分层叠加式电压型多电平电路拓扑结构制造技术

分层叠加式电压型多电平电路拓扑结构，含有二极管箝位式多电平电路，其特征在于：它由多个相同的二极管箝位式多电平电路叠加而成，它的输出电平总数为（ｍ－１）×ｎ＋１，ｎ为层数，ｍ为每层输出电平数，在相邻两层二极管箝位式多电平电路的共用支路上，各自的开关器件是反向串联的。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及多电平电路拓扑结构，属多电平电路拓扑领域。2、输出电压dv/dt小，对负载(比如电机)的绝缘影响小，同时大大降低电磁干扰的水平。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，大大减小系统的体积。多电平电路拓扑结构种类很多，从输出电源类型上可以分为电压型和电流型，其中电压型的多电平逆变器应用非常广泛。本专利技术属于电压型多电平电路。典型的多电平电路包括二极管钳位式、电容钳位式，见图2、图3所示。其他的已经出现的多电平拓扑结构基本上都是在这些多电平电路的基础上发展出来的。以二极管箝位式和电容箝位式多电平为例，简要介绍其工作原理1、二极管箝位式(见图2)单相全桥5电平二极管箝位电路，直流侧有4个电容。设直流侧电压为Vdc，则每个电容的电压为Vdc/4，箝位二极管的作用是使每个开关器件的耐压保持为一个直流侧电容的电压水平。通过开关组合，输出为5种电平的组合。下面以a点为例具体解释如何输出阶梯型的多电平(设直流侧电位的最低点0，为输出参考点)(1)开通所有上半桥开关Sa1、Sa2、Sa3、Sa4，输出电压为Va0＝Vdc。(2)开通开关Sa2、Sa3、Sa4、Sa’1，输出电压为Va0＝3Vdc/4。(3)开通开关Sa3、Sa4、Sa’1、Sa’2，输出电压为Va0＝2Vdc/4。(4)开通开关Sa4、Sa’1、Sa’2、Sa’3，输出电压为Va0＝Vdc/4。(5)开通开关Sa’1、Sa’2、Sa’3、Sa’4，输出电压为Va0＝0。二极管箝位式电路的特点1)、嵌位二极管数目多。尽管主开关器件只要承受一个直流电容的电压(直流电压的M-1分之一)，但箝位二极管的需承受不同的反相电压。如若Sa’1~Sa’4开通，Da’1与Da3需要承受3Vdc/4，同时，Da2与Da’2需要承受2Vdc/4，Da1与Da’3只要承受Vdc/4。假设每个箝位二极管都选用与主开关器件同样的耐压，则每相需要的箝位二极管的个数为(M-1)×(M-2)。这个数字随电平级数的增加而快速增加，因此这种电路在实际的应用中的输出电平级数不可能很高，一般被限制在7或9级。2)、主开关器件的需要电流容量不相等。从表2-1可以看出，各个开关的导通是不对称的，越靠近中间导通的时间越长，则电流容量越大。3)、电容电压不平衡。由于各级电容参与输出的时间不同，则在工作中电压会出现不平衡。对于输出功率因数为0的情况，各级电容在半个输出周期内自行平衡其电压。但对于有有功输出的情况下，如果不对其进行平衡，将严重影响电路的工作。2、电容箝位式(见图3)电容箝位式3电平全桥电路的结构图。两条桥臂的结构完全一样，其中每条桥臂有三层平衡电容。若所有的电容的容量相同，并且与主开关有相同的耐压，则M级电平需要M-1个直流侧电容。相对于二极管箝位式，电容嵌位式有更大的灵活性。以图3中Va为例，其输出有以下几种情况(1)当Va＝Vdc，开通上半臂开关Sa1～Sa4。(2)当Va＝3Vdc/4，有三种组合(a)、开通Sa1、Sa2、Sa3、Sa’1(Va0＝Vdc-Vdc/4)。(b)、开通Sa2、Sa3、Sa4、Sa’4(Va0＝3Vdc/4)。(c)、开通Sa1、Sa3、Sa4、Sa’3(Va0＝Vdc-3Vdc/4+Vdc/2)。(3)当Va＝Vdc/2，有6种开关组合(a)、开通Sa1、Sa2、Sa’1、Sa’2(Va0＝Vdc-Vdc/2)。(b)、开通Sa3、Sa4、Sa’3、Sa’4(Va0＝Vdc/2)。