CN101340159A

CN101340159A - 可实现整流和逆变的多电平t型变换器的拓扑结构

Info

Publication number: CN101340159A
Application number: CN 200810118834
Authority: CN
Inventors: 郑琼林; 高吉磊; 游小杰; 林飞; 郝瑞祥; 贺明智; 王琛琛
Original assignee: Beijing Jiaotong University
Current assignee: Beijing Jiaotong University
Priority date: 2008-08-25
Filing date: 2008-08-25
Publication date: 2009-01-07
Anticipated expiration: 2028-08-25
Also published as: CN101340159B

Abstract

本发明公开了一种可实现整流和逆变的多电平T型变换器的拓扑结构，其特征在于：通过电容C_T1、C_T2……C_Tk－1、C_Tk及C_B1、C_B2……C_Bk－1、C_Bk共2k个电容构成T型变换器的纵轴；通过S₁、S₂……S_k－1、S_k共k个双向可控开关构成T型变换器的横轴；其中S_i与S_i+1之间的节点和C_Ti与C_Ti+1的节点之间有一正向的单向可控开关支路，在S_i与S_i+1之间的节点和C_Bi与C_Bi+1(i＝1，2……k－1)的节点之间有一反向的单向可控开关支路；横轴的双向可控开关S₁与S₂不相连的一端与纵轴电容的中点o相连，横轴的双向可控开关S_k与S_k－1不相连的一端与电容C_Tk的正极之间有一个正向的单向可控开关支路，与电容C_Bk的负极之间有一反向的单向可控开关支路。可以通过扩展双向开关、电容以及支路的数量来增加变换器的电平数，可以应用于单相，三相或者多相的系统当中。

Description

可实现整流和逆变的多电平T型变换器的拓扑结构

技术领域

本发明涉及一种电力电子交直或者直交变流电路拓扑结构，特别涉及一种可以实现电能的整流和逆变的多电平变换器的拓扑结构。

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，然而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或者负载相连，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。

相对于普通的两电平电路，多电平电路是指输出电压的电平数N大于2的变换器。多电平变换器具有以下优点：

1、交流侧输出的电压波形更加接近于正弦，电压谐波含量小。

2、交流侧输出的电压的du/dt小，对负载(比如电机)的绝缘影响小，同时大大降低了电磁干扰的水平。

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，大大减小了系统的体积。

目前，多电平变换器的拓扑结构多种多样。通用型多电平电路拓扑结构，随着电平数量的增多，所需的半导体器件的数量急剧增加，且随着电平数增加，各个电容电压不容易平衡，使得多电平在实际使用中有一定的限制。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：解决传统两电平变换器在高压领域应用的局限性，可以实现无需工频变压器，使电力电子装置直接与高压电源或者负载相连。提供了一种可直接应用于高压整流或者逆变领域，同时有效的改善装置的输出电压和电流谐波含量，提高交流电压电流波形质量的新的多电平拓扑结构。

为了达到上述目的，本发明的技术方案如下：

通过电容C_T1、C_T2……C_T(k-1)、C_Tk及C_B1、C_B2……C_B(k-1)、C_Bk(k为一个常数，根据电平数的需要而定，下同)共2k个电容串联构成T型变换器的纵轴；双向开关S₁、S₂……S_k-1、S_k构成T型变换器的横轴；双向开关S_i与S_i+1(i＝1，2……k-1，下同)连接构成的节点M_i和C_Ti与C_T(i+1)连接构成的节点T_i之间有一正向的单向可控开关支路S_Ti，节点M_i和C_Bi与C_B(i+1)连接构成的节点B_i之间有一反向的单向可控开关支路S_Bi；双向可控开关S₁一端与S₂相连，另一端与电容C_T1和C_B1连接构成的节点O(也称中点)相连接；双向可控开关S_k一端与S_k-1相连，另一端与交流侧连接构成节点M_k。节点M_k与电容C_Tk的正极T_k之间有正向的单向可控开关支路S_Tk，节点M_k与电容C_Bk的负极B_k之间有反向的单向可控开关支路S_Bk；这样就构成了T型变换器的一个桥臂的电路拓扑结构，并且可通过增加横轴上的双向可控开关，纵轴上的电容以及横轴与纵轴之间的支路数量，来提高变换器的电平数；

单相交流电源或者单相交流负载的一端通过双向可控开关以及支路与电容各个节点相连，另一端直接与电容中点相连或者通过相同数量和结构的双向可控开关以及支路与电容各个节点相连；构成单相整流或者逆变的电路拓扑结构。

多相交流电源或者负载可以采用单相电路结构进行组合，满足三相以及多相运行的要求。假设为j(≥3时)相电源或者负载，则有j个上述的桥臂电路，他们共用T型变换器的电容纵轴，可以得到j个横轴以及交流侧节点M_kj，j个交流侧节点M_kj与j相电源或负载系统相连接就构成j相电路。

