三角形多电平变换器及其控制方法与流程

本申请涉及多电平变换器技术领域，尤其涉及一种三角形多电平变换器及其控制方法。

背景技术：

多电平逆变器自1981年提出以来，在学术界和工业界得到广泛的关注和应用。其中已经产品化的拓扑包括二极管箝位三电平逆变器、h桥级联型多电平逆变器以及模块化多电平逆变器等。h桥级联型多电平逆变器需要大量的独立电源，通常采用一个多绕组移相变压器，不仅体积大，成本也很高。模块化多电平逆变器在柔性直流输电领域应用广泛，但其主要缺点也是悬浮电容数量多，体积大，成本高。二极管箝位型三电平逆变器由于不需要悬浮电容和单一直流电源供电，使用开关器件数量少，结构紧凑，在所有拓扑中功率密度最高。但当扩展到更多电平时，二极管箝位型拓扑存在二极管数量急剧增多的问题，增加了系统体积和成本，同时输出回路中大量的开关管也造成系统通态损耗较大。

技术实现要素：

本申请旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

为此，本申请的第一个目的在于提出一种三角形多电平变换器，使用器件数量少，不需要使用悬浮电容，大幅减小了系统的体积和重量，提高了效率并降低了成本。

本申请的第二个目的在于提出一种三角形多电平变换器的控制方法。

为达上述目的，本申请第一方面实施例提出了一种三角形多电平变换器，包括：

以一个两电平半桥电路为第1层，半桥电路的电容(c1)为三角形的垂直边；第一开关管(s1)为斜边，第二开关管(s1')为水平边，交流输出端为x1；

在所述三角形的垂直边上串联一个直流电容(c2)，所述直流电容(c2)与电容(c1)相连；

在所述三角形的斜边上串联一个第三开关管(s2)，所述第三开关管(s2)与所述第一开关管(s1)相连；第四开关管(s2')连接所述直流电容(c2)与所述第三开关管(s2)形成一条新水平边，所述第四开关管(s2')与所述直流电容(c2)相连，所述第四开关管(s2')与所述第三开关管(s2)相连并作为新的交流输出端x2；

重复上述过程，生成n层电路结构，直流母线为n个直流电容串联，若每个电容电压为e，则输出端xn可输出0，e，2e，……，ne共n+1个电平。

在本申请的一个实施例中，所述三角形为正三角形；

在所述正三角形的垂直边往下串联所述直流电容(c2)，所述直流电容(c2)的正极与所述电容(c1)的负极相连；；

在所述正三角形的斜边往下串联所述第三开关管(s2)，所述第三开关管(s2)的集电极与所述第一开关管(s1)的发射极相连，所述第四开关管(s2')连接所述直流电容(c2)的负极与所述第三开关管(s2)的发射极形成一条新的水平边，所述第四开关管(s2')的发射极与所述直流电容(c2)的负极相连，所述第四开关管(s2')的集电极与所述第三开关管(s2)的发射极相连并作为所述x2。

在本申请的一个实施例中，所述三角形为倒三角形；

在所述正三角形的垂直边往上串联所述直流电容(c2)，所述直流电容(c2)的负极与所述电容(c1)的正极相连；

在所述正三角形的斜边往上串联所述第三开关管(s2)，所述第三开关管(s2)的发射极与所述第一开关管(s1)的集电极相连，所述第四开关管(s2')连接所述直流电容(c2)的正极与所述第三开关管(s2)的集电极形成一条新的水平边，所述第四开关管(s2')的集电极与所述直流电容(c2)的正极相连，所述第四开关管(s2')的发射极与所述第三开关管(s2)的集电极相连并作为所述x2。

在本申请的一个实施例中，所述正三角形的多电平变换器的所有水平边的全部开关管只保留其反并联二极管d1'-dn'，并在交流输出端xn串联一个电感后接到直流输入电源的负极，直流母线正极接到直流输入电源的正极，生成正三角形多电平升压式变换电路，直流母线正极与负极为直流输出端口，输入和输出电压共正极。

在本申请的一个实施例中，所述正三角形的多电平变换器的所有水平边的全部开关管只保留其反并联二极管d1'-dn'，并在交流输出端xn串联一个电感后接到直流输出电容的正极，直流母线负极接到直流输出电容的负极，生成正三角形多电平降压式变换电路，直流母线正极与负极为直流输入端口，输入和输出电压共负极。

