CN109831113A - 变流器拓扑单元与变流器装置 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种变流器拓扑单元与变流器装置。变流器拓扑单元包括第一开关器件、第二开关器件、第三开关器件、第四开关器件、第五开关器件、第六开关器件、第七开关器件、第八开关器件、第九开关器件、第十开关器件、第一二极管、第二二极管、第一电容、第二电容、第三电容、第一电阻、第二电阻及第三电阻。上述变流器拓扑单元与变流器装置工作在四个工作模态，分别为处于停机状态、直流电源给第一电容、第二电容和第三电容充电、直流电源给第一电容和第二电容充电及待机状态，第三电容的电压优先达到设定值后不再充电，使控制第三电容充电电压的开关器件的电压应力降低，延长了主开关器件的使用寿命，提高了可靠性。

Description

变流器拓扑单元与变流器装置

技术领域

本申请涉及电力电子技术领域，特别是涉及一种变流器拓扑单元与变流器装置。

背景技术

双向交直流变换器是一种将直流电能转换成交流电能或者将交流电能转换成直流电能的变换器。随着社会的不断发展和进步，人类对能源的需求日益增加，光伏、储能等新能源在能源比重占比也越来越大。作为其核心，光伏直流变换器及储能变流器在近年的市场竞争中也越来越激烈。为了满足市场需求，越来越多的多电平交直流变换器推入市场。

目前市场上的多电平交直流变换器在正常运行中主开关管的电压应力大，在运行的前几个周期的电压应力将近似等于母线电压，主开关管很可能由于电压过高而击穿，使用寿命短，可靠性低。

发明内容

基于此，有必要针对传统的多电平交直流变换器可靠性低的问题，提供一种变流器拓扑单元与变流器装置。

一种变流器拓扑单元，包括：

第一开关器件、第二开关器件、第三开关器件、第四开关器件、第五开关器件、第六开关器件、第七开关器件、第八开关器件、第九开关器件及第十开关器件；

第一二极管和第二二极管；

第一电容、第二电容及第三电容；

第一电阻、第二电阻及第三电阻；

其中，所述第二开关器件、所述第一电阻、所述第二电阻及所述第三电阻依次连接，所述第二开关器件连接直流电源的直流正端，所述第三电阻连接所述直流电源的直流负端，所述第一电阻与所述第二电阻之间的电路中点作为第一连接端，所述第二电阻与所述第三电阻之间的电路中点作为第二连接端，所述第二连接端接地，所述第一开关器件一端连接所述第一连接端，另一端连接所述直流正端；

所述第一电容和所述第二电容连接，所述第一电容与所述第二电容之间的电路中点作为第三连接端，所述第三连接端连接所述第二连接端，所述第一电容未连接所述第二电容的电极连接所述第一连接端，所述第二电容未连接所述第一电容的电极连接所述直流负端；

所述第七开关器件、所述第三电容及所述第九开关器件依次连接，所述第七开关器件连接所述第一连接端，所述第九开关器件连接所述直流负端，所述第七开关器件与所述第三电容的公共连接端作为第四连接端，所述第三电容与所述第九开关器件的公共连接端作为第五连接端；

所述第六开关器件与所述第八开关器件连接，所述第六开关器件与所述第八开关器件的公共连接端通过所述第一二极管连接所述第三连接端，所述第六开关器件未连接所述第八开关器件的一端连接所述第四连接端，所述第八开关器件未连接所述第六开关器件的一端连接所述第五连接端；

所述第十开关器件与所述第五开关器件连接，所述第十开关器件与所述第五开关器件的公共连接端通过所述第二二极管连接所述第三连接端，所述第十开关器件未连接所述第五开关器件的一端连接所述第四连接端，所述第五开关器件未连接所述第十开关器件的一端连接所述第五连接端；

所述第三开关器件与所述第四开关器件连接，所述第三开关器件与所述第四开关器件的公共连接端作为交流端，所述第三开关器件未连接所述第四开关器件的一端连接所述第四连接端，所述第四开关器件未连接所述第三开关器件的一端连接所述第五连接端；

所述变流器拓扑单元工作在四个工作模态，分别为第一工作模态、第二工作模态、第三工作模态和第四工作模态，当所述变流器拓扑单元工作在所述第一工作模态时，所述变流器拓扑单元处于停机状态；当所述变流器拓扑单元工作在第二工作模态时，所述直流电源给所述第一电容、所述第二电容和所述第三电容充电；当所述变流器拓扑单元工作在所述第三工作模态时，所述直流电源给所述第一电容和所述第二电容充电；当所述变流器拓扑单元工作在所述第四工作模态时，所述变流器拓扑单元处于待机状态。

