專利名稱：多電平整流的t型變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種整流電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，特別涉及一種可以實(shí)現(xiàn)整流的多電平變換器的拓 撲結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
兩電平變換器電路在鐵路，工業(yè)等各個領(lǐng)域有著十分廣泛的應(yīng)用，然后在高壓領(lǐng)域的應(yīng) 用中，兩電平變換器由于受到器件耐壓的限制，必須通過變壓器與高壓電網(wǎng)相連，笨重的工 頻變壓器大大增加了電力電子變換裝置的成本和體積。
目前，在現(xiàn)有的多電平變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，隨著電平數(shù)量的增多，所需的半導(dǎo)體器件
的數(shù)量急劇增加；隨著電平數(shù)增加，各個電容電壓不容易平衡是現(xiàn)有多電平結(jié)構(gòu)中常見的問 題，使得多電平在實(shí)際使用中有一定的限制。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是解決傳統(tǒng)兩電平及傳統(tǒng)多電平變換器在高壓領(lǐng)域應(yīng)用的 局限性，可以實(shí)現(xiàn)無需工頻變壓器，提供了一種可直接應(yīng)用于高壓整流，提高交流電壓電流 波形質(zhì)量的新的多電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下
通過電容Cn、 CT2……Cw、 CTk， CB1、 CB2……CBk.,、 Cek共2k個電容構(gòu)成T型變換 器的縱軸；通過Sp S2……Sw、 Sk共k個雙向可控開關(guān)構(gòu)成T型變換器的橫軸；其中S,、 Si+1
(i=l，2……k-l，以下i的定義相同)之間的節(jié)點(diǎn)Di和(^,、 CT(^的節(jié)點(diǎn)Dn之間是由二極管 STkl， STk2……S^pk)構(gòu)成從橫軸流向縱軸的單向整流支路，在節(jié)點(diǎn)D,和Ce,與C,
(i=l,2……k-l)的節(jié)點(diǎn)Dsi之間有一反方向的單向支路，該支路是由二極管S配，SBk2……
SBk,構(gòu)成從縱軸流向橫軸的單向整流支路；橫軸的雙向可控開關(guān)s,的兩個端子中，有一個端
子與S2相連，另一端子與縱軸電容的中點(diǎn)D。相連。
通過增加橫軸上的雙向可控開關(guān)、縱軸上的電容、單向整流支路數(shù)量，可以增加變換器
的電平數(shù)。sk、 cTk、 cBk、 sTkl， sTk2……sTk(2k)、 sBkl， sBk2……s挑(2k)是同時出現(xiàn)，并按上
—MMfi^的連接方式接入到T型的三個端iU:，即可提高其電平數(shù)。單相交流電源或者單相交流負(fù)載的一端通過雙向可控開關(guān)以及支路與電容各個節(jié)點(diǎn)相 連，另一端直接與電容中點(diǎn)相連或者通過對稱的相同數(shù)量和結(jié)構(gòu)的雙向可控開關(guān)以及支路與 電容各個節(jié)點(diǎn)相連。
三相以及多相交流電源或者三相以及多相交流負(fù)載可以采用單相電路結(jié)構(gòu)進(jìn)行組合，滿 足三相以及多相運(yùn)行的要求。 本發(fā)明的有益效果
與傳統(tǒng)的通用型多電平變換器相比，本發(fā)明所提出的多電平的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)用的半導(dǎo)體器件 數(shù)量大大減少；由于拓展性好，電路很容易可以增加電平數(shù)，容易實(shí)現(xiàn)更高的電平方案，避 免傳統(tǒng)的在高壓應(yīng)用中采用工頻變壓器的方案，提高效率和性價比。


圖1為一個橋臂的電路原理圖。
圖2為雙向開關(guān)單元Sk的構(gòu)成的示例。
圖3為T形結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4為單相整流電路原理圖。
圖5為擴(kuò)展對稱橫軸后的單相整流電路原理圖。
圖6為三相或者多相系統(tǒng)的電路結(jié)構(gòu)圖。
具體實(shí)施例方式
結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步說明
圖l為單個橋臂的電路原理圖，通過Cn、 CT2……Ctw、 CTk， CB1、 CB2……C股.p CBk 共2k個電容構(gòu)成T型變換器的縱軸；通過S,、 S2……Sk.,、 Sk共k個雙向可控開關(guān)構(gòu)成T
型變換器的橫軸，雙向可控開關(guān)可以通過兩個IGBT反向串聯(lián)或者其他可實(shí)現(xiàn)雙向開關(guān)功能 的半導(dǎo)體器件及其拓?fù)潆娐穼?shí)現(xiàn)。
雙向開關(guān)Si、 Si+1 (i=l，2……k-1)之間的節(jié)點(diǎn)Di和電容CT,、 CTi+1 (i=l,2……k-l)之 間的節(jié)點(diǎn)DTi之間是由單向開關(guān)S^、 STk2……STk,構(gòu)成從橫軸流向縱軸的單向整流支路，在 節(jié)點(diǎn)Dj和Cei與Ce(i+D (i=l，2……k-1)的節(jié)點(diǎn)DBi之間有一反方向的單向整流支路，該支路是由單向開關(guān)S配、SBk2……s叫2k)構(gòu)成從縱軸流向橫軸的單向整流支路。
