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一种电流源型四电平直流变换器及其控制方法

阅读：254发布：2020-05-11

专利汇可以提供一种电流源型四电平直流变换器及其控制方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明公开了一种电流源型四电平直流变换器及其控制方法，变换器由六个逆阻型功率开关管两两共发射极连接构成三个桥臂，三个均衡电感，一个电流源和负载组成。使用不同的开关模式，实现多电平的电流输出，均衡电感及桥臂功率开关管承受1/3电流源电流，并利用冗余开关模式实施均流控制修正。实现了低开关应力，低纹波特性、高等效开关频率，且电路结构简单，器件少，控制简单，可靠性高，本发明可以广泛应用于低压、大电流电力电子多电平功率变换场合。，下面是一种电流源型四电平直流变换器及其控制方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种电流源型四电平直流变换器，其特征在于：由恒流源I，功率开关S1a、S2a、S3a、S1b、S2b、S3b，均衡电感L1～L3和负载构成；其中第一功率开关S1a的发射极与第四功率开关S1b的发射极相连并构成桥臂一，第二功率开关S2a的发射极与第五功率开关S2b的发射极相连并构成桥臂二，第三功率开关S3a的发射极与第六功率开关S3b的发射极相连并构成桥臂三，各桥臂一端分别与恒流源I正极连接，各桥臂另一端分别与负载连接，各桥臂的中点分别连接均衡电感L1～L3的一端，均衡电感L1～L3的另一端分别连接恒流源I负极，第一功率开关S1a、第二功率开关S2a、第三功率开关S3a的共集电极与恒流源I正极和负载一端连接，第四功率开关S1b、第五功率开关S2b、第六功率开关S3b共集电极与负载另一端连接；
其中第一功率开关S1a和第四功率开关S1b互补工作，第二功率开关S2a和第五功率开关S2b互补工作，第三功率开关S3a和第六功率开关S3b互补工作。
2.根据权利要求1所述的一种电流源型四电平直流变换器，其特征在于，所述的功率开关S1a、S2a、S3a、S1b、S2b、S3b为具有反向阻断能力的逆阻型开关器件，或者为具有反向导通能力而无反向阻断能力的逆导型开关器件在发射极正向串联二极管构成。
3.根据权利要求2所述的一种电流源型四电平直流变换器，其特征在于，所述的开关器件为电力晶体管（GTR）、绝缘栅双极型晶体管（IGBT）、集成门极换流晶闸管（IGCT）或金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）。
4.一种如权利要求1所述电流源型四电平直流变换器的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：第一功率开关S1a、第二功率开关S2a、第三功率开关S3a驱动脉冲触发并导通，第四功率开关S1b、第五功率开关S2b、第六功率开关S3b驱动脉冲封锁并阻断，恒流源I的电流i均分三路，分别从恒流源I正极，第一功率开关S1a，均衡电感L1至恒流源I负极，从恒流源I正极，第二功率开关S2a，均衡电感L2至恒流源I负极，从恒流源I正极，第二功率开关S3a，均衡电感L3至恒流源I负极，则均衡电感L1～L3的电流分别为i/3，第一功率开关S1a、第二功率开关S2a、第三功率开关S3a的电流分别为i/3，第四功率开关S1b、第五功率开关S2b、第六功率开关S3b的电流为零，负载被旁路，负载电流为零。
5.一种如权利要求1所述电流源型四电平直流变换器的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：第四功率开关S1b、第二功率开关S2a、第三功率开关S3a驱动脉冲触发并导通，第一功率开关S1a、第五功率开关S2b、第六功率开关S3b驱动脉冲封锁并阻断，恒流源I的电流i均分三路，分别从恒流源I正极，负载，第四功率开关S1b，均衡电感L1至恒流源I负极，从恒流源I正极，第二功率开关S2a，均衡电感L2至恒流源I负极，从恒流源I正极，第二功率开关S3a，均衡电感L3至恒流源I负极；则均衡电感L1～L3的电流分别为i/3，第四功率开关S1b、第二功率开关S2a、第三功率开关S3a的电流分别为i/3，第一功率开关S1a、第五功率开关S2b、第六功率开关S3b的电流为零，负载电流为i/3。
6.一种如权利要求1所述电流源型四电平直流变换器的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：第一功率开关S1a、第五功率开关S2b、第三功率开关S3a驱动脉冲触发并导通，第四功率开关S1b、第二功率开关S2a、第六功率开关S3b驱动脉冲封锁并阻断，恒流源I的电流i均分三路，分别从恒流源I正极，第一功率开关S1a，均衡电感L1至恒流源I负极，从恒流源I正极，负载，第五功率开关S2b，均衡电感L2至恒流源I负极，从恒流源I正极，第二功率开关S3a，均衡电感L3至恒流源I负极；均衡电感L1～L3的电流分别为i/3，第一功率开关S1a、第五功率开关S2b、第三功率开关S3a的电流分别为i/3，第四功率开关S1b、第二功率开关S2a、第六功率开关S3b电流为零，负载电流为i/3。
