阅读说明：本技术 一种半桥级联型多电平整流电路 (Half-bridge cascade type multi-level current circuit ) 是由 张皓 顾明星 张一鸣 张一啸 陈昀 王博丰 于 2019-01-11 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种半桥级联型多电平整流电路,所述多电平整流电路由三种基本单元构成,其中包括顶端单元、中间单元和底端单元。将顶端单元、多个底端单元与一个中间单元依次按端口连接可构成不同多电平拓扑。所述半桥级联型多电平整流电路可在整流电路交流侧实现多电平控制,使输入电流谐波大大减小,器件使用数量少,电路结构简单,有效降低了硬件成本。(The invention discloses a half-bridge cascade multi-level current circuit which is composed of three basic units, wherein the basic units comprise a top end unit, a middle unit and a bottom end unit. Different multi-level topologies can be formed by connecting the top end unit, a plurality of bottom end units and a middle unit in sequence according to ports. The half-bridge cascade type multi-level smoothing circuit can realize multi-level control on the alternating current side of the rectifying circuit, so that input current harmonic waves are greatly reduced, the number of used devices is small, the circuit structure is simple, and the hardware cost is effectively reduced.)

一种半桥级联型多电平整流电路

技术领域

本发明涉及电力电子技术领域，尤其涉及一种半桥级联型多电平整流电路，可应用于高低压整流器、直流输变电和储能装置等领域。

背景技术

近年来，电力电子装置在高电压大功率领域的应用不断增加。由于受到器件耐压等级的限制，多电平拓扑结构及相关控制理论等方面的研究受到广泛关注。在多电平整流电路的不断发展和变换过程中，形成下面几类基本的拓扑结构：二极管钳位型、级联型H桥型、模块化多电平型。其中，二极管钳位型需要使用数目众多的钳位电容；H桥级联结构每一个H桥单元都必须采用独立的PWM整流，使用的器件较多，而且需要移相隔离变压器作电气隔离；模块化多电平变换器秉承了H桥级联结构模块化的优点，但是级联的单元数量多，成本较大。

相反的，级联型多电平整流器能够降低输入侧谐波，使用元器件少，结构简单，因此一直在中高压大功率场合备受青睐。

发明内容

本发明提出了一种半桥级联型多电平整流电路，本发明的目的在于提出一种由基本单元构成的新型多电平整流电路拓扑结构，所述的整流电路包括交流电动势、电网侧电抗和半桥联型多电平整流电路拓扑结构，所述的基本单元包括顶端单元、中间单元、底端单元三种。通过将三种基本单元进行配置组合，可以得到不同的多电平拓扑且可自由输出多电平，通过在直流侧串联多个电容，可以提高直流母线的电压等级。相比较二极管钳位型、级联H桥型、模块化多电平型拓扑结构，本发明不需要额外的二极管和电容，器件使用数量少，电路结构简单，有效降低了硬件成本。

基本单元即为满足构成半桥级联型多电平整流电路拓扑条件的最小组成部分，本发明的拓扑结构由顶端单元、中间单元、底端单元组成，可构成M相、N（N≥2）电平电路，每一相中三种基本单元的总数为N-1个。进一步地，每相中所述顶端单元数量为K-1（1≤K≤N）个，所述中间单元数量为1个，所述底端单元数量为N-K-1个，即第1个至第K-1个模块为所述顶端单元，第K个模块为所述中间单元，第K+1个至第N-1个模块为所述底端单元。

所述顶端单元为三端口模块，由第一开关管、第二开关管和第一电容构成。所述顶端单元的具体连接方式为：所述第一电容的正极即为所述顶端单元的第一一端口；所述第一开关管集电极即为为顶端单元的第一二端口；所述第一开关管发射极与所述第二开关管的集电极相连接，此连接点即为为顶端单元的第一三端口。

