CN108667321B - 混合四电平整流器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种混合四电平整流器，主要包括A相电路、B相电路、C相电路、电容C1、电容C2、电容C3和电阻R。记电容C1的两端分别为g端和h端。记电容C2的两端分别为h端和j端。记电容C3的两端分别为j端和k端。A相电路、B相电路和C相电路并联后接入g端。电容C1和电容C2通过h端串联。电容C2和电容C3通过j端串联。电容C3的k端串联电阻R后接入g端。本发明增加了输出电平数量，有利于降低开关器件电压应力，使其适用于中压大功率场合。本发明还减小了输入电流谐波畸变率，降低了该变换器的开关损耗，提高了该变换器的开关频率，减小无源器件的体积，可提高变换器功率密度。本发明适用于中压大功率应用场合和低压高功率密度应用场合。

Description

混合四电平整流器
技术领域
本发明涉及电气领域，具体是一种混合四电平整流器。
背景技术
中高压变频器被广泛应用充电桩、通信电源、工业变频器和交直流传动系统等工业领域。整流单元是中高压变频器的重要组成部分。
功率半导体器件如绝缘栅双极性晶体管在中高压变频器领域有着广泛的应用。但目前高压功率半导体器件电压等级有限，且电压等级越高成本越高，开关性能较差。
虽然市场上已有应用多个IGBT串联的两电平、三电平变流器的产品，但其设计布局存在可靠性较差，换流回路较大，生成成本高等问题。因此，提高整流器效率、功率密度、可靠性、功率因数、输入端电流谐波的研究刻不容缓。
发明内容
本发明的目的是解决现有技术中存在的问题。
为实现本发明目的而采用的技术方案是这样的，一种混合四电平整流器，主要包括A相电路、B相电路、C相电路、电容C1、电容C2、电容C3和电阻R。
进一步，电容C1、电容C1和电容C3的规格相同。
记电容C1的两端分别为g端和h端。记电容C2的两端分别为h端和j端。记电容C3的两端分别为j端和k端。
A相电路、B相电路和C相电路并联后接入g端。电容C1和电容C2通过h端串联。电容C2和电容C3通过j端串联。电容C3的k端串联电阻R后接入g端。
进一步，混合四电平整流器还包括电压定向控制系统。
所述电压定向控制系统采用PI调节器实现无静差控制。
所述电压定向控制系统主要包括电压外环和电流内环。
所述电压外环通过稳定直流母线电压传递有功功率。
所述电流内环对有功电流和无功电流进行闭环控制。其中，当无功电流指令设置为0时，混合四电平整流器运行在单位功率因数情况下。
进一步，混合四电平整流器通过Buck平衡电路平衡直流母线电容电压。
所述Buck平衡电路的电路结构如下所示：
开关管S3的漏极依次串联电感L1和开关管S2的漏极。开关管S3的栅极悬空。开关管S3的源极依次串联电感L2和开关管S2的源极。开关管S2的栅极悬空。
开关管S3的漏极依次串联电容C1和开关管S1的漏极。开关管S1的栅极悬空。开关管S1的源极串联电感L1。开关管S1的源极串联开关管S2的漏极。
开关管S3的漏极依次串联电容C2、电容C3和开关管S4的源极。开关管S4的栅极悬空。开关管S4的漏极串联开关管S3的源极。
其中，电感L1、开关管S1、开关管S2构成第一个Buck变换器。开关管S1和开关管S2互补导通。
电感L2、开关管S3和开关管S4构成第二个Buck变换器。开关管S3和开关管S4互补导通。
当开关管S1、开关管S2、开关管S3和开关管S4的占空比均为0.5时，在开环工作状态下，第一个Buck变换器平衡电容C1和电容C2的电压。第二个Buck变换器平衡电容C2和电容C3的电压。
A相电路的电路结构如下所示：
交流电源ua的两端分别记为e端和f端。
交流电源ua的f端依次串联电感La和开关管Sa1的源极。开关管Sa1的栅极悬空。开关管Sa1的漏极串联二极管Da1的阳极。二极管Da1的阴极接入g端。开关管Sa1的源极串联开关管Sa2的漏极。
交流电源ua的f端依次串联电感La和开关管Sa2的漏极。开关管Sa2的栅极悬空。开关管Sa2的源极串联二极管Da4的阴极。二极管Da4的阳极接入k端。开关管Sa2的漏极串联二极管Da3的阳极。
二极管Da3的阴极串联二极管Da2的阳极。二极管Da2的阴极串联二极管Da1的阳极。二极管Da3的阴极串联开关管Sa3的源极。开关管Sa3的栅极悬空。开关管Sa3的漏极接入h端。二极管Da3的阴极串联开关管Sa4的漏极。开关管Sa4的栅极悬空。开关管Sa4的源极接入j端。
B相电路的电路结构如下所示：
交流电源ub的两端分别记为e端和p端。