本发明的有益效果：

由于本发明所提出的多电平的拓扑结构不需要工频变压器，直接应用于高压领域，与传统的通用型多电平变换器相比，所用的半导体器件数量大大减少。

附图说明

图1为本发明提出的一个桥臂的三电平电路原理图。

图2为本发明提出的一个桥臂的五电平电路原理图。

图3为本发明提出的一个桥臂的扩展为(2k+1)个电平的电路原理图。

图4为单相整流或有源逆变时的电路原理图。

图5为单相整流或有源逆变时的另一种电路原理图。

图6为三相或者多相系统的电路结构图。

图7为本发明提出的桥臂电路的变种桥臂电路结构示意图。

具体实施方式

结合附图对本发明作进一步说明：

图1为单个桥臂的用于三电平的电路原理图。通过电容C_T1和C_B1共两个电容组成T型变换器的纵轴；通过双向可控开关S₁构成T型变换器的横轴，双向可控开关S₁可以通过如图1所示的两个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。双向可控开关S₁的一端与电容中点O相连，另一端M₁作为交流输出端，M₁端与可控开关器件S_T11的发射极相连，可控开关器件S_T12的集电极与电容C_T1的正极相连，可控开关器件S_T11与可控开关器件S_T12串联形成正向的单向可控开关支路S_T1，使S_T11和S_T12中的二极管中的电流从节点M₁流向节点T₁的方向，M₁端还与可控开关器件S_B11的集电极相连，可控开关器件S_B12的发射极与电容C_B1的负极相连，可控开关器件S_B11与可控开关器件S_B12串联，形成反向的单向可控开关支路，使S_B11和S_B12中的二极管中的电流从节点B₁流向节点M₁的方向。

假设每个电容两端的电压为U，首先分析电流从交流侧向直流侧流动时，交流端M₁的电压情况：

(1)当横轴上的双向开关S₁，可控开关器件S_T11、S_T12、S_B11和S_B12都处于关断状态时，电流经过可控开关器件S_T11和S_T12的反并联二极管流向电容C_T1的正极，交流侧M₁输出的电压为U。

(2)开通双向开关的S₁的S₁₁管，则电流经过S₁的可控开关器件S₁₁和S₁₂的反并联二极管，流向0电平，交流侧A输出的电压为0。

(3)当关断双向开关管的S₁₁管，开通可控开关器件S_B11和S_B12，电流经过可控开关器件S_B11和S_B12，流向电容C_B1的负极，交流端输出的电压为-U。从而实现了交流端输出三电平的要求。

当电流由直流侧向交流侧流动时，交流端M₁的电压情况为：

(1)当横轴上的双向开关S₁，可控开关器件S_T11、S_T12、S_B11和S_B12都处于关断状态时，电流经过可控开关器件S_B11和S_B12的反并联二极管流从电容C_B1的负极流向交流端M₁，交流侧M₁输出的电压为-U。

(2)开通双向开关的S₁的S₁₂管，则电流从0电平经过S₁的可控开关器件S₁₂和S₁₁的反并联二极管，流向交流端M₁，交流侧M₁输出的电压为0。

(3)当关断双向开关管的S₁₂管，开通可控开关器件S_T11和S_T12，电流从电容C_T1的正极经过可控开关器件S_T11和S_T12流向交流端M₁，交流端M₁输出的电压为U。也可以实现了交流端输出三电平的要求。

将上述三电平电路做进一步的扩展，可得到图2，为一个桥臂的五电平电路原理图。与图1相比可以看出，在原来三电平电路的基础上，在正极和负极分别增加1个电容C_T2和C_B2，并且在原来的M₁点处向交流侧扩展增加一个双向可控开关S₂，双向可控开关的交流输出端成为M₂点，并且在M₂点与新增加的正极方向的电容C_T2的正极之间增加了一条新的正向的单向可控支路，新的支路由四个可控开关器件S_T21，S_T22，S_T23和S_T24串联组成，还通过另外的四个串联的可控开关器件S_B21、S_B22、S_B23和S_B24组成的反向的单向可控开关支路与电容C_B2的负极相连。与三电平相同的道理可以在交流端实现输出五电平的要求。

