CN106787879B - 一种七电平anpc变流器拓扑结构 - Google Patents

一种七电平anpc变流器拓扑结构 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种七电平ANPC变流器拓扑结构，包括直流侧、第一支路、第二支路、第三支路、第四支路和辅助换向支路；直流侧包括直流支撑电容C1、C2；第一支路包括开关管S1a～S1c，所述第二支路包括开关管S2a～S2c及开关管S5～S7，所述第三支路包括开关管S3a～S3c及开关管S8～S10，第四支路包括开关管S4a～S4c；开关管S1a～S1c、开关管S2a～S2c和开关管S3a～S3c分别并联一个静态均压电阻Rs；辅助换向支路包括第一辅助支路、第二辅助支路和第三辅助支路。本发明解决了该类型变流器在零电平状态切换过程中串联开关管的均压问题；采用上述拓扑结构后，可以有效避免七电平ANPC变流器因零电平状态切换造成的串联开关管分压不均的问题。

Description

一种七电平ANPC变流器拓扑结构
技术领域
本发明涉及电能变换技术领域，特别是涉及一种七电平ANPC变流器拓扑结构。
背景技术
近年来，随着工业生产技术和人民生活水平的不断提高，人们对高压大容量变换器的需求也不断提高，使得多电平变换器成为各国学者的研究热点。相较于传统两电平变换器，多电平变换器具有控制灵活，输出电平数多，输出波形更加接近正弦波，在功率开关器件耐压值相同的条件下，可以获得更高的输出电压。目前工业领域上应用的多电平变流器拓扑结构主要有二极管箝位型、电容箝位型、混合箝位型、层叠式多单元型以及有源中点箝位型(ANPC)。其中，有源中点箝位型拓扑结构直流母线侧只有两个支撑电容，只需要控制一个母线电压，更适用于五电平或七电平的场合。同时该类型拓扑结构能够平衡开关管的功率损耗，为多电平变换器开关频率及系统容量的提高提供了可能性。但有源中点箝位拓扑结构的多电平变换器，在零电平状态切换的过程中，需要动作多个串联开关管，因此必然会产生串联开关管的均压问题。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种七电平ANPC变流器拓扑结构，用以解决七电平ANPC变流器在零电平状态切换过程中串联开关管的均压问题。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的，一种七电平ANPC变流器拓扑结构，包括直流侧、第一支路、第二支路、第三支路、第四支路和辅助换向支路；
所述直流侧包括直流支撑电容C1、C2；
所述第一支路包括开关管S1a～S1c，所述第二支路包括开关管S2a～S2c及开关管S5～S7，所述第三支路包括开关管S3a～S3c及开关管S8～S10，所述第四支路包括开关管S4a～S4c；
开关管S1a～S1c、开关管S2a～S2c和开关管S3a～S3c分别并联一个静态均压电阻Rs；
所述辅助换向支路包括第一辅助支路、第二辅助支路和第三辅助支路；
所述直流支撑电容C1的正极与开关管S1a的集电极连接，开关管S1a的发射极与开关管S1b的集电极连接，开关管S1b的发射极与开关管S1c的集电极连接，开关管S1c的发射极分别与开关管S2c的集电极、开关管S5的集电极、第三辅助支路的一端连接；
所述直流支撑电容C1的负极分别与直流支撑电容C2的正极、开关管S2a的发射极、开关管S3a的集电极连接，开关管S2a的集电极与开关管S2b的发射极连接，开关管S2b的集电极与开关管S2c的发射极连接；所述开关管S5的发射极与开关管S6的集电极连接，开关管S6的发射极与开关管S7的集电极连接；
开关管S3a的发射极与开关管S3b的集电极连接，开关管S3b的发射极与开关管S3c的集电极连接，开关管S3c的发射极分别与第三辅助支路的另一端、开关管S10的发射极、开关管S4c的集电极连接，开关管S10的集电极与开关管S9的发射极连接，开关管S9的集电极与开关管S8的发射极连接，开关管S8的集电极与开关管S7的发射极连接；
直流支撑电容C2的负极与开关管S4a的发射极连接，开关管S4a的集电极与开关管S4b的发射极连接，开关管S4b的集电极与开关管S4c的发射极连接；
