CN102769401B - 一种五电平逆变拓扑单元及五电平逆变器 - Google Patents
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Abstract
本申请提供的五电平逆变器拓扑单元包括六个反向并联二极管的开关管和两个二极管，相对于现有技术中需要采用均压措施和较大的RC吸收电路防止部分二极管两端过压而导致逆变器体积庞大、成本增加、损耗较多以及效率较低的问题，本申请提供的五电平逆变器拓扑单元在实现单相和多相应用时在保证为电流提供通路的同时，保证整个逆变器的半导体器件较少，体积较小，成本较低，同时损耗较小，效率较高。
Description
技术领域
本申请涉及电力电子技术领域，特别涉及一种五电平逆变器及其应用电路。
背景技术
中压大容量场合，多电平逆变器得到广泛的应用，目前的五电平逆变器主要是二极管箝位型。下面对二极管箝位型五电平逆变器予以介绍。
参见图1，该图为现有技术中提供的二极管箝位型的五电平逆变器拓扑图。
图1所示的是半桥五电平逆变器的拓扑结构。二极管用于为各个开关管进行电压箝位。例如，第一二极管DB1用于将开关管T1下端的电位箝位于第一电容C1的下端；第二二极管DB2用于将开关管T5下端的电位箝位于第一电容C1的下端。其他二极管DB3、DB4、DB5和DB6类似，在此不再赘述。
由于箝位二极管需要阻断多倍电平电压，通常需要多个相同标称值的二极管串联，这些二极管串联起来共同承受图1中二极管DB2承受的电压。由于二极管的分散性以及杂散参数的影响，标称值相同的二极管所能承受的压力也有所差别，这样串联起来可能引起有的二极管两端过电压。因此，需要均压措施和很大的RC吸收电路，但是这样将导致系统体积庞大，成本增加，且损耗较多，效率较低。
发明内容
本申请所要解决的技术问题是提供一种五电平逆变拓扑单元及五电平逆变器，用以解决现有技术中逆变器系统体积庞大，成本增加，且损耗较多，效率较低、电流转换精度较低的技术问题。
一种五电平逆变拓扑单元，包括开关管T1、开关管T2、开关管T3、开关管T4、开关管TA1、开关管TB1、二极管DF1以及二极管DF2；
每个所述开关管均逆并联一个二极管；
该拓扑单元的第一直流输入端M1通过依次串联的二极管DF1、开关管T2、开关管T3和二极管DF2与该拓扑单元的第二直流输入端M2相连；
该拓扑单元的第三直流输入端M3通过开关管T1与二极管DF1和开关管T2的连接线相连；
开关管T3和二极管DF2的连接线通过开关管T4与该拓扑单元的第四直流输入端M4相连；
该拓扑单元的第五直流输入端M5通过逆串联的开关管TA1以及开关管TB1与开关管T2和开关管T3的连接线相连，且开关管T2和开关管T3的连接线作为该拓扑单元的交流输出端AC。
一种五电平逆变器，包括电源升压电路、滤波并网电路以及至少一个上述的逆变拓扑单元，其中：
所述电源升压电路的第一直流正电平PV1+与每个所述逆变拓扑单元的第一直流输入端M1相连，所述电源升压电路的第二直流正电平PV2+与每个所述逆变拓扑单元的第三直流输入端M3相连，所述电源升压电路的直流零电平PV0与每个所述逆变拓扑单元的第五直流输入端M5相连，所述电源升压电路的第一直流负电平PV1-与每个所述逆变拓扑单元的第二直流输入端M2相连，所述电源升压电路的第二直流负电平PV2-与每个所述逆变拓扑单元的第四直流输入端M4相连；
每个所述逆变拓扑单元的交流输出端AC分别与所述滤波并网电路的输入端相连。
优选的，所述逆变拓扑单元的个数为三个。
优选的，所述滤波并网电路包括：第一电感、第二电感、第三电感、第一电容、第二电容和第三电容；
第一拓扑单元的交流输出端通过依次串联的第一电感、第一电容、第二电容和第二电感与第二拓扑单元的交流输出端相连；
第三拓扑单元的交流输出端通过依次串联的第三电感和第三电容与第一电容和第二电容的连接线相连；
第一电感和第一电容的连接线与该逆变器的第一交流输出端相连，第二电感和第二电容的连接线与该逆变器的第二交流输出端相连，第三电感和第三电容的连接线与该逆变器的第三交流输出端相连。
优选的，所述滤波并网电路包括：第一电感、第二电感、第三电感、第一电容、第二电容和第三电容；
第一拓扑单元的交流输出端通过依次串联的第一电感、第一电容、第二电容和第二电感与第二拓扑单元的交流输出端相连；
第三拓扑单元的交流输出端通过依次串联的第三电感和第三电容与第一电容和第二电容的连接线相连；
第一电感和第一电容的连接线与该逆变器的第一交流输出端相连，第二电感和第二电容的连接线与该逆变器的第二交流输出端相连，第三电感和第三电容的连接线与该逆变器的第三交流输出端相连；
第一电容、第二电容和第三电容的连接线与所述电源升压电路的直流零电平PV0相连。
优选的，所述逆变拓扑单元的个数为四个。
优选的，所述滤波并网电路包括：第一电感、第二电感、第三电感、第一电容、第二电容和第三电容；
第二拓扑单元的交流输出端通过依次串联的第一电感、第一电容、第二电容和第二电感与第三拓扑单元的第一交流输出端相连；
第四拓扑单元的交流输出端通过依次串联的第三电感和第三电容与第一电容和第二电容的连接线相连；
第一拓扑单元的交流输出端与第一电容和第二电容的连接线相连；
