1.本发明公开了一种电容自平衡T型多电平整流器的拓扑结构,其特征在于:通过2k个电容,电容C
1.电容自平衡T型多电平整流器的拓扑结构,其特征在于:通过2k个电容,电容C_T1、C_T2......C_T(k-1)、C_Tk及C_B1、C_B2......C_B(k-1)、C_Bk,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、S_i+1之间的节点和C_Ti、C_T(i+1)的节点之间是由单向开关S_Ti1,S_Ti2......S_Ti(2i)构成的可控支路;双向开关S_i、S_i+1之间的节点和C_Bi与C_B(i+1)间的节点是由单向开关S_Bi1,S_Bi2......S_Bi(2i)构成的可控支路;S_k是T型横轴的最后一个开关,其一端与S_k-1相连,另一端是交流端,通过电感接到交流电源的输出端,并同时通过两条支路与纵轴相连,其中一条是通过单向不控器件S_Tk1、S_Tk2......S_Tk(2k)构成从横轴流向纵轴的单向整流支路与C_Tk的正极相连,另一条是通过单向不控器件S_Bk1、S_Bk2......S_Bk(2k)构成从纵轴流向横轴的单向整流支路与C_Bk的负极相连;横轴的双向可控开关S₁的两个端子中,有一个端子与S₂相连,另一端子与纵轴电容的中点相连;以纵轴为对称轴,将横轴及横轴与纵轴间的各个支路进行对称镜象;横轴得到关于纵轴对称的延长线,由双向开关S_1b、S_2b......S_(k-1)b、S_kb构成,各个支路镜像得到横轴延长线与纵轴间的各个支路,单向开关S_Ti1,S_Ti2......S_Ti(2i)构成的可控支路关于纵轴的镜像支路是由单向可控开关S_Ti1b,S_Ti2b......S_Ti(2i)b构成的可控支路,单向开关S_Bi1,S_Bi2......S_Bi(2i)构成的可控支路关于纵轴的镜像支路是由单向可控开关S_Bi1b,S_Bi2b......S_Bi(2i)b构成的可控支路;单向不控器件S_Tk1、S_Tk2......S_Tk(2k)构成从横轴流向纵轴的单向整流支路关于纵轴的镜像支路是单向不控器件S_Tk1b、S_Tk2b......S_Tk(2k)b构成的单向整流支路;单向不控器件S_Bk1、S_Bk2......S_Bk(2k)构成从纵轴流向横轴的单向整流支路关于纵轴的镜像支路是单向不控器件S_Bk1b、S_Bk2b......S_Bk(2k)b构成的单向整流支路;其中,k为一个正整数常数,i=1,2......k-1。
2.根据权利要求1所述的电容自平衡T型多电平整流器拓扑结构,其特征在于:S_k、S_kb、C_Tk、C_Bk、S_Tk1,S_Tk2......S_Tk(2k)、S_Bk1,S_Bk2......S_Bk(2k)、S_Tk1b,S_Tk2b......S_Tk(2k)b、S_Bk1b,S_Bk2b......S_Bk(2k)b作为扩展单元,按上述所描述的连接方式与T型的三个端点相连,将增加电平数;当电平数由k-1增加为k时,原来的支路上的单向不控器件S_T(k-1)1,S_T(k-1)2......S_{T(k-1)(2(k-1))}、S_B(k-1)1,S_B(k-1)2......S_{B(k-1)(2(k-1))}、S_T(k-1)1b,S_T(k-1)2b......S_{T(k-1)(2(k-1))b}、S_B(k-1)1b,S_B(k-1)2b......S_{B(k-1)(2(k-1))b}由单向可控器件替代。
3.根据权利要求1所述的电容自平衡T型多电平整流器拓扑结构,其特征在于:该拓扑中横轴上的双向开关S_k的构成形式为通过两个IGBT反向串联或者两个MOSFET反向串联或者MOSFET与二极管D_k1、D_k2、D_k3、D_k4构成的双向结构。技术领域
本发明涉及一种多电平T型整流电路的拓扑结构,特别涉及一种电容自平衡的T型多电平整流器拓扑结构。