所述第一辅助支路并联连接于开关管S2a的集电极与开关管S3a的发射极之间，所述第二辅助支路并联连接于开关管S2b的集电极与开关管S3b的发射极之间，开关管S5的发射极与开关管S10的集电极之间并联连接箝位电容Cf2，开关管S6的发射极与开关管S9的集电极之间并联连接箝位电容Cf1。
进一步，所述第一辅助支路为辅助换向电容Ca1。
进一步，所述第二辅助支路为辅助换向电容Ca2。
进一步，所述第三辅助支路包括辅助换向电容Ca3、放电电阻Ra和辅助换流二极管Da，所述放电电阻Ra和辅助换流二极管Da并联连接后再与辅助换向电容Ca3串联连接，所述辅助换流二极管Da的正极与开关管S1c的发射极连接，辅助换流二极管Da的负极与辅助换向电容Ca3的正极连接，辅助换向电容Ca3的负极与开关管S3c的发射极连接。
进一步，所述静态均压电阻Rs阻值远大于开关管的通态电阻值。
由于采用了上述技术方案，本发明具有如下的有益技术效果：
本发明提供的一种七电平ANPC变流器拓扑结构，通过在传统七电平ANPC变流器拓扑结构增加十二个静态均压电阻Rs，三个辅助换向电容Ca1、Ca2、Ca3，一个放电电阻Ra及一个辅助换向二极管Da并对开关管切换顺序进行控制，从而解决七电平ANPC变流器在零电平状态切换过程串联开关管的均压问题，同时，增加的无源器件只在切换过程中起辅助作用，使用频率低，功率级别低，尺寸很小，因此对整体成本影响较小。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：
图1为现有技术中七电平ANPC变流器的拓扑结构图；
图2为本发明公开的一种七电平ANPC变流器的拓扑结构图；
图3为本发明公开的七电平ANPC变流器处于第一种零电平状态示意图；
图4为本发明公开的七电平ANPC变流器处于第二种零电平状态示意图；
图5为本发明公开的七电平ANPC变流器处于第三种零电平状态示意图；
图6为本发明公开的七电平ANPC变流器处于第四种零电平状态示意图；
图7为本发明公开的七电平ANPC变流器处于第一切换模式的M1状态；
图8为本发明公开的七电平ANPC变流器处于第一切换模式的M2状态；
图9为本发明公开的七电平ANPC变流器处于第一切换模式的M3状态；
图10为本发明公开的七电平ANPC变流器处于第一切换模式的M4状态；
图11为本发明公开的七电平ANPC变流器处于第一切换模式的M5状态；
图12为本发明公开的七电平ANPC变流器处于第一切换模式的M6状态；
图13为本发明公开的七电平ANPC变流器处于第一切换模式的M7状态；
图14为本发明公开的七电平ANPC变流器处于第一切换模式的M8状态；
图15为本发明公开的七电平ANPC变流器处于第一切换模式的M9状态；
图16为本发明公开的七电平ANPC变流器处于第二切换模式的M1状态；
图17为本发明公开的七电平ANPC变流器处于第二切换模式的M2状态；
图18为本发明公开的七电平ANPC变流器处于第二切换模式的M3状态；
图19为本发明公开的七电平ANPC变流器处于第二切换模式的M4状态；
图20为本发明公开的七电平ANPC变流器处于第二切换模式的M5状态；
图21为本发明公开的七电平ANPC变流器处于第二切换模式的M6状态；
图22为本发明公开的七电平ANPC变流器处于第二切换模式的M7状态；
图23为本发明公开的七电平ANPC变流器处于第二切换模式的M8状态；
图24为本发明公开的七电平ANPC变流器处于第二切换模式的M9状态；
图25为本发明公开的七电平ANPC变流器处于第三切换模式的M1状态；
图26为本发明公开的七电平ANPC变流器处于第三切换模式的M2状态；
图27为本发明公开的七电平ANPC变流器处于第三切换模式的M3状态；
图28为本发明公开的七电平ANPC变流器处于第三切换模式的M4状态；
图29为本发明公开的七电平ANPC变流器处于第三切换模式的M5状态；
图30为本发明公开的七电平ANPC变流器处于第三切换模式的M6状态；
图31为本发明公开的七电平ANPC变流器处于第三切换模式的M7状态；
