專利名稱：多電平逆變拓撲單元及多電平逆變器的制作方法
技術領域：
本申請涉及電力電子技術領域，特別是涉及一種多電平逆變拓撲單元及多電平逆變器。
背景技術：
多電平逆變器在中壓大容量場合得到廣泛應用，現(xiàn)有的多電平逆變器主要有基于 I字型多電平逆變拓撲單元和基于T字型的多電平逆變拓撲單元兩類，下面將分別介紹上述的兩類逆變拓撲單元。請參見圖la，示出了二極管箝位型的I字型多電平逆變拓撲單元的結構示意圖， 該多電平逆變拓撲單元能夠實現(xiàn)N電平逆變，主要包括2 (N-I)個串聯(lián)連接的開關管Tl、 T2. . . T (2 (N-I))，且每個開關管兩端反相并聯(lián)有一個二極管，共2 (N-I)個二極管，還包括并聯(lián)在所述多個串聯(lián)的開關管支路上的箝位二極管，所述箝位二極管用于為各個開關管進行電壓箝位，例如，第一箝位二極管Dl用于將第一開關管Tl的第二端的電壓箝位于第一電容Cl第二端的電壓上，第二箝位二極管D2用于將開關管Tn的第二端的電壓箝位于第一電容Cl第二端的電壓上，其他箝位二極管的作用以此類推，此處不再贅述。請參見圖lb，示出了飛跨電容型的I字型多電平逆變拓撲單元的結構示意圖，該多電平逆變拓撲單元中的電容C可以起到均壓的作用，但是，需要的電容的數(shù)目較多。上述的兩種I字型多電平逆變拓撲單元，所使用的箝位二極管或者飛跨電容的數(shù)量較多，導致系統(tǒng)的體積龐大、成本增加。請參見圖lc，示出了 T字型多電平逆變拓撲單元的結構示意圖，該多電平拓撲單元能夠實現(xiàn)N電平逆變，主要包括2 (N-I)個開關管，其中兩個開關管串聯(lián)后并聯(lián)于直流電源Vdc的兩端，剩余的2(N-2)個開關管兩兩串聯(lián)構成一組，共構成N-2組開關管串聯(lián)支路，此N-2組開關管串聯(lián)支路均并聯(lián)連接在交流輸出端AC和對應的電容之間。此種多電平拓撲單元無需采用箝位二極管和飛跨電容，故拓撲單元中的器件數(shù)量大大減少，但是，連接直流電源的兩個開關管需要承受直流電源Vdc的電壓，然而單個開關管的電壓承受能力較低，因此，此種T字型多電平逆變拓撲單元不適合應用于高壓場合，限制了應用范圍。

發(fā)明內(nèi)容
為解決上述技術問題，本申請實施例提供一種多電平逆變拓撲單元及多電平逆變器，以解決現(xiàn)有的多電平逆變拓撲單元中的箝位二極管或飛跨電容的數(shù)量，同時提高多電平逆變拓撲單元中直流電源的電壓等級，擴大應用范圍，技術方案如下一種多電平逆變拓撲單元，能夠實現(xiàn)2n電平逆變，包括2η個直流輸入端、一個交流輸出端、2(2η-1)個開關管，η為大于I的正整數(shù)，其中，所述2(2η-1)個開關管兩端均反向并聯(lián)有一個二極管；第一直流輸入端和第2η個直流輸入端分別連接直流電源的兩端，且每兩個相鄰的直流輸入端之間連接有一個電容；
2n個開關管的第一端和第二端依次串聯(lián)在所述第一直流電平輸入端和第2n個直流輸入端之間，構成開關管串聯(lián)支路，且第一開關管的第一端與所述第一直流輸入端相連， 第2n個開關管的第二端與所述第2n個直流輸入端相連，第η個開關管和第η+1個開關管的公共端為該多電平逆變拓撲單元的交流輸出端； 第二直流輸入端至第η個直流輸入端此η-l個直流輸入端中，每個直流輸入端與所述開關管串聯(lián)支路中對應開關管的第一端之間均連接有一個開關管，且該開關管的第一端連接所述開關管串聯(lián)支路中對應開關管的第一端，該開關管的第二端連接對應的所述直流輸入端；第η+1個直流輸入端至第2η_1個直流輸入端此η_1個直流輸入端中，每個直流輸入端與所述開關管串聯(lián)支路中對應開關管的第二端之間均連接有一個開關管，且該開關管的第一端連接對應的所述直流輸入端，第二端連接所述開關管串聯(lián)支路中對應開關管的第
