本发明涉及电力电子学领域。

高电压等级的负载在电力消耗中占有很大的比重，其节能降耗标志着社会 能源利用的水平。市场急需高电压等级(譬如：六千伏和一万伏)、低成本的 电机变频调速器、不间断电源、三单相变换器等产品。

长期以来，应用半导体的、高电压大电流的各种静态变换，包括频率、相 数、幅值、波形等的变换，一直都采用一体式的变换方法，即将输入整体地进 行改变，其中有交交方式，也有交直交方式。采用一体式变换方法的静态变换 器中的功率半导体器件要承受高电压的作用。单只功率半导体器件的耐压值是 有限的，要进行串联和并联才能正常工作。为保证串联并联在一起的多只功率 半导体器件之间的均压和均流，传统高压静态变换器需要采用众多复杂的辅助 器件，对控制系统提出越来越高的要求，由此带来结构复杂、成本高的缺点。

公开号为0504079A1的欧洲专利公开了一种用于声纳的静态变换器。此种 静态变换器采用了电位叠加原理，用电桥将若干个较低电压的直流输入叠加为 一个较高电压的交流输出。

《IEEE电力电子学杂志》第十卷第四期(一九九五年六月)上发表的、题 为“在电力调节系统中取得较高性能的滑移式多级控制方法”提出了一种应用 于卫星供电系统的、将光电池的直流电转换为单相或三相电的理论。

本发明的目的是利用电位叠加的原理将开关器件分为若干个组，实现电力 变换开关器件的强制均压，降低对控制系统的要求；使变换器的部件模块化， 降低制造成本。

本发明的目的是这样实现的：首先将输入(可为直流电、单相交流电或多 相交流电)变换为电位彼此独立的若干路交流电压，然后将这些路交流电整流 滤波形成同样路数的直流电，以应用电位叠加的原理串接起来的电桥将这些直 流电重新组合在一起，在一个电位叠加柱的两个输出端得到频率、相数、波形 和幅值可变的交流电以及极性可变和电压幅值可变的直流电，将若干个电位叠 加柱的输出端7和8进行不同的组合即可获得三相交流电、多相交流电或多路直 流电。本发明的特点是无论整机输入是交流电还是直流电，均将其变换成一定 路数的、彼此间电位独立的交流电(下称中间交流)，分别整流滤波后形成相 同路数的直流电(下称中间直流)，然后通过串联电桥按一定规律叠加，输出 所需的单相交流电、三相交流电或直流电。本发明的另一特点是中间交流的产 生可以用常规变压器，也可用脉冲变压器和电桥组成的原边逆变单元。

采用本发明的变换方法的静态变换器由下列部分组成：一个切分单元1、 M个电位叠加柱4和一个主控制模块2。每个电位叠加柱都由N个副边整流滤波模 块及N个副边电桥9组成，副边电桥的输出端顺次联接在一起。其工作过程是： 切分单元1将输入3分解为M×N路电位相互独立的交流电压(中间交流)16(在 图1中用带箭头的粗实线表示)后，分别送给相应的副边整流滤波模块11，经副 边整流滤波模块11整流滤波后形成M×N路电位相互独立的直流电压(中间直流 )17，在每一个电位叠加柱4上经N个副边电桥9的换向作用在该电位叠加柱的两 个输出端7和8间形成幅值、方向、相位和波形均可设定的直流或交流电压。将 各个电位叠加柱的输出端7和8进行不同的组合即可满足各种应用目的的需要。

图1：总结构图。

图2：切分单元所用的常规变压器。

图3：切分单元中的、采用脉冲变压器的标准原边逆变单元。

图4：简单的原边逆变单元。

图5：一般的整流滤波单元。

图6：适于再生制动的整流滤波单元。

图7：副边逆变单元。

图8：特殊的副边逆变单元。

下面结合附图叙述采用本发明的变换方法的静态变换器的工作原理。

切分单元1的作用是将输入3转化为M×N路电位相互独立的交流电，分别送 给M个电位叠加柱中的M×N个副边整流滤波模块。因为输入3可以是直流电、单 相交流或多相交流电，切分单元1的结构因输入3的性质的不同而不同。

切分单元1的结构有两种形式，一是采用常规变压器的形式，二是采用脉冲 变压器的形式。无论采用哪种形式，切分单元1的输出为M×N路。

采用常规变压器的切分单元1只适合输入3为交流电的情况。

采用常规变压器的切分单元1可以看做是如图2所示的、S台有T个次级绕组 的单相多次级绕组整流变压器次级绕组16ij的一种组合。组合的目的是满足应用 目的的需要，满足绕组绝缘性的要求，满足后续电路的要求，保证切分单元1的 输出为M×N路，保证在输入为三相或多相电时多相均衡取电，保证同一变压器 的相邻次级绕组的的电位差为最小。组合满足如下的关系：