图32为本发明公开的七电平ANPC变流器处于第三切换模式的M8状态；
图33为本发明公开的七电平ANPC变流器处于第三切换模式的M9状态；
图34为本发明公开的七电平ANPC变流器处于第四切换模式的M1状态；
图35为本发明公开的七电平ANPC变流器处于第四切换模式的M2状态；
图36为本发明公开的七电平ANPC变流器处于第四切换模式的M3状态；
图37为本发明公开的七电平ANPC变流器处于第四切换模式的M4状态；
图38为本发明公开的七电平ANPC变流器处于第四切换模式的M5状态；
图39为本发明公开的七电平ANPC变流器处于第四切换模式的M6状态；
图40为本发明公开的七电平ANPC变流器处于第四切换模式的M7状态；
图41为本发明公开的七电平ANPC变流器处于第四切换模式的M8状态；
图42为本发明公开的七电平ANPC变流器处于第四切换模式的M9状态。
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，下面将结合本附图及实施例，对本发明进行进一步的详细说明。此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
参见图2，图2为本发明公开的一种七电平ANPC变流器拓扑结构图。
一种七电平ANPC变流器拓扑结构，包括直流侧、第一支路、第二支路、第三支路、第四支路和辅助换向支路；
所述直流侧包括直流支撑电容C1、C2；
所述第一支路包括开关管S1a～S1c，所述第二支路包括开关管S2a～S2c及开关管S5～S7，所述第三支路包括开关管S3a～S3c及开关管S8～S10，所述第四支路包括开关管S4a～S4c；
开关管S1a～S1c、开关管S2a～S2c和开关管S3a～S3c分别并联一个静态均压电阻Rs，且静态均压电阻Rs阻值远大于开关管的通态电阻值。
所述辅助换向支路包括第一辅助支路、第二辅助支路和第三辅助支路；
所述直流支撑电容C1的正极与开关管S1a的集电极连接，开关管S1a的发射极与开关管S1b的集电极连接，开关管S1b的发射极与开关管S1c的集电极连接，开关管S1c的发射极分别与开关管S2c的集电极、开关管S5的集电极、第三辅助支路的一端连接；
所述直流支撑电容C1的负极分别与直流支撑电容C2的正极、开关管S2a的发射极、开关管S3a的集电极连接，开关管S2a的集电极与开关管S2b的发射极连接，开关管S2b的集电极与开关管S2c的发射极连接；所述开关管S5的发射极与开关管S6的集电极连接，开关管S6的发射极与开关管S7的集电极连接；
开关管S3a的发射极与开关管S3b的集电极连接，开关管S3b的发射极与开关管S3c的集电极连接，开关管S3c的发射极分别与第三辅助支路的另一端、开关管S10的发射极、开关管S4c的集电极连接，开关管S10的集电极与开关管S9的发射极连接，开关管S9的集电极与开关管S8的发射极连接，开关管S8的集电极与开关管S7的发射极连接；
直流支撑电容C2的负极与开关管S4a的发射极连接，开关管S4a的集电极与开关管S4b的发射极连接，开关管S4b的集电极与开关管S4c的发射极连接；
所述第一辅助支路并联连接于开关管S2a的集电极与开关管S3a的发射极之间，所述第二辅助支路并联连接于开关管S2b的集电极与开关管S3b的发射极之间，开关管S5的发射极与开关管S10的集电极之间并联连接箝位电容Cf2，开关管S6的发射极与开关管S9的集电极之间并联连接箝位电容Cf1。
需要说明的是，上述七电平ANPC变流器拓扑结构中的开关管是双向的，除了并联有反向二极管外，还可以是开关管内部集成反向二极管。
与现有技术中的七电平ANPC变流器拓扑结构相比，本发明公开的七电平ANPC变流器拓扑结构上增加了十二个静态均压电阻Rs，三个辅助换向电容Ca1、Ca2、Ca3，一个放电电阻Ra及一个辅助换向二极管Da。其优点在于：开关管S2a～S2c、S3a～S3c在辅助换向电容Ca1、Ca2、Ca3的箝位作用下，不存在均压问题；而对于开关管S1a～S1c、S4a～S4c，稳定零电平状态下，由于开关管S1a～S1c、S2a～S2c、S3a～S3c、S4a～S4c并联接入静态均压电阻Rs的作用下，开关管S1a～S1c、S4a～S4c无静态均压问题，而零电平状态切换过程中，结合基于本发明ANPC七电平变流器拓扑结构的零状态切换方法，可以解决开关管S1a～S1c、S4a～S4c动态均压问题。
