CN104362878A - 用于多电平变换器的基本单元、三电平和m电平拓扑结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于多电平变换器的基本单元，包括绝缘栅双极型晶体管和两个二极管，两个二极管串联后反向并联至绝缘栅双极型晶体管两侧，在绝缘栅双极型晶体管两侧和两个二极管之间引出三个接线端。该基本单元具备三个端子，可形成三种不同类型的双向电流路径，可以解决现有结构基本单元中电流路径单一的问题，更易形成多电平。还公开了一种三电平拓扑结构，该结构所用器件数量少，输出电平数多，具有传统T型三电平结构相同的电压应力，可以解决传统两电平结构用于大功率场合开关频率低问题。还公开了的m电平拓扑结构，该结构省去了二极管箝位多电平结构中大量的箝位器件，并可以解决箝位型多电平拓扑结构中的损耗不均衡问题。
Description
技术领域
本发明属于电工、电力电子、电机应用的技术领域，具体来说，涉及用于多电平变换器的基本单元、三电平和m电平拓扑结构。
背景技术
当前，电压源型两电平拓扑结构逆变系统已被广泛应用于电机驱动、轨道交通、电能转换等众多工业领域，然而这种拓扑结构的逆变系统承受电压应力高、dv/dt较大、输出电流谐波畸变率高、输出滤波器体积大等局限。
采用电压源型多电平拓扑结构逆变系统可以很好地解决两电平变换器带来的不足。然而在传统几类多电平逆变系统中，不同的多电平拓扑结构除了具有输出最多电平数只能为奇数外，还具有特定的缺点：(1)二极管箝位型多电平拓扑结构虽然采用的开关器件少，但是同一桥臂不同功率器件损耗不均衡，模块化程度弱，需要大量箝位二极管。(2)飞跨电容型多电平拓扑结构采用的开关器件少，但是需要大量的飞跨电容。(3)级联H桥型多电平拓扑结构需要开关器件多，而且需要隔离的直流电压源。(4)有源箝位型和P2通用型多电平拓扑结构：虽然可以解决二极管箝位型多电平变换器的功率损耗不平衡问题，并具有模块化等优势，但是所含开关器件多。
在中低压应用场合，考虑到成本的成倍增加，通常采用两电平拓扑结构，而通过增加开关频率、采用输出滤波措施来达到相应的性能指标，这种方式具有损耗大、效率低、体积大等缺点。
在中高压大功率应用场合，采用上述(1)-(3)类拓扑结构时，则不得不解决大量飞跨电容、大量箝位二极管、大量隔离直流电源带来的问题。而采用有源箝位型或者P2通用型多电平拓扑结构，开关器件的增多在增加系统控制复杂性的同时，还会导致驱动电路和缓冲电路数量的增加，以及成本的增加。
与传统两电平逆变器拓扑结构相比，新型简化二极管箝位型三电平拓扑结构降低了系统复杂型，但具有传统I型三电平逆变器输出电流谐波畸变率小，dv/dt小的优点，并具有传统T型三电平相同的电压应力。简化二极管箝位型三电平拓扑结构具有两种可选的演变型拓扑结构，它们都采用有源换流方式，可用于解决功率损耗不平衡问题。
与传统的多电平变换器拓扑结构相比，本发明提出的通用型多电平变换器拓扑结构模块化程度高、可扩展性好、开关器件数量少、结构简单，可解决功率损耗不均衡问题，并保留了传统多电平变换器的优势。
发明内容
技术问题：本发明所要解决的技术问题是：提供一种用于多电平变换器的基本单元，该基本单元具备三个端子，可形成三种不同类型的双向电流路径，可以解决现有结构基本单元中电流路径单一的问题，更易形成多电平。还提供基于上述基本单元的三电平拓扑结构，该结构所用器件数量少，输出电平数多，具有传统T型三电平结构相同的电压应力，并可以解决传统两电平结构用于大功率场合开关频率低、电流谐波畸变率高,输出滤波器体积大，损耗不均衡等问题；以及提供基于上述基本单元的m电平拓扑结构，该结构省去了二极管箝位多电平结构中大量的箝位器件，并可以解决箝位型多电平拓扑结构中的损耗不均衡问题，并具备更高的容错能力。该结构还可以解决飞跨电容型及级联型多电平结构大量的独立电源及飞跨电容问题。由于该结构采用模块化设计，可以降低维护和安装的成本。由于该结构采用功率器件少，可以简化调制策略的设计。
技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种用于多电平变换器的基本单元，该基本单元包括绝缘栅双极型晶体管和两个二极管，两个二极管串联后反向并联至绝缘栅双极型晶体管两侧，在绝缘栅双极型晶体管两侧和两个二极管之间引出三个接线端。
一种采用上述的基本单元的三电平拓扑结构，该拓扑结构包括第一直流电压源、母线电容组件和第一变换器桥臂；母线电容组件包括两个串联的母线电容，母线电容组件并联到第一直流电压源的两端，第一直流电压源由母线电容组件分出P电位、O电位和N电位三种电位，其中，O电位位于两个母线电容的中间，P电位位于直流电压源的正极，N电位位于直流电压源的负极；变换器桥臂包括P电平单元、O电平单元和N电平单元，所述的P电平单元、O电平单元和N电平单元分别采用基本单元结构构成，该基本单元包括绝缘栅双极型晶体管和两个二极管，两个二极管串联后反向并联至绝缘栅双极型晶体管两侧，在绝缘栅双极型晶体管两侧设有第一接线端和第二接线端，两个二极管之间设有第三接线端；O电平单元的第一接线端和P电平单元的第三接线端连接，O电平单元的第二接线端和N电平单元的第三接线端连接，O电平单元的第三接线端和O电位连接；P电平单元的第一接线端和P电位连接，P电平单元的第二接线端和N电平单元的第一接线端连接，N电平单元的第二接线端和N电位连接；第一变换器桥臂的输出端由P电平单元的第二接线端和N电平单元的第一接线端连接处引出。
进一步，所述的O电平单元还包括一个绝缘栅双极型晶体管；两个绝缘栅双极型晶体管串联，形成第一绝缘栅双极型晶体管组件，O电平单元中的两个二极管串联后反向并联至第一绝缘栅双极型晶体管组件的两侧，在第一绝缘栅双极型晶体管组件两侧引出第一接线端和第二接线端，两个二极管之间引出第三接线端，两个绝缘栅双极型晶体管之间引出第四接线端；O电平单元的第四接线端和第一变换器桥臂的输出端连接。