第一电感和第一电容的连接线与该逆变器的第一交流输出端相连，第二电感和第二电容的连接线与该逆变器的第二交流输出端相连，第三电感和第三电容的连接线与该逆变器的第三交流输出端相连。
优选的，所述电源升压电路包括直流电源PV、电容CA1、电容CB 1、电容CA2、电容CB2、电感L1、电感L2、开关管TD1、开关管TD2、二极管DD1和二极管DD2，其中：
直流电源PV的正端与电容CA1的第一端相连，电容CA1的第二端与电容CB1的第一端相连，电容CB1的第二端与直流电源PV的负端相连；
电容CA1的第一端通过依次串联的电感L1、开关管TD1、开关管TD2以及电感L2与电容CB1的第二端相连；
电感L1和开关管TD1的连接线通过依次串联的二极管DD1以及电容CA2与电容CA1的第一端相连；
电容CB1的第二端通过依次串联的电容CB2以及二极管DD2与开关管TD2和电感L2的连接线相连；
所述二极管DD1与电容CA2的连接线作为所述电源升压电路的第二直流正电平PV2+；
所述电容CA1的第一端作为所述电源升压电路的第一直流正电平PV1+；
电容CA1和电容CB1的连接线与开关管TD1和开关管TD2的连接线相连，且公共连接端作为所述电源升压电路的直流零电平PV0；
所述电容CB1的第二端作为所述电源升压电路的第一直流负电平PV1-；
所述二极管DD2与电容CB2的连接线作为所述电源升压电路的第二直流负电平PV2-。
优选的，所述电源升压电路包括第一直流电源PVM、第二直流电源PVN、电容CA1、电容CB 1、电容CA2、电容CB2、电感L1、电感L2、开关管TD1、开关管TD2、二极管DD1和二极管DD2，其中：
第一直流电源PVM的正端与电容CA1的第一端相连，电容CA1的第二端分别与电容CB1的第一端以及第一直流电源PVM的负端相连，第一直流电源PVM的负端与第二直流电源PVN的正端相连，电容CB1的第二端与第二直流电源PVN的负端相连；
电容CA1的第一端通过依次串联的电感L1、开关管TD1、开关管TD2以及电感L2与电容CB1的第二端相连；
电感L1和开关管TD1的连接线通过依次串联的二极管DD1以及电容CA2与电容CA1的第一端相连；
电容CB1的第二端通过依次串联的电容CB2以及二极管DD2与开关管TD2和电感L2的连接线相连；
所述二极管DD1与电容CA2的连接线作为所述电源升压电路的第二直流正电平PV2+；
所述电容CA1的第一端作为所述电源升压电路的第一直流正电平PV1+；
第一直流电源PVM与第二直流电源PVN的连接线分别与电容CA1和电容CB1的连接线、开关管TD1和开关管TD2的连接线相连，且公共连接端作为所述电源升压电路的直流零电平PV0；
所述电容CB1的第二端作为所述电源升压电路的第一直流负电平PV1-；
所述二极管DD2与电容CB2的连接线作为所述电源升压电路的第二直流负电平PV2-。
由上述可知，本申请提供的五电平逆变器拓扑单元包括六个反向并联二极管的开关管和两个二极管，相对于现有技术中需要采用均压措施和较大的RC吸收电路防止部分二极管两端过压而导致逆变器体积庞大、成本增加、损耗较多以及效率较低的问题，本申请提供的五电平逆变器拓扑单元在实现单相和多相应用时在保证为电流提供通路的同时，保证整个逆变器的半导体器件较少，体积较小，成本较低，同时损耗较小，效率较高。
当然，实施本申请的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为现有技术中二极管箝位型五电平逆变器拓扑图；
图2为本发明提供的一种五电平逆变拓扑单元实施例一的拓扑图；
图3为本发明提供的一种五电平逆变器实施例二的结构示意图；
图4为本发明提供的一种五电平逆变器实施例二中电源升压电路的电路图；
图5为本发明提供的一种五电平逆变器实施例二中电源升压电路的另一电路图；
图6为本发明提供的一种五电平逆变器实施例二中电源升压电路的另一电路图；
图7为本发明提供的一种五电平逆变器实施例二中电源升压电路的另一电路图；
图8为本发明提供的一种五电平逆变器实施例二的电路图；
图9为本发明提供的一种五电平逆变器处于第一工作模态的拓扑图；
图10为本发明提供的一种五电平逆变器处于第二工作模态的拓扑图；
图11为本发明提供的一种五电平逆变器处于第三工作模态的拓扑图；
图12为本发明提供的一种五电平逆变器处于第四工作模态的拓扑图；
图13为本发明提供的一种五电平逆变器处于第五工作模态的拓扑图；
图14为本发明提供的一种五电平逆变器处于第六工作模态的拓扑图；
图15为本发明提供的一种五电平逆变器处于第七工作模态的拓扑图；
图16为本发明提供的一种五电平逆变器处于第八工作模态的拓扑图；
图17为本申请提供的一种五电平逆变拓扑单元实施例二中时序生成正弦波的一种时序调制图；
图18为本申请提供的一种五电平逆变拓扑单元实施例二中时序生成正弦波的另一种时序调制图；
图19为本申请提供的一种五电平逆变拓扑单元的等效图；
图20为本申请通过的一种五电平逆变器实施例三的拓扑示意图；
图21为本申请通过的一种五电平逆变器实施例四的拓扑图；
图22为本申请通过的一种五电平逆变器实施例四的另一拓扑图；
