CN1767345A - 一种混合箝位型多电平变换器拓扑 - Google Patents

Abstract

本发明公开的混合箝位型多电平变换器拓扑，是通过有源器件和无源器件共同实现箝位的多电平拓扑。该拓扑不需要附加电压平衡电路和使用独立直流电压源，在任何负载特性下，自身都能够实现中点电位平衡。本发明解决了传统多电平拓扑在高电平数情况下的电容电压平衡难以实现的问题。

Description

一种混合箝位型多电平变换器拓扑

技术领域

本发明涉及多电平直流-交流逆变电路拓扑结构，具体说是一种混合箝位型多电平变换器拓扑。

背景技术

传统的三种多电平变换器拓扑都是利用一种箝位器件来实现箝位功能，它们在实际应用中都存在着一定的缺点。特别是高电平数情况下电容电压的不平衡问题，成为限制多电平变换器在实际中应用的主要因素。为了从拓扑上解决该问题，近些年来，有些新型的拓扑被提出和研究。其中一种拓扑是通过用二极管和飞跨电容共同实现箝位。从合成输出电压的原理来看，这个拓扑跟飞跨电容型拓扑有很大的相似性，其中的飞跨电容都参与电压合成。在电容电压平衡方面，该拓扑也是利用中间输出电平的冗余开关状态来实现的。所以在纯无功情况下也不能保证飞跨电容的电压平衡，不能用于无功补偿等场合。另一种拓扑是通过有源器件与无源二极管和电容共同实现箝位作用，它在每一个开关状态都能保证电容电压的自平衡，并且不受负载特性的影响，能应用于有功和无功变换场合。但是该拓扑需要大量的无源和有源器件，这一缺点限制了它在实际中的应用。

发明内容

本发明的目的是提供一种使用器件数量较少、具有电容电压自平衡能力的混合箝位型多电平变换器拓扑。

本发明的混合箝位型多电平变换器拓扑，采用有源器件和无源器件共同实现箝位。

设混合箝位型多电平变换器拓扑有n电平，n为大于2的正整数，其特征是每个桥臂包括n-1个等值电容，2(n-1)个主开关管，每个主开关管均为带反并二极管的有源开关，2(n-2)个带反并二极管的箝位开关管，(n-2)×(n-3)个箝位二极管和(n-2)个辅助电容，

每个桥臂的正负母线之间并联电容支路和主开关管支路，电容支路由n-1个等值电容串联构成，主开关管支路由2(n-1)个带反并二极管的有源开关串联构成，该主开关管支路具有2(n-1)-1个连接点，主开关管支路中的第一个连接点与第2(n-1)-1个连接点之间并联n-2个串联连接的辅助电容支路；每个辅助电容的两端分别并联两个带反并二极管的串联连接的箝位开关，其中与第一个辅助电容并联的两个箝位开关管的连接点接到所述电容支路中第一和第二个电容的连接点；与第二个辅助电容并联的两个箝位开关管的连接点接到所述电容支路中第二和第三个电容的连接点；依此类推，与第n-2个辅助电容并联的两个箝位开关管的连接点接到所述电容支路中第n-2和第n-1个电容的连接点；

所述串联主开关管支路中的第二个连接点与第2(n-2)个连接点之间并联2(n-3)个串联连接的箝位二极管，其中第一和第二个篏位二极管的连接点接到所述辅助电容支路中第一和第二个辅助电容的连接点；第三和第四个箝位二极管的连接点接到所述辅助电容支路中第二和第三个辅助电容的连接点；依此类推，第2(n-3)-1和第2(n-3)个篏位二极管的连接点接到所述辅助电容支路中第n-3和第n-2个电容的连接点；

设i为所述串联主开关管支路中的第3至第n-2个连接点中的某个连接点，第i个连接点与第2(n-1)-i个连接点之间并联2(n-i-1)个串联连接的箝位二极管支路，则该支路中有2(n-i-1)-1个连接点，设p为2(n-i-1)-1个连接点中的奇数连接点，q为2(n-i-1)-1个连接点中的偶数连接点；第p个连接点接到所述串联主开关管支路中第i-1个连接点与第2(n-1)-i+1个连接点之间所并联箝位二极管支路中的第p+1个连接点；第q个连接点接到所述串联主开关管支路中第i+1个连接点与第2(n-1)-i-1个连接点之间所并联箝位二极管支路中的第q-1个连接点。

