CN102427352A - 一种电力电子高压组合开关 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电力系统的控制技术，旨在提供一种电力电子高压组合开关。该组合开关包括箝位电容与多个逆导型开关，由若干个单元级联构成。本发明能耐受远高于单个功率半导体器件的开关电压，适用于电力系统的高压直流输电变流器、电力电子变压器、智能电网多种关键高压变流和开关装置、高压变频传动装置、新能源的直接并网发电，以及工业应用中的高压整流、逆变装置。本发明具有简洁的模块化结构，控制简单、可靠，适合高频工作，电磁兼容性优良，部分种类还具备双向开关等特点。本发明易于制成高压开关模块，没有明显的电压、功率等级瓶颈、技术应用范围宽广，而由其构成的变流系统的体积、重量与成本有望比现有同类产品显著降低。

Description

一种电力电子高压组合开关

技术领域

本发明涉及电力系统的控制技术，特别是一种电力电子高压组合开关，主要应用于智能电网(例如：特高压输电、交-直-交变流、电力电子变压器、新能源高压并网发电)、大功率电力传动(高压、中压变频传动)、电力牵引。 

背景技术

高压大功率变流器一直是电力电子在电力系统与高功率电力传动中应用的关键技术。当实际应用场合所需的电压超过单个电力半导体器件的耐压值之后，必须采用开关串联技术或多电平技术。由于常规高压功率半导体器件的耐压值大致为1～5kV，而其中的普通常用器件IGBT大致仅为1200V。若采用3400V耐压的器件，则其价格远远高于前者；即便不顾成本而用更高耐压的器件，不用开关串联技术或多电平技术仍然难以满足电力系统的高压工作要求。另一方面，器件随着耐压水平的提高，其允许开关频率越来越低，增加了变流系统的体积与重量。 

对于高压变流电路，器件的直接串联是不得已的方案。尽管这有其结构相对简单的优点，但是非常高的开关电压变化率还是会造成均压方面的问题，从而会使负载设备的可靠性降低。况且，器件的均压控制方法随着串联数的增加而变得更加困难，需要更大的耐压裕度，因此可以说，开关串联技术并不适合在电力系统中单独使用。 

电压型变流器中常用到逆导型开关，可以由功率半导体开关与反并联的功率二极管这两个独立的器件组成，也可以是一体化器件，为方便起见这里简称为开关(K，符号如图8电路中所示)，开关的正、负极方向正好与其中反并联二极管极性相反。常用的K有带反向并联二极管的绝缘栅极双极型复合晶体管(IGBT)与功率金属氧化物场效应晶体管(Power MOSFET)器件，也可以是晶闸管、集成电路门极换流晶体闸管(IGCT)、结型场效应功率器件(Power JFET)，以及各种碳化硅功率开关等其他新型器件。图8的电路中，K应用了Power MOSFET。 

发明内容

本发明要解决的技术问题是，克服现有技术中多电平电路的缺点，提供一种电力电子高压组合开关的电路与控制方法。本发明根据多电平电路原理和高压、大功率变流系统的特殊要求，提出基于变流单元组合构成的各式高压组合开关，而这种电路充分考虑了单元间的电应力平衡问题。 

为解决技术问题，本发明提供了一种电力电子高压组合开关，包括箝位电容C与多个逆导型开关，该开关由若干个单元级联构成，所述的单元是非对称型单元或对称型单元中的任意一种或两种；所述非对称型单元：由第一开关K1、第二开关K2、第三开关K3、第四开关K4及箝位电容C构成；其中，第一开关K1与第二开关K2、第三开关K3与第四开关K4分别串联；第一开关K1与第三开关K3的正端相连作为单元的正端p*，该端同时也是单元的第一级联端Z11；第二开关K2与第四开关K4的负端相连作为单元的负端n*，该端同时也是单元的第四级联端Z22；箝位电容C的两端分别接于第一级联端Z11和第四级联端Z22；第一开关K1与第二开关K2的连接处为单元的第二级联端Z12，第三开关K3与第四开关K4的连接处为单元的第三级联端Z21； 

