CN106411120A - 一种开关组件及其应用、控制方法 - Google Patents

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CN106411120A CN201611042396.1A CN201611042396A CN106411120A CN 106411120 A CN106411120 A CN 106411120A CN 201611042396 A CN201611042396 A CN 201611042396A CN 106411120 A CN106411120 A CN 106411120A
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voltage
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王学华
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Abstract

本发明公开了一种开关组件，包括一个单元链与一个电感串联，单元链包括多个依次串联半桥有源箝位单元，半桥有源箝位单元有导通状态和箝位状态，当所有半桥有源箝位单元处于导通状态，开关组件处于闭合状态，当所有半桥有源箝位单元处于箝位状态，开关组件处于断开状态，通过逐个箝位或导通半桥有源箝位单元实现开关组件两端电压呈阶梯式上升或下降，降低了开关组件的器件要求。本发明公开了一种模块化多电平DC/DC变换器，由开关组件替换传统DC/DC变换器中的单功率器件而得到，降低对模块化多电平DC/DC变换器中器件要求。本发明公开了一种调制方法；还公开了一种箝位电容电压平衡方法。

Description

一种开关组件及其应用、控制方法
技术领域
本发明涉及电力电子技术领域。更具体地，本发明涉及一种开关组件及其应用、控制方法。
背景技术
高压直流(HVDC)输电技术在这些年得到了快速发展，因为它非常适合于长距离大功率的能量传输。目前，绝大多数的高压直流输电工程是两端系统，即电能从一个地点传输到另一个地点而中间没有额外的连接点。但是，包含多条输电线路并呈现网状结构的高压直流电网是未来直流输电的发展趋势。高压直流电网的优势主要在于优化了输电设施的利用、提高了电能交易与运行的灵活性并增强了电能传输的可靠性与安全性。
高压直流电网通常存在多个电压等级，比如320kV、500kV、800kV等等。如果两个具有不同电压等级的输电线路需要连接再一起，就需要一个高压大功率DC/DC变换器提供电压变换功能。另外，如果一个低压直流源想向直流电网馈电，或者一个低压直流负载想从直流电网用电，DC/DC变换器同样必不可少。通常地，在直流电网中，DC/DC变换器用做电压等级适配器和能量传输的路径。
在中低压应用领域有许多非常成熟的DC/DC变换拓扑，比如buck变换器、boost变换器、正激变换器、反激变换器、双端有源桥(DAB)变换器等。如果在高压直流电网中实用这些拓扑，由于单个开关器件难以承受如此高的电压，就需要把许多器件串联起来使用。但是，串联器件需要额外的电压平衡措施，否则如果器件之间的电压分配不均，就会导致过压故障。另外，由于串联器件都是同步工作的，即同时导通或关断，这使得串联器件用在高压直流电网中时，其两端的电压会呈现非常陡峭的上升沿和下降沿，从而具有相当高的电压变化率。这种高电压变化率会对电路中电感元件的设计和制造带来困难。
最近这些年，模块化多电平变换器(Modular Multilevel Converter,MMC)在高压直流输电领域受到了广泛的关注。它的关键特征是引入了模块化的概念，通过使用子模块，降低了单个功率器件所承受的电压应力。实际上，基于子模块的模块化概念已经被引入应用于高压直流电网的DC/DC变换器中，以作为一种解决电压平衡问题的方法。但是，这是已有的模块化DC/DC变换器拓扑的提出都是分散和不系统的，各有自己独特的调制方法和控制策略，不同拓扑之间的关系并没有被详细研究。由于缺乏统一的方法论，后来的研究者很难基于这些现有研究提出新的拓扑或将某种特定拓扑的分析方法应用到另一种拓扑中。另外，在这些现有研究中，子模块都被视为可控直流电压源，其电容广泛地参与能量变换，并被频繁地充、放电。这使得为了保证电压纹波不超出预设范围，子模块电容的值通常很大，造成系统的成本和体积较大。
发明内容
针对上述缺陷，本发明提供了一种开关组件及其应用、控制方法，旨在解决现有的DC/DC变换器由于采用串联开关管同时断开与截止实现DC/DC变换器工作而导致串联开关管的两端电压呈非常陡峭的上升沿和下降沿，使得对DC/DC变换器中的元器件高要求的技术问题。
为实现上述目的，作为本发明的第一方面，本发明提供了一种开关组件，包括一个单元链和一个电感；
单元链包括Ncell个依次串联半桥有源箝位单元，第i半桥有源箝位单元的负极性端与第i+1个半桥有源箝位单元的正极性端连接；
第Ncell个半桥有源箝位单元的负极性端与电感一端连接，第1半桥有源箝位单元的正极性端为开关组件的正极性端，电感另一端为开关组件的负极性端；
半桥有源箝位单元有箝位状态和导通状态两个工作状态，当半桥有源箝位单元位于箝位状态，半桥有源箝位单元的两端电压不为零，当半桥有源箝位单元位于导通状态，半桥有源箝位单元的两端电压为零；电感用于防止开关组件出现纯电压源回路；1<i<Ncell-1。
当单元链中Ncell个依次串联半桥有源箝位单元均处于导通状态，单元链两端的电压为零，又由于流过电感的电流变化率小，电感两端电压可以忽略，开关组件两端的电压为零，开关组件处于闭合状态，当单元链中Ncell个依次串联半桥有源箝位单元处于箝位状态时，每个半桥有源箝位单元两端的电压为vCc，则单元链两端的电压为Ncell×vCc，此时开关组件处于断开状态。当开关组件由闭合状态向开关状态变换时，可以依次组逐个使每个半桥有源箝位单元由导通状态变为箝位状态，开关组件两端的电压呈阶梯式上升，当开关组件由开关状态向闭合状态变换时，可以依次逐个使每个半桥有源箝位单元由箝位状态变为导通状态，开关组件两端的电压呈阶梯式下降，电压呈阶梯式上升和阶梯式下降减少了开关组件两端电压的变化率，显著降低了开关组件中的元器件的要求。
进一步地，半桥有源箝位单元包括一个包含反并联二极管的主开关管、一个包含反并联二极管的箝位开关管和一个有极性的箝位电容；
主开关管的漏极与箝位开关管的源极连接，箝位开关管的漏极与箝位电容的正极连接，箝位电容的负极与主开关管的源极连接；主开关管的漏极作为半桥有源箝位单元的正极性端，主开关管的源极作为半桥有源箝位单元的负极性端；
主开关管和箝位开关管互补工作，用于控制开关组件在导通状态与断开状态切换；
箝位电容用于储存电荷，使开关组件在断开时两端电压不为零。
正常运行时，主开关管和箝位开关管互补工作。当主开关管导通而箝位开关管关断时，半桥有源箝位单元处于导通状态，其端口电压等于零；当主开关管断开而箝位开关管导通时，半桥有源箝位单元处于箝位状态，端口电压等于箝位电容电压。
作为本发明的另一方面，本发明提供了模块化多电平DC/DC变换器，通过用开关组件替换DC/DC变换器中的单功率管而得到。