为了更好的介绍本发明实施例的优点，下面结合附图进一步说明本发明公开的七电平ANPC变流器拓扑结构如何在零电平状态切换过程中通过本发明零电平状态切换方法解决串联开关管均压问题。
参见图3～6，本发明公开的七电平ANPC变流器拓扑结构有四种零电平状态。图3为第一种零电平状态ST1示意图，图4为第二种零电平状态ST2示意图，图5为第三种零电平状态ST3示意图，图6为第四种零电平状态ST4示意图。
第一种零电平状态ST1：开关管S1a、S1b、S1c、S3a、S3b、S3c、S8、S9、S10开通，其余开关管关断的状态。电流从直流侧NP点经由开关管S3a、S3b、S3c及开关管S10、S9、S8反并联的二极管流至输出端Uo。
第二种零电平状态ST2：开关管S2a、S2b、S2c、S4a、S4b、S4c、S5、S6、S7开通，其余开关管关断的状态。电流从直流侧NP点经由开关管S2a、S2b、S2c反并联二极管及开关管S5、S6、S7流至输出端Uo。
第三种零电平状态ST3：开关管S2a、S2b、S2c、S4a、S4b、S4c、S5、S6、S7开通，其余开关管关断的状态。电流从输出端Uo经由S5、S6、S7反并联二极管及开关管S2a、S2b、S2c流至直流侧NP点。
第四种零电平状态ST4：开关管S1a、S1b、S1c、S3a、S3b、S3c、S8、S9、S10开通，其余开关管关断的状态。电流从直流侧NP点经由开关管S8、S9、S10反并联二极管及开关管S3a、S3b、S3c流至输出端Uo。
需要说明的是，图7～42中的黑色示意线为电流走向。
需要说明的是，在第一种零电平状态ST1下，在静态均压电阻Rs及辅助换向电容的作用下，开关管S1a、S1b、S1c、S3a、S3b、S3c静态压降均为为0，开关管S2a、S2b、S2c、S4a、S4b、S4c静态压降均为Vdc。
需要说明的是，在第二种零电平状态ST2下，在静态均压电阻Rs及辅助换向电容的作用下，开关管S2a、S2b、S2c、S4a、S4b、S4c静态压降均为为0，开关管S1a、S1b、S1c、S3a、S3b、S3c静态压降均为Vdc。
需要说明的是，在第三种零电平状态ST3下，在静态均压电阻Rs及辅助换向电容的作用下，开关管S2a、S2b、S2c、S4a、S4b、S4c静态压降均为为0，开关管S1a、S1b、S1c、S3a、S3b、S3c静态压降均为Vdc。
需要说明的是，在第四种零电平状态ST4下，在静态均压电阻Rs及辅助换向电容的作用下，开关管S1a、S1b、S1c、S3a、S3b、S3c静态压降均为为0，开关管S2a、S2b、S2c、S4a、S4b、S4c静态压降均为Vdc。
因此，通过以上分析，在稳定的零电平状态下，串联开关管无静态均压问题。下面通过附图进一步介绍在零电平状态切换时，本发明如何解决串联开关管的动态均压问题。
在四种零电平状态情况下，本发明公开的七电平ANPC变流器共有四种切换模式，分别为第一切换模式、第二切换模式、第三切换模式、第四切换模式。
请参见图7～图42，其中图7～15为第一切换模式过程中，即本发明公开的七电平ANPC变流器从零电平状态ST1切换至零电平状态ST2。图16～24为第二切换模式过程中，即本发明公开的七电平ANPC变流器从零电平状态ST4切换至零电平状态ST3。图25～33为第三切换模式过程中，即本发明公开的七电平ANPC变流器从零电平状态ST3切换至零电平状态ST4。图34～42为第四切换模式过程中，即本发明公开的七电平ANPC变流器从零电平状态ST2切换至零电平状态ST1。
需要说明的是，图7～42中黑色示意线为电流走向。
第一切换模式：负载电流从直流侧NP流向输出端Uo，由开关管S1a、S1b、S1c、S3a、S3b、S3c、S8、S9、S10开通，其余开关管关断的状态切换为开关管S2a、S2b、S2c、S4a、S4b、S4c、S5、S6、S7开通，其余开关管关断的状态。具体分为M1～M9总共九个状态。