所述对称型单元：由第一开关K1、第二开关K2、第三开关K3、第四开关K4、第五开关K5、第六开关K6、第七开关K7、第八开关K8及箝位电容C构成；其中，第一开关K1与第二开关K2串联，其连接处为单元的第一级联端Z11；第三开关K3与第四开关K4串联，其连接处为单元的第三级联端Z21；第五开关K5与第六开关K6串联，其连接处为单元的第二级联端Z12；第七开关K7与第八开关K8串联，其连接处为单元的第四级联端Z22；第一开关K1、第三开关K3、第五开关K5与第七开关K7的正端相连作为单元的正端p*，第二开关K2、第四开关K4、第六开关K6和第八开关K8的负端相连作为单元的负端n*；箝位电容C的两端分别接于正端p*与负端n*； 

所述若干个单元的级联方式为：相邻的两个单元之间具有两组级联端的连接关系，具体为：前一单元的第三级联端Z21与后一单元的第一级联端Z11相连，前一单元的第四级联端Z22与后一单元的第二级联端Z12相连；其中，有一组级联端是通过电感Ls或电阻R或电感Ls与电阻R的并联电路实现连接的，另一组级联端则是直接连接； 

若干个单元级联构成的组合开关中，外侧单元的第二级联端Z12为p端、第一级联端Z11为p’端；另一外侧单元的第四级联端Z22为n端、第三级联端Z21为n’端；取上述p端、n端分别为组合开关的两端，或者取p’端、n’端分别为组合开关的两端； 

所述第一开关K1、第二开关K2、第三开关K3、第四开关K4、第五开关K5、第六开关K6、第七开关K7、第八开关K8均为逆导型开关。 

基于相同的实现原理，本发明提出一种改型的组合开关，该组合开关由非对称型单元级联构成；相邻两个单元中，前一单元的第四开关K4和后一单元的第一开关K1的其中之一以二极管代替，该二极管的极性与被代替的开关中逆导二极管的极性相同。 

作为另一种改型的组合开关，该组合开关由对称型单元级联构成；相邻两个单元中，前一单元的第七开关K7、第八开关K8和后一单元的第五开关K5、第六开关K6其中一个或两个以二极管代替，且同一单元中的两个开关不能同时被二极管代替，该二极管的极性与被代替的开关中逆导二极管的极性相同。 

作为另一种改型的组合开关，该组合开关由对称型单元级联构成；相邻两个单元中，前一单元的第七开关K7、第八开关K8和后一单元的第五开关K5、第六开关K6其中一个或两个以二极管代替，且同一单元中的两个开关不能同时被二极管代替，该二极管的极性与被代替的开关中逆导二极管的极性相同； 

同时，对被二极管替代的第五开关K5、第六开关K6、第七开关K7或第八开关K8的连线方式改接：第五开关K5的正端、第六开关K6的负端改接到第二级联端Z12，第七开关K7的正端、第八开关K8的负端改接到第四级联端Z22；这种改接仅涉及替代的二极管，未被替代的开关不改接；这里所述的正、负端是指替换前的原开关的极性，而非指替代后的二极管的极性。 

作为另一种改型的组合开关，该组合开关由非对称型单元级联构成；且相邻两个单元中，前一单元的第三级联端Z21与后一单元的第一级联端Z11直接连接，前一单元的第四级联端Z22与后一单元的第二级联端Z12直接连接；前一单元的第四开关K4与后一单元的第一开关K1中，省略其中之一。 

作为另一种改型的组合开关，该组合开关由对称型单元级联构成；且相邻两个单元中，前一单元的第三级联端Z21与后一单元的第一级联端Z11直接连接，前一单元的第四级联端Z22与后一单元的第二级联端Z12直接连接；前一单元的第七开关K7与后一单元的第五开关K5中，省略其中之一；前一单元的第八开关K8与后一单元的第六开关K6中，省略其中之一。 

作为另一种改型的组合开关，取p端、n端分别为组合开关的两端，同时取p’端、n’端分别为组合开关辅助端；组合开关通过p端与p’端或n端与n’端对各个单元的箝位电容C充电，使箝位电容C上的电压Uc达到设定值。 

