專利名稱：多電平整流的t型變換器拓撲結(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撲結(jié)構(gòu)，特別涉及一種可以實現(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撲結(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，提髙交流電壓電流 波形質(zhì)量的新的多電平拓撲結(jié)構(gòu)。
為了達到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下-
通過2k個電容，電容串聯(lián)構(gòu)成T型變換器的縱軸；分為上下平均兩組電容，中間點接地； k個雙向開關(guān)構(gòu)成T型變換器的橫軸；雙向開關(guān)之間的節(jié)點和對應(yīng)的縱軸上半部分電容的節(jié) 點之間有單向整流支路，在雙向開關(guān)之間的節(jié)點和對應(yīng)的縱軸下半部分電容的節(jié)點之間是由 單向可控開關(guān)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。T型橫 軸的最后一個開關(guān)的一端接交流端，通過電感接到交流電源的輸出端，交流電源的另一端與 橫軸延長線的最外端相連。k為一個正整數(shù)常數(shù)，i=l，2……k-l。
三相以及多相交流電源或者三相以及多相交流負載可以采用單相電路結(jié)構(gòu)進行組合，滿 足三相以及多相運行的要求。 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撲結(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 (a)為雙向開關(guān)單元Sk的構(gòu)成的示例。
圖2 (b)為雙向開關(guān)單元Sk的等效拓撲結(jié)構(gòu)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。
具體實施例方式
結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步說明-
圖l為單個橋臂的電路原理圖，通過Cn、 CT2……Cw、 CTk， CB,、 CB2……CBk.,、 CBk 共2k個電容構(gòu)成T型變換器的縱軸；通過S,、 S2……Sk.p 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)或者其他可實現(xiàn)雙向開關(guān)功能 的半導(dǎo)體器件及其拓撲電路實現(xiàn)。
雙向開關(guān)Sj、 S,w (i=l,2……k-1)之間的節(jié)點Di和電容C^、 CTi+1 (i=l,2……k-l)之
間的節(jié)點D,i之間是由單向開關(guān)S^、 STk2……STk(,k)構(gòu)成從橫軸流向縱軸的單向整流支路，在
節(jié)點Di和CBi與C即+,) (i=l，2……k-1)的節(jié)點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^ 、 SBk2……SBk(w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D。相連。進行電平擴展時，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.。 S,都處于關(guān)斷狀態(tài)時，電流經(jīng)過S"2k)……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)……ST(k.D,流向電容CT(k.D的正極，交流側(cè)的電壓為(k-l) U。
依此類推，依次開通雙向開關(guān)的Sn管，使交流側(cè)的電壓為(k-2)U，……2U， U， 0。
圖2 (a)及圖2 (b)為開關(guān)Sk的構(gòu)成的示例及等效拓撲結(jié)構(gòu)示例，僅給出了兩種構(gòu)成
方式。通過可控器件及其拓撲電路進行組合，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D。是橫軸與縱軸的交點。DT1、 DT2……DTk&DB1、
DB2……DBk構(gòu)成縱軸，D。、 D,……Dk構(gòu)成橫軸。在實際電路中，橫軸上的節(jié)點之間由雙向
開關(guān)連接，Dk和Dw之間的雙向開關(guān)是Sk;縱軸上的節(jié)點之間由電容進行連接，DTk禾tlDT(k.D
之間的電容是CTk ， DBk和D^k—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)點相連，另一端直接與電容中點O直接相連。
圖5為擴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)點相連，另一端以相同的電路結(jié)構(gòu)形式與電容中點 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)點相連，電源的另一端連接與一點?；蛘邔㈦娫催M行三角形連接。
權(quán)利要求
1.多電平整流的T型變換器拓撲結(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，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之間的節(jié)點Di和CTi、CT(i+1)的節(jié)點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Di和CBi與CB(i+1)間的節(jié)點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D0相連；在擴展電平時，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)，其中k為一個正整數(shù)常數(shù)，i＝1，2……k-1。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的多電平整流的T型變換器拓撲結(jié)構(gòu)，其特征在于交流電源的一端經(jīng)電感后，通過T型拓撲的橫軸與電容中點相連。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的多電平整流的T型變換器拓撲結(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型變換器拓撲結(jié)構(gòu)，其特征在于該拓撲中橫 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)或者其他可實現(xiàn)雙向開關(guān)功能的半導(dǎo)體器件及其拓撲電路實現(xiàn)，例如Mk,和Mk,組成對管結(jié)構(gòu)，Mk與Dkp 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型變換器拓撲結(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，可以由單只器件實現(xiàn)或多器件串并聯(lián)實現(xiàn)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的多電平整流的T型變換器拓撲結(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型變換器拓撲結(jié)構(gòu)，其特征在于多相拓撲電 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1時，Dkj等同于Dk，下同)個橫軸及其交流側(cè)節(jié)點Dk; j為1時，把前述的中性點7V與中點D。直接連接就構(gòu)成單相電路；j為2時，把節(jié)點Dw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)明公開了一種可實現(xiàn)整流變換的多電平T型變換器的拓撲結(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D_i和C_Ti、C_Ti+1(i＝1，2……k-1)的節(jié)點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D_i和C_Bi與C_Bi+1(i＝1，2……k-1)間的節(jié)點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相連。擴展開關(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。
文檔編號H02M7/12GK101409512SQ20081022750
公開日2009年4月15日 申請日期2008年11月28日 優(yōu)先權(quán)日2008年11月28日
發(fā)明者湖 孫, 張立偉, 飛 林, 游小杰, 賀明智, 鄭瓊林, 黃先進 申請人:北京交通大學(xué)