本发明公开了电路设计技术领域中的一种多电平T型变换器拓扑结构的简化方法。技术方案是,对拥有k层可控支路的多电平T型变换器的拓扑结构,从第k层向第1层的方向上,依次对m层通过加上很少的元器件和去掉支路中间段的方法进行化简,第i层的可控支路是在第i+1层的基础上从两端各向中间移两个可控开关位置,并加上可控开关形成反向阻断电路,去掉第i层可控支路中间部分的可控开关,其中k-m+1≤i≤k;各层可控支路简化完成后,以横轴为对称轴,可得到横轴下半部分的镜像电路,最终形成简化的多电平T型变换器拓扑结构,其中k为一个正整数常数。本发明通过对多电平T型变换器的拓扑结构进行优化,节省了T型变换器电路的元器件,降低电路成本。1、一种多电平T型变换器拓扑结构的简化方法,其特征是所述简化方法为, 依次对k层多电平T型变换器拓扑结构的第k、k-1、......、k-m+1层进行简化, 当k-m+1≤i≤k时,对第i层可控支路ntent="drawing" img-format="tif" wi="32"/>保留可控支路ntent="drawing" img-format="tif" wi="18"/>两端各2×(k-i+1)个可 控开关 S Ti 1 a , S Ti 2 a , · · · · · · , S Ti 2 ( k - i + 1 ) a ]]>和 S Ti ( 2 i ) a , S Ti ( 2 i - 1 ) a , · · · · · · , S Ti [ 2 i - 2 ( k - i + 1 ) + 1 ] a , ]]>且在靠近多 电平T型变换器拓扑结构纵轴的一端,将ntent="drawing" img-format="tif" wi="53"/>不与ntent="drawing" img-format="tif" wi="72"/>相连的一端通过加 入可控开关ntent="drawing" img-format="tif" wi="18"/>与第i-1层的可控开关ntent="drawing" img-format="tif" wi="151"/>的节点相连,并在该节点 至电容ntent="drawing" img-format="tif" wi="33"/>、C_T(t-1)的节点间加入可控开关 S Ti a 11 , S Ti a 12 , · · · · · · , S Ti a 1 ( k - i + 1 ) ]]>且可控开关 S Ti a 1 , S Ti a 11 , S Ti a 12 , · · · · · · , S Ti a 1 ( k - i + 1 ) ]]>的可控电流方向是从电容ntent="drawing" img-format="tif" wi="22"/>的一端流向电容ntent="drawing" img-format="tif" wi="21"/>与C_T(t-1)的 节点;第i层可控支路ntent="drawing" img-format="tif" wi="20"/>中,在靠近多电平T型变换器拓扑结构横轴的一端,将 ntent="drawing" img-format="tif" wi="84"/>不与ntent="drawing" img-format="tif" wi="88"/>相连的一端通过加入可控开关ntent="drawing" img-format="tif" wi="27"/>与第i-1层的可控开 关ntent="drawing" img-format="tif" wi="198"/>的节点相连,且可控开关ntent="drawing" img-format="tif" wi="24"/>的可控电流方向是从双向 开关S_i-1经过可控支路S_T(i-1)流向双向开关S_i;去掉可控开关ntent="drawing" img-format="tif" wi="66"/>与第i层可控 支路ntent="drawing" img-format="tif" wi="18"/>交点之间的支路; 各层简化完成后,以多电平T型变换器拓扑结构的横轴为对称轴,对多电平 T型变换器拓扑结构的上半部分做镜像,得到多电平T型变换器拓扑结构的下半 部分电路,最终形成完整的简化后的多电平T型变换器拓扑结构。 2、根据权利要求1所述的一种多电平T型变换器拓扑结构的简化方法,其 特征是所述m是小于等于2k/7的正整数。 技术领域 本发明属于电路设计技术领域,尤其涉及一种多电平T型变换器拓扑结 构的简化方法。 背景技术 两电平变换器电路在铁路,工业等各个领域有着十分广泛的应用,然而在 高压领域的应用中,两电平变换器由于受到器件耐压的限制,必须通过变压器 与高压电网或者负载相连,笨重的工频变压器大大增加了电力电子变换装置的 成本和体积。 相对于普通的两电平电路,多电平电路是指输出电压的电平数N大于2 的变换器。多电平变换器具有以下优点: 1.交流侧输出的电压波形更加接近于正弦,电压谐波含量小。 2.