~· -5.JJU
-~- O一種多電平逆變拓撲單元，能夠實現(xiàn)(2n+l)電平逆變，其中，η為正整數(shù)，主要包括2η+1個直流輸入端、一個交流輸出端、4η個開關管，且所述4η個開關管均反向并聯(lián)有一個二極管，其中第一直流輸入端和第2η+1個直流輸入端分別連接直流電源的兩端，每兩個相鄰的直流輸入端之間均連接有一個電容，且第η+1個直流輸入端為零電位端；2η個開關管的第一端和第二端依次串聯(lián)在所述第一直流輸入端和第2η+1個直流輸入端之間構成開關管串聯(lián)支路，且第一開關管的第一端與所述第一直流輸入端相連，第 2η個開關管的第二端與所述第2η個直流輸入端相連，第η個開關管和第η+1個開關管的公共端為該多電平逆變拓撲單元的交流輸出端；第二直流輸入端至第η個直流輸入端此η-l個直流輸入端中，每個直流輸入端與所述開關管串聯(lián)支路中對應開關管的第一端之間均連接有一個開關管，且該開關管的第一端連接所述開關管串聯(lián)支路中對應開關管的第一端，該開關管的第二端連接所述直流輸入端;第η+2個直流輸入端至第2η個直流輸入端此η_1個直流輸入端中，每個直流輸入端與所述開關管串聯(lián)支路中對應開關管的第一端之間均連接有一個開關管，且該開關管的第一端連接所述開關管串聯(lián)支路中對應開關管的第一端，第二端連接所述直流輸入端；第η+1個直流輸入端與所述交流輸出端之間依次串聯(lián)有兩個開關管，且兩個開關管的第二端相連，兩個開關管的第一端分別連接所述第η+1個直流輸入端、所述開關管串聯(lián)支路中第η+1個開關管的第一端相連。一種多電平逆變器，包括兩個所述的多電平逆變拓撲單元，分別為第一多電平逆變拓撲單元、第二多電平逆變拓撲單元，其中所述第一多電平逆變拓撲單元的直流輸入端與所述第二多電平逆變拓撲單元的直流輸入端并聯(lián)，且所述第一多電平逆變拓撲單元的第一直流輸入端連接直流電源的正端，第2η個直流輸入端連接直流電源的負端；所述第一多電平逆變拓撲單元和所述第二多電平逆變拓撲單元的交流輸出端作為該多電平逆變器的兩個交流輸出端。一種多電平逆變器，包括三個所述的多電平拓撲單元，分別為第一多電平逆變拓撲單元、第二多電平逆變拓撲單元和第三多電平逆變拓撲單元，其中所述第一多電平逆變拓撲單元的直流輸入端、所述第二多電平逆變拓撲單元的直流輸入端及所述第三多電平逆變拓撲單元的直流輸入端一一并聯(lián)，所述第一多電平逆變拓撲單元的第一直流輸入端連接所述直流電源的正端，第2n個直流輸入端連接所述直流電源的負端；所述第一多電平逆變拓撲單元的交流輸出端、所述第二多電平逆變拓撲單元的交流輸出端及所述第三多電平逆變拓撲單元的交流輸出端分別作為該多電平逆變器的三個交流輸出端。一種多電平逆變器，包括四個所述的多電平逆變拓撲單元，分別為第一多電平逆變拓撲單元、第二多電平逆變拓撲單元、第三多電平逆變拓撲單元和第四多電平逆變拓撲單元，其中所述第一多電平逆變拓撲單元的直流輸入端、所述第二多電平逆變拓撲單元的直流輸入端、第三多電平逆變拓撲單元的直流輸入端及第四多電平逆變拓撲單元的直流輸入端一一并聯(lián)，所述第一多電平逆變拓撲單元的第一直流輸入端連接所述直流電源的正端， 第2n個直流輸入端連接所述直流電源的負端；所述第一多電平逆變拓撲單元的交流輸出端、所述第二多電平逆變拓撲單元的交流輸出端、所述第三多電平逆變拓撲單元的交流輸出端及所述第四多電平逆變拓撲單元的交流輸出端分別作為該多電平逆變器的四個交流輸出端。