[发明专利]非桥式多电平变换装置及其控制方法

说明书

本发明提供了一种非桥式多电平变换装置，设置在直流电压源V_dc与负载之间，包括正向桥臂、反向桥臂、中间桥臂、反串桥臂、电容C₁和反向桥臂；所述中间桥臂、反串桥臂和电容C₁构成开关电容单元，所述开关电容单元的数量可扩展，通过在不同工作模态下的切换，实现多电平输出，同时，不会随着输出电压的增高导致开关管承受的电压应力过大，开关管承受的最大电压应力不超过直流侧输入电压，解决中高压场合下的应用难题。

技术领域

本发明涉及电力电子与电能变换、新能源发电和配电等领域，具体的说，涉及了一种非桥式多电平变换装置及其控制方法。

背景技术

多电平变换器由直流电源、有源开关和功率二极管等元件组成，可以产生具有低总谐波失真的电压波形，在光伏发电等能源转换系统中发挥着重要作用。

传统的多电平变换器一般分为二极管钳位型、飞跨电容型和级联H桥型。其中二极管钳位型和飞跨电容型多电平变换器分别使用大量钳位二极管和钳位电容来提高输出电平数量，但是，其电路结构复杂，增加了控制难度。级联型多电平变换器通过串联H桥可以输出更多的电平，但需要大量的开关管和独立的直流电源。

在光伏发电等可再生能源发电等许多低输入直流电压的应用中，需要输出较高的交流电压，通过在变换器交流侧加入变压器可以提升输出电压，但会致使变换器的体积和重量增大。

目前的方法是，将开关电容技术引入变换拓扑中，通过开关器件和电容的组合，可以实现多电平输出，具有效率高、电压增益大、体积小等优点，但是，这些变换器都需要通过加入H桥来改变输出电压的极性，变换器开关器件上所承受的最大电压应力随着输出电压增益的提高而增大，限制了变换器的实际应用。

为了解决以上存在的问题，人们一直在寻求一种理想的技术解决方案。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，从而提供一种开关管的最大电压应力不超过直流侧输入电压且不随电压增益的增大而变大、具有拓扑能力、适应于中高压场合的非桥式多电平变换装置及其控制方法。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种非桥式多电平变换装置，设置在直流电压源V_dc与负载之间，包括正向桥臂、反向桥臂、中间桥臂、反串桥臂、电容C₁和反向桥臂；

所述正向桥臂包括串联的开关管S₁和开关管S₂，所述开关管S₁的集电极和所述开关管S₂的发射极连接且中点位置用于连接负载的一端，所述开关管S₁的发射极连接直流电压源V_dc的负极，所述开关管S₂的集电极连接直流电压源V_dc的正极；

所述中间桥臂包括开关管S₁₂、开关管S₁₃和开关管S₁₄，所述开关管S₁₂的集电极连接直流电压源V_dc的正极，所述开关管S₁₃的发射极、所述开关管S₁₄的集电极和所述开关管S₁₂的发射极连接到一起，所述开关管S₁₃的集电极连接电容C₁的正极；