交流侧输出的电压的du/dt小,对负载(比如电机)的绝缘影响小,同时 大大降低了电磁干扰的水平。 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,大大减小了系统的体积。 在申请人为北京交通大学,申请号为200810118835.1,名称为多电平整流 的T型变换器拓扑结构的专利申请中,提出了T型多电平整流电路,使得多电 平变换器更容易拓展,且元器件数目比传统的多电平变换器更少,降低了其成 本。 在申请人为北京交通大学,申请号为200810118834.7,名称为可实现整流 和逆变的多电平T型变换器的拓扑结构的专利申请中,提出了双向T型多电平 电路,可实现多电平的整流及逆变功能。 图1是可实现整流和逆变的多电平T型变换器的拓扑结构,图1中,电容C_T1、 C_T2、......、C_T(k-1)、C_Tk及C_B1、C_B2、......、C_B(k-1)、C_Bk(k为一个常数,根据 电平数的需要而定),共2k个电容串联构成T型变换器的纵轴;双向开关S₁、 S₂、......、S_k-1、S_k构成T型变换器的横轴;双向开关S_i与S_i+1(i=1,2,..,k-1) 连接构成的节点和C_Ti与C_T(i+1)连接构成的节点T_i之间有一正向的单向可控开关 支路S_Ti,单向可控开关支路S_Ti上串联2×i个单向可控开关ntent="drawing" img-format="tif" wi="181"/>其中,i=1,2,...,k-1。双向开关S_i与S_i+1(i=1,2,...,k-1)连接构成的节点和C_Bi与 C_B(i+1)连接构成的节点B_i之间有一反向的单向可控开关支路S_Bi,反向的单向可 控开关支路S_Bi上串联2×i个反向的单向可控开关ntent="drawing" img-format="tif" wi="196"/>其中, i=1,2,...,k-1。双向可控开关S₁一端与S₂相连,另一端与电容C_T1和C_B1连接构成 的节点O(也称中点)相连接;双向可控开关S_k一端与S_k-1相连,另一端与交流侧 通过电感L与交流侧相连,且交流侧的另一端与中点相连。 与传统的电路相比,T型变换器可以用更少的器件实现同样的电平变换, 但上述T型变换器拓扑,可以更进一步优化。 发明内容 本发明的目的在于,对可实现整流和逆变的多电平T型变换器的拓扑结构 进行优化,在不改变电路功能和不改变电路中各元器件参数的情况下,省掉部 分器件。 本发明的技术方案是,一种多电平T型变换器拓扑结构的简化方法,其特 征是所述简化方法为,依次对k层多电平T型变换器拓扑结构的第k、 k-1、......、k-m+1层进行简化,当k-m+1≤i≤k时,对第i层可控支路S_Ti,保 留可控支路S_Ti两端各2×(k-i+1)个可控开关ntent="drawing" img-format="tif" wi="213"/>和ntent="drawing" img-format="tif" wi="44"/>ntent="drawing" img-format="tif" wi="221"/>且在靠近多电平T型变换器拓扑结构纵轴的一端, 将ntent="drawing" img-format="tif" wi="52"/>不与ntent="drawing" img-format="tif" wi="71"/>相连的一端通过加入可控开关ntent="drawing" img-format="tif" wi="19"/>与第i-1层的可控开关 ntent="drawing" img-format="tif" wi="145"/>的节点相连,并在该节点至电容C_Ti、C_T(i-1)的节点间加入可控 开关ntent="drawing" img-format="tif" wi="208"/>且可控开关ntent="drawing" img-format="tif" wi="255"/>的可控 电流方向是从电容C_Ti的一端流向电容C_Ti与C_T(i-1)的节点;第i层可控支路S_T1中, 在靠近多电平T型变换器拓扑结构横轴的一端,将ntent="drawing" img-format="tif" wi="86"/>不与ntent="drawing" img-format="tif" wi="87"/>相 连的一端通过加入可控开关ntent="drawing" img-format="tif" wi="26"/>与第i-1层的可控开关ntent="drawing" img-format="tif" wi="195"/>的 节点相连,且可控开关ntent="drawing" img-format="tif" wi="20"/>的可控电流方向是从双向开关S_i-1经过可控支路S_T(i-1)流向双向开关S_i;去掉可控开关ntent="drawing" img-format="tif" wi="65"/>与第i层可控支路S_Ti交点之间的支路; 各层简化完成后,以多电平T型变换器拓扑结构的横轴为对称轴,对多电 平T型变换器拓扑结构的上半部分做镜像,得到多电平T型变换器拓扑结构的 下半部分电路,最终形成完整的简化后的多电平T型变换器拓扑结构。 