M1：请参见图7，具体为：开关管S1a、S1b、S1c、S3a、S3b、S3c、S8、S9、S10开通，其余开关管关断。
M2：请参见图8，具体为：在M1状态基础上，关断开关管S1a、S1b、S1c，使得开关管S3a、S3b、S3c、S8、S9、S10开通，其余开关管关断。
M3：请参见图9，具体为：在M2状态基础上，关断开关管S3a、S8，使得开关管S3b、S3c、S9、S10开通，其余开关管关断。
M4：请参见图10，具体为：在M3状态基础上，开通开关管S2a、S7，使得开关管S2a、S3b、S3c、S7、S9、S10开通，其余开关管关断。
M5：请参见图11，具体为：在M4状态基础上，关断开关管S3b、S9，使得开关管S2a、S3c、S7、S10开通，其余开关管关断。
M6：请参见图12，具体为：在M5状态基础上，开通开关管S2b、S6，使得开关管S2a、S2b、S3c、S6、S7、S10开通，其余开关管关断。
M7：请参见图13，具体为：在M6状态基础上，关断开关管S3c、S10，使得开关管S2a、S2b、S6、S7开通，其余开关管关断。
M8：请参见图14，具体为：在M7状态基础上，开通开关管S2c、S5，使得开关管S2a、S2b、S2c、S5、S6、S7开通，其余开关管关断。
M9：请参见图15，具体为：在M8状态基础上，开通开关管S4a、S4b、S4c，使得开关管S2a、S2b、S2c、S4a、S4b、S4c、S5、S6、S7开通，其余开关管关断，第一切换模式结束。
在第一切换模式过程中，在辅助换向电容Ca1、Ca2、Ca3的箝位作用下，内侧串联管S2a、S2b、S2c、S3a、S3b、S3c压降为0或Vdc，不存在动态均压问题。而外侧串联管S1a、S1b、S1c、S4a、S4b、S4c在切换过程中管压降变化为：
M1 M2 M3 M4 M5 M6 M7 M8 M9
Uo 0 0 -Vdc 0 -Vdc 0 -Vdc 0 0
US1a 0 0 Vdc/3 Vdc/3 2Vdc/3 2Vdc/3 Vdc Vdc Vdc
US1b 0 0 Vdc/3 Vdc/3 2Vdc/3 2Vdc/3 Vdc Vdc Vdc
US1c 0 0 Vdc/3 Vdc/3 2Vdc/3 2Vdc/3 Vdc Vdc Vdc
US4a Vdc Vdc 2Vdc/3 2Vdc/3 Vdc/3 Vdc/3 0 0 0
US4b Vdc Vdc 2Vdc/3 2Vdc/3 Vdc/3 Vdc/3 0 0 0
US4c Vdc Vdc 2Vdc/3 2Vdc/3 Vdc/3 Vdc/3 0 0 0
M1状态切换至M2状态过程中，串联开关管S1a～S1c处于零电压状态，串联开关管S4a～S4c处于零电流状态，无动态均压问题。
从M8状态切换至M9状态过程中，串联开关管S1a～S1c处于零电流状态，串联开关管S4a～S4c处于零电压状态，无动态均压问题。
其余状态切换过程中，串联开关管S1a～S1c、S4a～S4c处于零电流，无动态均压问题。
综上，本发明公开的七电平ANPC变流器在第一切换模式过程中，开关管均无动态均压问题。
第二切换模式：负载电流从输出端Uo流向直流侧NP，由开关管S1a、S1b、S1c、S3a、S3b、S3c、S8、S9、S10开通，其余开关管关断的状态切换为开关管S2a、S2b、S2c、S4a、S4b、S4c、S5、S6、S7开通，其余开关管关断的状态。具体分为M1～M9总共九个状态。
M1：请参见图16，具体为：开关管S1a、S1b、S1c、S3a、S3b、S3c、S8、S9、S10开通，其余开关管关断。
M2：请参见图17，具体为：在M1状态基础上，关断开关管S1a、S1b、S1c，使得开关管S3a、S3b、S3c、S8、S9、S10开通，其余开关管关断。
M3：请参见图18，具体为：在M2状态基础上，关断开关管S3a、S8，使得开关管S3b、S3c、S9、S10开通，其余开关管关断。
M4：请参见图19，具体为：在M3状态基础上，开通开关管S2a、S7，使得开关管S2a、S3b、S3c、S7、S9、S10开通，其余开关管关断。