在本申请的一个实施例中，所述倒三角形的多电平变换器的所有水平边的全部开关管只保留其反并联二极管d1'-dn'，并在交流输出端xn串联一个电感后接到直流输入电源的正极，直流母线负极接到直流输入电源的负极，生成倒三角形多电平升压式变换电路，直流母线正极与负极为直流输出端口，输入和输出电压共负极。

在本申请的一个实施例中，所述倒三角形的多电平变换器的所有水平边的全部开关管只保留其反并联二极管d1'-dn'，并在交流输出端xn串联一个电感后接到直流输出电容的负极，直流母线正极接到直流输出电容的正极，生成倒三角形多电平降压式变换电路，直流母线正极与负极为直流输入端口，输入和输出电压共正极。

为达上述目的，本申请第二方面实施例提出了一种三角形多电平变换器的控制方法，包括：

所述第一开关管(s1)与所述第二开关管(s1')，所述第三开关管(s2)与第四开关管(s2')，……，所述第n开关管(sn)与所述第n+1开关管(sn')分别互补；

所述第一开关管(s1)先于所述第三开关管(s2)关断，所述第三开关管(s2)先于第五开关管(s3)关断，……，第n-1开关管(sn-1)先于所述第n开关管(sn)关断；

所述第三开关管(s2)先于所述第一开关管(s1)，所述第五开关管(s3)先于所述第三开关管(s2)开通，……，所述第n开关管先于所述第n-1开关管开通；

全部开关管开通时输出电平为ne，所述第一开关管(s1)关断时输出电平为(n-1)e，所述第一开关管(s1)和所述第三开关管(s2)关断时输出电平为(n-2)e，……，s1-sk关断时输出电平为(n-k)e(k＝1,2,……，n)，当全部开关管关断时输出电平为0。

为达上述目的，本申请第三方面实施例提出了一种一种三角形多电平变换器的控制方法，包括：

所述第一开关管(s1)与所述第二开关管(s1')，所述第三开关管(s2)与第四开关管(s2')，……，所述第n开关管(sn)与所述第n+1开关管(sn')分别互补；

所述第一开关管(s1)先于所述第三开关管(s2)关断，所述第三开关管(s2)先于第五开关管(s3)关断，……，第n-1开关管(sn-1)先于所述第n开关管(sn)关断；

所述第三开关管(s2)先于所述第一开关管(s1)，所述第五开关管(s3)先于所述第三开关管(s2)开通，……，所述第n开关管先于所述第n-1开关管开通；

全部开关管开通时输出电平为0，所述第一开关管(s1)关断时输出电平为e，所述第一开关管(s1)和所述第三开关管(s2)关断时输出电平为2e，……，s1-sk关断时输出电平为ke(k＝1,2,……，n)，当全部开关管关断时输出电平为ne。

本申请附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本申请的实践了解到。

附图说明

本申请上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为本申请实施例的正三角形多电平变换器电路；

图2为本申请实施例的正三角形多电平boost(升压式)变换器电路；

图3为本申请实施例的正三角形多电平buck(降压式)变换器电路；

图4为本申请实施例的倒三角形多电平变换器电路；

图5为本申请实施例的倒三角形多电平boost(升压式)变换器电路；

图6为本申请实施例的倒三角形多电平buck(降压式)变换器电路。

具体实施方式

下面详细描述本申请的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。

下面参考附图描述本申请实施例的三角形多电平变换器及其控制方法。

本申请的三角形多电平变换器，包括：以一个两电平半桥电路为第1层，半桥电路的电容(c1)为三角形的垂直边；第一开关管(s1)为斜边，第二开关管(s1')为水平边，交流输出端为x1。

在三角形的垂直边上串联一个直流电容(c2)，直流电容(c2)与电容(c1)相连。

在三角形的斜边上串联一个第三开关管(s2)，第三开关管(s2)与第一开关管(s1)相连；第四开关管(s2')连接直流电容(c2)与第三开关管(s2)形成一条新水平边，第四开关管(s2')与直流电容(c2)相连，第四开关管(s2')与第三开关管(s2)相连并作为新的交流输出端x2。

重复上述过程，生成n层电路结构，直流母线为n个直流电容串联，若每个电容电压为e，则输出端xn可输出0，e，2e，……，ne共n+1个电平。

在本申请的一个实施例中，三角形为正三角形；在正三角形的垂直边往下串联直流电容(c2)，直流电容(c2)的正极与电容(c1)的负极相连；在正三角形的斜边往下串联第三开关管(s2)，第三开关管(s2)的集电极与第一开关管(s1)的发射极相连，第四开关管(s2')连接直流电容(c2)的负极与第三开关管(s2)的发射极形成一条新的水平边，第四开关管(s2')的发射极与直流电容(c2)的负极相连，第四开关管(s2')的集电极与第三开关管(s2)的发射极相连并作为x2。

