CN103248253A

CN103248253A - 一种多电平电路结构

Info

Publication number: CN103248253A
Application number: CN2013101455917A
Authority: CN
Inventors: 陈敏; 尹彭飞
Original assignee: Shandong Xinfeng Photoelectric Science & Technology Development Co Ltd
Current assignee: Shandong Xinfeng Photoelectric Science & Technology Development Co Ltd
Priority date: 2013-04-24
Filing date: 2013-04-24
Publication date: 2013-08-14

Abstract

一种多电平电路结构，包括多级电平输出电路，每级电平输出电路包括多个串联的电容、并联电容两端的两电平电路单元或三电平电路单元，电平电路单元呈对称分布，上级电平电路单元的输出端作为下级电平电路单元的输入端，第一级电平电路单元的输入端作为电路的输入端，最后一级电平电路单元的输出端作为电路的输出端。本发明具有以下明显的优点：1.本发明通过设置多个两电平电路单元和三电平电路单元的组合实现多电平电路结构；2.采用相同或相似的电平电路单元，使得结构清晰，并且可以做成标准电路的组装，使得结构简洁、方便。

Description

一种多电平电路结构

技术领域

本发明属于多电平电源供电、电力电子技术领域，具体涉及一种多电平电路的变频电源或多电平的逆变电源中的多电平电路结构。

背景技术

随着现代变流技术的发展，新技术在工业设备中得到广泛的应用，变频技术具有的卓越节能效果、方便操作以及便于安装维护等优点，但由于工况条件差异较大，特别是对应要求输出波形质量高，同时能解决高电压情况下。

目前的多电平电路结构主要有采用H桥功率单元进行级联组成、采用钳位二极管方式的多电平、采用跨接电容方式的多电平、采用MMC模块结构级联方式的多电平，在H桥级联方式的多电平中要求各个功率单元的供电模式是相互独立的，这就使得要求带有隔离变压器，且级联后首尾单元之间供电侧的绝缘要求高；对于钳位二极管方式的多电平，在电平数比较多时，二极管器件的数量就大量增加；对于跨接电容方式的多电平，由于电容的体积和各电平之间所跨接的电容使得装置整机的结构比较复杂；对于采用MMC模块结构级联方式时，每个MMC结构中需要电容，使得整体结构也比较复杂。

发明内容

本发明的目的是针对现有多电平电路结构存在的不足，提出本发明的多电平电路结构来解决上述不足。

本发明的目的是通过以下技术手段实现的：包括多级电平输出电路，每级电平输出电路包括多个串联的电容、并联电容两端的两电平电路单元或三电平电路单元，电平电路单元呈对称分布，上级电平电路单元的输出端作为下级电平电路单元的输入端，第一级电平电路单元的输入端作为电路的输入端，最后一级电平电路单元的输出端作为电路的输出端。

电平电路单元可以是三电平电路单元，包括串联的4只可全控的功率开关器件和2只快恢复二极管功率器件，二极管阳极接第三功率开关与第四功率开关之间，二极管阴极接第一功率开关与第二功率开关之间，功率开关串联的中点作为三电平的输出端，另两端作为输入端。

电平电路单元可以是两电平电路单元，包括串联的2只可全控的功率开关器件，串联的中点作为两电平电路单元的输出端，另两端作为输入端。

通过组合可以得到三电平、四电平、五电平、六电平、七电平等的多种电路结构,电路中的电容数目比输出的电平数少1，如：N电平输出电路，电路中就由N-1电容串联完成。

优选的，三电平电路包括2个两电平电路单元和2个电容的一级电平输出电路。

优选的，四电平电路包括由2个两电平电路单元和2个电容构成的一级电平输出电路、1个两电平电路单元和1个电容构成的二级电平输出电路。

优选的，五电平电路包括由2个两电平电路单元和2个电容构成的一级电平输出电路、1个三电平电路单元和1个电容构成的二级电平输出电路。

优选的，五电平电路包括由2个三电平电路单元和4个电容构成的一级电平输出电路。

优选的，六电平电路包括由2个三电平电路单元和4个电容构成的一级电平输出电路、1个两电平电路单元和1个电容构成的二级电平输出电路。

优选的，六电平电路包括由2个两电平电路单元和2个电容构成的一级电平输出电路、2个两电平电路单元和2个电容构成的二级电平输出电路、1个两电平电路单元和1个电容构成的三级电平输出电路。