进一步，所述的O电平单元还包括一个绝缘栅双极型晶体管；两个绝缘栅双极型晶体管串联，形成第二绝缘栅双极型晶体管组件，O电平单元中的两个二极管串联后反向并联至第二绝缘栅双极型晶体管组件的两侧，在第二绝缘栅双极型晶体管组件两侧引出第一接线端和第二接线端，两个二极管之间引出第三接线端，两个绝缘栅双极型晶体管之间引出第四接线端；O电平单元的第四接线端和O电位连接。
一种含有上述的基本单元的m电平拓扑结构，该拓扑结构包括第二变换器桥臂、第二二极管串联组件、第二母线电容串联组件和第二直流电压源；第二母线电容串联组件由m-1个母线电容串联组成，第二母线电容串联组件并联于第二直流电压源的两端，将直流电源分出m种电位节点，第1至m电位位于第二母线电容串联组件的连接点，且第1电位位于第二直流电压源的正极，第m电位位于第二直流电压源的负极；第二二极管串联组件包括2m个二极管，第二二极管串联组件中的奇数节点与第二母线电容串联组件的第1～m电位节点依次连接；第二变换器桥臂包括m个电平层，第1个电平层包含一个基本单元，第m个电平层包含m个基本单元，每个电平层中包含的基本单元数量随层数增加逐渐增加1个；基本单元包括绝缘栅双极型晶体管和两个二极管，两个二极管串联后反向并联至绝缘栅双极型晶体管两侧，在绝缘栅双极型晶体管两侧引出第一接线端和第二接线端，在两个二极管之间引出第三接线端；在每个电平层中，基本单元的第一接线端和位于下一电平层中的一个基本单元的第三接线端连接，基本单元的第二接线端和位于下一电平层中的另一个基本单元的第三接线端连接，基本单元的第三接线端和位于上一电平层中基本单元的第一接线端或者第二接线端连接；位于第1个电平层的基本单元的第三接线端和第一变换器桥臂的输出端连接；位于第m个电平层的基本单元的第一接线端和第二接线分别与第二二极管串联组件中的偶数电位节点连接；m的取值范围为大于2的整数。
一种含有上述的基本单元的m电平拓扑结构，该拓扑结构包括第三变换器桥臂、第三二极管串联组件、第三母线电容串联组件和第三直流电压源；第三母线电容串联组件由m-1个母线电容串联组成，第三母线电容串联组件并联于第三直流电压源的两端，将直流电源分出m种电位节点，第1至m电位位于第三母线电容串联组件的连接点，且第1电位位于第三直流电压源的正极，第m电位位于第三直流电压源的负极；第三二极管串联组件包括2m-4个二极管，位于第三二极管串联组件中的奇数节点与第三母线电容串联组件中的第2～m-1电位节点依次连接；第三变换器桥臂包括m个电平层，第1个电平层包含一个基本单元，第m个电平层包含m个基本单元，每个电平层中包含的基本单元数量随层数增加逐渐增加1个；所述的基本单元包括绝缘栅双极型晶体管和两个二极管，两个二极管串联后反向并联至绝缘栅双极型晶体管两侧，在绝缘栅双极型晶体管两侧引出第一接线端和第二接线端，在两个二极管之间引出第三接线端；在每个电平层中，基本单元的第一接线端和位于下一电平层中的一个基本单元的第三接线端连接，基本单元的第二接线端和位于下一电平层中的另一个基本单元的第三接线端连接，基本单元的第三接线端和位于上一电平层中基本单元的第一接线端或者第二接线端连接；位于第1个电平层的基本单元的第三接线端和第三变换器桥臂的输出端连接；位于第m个电平层的第一个基本单元的第一接线端和第三直流电压源的正极连接，位于第m个电平层的第m个基本单元的第二接线端和第三直流电压源的负极连接，位于第m个电平层的第一个基本单元的第二接线端、第m个基本单元的第一接线端，以及第2～m-1个基本单元的第一接线端和第二接线分别与第三二极管串联组件中的偶数电位节点连接；m的取值范围为大于2的整数。
一种含有上述的基本单元的m电平拓扑结构，该拓扑结构包括第四变换器桥臂、第四二极管串联组件、第四母线电容串联组件和第四直流电压源；第四母线电容串联组件由m-1个母线电容串联组成，第四母线电容串联组件并联于第四直流电压源的两端，将直流电源分出m种电位节点，第1至m电位位于第四母线电容串联组件的连接点，且第1电位位于第四直流电压源的正极，第m电位位于第四直流电压源的负极；第四二极管串联组件包括2m个二极管，第四二极管串联组件中的奇数节点与第四母线电容串联组件的第1～m电位节点依次连接；第四变换器桥臂包括m个电平层，第1个电平层包含一个基本单元，第m个电平层包含m个基本单元，每个电平层中包含的基本单元数量随层数增加逐渐增加1个，且第3至m-1个电平层中的第2至k-1的基本单元中的绝缘栅双极型晶体管被移除，k表示所在的电平层层数；基本单元包括绝缘栅双极型晶体管和两个二极管，两个二极管串联后反向并联至绝缘栅双极型晶体管两侧，在绝缘栅双极型晶体管两侧引出第一接线端和第二接线端，在两个二极管之间引出第三接线端；在每个电平层中，基本单元的第一接线端和位于下一电平层中的一个基本单元的第三接线端连接，基本单元的第二接线端和位于下一电平层中的另一个基本单元的第三接线端连接，基本单元的第三接线端和位于上一电平层中基本单元的第一接线端或者第二接线端连接；位于第1个电平层的基本单元的第三接线端和第四变换器桥臂的输出端连接；位于第m个电平层的基本单元的第一接线端和第二接线分别与第四二极管串联组件中的偶数电位节点连接；m的取值范围为大于2的整数。
