專利名稱：多電平t型變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的簡化方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于電路設(shè)計技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種多電平T型變換器拓?fù)浣Y(jié) 構(gòu)的簡化方法。
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，然而在 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)或者負(fù)載相連，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。
相對于普通的兩電平電路，多電平電路是指輸出電壓的電平數(shù)N大于2 的變換器。多電平變換器具有以下優(yōu)點
1. 交流側(cè)輸出的電壓波形更加接近于正弦，電壓諧波含量小。
2. 交流側(cè)輸出的電壓的血^小，對負(fù)載(比如電機)的絕緣影響小，同時 大大降低了電磁干擾的水平。
3. 以低耐壓水平的單管構(gòu)成高壓系統(tǒng)，解決高壓系統(tǒng)的單管耐壓問題但不 需要額外的變壓器，大大減小了系統(tǒng)的體積。
在申請人為北京交通大學(xué)，申請?zhí)枮?00810118835. 1，名稱為多電平整流 的T型變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的專利申請中，提出了T型多電平整流電路，使得多電
平變換器更容易拓展，且元器件數(shù)目比傳統(tǒng)的多電平變換器更少，降低了其成本。
在申請人為北京交通大學(xué)，申請?zhí)枮?00810118834.7，名稱為可實現(xiàn)整流和逆變的多電平T型變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的專利申請中，提出了雙向T型多電平 電路，可實現(xiàn)多電平的整流及逆變功能。
圖1是可實現(xiàn)整流和逆變的多電平T型變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，圖1中，電容Q 、
Cr2、、 C"w)、 C^及C別、C'fi2、、 C雖—d、 C股U為一個常數(shù)，根據(jù)
電平數(shù)的需要而定)，共2&個電容串聯(lián)構(gòu)成T型變換器的縱軸；雙向開關(guān)&、
S2、……、&構(gòu)成丁型變換器的橫軸；雙向開關(guān)S,與S^ ("l，U-O
連接構(gòu)成的節(jié)點和^與^(,.+1)連接構(gòu)成的節(jié)點7;之間有一正向的單向可控開關(guān)
支路&，單向可控開關(guān)支路&,上串聯(lián)2)a'個單向可控開關(guān)&、 g。、……、《一， 其中，/ = 1,2,...,*-1。雙向開關(guān)S,與《+, G = l，2,...,"l)連接構(gòu)成的節(jié)點和Q與 G(,+d連接構(gòu)成的節(jié)點A之間有一反向的單向可控開關(guān)支路&,，反向的單向可 控開關(guān)支路&,上串聯(lián)2x/個反向的單向可控開關(guān)《、&、……、《+，其中， ,'=l,2,...,/t-l。雙向可控開關(guān)S—端與&相連，另一端與電容&,和^1連接構(gòu)成
的節(jié)點O(也稱中點)相連接；雙向可控開關(guān)&一端與Sw相連，另一端與交流側(cè)
通過電感L與交流側(cè)相連，且交流側(cè)的另一端與中點相連。
與傳統(tǒng)的電路相比，T型變換器可以用更少的器件實現(xiàn)同樣的電平變換， 但上述T型變換器拓?fù)?，可以更進一步優(yōu)化。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，對可實現(xiàn)整流和逆變的多電平T型變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 進行優(yōu)化，在不改變電路功能和不改變電路中各元器件參數(shù)的情況下，省掉部 分器件。
4本發(fā)明的技術(shù)方案是， 一種多電平T型變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的簡化方法，其特
征是所述簡化方法為，依次對yfc層多電平T型變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的第A、
"1、……、/t-m + l層進行簡化，當(dāng)Lm + l&、/t時，對第Z層可控支路5V,，保 留可控支路^兩端各2x("z' + l)個可控開關(guān)《、々、……、S，-'")"和W)。、 W,、……、^-2(4—且在靠近多電平T型變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)縱軸的一端， 將^"'+1)。不與《(4-'"),相連的一端通過加入可控開關(guān)^與第/-1層的可控開關(guān)
&^,、竭sr"+'。的節(jié)點相連，并在該節(jié)點至電容G、 C,(,^的節(jié)點間加入可控