当模块化多电平DC/DC变换器工作时，开关组件由闭合状态转化到断开状态、开关组件由断开状态转化到闭合状态或者开关组件状态保持不变。当开关组件由闭合状态向断开状态变化时，依次逐个使每个半桥有源箝位单元由导通状态变为箝位状态，开关组件两端的电压呈阶梯式上升；当开关组件由断开状态向闭合状态变换时，可以依次逐个使每个半桥有源箝位单元由箝位状态变为导通状态，开关组件两端的电压呈阶梯式下降；当开关组件状态保持不变，半桥有源箝位单位状态保持不变；通过让开关组件两端的电压呈阶梯上升或阶梯下降，实现减少了开关组件两端电压的变化率，显著降低了开关组件中的元器件的要求。
另外，由于半桥有源箝位单元中箝位电容仅仅在开关组件状态变化过程中参与能量变化，开关组件状态变化时间很短，使得箝位电容参与能量转化的时间很少，越少参与能量变换，其电压的波动就越小，那么为了保证其电压波动在一定范围内所需的箝位电容的大小就越小，降低了箝位电容的容值的要求。
作为本发明的另一方面，本发明提供了模块化多电平DC/DC变换器的调制方法，包括如下步骤：
(1)若模块化多电平DC/DC变换器中第j个开关组件由闭合状态转化到断开状态，则逐个箝位第j个开关组件中Ncell个半桥有源箝位单元，否则进入步骤(2)；
(2)若模块化多电平DC/DC变换器中第j个开关组件由断开状态化到闭合状态转，则逐个导通第j个开关组件中Ncell个半桥有源箝位单元，否则进入步骤(3)；
(3)保持第j个开关组件中的半桥有源箝位单元的状态；
其中，1<j<M，M为模块化多电平DC/DC变换器中开关组件的数量。
当开关组件由闭合状态向断开状态变化时，依次逐个使每个半桥有源箝位单元由导通状态变为箝位状态，开关组件两端的电压呈阶梯式上升，当开关组件由开关状态向闭合状态变换时，可以依次逐个使每个半桥有源箝位单元由箝位状态变为导通状态，开关组件两端的电压呈阶梯式下降，通过让电压呈阶梯式上升或阶梯式下降，实现减少了开关组件两端电压的变化率，降低对开关组件中的元器件的要求。
另外，由于半桥有源箝位单元中箝位电容仅仅在开关组件状态变化过程中参与能量变化，开关组件状态变化时间很短，使得箝位电容参与能量转化的时间很少，越少参与能量变换，其电压的波动就越小，那么为了保证其电压波动在一定范围内所需的箝位电容的大小就越小。
进一步地，调制方法的步骤(1)中逐个箝位所述第j个开关组件中Ncell个半桥有源箝位单元，包括如下步骤：
(11)若j个开关组件的电流对处于箝位状态的半桥有源箝位单元中箝位电容充电，则所有处于导通状态的半桥有源箝位单元的箝位电容电压中最低箝位电容电压对应的半桥有源箝位单元会被切换到箝位状态，否则，进入步骤(12)；
(12)若j个开关组件的电流对处于箝位状态的半桥有源箝位单元中箝位电容放电，则所有处于导通状态的半桥有源箝位单元的箝位电容电压的最高箝位电容电压对应的半桥有源箝位单元会被切换到箝位状态；
(13)判断第j个开关组件中所有半桥有源箝位单元是否处于箝位状态，若是则进入步骤(3)，否则进入步骤(11)；
其中，1<j<M，M为模块化多电平DC/DC变换器中开关组件的数量。
当开关组件由闭合状态转化到断开状态时，需要对开关组件中的处于导通状态的半桥有源箝位单元逐个箝位，若此时开关组件的电流是对箝位电容进行充电，则将电压最低的箝位电容对应的开关组件转化到箝位状态，让该电压最低的箝位电容先参与能量转化，提高电压最低的箝位电容的电压，若此时开关组件中的电流是对箝位电容进行放电，则让电压最高的箝位电容对应的开关组件转化到箝位状态，让电压最高的箝位电容先参与能量转化，降低电压最高的箝位电容的电压，从而实现对DC/DC变换器中箝位电容电压的均衡。
进一步地，调制方法中步骤(2)中逐个导通所述第j个开关组件中Ncell个半桥有源箝位单元，包括如下步骤：
(11)若j个开关组件的电流对处于箝位状态的半桥有源箝位单元中箝位电容充电，则所有处于箝位状态的半桥有源箝位单元的箝位电容电压中最高箝位电容对应的半桥有源箝位单元会被切换到导通状态，否则，进入步骤(12)；
(12)若j个开关组件的电流对处于箝位状态的半桥有源箝位单元中箝位电容放电，则所有处于箝位状态的半桥有源箝位单元的箝位电容电压中最低箝位电容对应的半桥有源箝位单元会被切换到导通状态，并进入步骤(13)；
(13)判断第j个开关组件中所有半桥有源箝位单元是否处于导通状态，若是则进入步骤(3)，否则进入步骤(11)；
其中，1<j<M，M为模块化多电平DC/DC变换器中开关组件的数量。
当开关组件由断开状态转化到闭合状态时，需要对开关组件中的处于箝位状态的半桥有源箝位单元逐个导通，若此时开关组件的电流是对箝位电容进行充电，则将电压最高的箝位电容对应的开关组件转化到导通状态，让该电压最高的箝位电容先结束能量转化，让电压低的箝位电容继续参与能量转化，提高电压较低的箝位电容的电压，若此时开关组件中的电流是对箝位电容进行放电，则让电压最低的箝位电容对应的开关组件转化到导通状态，让电压最低的箝位电容先结束能量转化，电压较高的箝位电容继续参与能量转化，降低电压较高的箝位电容的电压，从而实现对DC/DC变换器中箝位电容电压的均衡。
作为本发明的另一方面，本发明提供了模块化多电平DC/DC变换器的箝位电容电压的平衡方法，包括如下步骤：
(1)若模块化多电平DC/DC变换器中第j个开关组件由闭合状态转化到断开状态，则根据第j个开关组件中所有处于导通状态的半桥有源箝位单元的箝位电容电压的大小以及第j个开关组件电流的方向确定第j个开关组件中所有处于导通状态的半桥有源箝位单元转化为箝位状态的顺序，并进入步骤(3)，否则进入步骤(2)；
(2)若模块化多电平DC/DC变换器中第j个开关组件由断开状态化到闭合状态转，则根据第j个开关组件中所有处于箝位状态的半桥有源箝位单元的箝位电容的电压的大小以及第j个开关组件的电流的方向确定第j个开关组件中所有处于箝位状态的半桥有源箝位单元的转化为导通状态的顺序，并进入步骤(3)；
(3)保持第j个开关组件中的半桥有源箝位单元的状态；
其中，1<j<M，M为模块化多电平DC/DC变换器中开关组件的数量。
对第j个开关组件中所有处于导通状态的半桥有源箝位单元的箝位电容的电压的大小进行排序，并根据第j个开关组件的电流的方向，确定第j个开关组件中处于导通状态的半桥有源箝位单元的箝位时刻；对第j个开关组件中所有处于箝位状态的半桥有源箝位单元的箝位电容的电压的大小进行排序，并根据第j个开关组件的电流的方向，确定j个单元链中处于箝位状态的半桥有源箝位单元的导通时刻，控制半桥有源箝位单位元中箝位电容参与能量转换的时间，实现各个箝位电容电压的均衡。
进一步的，本发明提供的模块化多电平DC/DC变换器的箝位电容电压的平衡方法中，步骤(1)中包括如下步骤：
(11)对第j个开关组件的电流采样，若第j个开关组件电流会对处于箝位状态的半桥有源箝位单元中箝位电容进行充电，则所有处于导通状态的半桥有源箝位单元的箝位电容电压中最低箝位电容电压对应的半桥有源箝位单元会被选中箝位，否则进入步骤(12)；
(12)若第j个开关组件电流会对处于箝位状态的半桥有源箝位单元中箝位电容进行放电，则所有处于导通状态的半桥有源箝位单元的箝位电容电压中最高箝位电容电压对应的半桥有源箝位单元会被选中箝位，进入步骤(13)；
(13)判断第j个开关组件中所有半桥有源箝位单元是否处于箝位状态，若是则进入步骤(3)，否则进入步骤(11)；
其中，1<j<M，M为模块化多电平DC/DC变换器中开关组件的数量。
