用于多電平變換器的基本單元、三電平和m電平拓撲結(jié)構(gòu)的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種用于多電平變換器的基本單元，包括絕緣柵雙極型晶體管和兩個二極管，兩個二極管串聯(lián)后反向并聯(lián)至絕緣柵雙極型晶體管兩側(cè)，在絕緣柵雙極型晶體管兩側(cè)和兩個二極管之間引出三個接線端。該基本單元具備三個端子，可形成三種不同類型的雙向電流路徑，可以解決現(xiàn)有結(jié)構(gòu)基本單元中電流路徑單一的問題，更易形成多電平。還公開了一種三電平拓撲結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)所用器件數(shù)量少，輸出電平數(shù)多，具有傳統(tǒng)T型三電平結(jié)構(gòu)相同的電壓應力，可以解決傳統(tǒng)兩電平結(jié)構(gòu)用于大功率場合開關頻率低問題。還公開了的m電平拓撲結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)省去了二極管箝位多電平結(jié)構(gòu)中大量的箝位器件，并可以解決箝位型多電平拓撲結(jié)構(gòu)中的損耗不均衡問題。
【專利說明】用于多電平變換器的基本單元、三電平和m電平拓撲結(jié)構(gòu)

【技術領域】
[0001] 本實用新型屬于電工、電力電子、電機應用的【技術領域】，具體來說，涉及用于多電 平變換器的基本單元、三電平和m電平拓撲結(jié)構(gòu)。

【背景技術】
[0002] 當前，電壓源型兩電平拓撲結(jié)構(gòu)逆變系統(tǒng)已被廣泛應用于電機驅(qū)動、軌道交通、電 能轉(zhuǎn)換等眾多工業(yè)領域，然而這種拓撲結(jié)構(gòu)的逆變系統(tǒng)承受電壓應力高、dv/dt較大、輸出 電流諧波畸變率高、輸出濾波器體積大等局限。
[0003] 采用電壓源型多電平拓撲結(jié)構(gòu)逆變系統(tǒng)可以很好地解決兩電平變換器帶來的不 足。然而在傳統(tǒng)幾類多電平逆變系統(tǒng)中，不同的多電平拓撲結(jié)構(gòu)除了具有輸出最多電平數(shù) 只能為奇數(shù)外，還具有特定的缺點：（1)二極管箝位型多電平拓撲結(jié)構(gòu)雖然采用的開關器 件少，但是同一橋臂不同功率器件損耗不均衡，模塊化程度弱，需要大量箝位二極管。（2)飛 跨電容型多電平拓撲結(jié)構(gòu)采用的開關器件少，但是需要大量的飛跨電容。（3)級聯(lián)H橋型多 電平拓撲結(jié)構(gòu)需要開關器件多，而且需要隔離的直流電壓源。（4)有源箝位型和P2通用型 多電平拓撲結(jié)構(gòu)：雖然可以解決二極管箝位型多電平變換器的功率損耗不平衡問題，并具 有模塊化等優(yōu)勢，但是所含開關器件多。
[0004]在中低壓應用場合，考慮到成本的成倍增加，通常采用兩電平拓撲結(jié)構(gòu)，而通過增 加開關頻率、采用輸出濾波措施來達到相應的性能指標，這種方式具有損耗大、效率低、體 積大等缺點。
[0005] 在中高壓大功率應用場合，采用上述（1)_(3)類拓撲結(jié)構(gòu)時，則不得不解決大量 飛跨電容、大量箝位二極管、大量隔離直流電源帶來的問題。而采用有源箝位型或者P2通 用型多電平拓撲結(jié)構(gòu)，開關器件的增多在增加系統(tǒng)控制復雜性的同時，還會導致驅(qū)動電路 和緩沖電路數(shù)量的增加，以及成本的增加。
[0006] 與傳統(tǒng)兩電平逆變器拓撲結(jié)構(gòu)相比，新型簡化二極管箝位型三電平拓撲結(jié)構(gòu)降低 了系統(tǒng)復雜型，但具有傳統(tǒng)I型三電平逆變器輸出電流諧波畸變率小，dv/dt小的優(yōu)點，并 具有傳統(tǒng)T型三電平相同的電壓應力。簡化二極管箝位型三電平拓撲結(jié)構(gòu)具有兩種可選的 演變型拓撲結(jié)構(gòu)，它們都采用有源換流方式，可用于解決功率損耗不平衡問題。
[0007] 與傳統(tǒng)的多電平變換器拓撲結(jié)構(gòu)相比，本實用新型提出的通用型多電平變換器拓 撲結(jié)構(gòu)模塊化程度高、可擴展性好、開關器件數(shù)量少、結(jié)構(gòu)簡單，可解決功率損耗不均衡問 題，并保留了傳統(tǒng)多電平變換器的優(yōu)勢。 實用新型內(nèi)容
[0008] 技術問題：本實用新型所要解決的技術問題是：提供一種用于多電平變換器的基 本單元，該基本單元具備三個端子，可形成三種不同類型的雙向電流路徑，可以解決現(xiàn)有結(jié) 構(gòu)基本單元中電流路徑單一的問題，更易形成多電平。還提供基于上述基本單元的三電平 拓撲結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)所用器件數(shù)量少，輸出電平數(shù)多，具有傳統(tǒng)T型三電平結(jié)構(gòu)相同的電壓應 力，并可以解決傳統(tǒng)兩電平結(jié)構(gòu)用于大功率場合開關頻率低、電流諧波畸變率高，輸出濾 波器體積大，損耗不均衡等問題；以及提供基于上述基本單元的m電平拓撲結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)省 去了二極管箝位多電平結(jié)構(gòu)中大量的箝位器件，并可以解決箝位型多電平拓撲結(jié)構(gòu)中的損 耗不均衡問題，并具備更高的容錯能力。該結(jié)構(gòu)還可以解決飛跨電容型及級聯(lián)型多電平結(jié) 構(gòu)大量的獨立電源及飛跨電容問題。由于該結(jié)構(gòu)采用模塊化設計，可以降低維護和安裝的 成本。由于該結(jié)構(gòu)采用功率器件少，可以簡化調(diào)制策略的設計。
[0009] 技術方案：為解決上述技術問題，本實用新型采用的技術方案是：
[0010] 一種用于多電平變換器的基本單元，該基本單元包括絕緣柵雙極型晶體管和兩個 二極管，兩個二極管串聯(lián)后反向并聯(lián)至絕緣柵雙極型晶體管兩側(cè)，在絕緣柵雙極型晶體管 兩側(cè)和兩個二極管之間引出三個接線端。
[0011] 一種采用上述的基本單元的三電平拓撲結(jié)構(gòu)，該拓撲結(jié)構(gòu)包括第一直流電壓源、 母線電容組件和第一變換器橋臂；母線電容組件包括兩個串聯(lián)的母線電容，母線電容組件 并聯(lián)到第一直流電壓源的兩端，第一直流電壓源由母線電容組件分出P電位、0電位和N電 位三種電位，其中，0電位位于兩個母線電容的中間，P電位位于直流電壓源的正極，N電位 位于直流電壓源的負極；變換器橋臂包括P電平單元、0電平單元和N電平單元，所述的P 電平單元、0電平單元和N電平單元分別采用基本單元結(jié)構(gòu)構(gòu)成，該基本單元包括絕緣柵雙 極型晶體管和兩個二極管，兩個二極管串聯(lián)后反向并聯(lián)至絕緣柵雙極型晶體管兩側(cè)，在絕 緣柵雙極型晶體管兩側(cè)設有第一接線端和第二接線端，兩個二極管之間設有第三接線端；0 電平單元的第一接線端和P電平單元的第三接線端連接，0電平單元的第二接線端和N電 平單元的第三接線端連接，0電平單元的第三接線端和0電位連接；P電平單元的第一接線 端和P電位連接，P電平單元的第二接線端和N電平單元的第一接線端連接，N電平單元的 第二接線端和N電位連接；第一變換器橋臂的輸出端由P電平單元的第二接線端和N電平 單元的第一接線端連接處引出。