本发明的混合箝位型多电平变换器拓扑输出的n个电平由功率开关管相应的开关状态组合来产生。直流母线电容电压的自平衡功能是通过两组不同的直流母线电容支路和辅助电容支路的并联连接实现的。该电压平衡方法是把辅助电容作为中间媒介，通过它与不同直流母线电容间的并联来实现直流母线电容的电压平衡。该方法不需要复杂的控制方法，不受负载特性的影响，能够在各种负载情况下保证电容的电压平衡。拓扑中的每个有源器件和无源器件，都能被直接和间接箝位到一个电平的电压。

本发明的新型混合箝位多电平变换器拓扑，能够在任何负载情况下都保证电容的电压平衡，可以应用于有功和无功变换场合。

附图说明

图1是本发明的混合箝位型多电平变换器拓扑电路图，(仅画了单臂拓扑电路)；

图2是混合箝位型五电平单臂拓扑的电路图；

具体实施方式

参照图1，设混合箝位型多电平变换器拓扑有n电平，n为大于2的正整数，每个桥臂包括n-1个等值电容，2(n-1)个主开关管，每个主开关管均为带反并二极管的有源开关，2(n-2)个带反并二极管的箝位开关管，(n-2)×(n-3)个箝位二极管和(n-2)个辅助电容。每个桥臂的正负母线之间并联电容支路和主开关管支路，电容支路由n-1个等值电容C1～C(n-1)串联构成，主开关管支路由2(n-1)个带反并二极管的有源开关S1～S2(n-1)串联构成，该主开关管支路具有2(n-1)-1个连接点，主开关管支路中的第一个连接点与第2(n-1)-1个连接点之间并联n-2个串联连接的辅助电容支路Cc1～Cc(n-2)；每个辅助电容的两端分别并联两个带反并二极管的串联连接的箝位开关，其中与第一个辅助电容Cc1并联的两个箝位开关管Sc1，Sc2的连接点接到所述电容支路中第一和第二个电容C1，C2的连接点；与第二个辅助电容Cc2并联的两个箝位开关管Sc3，Sc4的连接点接到所述电容支路中第二和第三个电容C2，C3的连接点；依此类推，与第n-2个辅助电容Cc(n-2)并联的两个箝位开关管Sc2(n-2)-1，Sc2(n-2)的连接点接到所述电容支路中第n-2和第n-1个电容的连接点；

所述串联主开关管支路中的第二个连接点与第2(n-2)个连接点之间并联2(n-3)个串联连接的箝位二极管Dc1～Dc2(n-3)，其中第一和第二个篏位二极管Dc1，Dc2的连接点接到所述辅助电容支路中第一和第二个辅助电容的连接点；第三和第四个箝位二极管Dc3，Dc4的连接点接到所述辅助电容支路中第二和第三个辅助电容的连接点；依此类推，第2(n-3)-1和第2(n-3)个篏位二极管的连接点接到所述辅助电容支路中第n-3和第n-2个电容的连接点；

设i为所述串联主开关管支路中的第3至第n-2个连接点中的某个连接点，第i个连接点与第2(n-1)-i个连接点之间并联2(n-i-1)个串联连接的箝位二极管支路，则该支路中有2(n-i-1)-1个连接点，设p为2(n-i-1)-1个连接点中的奇数连接点，q为2(n-i-1)-1个连接点中的偶数连接点；第p个连接点接到所述串联主开关管支路中第i-1个连接点与第2(n-1)-i+1个连接点之间所并联箝位二极管支路中的第p+1个连接点；第q个连接点接到所述串联主开关管支路中第i+1个连接点与第2(n-1)-i-1个连接点之间所并联箝位二极管支路中的第q-1个连接点。

图2所示为混合箝位型五电平单臂拓扑电路实例，每个桥臂包括4个等值电容C1～C4，8个主开关管S1～S8，每个主开关管均为带反并二极管的有源开关，6个带反并二极管的箝位开关管Sc1～Sc6，3×2个箝位二极管Dc1～Dc6和3个辅助电容Cc1～Cc3。

每个桥臂的正负母线之间并联电容支路和主开关管支路，电容支路由4个等值电容C1～C4串联构成，主开关管支路由8个带反并二极管的有源开关S1～S8串联构成，该主开关管支路具有7个连接点，主开关管支路中的第一个连接点与第七个连接点之间并联3个串联连接的辅助电容支路Cc1～Cc3；每个辅助电容的两端分别并联两个带反并二极管的串联连接的箝位开关，其中与第一个辅助电容Cc1并联的两个箝位开关管Sc1，Sc2的连接点接到所述电容支路中第一和第二个电容C1，C2的连接点；与第二个辅助电容Cc2并联的两个箝位开关管Sc3，Sc4的连接点接到所述电容支路中第二和第三个电容C2，C3的连接点；与第三个辅助电容Cc3并联的两个箝位开关管Sc5，Sc6的连接点接到所述电容支路中第三和第四个电容C3，C4的连接点；