交流电源ub的p端依次串联电感Lb和开关管Sb1的源极。开关管Sb1的栅极悬空。开关管Sb1的漏极串联二极管Db1的阳极。二极管Db1的阴极接入g端。开关管Sb1的源极串联开关管Sb2的漏极。
交流电源ub的p端依次串联电感Lb和开关管Sb2的漏极。开关管Sb2的栅极悬空。开关管Sb2的源极串联二极管Db4的阴极。二极管Db4的阳极接入k端。开关管Sb2的漏极串联二极管Db3的阳极。
二极管Db3的阴极串联二极管Db2的阳极。二极管Db2的阴极串联二极管Db1的阳极。二极管Db3的阴极串联开关管Sb3的源极。开关管Sb3的栅极悬空。开关管Sb3的漏极接入h端。二极管Db3的阴极串联开关管Sb4的漏极。开关管Sb4的栅极悬空。开关管Sb4的源极接入j端。
C相电路的电路结构如下所示：
交流电源uc的两端分别记为e端和q端。
交流电源uc的q端依次串联电感Lc和开关管Sc1的源极。开关管Sc1的栅极悬空。开关管Sc1的漏极串联二极管Dc1的阳极。二极管Dc1的阴极接入g端。开关管Sc1的源极串联开关管Sc1的漏极。
交流电源uc的q端依次串联电感Lc和开关管Sc2的漏极。开关管Sc2的栅极悬空。开关管Sc2的源极串联二极管Dc4的阴极。二极管Dc4的阳极接入k端。开关管Sc2的漏极串联二极管Dc3的阳极。
二极管Dc3的阴极串联二极管Dc2的阳极。二极管Dc2的阴极串联二极管Dc1的阳极。二极管Dc3的阴极串联开关管Sc3的源极。开关管Sc3的栅极悬空。开关管Sc3的漏极接入h端。二极管Db3的阴极串联开关管Sc4的漏极。开关管Sc4的栅极悬空。开关管Sc4的源极接入j端。
交流电源ua、交流电源ub和交流电源uc通过e端并联。
进一步，二极管Da1、二极管Da2、二极管Da3、二极管Da4、开关管Sa1和开关管Sa2构成一个三电平半桥电路。
开关管Sa3和开关管Sa4构成一个两电平半桥电路。
二极管Dx1电压应力UDx1和二极管Dx4的电压应力UDx4分别如下所示：
Figure BDA0001643042500000041
式中，Udc为输出直流母线电压。x＝a,b,c。
开关管Sx1电压应力Usx1、开关管Sx2电压应力Usx2、开关管Sx3电压应力Usx3、开关管Sx4电压应力Usx4、二极管Dx2电压应力UDx2和二极管Dx3电压应力UDx3分别如下所示：
Figure BDA0001643042500000042
式中，Udc为输出直流母线电压。x＝a,b,c。
对混合四电平整流器进行调制的主要步骤如下：
1)设定载波频率为F、幅值为VC且恒定的三层三角载波C(t)。第一层三角载波记为C1(t)、第二层三角载波记为C2(t)。第三层三角载波记为C3(t)。
2)产生A相电路的调制信号ma(t)、B相电路的调制信号mb(t)和C相电路的调制信号mc(t)，分别如下所示：
Figure BDA0001643042500000043
式中，Vm为调制信号的幅值。fm为调制信号的频率。m为调制比。Vc为三角载波C(t)的幅值。
其中，调制比m如下所示：
Figure BDA0001643042500000044
式中，Vm为调制信号的幅值。Vc为三角载波C(t)的幅值。
3)利用调制波同相层叠方法，将步骤3得到的调制波和三角载波进行比较，从而产生24个控制信号。24个控制信号分别控制开关管Sa1、开关管Sa2、开关管Sa3、开关管Sa4、二极管Da1、二极管Da2、二极管Da3、二极管Da4、开关管Sb1、开关管Sb2、开关管Sb3、开关管Sb4、二极管Db1、二极管Db2、二极管Db3、二极管Db4、开关管Sc1、开关管Sc2、开关管Sc3、开关管Sc4、二极管Dc1、二极管Dc2、二极管Dc3和二极管Dc4的通断。
以1表示导通，0表示关断，通道情况具体如下：
输入电压为正半周且混合四电平整流输出电平为Udc时，开关管Sa1、开关管Sa2、开关管Sa3、开关管Sa4、二极管Da1、二极管Da2、二极管Da3和二极管Da4的开关状态为10001000。开关管Sb1、开关管Sb2、开关管Sb3、开关管Sb4、二极管Db1、二极管Db2、二极管Db3和二极管Db4的开关状态为10001000。开关管Sc1、开关管Sc2、开关管Sc3、开关管Sc4、二极管Dc1、二极管Dc2、二极管Dc3和二极管Dc4的开关状态为10001000。