7.一种如权利要求1所述电流源型四电平直流变换器的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：第一功率开关S1a、第二功率开关S2a、第六功率开关S3b驱动脉冲触发并导通，第四功率开关S1b、第五功率开关S2b、第三功率开关S3a驱动脉冲封锁并阻断，恒流源I的电流i均分三路，分别从恒流源I正极，第一功率开关S1a，均衡电感L1至恒流源I负极，从恒流源I正极，第二功率开关S2a，均衡电感L2至恒流源I负极，从恒流源I正极，负载，第六功率开关S3b，均衡电感L3至恒流源I负极；均衡电感L1～L3的电流分别为i/3，第一功率开关S1a、第二功率开关S2a、第六功率开关S3b的电流分别为i/3，第四功率开关S1b、第五功率开关S2b、第三功率开关S2a的电流为零，负载电流为i/3。
8.根据权利要求5或6或7所述电流源型四电平直流变换器的控制方法，其特征在于，设定Δi L1，Δi L2，Δi L3分别为均衡电感L1，L2，L3电流与i/3的差值；若Δi L1小于Δi L2和Δi L3，并低于均流下限阈值，功率开关S1b，功率开关S2a，功率开关S3a驱动脉冲封锁并阻断，功率开关S1b，功率开关S2b，功率开关S3b驱动脉冲触发并导通；若Δi L2小于Δi L1和Δi L3，并低于均流下限阈值，功率开关S1a，功率开关S2b，功率开关S3a驱动脉冲封锁并阻断，功率开关S1b，功率开关S2a，功率开关S3b驱动脉冲触发并导通；若Δi L3小于Δi L2和Δi L1，并低于均流下限阈值，功率开关S1a，功率开关S2a，功率开关S3b驱动脉冲封锁并阻断，功率开关S1b，功率开关S2b，功率开关S3a驱动脉冲触发并导通。
9.一种如权利要求1所述电流源型四电平直流变换器的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：第四功率开关S1b、第五功率开关S2b、第三功率开关S3a驱动脉冲触发并导通，第一功率开关S1a、第二功率开关S2a、第六功率开关S3b驱动脉冲封锁并阻断，恒流源I的电流i均分三路，分别从恒流源I正极，负载，第四功率开关S1b，均衡电感L1至恒流源I负极，从恒流源I正极，负载，第五功率开关S2b，均衡电感L2至恒流源I负极，从恒流源I正极，第二功率开关S3a，均衡电感L3，至恒流源I负极；均衡电感L1～L3的电流分别为i/3，第四功率开关S1b、第五功率开关S2b、第三功率开关S3a的电流分别为i/3，第一功率开关S1a、第二功率开关S2a、第六功率开关S3b的电流为零，负载电流为2i/3。
10.一种如权利要求1所述电流源型四电平直流变换器的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：第四功率开关S1b、第二功率开关S2a、第六功率开关S3b驱动脉冲触发并导通，第一功率开关S1a、第五功率开关S2b、第三功率开关S2a驱动脉冲封锁并阻断，恒流源I的电流i均分三路，分别从恒流源I正极，负载，第四功率开关S1b，均衡电感L1至恒流源I负极，从恒流源I正极，第二功率开关S2a，均衡电感L2至恒流源I负极，从恒流源I正极，负载，第六功率开关S3b，均衡电感L3，至恒流源I负极；均衡电感L1～L3的电流分别为i/3，第四功率开关S1b、第二功率开关S2a、第六功率开关S3b的电流分别为i/3，第一功率开关S1a、第五功率开关S2b、第三功率开关S3a的电流为零，负载电流为2i/3。
11.一种如权利要求1所述电流源型四电平直流变换器的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：第一功率开关S1a、第五功率开关S2b、第六功率开关S3b驱动脉冲触发并导通，第四功率开关S1b、第二功率开关S2a、第三功率开关S3a驱动脉冲封锁并阻断，恒流源I的电流i均分三路，分别从恒流源I正极，第一功率开关S1a，均衡电感L1至恒流源I负极，从恒流源I正极，负载，第五功率开关S2b，均衡电感L2至恒流源I负极，从恒流源I正极，负载，第六功率开关S3b，均衡电感L3至恒流源I负极；均衡电感L1～L3的电流分别为i/3，第一功率开关S1a、第五功率开关S2b、第六功率开关S3b的电流分别为i/3，第四功率开关S1b、第二功率开关S2a、第三功率开关S3a的电流为零，负载电流为2i/3。
12.根据权利要求9或10或11所述电流源型四电平直流变换器的控制方法，其特征在于，设定Δi L1，Δi L2，Δi L3分别为均衡电感L1，L2，L3电流与i/3的差值；若Δi L1大于Δi L2和Δi L3，并高于均流上限阈值，功率开关S1a，功率开关S2b，功率开关S3b驱动脉冲封锁并阻断，功率开关S1b，S2a，S3a驱动脉冲触发并导通；若Δi L2大于Δi L1和Δi L3，并高于均流上限阈值，功率开关S1b，功率开关S2a，功率开关S3b驱动脉冲封锁并阻断，功率开关S1a，功率开关S2b，功率开关S3a驱动脉冲触发并导通；若Δi L3大于Δi L2和Δi L1，并高于均流上限阈值，功率开关S1b，功率开关S2b，功率开关S3a驱动脉冲封锁并阻断，功率开关S1a，S2a，S3b驱动脉冲触发并导通。
13.一种如权利要求1所述电流源型四电平直流变换器的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：第一功率开关S1a、第二功率开关S2a、第三功率开关S3a驱动脉冲封锁并阻断，第四功率开关S1b、第五功率开关S2b、第六功率开关S3b驱动脉冲触发并导通，恒流源I的电流i均分三路，分别从恒流源I正极，负载，第四功率开关S1b，均衡电感L1至恒流源I负极，从恒流源I正极，负载，第五功率开关S2b，均衡电感L2至恒流源I负极，从恒流源I正极，负载，第六功率开关S3b，均衡电感L3至恒流源I负极；均衡电感L1～L3的电流分别为i/3，第四功率开关S1b、第五功率开关S2b、第六功率开关S3b的电流分别为i/3，第一功率开关S1a、第二功率开关S2a、第三功率开关S3a的电流为零，负载电流为i。

