CN1477778A - 分层叠加式电压型多电平电路拓扑结构 - Google Patents

Abstract

分层叠加式电压型多电平电路拓扑结构属于多电平电路拓扑技术领域，其特征在于：它由多个相同的二极管箝位式或电容箝位式多电平电路叠加而成，其输出电压电平数与叠加层数和横向单元数有关，而耐压能力仅与横向单元数有关。在相邻两层二极管箝位式或电容箝位多电平电路之间，有一共用支路，其相邻两层的开关器件在共用支路上是反向串联的，在输出多电平的同时又提高了各层电路的耐压能力，从而使各开关器件的成本下降。

Description

分层叠加式电压型多电平电路拓扑结构

技术领域：

本发明涉及多电平电路拓扑结构，属多电平电路拓扑领域。

背景技术：

相对于普通两电平电路(基本电路结构见图1)，多电平电路是指输出电压的电平数N大于2(称为N电平逆变器)。多电平逆变器具有以下优点：

1、输出电压更加接近正弦，电压谐波含量小。

2、输出电压dv/dt小，对负载(比如电机)的绝缘影响小，同时大大降低电磁干扰的水平。

3、以低耐压水平的单管构成高压系统，解决高压系统的单管耐压问题但不需要额外的变压器，大大减小系统的体积。

多电平电路拓扑结构种类很多，从输出电源类型上可以分为电压型和电流型，其中电压型的多电平逆变器应用非常广泛。本发明属于电压型多电平电路。

典型的多电平电路包括二极管钳位式、电容钳位式，见图2、图3所示。其他的已经出现的多电平拓扑结构基本上都是在这些多电平电路的基础上发展出来的。

以二极管箝位式和电容箝位式多电平为例，简要介绍其工作原理：

1、二极管箝位式(见图2)：

单相全桥5电平二极管箝位电路，直流侧有4个电容。设直流侧电压为Vdc，则每个电容的电压为Vdc/4，箝位二极管的作用是使每个开关器件的耐压保持为一个直流侧电容的电压水平。通过开关组合，输出为5种电平的组合。下面以a点为例具体解释如何输出阶梯型的多电平(设直流侧电位的最低点：0，为输出参考点)：

(1)开通所有上半桥开关Sa1、Sa2、Sa3、Sa4，输出电压为Va0＝Vdc。

(2)开通开关Sa2、Sa3、Sa4、Sa’1，输出电压为Va0＝3Vdc/4。

(3)开通开关Sa3、Sa4、Sa’1、Sa’2，输出电压为Va0＝2Vdc/4。

(4)开通开关Sa4、Sa’1、Sa’2、Sa’3，输出电压为Va0＝Vdc/4。

(5)开通开关Sa’1、Sa’2、Sa’3、Sa’4，输出电压为Va0＝0。

二极管箝位式电路的特点：

1)、嵌位二极管数目多。尽管主开关器件只要承受一个直流电容的电压(直流电压的M-1分之一)，但箝位二极管的需承受不同的反相电压。如若Sa’1~Sa’4开通，Da’1与Da3需要承受3Vdc/4，同时，Da2与Da’2需要承受2Vdc/4，Da1与Da’3只要承受Vdc/4。假设每个箝位二极管都选用与主开关器件同样的耐压，则每相需要的箝位二极管的个数为(M-1)×(M-2)。这个数字随电平级数的增加而快速增加，因此这种电路在实际的应用中的输出电平级数不可能很高，一般被限制在7或9级。

2)、主开关器件的需要电流容量不相等。从表2-1可以看出，各个开关的导通是不对称的，越靠近中间导通的时间越长，则电流容量越大。

3)、电容电压不平衡。由于各级电容参与输出的时间不同，则在工作中电压会出现不平衡。对于输出功率因数为0的情况，各级电容在半个输出周期内自行平衡其电压[5]。但对于有有功输出的情况下，如果不对其进行平衡，将严重影响电路的工作。