优选的，七电平电路包括由2个三电平电路单元和4个电容构成的一级电平输出电路、1个三电平电路单元和2个电容构成的二级电平输出电路。

与现有技术相比本发明具有以下明显的优点：（1）本发明通过设置多个两电平电路单元和三电平电路单元的组合实现多电平电路结构。（2）采用相同或相似的电平电路单元，使得结构清晰，并且可以做成标准电路的组装，使得结构简洁、方便。

附图说明

图1为两电平电路单元电路图；

图2为三电平电路单元电路图；

图3为实施例一的三电平电路结构电路图；

图4为实施例二的四电平电路结构电路图；

图5为实施例三的五电平电路结构电路图；

图6为实施例四的五电平电路结构电路图；

图7为实施例五的六电平电路结构电路图；

图8为实施例六的六电平电路结构电路图；

图9为实施例七的七电平电路结构电路图；

图中：T1、T2、T3、T4、T5、T6为开关器件，

D1、D2为二极管，

1A1、1A2、2A1、2A2、2A3、3A1、3A2、5A3、6A1、6A2、6A3、6A4、6A5为两电平电路单元，

3B3、4B1、4B2、5B1、5B2、7B1、7B2、7B3为三电平电路单元，

1C1、1C2、2C1、2C2、2C3、3C1、3C2、3C3、3C4、4C1、4C2、4C3、4C4、5C1、5C2、5C3、5C4、5C5、6C1、6C2、6C3、6C4、6C5、7C1、7C2、7C3、7C4、7C5、7C6为电容，

1VO1、1VO2、2VO1、2VO2、3VO1、3VO2、4VO1、4VO2、5VO1、5VO2、6VO1、6VO2、6VO3、6VO4、7VO1、7VO2为输出点，

P为正输入端，

1P1、1P2、2P1、2P2、3P3、4P1、4P2、5P1、5P2、6P1、6P2、6P4、6P5、7P1、7P2、7P3为节点，

N为负输入端，

1N1、1N2、2N1、2N2、2N3、3N3、4N1、4N2、5N1、5N2、5N3、6N1、6N2、6N3、6N4、6N5、7N1、7N2、7N3为节点，

O为输入点，

VO为输出。

具体实施方式

以下结合附图说明和具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。

如图1所示的两电平电路单元电路图，由2个全控功率开关器件T1、T2组成，开关器件T1与开关器件T2进行串联，串联的中点为输出VO，开关器件T1的另一端为正输入端P，开关器件T2的另一端为负输入端N,两个开关器件T1、T2需要反向并联快恢复二极管。

如图2所示的三电平电路单元电路图，包括4个全控功率开关器件T3、T4、T5、T6和2个快恢复二极管D1、D2， 4个开关器件T3、T4、T5、T6进行串联，串联方向相同，在开关器件T4与T5的串联点为该三电平电路单元的输出VO，其中2个快恢复二极管D1、D2进行串联，串联方向相同，二极管D1、D2的串联点为输入点O，串联后的二极管的阴极连接到开关器件T3与T4的串联点上，阳极连接到开关器件T5与T6的串联点上，开关器件T3的另一端为正输入端P，开关器件T6的另一端为负输入端N，在4个开关器件T3、T4、T5、T6中需要反向并联快恢复二极管。

如图3所示给出了实施例一，包括由2个两电平电路单元1A1、1A2和两个电容1C1、1C2组成的一个三电平电路结构电路图，电容1C1、1C2进行串联，形成节点1P1、1N1（1P2）、1N2三点，节点1P1连接到两电平电路单元1A1的正输入端，节点1N2连接到两电平电路单元1A2的负输入端，两电平电路单元1A1的负输入端与两电平电路单元1A2的正输入端直接相连，然后连接到电容1C1、1C2的串联点1N1(1P2)，两电平电路单元1A1的输出节点1VO1、1VO2直接相连后作为输出VO, 1A1模块电路中的全控功率开关器件T2不具有反向并联的快恢复二极管，1A2模块电路中的全控功率开关器件T1不具有反向并联的快恢复二极管。