[0012] 進一步，所述的0電平單元還包括一個絕緣柵雙極型晶體管；兩個絕緣柵雙極型 晶體管串聯(lián)，形成第一絕緣柵雙極型晶體管組件，0電平單元中的兩個二極管串聯(lián)后反向并 聯(lián)至第一絕緣柵雙極型晶體管組件的兩側(cè)，在第一絕緣柵雙極型晶體管組件兩側(cè)引出第一 接線端和第二接線端，兩個二極管之間引出第三接線端，兩個絕緣柵雙極型晶體管之間引 出第四接線端；〇電平單元的第四接線端和第一變換器橋臂的輸出端連接。
[0013] 進一步，所述的0電平單元還包括一個絕緣柵雙極型晶體管；兩個絕緣柵雙極型 晶體管串聯(lián)，形成第二絕緣柵雙極型晶體管組件，0電平單元中的兩個二極管串聯(lián)后反向并 聯(lián)至第二絕緣柵雙極型晶體管組件的兩側(cè)，在第二絕緣柵雙極型晶體管組件兩側(cè)引出第一 接線端和第二接線端，兩個二極管之間引出第三接線端，兩個絕緣柵雙極型晶體管之間引 出第四接線端；0電平單元的第四接線端和0電位連接。
[0014] -種含有上述的基本單元的m電平拓撲結(jié)構(gòu)，該拓撲結(jié)構(gòu)包括第二變換器橋臂、 第二二極管串聯(lián)組件、第二母線電容串聯(lián)組件和第二直流電壓源；第二母線電容串聯(lián)組件 由m-1個母線電容串聯(lián)組成，第二母線電容串聯(lián)組件并聯(lián)于第二直流電壓源的兩端，將直 流電源分出m種電位節(jié)點，第1至m電位位于第二母線電容串聯(lián)組件的連接點，且第1電位 位于第二直流電壓源的正極，第m電位位于第二直流電壓源的負極；第二二極管串聯(lián)組件 包括2m個二極管，第二二極管串聯(lián)組件中的奇數(shù)節(jié)點與第二母線電容串聯(lián)組件的第1?m 電位節(jié)點依次連接；第二變換器橋臂包括m個電平層，第1個電平層包含一個基本單元，第m個電平層包含m個基本單元，每個電平層中包含的基本單元數(shù)量隨層數(shù)增加逐漸增加1 個；基本單元包括絕緣柵雙極型晶體管和兩個二極管，兩個二極管串聯(lián)后反向并聯(lián)至絕緣 柵雙極型晶體管兩側(cè)，在絕緣柵雙極型晶體管兩側(cè)引出第一接線端和第二接線端，在兩個 二極管之間引出第三接線端；在每個電平層中，基本單元的第一接線端和位于下一電平層 中的一個基本單元的第三接線端連接，基本單元的第二接線端和位于下一電平層中的另一 個基本單元的第三接線端連接，基本單元的第三接線端和位于上一電平層中基本單元的第 一接線端或者第二接線端連接；位于第1個電平層的基本單元的第三接線端和第一變換器 橋臂的輸出端連接；位于第m個電平層的基本單元的第一接線端和第二接線分別與第二二 極管串聯(lián)組件中的偶數(shù)電位節(jié)點連接；m的取值范圍為大于2的整數(shù)。
[0015] -種含有上述的基本單元的m電平拓撲結(jié)構(gòu)，該拓撲結(jié)構(gòu)包括第三變換器橋臂、 第三二極管串聯(lián)組件、第三母線電容串聯(lián)組件和第三直流電壓源；第三母線電容串聯(lián)組件 由m-1個母線電容串聯(lián)組成，第三母線電容串聯(lián)組件并聯(lián)于第三直流電壓源的兩端，將直 流電源分出m種電位節(jié)點，第1至m電位位于第三母線電容串聯(lián)組件的連接點，且第1電位 位于第三直流電壓源的正極，第m電位位于第三直流電壓源的負極；第三二極管串聯(lián)組件 包括2m-4個二極管，位于第三二極管串聯(lián)組件中的奇數(shù)節(jié)點與第三母線電容串聯(lián)組件中 的第2?m-1電位節(jié)點依次連接；第三變換器橋臂包括m個電平層，第1個電平層包含一個 基本單元，第m個電平層包含m個基本單元，每個電平層中包含的基本單元數(shù)量隨層數(shù)增加 逐漸增加1個；所述的基本單元包括絕緣柵雙極型晶體管和兩個二極管，兩個二極管串聯(lián) 后反向并聯(lián)至絕緣柵雙極型晶體管兩側(cè)，在絕緣柵雙極型晶體管兩側(cè)引出第一接線端和第 二接線端，在兩個二極管之間引出第三接線端；在每個電平層中，基本單元的第一接線端和 位于下一電平層中的一個基本單元的第三接線端連接，基本單元的第二接線端和位于下一 電平層中的另一個基本單元的第三接線端連接，基本單元的第三接線端和位于上一電平層 中基本單元的第一接線端或者第二接線端連接；位于第1個電平層的基本單元的第三接線 端和第三變換器橋臂的輸出端連接；位于第m個電平層的第一個基本單元的第一接線端和 第三直流電壓源的正極連接，位于第m個電平層的第m個基本單元的第二接線端和第三直 流電壓源的負極連接，位于第m個電平層的第一個基本單元的第二接線端、第m個基本單元 的第一接線端，以及第2?m-1個基本單元的第一接線端和第二接線分別與第三二極管串 聯(lián)組件中的偶數(shù)電位節(jié)點連接；m的取值范圍為大于2的整數(shù)。
[0016] -種含有上述的基本單元的m電平拓撲結(jié)構(gòu)，該拓撲結(jié)構(gòu)包括第四變換器橋臂、 第四二極管串聯(lián)組件、第四母線電容串聯(lián)組件和第四直流電壓源；第四母線電容串聯(lián)組件 由m-1個母線電容串聯(lián)組成，第四母線電容串聯(lián)組件并聯(lián)于第四直流電壓源的兩端，將直 流電源分出m種電位節(jié)點，第1至m電位位于第四母線電容串聯(lián)組件的連接點，且第1電位 位于第四直流電壓源的正極，第m電位位于第四直流電壓源的負極；第四二極管串聯(lián)組件 包括2m個二極管，第四二極管串聯(lián)組件中的奇數(shù)節(jié)點與第四母線電容串聯(lián)組件的第1?m 電位節(jié)點依次連接；第四變換器橋臂包括m個電平層，第1個電平層包含一個基本單元，第 m個電平層包含m個基本單元，每個電平層中包含的基本單元數(shù)量隨層數(shù)增加逐漸增加1 個，且第3至m-1個電平層中的第2至k-1的基本單元中的絕緣柵雙極型晶體管被移除，k 表示所在的電平層層數(shù)；基本單元包括絕緣柵雙極型晶體管和兩個二極管，兩個二極管串 聯(lián)后反向并聯(lián)至絕緣柵雙極型晶體管兩側(cè)，在絕緣柵雙極型晶體管兩側(cè)引出第一接線端和 第二接線端，在兩個二極管之間引出第三接線端；在每個電平層中，基本單元的第一接線端 和位于下一電平層中的一個基本單元的第三接線端連接，基本單元的第二接線端和位于下 一電平層中的另一個基本單元的第三接線端連接，基本單元的第三接線端和位于上一電平 層中基本單元的第一接線端或者第二接線端連接；位于第1個電平層的基本單元的第三接 線端和第四變換器橋臂的輸出端連接；位于第m個電平層的基本單元的第一接線端和第二 接線分別與第四二極管串聯(lián)組件中的偶數(shù)電位節(jié)點連接；m的取值范圍為大于2的整數(shù)。