(c)、开通Sa1、Sa3、Sa’3、Sa’1(Va0＝Vdc-3Vdc/4+Vdc/2-Vdc/4)。(d)、开通Sa1、Sa4、Sa’2、Sa’3(Va0＝Vdc-3Vdc/4+Vdc/4)。(e)、开通Sa2、Sa’2、Sa4、Sa’4(Va0＝3Vdc/4-Vdc/2+Vdc/4)。(f)、开通Sa2、Sa3、Sa’1、Sa’4(Va0＝3Vdc/4-Vdc/4)。(4)当Va＝Vdc/4，有三种组合(a)、开通Sa1、Sa’2、Sa’3、Sa’4(Va0＝Vdc-3Vdc/4)。(b)、开通Sa4、Sa’2、Sa’3、Sa’4(Va0＝Vdc/4)。(c)、开通Sa3、Sa’1、Sa’3、Sa’4(Va0＝Vdc/2-Vdc/4)。(5)当Va＝0，开通所有下半臂Sa’4～Sa’1。电容箝位式电路的特点电容箝位式最大的问题是需要大量的箝位电容。如果电容的耐压与主开关相同，对于M级电平电路，除去直流侧的M-1个电容外每相还需要(M-1)×(M-2)/2个辅助电容。而二极管箝位电路只要M-1个电容。对于电容平衡的问题，可以用输出相同电压不同开关组合对电容进行冲放电来解决，但是由于电容太多，如何选择开关组合将非常复杂，并要求较高的频率。其他的多电平电路的工作原理不再赘述，总之都是通过一定方式的电路开关组合输出要求的电平。本专利技术的特征在于它由多个相同的二极管箝位式多电平电路叠加而成，它的输出电平总数为(m-1)×n+1，n为层数，m为每层输出电平数，在相邻两层二极管箝位式多电平电路的共用支路上，各自的开关器件是反向串联的。通过增加所述的各层二极管箝位式多电平电路中横向的单元数既能提高耐压又能增加输出电平数。本专利技术的特征还在于它由多个相同的电容箝位式多电平电路叠加而成，它的输出电平总数为n×p+1，n为层数，p为一层的单元数，在相邻两层的电容箝位式多电平电路的共用支路上，各自的开关器件是反向串联的。通过增加所述的各层电容箝位式多电平电路中各单元的外层开关器件数来降低器件耐压等级的要求。把所述的各层电容箝位式多电平电路最后一级电路改为二极管箝位式电路。实验证明本专利技术在输出多电平的同时还能降低对器件耐压等级的要求。图2为二极管钳位式多电平电路(5电平)。图3电容钳位式多电平电路(5电平)。图4层叠式二极管箝位五电平电路(其中4.1为不考虑耐压原理示意图，4.2为考虑耐压后的原理图)。图5为层叠式二极管钳位五电平电路输出电压仿真波形图。图6为层叠式电容箝位多电平电路(其中6.1为不考虑耐压原理示意图，6.2为考虑耐压后的原理图)。图7为层叠式电容钳位多电平改进电路。图8为三层层叠式二极管箝位式多电平电路拓扑结构。图9为三层层叠式电容箝位式多电平电路拓扑结构。1、层叠式二极管钳多电平电路(见附图4)该电路由两个三电平电路层叠而成，其中Sa11、Sa12、Sa13、Sa14和Da11、Da12构成了第一层(stage1)，而Sa21、Sa22、Sa23、Sa24和Da21、Da22构成了第二层(stage2)。当第一层工作时，第二层中Sa21、Sa22保持一直导通，Sa23、Sa24保持截止，可以输出E/2、E/4、0三种电平。电路具体工作情况如下Sa11、Sa12导通，Sa13、Sa14截止Va＝E/2。Sa12、Sa13导通，Sa11、Sa14截止Va＝E/4。Sa13、Sa14导通，Sa11、Sa12截止Va＝0。当第二层工作时，第一层中Sa13、Sa14保持一直导通，Sa11、Sa12保持截止，可以输出0、-E/2、-E/4三种电平。电路具体工作情况如下Sa21、Sa22导通，Sa23、Sa24截止Va本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：李永东，李明才，谭卓辉，曲树笋，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：