当开关组件由闭合状态转化到断开状态时，需要对开关组件中的处于导通状态的半桥有源箝位单元逐个箝位，若此时开关组件的电流是对箝位电容进行充电，则将电压最低的箝位电容对应的开关组件转化到箝位状态，让该电压最低的箝位电容先参与能量转化，提高电压最低的箝位电容的电压，若此时开关组件中的电流是对箝位电容进行放电，则让电压最高的箝位电容对应的开关组件转化到箝位状态，让电压最高的箝位电容先参与能量转化，降低电压最高的箝位电容的电压，从而实现对DC/DC变换器中箝位电容电压的均衡。
进一步的，本发明提供的模块化多电平DC/DC变换器的箝位电容电压的平衡方法中，步骤(2)中包括如下步骤：
(21)对第j个开关组件的电流采样，若第j个开关组件电流会对处于箝位状态的半桥有源箝位单元中箝位电容进行充电，则所有处于箝位状态半桥有源箝位单元中的箝位电容的电压最高的对应的半桥有源箝位单元会被选中导通，否则进入步骤(22)；
(22)若第j个开关组件电流会对处于箝位状态的半桥有源箝位单元中箝位电容进行放电，则所有处于导通状态的半桥有源箝位单元的箝位电容电压中最低箝位电容电压对应的半桥有源箝位单元会被选中导通；
(23)判断第j个开关组件中所有半桥有源箝位单元是否处于导通状态，若是则进入步骤(3)，否则进入步骤(21)；
其中，1<j<M，M为模块化多电平DC/DC变换器中开关组件的数量。
当开关组件由断开状态转化到闭合状态时，需要对开关组件中的处于箝位状态的半桥有源箝位单元逐个导通，若此时开关组件的电流是对箝位电容进行充电，则将电压最高的箝位电容对应的开关组件转化到导通状态，让该电压最高的箝位电容先结束能量转化，让电压低的箝位电容继续参与能量转化，提高电压较低的箝位电容的电压，若此时开关组件中的电流是对箝位电容进行放电，则让电压最低的箝位电容对应的开关组件转化到导通状态，让电压最低的箝位电容先结束能量转化，电压较高的箝位电容继续参与能量转化，降低电压较高的箝位电容的电压，从而实现对DC/DC变换器中箝位电容电压的均衡。
通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得以下有益效果：
1、本发明提供了开关组件，该开关组件中包含有Ncell个半桥有源箝位单元，当所有半桥有源箝位单元处于导通状态时，开关组件两端的电压为零，开关组件处于闭合状态，当所有半桥有源箝位单元处于箝位状态时，开关组件两端的电压为Ncell×vCc，vCc为每个半桥有源箝位单元两端的电压，开关组件处于断开状态，当开关组件由闭合状态变成断开状态时，通过逐个将半桥有源箝位单元由导通状态变为箝位状态，使得开关组件两端的电压呈阶梯变化，当开关组件由断开状态变成闭合状态时，通过逐个将半桥有源箝位单元由箝位状态变成导通状态，使得开关组件两端的电压呈阶梯下降，通过电压呈阶梯下降或阶梯上升降低了开关组件两端电压变化率，对开关组件中的元件要求降低。
2、本发明提供了模块化多电平DC/DC变换器，该模块化多电平DC/DC变换器是由开关组件替换现有的DC/DC变换器，当模块化多电平DC/DC变换器工作时，通过逐个让半桥有源箝位单元变换到导通状态或箝位状态，实现在模块化多电平DC/DC变换器中的开关组件由闭合状态变成断开状态或由断开状态变成闭合状态，开关组件两端的电压呈阶梯式上升或阶梯式下降，使得开关组件两端的电压变化率降低，降低模块化多电平DC/DC变换器中元器件要求。
3、本发明提供的模块化多模块DC/DC变换器的调制方法，当模块化多电平DC/DC变换器工作时，通过逐个将半桥有源箝位单元由导通状态变成箝位状态实现开关组件由闭合状态变成断开状态，此时开关组件两端的电压呈阶梯式上升，通过逐个将半桥有源箝位单元由箝位状态实变成导通状态现开关组件由断开状态变成闭合状态，此时开关组件两端的电压呈阶梯式下降，降低了开关组件两端的电压变化率，降低了开关组件对元器件的要求。
4、本发明提供的模块化DC/DC变换器的箝位电容电压的平衡方法，根据开关组件的电流方向以及箝位电容电压大小确定半桥有源箝位单元的导通顺序，若开关组件中电流对箝位电容充电，则将箝位电容电压最低对应的半桥有源箝位单元切换至箝位状态或保持箝位状态，让箝位电容中电压提升，若开关组件中电流对箝位电容放电，则将箝位电容电压最低对应的半桥有源箝位单元切换至导通状态或保持导通状态，让箝位电容电压最低的箝位电容结束能量交换，让箝位电容电压高的箝位电容进行能量交换使箝位电容的电压下降，实现电容电压的平衡。
附图说明
当前发明的以上以及其他目的、特征和优势，将会通过当前发明的实施例的图示性与非限制性描述得到更好的理解。其中：
图1为本发明提供的开关组件的结构图；
图2为本发明提供的开关组件中半桥有源箝位单元结构图；
图3A为本发明提供的非隔离型模块化多电平DC/DC变换器中的buck/boost模块化多电平DC/DC变换器；
图3B为本发明提供的非隔离型模块化多电平DC/DC变换器中的buck-boost模块化多电平DC/DC变换器；
图3C为本发明提供的非隔离型模块化多电平DC/DC变换器中的Cuk模块化多电平DC/DC变换器；
图3D为本发明提供的非隔离型模块化多电平DC/DC变换器中的Zeta/SEPIC模块化多电平DC/DC变换器；
图3E为本发明提供的非隔离型模块化多电平DC/DC变换器中的Non-invertingbuck/boost模块化多电平DC/DC变换器；
图4A为本发明提供的隔离型模块化多电平DC/DC变换器中的正激模块化多电平DC/DC变换器；
图4B为本发明提供的隔离型模块化多电平DC/DC变换器中的反激模块化多电平DC/DC变换器；
图4C为本发明提供的隔离型模块化多电平DC/DC变换器中的推挽模块化多电平DC/DC变换器；
图4D为本发明提供的隔离型模块化多电平DC/DC变换器中的LLC谐振模块化多电平DC/DC变换器；
图4E为本发明提供的隔离型模块化多电平DC/DC变换器中的双有源桥模块化多电平DC/DC变换器；
图5为重绘的buck/boost模块化多电平DC/DC变化器的电路图；
图6为buck/boost模块化多电平DC/DC变换器的第一单元链端口电压vcl1的调制波、第一单元链端口电压vcl2的调制波及其放大显示的电压变化过程；
图7为buck/boost模块化多电平DC/DC变换器的稳态工作波形；
图8A为第一单元链中的半桥有源箝位单元在处于导通状态且电流icl1>0时的工作情况；
图8B为第一单元链中的半桥有源箝位单元在处于导通状态且电流icl1<0时的工作情况；
图8C为第一单元链中的半桥有源箝位单元在处于箝位状态且电流icl1>0时的工作情况；
图8D为第一单元链中的半桥有源箝位单元在处于箝位状态且电流icl1<0时的工作情况；
图9A为第二单元链中的半桥有源箝位单元在处于导通状态且电流icl2>0时的工作情况；
图9B为第二单元链中的半桥有源箝位单元在处于导通状态且电流icl2<0时的工作情况；
图9C为第二单元链中的半桥有源箝位单元在处于箝位状态且电流icl2>0时的工作情况；
图9D为第二单元链中的半桥有源箝位单元在处于箝位状态且电流icl2<0时的工作情况；
图10A为第一单元链端口电压vcl1或第二单元链端口电压vcl2上升过程中箝位电容电压的平衡方法；
图10B为第一单元链端口电压vcl1或第二单元链端口电压vcl2下降过程中箝位电容电压的平衡方法。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，本发明提供的开关组件200包括一个单元链201和一个电感202，单元链201包括Ncell个依次串联半桥有源箝位单元(HBACC，Half-Bridge Active ClampingCell)，第i半桥有源箝位单元的负极性端与第i+1个半桥有源箝位单元的正极性端连接，其中，1<i<Ncell-1，半桥有源箝位单元有箝位状态和导通状态两个工作状态，当半桥有源箝位单元位于箝位状态，半桥有源箝位单元的两端电压为零，当半桥有源箝位单元位于箝位状态，半桥有源箝位单元的两端电压不为零；