[0017] -種含有上述的基本單元的m電平拓撲結(jié)構(gòu)，該拓撲結(jié)構(gòu)包括第五變換器橋臂、 第五二極管串聯(lián)組件、第五母線電容串聯(lián)組件和第五直流電壓源；第五母線電容串聯(lián)組件 由m-1個母線電容串聯(lián)組成，第五母線電容串聯(lián)組件并聯(lián)于第五直流電壓源的兩端，將直 流電源分出m種電位節(jié)點，第1至m電位位于第五母線電容串聯(lián)組件的連接點，且第1電位 位于第五直流電壓源的正極，第m電位位于第五直流電壓源的負極；第五二極管串聯(lián)組件 包括2m個二極管，第五二極管串聯(lián)組件中的奇數(shù)節(jié)點與第五母線電容串聯(lián)組件的第1?m 電位節(jié)點依次連接；第五變換器橋臂包括m-1個電平層，第1和2個電平層為兩電平基本 單元，第3個電平層包含3個基本單元，第m個電平層包含m個基本單元，從第4?m個電 平層中，每個電平層中包含的基本單元數(shù)量隨層數(shù)增加逐漸增加1個；所述的基本單元包 括絕緣柵雙極型晶體管和兩個二極管，兩個二極管串聯(lián)后反向并聯(lián)至絕緣柵雙極型晶體管 兩側(cè)，在絕緣柵雙極型晶體管兩側(cè)引出第一接線端和第二接線端，在兩個二極管之間引出 第三接線端；所述的兩電平基本單元包括兩個絕緣柵雙極型晶體管和兩個二極管，兩個二 極管串聯(lián)后反向并聯(lián)至兩個串聯(lián)的絕緣柵雙極型晶體管兩側(cè)，在絕緣柵雙極型晶體管兩側(cè) 引出第一接線端和第二接線端，在兩個二極管之間引出第三接線端，并將串聯(lián)二極管的中 間連接點與串聯(lián)絕緣柵雙極型晶體管的中間連接點連接；兩電平基本單元的第一接線端與 第3個電平層的第1基本單元的第三接線端連接，兩電平基本單元的第二接線端與第3個 電平層的第2基本單元的第三接線端連接，兩電平基本單元的第三接線端與第3個電平層 的第3基本單元的第三接線端連接；變換器橋臂的輸出端兩電平基本單元的第三接線端引 出；在第4至m個電平層中，基本單元的第一接線端和位于下一電平層中的一個基本單元的 第三接線端連接，基本單元的第二接線端和位于下一電平層中的另一個基本單元的第三接 線端連接，基本單元的第三接線端和位于上一電平層中基本單元的第一接線端或者第二接 線端連接；位于第m個電平層的基本單元的第一接線端和第二接線分別與第五二極管串聯(lián) 組件中的偶數(shù)電位節(jié)點連接；m的取值范圍為大于2的整數(shù)。
[0018] 有益效果：與現(xiàn)有技術相比，本實用新型具有以下有益效果：
[0019] 1、由于本實用新型采用絕緣柵雙極型晶體管和雙反并聯(lián)二極管作為基本組成單 元，構(gòu)成電流的雙向流通路徑，具備功率的雙向傳輸能力。
[0020] 2、本實用新型中的新型簡化二極管箝位型三電平變換器拓撲結(jié)構(gòu)開關器件少，并 具備傳統(tǒng)三電平同樣的性能，具有比傳統(tǒng)兩電平變換器拓撲結(jié)構(gòu)更低的輸出電流THD。
[0021] 3、本實用新型中由新型簡化二極管箝位型三電平變換器拓撲結(jié)構(gòu)演變而成的新 型有源箝位型三電平變換器拓撲結(jié)構(gòu)具備均衡功率損耗分布能力，降低惡劣工況對系統(tǒng)的 不利影響，提升系統(tǒng)利用率和最大輸出容量。
[0022] 4、本實用新型中的通用型多電平變換器拓撲結(jié)構(gòu)僅由基本單元、串聯(lián)二極管組 件、串聯(lián)母線電容組件、直流電源構(gòu)成，拓撲結(jié)構(gòu)簡單，擴展性能好，模塊化程度高。
[0023] 5、本實用新型中的通用型多電平變換器拓撲結(jié)構(gòu)具備系統(tǒng)自冗余性，可以用于功 率損耗分布的均衡和故障后的容錯處理。在能夠?qū)崿F(xiàn)同樣功能的多電平變換器拓撲結(jié)構(gòu) 中，該拓撲結(jié)構(gòu)采用更少的開關器件。
[0024] 6、本實用新型中的通用型多電平變換器拓撲結(jié)構(gòu)還可以通過優(yōu)化進一步減少開 關器件和二極管個數(shù)，降低成本和系統(tǒng)復雜性。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0025] 圖1是本實用新型中基本單元的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0026] 圖2是本實用新型提出的第一種三電平拓撲結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0027] 圖3是本實用新型提出的第一種三電平拓撲結(jié)構(gòu)中，P電平時的電流路徑示意圖。
[0028] 圖4是本實用新型提出的第一種三電平拓撲結(jié)構(gòu)中，0電平時的電流路徑示意圖。 的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0029] 圖5是本實用新型提出的第一種三電平拓撲結(jié)構(gòu)中，N電平時的電流路徑示意圖。 的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0030] 圖6是本實用新型提出的第二種三電平拓撲結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0031] 圖7是本實用新型提出的第三種三電平拓撲結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0032] 圖8是本實用新型提出的第二種三電平拓撲結(jié)構(gòu)中，輸出0電平時的電流路徑示 意圖。
[0033] 圖9是本實用新型提出的第三種三電平拓撲結(jié)構(gòu)中，輸出0電平時的電流路徑示 意圖。
[0034] 圖10是本實用新型第一種三電平拓撲結(jié)構(gòu)基于層疊雙載波的調(diào)制方法圖。
[0035] 圖11是本實用新型的第一種m電平變換器拓撲結(jié)構(gòu)的示意圖。
[0036] 圖12是本實用新型的第二種m電平變換器拓撲結(jié)構(gòu)的示意圖。
[0037] 圖13是本實用新型的第三種m電平變換器拓撲結(jié)構(gòu)的示意圖。
[0038] 圖14是本實用新型的第四種m電平變換器拓撲結(jié)構(gòu)的示意圖。
[0039] 圖15是本實用新型第一種m電平變換器拓撲結(jié)構(gòu)中，P+電平時的電流路徑示意 圖。
[0040] 圖16是本實用新型第一種m電平變換器拓撲結(jié)構(gòu)中，P-電平時的電流路徑示意 圖。
[0041] 圖17是本實用新型第一種m電平變換器拓撲結(jié)構(gòu)中，N+電平時的電流路徑示意 圖。
[0042] 圖18是本實用新型第一種m電平變換器拓撲結(jié)構(gòu)中，N-電平時的電流路徑示意 圖。