一種多電平逆變器，包括兩個所述的多電平逆變拓撲單元，分別為第一多電平逆變拓撲單元和第二多電平逆變拓撲單元，其中所述第一多電平逆變拓撲單元的直流輸入端與所述第二多電平逆變拓撲單元的直流輸入端并聯(lián)，所述第一多電平逆變拓撲單元的第一直流輸入端連接所述直流電源的正端，第2n+l個直流輸入端連接所述直流電源的負端；所述第一多電平逆變拓撲單元的交流輸出端和所述第二多電平逆變拓撲單元的交流輸出端分別作為該多電平逆變器的兩個交流輸出端。 一種多電平逆變器，包括三個所述的多電平逆變拓撲單元，分別為第一多電平逆變拓撲單元、第二多電平逆變拓撲單元、第三多電平逆變拓撲單元，其中所述第一多電平逆變拓撲單元的直流輸入端、所述第二多電平逆變拓撲單元的直流輸入端及第三多電平逆變拓撲單元的直流輸入端并聯(lián)，所述第一多電平逆變拓撲單元的第一直流輸入端連接所述直流電源的正端，第2n+l個直流輸入端連接所述直流電源的負端;所述第一多電平逆變拓撲單元的交流輸出端、所述第二多電平逆變拓撲單元的交流輸出端及所述第三多電平逆變拓撲單元的交流輸出端分別作為該多電平逆變器的三個交流輸出端。一種多電平逆變器，包括四個所述的多電平逆變拓撲單元，分別為第一多電平逆變拓撲單元、第二多電平逆變拓撲單元、第三多電平逆變拓撲單元和第四多電平逆變拓撲單元，其中所述第一多電平逆變拓撲單元的直流輸入端、所述第二多電平逆變拓撲單元的直流輸入端、第三多電平逆變拓撲單元的直流輸入端及第四多電平逆變拓撲單元的直流輸入端并聯(lián)，所述第一多電平逆變拓撲單元的第一直流輸入端連接所述直流電源的正端，第 2n+l個直流輸入端連接所述直流電源的負端；所述第一多電平逆變拓撲單元的交流輸出端、所述第二多電平逆變拓撲單元的交流輸出端、所述第三多電平逆變拓撲單元的交流輸出端及所述第四多電平逆變拓撲單元的交流輸出端分別作為該多電平逆變器的四個交流輸出端。由以上本申請實施例提供的技術方案可見，所述多電平逆變拓撲單元及多電平逆變器，能夠實現(xiàn)N電平逆變，包括2 (N-I)個開關管，及反向并聯(lián)在每個開關管兩端的二極管，無需現(xiàn)有技術中的箝位二極管和飛跨電容，本發(fā)明提供的多電平逆變拓撲單元利用所述2 (N-I)個開關管及自身反向并聯(lián)的二極管即可為電流提供通路，并保證連接在直流輸入端的電容不被短路，從而保證了多電平逆變拓撲單元中的半導體器件的數(shù)量較少，體積較小、成本低、損耗較小，效率高，而且，所述多電平逆變拓撲單元，在直流電源兩端串聯(lián)有多個開關管，從而降低了單個開關管需要承受的電壓，進而提高了直流電源的電壓等級。


為了更清楚地說明本申請實施例或現(xiàn)有技術中的技術方案，下面將對實施例或現(xiàn)有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本申請中記載的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下， 還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。圖Ia為現(xiàn)有技術一種多電平逆變拓撲單元的結構示意圖；圖Ib為現(xiàn)有技術另一種多電平逆變拓撲單元的結構示意圖；圖Ic為現(xiàn)有技術另一種多電平逆變拓撲單元的結構示意圖；圖2為本申請實施例一種多電平逆變拓撲單元的結構示意圖；圖3為圖2所示的多電平逆變拓撲單元的等效圖；圖4為本申請實施例一種單相全橋多電平逆變器的電路結構示意圖；圖5為本申請實施例一種三相三線制多電平逆變器的結構示意圖；圖6為本申請實施例一種三相四線制多電平逆變器的結構示意圖；圖7為本申請實施例另一種多電平逆變拓撲單元的電路結構示意圖；圖8為本申請實施例一種七電平逆變拓撲單元的電路結構示意9為本申請實施例圖7所示的多電平逆變拓撲單元的等效圖；圖10為本申請實施例另一種單相全橋多電平逆變器的電路結構示意圖；圖11為本申請實施例另一種三相三線制多電平逆變器的結構示意圖；圖12為本申請實施例另一種三相四線制多電平逆變器的結構示意圖。
