CN112542947A - 变换电路、前置电路、子模块、直流变换器及控制方法 - Google Patents

变换电路、前置电路、子模块、直流变换器及控制方法 Download PDF

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Abstract

本申请提供变换电路、前置电路、子模块、直流变换器及控制方法。所述变换电路包括前置电路和至少一个多电平桥臂，前置电路包括串联电容支路和钳位模块，串联电容支路包括M个开关电容模块，M为大于等于2的自然数，开关电容模块包括电容、第一可关断器件，第一可关断器件与电容串联连接，通过第一可关断器件的闭合或关断，控制电容的充放电回路的通断；除第一个开关电容模块之外的每个开关电容模块的一端连接钳位模块；多电平桥臂的电平数为M+1，多电平桥臂包括2M个串联连接的含有反并联二极管的全控型开关器件，除第M和第2M个全控型开关器件之外的每个全控型开关器件的负极引出一个端子，连接钳位模块。

Description

变换电路、前置电路、子模块、直流变换器及控制方法
技术领域
本申请涉及电力电子应用技术领域，具体涉及变换电路、前置电路、子模块、直流变换器及控制方法。
背景技术
直流变换器作为直流电网中，实现电压变换的重要组成设备，获得了越来越多直流电网领域学者们的关注。为实现中/高压至低压的变换，受开关管器件应力和成本的影响，该类应用的直流变换器多采用多个子模块输入串联输出并联的结构，即ISOP结构。
目前传统方式下，直流变换器的子模块一般采用基于双有源桥结构(DAB)的电路实现，为了增强系统可靠性，该电路会在串联侧增加旁路支路，目前旁路支路一般多采用半桥电路实现，当有子模块出现故障时，可以通过开断半桥电路的上下开关管并配合旁路开关，实现故障子模块的旁路，而不影响直流变换器系统的运行。
随着研究的深入，采用传统双有源桥结构的电路，存在子模块数量多，体积大等一些缺点，为此，有学者开始研究将基于双有源桥结构(DAB)的电路改造为基于三电平或多电平电路的结构，即将原有双有源桥结构的高压侧更换为三电平或多电平结构，使相应子模块的高压侧能够承受更高的电压应力，而低压侧保持为原双有源桥结构，这样可以显著减少直流变换器所需子模块的数量，降低系统体积和成本。
然而，针对三电平结构的电路，仍然存在需要增加旁路功能的需求，如仍然采用传统双有源桥结构的旁路支路，则原有的半桥电路的电压应力需要提升。
目前，有专利CN109600049中提出了一种旁路用电路结构，其旁路支路的开关器件电压应力与三电平电路开关器件电压应力相同，但需要使用四个全控型开关器件，子模块的成本较高。也有专利CN201721588833.X提出采用开关电容方案减少旁路支路开关管数目，但该专利的方法仅适用于传统双有源桥结构(DAB)的电路。
发明内容
本申请实施例提供一种变换电路，包括前置电路和至少一个多电平桥臂，所述前置电路包括串联电容支路和钳位模块，所述串联电容支路包括M个开关电容模块，M为大于等于2的自然数，所述开关电容模块包括电容、第一可关断器件，所述第一可关断器件与所述电容串联连接，通过所述第一可关断器件的闭合或关断，控制所述电容的充放电回路的通断；除第一个所述开关电容模块之外的每个所述开关电容模块的一端连接所述钳位模块；所述多电平桥臂的电平数为M+1，所述多电平桥臂包括2M个串联连接的含有反并联二极管的全控型开关器件，除第M和第2M个全控型开关器件之外的每个所述全控型开关器件的负极引出一个端子，连接所述钳位模块。
根据一些实施例，所述变换电路还包括至少一个直流端口和至少一个交流端口，其中，所有所述串联电容支路与所述多电平桥臂的正负两极并联连接，构成所述直流端口。
根据一些实施例，所述变换电路还包括旁路开关，所述旁路开关两端连接在所述直流端口的两端。
根据一些实施例，所述变换电路还包括至少两个旁路开关，每个所述旁路开关并联连接至少一个串联连接的所述开关电容模块的两端。
根据一些实施例，第一个所述开关电容模块的第一端子悬空，除第一个所述开关电容模块之外的每个所述开关电容模块的第一端子与上一个相邻的所述开关电容模块的第二端子依次串联连接，第M个所述开关电容模块的第二端子为所述串联电容支路的负极，第一个所述开关电容模块的第三端子为所述串联电容支路的正极。
根据一些实施例，在每个所述开关电容模块中，所述开关电容模块的两端为所述第一端子和所述第二端子，所述第一端子再引出一个端子为所述第三端子。
根据一些实施例，在每个所述开关电容模块中，所述电容的两端为所述第一端子和所述第二端子，所述第一可关断器件的一端连接所述第一端子，所述第一可关断器件的另一端为所述第三端子。
根据一些实施例，所述开关电容模块还包括第二可关断器件，其中，在每个所述开关电容模块中，所述电容与所述第一可关断器件所在串联之路的两端，为所述第一端子和所述第二端子，所述第二可关断器件的一端连接所述第一端子，所述第二可关断器件的另一端为所述第三端子。
根据一些实施例，任意所述开关电容模块的第二端子引出一个端子，所述多电平桥臂的第M个全控型开关器件的负极引出一个端子，构成所述交流端口。
根据一些实施例，若M为偶数，选择第M/2个所述开关电容模块的第二端子引出一个端子，若M为奇数，选择第(M+1)/2或(M-1)/2个开关电容模块的第二端子引出一个端子，所述多电平桥臂的第M个全控型开关器件的负极引出一个端子，构成所述变换电路的交流端口。
根据一些实施例，所述可关断器件为含有反并联二极管的全控型开关器件。
根据一些实施例，所述可关断器件为熔断器。
根据一些实施例，所述可关断器件为双向全控型开关器件。
根据一些实施例，第一个所述全控型开关器件的反并联二极管的阴极为所述多电平桥臂的正极，第2M个全控型开关器件的反并联二极管的阳极为所述多电平桥臂的负极。