第Ncell个半桥有源箝位单元的负极性端204与电感202一端连接，第1半桥有源箝位单元的正极性端203为开关组件的正极性端，电感另一端为开关组件的负极性端；电感用于防止开关组件出现纯电压源回路；
当单元链201中Ncell个依次串联半桥有源箝位单元均处于导通状态，单元链两端的电压为零，又由于流过电感的电流变化率小，电感两端电压可以忽略，实现开关组件两端的压降为零，开关组件处于闭合状态，当单元链201中Ncell个依次串联半桥有源箝位单元处于箝位状态时，每个半桥有源箝位单元两端的电压为vCc，则单元链两端的电压为Ncell×vCc，此时开关组件处于断开状态；当开关组件有闭合状态向断开状态变换时，可以依次组逐个使每个半桥有源箝位单元由导通状态变为箝位状态，开关组件两端的电压呈阶梯式上升，当开关组件有断开状态向闭合状态变换时，可以依次组逐个使每个半桥有源箝位单元由箝位状态变为导通状态，开关组件两端的电压呈阶梯式下降，通过使开关组件两端电压呈阶梯式的上升或下降减少了开关组件两端电压的变化率，降低开关组件中的元器件的要求。
如图2所示，本发明中提供的开关组件中半桥有源箝位单元包括一个包含反并联二极管的主开关管Tm、一个包含反并联二极管的箝位开关管Tc和一个有极性的箝位电容Cc；主开关管Tm源极与二极管Dm正极连接，主开关管Tm漏极与二极管Dm负极连接，箝位开关管Tc源极与二极管Dc正极连接，箝位开关管Tc漏极与二极管Dc负极连接，主开关管Tm的漏极与箝位开关管Tc的源极连接，箝位开关管Tc的漏极与箝位电容Cc的正极连接，箝位电容Cc的负极与主开关管Tm的源极连接；主开关管Tm的漏极作为半桥有源箝位单元的正极性端，主开关管Tm的源极作为半桥有源箝位单元的负极性端。
正常运行时，主开关管Tm和箝位开关管Tc互补工作，当主开关管Tm导通而箝位开关管Tc关断时，HABCC处于导通状态，其端口电压等于零；当主开关管Tm关断而箝位开关管Tc导通时，HABCC处于箝位状态，端口电压vcell等于箝位电容电压vCc。
本发明提供了模块化多电平DC/DC变换器，通过用开关组件替换DC/DC变换器中的单功率管而得到。
图3A所示的buck/boost模块化多电平DC/DC变换器301是由开关组件200替换双向buck/boost直流变换器中的两个单功率管得到；第一开关组件的正极性端为buck/boost模块化多电平DC/DC变换器正输入端，第一开关组件的负极性端与电感一端连接，电感另一端为buck/boost模块化多电平DC/DC变换器的正输出端，第二开关组件的负极性端与第一开关组件的负极性端连接，第二开关组件的正极性端为buck/boost模块化多电平DC/DC变换器负输入端。
图3B所示的buck-boost模块化多电平DC/DC变换器302是由开关组件200替换双向buck-boost直流变换器中的两个单功率管得到，第一开关组件的正极性端为buck-boost模块化多电平DC/DC变换器的正输入端，第一开关组件的负极性端与电感的一端连接，电感的另一端为buck-boost模块化多电平DC/DC变换器的负输入端，第二开关组件的负极性端连接与第一开关组件的负极性端连接，第二开关组件的正极性端为buck-boost模块化多电平DC/DC变换器正输出端。
图3C所示的Cuk模块化多电平DC/DC变换器303是由开关组件200替换双向Cuk直流变换器中的两个单功率管得到；第一开关组件的正极性端为Cuk模块化多电平DC/DC变换器的负输入端，第一开关组件的负极性端与第一电感一端连接，第一电感另一端为Cuk模块化多电平DC/DC变换器的正输入端，第二开关组件的正极性端为Cuk模块化多电平DC/DC变换器的负输出端，第二开关组件的负极性端与第二电感一端连接，第二电感另一端为Cuk模块化多电平DC/DC变换器的正输出端。
图3D所示的Zeta/SEPIC模块化多电平DC/DC变换器304是由开关组件200替换双向Zeta/SEPIC直流变换器中的两个单功率管得到，第一开关组件的正极性端为Zeta/SEPIC模块化多电平DC/DC变换器的正输入端，第一开关组件的负极性端与第一电感一端连接，第一电感的另一端为Zeta/SEPIC模块化多电平DC/DC变换器的负输入端，第二开关组件的正极性端为Zeta/SEPIC模块化多电平DC/DC变换器的负输出端，第二开关组件的负极性端与第二电感一端连接，第二电感的另一端为Zeta/SEPIC模块化多电平DC/DC变换器的正输出端。
图3E所示的Non-inverting buck-boost模块化多电平DC/DC变换器305是由开关组件(200)替换双向Zeta/SEPIC直流变换器中的四个单功率管得到，第一开关组件的正极性端为Non-inverting buck-boost模块化多电平DC/DC变换器的正输入端，第一开关组件的负极性端与电感的一端连接，第二开关组件的正极性端为Non-inverting buck-boost模块化多电平DC/DC变换器的负输入端，第二开关组件的负极性端与第一开关组件的正极性端连接，第三开关组件的正极性端为Non-inverting buck-boost模块化多电平DC/DC变换器的负输出端，第三开关组件的负极性端与电感的另一端连接，第四开关组件的负极性端与第三开关组件的负极性端连接，第四开关组件的正极性端为Non-inverting buck-boost模块化多电平DC/DC变换器的正输出端。
值得注意的是，上述所列举的buck/boost模块化多电平DC/DC变换器301、buck-boost模块化多电平DC/DC变换器302、Cuk模块化多电平DC/DC变换器303、Zeta/SEPIC模块化多电平DC/DC变换器304以及Non-inverting buck-boost模块化多电平DC/DC变换器305，仅仅是非隔离型模块化多电平DC/DC变换器的一小部分，而不是全部。本发明涵盖所有由开关组件200替换已知非隔离型DC/DC拓扑中的单功率管而得到的变换器拓扑，它们都属于非隔离模块化多电平DC/DC变换器，替换的单功率管数量可能是一个或多个。
图4A所示的正激模块化多电平DC/DC变换器401是由开关组件200替换双向正激直流变换器中的单功率管得到，第一开关组件的正极性端为正激模块化多电平DC/DC变换器的负输入端，第一开关组件的负极性端与变压器的第一原边一端连接，变压器的第一原边的另一端为正激模块化多电平DC/DC变换器的正输入端，第二开关组件的正极性端与第一开关组件的正极性端连接，第二开关组件的负极性端与变压器的第二原边的一端连接，变压器的第二原边的另一端与变压器的第一原边的另一端连接，第三开关组件的正极性端与变压器副边的一端连接，第三开关组件与电感一端连接，电感另一端与正激模块化多电平DC/DC变换器的正输出端连接，第四开关组件的正极性端为正激模块化多电平DC/DC变换器的负输出端连接，第四开关组件的负极性端与第三开关组件的负极性端连接。