所述串联主开关管支路中的第二个连接点与第六个连接点之间并联4个串联连接的箝位二极管Dc1～Dc4，其中第一和第二个篏位二极管Dc1，Dc2的连接点接到所述辅助电容支路中第一和第二个辅助电容Cc1，Cc2的连接点；第三和第四个箝位二极管Dc3，Dc4的连接点接到所述辅助电容支路中第二和第三个辅助电容Cc2，Cc3的连接点；

所述串联主开关管支路中的第三个连接点与第五个连接点之间并联2个串联连接的箝位二极管Dc5～Dc6，该2个串联箝位二极管Dc5～Dc6的连接点接到上述四个串联箝位二极管Dc1～Dc4支路中的第二个连接点。

主功率开关管S1～S8用来实现期望的输出电压；箝位开关管Sc1～Sc6和箝位二极管Dc1～Dc6共同实现箝位功能；同时箝位开关管Sc1～Sc6和辅助电容Cc1～Cc3能够保证直流端每个电容C1～C4的电压平衡。

1.合成多电平的原理

拓扑输出的多个电平是通过开关状态的组合来实现的。要得到期望的输出，开关状态必须遵守如下规则：

1)对应于每个开关状态，有四个主开关管和三个箝位开关管同时导通；

2)第一个主开关管S1与第八个主开关管S8互补导通，第二个主开关管到第七个主开关管S2～S7这六个主开关管中，相邻的三个开关连续导通，即S1与S8，S2与S5，S3与S6，S4与S7分别为互补工作的开关对，如果开关对中的一个导通，另一个一定关断，反之亦然；

3)第一个主开关管S1与第一个箝位开关管Sc1互补导通；

4)箝位开关Sc1～Sc6中，相邻的两个开关互补导通。

2.直流母线电容电压自平衡功能的实现

本发明的混合箝位型多电平变换器拓扑的电容电压自平衡功能是通过辅助电容Cc1～Cc3和箝位开关Sc1～Sc6来实现的。如果变换器由一个开关状态转换为另一个开关状态，那么两组不同的电容通过箝位开关并联连接。例如，对于某一个S1导通的开关状态，根据上述的开关规则，箝位开关Sc2，Sc4和Sc6都应导通，此时C1跟Cc1，C2跟Cc2，C3跟Cc3分别并联连接，那么并联连接的两个电容会通过充放电来使它们的电压趋向相等：Vcl＝Vc_c1，Vc2＝Vc_c2，Vc3＝Vc_c3；对于下一个开关状态，S1关断，根据上述的开关规则，箝位开关Sc1，Sc3和Sc5都应导通，此时C2跟Cc1，C3跟Cc2，C4跟Cc3分别并联连接，同样，并联联接的两个电容会通过充放电来使它们的电压趋向相等：Vc2＝Vc_c1，Vc3＝Vc_c2，Vc4＝Vc_c3。这就是说，箝位电容会根据与它们并联电容的电压差来充放电而保证电压的平衡。这样，所有的直流母线电容C1～C4会通过与箝位电容Cc1～Cc3的并联来维持它们的电压平衡。

3.开关器件和二极管的箝位机理

混合箝位型多电平变换器拓扑中的主开关器件关断时，都通过有源箝位开关和无源箝位二极管共同箝位到相应的直流母线电容，均为一个输出电平的电压大小。其中，第一主开关管S1、第八主开关管S8和六个箝位开关管Sc1～Sc6都被直接箝位到直流母线电容；第二到第七主开关管S2～S7和箝位二极管Dc1～Dc6都通过上述直接箝位器件被间接箝位到直流母线电容，从而实现拓扑中的每个器件均被箝位到一个输出电平的大小。

Claims (2)