根据一些实施例，所述钳位模块包括至少M-1个串联开关支路，每个所述串联开关支路包括：至少两个串联连接的半导体开关器件，第一个半导体开关器件的正极为所述串联开关支路的正极，最后一个半导体开关器件的负极为所述串联开关支路的负极；其中，第i个所述串联开关支路的正极，连接所述多电平桥臂的第i个全控型开关器件的负极，第i个所述串联开关支路的负极，连接所述多电平桥臂的第M+i个全控型开关器件的负极，第i个所述串联开关支路的半导体开关器件的中点引出一个端子，连接所述串联电容支路第i+1个所述开关电容模块的第三端子，1≤i≤M-1。
根据一些实施例，所述钳位模块包括：至少M-1个串联开关支路，每个所述串联开关支路包括：至少两个串联连接的半导体开关器件，第一个半导体开关器件的正极为所述串联开关支路的正极，最后一个半导体开关器件的负极为所述串联开关支路的负极；其中，第1个所述串联开关支路包括2个半导体开关器件，第1个所述串联开关支路的正极连接所述多电平桥臂的第M-1个全控型开关器件的负极，第1个所述串联开关支路的负极连接所述多电平桥臂的第M+1个全控型开关器件的负极；第i个所述串联开关支路包括2i个半导体开关器件，所述串联开关支路的正极连接所述多电平桥臂的第M-i个全控型开关器件的负极，所述串联开关支路的负极连接所述多电平桥臂的第M+i个全控型开关器件的负极，所述串联开关支路的第偶数个半导体开关器件的负极引出一个端子，连接第i-1个所述串联开关支路的对应的第奇数个半导体开关器件的负极，2≤i≤M-2；第M-1个所述串联开关支路包括2(M-1)个半导体开关器件，第M-1个所述串联开关支路的正极连接所述多电平桥臂的第1个全控型开关器件的负极，第M-1个所述串联开关支路的负极连接所述多电平桥臂的第2M-1个全控型开关器件的负极，第M-1个所述串联开关支路的第偶数个半导体开关器件的负极引出一个端子，连接第M-2个所述串联开关支路的对应的第奇数个半导体开关器件的负极，第M-1个所述串联开关支路的第奇数个半导体开关器件的负极引出一个端子，分别连接所述串联电容支路的每个所述开关电容模块的第三端子。
根据一些实施例，所述半导体开关器件为含有反并联二极管的全控型开关器件。
根据一些实施例，所述半导体开关器件为二极管。
根据一些实施例，所述半导体开关器件为双向全控型开关器件。
本申请实施例还提供一种前置电路，包括串联电容支路和钳位模块，所述串联电容支路包括M个开关电容模块，M为大于等于2的自然数，所述开关电容模块包括电容和第一可关断器件，通过所述第一可关断器件的闭合或关断，控制所述电容的充放电回路的通断；其中，第一个所述开关电容模块的第一端子悬空，除第一个所述开关电容模块之外的每个所述开关电容模块的第一端子与上一个相邻的所述开关电容模块的第二端子依次串联连接，第M个所述开关电容模块的第二端子为所述串联电容支路的负极，第一个所述开关电容模块的第三端子为所述串联电容支路的正极；除第一个所述开关电容模块之外的每个所述开关电容模块的第三端子连接所述钳位模块。
本申请实施例还提供一种可旁路的子模块，包括至少一个如上所述的变换电路、隔离变压器和交直变换模块，所述隔离变压器将所述变换电路输出的交流电压进行隔离变压；所述交直变换模块将所述隔离变压器出来的交流电变换成直流电。
根据一些实施例，所述子模块还包括第一直流端口和第二直流端口，所述变换电路的直流端口为所述第一直流端口；所述交直变换模块的输出直流端口为所述第二直流端口。
根据一些实施例，所述隔离变压器包括第一绕组和第二绕组，所述第一绕组连接所述变换电路的交流端口；所述第二绕组连接所述交直变换模块的交流端口。
根据一些实施例，所述子模块还包括谐振支路，所述谐振支路串联连接所述隔离变压器的一个绕组。
根据一些实施例，所述谐振支路为电感。
根据一些实施例，所述谐振支路为串联连接的电感和电容。
本申请实施例还提供一种可旁路的直流变换器，包括：N个如上所述的可旁路的子模块，N为大于等于1的自然数。
根据一些实施例，所述直流变换器为输入串联输出并联结构，包括第一公共端口和第二公共端口，所述子模块的第一直流端口串联连接，两端构成所述第一公共端口；所述子模块的第二直流端口并联连接，两端构成所述第二公共端口。
根据一些实施例，所述直流变换器为输入串联输出串联结构，包括第一公共端口和第二公共端口，所述子模块的第一直流端口串联连接，两端构成所述第一公共端口；所述子模块的第二直流端口串联连接，两端构成所述第二公共端口。
本申请实施例还提供一种如上所述可旁路的直流变换器的启动控制方法，包括：通过外部预充电电路为所有可旁路的子模块的开关电容模块的电容充电；解锁所有开关电容模块的全控型开关器件；解锁多电平桥臂，通过隔离变压器和谐振支路为交直变换模块充电；解锁交直变换模块，直流变换器进入正常工作状态。
本申请实施例还提供一种如上所述可旁路的直流变换器的旁路控制方法，所述直流变换器中，需要旁路的可旁路的子模块的开关电容模块的可关断器件为全控型开关器件时，所述旁路控制方法包括：闭锁所述需要旁路的所述子模块的交直变换模块；闭锁所述需要旁路的所述子模块的所有开关电容模块的全控型开关器件；导通所述需要旁路的所述子模块的所有多电平桥臂的全控型开关器件；闭合所述需要旁路的所述子模块的所有旁路开关；闭锁所述需要旁路的所述子模块的所有多电平桥臂的全控型开关器件。
本申请实施例还提供一种如上所述可旁路的直流变换器的旁路控制方法，所述直流变换器中，需要旁路的可旁路的子模块的开关电容模块的可关断器件为熔断器时，所述旁路控制方法包括：闭锁所述需要旁路的所述子模块的交直变换模块；导通所述需要旁路的所述子模块的所有多电平桥臂的全控型开关器件；所述需要旁路的所述子模块的所有开关电容模块的电容放电，导致熔丝熔断；闭合所述需要旁路的所述子模块的所有旁路开关；闭锁所述需要旁路的所述子模块的所有多电平桥臂的全控型开关器件。