                       S×T÷U＝M×N    

                         S≥1，T≥2

U为输入3的相数。

更明确地说，采用常规变压器的切分单元1的特点是在保证均衡取电的前提 下其次级绕组的总个数或总组数为M×N×U，输出端为M×N组，对应的中间交 流为M×N路。

在不同的情况下，一路输出所包含的内容不同：输入为单相电时电位独立 的一个次级绕组的两个引线为一路输出(全波整流时还包括中心抽头)；输入 为三相或多相电时，不同柱的三个或多个绕组在正确相连后的三条或多条引线 为一路输出。

三相常规变压器的接法可以是星形的，也可以是角形的，在本发明的说明 中只以星形接法为例，在实际应用中可任选其一。

采用脉冲变压器的切分单元1的输入可以是交流电，也可以是直流电。

采用的脉冲变压器的切分单元1的核心是串并联的P×Q个原边逆变单元( 见图3)所形成的原边逆变单元阵列。每个原边逆变单元有R路输出(包括全波 整流的中心抽头)。P×Q个原边逆变单元将直流输入逆变成P×Q×R路中间交 流，为满足M个电位叠加柱的需要，要保持 $\underset{i=1}{\overset{P}{\Sigma }}\underset{j=1}{\overset{Q}{\Sigma }}\underset{k=1}{\overset{R}{\Sigma }}\mathrm{ijk}=P\times Q\times R=M\times N$ 的关系。

原边逆变单元阵列可以有P×Q个直流电源，即每一个原边逆变单元的21、 22输入端接有一个直流电源；也可以只有一个直流电源，P×Q个原边逆变单元 串并联于其间。

原边逆变单元阵列在只有一个高电压直流电源时按P行Q列的方式排列，其 输入端21、22顺次串联，然后再并联。行数P同电源电压VY与原边电桥18中的 开关元件的反向耐压值Vf的比成正比；列数Q与中间交流的总路数M×N与行数 P的比成正比，有公式：

                   P＝KPVY/Vf

                   Q＝KQMN/P

式中KP和KQ为经试验而得的常数。

在每一个直流电源入口处均串有减压起动模块。减压起动模块的作用是减 小原边逆变单元上电时的冲击，其起作用的方式是在主电路中串接若干个分压 电阻。刚送入电源时，所有分压电阻全部串接在电路中，实现最大分压。经过 一段时间，主控制模块2发送导通信号给减压控制电路，减压控制模块逐个切离 分压电阻，逐渐提升电压。减压控制模块自与其自身电位差最小的脉冲变压器 67的初级取电。

采用的脉冲变压器的切分单元1的输入3为交流电时，切分单元1要有一个原 边整流滤波模块。原边整流滤波模块至少应包括两个整流元件和一个平波电抗 器。

一个原边逆变单元(见图3a)由一个原边电桥18、一个脉冲变压器67和一 个在脉冲变压器67的初级取电的原边控制模块19组成。一个原边电桥18有四个 开关元件组(26至29)、四个续流二极管组(30至33)、一个电容组20和一个 过压保护元件23。

设原边逆变单元的输入端21接原边电源的正极，开关元件组26和28导通时 流过脉冲变压器67初级线圈的电流方向为正方向，那么开关元件组27和29导通 时流过脉冲变压器67初级线圈的电流方向为负方向。开关元件组26和28和开关 元件组27和29交替导通可使流过脉冲变压器67初级线圈的电流变为交变电流， 在所有的次级线圈16i，j，k中产生感应电流，从而实现对输入3的切分。

原边逆变单元还可以采用图3b所示的形式。其包括一个脉冲变压器67、一 个在脉冲变压器67的初级取电的原边控制模块19、一个开关元件组24、一个续 流二极管组25和一个过压保护元件23。

只要是门极关断型的开关元件就可以用于原边电桥的开关元件，其中包括 绝缘栅极双极型晶体管(IGBT)、门极关断型晶体闸流管(GTO)、金属氧化 物场效应晶体管(MOSFET)和双极大功率晶体管等等。在每一组开关元件和 每一组续流二极管中均可在采取一定保护措施后进行必要的串联和并联。一个 开关元件组和一组续流二极管组中至少要有一只开关元件或一只续流二极管。

