一种共直流侧电容的新型多电平变换器的制作方法

本发明涉及一种共直流侧电容的新型多电平变换器拓扑，属于电力电子变换器技术领域。

背景技术：

受限于现有可控功率器件的耐受电压等级，传统的两电平变换器在中高压等级的应用场合中需要采用开关串联的方式，存在开关动态和静态均压的问题，并且其输出波形畸变率高，需要较大体积的滤波器。

与两电平变换器相比，多电平变换器能够在实现更高等级输出电压的同时，减少输出波形的谐波含量，有效降低滤波器的体积及绝缘等级，十分适用于高压大功率场合。

而现有的多电平拓扑中，二极管钳位型及电容钳位型拓扑的钳位器件数量会随着电平数增多而急剧增加，造成结构复杂化，可靠性降低；级联h桥拓扑需要由大量独立电源供电，变相增加了装置体积；模块化多电平拓扑采用了大量开关及浮地电容，其控制复杂度和造价成本都较高。这些缺点，使得目前多电平变换器的推广应用受到了一定的限制。

技术实现要素：

本发明的目的：提供一种新型多电平变换器拓扑结构，大幅减少钳位二极管及钳位电容的数量，使多电平变换器拓扑结构得到简化，从而有效降低系统装置体积与复杂程度。

为了达到上述目的，本发明的技术方案如下：

一种共直流侧电容的新型多电平变换器拓扑结构，当输出(2k+1)(k为正整数)电平时，该新型多电平变换器拓扑结构包括共直流侧电容、变换桥臂和单向可控开关电路。

共直流侧电容由ch1、ch2……ch(k-1)、chk及clk、cl(k-1)……cl2、cl1共2k个均压电容串联组成；电容chk和clk之间的节点为o点，电容ch1和ch2之间的节点为oh1点，电容ch2和ch3之间的节点为oh2点，依此类推，直到电容chk和o点之间的节点为ohk点；电容cl1和cl2之间的节点为ol1点，电容cl2和cl3之间的节点为ol2点，依此类推，直到电容clk和o点之间的节点为olk点；

变换桥臂由th1、th2……th(k-1)、thk、th(k+1)……th(2k-1)、th2k及tl2k、tl(2k-1)……tl(k+1)、tlk、tl(k-1)……tl2、tl1共4k个带反并联二极管的可控功率器件构成的开关串联组成；开关th2k和tl2k之间的节点为a点，开关th1和th2之间的节点为ah1点，开关th2和th3之间的节点为ah2点，依此类推，直到开关thk和th(k+1)之间的节点为ahk点；开关tl1和tl2之间的节点为al1点，开关tl2和tl3之间的节点为al2点，依此类推，直到开关tlk和tl(k+1)之间的节点为alk点；

单向可控开关电路由上下各k条单向可控开关支路构成。节点ohi和节点ahi之间有一正向的单向可控开关支路，每条支路由i个开关同向串联组成，使得开关中二极管电流从节点ohi流向节点ahi；节点oli和节点ali之间有一反向的单向可控开关支路，每条支路由i个开关同向串联组成，使得开关中二极管电流从节点ali流向节点oli，其中i＝1，2……k；

当输出(2k+2)(k为正整数)电平时，该新型多电平变换器拓扑结构包括共直流侧电容、变换桥臂和单向可控开关电路。

共直流侧电容由ch1、ch2……ch(k-1)、chk、c(k+1)及clk、cl(k-1)……cl2、cl1共(2k+1)个均压电容串联组成；电容cl1的负极为o点，电容ch1和ch2之间的节点为oh1点，电容ch2和ch3之间的节点为oh2点，依此类推，直到电容chk和c(k+1)之间的节点为ohk点；电容cl1和cl2之间的节点为ol1点，电容cl2和cl3之间的节点为ol2点，依此类推，直到电容clk和c(k+1)之间的节点为olk点；

变换桥臂由th1、th2……thk、th(k+1)……th2k、th(2k+1)及tl(2k+1)、tl2k……tl(k+1)、tlk……tl2、tl1共(4k+2)个带反并联二极管的可控功率器件构成的开关串联组成；开关th(2k+1)和tl(2k+1)之间的节点为a点，开关th1和th2之间的节点为ah1点，开关th2和th3之间的节点为ah2点，依此类推，直到开关thk和th(k+1)之间的节点为ahk点；开关tl1和tl2之间的节点为al1点，开关tl2和tl3之间的节点为al2点，依此类推，直到开关tlk和tl(k+1)之间的节点为alk点；