根据本申请实施例提供的技术方案，针对三电平电路，只有两个电容，只需要两个可关断器件即可实现旁路功能，可减少器件数量，降低系统体积和成本；相比采用半桥电路实现旁路功能的多电平电路，能够减小可关断器件的电压应力。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例所需要使用的附图作简单介绍，描述中的附图仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可根据这些附图获得其他的附图。
图1是本申请实施例提供的变换电路构成示意图之一；
图2是本申请实施例提供的开关电容模块的三个端子示意图之一；
图3是本申请实施例提供的开关电容模块的三个端子示意图之二；
图4是本申请实施例提供的开关电容模块的三个端子示意图之三；
图5是本申请实施例提供的钳位模块连接方式示意图之一；
图6是本申请实施例提供的钳位模块连接方式示意图之二；
图7是本申请实施例提供的变换电路构成示意图之二；
图8是本申请实施例提供的双向全控型开关器件示意图；
图9是本申请实施例提供的基于三电平支路电路的变换电路构成示意图；
图10是本申请实施例提供的基于四电平支路电路的变换电路构成示意图；
图11是本申请实施例提供的基于五电平支路电路的变换电路构成示意图；
图12是本申请实施例提供的前置电路构成示意图；
图13是本申请实施例提供的可旁路的子模块示意图之一；
图14是本申请实施例提供的可旁路的子模块示意图之二；
图15是本申请实施例提供的电感谐振支路示意图；
图16是本申请实施例提供的电感与电容串联谐振支路示意图；
图17是本申请实施例提供的可旁路的直流变换器构成示意图；
图18是本申请实施例提供的输入串联输出并联的直流变换器构成示意图；
图19是本申请实施例提供的输入串联输出串联的直流变换器构成示意图；
图20是本申请实施例提供的采用单旁路开关单三电平支路子模块的直流变换器的构成示意图；
图21是本申请实施例提供的采用多旁路开关单三电平支路子模块的直流变换器的构成示意图；
图22是本申请实施例提供的采用单旁路开关两三电平支路子模块的直流变换器的构成示意图；
图23是本申请实施例提供的采用多旁路开关两三电平支路子模块的直流变换器的构成示意图。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，以下将结合附图和实施例，对本申请技术方案的具体实施方式进行更加详细、清楚的说明。然而，以下描述的具体实施方式和实施例仅是说明的目的，而不是对本申请的限制。其只是包含了本申请一部分实施例，而不是全部的实施例，本领域技术人员对于本申请的各种变化获得的其他实施例，都属于本申请保护的范围。
应当理解，本申请的权利要求、说明书及附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”和“第四”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。
图1是本申请实施例提供的变换电路构成示意图。
参见图1，变换电路包括前置电路和至少一个多电平桥臂1103。前置电路包括串联电容支路1101和钳位模块1102。
根据一些实施例，串联电容支路1101包括M个开关电容模块11011至1101M，M为大于等于2的自然数。每个开关电容模块包括电容、第一可关断器件。第一可关断器件与电容串联连接。通过第一可关断器件的闭合或关断，控制电容的充放电回路的通断。除第一个开关电容模块11011之外的每个开关电容模块的一端连接钳位模块。多电平桥臂1103的电平数为M+1。多电平桥臂1103包括2M个串联连接的含有反并联二极管的全控型开关器件。除第M和第2M个全控型开关器件之外的每个全控型开关器件的负极引出一个端子，连接钳位模块1102。
如图1所示，第一个开关电容模块包括电容11011a、第一可关断器件11011b。第一可关断器件11011b与电容11011a串联连接。通过第一可关断器件11011b的闭合或关断，控制电容11011a的充放电回路的通断。
根据一些实施例，在每个开关电容模块中，开关电容模块的两端为第一端子1和第二端子2，第一端子再引出一个端子为第三端子3，如图2所示。
根据一些实施例，在每个开关电容模块中，电容的两端为第一端子1和第二端子2，第一可关断器件的一端连接第一端子1，第一可关断器件的另一端为第三端子3，如图3所示。
根据一些实施例，开关电容模块还包括第二可关断器件，其中，在每个开关电容模块中，开关电容模块的两端为第一端子1和第二端子2，第二可关断器件的一端连接第一端子1，第二可关断器件的另一端为第三端子3，如图4所示。
可选地，第一可关断器件和第二可关断器件为含有反并联二极管的全控型开关器件。可选地，第一可关断器件和第二可关断器件为熔断器。可选地，第一可关断器件和第二可关断器件为双向全控型开关器件。但并不以此为限。
如图1所示，11011d表示第一个开关电容模块的第一端子，组件11011e表示第一个开关电容模块的第二端子，11011f表示第一个开关电容模块的第三端子。
第一个开关电容模块的第一端子11011d悬空，除第一个开关电容模块之外的每个开关电容模块的第一端子与上一个相邻的开关电容模块的第二端子依次串联连接，第M个开关电容模块的第二端子为串联电容支路的负极，第一个开关电容模块的第三端子为串联电容支路的正极。
如图1所示，多电平桥臂1103的第一个全控型开关器件的反并联二极管的阴极为多电平桥臂的正极，第2M个全控型开关器件的反并联二极管的阳极为多电平桥臂的负极。
