箝位式多电平变换器用的单相电路拓扑结构的制作方法

专利名称：箝位式多电平变换器用的单相电路拓扑结构的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种电力电子多电平拓朴结构，特指一种电压型交_直-交多电平变换器箝 位型拓朴结构。
背景技术：
多电平变换器是高压大容量功率变换的发展方向，相对于普通两电平电路，多电平逆变 器具有以下优点1) 输出电压更加接近正弦，电压谐波含量小。2) 输出电压dv/dt小，对负载(比如电机)的绝缘影响小，同时大大降低电磁干扰的水 平。3) 以低耐压水平的单管构成高压系统，解决高压系统的单管耐压问题但不需要额外的变 压器，大大减小系统的体积。多电平电路种类很多，从输出电源类型上可以分为电压型和电流型，其中电压型的多电 平逆变器应用非常广泛，本发明属于电压型多电平电路。根据功率单元的组合方式上可以分 为箝位式拓朴和级联式拓朴，其中箝位式拓朴又包括二极管钳位式、电容钳位式，在此基础 上发展出的通用箝位式多电平拓朴结构以及层叠式多电平变换器。1、通用箝位式多电平拓朴结构通用箝位式多电平拓朴结构如图1所示。这种拓朴是用两电平半桥单元组成的拓朴结构， 第一级由一个单元组成，可以输出两个电平；第二级由两个单元组成，和第一级一起可以输出三个电平；如此类推，可以构成一个五电平拓朴。其中开关管Su、 S2,、 S31、 S4i、 S18、 S26、S34、 S"及其反并联二极管为电路的主要器件，通过它们合适的开通和关断，可以产生希望 得到的电压波形。其余的开关管和二极管的通断则起到了箝位和平衡电压的作用。每一级受 到的电压应力为J^.,各级的电压平衡通过箝位开关管和箝位二极管实现，在电路拓朴中，开关的作用有如下的规律1) 每个开关级是一个独立的开关单元。2) 每个开关斜目邻的任何两个开关都是互补的。3) 在一个开关级和周围互补开关组成的范围内，任何一个开关的状态一旦确定，其他开 关的状态也即由电压规律随之确定。这种通用多电平拓朴的特点是1)所需器件和电容数目众多，成本高。对于一个M级电平的通用多电平逆变系统，所需的开关器件/二极管数目为M (M-l);需要的电平数目为M (M-l) /2。2) 可以很好的控制中点电压平衡。这种电路拓朴具有电压自平衡的功能，无需特殊的均 压电路和复杂的电路均压控制就可以实现多电平，对于各种逆变策略和负载情况，都能有效 的控制中点电压，相对各种普通箝位式多电平拓朴极具优势。3) 控制极其灵活。由于可控开关数量众多，对于确定的输出电平，有多种冗余的开关状 态，因而这种拓朴开关模式的控制极其灵活。把通用多电平拓朴结构经过一定的简化处理，就可以得到现在广泛应用的二极管箝位式 和电容箝位式多电平拓朴结构。2、 二极管箝位式多电平拓朴结构二极管箝位式多电平拓朴结构如图2所示，单相全桥5电平二极管箝位电路，直流侧有 4个电容。设直流侧电压为4 则每个电容的电压为I^，箝位二极管的作用是使每个开关器件的耐压保持为一个直流侧电容的电压水平(4)。通过开关组合，输出为5种电平的组合。这种二极管箝位式电路的特点是1) 、嵌位二极管数目多。对于M级电平电路，尽管主开关器件只要承受一个直流电容的 电压(直流电压的M-1分之一)，但箝位二极管的需承受不同的反相电压。假设每个箝位二极 管都选用与主开关器件同样的耐压，则每相需要的箝位二极管的个数为(M-l)x(M-2)。2) 、主开关器件的需要电流容量不相等。各个开关的导通是不对称的，越靠近中间导通 的时间越长，则电流容量越大。3) 、电容电压不平衡。由于各级电容参与输出的时间不同，则在工作中电压会出现不平 衡。对于输出功率因数为0的情况，各级电容在半个输出周期内自行平衡其电压。但对于有 有功输出的情况下，如果不对其进行平衡，将严重影响电路的工作。3、电容箝位式多电平拓朴结构电容箝位式五电平全桥电路的结构图如图3所示。