输入电压为正半周且混合四电平整流输出电平为2/3Udc时，开关管Sa1、开关管Sa2、开关管Sa3、开关管Sa4、二极管Da1、二极管Da2、二极管Da3和二极管Da4的开关状态为01100010。开关管Sb1、开关管Sb2、开关管Sb3、开关管Sb4、二极管Db1、二极管Db2、二极管Db3和二极管Db4的开关状态为01100010。开关管Sc1、开关管Sc2、开关管Sc3、开关管Sc4、二极管Dc1、二极管Dc2、二极管Dc3和二极管Dc4的开关状态为01100010。
输入电压为正半周且混合四电平整流输出电平为1/3Udc时，开关管Sa1、开关管Sa2、开关管Sa3、开关管Sa4、二极管Da1、二极管Da2、二极管Da3和二极管Da4的开关状态为01010010。开关管Sb1、开关管Sb2、开关管Sb3、开关管Sb4、二极管Db1、二极管Db2、二极管Db3和二极管Db4的开关状态为01010010。开关管Sc1、开关管Sc2、开关管Sc3、开关管Sc4、二极管Dc1、二极管Dc2、二极管Dc3和二极管Dc4的开关状态为01010010。
输入电压为负半周且混合四电平整流输出电平为0时，开关管Sa1、开关管Sa2、开关管Sa3、开关管Sa4、二极管Da1、二极管Da2、二极管Da3和二极管Da4的开关状态为01000001。开关管Sb1、开关管Sb2、开关管Sb3、开关管Sb4、二极管Db1、二极管Db2、二极管Db3和二极管Db4的开关状态为01000001。开关管Sc1、开关管Sc2、开关管Sc3、开关管Sc4、二极管Dc1、二极管Dc2、二极管Dc3和二极管Dc4的开关状态为01000001。
输入电压为负半周且混合四电平整流输出电平为1/3Udc时，开关管Sa1、开关管Sa2、开关管Sa3、开关管Sa4、二极管Da1、二极管Da2、二极管Da3和二极管Da4的开关状态为10010100。开关管Sb1、开关管Sb2、开关管Sb3、开关管Sb4、二极管Db1、二极管Db2、二极管Db3和二极管Db4的开关状态为10010100。开关管Sc1、开关管Sc2、开关管Sc3、开关管Sc4、二极管Dc1、二极管Dc2、二极管Dc3和二极管Dc4的开关状态为10010100。
输入电压为负半周且混合四电平整流输出电平为2/3Udc时，开关管Sa1、开关管Sa2、开关管Sa3、开关管Sa4、二极管Da1、二极管Da2、二极管Da3和二极管Da4的开关状态为10100100。开关管Sb1、开关管Sb2、开关管Sb3、开关管Sb4、二极管Db1、二极管Db2、二极管Db3和二极管Db4的开关状态为10100100。开关管Sc1、开关管Sc2、开关管Sc3、开关管Sc4、二极管Dc1、二极管Dc2、二极管Dc3和二极管Dc4的开关状态为10100100。
本发明的技术效果是毋庸置疑的。本发明提出一种混合四电平整流器拓扑结构，相比较于Vienna三电平整流器电路拓扑，增加了输出电平数量。一方面，输出电平数量的增加，有利于降低开关器件的电压应力，使得其适用于中压大功率场合；另一方面，输出电平数量的增加，减小了输入电流谐波畸变率，降低了该变换器的开关损耗，因而可进一步提高该变换器的开关频率，减小无源器件的体积，达到提高变换器功率密度的目的。因而，本发明提出的混合四电平整流器既适用于中压大功率应用场合，同时也适用于低压高功率密度应用场合。
附图说明
图1为混合四电平整流器；
图2为输入电压正半周时，混合四电平整流输出电平Udc所对应的A相等效电路；
图3为输入电压正半周时，混合四电平整流输出电平2/3Udc所对应的A相等效电路；
图4为输入电压正半周时，混合四电平整流输出电平1/3Udc所对应的A相等效电路；
图5为输入电压负半周时，混合四电平整流输出电平0所对应的A相等效电路；
图6为输入电压负半周时，混合四电平整流输出电平1/3Udc所对应的A相等效电路；
图7为输入电压负半周时，混合四电平整流输出电平2/3Udc所对应的A相等效电路；
图8为调制方法示意图；
图9为开关管开关序列示意图；
图10为Buck电压平衡电路；
图11为电压定向控制示意图；
图12为B相电路示意图；
图13为C相电路示意图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围内。
实施例1：
参见图1、图12和图13，一种混合四电平整流器，主要包括A相电路、B相电路、C相电路、电容C1、电容C2、电容C3和电阻R。
进一步，本电路中的开关管为IGBT或MOSFET。本实施的开关管采用MOSFET。
进一步，电容C1、电容C1和电容C3的规格相同。
记电容C1的两端分别为g端和h端。记电容C2的两端分别为h端和j端。记电容C3的两端分别为j端和k端。