过压保护元件23可以是压敏电阻、硒堆或特殊设计的短路电路。特殊设计 的短路电路的作用是在21、22两端的电压过高时将21、22两端短路以消除过电 压的危害；在主控制模块2的控制下短路切除某个有故障的原边逆变单元。特殊 设计的短路电路对原边控制模块19有制约作用，与原边控制模块19取用相同的 中间交流16作为其电源。

一个脉冲变压器67有R个次级线圈(R≥1)，如副边整流滤波模块选用全 波整流方式，每个次级线圈还要有一中心抽头。R个次级线圈的所有引线组成每 个原边逆变单元的R路中间交流输出。切分单元1所采用的脉冲变压器可以是多 次级线圈的。脉冲变压器的线圈间要保证一定的绝缘强度。

各个原边逆变单元通过21、22两个端子串联或并联在一起。原边控制模块 19自脉冲变压器67的初级线圈的两端取用交流电，由主控制模块2而来的光纤束 14或光耦组14′控制原边控制模块19的状态。

原边控制模块19由光电接口电路、振荡电路、电压比较电路、开关元件驱 动电路、启动电路和电源电路等组成。光电接口电路负责接受主控制模块2的控 制信号，向主控制模块2发送状态信号。振荡电路负责产生开关元件驱动电路所 需的振荡信号。电压比较电路负责将21、22两个端子间的电压Va与一个设定值 作比较，将逆变频率和间作负反馈调整，高于设定值时向振荡电路输出降低振 荡频率的信号。开关元件驱动电路负责驱动开关元件按振荡电路的振荡频率开 关，并保证在26和28导通时27和29截止，反之亦然。电源电路负责提供正常工 作状态的电能。启动电路负责提供上电之初脉冲变压器67未产生振荡时原边控 制模块19所需的电能，其包括上电传感电路、脉冲变压器振荡传感电路和可充 电电池维持电路。

电位叠加柱的个数M是由变换器的应用目的决定的，输出直流或单相交流时 只需一个电位叠加柱，输出三相或多相交流电就需要三个或多个电位叠加柱。 一个电位叠加柱中副边电桥9的个数N决定于该电位叠加柱输出电压的单向峰值 VM和由其中的功率半导体器件的耐压值决定的副边整流滤波模块直流输出电压 VD的比，有：

                   N＝KNVM/VD。

式中，KN为一经试验而得的常数。

副边整流滤波模块是产生中间直流的电路。以全控单相桥式整流为一标准 的实施例，电路见图4。其中，34为入口过流保护器，35至38为整流元件组， 39为滤波电路，12为电压控制模块，16为中间交流，17为中间直流。滤波电路 39包含滤波电容器、平波电抗器和出口过流保护器。

进入副边整流滤波模块后，中间交流16通过入口过流保护器，经整流元件 的整流作用变为脉动的直流，再经滤波电路39中的滤波电容器和平波电抗器的 滤波作用变为较为平滑的中间直流17。

入口过流保护器34保证在整流元件等发生故障时没有过电流去损害切分单 元1的输出绕组(线圈)，出口过流保护器保证在滤波电容器等发生故障时没有 过电流去损害电桥中的开关元件等器件。

副边整流滤波模块的部分或全部整流元件可选用晶体闸流管，组成桥式可 控整流电路，如图4所示。只需通过电压控制模块12顺序改变晶体闸流管的导通 角，其直流输出电压可在0％至100％之间连续设定。电压控制模块12为拥有光 电接口的、普通的可控整流驱动电路，只须通过光纤束13或光耦组V′接收由主 控制模块2送给的电压控制信号。

至少有一个副边整流滤波模块具有一电压控制模块12，主控制模块2可通过 光纤束15或光耦组15′控制该副边整流滤波模块的直流输出电压，目的是电位叠 加柱输出端的电压值可精确地符合应用目的的要求。

一个副边整流滤波模块至少要有一定的整流元件组形成桥式整流或全波整 流。滤波电路39中至少要有一个平波电抗器。一个整流元件组中至少要有一个 整流元件。

在输入为三相或多相交流电、切分单元1采用常规变压器并且强调均衡取电 时，中间交流16为三相或多相交流电，这时副边整流滤波模块要采用为三相或 多相桥式整流电路。

所有副边整流滤波模块的直流输出电压(中间直流电压VD)以不使在工作 中产生的电压波动损坏同组元器件中耐压值最小的元件为限。

电位叠加柱的输出电压的波形、相位、电压幅值和频率等等完全取决于其 中的、串联联接的副边电桥中的开关元件的开关规律。

任一个副边电桥9自其相对应的副边整流滤波模块11取得中间直流电，自其 控制模块(副边控制模块)10取得控制信号。副边控制模块10的工作状态通过 光纤束15或光耦组15′受主控制模块2的控制。