在其中一个实施例中，所述第一开关器件和所述第二开关器件截止，以使所述变流器拓扑单元工作在所述第一工作模态；

所述第二开关器件、所述第七开关器件和所述第九开关器件导通，其他开关器件截止，以使所述变流器拓扑单元工作在所述第二工作模态；

所述第二开关器件导通，其他开关器件截止，以使所述变流器拓扑单元工作在所述第三工作模态；

所述第一开关器件导通，其他开关器件截止，以使所述变流器拓扑单元工作在所述第四工作模态。

在其中一个实施例中，变流器拓扑单元还包括交流侧滤波电路，所述交流侧滤波电路的输入端连接所述交流端，所述交流侧滤波电路的输出端连接交流电网或负载。

在其中一个实施例中，交流侧滤波电路为电感，所述电感一端连接所述交流端，另一端连接交流电网或负载。

在其中一个实施例中，所述第三开关器件、所述第四开关器件、所述第五开关器件、所述第六开关器件、所述第七开关器件、所述第八开关器件、所述第九开关器件及所述第十开关器件是开关管。

在其中一个实施例中，所述第五开关器件和所述第六开关器件均为逆阻型开关管，所述第三开关器件、所述第四开关器件、所述第七开关器件和所述第九开关器件均反并联一个二极管。

一种变流器装置，包括：

上述变流器拓扑单元；

控制单元，与各所述开关器件分别连接，用于根据接收的控制信号控制所述变流器拓扑单元中各开关器件的导通状态或截止状态，以使所述变流器装置工作在相应的工作模态。

在其中一个实施例中，控制单元的控制信号包括第一电压信号、第二电压信号及第三电压信号；

所述控制单元在所述第一电压信号、所述第二电压信号及所述第三电压信号的值均为零时控制所述第一开关器件和所述第二开关器件截止；

所述控制单元在所述第三电压信号的值小于设定值时控制所述第二开关器件、所述第七开关器件和所述第九开关器件导通，其他开关器件截止；

所述控制单元在所述第三电压信号的值达到所述设定值时控制所述第二开关器件导通，其他开关器件截止；

所述控制单元在所述第一电压信号和所述第二信号的值均达到所述设定值的两倍时控制所述第一开关器件导通，其他开关器件截止。

在其中一个实施例中，所述第一电压信号为所述第一电容的电压值，所述第二电压信号为所述第二电容的电压值，所述第三电压信号为所述第三电容的电压值。

在其中一个实施例中，设定值为母线电压值的四分之一。

上述变流器拓扑单元与变流器装置，将直流电源的直流电转换成为交流电输出或者将交流侧的交流电转换成直流侧的直流电输出。变流器拓扑单元工作在四个工作模态，分别为第一工作模态、第二工作模态、第三工作模态和第四工作模态，当变流器拓扑单元工作在第一工作模态时，变流器拓扑单元处于停机状态；当变流器拓扑单元工作在第二工作模态时，直流电源给第一电容、第二电容和第三电容充电；当变流器拓扑单元工作在第三工作模态时，直流电源给第一电容和第二电容充电；当变流器拓扑单元工作在第四工作模态时，变流器拓扑单元处于待机状态，这使得第三电容的电压优先于第一电容和第二电容的电压达到设定值，达到设定值后不再充电，使控制第三电容充电电压的第七开关器件和第九开关器件的电压应力降低，延长了主开关器件的使用寿命，提高了变流器拓扑单元与变流器装置的可靠性。

附图说明

图1为一个实施例中变流器拓扑单元的结构图；

图2为一个实施例中变流器拓扑单元的结构图；

图3为一个实施例中变流器拓扑单元的等效电路图；

图4为另一个实施例中变流器拓扑单元的等效电路图；

图5为又一个实施例中变流器拓扑单元的等效电路图；

图6为又一个实施例中变流器拓扑单元的等效电路图；

图7为一个实施例中变流器拓扑单元的软启动方法的流程图；

图8为一个实施例中软启动过程中的控制脉冲时序和电容电压的波形图。

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，以下通过实施例，并结合附图，对本发明进行更加全面的描述。应当理解，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。

在一个实施例中，请参见图1，提供一种变流器拓扑单元，该变流器拓扑单元用于将直流电源的直流电转变为交流电输出。

该变流器拓扑单元包括：第一开关器件K1、第二开关器件K2、第三开关器件S1、第四开关器件S2、第五开关器件S3、第六开关器件S4、第七开关器件S5、第八开关器件S6、第九开关器件S7、第十开关器件S8、第一二极管D1、第二二极管D2、第一电容Cup、第二电容Cdown、第三电容Cf、第一电阻R1、第二电阻R2及第三电阻R3。

变流器拓扑单元中各个器件的连接关系如下：第二开关器件K2、第一电阻R1、第二电阻R2及第三电阻R3依次连接，第二开关器件K2连接直流电源的直流正端，第三电阻R3连接直流电源的直流负端，第一电阻R1与第二电阻R2之间的电路中点作为第一连接端，第二电阻R2与第三电阻R3之间的电路中点作为第二连接端，第二连接端接地，第一开关器件K1一端连接第一连接端，另一端连接直流正端。

第一电容Cup和第二电容Cdown连接，第一电容Cup与第二电容Cdown之间的电路中点作为第三连接端，第三连接端连接第二连接端，第一电容Cup未连接第二电容Cdown的电极连接第一连接端，第二电容Cdown未连接第一电容Cup的电极连接直流负端。