图23为本申请通过的一种五电平逆变器实施例五的拓扑图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
实施例一
参考图2，本发明提供的一种五电平逆变拓扑单元实施例一的拓扑图，一种五电平逆变拓扑单元，包括开关管T1、开关管T2、开关管T3、开关管T4、开关管TA1、开关管TB1、二极管DF1以及二极管DF2；
每个所述开关管均逆并联一个二极管；
该拓扑单元的第一直流输入端M1通过依次串联的二极管DF1、开关管T2、开关管T3和二极管DF2与该拓扑单元的第二直流输入端M2相连；
该拓扑单元的第三直流输入端M3通过开关管T1与二极管DF1和开关管T2的连接线相连；
开关管T3和二极管DF2的连接线通过开关管T4与该拓扑单元的第四直流输入端M4相连；
该拓扑单元的第五直流输入端M5通过逆串联的开关管TA1以及开关管TB1与开关管T2和开关管T3的连接线相连，且开关管T2和开关管T3的连接线作为该拓扑单元的交流输出端AC。
其中，以上拓扑单元的开关管可以为IGBT管、MOSFET管、IGCT管、或IEGT管。可以理解的是，以上开关管也可以选择其他类型的开关管。以上与开关管反向并联的二极管可以为独立的二极管，也可以是与开关管封装集成在一起的二极管。
由上述可知，本申请提供的五电平逆变器拓扑单元包括六个反向并联二极管的开关管和两个二极管，相对于现有技术中需要采用均压措施和较大的RC吸收电路防止部分二极管两端过压而导致逆变器体积庞大、成本增加、损耗较多以及效率较低的问题，本申请提供的五电平逆变器拓扑单元在实现单相和多相应用时在保证为电流提供通路的同时，保证整个逆变器的半导体器件较少，体积较小，成本较低，同时损耗较小，效率较高。
实施例二
参考图3，其示出了本发明提供的一种五电平逆变器实施例二的结构示意图，基于上述实施例，本发明提供了一种五电平逆变器，包括电源升压电路101、滤波并网电路103以及如上述实施例一的逆变拓扑单元102，其中：
所述电源升压电路101的第一直流正电平PV1+与该逆变拓扑单元102的第一直流输入端M1相连，所述电源升压电路101的第二直流正电平PV2+与该逆变拓扑单元102的第三直流输入端M3相连，所述电源升压电路101的直流零电平PV0与该逆变拓扑单元102的第五直流输入端M5相连，所述电源升压电路101的第一直流负电平PV1-与该逆变拓扑单元102的第二直流输入端M2相连，所述电源升压电路101的第二直流负电平PV2-与该逆变拓扑单元102的第四直流输入端M4相连；
该逆变拓扑单元102的交流输出端AC与所述滤波并网电路103的输入端相连。
优选的，本实施例提供了四种五电平逆变器中的电源升压电路101，现依次对其进行介绍，请参阅图4，为第一种电源升压电路，包括直流电源PV、电容CA1、电容CB 1、电容CA2、电容CB2、电感L1、电感L2、开关管TD1、开关管TD2、二极管DD1和二极管DD2，其中：
直流电源PV的正端与电容CA1的第一端相连，电容CA1的第二端与电容CB1的第一端相连，电容CB1的第二端与直流电源PV的负端相连；
电容CA1的第一端通过依次串联的电感L1、开关管TD1、开关管TD2以及电感L2与电容CB1的第二端相连；
电感L1和开关管TD1的连接线通过依次串联的二极管DD1、电容CA2、电容CB2以及二极管DD2与开关管TD2和电感L2的连接线相连；
所述二极管DD1与电容CA2的连接线作为所述电源升压电路的第二直流正电平PV2+；
所述电容CA1的第一端作为所述电源升压电路的第一直流正电平PV1+；
电容CA1和电容CB1的连接线分别与开关管TD1和开关管TD2的连接线以及电容CA2和电容CB2的连接线相连，且公共连接端作为所述电源升压电路的直流零电平PV0；
所述电容CB1的第二端作为所述电源升压电路的第一直流负电平PV1-；
所述二极管DD2与电容CB2的连接线作为所述电源升压电路的第二直流负电平PV2-。
优选的，第二种电源升压电路101具体为如图5所示的电路，包括直流电源PV、电容CA1、电容CB1、电容CA2、电容CB2、电感L1、电感L2、开关管TD1、开关管TD2、二极管DD1和二极管DD2，其中：
直流电源PV的正端与电容CA1的第一端相连，电容CA1的第二端与电容CB1的第一端相连，电容CB1的第二端与直流电源PV的负端相连；
电容CA1的第一端通过依次串联的电感L1、开关管TD1、开关管TD2以及电感L2与电容CB1的第二端相连；
电感L1和开关管TD1的连接线通过依次串联的二极管DD1以及电容CA2与电容CA1的第一端相连；
电容CB1的第二端通过依次串联的电容CB2以及二极管DD2与开关管TD2和电感L2的连接线相连；
所述二极管DD1与电容CA2的连接线作为所述电源升压电路的第二直流正电平PV2+；
所述电容CA1的第一端作为所述电源升压电路的第一直流正电平PV1+；
电容CA1和电容CB1的连接线与开关管TD1和开关管TD2的连接线相连，且公共连接端作为所述电源升压电路的直流零电平PV0；
所述电容CB1的第二端作为所述电源升压电路的第一直流负电平PV1-；
所述二极管DD2与电容CB2的连接线作为所述电源升压电路的第二直流负电平PV2-。