副边电桥9是由四个开关元件组51至54和四个续流二极管组55至58搭接而 成的典型电路(见图17)，其特点是在其输出端61、62之间并有一个过压保护 元件50。

只要是门极关断型的开关元件就可以用于本发明的副边电桥的开关元件， 在每一个开关元件组和每一个二极管组中均可进行必要的串并联。

顺次电联接的、或说同组的切分单元输出线圈(绕组)、副边整流滤波模 块11、副边电桥9和副边控制模块10之间的电位差不大于一定的值，然而不同组 的这些部件间的电位是独立的，除副边电桥的输出端外其间没有直接的、电的 联系，在副边电桥9的输出端61、62顺次相连的情况下可产生电位叠加的效果； 通过控制副边整流滤波模块的输出电压、有电压输出的副边电桥数及其开关的 频率可以控制某一电位叠加柱输出电压的幅值、频率、波形等等；通过设定电 位叠加柱输出端的组合可以获得较高电压的直流电、脉动直流电及频率、波形、 相位和幅值可设定的单相、三相及多相交流电。

一个同位组(包括切分单元输出线圈、副边整流滤波模块11、电压控制模 块12、脉冲变压器67、原边电桥18、原边控制模块19、副边电桥9、副边控制 模块10、动力散热装置等)中需要电源的组件都是在其对应的那一路中间交流 电16上取用的。本发明的静态变换器上至少要有M×N个同位组。

主控制模块2通过光纤束或在特殊应用场合下通过光耦组控制M×N个副边 控制模块，使M×N个副边电桥有三个工作状态，即正向工作状态、反向工作状 态和等待状态。

副边电桥处于正向工作状态时，其输出端61、62间有中间直流电压，设定 此时61端为正极。副边电桥处于反向工作状态时，其输出端61、62间有中间直 流电压，只是这时62端为正极。副边电桥处于等待状态时，其输出端61、62间 导通，允许双向电流通过。

副边电桥9可在副边控制模块10的控制下进行正向工作状态和等待状态或反 向工作状态与等待状态间的高速切换，以消除交流输出中的谐波成份。

电位叠加柱的输出端5和6间的电压变化为阶梯状。电位叠加柱中副边电桥 的数量是由电压补偿的比率及该电位叠加柱的输出端5和6间的电压最大值VM与 中间直流电压VD的比值决定的。

将M个电位叠加柱4的输出端5和6间都串入了断路器和平波电抗器以保护元 器件及改善输出波形；并且都联上了电压传感器或电流传感器或二者兼有，以 此对输出进行监视和测量。

副边控制模块10的电源与与其相对应的副边整流滤波模块11的电源取用同 一路中间交流(切分单元1的输出)。

副边控制模块10受主控制模块2控制的方式有二：一是直接控制方式，一是 间接控制方式。

采用直接控制方式的副边控制模块10至少要有两条来向光纤。一号光纤传 送高电平时副边控制模块10使副边电桥9处于正向工作状态，开关元件组52和 54导通；二号光纤传送高电平时副边控制模块10使副边电桥9处于反向工作状态 ，开关元件组52和54导通；一号光纤和二号光纤都传送低电平时副边控制模块 10使副边电桥9处于等待状态，开关元件组52和54导通；一号光纤和二号光纤都 传送高电平时副边控制模块10使副边电桥9处于一种故障状态，开关元件组51和 54导通。直接控制型副边控制模块的电路至少包括两个D触发器、带有电磁隔离 或光电隔离的开关元件驱动保护电路及电源电路。

采用直接控制方式的副边控制模块10还可以采用至少四路N级串联的光耦组 成接力式控制数据总线，传送某一副边电桥的三个状态。接力式直接控制型副 边控制模块的电路包括至少四路光耦和两个D触发器组成的移位电路，另外至少 两个D触发器、带有电磁隔离或光电隔离的开关元件驱动保护电路及副边控制模 块电源电路。

采用间接控制方式的副边控制模块10至少有一条来向光纤或光耦作为控制 数据总线，将某一副边电桥的三个状态和执行时刻编码传递到副边控制模块。 间接控制型副边控制模块的电路至少包括一个寄存器、一个解码器、至少一个 减法器、两个D触发器、带有电磁隔离或光电隔离的开关元件驱动保护电路及副 边控制模块电源电路。