[0043] 圖19是本實用新型第一種m電平變換器拓撲結(jié)構(gòu)中，01電平時的電流路徑示意 圖。
[0044] 圖20是本實用新型第一種m電平變換器拓撲結(jié)構(gòu)中，02電平時的電流路徑示意 圖。
[0045] 圖21是本實用新型第一種m電平變換器拓撲結(jié)構(gòu)基于層疊雙載波的第一種調(diào)制 方法圖。
[0046] 圖22是本實用新型第一種m電平變換器拓撲結(jié)構(gòu)基于層疊雙載波的第二種調(diào)制 方法圖。

【具體實施方式】
[0047]下面結(jié)合具體實例對本實用新型進行詳細說明。以下實例將有助于本領域的技術 人員進一步理解本實用新型，但不以任何形式限制本實用新型。應當指出的是，對本領域的 普通技術人員來說，在不脫離本實用新型構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進。這些 都屬于本實用新型的保護范圍。
[0048] 參照圖1，本實用新型的用于多電平變換器的基本單元，包括絕緣柵雙極型晶體管 和兩個二極管，兩個二極管串聯(lián)后反向并聯(lián)至絕緣柵雙極型晶體管兩側(cè)，在絕緣柵雙極型 晶體管兩側(cè)和兩個二極管之間引出三個接線端。
[0049]該基本單元的工作過程是：當該基本單元及與其第一接線端相連的基本單元中的 絕緣柵雙極型晶體管都導通時，來自與其第一接線端相連單元的電流將從第一接線端流入 絕緣柵雙極型晶體管，經(jīng)過下方的二級管流出第三接線端形成電流的正向路徑；電流從第 三接線端流入上方的二極管，并由第一接線端流入與其第一接線端相連的單元，形成電流 的反向路徑。同理，當該基本單元及與其第二接線端相連的基本單元中的絕緣柵雙極型晶 體管都導通時，電流將在第二三接線端間形成電流的雙向路徑。另外，如果第三接線端無電 流流入流出時，該基本單元可以退化成現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的基本單元，在第一二接線端間形成電流 的雙向路徑。相對于現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的基本單元中的單一電流路徑，該基本單元具備三種電流路 徑，更易實現(xiàn)多電平輸出。
[0050] 參照圖2,本實用新型的第一種三電平拓撲結(jié)構(gòu)，包括第一直流電壓源11、母線電 容組件12和第一變換器橋臂13。母線電容組件12包括兩個串聯(lián)的母線電容，母線電容組 件12并聯(lián)到第一直流電壓源11的兩端，第一直流電壓源11由母線電容組件12分出P電 位、0電位和N電位三種電位，其中，0電位位于兩個母線電容的中間，P電位位于直流電壓 源11的正極，N電位位于直流電壓源12的負極；變換器橋臂13包括P電平單元14、0電平 單元15和N電平單元16,所述的P電平單元14、0電平單元15和N電平單元16分別采用 基本單元結(jié)構(gòu)構(gòu)成，該基本單元包括絕緣柵雙極型晶體管和兩個二極管，兩個二極管串聯(lián) 后反向并聯(lián)至絕緣柵雙極型晶體管兩側(cè)，在絕緣柵雙極型晶體管兩側(cè)設有第一接線端和第 二接線端，兩個二極管之間設有第三接線端。〇電平單元15的第一接線端和P電平單元14 的第三接線端連接，〇電平單元15的第二接線端和N電平單元16的第三接線端連接，0電 平單元15的第三接線端和0電位連接；P電平單元14的第一接線端和P電位連接，P電平 單元14的第二接線端和N電平單元16的第一接線端連接，N電平單元16的第二接線端和 N電位連接；第一變換器橋臂13的輸出端由P電平單元14的第二接線端和N電平單元16 的第一接線端連接處引出。
[0051]參照圖3-圖5,上述三電平拓撲結(jié)構(gòu)的工作過程是：如圖3所示，當P電平單元中 的絕緣柵雙極型晶體管S2導通時，電流將在其第一二接線端間形成雙向路徑，橋臂輸出電 位因此將等于P電位。如圖4所示，當0電平單元中的絕緣柵雙極型晶體管S1導通時，電 流將在其第三接線端與橋臂輸出端間形成雙向路徑，橋臂輸出電位因此將等于〇電位。如 圖5所示，當N電平單元中的絕緣柵雙極型晶體管S3導通時，電流將在其第一二接線端間 形成雙向路徑，橋臂輸出電位因此將等于N電位。通過控制S1、S2、S3的不同開關狀態(tài)可以 使橋臂輸出具有三種不同的電位狀態(tài)。該在減少功率器件數(shù)量的同時，實現(xiàn)了三電平的基 本功能，降低了輸出電流的諧波畸變率，提高了等效開關頻率。
[0052] 第一種三電平拓撲結(jié)構(gòu)的層疊雙載波調(diào)制方法如圖10所示。將調(diào)制波信號43與 上下層疊的上載波信號41和下載波信號42兩個載波信號進行比較。當調(diào)制波信號43大 于上載波信號41時，控制S2導通。當調(diào)制波信號43小于下載波信號42時，控制S3導通。 S1的狀態(tài)由S2、S3的狀態(tài)經(jīng)或非門得到。所有器件遵循"先關斷后導通"的原則設置死區(qū)， 在實施中可以采用上升沿延時的方法來實現(xiàn)死區(qū)功能。
[0053] 參照圖6,本實用新型提供的第二種三電平拓撲結(jié)構(gòu)，與第一種三電平拓撲結(jié)構(gòu)相 同，所不同的是：所述的〇電平單元15還包括一個絕緣柵雙極型晶體管；兩個絕緣柵雙極 型晶體管串聯(lián)，形成第一絕緣柵雙極型晶體管組件17, 0電平單元15中的兩個二極管串聯(lián) 后反向并聯(lián)至第一絕緣柵雙極型晶體管組件17的兩側(cè)，在第一絕緣柵雙極型晶體管組件 17兩側(cè)引出第一接線端和第二接線端，兩個二極管之間引出第三接線端，兩個絕緣柵雙極 型晶體管之間引出第四接線端；0電平單元15的第四接線端和第一變換器橋臂13的輸出 端連接。
[0054] 結(jié)合圖8,第二種三電平拓撲結(jié)構(gòu)的工作過程是：當?shù)谝唤^緣柵雙極型晶體管組 件17中的兩只絕緣柵雙極型晶體管SlH、Sk導通時，電流將在其第二、四接線端間形成雙向 路徑，由于橋臂輸出端與其第二接線端相連，橋臂輸出電位將等于0電位。與第一種三電平 拓撲結(jié)構(gòu)相比，該結(jié)構(gòu)在輸出〇電平時，電流將不再經(jīng)過P、N電平單元器件，因此降低了P、 N電平單元器件的導通與開關損耗，損耗分布更加均勻。
[0055] 參照圖7,本實用新型提供的第三種三電平拓撲結(jié)構(gòu)，與第一種三電平拓撲結(jié)構(gòu)相 同，所不同的是：所述的〇電平單元15還包括一個絕緣柵雙極型晶體管；兩個絕緣柵雙極 型晶體管串聯(lián)，形成第二絕緣柵雙極型晶體管組件18, 0電平單元15中的兩個二極管串聯(lián) 后反向并聯(lián)至第二絕緣柵雙極型晶體管組件18的兩側(cè)，在第二絕緣柵雙極型晶體管組件 18兩側(cè)引出第一接線端和第二接線端，兩個二極管之間引出第三接線端，兩個絕緣柵雙極 型晶體管之間引出第四接線端；0電平單元15的第四接線端和0電位連接。