所述m是小于等于2k/7的正整数。 本发明的效果在于,通过对多电平T型变换器的拓扑结构进行优化,节省 了T型变换器电路的元器件,降低电路成本。 附图说明 图1是可实现整流和逆变的多电平T型变换器的拓扑结构图。 图2是m=1时经过简化的多电平T型变换器的拓扑结构示意图。 图3是m=2时经过简化的多电平T型变换器的拓扑结构示意图。 图4是m=3时经过简化的多电平T型变换器的拓扑结构示意图。 图5是实现本发明中的单向开关的示意图。 图6是双向开关的构成的示例图。 具体实施方式 下面结合附图,对优选实施例作详细说明。应该强调的是,下述说明仅 仅是示例性的,而不是为了限制本发明的范围及其应用。 图1是可实现整流和逆变的多电平T型变换器的拓扑结构图,图1在背 景技术中已经做了详细介绍。 本发明针对图1中的多电平T型变换器的拓扑结构进行简化,其基本思 路是:对拥有k层可控支路的多电平T型变换器的拓扑结构,从最外层,也 就是第k层,向第1层的方向上,依次对m层通过加上很少的元器件和去掉 支路中间段的方法进行化简,从而到达节省元器件的目的。其中,m是小于 或等于2k/7的正整数。对第k层可控支路中,保留可控支路两端各两个可控 开关,在靠近多电平T型变换器的纵轴一端,加入与对应的第k-1层的节点 相连的可控开关;并在该加入的节点至纵轴间加入一组反向开关;同时,在 多电平T型变换器的横轴一端,加入与对应的第k-1层的节点相连的可控开 关,然后去掉第k层的中间部分,省下元器件。依此方法,第i层的可控支路 在节省器件过程的方法是在第i+1层的基础上从两端各向中间再移两个可控 开关位置,并加上可控开关形成反向阻断电路,去掉第i层可控支路中间部分 的;其中,k-m+1≤i≤k。各层可控支路简化完成后,以横轴为对称轴,可得 到横轴下半部分的镜像电路,其中,k为一个正整数常数。 下面分别以m=1、m=2和m=3为例,分别说明多电平T型变换器的拓扑 结构的简化方法。 图2是m=1时经过简化的多电平T型变换器的拓扑结构示意图。图2中, 当m=1时,k层多电平T型变换器的拓扑结构中,只有最外层的1层即第k层 可以进行简化。在第k层可控支路S_Tk中,保留可控支路S_Tk两端各2个可控开 关ntent="drawing" img-format="tif" wi="66"/>和ntent="drawing" img-format="tif" wi="112"/>且在靠近多电平T型变换器拓扑结构的纵轴的一 端,将ntent="drawing" img-format="tif" wi="20"/>不与ntent="drawing" img-format="tif" wi="19"/>相连的一端通过加入可控开关ntent="drawing" img-format="tif" wi="18"/>与第k-1层的可控开关 ntent="drawing" img-format="tif" wi="100"/>的节点相连,并在该节点至电容C_Tk、C_T(k-1)的节点间加入可控开 关ntent="drawing" img-format="tif" wi="32"/>且可控开关ntent="drawing" img-format="tif" wi="59"/>的可控电流方向是从电容C_Tk的一端流向电容C_Tk与 C_T(k-1)的节点。第k层可控支路S_Tk中,在靠近多电平T型变换器拓扑结构的横 轴的一端,将ntent="drawing" img-format="tif" wi="43"/>不与ntent="drawing" img-format="tif" wi="35"/>相连的一端通过加入可控开关ntent="drawing" img-format="tif" wi="20"/>与第k-1层的 可控开关ntent="drawing" img-format="tif" wi="119"/>的节点相连,且可控开关ntent="drawing" img-format="tif" wi="20"/>的可控电流方向是从双 向开关S_k-1经过可控支路S_T(k-1)流向双向开关S_k;去掉可控开关ntent="drawing" img-format="tif" wi="65"/>与第k 层可控支路S_Tk交点之间的支路,实现第k层简化。最后以多电平T型变换器 拓扑结构的横轴为对称轴,对多电平T型变换器拓扑结构的上半部分做镜像, 即若上半部分各可控支路开关管方向从C_Ti与C_T(i+1)连接构成的节点T_i到双向 开关S_i与S_i+1连接构成的节点,则下半部分各可控支路开关管方向从双向开关 S_i与S_i+1连接构成的节点,到C_Bi与C_B(i+1)连接构成的节点B_i;若上半部分各可 控支路开关管方向从双向开关S_i与S_i+1连接构成的节点到C_Ti与C_T(i+1)连接构成 的节点T_i,则下半部分各可控支路开关管方向从C_Bi与C_B(i+1)连接构成的节点B_i到双向开关S_i与S_i+1连接构成的节点。