所述中间单元为五端口模块，由第三开关管、第四开关管和第二电容构成，三者构成两条支路。两条支路的具体连接方式为：所述第二电容独自构成一条支路，所述第二电容的正极即为所述中间单元的第二一端口，负极即为所述中间单元的第二二端口；另一条支路以所述第三开关管的发射极与所述第四开关管的集电极相连的方式构成，第三开关管的集电极即为所述中间单元的第二三端口，所述第四开关管的发射极即为所述中间单元的第二四端口，所述第三开关管的发射极与所述第四开关管的集电极的连接点即为所述中间单元的第二五端口。

所述底端单元为三端口模块，包括第五开关管、第六开关管和第三电容。所述第三电容的负极则作为所述底端单元的第三一端。而所述第五开关管的发射极则与所述第六开关管的集电极相连，此连接点为所述底端单元的第三二端，所述第六开关管的发射极作为所述底端单元的第三三端。

进一步地，本发明中的所述整流电路，通过所述的中间单元的第二五端口与所述的电网侧电抗连接，再将所述的电网侧电抗接入所述的交流侧。

进一步地，本发明中的任一所述基本单元即所述顶端单元、中间单元和底端单元均包含两个开关管，通过控制两个开关管的开通或关断，均可组合出三种开关状态。以所述顶端单元为例，所述顶端单元包含所述第一开关管与第二开关管，三种开关状态包括所述第一开关管导通所述第二开关管关闭、所述第一开关管与所述第二开关管均关闭和所述第一开关管关闭所述第二开关管导通，不存在第一开关管与所述第二开关同时导通的开关状态。

值得说明的是，虽然在本发明的附图中的电路使用的开关管均为IGBT，但本发明的应用范围并不局限于此，开关管可采用全控型电力电子开关管，具体包括门极可关断晶闸管（GTO）、电力晶体管（GTR）、电力场效应晶体管（电力MOSFET）、绝缘栅极晶体管（IGBT）等。

本发明具有以下有益效果：本发明提出了一种半桥级联型多电平整流电路，其解决随着电平数增加系统结构变得复杂以及电压变换困难问题，引入的三种基本单元并没有增加整流电路的复杂度，控制方式简单，线电压电平输出自由度高。

附图说明：

图1为本发明所述顶端单元M1的结构示意图；

图2为本发明所述中间单元M2的结构示意图；

图3为本发明所述底端单元M3的结构示意图；

图4为本发明的实施例之一半桥级联型五电平整流电路的结构示意图；

图5为本发明的实施例之一半桥级联型单相全桥整流电路结构示意图；

图6为本发明的实施例之一半桥级联型单相全桥整流电路的相电压波形图；

图7为本发明的实施例之一半桥级联型单相全桥整流电路的线电压输出波形图；

具体实施方式

：

下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但值得说明的是，本发明的保护范围不局限于以下所述。

当所述半桥级联型多电平整流电路需要产生N（N≥2）电平时，控制方式如下：

(1)调制信号U_ref为正弦波，将N-1个三角波U_tri1~U_tri（N-1）作为载波，在调制信号与载波的交点时刻控制所述顶端单元、中间单元和底端单元中的2个开关管的通断，进而改变与载波相对应的矩形脉冲的宽度以控制子模块输出基波的幅值；通过改变载波的调制周期控制其输出频率，从而在所述半桥级联型多电平整流电路输出电压的同时对其幅值以及频率进行控制。

(2)输入所述调制信号U_ref与N-1个频率相同依次层叠的所述三角载波U_tri1~U_tri（N-1）比较，得到的PWM波形作为所述基本单元中各个开关管的驱动信号，具体控制方法为：

N-1个三角载波从幅值为-1开始层叠，第n（1≤n≤N-1，n为整数）个载波的幅值U_tri（n）范围为[(2n-N+1)/N-1，（2n-N+2）/N-1],第N-1个载波的峰值为1，所有载波相位依次相差2π/N; 所述调制波U_ref的幅值范围在-1~1间变化；