作为另一种改型的组合开关，当组合开关由非对称型单元级联构成时，在组合开关的p端、n端之间或p’端、n’端之间择一反并一个高压二极管Dh，二极管Dh的负端连接组合开关的p端或p’端，二极管Dh的正端连接组合开关的n端或n’端。 

本发明的有益效果与创新点： 

本发明解决了大多数高压多电平线路随着电平数的增加其复杂度也急剧增加的问题。本发明的优点在于： 

(1)模块化电路结构，电磁兼容性好； 

(2)可以分别做成具有单向、双向、双向非对称不同开关特性的组合开关； 

(3)采用低压开关构成高压组合开关，开关频率高，可缩小系统体积与重量。 

基于上述可贵特点，本发明适合于多电平的中压、高压、甚至特高压的AC/DC、DC/AC、DC/DC、AC/AC的变流，能够广泛应用于中/高压变频、电力电子变压器、新能源直接并网、智能电网应用，特别是适合于电力系统特高压的变流应用。 

附图说明

图1为一般组合开关的构成； 

图2为非对称型变流单元及其连接； 

图3为对称型变流单元及其连接； 

图4为简化的非对称型变流单元及其连接； 

图5为简化的对称型变流单元及其连接； 

图6为非对称型单元构成各种交/直流线路； 

图7为对称型单元构成交/交变流线路； 

图8为组合开关构成模块。 

具体实施方式

为更利于阅读，本发明在此后的内容中省略了各开关、级联端的顺序编号。但其对应关系仍可根据说明书内容及附图清楚、毫无疑义地进行识别，与发明内容部分的表述保持了高度的一致。特此说明。 

1.1高压组合开关的基本原理 

本发明的组合开关在阻断电压/电流或直接导通方面与普通开关有所类似，例如组合开关的端电压可以呈现短接或阻断状态。当组合开关中各单元的开关呈现阻断状态时，组合开关呈现为阻断状态；若仍有电流通过组合开关，其两端呈现为一个箝位电压。当组合开关快速阻断时，线路上的杂散参数所引起的电压尖峰能够被组合开关的C自然地吸收，电路有相当好的电磁兼容性。 

本发明提出的组合开关由变流单元级联构成。所谓变流单元，如常见的BUCK、BOOST、BUCK-BOOST、半桥、全桥等拓扑，以及在此基础上构成的更复杂的拓扑。图2、图4中虚线框所标的都是变流单元的案例。本发明由单元构成组合开关的过程如图1所示。 

当组合开关采用非对称型变流单元时，组合开关能承受单方向端电压Upn；当组合开关采用对称型变流单元时，Upn允许为负，即组合开关具有正、负对称的极性。 

组合开关本质上是一个暂态储能的开关，箝位电容C上的电压为Uc。单元中C的取值，是以组合开关在开关切换过程中Uc不发生显著变化为前提的(例如不超过1-3％)，这与电流的大小及各单元开关动作时间差异有关。 

组合开关外侧单元的Z12为p端、另一外侧单元Z22为n端；而外侧单元的Z11为p’端、另一外侧单元Z21为n’端。为说明问题方便起见，取上述p、n端分别为组合开关的两端。其实p’、n’端也可以分别取为组合开关的两端，也是本发明的一部分，因其工作原理相通，不再赘述。 

本发明的组合开关在各式变流电路中替代普通开关可以构成高压变流电路。 

1.2非对称型变流单元及其连接 

本发明的非对称型变流单元(简称非对称型单元)及级联的例子如图2所示。图2中Ls放在左边单元的Z21与右边单元的Z11之间，其效果与放在左边单元的Z22与右边单元的Z12之间是类似的，不再赘述。为方便起见，这里都以图2为例说明原理。 