第七开关器件S5、第三电容Cf及第九开关器件S7依次连接，第七开关器件S5连接第一连接端，第九开关器件S7连接直流负端，第七开关器件S5与第三电容Cf的公共连接端作为第四连接端，第三电容Cf与第九开关器件S7的公共连接端作为第五连接端；

第六开关器件S4与第八开关器件S6连接，第六开关器件S4与第八开关器件S6的公共连接端连接第一二极管D1的阴极，第一二极管D1的阳极连接第三连接端，第六开关器件S4未连接第八开关器件S6的一端连接第四连接端，第八开关器件S6未连接第六开关器件S4的一端连接第五连接端。

第十开关器件S8与第五开关器件S3连接，第十开关器件S8与第五开关器件S3的公共连接端连接第二二极管D2的阳极，第二二极管D2的阴极连接第三连接端，第十开关器件S8未连接第五开关器件S3的一端连接第四连接端，第五开关器件S3未连接第十开关器件S8的一端连接第五连接端。

第三开关器件S1与第四开关器件S2连接，第三开关器件S1与第四开关器件S2的公共连接端作为交流端，第三开关器件S1未连接第四开关器件S2的一端连接第四连接端，第四开关器件S2未连接第三开关器件S1的一端连接第五连接端。

变流器拓扑单元工作在四个工作模态，分别为第一工作模态、第二工作模态、第三工作模态和第四工作模态，当变流器拓扑单元工作在第一工作模态时，变流器拓扑单元处于停机状态，当变流器拓扑单元工作在第二工作模态时，直流电源给第一电容Cup、第二电容Cdown和第三电容Cf充电，当变流器拓扑单元工作在第三工作模态时，直流电源给第一电容Cup和第二电容Cdown充电，当变流器拓扑单元工作在第四工作模态时，变流器拓扑单元处于待机状态。

具体地，在变流器拓扑单元中，包括第三开关器件S1、第四开关器件S2、第五开关器件S3、第六开关器件S4、第七开关器件S5、第八开关器件S6、第九开关器件S7、第十开关器件S8、第一二极管D1、第二二极管D2、第一电容Cup、第二电容Cdown和第三电容Cf的一部分电路为有源中点箝位五电平变流器单相桥臂，在本实施例中，变流器拓扑单元包括一个有源中点箝位五电平变流器单相桥臂，因此为单相变流器，当有多个有源中点箝位五电平变流器单相桥臂在直流母线侧相连时，可得到新型五电平变流器。一般来说，在有源中点箝位五电平变流器单相桥臂中，第一电容Cup为上母线电容，第二电容Cdown为下母线电容，第三电容Cf为悬浮电容，有源中点箝位五电平变流器单相桥臂的三端输入分别与上母线电容的上端、上母线电容的下端即下母线电容的上端、下母线电容的下端相连，变流器拓扑单元的输出端为第三开关器件S1与第四开关器件S2的公共连接端，输出端连接交流电网或负载，用于将转化得到的交流电输出至交流电网或负载供其使用。第一电阻R1通常为限流电阻，与第二开关器件K2连接，用于限制电路中的电流大小，第二电阻R2和第三电阻R3为分压电阻，第二电阻R2与上母线电容并联，第三电阻R3与下母线电容并联，用于均衡上母线电容和下母线电容的电压，保障变流器拓扑单元的安全，提高其可靠性。

可扩展地，第一电阻R1、第一开关器件K1和第二开关器件K2设置的位置并不是唯一的，例如，在一个实施例中，请参见图2，第二开关器件K2与第一电阻R1串联，第二开关器件K2未连接第一电阻R1的一端连接直流电源的直流负端，第一电阻R1未连接第二开关器件K2的一端连接第七开关器件S5，第一开关器件K1一端连接第二开关器件K2未连接第一电阻R1的一端，另一端连接第一电阻R1未连接第二开关器件K2的一端。该电路结构与上述实施例中电路结构实现的功能类似，在此不再赘述。

上述变流器拓扑单元，将直流电源的直流电转换成为交流电输出或者将交流侧的交流电转换成直流侧的直流电输出。变流器拓扑单元工作在四个工作模态，分别为第一工作模态、第二工作模态、第三工作模态和第四工作模态，当变流器拓扑单元工作在第一工作模态时，变流器拓扑单元处于停机状态；当变流器拓扑单元工作在第二工作模态时，直流电源给第一电容Cup、第二电容Cdown和第三电容Cf充电；当变流器拓扑单元工作在第三工作模态时，直流电源给第一电容Cup和第二电容Cdown充电；当变流器拓扑单元工作在第四工作模态时，变流器拓扑单元处于待机状态，这使得第三电容Cf的电压优先于第一电容Cup和第二电容Cdown的电压达到设定值，达到设定值后不再充电，使控制第三电容Cf充电电压的第七开关器件S5和第九开关器件S7的电压应力降低，延长了主开关器件的使用寿命，提高了变流器拓扑单元与变流器装置的可靠性。