M5：请参见图20，具体为：在M4状态基础上，关断开关管S3b、S9，使得开关管S2a、S3c、S7、S10开通，其余开关管关断。
M6：请参见图21，具体为：在M5状态基础上，开通开关管S2b、S6，使得开关管S2a、S2b、S3c、S6、S7、S10开通，其余开关管关断。
M7：请参见图22，具体为：在M6状态基础上，关断开关管S3c、S10，使得开关管S2a、S2b、S6、S7开通，其余开关管关断。
M8：请参见图23，具体为：在M7状态基础上，开通开关管S2c、S5，使得开关管S2a、S2b、S2c、S5、S6、S7开通，其余开关管关断。
M9：请参见图24，具体为：在M8状态基础上，开通开关管S4a、S4b、S4c，使得开关管S2a、S2b、S2c、S4a、S4b、S4c、S5、S6、S7开通，其余开关管关断，第二切换模式结束。
在第二切换模式过程中，在辅助换向电容Ca1、Ca2、Ca3的箝位作用下，开关管S2a、S2b、S2c、S3a、S3b、S3c压降为0或Vdc，不存在动态均压问题。而联管S1a、S1b、S1c、S4a、S4b、S4c在切换过程中管压降变化为：
M1 M2 M3 M4 M5 M6 M7 M8 M9
Uo 0 0 Vdc 0 Vdc 0 Vdc 0 0
US1a 0 0 0 Vdc/3 Vdc/3 2Vdc/3 2Vdc/3 Vdc Vdc
US1b 0 0 0 Vdc/3 Vdc/3 2Vdc/3 2Vdc/3 Vdc Vdc
US1c 0 0 0 Vdc/3 Vdc/3 2Vdc/3 2Vdc/3 Vdc Vdc
US4a Vdc Vdc Vdc 2Vdc/3 2Vdc/3 Vdc/3 Vdc/3 0 0
US4b Vdc Vdc Vdc 2Vdc/3 2Vdc/3 Vdc/3 Vdc/3 0 0
US4c Vdc Vdc Vdc 2Vdc/3 2Vdc/3 Vdc/3 Vdc/3 0 0
从M1状态切换至M2状态过程中，串联开关管S1a～S1c处于零电压状态，串联开关管S4a～S4c处于零电流状态，无动态均压问题。
从M8状态切换至M9状态过程中，串联开关管S1a～S1c处于零电流状态，串联开关管S4a～S4c处于零电压状态，无动态均压问题。
其余状态切换过程中，串联开关管S1a～S1c、S4a～S4c处于零电流，无动态均压问题。
综上，本发明公开的七电平ANPC变流器在第二切换模式过程中，内外侧串联开关管均无动态均压问题。
第三切换模式：负载电流从输出端Uo流向直流侧NP，由开关管S2a、S2b、S2c、S4a、S4b、S4c、S5、S6、S7开通，其余开关管关断的状态切换为开关管S1a、S1b、S1c、S3a、S3b、S3c、S8、S9、S10开通，其余开关管关断的状态。具体分为M1～M9总共九个状态。
M1：请参见图25，具体为：开关管S2a、S2b、S2c、S4a、S4b、S4c、S5、S6、S7开通，其余开关管关断。
M2：请参见图26，具体为：在M1状态基础上，关断开关管S4a、S4b、S4c，使得开关管S2a、S2b、S2c、S5、S6、S7开通，其余开关管关断。
M3：请参见图27，具体为：在M2状态基础上，关断开关管S2a、S7，使得开关管S2b、S2c、S5、S6开通，其余开关管关断。
M4：请参见图28，具体为：在M3状态基础上，开通开关管S3a、S8，使得开关管S2b、S2c、S3a、S5、S6、S8开通，其余开关管关断。
M5：请参见图29，具体为：在M4状态基础上，关断开关管S2b、S6，使得开关管S2c、S3a、S5、S8开通，其余开关管关断。
M6：请参见图30，具体为：在M5状态基础上，开通开关管S3b、S9，使得开关管S2c、S3a、S3b、S5、S8、S9开通，其余开关管关断。
M7：请参见图31，具体为：关断开关管S2c、S5，使得开关管S3a、S3b、S8、S9开通，其余开关管关断。
M8：请参见图32，具体为：在M7状态基础上，开通开关管S3c、S10，使得开关管S3a、S3b、S3c、S8、S9、S10开通，其余开关管关断。