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,然后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。目前,在现有的多电平变换器的拓扑结构中,随着电平数量的增多,所需的半导体器件的数量急剧增加,各个电容电压不容易平衡是现有多电平结构中常见的问题,使得多电平在实际使用中有一定的限制。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,降压了其成本。上述的申请号为200810118835.1的专利中的电路无法独立对各个电容进行充电,电压不易实现平衡。图1为传统T型变换器的拓扑结构,通过C_T1、C_T2......C_Tk-1、C_Tk,C_B1、C_B2......C_Bk-1、C_Bk共2k个电容构成T型变换器的纵轴,通过S₁、S₂......S_k-1、S_k、S_1b、S_2b......S_(k-1)b、S_kb共2k个双向可控开关构成T型变换器的横轴,双向开关S_i、S_i+1(i=1,2......k-1)之间的节点和电容C_Ti、C_Ti+1(i=1,2......k-1)之间的节点之间是由单向开关S_Tk1、S_Tk2......S_Tk(2k)构成从横轴流向纵轴的单向整流支路,双向开关S_i、S_i+1(i=1,2......k-1)之间的节点和C_Bi与C_B(i+1)(i=1,2......k-1)的节点之间有一反方向的单向整流支路,该支路是由单向开关S_Bk1、S_Bk2......S_Bk(2k)构成从纵轴流向横轴的单向整流支路。当对C_Ti进行充电时,其充电回路是:双向开关S_k、S_k-1......S_i+1、S_Ti(2i)......S_Ti1、电容C_Ti、C_T(i-1)......C_T1、S_kb、双向开关S_(k-1)b......S_1b或双向开关S_kb、S_(k-1)b......S_(i+1)b、S_Ti(2i)b......S_Ti1b、电容C_Ti、C_T(i-1)......C_T1、S_kb、双向开关S_(k-1)......S₁,且横轴以下的电容的充电回路与上述回路关于横轴对称。从上面的描述可以看出,电容C_Ti充电的同时,电容C_T(i-1)......C_T1也被充电,即是级数高的电容在充电时,会同时给级数低的电容充电。这将使得各个电容上的能量不平衡,电压无法平衡。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是:解决T型变换器中各个电容不平衡的限制,实现各个电容充电能独立控制。为了达到上述目的,本发明的技术方案如下:通过2k个电容,电容串联构成T型变换器的纵轴;分为上下平均两组电容,中间点接地;k个双向开关构成T型变换器的横轴;双向开关之间的节点和对应的纵轴上半部分电容的节点之间有单向可控支路,在双向开关之间的节点和对应的纵轴下半部分电容的节点之间是由单向可控开关构成从纵轴流向横轴的单向可控支路,与前述的可控支路的方向相反;横轴及可控支路关于纵轴对称得到横轴延长线以及横轴延长线以及纵轴之间的可控支路。可控支路的最外层为单向整流支路。T型横轴的最后一个开关的一端接交流端,通过电感接到交流电源的输出端,交流电源的另一端与横轴延长线的最外端相连。k为一个正整数常数,i=1,2......k-1。与原有T型整流电路拓扑相比,即是把单向整流支路的最高电平一级保留,而非最高电平一级的电单向整流支路替换成单向可控支路,由单向可控开关替换原有的二极管。本发明的有益效果:与传统的通用型多电平变换器相比,解决原有T型变换器的电容不平衡限制,为T型整流电路的进一步推广提供有效的技术解决方案。
附图说明
图1为原T型整流拓扑的结构图。图2为电容自平衡T型多电平整流器拓扑结构。图3(a)为单向开关的MOSFET等效示意图。图3(b)为单向开关的IGBT等效示意图。图4(a)为双向开关的构成的示例。图4(b)为双向开关的等效结构。
具体实施方式