单元工作时，开关K1与K2不能同时开通，同样地开关K3与K4也不能同时开通。为防止上、下开关同时导通引起短路，K1或K2(以及K3或K4)的开通动作有一死区间隙，时间稍微长于开关控制的误差时间，在死区时间里上、下开关均不导通。单元级联电压Us为Z12与Z22之间的电压，有0、1两个电平，1电平对应1个Uc。通过控制K1、K2两个开关，就可以对Us进行控制。例如：K1通，Us为Uc；K1断，Us为0。K1与K2均断开，是一个特殊状态，没有电流通过时Us是浮动的，由与之相连的外电路确定；若有电流通过K1的逆导二极管，则Us呈现为Uc。 

在非对称型变流单元中，K3、K4是作为平衡用的。变流单元级联时，相邻单元的Uc的差别会通过相邻相关开关进行电荷转移来实现自动均压。图3中左边单元的K3、K4、以及右边单元的K1、K2全都属于相邻相关开关(即相邻单元的相关开关)。 

在相邻相关开关中，K2、K3开关接通时，相邻单元的C通过并接使两个Uc趋同，其中Ls或R都是起限制均压电流冲击作用的。与Ls并联时，R的作用是抑制平衡电流在单元间的振荡。例如取R²＜Ls1/C就可以有效地抑制这种振荡。单独用R代替Ls，会增加功耗。为叙述简单起见，附图1、2、4、6、8中仅仅列出了使用Ls连接的一种情况。当平衡电流过大时，还可以通过控制K2、K3的导通时间来加以限制。K2、K3关断时K1、K4的逆导二级管提供续流通道。若K3、K4仅仅流过平衡电流，其功率容量要求会低于K1、K2。 

由非对称型变流单元级联构成的组合开关，单元之间可以通过级联端口交换能量，自动平衡单元的Uc电压。 

组合开关由m个单元级联构成，各单元的对应开关采取同步开/关控制。各单元K2开通，组合开关导通；各单元K2关闭，组合开关阻断。K3是用来控制Uc平衡的。K1与K4同时开或同时关。K2有两种控制方式： 

1)采取与K1总是相反的逻辑，即K1开则K2关，K1关则K2开。这种控制方式比较简单，确定了K1也就确定了K2、K4。当K1导通时，将各单元的Uc级联后释放到与组合开关相连的外电路。 

2)K2与K1独立控制，多了K1、K2均关断的状态。当端电压Upn＜m*Uc时，组合开关无电流通过；组合开关有电流通过时，端电压被动态地箝位在m*Uc上(随着通过电荷的增加，Uc会上升)。由于当端电压Upn＜m*Uc时，不用立即释放Uc的电压，比较灵活。当Uc达到上限值且端电压Upn＜m*Uc时，还是可以通过K1来释放的。 

组合开关n端单元的K3、K4不是必要的，但从中引出的n’可以用于两个串联的组合开关之间的Uc平衡。容易想到将K3、K4利用起来，用n’端代替n端作为组合开关的负端，可以为n端单元(及组合开关)增加一个-Uc电平，使组合开关具有一个Uc反向电压阻断能力，以下说明不再赘述。 

1.3对称型变流单元及其连接 

图3是本发明的对称型变流单元及级联的例子。图3中Ls放在左边单元的Z21与右边单元的Z11之间，其效果与放在左边单元的Z22与右边单元的Z12之间是类似的，不再赘述。为方便起见，这里都以图3为例说明原理。 

变流单元工作时，开关K1与K2不能同时开通，同样地开关K3与K4、K5与K6、K7与K8也不能同时开通。为防止上、下开关同时导通引起短路，K1与K2(以及K3与K4、K5与K6、K7与K8)的开通动作有一死区间隙，时间稍微长于开关控制的误差时间，在死区时间里上、下开关均不导通。单元级联电压Us为Z12与Z22之间的电压，有0、1、-1三个电平，-1电平对应-Uc。通过控制K1、K2、K3、K4四个开关，就可以对Us进行控制。例如：K1、K4通，Us为Uc；K2、K3通，Us为-Uc；K1、K3通，或K2、K4通，Us均为0。K1、K2、K3与K4均断开，属于阻断状态，没有电流通过时Us是浮动的，由与之相连的外电路确定；若有电流通过K1、K4的逆导二极管，则Us呈现为Uc；若有电流通过K2、K3的逆导二极管，则Us呈现为-Uc。 