当U_ref<0且U_tri（n）<U_ref<U_tri(n+1)（若N为奇数,1<n≤（N-1）/2；若N为偶数,1<n≤N/2）时，将第n-1个所述基本单元设置为投入状态，第n个至第K-1个所述基本单元设置为导通状态，第K个所述基本单元设置为状态二，剩余所述基本单元设置为阻断状态；当n=1时，第1个至第K-1个所述基本单元全为导通状态，第K个所述基本单元设置为状态二，其余所述基本单元全为阻断状态。

当U_ref≥0且U_tri（n）≤U_ref≤U_tri（n+1）(若N为奇数，(N+1)/2≤n<N-1；若N为偶数，（N+2）≤n<N-1)时，将第n个子模块设置为投入状态，第K+1至第n-1个子模块设置为导通状态，第K个子模块设置为状态一，剩余子模块设置为阻断状态；当n=N-1时，第K个子模块设置为状态一，第K+1至第N-1个模块全为导通状态，其余模块全为阻断状态。

其中，

状态一：所述中间单元中所述第三开关管导通，所述第四开关管关断；

状态二：所述中间单元中所述第三开关管关断，所述第四开关管导通；

投入状态：所述顶端单元中所述第一开关管关断、所述第二开关管导通；所述底端单元中所述第五开关管导通、所述第六开关管关断；

阻断状态：所述顶端单元、中间单元或底端单元中的两个开关管均关断；

导通状态：所述顶端单元中所述第一开关管导通、所述第二开关管关断；所述底端单元中所述第五开关管关断、所述第六开关管导通。

值得说明的是，本发明中确定所述调制波的类型并不局限于某一种特定波形，所述调制波的波形具有普遍性。

参阅图1所示，为组成本发明拓扑结构的所述顶端单元M1结构示意图，包括第一开关管TM11、第二开关管TM12和第一电容C1。所述基本单元M1的具体连接方式为：所述第一电容C1的正极即为所述顶端单元的第一一端口MA1； 所述第一开关管TM11集电极即为所述顶端单元M1的第一二端口MC1；所述第一开关管TM11发射极与所述第二开关管TM12的集电极相连接，此连接点即为所述顶端单元M1的第一三端口O1。

参阅图2所示，为组成本发明拓扑结构的所述的中间单元M2的结构示意图，包括所述第三开关管TM21、第四开关管TM22和第二电容C2。所述中间单元M2的具体连接方式为：两条支路的具体连接方式为：所述第二电容C2独自构成一条支路，所述第二电容C2的正极即为所述中间单元M2的第二一端口MA2，负极即为所述中间单元M2的第二二端口MB2；另一条支路以所述第三开关管TM21的发射极与所述第四开关管TM22的集电极相连的方式构成，第三开关管TM21的集电极即为所述中间单元M2的第二三端口MC2，所述第四开关管TM22的发射极即为所述中间单元M2的第二四端口MD2，所述第三开关管TM21的发射极与所述第四开关管TM22的集电极的连接点即为为所述中间单元M2的第二五端口O2。

参阅如图3所示，为组成本发明拓扑结构的所述底端单元M3的结构示意图，包括第五开关管TM31、第六开关管TM32和第三电容C3，同时所述第三电容C3的负极则作为所述底端单元M3的第三一端口MB3。而所述第五开关管TM31的发射极则与所述第六开关管TM32的集电极相连，此连接点为所述底端单元M3的第三二端口O3，所述第六开关管TM32的发射极作为所述底端单元M3的第三三端口MD3。

