电容自平衡t型多电平整流器的拓扑结构的制作方法

专利名称：电容自平衡t型多电平整流器的拓扑结构的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种多电平T型整流电路的拓扑结构，特别涉及一种电容自平衡的T型多电 平整流器拓扑结构。
背景技术：
两电平变换器电路在铁路，工业等各个领域有着十分广泛的应用，然后在高压领域的应 用中，两电平变换器由于受到器件耐压的限制，必须通过变压器与高压电网相连，笨重的工 频变压器大大增加了电力电子变换装置的成本和体积。目前，在现有的多电平变换器的拓扑 结构中，随着电平数量的增多，所需的半导体器件的数量急剧增加，各个电容电压不容易平 衡是现有多电平结构中常见的问题，使得多电平在实际使用中有一定的限制。
在申请人为北京交通大学、申请号为200810118835. 1、名称为多电平整流的T型变换器 拓扑结构的专利申请中，提出了T型多电平整流电路，使得多电平变换器更容易拓展，且元 器件数目比传统的多电平变换器更少，降压了其成本。
上述的申请号为200810118835. 1的专利中的电路无法独立对各个电容进行充电，电压不
易实现平衡。图1为传统T型变换器的拓扑结构，通过Cn 、 CT2 、 CTk ， CB1 、 CB2……
C肌.P C祉共2k个电容构成T型变换器的纵轴，通过Sp S2……Sw、 Sk、 Slb、 S2b……S^)b、 Skb共2k个双向可控开关构成T型变换器的横轴，双向开关S。 Si+1 (i=l，2……k-l)之间的 节点和电容C^、 CTi+1 (i=l,2……k-l)之间的节点之间是由单向开关S^、 STk2……S，k)构 成从横轴流向纵轴的单向整流支路，双向开关Sj、 S1+I (i=l,2……k-l)之间的节点和C^与 CB(i+1) (i=l,2……k-l)的节点之间有一反方向的单向整流支路，该支路是由单向开关S^、 SBk2……SBk,构成从纵轴流向横轴的单向整流支路。当对C^进行充电时，其充电回路是 双向开关Sp Sw……Si+1、 STi(2l)……STil、电容CV C，)……CT1、 Skb、双向开关S糾b…… S,b或双向开关Skb、 S(k.1)b……S(i+1)b、 ST,(2i)b……S猫、电容CT,、 CT(M)……CT1、 skb、双向开 关s^)……s"且横轴以下的电容的充电回路与上述回路关于横轴对称。从上面的描述可以 看出，电容CT,充电的同时，电容c^w、……c^,也被充电，即是级数高的电容在充电时，会同时给级数低的电容充电。这将使得各个电容上的能量不平衡，电压无法平衡。

发明内容
本发明所要解决的技术问题是解决T型变换器中各个电容不平衡的限制，实现各个电 容充电能独立控制。
为了达到上述目的，本发明的技术方案如下-
通过2k个电容，电容串联构成T型变换器的纵轴；分为上下平均两组电容，中间点接地； k个双向开关构成T型变换器的横轴；双向开关之间的节点和对应的纵轴上半部分电容的节 点之间有单向可控支路，在双向开关之间的节点和对应的纵轴下半部分电容的节点之间是由 单向可控开关构成从纵轴流向横轴的单向可控支路，与前述的可控支路的方向相反；横轴及 可控支路关于纵轴对称得到横轴延长线以及横轴延长线以及纵轴之间的可控支路。可控支路 的最外层为单向整流支路。T型横轴的最后一个开关的一端接交流端，通过电感接到交流电 源的输出端，交流电源的另一端与横轴延长线的最外端相连。k为一个正整数常数，
i=l，2……k-l。
与原有T型整流电路拓扑相比，即是把单向整流支路的最高电平一级保留，而非最高电 平一级的电单向整流支路替换成单向可控支路，由单向可控开关替换原有的二极 管。
本发明的有益效果
与传统的通用型多电平变换器相比，解决原有T型变换器的电容不平衡限制，为T型整 流电路的进一步推广提供有效的技术解决方案。


图1为原T型整流拓扑的结构图。 图2为电容自平衡T型多电平整流器拓扑结构。 图3 (a)为单向开关的MOSFET等效示意图。 图3 (b)为单向开关的IGBT等效示意图。 图4(a)为双向开关的构成的示例。 图4(b)为双向开关的等效结构。
具体实施例方式
结合附图对本发明作进一步说明图1为原T型整流拓扑的结构图，在前面的背景技术里面已经有了详细的介绍。
图2为电容自平衡t型多电平整流器拓扑结构，通过2k个电容，电容cT1 、 cT2……、