具體實施例方式為了使本技術領域的人員更好地理解本申請中的技術方案，下面將結合本申請實施例中的附圖，對本申請實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本申請一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒旧暾堉械膶嵤├绢I域普通技術人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都應當屬于本申請保護的范圍。
請參見圖2,示出了本申請實施例一種多電平逆變拓撲單元的結構示意圖。該多電平逆變拓撲單元實現(xiàn)2n個電平逆變，主要包括2η個直流輸入端、一個交流輸出端AC、2(2n-l)個開關管，以及反向并聯(lián)在所述2 (2n-l)個開關管兩端的二極管，其中，η為大于I的正整數(shù)。其中，2(2η_1)個開關管中的2η個開關管依次串聯(lián)在所述第一直流電平輸入端和第2η個直流輸入端之間，且第η個開關管和第η+1個開關管的公共端為該多電平逆變拓撲單元的交流輸出端；第一直流輸入端連接直流電源Vdc的正端，第2η個直流輸入端連接直流電源Vdc 的負端，且所述2η個直流輸入端中的相鄰的兩個直流輸入端之間均連接有一個電容，例如，第一電容Cl連接在第一直流輸入端和第二直流輸入端之間，依次類推,在第一直流輸入端至第2η個直流輸入端之間依次串聯(lián)有2η-1個電容。第二直流輸入端至第η個直流輸入端，每個直流輸入端與所述2η個串聯(lián)的開關管中對應的開關管的第一端之間均連接有一個開關管，第η+1個直流輸入端至第2η-1個直流輸入端，每個直流輸入端與所述2η個串聯(lián)的開關管中對應的開關管的第二端之間均連接有一個開關管。直流電源Vdc的正端輸出電壓為*，負端輸出電壓為，則所述2η個電平
η-I) V (η-2)V3V 2V V V
到大依次為nV --、 2n(3V4V5VnV2n、2n、 -、 2n · ·、2n
2n2n2n 2n 2n 2n
￥、￥、f、..... #，所述2n個直流輸入端由下至上分別對應上述的2n個
2n 2n 2n 2n2n
電平，位于最上方的第一直流輸入端與直流電源Vdc的正端相連，輸入的電平為τ，第二直
2n
流輸入端輸入的電平為依次類推，位于最下方的第2n個直流輸入端與直流電源
2n
Vdc的負端相連，輸入的電平為
2n所述多電平逆變拓撲單元及多電平逆變器，能夠實現(xiàn)2n電平逆變，包括2(2n_l) 個開關管，及反向并聯(lián)在每個開關管兩端的二極管，無需現(xiàn)有技術中的箝位二極管和飛跨電容，本發(fā)明提供的多電平逆變拓撲單元利用所述2(2n-l)個開關管及自身反向并聯(lián)的二極管即可為電流提供通路，并保證連接在直流輸入端的電容不被短路，從而使得多電平逆變拓撲單元中的半導體器件的數(shù)量較少，體積較小、成本低、損耗較小，效率高，而且，所述多電平逆變拓撲單元，在直流電源兩端串聯(lián)有多個開關管，降低了單個開關管需要承受的電壓，從而提高了直流電源的電壓等級。