在一个实施例中，可以通过各个开关器件的导通或截止状态控制变流器拓扑单元的工作模态，具体开关组合及对应工作模态的关系如下：

请参见图3，第一开关器件K1和第二开关器件K2截止，以使变流器拓扑单元工作在第一工作模态，当变流器拓扑单元工作在第一工作模态时，变流器拓扑单元处于停机状态。

具体地，第一开关器件K1和第二开关器件K2截止时，直流电源中的电能无法传输到其右侧与之相连的电路中，右侧电路的输入端断路，不能完成将直流电源处的电能转化成交流电后输出的工作，变流器拓扑单元不工作，处于停机状态，此时第一电容Cup、第二电容Cdown及第三电容Cf的电压值均为零，在这种情况下，第三开关器件S1、第四开关器件S2、第五开关器件S3、第六开关器件S4、第七开关器件S5、第八开关器件S6、第九开关器件S7及第十开关器件S8可以均处于截止状态，以提高变流器拓扑单元的安全性，可以理解，在其他实施例中，这些开关器件也可以处于部分导通或全部导通状态，不会对变流器拓扑单元的停机状态造成影响。

请参见图4，第二开关器件K2、第七开关器件S5和第九开关器件S7导通，其他开关器件截止，以使变流器拓扑单元工作在第二工作模态，当变流器拓扑单元工作在第二工作模态时，直流电源给第一电容Cup、第二电容Cdown和第三电容Cf充电，第二电阻R2与第三电阻R3分别均衡第一电容Cup和第二电容Cdown的电压，直至第三电容Cf的电压达到设定值。通过第七开关器件S5和第九开关器件S7这两个主开关器件将第三电容Cf、第一电容Cup与第二电容Cdown并联，使第一电容Cup、第二电容Cdown和第三电容Cf可以同时由直流侧电源充电，提高了变流器拓扑单元的充电效率，优化了其使用性能。

请参见图5，第二开关器件K2导通，其他开关器件截止，以使变流器拓扑单元工作在第三工作模态，当变流器拓扑单元工作在第三工作模态时，直流电源给第一电容Cup和第二电容Cdown充电，此时第三电容Cf的电压已经达到设定值，不再给第三电容Cf充电。具体地，断开第七开关器件S5和第九开关器件S7，由直流侧电源通过第一电阻R1给第一电容Cup和第二电容Cdown充电，第二电阻R2和第三电阻R3分别均衡第一电容Cup和第二电容Cdown的电压，直至第一电容Cup和第二电容Cdown的电压值达到设定值的两倍。通过对第七开关器件S5和第九开关器件S7这两个主开关器件的控制实现第三电容Cf的电压优先于第一电容Cup和第二电容Cdown的电压达到其设定值，使第一开关器件K1、第二开关器件K2、第三开关器件S1、第四开关器件S2、第五开关器件S3、第六开关器件S4、第七开关器件S5、第八开关器件S6、第九开关器件S7、第十开关器件S8等各个开关器件的电压应力均不高于设定值，降低了各个开关器件的损耗，延长了主开关器件的使用寿命，提高了变流器拓扑单元与变流器装置的可靠性。

请参见图6，第一开关器件K1导通，其他开关器件截止，以使变流器拓扑单元工作在第四工作模态，当变流器拓扑单元工作在第四工作模态时，变流器拓扑单元处于待机状态。具体地，第一开关器件K1导通，变流器拓扑单元中的电容完成建压，变流器拓扑单元处于待机模式。可扩展地，在第一开关器件K1导通后，可通过控制有源中点箝位五电平变流器单相桥臂中第三开关器件S1、第四开关器件S2、第五开关器件S3、第六开关器件S4、第七开关器件S5、第八开关器件S6、第九开关器件S7及第十开关器件S8等各个开关器件的导通或截止状态来使变流器拓扑单元输出五种电平，例如，当第三开关器件S1、第六开关器件S4和第十开关器件S8导通，其他开关器件截止，或者第四开关器件S2、第五开关器件S3和第七开关器件S5导通，其他开关器件截止时，变流器拓扑单元交流端输出的电平为0。当第四开关器件S2和第七开关器件S5导通，其他开关器件截止，或者第三开关器件S1、第五开关器件S3和第八开关器件S6导通，其他开关器件截止时，变流器拓扑单元交流端输出的电平等于第三电容Cf的额定电压值。当第三开关器件S1和第七开关器件S5导通，其他开关器件截止时，变流器拓扑单元交流端输出的电平等于第一电容Cup的额定电压值。当第四开关器件S2、第六开关器件S4和第十开关器件S8导通，其他开关器件截止，或者第三开关器件S1和第九开关器件S7导通，其他开关器件截止时，变流器拓扑单元交流端输出的电平为第三电容Cf的额定电压值的相反数。当第四开关器件S2和第九开关器件S7导通，其他开关器件截止时，变流器拓扑单元交流端输出的电平为第一电容Cup的额定电压值的相反数，通过八个开关器件的导通和关断，不同的开关状态组合一共可以输出五种电平，使用便捷。

在一个实施例中，变流器拓扑单元还包括交流侧滤波电路，交流侧滤波电路的输入端连接交流端，交流侧滤波电路的输出端连接交流电网或负载。交流侧滤波电路可以对交流端输出的电压进行滤波处理，然后将处理后的电压传输至交流电网或负载，更有利于交流电网或负载的正常运行。具体地，交流侧滤波电路的结构并不是唯一的，例如可以包括电容或电感L，或者由电容和电感L组成的各种复式滤波电路，只要本领域技术人员认为可以实现滤波的功能的即可。