若所有的电容的容量相同，并且与主 开关有相同的耐压，则M级电平需要M-1个直流侧电容。 这种电容箝位式电路的特点是1) 、电容箝位式最大的问题是需要大量的箝位电容。如果电容的耐压与主开关相同，对 于M级电平电路，除去直流侧的M-1个电容外每相还需要(M-l ) x (M-2 ) /2个辅助电容。2) 、相对于二极管箝位式，电容嵌位式有更大的灵活性。对于同一个确定的电压输出， 有多个冗余的开关状态可供选择。对于电容平衡的问题，可以用输出相同电压不同开关组合 对电容进行冲放电来解决，但是由于电容太多，如何选择开关组合将非常复杂，并要求较高 的频率。4、层叠式多电平变换器 层叠式多电平变换器如图4所示，是基于跨接电容和开关组成基本换流单元的一个混合结构。这种结构相当于把两个电容箝位型单元叠加起来，图中Sw、Sw和&为互补开关，不能同时开通，同样其他开关也有类似的互补开关对。上层和下层采用类似电容箝位型的开关 方法，就可以实现多电平的输出。 这种层叠式多电平变换器的特点是1) 、当电压等级相同时，由于层叠式变流器中电容电压降低了一半，总的电容数反而减 少了；并且层叠技术使得变流器中储存的能量减少，减少量和层叠的层数成正比，因此层叠式变流器可以使用更小体积的电容，进一步减少了装置的体积。此外层叠数目越多，输出电 平数也越多，大大改善了输出电压的波形。2) 、为了满足最底层和頂层一方开通时的耐压要求，拓朴中外侧功率开关都是两管直接 串联，带来了开通和关断同步问题，而且由于不是总工作在上述的两个状态，从另一个角度 说，浪费了功率器件的耐压容量，同时，这类拓朴的控制方法也比较复杂。发明内容本发明针对已有箝位型拓朴中，在实现多电平输出时所需的辅助箝位二极管的数量众多， 或对箝位电容的耐压要求高和数量众多，使得变换器成本上升很多的问题，提出 一种新型的 箝位式多电平变换器用的单相电路拓朴结构。减少了较高电压处串联的箝位电容或二极管的 数目，达到了用尽量少的低压器件实现多电平输出的目的。图5为这一发明的一种单相拓朴 示意图，图6为本发明的另一种单相拓朴示意图。本发明的特征之一在于，含有直流输入电容Cdd, Cde2， C^,三者依次串接，在所述输入电容Cdd两端V5和、之间加入 直流输入电压lVd。，在所述输入电容Cde2两端所述V4和V2之间加入直流输入电压2Vde,在 所述输入电容Cd。两端所述V2和y之间加入直流输入电压lVdc,由所述电容C^， Cde2, Cdc3 串联构成的支路上的总直流输入电压为4 Vde;IGBT开关器件S广S2、 S3、 S4、 S5、 &、 §2、 §3、 §4和&，共十个，所述各个IGBT开 关器件从发射极和集电极之间依次分别正向各并接了一个反击穿二极管Dw 、 DS2、 DS3、 DS4、 DS5、 DS1、 DS2、 DS3、 D^和D^，从而构成了十个具有反击穿功能的IGBT开关器件；箝位二极管D,、 D2、 D3、 04共四个，以及一个箝位电容C ,该电容C两端的电压为lVde;其中所述反击穿二极管D^和所述反击穿二极管Ds,正向串接，串接后，该D^管的负极连接 到所述端点V^所述反击穿二极管D^的正极正向串接所述箝位二极管02后与所述端点、相连，同时， 该箝位二极管D2的负极又正向串接所述箝位二极管Di后与反击穿二极管DS1的正极相连，另7外，所述反击穿二极管D^的负极与所述反击穿二极管的正极相连，所述反击穿二极管DS2和所述反击穿二极管DS3正向串接后，该反击穿二极管DS2的正极 与所述端点V,相连，所述反击穿二极管D§2的负极反向串接所述箝位二极管Dg后与所述端点Vj目连，该箝位 二极管D3的正极在正向串接一个所述箝位二极管D4后与所述反击穿二极管DS2的负极相连， 另外，所述反击穿二极管DS2的正极和所述反击穿二极管Dg3的负极相连，所述反击穿二极管055和所述反击穿二极管054正向串接后，连接到所述反击穿二极管 Ds,的正极，所述反击穿二极管054与所述反击穿二极管D^正向串接，串接后，该反击穿二极管D^的 正极与所述反击穿二极管D^的正极相连，而所述箝位电容C的两端分别连接到所述反击穿 二极管DS5的负极和所述反击穿二极管DS5的正极，所述反击穿二极管DS5的正极和所述反击穿二极管DS5的负极相连后，构成所述箝位式五 电平变换器单相拓朴结构的电压输出端v。