1.一种混合箝位型多电平变换器拓扑，设有n电平，n为大于2的正整数，其特征是每个桥臂包括n-1个等值电容，2(n-1)个主开关管，每个主开关管均为带反并二极管的有源开关，2(n-2)个带反并二极管的箝位开关管，(n-2)×(n-3)个箝位二极管和(n-2)个辅助电容，每个桥臂的正负母线之间并联电容支路和主开关管支路，电容支路由n-1个等值电容(C1～C(n-1))串联构成，主开关管支路由2(n-1)个带反并二极管的有源开关(S1～S2(n-1))串联构成，该主开关管支路具有2(n-1)-1个连接点，主开关管支路中的第一个连接点与第2(n-1)-1个连接点之间并联n-2个串联连接的辅助电容支路(Cc1～Cc(n-2))；每个辅助电容的两端分别并联两个带反并二极管的串联连接的箝位开关，其中与第一个辅助电容(Cc1)并联的两个箝位开关管(Sc1，Sc2)的连接点接到所述电容支路中第一和第二个电容(C1，C2)的连接点；与第二个辅助电容(Cc2)并联的两个箝位开关管(Sc3，Sc4)的连接点接到所述电容支路中第二和第三个电容(C2，C3)的连接点，依此类推，与第n-2个辅助电容(Cc(n-2))并联的两个箝位开关管(Sc(2(n-2)-1)，Sc2(n-2))的连接点接到所述电容支路中第n-2和第n-1个电容的连接点；

所述串联主开关管支路中的第二个连接点与第2(n-2)个连接点之间并联2(n-3)个串联连接的箝位二极管(Dc1～Dc2(n-3))，其中第一和第二个篏位二极管(Dc1，Dc2)的连接点接到所述辅助电容支路中第一和第二个辅助电容的连接点；第三和第四个箝位二极管(Dc3，Dc4)的连接点接到所述辅助电容支路中第二和第三个辅助电容的连接点；依此类推，第2(n-3)-1和第2(n-3)个篏位二极管的连接点接到所述辅助电容支路中第n-3和第n-2个电容的连接点；

设i为所述串联主开关管支路中的第3至第n-2个连接点中的某个连接点，第i个连接点与第2(n-1)-i个连接点之间并联2(n-i-1)个串联连接的箝位二极管支路，则该支路中有2(n-i-1)-1个连接点，设p为2(n-i-1)-1个连接点中的奇数连接点，q为2(n-i-1)-1个连接点中的偶数连接点；第p个连接点接到所述串联主开关管支路中第i-1个连接点与第2(n-1)-i+1个连接点之间所并联箝位二极管支路中的第p+1个连接点；第q个连接点接到所述串联主开关管支路中第i+1个连接点与第2(n-1)-i-1个连接点之间所并联箝位二极管支路中的第q-1个连接点。

2.根据权利要求1所述的混合箝位型多电平拓扑，其特征是电平n为5，每个桥臂包括4个等值电容(C1～C4)，8个带反并二极管的主开关管(S1～S8)，6个带反并二极管箝位开关管(Sc1～Sc6)，6个箝位二极管(Dc1～Dc6)和3个辅助电容(Cc1～Cc3)，每个桥臂的正负母线之间并联电容支路和主开关管支路，电容支路由4个等值电容(C1～C4)串联构成，主开关管支路由8个带反并二极管的有源开关(S1～S8)串联构成；所述串联主开关管支路中的第一个连接点与第七个连接点之间并联3个串联连接的辅助电容支路(Cc1～Cc3)；每个辅助电容的两端分别并联两个带反并篏位二极管的串联连接的箝位开关，其中与第一个辅助电容(Cc1)并联的两个篏位开关(Sc1，Sc2)的连接点接到所述电容支路中第一和第二个电容(C1，C2)的连接点；与第二个辅助电容(Cc2)并联的两个篏位开关(Sc3，Sc4)的连接点接到所述电容支路中第二和第三个电容(C2，C3)的连接点；与第三个辅助电容(Cc3)并联的两个篏位开关(Sc5，Sc6)的连接点接到所述电容支路中第三和第四个电容(C3，C4)的连接点；

所述串联主开关管支路中的第二个连接点与第六个连接点之间并联4个串联连接的箝位二极管(Dc1～Dc4)，其中第一和第二个篏位二极管(Dc1，Dc2)的连接点接到所述辅助电容支路中第一和第二个辅助电容(Cc1，Cc2)的连接点；第三和第四个箝位二极管(Dc3，Dc4)的连接点接到所述辅助电容支路中第二和第三个辅助电容(Cc2，Cc3)的连接点；

所述串联主开关管支路中的第三个连接点与第五个连接点之间并联2个串联连接的箝位二极管(Dc5～Dc6)，该2个串联箝位二极管(Dc5～Dc6)的连接点接到上述四个串联箝位二极管(Dc1～Dc4)支路中的第二个连接点。

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