在一个实施例中，请参见图1，交流侧滤波电路包括电感L，电感L一端连接交流端，另一端连接交流电网或负载。对交流端输出的电压进行滤波处理，然后将处理后的电压传输至交流电网或负载，更有利于交流电网或负载的正常运行。具体地，电感L的数量并不是唯一的，只要能够实现滤波的功能即可。用电感L作为交流侧滤波电路进行滤波处理时，结构简单，有利于节约变流器拓扑单元的成本。

在一个实施例中，第三开关器件S1、第四开关器件S2、第五开关器件S3、第六开关器件S4、第七开关器件S5、第八开关器件S6、第九开关器件S7及第十开关器件S8均为开关管。开关管作为开关器件可以灵活切换开关器件的导通或截止的工作状态，有利于提高变流器拓扑单元的工作效率和可靠性。

具体地，当第三开关器件S1、第四开关器件S2、第五开关器件S3、第六开关器件S4、第七开关器件S5、第八开关器件S6、第九开关器件S7及第十开关器件S8均为开关管时，这些开关器件均包括控制端、第一端和第二端，控制端可用于接收信号，开关器件根据接收到的控制信号控制开关器件的导通或截止状态，自动化程度高，使用便捷。第一开关器件K1和第二开关器件K2可以为普通的单刀双掷开关，其结构简单，使用成本低。变流器拓扑单元中的电路连接关系如下：

第二开关器件K2、第一电阻R1、第二电阻R2及第三电阻R3依次连接，第二开关器件K2连接直流电源的直流正端，第三电阻R3连接直流电源的直流负端，第一电阻R1与第二电阻R2之间的电路中点作为第一连接端，第二电阻R2与第三电阻R3之间的电路中点作为第二连接端，第二连接端接地，第一开关器件K1一端连接第一连接端，另一端连接直流正端。

第一电容Cup和第二电容Cdown连接，第一电容Cup与第二电容Cdown之间的电路中点作为第三连接端，第三连接端连接第二连接端，第一电容Cup未连接第二电容Cdown的电极连接第一连接端，第二电容Cdown未连接第一电容Cup的电极连接直流负端。

第七开关器件S5、第三电容Cf及第九开关器件S7依次连接，第七开关器件S5的第一端连接第一连接端，第九开关器件S7的第二端连接直流负端，第七开关器件S5的第二端与第三电容Cf的公共连接端作为第四连接端，第三电容Cf与第九开关器件S7的第一端的公共连接端作为第五连接端。

第六开关器件S4与第八开关器件S6连接，第六开关器件S4的第一端与第八开关器件S6的第一端的公共连接端连接第一二极管D1的阴极，第一二极管D1的阳极连接第三连接端，第六开关器件S4的第二端连接第四连接端，第八开关器件S6的第二端连接第五连接端。

第十开关器件S8与第五开关器件S3连接，第十开关器件S8的第二端与第五开关器件S3的第二端的公共连接端连接第二二极管D2的阳极，第二二极管D2的阴极连接第三连接端，第十开关器件S8的第一端连接第四连接端，第五开关器件S3的第一端连接第五连接端。第三开关器件S1与第四开关器件S2连接，第三开关器件S1的第二端与第四开关器件S2的第一端的公共连接端作为交流端，第三开关器件S1的第一端连接第四连接端，第四开关器件S2的第二端连接第五连接端。

该变流器拓扑单元可以使第三电容Cf的电压优先于第一电容Cup和第二电容Cdown的电压达到设定值，达到设定值后不再充电，使控制第三电容Cf充电电压的第七开关器件S5和第九开关器件S7的电压应力降低，延长主开关器件的使用寿命，提高变流器拓扑单元与变流器装置的可靠性。可以理解，在其他实施例中，开关器件也可以是开关管以外的开关，例如光电开关等，只要能够实现电路的导通与断开即可。

在一个实施例中，第五开关器件S3和第六开关器件S4均为逆阻型开关管，第三开关器件S1、第四开关器件S2、第七开关器件S5和第九开关器件S7均反并联一个二极管。

具体地，逆阻型开关管对负阳极电压没有开关作用，只呈现反向阻断状态，对开关时间等瞬态参数没有特别要求，主要用于工频的反向阻断。逆阻型开关管除了具有单向导电特性之外，还具有正向导通的可控特性，门极对元件是否正向导通起控制作用，可通过门极电压控制开关管的导通或截止状态，可靠性高。此外，第三开关器件S1与第三二极管D3反向并联、第四开关器件S2与第四二极管D4反向并联、第七开关器件S5与第五二极管D5反向并联，第九开关器件S7与第六二极管D6反向并联，当第三开关器件S1、第四开关器件S2、第七开关器件S5与第九开关器件S7均为开关管时，这些开关管反并联的二极管的阴极与开关管的第一端连接，反并联的二极管的阳极与开关管的第二端连接。在第三开关器件S1、第四开关器件S2、第七开关器件S5和第九开关器件S7处反并联一个二极管可以增加各开关器件处的电流方向，丰富变流器拓扑单元的功能，提高其可靠性。

