[发明专利]一种基于开关电容的模块化多电平变换器

说明书

本发明公开了一种基于开关电容的模块化多电平变换器。该多电平变换器包括三个并联在直流母线之间的多电平桥臂，每个多电平桥臂包括第一、第二基本单元、以及中间单元，中间单元有三种不同形式；对于输出n+1个电平，其多电平桥臂由2n‑1个子模块依次串联构成；所述2n‑1个子模块中有n‑1个子模块为第一基本单元，有1个子模块为中间单元，有n‑1个子模块为第二基本单元；所述多电平桥臂中的n‑1个第一基本单元依次串联在中间单元与直流母线正极之间，n‑1个第二基本单元依次串联在中间单元与直流母线负极之间，多电平桥臂的交流输出端均由中间单元引出。本发明能实现电容电压自平衡，不需要复杂的预充电程序，适用于模块化多电平变换器的使用场合。

技术领域

本发明涉及电力电子多电平变换技术领域，特别是一种基于开关电容的模块化多电平变换器。

背景技术

在高压大功率领域，由于功率器件的耐压问题，传统两电平电压源型变换器已无法适用。近年来，多电平变换器以其独特的结构优点在高压大容量场合受到了广泛的关注。最常见的多电平拓扑可以分为二极管箝位型多电平拓扑、电容箝位型多电平拓扑以及级联H桥多电平拓扑。二极管箝位型多电平拓扑在电平数大于等于5的时候所需要的箝位二极管与功率开关管的数量急剧增加，而且电容平衡问题不易解决。电容箝位型多电平变换器拓扑随着电平数的增加所需电容数量增加，而且箝位电容两端电压较难平衡。级联H桥多电平变换器采用模块化设计，利于维护与控制，然而该拓扑需要的独立直流源较多，实现较为复杂。

为了弥补现有多电平拓扑在高压大功率场合应用的缺陷，德国学者Marquardt R.及其合作者提出了基于级联结构的模块组合多电平变换器。该种变换器保留了H桥式多电平变换器的高度模块化的优点，同时具有公共直流母线，便于工程实现，可以直接用于高压大功率的场合。模块组合多电平变换器被广泛应用于高压直流输电、中高压电力传动、电能质量治理以及高压直流功率变换等领域。然而其直流电容电压需要复杂的预充电，初始化比较困难，而且调制过程中直流电容电压容易不平衡，控制直流电容平衡实现复杂，限制了模块组合多电平变换器的进一步应用。

开关电容多电平逆变器近年来在国内外得到了广泛关注，其可以使用较少的器件获得成倍于输入电压的电平，而且无电容电压不平衡问题，但在低频大电流场合电容电压纹波较大，比较适用于高频输出场合，而在工频大电流输出场合受限。

发明内容

本发明的目的在于提出一种基于开关电容的模块化多电平变换器，能实现电容电压自平衡，且不需要复杂的预充电程序。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于开关电容的模块化多电平变换器，包括三个并联在直流母线之间的多电平桥臂。对于输出n+1个电平的基于开关电容的模块化多电平变换器，其多电平桥臂由2n-1个子模块依次串联构成，其中n为大于等于2 的偶数。所述2n-1个子模块中有n-1个子模块为第一基本单元SMA，有1个子模块为中间单元SMC，有n-1个子模块为第二基本单元SMB。

进一步地，所述多电平桥臂中的n-1个第一基本单元SMA依次串联在中间单元SMC与直流母线正极之间，n-1个第二基本单元SMB依次串联在中间单元SMC与直流母线负极之间，多电平桥臂的交流输出端均由中间单元SMC引出。

进一步地，所述第一基本单元SMA包括第一电容Ca、第一功率开关管Sa、第二功率开关管Sb、第三功率开关管Sc；其中每个功率开关管均为带反并联二极管的有源开关管；第一电容Ca的正极与第一功率开关管Sa的集电极连接，连接点记为端子Xa；第一电容Ca的负极与第二功率开关管Sb的发射极连接，连接点记为端子Xb；第一功率开关管Sa的发射极与第二功率开关管Sb的集电极连接，连接点记为端子Ya；第三功率开关管Sc的集电极与端子Xb连接，第三功率开关管Sc的发射极记为端子Yb。