具体地，如图1所示，一种正三角形多电平变换器电路，以一个两电平半桥电路为第1层，半桥电路的电容c1为正三角形的垂直边，上管s1为斜边，下管s1'为水平边，交流输出端为x1。为扩展到更高电平，需要在该正三角形上扩展更多层。首先在正三角形的垂直边往下串联一个直流电容c2，c2的正极与c1的负极相连；在正三角形的斜边往下串联一个开关管s2，s2的集电极与s1的发射极相连。最后用一个开关管s2'连接直流电容c2的负极与开关管s2的发射极形成一条新的水平边，s2'的发射极与直流电容c2的负极相连，s2'的集电极与s2的发射极相连并作为新的交流输出端x2。以此类推可继续扩展到更多层。每增加一层，输出电压的电平数增加1，同时需要增加一个直流电容和两个开关管。对于n层的电路结构，直流母线为n个直流电容串联，若每个电容电压为e，则输出端xn可输出0，e，2e，……，ne共n+1个电平。

在本申请的一个实施例中，正三角形的多电平变换器的所有水平边的全部开关管只保留其反并联二极管d1'-dn'，并在交流输出端xn串联一个电感后接到直流输入电源的负极，直流母线正极接到直流输入电源的正极，生成正三角形多电平升压式变换电路，直流母线正极与负极为直流输出端口，输入和输出电压共正极。

具体地，将图1正三角形多电平变换器的所有水平边的开关管s1'-sn'只保留其反并联二极管d1'-dn'，并在交流输出端xn串联一个电感后接到直流输入电源的负极，直流母线正极p接到直流输入电源的正极，则可得到一个图2所示正三角形多电平boost电路，直流母线正极p与负极nn为直流输出端口，输入和输出电压共正极。

在本申请的一个实施例中，正三角形的多电平变换器的所有水平边的全部开关管只保留其反并联二极管d1'-dn'，并在交流输出端xn串联一个电感后接到直流输出电容的正极，直流母线负极接到直流输出电容的负极，生成正三角形多电平降压式变换电路，直流母线正极与负极为直流输入端口，输入和输出电压共负极。

具体地，将图1正三角形多电平变换器的所有水平边的开关管s1'-sn'只保留其反并联二极管d1'-dn'，并在交流输出端xn串联一个电感后接到直流输出电容的正极，直流母线负极nn接到直流输出电容的负极，则可得到一个图3所示倒三角形多电平buck电路，直流母线正极p与负极nn为直流输入端口，输入和输出电压共负极。

在本申请的一个实施例中，第一开关管(s1)与第二开关管(s1')，第三开关管(s2)与第四开关管(s2')，……，第n开关管(sn)与第n+1开关管(sn')分别互补；第一开关管(s1)先于第三开关管(s2)关断，第三开关管(s2)先于第五开关管(s3)关断，……，第n-1开关管(sn-1)先于第n开关管(sn)关断；第三开关管(s2)先于第一开关管(s1)，所述第五开关管(s3)先于第三开关管(s2)开通，……，第n开关管先于第n-1开关管开通；全部开关管开通时输出电平为ne，第一开关管(s1)关断时输出电平为(n-1)e，第一开关管(s1)和第三开关管(s2)关断时输出电平为(n-2)e，……，s1-sk关断时输出电平为(n-k)e(k＝1,2,……，n)，当全部开关管关断时输出电平为0。

在本申请的一个实施例中，三角形为倒三角形；在倒三角形的垂直边往上串联直流电容(c2)，直流电容(c2)的负极与所述电容(c1)的正极相连；在倒三角形的斜边往上串联第三开关管(s2)，第三开关管(s2)的发射极与第一开关管(s1)的集电极相连，第四开关管(s2')连接直流电容(c2)的正极与第三开关管(s2)的集电极形成一条新的水平边，第四开关管(s2')的集电极与直流电容(c2)的正极相连，第四开关管(s2')的发射极与第三开关管(s2)的集电极相连并作为x2。