如图4所示给出了实施例二，3个两电平电路单元2A1、2A2、2A3和3个电容2C1、2C2、2C3组成的一个四电平电路结构电路图，电容2C1与两电平电路单元2A1相并联然后与电容2C2串联，电容2C2的另一端与电容2C3和两电平电路单元2A2并联后再串联，节点2P1、2N1分别为与两电平电路单元2A1的正输入端与负输入端，节点2P2、2N2分别为与两电平电路单元2A2的正输入端与负输入端，两电平电路单元2A1、2A2的输出点2VO1、2VO2分别连接到两电平电路单元2A3的正输入端和负输入端，然后两电平电路单元2A3的输出VO为四电平电路结构的输出，在两电平电路单元2A3电路结构中，全控功率开关器件T1、T2的耐压是两电平电路单元2A1、2A2电路结构中的全控功率开关器件T1、T2耐压的2倍。

如图5所示给出了实施例三，由2个两电平电路单元3A1、3A2和1个三电平电路单元3B3以及4个电容3C1、3C2、3C3、3C4组成的五电平电路结构电路图，电容3C1与两电平电路单元3A1相并联然后与电容3C2串联，电容3C2的另一端与电容3C3相连，电容3C3的另一端与电容3C4和两电平电路单元3A2并联后再串联，节点3P1、3N1分别为与两电平电路单元3A1的正输入端与负输入端，节点3P2、3N2分别为与两电平电路单元3A2的正输入端与负输入端，两电平电路单元3A1、3A2的输出点3VO1、3VO2分别连接到三电平电路单元3B3的正输入端点（节点3P3）和负输入端点（节点3N3），然后三电平电路单元3B3的输出V0为五电平电路结构的输出。

如图6所示给出了实施例四，由2个三电平电路单元4B1、4B2和4个电容4C1、4C2、4C3、4C4组成的五电平电路结构电路图，电容4C1与三电平电路单元4B1相并联然后与电容4C2串联，电容4C2的另一端与电容4C3相连，电容4C3的另一端与电容4C4和三电平电路单元4B2并联后再串联，节点4P1连接到三电平电路单元4B1的正输入端，节点4N2连接到三电平电路单元4B2的负输入端，三电平电路单元4B1的负输入端点（节点4N1）与三电平电路单元4B2的正输入端点（节点4P2）直接相连，然后连接到电容4C2、4C3的串联点，三电平电路单元的输出点4VO1、4VO2直接相连后作为五电平电路的输出VO。

如图7所示给出了实施例五，由2个三电平电路单元5B1、5B2和1个两电平电路单元5A3以及5个电容5C1、5C2、5C3、5C4、5C5组成的一个六电平电路结构电路图，电容5C1与三电平电路单元5B1相并联然后与电容5C2串联，电容5C2的另一端与电容5C3、5C4相连，电容5C4的另一端与电容5C5和三电平电路单元5B2并联后再串联，节点5P1、5N1分别为与三电平电路单元5B1的正输入端与负输入端，节点5P2、5N2分别为与三电平电路单元5B2的正输入端与负输入端，三电平电路单元5B1、5B2的输出点5VO1、5VO2分别连接到两电平电路单元5A3的正输入端点和负输入端点（节点5N3），然后两电平电路单元5A3的输出VO为六电平电路结构的输出。

如图8所示给出了实施例六，由5个两电平电路单元6A1、6A2、6A3、6A4、6A5及5个电容6C1、6C2、6C3、6C4、6C5组成的一个六电平电路结构电路图，电容6C1与二电平电路6A1相并联然后与电容6C2串联，电容6C2的另一端与电容6C3、6C4相连，电容6C4的另一端与电容6C和二电平电路6A2并联后再串联，节点6P1、6N1分别为与三电平电路单元6A1的正输入端与负输入端，节点6P2、6N2分别为与三电平电路单元6A2的正输入端与负输入端，两电平电路单元6A1的输出点6VO1连接到两电平电路单元6A3的正输入端点，6C2与6C3的连接点连接到6A3的输入端点（节点6N3），两电平电路单元6A2的输出点6VO2连接到两电平电路单元6A4的负输入端点（节点6N4），电容6C3与6C4的连接点连接到6A4的输入端点（节点6P4），两电平电路单元6A3、6A4的输出点6VO3、6VO4分别连接到两电平电路单元6A5的正输入端点（节点6P5）和负输入端点（节点6N5），两电平电路单元6A5的输出VO为五电平电路结构的输出。