一种含有上述的基本单元的m电平拓扑结构，该拓扑结构包括第五变换器桥臂、第五二极管串联组件、第五母线电容串联组件和第五直流电压源；第五母线电容串联组件由m-1个母线电容串联组成，第五母线电容串联组件并联于第五直流电压源的两端，将直流电源分出m种电位节点，第1至m电位位于第五母线电容串联组件的连接点，且第1电位位于第五直流电压源的正极，第m电位位于第五直流电压源的负极；第五二极管串联组件包括2m个二极管，第五二极管串联组件中的奇数节点与第五母线电容串联组件的第1～m电位节点依次连接；第五变换器桥臂包括m-1个电平层，第1和2个电平层为两电平基本单元，第3个电平层包含3个基本单元，第m个电平层包含m个基本单元，从第4～m个电平层中，每个电平层中包含的基本单元数量随层数增加逐渐增加1个；所述的基本单元包括绝缘栅双极型晶体管和两个二极管，两个二极管串联后反向并联至绝缘栅双极型晶体管两侧，在绝缘栅双极型晶体管两侧引出第一接线端和第二接线端，在两个二极管之间引出第三接线端；所述的两电平基本单元包括两个绝缘栅双极型晶体管和两个二极管，两个二极管串联后反向并联至两个串联的绝缘栅双极型晶体管两侧，在绝缘栅双极型晶体管两侧引出第一接线端和第二接线端，在两个二极管之间引出第三接线端，并将串联二极管的中间连接点与串联绝缘栅双极型晶体管的中间连接点连接；两电平基本单元的第一接线端与第3个电平层的第1基本单元的第三接线端连接,两电平基本单元的第二接线端与第3个电平层的第2基本单元的第三接线端连接，两电平基本单元的第三接线端与第3个电平层的第3基本单元的第三接线端连接；变换器桥臂的输出端两电平基本单元的第三接线端引出；在第4至m个电平层中，基本单元的第一接线端和位于下一电平层中的一个基本单元的第三接线端连接，基本单元的第二接线端和位于下一电平层中的另一个基本单元的第三接线端连接，基本单元的第三接线端和位于上一电平层中基本单元的第一接线端或者第二接线端连接；位于第m个电平层的基本单元的第一接线端和第二接线分别与第五二极管串联组件中的偶数电位节点连接；m的取值范围为大于2的整数。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、由于本发明采用绝缘栅双极型晶体管和双反并联二极管作为基本组成单元，构成电流的双向流通路径，具备功率的双向传输能力。
2、本发明中的新型简化二极管箝位型三电平变换器拓扑结构开关器件少，并具备传统三电平同样的性能，具有比传统两电平变换器拓扑结构更低的输出电流THD。
3、本发明中由新型简化二极管箝位型三电平变换器拓扑结构演变而成的新型有源箝位型三电平变换器拓扑结构具备均衡功率损耗分布能力，降低恶劣工况对系统的不利影响，提升系统利用率和最大输出容量。
4、本发明中的通用型多电平变换器拓扑结构仅由基本单元、串联二极管组件、串联母线电容组件、直流电源构成，拓扑结构简单，扩展性能好，模块化程度高。
5、本发明中的通用型多电平变换器拓扑结构具备系统自冗余性，可以用于功率损耗分布的均衡和故障后的容错处理。在能够实现同样功能的多电平变换器拓扑结构中，该拓扑结构采用更少的开关器件。
6、本发明中的通用型多电平变换器拓扑结构还可以通过优化进一步减少开关器件和二极管个数，降低成本和系统复杂性。
附图说明
图1是本发明中基本单元的结构示意图。
图2是本发明提出的第一种三电平拓扑结构的结构示意图。
图3是本发明提出的第一种三电平拓扑结构中，P电平时的电流路径示意图。
图4是本发明提出的第一种三电平拓扑结构中，O电平时的电流路径示意图。的结构示意图。
图5是本发明提出的第一种三电平拓扑结构中，N电平时的电流路径示意图。的结构示意图。
图6是本发明提出的第二种三电平拓扑结构的结构示意图。
图7是本发明提出的第三种三电平拓扑结构的结构示意图。
图8是本发明提出的第二种三电平拓扑结构中，输出O电平时的电流路径示意图。
图9是本发明提出的第三种三电平拓扑结构中，输出O电平时的电流路径示意图。
图10是本发明第一种三电平拓扑结构基于层叠双载波的调制方法图。
图11是本发明的第一种m电平变换器拓扑结构的示意图。
图12是本发明的第二种m电平变换器拓扑结构的示意图。
图13是本发明的第三种m电平变换器拓扑结构的示意图。
图14是本发明的第四种m电平变换器拓扑结构的示意图。
图15是本发明第一种m电平变换器拓扑结构中，P+电平时的电流路径示意图。
图16是本发明第一种m电平变换器拓扑结构中，P-电平时的电流路径示意图。
图17是本发明第一种m电平变换器拓扑结构中，N+电平时的电流路径示意图。
图18是本发明第一种m电平变换器拓扑结构中，N-电平时的电流路径示意图。
图19是本发明第一种m电平变换器拓扑结构中，O1电平时的电流路径示意图。
图20是本发明第一种m电平变换器拓扑结构中，O2电平时的电流路径示意图。
图21是本发明第一种m电平变换器拓扑结构基于层叠双载波的第一种调制方法图。
图22是本发明第一种m电平变换器拓扑结构基于层叠双载波的第二种调制方法图。
具体实施方式
下面结合具体实例对本发明进行详细说明。以下实例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
参照图1，本发明的用于多电平变换器的基本单元，包括绝缘栅双极型晶体管和两个二极管，两个二极管串联后反向并联至绝缘栅双极型晶体管两侧，在绝缘栅双极型晶体管两侧和两个二极管之间引出三个接线端。
该基本单元的工作过程是：当该基本单元及与其第一接线端相连的基本单元中的绝缘栅双极型晶体管都导通时，来自与其第一接线端相连单元的电流将从第一接线端流入绝缘栅双极型晶体管，经过下方的二级管流出第三接线端形成电流的正向路径；电流从第三接线端流入上方的二极管，并由第一接线端流入与其第一接线端相连的单元，形成电流的反向路径。同理，当该基本单元及与其第二接线端相连的基本单元中的绝缘栅双极型晶体管都导通时，电流将在第二三接线端间形成电流的双向路径。另外，如果第三接线端无电流流入流出时，该基本单元可以退化成现有结构的基本单元，在第一二接线端间形成电流的双向路径。相对于现有结构的基本单元中的单一电流路径，该基本单元具备三种电流路径，更易实现多电平输出。