其副边电桥9在工作时不必按其联接次序逐个通断，其通断次序可以是随机 的。

任一副边电桥9的输出端并联接有保护单元50，不使开关元件受到过电压的 损害。一般采用压敏电阻、硒堆或特殊设计的过压短路器，发生过电压时使某 一电桥的61、62端短路。在特殊设计的过压短路器发生作用时，其向副边控制 模块10发出互锁信号，使副边控制模块10处于等待状态。

在使用中，每一个原边电桥和副边电桥均会发出一定的热量，需要逐个配 备散热设备。电桥散热设备的工作方式一般采用自然风冷、强制风冷或水冷。 风冷设备包括散热片、风机等；水冷设备包括散热块(直接与开关元件接触)、 冷却水循环及净化系统。无论是水冷还是风冷设备都应当取用与其相对应的、 同电位的那路中间交流。应用于输入输出电压不高的场合时，散热设备的全部 或分为几组由一路或几路外加电源供电。

主控制模块2以中央处理器为中心，由包括光电接口电路、数字模拟接口电 路、标准通讯接口电路、电源电路等组成。主控制模块2通过光纤束或光耦组向 原边控制模块、副边控制模块和电压控制模块等等发送各自所需的控制信号； 采用独立的电源供电；通过装于整机输入端和输出端以及负载上的传感器监测 整机的工作状态，以此为依据控制整机；用标准通讯接口与操作控制面板或上 位计算机进行通讯，操作控制面板或上位计算机可通过控制整机的工作状态。

从中间直流的电压值是否受控改变的角度讲，控制电位叠加的方式共有三 种：一是无调压方式，二是部分调压方式，三是全调压方式。

无调压方式即中间直流的电压值无受控改变，要改变电位叠加柱的输出电 压的峰值就要改变副边电桥的开关频率(载频)。这种控制方式所要求的软硬 件较为复杂，但整机成本较低。

部分调压方式即有一路中间直流的电压值有受控改变，电位叠加柱的输出 电压的峰值靠增减工作的同位组组数，其电压的余数由中间直流的电压可控的 同位组给出。这种控制方式不需高速开关副边电桥，即无载频。这种控制方式 的缺点依然是所要求的软硬件较为复杂。

全调压方式即所有中间直流的电压值均有受控改变，电位叠加柱的输出电 压的峰值靠随时均匀增减中间直流的电压值来实现。这种控制方式亦无需高速 开关副边电桥，将调整电位叠加柱的输出电压的瞬时值与频率的任务分开，电 压控制模块12控制输出电压的瞬时值，副边控制模块10控制输出电压的频率。 如此可获得任意压频比，可获得快速的输出响应。

其切分单元输出线圈、副边整流滤波模块11、电压控制模块12、脉冲变压 器67、原边副边电桥18、原边控制模块19、副边电桥9、副边控制模块10等等 相同组成部分的结构和原理是相同的，其设计也是相同的。

由于在电位叠加柱的输出端进行一定的组合后某一电位叠加柱依然可在主 控制模块的控制下很容易地产生直流电、脉动直流电和改变频率及相位的交流 电，交流电机负载的直流制动问题、恒转矩启动问题及在主轴依然转动的情况 下重新启动的问题都可以通过改变主控制模块的控制信号来实现。

增加若干个冗余同位组可以提高整机可靠性。在M×N个同位组之外增加的 冗余同位组一般处于休眠状态。只有在M×N个同位组之内的一个或数个同位组 发生故障时由主控制模块2控制其转入工作状态，以填补故障同位组所造成的空 缺。

采用全调压副边控制方式，副边整流滤波模块采用图14所示的电路可以实 现负载电机的再生制动，特别适于机车牵引电机的要求。以单相输入为例，再 生制动状态时晶体闸流管组44至47在主控制模块2控制下工作，在电位叠加柱的 输出电压低于电机的反电动势和输出频率低于电机转速所对应的频率时，变换 器可向电网回馈负载制动时所产生的电能。当然，切分单元1采用脉冲变压器时 原边也要给予必要的配合。

在电位叠加柱的输出总是极性不变的直流时，副边电桥可采用图19所示的 形式。其中59开关元件组，60和63为续流二极管组，64和65为输出端，64为正 极。不同单元的64、65为端顺次相联形成电位叠加柱。    

本发明的工作方式显著地降低了对功率器件耐压水平的要求，使得个别功 率器件损坏(断开或短路)所造成的不良影响不会妨碍整机及其它器件的安全 状态，可观地降低了制造成本。