[0056] 結(jié)合圖9,第三種三電平拓撲結(jié)構(gòu)的工作過程是：當?shù)诙^緣柵雙極型晶體管組 件18中的兩只絕緣柵雙極型晶體管S1H、SL導通時，電流將在其第二接線端與橋臂輸出端 間形成雙向路徑，橋臂輸出電位將等于〇電位。與第一種三電平拓撲結(jié)構(gòu)相比，該結(jié)構(gòu)在輸 出0電平時，電流將不再經(jīng)過0電平單元中的二極管器件，因此降低了 0電平單元器件的導 通與反向恢復損耗，在變換器處于低壓輸出時，這將使損耗分布更加均勻。
[0057] 參見圖11，本實用新型提供的第一種m電平拓撲結(jié)構(gòu)，包括第二變換器橋臂501、 第二二極管串聯(lián)組件502、第二母線電容串聯(lián)組件503和第二直流電壓源504 ;第二母線電 容串聯(lián)組件503由m-1個母線電容串聯(lián)組成，第二母線電容串聯(lián)組件503并聯(lián)于第二直流 電壓源504的兩端，將直流電源分出m種電位節(jié)點，第1至m電位位于第二母線電容串聯(lián)組 件503的連接點，且第1電位位于第二直流電壓源504的正極，第m電位位于第二直流電 壓源504的負極；第二二極管串聯(lián)組件502包括2m個二極管，第二二極管串聯(lián)組件502中 的奇數(shù)節(jié)點與第二母線電容串聯(lián)組件503的第1?m電位節(jié)點依次連接；第二變換器橋臂 501包括m個電平層，第1個電平層包含一個基本單元，第m個電平層包含m個基本單元， 每個電平層中包含的基本單元數(shù)量隨層數(shù)增加逐漸增加1個。所述的基本單元包括絕緣柵 雙極型晶體管和兩個二極管，兩個二極管串聯(lián)后反向并聯(lián)至絕緣柵雙極型晶體管兩側(cè)，在 絕緣柵雙極型晶體管兩側(cè)引出第一接線端和第二接線端，在兩個二極管之間引出第三接線 端。在每個電平層中，基本單元的第一接線端和位于下一電平層中的一個基本單元的第三 接線端連接，基本單元的第二接線端和位于下一電平層中的另一個基本單元的第三接線端 連接，基本單元的第三接線端和位于上一電平層中基本單元的第一接線端或者第二接線端 連接；位于第1個電平層的基本單元的第三接線端和第一變換器橋臂501的輸出端連接； 位于第m個電平層的基本單元的第一接線端和第二接線分別與第二二極管串聯(lián)組件502中 的偶數(shù)電位節(jié)點連接；m的取值范圍為大于2的整數(shù)。
[0058] 上述m電平拓撲結(jié)構(gòu)的工作過程是：以三電平為例（m= 3)，如圖15所示，當拓 撲結(jié)構(gòu)中的絕緣柵雙極型晶體管Sl、S2、S4導通時，電流由第一電位節(jié)點經(jīng)過二極管串聯(lián) 組件（502)的第一二極管流進第三電平層第一基本單元的第一接線端，接著，電流依次流 出第三電平層第一基本單元的第三接線端并流入第二電平層第一基本單元的第一接線端， 電流流出第二電平層第一基本單元的第三接線端并流入第一電平層第一基本單元的第一 接線端。最后，電流由第一電平層第一基本單元的第三接線端流出，形成了電流的正向路 徑。如圖16所示，當電流流入第一電平層第一基本單元的第三接線端時，電流將依次經(jīng)過 第一電平層第一基本單元的第一接線端、第二電平層第一基本單元的第一接線端、第三電 平層第一基本單元的第二接線端流經(jīng)二極管串聯(lián)組件502流入第一電位，形成電流的反向 路徑。因此當絕緣柵雙極型晶體管S1、S2、S4導通時，橋臂輸出電位等于第一電位。同理， 如圖17-18所示，當絕緣柵雙極型晶體管S1、S3、S6導通時，橋臂輸出電位等于第三電位。 如圖19所示，當絕緣柵雙極型晶體管S2、S3、S5導通時，橋臂輸出電位等于第二電位。如 圖20所示，當絕緣柵雙極型晶體管Sl、S5導通時，橋臂輸出電位等于第二電位。該結(jié)構(gòu)簡 潔緊湊，使用的器件數(shù)量少，無箝位器件、獨立電源及飛跨電容，并具有兩種輸出第二電位 的方式，可以用于解決損耗不均衡問題及故障狀態(tài)下的容錯問題。另外該結(jié)構(gòu)采用模塊化 設計，可以降低安裝和維護中的成本問題。
[0059] 參見圖12,第二種m電平拓撲結(jié)構(gòu)，包括第三變換器橋臂601、第三二極管串聯(lián)組 件602、第三母線電容串聯(lián)組件603和第三直流電壓源604 ;第三母線電容串聯(lián)組件603由 m-1個母線電容串聯(lián)組成，第三母線電容串聯(lián)組件603并聯(lián)于第三直流電壓源604的兩端， 將直流電源分出m種電位節(jié)點，第1至m電位位于第三母線電容串聯(lián)組件603的連接點，且 第1電位位于第三直流電壓源604的正極，第m電位位于第三直流電壓源604的負極；第 三二極管串聯(lián)組件602包括2m-4個二極管，位于第三二極管串聯(lián)組件602中的奇數(shù)節(jié)點與 第三母線電容串聯(lián)組件503中的第2?m-1電位節(jié)點依次連接；
[0060] 第三變換器橋臂601包括m個電平層，第1個電平層包含一個基本單元，第m個電 平層包含m個基本單元，每個電平層中包含的基本單元數(shù)量隨層數(shù)增加逐漸增加1個。所 述的基本單元包括絕緣柵雙極型晶體管和兩個二極管，兩個二極管串聯(lián)后反向并聯(lián)至絕緣 柵雙極型晶體管兩側(cè)，在絕緣柵雙極型晶體管兩側(cè)引出第一接線端和第二接線端，在兩個 二極管之間引出第三接線端。在每個電平層中，基本單元的第一接線端和位于下一電平層 中的一個基本單元的第三接線端連接，基本單元的第二接線端和位于下一電平層中的另一 個基本單元的第三接線端連接，基本單元的第三接線端和位于上一電平層中基本單元的第 一接線端或者第二接線端連接；位于第1個電平層的基本單元的第三接線端和第三變換器 橋臂601的輸出端連接；位于第m個電平層的第一個基本單元的第一接線端和第三直流電 壓源604的正極連接，位于第m個電平層的第m個基本單元的第二接線端和第三直流電壓 源604的負極連接，位于第m個電平層的第一個基本單元的第二接線端、第m個基本單元的 第一接線端，以及第2?m-1個基本單元的第一接線端和第二接線分別與第三二極管串聯(lián) 組件602中的偶數(shù)電位節(jié)點連接。m的取值范圍為大于2的整數(shù)。
[0061] 上述第二種m電平拓撲結(jié)構(gòu)的工作過程是：與第一種m電平拓撲結(jié)構(gòu)工作過程類 似，控制變換器橋臂中的絕緣柵雙極型晶體管的開關狀態(tài)，可以使橋臂輸出相應電位。與第 一種m電平拓撲結(jié)構(gòu)不同的是，當橋臂輸出第一電位時，電流不再經(jīng)過串聯(lián)二極管組件502 的第一、二二極管，而直接由第m電平層第一基本單元的第一接線端流入或流出第一電位。 同理，當橋臂輸出第一電位時，電流不再經(jīng)過串聯(lián)二極管組件502的第2m-l、2m二極管，而 直接由第m電平層的第m基本單元第二接線端流入或流出第m電位。該拓撲結(jié)構(gòu)進一步減 少了器件數(shù)量，并保持了第一種結(jié)構(gòu)的所有功能，同樣可用于解決損耗均衡問題和故障下 的容錯問題。與第一種m電平拓撲結(jié)構(gòu)不同，第二種m電平拓撲結(jié)構(gòu)中的串聯(lián)二極管組件 中的最外側(cè)的四個二極管被移去，母線電容串聯(lián)組件的最外側(cè)直接和變換器橋臂第m電平 層最外側(cè)基本構(gòu)造單元相連接。