在对称型单元中K5、K6、K7、K8是用于平衡的，变流单元级联时，相邻单元的Uc的差别会通过相邻相关开关进行电荷转移来实现自动均压。图3中左边单元的K3、K4、K7、K8以及右边单元的K5、K6、K1、K2全都属于相邻相关开关。 

在相邻相关开关中，K3与K7或K4与K8同时开通时，左边单元的连接端口Z21、Z22之间呈零电平；K1与K5或K2与K6同时开通时，右边单元的连接端口Z11、Z12之间呈零电平；当K3与K8或K4与K7同时开通时，左边单元连接端口Z21、Z22之间分别呈1与-1电平；当K1与K6或K2与K5同时开通时，右边单元的连接端口Z11、Z12之间分别呈1与-1电平。只有控制两边端口的电平一致，才能使两个相邻单元的Uc平 衡得以正常进行、电压趋同，其中Ls或R是起限制均压电流冲击作用的。与Ls并联时，R的作用是抑制平衡电流在单元间的振荡。例如取R²＜Ls1/C就可以有效地抑制这种振荡。单独用R代替Ls，会增加功耗。为叙述简单起见，附图1、3、5、7中仅仅列出了使用Ls连接的一种情况。当平衡电流过大时，还可以通过对K5、K6、K7、K8的导通时间来加以限制，这些开关关断时情况与非平衡型类似，不再赘述。K5、K6、K7、K8仅仅流过平衡电流时，其功率容量要求会低于K1、K2、K3、K4。 

组合开关由m个单元级联构成，各单元的对应开关采取同步开/关控制。各单元K1与K2或K3与K4开，组合开关导通；各单元K1、K2、K3、K4均关，组合开关阻断。 

K1与K4同时开或同时关，K2与K3同时开或同时关。K2有两种控制方式： 

1)采取与K1总是相反的逻辑，即K1开则K2关，K1关则K2开。这种方式控制比较简单，确定了K1也就确定了K2、K3、K4。当K1导通时，将各单元的Uc串联后与组合开关的两端相接；当K2导通时，将各单元的-Uc串联后与组合开关的两端相接。究竟是K1还是K2导通，依组合开关承受的电压极性而定，以确保Uc的电压级联后释放到与组合开关相连的外电路。 

2)K1与K2独立控制，多了K1、K2均关断的状态。当端电压满足-m*Uc＜Upn＜m*Uc时，组合开关无电流通过；组合开关有电流通过时，端电压被动态地箝位在m*Uc上(随着通过电荷的增加，Uc会上升)。由于当端电压满足-m*Uc＜Upn＜m*Uc时，不用立即释放Uc的电压，比较灵活。当Uc达到上、下限定值且端电压满足-m*Uc＜Upn＜m*Uc时，还是可以通过K1或K2来释放的。 

由非对称型单元所构成的组合开关，具有单向开关特性；由对称型单元所构成的组合开关，具有双向开关特性；将非对称型单元与对称型单元两者混合级联构成的组合开关，具有非对称双向开关特性(在DC/AC变流中，当负载为并联谐振电路时，AC输出可以超过DC的幅度)。 

图4是简化的非对称型变流单元及级联的例子，单元中K1简化为二极管。在以p、n为两端的组合开关，取K1为简化对象要优于K4，当Uc需要释放电荷时可以利用Ls来限制电流。在以p’、n’为两端的组合开关，则取K4简化对象为好。图5是简化的平衡对称型变流单元及级联的例子，单元中K6、K8简化为二极管。在上述简化电路中，因Ls的电流不可能通过开关维持循环，平衡电流的控制模式有所差别。 

简化并将二极管端子改接的平衡对称型变流单元的例子参见图7，如单元中K6、K8二极管所示。这一改接并没有影响Ls的续流功能，但平衡电流通道的缩短能减少一些损耗。 

将非对称型相邻单元之间Z21与Z11直接连接的做法，可以节省元件。这种连接所构成的组合开关，缺点是平衡电流缺乏限制机制，在Uc向外电路放电时也会有冲击。将对称型相邻单元之间Z21与Z11直接连接的做法，效果类似，不再赘述。 