单向可控开关电路由上下各k条单向可控开关支路构成。节点ohi和节点ahi之间有一正向的单向可控开关支路，每条支路由i个开关同向串联组成，使得开关中二极管电流从节点ohi流向节点ahi；节点oli和节点ali之间有一反向的单向可控开关支路，每条支路由i个开关同向串联组成，使得开关中二极管电流从节点ali流向节点oli，其中i＝1，2……k；

当输出(2k+1)电平时，单向可控开关电路中上桥臂的第k条支路与下桥臂的第k条支路有共同节点(即共直流侧电容的中点o点)，仅保留这两条钳位支路的反并联二极管dhkk……dhk1和dlk1……dlkk，二极管dhkk……dhk1和dlk1……dlkk依次同向串联连接，二极管dhkk的阴极接于thk和th(k+1)之间的节点ahk，二极管dlkk的阳极接于tlk和tl(k+1)之间的节点alk，二极管dhk1和dlk1之间的引出线与共直流侧电容的中点o点连接，得到输出(2k+1)电平时的第二种方式；

将单向可控开关电路中上桥臂的第k条支路与下桥臂的第k条支路串联，串联后的第k条支路由k个双向可控开关tb1……tb(k-1)、tbk串联组成，双向可控开关tb1一端与tb2连接，另一端与共直流侧电容的中点o连接；双向可控开关tbk一端与tb(k-1)连接，另一端与节点a连接，得到输出(2k+1)电平时的第三种方式。

每个双向可控开关tbi可以通过两个反向串联连接的开关tbi1和tbi2构成或者其他可实现双向开关功能的半导体器件及其拓扑电路实现。

当构成多相(如p相)变换器时，由共用的直流侧串联电容、p个相同的变换桥臂以及连接共直流侧电容和变换桥臂的各支路构成，每个桥臂上引出的各支路在共直流侧电容上的不同连接节点也共用，得到p个交流侧节点，p个交流侧节点与p相负载相连接构成p相电路。

这样就构成了新型多电平变换器的电路拓扑结构，并且可通过增加共直流侧电容及变换桥臂开关的数目、单向可控开关支路的数目，来提高变换器的电平数。

拓扑结构中各支路同向串联的相同器件，均可用一个或若干个相同器件串联替代，只要使得串联器件替换前后的耐压水平保持不变即可，所述器件包括开关、二极管及双向可控开关等；所述开关包括输出(2k+1)电平拓扑结构、输出(2k+2)电平拓扑结构以及输出(2k+1)电平时的第二种拓扑结构中，变换桥臂上点ahk到点a之间的开关、点alk到点a之间的开关以及每条单向可控开关支路中的i个串联开关，输出(2k+1)电平时的第三种拓扑结构中，变换桥臂上点ah(k-1)到点a之间的开关、点al(k-1)到点a之间的开关以及单向可控开关支路中的i个串联开关；所述二极管指的是输出(2k+1)电平时的第二种拓扑结构中点ahk到点o之间的二极管、点o到点alk之间的二极管；所述双向可控开关指的是输出(2k+1)电平时的第三种拓扑结构中点o到点a之间的双向可控开关。

变换桥臂和单向可控开关电路包含的开关采用带反并联二极管的igbt或其他带反并联二极管的可控半导体器件(如mosfet、gto、gtr、igct等)构成；双向可控开关采用带反并联二极管的igbt或其他带反并联二极管的可控半导体器件反向串联而成，也可采用其他可实现双向开关功能的半导体器件及其拓扑电路实现；

该变换器拓扑结构中每个开关可由单个开关器件构成或由多个开关器件串并联构成；共直流侧电容的每个电容，可由单个电容器构成或由多个电容器串并联构成。

本发明具有以下有益效果：

本发明通过单向可控开关电路连接共直流侧电容和变换桥臂，从而实现任意电平输出，且减少了变换器钳位器件的数量，使多电平变换器的拓扑结构得到简化，有效降低了系统装置的体积与复杂程度。当应用于三相或多相平衡系统中时，本发明所需的电容量明显减小。