CTk&CB1、 CB2……Cb^)、 CBk，串联构成T型变换器的纵轴；双向开关Sp S2……S^、 Sk 构成T型变换器的横轴；双向开关S。 S,w之间的节点和CT,、 <^(1+1)的节点之间是由单向开 关S^， STi2……S"(w构成的可控支路；双向开关Si、《+1之间的节点和^与(:^+1)间的节点 是由单向开关S^， SBl2……SB,(w构成的可控支路；Sk是T型横轴的最后一个开关，其一端 与Sk.,相连，另一端是交流端，通过电感接到交流电源的输出端，并同时通过两条支路与纵轴 相连，其中一条是通过单向不控器件s^、 STk2……STk,构成从横轴流向纵轴的单向整流支
路与CTk的正极相连，另一条是通过单向不控器件S^、 SBk2……S^^)构成从纵轴流向横轴
的单向整流支路与Cek的负极相连；横轴的双向可控开关S,的两个端子中，有一个端子与S2相
连，另一端子与纵轴电容的中点相连；以纵轴为对称轴，将横轴及横轴与纵轴间的各个支路 进行对称镜象；横轴得到关于纵轴对称的延长线，由双向开关S,b、 S2b……S^》、Skb构成，
各个支路镜像得到横轴延长线与纵轴间的各个支路，单向开关s^， sTi2……s，i)构成的可控 支路关于纵轴的镜像支路是由单向可控开关Smb， sTi2b……s，i)b构成的可控支路，单向开关 SBil， SBi2……Seipi)构成的可控支路关于纵轴的镜像支路是由单向可控开关S^b， SBi2b…… S，i)b构成的可控支路；单向不控器件S^、 STk2……S,k,构成从横轴流向纵轴的单向整流支
路关于纵轴的镜像支路是单向不控器件S^b、 STk2b……STk,b构成的单向整流支路；单向不
控器件s^ 、 SBk2……SBk(2k)构成从横轴流向纵轴的单向整流支路关于纵轴的镜像支路是单向
不控器件S祉,b、 SBk2b……S叫測b构成的单向整流支路；其中，k为一个正整数常数，
i=l,2……k-l。
横轴的双向可控开关S,的两个端子中，有一个端子与S2相连，另一端子与纵轴电容的中
点相连。进行电平扩展时，Sk 、 CTk、 CBk、 STkl 、 sTk2......STk(2k)、 SBkl、 sBk2......sBk(2k) 、 Skb、
sTklb、 sTk2b……sTk(2k)b、 sBklb、 sBk2b……s叫測b同时出现，并按上述所描述的连接方式接入到T型的三个端点上。按上述方式，通过增加横轴上的双向可控开关，纵轴上的电容、单向 整流支路，可提高变换器的电平数。
在技术背景里面已经提到了原T型整流变换器拓扑中的各个电容无法独立充电，因此造
成了能量不平衡。此处改进的方案旨在解决此问题，如果对电容Cn进行充电，其充电回路可 选择
(1) 双向开关Sk 、 Sw……S1+1 、单向开关STl(2,)……STll 、电容CT,、单向开关S 1))b……
ST(1.i)ib 、双向开关s,b......s(k.1)b 、 skb 。
(2) 双向开关S"、 S(k-1)b……S(,+1)b、单向开关ST偶b……STi,b、电容CTi、单向开关 ST(i-ix2(i-i))s叫w 、双向开关S;......S(k.1)b 、 Skb 。
从中可以看出电容CTi的充电回路不再包括其他电容。
对于纵轴上的任一个电容，均可选择独立的充电回路或是通过对各个电容进行组合控制， 实现电容电压的平衡。
图3 (a)为单向开关的MOSFET等效示意图。图3 (b)为单向开关的IGBT等效示意图。
图4(a)为双向开关的构成的示例。图4(b)为双向开关的等效结构。图4 (a)及图4 (b) 为开关Sk的构成的示例，仅给出了两种构成方式。通过可控器件及其拓扑电路进行组合，或
通过与其他不可控器件一起构成双向可控开关。通过将图2中的Lkl和L。端子与Sk的两个引 出端子对接替换，即可构成完整的双向可控开关。
权利要求