根据本申请实施例提供的技术方案，针对三电平电路，只有两个电容，只需要两个可关断器件即可实现旁路功能，可减少器件数量，降低系统体积和成本；相比采用半桥电路实现旁路功能的多电平电路，能够减小可关断器件的电压应力。
图5是本申请实施例提供的钳位模块连接方式示意图之一。
如图5所示，钳位模块1102包括至少M-1个串联开关支路21021至2102(M-1)。每个串联开关支路包括至少两个串联连接的半导体开关器件。第一个半导体开关器件的正极为串联开关支路的正极，最后一个半导体开关器件的负极为所述串联开关支路的负极。
可选地，半导体开关器件为含有反并联二极管的全控型开关器件。可选地，半导体开关器件为二极管。可选地，半导体开关器件为双向全控型开关器件。但并不以此为限。
根据一些实施例，钳位模块1102的第i个串联开关支路2102i的正极，连接多电平桥臂1103的第i个全控型开关器件2103i的负极。第i个串联开关支路2102i的负极，连接多电平桥臂1103的第M+i个全控型开关器件2103(M+i)的负极。第i个串联开关支路2102i的半导体开关器件的中点引出一个端子，连接串联电容支路1101的第i+1个开关电容模块2101(i+1)的第三端子，1≤i≤M-1。
如图5所示，钳位模块1102的第1个串联开关支路21021的正极，连接多电平桥臂1103的第1个全控型开关器件21031的负极。第1个串联开关支路21021的负极，连接多电平桥臂1103的第M+1个全控型开关器件2103(M+1)的负极。第1个串联开关支路21021的半导体开关器件的中点引出一个端子，连接串联电容支路1101的第2个开关电容模块21012的第三端子。
如图5所示，钳位模块1102的第2个串联开关支路21022的正极，连接多电平桥臂1103的第2个全控型开关器件21032的负极。第2个串联开关支路21022的负极，连接多电平桥臂1103的第M+2个全控型开关器件2103(M+2)的负极。第2个串联开关支路21022的半导体开关器件的中点引出一个端子，连接串联电容支路1101的第3个开关电容模块的第三端子。
如图5所示，钳位模块1102的第M-1个串联开关支路2102(M-1)的正极，连接多电平桥臂1103的第M-1个全控型开关器件2103(M-1)的负极。第M-1个串联开关支路2102(M-1)的负极，连接多电平桥臂1103的第2M-1个全控型开关器件2103(2M-1)的负极。第M-1个串联开关支路2102(M-1)的半导体开关器件的中点引出一个端子，连接串联电容支路1101的第M个开关电容模块2101M的第三端子。
图6是本申请实施例提供的钳位模块连接方式示意图之二。
如图6所示，钳位模块1102包括至少M-1个串联开关支路31021至3102(M-1)。每个串联开关支路包括至少两个串联连接的半导体开关器件。第一个半导体开关器件的正极为串联开关支路的正极，最后一个半导体开关器件的负极为串联开关支路的负极。
根据一些实施例，钳位模块包括至少M-1个串联开关支路，每个串联开关支路包括至少两个串联连接的半导体开关器件，第一个半导体开关器件的正极为串联开关支路的正极，最后一个半导体开关器件的负极为串联开关支路的负极。
根据一些实施例，第1个所述串联开关支路包括2个半导体开关器件。第1个串联开关支路的正极连接多电平桥臂的第M-1个全控型开关器件的负极。第1个串联开关支路的负极连接多电平桥臂的第M+1个全控型开关器件的负极。
如图6所示，第1个串联开关支路31021包括2个半导体开关器件。串联开关支路31021的正极连接多电平桥臂1103的第M-1个全控型开关器件3103(M-1)的负极，串联开关支路31021的负极连接多电平桥臂1103的第M+1个全控型开关器件3103(M+1)的负极。
根据一些实施例，第i个串联开关支路包括2i个半导体开关器件。串联开关支路的正极连接多电平桥臂的第M-i个全控型开关器件的负极。串联开关支路的负极连接多电平桥臂的第M+i个全控型开关器件的负极。串联开关支路的第偶数个半导体开关器件的负极引出一个端子，连接第i-1个串联开关支路的对应的第奇数个半导体开关器件的负极，2≤i≤M-2。
如图6所示，第2个串联开关支路31022包括4个半导体开关器件。串联开关支路31022的正极连接多电平桥臂1103的第M-2个全控型开关器件3103(M-2)的负极，串联开关支路31022的负极连接多电平桥臂1103的第M+2个全控型开关器件3103(M+2)的负极。串联开关支路的第2个半导体开关器件的负极引出一个端子，连接第1个串联开关支路31021的对应的第1个半导体开关器件的负极。
如图6所示，第M-2个串联开关支路3102(M-2)包括2(M-2)个半导体开关器件。串联开关支路3102(M-2)的正极连接多电平桥臂1103的第2个全控型开关器件31032的负极。串联开关支路3102(M-2)的负极连接多电平桥臂1103的第2M-2个全控型开关器件3103(2M-2)的负极。串联开关支路3102(M-2)的第2个半导体开关器件的负极引出一个端子，连接第M-3个串联开关支路的对应的第1个半导体开关器件的负极。串联开关支路3102(M-2)的第4个半导体开关器件的负极引出一个端子，连接第M-3个串联开关支路的对应的第3个半导体开关器件的负极。串联开关支路3102(M-2)的第2(M-2)个半导体开关器件的负极引出一个端子，连接第M-3个串联开关支路的对应的第2(M-2)-1个半导体开关器件的负极。