2、电容箝位式(见图3)：

电容箝位式3电平全桥电路的结构图。两条桥臂的结构完全一样，其中每条桥臂有三层平衡电容。若所有的电容的容量相同，并且与主开关有相同的耐压，则M级电平需要M-1个直流侧电容。相对于二极管箝位式，电容嵌位式有更大的灵活性。以图3中Va为例，其输出有以下几种情况：(1)当Va＝Vdc，开通上半臂开关Sa1～Sa4。(2)当Va＝3Vdc/4，有三种组合：

(a)、开通Sa1、Sa2、Sa3、Sa’1(Va0＝Vdc-Vdc/4)。

(b)、开通Sa2、Sa3、Sa4、Sa’4(Va0＝3Vdc/4)。

(c)、开通Sa1、Sa3、Sa4、Sa’3(Va0＝Vdc-3Vdc/4+Vdc/2)。(3)当Va＝Vdc/2，有6种开关组合：

(a)、开通Sa1、Sa2、Sa’1、Sa’2(Va0＝Vdc-Vdc/2)。

(b)、开通Sa3、Sa4、Sa’3、Sa’4(Va0＝Vdc/2)。

(c)、开通Sa1、Sa3、Sa’3、Sa’1(Va0＝Vdc-3Vdc/4+Vdc/2-Vdc/4)。

(d)、开通Sa1、Sa4、Sa’2、Sa’3(Va0＝Vdc-3Vdc/4+Vdc/4)。

(e)、开通Sa2、Sa’2、Sa4、Sa’4(Va0＝3Vdc/4-Vdc/2+Vdc/4)。

(f)、开通Sa2、Sa3、Sa’1、Sa’4(Va0＝3Vdc/4-Vdc/4)。(4)当Va＝Vdc/4，有三种组合

(a)、开通Sa1、Sa’2、Sa’3、Sa’4(Va0＝Vdc-3Vdc/4)。

(b)、开通Sa4、Sa’2、Sa’3、Sa’4(Va0＝Vdc/4)。

(c)、开通Sa3、Sa’1、Sa’3、Sa’4(Va0＝Vdc/2-Vdc/4)。(5)当Va＝0，开通所有下半臂Sa’4～Sa’1。电容箝位式电路的特点：

电容箝位式最大的问题是需要大量的箝位电容。如果电容的耐压与主开关相同，对于M级电平电路，除去直流侧的M-1个电容外每相还需要(M-1)×(M-2)/2个辅助电容。而二极管箝位电路只要M-1个电容。对于电容平衡的问题，可以用输出相同电压不同开关组合对电容进行冲放电来解决，但是由于电容太多，如何选择开关组合将非常复杂，并要求较高的频率。

其他的多电平电路的工作原理不再赘述，总之都是通过一定方式的电路开关组合输出要求的电平。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种在满足输出多电平的条件下能有效地降低器件耐压水平，从而降低装置成本地分层叠加式电压型多电平电路拓扑结构。

本发明的特征在于：它由多个相同的二极管箝位式多电平电路叠加而成，它的输出电平总数为(m-1)×n+1，n为层数，m为每层输出电平数，在相邻两层二极管箝位式多电平电路的共用支路上，各自的开关器件是反向串联的。通过增加所述的各层二极管箝位式多电平电路中横向的单元数既能提高耐压又能增加输出电平数。

本发明的特征还在于：它由多个相同的电容箝位式多电平电路叠加而成，它的输出电平总数为n×p+1，n为层数，p为一层的单元数，在相邻两层的电容箝位式多电平电路的共用支路上，各自的开关器件是反向串联的。通过增加所述的各层电容箝位式多电平电路中各单元的外层开关器件数来降低器件耐压等级的要求。把所述的各层电容箝位式多电平电路最后一级电路改为二极管箝位式电路。