；当所述开关器件S。旦2、 S3、 S4、 Ss开通，而所述开关器件&、 S2、 §3、 &、 ^关断 时，v。=4Vdc;当所述开关器件^、 &、 S3、 S4、 Ss开通，而所述开关器件S,、 S2、 §3、 §4、 §5关断 时，v =3Vdc;当所述开关器件S。 &、 S3、 S4、 ^开通，而所述开关器件&、 S2、 §3、 §4、 Ss关断 时，v。=3Vdc;当所述开关器件&、 §2、 &、 §4、 Ss开通，而所述开关器件S,、 S2、 S3、 S4、 ^关断 时，v。=2Vdc;当所述开关器件&、 §2、 S3、 S4、 ^开通，而所述开关器件S,、 S2、 §3、 &、 Ss关断 时，v。=2Vdc;当所述开关器件§, 、 S2、 §3、 §4、 Ss开通，而所述开关器件S,、 §2、 S3、 S4、 ^关断 时，v0=Vdc;当所述开关器件g、 §2、 §3、 §4、 ^开通，而所述开关器件S,、 S2、 S3、 S4、 Ss关断时，v =Vdc;当所述开关器件&、 S2、 §3、 &、 §5开通，而所述开关器件S，、 §2、 S3、 S4、 Ss关断时，v =0。本发明的特征之二在于，含有直流输入电容c", c〗e2, c^,三者依次串接，在所述输入电容cL两端v;和V4'之间加入直流输入电压1 vd'e ，在所述输入电容两端所述v4'和v2'之间加入直流输入电压2 vd'e ，在所述输入电容c^两端所述V2'和v/之间加入直流输入电压iv;,由所述电容c", c;^， c;^串联构成的支路上的总直流输入电压为4 VI;iGBT开关器件s;、 s〖、s;、 s;、 s;、 g、 &、 ^、 ^4和§:5,共十个，所述各个igbt 开关器件从发射极和集电极之间依次分别正向各并接了一个反击穿二极管d;, 、 d;2、 d;3 、d;4、 d〖5、 d"、 d"、 d"、 d"和d",从而构成了十个具有反击穿功能的IGBT开关器件； 还有一个箝位电容C',其两端加入直流电压为1v丄； 其中所述开关器件s;的集电极与所述端点v〖相连，所述开关器件^,的发射极与所述端点v:相 连，所述开关器件s;的发射极和开关器件^的集电极相连，所述开关器件s〗的集电极合所述端点v〗相连，所述开关器件3'2的发射极与所述端点v/ 相连，所述开关器件s〖的发射极合开关器件§'2的集电极相连，所述反击穿二极管d"、 d;4、 d;3依次正向串接，串接后，该反击穿二极管d;3的负极与 所述开关器件s;的发射极相连，所述反击穿二极管d"、 d"、 d"依此正向串接，串接后，该反击穿二极管d"的正极与所述开关器件S〗的发射极相连，所述箝位电容c'的一端与所述开关器件s;的集电极相连，而该电容c'的另一端与所述开 关器件&的发射才及相连，开关器件s'5的发射极与开关器件§'5的集电极相连后构成箝位式五电平变换器单相拓朴 结构的电压输出端《；9当所述开关器件s;、 s;、 s;、 s〗、s;开通，而所述开关器件&、 &、 i、 &、 ^关断时，《-4V:;当所述开关器件&、 s'2、 s;、 s;、 s;开通，而所述开关器件s;、 §;2、 g3、 &、 &关断时，《=3"。