一种通用型多电平拓扑结构

技术领域

本发明涉及电力电子技术领域，是一种通用型多电平拓扑结构。

背景技术

随着社会的快速发展和新型行业的相继涌现，人们对电力电子变换器也提出了更高的要求。在低压小功率领域，电力电子变换器需具备高功率密度、高效率、高性能等特点；而在高压大功率的工业场合和输配电领域，人们希望电力电子装置既能够处理越来越高的电压和容量等级，又能在保证装置整体输出性能的前提下，尽可能地工作在低开关频率下以减少电磁干扰，降低开关损耗等。然而受限于半导体制造工艺，传统的电力电子变换技术——两电平变换器已难以满足某些工业场合的应用需求。

多电平变换器既可以采用低压器件实现高压大功率输出，也具有低输出谐波、低开关损耗等优点以满足低压小功率领域中对高功率密度、高效率、高性能的需求。多电平变换器因钳位电平的方式多样，因此可以通过不同钳位方式的组合而衍生出各种不同结构的拓扑，且每种拓扑的特色也各不相同。而现代社会经济的快速发展，各种新型行业的迅速崛起，对多电平变换器的需求也日益增加。但每个行业的应用场景不同，对多电平变换器的要求也各不相同。因此，为了满足当今社会各行各业的不同需求，开发更多各具特色的多电平变换器仍具有十分重要的意义。

无论多电平变换器拓扑结构如何变化，其本质都是相同的，即通过直流电压源和功率开关器件的适当组合而输出多个电平台阶的阶梯波形。那么，多电平拓扑结构之间是否蕴含某种内在的联系，每种结构之间是否存在一些通用的基本构造单元，是否可以通过某种通用型的拓扑结构推演出全部或者大多数多电平变换器，这些问题一直都是多电平技术领域中引人深思的问题。如何揭示各种多电平拓扑结构之间的内在联系，发现通用的结构或基本的构造单元，寻找更多的推演方法，开发更多各具特色的多电平拓扑结构，一直是多电平领域备受关注的热点。研究这些问题，有助于人们更加深入的理解多电平变换器的本质，使得新型多电平变换器的出现是有迹可循的，而不是随机的和不可预测的。

发明内容

本发明的目的是要提供一种通用型多电平拓扑结构，解决现有的多电平变换器拓扑结构变化后所构成的拓扑是随机的和不可预测的问题。

本发明的目的是这样实现的：多电平拓扑结构为共母线结构，有三个与直流母线并联连接的桥臂单元，每个桥臂单元结构相同；所述的桥臂单元分别由两种基本单元组合而成，从水平或垂直方向均匀地增加电压的级数，一个n电平通用拓扑结构具有n-1个电路级，每个电路级由两种基本单元构成。

所述的两种基本单元包括：基本单元1和基本单元2；

所述的基本单元1是由两个互补的绝缘栅双极晶体管和一个电容构成的两电平半桥结构；

所述的基本单元2是一条电流可双向流通的路径，共有三种结构——两个绝缘栅双极晶体管反向串联、两个绝缘栅双极晶体管反向并联、一个绝缘栅双极晶体管和四个二极管组合而成的结构。

一个n电平拓扑结构具有n-1个电路级，每一个电路级使用的基本单元个数比前一级少一个，在第n-1级中，有n-1个垂直相连的基本单元1，并逐级递减，形成蜂窝状结构，每一电路级中的基本单元2的一端连接n-1级中相邻两个基本单元1的连接点，另一端连接n-2级中最近的基本单元1中两个绝缘栅双极晶体管的连接点。

有益效果:由于采用了上述方案，本发明通用型多电平拓扑结构，由两个基本单元组合而成。基本单元1为两电平半桥结构；基本单元2为电流可双向流通的结构，共有三种组合——两个开关器件反向串联、两个开关器件反向并联、一个开关器件与四个二极管组合的结构，可以在水平或垂直方向均匀的增加电平。

该通用型拓扑可以在水平或垂直方向均匀的增加电平，而输出电压的电平数取决于结构中的层数，一个n电平的拓扑结构，共有n-1个电路级。

以该拓扑结构为基础，可以有规律地推演出各种已知的多电平变换器，并开发更多新型的多电平拓扑结构。

通用型多电平拓扑结构，可以推演得出现有各种多电平变换器，揭示多电平拓扑结构之间的内在联系。依据该通用型拓扑结构，可探索和开发更多新型多电平变换器拓扑结构，使得新型拓扑的出现是有迹可循的。