A相电路、B相电路和C相电路并联后接入g端。电容C1和电容C2通过h端串联。电容C2和电容C3通过j端串联。电容C3的k端串联电阻R后接入g端。
A相电路的电路结构如下所示：
交流电源ua的两端分别记为e端和f端。
交流电源ua的f端依次串联电感La和开关管Sa1的源极。开关管Sa1的栅极悬空。开关管Sa1的漏极串联二极管Da1的阳极。二极管Da1的阴极接入g端。开关管Sa1的源极串联开关管Sa2的漏极。
交流电源ua的f端依次串联电感La和开关管Sa2的漏极。开关管Sa2的栅极悬空。开关管Sa2的源极串联二极管Da4的阴极。二极管Da4的阳极接入k端。开关管Sa2的漏极串联二极管Da3的阳极。
二极管Da3的阴极串联二极管Da2的阳极。二极管Da2的阴极串联二极管Da1的阳极。二极管Da3的阴极串联开关管Sa3的源极。开关管Sa3的栅极悬空。开关管Sa3的漏极接入h端。二极管Da3的阴极串联开关管Sa4的漏极。开关管Sa4的栅极悬空。开关管Sa4的源极接入j端。
B相电路的电路结构如下所示：
交流电源ub的两端分别记为e端和p端。
交流电源ub的p端依次串联电感Lb和开关管Sb1的源极。开关管Sb1的栅极悬空。开关管Sb1的漏极串联二极管Db1的阳极。二极管Db1的阴极接入g端。开关管Sb1的源极串联开关管Sb2的漏极。
交流电源ub的p端依次串联电感Lb和开关管Sb2的漏极。开关管Sb2的栅极悬空。开关管Sb2的源极串联二极管Db4的阴极。二极管Db4的阳极接入k端。开关管Sb2的漏极串联二极管Db3的阳极。
二极管Db3的阴极串联二极管Db2的阳极。二极管Db2的阴极串联二极管Db1的阳极。二极管Db3的阴极串联开关管Sb3的源极。开关管Sb3的栅极悬空。开关管Sb3的漏极接入h端。二极管Db3的阴极串联开关管Sb4的漏极。开关管Sb4的栅极悬空。开关管Sb4的源极接入j端。
C相电路的电路结构如下所示：
交流电源uc的两端分别记为e端和q端。
交流电源uc的q端依次串联电感Lc和开关管Sc1的源极。开关管Sc1的栅极悬空。开关管Sc1的漏极串联二极管Dc1的阳极。二极管Dc1的阴极接入g端。开关管Sc1的源极串联开关管Sc2的漏极。
交流电源uc的q端依次串联电感Lc和开关管Sc2的漏极。开关管Sc2的栅极悬空。开关管Sc2的源极串联二极管Dc4的阴极。二极管Dc4的阳极接入k端。开关管Sc2的漏极串联二极管Dc3的阳极。
二极管Dc3的阴极串联二极管Dc2的阳极。二极管Dc2的阴极串联二极管Dc1的阳极。二极管Dc3的阴极串联开关管Sc3的源极。开关管Sc3的栅极悬空。开关管Sc3的漏极接入h端。二极管Db3的阴极串联开关管Sc4的漏极。开关管Sc4的栅极悬空。开关管Sc4的源极接入j端。
交流电源ua、交流电源ub和交流电源uc通过e端并联。
进一步，二极管Da1、二极管Da2、二极管Da3、二极管Da4、开关管Sa1和开关管Sa2构成一个三电平半桥电路。
开关管Sa3和开关管Sa4构成一个两电平半桥电路。
二极管Dx1电压应力UDx1和二极管Dx4的电压应力UDx4分别如下所示：
Figure BDA0001643042500000091
式中，Udc为输出直流母线电压。x＝a,b,c。
开关管Sx1电压应力Usx1、开关管Sx2电压应力Usx2、开关管Sx3电压应力Usx3、开关管Sx4电压应力Usx4、二极管Dx2电压应力UDx2和二极管Dx3电压应力UDx3分别如下所示：
Figure BDA0001643042500000092
式中，Udc为输出直流母线电压。x＝a,b,c。
当x＝a时，UDa1为二极管Da1电压应力,UDa2为二极管Da2电压应力,UDa3为二极管Da3电压应力,UDa4为二极管Da4电压应力,Usa1为开关管Sa1电压应力,Usa2为开关管Sa2电压应力,Usa3为开关管Sa3电压应力,Usa4为开关管Sa4电压应力。当x＝b、c时,与上述类似。
实施例2：
输入电压正半周时，混合四电平整流输出电平Udc所对应的A相等效电路如图2所示,实线为导通电路，虚线为关断电路。即，混合四电平整流器的A相电路中开关管Sa1和二极管Da1导通，开关管Sa2、开关管Sa3、开关管Sa4和二极管Da2、Da3、Da4断开。B相等效电路、C相等效电路和A相等效电路相同。
输入电压正半周时，混合四电平整流输出电平2/3Udc所对应的A相等效电路如图3所示，实线为导通电路，虚线为关断电路。即，混合四电平整流器的A相电路中开关管Sa2、开关管Sa3和二极管Da3导通，开关管Sa1、开关管Sa4和二极管Da1、Da2、Da4断开。B相等效电路、C相等效电路和A相等效电路相同。