附图说明

本发明有如下附图：

图1为本发明提出的新型七电平变换器拓扑图；

图2为本发明提出的新型九电平变换器拓扑图；

图3为本发明提出的新型(2k+1)(k为正整数)电平变换器拓扑图；

图4为本发明提出的新型三相七电平变换器拓扑图；

图5为本发明提出的新型六电平变换器拓扑图；

图6为本发明提出的新型八电平变换器拓扑图；

图7为本发明提出的新型(2k+2)(k为正整数)电平变换器拓扑图；

图8为本发明提出的新型三相六电平变换器拓扑图；

图9(a)为本发明提出的第二种新型七电平变换器拓扑图；

图9(b)为本发明提出的第二种新型(2k+1)(k为正整数)电平变换器拓扑图；

图10为本发明提出的第二种新型三相七电平变换器拓扑图；

图11(a)为本发明提出的第三种新型七电平变换器拓扑图；

图11(b)为本发明提出的第三种新型(2k+1)(k为正整数)电平变换器拓扑图；

图12为本发明提出的第三种新型三相七电平变换器拓扑图；

图13为可适用于本发明的双向可控开关示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步详细说明。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。对本领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

图1为本发明提出的新型七电平变换器拓扑图。共直流侧电容由ch1、ch2、ch3及cl3、cl2、cl1共6个均压电容串联组成；电容ch3和cl3中间的节点为o点，电容ch1和ch2之间的节点为oh1点，电容ch2和ch3之间的节点为oh2点，电容ch3和o点之间的节点为oh3点；电容cl1和cl2之间的节点为ol1点，电容cl2和cl3之间的节点为ol2点，电容cl3和o点之间的节点为ol3点；

变换桥臂由th1、th2……th5、th6及tl6、tl5……tl2、tl1共12个带反并联二极管的可控功率器件构成的开关串联组成；开关th6和tl6中间的节点为a点，开关th1和th2之间的节点为ah1点，开关th2和th3之间的节点为ah2点，开关th3和th4之间的节点为ah3点；开关tl1和tl2之间的节点为al1点，开关tl2和tl3之间的节点为al2点，开关tl3和tl4之间的节点为al3点；

单向可控开关电路由上下各3条单向可控开关支路构成。节点oh1和节点ah1之间有一正向的单向可控开关支路，由开关th11组成；节点oh2和节点ah2之间有一正向的单向可控开关支路，由开关th21、th22同向串联组成；节点oh3和节点ah3之间有一正向的单向可控开关支路，由开关th31、th32、th33同向串联组成；这三条单向可控开关支路上开关中二极管中的电流从节点ohi流向节点ahi。节点ol1和节点al1之间有一反向的单向可控开关支路，由开关tl11组成；节点ol2和节点al2之间有一反向的单向可控开关支路，由开关tl21、tl22同向串联组成；节点ol3和节点al3之间有一反向的单向可控开关支路，由开关tl31、tl32、tl33同向串联组成；这三条单向可控开关支路上开关中二极管中的电流从节点ali流向节点oli。

将上述七电平电路做进一步的扩展，可得到图2，为新型九电平变换器拓扑图。与图1相比可以看出，在原来七电平电路的基础上，共直流侧电容在电容ch3和cl3之间自上而下依次增加电容ch4和cl4，变换桥臂开关在开关th6和tl6之间自上而下依次增加开关th7、th8和tl8、tl7，并且在节点oh4和节点ah4之间增加一条新的正向的单向可控开关支路，新的支路由四个开关th41、th42、th43和th44同向串联组成，使得th41、th42、th43和th44中二极管中的电流从节点oh4流向节点ah4；在节点ol4和节点al4之间增加一条新的反向的单向可控开关支路，新的支路由四个开关tl41、tl42、tl43和tl44同向串联组成，使得tl41、tl42、tl43和tl44中二极管中的电流从节点al4流向节点ol4。

根据从七电平到九电平相同的扩展方式，可以得到图3为新型(2k+1)(k为正整数)电平变换器拓扑图。

共直流侧电容由ch1、ch2……ch(k-1)、chk及clk、cl(k-1)……cl2、cl1共2k个均压电容串联组成；电容chk和clk之间的节点为o点，电容ch1和ch2之间的节点为oh1点，电容ch2和ch3之间的节点为oh2点，依此类推，直到电容chk和o点之间的节点为ohk点；电容cl1和cl2之间的节点为ol1点，电容cl2和cl3之间的节点为ol2点，依此类推，直到电容clk和o点之间的节点为olk点；

