電容自平衡t型多電平整流器的拓撲結構的製作方法
2023-10-23 12:37:52 3
專利名稱：電容自平衡t型多電平整流器的拓撲結構的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種多電平T型整流電路的拓撲結構，特別涉及一種電容自平衡的T型多電 平整流器拓撲結構。
背景技術：
兩電平變換器電路在鐵路，工業等各個領域有著十分廣泛的應用，然後在高壓領域的應 用中，兩電平變換器由於受到器件耐壓的限制，必須通過變壓器與高壓電網相連，笨重的工 頻變壓器大大增加了電力電子變換裝置的成本和體積。目前，在現有的多電平變換器的拓撲 結構中，隨著電平數量的增多，所需的半導體器件的數量急劇增加，各個電容電壓不容易平 衡是現有多電平結構中常見的問題，使得多電平在實際使用中有一定的限制。
在申請人為北京交通大學、申請號為200810118835. 1、名稱為多電平整流的T型變換器 拓撲結構的專利申請中，提出了T型多電平整流電路，使得多電平變換器更容易拓展，且元 器件數目比傳統的多電平變換器更少，降壓了其成本。
上述的申請號為200810118835. 1的專利中的電路無法獨立對各個電容進行充電，電壓不
易實現平衡。圖1為傳統T型變換器的拓撲結構，通過Cn 、 CT2 、 CTk ， CB1 、 CB2……
C肌.P C祉共2k個電容構成T型變換器的縱軸，通過Sp S2……Sw、 Sk、 Slb、 S2b……S^)b、 Skb共2k個雙向可控開關構成T型變換器的橫軸，雙向開關S。 Si+1 (i=l，2……k-l)之間的 節點和電容C^、 CTi+1 (i=l,2……k-l)之間的節點之間是由單向開關S^、 STk2……S，k)構 成從橫軸流向縱軸的單向整流支路，雙向開關Sj、 S1+I (i=l,2……k-l)之間的節點和C^與 CB(i+1) (i=l,2……k-l)的節點之間有一反方向的單向整流支路，該支路是由單向開關S^、 SBk2……SBk,構成從縱軸流向橫軸的單向整流支路。當對C^進行充電時，其充電迴路是 雙向開關Sp Sw……Si+1、 STi(2l)……STil、電容CV C，)……CT1、 Skb、雙向開關S糾b…… S,b或雙向開關Skb、 S(k.1)b……S(i+1)b、 ST,(2i)b……S貓、電容CT,、 CT(M)……CT1、 skb、雙向開 關s^)……s"且橫軸以下的電容的充電迴路與上述迴路關於橫軸對稱。從上面的描述可以 看出，電容CT,充電的同時，電容c^w、……c^,也被充電，即是級數高的電容在充電時，會同時給級數低的電容充電。這將使得各個電容上的能量不平衡，電壓無法平衡。
發明內容
本發明所要解決的技術問題是解決T型變換器中各個電容不平衡的限制，實現各個電 容充電能獨立控制。
為了達到上述目的，本發明的技術方案如下-
通過2k個電容，電容串聯構成T型變換器的縱軸；分為上下平均兩組電容，中間點接地； k個雙向開關構成T型變換器的橫軸；雙向開關之間的節點和對應的縱軸上半部分電容的節 點之間有單向可控支路，在雙向開關之間的節點和對應的縱軸下半部分電容的節點之間是由 單向可控開關構成從縱軸流向橫軸的單向可控支路，與前述的可控支路的方向相反；橫軸及 可控支路關於縱軸對稱得到橫軸延長線以及橫軸延長線以及縱軸之間的可控支路。可控支路 的最外層為單向整流支路。T型橫軸的最後一個開關的一端接交流端，通過電感接到交流電 源的輸出端，交流電源的另一端與橫軸延長線的最外端相連。k為一個正整數常數，
i=l，2……k-l。
與原有T型整流電路拓撲相比，即是把單向整流支路的最高電平一級保留，而非最高電 平一級的電單向整流支路替換成單向可控支路，由單向可控開關替換原有的二極 管。
本發明的有益效果
與傳統的通用型多電平變換器相比，解決原有T型變換器的電容不平衡限制，為T型整 流電路的進一步推廣提供有效的技術解決方案。
圖1為原T型整流拓撲的結構圖。 圖2為電容自平衡T型多電平整流器拓撲結構。 圖3 (a)為單向開關的MOSFET等效示意圖。 圖3 (b)為單向開關的IGBT等效示意圖。 圖4(a)為雙向開關的構成的示例。 圖4(b)為雙向開關的等效結構。
具體實施例方式
結合附圖對本發明作進一步說明圖1為原T型整流拓撲的結構圖，在前面的背景技術裡面已經有了詳細的介紹。
圖2為電容自平衡t型多電平整流器拓撲結構，通過2k個電容，電容cT1 、 cT2……、