输入电压正半周时，混合四电平整流输出电平1/3Udc所对应的A相等效电路如图4所示，实线为导通电路，虚线为关断电路。即，混合四电平整流器的A相电路中开关管Sa2、开关管Sa4和二极管Da3导通，开关管Sa1、开关管Sa3和二极管Da1、Da2、Da4断开。B相等效电路、C相等效电路和A相等效电路相同。
输入电压负半周时，混合四电平整流输出电平0所对应的A相等效电路如图5所示，实线为导通电路，虚线为关断电路。即，混合四电平整流器的A相电路中开关管Sa2和二极管Da4导通，开关管Sa1、开关管Sa3、开关管Sa4和二极管Da1、Da2、Da3断开。B相等效电路、C相等效电路和A相等效电路相同。
输入电压负半周时，混合四电平整流输出电平1/3Udc所对应的A相等效电路如图6所示，实线为导通电路，虚线为关断电路。即，混合四电平整流器的A相电路中开关管Sa1、开关管Sa4和二极管Da2导通，开关管Sa2、开关管Sa3和二极管Da1、Da3、Da4断开。B相等效电路、C相等效电路和A相等效电路相同。
输入电压负半周时，混合四电平整流输出电平2/3Udc所对应的A相等效电路如图7所示，实线为导通电路，虚线为关断电路。即，混合四电平整流器的A相电路中开关管Sa1、开关管Sa3和二极管Da2导通，开关管Sa2、开关管Sa4和和二极管Da1、Da3、Da4断开。B相等效电路、C相等效电路和A相等效电路相同。
实施例3：
参见图11，混合四电平整流器还包括电压定向控制系统。
所述电压定向控制系统采用PI调节器实现无静差控制。
所述电压定向控制系统主要包括电压外环和电流内环。
所述电压外环通过稳定直流母线电压传递有功功率。
所述电流内环对有功电流和无功电流进行闭环控制。其中，当无功电流指令设置为0时，混合四电平整流器运行在单位功率因数情况下。功率因数为1，即表示电压电流相位重合，同时没有谐波，当电路中有电感和电容时，电压与电流相位不会一直重合，正弦信号相位不重合。容性：电流超前电压。感性：电流滞后电压。根据负载性质选择补偿方式；单位功率因数下无功与有功平衡，负载成阻性负荷。
所述电压定向控制系统采用PI调节器实现无静差控制。
所述电压定向控制系统主要包括电压外环和电流内环。
所述电压外环，又称为有功功率环，通过稳定直流母线电压实现有功功率的传递，作用是为了稳定或调节直流电压。引入直流电压反馈并通过一个PI调节器可实现直流电压无静差控制。由于直流电压的控制可以通过id的控制来实现，因此直流电压外环PI调节器输出量即为有功电流内环的电流参考值
Figure BDA0001643042500000118
对电流误差进行调节，减缓电流在动态过程中的突变，从而对有功功率进行调节。
所述电流内环实现有功电流和无功电流的闭环控制。其中，无功电流指令设置为0，从而实现混合四电平整流器单位功率因数运行。
电流内环是在d、q同步旋转坐标系中实现控制的，即输出电流的检测值ia、ib和ic经过abc/αβ/dq(自然坐标系/静止坐标系/同步旋转坐标系)的坐标变换为dq同步旋转坐标系下的内环有功电流id和内环无功电流iq，将其和电流内环的电流参考值
Figure BDA0001643042500000111
进行比较，并通过相应的PI调节器控制分别实现对id、iq的无静差控制。
将内环有功电压vd和内环无功电压vq和电流内环的电压参考值
Figure BDA0001643042500000112
进行比较，并通过abc/dq(自然坐标系/同步旋转坐标系)的坐标变换为三相输出电压参考值
Figure BDA0001643042500000113
和
Figure BDA0001643042500000114
对三相输出电压参考值
Figure BDA0001643042500000115
和
Figure BDA0001643042500000116
进行载波调制，从而生成相应的驱动脉冲控制混合四电平整流器中所有开关管的通断。
同时，还需要对混合四电平整流器三相电流进行锁相，即对电网三相电压进行abc/αβ坐标变换，在αβ坐标系下计算电压角度θPLL，θPLL角直接送入电压abc/dq坐标变换、电流abc/dq坐标变换和dq/abc坐标变换中。
实施例4：
参见图9，对混合四电平整流器进行调制的主要步骤如下：
1)设定载波频率为F、幅值为VC且恒定的三层三角载波C(t)。第一层三角载波记为C1(t)、第二层三角载波记为C2(t)。第三层三角载波记为C3(t)。
