CN101425760A

CN101425760A - 多电平整流的t型变换器拓扑结构

Info

Publication number: CN101425760A
Application number: CNA2008101188351A
Authority: CN
Inventors: 郑琼林; 贺明智; 游小杰; 林飞; 孙湖; 黄先进; 张立伟
Original assignee: Beijing Jiaotong University
Current assignee: Beijing Jiaotong University
Priority date: 2008-08-25
Filing date: 2008-08-25
Publication date: 2009-05-06

Abstract

本发明公开了一种可实现整流变换的多电平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，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；S_i、S_i+1(i＝1，2……k－1)之间的节点D_i和C_Ti、C_Ti+1(i＝1，2……k－1)的节点D_Ti之间是有一条支路，是由S_Tk1，S_Tk2……S_Tk(2k)构成从横轴流向纵轴的单向整流支路，在节点D_i和C_Bi与C_Bi+1(i＝1，2……k－1)间的节点D_Bi之间有另一支路，该支路是由S_Bk1，S_Bk2……S_Bk(2k)构成从纵轴流向横轴的单向整流支路，其方向与前述的支路相反；横轴的双向可控开关S₁的一端与纵轴电容的中点相连。扩展开关管、电容及整流支路可增加电平数；通过单相电路组合，可应用于多相的系统。本发明容易提高变换器的电平数，克服现有方案的电容不均压及器件数量大的缺点。

Description

多电平整流的T型变换器拓扑结构

技术领域

本发明涉及一种整流电路的拓扑结构，特别涉及一种可以实现整流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；随着电平数增加，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。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：解决传统两电平及传统多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，提供了一种可直接应用于高压整流，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_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；其中S_i、S_i+1(i＝1，2……k-1，以下i的定义相同)之间的节点D_i和C_Ti、C_T(i+1)的节点D_Ti之间是由二极管S_Tk1，S_Tk2……S_Tk(2k)构成从横轴流向纵轴的单向整流支路，在节点D_i和C_Bi与C_Bi+1(i＝1，2……k-1)的节点D_Bi之间有一反方向的单向支路，该支路是由二极管S_Bk1，S_Bk2……S_Bk(2k)构成从纵轴流向横轴的单向整流支路；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D₀相连。

通过增加横轴上的双向可控开关、纵轴上的电容、单向整流支路数量，可以增加变换器的电平数。S_k、C_Tk、C_Bk、S_Tk1，S_Tk2……S_Tk(2k)、S_Bk1，S_Bk2……S_Bk(2k)是同时出现，并按上述所描述的连接方式接入到T型的三个端点上，即可提高其电平数。

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对称的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。

三相以及多相交流电源或者三相以及多相交流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。

本发明的有益效果：

与传统的通用型多电平变换器相比，本发明所提出的多电平的拓扑结构用的半导体器件数量大大减少；由于拓展性好，电路很容易可以增加电平数，容易实现更高的电平方案，避免传统的在高压应用中采用工频变压器的方案，提高效率和性价比。

附图说明

图1为一个桥臂的电路原理图。

图2为双向开关单元S_k的构成的示例。

图3为T形结构示意图。

图4为单相整流电路原理图。

图5为扩展对称横轴后的单相整流电路原理图。

图6为三相或者多相系统的电路结构图。

具体实施方式

结合附图对本发明作进一步说明：

图1为单个桥臂的电路原理图，通过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。

双向开关S_i、S_i+1(i＝1，2……k-1)之间的节点D_i和电容C_Ti、C_Ti+1(i＝1，2……k-1)之间的节点D_Ti之间是由单向开关S_Tk1、S_Tk2……S_Tk(2k)构成从横轴流向纵轴的单向整流支路，在节点D_i和C_Bi与C_B(i+1)(i＝1，2……k-1)的节点D_Bi之间有一反方向的单向整流支路，该支路是由单向开关S_Bk1、S_Bk2……S_Bk(2k)构成从纵轴流向横轴的单向整流支路。

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D₀相连。进行电平扩展时，S_k、C_Tk、C_Bk、S_Tk1、S_Tk2……S_Tk(2k)、S_Bk1、S_Bk2……S_Bk(2k)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。