说明书全文

一种电流源型四电平直流变换器及其控制方法

技术领域

[0001] 本发明属于电力电子多电平变换器，特别涉及一种电流源型四电平直流变换器，以及其控制方法。

背景技术

[0002] 直流电网是由多个网状和辐射状连接的由变换器组成的直流网络，具备传输容量大、电能质量高、系统稳定性好、冗余度高，运行方式灵活的特点，在大规模可再生能源消纳、能源优化配置、区域电力输送和电能调控等方面的优势日益突出，已成为智能电网与网络能源、船舶综合电力系统发展的重要技术方向。直流变换器是直流电网的关键技术。

[0003] 以直流侧储能元件的不同，变换器可以分成电压源变换器(voltage source converter，VSC)和电流源变换器(current source converter，CSC)两大类。相比于电压源变换器，电流源变换器具有负载输出侧升压特性、直接电流控制、响应快和短路耐受能力等优点，因而在电机调速、光伏发电、感应加热、风力发电等场合得到一定程度应用和研究。然而掣肘于直流储能侧电感体积和损耗较大的限制，并且通常的电力能源例如发电机、电网、电池等均属电压源，因此CSC 的应用和研究程度落后于VSC。然而，伴随高温超导储能的不断发展和具有反向阻断能力开关器件等发展，电流源变换器迎来新的机遇。

[0004] 多电平变换器(multilevel converter，MC) 由多个电平台阶合成阶梯波以逼进输出波形，具备单个器件开关应力小，输出容量大，器件开关频率低而变换器等效开关频率高，输出波形质量好，传输频带宽电磁兼容性好等优点，特别适合于大功率场合。

[0005] 现有的关于多电平变换器的研究工作也主要是针对交流电压型变换器，包括多重化级联型相移组合型和如图1所示的二极管箝位型，如图2所示的电容箝位型，如图3所示的有源箝位型及其如图4所示的有源箝位型扩展，以及如图5所示的模块化型等拓扑。然而，在一些如大容量储能和电动汽车、船充电桩等热点领域，如果采用多电平电流源变换器拓扑，可以简化变换器结构提高变换器效率和安全性。

[0006] 多电平电流源直流变换器是伴随着直流电网的挑战，电流型变换器的发展，大功率的应用需求等而出现的迫在眉睫的新问题，具有良好的应用前景和发展趋势，然而对此的研究尚不充分，鲜有成熟产品应用，对此进行分析进而寻求解决方法既具理论意义又有实用价值。

发明内容

[0007] 针对上述问题，本发明的目的是提供一种四电平电流源型直流变换器拓扑及控制方法，以实现电流源多电平低开关电流应力，变换器高等效开关频率，低纹波的特性。

[0008] 为达到上述目的，本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种电流源型四电平直流变换器，由恒流源I，功率开关S1a、S2a、S3a、S1b、S2b、S3b，均衡电感L1、L2、L3和负载构成；两个功率开关共发射极相连，构成一个桥臂：其中第一功率开关S1a的发射极与第四功率开关S1b的发射极相连并构成桥臂一，第二功率开关S2a的发射极与第五功率开关S2b的发射极相连并构成桥臂二，第三功率开关S3a的发射极与第六功率开关S3b的发射极相连并构成桥臂三，各桥臂一端分别与恒流源I正极连接，各桥臂另一端分别与负载另一端连接，各桥臂的中点分别连接均衡电感L1～L3的一端，均衡电感L1～L3的另一端分别连接恒流源I负极，第一功率开关S1a、第二功率开关S2a、第三功率开关S3a的共集电极连接，并与恒流源I正极和负载一端连接，第四功率开关S1b、第五功率开关S2b、第六功率开关S3b共集电极连接，并与负载另一端连接，第一桥臂中点即第一功率开关S1a与第四功率开关S1b共发射极连接点，与均衡电感L1一端连接，第二桥臂中点即第二功率开关S2a与第五功率开关S2b共发射极连接点，与均衡电感L2一端连接，第三桥臂中点即第三功率开关S3a与第六功率开关S3b共发射极连接点，与均衡电感L3一端连接，均衡电感L1，L2，L3另一端分别连接恒流源I负极；其中同一桥臂的功率开关工作在互补状态：第一功率开关S1a和第四功率开关S1b互补工作，第二功率开关S2a和第五功率开关S2b互补工作，第三功率开关S3a和第六功率开关S3b互补工作。