参照图2，本发明的第一种三电平拓扑结构，包括第一直流电压源11、母线电容组件12和第一变换器桥臂13。母线电容组件12包括两个串联的母线电容，母线电容组件12并联到第一直流电压源11的两端，第一直流电压源11由母线电容组件12分出P电位、O电位和N电位三种电位，其中，O电位位于两个母线电容的中间，P电位位于直流电压源11的正极，N电位位于直流电压源12的负极；变换器桥臂13包括P电平单元14、O电平单元15和N电平单元16，所述的P电平单元14、O电平单元15和N电平单元16分别采用基本单元结构构成，该基本单元包括绝缘栅双极型晶体管和两个二极管，两个二极管串联后反向并联至绝缘栅双极型晶体管两侧，在绝缘栅双极型晶体管两侧设有第一接线端和第二接线端，两个二极管之间设有第三接线端。O电平单元15的第一接线端和P电平单元14的第三接线端连接，O电平单元15的第二接线端和N电平单元16的第三接线端连接，O电平单元15的第三接线端和O电位连接；P电平单元14的第一接线端和P电位连接，P电平单元14的第二接线端和N电平单元16的第一接线端连接，N电平单元16的第二接线端和N电位连接；第一变换器桥臂13的输出端由P电平单元14的第二接线端和N电平单元16的第一接线端连接处引出。
参照图3—图5，上述三电平拓扑结构的工作过程是：如图3所示，当P电平单元中的绝缘栅双极型晶体管S2导通时，电流将在其第一二接线端间形成双向路径，桥臂输出电位因此将等于P电位。如图4所示，当O电平单元中的绝缘栅双极型晶体管S1导通时，电流将在其第三接线端与桥臂输出端间形成双向路径，桥臂输出电位因此将等于O电位。如图5所示，当N电平单元中的绝缘栅双极型晶体管S3导通时，电流将在其第一二接线端间形成双向路径，桥臂输出电位因此将等于N电位。通过控制S1、S2、S3的不同开关状态可以使桥臂输出具有三种不同的电位状态。该在减少功率器件数量的同时，实现了三电平的基本功能，降低了输出电流的谐波畸变率，提高了等效开关频率。
第一种三电平拓扑结构的层叠双载波调制方法如图10所示。将调制波信号43与上下层叠的上载波信号41和下载波信号42两个载波信号进行比较。当调制波信号43大于上载波信号41时，控制S2导通。当调制波信号43小于下载波信号42时，控制S3导通。S1的状态由S2、S3的状态经或非门得到。所有器件遵循“先关断后导通”的原则设置死区，在实施中可以采用上升沿延时的方法来实现死区功能。
参照图6，本发明提供的第二种三电平拓扑结构，与第一种三电平拓扑结构相同，所不同的是：所述的O电平单元15还包括一个绝缘栅双极型晶体管；两个绝缘栅双极型晶体管串联，形成第一绝缘栅双极型晶体管组件17，O电平单元15中的两个二极管串联后反向并联至第一绝缘栅双极型晶体管组件17的两侧，在第一绝缘栅双极型晶体管组件17两侧引出第一接线端和第二接线端，两个二极管之间引出第三接线端，两个绝缘栅双极型晶体管之间引出第四接线端；O电平单元15的第四接线端和第一变换器桥臂13的输出端连接。
结合图8，第二种三电平拓扑结构的工作过程是：当第一绝缘栅双极型晶体管组件17中的两只绝缘栅双极型晶体管S1H、S1L导通时，电流将在其第二、四接线端间形成双向路径，由于桥臂输出端与其第二接线端相连，桥臂输出电位将等于O电位。与第一种三电平拓扑结构相比，该结构在输出O电平时，电流将不再经过P、N电平单元器件，因此降低了P、N电平单元器件的导通与开关损耗，损耗分布更加均匀。
参照图7，本发明提供的第三种三电平拓扑结构，与第一种三电平拓扑结构相同，所不同的是：所述的O电平单元15还包括一个绝缘栅双极型晶体管；两个绝缘栅双极型晶体管串联，形成第二绝缘栅双极型晶体管组件18，O电平单元15中的两个二极管串联后反向并联至第二绝缘栅双极型晶体管组件18的两侧，在第二绝缘栅双极型晶体管组件18两侧引出第一接线端和第二接线端，两个二极管之间引出第三接线端，两个绝缘栅双极型晶体管之间引出第四接线端；O电平单元15的第四接线端和O电位连接。
结合图9，第三种三电平拓扑结构的工作过程是：当第二绝缘栅双极型晶体管组件18中的两只绝缘栅双极型晶体管S1H、S1L导通时，电流将在其第二接线端与桥臂输出端间形成双向路径，桥臂输出电位将等于O电位。与第一种三电平拓扑结构相比，该结构在输出O电平时，电流将不再经过O电平单元中的二极管器件，因此降低了O电平单元器件的导通与反向恢复损耗，在变换器处于低压输出时，这将使损耗分布更加均匀。
参见图11，本发明提供的第一种m电平拓扑结构，包括第二变换器桥臂501、第二二极管串联组件502、第二母线电容串联组件503和第二直流电压源504；第二母线电容串联组件503由m-1个母线电容串联组成，第二母线电容串联组件503并联于第二直流电压源504的两端，将直流电源分出m种电位节点，第1至m电位位于第二母线电容串联组件503的连接点，且第1电位位于第二直流电压源504的正极，第m电位位于第二直流电压源504的负极；第二二极管串联组件502包括2m个二极管，第二二极管串联组件502中的奇数节点与第二母线电容串联组件503的第1～m电位节点依次连接；第二变换器桥臂501包括m个电平层，第1个电平层包含一个基本单元，第m个电平层包含m个基本单元，每个电平层中包含的基本单元数量随层数增加逐渐增加1个。所述的基本单元包括绝缘栅双极型晶体管和两个二极管，两个二极管串联后反向并联至绝缘栅双极型晶体管两侧，在绝缘栅双极型晶体管两侧引出第一接线端和第二接线端，在两个二极管之间引出第三接线端。在每个电平层中，基本单元的第一接线端和位于下一电平层中的一个基本单元的第三接线端连接，基本单元的第二接线端和位于下一电平层中的另一个基本单元的第三接线端连接，基本单元的第三接线端和位于上一电平层中基本单元的第一接线端或者第二接线端连接；位于第1个电平层的基本单元的第三接线端和第一变换器桥臂501的输出端连接；位于第m个电平层的基本单元的第一接线端和第二接线分别与第二二极管串联组件502中的偶数电位节点连接；m的取值范围为大于2的整数。