作为本发明的实施例，参阅图4所示，为本发明的实施例之一半桥级联型五电平整流电路的结构示意图。所述半桥级联型五电平整流电路由1个所述顶端单元M1和1个所述中间单元M2以及2个所述第三子模块M3组成。图1、2、3已具体叙述所述顶端单元、中间单元和底端单元的连接方式，故在此和之后的实施例中均不再具体说明，只说明所述顶端单元、中间单元和底端单元间是如何连接的。所述基本单元间的具体连接方式为：所述顶端单元M1的第一一端口MA1与第一二端口MC1相连；所述顶端单元的MB1端口与所述中间单元M2的第二一端口MA2相连；所述顶端单元M1的第一三端口O1与所述中间单元M2的第二三端口MC2相连；所述中间单元M2的第二五端口O2连接电网侧电抗；所述中间单元M2的第二二端口MB2与所述底端单元M3的MA3端口相连；所述中间单元M2的第二四端口MD2与所述底端单元M3的第三二端口O3相连；所述的底端单元M3的第三一端口MB3与第二个所述底端单元M4的MA4端口相连；所述的底端单元M3的第三三端口MD3与第二个所述底端单元M4的第四二端口O4相连；第二个所述底端单元的第四一端口MB4与第四三端口相连。至此，所述半桥级联型五电平整流电路的结构连接完成。

所述半桥级联型五电平整流电路共可输出5个电平，分别为：E、3/4E、1/2E、E/4、0。所述半桥级联型五电平整流电路的具体实现方式为：

由此可看出，所述半桥级联型五电平整流电路的拓扑结构包括所述的顶端单元M1、中间单元M2、底端单元M3。通过将所述顶端单元M1、中间单元M2、底端单元M3进行一定组合，可以得到不同的多电平拓扑且可自由输出多电平，通过在直流侧串联多个电容，可以提高直流母线的电压等级。相比较二极管钳位型、级联H桥型、模块化多电平型拓扑结构，不需要额外的二极管和电容，器件使用数量少，电路结构简单，有效降低了硬件成本。

作为本发明的另一个实施例，参阅图5所示，为半桥级联型单相全桥整流电路的结构示意图。所述半桥级联型单相全桥整流电路中的每一组桥臂的结构均与本发明的上一实施例中所述的半桥级联型五电平整流电路的结构相同，故其所包含的所述三种基本单元的具体连接方式亦不再赘述，只说明两个桥臂之间的连接方式。所述两组桥臂之间的连接方式：第一组桥臂和第二组桥臂分别接在交流电压源两侧。至此，所述半桥级联型单相全桥整流电路连接完成。

因相电压为每一相电源两端相对于此相中选取的参考点的电压值，而线电压则为每两相之间的电压差值，根据规定方向不同而有正负之分。因此，相电压与线电压产生互不冲突。

参阅图6所示，为本发明的实施例之一半桥级联型单相全桥整流电路相电压输出波形图。由图可见，半桥级联型单相全桥整流电路相电压输出范围为+120V~-120V，相位差为120°，所述三种基本单元中的电容电压均为30V，正负各有四电平，分别为+120V、+90V、+60V、+30V、0V、-30V、-60V、-90V、-120V。

参阅图7所示，为本发明的实施例之一半桥级联型单相全桥整流电路的线电压输出波形图，以图5半桥级联型单相全桥整流电路中的MB2为参考点，相位相差120°，所述三种基本单元中的电容电压均为30V。因此，所述半桥级联型单相全桥整流电路的线电压输出范围为+60V~-60V，正负各可输出两电平，分别为-60V、-30V、0V、+30V、+60V。

由于所述半桥级联型五电平整流电路中两组桥臂结构完全相同，故仅以一组桥臂为例阐述输出线电压值与其所对应的开关管的状态：

由此可以看出，所述半桥级联型五电平整流电路可通过控制电路中第一开关管TM11、第二开关管TM21、第五开关管TM31、第六开关管TM32、第七开关管TM41、第八开关管TM42的状态并进行组合，达到输出-60V、-30V、0、+30V、+60V这五个电压的目的。具体开关状态控制方式为：输出-60V电压，则第七开关管TM42、第六开关管TM32、第四开关管TM22导通；输出-30V电压，则第六开关管TM41、第六开关管TM32、第四开关管TM22导通；输出0V电压，则第五开关管TM31、第四开关管TM22导通。

所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本公开的范围（包括权利要求）被限于这些例子；在本发明的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本发明的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。

本发明的实施例旨在涵盖落入所附权利要求的宽泛范围之内的所有这样的替换、修改和变型。因此，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。