根据一些实施例，第M-1个串联开关支路包括2(M-1)个半导体开关器件。第M-1个串联开关支路的正极连接多电平桥臂的第1个全控型开关器件的负极。第M-1个串联开关支路的负极连接多电平桥臂的第2M-1个全控型开关器件的负极。第M-1个串联开关支路的第偶数个半导体开关器件的负极引出一个端子，连接第M-2个串联开关支路的对应的第奇数个半导体开关器件的负极。第M-1个串联开关支路的第奇数个半导体开关器件的负极引出一个端子，分别连接串联电容支路的每个开关电容模块的第三端子。
如图6所示，第M-1个串联开关支路3102(M-1)包括2(M-1)个半导体开关器件。串联开关支路3102(M-1)的正极连接多电平桥臂1103的第1个全控型开关器件的负极，串联开关支路3102(M-1)的负极连接多电平桥臂1103的第2M-1个全控型开关器件3103(2M-1)的负极。串联开关支路的第2个半导体开关器件的负极引出一个端子，连接第M-2个串联开关支路的对应的第1个半导体开关器件的负极。串联开关支路的第4个半导体开关器件的负极引出一个端子，连接第M-2个串联开关支路的对应的第3个半导体开关器件的负极。串联开关支路的第2(M-1)个半导体开关器件的负极引出一个端子，连接第M-2个串联开关支路的对应的第2(M-1)-1个半导体开关器件的负极。串联开关支路的第1个半导体开关器件的负极引出一个端子，连接串联电容支路第1个开关电容模块的第三端子。
图7是本申请实施例提供的变换电路构成示意图之二。
如图7所示，以三电平电路为例，示意了一种混合有可关断器件为含有反并联二极管的全控型开关器件、熔丝，以及钳位支路使用二极管和含有反并联二极管的全控型开关器件的具有旁路功能的电路。
组件401表示钳位支路中，串联开关支路的半导体开关器件为含有反并联二极管的全控型开关器件。组件402表示钳位支路中，串联开关支路的半导体开关器件为二极管。组件403表示开关电容模块中的可关断器件为熔丝。组件404表示开关电容模块中的可关断器件为含有反并联二极管的全控型开关器件。
如图7所示，变换电路还包括至少一个直流端口和至少一个交流端口。
串联电容支路与多电平桥臂的正负两极并联连接，构成直流端口406。
任意开关电容模块的第二端子引出一个端子，多电平桥臂的第M个全控型开关器件的负极引出一个端子，构成交流端口407。
可选地，若M为偶数，选择第M/2个开关电容模块的第二端子引出一个端子，若M为奇数，选择第(M+1)/2或(M-1)/2个开关电容模块的第二端子引出一个端子，多电平桥臂的第M个全控型开关器件的负极引出一个端子，构成变换电路的交流端口407。
变换电路还包括旁路开关，旁路开关405的两端连接在直流端口406的两端。可选地，旁路开关405还可以用至少两个旁路开关代替，每个旁路开关并联连接至少一个串联连接的开关电容模块的两端。
图8是本申请实施例提供的双向全控型开关器件示意图。
如图8所示，双向全控型开关器件可以替换图7中的组件401～404。
图9是本申请实施例提供的基于三电平支路电路的变换电路构成示意图。图10是本申请实施例提供的基于四电平支路电路的变换电路构成示意图。图11是本申请实施例提供的基于五电平支路电路的变换电路构成示意图。提供了几种基于典型应用的多电平电路的变换电路。
如图9所示，变换电路包括前置电路和至少一个多电平桥臂。前置电路包括串联电容支路和钳位模块。
串联电容支路包括M个开关电容模块，M＝2。每个开关电容模块包括电容、第一可关断器件。第一可关断器件与电容串联连接。通过第一可关断器件的闭合或关断，控制电容的充放电回路的通断。多电平桥臂的电平数为M+1＝3，为三电平支路电路。多电平桥臂包括2M＝4个串联连接的含有反并联二极管的全控型开关器件。开关电容模块的第三端子和第一端子之间，采用了可关断器件。
如图10所示，变换电路包括前置电路和至少一个多电平桥臂。前置电路包括串联电容支路和钳位模块。
串联电容支路包括M个开关电容模块，M＝3。每个开关电容模块包括电容、第一可关断器件。第一可关断器件与电容串联连接。通过第一可关断器件的闭合或关断，控制电容的充放电回路的通断。多电平桥臂的电平数为M+1＝4，为四电平支路电路。多电平桥臂包括2M＝6个串联连接的含有反并联二极管的全控型开关器件。开关电容模块的第三端子和第一端子为同一端子。
如图11所示，变换电路包括前置电路和至少一个多电平桥臂。前置电路包括串联电容支路和钳位模块。
串联电容支路包括M个开关电容模块，M＝4。每个开关电容模块包括电容、第一可关断器件。第一可关断器件与电容串联连接。通过第一可关断器件的闭合或关断，控制电容的充放电回路的通断。多电平桥臂的电平数为M+1＝5，为五电平支路电路。多电平桥臂包括2M＝8个串联连接的含有反并联二极管的全控型开关器件。开关电容模块的第三端子和第一端子为同一端子。
图12是本申请实施例提供的前置电路构成示意图。
如图12所示，前置电路包括串联电容支路1101和钳位模块1102。
根据一些实施例，串联电容支路1101包括M个开关电容模块11011至1101M，M为大于等于2的自然数。每个开关电容模块包括电容、第一可关断器件。第一可关断器件与电容串联连接。通过第一可关断器件的闭合或关断，控制电容的充放电回路的通断。除第一个开关电容模块11011之外的每个开关电容模块的第三端子连接钳位模块。
如图12所示，第一个开关电容模块包括电容11011a、第一可关断器件11011b。第一可关断器件11011b与电容11011a串联连接。通过第一可关断器件11011b的闭合或关断，控制电容11011a的充放电回路的通断。
根据一些实施例，在每个开关电容模块中，开关电容模块的两端为第一端子1和第二端子2，第一端子再引出一个端子为第三端子3，如图2所示。
根据一些实施例，在每个开关电容模块中，电容的两端为第一端子1和第二端子2，第一可关断器件的一端连接第一端子1，第一可关断器件的另一端为第三端子3，如图3所示。