优选的，第三种电源升压电路101具体为如图6所示的电路，包括第一直流电源PVM、第二直流电源PVN、电容CA1、电容CB2、电容CA1、电容CB2、电感L1、电感L2、开关管TD 1、开关管TD2、二极管DD1和二极管DD2，其中：
第一直流电源PVM的正端与电容CA1的第一端相连，电容CA1的第二端分别与电容CB1的第一端以及第一直流电源PVM的负端相连，第一直流电源PVM的负端与第二直流电源PVN的正端相连，电容CB1的第二端与第二直流电源PVN的负端相连；
电容CA1的第一端通过依次串联的电感L1、开关管TD1、开关管TD2以及电感L2与电容CB1的第二端相连；
电感L1和开关管TD1的连接线通过依次串联的二极管DD1、电容CA2、电容CB2以及二极管DD2与开关管TD2和电感L2的连接线相连；
所述二极管DD1与电容CA2的连接线作为所述电源升压电路的第二直流正电平PV2+；
所述电容CA1的第一端作为所述电源升压电路的第一直流正电平PV1+；
第一直流电源PVM与第二直流电源PVN的连接线分别与电容CA1和电容CB1的连接线、开关管TD1和开关管TD2的连接线以及电容CA2和电容CB2的连接线相连，且公共连接端作为所述电源升压电路的直流零电平PV0；
所述电容CB1的第二端作为所述电源升压电路的第一直流负电平PV1-；
所述二极管DD2与电容CB2的连接线作为所述电源升压电路的第二直流负电平PV2-。
优选的，第四种电源升压电路101具体为如图7所示的电路，包括第一直流电源PVM、第二直流电源PVN、电容CA1、电容CB2、电容CA1、电容CB2、电感L1、电感L2、开关管TD 1、开关管TD2、二极管DD1和二极管DD2，其中：
第一直流电源PVM的正端与电容CA1的第一端相连，电容CA1的第二端分别与电容CB1的第一端以及第一直流电源PVM的负端相连，第一直流电源PVM的负端与第二直流电源PVN的正端相连，电容CB1的第二端与第二直流电源PVN的负端相连；
电容CA1的第一端通过依次串联的电感L1、开关管TD1、开关管TD2以及电感L2与电容CB1的第二端相连；
电感L1和开关管TD1的连接线通过依次串联的二极管DD1以及电容CA2与电容CA1的第一端相连；
电容CB 1的第二端通过依次串联的电容CB2以及二极管DD2与开关管TD2和电感L2的连接线相连；
所述二极管DD1与电容CA2的连接线作为所述电源升压电路的第二直流正电平PV2+；
所述电容CA1的第一端作为所述电源升压电路的第一直流正电平PV1+；
第一直流电源PVM与第二直流电源PVN的连接线分别与电容CA1和电容CB1的连接线、开关管TD1和开关管TD2的连接线以及电容CA2和电容CB2的连接线相连，且公共连接端作为所述电源升压电路的直流零电平PV0；
所述电容CB1的第二端作为所述电源升压电路的第一直流负电平PV1-；
所述二极管DD2与电容CB2的连接线作为所述电源升压电路的第二直流负电平PV2-。
需要说明的是，第二种电源升压电路为本申请最优的实现方式，相比于第一种电源升压电路，图5中的电容CA2相比图4中的电容CA2的电容值要小，同样，图5中的电容CB2相比图4中的电容CB2的电容值要小，采用图5中的电源升压电路能够降低器件成本，更具经济效益。
同样的，图7中的电容CA2相比图6中的电容CA2的电容值要小，图7中的电容CB2相比图6中的电容CB2的电容值要小。
现以升压电源电路为图4所示的电路为例，介绍下本发明提供的一种五电平逆变器的具体实现电路，如图8所示，需要说明的是，本发明提供的四种电源升压电路可以与逆变拓扑单元进行自由组合，在此，不一一叙述。
请参阅图8，其中，所述滤波并网电路103包括第一电感L501、第一电容C501；
所述第一电感L501的第一端与所述电源升压电路的直流零电平PV0相连，所述第一电感L501的第二端与所述第一电容C501的第一端相连，所述第一电容C501的第二端与所述逆变拓扑单元的交流输出端AC相连，所述第一电感C501的第二端作为该五电平逆变器的第一交流输出端；所述第一电容C501的第二端作为该五电平逆变器的第二交流输出端。
由上述可知，本申请通过增加电感和电容实现本申请实施例一的实际应用，减少本申请实施例一的输出电流的谐波，提高本申请实施例一在进行电流转换的准确性。相对于现有技术中需要采用均压措施和较大的RC吸收电路防止部分二极管两端过压而导致逆变器体积庞大、成本增加、损耗较多以及效率较低的问题，本申请提供的五电平逆变器实施例二，即本申请实施例一在实现单相时在保证为电流提供通路的同时，保证整个逆变器的半导体器件较少，体积较小，成本较低，同时损耗较小，效率较高。
其中，本申请提供的五电平逆变器实施例二在实现直流电与交流电的转换时，包括八个工作模态，下面结合附图9至附图16来对附图8中所示的五电平逆变器的八种工作模态进行详细分析。其中，为了更直观的从图中体现电流路径，故将导通的路径通过虚线和箭头的形式体现。
请参阅图9，其示出了本申请提供的五电平逆变器的第一工作模态的拓扑图。第一工作模态：开关管T1,T2，TA1导通，其余截止。
电流的路径为：M3→T1→T2→AC。
请参阅图10，其示出了本申请提供的五电平逆变器的第二工作模态的拓扑图。第二工作模态：开关管T2，TA1导通，其余截止。