[0009] 所述的一种电流源型四电平直流变换器，其功率开关S1a、S2a、S3a、S1b、S2b、S3b为具有反向阻断能力的逆阻型开关器件，或者为具有反向导通能力而无反向阻断能力的逆导型开关器件在发射极正向串联二极管构成。

[0010] 进一步，所述的开关器件可以为电力晶体管（GTR）、绝缘栅双极型晶体管（IGBT）、集成门极换流晶闸管（IGCT）、金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）的一种。

[0011] 一种电流源型四电平直流变换器的控制方法，包括如下步骤：第一功率开关S1a、第二功率开关S2a、第三功率开关S3a驱动脉冲触发并导通，第四功率开关S1b、第五功率开关S2b、第六功率开关S3b驱动脉冲封锁并阻断，恒流源I的电流i均分三路，分别从恒流源I正极，第一功率开关S1a，均衡电感L1至恒流源I负极，从恒流源I正极，第二功率开关S2a，均衡电感L2至恒流源I负极，从恒流源I正极，第二功率开关S3a，均衡电感L3至恒流源I负极；则均衡电感L1，L2，L3电流分别为恒流源I电流的三分之一i/3，第一功率开关S1a、第二功率开关S2a、第三功率开关S3a的电流分别为恒流源I电流的三分之一i/3，第四功率开关S1b、第五功率开关S2b、第六功率开关S3b的电流为零，负载被旁路，负载电流为零。

[0012] 一种电流源型四电平直流变换器的控制方法，包括如下步骤：第四功率开关S1b、第二功率开关S2a、第三功率开关S3a驱动脉冲触发并导通，第一功率开关S1a、第五功率开关S2b、第六功率开关S3b驱动脉冲封锁并阻断，恒流源I的电流i均分三路，分别从恒流源I正极，负载，第四功率开关S1b，均衡电感L1至恒流源I负极，从恒流源I正极，第二功率开关S2a，均衡电感L2至恒流源I负极，从恒流源I正极，第二功率开关S3a，均衡电感L3至恒流源I负极；则均衡电感L1，L2，L3电流分别为恒流源I电流的三分之一i/3，第四功率开关S1b、第二功率开关S2a、第三功率开关S3a的电流分别为恒流源I电流的三分之一i/3，第一功率开关S1a、第五功率开关S2b、第六功率开关S3b的电流为零，负载电流为恒流源I电流的三分之一i/3。

[0013] 一种电流源型四电平直流变换器的控制方法，包括如下步骤：第一功率开关S1a、第五功率开关S2b、第三功率开关S3a驱动脉冲触发并导通，第四功率开关S1b、第二功率开关S2a、第六功率开关S3b驱动脉冲封锁并阻断，恒流源I的电流i均分三路，分别从恒流源I正极，第一功率开关S1a，均衡电感L1至恒流源I负极，从恒流源I正极，负载，第五功率开关S2b，均衡电感L2至恒流源I负极，从恒流源I正极，第二功率开关S3a，均衡电感L3至恒流源I负极；均衡电感L1，L2，L3电流分别为恒流源I电流的三分之一i/3，第一功率开关S1a、第五功率开关S2b、第三功率开关S3a的电流分别为恒流源I电流的三分之一i/3，第四功率开关S1b、第二功率开关S2a、第六功率开关S3b电流为零，负载电流为恒流源I电流的三分之一i/3。

[0014] 进一步，设定Δi L1，Δi L2，Δi L3分别为均衡电感L1，L2，L3电流与i/3的差值；若Δi L1小于Δi L2和Δi L3，并低于均流下限阈值，功率开关S1b，功率开关S2a，功率开关S3a驱动脉冲封锁并阻断，功率开关S1b，功率开关S2b，功率开关S3b驱动脉冲触发并导通；若Δi L2小于Δi L1和Δi L3，并低于均流下限阈值，功率开关S1a，功率开关S2b，功率开关S3a驱动脉冲封锁并阻断，功率开关S1b，功率开关S2a，功率开关S3b驱动脉冲触发并导通；若Δi L3小于Δi L2和Δi L1，并低于均流下限阈值，功率开关S1a，功率开关S2a，功率开关S3b驱动脉冲封锁并阻断，功率开关S1b，功率开关S2b，功率开关S3a驱动脉冲触发并导通。

[0015] 一种电流源型四电平直流变换器的控制方法，包括如下步骤：第一功率开关S1a、第二功率开关S2a、第六功率开关S3b驱动脉冲触发并导通，第四功率开关S1b、第五功率开关S2b、第三功率开关S3a驱动脉冲封锁并阻断，恒流源I的电流i均分三路，分别从恒流源I正极，第一功率开关S1a，均衡电感L1至恒流源I负极，从恒流源I正极，第二功率开关S2a，均衡电感L2至恒流源I负极，从恒流源I正极，负载，第六功率开关S3b，均衡电感L3至恒流源I负极；均衡电感L1，L2，L3电流分别为恒流源I电流的三分之一i/3，第一功率开关S1a、第二功率开关S2a、第六功率开关S3b的电流分别为恒流源I电流的三分之一i/3，第四功率开关S1b、第五功率开关S2b、第三功率开关S2a的电流为零，负载电流为恒流源I电流的三分之一i/3。