；当所述开关器件s;、 s'2、 s;、 s'4、 ^开通，而所述开关器件s,、 $2、 ^、 &、 s;关断时，《=3V:;当所述开关器件&、 s;、 §;3、 i、 s;开通，而所述开关器件s;、 s2、 s;、 s;、 ^关断时'《=2Vd'c;当所述开关器件&、 s;、 s;、 s;、 ^开通，而所述开关器件s;、 &、 &3、 &、 s;关断时'《=2V:;当所述开关器件&、 s〗、^、 &4、 ^开通，而所述开关器件s;、 g2、 s;、 s〗、s;关断时，《=V』C;当所述开关器件&、 g2、 &、 s4、 s;开通，而所述开关器件s;、 s'2、 s;、 s:、 §:5关断时，《=V:;当所述开关器件&、 i、 i、 i、 ^开通，而所述开关器件s;、 s'2、 s;、 s〗、s;关断时，v:=0。以上两种新型箝位式五电平电路拓朴结构有如下优点1) 、电路结构大大简化，成本降低。与相同电压等级输出的通用箝位式五电平电路拓朴相比(图1),大大减少了箝位电容和快恢复二极管的数量；比层叠式多电平变换器相比(图4)，所用电容等级相同，却减少了电容数目。2) 、器件耐压水平低，所有器件的最大耐压相同，都为X^ (直流母线电压的1/4)。3) 、不含器件的直接串联，因而与层叠式多电平变换器相比，没有开通和关断的同步问题。


图1为单相通用箝位式五电平变换器主电路拓朴结构； 图2为三相二极管钳位式五电平变换器主电路拓朴结构； 图3为三相电容箝位式五电平变换器主电路拓朴结构； 图4为两层叠两单元SMC多电平变换器主电路拓朴结构；图5为新型箝位式五电平变换器单相拓朴一结构； 图6为新型箝位式五电平变换器单相拓朴二结构； 图7为P丽策略输出逆变器侧输出三相电压波形； 图8为P丽策略输出逆变器侧输出单相电压波形； 图9为PWM策略输出逆变器侧输出线电压波形。
具体实施方式
在图5单相拓朴中包括10个IGBT开关器件，4个箝位二极管以及一个箝位电容。其中S,和^、 82和§2、 83和§3、 84和&、 S5和&分别均为互补开关。在图6单相拓朴中也包括10个IGBT开关器件和一个箝位电容，与图5拓朴相比，省了 4个箝位二才及管。其中s;和g、 s'2和^、 s;和^、 s:和&、 s;和i分别均为互补开关。对于图5单相拓朴结构而言，当要求输出v。二4Vdc时，开通S,、 §2、 S3、 S4、 S5，其余开关管的开关状态可以由互补关系确定，即断开&、 S2、 &、 §4、 &。若电流由逆变器流向负载，电流经过开关管S。 S3、 S4、 S;到达输出端v。；若电流从负载流向逆变器，则电流从输出端v。经过D^、 DS4、 DS3、 Ds,到达逆变器侧p点。当要求输出v。=3VdJ+,有两种开关方案。第一种方案为开通&、 §2、 S3、 S4、 S5,其余开关管的开关状态可以由互补关系确定，即断开S,、 S2、 &、 34、 §5。若电流由逆变器流向负载，电流经过D。 S3、 S4、 Ss到达输出端v。；若电流从负载流向逆变器，则电流从输出端v。经过D^、 DS4、 &、 D2到达逆变器侧V4点。第二种方案为开通S。 &、 S3、 S4、 §5,断开&、 S2、 §3、 &、 S5。若电流由逆变器流向负载，电流经过&、 S3、 S4、 C、 Dy到达输出端v。；若电流从负载流向逆变器，则电流从输出端v。经过&、 C、 DS4、 DS3、 D^到达逆 变器侧p点。当要求输出v。-2Vdc时，有两种开关方案。第一种方案为开通&、 §2、 &、 &、 S5,其余开关管的开关状态可以由互补关系确定，即断开S,、 S2、 S3、 S4、 §5。若电流由逆变器流向负载，电流经过Dg、 §2、 D§4、 C、 Ss到达输出端v。；若电流从负载流向逆变器，则电流从输出端v。经过DM、 C、 &、 §3、 D4到达逆变器侧V2点。第二种方案为开通&、 &、 S3、S4、 断开S,、 S2、 §3、 §4、 S5。若电流由逆变器流向负载，电流经过D,、 S3、 S4、 C、D^到达输出端v。；若电流从负载流向逆变器，则电流从输出端v。经过&、 C、 DS4、 &、 D2 到达逆变器侧X点。当要求输出v。=Vdjt,有两种开关方案。第一种方案为开通&、 S2、 &、 §4、 S5,其 余开关管的开关状态可以由互补关系确定，即断开S。 &、 S3、 S4、 &。若电流由逆变器流 向负载，电流经过DH、 D§3、 DS4、 C、 S5到达输出端v。；若电流从负载流向逆变器，则电流 从输出端v。经过Dw、 C、 &、 §3、 S2到达逆变器侧n点。第二种方案为开通&、 &、 &、 §4、断开S。 S2、 S3、 S4、 S5。若电流由逆变器流向负载，电流经过Ds、 &、 D§4、 Dy到 达输出端v。；若电流从负载流向逆变器，则电流从输出端v。经过&、 §4、 &、 04到达逆变 器侧^点。当要求输出、=0时，开通&、 S2、 &、 §4、 §5,其余开关管的开关状态可以由互补关系确定，即断开S,、 §2、 S3、 S4、 S5。若电流由逆变器流向负载，电流经过开关管DM、 D§3、D§4、 D^到达输出端v。；若电流从负载流向逆变器，则电流从输出端v。经过&、 §4、 &、 S2 到达逆变器侧n点。对于图6单相拓朴结构而言，当要求输出v。^4v;时，开通s;、 s;、 s;、 s;、 s;,其余 开关管的开关状态可以由互补关系确定，即断开&、 s2、 i3、 i4、 g5。若电流由逆变器流 向负载，电流经过开关管s;、 s;、 s'4、 s;到达输出端v。；若电流从负载流向逆变器，则电流从输出端v。经过D"、 D;4、 D;3、 D"到达逆变器侧p'点。当要求输出v。二3Vde时，有两种开关方案。第一种方案为开通&、 s" s;、 s;、 s;,其 余开关管的开关状态可以由互补关系确定，即断开s;、 g2、 s3、 §:4、 $5。若电流由逆变器流向负载，电流经过D"、 S;、 S:、 S;到达输出端v。；若电流从负载流向逆变器，则电流从输出端v。经过d"、 d〖4、 d〖3、 ^到达逆变器侧v,点。第二种方案为开通s;、 s;、 s;、 s'4、 断开&、 i、 i、 g4、 s;。若电流由逆变器流向负载，电流经过s;、 s;、 s'4、 c'、 d"到达输出端v。；若电流从负载流向逆变器，则电流从输出端v。经过&、 C'、 D〖4、 D;3、 D;, 到达逆变器侧p'点。当要求输出v。二2Vde时，有两种开关方案。第一种方案为开通&、 S〖、^、 S4、 S;，其余开关管的开关状态可以由互补关系确定，即断开s;、 ^2、 s;、 s'4、 ^5。若电流由逆变 器流向负载，电流经过s;、 d;3、 d"、 c'、 s;到达输出端、；若电流从负载流向逆变器，则电流从输出端v。经过D"、 C'、 g4、 g3、 D^到达逆变器侧V2点。第二种方案为开通&、s;、 s;、 s:、 断开s;、 ^2、 §;3、 &4、 s;。若电流由逆变器流向负载，电流经过D"、S;、 S:、 C'、 D^到达输出端v。；若电流从负载流向逆变器，则电流从输出端v。经过^ 、 C'、 DS4、 DS3、 S到达逆变器侧^点。当要求输出v。 =VdJt，有两种开关方案。第一种方案为开通&、 S'2、 &、 g4、 g5，其余开关管的开关状态可以由互补关系确定，即断开s;、 g2、 s;、 s〗、s;。若电流由逆变器流向负载，电流经过S;、 D"、 D"、 D"到达输出端v。；若电流从负载流向逆变器，则电 流从输出端v。经过^、 g4、 g3、 D^到达逆变器侧V2点。第二种方案为开通&、 g2、 S3、g4、 s;，断开s;、 s;、 s;、 s4、 g5。若电流由逆变器流向负载，电流经过d"、 d;3、 d"、C'、 S;到达输出端v。；若电流从负载流向逆变器，则电流从输出端v。经过D"、 C'、 &、 &、 ^到达逆变器侧n'点。当要求输出v。二0时，开通&、 S2、 g3、 g4、 其余开关管的开关状态可以由互补关系确定，即断开s;、 s;、 s;、 s;、 s'5。若电流由逆变器流向负载，电流经过开关管D"、Ds:3、 D"、 D^到达输出端v。；若电流从负载流向逆变器，则电流从输出端v。经过^ 、 ^4、&、 ^2到达逆变器侧n'点。