M9：请参见图33，具体为：在M8状态基础上，开通开关管S1a、S1b、S1c，使得开关管S1a、S1b、S1c、S3a、S3b、S3c、S8、S9、S10开通，其余开关管关断，第三切换模式结束。
在第三切换模式过程中，在辅助换向电容Ca1、Ca2、Ca3的箝位作用下，内侧串联管S2a、S2b、S2c、S3a、S3b、S3c压降为0或Vdc，不存在动态均压问题。而外侧串联管S1a、S1b、S1c、S4a、S4b、S4c在切换过程中管压降变化为：
M1 M2 M3 M4 M5 M6 M7 M8 M9
Uo 0 0 Vdc 0 Vdc 0 Vdc 0 0
US1a Vdc Vdc 2Vdc/3 2Vdc/3 Vdc/3 Vdc/3 0 0 0
US1b Vdc Vdc 2Vdc/3 2Vdc/3 Vdc/3 Vdc/3 0 0 0
US1c Vdc Vdc 2Vdc/3 2Vdc/3 Vdc/3 Vdc/3 0 0 0
US4a 0 0 Vdc/3 Vdc/3 2Vdc/3 2Vdc/3 Vdc Vdc Vdc
US4b 0 0 Vdc/3 Vdc/3 2Vdc/3 2Vdc/3 Vdc Vdc Vdc
US4c 0 0 Vdc/3 Vdc/3 2Vdc/3 2Vdc/3 Vdc Vdc Vdc
从M1状态切换至M2状态过程中，串联开关管S1a～S1c处于零电流状态，串联开关管S4a～S4c处于零电压状态，无动态均压问题。
从M8状态切换至M9状态过程中，串联开关管S1a～S1c处于零电压状态，串联开关管S4a～S4c处于零电流状态，无动态均压问题。
其余状态切换过程中，串联开关管S1a～S1c、S4a～S4c处于零电流，无动态均压问题。
综上，本发明公开的七电平ANPC变流器在第三切换模式过程中，内外侧串联开关管均无动态均压问题。
第四切换模式：负载电流从直流侧NP流向输出端Uo，由开关管S2a、S2b、S2c、S4a、S4b、S4c、S5、S6、S7开通，其余开关管关断的状态切换为开关管S1a、S1b、S1c、S3a、S3b、S3c、S8、S9、S10开通，其余开关管关断的状态。具体分为M1～M9总共九个状态。
M1：请参见图25，具体为：开关管S2a、S2b、S2c、S4a、S4b、S4c、S5、S6、S7开通，其余开关管关断。
M2：请参见图26，具体为：在M1状态基础上，关断开关管S4a、S4b、S4c，使得开关管S2a、S2b、S2c、S5、S6、S7开通，其余开关管关断。
M3：请参见图27，具体为：在M2状态基础上，关断开关管S2a、S7，使得开关管S2b、S2c、S5、S6开通，其余开关管关断。
M4：请参见图28，具体为：在M3状态基础上，开通开关管S3a、S8，使得开关管S2b、S2c、S3a、S5、S6、S8开通，其余开关管关断。
M5：请参见图29，具体为：在M4状态基础上，关断开关管S2b、S6，使得开关管S2c、S3a、S5、S8开通，其余开关管关断。
M6：请参见图30，具体为：在M5状态基础上，开通开关管S3b、S9，使得开关管S2c、S3a、S3b、S5、S8、S9开通，其余开关管关断。
M7：请参见图31，具体为：关断开关管S2c、S5，使得开关管S3a、S3b、S8、S9开通，其余开关管关断。
M8：请参见图32，具体为：在M7状态基础上，开通开关管S3c、S10，使得开关管S3a、S3b、S3c、S8、S9、S10开通，其余开关管关断。
M9：请参见图33，具体为：在M8状态基础上，开通开关管S1a、S1b、S1c，使得开关管S1a、S1b、S1c、S3a、S3b、S3c、S8、S9、S10开通，其余开关管关断，第四切换模式结束。
在第四切换模式过程中，在辅助换向电容Ca1、Ca2、Ca3的箝位作用下，内侧串联管S2a、S2b、S2c、S3a、S3b、S3c压降为0或Vdc，不存在动态均压问题。而外侧串联管S1a、S1b、S1c、S4a、S4b、S4c在切换过程中管压降变化为：
M1 M2 M3 M4 M5 M6 M7 M8 M9
Uo 0 0 -Vdc 0 -Vdc 0 -Vdc 0 0
US1a Vdc Vdc Vdc 2Vdc/3 2Vdc/3 Vdc/3 Vdc/3 0 0