[0062] 參見圖13,第三種m電平拓撲結(jié)構(gòu)，包括第四變換器橋臂701、第四二極管串聯(lián)組 件702、第四母線電容串聯(lián)組件703和第四直流電壓源704 ;第四母線電容串聯(lián)組件703由 m-1個母線電容串聯(lián)組成，第四母線電容串聯(lián)組件703并聯(lián)于第四直流電壓源704的兩端， 將直流電源分出m種電位節(jié)點，第1至m電位位于第四母線電容串聯(lián)組件703的連接點，且 第1電位位于第四直流電壓源704的正極，第m電位位于第四直流電壓源704的負極；第 四二極管串聯(lián)組件702包括2m個二極管，第四二極管串聯(lián)組件702中的奇數(shù)節(jié)點與第四母 線電容串聯(lián)組件703的第1?m電位節(jié)點依次連接；第四變換器橋臂701包括m個電平層， 第1個電平層包含一個基本單元，第m個電平層包含m個基本單元，每個電平層中包含的基 本單元數(shù)量隨層數(shù)增加逐漸增加1個，且第3至m-1個電平層中的第2至k-1的基本單元 中的絕緣柵雙極型晶體管被移除，k表示所在的電平層層數(shù)。所述的基本單元包括絕緣柵 雙極型晶體管和兩個二極管，兩個二極管串聯(lián)后反向并聯(lián)至絕緣柵雙極型晶體管兩側(cè)，在 絕緣柵雙極型晶體管兩側(cè)引出第一接線端和第二接線端，在兩個二極管之間引出第三接線 端。在每個電平層中，基本單元的第一接線端和位于下一電平層中的一個基本單元的第三 接線端連接，基本單元的第二接線端和位于下一電平層中的另一個基本單元的第三接線端 連接，基本單元的第三接線端和位于上一電平層中基本單元的第一接線端或者第二接線端 連接；位于第1個電平層的基本單元的第三接線端和第四變換器橋臂701的輸出端連接； 位于第m個電平層的基本單元的第一接線端和第二接線分別與第四二極管串聯(lián)組件702中 的偶數(shù)電位節(jié)點連接。m的取值范圍為大于3的整數(shù)。
[0063] 上述第三種m電平拓撲結(jié)構(gòu)的工作過程是：與第一種m電平拓撲結(jié)構(gòu)工作過程類 似，控制變換器橋臂中的絕緣柵雙極型晶體管的開關狀態(tài)，可以使橋臂輸出相應電位。與第 一種m電平拓撲結(jié)構(gòu)不同的是，該結(jié)構(gòu)輸出中間電位的方式唯一。該拓撲結(jié)構(gòu)采用器件數(shù) 量最少，在降低成本的同時可以實現(xiàn)m電平的最基本要求。由于器件數(shù)量的減少，該結(jié)構(gòu)將 不再具備損耗均衡功能及故障下的容錯功能。該結(jié)構(gòu)中變換器橋臂的內(nèi)側(cè)絕緣柵雙極型晶 體管（S5、S8、S9)被移去。這種結(jié)構(gòu)將不具有損耗均衡功能。
[0064] 參見圖14,第四種m電平拓撲結(jié)構(gòu)，包括第五變換器橋臂801、第五二極管串聯(lián)組 件802、第五母線電容串聯(lián)組件803和第五直流電壓源804 ;第五母線電容串聯(lián)組件803由 m-1個母線電容串聯(lián)組成，第五母線電容串聯(lián)組件803并聯(lián)于第五直流電壓源804的兩端， 將直流電源分出m種電位節(jié)點，第1至m電位位于第五母線電容串聯(lián)組件803的連接點，且 第1電位位于第五直流電壓源804的正極，第m電位位于第五直流電壓源804的負極；第 五二極管串聯(lián)組件802包括2m個二極管，第五二極管串聯(lián)組件802中的奇數(shù)節(jié)點與第五母 線電容串聯(lián)組件803的第1?m電位節(jié)點依次連接；第五變換器橋臂801包括m-1個電平 層，第1和2個電平層為兩電平基本單元81，第3個電平層包含3個基本單元，第m個電平 層包含m個基本單元，從第4一m個電平層中，每個電平層中包含的基本單元數(shù)量隨層數(shù)增 加逐漸增加1個。所述的基本單元包括絕緣柵雙極型晶體管和兩個二極管，兩個二極管串 聯(lián)后反向并聯(lián)至絕緣柵雙極型晶體管兩側(cè)，在絕緣柵雙極型晶體管兩側(cè)引出第一接線端和 第二接線端，在兩個二極管之間引出第三接線端。所述的兩電平基本單元81包括兩個絕緣 柵雙極型晶體管和兩個二極管，兩個二極管串聯(lián)后反向并聯(lián)至兩個串聯(lián)的絕緣柵雙極型晶 體管兩側(cè)，在絕緣柵雙極型晶體管兩側(cè)引出第一接線端和第二接線端，在兩個二極管之間 引出第三接線端，并將串聯(lián)二極管的中間連接點與串聯(lián)絕緣柵雙極型晶體管的中間連接點 連接。兩電平基本單元81的第一接線端與第3個電平層的第1基本單元的第三接線端連 接，兩電平基本單元81的第二接線端與第3個電平層的第2基本單元的第三接線端連接， 兩電平基本單元81的第三接線端與第3個電平層的第3基本單元的第三接線端連接；變換 器橋臂501的輸出端兩電平基本單元81的第三接線端引出。在第4至m個電平層中，基本 單元的第一接線端和位于下一電平層中的一個基本單元的第三接線端連接，基本單元的第 二接線端和位于下一電平層中的另一個基本單元的第三接線端連接，基本單元的第三接線 端和位于上一電平層中基本單元的第一接線端或者第二接線端連接；位于第m個電平層的 基本單元的第一接線端和第二接線分別與第五二極管串聯(lián)組件802中的偶數(shù)電位節(jié)點連 接。m的取值范圍為大于2的整數(shù)。
[0065] 上述第四種m電平拓撲結(jié)構(gòu)的工作過程是：與第一種m電平拓撲結(jié)構(gòu)工作過程類 似，控制變換器橋臂中的絕緣柵雙極型晶體管的開關狀態(tài)，可以使橋臂輸出相應電位。與第 一種m電平拓撲結(jié)構(gòu)不同的是，在電流由第三電平層流入第二電平層時，電流將經(jīng)過傳統(tǒng) 單元結(jié)構(gòu)81形成電流的正向路徑。同時，當電流由輸出端流入橋臂時，電流將經(jīng)過傳統(tǒng)單 元結(jié)構(gòu)81流入第三電平層，形成電流的反向路徑。該拓撲結(jié)構(gòu)減少了絕緣柵雙極型晶體管 器件的數(shù)量，在降低成本和簡化控制的同時保留了第一種結(jié)構(gòu)的所有功能，同樣可用于解 決損耗均衡問題和故障下的容錯問題。該結(jié)構(gòu)中的"金字塔"型變換器橋臂501中的絕緣 柵雙極型晶體管（S1)被移去，并將第二層基本構(gòu)造單元替換成普通的"IGBT+反并聯(lián)二極 管"單元。這種結(jié)構(gòu)損耗均衡功能將有所降低。