根据从三电平到五电平相同的扩展方式，可以得到图3为单个桥臂的(2k+1)电平的电路原理图，通过电容C_T1、C_T2……C_Tk-1、C_Tk，C_B1、C_B2……C_Bk-1、C_Bk共2k个电容构成T型变换器的纵轴；通过S₁、S₂……S_k-1、S_k共k个双向可控开关构成T型变换器的横轴，双向可控开关可以通过两个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。其中双向开关S_i与S_i+1(i＝1，2……k-1，下同)连接构成的节点M_i和C_Ti与C_Ti+1连接构成的节点T_i之间有一正向的单向可控开关支路S_Ti，该支路由S_Ti1，S_Ti2……S_Ti(2i-1)和S_Ti(2i)串联组成，并使其二极管中的电流从节点M_i流向节点T_i。节点M_i和C_Bi与C_B(i+1)连接构成的节点B_i之间有一反向的单向可控开关支路S_Bi，该支路由S_Bi1、S_Bi2……S_Bi(2i-1)和S_Bi(2i)串联组成，并使其二极管中的电流从节点B_i流向节点M_i。如图1所示，可控开关可采用IGBT等可关断器件与其反并联二极管构成；横轴的双向可控开关S₁与S₂不相连的一端与纵轴电容的中点O相连，横轴的双向可控开关S_k与S_k-1不相连的一端与电容C_Tk的正极之间有一个正向的单向可控开关支路，与电容C_Bk的负极之间有一个反向单向可控开关支路。所以可通过增加横轴上的双向可控开关，纵轴上的电容以及横轴与纵轴之间的支路数量，来增加变换器的电平数；同样假设每个电容两端的电压为U，首先分析电流从交流侧向直流侧流动时，交流端的电压情况。

当横轴上的所有双向开关S₁、S₂……S_k-1、S_k都处于关断状态时，电流经过S_Tk(2k)……S_Tk1的反并联二极管流向电容C_Tk的正极，交流侧输出的电压为kU。

开通双向开关的S_k1管，使电流由交流侧向直流侧流动，则电流经过S_k、S_T(k-1)(2k-2)……S_T(k-1)1流向电容C_T(k-1)的正极，交流侧输出的电压为(k-1)U。

依此类推，依次开通双向开关的S_i1管，使交流侧输出的电压为(k-2)U、……2U、U、0。

当关断双向开关管的S₁₁管，开通S_B11和S_B12，电流经过双向开关管S_k，S_k-1……S₂，然后经过S_B11和S_B12，流向电容C_B1的负极，交流端输出的电压为-U。

同理，关断S₂₁，开通S_B21、S_B22、S_B23和S_B24，电流经过双向开关管S_k，S_k-1……S₃，然后经过S_B21、S_B22、S_B23和S_B24，流向电容C_B2的负极，交流端输出的电压为-2U。

依此类推，可以在交流端得到电压为0，-U，……，-kU。

当电流从直流侧流向交流侧时，同样的道理可以在交流端得到电压为-kU，-(k-1)U，……kU。这样就形成了(2k+1)电平的单相桥臂电路的拓扑结构。

图4为单相整流或者有源逆变时的电路结构图，单相交流电源或者单相交流负载的一端通过双向可控开关以及支路与电容各个节点相连，另一端直接与电容中点O直接相连。通过上述的分析，只要控制整流器侧的电压就可以实现对变换器功率因数的控制。当整流时，直流端接负载，当有源逆变时接直流电源。同样可以实现无源逆变。

图5为单相整流或者逆变的另一种电路结构形式，单相交流电源或负载的一端与图3所提出的单相桥臂电路的交流端M_k相连，另一端以相同的电路结构形式与电容中点相连。与图4所示的电路结构相似，可以用相同的控制方法来实现电能的整流或者逆变。

图6为三相或者多相系统的电路结构示意图。每一相的电源的一端都与本发明提出的桥臂电路得交流端M_kj节点相连，j个桥臂电路共用T型变换器的电容纵轴。电源的另一端连接于一点，或者将电源进行多边形连接。

图7为本发明提出的桥臂电路的变种桥臂电路结构示意图。通过电容C_T1、C_T2……C_Tk-1、C_Tk，C_B1、C_B2……C_Bk-1、C_Bk2k个电容构成T型变换器的纵轴；通过S₁、S₂……S_k-1、S_kk个双向可控开关构成T型变换器的横轴；其中横轴的双向可控开关S₁与S₂不相连的一端与纵轴电容的中点o相连，横轴的双向可控开关S_k与S_k-1不相连的一端与电容C_Tk的正极之间有一个2k个单向可控开关S_Tk1……S_Tk(2k)组成的反方向的单向可控开关支路，与电容C_Bk的负极之间有一个2k个单向可控开关S_Bk1……S_Bk(2k)组成的正方向的单向可控开关支路；S_Tk(2i)与S_Tk(2i+1)(i＝1，2……k-1)之间的节点和C_T(k-i)与C_T(k-i+1)(i＝1，2……k-1)的节点之间有一正方向的单向可控开关支路，在S_Bk(2i)与S_Bk(2i+1)(i＝1，2……k-1)之间的节点和C_B(k-i)与C_B(k-i+1)(i＝1，2……k-1)的节点之间有一反方向的单向可控开关支路。

