[发明专利]电力电子器件的间接串联拓扑及控制方法

说明书

本发明涉及一种电力电子器件的间接串联拓扑，用于提高所述电力电子器件的耐电压水平，其包括串联在一起的N个电力电子器件；所述N为偶数，且大于等于四；第N/2个电力电子器件和第N/2+1个电力电子器件的连接处为负载端。所述间接串联拓扑控制方法为：控制距离所述负载端最远的电力电子器件，到距离所述负载端最近的电力电子器件依次关断；当所有电力电子器件都关断后，再控制距离所述负载端最近的器件，到距离所述负载端最远的器件依次导通；本发明提出的控制方法不需要每个功率半导体器件同时开通和关断，因此对器件驱动信号同步性要求比较低，具有很强的鲁棒性。

技术领域

本发明涉及电力电子系统，具体是关于一种电力电子器件的间接串联拓扑及控制方法。

背景技术

电力电子技术在工业生产生活和军事等诸多领域都得到了广泛的应用，全控性电力电子功率器件如绝缘栅双极性晶体管(IGBT)或者金属-氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)是电力电子技术最基础也是最重要的元件，决定了电力电子技术的发展水平。单个电力电子器件的耐电压水平有限，通过器件串联可以提高器件的耐电压水平，提高电力电子系统的容量。

现有的电力电子器件串联方案，多采用首尾直接连接的方法，并使所有的电力电子器件同时开通和关断实现，以使得整体等效为一个耐电压等级更高的电力电子器件。该方案的最大挑战在于，如何实现多个电力电子器件静态过程中的电压均衡，和在开通和关断的动态过程中的电压均衡，以保证器件在长时间运行的可靠性，其中挑战最大的为动态电压均衡。

典型动态电压平衡的方法包括，使用缓冲吸收电路实现电压均衡和使用负反馈在驱动回路实现电压均衡。使用缓冲吸收电路实现电压均衡会降低电力电子器件的开关速度，增加器件开关损耗。利用负反馈在驱动回路实现电压均衡是利用电压传感器检测器件检测每个器件开关动态过程中的电压，并不断调整驱动信号来实现电压均衡的方法。该方法通常需要高精度、高带宽、小体积的传感器，在增加成本的同时也增加了电路体积和复杂性。

因此，如何解决上述问题，设计具有低损耗、结构简单、可靠性高、扩展性强等特点的电力电子器件串联方案是一个重要课题，对提高电力电子变换器的性能，拓展电力电子技术的应用领域具有非常重要的意义。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种电力电子器件的间接串联拓扑的控制方法，避免了电力电子器件的直接串联，因此不需要缓冲吸收电路或者电压传感器，避免了额外增加的开关损耗，结构简单，可靠性高。此外，相比于直接串联的方法，本发明提出的方案不需要器件同时开通和关断，对驱动回路的同步性要求比较低，输出电压为多个阶梯的电压波形，电磁兼容性更好。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种电力电子器件的间接串联拓扑，用于提高所述电力电子器件的耐电压水平，所述电力电子器件的间接串联拓扑，其包括串联在一起的N个电力电子器件；所述N为偶数，且大于等于四；第N/2个电力电子器件和第N/2+1个电力电子器件的连接处为负载端；

每个所述电力电子器件的两端均并联实现静态电压均衡的电阻；

在所述串联在一起的N个电力电子器件的两端并联N/2个串联在一起的半桥母线电容；在不包括首尾2个电力电子器件的剩余的N-2个电力电子器件中，以所述负载端为中间点的镜像对称关系下，每M个电力电子器件两端并联M/2个串联在一起的钳位电容；所述M为偶数，且小于等于N-2；

在不包括首尾2个电力电子器件的剩余的N-2个电力电子器件中，以所述负载端为中间点的镜像对称关系下，每K个电力电子器件之间并联K/2个串联在一起的在动态过程中提供电流路径的二极管；所述K为偶数，且小于等于N-2；所述在动态过程中提供电流路径的二极管的导通电流方向与所述电力电子器件导通电流的方向相反；

在所述串联在一起的不包括首尾2个电力电子器件的N-2个电力电子器件中的每每个电力电子器件两端并联一个补偿电荷的器件。