变换桥臂由th1、th2……th(k-1)、thk、th(k+1)……th(2k-1)、th2k及tl2k、tl(2k-1)……tl(k+1)、tlk、tl(k-1)……tl2、tl1共4k个带反并联二极管的可控功率器件构成的开关串联组成；开关th2k和tl2k之间的节点为a点，开关th1和th2之间的节点为ah1点，开关th2和th3之间的节点为ah2点，依此类推，直到开关thk和th(k+1)之间的节点为ahk点；开关tl1和tl2之间的节点为al1点，开关tl2和tl3之间的节点为al2点，依此类推，直到开关tlk和tl(k+1)之间的节点为alk点；

单向可控开关电路由上下各k条单向可控开关支路构成。节点ohi和节点ahi之间有一正向的单向可控开关支路，每条支路由i个开关同向串联组成，使得开关中二极管电流从节点ohi流向节点ahi；节点oli和节点ali之间有一反向的单向可控开关支路，每条支路由i个开关同向串联组成，使得开关中二极管电流从节点ali流向节点oli。

图4为新型三相七电平变换器拓扑图。根据上述新型七电平变换器拓扑的单相电路，三相七电平变换器拓扑由共用的直流侧串联电容、三个相同的变换桥臂以及连接共直流侧电容和变换桥臂的单向可控开关电路构成，每个桥臂上引出的各单向可控开关支路在共直流侧电容上的不同连接节点也共用，得到三个交流侧节点a、b、c，三个交流侧节点a、b、c与三相负载相连接构成三相电路。

图5为本发明提出的新型六电平变换器拓扑图。共直流侧电容由ch1、ch2、c3及cl2、cl1共5个均压电容串联组成；电容cl1的负极为o点，电容ch1和ch2之间的节点为oh1点，电容ch2和ch3之间的节点为oh2点；电容cl1和cl2之间的节点为ol1点，电容cl2和cl3之间的节点为ol2点；

变换桥臂由th1、th2……th4、th5及tl5、tl4……tl2、tl1共10个带反并联二极管的可控功率器件构成的开关串联组成；开关th5和tl5之间的节点为a点，开关th1和th2之间的节点为ah1点，开关th2和th3之间的节点为ah2点；开关tl1和tl2之间的节点为al1点，开关tl2和tl3之间的节点为al2点；

单向可控开关电路由上下各2条单向可控开关支路构成。节点oh1和节点ah1之间有一正向的单向可控开关支路，由开关th11组成；节点oh2和节点ah2之间有一正向的单向可控开关支路，由开关th21、th22同向串联组成；这两条单向可控开关支路上开关中二极管中的电流从节点ohi流向节点ahi。节点ol1和节点al1之间有一反向的单向可控开关支路，由开关tl11组成；节点ol2和节点al2之间有一反向的单向可控开关支路，由开关tl21、tl22同向串联组成；这两条单向可控开关支路上开关中二极管中的电流从节点ali流向节点oli。

将上述六电平电路做进一步的扩展，可得到图6新型八电平变换器拓扑图。与图5相比可以看出，共直流侧电容由ch1、ch2、ch3、c4及cl3、cl2、cl1共7个均压电容串联组成；变换桥臂开关在开关th5和tl5之间自上而下依次增加开关th6、th7和tl7、tl6，并且在节点oh3和节点ah3之间增加一条新的正向的单向可控开关支路，新的支路由三个开关th31、th32和th33串联组成，使得th31、th32和th33中二极管中的电流从节点oh3流向节点ah3；在节点ol3和节点al3之间增加一条新的反向的单向可控开关支路，新的支路由三个开关tl31、tl32和tl33串联组成，使得tl31、tl32和tl33中二极管中的电流从节点al3流向节点ol3。

根据从六电平到八电平相同的扩展方式，可以得到图7为新型(2k+2)电平变换器拓扑图。共直流侧电容由ch1、ch2……ch(k-1)、chk、c(k+1)及clk、cl(k-1)……cl2、cl1共(2k+1)个均压电容串联组成；电容cl1的负极为o点，电容ch1和ch2之间的节点为oh1点，电容ch2和ch3之间的节点为oh2点，依此类推，直到电容chk和c(k+1)之间的节点为ohk点；电容cl1和cl2之间的节点为ol1点，电容cl2和cl3之间的节点为ol2点，依此类推，直到电容clk和c(k+1)之间的节点为olk点；