图4B所示的反激模块化多电平DC/DC变换器402是由开关组件200替换双向反激直流变换器中的两个单功率管得到，第一开关组件的正极性端为反激模块化多电平DC/DC变换器的负输入端，第一开关组件的负极性端与变压器原边的一端连接，变压器原边的另一端为反激模块化多电平DC/DC变换器的正输入端，第二开关组件的正极性端为反激模块化多电平DC/DC变换器的负输出端，第二开关组件的负极性端与变压器副边的一端连接，变压器副边的另一端为反激模块化多电平DC/DC变换器的正输出端。
图4C所示的推挽模块化多电平DC/DC变换器403是由开关组件200替换双向推挽直流变换器中的单功率管得到，第一开关组件的正极性端为推挽模块化多电平DC/DC变换器正输入端，第一开关组件的负极性端与第一变压器的原边一端连接，第二开关组件的正极性端与第一开关组件的正极性端连接，第二开关组件的负极性端与第二变压器的原边一端连接，第一变压器原边的另一端和第二变压器原边的另一端连接，构成推挽模块化多电平DC/DC变换器负输入端；第三开关组件的正极性端与电感一端连接，电感另一端为推挽模块化多电平DC/DC变换器正输出端，第三开关组件的负极性端与第一变压器的副边一端连接，第四开关组件的正极性端与第三开关组件的正极性端连接，第四开关组件的负极性端与第二变压器的副边一端连接，第一变压器副边的另一端和第二变压器副边的另一端连接，构成推挽模块化多电平DC/DC变换器负输出端。
图4D所示的LLC谐振模块化多电平DC/DC变换器404是由开关组件200替换双向LLC谐振直流变换器中的单功率管得到，第一开关组件的正极性端为双有源桥模块化多电平DC/DC变换器的正输入端，第一开关组件的负极性端与变压器原边一端连接，第二开关组件的正极性端与第一开关组件的正极性端连接，第二开关组件的负极性端与变压器原边另一端连接，第三开关组件的正极性端为双有源桥模块化多电平DC/DC变换器的负输入端，第三开关组件的负极性端与第一开关组件的负极性端连接，第四开关组件的正极性端与第三开关组件的正极性端连接，第四开关组件的负极性端与第二开关组件的负极性端连接，第五开关组件正极性端与第六开关组件正极性端连接，第五开关组件的正极性端为双有源桥模块化多电平DC/DC变换器的正输出端，第五开关组件负极性端与变压器副边一端连接，第七开关组件的负极性端与第五开关组件的负极性端连接，第八开关组件负极性端与变压器副边另一端连接，第八开管组件正极性端为双有源桥模块化多电平DC/DC变换器的负输出端，第七开关组件的正极性端与第八开关组件的正极性端连接，第八开关组件的负极性端与第六开关组件的负极性端连接，第八开关组件的正极性端为双有源桥模块化多电平DC/DC变换器的负输出端。
图4E所示的双有源桥(Dual Active Bridge,DAB)模块化多电平DC/DC变换器405是由开关组件200替换双有源桥直流变换器中的八个单功率管得到，第一开关组件的正极性端为双有源桥模块化多电平DC/DC变换器的正输入端，第一开关组件的负极性端与变压器原边一端连接，第二开关组件的正极性端与第一开关组件的正极性端连接，第二开关组件的负极性端与电感一端连接，电感另一端与变压器原边另一端连接，第三开关组件的正极性端为双有源桥模块化多电平DC/DC变换器的负输入端，第三开关组件的负极性端与第一开关组件的负极性端连接，第四开关组件的正极性端与第三开关组件的正极性端连接，第四开关组件的负极性端与第二开关组件的负极性端连接，第五开关组件正极性端与第六开关组件正极性端连接，第五开关组件的正极性端为双有源桥模块化多电平DC/DC变换器的正输出端，第五开关组件负极性端与变压器副边一端连接，第七开关组件的负极性端与第五开关组件的负极性端连接，第八开关组件负极性端与变压器副边另一端连接，第八开管组件正极性端为双有源桥模块化多电平DC/DC变换器的负输出端，第七开关组件的正极性端与第八开关组件的正极性端连接，第八开关组件的负极性端与第六开关组件的负极性端连接，第八开关组件的正极性端为双有源桥模块化多电平DC/DC变换器的负输出端。
值得注意的是，上述所列举的正激模块化多电平DC/DC变换器401、反激模块化多电平DC/DC变换器402、推挽模块化多电平DC/DC变换器403、LLC谐振模块化多电平DC/DC变换器404以及双有源桥模块化多电平DC/DC变换器405仅仅是隔离型模块化多电平DC/DC变换器的一小部分，而不是全部。本发明涵盖所有由开关组件200替换已知隔离型DC/DC拓扑中的单功率管而得到的变换器拓扑，它们都属于隔离型模块化多电平DC/DC变换器，替换的单功率管数量可能是一个或多个。
当模块化多电平DC/DC变换器工作时，开关组件由闭合状态转化到断开状态，开关组件中的HABCC被逐个由导通状态变化到箝位状态，使得开关组件两端的电压呈阶梯式上升；开关组件由断开状态转化到闭合状态，开关组件中的HABCC被逐个由箝位状态变化到导通状态，使得开关组件两端的电压呈阶梯式下降；开关组件状态保持不变，开关组件中HABCC状态保持不变；开关组件两端的电压呈阶梯式上升或阶梯式下降，实现减少了开关组件两端电压的变化率，对开关组件中的元器件的要求降低。
以buck/boost模块化多电平DC/DC变换器(Modular Multilevel DC/DCConverter,MMDCC)为例，对模块化多电平DC/DC变换器性能进行了分析，虽然图3A已经画出了buck/boost MMDCC的总体电路图，但是为了更全面地分析此变换器，其电路图被重绘于图5中，第一开关组件包括第一单元链和电感Lc11，第一单元链中半桥有源箝位单元的结构为图2中提供的电气结构，第一开关组件中等效阻尼Rcl1包括电感Lc11的等效串联电阻、半桥有源箝位单元中开关管的导通电阻以及箝位电容的等效串联电阻，第二开关组件包括第二单元链和电感Lc12，第二单元链中半桥有源箝位单元的结构为图2中提供的电气结构，第二开关组件的等效阻尼Rcl2包括电感Lc12的等效串联电阻、半桥有源箝位单元中开关管的导通电阻以及箝位电容的等效串联电阻。
根据图5所示电路，当第二开关组件断开时，即第二开关组件中所有半桥有源箝位单元全部处于箝位状态时：
式中，vcl2为第二单元链两端的电压，Rcl2为第二开关组件的等效电阻，Lcl2为第二开关组件中的电感，icl2为流过第二开关组件的电流，vL为滤波电感L两端的电压，Vdc2为buck/boost MMDCC的输出电压，由于等效阻尼Rcl2和电感Lcl2通常很小，它们两端的电压可以忽略，从而根据公式(1)可知，滤波电感L两端电压vL的电压变化率由第二单元链两端的电压vcl2的电压变化率决定。因此，当第二单元链两端的电压vcl2具有小电压变化率时，vL也具有小电压变化率，非常有利于滤波电感L的设计与运行。
考虑buck/boost MMDCC的直流等效电路，电感元件两端的电压为零。此时，公式(1)变为
vcl2_dc-Rcl2icl2_dc-Vdc2＝0, (2)
其中，vcl2_dc是第二单元链的两端电压vcl2的直流分量，icl2_dc为第二开关组件的电流icl2的直流分量。
且第二单元链的两端电压vcl2的直流分量与buck/boost MMDCC的输入电压呈正比，即：
vcl2_dc＝dVdc1 (3)
由于第二开关组件的等效阻尼Rcl2较小，故等效阻尼Rcl2上的直流压降被忽略了。根据公式(2)和公式(3)，可得
Vdc2≈DVdc1, (4)
从公式(4)可以看出，buck/boost MMDCC的电压变换比和它对应的单功率管未被替换的双向buck/boost DC/DC变换器相同。这主要是由于除了前者所特有的阶梯式电压变化过程之外，两个变换器的调制波形非常类似。实际上，这种相似性在各个MMDCC及其对应的单功率管未被替换的DC/DC变换器之间普遍存在。