[0016] 一种电流源型四电平直流变换器的控制方法，包括如下步骤：第四功率开关S1b、第五功率开关S2b、第三功率开关S3a驱动脉冲触发并导通，第一功率开关S1a、第二功率开关S2a、第六功率开关S3b驱动脉冲封锁并阻断，恒流源I的电流i均分三路，分别从恒流源I正极，负载，第四功率开关S1b，均衡电感L1至恒流源I负极，从恒流源I正极，负载，第五功率开关S2b，均衡电感L2至恒流源I负极，从恒流源I正极，第二功率开关S3a，均衡电感L3，至恒流源I负极；均衡电感L1，L2，L3电流分别为恒流源I电流的三分之一i/3，第四功率开关S1b、第五功率开关S2b、第三功率开关S3a的电流分别为恒流源I电流的三分之一i/3，第一功率开关S1a、第二功率开关S2a、第六功率开关S3b的电流为零，负载电流为恒流源I电流的三分之二2i/3。

[0017] 一种电流源型四电平直流变换器的控制方法，包括如下步骤：第四功率开关S1b、第二功率开关S2a、第六功率开关S3b驱动脉冲触发并导通，第一功率开关S1a、第五功率开关S2b、第三功率开关S2a驱动脉冲封锁并阻断，恒流源I的电流i均分三路，分别从恒流源I正极，负载，第四功率开关S1b，均衡电感L1至恒流源I负极，从恒流源I正极，第二功率开关S2a，均衡电感L2至恒流源I负极；，从恒流源I正极，负载，第六功率开关S3b，均衡电感L3，至恒流源I负极；均衡电感L1，L2，L3电流分别为恒流源I电流的三分之一i/3，第四功率开关S1b、第二功率开关S2a、第六功率开关S3b的电流分别为恒流源I电流的三分之一i/3，第一功率开关S1a、第五功率开关S2b、第三功率开关S3a的电流为零，负载电流为恒流源I电流的三分之二2i/3。

[0018] 一种电流源型四电平直流变换器的控制方法，包括如下步骤：第一功率开关S1a、第五功率开关S2b、第六功率开关S3b驱动脉冲触发并导通，第四功率开关S1b、第二功率开关S2a、第三功率开关S3a驱动脉冲封锁并阻断，恒流源I的电流i均分三路，分别从恒流源I正极，第一功率开关S1a，均衡电感L1至恒流源I负极，从恒流源I正极，负载，第五功率开关S2b，均衡电感L2至恒流源I负极，从恒流源I正极，负载，第六功率开关S3b，均衡电感L3至恒流源I负极；均衡电感L1，L2，L3电流分别为恒流源I电流的三分之一i/3，第一功率开关S1a、第五功率开关S2b、第六功率开关S3b的电流分别为恒流源I电流的三分之一i/3，第四功率开关S1b、第二功率开关S2a、第三功率开关S3a的电流为零，负载电流为恒流源I电流的三分之二2i/3。

[0019] 进一步，设定Δi L1，Δi L2，Δi L3分别为均衡电感L1，L2，L3电流与i/3的差值；若Δi L1大于Δi L2和Δi L3，并高于均流上限阈值，功率开关S1a，功率开关S2b，功率开关S3b驱动脉冲封锁并阻断，功率开关S1b，S2a，S3a驱动脉冲触发并导通；若Δi L2大于Δi L1和Δi L3，并高于均流上限阈值，功率开关S1b，功率开关S2a，功率开关S3b驱动脉冲封锁并阻断，功率开关S1a，功率开关S2b，功率开关S3a驱动脉冲触发并导通；若Δi L3大于Δi L2和Δi L1，并高于均流上限阈值，功率开关S1b，功率开关S2b，功率开关S3a驱动脉冲封锁并阻断，功率开关S1a，S2a，S3b驱动脉冲触发并导通。

[0020] 一种电流源型四电平直流变换器的控制方法，包括如下步骤：第一功率开关S1a、第二功率开关S2a、第三功率开关S3a驱动脉冲封锁并阻断，第四功率开关S1b、第五功率开关S2b、第六功率开关S3b驱动脉冲触发并导通，恒流源I的电流i均分三路，分别从恒流源I正极，负载，第四功率开关S1b，均衡电感L1至恒流源I负极，从恒流源I正极，负载，第五功率开关S2b，均衡电感L2至恒流源I负极，从恒流源I正极，负载，第六功率开关S3b，均衡电感L3至恒流源I负极；均衡电感L1，L2，L3电流分别为恒流源I电流的三分之一i/3，第四功率开关S1b、第五功率开关S2b、第六功率开关S3b的电流分别为恒流源I电流的三分之一i/3，第一功率开关S1a、第二功率开关S2a、第三功率开关S3a的电流为零，负载电流为恒流源I的电流i。