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。

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，使交流侧的电压为(k-2)U，……2U，U，0。

图2为开关S_k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L_k1和L_k2端子与S_k的两个引出端子对接替换，即可构成完整的开关。

图3为T形结构示意图，其中节点D₀是横轴与纵轴的交点。D_T1、D_T2……D_Tk及D_B1、D_B2……D_Bk构成纵轴，D₀、D₁……D_k构成横轴。在实际电路中，横轴上的节点之间由双向开关连接，D_k和D_k-1之间的双向开关是S_k；纵轴上的节点之间由电容进行连接，D_Tk和D_T(k-1)之间的电容是C_Tk，D_Bk和D_B(k-1)之间的电容是C_Bk。

图4为单相整流时的电路结构图，单相交流电源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。

图5为扩展对称横轴后的单相整流电路原理图，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，另一端以相同的电路结构形式与电容中点相连。与图3所示的电路结构相似，可以用相同的控制方法来实现电能控制。

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通过本发明提出的桥臂电路与电容的各个节点相连，电源的另一端连接与一点。或者将电源进行三角形连接。

Claims

1.多电平整流的T型变换器拓扑结构，其特征在于：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为一个正整数常数，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、S_i+1(i＝1，2……k-1，以下i的定义相同)之间的节点D_i和C_Ti、C_T(i+1)的节点D_Ti之间有一条支路，是由单向开关S_Ti1，S_Ti2……S_Ti(2i)构成从横轴流向纵轴的单向整流支路，在节点D_i和C_Bi与C_B(i+1)间的节点D_Bi之间有另一支路，该支路是由单向开关S_Bi1，S_Bi2……S_Bi(2i)构成从纵轴流向横轴的单向整流支路，与前述的整流支路的方向相反；S_k作为T型横轴的最后一个开关，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，并同时通过两条支路与纵轴相连，其中一条是通过S_Tk1、S_Tk2……S_Tk(2k)构成从横轴流向纵轴的单向整流支路与C_Tk的正极相连，另一条是通过S_Bk1、S_Bk2……S_Bk(2k)构成从纵轴流向横轴的单向整流支路与C_Bk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D₀相连；在扩展电平时，S_k、C_Tk、C_Bk、S_Tk1，S_Tk2……S_Tk(2k)、S_Bk1，S_Bk2……S_Bk(2k)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，纵轴上的电容以及横轴与纵轴之间的支路数量，来增加变换器的电平数。

2.根据权利要求1所述的多电平整流的T型变换器拓扑结构，其特征在于：交流电源的一端经电感后，通过T型拓扑的横轴与电容中点相连。

3.根据权利要求1所述的多电平整流的T型变换器拓扑结构，其特征在于：交流电源的另一端接地，或与T型纵轴的电容中点相连，或以同样的开关形式，通过以电源为中心对称延长横轴，并增加单向支路与相应的纵轴节点相连；在对称延长横轴的情况下，电源端的两个对称电感可以用单个电感替代。

4.根据权利要求1所述的多电平整流的T型变换器拓扑结构，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，S_k有许多种组成形式，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M_k1和M_k2组成对管结构，M_k与D_k1、D_k2、D_k3、D_k4构成的双向结构。

5.根据权利要求1所述的多电平整流的T型变换器拓扑结构，其特征在于：整流支路上的多个串联二极管，根据电压、电流的需要，可以由单只器件实现或多器件串并联实现。

6.根据权利要求1所述的多电平整流的T型变换器拓扑结构，其特征在于：原则上要求T型变换器纵轴上电容的容量等参数应一致，但根据实际情况可以有不同的情况；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。

7.根据权利要求1所述的多电平整流的T型变换器拓扑结构，其特征在于：多相拓扑电路的组成方式如下——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，可得到j(j＝1，2，3，……，j为1时，D_ki等同于D_k，下同)个横轴及其交流侧节点D_k；j为1时，把前述的中性点N与中点D₀直接连接就构成单相电路；j为2时，把节点D_k1与D_k2连接电源的两端也构成单相电路。j(≥3时)个交流侧节点M_kj与j相电源系统相连接就构成j相电路。