电流路径为：M1→DF1→T2→AC。
请参阅图11，其示出了本申请提供的五电平逆变器的第三工作模态的拓扑图。第三工作模态：开关管TA1导通，其余截止。
电流路径为：M5→TA1→DB1→AC。
请参阅图12，其示出了本申请提供的五电平逆变器的第四工作模态的拓扑图。第四工作模态：开关管T2,TA1导通，或T1,T2,TA1导通，其余截止。
电流路径为：AC→D2→D1→M3。
请参阅图13，其示出了本申请提供的五电平逆变器的第五工作模态的拓扑图。第五工作模态：开关管T3，T4,TB1导通。
电流路径为：AC→T3→T4→M4。
请参阅图14，其示出了本申请提供的五电平逆变器的第六工作模态的拓扑图。第六工作模态：开关管T3,TB1导通，其余截止。
电流路径为：AC→T3→DF2→M2。
请参阅图15，其示出了本申请提供的五电平逆变器的第七工作模态的拓扑图。第七工作模态：开关管TB1导通，其余截止。
电流路径为：AC→TB1→DA1→M5。
请参阅图16，其示出了本申请提供的五电平逆变器的第八工作模态的拓扑图。第八工作模态：开关管T3,TB1导通，或T3,T4，TB1导通，其余截止。
电流路径为：M4→D4→D3→AC。
有上述可知，本申请提供的五电平逆变器实施例二采用五电平技术拟合正弦波的思路，相对于现有技术来说共模电压小，纹波损耗较低，转换效率较高。
其中，本申请提供的五电平逆变拓扑单元实施例一在实现直流电与交流电的转换时的八个工作模态，与本申请实施例二中图9至图16所示的工作模态类似，在此不再赘述。
通过对上述图9、图10、图13、图14所示的工作模态的时序进行控制，就能得到需要的正弦交流电，图17、图18为时序控制图，其中，u为逆变器输出的电压波形。
例如：假定上述拓扑单元的五个直流输入端M1、M2、M3、M4、M5的输入电压分别为：+V1、-V1、+V2、-V2、0，则第二工作模态能获得电压V1，第一工作模态获得电压V2，第六工作模态获得电压-V1，第五工作模态获得电压-V2，设满足逆变要求的最小逆变电压为Vm。
当V1<Vm<V2时，按图17所示的时序进行控制，即t0时刻～t1时刻、t2时刻～t4时刻以及t5时刻～t6时刻，第二工作模态和第六工作模态交替工作，t1时刻～t2时刻，第一工作模态和第二工作模态交替工作，t4时刻～t5时刻，第六工作模态和第五工作模态交替工作；
当Vm<V1<V2时，按图18所示的时序进行控制，具体时序控制参见图18，在此不再赘述。
实施例三
参考图19，其示出了本申请提供的五电平逆变拓扑单元实施例一等效图。在所述等效图中，将所述五电平逆变拓扑单元实施例一的第一交流输出端定义为拓扑单元的AC引出端。
参考图20，其示出了本申请提供的一种五电平逆变器实施例三的拓扑图，区别于本申请实施例一以及实施例二，本申请实施例三中的电源升压电路和实施例二中的电源升压电路的结构和功能相同，除此，本实施例三中提供的五电平逆变器中的每个逆变拓扑单元的结构和工作模态也和上述实施例二中的逆变拓扑单元相同，在此不再进行详细的描述，不同的是，本实施例提供的五电平逆变器包括两个如图19所示的拓扑单元：第一拓扑单元和第二拓扑单元；
所述电源升压电路的第一直流正电平PV1+与第一拓扑单元和第二拓扑单元的各第一直流输入端M1相连；
所述电源升压电路的第一直流负电平PV1-与第一拓扑单元和第二拓扑单元的各第二直流输入端M2相连；
所述电源升压电路的第二直流正电平PV2+与第一拓扑单元和第二拓扑单元的各第三直流输入端M3相连；
所述电源升压电路的第二直流负电平PV2-与第一拓扑单元和第二拓扑单元的各第四直流输入端M4相连；
所述电源升压电路的直流零电平PV0与第一拓扑单元和第二拓扑单元的各第五直流输入端M5相连；
所述第一拓扑单元的交流输出端AC与该逆变器的第一交流输出端相连，所述第二拓扑单元的交流输出端AC与该逆变器的第二交流输出端相连。优选的，所述五电平逆变器还包括电感L1701、电感L1702和电容C 1701，其中：
第一拓扑单元的AC引出端通过依次串联的电感L1701、电容C 1701和电感L1702与第二拓扑单元的AC引出端相连；
电感L1701和电容C 1701的连接线与该逆变器的第一交流输出端相连，电容C1701和电感L1702的连接线与该逆变器的第二交流输出端相连。
有上述可知，相对于现有技术中需要采用均压措施和较大的RC吸收电路防止部分二极管两端过压而导致逆变器体积庞大、成本增加、损耗较多以及效率较低的问题，本申请提供的五电平逆变拓扑单元在实现两相应用时在保证为电流提供通路的同时，保证整个逆变器的半导体器件较少，体积较小，成本较低，同时损耗较小，效率较高。
实施例四
本发明还提供了一种五电平逆变器，区别于本申请实施例一以及实施例二，本申请实施例四中的电源升压电路和实施例二中的电源升压电路的结构和功能相同，除此，本实施例四中提供的五电平逆变器中的每个逆变拓扑单元的结构和工作模态也和上述实施例二中的逆变拓扑单元相同，在此不再进行详细的描述，不同的是，本实施例提供的五电平逆变器包括三个如图19所示的逆变拓扑单元：第一拓扑单元、第二拓扑单元和第三拓扑单元；
其中，所述电源升压电路的第一直流正电平PV1+与第一拓扑单元和、第二拓扑单元和第三拓扑单元的各第一直流输入端M1相连；