橫軸的雙向可控開關(guān)S,的兩個端子中，有一個端子與S,相連，另一端子與縱軸電容的中
點(diǎn)Dq相逢。進(jìn)行電平擴(kuò)展時，Sk、 CTk、 CBk、 STkl、 STk2……STk(2k)、 SBkl、 SBk2……Sb,同
時出現(xiàn)，并按上述所描述的連接方式接入到T型的三個端點(diǎn)上。按上述方式，通過增加橫軸 上的雙向可控開關(guān)，縱軸上的電容、單向整流支路，可提高變換器的電平數(shù)。
假設(shè)每個電容兩端的電壓為U ,首先分析電流從交流側(cè)向直流側(cè)流動時交流端的電壓。 當(dāng)橫軸上的所有雙向開關(guān)S,、 S2……Sk.,、 Sk都處于關(guān)斷狀態(tài)時，電流經(jīng)過S,kpk)……STkl
的反并聯(lián)二極管流向電容CTk的正極，交流側(cè)輸出的電壓為kU。
開通雙向開關(guān)的Skl管，使電流由交流側(cè)向直流側(cè)流動，則電流經(jīng)過Sk 、
ST(k.1X2k.2)……S^,流向電容CT(k.d的正極，交流側(cè)的電壓為(k-1) U。
依此類推，依次開通雙向開關(guān)的Si,管，使交流側(cè)的電壓為(k-2)U，……2U， U， 0。 圖2為開關(guān)Sk的構(gòu)成的示例，僅給出了兩種構(gòu)成方式。通過可控器件及其拓?fù)潆娐愤M(jìn)行
組合，或通過與其他不可控器件一起構(gòu)成雙向可控開關(guān)。通過將圖2中的I^和I^端子與Sk
的兩個引出端子對接替換，即可構(gòu)成完整的開關(guān)。
圖3為T形結(jié)構(gòu)示意圖，其中節(jié)點(diǎn)D。是橫軸與縱軸的交點(diǎn)。DT1、 Dn……Dik及Dw、
DB2……DBk構(gòu)成縱軸，D。、 D,……Dk構(gòu)成橫軸。在實(shí)際電路中，橫軸上的節(jié)點(diǎn)之間由雙向
開關(guān)連接，Dk和Dw之間的雙向開關(guān)是S"縱軸上的節(jié)點(diǎn)之間由電容進(jìn)行連接，Dn和D^.d
之間的電容是CTk ， DBk和D^.d之間的電容是CBk 。
圖4為單相整流時的電路結(jié)構(gòu)圖，單相交流電源一端通過雙向可控開關(guān)以及支路與電容 各個節(jié)點(diǎn)相連，另一端直接與電容中點(diǎn)O直接相連。
圖5為擴(kuò)展對稱橫軸后的單相整流電路原理圖，單相交流電源或者單相交流負(fù)載的一端 通過雙向可控開關(guān)以及支路與電容各個節(jié)點(diǎn)相連，另一端以相同的電路結(jié)構(gòu)形式與電容中點(diǎn) 相連。與圖3所示的電路結(jié)構(gòu)相似，可以用相同的控制方法來實(shí)現(xiàn)電能控制。
圖6為三相或者多相系統(tǒng)的電路結(jié)構(gòu)示意圖。每一相的電源的一端通過本發(fā)明提出的橋 臂電路與電容的各個節(jié)點(diǎn)相連，電源的另一端連接與一點(diǎn)?；蛘邔㈦娫催M(jìn)行三角形連接。
權(quán)利要求
1. 多電平整流的T型變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其特征在于通過電容CT1、CT2……CT(k-1)、CTk及CB1、CB2……CB(k-1)、CBk(k為一個正整數(shù)常數(shù)，下同)共2k個電容串聯(lián)構(gòu)成T型變換器的縱軸；雙向開關(guān)S1、S2……Sk-1、Sk構(gòu)成T型變換器的橫軸；雙向開關(guān)Si、Si+1(i＝1，2……k-1，以下i的定義相同)之間的節(jié)點(diǎn)Di和CTi、CT(i+1)的節(jié)點(diǎn)DTi之間有一條支路，是由單向開關(guān)STi1，STi2……STi(2i)構(gòu)成從橫軸流向縱軸的單向整流支路，在節(jié)點(diǎn)Di和CBi與CB(i+1)間的節(jié)點(diǎn)DBi之間有另一支路，該支路是由單向開關(guān)SBi1，SBi2……SBi(2i)構(gòu)成從縱軸流向橫軸的單向整流支路，與前述的整流支路的方向相反；Sk作為T型橫軸的最后一個開關(guān)，其一端與Sk-1相連，另一端是交流端，通過電感接到交流電源的輸出端，并同時通過兩條支路與縱軸相連，其中一條是通過STk1、STk2……STk(2k)構(gòu)成從橫軸流向縱軸的單向整流支路與CTk的正極相連，另一條是通過SBk1、SBk2……SBk(2k)構(gòu)成從縱軸流向橫軸的單向整流支路與CBk的負(fù)極相連；橫軸的雙向可控開關(guān)S1的兩個端子中，有一個端子與S2相連，另一端子與縱軸電容的中點(diǎn)D0相連；在擴(kuò)展電平時，Sk、CTk、CBk、STk1，STk2……STk(2k)、SBk1，SBk2……SBk(2k)同時出現(xiàn)，并按上述所描述的連接方式接入到T型的三個端點(diǎn)上；按上述方式，通過增加橫軸上的雙向可控開關(guān)，縱軸上的電容以及橫軸與縱軸之間的支路數(shù)量，來增加變換器的電平數(shù)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的多電平整流的T型變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其特征在于交流電源的一端經(jīng)電感后，通過T型拓?fù)涞臋M軸與電容中點(diǎn)相連。