图6(a)给出了buck/boost MMDCC的第一单元链端口电压vcl1的调制波形，图6(b)给出了buck/boost MMDCC的第二单元链端口电压vcl2的调制波形，在第二单元链端口电压vcl2的电压下降过程中，第二单元链中各HBACC被一个一个地导通。如图6(c)所示，在每个台阶处，第二单元链端口电压vcl2的值减小一个箝位电容电压。在第二单元链端口电压vcl2的电压上升过程中，第二单元链中各HBACC被一个一个地箝位。在每个台阶处，第二单元链端口电压vcl2的值增加一个箝位电容电压。通过这种安排，vcl2具有阶梯式的电压变化过程，其电压变化率大幅减小。正常运行时，第二单元链中箝位电容的电压会得到很好的平衡，其纹波可以忽略。
另外，由于半桥有源箝位单元中箝位电容参与能量转化仅仅在于开关组件状态切换过程，使得箝位电容参与能量的时间很少，对于箝位电容来说，越少参与能量变换，其电压的波动就越小，那么为了保证其电压波动在一定范围内所需的电容容值就越小。
本发明提供了模块化多电平DC/DC变换器的调制方法，包括如下步骤：
(1)若模块化多电平DC/DC变换器中第j个开关组件由闭合状态转化到断开状态，则逐个箝位第j个开关组件中Ncell个半桥有源箝位单元，否则进入步骤(2)；其中，1<j<M，M为模块化多电平DC/DC变换器中开关组件的数量；
(2)若模块化多电平DC/DC变换器中第j个开关组件由断开状态化到闭合状态转，则逐个导通第j个开关组件中Ncell个半桥有源箝位单元，否则进入步骤(3)；
(3)保持第j个开关组件中的半桥有源箝位单元的状态。
步骤(1)中依次逐个使每个半桥有源箝位单元由箝位状态变为导通状态，开关组件两端的电压呈阶梯式下降。步骤(2)中依次组逐个使每个半桥有源箝位单元由导通状态变为箝位状态，开关组件两端的电压呈阶梯式上升。通过阶梯式上升或阶梯式下降实现减少了开关组件两端电压的变化率，对开关组件中的元器件的要求明显降低。另外，由于半桥有源箝位单元中箝位电容参与能量转化仅仅在于开关组件状态切换过程，使得箝位电容参与能量的时间很少，对于箝位电容来说，越少参与能量变换，其电压的波动就越小，那么为了保证其电压波动在一定范围内所需的电容容值就越小。
本发明提供了模块化多电平DC/DC变换器的箝位电容电压的平衡方法，包括如下步骤：
(1)判断模块化多电平DC/DC变换器中第j个开关组件是否由闭合状态转化到断开状态，若是则执行如下步骤，否则进入步骤(2)；
(11)对第j个开关组件的电流采样，若第j个开关组件的电流会对处于箝位状态的半桥有源箝位单元中箝位电容进行充电，则所有处于导通状态的半桥有源箝位单元的箝位电容电压中最低箝位电容电压对应的半桥有源箝位单元会被选中箝位，否则进入步骤(12)；其中，1<j<M，M为模块化多电平DC/DC变换器中开关组件的数量；
(12)若电流会对处于箝位状态的半桥有源箝位单元中箝位电容进行放电，则所有处于导通状态的半桥有源箝位单元的箝位电容电压中最高箝位电容电压的对应的半桥有源箝位单元会被选中箝位；
(13)判断第j个开关组件中所有半桥有源箝位单元是否处于箝位状态，若是则进入步骤(11)，否则进入步骤(3)；
(2)判断模块化多电平DC/DC变换器中第j个开关组件是否由断开状态化到闭合状态转，若是则执行如下步骤，否则进入步骤(3)；
(21)对第j个开关组件的电流采样，若第j个开关组件电流会对处于箝位状态的半桥有源箝位单元的箝位电容进行充电，则箝位电容电压最高的半桥有源箝位单元会被选中导通，否则进入步骤(22)；
(22)若第j个开关组件的电流会对处于箝位状态的半桥有源箝位单元的箝位电容进行放电，则所有处于导通状态的半桥有源箝位单元的箝位电容电压中最低箝位电容电压的对应的半桥有源箝位单元会被选中导通；
(23)判断第j个开关组件中所有半桥有源箝位单元是否处于箝位状态，若是则进入步骤(21)，否则进入步骤(3)；
(3)保持第j个开关组件中的半桥有源箝位单元的状态。
当开关组件由闭合状态转化到断开状态时，需要对开关组件中的处于导通状态的半桥有源箝位单元逐个箝位，若此时开关组件的电流是对处于箝位状态的半桥有源箝位单元中箝位电容进行充电，则将箝位电容电压最低的开关组件转化到箝位状态，让该电压最低的箝位电容先参与能量转化，提高电压最低的箝位电容的电压，若此时开关组件中的电流是对箝位状态的半桥有源箝位单元中箝位电容进行放电，则让电压最高的箝位电容的开关组件转化到箝位状态，让电压最高的箝位电容先参与能量转化，降低电压最高的箝位电容的电压，从而实现对DC/DC变换器中箝位电容电压的均衡。
当开关组件由断开状态转化到闭合状态时，需要对开关组件中的处于箝位状态的半桥有源箝位单元逐个导通，若此时开关组件的电流是对处于箝位状态的半桥有源箝位单元中箝位电容进行充电，则将电压最高的箝位电容的开关组件转化到导通状态，让该电压最高的箝位电容先结束参与能量转化，提高电压最低的箝位电容的电压，若此时开关组件中的电流是对处于箝位状态的半桥有源箝位单元中箝位电容进行放电，则让电压最低的箝位电容对应的开关组件转化到导通状态，让电压较低的箝位电容继续参与能量转化，降低电压最高的箝位电容的电压，从而实现对DC/DC变换器中箝位电容电压的均衡。
上述模块化多电平DC/DC变换器的箝位电容电压的平衡方法，使得开关组件两端的电压呈阶梯式上升或呈阶梯式下降，也可以作为模块化多电平DC/DC变换器的调制方法，该模块化多电平DC/DC变换器的箝位电容电压的平衡方法既能够平衡箝位电容的电压，也能够降低对模块化多电平DC/DC变换器中开关组件的要求。
以buck/boost的MMDCC为例描述本发明提供的调制方法和电容电压平衡方法的具体实施方式。
图7给出了buck/boost MMDCC的稳态工作波形。当由于滤波电感L一般较大，因此忽略了电感电流iL的纹波。在(0,tstair)区间内，此时第一开关组件中HABCC被一个一个的导通，第二开关组件中HABCC被一个一个的箝位，第一单元链两端的电压vcl1呈阶梯减小而第二单元链两端的电压vcl2呈阶梯增大，使得第一开关组件的电流icl1从0逐渐增大而第二开关组件的电流icl2从IL逐渐减小。在此过程中，电感Lcl1和第一单元链箝位状态的HBACC的电容产生谐振，电感Lcl2和第二单元链中处于箝位状态的HBACC的电容产生谐振，使第一开关组件的电流icl1和第二开关组件的电流icl2呈现振荡。由于等效阻尼Rcl1和等效阻尼Rcl2的存在，第一开关组件的电流icl1和第二开关组件的电流icl2的振荡会很快被阻尼掉，最终使第一开关组件的电流icl1在t＝dTsw前分别变为IL，第二开关组件的电流icl2在t＝dTsw前分别变为0。
在(dTsw,dTsw+tstair)区间内，此时第一开关组件中HABCC被一个一个的箝位，第二开关组件中HABCC被一个一个的导通，第一单元链两端的电压vcl1呈阶梯增大而第二单元链两端的电压vcl2呈阶梯减小，使得第一开关组件的电流icl1从IL逐渐减小而第二开关组件的电流icl2从0逐渐增大。在此过程中，第一开关组件的电流icl1和第二开关组件的电流icl2同样会呈现振荡，且它们的振荡同样会很快被等效阻尼Rcl1和等效阻尼Rcl2阻尼掉，最终第一开关组件的电流使icl1在t＝Tsw前分别变为0，第二开关组件的电流icl2在t＝Tsw前分别变为IL。
本发明提供了buck/boost MMDCC的调制方法，包括如下步骤：