可根据控制目标的不同，选择不同的冗余开关状态。拓朴结构一完整的开关状态与输出 真值表如表1所示，拓朴结构二完整的开关状态与输出真值表如表2所示。采用PWM策略输 出三相电压如图7所示，单相电压如图8所示，线电压如图9所示。表1新型箝位式五电平变换器拓朴一开关状态与输出真值表Sis2s3&s4§4s5&v001100101010010101010114011001011001010101102&01011010012&01011010103&10011010013410011010104&c表2新型箝位式五电平变换器拓朴二开关状态与输出真值表SiSis2&s3&s4&s5v00101010101001010101100110010101140110010110011010100101101010103&c101010100110101010104&1权利要求
1. 箝位型多电平变换器用的单相电路拓扑结构，其特点在于，含有直流输入电容Cdc1，Cdc2，Cdc3，三者依次串接，在所述输入电容Cdc1两端V5和V4之间加入直流输入电压1Vdc，在所述输入电容Cdc2两端所述V4和V2之间加入直流输入电压2Vdc，在所述输入电容Cdc3两端所述V2和V1之间加入直流输入电压1Vdc，由所述电容Cdc1，Cdc2，Cdc3串联构成的支路上的总直流输入电压为4Vdc；IGBT开关器件S1、S2、S3、S4、S5、S1、S2、S3、S4和S5，共十个，所述各个IGBT开关器件从发射极和集电极之间依次分别正向各并接了一个反击穿二极管DS1、DS2、DS3、DS4、DS5、DS1、DS2、DS3、DS4和DS5，从而构成了十个具有反击穿功能的IGBT开关器件；箝位二极管D1、D2、D3、D4共四个，以及一个箝位电容C，该电容C两端的电压为1Vdc；其中所述反击穿二极管DS3和所述反击穿二极管DS1正向串接，串接后，该DS1管的负极连接到所述端点V5，所述反击穿二极管DS1的正极正向串接所述箝位二极管D2后与所述端点V4相连，同时，该箝位二极管D2的负极又正向串接所述箝位二极管D1后与反击穿二极管DS1的正极相连，另外，所述反击穿二极管DS1的负极与所述反击穿二极管的正极相连，所述反击穿二极管DS2和所述反击穿二极管DS3正向串接后，该反击穿二极管DS2的正极与所述端点V1相连，所述反击穿二极管DS2的负极反向串接所述箝位二极管D3后与所述端点V2相连，该箝位二极管D3的正极在正向串接一个所述箝位二极管D4后与所述反击穿二极管DS2的负极相连，另外，所述反击穿二极管DS2的正极和所述反击穿二极管DS3的负极相连，所述反击穿二极管DS5和所述反击穿二极管DS4正向串接后，连接到所述反击穿二极管DS3的正极，所述反击穿二极管DS4与所述反击穿二极管DS5正向串接，串接后，该反击穿二极管DS4的正极与所述反击穿二极管DS2的正极相连，而所述箝位电容C的两端分别连接到所述反击穿二极管DS5的负极和所述反击穿二极管DS5的正极，所述反击穿二极管DS5的正极和所述反击穿二极管DS5的负极相连后，构成所述箝位式五电平变换器单相拓扑结构的电压输出端vo；当所述开关器件S1、S2、S3、S4、S5开通，而所述开关器件S1、S2、S3、S4、S5关断时，vo＝4Vdc；当所述开关器件S1、S2、S3、S4、S5开通，而所述开关器件S1、S2、S3、S4、S5关断时，vo＝3Vdc；当所述开关器件S1、S2、S3、S4、S5开通，而所述开关器件S1、S2、S3、S4、S5关断时，vo＝3Vdc；当所述开关器件S1、S2、S3、S4、S5开通，而所述开关器件S1、S2、S3、S4、S5关断时，vo＝2Vdc；当所述开关器件S1、S2、S3、S4、S5开通，而所述开关器件S1、S2、S3、S4、S5关断时，vo＝2Vdc；当所述开关器件S1、S2、S3、S4、S5开通，而所述开关器件S1、S2、S3、S4、S5关断时，vo＝Vdc；当所述开关器件S1、S2、S3、S4、S5开通，而所述开关器件S1、S2、S3、S4、S5关断时，vo＝Vdc；当所述开关器件S1、S2、S3、S4、S5开通，而所述开关器件S1、S2、S3、S4、S5关断时，vo＝0。