根据一些实施例，开关电容模块还包括第二可关断器件，其中，在每个开关电容模块中，开关电容模块的两端为第一端子1和第二端子2，第二可关断器件的一端连接第一端子1，第二可关断器件的另一端为第三端子3，如图4所示。
可选地，第一可关断器件和第二可关断器件为含有反并联二极管的全控型开关器件。可选地，第一可关断器件和第二可关断器件为熔断器。可选地，第一可关断器件和第二可关断器件为双向全控型开关器件。但并不以此为限。
如图12所示，11011d表示第一个开关电容模块的第一端子，组件11011e表示第一个开关电容模块的第二端子，11011f表示第一个开关电容模块的第三端子。
第一个开关电容模块的第一端子11011d悬空，除第一个开关电容模块之外的每个开关电容模块的第一端子与上一个相邻的开关电容模块的第二端子依次串联连接，第M个开关电容模块的第二端子为串联电容支路的负极，第一个开关电容模块的第三端子为串联电容支路的正极。
图13是本申请实施例提供的可旁路的子模块示意图。
如图13所示，可旁路的子模块包括至少一个变换电路110、隔离变压器120、交直变换模块130。隔离变压器120将变换电路110输出的交流电压进行隔离变压。交直变换模块130将隔离变压器120出来的交流电变换成直流电。
子模块还包括第一直流端口140和第二直流端口150。变换电路的直流端口为第一直流端口140。交直变换模块的输出直流端口为第二直流端口150。
隔离变压器包括第一绕组和第二绕组，第一绕组连接变换电路110的交流端口。第二绕组连接交直变换模块130的交流端口。
可选地，可旁路的子模块还包括谐振支路1105。如图14所示，图14是本申请实施例提供的可旁路的子模块示意图之二。
谐振支路1105串联连接隔离变压器的一个绕组。可选地，谐振支路为电感，如图15所示，图15是本申请实施例提供的电感谐振支路示意图。可选地，谐振支路为串联连接的电感和电容，如图16所示，图16是本申请实施例提供的电感与电容串联谐振支路示意图。但并不以此为限。
本实施例提供的技术方案，相比现有直接采用三电平电路构成高压侧的子模块，采用的可旁路的子模块具备旁路冗余功能，能够在有子模块故障的情况下，通过旁路闭锁操作，隔离故障子模块。
图17是本申请实施例提供的可旁路的直流变换器构成示意图；
如图17所示，直流变换器10包括N个可旁路的子模块11至1N，N为大于等于1的自然数。
如图17所示的可旁路的直流变换器的启动控制方法过程如下所述。
通过外部预充电电路为所有可旁路的子模块的开关电容模块的电容充电。解锁所有开关电容模块的全控型开关器件。解锁多电平桥臂，通过隔离变压器和谐振支路为交直变换模块充电。解锁交直变换模块，直流变换器进入正常工作状态。
如图17所示的可旁路的直流变换器中，需要旁路的可旁路的子模块的开关电容模块的可关断器件为全控型开关器件时，旁路控制过程如下所述。
闭锁需要旁路的子模块的交直变换模块。闭锁需要旁路的子模块的所有开关电容模块的全控型开关器件。导通需要旁路的子模块的所有多电平桥臂的全控型开关器件。闭合需要旁路的子模块的所有旁路开关。闭锁需要旁路的子模块的所有多电平桥臂的全控型开关器件。
如图17所示的可旁路的直流变换器中，需要旁路的可旁路的子模块的开关电容模块的可关断器件为熔断器时，旁路控制过程如下所述。
闭锁需要旁路的子模块的交直变换模块；导通需要旁路的子模块的所有多电平桥臂的全控型开关器件。需要旁路的子模块的所有开关电容模块的电容放电，导致熔丝熔断。闭合需要旁路的子模块的所有旁路开关。闭锁需要旁路的子模块的所有多电平桥臂的全控型开关器件。
本实施例提供的技术方案，相比现有直接采用三电平电路构成高压侧的子模块组成的直流变换器，采用的可旁路的子模块具备旁路冗余功能，能够在有子模块故障的情况下，通过旁路闭锁操作，隔离故障子模块，增强直流变换器的可靠性。
图18是本申请实施例提供的输入串联输出并联的直流变换器构成示意图。
如图18所示，直流变换器10包括N个可旁路的子模块11至1N，N为≥1的自然数。直流变换器为输入串联输出并联结构，包括第一公共端口和第二公共端口。
所有子模块的第一直流端口串联连接，两端构成第一公共端口。所有子模块的第二直流端口并联连接，两端构成第二公共端口。
图19是本申请实施例提供的输入串联输出串联的直流变换器构成示意图。
如图19所示，直流变换器10包括N个可旁路的子模块81至8N，N为≥1的自然数。直流变换器为输入串联输出串联结构，包括第一公共端口和第二公共端口。
所有子模块的第一直流端口串联连接，两端构成第一公共端口。所有子模块的第二直流端口串联连接，两端构成第二公共端口。
图20是本申请实施例提供的采用单旁路开关单三电平支路子模块的直流变换器的构成示意图。
如图20所示，直流变压器包含N个含有旁路功能三电平电路的子模块，假设其额定功率为P，第一公共端口电压为U1，第二公共端口电压为U2。则不难得到，每个子模块的额定功率为P/N，子模块的第一端口电压为U1/N，第二端口电压为U2。在本实施例中，开关电容模块的第三端子和第一端子为同一端子。
当发生旁路时，两个开关电容模块的可关断器件断开，而三电平桥臂的四个开关器件全部直通，而后等待旁路开关闭合，即该子模块完成旁路操作。此时，两个开关电容模块的电容无放电回路，其对应的可关断器件承受电压将为各自支路的电容电压，即U1/2N，与三电平桥臂四个开关器件的电压应力相同。
其中电压应力减小的途径如下：当发生旁路时，一方面旁路模组的多电平桥臂，其正负极经桥臂自身开关管直通，均为同一个电位点，同时根据钳位支路和多电平桥臂的连接关系，钳位支路亦为同一个电位点。另一方面，所有串联电容支路的开关电容模块中，其可关断器件为关断状态，根据电路连接关系，可关断器件一端连接钳位支路，所以均为同一电位点，可关断器件另一端连接电容，而电容上的电压即为可关断器件承受的电压，与传统多电平电路每个正常开关管的电压应力相同。即以三电平电路为例，相比采用一个半桥电路置于高压侧，开关管在使用数量相同的情况下，电压应力降低了一半。