優(yōu)選的，上述所有的開關管可以是IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor, 絕緣柵雙極型晶體管)、MOSFET管、IGCT管或IEGT管，當所述開關管為IGBT管時，所述開關管的第一端為集電極、第二端為發(fā)射極。優(yōu)選的，本實施例提供的多電平逆變拓撲單元中開關管由開關管控制單元(圖中未示出)控制開關管導通或關斷，交流輸出端輸出為該多電平逆變拓撲單元中處于導通狀態(tài)的開關管形成的回路連接的直流輸入端的輸入電平，因此，使多電平逆變拓撲單元交流輸出端AC輸出的2n個電平的順序按照正弦波的變化趨勢排列，由此得到該多電平逆變拓撲單元中的開關管的導通順序。需要說明的是，所述反向并聯(lián)在開關管兩端的二極管可以是獨立的二極管，也可以是與所述開關管封裝集成在一起的二極管。需要說明的是，利用圖2所示的多電平逆變拓撲單元構成2n電平逆變器時，至少需要2個圖2所示的多電平逆變拓撲單元并聯(lián)在一起，圖3為圖2所示的多電平逆變拓撲單元的等效圖。請參見圖4，示出了一種單相全橋多電平逆變器的電路結構示意圖。單相全橋多電平逆變器主要包括兩個圖2所示的多電平逆變拓撲單元，兩個多電平逆變拓撲單元的2n個直流輸入端一一連接，其中，DC+端作為多電平逆變拓撲單元的第一直流輸入端連接直流電源的正端，DC-端作為多電平逆變拓撲單元的第2n個直流輸入端連接直流電源的負端。兩個多電平逆變拓撲單元的交流輸出端作為該單相全橋多電平逆變器的兩個交流輸出端連接濾波電路，交流輸出端輸出的信號經(jīng)過濾波電路進行濾波后得到正弦波信號。請參見圖5，示出了一種三相三線制多電平逆變器的結構示意圖。該三相三線制多電平逆變器包括三個圖2所示的多電平逆變拓撲單元，此三個多電平逆變拓撲單元的直流輸入端分別并聯(lián)，DC+端作為多電平逆變拓撲單元的第一直流輸入端連接直流電源的正端，DC-端作為多電平逆變拓撲單元的第2n個直流輸入端連接直流電源的負端。三個多電平逆變拓撲單元的三個交流輸出端作為該三相三線制多電平逆變器的三個交流輸出端連接濾波電路，交流輸出端輸出的信號經(jīng)過濾波電路進行濾波后得到正弦波信號。請參見圖6，示出了一種三相四線制多電平逆變器的結構示意圖。該三相四線制多電平逆變器包括四個圖2所示的多電平逆變拓撲單元，此四個多電平逆變拓撲單元的直流輸入端分別并聯(lián)，DC+端作為多電平逆變拓撲單元的第一直流輸入端連接直流電源的正端，DC-端作為多電平逆變拓撲單元的第2n個直流輸入端連接直流電源的負端。四個交流輸出端作為該三相四線制多電平逆變器的四個交流輸出端連接濾波電路，交流輸出端端輸出的信號經(jīng)過濾波電路進行濾波后得到正弦波信號。需要說明的是，所述濾波電路可以是L濾波電路，此時，濾波電路中僅有電感，也可以是LC濾波電路，此種濾波電路中既有電感也有電容，還可以是LCL濾波電路，此種濾波電路中的濾波元件依次為電感、電容、電感，本申請并不限定濾波電路的具體結構，凡是能夠起到濾波作用的電路均是本發(fā)明公開和保護的范圍。上述多電平逆變拓撲單元能夠實現(xiàn)偶數(shù)個電平逆變的逆變器，下面將詳細介紹奇數(shù)個電平的多電平逆變拓撲單元的電路結構及工作過程。請參見圖7，示出了另一種多電平逆變拓撲單元的電路結構示意圖。該多電平逆變拓撲單元能夠實現(xiàn)2n+l個電平逆變，主要包括2n+l個直流輸入端、一個交流輸出端AC、4n個開關管，且所述4n個開關管均反向并聯(lián)有二極管，其中，η為正整數(shù)。