2)产生A相电路的调制信号ma(t)、B相电路的调制信号mb(t)和C相电路的调制信号mc(t)，分别如下所示：
Figure BDA0001643042500000117
式中，Vm为调制信号的幅值。fm为调制信号的频率。m为调制比。Vc为三角载波C(t)的幅值。
其中，调制比m如下所示：
Figure BDA0001643042500000121
式中，Vm为调制信号的幅值。Vc为三角载波C(t)的幅值。
3)利用调制波同相层叠方法，将步骤3得到的调制波和三角载波进行比较，从而产生24个控制信号。24个控制信号分别控制开关管Sa1、开关管Sa2、开关管Sa3、开关管Sa4、二极管Da1、二极管Da2、二极管Da3、二极管Da4、开关管Sb1、开关管Sb2、开关管Sb3、开关管Sb4、二极管Db1、二极管Db2、二极管Db3、二极管Db4、开关管Sc1、开关管Sc2、开关管Sc3、开关管Sc4、二极管Dc1、二极管Dc2、二极管Dc3和二极管Dc4的通断。A相电路的通断情况如表1所示：
电平 A相等效电路图 S<sub>a1</sub> S<sub>a2</sub> S<sub>a3</sub> S<sub>a4</sub> D<sub>a1</sub> D<sub>a2</sub> D<sub>a3</sub> D<sub>a4</sub>
正半周U<sub>dc</sub> 图2 1 0 0 0 1 0 0 0
正半周2/3U<sub>dc</sub> 图3 0 1 1 0 0 0 1 0
正半周1/3U<sub>dc</sub> 图4 0 1 0 1 0 0 1 0
负半周0 图5 0 1 0 0 0 0 0 1
负半周1/3U<sub>dc</sub> 图6 1 0 0 1 0 1 0 0
负半周2/3U<sub>dc</sub> 图7 1 0 1 0 0 1 0 0
表1 A相电路开关状态
表1中，1代表导通，0代表关断。B相电路、C相电路的开关状态与A相电路相同。
4)重复步骤3，保证波形的稳定输出。
实施例5：
参见图10，混合四电平整流器通过Buck平衡电路平衡直流母线电容电压。
所述Buck平衡电路的电路结构如下所示：
开关管S3的漏极依次串联电感L1和开关管S2的漏极。开关管S3的栅极悬空。开关管S3的源极依次串联电感L2和开关管S2的源极。开关管S2的栅极悬空。
开关管S3的漏极依次串联电容C1和开关管S1的漏极。开关管S1的栅极悬空。开关管S1的源极串联电感L1。开关管S1的源极串联开关管S2的漏极。
开关管S3的漏极依次串联电容C2、电容C3和开关管S4的源极。开关管S4的栅极悬空。开关管S4的漏极串联开关管S3的源极。
其中，电感L1、开关管S1、开关管S2构成第一个Buck变换器。开关管S1和开关管S2互补导通。
电感L2、开关管S3和开关管S4构成第二个Buck变换器。开关管S3和开关管S4互补导通。
当开关管S1、开关管S2、开关管S3和开关管S4的占空比均为0.5时，在开环工作状态下，第一个Buck变换器平衡电容C1和电容C2的电压。第二个Buck变换器平衡电容C2和电容C3的电压。从而达到平衡电容C1、电容C2和电容C3的目的。

Claims (6)

1.一种混合四电平整流器，其特征在于：主要包括A相电路、B相电路、C相电路、电容C1、电容C2、电容C3和电阻R；
记电容C1的两端分别为g端和h端；记电容C2的两端分别为h端和j端；记电容C3的两端分别为j端和k端；
A相电路、B相电路和C相电路并联后接入g端；电容C1和电容C2通过h端串联；电容C2和电容C3通过j端串联；电容C3的k端串联电阻R后接入g端；
A相电路的电路结构如下所示：
交流电源ua的两端分别记为e端和f端；
交流电源ua的f端依次串联电感La和开关管Sa1的源极；开关管Sa1的栅极悬空；开关管Sa1的漏极串联二极管Da1的阳极；二极管Da1的阴极接入g端；开关管Sa1的源极串联开关管Sa2的漏极；
交流电源ua的f端依次串联电感La和开关管Sa2的漏极；开关管Sa2的栅极悬空；开关管Sa2的源极串联二极管Da4的阴极；二极管Da4的阳极接入k端；开关管Sa2的漏极串联二极管Da3的阳极；
二极管Da3的阴极串联二极管Da2的阳极；二极管Da2的阴极串联二极管Da1的阳极；二极管Da3的阴极串联开关管Sa3的源极；开关管Sa3的栅极悬空；开关管Sa3的漏极接入h端；二极管Da3的阴极串联开关管Sa4的漏极；开关管Sa4的栅极悬空；开关管Sa4的源极接入j端；
B相电路的电路结构如下所示：
