二个单元由投入态转为并联态，即可保证桥臂电容倍增同时消除电压差，而对于使用排序方式均压的控制方法而言，由于考虑到控制周期内的通流已改变各模块电压高低顺序，因此，最为可能的开关状态变化为，该时刻已投入的三个模块中，电压最高的两个被切除，而该时刻未投入的模块在下一时刻被投入。这种情况在负载电流较大时尤为明显，而可并联模块拓扑通过将模块在“并联一一投入”两种运行态中切换，很大程度上将主管(IGBT)所需的开关动作转移到了用于并联的辅管(M0SFET)上，从而可以很大程度上减少开关损耗。
[0021]与现有技术相比，本发明的有益效果是:
[0022]—、简化变换器启动充电。上下桥臂分别以两模块结对，可以对全模块电容同时充电至额定运行值，充电过程会自动停止，到达额定值时交流侧处于零电平，可以简化启动充电过程；
[0023]二、灵活的均压能力与脉动抑制能力。并联态运行下，并联使得对外电容加倍，电容电压脉动抑制能力提升，同时，对并联电压高于额定和低于额定的两模块，可以起到自然均压的作用；
[0024]三、桥臂内能量流动灵活。传统拓扑形式的能量流动控制，主要是依靠对桥臂间环流的控制以及投切模块的选择，但模块间能量无法直接流动，因此对模块间能量的均衡控制手段少，控制周期长，而拓扑的并联态直接实现了不依赖与环流的模块间的能量流动，可以实现桥臂内的能量快速均衡；
[0025]四、开关损耗降低。并联开关选用M0SFET管，通过并联投切控制，大部分开关动作由IGBT转移到M0SFET，可以很大程度上降低总开关损耗。而对于稳态损耗，由于较大的交流侧电流会加剧模块电容电压脉动，而传统模块化多电平变换器的均压手段比较单一，无法应对较大电流，若是使用全桥模块，虽然提升了电容电压控制能力，但稳态损耗增加至少一倍，而多态模块的并联开关稳态损耗很小，因为并联开关仅当两电容有电压差时，才会有充放电电流流过，而且时间较短，桥臂电流并不通过并联开关，因此稳态损耗较全桥大幅降低。
【附图说明】
[0026]图1是本发明所提出的多态子模块拓扑的工作原理及结构图(加粗部分表示导通通路)。(a)投入状态图，(b)切出状态图，(c)并联状态图。
[0027]图2是本发明多态模块构成的模块化多电平变换器示意图。
[0028]图3是本发明所提出的全模块运行方式的开关动作示意图，开关动作对比示意图(阴影区域为动作开关)(a)拓扑(b)传统拓扑。
【具体实施方式】
[0029]本发明的【具体实施方式】为:
[0030]上述附图已清楚地交待了本发明的结构，以下从应用角度进一步介绍本发明的的实质内容和优点:
[0031]—、变换器启动预充电方式
[0032]由于使用了可并联结对的模块，可以简化传统拓扑的预充电模式，仅需要相邻两模块并联结对，直流侧会对整个桥臂所有模块同时充电，模块电容电压会平衡在运行额定值，充电过程会自动停止，变换器可以从交流侧零电平的状态启动运行，而无需对各模块电容的电压进行实时测量控制。
[0033]二、变换器全模块运行方式
[0034]使用最近电平调制方式，首先，根据调制参考波，除以模块额定电容电压Uc，即单位电平，而后取整，得到应输出的电平，全模块投入方式下，每有一个模块从投入态转入并联态，投入模块减少一个，因此，只需要根据最近电平调制下获得的所需投入数目R和桥臂模块数目N，就可以决定转入并联态的模块数目，唯一需要的是选择哪些模块转入并联态，原则如下:
[0035](1)优先保证桥臂等效电容最大；根据电容串联等效原则，电容串联等效值主要由其中最小的电容值决定，因此全桥臂的最优情况是每N/R个单元结为一个并联对，当不满足整除时，以N/R上下取整获得每个结对的单元数目。
[0036](2)优先并联电压偏移较为严重的模块。优先并联偏移较为严重的模块，一方面可以很大程度消除电压偏移，另一方面，并联后相当于增大了电容，可以抑制偏移进一步加剧。由于模块也具备以半桥模式工作的能力，传统的控制调制方式依然可以使用，因此，可以根据工况调整控制方式，具有很大的灵活性。