第一直流輸入端連接直流電源Vdc的正端，第2n+l個直流輸入端連接直流電源 Vdc的負端，第η+1個直流輸入端為零電位端，且每兩個相鄰的直流輸入端之間均連接有一個電容。2η個開關管依次串聯(lián)在所述第一直流輸入端和第2η+1個直流輸入端之間，且第η 個開關管和第η+1個開關管的公共端為該多電平逆變拓撲單元的交流輸出端AC ；第二直流輸入端至第η個直流輸入端此η-l個直流輸入端中，每個直流輸入端與開關管串聯(lián)支路中對應開關管的第一端之間均連接有一個開關管，該開關管的第一端連接所述開關管串聯(lián)支路中對應開關管的第一端，該開關管的第二端連接所述直流輸入端；第η+2個直流輸入端至第2η直流輸入端此η_1個直流輸入端中，每個直流輸入端與所述開關管串聯(lián)支路中對應開關管的第一端之間均連接有一個開關管，且該開關管的第一端連接所述開關管串聯(lián)支路中對應開關管的第一端，第二端連接所述直流輸入端；第η+1個直流輸入端與所述交流輸出端之間依次串聯(lián)有兩個開關管，且兩個開關管的第二端相連，兩個開關管的第一端分別連接所述第η+1個直流輸入端、所述開關管串聯(lián)支路中第η+1個開關管的第一端相連。所述直流電源Vdc的正端輸出電壓為*，負端輸出電壓為，則所述2η+1個電平
丄— ,+ 4、， V (n-1)V(η-2) V 3V 2V V
由低至1J聞依 Χ為廠7、—--、----、…、~~'
2 2η2η 2η 2η 2η
πV V 3V V
U、 -、 -、 -、 ... - O
2η η 2η2所述2η+1個直流輸入端由下至上分別對應上述2η+1個電平，其中，位于最上方的
第一直流輸入端與直流電源Vdc的正端相連,輸入的電平為j，第二直流輸入端輸入的電平
為，依此類推，位于最下方的第2η+1個直流輸入端與直流電源Vdc的負端相連，輸入 2η
的電平為-|。優(yōu)選的，上述所有的開關管可以是IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor, 絕緣柵雙極型晶體管)、MOSFET管、IGET管或IEGT管，當所述開關管為IGBT管時，所述開關管的第一端為集電極、第二端為發(fā)射極。優(yōu)選的，本實施例提供的多電平逆變拓撲單元中開關管由開關管控制單元(圖中未示出)控制開關管導通或關斷，交流輸出端輸出為該多電平逆變拓撲單元中處于導通狀態(tài)的開關管形成的回路連接的直流輸入端的輸入電平，因此，使多電平逆變拓撲單元交流輸出端AC輸出的2n+l個電平的順序按照正弦波的變化趨勢排列，由此得到該多電平逆變拓撲單元中的開關管的導通順序。需要說明的是，所述反向并聯(lián)在開關管兩端的二極管可以是獨立的二極管，也可以是與所述開關管封裝集成在一起的二極管。下面以七電平逆變拓撲單元為例，對上述實現(xiàn)2n+l電平逆變拓撲單元進行詳細說明。請參見圖8,示出了七電平逆變拓撲單元的電路結構示意圖。
所述七電平逆變拓撲單元包括12個開關管、7個直流輸入端、一個交流輸出端 AC。所述12 個開關管分別為 T1、T2、T3、T4、T5、T6、T7、T8、T9、T10、T11、T12，每個開
關管兩端均反向并聯(lián)有一個二極管。所述的7個直流輸入端分別為第一直流輸入端、第二直流輸入端、第三直流輸入端、第四直流輸入端、第五直流輸入端、第六直流輸入端和第七直流輸入端，其中，第一直流輸入端連接直流電源Vdc的正端，第七直流輸入端連接直流電源Vdc的負端，第四直流輸入端為零電位端；每相鄰的兩個直流輸入端之間均連接一個電容，七個直流輸入端間共連接有六個電容，分別為Tl Τ6此六個開關管依次串聯(lián)在所述第一直流輸入端與第七直流輸入端之間。第二直流輸入端通過Τ7連接至Τ2的第一端，第三直流輸入端通過Τ8連接至Τ3 的第一端，第四直流輸入端通過串聯(lián)連接的T9和TlO連接至Τ4的第一端，第五直流輸入端通過Tll連接至Τ5的第一端，第六直流輸入端通過Τ12連接至Τ6的第一端。其中，所述T9 的第一端連接第四直流輸入端，T9的第二端連接TlO的第二端，TlO的第一端連接Τ4的第一端。直流電源Vdc的正端輸出電壓為*，負端輸出電壓為，則上述第一直流輸入端