实验证明：本发明在输出多电平的同时还能降低对器件耐压等级的要求。

附图说明：

图1为普通两电平逆变器电路结构。

图2为二极管钳位式多电平电路(5电平)。

图3电容钳位式多电平电路(5电平)。

图4层叠式二极管箝位五电平电路(其中4.1为不考虑耐压原理示意图，4.2为考虑耐压后的原理图)。

图5为层叠式二极管钳位五电平电路输出电压仿真波形图。

图6为层叠式电容箝位多电平电路(其中6.1为不考虑耐压原理示意图，6.2为考虑耐压后的原理图)。

图7为层叠式电容钳位多电平改进电路。

图8为三层层叠式二极管箝位式多电平电路拓扑结构。

图9为三层层叠式电容箝位式多电平电路拓扑结构。

具体实施方式：

本发明提出的多电平电路的突出特点(创新点)是分层叠加式结构，所谓分层叠加式结构是指将同样的多电平电路(二极管钳位式、电容钳位式)叠加起来(见示意图4、图6、图7)。这种分层叠加的结构与现在存在的其它的多电平电路都不同。它将每层电路的耐压降为总电压的1/M(M为叠加层数)，有效地降低了器件耐压等级从而降低装置成本。

1、层叠式二极管钳多电平电路(见附图4)：

该电路由两个三电平电路层叠而成，其中S_a11、S_a12、S_a13、S_a14和D_a11、D_a12构成了第一层(stage1)，而S_a21、S_a22、S_a23、S_a24和D_a21、D_a22构成了第二层(stage2)。

当第一层工作时，第二层中S_a21、S_a22保持一直导通，S_a23、S_a24保持截止，可以输出E/2、E/4、0三种电平。电路具体工作情况如下：

S_a11、S_a12导通，S_a13、S_a14截止：Va＝E/2。

S_a12、S_a13导通，S_a11、S_a14截止：Va＝E/4。

S_a13、S_a14导通，S_a11、S_a12截止：Va＝0。

当第二层工作时，第一层中S_a13、S_a14保持一直导通，S_a11、S_a12保持截止，可以输出0、-E/2、-E/4三种电平。电路具体工作情况如下：

S_a21、S_a22导通，S_a23、S_a24截止：Va＝0。

S_a22、S_a23导通，S_a21、S_a24截止：Va＝-E/4。

S_a23、S_a24导通，S_a21、S_a22截止：Va＝-E/2。

因此可以构成一个五电平输出拓扑结构。通过增加层数，很容易就可以实现更多的电平输出(输出电平数为(m-1)×n+1个电平，n为层数，m为一层的输出电平数)。值得注意的是，对于层叠式多电平结构，通过增加单元数(横向)既可以提高耐压又可以增加输出电平，而增加层数(纵向)只能增加电平数。