上述m电平拓扑结构的工作过程是：以三电平为例(m＝3)，如图15所示，当拓扑结构中的绝缘栅双极型晶体管S1、S2、S4导通时，电流由第一电位节点经过二极管串联组件(502)的第一二极管流进第三电平层第一基本单元的第一接线端，接着，电流依次流出第三电平层第一基本单元的第三接线端并流入第二电平层第一基本单元的第一接线端，电流流出第二电平层第一基本单元的第三接线端并流入第一电平层第一基本单元的第一接线端。最后，电流由第一电平层第一基本单元的第三接线端流出，形成了电流的正向路径。如图16所示，当电流流入第一电平层第一基本单元的第三接线端时，电流将依次经过第一电平层第一基本单元的第一接线端、第二电平层第一基本单元的第一接线端、第三电平层第一基本单元的第二接线端流经二极管串联组件502流入第一电位，形成电流的反向路径。因此当绝缘栅双极型晶体管S1、S2、S4导通时，桥臂输出电位等于第一电位。同理，如图17-18所示，当绝缘栅双极型晶体管S1、S3、S6导通时，桥臂输出电位等于第三电位。如图19所示，当绝缘栅双极型晶体管S2、S3、S5导通时，桥臂输出电位等于第二电位。如图20所示，当绝缘栅双极型晶体管S1、S5导通时，桥臂输出电位等于第二电位。该结构简洁紧凑，使用的器件数量少，无箝位器件、独立电源及飞跨电容，并具有两种输出第二电位的方式，可以用于解决损耗不均衡问题及故障状态下的容错问题。另外该结构采用模块化设计，可以降低安装和维护中的成本问题。
参见图12，第二种m电平拓扑结构，包括第三变换器桥臂601、第三二极管串联组件602、第三母线电容串联组件603和第三直流电压源604；第三母线电容串联组件603由m-1个母线电容串联组成，第三母线电容串联组件603并联于第三直流电压源604的两端，将直流电源分出m种电位节点，第1至m电位位于第三母线电容串联组件603的连接点，且第1电位位于第三直流电压源604的正极，第m电位位于第三直流电压源604的负极；第三二极管串联组件602包括2m-4个二极管，位于第三二极管串联组件602中的奇数节点与第三母线电容串联组件503中的第2～m-1电位节点依次连接；
第三变换器桥臂601包括m个电平层，第1个电平层包含一个基本单元，第m个电平层包含m个基本单元，每个电平层中包含的基本单元数量随层数增加逐渐增加1个。所述的基本单元包括绝缘栅双极型晶体管和两个二极管，两个二极管串联后反向并联至绝缘栅双极型晶体管两侧，在绝缘栅双极型晶体管两侧引出第一接线端和第二接线端，在两个二极管之间引出第三接线端。在每个电平层中，基本单元的第一接线端和位于下一电平层中的一个基本单元的第三接线端连接，基本单元的第二接线端和位于下一电平层中的另一个基本单元的第三接线端连接，基本单元的第三接线端和位于上一电平层中基本单元的第一接线端或者第二接线端连接；位于第1个电平层的基本单元的第三接线端和第三变换器桥臂601的输出端连接；位于第m个电平层的第一个基本单元的第一接线端和第三直流电压源604的正极连接，位于第m个电平层的第m个基本单元的第二接线端和第三直流电压源604的负极连接，位于第m个电平层的第一个基本单元的第二接线端、第m个基本单元的第一接线端，以及第2～m-1个基本单元的第一接线端和第二接线分别与第三二极管串联组件602中的偶数电位节点连接。m的取值范围为大于2的整数。
上述第二种m电平拓扑结构的工作过程是：与第一种m电平拓扑结构工作过程类似，控制变换器桥臂中的绝缘栅双极型晶体管的开关状态，可以使桥臂输出相应电位。与第一种m电平拓扑结构不同的是，当桥臂输出第一电位时，电流不再经过串联二极管组件502的第一、二二极管，而直接由第m电平层第一基本单元的第一接线端流入或流出第一电位。同理，当桥臂输出第一电位时，电流不再经过串联二极管组件502的第2m-1、2m二极管，而直接由第m电平层的第m基本单元第二接线端流入或流出第m电位。该拓扑结构进一步减少了器件数量，并保持了第一种结构的所有功能，同样可用于解决损耗均衡问题和故障下的容错问题。与第一种m电平拓扑结构不同，第二种m电平拓扑结构中的串联二极管组件中的最外侧的四个二极管被移去，母线电容串联组件的最外侧直接和变换器桥臂第m电平层最外侧基本构造单元相连接。
参见图13，第三种m电平拓扑结构，包括第四变换器桥臂701、第四二极管串联组件702、第四母线电容串联组件703和第四直流电压源704；第四母线电容串联组件703由m-1个母线电容串联组成，第四母线电容串联组件703并联于第四直流电压源704的两端，将直流电源分出m种电位节点，第1至m电位位于第四母线电容串联组件703的连接点，且第1电位位于第四直流电压源704的正极，第m电位位于第四直流电压源704的负极；第四二极管串联组件702包括2m个二极管，第四二极管串联组件702中的奇数节点与第四母线电容串联组件703的第1～m电位节点依次连接；第四变换器桥臂701包括m个电平层，第1个电平层包含一个基本单元，第m个电平层包含m个基本单元，每个电平层中包含的基本单元数量随层数增加逐渐增加1个，且第3至m-1个电平层中的第2至k-1的基本单元中的绝缘栅双极型晶体管被移除，k表示所在的电平层层数。所述的基本单元包括绝缘栅双极型晶体管和两个二极管，两个二极管串联后反向并联至绝缘栅双极型晶体管两侧，在绝缘栅双极型晶体管两侧引出第一接线端和第二接线端，在两个二极管之间引出第三接线端。在每个电平层中，基本单元的第一接线端和位于下一电平层中的一个基本单元的第三接线端连接，基本单元的第二接线端和位于下一电平层中的另一个基本单元的第三接线端连接，基本单元的第三接线端和位于上一电平层中基本单元的第一接线端或者第二接线端连接；位于第1个电平层的基本单元的第三接线端和第四变换器桥臂701的输出端连接；位于第m个电平层的基本单元的第一接线端和第二接线分别与第四二极管串联组件702中的偶数电位节点连接。m的取值范围为大于3的整数。