至第七直流輸入端輸入的電平依次為、V/2,V/3,V/6,0,-V/6,-V/3,-V/2下面結合圖8所示的七電平逆變拓撲單元詳細介紹輸出七個電平對應的導通回路。當該七電平逆變拓撲單元的交流輸出端輸出的電平為*時，Τ1、Τ2、Τ3導通。具體的，當圖8中的a點流出電流時，電流的路徑為 T1-T2-T3-L1-Vg-L2-C3-C2-C1-T1 ;當a點流入電流時，電流的路徑為 D3-D2-D1-C1-C2-C3-L2-Vg-L1-D3。當該七電平逆變拓撲單元的交流輸出端輸出的電平為*時，T2、T3、T7導通。具體的，當a點流出電流時，電流的路徑為T2-T3-L1-VG-L2-C3-C2-D7-T2 ;當a 點流入電流時，電流的路徑為D3-D2-T7-C2-C3-L2-VG-L1-D3。當該七電平逆變拓撲單元的交流輸出端輸出的電平為￥時，T3和T8導通。
6具體的，當a點流出電流時，電流的路徑為T3-L1-VG-L2-C3-D8_T3 ;當a點流入電流時，電流的路徑為D3-T8-C3-L2-VG-L1-D3。當該七電平逆變拓撲單元的交流輸出端輸出的電平為O時，T9和TlO導通。具體的，當a點流出電流時，電流的路徑為T9-D10-L1-VG-L2_T9 ;當a點流入電流時，電流的路徑為T10-D9-L2-VG-L1-T10。當該七電平逆變拓撲單元的交流輸出端輸出的電平為時，Til、T4導通。
6具體的，當a點流出電流時，電流的路徑為T11-D4-L1-VG-L2-C4-T11 ;當a點流入電流時，電流的路徑為T4-D11-C4-L2-VG-L1-T4。
12
當該七電平逆變拓撲單元的交流輸出端輸出的電平為時，T4、T5、T12導通。具體的，當a點流出電流時，電流的路徑為=TU-DS-DfLl-Ve-I^-CfCS-TU ;當a 點流入電流時，電流的路徑為T4-T5-D12-C5-C4-L2-Ve-Ll-T4。當該七電平逆變拓撲單元的交流輸出端輸出的電平為-I時，T4、T5、T6導通。具體的，當a點流出電流時，電流的路徑為D6-D5-D4-Ll-Ve-L2-C4-C5-C6-D6 ;當 a點流入電流時，電流的路徑為T4-T5-T6-C6-C5-C4-L2-Ve-Ll-T4。優(yōu)選的，本實施例提供的七電平逆變拓撲單元中開關管由開關管控制單元(圖中未示出)控制開關管導通或關斷，其中，該開關管控制單元根據(jù)正弦波的變化趨勢使七電平逆變拓撲單元的交流輸出端輸出相對應的電平，從而得到開關管的導通時序。本實施例提供的七電平逆變器，包括12個開關管，及反向并聯(lián)在每個開關管兩端的二極管，無需現(xiàn)有技術中的箝位二極管和飛跨電容，利用所述12個開關管及自身反向并聯(lián)的二極管即可為電流提供通路，并保證連接在直流輸入端的電容不被短路，從而保證了多電平逆變拓撲單元中的半導體器件的數(shù)量較少，體積較小、陳本低、損耗較小，效率高，而且，所述七電平逆變拓撲單元，在直流電源兩端串聯(lián)有多個開關管，從而降低了單個開關管需要承受的電壓，進而提高了直流電源的電壓等級。圖9為圖7所示的多電平逆變拓撲單元的等效圖。請參見圖10，示出了本申請實施例另一種單相全橋多電平逆變器的拓撲圖。該單相全橋多電平逆變器主要包括兩個圖9所示的多電平逆變拓撲單元，兩個多電平逆變拓撲單元的2n+l個直流輸入端一一連接，其中，DC+端作為多電平逆變拓撲單元的第一直流輸入端連接直流電源的正端，DC-端作為多電平逆變拓撲單元的第2n+l個直流輸入端連接直流電源的負端。