專利名稱：電容自平衡t型多電平整流器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種多電平T型整流電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，特別涉及一種電容自平衡的T型多電 平整流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
兩電平變換器電路在鐵路，工業(yè)等各個領(lǐng)域有著十分廣泛的應(yīng)用，然后在高壓領(lǐng)域的應(yīng) 用中，兩電平變換器由于受到器件耐壓的限制，必須通過變壓器與高壓電網(wǎng)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(xiàn)有的多電平變換器的拓?fù)?結(jié)構(gòu)中，隨著電平數(shù)量的增多，所需的半導(dǎo)體器件的數(shù)量急劇增加，各個電容電壓不容易平 衡是現(xiàn)有多電平結(jié)構(gòu)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(xué)、申請?zhí)枮?00810118835. 1、名稱為多電平整流的T型變換器 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)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(shù)目比傳統(tǒng)的多電平變換器更少，降壓了其成本。
上述的申請?zhí)枮?00810118835. 1的專利中的電路無法獨立對各個電容進(jìn)行充電，電壓不
易實現(xiàn)平衡。圖1為傳統(tǒng)T型變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，通過Cn 、 CT2 、 CTk ， CB1 、 CB2……
C肌.P C祉共2k個電容構(gòu)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(guān)構(gòu)成T型變換器的橫軸，雙向開關(guān)S。 Si+1 (i=l，2……k-l)之間的 節(jié)點和電容C^、 CTi+1 (i=l,2……k-l)之間的節(jié)點之間是由單向開關(guān)S^、 STk2……S，k)構(gòu) 成從橫軸流向縱軸的單向整流支路，雙向開關(guān)Sj、 S1+I (i=l,2……k-l)之間的節(jié)點和C^與 CB(i+1) (i=l,2……k-l)的節(jié)點之間有一反方向的單向整流支路，該支路是由單向開關(guān)S^、 SBk2……SBk,構(gòu)成從縱軸流向橫軸的單向整流支路。當(dāng)對C^進(jìn)行充電時，其充電回路是 雙向開關(guān)Sp Sw……Si+1、 STi(2l)……STil、電容CV C，)……CT1、 Skb、雙向開關(guān)S糾b…… S,b或雙向開關(guān)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(guān)s^)……s"且橫軸以下的電容的充電回路與上述回路關(guān)于橫軸對稱。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(shù)高的電容在充電時，會同時給級數(shù)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(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是解決T型變換器中各個電容不平衡的限制，實現(xiàn)各個電 容充電能獨立控制。
為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下-
通過2k個電容，電容串聯(lián)構(gòu)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(guān)構(gòu)成T型變換器的橫軸；雙向開關(guān)之間的節(jié)點和對應(yīng)的縱軸上半部分電容的節(jié) 點之間有單向可控支路，在雙向開關(guān)之間的節(jié)點和對應(yīng)的縱軸下半部分電容的節(jié)點之間是由 單向可控開關(guān)構(gòu)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(guān)于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?？煽刂?的最外層為單向整流支路。T型橫軸的最后一個開關(guān)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(shù)常數(shù)，
i=l，2……k-l。
與原有T型整流電路拓?fù)湎啾龋词前褑蜗蛘髦返淖罡唠娖揭患壉Ａ?，而非最高?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(guān)替換原有的二極 管。
本發(fā)明的有益效果
與傳統(tǒng)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(jìn)一步推廣提供有效的技術(shù)解決方案。


圖1為原T型整流拓?fù)涞慕Y(jié)構(gòu)圖。 圖2為電容自平衡T型多電平整流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。 圖3 (a)為單向開關(guān)的MOSFET等效示意圖。 圖3 (b)為單向開關(guān)的IGBT等效示意圖。 圖4(a)為雙向開關(guān)的構(gòu)成的示例。 圖4(b)為雙向開關(guān)的等效結(jié)構(gòu)。