得到多电平T型变换器拓扑结构的下半 部分电路,最终形成完整的简化后的多电平T型变换器拓扑结构。 图3是m=2时经过简化的多电平T型变换器的拓扑结构示意图。图3中, 当m=2时,k层多电平T型变换器的拓扑结构中,依次对第k层和第k-1层进 行简化。对第k层的简化与m=1时图2的第k层简化一致。在第k层简化完毕 后,再对第k-1层进行简化,其过程是,第k-1层可控支路S_T(k-1)中,保留可 控支路S_T(k-1)两端各4个可控开关ntent="drawing" img-format="tif" wi="219"/>和ntent="drawing" img-format="tif" wi="125"/>ntent="drawing" img-format="tif" wi="122"/>且在靠近多电平T型变换器拓扑结构的纵轴的一端,将ntent="drawing" img-format="tif" wi="39"/>不与ntent="drawing" img-format="tif" wi="37"/>相连的一端通过加入可控开关ntent="drawing" img-format="tif" wi="37"/>与第k-2层的可控开关ntent="drawing" img-format="tif" wi="52"/>ntent="drawing" img-format="tif" wi="39"/>的节点相连,并在该节点至电容C_T(k-1)、C_T(k-2)的节点间加入可控开关 ntent="drawing" img-format="tif" wi="106"/>且可控开关ntent="drawing" img-format="tif" wi="99"/>和ntent="drawing" img-format="tif" wi="38"/>的可控电流方向是从电容C_T(k-1)的一端流向电容C_T(k-1)与C_T(k-2)的节点。第k-1层可控支路S_T(k-1)中,在靠近多 电平T型变换器拓扑结构的横轴的一端,将ntent="drawing" img-format="tif" wi="46"/>不与ntent="drawing" img-format="tif" wi="46"/>相连的一端通过 加入可控开关ntent="drawing" img-format="tif" wi="38"/>与第k-2层的可控开关ntent="drawing" img-format="tif" wi="115"/>的节点相连,且可控 开关ntent="drawing" img-format="tif" wi="37"/>的可控电流方向是从双向开关S_k-2经过可控支路S_T(k-2)流向双向开 关S_k-1;去掉可控开关ntent="drawing" img-format="tif" wi="99"/>与第k-1层可控支路S_T(k-1)交点之间的支路, 实现第k-1层简化。在第k层和第k-1层简化完成后,以多电平T型变换器拓 扑结构的横轴为对称轴,对多电平T型变换器拓扑结构的上半部分做镜像, 即若上半部分各可控支路开关管方向从C_Ti与C_T(i+1)连接构成的节点T_i到双向 开关S_i与S_i+1连接构成的节点,则下半部分各可控支路开关管方向从双向开关 S_i与S_i+1连接构成的节点,到C_Bi与C_B(i+1)连接构成的节点B_i;若上半部分各可 控支路开关管方向从双向开关S_i与S_i+1连接构成的节点到C_Ti与C_T(i+1)连接构成 的节点T_i,则下半部分各可控支路开关管方向从C_Bi与C_B(i+1)连接构成的节点B_i到双向开关S_i与S_i+1连接构成的节点。得到多电平T型变换器拓扑结构的下半 部分电路,最终形成完整的简化后的多电平T型变换器拓扑结构。 图4是m=3时经过简化的多电平T型变换器的拓扑结构示意图。当m=3 时,k层多电平T型变换器的拓扑结构中,依次对第k层、第k-1层和第k-2 层进行简化。对第k层的简化与m=1时图2的第k层简化一致,对第k-1层的 简化与m=2时图3的第k-1层简化一致。