CTk&CB1、 CB2……Cb^)、 CBk，串聯構成T型變換器的縱軸；雙向開關Sp S2……S^、 Sk 構成T型變換器的橫軸；雙向開關S。 S,w之間的節點和CT,、 <^(1+1)的節點之間是由單向開 關S^， STi2……S"(w構成的可控支路；雙向開關Si、《+1之間的節點和^與(:^+1)間的節點 是由單向開關S^， SBl2……SB,(w構成的可控支路；Sk是T型橫軸的最後一個開關，其一端 與Sk.,相連，另一端是交流端，通過電感接到交流電源的輸出端，並同時通過兩條支路與縱軸 相連，其中一條是通過單向不控器件s^、 STk2……STk,構成從橫軸流向縱軸的單向整流支
路與CTk的正極相連，另一條是通過單向不控器件S^、 SBk2……S^^)構成從縱軸流向橫軸
的單向整流支路與Cek的負極相連；橫軸的雙向可控開關S,的兩個端子中，有一個端子與S2相
連，另一端子與縱軸電容的中點相連；以縱軸為對稱軸，將橫軸及橫軸與縱軸間的各個支路 進行對稱鏡象；橫軸得到關於縱軸對稱的延長線，由雙向開關S,b、 S2b……S^》、Skb構成，
各個支路鏡像得到橫軸延長線與縱軸間的各個支路，單向開關s^， sTi2……s，i)構成的可控 支路關於縱軸的鏡像支路是由單向可控開關Smb， sTi2b……s，i)b構成的可控支路，單向開關 SBil， SBi2……Seipi)構成的可控支路關於縱軸的鏡像支路是由單向可控開關S^b， SBi2b…… S，i)b構成的可控支路；單向不控器件S^、 STk2……S,k,構成從橫軸流向縱軸的單向整流支
路關於縱軸的鏡像支路是單向不控器件S^b、 STk2b……STk,b構成的單向整流支路；單向不
控器件s^ 、 SBk2……SBk(2k)構成從橫軸流向縱軸的單向整流支路關於縱軸的鏡像支路是單向
不控器件S祉,b、 SBk2b……S叫測b構成的單向整流支路；其中，k為一個正整數常數，
i=l,2……k-l。
橫軸的雙向可控開關S,的兩個端子中，有一個端子與S2相連，另一端子與縱軸電容的中
點相連。進行電平擴展時，Sk 、 CTk、 CBk、 STkl 、 sTk2......STk(2k)、 SBkl、 sBk2......sBk(2k) 、 Skb、
sTklb、 sTk2b……sTk(2k)b、 sBklb、 sBk2b……s叫測b同時出現，並按上述所描述的連接方式接入到T型的三個端點上。按上述方式，通過增加橫軸上的雙向可控開關，縱軸上的電容、單向 整流支路，可提高變換器的電平數。
在技術背景裡面已經提到了原T型整流變換器拓撲中的各個電容無法獨立充電，因此造
成了能量不平衡。此處改進的方案旨在解決此問題，如果對電容Cn進行充電，其充電迴路可 選擇
(1) 雙向開關Sk 、 Sw……S1+1 、單向開關STl(2,)……STll 、電容CT,、單向開關S 1))b……
ST(1.i)ib 、雙向開關s,b......s(k.1)b 、 skb 。
(2) 雙向開關S"、 S(k-1)b……S(,+1)b、單向開關ST偶b……STi,b、電容CTi、單向開關 ST(i-ix2(i-i))s叫w 、雙向開關S;......S(k.1)b 、 Skb 。
從中可以看出電容CTi的充電迴路不再包括其他電容。
對於縱軸上的任一個電容，均可選擇獨立的充電迴路或是通過對各個電容進行組合控制， 實現電容電壓的平衡。
圖3 (a)為單向開關的MOSFET等效示意圖。圖3 (b)為單向開關的IGBT等效示意圖。
圖4(a)為雙向開關的構成的示例。圖4(b)為雙向開關的等效結構。圖4 (a)及圖4 (b) 為開關Sk的構成的示例，僅給出了兩種構成方式。通過可控器件及其拓撲電路進行組合，或
通過與其他不可控器件一起構成雙向可控開關。通過將圖2中的Lkl和L。端子與Sk的兩個引 出端子對接替換，即可構成完整的雙向可控開關。
權利要求