開關(guān)《11、《2、……、S，-'+"且可控開關(guān)《、《,11、 Sf 、……、'+1)的可控 電流方向是從電容C,,的一端流向電容CT,與Cn,—)的節(jié)點；第/層可控支路中， 在靠近多電平T型變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)橫軸的一端，將《'-2(A-'+1)*不與^'-2("+1)"]°相
連的一端通過加入可控開關(guān)與第/-1層的可控開關(guān)巧仁『、《"廣'")-2]。的
節(jié)點相連，且可控開關(guān)《2的可控電流方向是從雙向開關(guān)SM經(jīng)過可控支路d
流向雙向開關(guān)S,;去掉可控開關(guān)S2、 ^與第Z層可控支路^交點之間的支路；
各層簡化完成后，以多電平T型變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的橫軸為對稱軸，對多電 平T型變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的上半部分做鏡像，得到多電平T型變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的
下半部分電路，最終形成完整的簡化后的多電平T型變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。 所述m是小于等于2W7的正整數(shù)。
本發(fā)明的效果在于，通過對多電平T型變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，節(jié)省 了T型變換器電路的元器件，降低電路成本。


圖1是可實現(xiàn)整流和逆變的多電平T型變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖。圖2是m = 1時經(jīng)過簡化的多電平T型變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖。 圖3是^^2時經(jīng)過簡化的多電平T型變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖。 圖4是附=3時經(jīng)過簡化的多電平T型變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖。
圖5是實現(xiàn)本發(fā)明中的單向開關(guān)的示意圖。 圖6是雙向開關(guān)的構(gòu)成的示例圖。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖，對優(yōu)選實施例作詳細(xì)說明。應(yīng)該強調(diào)的是，下述說明僅 僅是示例性的，而不是為了限制本發(fā)明的范圍及其應(yīng)用。
圖1是可實現(xiàn)整流和逆變的多電平T型變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖，圖1在背 景技術(shù)中已經(jīng)做了詳細(xì)介紹。
本發(fā)明針對圖1中的多電平T型變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進行簡化，其基本思 路是對擁有^層可控支路的多電平T型變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，從最外層，也
就是第&層，向第1層的方向上，依次對m層通過加上很少的元器件和去掉
支路中間段的方法進行化簡，從而到達節(jié)省元器件的目的。其中，m是小于 或等于2H7的正整數(shù)。對第&層可控支路中，保留可控支路兩端各兩個可控 開關(guān)，在靠近多電平T型變換器的縱軸一端，加入與對應(yīng)的第/t-l層的節(jié)點 相連的可控開關(guān)；并在該加入的節(jié)點至縱軸間加入一組反向開關(guān)；同時，在
多電平T型變換器的橫軸一端，加入與對應(yīng)的第;t-i層的節(jié)點相連的可控開 關(guān)，然后去掉第t層的中間部分，省下元器件。依此方法，第/層的可控支路 在節(jié)省器件過程的方法是在第"l層的基礎(chǔ)上從兩端各向中間再移兩個可控 開關(guān)位置，并加上可控開關(guān)形成反向阻斷電路，去掉第f層可控支路中間部分 的；其中，*-w + l&、yt。各層可控支路簡化完成后，以橫軸為對稱軸，可得 到橫軸下半部分的鏡像電路，其中，A為一個正整數(shù)常數(shù)。
下面分別以附=1、 m^2和^^3為例，分別說明多電平T型變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的簡化方法。
圖2是M"時經(jīng)過簡化的多電平T型變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖。圖2屮， 當(dāng)^ = 1時，^層多電平T型變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，只有最外層的1層即第A層
可以進行簡化。在第/t層可控支路^中，保留可控支路&兩端各2個可控開
關(guān)《、《。和《f)a、且在靠近多電平T型變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的縱軸的一