变换桥臂由th1、th2……thk、th(k+1)……th2k、th(2k+1)及tl(2k+1)、tl2k……tl(k+1)、tlk……tl2、tl1共(4k+2)个带反并联二极管的可控功率器件构成的开关串联组成；开关th(2k+1)和tl(2k+1)之间的节点为a点，开关th1和th2之间的节点为ah1点，开关th2和th3之间的节点为ah2点，依此类推，直到开关thk和th(k+1)之间的节点为ahk点；开关tl1和tl2之间的节点为al1点，开关tl2和tl3之间的节点为al2点，依此类推，直到开关tlk和tl(k+1)之间的节点为alk点；

单向可控开关电路由上下各k条单向可控开关支路构成。节点ohi和节点ahi之间有一正向的单向可控开关支路，每条支路由i个开关同向串联组成，使得开关中二极管电流从节点ohi流向节点ahi；节点oli和节点ali之间有一反向的单向可控开关支路，每条支路由i个开关同向串联组成，使得开关中二极管电流从节点ali流向节点oli；

图8为新型三相六电平变换器拓扑图。根据上述新型六电平变换器拓扑的单相电路，三相六电平变换器拓扑由共用的直流侧串联电容、三个相同的变换桥臂以及连接共直流侧电容和变换桥臂的单向可控开关电路构成，每个桥臂上引出的各单向可控开关支路在共直流侧电容上的不同连接节点也共用，得到三个交流侧节点a、b、c，三个交流侧节点a、b、c与三相负载相连接构成三相电路。

在图1提出的新型七电平变换器拓扑图中，单向可控开关电路中上桥臂的第3条支路与下桥臂的第3条支路有共同节点(即共直流侧电容的中点o点)，仅保留这两条钳位支路的反并联二极管，构成如图9(a)所示的第二种新型七电平变换器拓扑图。其中二极管dh33的阴极接于th3与th4之间的节点ah3，二极管dl33的阳极接于tl3与tl4之间的节点al3，二极管dh31和dl31之间的引出线与共直流侧电容的中点o点连接。

根据从七电平变换器拓扑到第二种七电平变换器拓扑的扩展方式，可以得到从(2k+1)电平变换器拓扑到第二种(2k+1)电平变换器拓扑的扩展方式，图9(b)为第二种新型(2k+1)电平变换器拓扑图。二极管dhkk的阴极接于thk和th(k+1)之间的节点ahk，二极管dlkk的阳极接于tlk和tl(k+1)之间的节点alk，二极管dhk1和dlk1之间的引出线与共直流侧电容的中点o点连接。

根据从单相七电平变换器拓扑到三相七电平变换器拓扑的扩展方式，可以得到第二种单相七电平变换器拓扑到第二种三相七电平变换器拓扑的扩展方式，图10为第二种新型三相七电平变换器拓扑图。三个交流侧节点a、b、c与三相负载相连接构成三相电路。

在图1提出的新型七电平变换器拓扑图中，将单向可控开关电路中上桥臂的第3条支路与下桥臂的第3条支路串联起来，一端连接到a点，另一端连接到o点，方向相反的两个开关串联组成一个双向可控开关，构成如图11(a)所示的第三种新型七电平变换器拓扑图。其中双向可控开关tb1一端与tb2连接，另一端与节点o连接；双向可控开关tb3一端与tb2连接，另一端与节点a连接。

根据从七电平变换器拓扑到第三种七电平变换器拓扑的扩展方式，可以得到从(2k+1)电平变换器拓扑到第三种(2k+1)电平变换器拓扑的扩展方式，图11(b)为第三种新型(2k+1)电平变换器拓扑图。双向可控开关tb1一端与tb2连接，另一端与节点o连接；双向可控开关tbk一端与tb(k-1)连接，另一端与节点a连接。

根据从单相七电平变换器拓扑到三相七电平变换器拓扑的扩展方式，可以得到第三种单相七电平变换器拓扑到第三种三相七电平变换器拓扑的扩展方式，图12为第二种新型三相七电平变换器拓扑图。三个交流侧节点a、b、c与三相负载相连接构成三相电路。

图13为可适用于本发明的双向可控开关示意图。每个双向可控开关tbi可以通过两个反向串联连接的开关tbi1和tbi2构成或者其他可实现双向开关功能的半导体器件及其拓扑电路实现。

可通过增加共直流侧电容以及变换桥臂上开关数目、单向可控开关支路数目，来提高变换器的电平数。

以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出：本发明并不局限于上述特定实施方式，本技术领域的技术人员在权利要求的范围内还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。