上述简化，一般不针对伸缩臂两端的外侧开关。 

组合开关的外侧单元引出其p*、n*端作为辅助端，两个外侧共有两对辅助端。辅助端参见图6、7、8，为叙述简单起见，在附图中没有逐个画出，仅画了其中一对辅助端，。 

本发明的组合开关，在阻断状态时，若Uc还比较低，外电路就会通过p、n对各单元的C补充电荷。这一情况往往发生在外电路电压达到峰值的时候，这对于一些在阻断状态下不能有电流通过组合开关的电路是不合适的。为此，利用组合开关外侧单元的p与p’或n与n’端口，在组合开关处于导通状态时，通过低压电源对各单元的C进行充电，并使Uc电压足够高，以防止断态时有电流通过组合开关，此条件为： 

m*Uc＞Upn           (由非对称型单元所构成的组合开关)，或 

-m*Uc＜Upn＜m*Uc    (由对称型单元所构成的组合开关)。 

当组合开关由非对称型单元级联构成时，在组合开关的p端、n端之间或p’端、n’端之间选择其一，反并一个高压二极管Dh，这对于降低组合开关的反向导通压降是有明显好处的。由于组合开关在反向导电时，电流需要通过较多的串联逆导二极管，有反并二极管Dh时，反向导通损耗得以降低。当然，Dh通常需要采用高耐压快速二极管，例如碳化硅二极管就可以取得较好效果。当然，为了降低组合开关的反向导通压降，当开关选用POWER MOSFET时，也可以采用所谓同步整流技术，但这会提高控制难度。 

1.4实施案例 

各图中的符号m是组合开关的单元数。 

本申请提出的上述发明1至2项各条可以单独或混合实施。图6、图7是本发明的实施例。 

(1)非对称型单元构成各种交/直流线路 

如图6中的组合开关由10个单元级联而成(m＝10)，两个组合开关代替普通开关构成桥臂。为叙述方便起见，将输出电感Lb也包括在桥臂之中了。上、下组合开关的n、p端相互连接并通过电感Lb引出中点Ac；上、下组合开关的p、n端分别引出桥臂的P、N端(即正、负端)。上、下组合开关的n’、p’端通过电感Ls的连接不是必要的，但这有助于必要时平衡两个组合开关各单元Uc值(例如在启动时)。 

组合开关启动时可以在n’与n之间(或p与p’之间)加一低压电源，并使组合开关导通，对各单元的C充上电后再关断(即阻断)组合开关，组合开关就可以直接投切到高压，不需要专门的高压预充电线路。另外组合开关之间若为双线连接，也是有利于简化启动控制的。 

组合开关启动时可以在n端单元的p*与n*之间(或p端单元的p*与n*之间)加一低压电源，并使组合开关导通，对各单元的C充上电后再关断(即阻断)组合开关，组合开关就可以直接投切到高压，不需要专门的高压预充电线路。另外组合开关之间若为双线连接，也是有利于简化启动控制的。图6的组合开关由非对称单元构成，其n端单元的n*就是桥臂的N端，桥臂也只要多引出一个Bd的n端单元的p*端。 

图6中所示的背靠背高压变频器，其中A、B、C为输入三相电压，a、b、c为输出三相电压。该电路为AC/DC/AC的变流结构；采用平衡非对称变流单元构成组合开关；组合开关可以采用PWM开关方式工作。该电路用于组成三相高压变频驱动，若每一电平为2000V，则线电压可达14.1kV交流。 

图6中还给出了组合开关在高压整流/逆变与光伏并网发电的应用案例。 

(2)对称型单元构成交/交变流线路 

如图7中的组合开关由15个单元级联而成(m＝15)，两个组合开关代替普通开关构成桥臂。上、下组合开关的n、p端相互连接引出中点Ac；上、下组合开关的p、n端分别引出桥臂的P、N端(即正、负端)。上、下组合开关的n’、p’端通过电感Ls的连接不是必要的，但这有助于必要时平衡两个组合开关各单元Uc值(例如在启动时)。 