结合附图对本发明作进一步说明:图1为原T型整流拓扑的结构图,在前面的背景技术里面已经有了详细的介绍。图2为电容自平衡T型多电平整流器拓扑结构,通过2k个电容,电容C_T1、C_T2......C_T(k-1)、C_Tk及C_B1、C_B2......C_B(k-1)、C_Bk,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、S_i+1之间的节点和C_Ti、C_T(i+1)的节点之间是由单向开关S_Ti1,S_Ti2......S_Ti(2i)构成的可控支路;双向开关S_i、S_i+1之间的节点和C_Bi与C_B(i+1)间的节点是由单向开关S_Bi1,S_Bi2......S_Bi(2i)构成的可控支路;S_k是T型横轴的最后一个开关,其一端与S_k-1相连,另一端是交流端,通过电感接到交流电源的输出端,并同时通过两条支路与纵轴相连,其中一条是通过单向不控器件S_Tk1、S_Tk2......S_Tk(2k)构成从横轴流向纵轴的单向整流支路与C_Tk的正极相连,另一条是通过单向不控器件S_Bk1、S_Bk2......S_Bk(2k)构成从纵轴流向横轴的单向整流支路与C_Bk的负极相连;横轴的双向可控开关S₁的两个端子中,有一个端子与S₂相连,另一端子与纵轴电容的中点相连;以纵轴为对称轴,将横轴及横轴与纵轴间的各个支路进行对称镜象;横轴得到关于纵轴对称的延长线,由双向开关S_1b、S_2b......S_(k-1)b、S_kb构成,各个支路镜像得到横轴延长线与纵轴间的各个支路,单向开关S_Ti1,S_Ti2......S_Ti(2i)构成的可控支路关于纵轴的镜像支路是由单向可控开关S_Ti1b,S_Ti2b......S_Ti(2i)b构成的可控支路,单向开关S_Bi1,S_Bi2......S_Bi(2i)构成的可控支路关于纵轴的镜像支路是由单向可控开关S_Bi1b,S_Bi2b......S_Bi(2i)b构成的可控支路;单向不控器件S_Tk1、S_Tk2......S_Tk(2k)构成从横轴流向纵轴的单向整流支路关于纵轴的镜像支路是单向不控器件S_Tk1b、S_Tk2b......S_Tk(2k)b构成的单向整流支路;单向不控器件S_Bk1、S_Bk2......S_Bk(2k)构成从横轴流向纵轴的单向整流支路关于纵轴的镜像支路是单向不控器件S_Bk1b、S_Bk2b......S_Bk(2k)b构成的单向整流支路;其中,k为一个正整数常数,i=1,2......k-1。横轴的双向可控开关S₁的两个端子中,有一个端子与S₂相连,另一端子与纵轴电容的中点相连。进行电平扩展时,S_k、C_Tk、C_Bk、S_Tk1、S_Tk2......S_Tk(2k)、S_Bk1、S_Bk2......S_Bk(2k)、S_kb、S_Tk1b、S_Tk2b......S_Tk(2k)b、S_Bk1b、S_Bk2b......S_Bk(2k)b同时出现,并按上述所描述的连接方式接入到T型的三个端点上。按上述方式,通过增加横轴上的双向可控开关,纵轴上的电容、单向整流支路,可提高变换器的电平数。在技术背景里面已经提到了原T型整流变换器拓扑中的各个电容无法独立充电,因此造成了能量不平衡。此处改进的方案旨在解决此问题,如果对电容C_Ti进行充电,其充电回路可选择:(1)双向开关S_k、S_k-1......S_i+1、单向开关S_Ti(2i)......S_Ti1、电容C_Ti、单向开关S_{T(i-1)(2(i-1))b}......S_T(i-1)1b、双向开关S_ib......S_(k-1)b、S_kb。(2)双向开关S_kb、S_(k-1)b......S_(i+1)b、单向开关S_Ti(2i)b......S_Ti1b、电容C_Ti、单向开关S_{T(i-1)(2(i-1))}......S_T(i-1)1、双向开关S_i......S_(k-1)b、S_kb。从中可以看出电容C_Ti的充电回路不再包括其他电容。对于纵轴上的任一个电容,均可选择独立的充电回路或是通过对各个电容进行组合控制,实现电容电压的平衡。图3(a)为单向开关的MOSFET等效示意图。图3(b)为单向开关的IGBT等效示意图。图4(a)为双向开关的构成的示例。图4(b)为双向开关的等效结构。图4(a)及图4(b)为开关S_k的构成的示例,仅给出了两种构成方式。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2中的L_k1和L_k2端子与S_k的两个引出端子对接替换,即可构成完整的双向可控开关。