所述电源升压电路的第一直流负电平PV1-与第一拓扑单元、第二拓扑单元和第三拓扑单元的各第二直流输入端M2相连；
所述电源升压电路的第二直流正电平PV2+与第一拓扑单元、第二拓扑单元和第三拓扑单元的各第三直流输入端M3相连；
所述电源升压电路的第二直流负电平PV2-与第一拓扑单元、第二拓扑单元和第三拓扑单元的各第四直流输入端M4相连；
所述电源升压电路的直流零电平PV0与第一拓扑单元、第二拓扑单元和第三拓扑单元的各第五直流输入端M5相连；
所述第一拓扑单元的交流输出端AC与该逆变器的第一交流输出端相连，所述第二拓扑单元的交流输出端AC与该逆变器的第二交流输出端相连，所述第三拓扑单元的交流输出端AC与该逆变器的第三交流输出端相连。
其中，电源升压电路与三个拓扑单元的连接关系基本相同，在此不再详述，不同的是，滤波并网电路的结构稍有不同，请参见图21和图22，其中，在图21中，所述滤波并网电路包括电感L1901、电感L1902、电感L1903、电容C1901、电容C 1902和电容C1903，其中：
第一拓扑单元的AC引出端通过依次串联的电感L1901、电容C1901、电容C1902和电感L1902与第二拓扑单元的AC引出端相连；
第三拓扑单元的AC引出端通过依次串联的电感L1903和电容C1903与电容C1901和电容C1902的连接线相连；
电感L1901和电容C1901的连接线与该逆变器的第一交流输出端相连，电容C1902和电感L1902的连接线与该逆变器的第二交流输出端相连，电感L1903和电容C1903的连接线与该逆变器的第三交流输出端相连。
在图22中，所述滤波并网电路是在图21的基础上，将电容C1901、电容C1902和电容C1903的连接线与直流零电平PV0相连。需要说明的是，图21中的五电平逆变器实施例四为三相三线制（三桥臂）五电平逆变器。图22中的五电平逆变器为三相四线制（三桥臂）五电平逆变器。
有上述可知，相对于现有技术中需要采用均压措施和较大的RC吸收电路防止部分二极管两端过压而导致逆变器体积庞大、成本增加、损耗较多以及效率较低的问题，本申请提供的五电平逆变拓扑单元在实现三相应用时在保证为电流提供通路的同时，保证整个逆变器的半导体器件较少，体积较小，成本较低，同时损耗较小，效率较高。
实施例五
请参阅图23，本发明还提供了实施例五，区别于本申请实施例一以及实施例二，本申请实施例五中的电源升压电路和实施例二中的电源升压电路的结构和功能相同，除此，本实施例五中提供的五电平逆变器中的每个逆变拓扑单元的结构和工作模态也和上述实施例二中的逆变拓扑单元相同，在此不再进行详细的描述，不同的是，本实施例提供的五电平逆变器包括四个如图19的拓扑单元：第一拓扑单元、第二拓扑单元、第三拓扑单元和第四拓扑单元；
所述电源升压电路的第一直流正电平PV1+与第一拓扑单元和、第二拓扑单元、第三拓扑单元和第四拓扑单元的各第一直流输入端M1相连；
所述电源升压电路的第一直流负电平PV1-与第一拓扑单元、第二拓扑单元、第三拓扑单元和第四拓扑单元的各第二直流输入端M2相连；
所述电源升压电路的第二直流正电平PV2+与第一拓扑单元、第二拓扑单元、第三拓扑单元和第四拓扑单元的各第三直流输入端M3相连；
所述电源升压电路的第二直流负电平PV2-与第一拓扑单元、第二拓扑单元、第三拓扑单元和第四拓扑单元的各第四直流输入端M4相连；
所述电源升压电路的直流零电平PV0与第一拓扑单元、第二拓扑单元、第三拓扑单元和第四拓扑单元的各第五直流输入端M5相连；
第一拓扑单元的交流输出端AC与该逆变器的第一交流输出端相连，第二拓扑单元的交流输出端AC与该逆变器的第二交流输出端相连，第三拓扑单元的交流输出端AC与该逆变器的第三交流输出端相连，第四拓扑单元的交流输出端AC与该逆变器的第四交流输出端相连。
优选的，还包括滤波并网电路，所述滤波并网电路包括：第一电感、第二电感、第三电感、第一电容、第二电容和第三电容；
第二拓扑单元的交流输出端通过依次串联的第一电感、第一电容、第二电容和第二电感与第三拓扑单元的第一交流输出端相连；
第四拓扑单元的交流输出端通过依次串联的第三电感和第三电容与第一电容和第二电容的连接线相连；
第一拓扑单元的交流输出端与第一电容和第二电容的连接线相连；
第一电感和第一电容的连接线与该逆变器的第一交流输出端相连，第二电感和第二电容的连接线与该逆变器的第二交流输出端相连，第三电感和第三电容的连接线与该逆变器的第三交流输出端相连。
由上述可知，相对于现有技术中需要采用均压措施和较大的RC吸收电路防止部分二极管两端过压而导致逆变器体积庞大、成本增加、损耗较多以及效率较低的问题，本申请提供的五电平逆变拓扑单元在实现四相应用时在保证为电流提供通路的同时，保证整个逆变器的半导体器件较少，体积较小，成本较低，同时损耗较小，效率较高。需要说明的是，上述五电平逆变器实施例五为三相四线制（四桥臂）五电平逆变器。
需要说明的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。
最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上对本申请所提供的一种五电平逆变拓扑单元及五电平逆变器进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。