图7中给出了Y接法的三相电子调压器，组合开关采用PWM控制，输出端经过简单滤波就可以给出与输入同频同相的电压连续可调的输出。若每一电平为4000V，则调压器的最高线电压可达39.6kV交流。 

图7中还分别给出了Y形与三角形接法的电子变压器。组合开关采用PWM调制。第一组由组合开关构成的三相桥AC/AC变频电路，输入为50Hz工频电压，输出幅度为50Hz工频电压包络、频率为5kHz中频开关脉冲；第二组由组合开关构成的三相桥AC/AC变频电路，输入幅度为50Hz工频电压包络、频率为5kHz中频开关脉冲，输出50Hz工频电压。由于采用的中频(例如5kHz)远高于工频(50Hz)，变压器的体积大为缩小。 

图8给出了利用组合开关线路构成高压开关模块的案例。图8中，p、n端分别为组合开关的正、负端；模块内的驱动电路负责给各单元的开关施加控制脉冲；n’、p’为预留端，用于组合成桥臂备用；利用p*、n*可以在启动时为组合开关预充电；g为控制端口，接受驱动信号(可以采用光纤传送信号)；隔离驱动电路接收驱动信号后，向组合单元内各开关分配驱动信号，隔离驱动电路的辅助电源可以从外部或单元的Uc获取。一些常规的驱动、保护措施都可以用于本发明，例如在单元p*端与K2的控制极之间并联瞬态电压抑制器(TVS)等限压器件来保护K2的过电压。因此，本发明的驱动电路与常规功率器件所要求的是类似的，但必须具备控制信号与各开关之间的电隔离，用光电耦合器件、压电变压器、脉冲变压器等方案容易解决这一问题。 

(3)非对称型单元与平衡对称型单元两者混合级联所构成DC/AC变流线路 

值得一提的是，图6的高压整流/逆变电路中，若DC输入电压不够高，则组合开关中采用非对称型单元与平衡对称型单元两者混合级联，电路可以较好地实现升压变流功能。可以选取其中非对称型单元Uc的串联电压等于DC电压，平衡对称型单元Uc的串联电压为略高于AC幅度超过DC的部分。当输出电压超过DC电压时，伸缩臂能够承受这一反向电压。例如，组合开关中采用10个非对称单元、5个对称单元混合级别联，若每一电平为2000V，在DC电压为20kV下，当用于谐振负载时可利用的桥臂中点输出电压峰-峰值可以达到30kV。 

以上所述，仅是本发明的一些较佳实施案例而已，并非对本发明做任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施案例揭示如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的结构及技术内容做出些许的更动或修饰为等同变化的等效实施案例，但是凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施案例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属本发明技术方案范围内。 

Claims (8)

1.一种电力电子高压组合开关，包括箝位电容C与多个逆导型开关，其特征在于，该组合开关由若干个单元级联构成，所述的单元是非对称型单元或对称型单元中的任意一种或两种；

所述非对称型单元：

由第一开关K1、第二开关K2、第三开关K3、第四开关K4及箝位电容C构成；其中，第一开关K1与第二开关K2、第三开关K3与第四开关K4分别串联；第一开关K1与第三开关K3的正端相连作为单元的正端p*，该端同时也是单元的第一级联端Z11；第二开关K2与第四开关K4的负端相连作为单元的负端n*，该端同时也是单元的第四级联端Z22；箝位电容C的两端分别接于第一级联端Z11和第四级联端Z22；第一开关K1与第二开关K2的连接处为单元的第二级联端Z12，第三开关K3与第四开关K4的连接处为单元的第三级联端Z21；

所述对称型单元：

由第一开关K1、第二开关K2、第三开关K3、第四开关K4、第五开关K5、第六开关K6、第七开关K7、第八开关K8及箝位电容C构成；其中，第一开关K1与第二开关K2串联，其连接处为单元的第一级联端Z11；第三开关K3与第四开关K4串联，其连接处为单元的第三级联端Z21；第五开关K5与第六开关K6串联，其连接处为单元的第二级联端Z12；第七开关K7与第八开关K8串联，其连接处为单元的第四级联端Z22；第一开关K1、第三开关K3、第五开关K5与第七开关K7的正端相连作为单元的正端p*，第二开关K2、第四开关K4、第六开关K6和第八开关K8的负端相连作为单元的负端n*；箝位电容C的两端分别接于正端p*与负端n*；