交流电源ub的两端分别记为e端和P端；
交流电源ub的p端依次串联电感Lb和开关管Sb1的源极；开关管Sb1的栅极悬空；开关管Sb1的漏极串联二极管Db1的阳极；二极管Db1的阴极接入g端；开关管Sb1的源极串联开关管Sb2的漏极；
交流电源ub的p端依次串联电感Lb和开关管Sb2的漏极；开关管Sb2的栅极悬空；开关管Sb2的源极串联二极管Db4的阴极；二极管Db4的阳极接入k端；开关管Sb2的漏极串联二极管Db3的阳极；
二极管Db3的阴极串联二极管Db2的阳极；二极管Db2的阴极串联二极管Db1的阳极；二极管Db3的阴极串联开关管Sb3的源极；开关管Sb3的栅极悬空；开关管Sb3的漏极接入h端；二极管Db3的阴极串联开关管Sb4的漏极；开关管Sb4的栅极悬空；开关管Sb4的源极接入j端；
C相电路的电路结构如下所示：
交流电源uC的两端分别记为e端和q端；
交流电源uC的q端依次串联电感Lc和开关管Sc1的源极；开关管Sc1的栅极悬空；开关管Sc1的漏极串联二极管Dc1的阳极；二极管Dc1的阴极接入g端；开关管Sc1的源极串联开关管Sc2的漏极；
交流电源uC的q端依次串联电感Lc和开关管Sc2的漏极；开关管Sc2的栅极悬空；开关管Sc2的源极串联二极管Dc4的阴极；二极管Dc4的阳极接入k端；开关管Sc2的漏极串联二极管Dc3的阳极；
二极管Dc3的阴极串联二极管Dc2的阳极；二极管Dc2的阴极串联二极管Dc1的阳极；二极管Dc3的阴极串联开关管Sc3的源极；开关管Sc3的栅极悬空；开关管Sc3的漏极接入h端；二极管Db3的阴极串联开关管Sc4的漏极；开关管Sc4的栅极悬空；开关管Sc4的源极接入j端；
交流电源ua、交流电源ub和交流电源uC通过e端并联；
混合四电平整流器通过Buck平衡电路平衡直流母线电容电压；
所述Buck平衡电路的电路结构如下所示：
开关管S3的漏极依次串联电感L1和开关管S2的漏极；开关管S3的栅极悬空；开关管S3的源极依次串联电感L2和开关管S2的源极；开关管S2的栅极悬空；
开关管S3的漏极依次串联电容C1和开关管S1的漏极；开关管S1的栅极悬空；开关管S1的源极串联电感L1；开关管S1的源极串联开关管S2的漏极；
开关管S3的漏极依次串联电容C2、电容C3和开关管S4的源极；开关管S4的栅极悬空；开关管S4的漏极串联开关管S3的源极；
其中，电感L1、开关管S1、开关管S2构成第一个Buck变换器；开关管S1和开关管S2互补导通；
电感L2、开关管S3和开关管S4构成第二个Buck变换器；开关管S3和开关管S4互补导通；
当开关管S1、开关管S2、开关管S3和开关管S4的占空比均为0.5时，在开环工作状态下，第一个Buck变换器平衡电容C1和电容C2的电压；第二个Buck变换器平衡电容C2和电容C3的电压。
2.根据权利要求1所述的一种混合四电平整流器，其特征在于：
二极管Da1、二极管Da2、二极管Da3、二极管Da4、开关管Sa1和开关管Sa2构成三电平半桥电路；
开关管Sa3和开关管Sa4构成两电平半桥电路。
3.根据权利要求1所述的一种混合四电平整流器，其特征在于：
二极管Dx1电压应力UDx1和二极管Dx4的电压应力UDx4分别如下所示：
Figure FDA0002493384430000031
式中，Udc为输出直流母线电压；x＝a,b,c；
开关管Sx1电压应力Usx1、开关管Sx2电压应力Usx2、开关管Sx3电压应力Usx3、开关管Sx4电压应力Usx4、二极管Dx2电压应力UDx2和二极管Dx3电压应力UDx3分别如下所示：
Figure FDA0002493384430000032
式中，Udc为输出直流母线电压；x＝a,b,c。
4.根据权利要求1所述的一种混合四电平整流器，其特征在于：电容C1、电容C1和电容C3的规格相同。
5.根据权利要求1所述的一种混合四电平整流器，其特征在于，对混合四电平整流器进行调制的主要步骤如下：
1)设定载波频率为F、幅值为VC且恒定的三层三角载波C(t)；第一层三角载波记为C1(t)、第二层三角载波记为C2(t)；第三层三角载波记为C3(t)；
2)A相电路的调制信号ma(t)、B相电路的调制信号mb(t)和C相电路的调制信号mc(t)，分别如下所示：
Figure FDA0002493384430000033
式中，Vm为调制信号的幅值；fm为调制信号的频率；m为调制比；Vc为三角载波C(t)的幅值；
其中，调制比m如下所示：
Figure FDA0002493384430000041
式中，Vm为调制信号的幅值；Vc为三角载波C(t)的幅值；