在一个实施例中，提供一种变流器装置，包括控制单元和上述变流器拓扑单元。控制单元与各开关器件分别连接，用于根据接收的控制信号控制变流器拓扑单元中各开关器件的导通状态或截止状态，以使变流器拓扑单元工作在相应的工作模态。

具体地，控制信号是控制变流器拓扑单元中个开关器件的导通或截止状态的依据，不同的开关器件的导通组合可以决定电路结构和电流流向，从而影响变流器拓扑单元中各个电容的充电状态和输出电压值的大小。控制信号可以是既定的导通或截止信号，也可以是根据几个信号的比较结果从而决定开关器件的导通或截止状态的控制信号，可根据实际需求决定。当变流器拓扑单元中的第三开关器件S1、第四开关器件S2、第五开关器件S3、第六开关器件S4、第七开关器件S5、第八开关器件S6、第九开关器件S7及第十开关器件S8均为开关管时，控制单元连接这些开关管的控制端，控制单元发送控制信号至各开关管，控制信号通过这些开关管的控制端控制开关管的导通或截止状态，以使变流器拓扑单元工作在相应的工作模态。

在一个实施例中，控制单元的控制信号包括第一电压信号、第二电压信号及第三电压信号，控制单元在第一电压信号、第二电压信号及第三电压信号的值均为零时控制第一开关器件K1和第二开关器件K2截止，控制单元在第三电压信号的值小于设定值时控制第二开关器件K2、第七开关器件S5和第九开关器件S7导通，其他开关器件截止，控制单元在第三电压信号的值达到设定值时控制第二开关器件K2导通，其他开关器件截止，控制单元在第一电压信号和第二信号的值均达到设定值的两倍时控制第一开关器件K1导通，其他开关器件截止。

具体地，控制单元在第一电压信号、第二电压信号及第三电压信号的值均为零时控制第一开关器件K1和第二开关器件K2截止，此时变流器拓扑单元处于停机状态。控制单元在第三电压信号的值小于设定值时控制第二开关器件K2、第七开关器件S5和第九开关器件S7导通，其他开关器件截止，直流电源给第一电容Cup、第二电容Cdown和第三电容Cf充电，第二电阻R2与第三电阻R3分别均衡第一电容Cup和第二电容Cdown的电压，直至第三电容Cf的电压达到设定值。控制单元在第三电压信号的值达到设定值时控制第二开关器件K2导通，其他开关器件截止，此时直流侧电源通过第一电阻R1给第一电容Cup和第二电容Cdown充电，第二电阻R2和第三电阻R3分别均衡第一电容Cup和第二电容Cdown的电压，直至第一电容Cup和第二电容Cdown的电压值达到设定值的两倍。控制单元在第一电压信号和第二信号的值均达到设定值的两倍时控制第一开关器件K1导通，其他开关器件截止，此时变流器拓扑单元中的电容完成建压，变流器拓扑单元处于待机模式。以上的第一电压信号、第二电压信号及第三电压信号的值与变流器拓扑单元的工作模态的对应关系并不是唯一的，可以理解，在其他实施例中，也可以采用其他的对应关系，只要本领域技术人员认为可以实现即可。

在一个实施例中，第一电压信号为第一电容Cup的电压值，第二电压信号为第二电容Cdown的电压值，第三电压信号为第三电容Cf的电压值。控制单元在第一电容Cup的电压值、第二电容Cdown的电压值及第三电容Cf的电压值均为零时控制第一开关器件K1和第二开关器件K2截止，此时变流器拓扑单元处于停机状态。控制单元在第三电容Cf的电压值小于设定值时控制第二开关器件K2、第七开关器件S5和第九开关器件S7导通，其他开关器件截止，此时直流电源给第一电容Cup、第二电容Cdown和第三电容Cf充电，第二电阻R2与第三电阻R3分别均衡第一电容Cup和第二电容Cdown的电压，直至第三电容Cf的电压达到设定值。控制单元在第三电容Cf的电压值达到设定值时控制第二开关器件K2导通，其他开关器件截止，此时直流侧电源通过第一电阻R1给第一电容Cup和第二电容Cdown充电，第二电阻R2和第三电阻R3分别均衡第一电容Cup和第二电容Cdown的电压，直至第一电容Cup和第二电容Cdown的电压值达到设定值的两倍。控制单元在第一电容Cup的电压值、第二电容Cdown的电压值均达到设定值的两倍时控制第一开关器件K1导通，其他开关器件截止，此时变流器拓扑单元中的电容完成建压，变流器拓扑单元处于待机模式。通过第七开关器件S5和第九开关器件S7的闭合，对第一电容Cup、第二电容Cdown和第三电容Cf同时充电，第三电容Cf电压达到设定值后，对第一电容Cup和第二电容Cdown单独充电。本拓扑单元结构简单，控制方便，增加的辅助支路较少，通过对开关器件的控制，保证各开关器件的电压应力均不高于正常运行时的电压应力，实现安全可靠高效的软启动。