Claims (7)
1.一种五电平逆变拓扑单元，其特征在于，应用于五电平逆变器中，包括开关管T1、开关管T2、开关管T3、开关管T4、开关管TA1、开关管TB1、二极管DF1以及二极管DF2；
每个所述开关管均逆并联一个二极管；
该拓扑单元的第一直流输入端M1通过依次串联的二极管DF1、开关管T2、开关管T3和二极管DF2与该拓扑单元的第二直流输入端M2相连；
该拓扑单元的第三直流输入端M3通过开关管T1与二极管DF1和开关管T2的连接线相连；
开关管T3和二极管DF2的连接线通过开关管T4与该拓扑单元的第四直流输入端M4相连；
该拓扑单元的第五直流输入端M5通过逆串联的开关管TA1以及开关管TB1与开关管T2和开关管T3的连接线相连，且开关管T2和开关管T3的连接线作为该拓扑单元的交流输出端AC；
所述五电平逆变拓扑单元包括八个工作模态：
第一工作模态：开关管T1,T2，TA1导通，其余截止；
第二工作模态：开关管T2，TA1导通，其余截止；
第三工作模态：开关管TA1导通，其余截止；
第四工作模态：开关管T2,TA1导通，或T1,T2,TA1导通，其余截止；
第五工作模态：开关管T3，T4,TB1导通；
第六工作模态：开关管T3,TB1导通，其余截止；
第七工作模态：开关管TB1导通，其余截止；
第八工作模态：开关管T3,TB1导通，或T3,T4，TB1导通，其余截止；
所述五电平逆变器的电源升压电路包括：
直流电源PV、电容CA1、电容CB1、电容CA2、电容CB2、电感L1、电感L2、开关管TD1、开关管TD2、二极管DD1和二极管DD2，其中：直流电源PV的正端与电容CA1的第一端相连，电容CA1的第二端与电容CB1的第一端相连，电容CB1的第二端与直流电源PV的负端相连；电容CA1的第一端通过依次串联的电感L1、开关管TD1、开关管TD2以及电感L2与电容CB1的第二端相连；电感L1和开关管TD1的连接线通过依次串联的二极管DD1以及电容CA2与电容CA1的第一端相连；电容CB1的第二端通过依次串联的电容CB2以及二极管DD2与开关管TD2和电感L2的连接线相连；所述二极管DD1与电容CA2的连接线作为所述电源升压电路的第二直流正电平PV2+；所述电容CA1的第一端作为所述电源升压电路的第一直流正电平PV1+；电容CA1和电容CB1的连接线与开关管TD1和开关管TD2的连接线相连，且公共连接端作为所述电源升压电路的直流零电平PV0；所述电容CB1的第二端作为所述电源升压电路的第一直流负电平PV1-；所述二极管DD2与电容CB2的连接线作为所述电源升压电路的第二直流负电平PV2-；
或所述五电平逆变器的电源升压电路包括：
第一直流电源PVM、第二直流电源PVN、电容CA1、电容CB1、电容CA2、电容CB2、电感L1、电感L2、开关管TD1、开关管TD2、二极管DD1和二极管DD2，其中：第一直流电源PVM的正端与电容CA1的第一端相连，电容CA1的第二端分别与电容CB1的第一端以及第一直流电源PVM的负端相连，第一直流电源PVM的负端与第二直流电源PVN的正端相连，电容CB1的第二端与第二直流电源PVN的负端相连；电容CA1的第一端通过依次串联的电感L1、开关管TD1、开关管TD2以及电感L2与电容CB1的第二端相连；电感L1和开关管TD1的连接线通过依次串联的二极管DD1以及电容CA2与电容CA1的第一端相连；电容CB1的第二端通过依次串联的电容CB2以及二极管DD2与开关管TD2和电感L2的连接线相连；所述二极管DD1与电容CA2的连接线作为所述电源升压电路的第二直流正电平PV2+；所述电容CA1的第一端作为所述电源升压电路的第一直流正电平PV1+；第一直流电源PVM与第二直流电源PVN的连接线分别与电容CA1和电容CB1的连接线、开关管TD1和开关管TD2的连接线相连，且公共连接端作为所述电源升压电路的直流零电平PV0；所述电容CB1的第二端作为所述电源升压电路的第一直流负电平PV1-；所述二极管DD2与电容CB2的连接线作为所述电源升压电路的第二直流负电平PV2-。
2.一种五电平逆变器，其特征在于，包括电源升压电路、滤波并网电路以及至少一个如权1所述的逆变拓扑单元，其中：
所述电源升压电路的第一直流正电平PV1+与每个所述逆变拓扑单元的第一直流输入端M1相连，所述电源升压电路的第二直流正电平PV2+与每个所述逆变拓扑单元的第三直流输入端M3相连，所述电源升压电路的直流零电平PV0与每个所述逆变拓扑单元的第五直流输入端M5相连，所述电源升压电路的第一直流负电平PV1-与每个所述逆变拓扑单元的第二直流输入端M2相连，所述电源升压电路的第二直流负电平PV2-与每个所述逆变拓扑单元的第四直流输入端M4相连；
每个所述逆变拓扑单元的交流输出端AC分别与所述滤波并网电路的输入端相连；
其中所述电源升压电路包括：