端，將《"不與&相連的一端通過加入可控開關(guān)g與第"l層的可控開關(guān)
AVu、《"的節(jié)點相連，并在該節(jié)點至電容Q、 c,^的節(jié)點間加入可控開
關(guān)《，且可控開關(guān)《、^;11的可控電流方向是從電容Cre的一端流向電容Cre與 G,D的節(jié)點。第^:層可控支路&中，在靠近多電平T型變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的橫
軸的一端，將&(f-')。不與gf。相連的一端通過加入可控開關(guān)s;;2與第;t-l層的 可控開關(guān)^t，、碌t; 的節(jié)點相連，且可控開關(guān)&2的可控電流方向是從雙
向開關(guān)&—,經(jīng)過可控支路&^)流向雙向開關(guān)&;去掉可控開關(guān)；2、；'與第yt
層可控支路&交點之間的支路，實現(xiàn)第yt層簡化。最后以多電平T型變換器 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的橫軸為對稱軸，對多電平T型變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的上半部分做鏡像， 即若上半部分各可控支路開關(guān)管方向從C^與C^+D連接構(gòu)成的節(jié)點7;到雙向
開關(guān)S,與S+,連接構(gòu)成的節(jié)點，則下半部分各可控支路開關(guān)管方向從雙向開關(guān)
《與Sw連接構(gòu)成的節(jié)點，到Q與C外+D連接構(gòu)成的節(jié)點A;若上半部分各可
控支路開關(guān)管方向從雙向開關(guān)S與S+1連接構(gòu)成的節(jié)點到Q與Cr(,+1)連接構(gòu)成
的節(jié)點 :，則下半部分各可控支路開關(guān)管方向從q與q(,+D連接構(gòu)成的節(jié)點A
到雙向開關(guān)S與S+1連接構(gòu)成的節(jié)點。得到多電平T型變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的下半部分電路，最終形成完整的簡化后的多電平T型變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
圖3是m = 2時經(jīng)過簡化的多電平T型變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖。圖3中， 當(dāng)附=2時，/t層多電平T型變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，依次對第^層和第/t-l層進
行簡化。對第t層的簡化與m"時圖2的第yt層簡化一致。在第yt層簡化完畢
后，再對第A-1層進行簡化，其過程是，1層可控支路S,(m中，保留可
控支路S,"兩端各4個可控開關(guān)^—d、 ')、 ;0、 S;—d和紹q。、 C))。、
《t，、碟口。，且在靠近多電平T型變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的縱軸的一端，將《;—d 不與S;—d相連的一端通過加入可控開關(guān)與第"2層的可控開關(guān)S;—2)、
巧w)的節(jié)點相連，并在該節(jié)點至電容c^—d、 cv(w)的節(jié)點間加入可控開關(guān)
^—,)、《:"，且可控開關(guān)；^d、《—d和^L)的可控電流方向是從電容c,d
的一端流向電容C,^d與C,(^)的節(jié)點。第/t-l層可控支路S,(w)中，在靠近多
電平T型變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的橫軸的一端，將《不與《相連的一端通過 加入可控開關(guān)；VD與第"2層的可控開關(guān)SH。、 ^:的節(jié)點相連，且可控
開關(guān)；2^的可控電流方向是從雙向開關(guān)經(jīng)過可控支路流向雙向開
關(guān)&_1;去掉可控開關(guān)《"、《U與第"i層可控支路、-d交點之間的支路，
實現(xiàn)第fc-l層簡化。在第*層和第*-1層簡化完成后，以多電平T型變換器拓 撲結(jié)構(gòu)的橫軸為對稱軸，對多電平T型變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的上半部分做鏡像，
即若上半部分各可控支路開關(guān)管方向從q與c 連接構(gòu)成的節(jié)點t;到雙向 開關(guān)S與Sw連接構(gòu)成的節(jié)點，則下半部分各可控支路開關(guān)管方向從雙向開關(guān)
&與5;+1連接構(gòu)成的節(jié)點，到Cs,與C,(,+，)連接構(gòu)成的節(jié)點5,;若上半部分各可控支路開關(guān)管方向從雙向開關(guān)《與連接構(gòu)成的節(jié)點到C,,與C,(,+"連接構(gòu)成 的節(jié)點 ;，則下半部分各可控支路開關(guān)管方向從Q與C,(,連接構(gòu)成的節(jié)點A
到雙向'開關(guān)S,與、連接構(gòu)成的節(jié)點。得到多電平T型變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的下半