[0021] 本发明的有益效果是：本发明提出的变换器拓扑结构，除直流多电平拓扑具有的高等效开关频率，低开关应力，低纹波特性、电磁干扰小外，还具有拓扑结构简单、控制方法简单的特点。采用桥臂错相并联，使用不同的开关模式，可以实现多电平的电流输出，每个均衡电感承受1/3电流源电流，桥臂也承受1/3电流源电流，利用冗余开关模式对桥臂和均衡电感实施均流控制修正。减少了功率开关器件和均衡电感的数量，不存在功率开关器件直接并联的情况，简化了电路结构，可靠性高，用较少的器件实现了多电平输出。本发明可以广泛应用于低压、大电流电力电子多电平变换器拓扑结构中。附图说明

[0022] 图1为现有的二极管箝位型多电平拓扑；图2为现有的电容箝位型多电平拓扑；
图3为现有的有源箝位型多电平拓扑；
图4为现有的有源箝位扩展型多电平拓扑；
图5为现有的模块化型多电平拓扑；
图6为本发明四电平电流源型直流变换器拓扑；
图7为本发明控制方法的第一种模式；
图8为本发明控制方法的第二种模式；
图9为本发明控制方法的第三种模式；
图10为本发明控制方法的第四种模式；
图11为本发明控制方法的第五种模式；
图12为本发明控制方法的第六种模式；
图13为本发明控制方法的第七种模式；
图14为本发明控制方法的第八种模式；
图15为本发明拓扑的逆阻型开关器件
图16为本发明拓扑的逆导型开关器件发射极正向串联二极管。

具体实施方式

[0023] 结合附图和实施例对本发明作进一步说明如下：实施例1
图6所示为本发明四电平电流源型直流变换器拓扑图。由一个恒流源I，六个功率开关S1a、S2a、S3a、S1b、S2b、S3b，三个均衡电感L1、L2、L3和负载构成；两个功率开关共发射极相连，构成一个桥臂：其中第一功率开关S1a的发射极与第四功率开关S1b的发射极相连并构成桥臂一，共发射极连接点为D点，第二功率开关S2a的发射极与第五功率开关S2b的发射极相连并构成桥臂二，共发射极连接点为E点，第三功率开关S3a的发射极与第六功率开关S3b的发射极相连并构成桥臂三，共发射极连接点为F点，各桥臂一端分别与恒流源I正极负载一端连接，各桥臂另一端分别与负载另一端连接，各桥臂的中点分别连接均衡电感L1～L3的一端，均衡电感L1～L3的另一端分别连接恒流源I负极，第一功率开关S1a、第二功率开关S2a、第三功率开关S3a的共集电极连接，并与恒流源I正极和负载一端连接，连接点为A，第四功率开关S1b、第五功率开关S2b、第六功率开关S3b共集电极连接，并与负载另一端连接，连接点为C，第一桥臂中点即第一功率开关S1a与第四功率开关S1b共发射极连接点D，与均衡电感L1一端连接，第二桥臂中点即第二功率开关S2a与第五功率开关S2b共发射极连接点E，与均衡电感L2一端连接，第三桥臂中点即第三功率开关S3a与第六功率开关S3b共发射极连接点F，与均衡电感L3一端连接，均衡电感L1，L2，L3另一端分别连接恒流源I负极，连接点为B。如图6所示。

[0024] 其中同一桥臂的功率开关工作在互补状态，即第一功率开关S1a和第四功率开关S1b互补工作，第二功率开关S2a和第五功率开关S2b互补工作，第三功率开关S3a和第六功率开关S3b互补工作。

[0025] 其中，所述的功率开关S1a、S2a、S3a、S1b、S2b、S3b为具有反向阻断能力的逆阻型开关器件，或者为具有反向导通能力而无反向阻断能力的逆导型开关器件在发射极正向串联二极管构成。所述的开关器件可以为电力晶体管（GTR）、绝缘栅双极型晶体管（IGBT）、集成门极换流晶闸管（IGCT）、金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）的一种。

[0026] 实施例2一种电流源型四电平直流变换器的控制方法，包括如下步骤：
所述第一功率开关S1a、第二功率开关S2a、第三功率开关S3a驱动脉冲触发并导通，第四功率开关S1b、第五功率开关S2b、第六功率开关S3b驱动脉冲封锁并阻断，恒流源I的电流i均分三路，分别通过分流支路1：从恒流源I正极，第一功率开关S1a，均衡电感L1至恒流源I负极；分流支路2：从恒流源I正极，第二功率开关S2a，均衡电感L2至恒流源I负极；分流支路
3：从恒流源I正极，第二功率开关S3a，均衡电感L3至恒流源I负极；则均衡电感L1，L2，L3电流分别为恒流源I电流的三分之一i/3，第一功率开关S1a、第二功率开关S2a、第三功率开关S3a的电流分别为恒流源I电流的三分之一i/3，第四功率开关S1b、第五功率开关S2b、第六功率开关S3b的电流为零，负载被旁路，负载电流为零。如图7所示。