1. 電容自平衡T型多電平整流器的拓撲結構，其特徵在於通過2k個電容，電容CT1、CT2……CT(k-1)、CTk及CB1、CB2……CB(k-1)、CBk，串聯構成T型變換器的縱軸；雙向開關S1、S2……Sk-1、Sk構成T型變換器的橫軸；雙向開關Si、Si+1之間的節點和CTi、CT(i+1)的節點之間是由單向開關STi1，STi2……STi(2i)構成的可控支路；雙向開關Si、Si+1之間的節點和CBi與CB(i+1)間的節點是由單向開關SBi1，SBi2……SBi(2i)構成的可控支路；Sk是T型橫軸的最後一個開關，其一端與Sk-1相連，另一端是交流端，通過電感接到交流電源的輸出端，並同時通過兩條支路與縱軸相連，其中一條是通過單向不控器件STk1、STk2……STk(2k)構成從橫軸流向縱軸的單向整流支路與CTk的正極相連，另一條是通過單向不控器件SBk1、SBk2……SBk(2k)構成從縱軸流向橫軸的單向整流支路與CBk的負極相連；橫軸的雙向可控開關S1的兩個端子中，有一個端子與S2相連，另一端子與縱軸電容的中點相連；以縱軸為對稱軸，將橫軸及橫軸與縱軸間的各個支路進行對稱鏡象；橫軸得到關於縱軸對稱的延長線，由雙向開關S1b、S2b……S(k-1)b、Skb構成，各個支路鏡像得到橫軸延長線與縱軸間的各個支路，單向開關STi1，STi2……STi(2i)構成的可控支路關於縱軸的鏡像支路是由單向可控開關STi1b，STi2b……STi(2i)b構成的可控支路，單向開關SBi1，SBi2……SBi(2i)構成的可控支路關於縱軸的鏡像支路是由單向可控開關SBi1b，SBi2b……SBi(2i)b構成的可控支路；單向不控器件STk1、STk2……STk(2k)構成從橫軸流向縱軸的單向整流支路關於縱軸的鏡像支路是單向不控器件STk1b、STk2b……STk(2k)b構成的單向整流支路；單向不控器件SBk1、SBk2……SBk(2k)構成從橫軸流向縱軸的單向整流支路關於縱軸的鏡像支路是單向不控器件SBk1b、SBk2b……SBk(2k)b構成的單向整流支路；其中，k為一個正整數常數，i＝1，2……k-1。
2. 根據權利要求1所述的電容自平衡T型多電平整流器拓撲結構，其特徵在於Sk 、 Skb 、C丁k 、 CBk 、 STkl ， STk2......STk(2k) 、 SBkl ， SBk2......SBk(2k) 、 STklb ， STk2b......STk(2k)b 、 SBklb ， SBk2b......S叫2k)b作為擴展單元，按上述所描述的連接方式與T型的三個端點相連，將增加電平數；當電平數由k-l增加為k時，原來的支路上的單向不控器件S^ ， ST(k.1)2……S,d,.d) 、 SB(k,，OB(k-l)2 0B(k-l)(2(k-l)) 、 DT(k-l)lb ,0T(k-l)2b 0T(k-l)(2(k-l))b 、 0B(k-l)lb ，0B(k-l)2b 0B(k-lX2(k-l))b 0:1平|WJ可控器件替代。
3. 根據權利要求1所述的電容自平衡T型多電平整流器拓撲結構，其特徵在於該拓撲中橫軸上的雙向開關可以有多種構成形式，通過可控器件如MOSFET、 IGBT等與其他半導 體器件構成雙向可控的開關單元；因此，Sk有多種組成形式，可以通過兩個IGBT反向串聯或者其他可實現雙向開關功能的半導體器件及其拓撲電路實現，例如Mkl和組成對管結 構，Mk與Dk。 Dk2、 Dk3、 D"構成的雙向結構。
4. 根據權利要求1所述的電容自平衡T型多電平整流器拓撲結構，其特徵在於:開關S 、 S21……&,、 S12……Si2、 Sllb、 S21b……&lb、 S12b……^b選擇可控電力電子開關IGBT、 MOSFET及等效含反並聯二極體的可控開關拓撲。
全文摘要
本發明公開了一種電容自平衡T型多電平整流器的拓撲結構，其特徵在於通過2k個電容，電容CT1、CT2……CT(k-1)、CTk及CB1、CB2……CB(k-1)、CBk，串聯構成T型變換器的縱軸；雙向開關S1、S2……Sk-1、Sk、S1b、S2b……Skb構成T型變換器的橫軸；雙向開關Si、Si+1之間的節點和各個對應級數的電容的節點之間是由單向開關STi1，STi2……STi(2i)或SBi1，SBi2……SBi(2i)構成的可控支路，而STk1，STk2……STk(2k)或SBk1，SBk2……SBk(2k)是二極體構成的單向整流支路。Sk是T型橫軸上級數最高的開關這一，其一端與Sk-1相連，另一端是交流端，通過電感接到交流電源的輸出端，交流電源的另一輸出端與另一個T型橫軸上級數最高的開關Skb的一端相連。其中，k為正整數，i為小於k的正整數。
文檔編號H02M7/12GK101414794SQ20081022750
公開日2009年4月22日 申請日期2008年11月28日 優先權日2008年11月28日
發明者湖 孫, 張立偉, 楊中平, 飛 林, 遊小傑, 王琛琛, 賀明智, 鄭瓊林, 郝瑞祥, 黃先進 申請人:北京交通大學