2、箝位型多电平变换器用的单相电路拓朴结构，其特点在于，含有直流输入电容c", c", c"，三者依次串接，在所述输入电容c"两端v;和v:之间加入直流输入电压iv:,在所述输入电容c^两端所述v:和V2'之间加入直流输入电压2v丄，在所述输入电容Cde3两端所述V〗和V/之间加入直流输入电压lVd'c，由所述电容C'dd, C^， C:c3串联构成的支路上的总直流输入电压为4 v:;iGBT开关器件s;、 s'2、 s;、 s:、 s'5、 &、 i、 g3、 §;4和§:5,共十个，所述各个igbt开关器件从发射极和集电极之间依次分别正向各并接了 一个反击穿二极管d" 、 d;2 、 d;3 、 d;4、 d〖5、 d"、 d;2、 d"、 d"和d"，从而构成了十个具有反击穿功能的IGBT开关器件；还有一个箝位电容c',其两端加入直流电压为1v:;其中所述开关器件s;的集电极与所述端点v;相连，所述开关器件^的发射极与所迷端点v:相 连，所述开关器件s;的发射极和开关器件^的集电极相连，所述开关器件s〖的集电极合所述端点v2'相连，所述开关器件§'2的发射极与所述端点v;相连，所述开关器件s〗的发射极合开关器件§'2的集电极相连，所述反击穿二极管d"、 d;4、 d;3依次正向串接，串接后，该反击穿二极管d;3的负极与 所述开关器件s;的发射极相连，所述反击穿二极管d"、 d"、 d^依此正向串接，串接后，该反击穿二极管d"的正极与所述开关器件s〗的发射4及相连，所述箝位电容C'的 一端与所述开关器件S;的集电极相连，而该电容C'的另一端与所述开 关器件§'5的发射极相连，开关器件S;的发射极与开关器件§'5的集电极相连后构成箝位式五电平变换器单相拓朴 结构的电压输出端《；当所述开关器件s;、 s;、 s;、 s;、 s;开通，而所述开关器件&、 g2、 &、 &、 ^关断时'《=4V:;当所述开关器件&、 s;、 s;、 s:、 s;开通，而所述开关器件s;、 &、 &、 i、 ^关断时，《=3V;;当所述开关器件s;、 s〖、s;、 s〗、^开通，而所述开关器件&、 ^、 &、 &、 s;关断时'v:=3V:;当所述开关器件&、 s;、 $3、 s4、 s;开通，而所述开关器件s;、 ^2、 s;、 s〗、^关断时'《=2V:;当所述开关器件&、 s'2、 s;、 s:、 ^开通，而所述开关器件s;、 §:2、 g3、 $4、 s;关断时，《=2V^;当所述开关器件&、 s'2、 g3、 §;4、 ^开通，而所述开关器件s;、 &、 s;、 s〗、s;关断时，《=V:;当所述开关器件&、 g2、 &、 g4、 S;开通，而所述开关器件S;、 S'2、 S;、 S'4、区5关断时'《=x;c;当所述开关器件&、 ^2、 ^、 s4、 ^开通，而所述开关器件s;、 s'2、 s;、 s;、 s;关断时，《=0。
全文摘要
箝位式多电平变换器用的单相电路拓扑结构属于电力电子多电平变换器技术领域，其特征在于直流侧有三个电容，直流侧电压为4V_dc，处于中间的电容实现2V_dc电压，在输入侧用四个二极管箝位，输出侧用一个箝位电容箝位，通过开关组合，使每个开关器件承受1V_dc，可以得到五种电平的输出组合。本发明具有电路结构大大简化、器件耐压水平低，可以做到不含器件的直接串联，没有开通和关断的同步问题。
文档编号H02M7/5387GK101262180SQ200810105139
公开日2008年9月10日 申请日期2008年4月25日 优先权日2008年4月25日
发明者冯丽超, 李永东, 王琛琛, 跃 高 申请人:清华大学