上述第三种m电平拓扑结构的工作过程是：与第一种m电平拓扑结构工作过程类似，控制变换器桥臂中的绝缘栅双极型晶体管的开关状态，可以使桥臂输出相应电位。与第一种m电平拓扑结构不同的是，该结构输出中间电位的方式唯一。该拓扑结构采用器件数量最少，在降低成本的同时可以实现m电平的最基本要求。由于器件数量的减少，该结构将不再具备损耗均衡功能及故障下的容错功能。该结构中变换器桥臂的内侧绝缘栅双极型晶体管(S5、S8、S9)被移去。这种结构将不具有损耗均衡功能。
参见图14，第四种m电平拓扑结构，包括第五变换器桥臂801、第五二极管串联组件802、第五母线电容串联组件803和第五直流电压源804；第五母线电容串联组件803由m-1个母线电容串联组成，第五母线电容串联组件803并联于第五直流电压源804的两端，将直流电源分出m种电位节点，第1至m电位位于第五母线电容串联组件803的连接点，且第1电位位于第五直流电压源804的正极，第m电位位于第五直流电压源804的负极；第五二极管串联组件802包括2m个二极管，第五二极管串联组件802中的奇数节点与第五母线电容串联组件803的第1～m电位节点依次连接；第五变换器桥臂801包括m-1个电平层，第1和2个电平层为两电平基本单元81，第3个电平层包含3个基本单元，第m个电平层包含m个基本单元，从第4—m个电平层中，每个电平层中包含的基本单元数量随层数增加逐渐增加1个。所述的基本单元包括绝缘栅双极型晶体管和两个二极管，两个二极管串联后反向并联至绝缘栅双极型晶体管两侧，在绝缘栅双极型晶体管两侧引出第一接线端和第二接线端，在两个二极管之间引出第三接线端。所述的两电平基本单元81包括两个绝缘栅双极型晶体管和两个二极管，两个二极管串联后反向并联至两个串联的绝缘栅双极型晶体管两侧，在绝缘栅双极型晶体管两侧引出第一接线端和第二接线端，在两个二极管之间引出第三接线端，并将串联二极管的中间连接点与串联绝缘栅双极型晶体管的中间连接点连接。两电平基本单元81的第一接线端与第3个电平层的第1基本单元的第三接线端连接,两电平基本单元81的第二接线端与第3个电平层的第2基本单元的第三接线端连接，两电平基本单元81的第三接线端与第3个电平层的第3基本单元的第三接线端连接；变换器桥臂501的输出端两电平基本单元81的第三接线端引出。在第4至m个电平层中，基本单元的第一接线端和位于下一电平层中的一个基本单元的第三接线端连接，基本单元的第二接线端和位于下一电平层中的另一个基本单元的第三接线端连接，基本单元的第三接线端和位于上一电平层中基本单元的第一接线端或者第二接线端连接；位于第m个电平层的基本单元的第一接线端和第二接线分别与第五二极管串联组件802中的偶数电位节点连接。m的取值范围为大于2的整数。
上述第四种m电平拓扑结构的工作过程是：与第一种m电平拓扑结构工作过程类似，控制变换器桥臂中的绝缘栅双极型晶体管的开关状态，可以使桥臂输出相应电位。与第一种m电平拓扑结构不同的是，在电流由第三电平层流入第二电平层时，电流将经过传统单元结构81形成电流的正向路径。同时，当电流由输出端流入桥臂时，电流将经过传统单元结构81流入第三电平层，形成电流的反向路径。该拓扑结构减少了绝缘栅双极型晶体管器件的数量，在降低成本和简化控制的同时保留了第一种结构的所有功能，同样可用于解决损耗均衡问题和故障下的容错问题。该结构中的“金字塔”型变换器桥臂501中的绝缘栅双极型晶体管(S1)被移去，并将第二层基本构造单元替换成普通的“IGBT+反并联二极管”单元。这种结构损耗均衡功能将有所降低。
图21和图22给出了第一种m电平拓扑结构变换器在以两种不同方式输出O电平时的层叠双载波调制策略：(1)如图21所示，在第一种工作方式下，将调制波信号1203与上下层叠的上载波信号1201和下载波信号1202两个载波信号进行比较。当调制波信号1203大于上载波信号1201时，控制绝缘栅双极型晶体管S4导通、S3关断。当调制波信号1203小于下载波信号1202时，控制S6导通、S2关断。S1的状态由S2、S3的状态取异或得到，S5与S1互补导通。绝缘栅双极型晶体管S1—S6按照表1所示开关状态(“1”表示导通，“0”表示关断)输出相应电平。(2)如图22所示，在第二种工作方式下，将调制波信号1206与上下层叠的上载波信号1204和下载波信号1205两个载波信号进行比较。当调制波信号1206大于上载波信号1204时，控制S2、S4导通。当调制波信号1206小于下载波信号1205时，控制S3、S6导通。S5的状态由S2、S3的状态取或非得到，S1始终处于导通状态。绝缘栅双极型晶体管S1-S6按照表2所示开关状态输出相应电平。所有器件遵循“先关断后导通”的原则设置死区，在实施中可以采用上升沿延时的方法来实现死区功能。
表1第一种m电平拓扑结构在第一种工作方式下输出不同电平时的开关状态
| S1 | S2 | S3 | S4 | S5 | S6 | 输出电平 |
| 1 | 1 | 0 | 1 | 0 | 0 | P |
| 1 | 0 | 1 | 0 | 0 | 1 | N |
| 0 | 1 | 1 | 0 | 1 | 0 | O2 |
表2第一种m电平拓扑结构在第二种工作方式下输出不同电平时的开关状态