如图9所示给出了实施例七，由3个三电平电路单元7B1、7B2、7B3及6个电容7C1、7C2、7C3、7C4、7C5、7C6组成的一个七电平电路结构电路图，电容7C1与三电平电路单元7B1相并联然后与电容7C2串联，电容7C2的另一端与电容7C3、7C4、7C5相连，电容7C5的另一端与电容7C6和三电平电路单元7B2并联后再串联，节点7P1、7N1分别为与三电平电路单元7B1的正输入端与负输入端，节点7P2、7N2分别为与三电平电路单元7B2的正输入端与负输入端，三电平电路单元7B1的输出点7VO1连接到三电平单元7B3的正端点（节点7P3），电容7C2、7C3的连接点连接到三电平单元7B1的输入端点（节点7N1），三电平电路单元7B2的输出点7VO2连接到三电平电路单元7B3的负输入端点（节点7N3），电容7C4、7C5的连接点连接到三电平电路单元7B2的正输入端点（节点7P2），电容7C3、7C4的连接点连接到三电平电路单元7B3的两二极管的连接点，三电平电路单元7B3的输出VO为七电平电路结构的输出端。

以上所述，仅为本发明的一部分具体实施方式，本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种多电平电路结构，其特征是：包括多级电平输出电路，每级电平输出电路包括多个串联的电容、并联电容两端的两电平电路单元或三电平电路单元，所述电平电路单元呈对称分布，上级电平电路单元的输出端作为下级电平电路单元的输入端，第一级电平电路单元的输入端作为电路的输入端，最后一级电平电路单元的输出端作为电路的输出端。

2.根据权利要求1所述的一种多电平电路结构，其特征是：所述三电平电路单元，包括串联的4只可全控的功率开关器件和2只快恢复二极管功率器件，所述二极管阳极接第三功率开关与第四功率开关之间，所述二极管阴极接第一功率开关与第二功率开关之间，所述功率开关串联的中点作为输出端，另两端作为输入端。

3.根据权利要求1所述的种一种多电平电路结构，其特征是：所述两电平电路单元，包括串联的2只可全控的功率开关器件，串联的中点作为输出端，另两端作为输入端。

4.根据权利要求1所述的一种多电平电路结构，其特征是：由2个两电平电路单元和2个电容构成一级三电平电路。

5.根据权利要求1所述的一种多电平电路结构，其特征是：由2个两电平电路单元和2个电容构成第一级电平输出电路，由1个两电平电路单元和1个电容构成第二级电平输出电路，两级电平输出电路构成四电平电路。

6.根据权利要求1所述的一种多电平电路结构，其特征是：由2个两电平电路单元和2个电容构成第一级电平输出电路，由1个三电平电路单元和2个电容构成第二级电平输出电路，两级电平输出电路构成五电平电路。

7. 根据权利要求1所述的一种多电平电路结构，其特征是：由2个三电平电路单元和4个电容构成一级五电平电路。

8.根据权利要求1所述的一种多电平电路结构，其特征是：由2个三电平电路单元和4个电容构成第一级电平输出电路、由1个两电平电路单元和1个电容构成第二级电平输出电路，两级电平输出电路构成六电平电路。

9.根据权利要求1所述的一种多电平电路结构，其特征是：由2个两电平电路单元和2个电容构成第一级电平输出电路，由2个两电平电路单元和2个电容构成第二级电平输出电路，由1个两电平电路单元和1个电容构成第三级电平输出电路，三级电平输出电路构成六电平电路。

10.根据权利要求1所述的一种多电平电路结构，其特征是：由2个三电平电路单元和4个电容构成第一级电平输出电路，由1个三电平电路单元和2个电容构成第二级电平输出电路，两级电平输出电路构成七电平电路。