同时，由于层叠式的电路结构，将总的直流电压分割由为多个三电平电路构成，与普通二极管钳位式电路相比可以节省钳位二极管的个数。其输出电压的仿真波形图见图5所示。

三层层叠的二极管箝位式的多电平拓扑结构见附图8所示，其工作原理与上面所述的两层叠加的二极管箝位式电路相同。具体情况如下：

当第一层工作时，S_a21，S_a22保持导通，S_a23、S_a24、S_a31、S_a32、S_a33、S_a34保持截止。则：

S_a11、S_a12导通，S_a13、S_a14截止：Va＝3E/4。

S_a12、S_a13导通，S_a11、S_a14截止：Va＝E/2。

S_a13、S_a14导通，S_a11、S_a12截止：Va＝E/4。

当第二层工作时，S_a14、S_a13、S_a31、S_a32保持导通，S_a11、S_a12、S_a13、S_a14、S_a33、S_a34保持截止。则：

S_a21、S_a22导通，S_a23、S_a24截止：Va＝E/4。

S_a22、S_a23导通，S_a21、S_a24截止：Va＝0。

S_a23、S_a24导通，S_a21、S_a22截止：Va＝-E/4。

当第三层工作时，S_a24、S_a23保持导通，S_a11、S_a12、S_a13、S_a14、S_a21、S_a22保持截止。则：

S_a31、S_a32导通，S_a33、S_a34截止：Va＝-E/4。

S_a32、S_a33导通，S_a21、S_a24截止：Va＝-E/2。

S_a33、S_a34导通，S_a31、S_a32截止：Va＝-3E/4。共输出7种电平。

2、层叠式电容钳位多电平电路(见附图6、附图9)：

在图6所示拓扑中，直流母线电压为E，使用2个电路层叠(Stage1和Stage2)，每一层由三个单元组成一个四电平电容箝位电路。该拓扑工作时，其中每个单元中的两个开关器件互锁(例如开关A3E2和B3E2互锁)。箝位电容CiEj上的电压为Vc_iEj＝(i×E)/(n×p)，其中n为层数，p为一层的单元数，i＝1，2，...，p-1，j＝1，2，...，n。总的输出电平数为n×p+1，则图6所示拓扑一相可以输出7个电平。

在附图9中，使用三个电路层叠(Stage1、Stage2、Stage3)，每一层同样由三个单元组成一个四电平电容箝位电路。与图6相同，该电路中每个单元的两个开关器件互锁。其工作状况与图6相似。

显然，当电压等级相同时，由于层叠式变流器中电容电压降低了一半，总的电容数反而减少了；并且层叠技术使得变流器中储存的能量减少，减少量和层叠的层数成正比，因此层叠式变流器可以使用更小体积的电容，进一步减少了装置的体积。此外层叠数目越多，输出电平数也越多，大大改善了输出电压的波形。

3、改进型层叠式电容钳位多电平电路(见附图7)

对电容钳位的层叠式结构作一些改进可以节省开关器件，见图7所示。此改进电路是在层叠式电容钳位式电路的基础之上将最后一级的电路改为二极管钳位式，这样可以节省两只主开关管。

4、器件耐压

无论是二极管钳位的层叠式结构还是电容钳位式的层叠结构，由于层叠的原因，外层器件(图4中的S_a11、S_a12、S_a23、S_a24，图6中的A3E2、A2E2、A1E2、B3E1、B2E1、B1E1)的耐压是里层器件(除了外层器件的其他器件)的耐压的两倍。以层叠式二极管钳位电路为例：当输出电压为E，则S_a11、S_a12导通、其他所有开关管关闭，所有钳位二极管截止，则S_a23、S_a24一起承受反向耐压E，所以每个承受E/2的反向耐压，所以需要耐压为E/4的管子两个串联使用。同样可以得到S_a11、S_a12的耐压要求也是E/2。对于电容钳位的层叠式结构有同样的结论。

本发明的实现与其他的多电平电路拓扑的实现没有大的差别。输入侧为直流电源，输出为可控的交流(直流)电源。可以作为DC-AC逆变器、AC-DC变换器和DC-DC变换装置的主电路。

Claims (5)

1.分层叠加式电压型多电平电路拓扑结构，含有二极管箝位式多电平电路，其特征在于：它由多个相同的二极管箝位式多电平电路叠加而成，它的输出电平总数为(m-1)×n+1，n为层数，m为每层输出电平数，在相邻两层二极管箝位式多电平电路的共用支路上，各自的开关器件是反向串联的。

2.根据权利的要求1所述的分层叠加式电压型多电平电路拓扑结构，其特征在于：通过增加所述的各层二极管箝位式多电平电路中横向的单元数既能提高耐压又能增加输出电平数。

3.分层叠加式电压型多电平电路拓扑结构，含有电容箝位式多电平电路，其特征在于：它由多个相同的电容箝位式多电平电路叠加而成，它的输出电平总数为n×p+1，n为层数，p为一层的单元数，在相邻两层的电容箝位式多电平电路的共用支路上，各自的开关器件是反向串联的。

4.根据权利要求3所述的分层叠加式电压型多电平电路拓扑结构，其特征在于：通过增加所述的各层电容箝位式多电平电路中各单元的外层开关器件数来降低器件耐压等级的要求。

5.根据权利要求3所述的分层叠加式电压型多电平电路拓扑结构，其特征在于：把所述的各层电容箝位式多电平电路最后一级电路改为二极管箝位式电路。

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