图21是本申请实施例提供的采用多旁路开关单三电平支路子模块的直流变换器的构成示意图。
图21提供的实施例，与图20提供的实施例的区别在于，图20中旁路开关承受的电压与整个串联电容支路承受的电压相同。在图21中，旁路开关承受的电压与开关电容模块的可关断器件承受的电压相同。根据旁路开关可承受的电压，选择多个旁路开关串联的方式。
图22是本申请实施例提供的采用单旁路开关两三电平支路子模块的直流变换器的构成示意图。
图22提供的实施例，与图20提供的实施例的区别在于，图20中采用了一个三电平桥臂。在图22中，采用了两个三电平桥臂。多个多电平桥臂的电路具有更大的通流能力。
图23是本申请实施例提供的采用多旁路开关两三电平支路子模块的直流变换器的构成示意图。
图23提供的实施例，与图22提供的实施例的区别在于，图22中旁路开关承受的电压与整个串联电容支路承受的电压相同。在图23中，旁路开关承受的电压与开关电容模块的可关断器件承受的电压相同。根据旁路开关可承受的电压，选择多个旁路开关串联的方式。
需要说明的是，以上参照附图描述的实施例仅用以说明本申请而非限制本申请的范围，本领域的普通技术人员应理解，在不脱离本申请的精神和范围的前提下对本申请的修改或者等同替换，均应涵盖在本申请的范围之内。此外，除上下文另有所指外，单数形式出现的词包括复数形式，反之亦然。除非特别说明，那么任何实施例的全部或一部分可结合任何其它实施例的全部或一部分来使用。

Claims (32)

1.一种变换电路，包括：
前置电路，包括：
串联电容支路，所述串联电容支路包括M个开关电容模块，M为大于等于2的自然数，所述开关电容模块包括：
电容；
第一可关断器件，与所述电容串联连接，通过所述第一可关断器件的闭合或关断，控制所述电容的充放电回路的通断；
钳位模块，除第一个所述开关电容模块之外的每个所述开关电容模块的一端连接所述钳位模块；至少一个多电平桥臂，所述多电平桥臂的电平数为M+1，所述多电平桥臂包括：
2M个串联连接的含有反并联二极管的全控型开关器件，除第M和第2M个全控型开关器件之外的每个所述全控型开关器件的负极引出一个端子，连接所述钳位模块。
2.根据权利要求1所述的变换电路，还包括至少一个直流端口和至少一个交流端口，其中，所有所述串联电容支路与所述多电平桥臂的正负两极并联连接，构成所述直流端口。
3.根据权利要求2所述的变换电路，还包括：
旁路开关，两端连接在所述直流端口的两端。
4.根据权利要求2所述的变换电路，还包括：
至少两个旁路开关，每个所述旁路开关并联连接至少一个串联连接的所述开关电容模块的两端。
5.根据权利要求1所述的变换电路，其中，第一个所述开关电容模块的第一端子悬空，除第一个所述开关电容模块之外的每个所述开关电容模块的第一端子与上一个相邻的所述开关电容模块的第二端子依次串联连接，第M个所述开关电容模块的第二端子为所述串联电容支路的负极，第一个所述开关电容模块的第三端子为所述串联电容支路的正极。
6.根据权利要求5所述的变换电路，其中，在每个所述开关电容模块中，所述开关电容模块的两端为所述第一端子和所述第二端子，所述第一端子再引出一个端子为所述第三端子。
7.根据权利要求5所述的变换电路，其中，在每个所述开关电容模块中，所述电容的两端为所述第一端子和所述第二端子，所述第一可关断器件的一端连接所述第一端子，所述第一可关断器件的另一端为所述第三端子。
8.根据权利要求5所述的变换电路，其中，所述开关电容模块还包括：
第二可关断器件，其中，在每个所述开关电容模块中，所述电容与所述第一可关断器件所在串联之路的两端，为所述第一端子和所述第二端子，所述第二可关断器件的一端连接所述第一端子，所述第二可关断器件的另一端为所述第三端子。
9.根据权利要求2所述的变换电路，其中，任意所述开关电容模块的第二端子引出一个端子，所述多电平桥臂的第M个全控型开关器件的负极引出一个端子，构成所述交流端口。
10.根据权利要求2所述的变换电路，其中，若M为偶数，选择第M/2个所述开关电容模块的第二端子引出一个端子，若M为奇数，选择第(M+1)/2或(M-1)/2个开关电容模块的第二端子引出一个端子，所述多电平桥臂的第M个全控型开关器件的负极引出一个端子，构成所述变换电路的交流端口。
11.根据权利要求1或8所述的变换电路，其中，所述可关断器件为含有反并联二极管的全控型开关器件。
12.根据权利要求1或8所述的变换电路，其中，所述可关断器件为熔断器。
13.根据权利要求1或8所述的变换电路，其中，所述可关断器件为双向全控型开关器件。
14.根据权利要求1所述的变换电路，其中，第一个所述全控型开关器件的反并联二极管的阴极为所述多电平桥臂的正极，第2M个全控型开关器件的反并联二极管的阳极为所述多电平桥臂的负极。
15.根据权利要求1所述的变换电路，其中，所述钳位模块包括：
至少M-1个串联开关支路，每个所述串联开关支路包括：至少两个串联连接的半导体开关器件，第一个半导体开关器件的正极为所述串联开关支路的正极，最后一个半导体开关器件的负极为所述串联开关支路的负极；其中，
第i个所述串联开关支路的正极，连接所述多电平桥臂的第i个全控型开关器件的负极，第i个所述串联开关支路的负极，连接所述多电平桥臂的第M+i个全控型开关器件的负极，第i个所述串联开关支路的半导体开关器件的中点引出一个端子，连接所述串联电容支路第i+1个所述开关电容模块的第三端子，1≤i≤M-1。