(1)若buck/boost MMDCC中第j个开关组件由闭合状态转化到断开状态，则逐个箝位第j个开关组件中Ncell个半桥有源箝位单元，否则进入步骤(2)；其中，1<j<M，M为buck/boost MMDCC中开关组件的数量；
(2)若buck/boost MMDCC中第j个开关组件由断开状态化到闭合状态转，则逐个导通第j个开关组件中Ncell个半桥有源箝位单元，否则进入步骤(3)；
(3)保持第j个开关组件中的半桥有源箝位单元的状态。
步骤(1)中依次逐个使每个半桥有源箝位单元由箝位状态变为导通状态，开关组件两端的电压呈阶梯式下降。步骤(2)中依次逐个使每个半桥有源箝位单元由导通状态变为箝位状态，开关组件两端的电压呈阶梯式上升。通过阶梯式上升或阶梯式下降减少了开关组件两端电压的变化率，对开关组件中的元器件的要求明显降低。
由于箝位电容仅在很少的时间段内才参与能量变换，因此很小的电容值就能满足抑制电容电压纹波的要求。以第一单元链为例，只有当第一开关组件的电流icl1和第一单元链的电压vcl1均不为零时，才代表有箝位电容被插入电路且有电流流过其上。参看图7，第一开关组件的电流icl1和第一单元链两端的电压vcl1均不为零的时间段只有(0,tstair)和t＝dTsw之后的一小段时间。由于电压变化过渡过程持续的时间通常不长，因此第一开关组件的电流icl1和第一单元链两端的电压vcl1均不为零的时间较短，也即箝位电容参与能量变换的时间很少。对于一个电容来说，越少参与能量变换，其电压的波动就越小，那么为了保证其电压波动在一定范围内所需的电容容值就越小。
正常运行时，buck/boost MMDCC中各箝位电容的电压需要平衡。对于第一单元链中的各HBACC，第一开关组件的电流icl1>0表示电流流入每个HBACC而第一开关组件的电流icl1<0表示电流流出HBACC。因此，对于第一单元链中的HBACC，如果它处于导通状态，那么正的第一开关组件的电流icl1会流经主开关管Tm1，如图8A所示，实线部分为电流流经路线，负的icl1会流经二极管Dm1，如图8B所示，实线部分为电流流经路线。两种情况下，箝位电容Cc1的电压都保持不变。如果该HBACC处于箝位状态，正的第一开关组件的电流icl1会流经箝位开关管Tc1并对箝位电容Cc1充电，如图8C所示，实线部分为电流流经路线，负的第一开关组件的电流icl1会流经箝位开关管上并联的二极管Dc1并箝位电容对Cc1放电，如图8D所示，实线部分为电流流经路线。
对于第二单元链中的各HBACC，第二开关组件的电流icl2>0表示电流流出它们而第二开关组件的电流icl2<0表示电流流入它们。因此，对于第二单元链中的HBACC，如果它处于导通状态，那么正的第二开关组件的电流icl2会流经二极管Dm1，如图9A，实线部分为电流流经路线，负的第二开关组件的电流icl2会流经主开关管Tm1，如图9B所示，实线部分为电流流经路线。两种情况下，箝位电容Cc2的电压都保持不变。如果该HBACC处于箝位状态，那么正的第二开关组件的电流icl2会流经二极管Dc1并对箝位电容Cc1放电，如图9C所示，实线部分为电流流经路线，负的第二开关组件的电流icl2会流经箝位开关管Tc1并对箝位电容Cc1充电，如图9D所示，实线部分为电流流经路线。
根据以上描述的箝位电容的充放电特性，提出了一种电容电压的平衡策略。图10A给出了电压上升过程中第一开关组件的箝位电容和第二开关组件的箝位电容的电压平衡方法。如图10A所示，在这个过程中，第一开关组件的电流icl1可能为正也可能为负。
对于第一单元链，正的第一开关组件的电流icl1会对处于箝位状态的HBACC的电容进行充电而负的第一开关组件的电流icl1会对其进行放电。电容被充电或放电的时间越长，其电压增加或减少得越多。因此，第一单元链在电压上升过程中的电容电压平衡策略为：
首先，在电压上升过程的起始阶段，对采样得到的Ncell1个箝位电容电压进行高低排序。接着，在vcl1的第1个台阶处，如果icl1>0，则箝位Ncell1个HABCC中电容电压最低的那个HBACC；如果icl1<0，则箝位Ncell1个HABCC中电容电压最高的那个HBACC。接着，在vcl1的第2个台阶处，如果icl1>0，则箝位剩余的Ncell1-1个HABCC中电容电压最低的那个HBACC；如果icl1<0，则箝位剩余的Ncell1-1个HABCC中电容电压最高的那个HBACC。以此类推，可以确定在vcl1的每个台阶处需要被箝位的HBACC。这样，第一单元链中的Ncell1个HBACC被一个个地箝位，使vcl1呈现阶梯式上升的波形。
对于第二单元链，第二开关组件的电流icl2可能为正也可能为负，正的第一开关组件的电流icl2会对处于箝位状态的HBACC的电容进行放电而负的第一开关组件的电流icl1会对其进行充电。因此，第二单元链在电压上升过程中的电容电压平衡策略为：
首先，在电压上升过程的起始阶段，对采样得到的Ncell2个箝位电容电压进行高低排序。接着，在vcl2的第1个台阶处，如果icl2>0，则箝位Ncell2个HABCC中电容电压最高的那个HBACC；如果icl2<0，则箝位Ncell2个HABCC中电容电压最低的那个HBACC。接着，在vcl2的第2个台阶处，如果icl2>0，则箝位剩余的Ncell2-1个HABCC中电容电压最高的那个HBACC；如果icl2<0，则箝位剩余的Ncell2-1个HABCC中电容电压最低的那个HBACC。以此类推，可以确定在vcl2的每个台阶处需要被箝位的HBACC。这样，第二单元链中的Ncell2个HBACC被一个个地箝位，使vcl2呈现阶梯式上升的波形。
第一开关组件中的电流是对箝位电容进行充电，则将电压最低的箝位电容对应的开关组件转化到箝位状态，让该电压最低的箝位电容先参与能量转化，提高电压最低的箝位电容的电压，第一开关组件中的电流是对箝位电容进行放电，则让电压最高的箝位电容对应的开关组件转化到箝位状态，让电压最高的箝位电容先参与能量转化，降低电压最高的箝位电容的电压，从而实现对DC/DC变换器中箝位电容电压的均衡。
图10B给出了电压下降过程中第一开关组件的箝位电容和第二开关组件的箝位电容的电压平衡方法。
对于第一单元链，第二开关组件的电流icl1始终为正，正的第一开关组件的电流icl1会对处于箝位状态的HBACC的电容进行充电。因此，第一单元链在电压下降过程中的电容电压平衡策略为：
首先，在电压下降过程的起始阶段，对采样得到的Ncell1个箝位电容电压进行高低排序。接着，在vcl1的第1个台阶处，导通Ncell1个HABCC中电容电压最高的那个HBACC。接着，在vcl1的第2个台阶处，导通剩余的Ncell1-1个HABCC中电容电压最高的那个HBACC。以此类推，可以确定在vcl1的每个台阶处需要被导通的HBACC。这样，第一单元链中的Ncell1个HBACC被一个个地导通，使vcl1呈现阶梯式下降的波形。
对于第二单元链，正的第二开关组件的电流icl2会对处于箝位状态的HBACC的箝位电容进行放电。因此，第二单元链在电压下降过程中的电容电压平衡方法为：
首先，在电压下降过程的起始阶段，对采样得到的Ncell2个箝位电容电压进行高低排序。接着，在vcl2的第1个台阶处，导通Ncell2个HABCC中电容电压最低的那个HBACC。接着，在vcl2的第2个台阶处，导通剩余的Ncell2-1个HABCC中电容电压最低的那个HBACC。以此类推，可以确定在vcl2的每个台阶处需要被导通的HBACC。这样，第二单元链中的Ncell2个HBACC被一个个地导通，使vcl2呈现阶梯式下降的波形。