在一个实施例中，设定值为母线电压值的四分之一。具体地，当第三电容Cf的电压达到母线电压值的四分之一时，断开第七开关器件S5和第九开关器件S7，由直流侧电源通过第一电阻R1给第一电容Cup和第二电容Cdown充电，第二电阻R2和第三电阻R3作为分压电阻均衡第一电容Cup和第二电容Cdown的电压。当第一电容Cup和第二电容Cdown的电压达到母线电压值的二分之一时，闭合第一开关器件K1，该变流器拓扑单元处于待机状态。通过对第七开关器件S5和第九开关器件S7的控制，实现悬浮电容电压优先于上母线电容和下母线电容电压达到其设定值，使第三开关器件S1、第四开关器件S2、第五开关器件S3、第六开关器件S4、第七开关器件S5、第八开关器件S6、第九开关器件S7及第十开关器件S8等各主开关器件的电压应力均不高于母线电压的四分之一，实现安全可靠高效的软启动。

为了更好地理解上述实施例中，以下结合一个实施例进行详细的解释说明。在一个实施例中，提供一种针对该变流器拓扑单元的直流侧充电的软启动方法，请参见图7，包括以下步骤：

步骤S01：上母线电容、下母线电容均为零，悬浮电容电压也为零，开关器件K1、K2均断开，变流器拓扑单元处于停机状态；此时，闭合主开关器件S₅和S₇，并闭合开关器件K2，由直流侧电源通过第一电阻R1给上母线电容、下母线电容和悬浮电容充电，第二电阻R2和第三电阻R3均衡上母线电容和下母线电容电压。

步骤S02：当悬浮电容电压达到设定值E(E表示母线电压设定值的四分之一，下同)，即母线电压的四分之一时，断开主开关器件S₅、S₇，由直流侧电源通过第一电阻R1给上母线电容和下母线电容充电，第二电阻R2和第三电阻R3均衡上母线电容和下母线电容电压。

步骤S03：当上母线电容、下母线电容电压达到设定值2E，即母线电压的二分之一时，闭合开关器件K1，变流器拓扑单元处于待机状态。

在一个实施例中，对于适用于该变流器拓扑单元的直流侧充电的软启动方法，软启动过程中的控制脉冲时序和电容电压波形，请参见图8，其中：

阶段1(t₀-t₁)：请参见图3，上母线电容、下母线电容电压值均为零，悬浮电容电压也为零，开关K1、K2均断开，变流器拓扑单元处于停机状态。

阶段2(t₁-t₂)：请参见图4，闭合主开关器件S₅、S₇，并闭合开关K2，由直流侧电源通过第一电阻R1给上母线电容、下母线电容和悬浮电容充电，第二电阻R2和第三电阻R3均衡上母线电容和下母线电容电压，直至悬浮电容的电压达到设定值E(E表示总母线电压设定值的四分之一，下同)，即母线电压的四分之一。

阶段3(t₂-t₃)：请参见图5，断开主开关器件S₅、S₇，由直流侧电源通过第一电阻R1给上母线电容、下母线电容充电，第二电阻R2和第三电阻R3均衡上母线电容和下母线电容电压，直至上母线电容、下母线电容的电压达到设定值2E，即母线电压的二分之一。

阶段4(t₃-t₄)：请参见图6，闭合开关K1，电容建压完成，变流器拓扑单元处于待机状态。

对于图2所示的实施例，其具体实施方式与上述图1所示实施例类似，在此不再详述。

上述变流器装置，将直流电源的直流电转换成为交流电输出或者将交流侧的交流电转换成直流侧的直流电输出。变流器拓扑单元工作在四个工作模态，分别为第一工作模态、第二工作模态、第三工作模态和第四工作模态，当变流器拓扑单元工作在第一工作模态时，变流器拓扑单元处于停机状态；当变流器拓扑单元工作在第二工作模态时，直流电源给第一电容Cup、第二电容Cdown和第三电容Cf充电；当变流器拓扑单元工作在第三工作模态时，直流电源给第一电容Cup和第二电容Cdown充电；当变流器拓扑单元工作在第四工作模态时，变流器拓扑单元处于待机状态，这使得第三电容Cf的电压优先于第一电容Cup和第二电容Cdown的电压达到设定值，达到设定值后不再充电，使控制第三电容Cf充电电压的第七开关器件S5和第九开关器件S7的电压应力降低，延长了主开关器件的使用寿命，提高了变流器拓扑单元与变流器装置的可靠性。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于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。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种变流器拓扑单元，其特征在于，包括：

第一开关器件、第二开关器件、第三开关器件、第四开关器件、第五开关器件、第六开关器件、第七开关器件、第八开关器件、第九开关器件及第十开关器件；

第一二极管和第二二极管；

第一电容、第二电容及第三电容；

第一电阻、第二电阻及第三电阻；

其中，所述第二开关器件、所述第一电阻、所述第二电阻及所述第三电阻依次连接，所述第二开关器件连接直流电源的直流正端，所述第三电阻连接所述直流电源的直流负端，所述第一电阻与所述第二电阻之间的电路中点作为第一连接端，所述第二电阻与所述第三电阻之间的电路中点作为第二连接端，所述第二连接端接地，所述第一开关器件一端连接所述第一连接端，另一端连接所述直流正端；