【主权项】
1.一种使用多态子模块的模块化多电平变换器，其特征在于，该变换器使用一种四端多态子模块，该子模块基本构造为:在由两个带反并联二极管的绝缘栅双极型晶体管S1和S2以及电容器C构成的半桥模块拓扑基础上，在电容C正极性端并行引出并联侧正端口 P3和并联侧负端口 P4 ;其中，桥侧具有桥侧正端口 P1和桥侧负端口 P2 ;电容正极性端与并联侧正端口 P3之间由两个带反并联二极管的金属-氧化物半导体场效应开关管S3和S4反向串联构成双向开关；并联侧负端口 P4由电容正极性端直接引出；多态子模块拓扑可分别在投入，切除，并联三种模态下运行，实现相邻模块的实时串并联切换: 多态子模块构成模块化多电平变换器时，前一级模块的桥侧负端口 P2与后一级模块的桥侧正端口 P1连接，前一级模块的并联侧负端口 P4与后一级模块的并联侧正端口 P3连接，其模块级联具体方式为: 1)除上下桥臂各自首末模块外，前一级模块的桥侧负端口P2与后一级模块的桥侧正端口 P1连接，前一级模块的并联侧负端口 P4与后一级模块的并联侧正端口 P3连接； 2)对上桥臂的首模块而言，其桥侧正端口P1与变换器直流侧正极性端相连接，桥侧负端口 P2与下一级模块的桥侧正端口 P1相连接，并联侧正端口 P3不做连接，并联侧负端口P4与下一级模块的并联侧正端口 P3相连接； 3)对上桥臂的末模块而言，其桥侧正端口P1与前一级模块的桥侧负端口 P2相连接，桥侧负端口 P2与下桥臂首模块桥侧正端口 P1，并联侧正端口 P3与前一级模块的并联侧负端口 P4相连接，并联侧负端口 P4不做连接； 4)对下桥臂的首模块而言，其桥侧正端口P1与上桥臂末模块的桥侧负端口 P2相连接，桥侧负端口 P2与下一级模块的桥侧正端口 P1相连接，并联侧正端口 P3不做连接，并联侧负端口 P4与下一级模块的并联侧正端口 P3相连接； 5)对下桥臂的末模块而言，其桥侧正端口P1与前一级模块的桥侧负端口 P2相连接，桥侧负端口 P2与变换器直流侧负极性端相连接，并联侧正端口 P3与前一级模块的并联侧负端口 P4相连接，并联侧负端口 P4不做连接。2.根据权利要求1所述的使用多态子模块的模块化多电平变换器，其特征在于:所述的构成变换器的多态模块通过电容端引出的含双向开关的通路，实现与前一级模块内电容并联。3.根据权利要求1所述的型多态子模块的模块化多电平变换器，其特征在于:所述使用多态子模块的模块化多电平变换器实施全桥臂模块投入运行，即电平变化时模块不切除，而是选择性分配并联，桥臂内模块仅处于并联态或投入态。4.根据权利要求1所述的多态子模块的模块化多电平变换器，其特征在于:所述使用多态子模块的模块化多电平变换器通过结对并联，实现模块化多电平变换器的启动预充电。
【专利摘要】本发明公开了一种使用多态子模块的模块化多电平变换器，子模块基本构造为：在由两个带反并联二极管的绝缘栅双极型晶体管S1和S2以及电容器C构成的半桥模块拓扑基础上，在电容C正极性端并行引出并联侧正端口P3和并联侧负端口P4；其中，桥侧具有桥侧正端口P1和桥侧负端口P2；电容正极性端与并联侧正端口P3之间由两个带反并联二极管的金属-氧化物半导体场效应开关管S3和S4反向串联构成双向开关。多态子模块拓扑可分别在投入，切除，并联三种模态下运行，实现相邻模块的实时串并联切换，以达到模块电容均压和增大桥臂等效电容的目的，通过全桥臂模块投入运行及串并联选择控制，可以大幅降低变换器整体开关损耗，并获得优良的模块电容均压与脉动抑制效果。
【IPC分类】H02M7/483, H02M1/36
【公开号】CN105429495
【申请号】CN201510916025
【发明人】吴昀璞, 张昆仑
【申请人】西南交通大学
【公开日】2016年3月23日
【申请日】2015年12月10日...