[0027] 实施例3一种电流源型四电平直流变换器的控制方法，包括如下步骤：
所述第四功率开关S1b、第二功率开关S2a、第三功率开关S3a驱动脉冲触发并导通，第一功率开关S1a、第五功率开关S2b、第六功率开关S3b驱动脉冲封锁并阻断，恒流源I的电流i均分三路，分别通过分流支路4：从恒流源I正极，负载，第四功率开关S1b，均衡电感L1至恒流源I负极；分流支路2：从恒流源I正极，第二功率开关S2a，均衡电感L2至恒流源I负极；分流支路3：从恒流源I正极，第二功率开关S3a，均衡电感L3至恒流源I负极；则均衡电感L1，L2，L3电流分别为恒流源I电流的三分之一i/3，第四功率开关S1b、第二功率开关S2a、第三功率开关S3a的电流分别为恒流源I电流的三分之一i/3，第一功率开关S1a、第五功率开关S2b、第六功率开关S3b的电流为零，负载电流为恒流源I电流的三分之一i/3。如图8所示。

[0028] 实施例4一种电流源型四电平直流变换器的控制方法，包括如下步骤：
所述第一功率开关S1a、第五功率开关S2b、第三功率开关S3a驱动脉冲触发并导通，第四功率开关S1b、第二功率开关S2a、第六功率开关S3b驱动脉冲封锁并阻断，恒流源I的电流i均分三路，分别通过分流支路1：从恒流源I正极，第一功率开关S1a，均衡电感L1至恒流源I负极；分流支路5：从恒流源I正极，负载，第五功率开关S2b，均衡电感L2至恒流源I负极；分流支路3：从恒流源I正极，第二功率开关S3a，均衡电感L3至恒流源I负极；均衡电感L1，L2，L3电流分别为恒流源I电流的三分之一i/3，第一功率开关S1a、第五功率开关S2b、第三功率开关S3a的电流分别为恒流源I电流的三分之一i/3，第四功率开关S1b、第二功率开关S2a、第六功率开关S3b电流为零，负载电流为恒流源I电流的三分之一i/3。如图9所示。

[0029] 实施例5一种电流源型四电平直流变换器的控制方法，包括如下步骤：
所述第一功率开关S1a、第二功率开关S2a、第六功率开关S3b驱动脉冲触发并导通，第四功率开关S1b、第五功率开关S2b、第三功率开关S3a驱动脉冲封锁并阻断，恒流源I的电流i均分三路，分别通过分流支路1：从恒流源I正极，第一功率开关S1a，均衡电感L1至恒流源I负极；分流支路2：从恒流源I正极，第二功率开关S2a，均衡电感L2至恒流源I负极；分流支路
6：从恒流源I正极，负载，第六功率开关S3b，均衡电感L3至恒流源I负极；均衡电感L1，L2，L3电流分别为恒流源I电流的三分之一i/3，第一功率开关S1a、第二功率开关S2a、第六功率开关S3b的电流分别为恒流源I电流的三分之一i/3，第四功率开关S1b、第五功率开关S2b、第三功率开关S2a的电流为零，负载电流为恒流源I电流的三分之一i/3。如图10所示。

[0030] 实施例6一种电流源型四电平直流变换器的控制方法，包括如下步骤：
所述第四功率开关S1b、第五功率开关S2b、第三功率开关S3a驱动脉冲触发并导通，第一功率开关S1a、第二功率开关S2a、第六功率开关S3b驱动脉冲封锁并阻断，恒流源I的电流i均分三路，分别通过分流支路4：从恒流源I正极，负载，第四功率开关S1b，均衡电感L1至恒流源I负极；分流支路5：从恒流源I正极，负载，第五功率开关S2b，均衡电感L2至恒流源I负极；分流支路3：从恒流源I正极，第二功率开关S3a，均衡电感L3，至恒流源I负极；均衡电感L1，L2，L3电流分别为恒流源I电流的三分之一i/3，第四功率开关S1b、第五功率开关S2b、第三功率开关S3a的电流分别为恒流源I电流的三分之一i/3，第一功率开关S1a、第二功率开关S2a、第六功率开关S3b的电流为零，负载电流为恒流源I电流的三分之二2i/3。如图11所示。

[0031] 实施例7一种电流源型四电平直流变换器的控制方法，包括如下步骤：
所述第四功率开关S1b、第二功率开关S2a、第六功率开关S3b驱动脉冲触发并导通，第一功率开关S1a、第五功率开关S2b、第三功率开关S2a驱动脉冲封锁并阻断，恒流源I的电流i均分三路，分别通过分流支路4：从恒流源I正极，负载，第四功率开关S1b，均衡电感L1至恒流源I负极；分流支路2：从恒流源I正极，第二功率开关S2a，均衡电感L2至恒流源I负极；分流支路6：从恒流源I正极，负载，第六功率开关S3b，均衡电感L3，至恒流源I负极；均衡电感L1，L2，L3电流分别为恒流源I电流的三分之一i/3，第四功率开关S1b、第二功率开关S2a、第六功率开关S3b的电流分别为恒流源I电流的三分之一i/3，第一功率开关S1a、第五功率开关S2b、第三功率开关S3a的电流为零，负载电流为恒流源I电流的三分之二2i/3。如图12所示。