[0066] 圖21和圖22給出了第一種m電平拓撲結(jié)構(gòu)變換器在以兩種不同方式輸出0電平 時的層疊雙載波調(diào)制策略：（1)如圖21所示，在第一種工作方式下，將調(diào)制波信號1203與 上下層疊的上載波信號1201和下載波信號1202兩個載波信號進行比較。當調(diào)制波信號 1203大于上載波信號1201時，控制絕緣柵雙極型晶體管S4導通、S3關斷。當調(diào)制波信號 1203小于下載波信號1202時，控制S6導通、S2關斷。S1的狀態(tài)由S2、S3的狀態(tài)取異或得 到，S5與S1互補導通。絕緣柵雙極型晶體管S1-S6按照表1所示開關狀態(tài)（"1"表示導 通，"0"表示關斷）輸出相應電平。（2)如圖22所示，在第二種工作方式下，將調(diào)制波信號 1206與上下層疊的上載波信號1204和下載波信號1205兩個載波信號進行比較。當調(diào)制波 信號1206大于上載波信號1204時，控制S2、S4導通。當調(diào)制波信號1206小于下載波信號 1205時，控制S3、S6導通。S5的狀態(tài)由S2、S3的狀態(tài)取或非得到，S1始終處于導通狀態(tài)。 絕緣柵雙極型晶體管S1-S6按照表2所示開關狀態(tài)輸出相應電平。所有器件遵循"先關斷 后導通"的原則設置死區(qū)，在實施中可以采用上升沿延時的方法來實現(xiàn)死區(qū)功能。
[0067] 表1第一種m電平拓撲結(jié)構(gòu)在第一種工作方式下輸出不同電平時的開關狀態(tài)
[0068]

【權(quán)利要求】
1. 一種用于多電平變換器的基本單元，其特征在于，該基本單元包括絕緣柵雙極型晶 體管和兩個二極管，兩個二極管串聯(lián)后反向并聯(lián)至絕緣柵雙極型晶體管兩側(cè)，在絕緣柵雙 極型晶體管兩側(cè)和兩個二極管之間引出三個接線端。
2. -種采用權(quán)利要求1所述的基本單元的三電平拓撲結(jié)構(gòu)，其特征在于，該拓撲結(jié) 構(gòu)包括第一直流電壓源（11)、母線電容組件（12)和第一變換器橋臂（13);母線電容組件 (12)包括兩個串聯(lián)的母線電容，母線電容組件（12)并聯(lián)到第一直流電壓源（11)的兩端， 第一直流電壓源（11)由母線電容組件（12)分出P電位、0電位和N電位三種電位，其中，0 電位位于兩個母線電容的中間，P電位位于直流電壓源（11)的正極，N電位位于直流電壓源 (12)的負極；變換器橋臂（13)包括P電平單元（14)、0電平單元（15)和N電平單元（16)， 所述的P電平單元（14)、0電平單元（15)和N電平單元（16)分別采用基本單元結(jié)構(gòu)構(gòu)成， 該基本單元包括絕緣柵雙極型晶體管和兩個二極管，兩個二極管串聯(lián)后反向并聯(lián)至絕緣柵 雙極型晶體管兩側(cè)，在絕緣柵雙極型晶體管兩側(cè)設有第一接線端和第二接線端，兩個二極 管之間設有第三接線端； 〇電平單元（15)的第一接線端和P電平單元（14)的第三接線端連接，0電平單元（15) 的第二接線端和N電平單元（16)的第三接線端連接，0電平單元（15)的第三接線端和0 電位連接；P電平單元（14)的第一接線端和P電位連接，P電平單元（14)的第二接線端和 N電平單元（16)的第一接線端連接，N電平單元（16)的第二接線端和N電位連接；第一變 換器橋臂（13)的輸出端由P電平單元（14)的第二接線端和N電平單元（16)的第一接線 端連接處引出。
3. 按照權(quán)利要求2所述的三電平拓撲結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述的0電平單元（15)還包 括一個絕緣柵雙極型晶體管；兩個絕緣柵雙極型晶體管串聯(lián)，形成第一絕緣柵雙極型晶體 管組件（17)，0電平單元（15)中的兩個二極管串聯(lián)后反向并聯(lián)至第一絕緣柵雙極型晶體管 組件（17)的兩側(cè)，在第一絕緣柵雙極型晶體管組件（17)兩側(cè)引出第一接線端和第二接線 端，兩個二極管之間引出第三接線端，兩個絕緣柵雙極型晶體管之間引出第四接線端；〇電 平單元（15)的第四接線端和第一變換器橋臂（13)的輸出端連接。
4. 按照權(quán)利要求2所述的三電平拓撲結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述的0電平單元（15)還包 括一個絕緣柵雙極型晶體管；兩個絕緣柵雙極型晶體管串聯(lián)，形成第二絕緣柵雙極型晶體 管組件（18)，0電平單元（15)中的兩個二極管串聯(lián)后反向并聯(lián)至第二絕緣柵雙極型晶體管 組件（18)的兩側(cè)，在第二絕緣柵雙極型晶體管組件（18)兩側(cè)引出第一接線端和第二接線 端，兩個二極管之間引出第三接線端，兩個絕緣柵雙極型晶體管之間引出第四接線端；〇電 平單元（15)的第四接線端和0電位連接。
5. -種含有權(quán)利要求1所述的基本單元的m電平拓撲結(jié)構(gòu)，其特征在于，該拓撲結(jié)構(gòu)包 括第二變換器橋臂（501)、第二二極管串聯(lián)組件（502)、第二母線電容串聯(lián)組件（503)和第 二直流電壓源（504);第二母線電容串聯(lián)組件（503)由m-1個母線電容串聯(lián)組成，第二母線 電容串聯(lián)組件（503)并聯(lián)于第二直流電壓源（504)的兩端，將直流電源分出m種電位節(jié)點， 第1至m電位位于第二母線電容串聯(lián)組件（503)的連接點，且第1電位位于第二直流電壓源 (504)的正極，第m電位位于第二直流電壓源（504)的負極；第二二極管串聯(lián)組件（502)包 括2m個二極管，第二二極管串聯(lián)組件（502)中的奇數(shù)節(jié)點與第二母線電容串聯(lián)組件（503) 的第1?m電位節(jié)點依次連接；第二變換器橋臂（501)包括m個電平層，第1個電平層包含 一個基本單元，第m個電平層包含m個基本單元，每個電平層中包含的基本單元數(shù)量隨層數(shù) 增加逐漸增加1個； 所述的基本單元包括絕緣柵雙極型晶體管和兩個二極管，兩個二極管串聯(lián)后反向并聯(lián) 至絕緣柵雙極型晶體管兩側(cè)，在絕緣柵雙極型晶體管兩側(cè)引出第一接線端和第二接線端， 在兩個二極管之間引出第三接線端； 在每個電平層中，基本單元的第一接線端和位于下一電平層中的一個基本單元的第三 接線端連接，基本單元的第二接線端和位于下一電平層中的另一個基本單元的第三接線端 連接，基本單元的第三接線端和位于上一電平層中基本單元的第一接線端或者第二接線端 連接；位于第1個電平層的基本單元的第三接線端和第一變換器橋臂（501)的輸出端連接； 位于第m個電平層的基本單元的第一接線端和第二接線分別與第二二極管串聯(lián)組件（502) 中的偶數(shù)電位節(jié)點連接；m的取值范圍為大于2的整數(shù)。