具体地，如图4所示，一种倒三角形多电平变换器电路，以一个两电平半桥电路为第1层，半桥电路的电容c1为倒三角形的垂直边，下管s1为斜边，上管s1'为水平边，交流输出端为x1。为扩展到更高电平，需要在该倒三角形上扩展更多层。首先在倒三角形的垂直边往上串联一个直流电容c2，c2的负极与c1的正极相连；在倒三角形的斜边往上串联一个开关管s2，s2的发射极与s1的集电极相连。最后用一个开关管s2'连接直流电容c2的正极与开关管s2的集电极形成一条新的水平边，s2'的集电极与直流电容c2的正极相连，s2'的发射极与s2的集电极相连并作为新的交流输出端x2。以此类推可继续扩展到更多层。每增加一层，输出电压的电平数增加1，同时需要增加一个直流电容和两个开关管。对于n层的电路结构，直流母线为n个直流电容串联，若每个电容电压为e，则交流输出端xn可输出0，e，2e，……，ne共n+1个电平。

在本申请的一个实施例中，倒三角形的多电平变换器的所有水平边的全部开关管只保留其反并联二极管d1'-dn'，并在交流输出端xn串联一个电感后接到直流输入电源的正极，直流母线负极接到直流输入电源的负极，生成倒三角形多电平升压式变换电路，直流母线正极与负极为直流输出端口，输入和输出电压共负极。

具体地，将图4倒三角形多电平变换器的所有水平边的开关管s1'-sn'只保留其反并联二极管d1'-dn'，并在交流输出端xn串联一个电感后接到直流输入电源的正极，直流母线负极n接到直流输入电源的负极，则可得到一个图5所示倒三角形多电平boost电路，直流母线正极pn与负极n为直流输出端口，输入和输出电压共负极。

在本申请的一个实施例中，倒三角形的多电平变换器的所有水平边的全部开关管只保留其反并联二极管d1'-dn'，并在交流输出端xn串联一个电感后接到直流输出电容的负极，直流母线正极接到直流输出电容的正极，生成倒三角形多电平降压式变换电路，直流母线正极与负极为直流输入端口，输入和输出电压共正极。

具体地，将图4倒三角形多电平变换器的所有水平边的开关管s1'-sn'只保留其反并联二极管d1'-dn'，并在交流输出端xn串联一个电感后接到直流输出电容的负极，直流母线正极pn接到直流输出电容的正极，则可得到一个图6所示倒三角形多电平buck电路，直流母线正极pn与负极n为直流输入端口，输入和输出电压共正极。

由此，倒三角形和正三角形多电平变换器还可以继续简化为多电平buck电路或多电平boost电路以实现单向非隔离dc/dc变换

在本申请的一个实施例中，第一开关管(s1)与所述第二开关管(s1')，所述第三开关管(s2)与第四开关管(s2')，……，所述第n开关管(sn)与所述第n+1开关管(sn')分别互补；第一开关管(s1)先于所述第三开关管(s2)关断，所述第三开关管(s2)先于第五开关管(s3)关断，……，第n-1开关管(sn-1)先于所述第n开关管(sn)关断；述第三开关管(s2)先于所述第一开关管(s1)，所述第五开关管(s3)先于所述第三开关管(s2)开通，……，所述第n开关管先于所述第n-1开关管开通；全部开关管开通时输出电平为0，所述第一开关管(s1)关断时输出电平为e，所述第一开关管(s1)和所述第三开关管(s2)关断时输出电平为2e，……，s1-sk关断时输出电平为ke(k＝1,2,……，n)，当全部开关管关断时输出电平为ne。

该电路使用开关器件少，不使用任何悬浮电容，可提高系统效率，降低成本。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现定制逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本申请的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本申请的实施例所属技术领域的技术人员所理解。

在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备(如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统)使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。就本说明书而言，"计算机可读介质"可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。计算机可读介质的更具体的示例(非穷尽性列表)包括以下：具有一个或多个布线的电连接部(电子装置)，便携式计算机盘盒(磁装置)，随机存取存储器(ram)，只读存储器(rom)，可擦除可编辑只读存储器(eprom或闪速存储器)，光纤装置，以及便携式光盘只读存储器(cdrom)。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印所述程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得所述程序，然后将其存储在计算机存储器中。

应当理解，本申请的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。如，如果用硬件来实现和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(pga)，现场可编程门阵列(fpga)等。

本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。

此外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。

上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。尽管上面已经示出和描述了本申请的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本申请的限制，本领域的普通技术人员在本申请的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。