3)利用调制波同相层叠方法，将步骤2得到的调制波和三角载波进行比较，从而产生24个控制信号；24个控制信号分别控制开关管Sa1、开关管Sa2、开关管Sa3、开关管Sa4、二极管Da1、二极管Da2、二极管Da3、二极管Da4、开关管Sb1、开关管Sb2、开关管Sb3、开关管Sb4、二极管Db1、二极管Db2、二极管Db3、二极管Db4、开关管Sc1、开关管Sc2、开关管Sc3、开关管Sc4、二极管Dc1、二极管Dc2、二极管Dc3和二极管Dc4的通断；
以1表示导通，0表示关断，通道情况具体如下：
输入电压为正半周且混合四电平整流输出电平为Udc时，开关管Sa1、开关管Sa2、开关管Sa3、开关管Sa4、二极管Da1、二极管Da2、二极管Da3和二极管Da4的开关状态为10001000；开关管Sb1、开关管Sb2、开关管Sb3、开关管Sb4、二极管Db1、二极管Db2、二极管Db3和二极管Db4的开关状态为10001000；开关管Sc1、开关管Sc2、开关管Sc3、开关管Sc4、二极管Dc1、二极管Dc2、二极管Dc3和二极管Dc4的开关状态为10001000；
输入电压为正半周且混合四电平整流输出电平为2/3Udc时，开关管Sa1、开关管Sa2、开关管Sa3、开关管Sa4、二极管Da1、二极管Da2、二极管Da3和二极管Da4的开关状态为01100010；开关管Sb1、开关管Sb2、开关管Sb3、开关管Sb4、二极管Db1、二极管Db2、二极管Db3和二极管Db4的开关状态为01100010；开关管Sc1、开关管Sc2、开关管Sc3、开关管Sc4、二极管Dc1、二极管Dc2、二极管Dc3和二极管Dc4的开关状态为01100010；
输入电压为正半周且混合四电平整流输出电平为1/3Udc时，开关管Sa1、开关管Sa2、开关管Sa3、开关管Sa4、二极管Da1、二极管Da2、二极管Da3和二极管Da4的开关状态为01010010；开关管Sb1、开关管Sb2、开关管Sb3、开关管Sb4、二极管Db1、二极管Db2、二极管Db3和二极管Db4的开关状态为01010010；开关管Sc1、开关管Sc2、开关管Sc3、开关管Sc4、二极管Dc1、二极管Dc2、二极管Dc3和二极管Dc4的开关状态为01010010；
输入电压为负半周且混合四电平整流输出电平为0时，开关管Sa1、开关管Sa2、开关管Sa3、开关管Sa4、二极管Da1、二极管Da2、二极管Da3和二极管Da4的开关状态为01000001；开关管Sb1、开关管Sb2、开关管Sb3、开关管Sb4、二极管Db1、二极管Db2、二极管Db3和二极管Db4的开关状态为01000001；开关管Sc1、开关管Sc2、开关管Sc3、开关管Sc4、二极管Dc1、二极管Dc2、二极管Dc3和二极管Dc4的开关状态为01000001；
输入电压为负半周且混合四电平整流输出电平为1/3Udc时，开关管Sa1、开关管Sa2、开关管Sa3、开关管Sa4、二极管Da1、二极管Da2、二极管Da3和二极管Da4的开关状态为10010100；开关管Sb1、开关管Sb2、开关管Sb3、开关管Sb4、二极管Db1、二极管Db2、二极管Db3和二极管Db4的开关状态为10010100；开关管Sc1、开关管Sc2、开关管Sc3、开关管Sc4、二极管Dc1、二极管Dc2、二极管Dc3和二极管Dc4的开关状态为10010100；
输入电压为负半周且混合四电平整流输出电平为2/3Udc时，开关管Sa1、开关管Sa2、开关管Sa3、开关管Sa4、二极管Da1、二极管Da2、二极管Da3和二极管Da4的开关状态为10100100；开关管Sb1、开关管Sb2、开关管Sb3、开关管Sb4、二极管Db1、二极管Db2、二极管Db3和二极管Db4的开关状态为10100100；开关管Sc1、开关管Sc2、开关管Sc3、开关管Sc4、二极管Dc1、二极管Dc2、二极管Dc3和二极管Dc4的开关状态为10100100。
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所述电压定向控制系统采用PI调节器实现无静差控制；
所述电压定向控制系统主要包括电压外环和电流内环；
所述电压外环通过稳定直流母线电压传递有功功率；
所述电流内环对有功电流和无功电流进行闭环控制；其中，当无功电流指令设置为0时，混合四电平整流器在单位功率因数情况下运行。
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