[0032] 实施例8一种电流源型四电平直流变换器的控制方法，包括如下步骤：
所述第一功率开关S1a、第五功率开关S2b、第六功率开关S3b驱动脉冲触发并导通，第四功率开关S1b、第二功率开关S2a、第三功率开关S3a驱动脉冲封锁并阻断，恒流源I的电流i均分三路，分别通过分流支路1：从恒流源I正极，第一功率开关S1a，均衡电感L1至恒流源I负极；分流支路5：从恒流源I正极，负载，第五功率开关S2b，均衡电感L2至恒流源I负极；分流支路6：从恒流源I正极，负载，第六功率开关S3b，均衡电感L3至恒流源I负极；均衡L1，L2，L3电流分别为恒流源I电流的三分之一i/3，第一功率开关S1a、第五功率开关S2b、第六功率开关S3b的电流分别为恒流源I电流的三分之一i/3，第四功率开关S1b、第二功率开关S2a、第三功率开关S3a的电流为零，负载电流为恒流源I电流的三分之二2i/3。如图13所示。

[0033] 实施例9一种电流源型四电平直流变换器的控制方法，包括如下步骤：
所述第一功率开关S1a、第二功率开关S2a、第三功率开关S3a驱动脉冲封锁并阻断，第四功率开关S1b、第五功率开关S2b、第六功率开关S3b驱动脉冲触发并导通，恒流源I的电流i均分三路，分别通过分流支路4：从恒流源I正极，负载，第四功率开关S1b，均衡电感L1至恒流源I负极；分流支路5：从恒流源I正极，负载，第五功率开关S2b，均衡电感L2至恒流源I负极；分流支路6：从恒流源I正极，负载，第六功率开关S3b，均衡电感L3至恒流源I负极；均衡电感L1，L2，L3电流分别为恒流源I电流的三分之一i/3，第四功率开关S1b、第五功率开关S2b、第六功率开关S3b的电流分别为恒流源I电流的三分之一i/3，第一功率开关S1a、第二功率开关S2a、第三功率开关S3a的电流为零，负载电流为恒流源I的电流i。如图14所示。

[0034] 实施例10本发明开关模式及输出负载电流Io如下表所示：
所述每个桥臂电流为恒流源I电流的三分之一i/3。所述每个均衡电感电流分别为恒流源I电流的三分之一i/3。

[0035] 所述共发射极功率开关管采用均衡电感分流，利用冗余开关模式，实施均流控制修正，降低功率开关器件电流应力。Δi L1，Δi L2，Δi L3分别为均衡电感L1，L2，L3电流与恒流源电流三分之一的差值。

[0036] 所述产生中间的i/3电流电平具有三种开关模式，互为冗余，若Δi L1小于Δi L2和Δi L3，并低于均流下限阈值，功率开关S1b，S2a，S3a驱动脉冲封锁并阻断，功率开关S1b，S2b，S3b驱动脉冲触发并导通；若Δi L2小于Δi L1和Δi L3，并低于均流下限阈值，功率开关S1a，S2b，S3a驱动脉冲封锁并阻断，功率开关S1b，S2a，S3b驱动脉冲触发并导通；若Δi L3小于Δi L2和Δi L1，并低于均流下限阈值，功率开关S1a，S2a，S3b驱动脉冲封锁并阻断，功率开关S1b，S2b，S3a驱动脉冲触发并导通。

[0037] 所述产生中间的2i/3电流电平具有三种开关模式，互为冗余，若Δi L1大于Δi L2和Δi L3，并高于均流上限阈值，功率开关S1a，S2b，S3b驱动脉冲封锁并阻断，功率开关S1b，S2a，S3a驱动脉冲触发并导通；若Δi L2大于Δi L1和Δi L3，并高于均流上限阈值，功率开关S1b，S2a，S3b驱动脉冲封锁并阻断，功率开关S1a，S2b，S3a驱动脉冲触发并导通；若Δi L3大于Δi L2和Δi L1，并高于均流上限阈值，功率开关S1b，S2b，S3a驱动脉冲封锁并阻断，功率开关S1a，S2a，S3b驱动脉冲触发并导通。

[0038] 阈值指均衡修正的临界限值，根据实际的控制目标需求设定。

[0039] 这种变换器拓扑结构简单，在不减少冗余开关状态和控制自由度的情况下，减少开关数目和电感元件，从而减少了损耗及控制难度，有效降低变换器体积和重量，提高系统效率。

[0040] 所述每个桥臂的功率开关器件为具有反向阻断能力的逆阻型开关器件，开关器件可以为电力晶体管（GTR）、绝缘栅双极型晶体管（IGBT）、集成门极换流晶闸管（IGCT）、金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）的一种。如图15所示。

[0041] 所述每个桥臂的功率开关器件为具有反向导通能力而无反向阻断能力的逆导型开关器件发射极正向串联二极管构成，开关器件可以为电力晶体管（GTR）、绝缘栅双极型晶体管（IGBT）、集成门极换流晶闸管（IGCT）、金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）的一种。如图16所示。

[0042] 尽管上面结合附图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权力要求所保护的范围的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保护范围之内。

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