所述若干个单元的级联方式为：相邻的两个单元之间具有两组级联端的连接关系，具体为：前一单元的第三级联端Z21与后一单元的第一级联端Z11相连，前一单元的第四级联端Z22与后一单元的第二级联端Z12相连；其中，有一组级联端是通过电感Ls或电阻R或电感Ls与电阻R的并联电路实现连接的，另一组级联端则是直接连接；

若干个单元级联构成的组合开关中，外侧单元的第二级联端Z12为p端、第一级联端Z11为p’端；另一外侧单元的第四级联端Z22为n端、第三级联端Z21为n’端；取上述p端、n端分别为组合开关的两端，或者取p’端、n’端分别为组合开关的两端。

2.根据权利要求1所述的电力电子高压组合开关，其特征在于，组合开关由非对称型单元级联构成；相邻两个单元中，前一单元的第四开关K4和后一单元的第一开关K1的其中之一以二极管代替，该二极管的极性与被代替的开关中逆导二极管的极性相同。

3.根据权利要求1所述的电力电子高压组合开关，其特征在于，组合开关由对称型单元级联构成；相邻两个单元中，前一单元的第七开关K7、第八开关K8和后一单元的第五开关K5、第六开关K6其中一个或两个以二极管代替，且同一单元中的两个开关不能同时被二极管代替，该二极管的极性与被代替的开关中逆导二极管的极性相同。

4.根据权利要求1所述的电力电子高压组合开关，其特征在于，组合开关由对称型单元级联构成；相邻两个单元中，前一单元的第七开关K7、第八开关K8和后一单元的第五开关K5、第六开关K6其中一个或两个以二极管代替，且同一单元中的两个开关不能同时被二极管代替，该二极管的极性与被代替的开关中逆导二极管的极性相同；

同时，对被二极管替代的第五开关K5、第六开关K6、第七开关K7或第八开关K8的连线方式改接：第五开关K5的正端、第六开关K6的负端改接到第二级联端Z12，第七开关K7的正端、第八开关K8的负端改接到第四级联端Z22；这种改接仅涉及替代的二极管，未被替代的开关不改接；这里所述的正、负端是指替换前的原开关的极性，而非指替代后的二极管的极性。

5.根据权利要求1所述的电力电子高压组合开关，其特征在于，组合开关由非对称型单元级联构成；且相邻两个单元中，前一单元的第三级联端Z21与后一单元的第一级联端Z11直接连接，前一单元的第四级联端Z22与后一单元的第二级联端Z12直接连接；前一单元的第四开关K4与后一单元的第一开关K1中，省略其中之一。

6.根据权利要求1所述的电力电子高压组合开关，其特征在于，组合开关由对称型单元级联构成；且相邻两个单元中，前一单元的第三级联端Z21与后一单元的第一级联端Z11直接连接，前一单元的第四级联端Z22与后一单元的第二级联端Z12直接连接；前一单元的第七开关K7与后一单元的第五开关K5中，省略其中之一；前一单元的第八开关K8与后一单元的第六开关K6中，省略其中之一。

7.根据权利要求1所述的电力电子高压组合开关，其特征在于，取p端、n端分别为组合开关的两端，同时取p’端、n’端分别为组合开关辅助端；组合开关通过p端与p’端或n端与n’端对各个单元的箝位电容C充电，使箝位电容C上的电压Uc达到设定值。

8.根据权利要求1所述的电力电子高压组合开关，其特征在于，组合开关由非对称型单元级联构成；在组合开关的p端、n端之间或p’端、n’端之间择一反并一个高压二极管Dh，二极管Dh的负端连接组合开关的p端或p’端，二极管Dh的正端连接组合开关的n端或n’端。

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