直流电源PV、电容CA1、电容CB1、电容CA2、电容CB2、电感L1、电感L2、开关管TD1、开关管TD2、二极管DD1和二极管DD2，其中：直流电源PV的正端与电容CA1的第一端相连，电容CA1的第二端与电容CB1的第一端相连，电容CB1的第二端与直流电源PV的负端相连；电容CA1的第一端通过依次串联的电感L1、开关管TD1、开关管TD2以及电感L2与电容CB1的第二端相连；电感L1和开关管TD1的连接线通过依次串联的二极管DD1以及电容CA2与电容CA1的第一端相连；电容CB1的第二端通过依次串联的电容CB2以及二极管DD2与开关管TD2和电感L2的连接线相连；所述二极管DD1与电容CA2的连接线作为所述电源升压电路的第二直流正电平PV2+；所述电容CA1的第一端作为所述电源升压电路的第一直流正电平PV1+；电容CA1和电容CB1的连接线与开关管TD1和开关管TD2的连接线相连，且公共连接端作为所述电源升压电路的直流零电平PV0；所述电容CB1的第二端作为所述电源升压电路的第一直流负电平PV1-；所述二极管DD2与电容CB2的连接线作为所述电源升压电路的第二直流负电平PV2-；
或所述五电平逆变器的电源升压电路包括：
第一直流电源PVM、第二直流电源PVN、电容CA1、电容CB1、电容CA2、电容CB2、电感L1、电感L2、开关管TD1、开关管TD2、二极管DD1和二极管DD2，其中：第一直流电源PVM的正端与电容CA1的第一端相连，电容CA1的第二端分别与电容CB1的第一端以及第一直流电源PVM的负端相连，第一直流电源PVM的负端与第二直流电源PVN的正端相连，电容CB1的第二端与第二直流电源PVN的负端相连；电容CA1的第一端通过依次串联的电感L1、开关管TD1、开关管TD2以及电感L2与电容CB1的第二端相连；电感L1和开关管TD1的连接线通过依次串联的二极管DD1以及电容CA2与电容CA1的第一端相连；电容CB1的第二端通过依次串联的电容CB2以及二极管DD2与开关管TD2和电感L2的连接线相连；所述二极管DD1与电容CA2的连接线作为所述电源升压电路的第二直流正电平PV2+；所述电容CA1的第一端作为所述电源升压电路的第一直流正电平PV1+；第一直流电源PVM与第二直流电源PVN的连接线分别与电容CA1和电容CB1的连接线、开关管TD1和开关管TD2的连接线相连，且公共连接端作为所述电源升压电路的直流零电平PV0；所述电容CB1的第二端作为所述电源升压电路的第一直流负电平PV1-；所述二极管DD2与电容CB2的连接线作为所述电源升压电路的第二直流负电平PV2-；
所述五电平逆变器包括八个工作模态：
第一工作模态：开关管T1,T2，TA1导通，其余截止；
第二工作模态：开关管T2，TA1导通，其余截止；
第三工作模态：开关管TA1导通，其余截止；
第四工作模态：开关管T2,TA1导通，或T1,T2,TA1导通，其余截止；
第五工作模态：开关管T3，T4,TB1导通；
第六工作模态：开关管T3,TB1导通，其余截止；
第七工作模态：开关管TB1导通，其余截止；
第八工作模态：开关管T3,TB1导通，或T3,T4，TB1导通，其余截止。
3.根据权利要求2所述的五电平逆变器，其特征在于，所述逆变拓扑单元的个数为三个。
4.根据权利要求3所述的五电平逆变器，其特征在于，所述滤波并网电路包括：第一电感、第二电感、第三电感、第一电容、第二电容和第三电容；
第一拓扑单元的交流输出端通过依次串联的第一电感、第一电容、第二电容和第二电感与第二拓扑单元的交流输出端相连；
第三拓扑单元的交流输出端通过依次串联的第三电感和第三电容与第一电容和第二电容的连接线相连；
第一电感和第一电容的连接线与该逆变器的第一交流输出端相连，第二电感和第二电容的连接线与该逆变器的第二交流输出端相连，第三电感和第三电容的连接线与该逆变器的第三交流输出端相连。
5.根据权利要求3所述的五电平逆变器，其特征在于，所述滤波并网电路包括：第一电感、第二电感、第三电感、第一电容、第二电容和第三电容；
第一拓扑单元的交流输出端通过依次串联的第一电感、第一电容、第二电容和第二电感与第二拓扑单元的交流输出端相连；
第三拓扑单元的交流输出端通过依次串联的第三电感和第三电容与第一电容和第二电容的连接线相连；
第一电感和第一电容的连接线与该逆变器的第一交流输出端相连，第二电感和第二电容的连接线与该逆变器的第二交流输出端相连，第三电感和第三电容的连接线与该逆变器的第三交流输出端相连；
第一电容、第二电容和第三电容的连接线与所述电源升压电路的直流零电平PV0相连。
6.根据权利要求2所述的五电平逆变器，其特征在于，所述逆变拓扑单元的个数为四个。
7.根据权利要求6所述的五电平逆变器，其特征在于，所述滤波并网电路包括：第一电感、第二电感、第三电感、第一电容、第二电容和第三电容；
第二拓扑单元的交流输出端通过依次串联的第一电感、第一电容、第二电容和第二电感与第三拓扑单元的第一交流输出端相连；
第四拓扑单元的交流输出端通过依次串联的第三电感和第三电容与第一电容和第二电容的连接线相连；
第一拓扑单元的交流输出端与第一电容和第二电容的连接线相连；
第一电感和第一电容的连接线与该逆变器的第一交流输出端相连，第二电感和第二电容的连接线与该逆变器的第二交流输出端相连，第三电感和第三电容的连接线与该逆变器的第三交流输出端相连。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant |