第一逆导型全控开关单元的控制端，所述第一NMOS管的源极与所述第一二极管的阳极连接，并作为所述第一逆导型全控开关单元的第二端，所述第一NMOS管的漏极与所述第一二极管的阴极连接，并作为所述第一逆导型全控开关单元的第一端；所述第二NMOS管的栅极作为所述第二逆导型全控开关单元的控制端，所述第二NMOS管的源极与所述第二二极管的阳极连接，并作为所述第二逆导型全控开关单元的第二端，所述第二NMOS管的漏极与所述第二二极管的阴极连接，并作为所述第二逆导型全控开关单元的第一端。

2.根据权利要求1所述的电力电子积木，其特征在于，所述第一储能单元为第一电容或第一电池；所述第二储能单元为第二电容或第二电池；

其中，当所述第一储能单元为所述第一电容时，所述第一电容的第一端作为所述第一储能单元的第一端，所述第一电容的第二端作为所述第一储能单元的第二端，当所述第一储能单元为所述第一电池时，所述第一电池的阳极作为所述第一储能单元的第一端，所述第一电池的阴极作为所述第一储能单元的第二端；

当所述第二储能单元为所述第二电容时，所述第二电容的第一端作为所述第二储能单元的第一端，所述第二电容的第二端作为所述第二储能单元的第二端，当所述第二储能单元为所述第二电池时，所述第二电池的阳极作为所述第二储能单元的第一端，所述第二电池的阴极作为所述第二储能单元的第二端。

3.根据权利要求1所述的电力电子积木，其特征在于，所述第二开关单元为继电器，所述继电器的第一被控端作为所述第二开关单元的第一端，所述继电器的第二被控端作为所述第二开关单元的第二端，通过控制所述继电器的控制回路的导通和关断，实现对所述继电器的被控回路的导通和关断的控制。

4.根据权利要求1所述的电力电子积木，其特征在于，还包括，分别与所述第一逆导型全控开关单元以及所述第二逆导型全控开关单元连接，用于通过接收的控制信号控制所述第一逆导型全控开关单元的状态以及控制所述第二逆导型全控开关单元的状态的驱动保护电路。

5.根据权利要求1所述的电力电子积木，其特征在于，电力电子积木应用于降压式变换电路中，所述降压式变换电路包括第一电力电子积木和第二电力电子积木；

所述第一电力电子积木的第一端口与第一电源正极连接，所述第一电力电子积木的第二端口分别与所述第一电源的负极以及所述第二电力电子积木的第二端口连接，所述第一电力电子积木的第三端口与所述第二电力电子积木的第五端口连接；所述第二电力电子积木的第五端口与第一负载的第一端连接，所述第二电力电子积木的第二端口与所述第一负载的第二端连接；

所述第一电力电子积木中的第一开关单元处于第一状态；所述第一电力电子积木中的第二开关单元处于关断状态，所述第一电力电子积木中的第三开关单元处于第一状态；所述第二电力电子积木中的第三开关单元处于第一状态。

6.根据权利要求1所述的电力电子积木，其特征在于，电力电子积木应用于升压式变换电路中，所述升压式变换电路包括第三电力电子积木和第四电力电子积木；

所述第三电力电子积木的第一端口与第二负载的第一端连接，所述第三电力电子积木的第二端口分别与所述第二负载的第二端以及所述第四电力电子积木的第二端口连接，所述第三电力电子积木的第三端口与所述第四电力电子积木的第五端口连接；所述第四电力电子积木的第五端口与第二电源的正极连接，所述第四电力电子积木的第二端口与所述第二电源的负极连接；

所述第三电力电子积木中的第一开关单元处于第一状态，所述第三电力电子积木中的第二开关单元处于关断状态，所述第三电力电子积木中的第三开关单元处于第一状态；所述第四电力电子积木中的第三开关单元处于第一状态。

7.根据权利要求1所述的电力电子积木，其特征在于，电力电子积木应用于DC-DC变换电路中，所述DC-DC变换电路包括第五电力电子积木和第六电力电子积木；

所述第五电力电子积木的第一端口作为所述DC-DC变换电路的第一输入端，所述第五电力电子积木的第二端口作为所述DC-DC变换电路的第二输入端，所述第五电力电子积木的第三端口与所述第六电力电子积木的第四端口或所述第六电力电子积木的第三端口连接，所述第六电力电子积木的第一端口作为所述DC-DC变换电路的第一输出端，所述第六电力电子积木的第二端口作为所述DC-DC变换电路的第二输出端；

所述第五电力电子积木中的第一开关单元处于第一状态，所述第五电力电子积木中的第二开关单元处于关断状态，所述第五电力电子积木中的第三开关单元处于第一状态；所述第六电力电子积木中的第一开关单元处于第一状态，所述第六电力电子积木中的第二开关单元处于导通状态，所述第六电力电子积木中的第三开关单元处于第一状态。

8.根据权利要求1所述的电力电子积木，其特征在于，电力电子积木应用于3L-NPC电路中，所述3L-NPC电路包括第七电力电子积木，第八电力电子积木以及第九电力电子积木；

所述第七电力电子积木的第三端口或者所述第七电力电子积木的第四端口与所述第九电力电子积木的第一端口连接，所述第七电力电子积木的第二端口与所述第八电力电子积木的第一端口连接，所述第八电力电子积木的第三端口或者所述第八电力电子积木的第四端口与所述第九电力电子积木的第二端口连接；

所述第七电力电子积木中的第一开关单元处于第一状态，所述第七电力电子积木中的第二开关单元处于导通状态，所述第七电力电子积木中的第三开关单元处于第一状态；所述第八电力电子积木中的第一开关单元处于第一状态，所述第八电力电子积木中的第二开关单元处于导通状态，所述第八电力电子积木中的第三开关单元处于第一状态；所述第九电力电子积木中的第一开关单元处于第一状态，所述第九电力电子积木中的第二开关单元处于关断状态，所述第九电力电子积木中的第三开关单元处于第一状态。