US1b Vdc Vdc Vdc 2Vdc/3 2Vdc/3 Vdc/3 Vdc/3 0 0
US1c Vdc Vdc Vdc 2Vdc/3 2Vdc/3 Vdc/3 Vdc/3 0 0
US4a 0 0 0 Vdc/3 Vdc/3 2Vdc/3 2Vdc/3 Vdc Vdc
US4b 0 0 0 Vdc/3 Vdc/3 2Vdc/3 2Vdc/3 Vdc Vdc
US4c 0 0 0 Vdc/3 Vdc/3 2Vdc/3 2Vdc/3 Vdc Vdc
从M1状态切换至M2状态过程中，串联开关管S1a～S1c处于零电流状态，串联开关管S4a～S4c处于零电压状态，无动态均压问题。
从M8状态切换至M9状态过程中，串联开关管S1a～S1c处于零电压状态，串联开关管S4a～S4c处于零电流状态，无动态均压问题。
其余状态切换过程中，串联开关管S1a～S1c、S4a～S4c处于零电流，无动态均压问题。
综上，本发明公开的七电平ANPC变流器在第四切换模式过程中，内外侧串联开关管均无动态均压问题。
综上，本发明公开的一种七电平ANPC变流器拓扑结构及该拓扑结构的零电平状态切换方法可以解决七电平ANPC变流器在零状态切换过程中串联开关管的均压问题。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (1)

1.一种七电平ANPC变流器拓扑结构，其特征在于：包括直流侧、第一支路、第二支路、第三支路、第四支路和辅助换向支路；
所述直流侧包括直流支撑电容C1、C2；
所述第一支路包括开关管S1a～S1c，所述第二支路包括开关管S2a～S2c及开关管S5～S7，所述第三支路包括开关管S3a～S3c及开关管S8～S10，所述第四支路包括开关管S4a～S4c；
开关管S1a～S1c、开关管S2a～S2c和开关管S3a～S3c分别并联一个静态均压电阻Rs；
所述辅助换向支路包括第一辅助支路、第二辅助支路和第三辅助支路；
所述直流支撑电容C1的正极与开关管S1a的集电极连接，开关管S1a的发射极与开关管S1b的集电极连接，开关管S1b的发射极与开关管S1c的集电极连接，开关管S1c的发射极分别与开关管S2c的集电极、开关管S5的集电极、第三辅助支路的一端连接；
所述直流支撑电容C1的负极分别与直流支撑电容C2的正极、开关管S2a的发射极、开关管S3a的集电极连接，开关管S2a的集电极与开关管S2b的发射极连接，开关管S2b的集电极与开关管S2c的发射极连接；所述开关管S5的发射极与开关管S6的集电极连接，开关管S6的发射极与开关管S7的集电极连接；
开关管S3a的发射极与开关管S3b的集电极连接，开关管S3b的发射极与开关管S3c的集电极连接，开关管S3c的发射极分别与第三辅助支路的另一端、开关管S10的发射极、开关管S4c的集电极连接，开关管S10的集电极与开关管S9的发射极连接，开关管S9的集电极与开关管S8的发射极连接，开关管S8的集电极与开关管S7的发射极连接；
直流支撑电容C2的负极与开关管S4a的发射极连接，开关管S4a的集电极与开关管S4b的发射极连接，开关管S4b的集电极与开关管S4c的发射极连接；
所述第一辅助支路并联连接于开关管S2a的集电极与开关管S3a的发射极之间，所述第二辅助支路并联连接于开关管S2b的集电极与开关管S3b的发射极之间，开关管S5的发射极与开关管S10的集电极之间并联连接箝位电容Cf2，开关管S6的发射极与开关管S9的集电极之间并联连接箝位电容Cf1；
所述第一辅助支路为辅助换向电容Ca1，所述第二辅助支路为辅助换向电容Ca2，所述第三辅助支路包括辅助换向电容Ca3、放电电阻Ra和辅助换流二极管Da，所述放电电阻Ra和辅助换流二极管Da并联连接后再与辅助换向电容Ca3串联连接，所述辅助换流二极管Da的正极与开关管S1c的发射极连接，辅助换流二极管Da的负极与辅助换向电容Ca3的正极连接，辅助换向电容Ca3的负极与开关管S3c的发射极连接；所述静态均压电阻Rs阻值远大于开关管的通态电阻值。
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