具體實施例方式
結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步說明圖1為原T型整流拓?fù)涞慕Y(jié)構(gòu)圖，在前面的背景技術(shù)里面已經(jīng)有了詳細(xì)的介紹。
圖2為電容自平衡t型多電平整流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，通過2k個電容，電容cT1 、 cT2……、
CTk&CB1、 CB2……Cb^)、 CBk，串聯(lián)構(gòu)成T型變換器的縱軸；雙向開關(guān)Sp S2……S^、 Sk 構(gòu)成T型變換器的橫軸；雙向開關(guān)S。 S,w之間的節(jié)點和CT,、 <^(1+1)的節(jié)點之間是由單向開 關(guān)S^， STi2……S"(w構(gòu)成的可控支路；雙向開關(guān)Si、《+1之間的節(jié)點和^與(:^+1)間的節(jié)點 是由單向開關(guān)S^， SBl2……SB,(w構(gòu)成的可控支路；Sk是T型橫軸的最后一個開關(guān)，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，并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(gòu)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(gòu)成從縱軸流向橫軸
的單向整流支路與Cek的負(fù)極相連；橫軸的雙向可控開關(guān)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(jìn)行對稱鏡象；橫軸得到關(guān)于縱軸對稱的延長線，由雙向開關(guān)S,b、 S2b……S^》、Skb構(gòu)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(guān)s^， sTi2……s，i)構(gòu)成的可控 支路關(guān)于縱軸的鏡像支路是由單向可控開關(guān)Smb， sTi2b……s，i)b構(gòu)成的可控支路，單向開關(guān) SBil， SBi2……Seipi)構(gòu)成的可控支路關(guān)于縱軸的鏡像支路是由單向可控開關(guān)S^b， SBi2b…… S，i)b構(gòu)成的可控支路；單向不控器件S^、 STk2……S,k,構(gòu)成從橫軸流向縱軸的單向整流支
路關(guān)于縱軸的鏡像支路是單向不控器件S^b、 STk2b……STk,b構(gòu)成的單向整流支路；單向不
控器件s^ 、 SBk2……SBk(2k)構(gòu)成從橫軸流向縱軸的單向整流支路關(guān)于縱軸的鏡像支路是單向
不控器件S祉,b、 SBk2b……S叫測b構(gòu)成的單向整流支路；其中，k為一個正整數(shù)常數(shù)，
i=l,2……k-l。
橫軸的雙向可控開關(guān)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(jìn)行電平擴(kuò)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(xiàn)，并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(guān)，縱軸上的電容、單向 整流支路，可提高變換器的電平數(shù)。
在技術(shù)背景里面已經(jīng)提到了原T型整流變換器拓?fù)渲械母鱾€電容無法獨立充電，因此造
成了能量不平衡。此處改進(jìn)的方案旨在解決此問題，如果對電容Cn進(jìn)行充電，其充電回路可 選擇
(1) 雙向開關(guān)Sk 、 Sw……S1+1 、單向開關(guān)STl(2,)……STll 、電容CT,、單向開關(guān)S 1))b……
ST(1.i)ib 、雙向開關(guān)s,b......s(k.1)b 、 skb 。
(2) 雙向開關(guān)S"、 S(k-1)b……S(,+1)b、單向開關(guān)ST偶b……STi,b、電容CTi、單向開關(guān) ST(i-ix2(i-i))s叫w 、雙向開關(guān)S;......S(k.1)b 、 Skb 。
從中可以看出電容CTi的充電回路不再包括其他電容。
對于縱軸上的任一個電容，均可選擇獨立的充電回路或是通過對各個電容進(jìn)行組合控制， 實現(xiàn)電容電壓的平衡。
圖3 (a)為單向開關(guān)的MOSFET等效示意圖。圖3 (b)為單向開關(guān)的IGBT等效示意圖。
圖4(a)為雙向開關(guān)的構(gòu)成的示例。圖4(b)為雙向開關(guān)的等效結(jié)構(gòu)。圖4 (a)及圖4 (b) 為開關(guān)Sk的構(gòu)成的示例，僅給出了兩種構(gòu)成方式。通過可控器件及其拓?fù)潆娐愤M(jìn)行組合，或
通過與其他不可控器件一起構(gòu)成雙向可控開關(guān)。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(gòu)成完整的雙向可控開關(guān)。
權(quán)利要求