部分電路，最終形成完整的簡化后的多電平T型變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
圖4是/77 = 3時經(jīng)過簡化的多電平T型變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖。當(dāng)/^ = 3 時，A層多電平T型變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，依次對第yt層、第yt-l層和第A-2 層進行簡化。對第*層的簡化與附=1時圖2的第*層簡化一致，對第)t-l層的 簡化與附=2時圖3的第&-1層簡化一致。在第;t層和第^-l層簡化完畢后，再
對第*-2層進行簡化，其過程是，第*-2層可控支路^,2)中，保留可控支路 &("2)兩玄而各6個可控開關(guān)5^;_2) 、 5^;_2) 、 5^—2)、《"、《;—2) 、 5^t—2)禾口《』;。、
碌lt、《，、^:;r、 c、《:r，且在靠近多電平T型變換器拓?fù)浣Y(jié)
構(gòu)的縱軸的一端，將s;—2)不與s;_2)相連的一端通過加入可控開關(guān)s^—2)與第
"3層的可控開關(guān)S;—3)、《M的節(jié)點相連，并在該節(jié)點至電容G(w)、 C^—3)
的節(jié)點間加入可控開關(guān)^L)、 ^L"、 ^U，且可控開關(guān)^")、 2)、 s^_2) 和；t2)的可控電流方向是從電容c^_2)的一端流向電容c,(A_2)與cnM)的節(jié)
點。第*-2層可控支路&(w)中，在靠近多電平T型變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的橫軸的
一端，將碌L:不與碟H相連的一端通過加入可控開關(guān)；2w)與第;t-3層的可 控開關(guān)碌t『、竭S)。的節(jié)點相連，且可控開關(guān)；\—2)的可控電流方向是從雙 向開關(guān)&_3經(jīng)過可控支路s^—3)流向雙向開關(guān);去掉可控開關(guān)《(\_2) 、 &;_2)
與第A-2層可控支路&(M交點之間的支路。在第*層、第*-1層和第*-2層簡化完成后，以多電平T型變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的橫軸為對稱軸，對多電平T型變 換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的上半部分做鏡像，即若上半部分各可控支路開關(guān)管方向從C,,
與c,一連接構(gòu)成的節(jié)點7;到雙向開關(guān)s,與s,+,連接構(gòu)成的節(jié)點，則下半部分各
可控支路開關(guān)管方向從雙向開關(guān)S,與&,連接構(gòu)成的節(jié)點，到Q與C，D連接 構(gòu)成的節(jié)點S,;若上半部分各可控支路開關(guān)管方向從雙向開關(guān)^與S,+'連接構(gòu)
成的節(jié)點到&,與^(,+1)連接構(gòu)成的節(jié)點7;，則下半部分各可控支路開關(guān)管方向
從Q與cfi(,+1)連接構(gòu)成的節(jié)點s,到雙向開關(guān)s,與連接構(gòu)成的節(jié)點。得到多
電平T型變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的下半部分電路，最終形成完整的簡化后的多電平 T型變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
當(dāng)附>3時，依照上述方法，可以得出相應(yīng)的簡化后的多電平T型變換器 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。采用本發(fā)明所提供的多電平T型變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡化方法，可以
節(jié)昝的元器件數(shù)量為1;(W-1-7"')";其中，p為不大于2W7的最大正整數(shù)，
Ml
W = 2A + 1。由此公式可以看出，當(dāng)^和p越大B寸，即多電平T型變換器拓?fù)浣Y(jié)
構(gòu)的層數(shù)越多且簡化的層數(shù)越多時，節(jié)約的元器件數(shù)量越多。
圖5是實現(xiàn)本發(fā)明中的單向開關(guān)的示意圖。圖5給出了兩種可以實現(xiàn)單
向開關(guān)的電路，其中，圖5(a)為單向開關(guān)的MOSFET等效示意圖；圖5(b)
為單向開關(guān)的IGBT等效示意圖。
圖6是雙向開關(guān)的構(gòu)成的示例圖。圖6中，圖6(a)為雙向開關(guān)的構(gòu)成的
示例；圖6(b)為雙向開關(guān)的等效結(jié)構(gòu)。圖6 (a)及圖6 (b)分別給出了雙
向開關(guān)S ("1，2,…A-1)的構(gòu)成的示例。通過可控器件及其拓?fù)潆娐愤M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6中的、和1^2端子與《(id,U-l)的兩個引出端子對接替換，即可構(gòu)成完整的開關(guān)。