所述第一电容和所述第二电容连接，所述第一电容与所述第二电容之间的电路中点作为第三连接端，所述第三连接端连接所述第二连接端，所述第一电容未连接所述第二电容的电极连接所述第一连接端，所述第二电容未连接所述第一电容的电极连接所述直流负端；

所述第七开关器件、所述第三电容及所述第九开关器件依次连接，所述第七开关器件连接所述第一连接端，所述第九开关器件连接所述直流负端，所述第七开关器件与所述第三电容的公共连接端作为第四连接端，所述第三电容与所述第九开关器件的公共连接端作为第五连接端；

所述第六开关器件与所述第八开关器件连接，所述第六开关器件与所述第八开关器件的公共连接端通过所述第一二极管连接所述第三连接端，所述第六开关器件未连接所述第八开关器件的一端连接所述第四连接端，所述第八开关器件未连接所述第六开关器件的一端连接所述第五连接端；

所述第十开关器件与所述第五开关器件连接，所述第十开关器件与所述第五开关器件的公共连接端通过所述第二二极管连接所述第三连接端，所述第十开关器件未连接所述第五开关器件的一端连接所述第四连接端，所述第五开关器件未连接所述第十开关器件的一端连接所述第五连接端；

所述第三开关器件与所述第四开关器件连接，所述第三开关器件与所述第四开关器件的公共连接端作为交流端，所述第三开关器件未连接所述第四开关器件的一端连接所述第四连接端，所述第四开关器件未连接所述第三开关器件的一端连接所述第五连接端；

所述变流器拓扑单元工作在四个工作模态，分别为第一工作模态、第二工作模态、第三工作模态和第四工作模态，当所述变流器拓扑单元工作在所述第一工作模态时，所述变流器拓扑单元处于停机状态；当所述变流器拓扑单元工作在第二工作模态时，所述直流电源给所述第一电容、所述第二电容和所述第三电容充电；当所述变流器拓扑单元工作在所述第三工作模态时，所述直流电源给所述第一电容和所述第二电容充电；当所述变流器拓扑单元工作在所述第四工作模态时，所述变流器拓扑单元处于待机状态。

2.根据权利要求1所述的变流器拓扑单元，其特征在于，

所述第一开关器件和所述第二开关器件截止，以使所述变流器拓扑单元工作在所述第一工作模态；

所述第二开关器件、所述第七开关器件和所述第九开关器件导通，其他开关器件截止，以使所述变流器拓扑单元工作在所述第二工作模态；

所述第二开关器件导通，其他开关器件截止，以使所述变流器拓扑单元工作在所述第三工作模态；

所述第一开关器件导通，其他开关器件截止，以使所述变流器拓扑单元工作在所述第四工作模态。

3.根据权利要求1所述的变流器拓扑单元，其特征在于，还包括交流侧滤波电路，所述交流侧滤波电路的输入端连接所述交流端，所述交流侧滤波电路的输出端连接交流电网或负载。

4.根据权利要求3所述的变流器拓扑单元，其特征在于，所述交流侧滤波电路包括电感，所述电感一端连接所述交流端，另一端连接交流电网或负载。

5.根据权利要求1所述的变流器拓扑单元，其特征在于，所述第三开关器件、所述第四开关器件、所述第五开关器件、所述第六开关器件、所述第七开关器件、所述第八开关器件、所述第九开关器件及所述第十开关器件均为开关管。

6.根据权利要求5所述的变流器拓扑单元，其特征在于，所述第五开关器件和所述第六开关器件均为逆阻型开关管，所述第三开关器件、所述第四开关器件、所述第七开关器件和所述第九开关器件均反并联一个二极管。

7.一种变流器装置，其特征在于，包括：

权利要求1至6任一项所述的变流器拓扑单元；

控制单元，与各所述开关器件分别连接，用于根据接收的控制信号控制所述变流器拓扑单元中各开关器件的导通状态或截止状态，以使所述变流器装置工作在相应的工作模态。

8.根据权利要求7所述的变流器装置，其特征在于，所述控制单元的控制信号包括第一电压信号、第二电压信号及第三电压信号；

所述控制单元在所述第一电压信号、所述第二电压信号及所述第三电压信号的值均为零时控制所述第一开关器件和所述第二开关器件截止；

所述控制单元在所述第三电压信号的值小于设定值时控制所述第二开关器件、所述第七开关器件和所述第九开关器件导通，其他开关器件截止；

所述控制单元在所述第三电压信号的值达到所述设定值时控制所述第二开关器件导通，其他开关器件截止；

所述控制单元在所述第一电压信号和所述第二信号的值均达到所述设定值的两倍时控制所述第一开关器件导通，其他开关器件截止。

9.根据权利要求8所述的变流器装置，其特征在于，所述第一电压信号为所述第一电容的电压值，所述第二电压信号为所述第二电容的电压值，所述第三电压信号为所述第三电容的电压值。

10.根据权利要求8所述的变流器装置，其特征在于，所述设定值为母线电压值的四分之一。