| S1 | S2 | S3 | S4 | S5 | S6 | 输出电平 |
| 1 | 1 | 0 | 1 | 0 | 0 | P |
| 1 | 0 | 1 | 0 | 0 | 1 | N |
| 1 | 0 | 0 | 0 | 1 | 0 | O1 |
以上对本发明的具体实施进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限与上述特定实施方式，本领域技术人员可以在全力要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。
Claims (8)
1.一种用于多电平变换器的基本单元，其特征在于，该基本单元包括绝缘栅双极型晶体管和两个二极管，两个二极管串联后反向并联至绝缘栅双极型晶体管两侧，在绝缘栅双极型晶体管两侧和两个二极管之间引出三个接线端。
2.一种采用权利要求1所述的基本单元的三电平拓扑结构，其特征在于，该拓扑结构包括第一直流电压源(11)、母线电容组件(12)和第一变换器桥臂(13)；母线电容组件(12)包括两个串联的母线电容，母线电容组件(12)并联到第一直流电压源(11)的两端，第一直流电压源(11)由母线电容组件(12)分出P电位、O电位和N电位三种电位，其中，O电位位于两个母线电容的中间，P电位位于直流电压源(11)的正极，N电位位于直流电压源(12)的负极；变换器桥臂(13)包括P电平单元(14)、O电平单元(15)和N电平单元(16)，所述的P电平单元(14)、O电平单元(15)和N电平单元(16)分别采用基本单元结构构成，该基本单元包括绝缘栅双极型晶体管和两个二极管，两个二极管串联后反向并联至绝缘栅双极型晶体管两侧，在绝缘栅双极型晶体管两侧设有第一接线端和第二接线端，两个二极管之间设有第三接线端；
O电平单元(15)的第一接线端和P电平单元(14)的第三接线端连接，O电平单元(15)的第二接线端和N电平单元(16)的第三接线端连接，O电平单元(15)的第三接线端和O电位连接；P电平单元(14)的第一接线端和P电位连接，P电平单元(14)的第二接线端和N电平单元(16)的第一接线端连接，N电平单元(16)的第二接线端和N电位连接；第一变换器桥臂(13)的输出端由P电平单元(14)的第二接线端和N电平单元(16)的第一接线端连接处引出。
3.按照权利要求2所述的三电平拓扑结构，其特征在于，所述的O电平单元(15)还包括一个绝缘栅双极型晶体管；两个绝缘栅双极型晶体管串联，形成第一绝缘栅双极型晶体管组件(17)，O电平单元(15)中的两个二极管串联后反向并联至第一绝缘栅双极型晶体管组件(17)的两侧，在第一绝缘栅双极型晶体管组件(17)两侧引出第一接线端和第二接线端，两个二极管之间引出第三接线端，两个绝缘栅双极型晶体管之间引出第四接线端；O电平单元(15)的第四接线端和第一变换器桥臂(13)的输出端连接。
4.按照权利要求2所述的三电平拓扑结构，其特征在于，所述的O电平单元(15)还包括一个绝缘栅双极型晶体管；两个绝缘栅双极型晶体管串联，形成第二绝缘栅双极型晶体管组件(18)，O电平单元(15)中的两个二极管串联后反向并联至第二绝缘栅双极型晶体管组件(18)的两侧，在第二绝缘栅双极型晶体管组件(18)两侧引出第一接线端和第二接线端，两个二极管之间引出第三接线端，两个绝缘栅双极型晶体管之间引出第四接线端；O电平单元(15)的第四接线端和O电位连接。
5.一种含有权利要求1所述的基本单元的m电平拓扑结构，其特征在于，该拓扑结构包括第二变换器桥臂(501)、第二二极管串联组件(502)、第二母线电容串联组件(503)和第二直流电压源(504)；第二母线电容串联组件(503)由m-1个母线电容串联组成，第二母线电容串联组件(503)并联于第二直流电压源(504)的两端，将直流电源分出m种电位节点，第1至m电位位于第二母线电容串联组件(503)的连接点，且第1电位位于第二直流电压源(504)的正极，第m电位位于第二直流电压源(504)的负极；第二二极管串联组件(502)包括2m个二极管，第二二极管串联组件(502)中的奇数节点与第二母线电容串联组件(503)的第1～m电位节点依次连接；第二变换器桥臂(501)包括m个电平层，第1个电平层包含一个基本单元，第m个电平层包含m个基本单元，每个电平层中包含的基本单元数量随层数增加逐渐增加1个；
所述的基本单元包括绝缘栅双极型晶体管和两个二极管，两个二极管串联后反向并联至绝缘栅双极型晶体管两侧，在绝缘栅双极型晶体管两侧引出第一接线端和第二接线端，在两个二极管之间引出第三接线端；
在每个电平层中，基本单元的第一接线端和位于下一电平层中的一个基本单元的第三接线端连接，基本单元的第二接线端和位于下一电平层中的另一个基本单元的第三接线端连接，基本单元的第三接线端和位于上一电平层中基本单元的第一接线端或者第二接线端连接；位于第1个电平层的基本单元的第三接线端和第一变换器桥臂(501)的输出端连接；位于第m个电平层的基本单元的第一接线端和第二接线分别与第二二极管串联组件(502)中的偶数电位节点连接；m的取值范围为大于2的整数。
6.一种含有权利要求1所述的基本单元的m电平拓扑结构，其特征在于，该拓扑结构包括第三变换器桥臂(601)、第三二极管串联组件(602)、第三母线电容串联组件(603)和第三直流电压源(604)；第三母线电容串联组件(603)由m-1个母线电容串联组成，第三母线电容串联组件(603)并联于第三直流电压源(604)的两端，将直流电源分出m种电位节点，第1至m电位位于第三母线电容串联组件(603)的连接点，且第1电位位于第三直流电压源(604)的正极，第m电位位于第三直流电压源(604)的负极；第三二极管串联组件(602)包括2m-4个二极管，位于第三二极管串联组件(602)中的奇数节点与第三母线电容串联组件(603)中的第2～m-1电位节点依次连接；