另外，本發(fā)明的前提是，在進行多電平T型變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的簡化時， 加入的可控開關(guān)與多電平T型變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中已經(jīng)存在的可控開關(guān)的性能 一致，即每個器件的耐壓是一致的。當(dāng)然，通過使用1個兩倍耐壓的器件同 時替換電路中同一可控支路的兩個器件這一類的方法，也可以達到實現(xiàn)節(jié)省 器件的目的。但是，這種方法是本技術(shù)領(lǐng)域的任何技術(shù)人員都能夠想到的， 不具有創(chuàng)造性。因此，這樣的用少許高耐壓器件同時替換多個器件的方法， 并沒有被本發(fā)明所采用。
以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實施方式
，但本發(fā)明的保護范圍并不 局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可 輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明 的保護范圍應(yīng)該以權(quán)利要求的保護范圍為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1、一種多電平T型變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的簡化方法，其特征是所述簡化方法為，依次對k層多電平T型變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的第k、k-1、……、k-m+1層進行簡化，當(dāng)k-m+1≤i≤k時，對第i層可控支路保留可控支路兩端各2×(k-i+1)個可控開關(guān)和且在靠近多電平T型變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)縱軸的一端，將不與相連的一端通過加入可控開關(guān)與第i-1層的可控開關(guān)的節(jié)點相連，并在該節(jié)點至電容、CT(t-1)的節(jié)點間加入可控開關(guān)且可控開關(guān)的可控電流方向是從電容的一端流向電容與CT(t-1)的節(jié)點；第i層可控支路中，在靠近多電平T型變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)橫軸的一端，將不與相連的一端通過加入可控開關(guān)與第i-1層的可控開關(guān)的節(jié)點相連，且可控開關(guān)的可控電流方向是從雙向開關(guān)Si-1經(jīng)過可控支路ST(i-1)流向雙向開關(guān)Si；去掉可控開關(guān)與第i層可控支路交點之間的支路；各層簡化完成后，以多電平T型變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的橫軸為對稱軸，對多電平T型變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的上半部分做鏡像，得到多電平T型變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的下半部分電路，最終形成完整的簡化后的多電平T型變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多電平T型變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的簡化方法，其 特征是所述m是小于等于2yt/7的正整數(shù)。
全文摘要
本發(fā)明公開了電路設(shè)計技術(shù)領(lǐng)域中的一種多電平T型變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的簡化方法。技術(shù)方案是，對擁有k層可控支路的多電平T型變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，從第k層向第1層的方向上，依次對m層通過加上很少的元器件和去掉支路中間段的方法進行化簡，第i層的可控支路是在第i+1層的基礎(chǔ)上從兩端各向中間移兩個可控開關(guān)位置，并加上可控開關(guān)形成反向阻斷電路，去掉第i層可控支路中間部分的可控開關(guān)，其中k-m+1≤i≤k；各層可控支路簡化完成后，以橫軸為對稱軸，可得到橫軸下半部分的鏡像電路，最終形成簡化的多電平T型變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其中k為一個正整數(shù)常數(shù)。本發(fā)明通過對多電平T型變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，節(jié)省了T型變換器電路的元器件，降低電路成本。
文檔編號H02M7/72GK101453175SQ200810247558
公開日2009年6月10日 申請日期2008年12月30日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月30日
發(fā)明者湖 孫, 張立偉, 楊中平, 飛 林, 游小杰, 王琛琛, 賀明智, 鄭瓊林, 郝瑞祥, 黃先進 申請人:北京交通大學(xué)