6. -種含有權(quán)利要求1所述的基本單元的m電平拓撲結(jié)構(gòu)，其特征在于，該拓撲結(jié)構(gòu)包 括第三變換器橋臂（601)、第三二極管串聯(lián)組件（602)、第三母線電容串聯(lián)組件（603)和第 三直流電壓源￠04);第三母線電容串聯(lián)組件￠03)由m-1個母線電容串聯(lián)組成，第三母線 電容串聯(lián)組件（603)并聯(lián)于第三直流電壓源（604)的兩端，將直流電源分出m種電位節(jié)點， 第1至m電位位于第三母線電容串聯(lián)組件（603)的連接點，且第1電位位于第三直流電壓 源（604)的正極，第m電位位于第三直流電壓源（604)的負極；第三二極管串聯(lián)組件（602) 包括2m-4個二極管，位于第三二極管串聯(lián)組件（602)中的奇數(shù)節(jié)點與第三母線電容串聯(lián)組 件（603)中的第2?m-1電位節(jié)點依次連接； 第三變換器橋臂（601)包括m個電平層，第1個電平層包含一個基本單元，第m個電平 層包含m個基本單元，每個電平層中包含的基本單元數(shù)量隨層數(shù)增加逐漸增加1個； 所述的基本單元包括絕緣柵雙極型晶體管和兩個二極管，兩個二極管串聯(lián)后反向并聯(lián) 至絕緣柵雙極型晶體管兩側(cè)，在絕緣柵雙極型晶體管兩側(cè)引出第一接線端和第二接線端， 在兩個二極管之間引出第三接線端； 在每個電平層中，基本單元的第一接線端和位于下一電平層中的一個基本單元的第三 接線端連接，基本單元的第二接線端和位于下一電平層中的另一個基本單元的第三接線端 連接，基本單元的第三接線端和位于上一電平層中基本單元的第一接線端或者第二接線端 連接；位于第1個電平層的基本單元的第三接線端和第三變換器橋臂（601)的輸出端連接； 位于第m個電平層的第一個基本單元的第一接線端和第三直流電壓源（604)的正極連接， 位于第m個電平層的第m個基本單元的第二接線端和第三直流電壓源￠04)的負極連接， 位于第m個電平層的第一個基本單元的第二接線端、第m個基本單元的第一接線端，以及第 2?m-1個基本單元的第一接線端和第二接線分別與第三二極管串聯(lián)組件（602)中的偶數(shù) 電位節(jié)點連接；m的取值范圍為大于2的整數(shù)。
7. -種含有權(quán)利要求1所述的基本單元的m電平拓撲結(jié)構(gòu)，其特征在于，該拓撲結(jié)構(gòu)包 括第四變換器橋臂（701)、第四二極管串聯(lián)組件（702)、第四母線電容串聯(lián)組件（703)和第 四直流電壓源（704);第四母線電容串聯(lián)組件（703)由m-1個母線電容串聯(lián)組成，第四母線 電容串聯(lián)組件（703)并聯(lián)于第四直流電壓源（704)的兩端，將直流電源分出m種電位節(jié)點， 第1至m電位位于第四母線電容串聯(lián)組件（703)的連接點，且第1電位位于第四直流電壓源 (704)的正極，第m電位位于第四直流電壓源（704)的負極；第四二極管串聯(lián)組件（702)包 括2m個二極管，第四二極管串聯(lián)組件（702)中的奇數(shù)節(jié)點與第四母線電容串聯(lián)組件（703) 的第1?m電位節(jié)點依次連接；第四變換器橋臂（701)包括m個電平層，第1個電平層包含 一個基本單元，第m個電平層包含m個基本單元，每個電平層中包含的基本單元數(shù)量隨層數(shù) 增加逐漸增加1個，且第3至m-1個電平層中的第2至k-1的基本單元中的絕緣柵雙極型 晶體管被移除，k表示所在的電平層層數(shù)； 所述的基本單元包括絕緣柵雙極型晶體管和兩個二極管，兩個二極管串聯(lián)后反向并聯(lián) 至絕緣柵雙極型晶體管兩側(cè)，在絕緣柵雙極型晶體管兩側(cè)引出第一接線端和第二接線端， 在兩個二極管之間引出第三接線端； 在每個電平層中，基本單元的第一接線端和位于下一電平層中的一個基本單元的第三 接線端連接，基本單元的第二接線端和位于下一電平層中的另一個基本單元的第三接線端 連接，基本單元的第三接線端和位于上一電平層中基本單元的第一接線端或者第二接線端 連接；位于第1個電平層的基本單元的第三接線端和第四變換器橋臂（701)的輸出端連接； 位于第m個電平層的基本單元的第一接線端和第二接線分別與第四二極管串聯(lián)組件（702) 中的偶數(shù)電位節(jié)點連接；m的取值范圍為大于2的整數(shù)。
8. -種含有權(quán)利要求1所述的基本單元的m電平拓撲結(jié)構(gòu)，其特征在于，該拓撲結(jié)構(gòu)包 括第五變換器橋臂（801)、第五二極管串聯(lián)組件（802)、第五母線電容串聯(lián)組件（803)和第 五直流電壓源（804);第五母線電容串聯(lián)組件（803)由m-1個母線電容串聯(lián)組成，第五母線 電容串聯(lián)組件（803)并聯(lián)于第五直流電壓源（804)的兩端，將直流電源分出m種電位節(jié)點， 第1至m電位位于第五母線電容串聯(lián)組件（803)的連接點，且第1電位位于第五直流電壓源 (804)的正極，第m電位位于第五直流電壓源（804)的負極；第五二極管串聯(lián)組件（802)包 括2m個二極管，第五二極管串聯(lián)組件（802)中的奇數(shù)節(jié)點與第五母線電容串聯(lián)組件（803) 的第1?m電位節(jié)點依次連接；第五變換器橋臂（801)包括m-1個電平層，第1和2個電平 層為兩電平基本單元（81)，第3個電平層包含3個基本單元，第m個電平層包含m個基本單 元，從第4?m個電平層中，每個電平層中包含的基本單元數(shù)量隨層數(shù)增加逐漸增加1個； 所述的基本單元包括絕緣柵雙極型晶體管和兩個二極管，兩個二極管串聯(lián)后反向并聯(lián) 至絕緣柵雙極型晶體管兩側(cè)，在絕緣柵雙極型晶體管兩側(cè)引出第一接線端和第二接線端， 在兩個二極管之間引出第三接線端； 所述的兩電平基本單元（81)包括兩個絕緣柵雙極型晶體管和兩個二極管，兩個二極 管串聯(lián)后反向并聯(lián)至兩個串聯(lián)的絕緣柵雙極型晶體管兩側(cè)，在絕緣柵雙極型晶體管兩側(cè)引 出第一接線端和第二接線端，在兩個二極管之間引出第三接線端，并將串聯(lián)二極管的中間 連接點與串聯(lián)絕緣柵雙極型晶體管的中間連接點連接； 兩電平基本單元（81)的第一接線端與第3個電平層的第1基本單元的第三接線端連 接，兩電平基本單元（81)的第二接線端與第3個電平層的第2基本單元的第三接線端連 接，兩電平基本單元（81)的第三接線端與第3個電平層的第3基本單元的第三接線端連 接；變換器橋臂（801)的輸出端兩電平基本單元（81)的第三接線端引出； 在第4至m個電平層中，基本單元的第一接線端和位于下一電平層中的一個基本單元 的第三接線端連接，基本單元的第二接線端和位于下一電平層中的另一個基本單元的第三 接線端連接，基本單元的第三接線端和位于上一電平層中基本單元的第一接線端或者第二 接線端連接；位于第m個電平層的基本單元的第一接線端和第二接線分別與第五二極管串 聯(lián)組件（802)中的偶數(shù)電位節(jié)點連接；m的取值范圍為大于2的整數(shù)。
【文檔編號】H02M7/483GK204216795SQ201420741268
【公開日】2015年3月18日 申請日期:2014年11月28日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月28日
【發(fā)明者】王政, 張兵, 程明 申請人:東南大學