1. 電容自平衡T型多電平整流器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其特征在于通過2k個電容，電容CT1、CT2……CT(k-1)、CTk及CB1、CB2……CB(k-1)、CBk，串聯(lián)構(gòu)成T型變換器的縱軸；雙向開關(guān)S1、S2……Sk-1、Sk構(gòu)成T型變換器的橫軸；雙向開關(guān)Si、Si+1之間的節(jié)點和CTi、CT(i+1)的節(jié)點之間是由單向開關(guān)STi1，STi2……STi(2i)構(gòu)成的可控支路；雙向開關(guān)Si、Si+1之間的節(jié)點和CBi與CB(i+1)間的節(jié)點是由單向開關(guān)SBi1，SBi2……SBi(2i)構(gòu)成的可控支路；Sk是T型橫軸的最后一個開關(guān)，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，并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(gòu)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(gòu)成從縱軸流向橫軸的單向整流支路與CBk的負(fù)極相連；橫軸的雙向可控開關(guān)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(jìn)行對稱鏡象；橫軸得到關(guān)于縱軸對稱的延長線，由雙向開關(guān)S1b、S2b……S(k-1)b、Skb構(gòu)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(guān)STi1，STi2……STi(2i)構(gòu)成的可控支路關(guān)于縱軸的鏡像支路是由單向可控開關(guān)STi1b，STi2b……STi(2i)b構(gòu)成的可控支路，單向開關(guān)SBi1，SBi2……SBi(2i)構(gòu)成的可控支路關(guān)于縱軸的鏡像支路是由單向可控開關(guān)SBi1b，SBi2b……SBi(2i)b構(gòu)成的可控支路；單向不控器件STk1、STk2……STk(2k)構(gòu)成從橫軸流向縱軸的單向整流支路關(guān)于縱軸的鏡像支路是單向不控器件STk1b、STk2b……STk(2k)b構(gòu)成的單向整流支路；單向不控器件SBk1、SBk2……SBk(2k)構(gòu)成從橫軸流向縱軸的單向整流支路關(guān)于縱軸的鏡像支路是單向不控器件SBk1b、SBk2b……SBk(2k)b構(gòu)成的單向整流支路；其中，k為一個正整數(shù)常數(shù)，i＝1，2……k-1。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電容自平衡T型多電平整流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，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作為擴(kuò)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(shù)；當(dāng)電平數(shù)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(jù)權(quán)利要求1所述的電容自平衡T型多電平整流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其特征在于該拓?fù)渲袡M軸上的雙向開關(guān)可以有多種構(gòu)成形式，通過可控器件如MOSFET、 IGBT等與其他半導(dǎo) 體器件構(gòu)成雙向可控的開關(guān)單元；因此，Sk有多種組成形式，可以通過兩個IGBT反向串聯(lián)或者其他可實現(xiàn)雙向開關(guān)功能的半導(dǎo)體器件及其拓?fù)潆娐穼崿F(xiàn)，例如Mkl和組成對管結(jié) 構(gòu)，Mk與Dk。 Dk2、 Dk3、 D"構(gòu)成的雙向結(jié)構(gòu)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電容自平衡T型多電平整流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其特征在于:開關(guān)S 、 S21……&,、 S12……Si2、 Sllb、 S21b……&lb、 S12b……^b選擇可控電力電子開關(guān)IGBT、 MOSFET及等效含反并聯(lián)二極管的可控開關(guān)拓?fù)洹?br> 全文摘要
本發(fā)明公開了一種電容自平衡T型多電平整流器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其特征在于通過2k個電容，電容C_T1、C_T2……C_T(k-1)、C_Tk及C_B1、C_B2……C_B(k-1)、C_Bk，串聯(lián)構(gòu)成T型變換器的縱軸；雙向開關(guān)S₁、S₂……S_k-1、S_k、S_1b、S_2b……S_kb構(gòu)成T型變換器的橫軸；雙向開關(guān)S_i、S_i+1之間的節(jié)點和各個對應(yīng)級數(shù)的電容的節(jié)點之間是由單向開關(guān)S_Ti1，S_Ti2……S_Ti(2i)或S_Bi1，S_Bi2……S_Bi(2i)構(gòu)成的可控支路，而S_Tk1，S_Tk2……S_Tk(2k)或S_Bk1，S_Bk2……S_Bk(2k)是二極管構(gòu)成的單向整流支路。S_k是T型橫軸上級數(shù)最高的開關(guān)這一，其一端與S_k-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(shù)最高的開關(guān)S_kb的一端相連。其中，k為正整數(shù)，i為小于k的正整數(shù)。
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(yōu)先權(quán)日2008年11月28日
發(fā)明者湖 孫, 張立偉, 楊中平, 飛 林, 游小杰, 王琛琛, 賀明智, 鄭瓊林, 郝瑞祥, 黃先進(jìn) 申請人:北京交通大學(xué)