第二开关组件中的电流是对箝位电容进行充电，则将电压最低的箝位电容对应的开关组件转化到箝位状态，让该电压最低的箝位电容先参与能量转化，提高电压最低的箝位电容的电压，从而实现对DC/DC变换器中箝位电容电压的均衡。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种开关组件(200)，其特征在于，包括：
一个单元链(201)和一个电感(202)；
单元链(201)包括Ncell个依次串联半桥有源箝位单元，第i半桥有源箝位单元的负极性端与第i+1个半桥有源箝位单元的正极性端连接；
第Ncell个半桥有源箝位单元的负极性端与电感(202)一端连接，第1半桥有源箝位单元的正极性端为开关组件(200)的正极性端，电感(202)另一端为开关组件(200)的负极性端；
半桥有源箝位单元有箝位状态和导通状态两个工作状态，当半桥有源箝位单元位于箝位状态，半桥有源箝位单元的两端电压不为零，当半桥有源箝位单元位于导通状态，半桥有源箝位单元的两端电压为零；电感(202)用于防止开关组件(200)出现纯电压源回路；其中，1<i<Ncell-1。
2.根据权利要求1中所述开关组件，其特征在于，所述半桥有源箝位单元包括一个包含反向并联二极管的主开关管、一个包含反向并联二极管的箝位开关管和一个有极性的箝位电容；
主开关管的漏极与箝位开关管的源极连接，箝位开关管的漏极与箝位电容的正极连接，箝位电容的负极与主开关管的源极连接；主开关管的漏极作为半桥有源箝位单元的正极性端，主开关管的源极作为半桥有源箝位单元的负极性端；
主开关管和箝位开关管互补工作，用于控制开关组件在导通状态与断开状态切换；
箝位电容用于储存电荷，使开关组件在断开时两端电压不为零。
3.一种模块化多电平DC/DC变换器，其特征在于，由权利要求1中开关组件替换DC/DC变换器中的单功率管而得到。
4.一种模块化多电平DC/DC变换器，其特征在于，由权利要求2中开关组件替换DC/DC变换器中的单功率管而得到。
5.一种如权利要求3或4中所述的模块化多电平DC/DC变换器的调制方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)若模块化多电平DC/DC变换器中第j个开关组件由闭合状态转化到断开状态，则逐个箝位所述第j个开关组件中Ncell个半桥有源箝位单元，否则进入步骤(2)；
(2)若模块化多电平DC/DC变换器中第j个开关组件由断开状态化到闭合状态转，则逐个导通所述第j个开关组件中Ncell个半桥有源箝位单元，否则进入步骤(3)；
(3)保持所述第j个开关组件中的半桥有源箝位单元的状态；
其中，1<j<M，M为模块化多电平DC/DC变换器中开关组件的数量。
6.根据权利要求5中所述的调制方法，其特征在于，所述步骤(1)中逐个箝位所述第j个开关组件中Ncell个半桥有源箝位单元，包括如下步骤：
(11)若j个开关组件的电流对半桥有源箝位单元中箝位电容充电，则所有处于导通状态的半桥有源箝位单元的箝位电容电压中最低箝位电容电压对应的半桥有源箝位单元会被切换到箝位状态，否则，进入步骤(12)；
(12)若j个开关组件的电流对半桥有源箝位单元中箝位电容放电，则所有处于导通状态的半桥有源箝位单元的箝位电容电压中最高箝位电容电压对应的半桥有源箝位单元会被切换到箝位状态，并进入步骤(13)；
(13)判断第j个开关组件中所有半桥有源箝位单元是否处于箝位状态，若是则进入步骤(3)，否则进入步骤(11)；
其中，1<j<M，M为模块化多电平DC/DC变换器中开关组件的数量。
7.根据权利要求5中所述的调制方法，其特征在于，所述步骤(2)中逐个导通所述第j个开关组件中Ncell个半桥有源箝位单元，包括如下步骤：
(21)若j个开关组件的电流对半桥有源箝位单元中箝位电容充电，则所有处于箝位状态的半桥有源箝位单元的箝位电容电压中最高箝位电容电压对应的半桥有源箝位单元会被切换到导通状态，否则，进入步骤(22)；
(22)若j个开关组件的电流对半桥有源箝位单元中箝位电容放电，则所有处于箝位状态的半桥有源箝位单元的箝位电容电压中最低箝位电容电压对应的半桥有源箝位单元会被切换到导通状态，并进入步骤(23)；
(23)判断第j个开关组件中所有半桥有源箝位单元是否处于导通状态，若是则进入步骤(3)，否则进入步骤(21)；
其中，1<j<M，M为模块化多电平DC/DC变换器中开关组件的数量。
8.一种如权利要求4中所述的模块化多电平DC/DC变换器的箝位电容电压的平衡方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)若模块化多电平DC/DC变换器中第j个开关组件由闭合状态转化到断开状态，则根据第j个开关组件中所有处于导通状态的半桥有源箝位单元的箝位电容电压的大小以及第j个开关组件电流的方向确定所述第j个开关组件中所有处于导通状态的半桥有源箝位单元转化为箝位状态的顺序，并进入步骤(3)，否则进入步骤(2)；
(2)若模块化多电平DC/DC变换器中第j个开关组件由断开状态化到闭合状态转，则根据第j个开关组件中所有处于箝位状态的半桥有源箝位单元的箝位电容电压的大小以及第j个开关组件电流的方向确定所述第j个开关组件中所有处于箝位状态的半桥有源箝位单元转化为导通状态的顺序，并进入步骤(3)；
(3)保持所述第j个开关组件中的半桥有源箝位单元的状态；
其中，1<j<M，M为模块化多电平DC/DC变换器中开关组件的数量。
9.根据权利要求8中所述的平衡方法，其特征在于，所述步骤(1)中包括如下步骤：
(11)对第j个开关组件的电流采样，若第j个开关组件的电流会对处于箝位状态的半桥有源箝位单元中箝位电容进行充电，则所有处于导通状态的半桥有源箝位单元的箝位电容电压中最低箝位电容电压对应的半桥有源箝位单元会被选中箝位，否则进入步骤(12)；
(12)若第j个开关组件电流会对处于箝位状态的半桥有源箝位单元中箝位电容进行放电，则所有处于导通状态的半桥有源箝位单元的箝位电容电压中最高箝位电容电压对应的半桥有源箝位单元会被选中箝位，并进入步骤(13)；
(13)判断第j个开关组件中所有半桥有源箝位单元是否处于箝位状态，若是则进入步骤(3)，否则进入步骤(11)；
其中，1<j<M，M为模块化多电平DC/DC变换器中开关组件的数量。
10.根据权利要求8中所述的平衡方法，其特征在于，所述步骤(2)中包括如下步骤：
(21)对第j个开关组件的电流采样，若第j个开关组件的电流会对处于箝位状态的半桥有源箝位单元中箝位电容进行充电，则所有处于箝位状态的半桥有源箝位单元的箝位电容电压中的最高箝位电容电压对应的半桥有源箝位单元会被选中导通，否则进入步骤(22)；
(22)若第j个开关组件电流会对处于箝位状态的半桥有源箝位单元中箝位电容进行放电，则所有处于箝位状态的半桥有源箝位单元的箝位电容电压中最低箝位电容电压对应的半桥有源箝位单元会被选中导通，并进入步骤(23)；
(23)判断第j个开关组件中所有半桥有源箝位单元是否处于导通状态，若是则进入步骤(3)，否则进入步骤(21)；
其中，1<j<M，M为模块化多电平DC/DC变换器中开关组件的数量。
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