在第k层和第k-1层简化完毕后,再 对第k-2层进行简化,其过程是,第k-2层可控支路S_T(k-2)中,保留可控支路 S_T(k-2)两端各6个可控开关ntent="drawing" img-format="tif" wi="344"/>和ntent="drawing" img-format="tif" wi="57"/>ntent="drawing" img-format="tif" wi="340"/>且在靠近多电平T型变换器拓扑结 构的纵轴的一端,将ntent="drawing" img-format="tif" wi="39"/>不与ntent="drawing" img-format="tif" wi="39"/>相连的一端通过加入可控开关ntent="drawing" img-format="tif" wi="40"/>与第 k-3层的可控开关ntent="drawing" img-format="tif" wi="103"/>的节点相连,并在该节点至电容C_T(k-2)、C_T(k-3)的节点间加入可控开关ntent="drawing" img-format="tif" wi="175"/>且可控开关ntent="drawing" img-format="tif" wi="167"/>和ntent="drawing" img-format="tif" wi="39"/>的可控电流方向是从电容C_T(k-2)的一端流向电容C_T(k-2)与C_T(k-3)的节 点。第k-2层可控支路S_T(k-2)中,在靠近多电平T型变换器拓扑结构的横轴的 一端,将ntent="drawing" img-format="tif" wi="45"/>不与ntent="drawing" img-format="tif" wi="46"/>相连的一端通过加入可控开关ntent="drawing" img-format="tif" wi="39"/>与第k-3层的可 控开关ntent="drawing" img-format="tif" wi="125"/>的节点相连,且可控开关ntent="drawing" img-format="tif" wi="40"/>的可控电流方向是从双 向开关S_k-3经过可控支路S_T(k-3)流向双向开关S_k-2;去掉可控开关ntent="drawing" img-format="tif" wi="106"/>与第k-2层可控支路S_T(k-2)交点之间的支路。在第k层、第k-1层和第k-2层简 化完成后,以多电平T型变换器拓扑结构的横轴为对称轴,对多电平T型变 换器拓扑结构的上半部分做镜像,即若上半部分各可控支路开关管方向从C_Ti与C_T(i+1)连接构成的节点T_i到双向开关S_i与S_i+1连接构成的节点,则下半部分各 可控支路开关管方向从双向开关S_i与S_i+1连接构成的节点,到C_Bi与C_B(i+1)连接 构成的节点B_i;若上半部分各可控支路开关管方向从双向开关S_i与S_i+1连接构 成的节点到C_Ti与C_T(i+1)连接构成的节点T_i,则下半部分各可控支路开关管方向 从C_Bi与C_B(i+1)连接构成的节点B_i到双向开关S_i与S_i+1连接构成的节点。得到多 电平T型变换器拓扑结构的下半部分电路,最终形成完整的简化后的多电平 T型变换器拓扑结构。 当m>3时,依照上述方法,可以得出相应的简化后的多电平T型变换器 拓扑结构。采用本发明所提供的多电平T型变换器拓扑结构简化方法,可以 节省的元器件数量为ntent="drawing" img-format="tif" wi="142"/>其中,p为不大于2k/7的最大正整数, N=2k+1。由此公式可以看出,当k和p越大时,即多电平T型变换器拓扑结 构的层数越多且简化的层数越多时,节约的元器件数量越多。 图5是实现本发明中的单向开关的示意图。图5给出了两种可以实现单 向开关的电路,其中,图5(a)为单向开关的MOSFET等效示意图;图5(b) 为单向开关的IGBT等效示意图。 图6是双向开关的构成的示例图。图6中,图6(a)为双向开关的构成的 示例;图6(b)为双向开关的等效结构。图6(a)及图6(b)分别给出了双 向开关S_i(i=1,2,...,k-1)的构成的示例。通过可控器件及其拓扑电路进行组 合,或通过与其他不可控器件一起构成双向可控开关。通过将图6中的L_k1和 L_k2端子与S_i(i=1,2,...,k-1)的两个引出端子对接替换,即可构成完整的开关。 另外,本发明的前提是,在进行多电平T型变换器拓扑结构的简化时, 加入的可控开关与多电平T型变换器拓扑结构中已经存在的可控开关的性能 一致,即每个器件的耐压是一致的。当然,通过使用1个两倍耐压的器件同 时替换电路中同一可控支路的两个器件这一类的方法,也可以达到实现节省 器件的目的。但是,这种方法是本技术领域的任何技术人员都能够想到的, 不具有创造性。因此,这样的用少许高耐压器件同时替换多个器件的方法, 并没有被本发明所采用。 以上所述,仅为本发明较佳的具体实施方式,但本发明的保护范围并不 局限于此,任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内,可 轻易想到的变化或替换,都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此,本发明 的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。