解决了现有的多电平变换器拓扑结构变化后所构成的电平变换器是随机的和不可预测的问题，达到了本发明的目的。

优点：该通用型拓扑具备模块化特点，通过两种基本单元的串并联，可扩展至任意n电平变换器。以该通用型拓扑为基础，可以推演出各种已知的多电平变换器，揭示了多电平拓扑之间的内在联系，使新型多电平变换器的出现和开发是有迹可循的，为多电平变换器的研究提供理论思路。

附图说明

图1为本发明的通用型多电平拓扑结构图。

图2为构成本发明的基本单元1的结构示意图。

图3为构成本发明的基本单元2的结构示意图。

图4a为本发明的通用型拓扑结构推演得出三电平NPC型变换器示意图。

图4b为本发明的通用型拓扑结构推演得出三电平FC型变换器示意图。

图4c为本发明的通用型拓扑结构推演得出三电平T型变换器示意图。

图4d为本发明的通用型拓扑结构推演得出三电平ANPC型变换器示意图。

图4e为本发明的通用型拓扑结构推演得出四电平HC型变换器示意图。

图4f为本发明的通用型拓扑结构推演得出四电平NNPC型变换器示意图。

图4g为本发明的通用型拓扑结构推演得出四电平NT型变换器示意图。

具体实施方式

结合附图和具体实施方案对本发明做进一步的说明。

实施例1：本发明的通用型多电平拓扑结构如图1所示，该拓扑结构为共母线结构，有三个与直流母线并联连接的桥臂单元，每个桥臂单元结构相同，分别由两种基本单元组合而成，可从水平或垂直方向均匀地增加电压的级数，一个n电平通用拓扑结构具有n-1个电路级，每个电路级由基本单元构成。基本单元1是由两个互补的绝缘栅双极晶体管和一个电容构成的两电平半桥结构；基本单元2是一条电流可双向流通的路径，共有三种结构——两个绝缘栅双极晶体管反向串联、两个绝缘栅双极晶体管反向并联和一个绝缘栅双极晶体管和四个二极管组合而成的结构。

一个n电平通用型拓扑结构具有n-1个电路级，每一个电路级使用的基本单元个数比前一级少一个，在第n-1级中，有n-1个垂直相连的基本单元1，逐级递减，形成蜂窝状结构，每一电路级中的基本单元2的一端连接n-1级中相邻两个基本单元1的连接点，另一端连接n-2级中最近的基本单元1中两个绝缘栅双极晶体管的连接点。

下面展示以该通用型拓扑结构为基础，如何推演出几种已知的多电平变换器拓扑：

1、推演得出三电平中点钳位型(Neutral Point Clamped，NPC)变换器

图4a展示了基于该通用型拓扑结构如何推演得出三电平NPC型变换器。三电平通用型拓扑结构有两个电路级，移除绝缘栅双极晶体管

2、推演得出三电平飞跨电容型(Flying Capacitor，FC)变换器

图4b展示了基于该通用型拓扑结构如何推演得出三电平FC型变换器。三电平通用型拓扑结构有两个电路级，移除绝缘栅双极晶体管

3、推演得出三电平T型变换器

图4c展示了基于该通用型拓扑结构如何推演得出三电平T型变换器。三电平通用型拓扑结构有两个电路级，移除绝缘栅双极晶体管

4、推演得出三电平有源中点钳位型(Active NPC，ANPC)变换器

图4d展示了基于该通用型拓扑结构如何推演得出三电平ANPC型变换器。三电平通用型拓扑结构有两个电路级，移除电容C

5、推演得出四电平混合钳位型(Hybrid Clamped，HC)变换器

图4e展示了基于该通用型拓扑结构如何推演得出四电平HC型变换器。四电平通用型拓扑结构有三个电路级，移除绝缘栅双极晶体管S

6、推演得出四电平嵌入式中点钳位型(Nested NPC，NNPC)变换器

图4f展示了基于该通用型拓扑结构如何推演得出四电平NPC型变换器。四电平通用型拓扑结构有三个电路级，移除绝缘栅双极晶体管

7、推演得出四电平嵌入式T型(Nested T，NT)变换器

图4g展示了基于该通用型拓扑结构如何推演得出四电平NT型变换器。四电平通用型拓扑结构有三个电路级，移除绝缘栅双极晶体管

因此，基于本发明提出的一种通用型多电平拓扑结构，可以推演得出现有各种多电平变换器，揭示多电平拓扑结构之间的内在联系。并依据该通用型拓扑结构，可探索和开发更多新型多电平变换器拓扑结构，使得新型拓扑的出现是有迹可循的。