同样，图7所示的变种结构可以应用于图4，5，6所示的所有拓扑电路当中，只要将图7中的桥臂电路对图3中提出的桥臂电路进行替换即可。

Claims

1.一种可实现整流和逆变的多电平T型变换器的拓扑结构，其特征在于：电容C_T1、C_T2……C_T(k-1)、C_Tk及C_B1、C_B2……C_B(k-1)、C_Bk(k为一个常数，根据电平数的需要而定，下同)共2k个电容串联构成T型变换器的纵轴；双向开关S₁、S₂……S_k-1、S_k构成T型变换器的横轴；双向开关S_i与S_i+1(i＝1，2……k-1，下同)连接构成的节点M_i和C_Ti与C_T(i+1)连接构成的节点T_i之间有一正向的单向可控开关支路S_Ti，节点M_i和C_Bi与C_B(i+1)连接构成的节点B_i之间有一反向的单向可控开关支路S_Bi；双向可控开关S₁一端与S₂相连，另一端与电容C_T1和C_B1连接构成的节点O(也称中点)相连接；双向可控开关S_k一端与S_k-1相连，另一端与交流侧连接构成节点M_k；节点M_k与电容C_Tk的正极T_k之间有正向的单向可控开关支路S_Tk，节点M_k与电容C_Bk的负极B_k之间有负向的单向可控开关支路S_Bk。

2.根据权利要求1所述的可实现整流和逆变的多电平T型变换器的拓扑结构，其特征在于：该拓扑结构的交流侧节点M_k与交流电源或者负载的一端连接；电源和负载的另一端为中性点N；如果电源或负载是电压源性质的，则该拓扑结构的节点M_k须通过电感才能与此电源或负载相连接。

3.根据权利要求1所述的可实现整流和逆变的多电平T型变换器的拓扑结构，其特征在于：多相拓扑电路的组成方式如下——如果为j相电源或者负载，则共用T型变换器电容纵轴，按前述方式增加开关的横轴和支路，得到j(j＝1，2，3，……，j为1时，M_kj等同于M_k，下同)个横轴及其交流侧节点M_kj；j为1时，电源或负载的中性点N与中点O直接连接，M_k1与电源或负载的另一端相连，就构成单相电路；j为2时，把节点M_k1与M_k2连接电源或负载的两端也构成单相电路；j(≥3时)个交流侧节点M_kj与j相电源或负载系统相连接就构成j相电路。

4.根据权利要求1中所述的可实现整流和逆变的多电平T型变换器的拓扑结构，其特征在于：双向可控开关采用带反并联二极管的IGBT或其他可关断半导体器件反向串联而成，也可采用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；单向可控开关采用带反并联二极管的IGBT或其他可关断半导体器件构成。

5.根据权利要求1中所述的可实现整流和逆变的多电平T型变换器的拓扑结构，其特征在于：正向的单向可控开关支路S_Ti是指该支路上开关器件中二极管中的电流从节点M_i流向节点T_i的方向；反向的单相可控开关支路S_Bi是指该支路上开关器件中二极管中的电流从节点B_i流向节点M_i的方向。

6.根据权利要求1中所述的可实现整流和逆变的多电平T型变换器的拓扑结构，其特征在于：该变换器拓扑结构中每个可控开关可以是前述的单个半导体器件构成，也可以是多个器件串并联构成。

7.根据权利要求1中所述的多电平T型变换器拓扑结构，其特征在于：T型变换器纵轴上的每个电容，可以是单个电容器构成，也可以是多个电容器串并联构成。

8.根据权利要求1中所述的可实现整流和逆变的多电平T型变换器的拓扑结构，其特征在于：通过电容C_T1、C_T2……C_T(k-1)、C_Tk，C_B1、C_B2……C_B(k-1)、C_Bk共2k个电容构成T型变换器的纵轴；通过S₁、S₂……S_k-1、S_k共k个双向可控开关构成T型变换器的横轴；其中横轴的双向可控开关S₁一端与S₂相连，另一端与与纵轴电容的中点o相连，横轴的双向可控开关S_k一端与S_k-1相连，另一端与与电容C_Tk的正极之间有一个2k个单向可控开关S_Tk1……S_Tk(2k)组成的反向的单向可控开关支路，与电容C_Bk的负极之间有一个2k个单向可控开关S_Bk1……S_Bk(2k)组成的正向的单向可控开关支路；S_Tk(2i)与S_Tk(2i+1)(i＝1，2……k-1)之间的节点和C_T(k-i)与C_T(k-i+1)(i＝1，2……k-1)的节点之间有一正向的单向可控开关支路，在S_Bk(2i)与S_Bk(2i+1)(i＝1，2……k-1)之间的节点和C_B(k-i)与C_B(k-i+1)(i＝1，2……k-1)的节点之间有一反向的单向可控开关支路，成为权利要求1所述电路拓扑的变种拓扑结构。