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的多電平整流的T型變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其特征在于交流電源的另一端接地，或與T型縱軸的電容中點(diǎn)相連，或以同樣的開關(guān)形式，通過以電源為中心對稱 延長橫軸，并增加單向支路與相應(yīng)的縱軸節(jié)點(diǎn)相連；在對稱延長橫軸的情況下，電源端的兩 個對稱電感可以用單個電感替代。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的多電平整流的T型變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其特征在于該拓?fù)渲袡M 軸上的雙向開關(guān)可以有多種構(gòu)成形式，通過可控器件如MOSFET、 IGBT等與其他半導(dǎo)體器 件構(gòu)成雙向可控的開關(guān)單元；因此，Sk有許多種組成形式，可以通過兩個IGBT反向串聯(lián)或者其他可實(shí)現(xiàn)雙向開關(guān)功能的半導(dǎo)體器件及其拓?fù)潆娐穼?shí)現(xiàn)，例如Mkl和Mk2組成對管結(jié)構(gòu)，Mk與Dk,、 D。、 Dk3、 D^構(gòu)成的雙向結(jié)構(gòu)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的多電平整流的T型變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其特征在于整流支路上 的多個串聯(lián)二極管，根據(jù)電壓、電流的需要，可以由單只器件實(shí)現(xiàn)或多器件串并聯(lián)實(shí)現(xiàn)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的多電平整流的T型變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其特征在于原則上要求 T型變換器縱軸上電容的容量等參數(shù)應(yīng)一致，但根據(jù)實(shí)際情況可以有不同的情況；T型變換 器縱軸上的每個電容，可以是單個電容器構(gòu)成，也可以是多個電容器串并聯(lián)構(gòu)成。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的多電平整流的T型變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其特征在于多相拓?fù)潆?路的組成方式如下——共用T型變換器電容縱軸，按前述方式增加開關(guān)的橫軸和支路，可得 到j(luò)(j-l,2，3,……，j為l時，Dkj等同于Dk，下同)個橫軸及其交流側(cè)節(jié)點(diǎn)Dk; j為l時，把前述的中性點(diǎn)iV與中點(diǎn)D。直接連接就構(gòu)成單相電路；j為2時，把節(jié)點(diǎn)Dk,與D^連接電源的兩端也構(gòu)成單相電路。j(2 3時)個交流側(cè)節(jié)點(diǎn)M&與j相電源系統(tǒng)相連接就構(gòu)成j相電路。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種可實(shí)現(xiàn)整流變換的多電平T型變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其特征在于通過電容C_T1、C_T2……C_Tk-1、C_Tk，C_B1、C_B2……C_Bk-1、C_Bk共2k個電容構(gòu)成T型變換器的縱軸；通過S₁、S₂……S_k-1、S_k共k個雙向可控開關(guān)構(gòu)成T型變換器的橫軸；S_i、S_i+1(i＝1，2……k-1)之間的節(jié)點(diǎn)D_i和C_Ti、C_Ti+1(i＝1，2……k-1)的節(jié)點(diǎn)D_Ti之間是有一條支路，是由S_Tk1，S_Tk2……S_Tk(2k)構(gòu)成從橫軸流向縱軸的單向整流支路，在節(jié)點(diǎn)D_i和C_Bi與C_Bi+1(i＝1，2……k-1)間的節(jié)點(diǎn)D_Bi之間有另一支路，該支路是由S_Bk1，S_Bk2……S_Bk(2k)構(gòu)成從縱軸流向橫軸的單向整流支路，其方向與前述的支路相反；橫軸的雙向可控開關(guān)S₁的一端與縱軸電容的中點(diǎn)相連。擴(kuò)展開關(guān)管、電容及整流支路可增加電平數(shù)；通過單相電路組合，可應(yīng)用于多相的系統(tǒng)。本發(fā)明容易提高變換器的電平數(shù)，克服現(xiàn)有方案的電容不均壓及器件數(shù)量大的缺點(diǎn)。
文檔編號H02M7/217GK101425760SQ20081011883
公開日2009年5月6日 申請日期2008年8月25日 優(yōu)先權(quán)日2008年8月25日
發(fā)明者湖 孫, 張立偉, 飛 林, 游小杰, 賀明智, 鄭瓊林, 黃先進(jìn) 申請人:北京交通大學(xué)