16.根据权利要求1所述的变换电路，其中，所述钳位模块包括：
至少M-1个串联开关支路，每个所述串联开关支路包括：至少两个串联连接的半导体开关器件，第一个半导体开关器件的正极为所述串联开关支路的正极，最后一个半导体开关器件的负极为所述串联开关支路的负极；其中，
第1个所述串联开关支路包括2个半导体开关器件，第1个所述串联开关支路的正极连接所述多电平桥臂的第M-1个全控型开关器件的负极，第1个所述串联开关支路的负极连接所述多电平桥臂的第M+1个全控型开关器件的负极；
第i个所述串联开关支路包括2i个半导体开关器件，所述串联开关支路的正极连接所述多电平桥臂的第M-i个全控型开关器件的负极，所述串联开关支路的负极连接所述多电平桥臂的第M+i个全控型开关器件的负极，所述串联开关支路的第偶数个半导体开关器件的负极引出一个端子，连接第i-1个所述串联开关支路的对应的第奇数个半导体开关器件的负极，2≤i≤M-2；
第M-1个所述串联开关支路包括2(M-1)个半导体开关器件，第M-1个所述串联开关支路的正极连接所述多电平桥臂的第1个全控型开关器件的负极，第M-1个所述串联开关支路的负极连接所述多电平桥臂的第2M-1个全控型开关器件的负极，第M-1个所述串联开关支路的第偶数个半导体开关器件的负极引出一个端子，连接第M-2个所述串联开关支路的对应的第奇数个半导体开关器件的负极，第M-1个所述串联开关支路的第奇数个半导体开关器件的负极引出一个端子，分别连接所述串联电容支路的每个所述开关电容模块的第三端子。
17.根据权利要求15或16所述的变换电路，其中，所述半导体开关器件为含有反并联二极管的全控型开关器件。
18.根据权利要求15或16所述的变换电路，其中，所述半导体开关器件为二极管。
19.根据权利要求15或16所述的变换电路，其中，所述半导体开关器件为双向全控型开关器件。
20.一种前置电路，包括：
串联电容支路，所述串联电容支路包括M个开关电容模块，M为大于等于2的自然数，所述开关电容模块包括：
电容，
第一可关断器件，通过所述第一可关断器件的闭合或关断，控制所述电容的充放电回路的通断；
其中，第一个所述开关电容模块的第一端子悬空，除第一个所述开关电容模块之外的每个所述开关电容模块的第一端子与上一个相邻的所述开关电容模块的第二端子依次串联连接，第M个所述开关电容模块的第二端子为所述串联电容支路的负极，第一个所述开关电容模块的第三端子为所述串联电容支路的正极；钳位模块，除第一个所述开关电容模块之外的每个所述开关电容模块的第三端子连接所述钳位模块。
21.一种可旁路的子模块，包括：
至少一个如权利要求1至19之任一项所述的变换电路；
隔离变压器，将所述变换电路输出的交流电压进行隔离变压；
交直变换模块，将所述隔离变压器出来的交流电变换成直流电。
22.根据权利要求21所述的子模块，还包括：
第一直流端口，所述变换电路的直流端口为所述第一直流端口；
第二直流端口，所述交直变换模块的输出直流端口为所述第二直流端口。
23.根据权利要求21所述的子模块，其中，所述隔离变压器包括：
第一绕组，连接所述变换电路的交流端口；
第二绕组，连接所述交直变换模块的交流端口。
24.根据权利要求23所述的子模块，还包括：
谐振支路，串联连接所述隔离变压器的一个绕组。
25.根据权利要求24所述的子模块，其中，所述谐振支路为电感。
26.根据权利要求24所述的子模块，其中，所述谐振支路为串联连接的电感和电容。
27.一种可旁路的直流变换器，包括：
N个如权利要求21至26之任一项所述的可旁路的子模块，N为大于等于1的自然数。
28.根据权利要求27所述的直流变换器，其中，所述直流变换器为输入串联输出并联结构，包括：
第一公共端口，所述子模块的第一直流端口串联连接，两端构成所述第一公共端口；
第二公共端口，所述子模块的第二直流端口并联连接，两端构成所述第二公共端口。
29.根据权利要求27所述的直流变换器，其中，所述直流变换器为输入串联输出串联结构，包括：
第一公共端口，所述子模块的第一直流端口串联连接，两端构成所述第一公共端口；
第二公共端口，所述子模块的第二直流端口串联连接，两端构成所述第二公共端口。
30.一种如权利要求27至29之任一项所述可旁路的直流变换器的启动控制方法，包括：
通过外部预充电电路为所有可旁路的子模块的开关电容模块的电容充电；
解锁所有开关电容模块的全控型开关器件；
解锁多电平桥臂，通过隔离变压器和谐振支路为交直变换模块充电；
解锁交直变换模块，直流变换器进入正常工作状态。
31.一种如权利要求27至29之任一项所述可旁路的直流变换器的旁路控制方法，所述直流变换器中，需要旁路的可旁路的子模块的开关电容模块的可关断器件为全控型开关器件时，所述旁路控制方法包括：
闭锁所述需要旁路的所述子模块的交直变换模块；
闭锁所述需要旁路的所述子模块的所有开关电容模块的全控型开关器件；
导通所述需要旁路的所述子模块的所有多电平桥臂的全控型开关器件；
闭合所述需要旁路的所述子模块的所有旁路开关；
闭锁所述需要旁路的所述子模块的所有多电平桥臂的全控型开关器件。
32.一种如权利要求27至29之任一项所述可旁路的直流变换器的旁路控制方法，所述直流变换器中，需要旁路的可旁路的子模块的开关电容模块的可关断器件为熔断器时，所述旁路控制方法包括：
闭锁所述需要旁路的所述子模块的交直变换模块；
导通所述需要旁路的所述子模块的所有多电平桥臂的全控型开关器件；
所述需要旁路的所述子模块的所有开关电容模块的电容放电，导致熔丝熔断；
闭合所述需要旁路的所述子模块的所有旁路开关；
闭锁所述需要旁路的所述子模块的所有多电平桥臂的全控型开关器件。
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