第三变换器桥臂(601)包括m个电平层，第1个电平层包含一个基本单元，第m个电平层包含m个基本单元，每个电平层中包含的基本单元数量随层数增加逐渐增加1个；
所述的基本单元包括绝缘栅双极型晶体管和两个二极管，两个二极管串联后反向并联至绝缘栅双极型晶体管两侧，在绝缘栅双极型晶体管两侧引出第一接线端和第二接线端，在两个二极管之间引出第三接线端；
在每个电平层中，基本单元的第一接线端和位于下一电平层中的一个基本单元的第三接线端连接，基本单元的第二接线端和位于下一电平层中的另一个基本单元的第三接线端连接，基本单元的第三接线端和位于上一电平层中基本单元的第一接线端或者第二接线端连接；位于第1个电平层的基本单元的第三接线端和第三变换器桥臂(601)的输出端连接；位于第m个电平层的第一个基本单元的第一接线端和第三直流电压源(604)的正极连接，位于第m个电平层的第m个基本单元的第二接线端和第三直流电压源(604)的负极连接，位于第m个电平层的第一个基本单元的第二接线端、第m个基本单元的第一接线端，以及第2～m-1个基本单元的第一接线端和第二接线分别与第三二极管串联组件(602)中的偶数电位节点连接；m的取值范围为大于2的整数。
7.一种含有权利要求1所述的基本单元的m电平拓扑结构，其特征在于，该拓扑结构包括第四变换器桥臂(701)、第四二极管串联组件(702)、第四母线电容串联组件(703)和第四直流电压源(704)；第四母线电容串联组件(703)由m-1个母线电容串联组成，第四母线电容串联组件(703)并联于第四直流电压源(704)的两端，将直流电源分出m种电位节点，第1至m电位位于第四母线电容串联组件(703)的连接点，且第1电位位于第四直流电压源(704)的正极，第m电位位于第四直流电压源(704)的负极；第四二极管串联组件(702)包括2m个二极管，第四二极管串联组件(702)中的奇数节点与第四母线电容串联组件(703)的第1～m电位节点依次连接；第四变换器桥臂(701)包括m个电平层，第1个电平层包含一个基本单元，第m个电平层包含m个基本单元，每个电平层中包含的基本单元数量随层数增加逐渐增加1个，且第3至m-1个电平层中的第2至k-1的基本单元中的绝缘栅双极型晶体管被移除，k表示所在的电平层层数；
所述的基本单元包括绝缘栅双极型晶体管和两个二极管，两个二极管串联后反向并联至绝缘栅双极型晶体管两侧，在绝缘栅双极型晶体管两侧引出第一接线端和第二接线端，在两个二极管之间引出第三接线端；
在每个电平层中，基本单元的第一接线端和位于下一电平层中的一个基本单元的第三接线端连接，基本单元的第二接线端和位于下一电平层中的另一个基本单元的第三接线端连接，基本单元的第三接线端和位于上一电平层中基本单元的第一接线端或者第二接线端连接；位于第1个电平层的基本单元的第三接线端和第四变换器桥臂(701)的输出端连接；位于第m个电平层的基本单元的第一接线端和第二接线分别与第四二极管串联组件(702)中的偶数电位节点连接；m的取值范围为大于2的整数。
8.一种含有权利要求1所述的基本单元的m电平拓扑结构，其特征在于，该拓扑结构包括第五变换器桥臂(801)、第五二极管串联组件(802)、第五母线电容串联组件(803)和第五直流电压源(804)；第五母线电容串联组件(803)由m-1个母线电容串联组成，第五母线电容串联组件(803)并联于第五直流电压源(804)的两端，将直流电源分出m种电位节点，第1至m电位位于第五母线电容串联组件(803)的连接点，且第1电位位于第五直流电压源(804)的正极，第m电位位于第五直流电压源(804)的负极；第五二极管串联组件(802)包括2m个二极管，第五二极管串联组件(802)中的奇数节点与第五母线电容串联组件(803)的第1～m电位节点依次连接；第五变换器桥臂(801)包括m-1个电平层，第1和2个电平层为两电平基本单元(81)，第3个电平层包含3个基本单元，第m个电平层包含m个基本单元，从第4～m个电平层中，每个电平层中包含的基本单元数量随层数增加逐渐增加1个；
所述的基本单元包括绝缘栅双极型晶体管和两个二极管，两个二极管串联后反向并联至绝缘栅双极型晶体管两侧，在绝缘栅双极型晶体管两侧引出第一接线端和第二接线端，在两个二极管之间引出第三接线端；
所述的两电平基本单元(81)包括两个绝缘栅双极型晶体管和两个二极管，两个二极管串联后反向并联至两个串联的绝缘栅双极型晶体管两侧，在绝缘栅双极型晶体管两侧引出第一接线端和第二接线端，在两个二极管之间引出第三接线端，并将串联二极管的中间连接点与串联绝缘栅双极型晶体管的中间连接点连接；
两电平基本单元(81)的第一接线端与第3个电平层的第1基本单元的第三接线端连接,两电平基本单元(81)的第二接线端与第3个电平层的第2基本单元的第三接线端连接，两电平基本单元(81)的第三接线端与第3个电平层的第3基本单元的第三接线端连接；变换器桥臂(801)的输出端两电平基本单元(81)的第三接线端引出；
在第4至m个电平层中，基本单元的第一接线端和位于下一电平层中的一个基本单元的第三接线端连接，基本单元的第二接线端和位于下一电平层中的另一个基本单元的第三接线端连接，基本单元的第三接线端和位于上一电平层中基本单元的第一接线端或者第二接线端连接；位于第m个电平层的基本单元的第一接线端和第二接线分别与第五二极管串联组件(802)中的偶数电位节点连接；m的取值范围为大于2的整数。
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