1. 电容自平衡T型多电平整流器的拓扑结构，其特征在于通过2k个电容，电容CT1、CT2……CT(k-1)、CTk及CB1、CB2……CB(k-1)、CBk，串联构成T型变换器的纵轴；双向开关S1、S2……Sk-1、Sk构成T型变换器的横轴；双向开关Si、Si+1之间的节点和CTi、CT(i+1)的节点之间是由单向开关STi1，STi2……STi(2i)构成的可控支路；双向开关Si、Si+1之间的节点和CBi与CB(i+1)间的节点是由单向开关SBi1，SBi2……SBi(2i)构成的可控支路；Sk是T型横轴的最后一个开关，其一端与Sk-1相连，另一端是交流端，通过电感接到交流电源的输出端，并同时通过两条支路与纵轴相连，其中一条是通过单向不控器件STk1、STk2……STk(2k)构成从横轴流向纵轴的单向整流支路与CTk的正极相连，另一条是通过单向不控器件SBk1、SBk2……SBk(2k)构成从纵轴流向横轴的单向整流支路与CBk的负极相连；横轴的双向可控开关S1的两个端子中，有一个端子与S2相连，另一端子与纵轴电容的中点相连；以纵轴为对称轴，将横轴及横轴与纵轴间的各个支路进行对称镜象；横轴得到关于纵轴对称的延长线，由双向开关S1b、S2b……S(k-1)b、Skb构成，各个支路镜像得到横轴延长线与纵轴间的各个支路，单向开关STi1，STi2……STi(2i)构成的可控支路关于纵轴的镜像支路是由单向可控开关STi1b，STi2b……STi(2i)b构成的可控支路，单向开关SBi1，SBi2……SBi(2i)构成的可控支路关于纵轴的镜像支路是由单向可控开关SBi1b，SBi2b……SBi(2i)b构成的可控支路；单向不控器件STk1、STk2……STk(2k)构成从横轴流向纵轴的单向整流支路关于纵轴的镜像支路是单向不控器件STk1b、STk2b……STk(2k)b构成的单向整流支路；单向不控器件SBk1、SBk2……SBk(2k)构成从横轴流向纵轴的单向整流支路关于纵轴的镜像支路是单向不控器件SBk1b、SBk2b……SBk(2k)b构成的单向整流支路；其中，k为一个正整数常数，i＝1，2……k-1。
2. 根据权利要求1所述的电容自平衡T型多电平整流器拓扑结构，其特征在于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作为扩展单元，按上述所描述的连接方式与T型的三个端点相连，将增加电平数；当电平数由k-l增加为k时，原来的支路上的单向不控器件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. 根据权利要求1所述的电容自平衡T型多电平整流器拓扑结构，其特征在于该拓扑中横轴上的双向开关可以有多种构成形式，通过可控器件如MOSFET、 IGBT等与其他半导 体器件构成双向可控的开关单元；因此，Sk有多种组成形式，可以通过两个IGBT反向串联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，例如Mkl和组成对管结 构，Mk与Dk。 Dk2、 Dk3、 D"构成的双向结构。
4. 根据权利要求1所述的电容自平衡T型多电平整流器拓扑结构，其特征在于:开关S 、 S21……&,、 S12……Si2、 Sllb、 S21b……&lb、 S12b……^b选择可控电力电子开关IGBT、 MOSFET及等效含反并联二极管的可控开关拓扑。
全文摘要
本发明公开了一种电容自平衡T型多电平整流器的拓扑结构，其特征在于通过2k个电容，电容C_T1、C_T2……C_T(k-1)、C_Tk及C_B1、C_B2……C_B(k-1)、C_Bk，串联构成T型变换器的纵轴；双向开关S₁、S₂……S_k-1、S_k、S_1b、S_2b……S_kb构成T型变换器的横轴；双向开关S_i、S_i+1之间的节点和各个对应级数的电容的节点之间是由单向开关S_Ti1，S_Ti2……S_Ti(2i)或S_Bi1，S_Bi2……S_Bi(2i)构成的可控支路，而S_Tk1，S_Tk2……S_Tk(2k)或S_Bk1，S_Bk2……S_Bk(2k)是二极管构成的单向整流支路。S_k是T型横轴上级数最高的开关这一，其一端与S_k-1相连，另一端是交流端，通过电感接到交流电源的输出端，交流电源的另一输出端与另一个T型横轴上级数最高的开关S_kb的一端相连。其中，k为正整数，i为小于k的正整数。
文档编号H02M7/12GK101414794SQ20081022750
公开日2009年4月22日 申请日期2008年11月28日 优先权日2008年11月28日
发明者湖 孙, 张立伟, 杨中平, 飞 林, 游小杰, 王琛琛, 贺明智, 郑琼林, 郝瑞祥, 黄先进 申请人:北京交通大学