兩個多電平逆變拓撲單元的交流輸出端作為該單相全橋多電平逆變器的兩個交流輸出端連接濾波電路，交流輸出端輸出的信號經(jīng)過濾波電路進行濾波后得到正弦波信號。請參見圖11，示出了另一種三相三線制多電平逆變器的結構示意圖。該三相三線制多電平逆變器包括三個圖9所示的多電平逆變拓撲單元，此三個多電平逆變拓撲單元的直流輸入端分別并聯(lián)，DC+端作為多電平逆變拓撲單元的第一直流輸入端連接直流電源的正端，DC-端作為多電平逆變拓撲單元的第2n+l個直流輸入端連接直流電源的負端。三個多電平逆變拓撲單元的三個交流輸出端作為該三相三線制多電平逆變器的三個交流輸出端連接濾波電路，交流輸出端輸出的信號經(jīng)過濾波電路進行濾波后得到正弦波信號。請參見圖12，示出了另一種三相四線制多電平逆變器的結構示意圖。該三相四線制多電平逆變器包括四個圖9所示的多電平逆變拓撲單元，此四個多電平逆變拓撲單元的直流輸入端分別并聯(lián)，DC+端作為多電平逆變拓撲單元的第一直流輸入端連接直流電源的正端，DC-端作為多電平逆變拓撲單元的第2n個直流輸入端連接直流電源的負端。四個交流輸出端作為該三相四線制多電平逆變器的四個交流輸出端連接濾波電路，交流輸出端端輸出的信號經(jīng)過濾波電路進行濾波后得到正弦波信號。
需要說明的是，本發(fā)明實施例提供的多電平逆變拓撲單元使用的半導體器件較少，功耗較低，因此效率較高，而且，所述多電平逆變拓撲單元，在直流電源兩端串聯(lián)有多個開關管，降低了單個開關管需要承受的電壓，從而提高了直流電源的電壓等級。可以理解的是，由該多電平逆變拓撲單元組成的單相全橋、三相三線制以及三相四線制多電平逆變器同樣具有該優(yōu)點。需要說明的是，以上實施例中均是以直流電源被逆變器逆變?yōu)榻涣麟娨院蟛⒕W(wǎng)運行的過程，圖中Ve代表電網(wǎng)?？梢岳斫獾氖?，該逆變器也可以應用于離網(wǎng)運行的過程，圖中 Vg的部分用負載代替便是離網(wǎng)運行的情況。需要說明的是，在本文中，諸如第一和第二等之類的關系術語僅僅用來將一個實體或者操作與另一個實體或操作區(qū)分開來，而不一定要求或者暗示這些實體或操作之間存在任何這種實際的關系或者順序。而且，術語“包括”、“包含”或者其任何其他變體意在涵蓋非排他性的包含，從而使得包括一系列要素的過程、方法、物品或者設備不僅包括那些要素，而且還包括沒有明確列出的其他要素，或者是還包括為這種過程、方法、物品或者設備
所固有的要素。在沒有更多限制的情況下，由語句“包括一個......”限定的要素，并不排
除在包括所述要素的過程、方法、物品或者設備中還存在另外的相同要素。以上所述僅是本申請的具體實施方式
，應當指出，對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本申請原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本申請的保護范圍。
權利要求
1.一種多電平逆變拓撲單元，其特征在于，能夠實現(xiàn)2n電平逆變，包括2η個直流輸入端、一個交流輸出端、2(2η-1)個開關管，η為大于I的正整數(shù)，其中，所述2 (2η-1)個開關管兩端均反向并聯(lián)有一個二極管；第一直流輸入端和第2η個直流輸入端分別連接直流電源的兩端，且每兩個相鄰的直流輸入端之間連接有一個電容；2η個開關管的第一端和第二端依次串聯(lián)在所述第一直流電平輸入端和第2η個直流輸入端之間，構成開關管串聯(lián)支路，且第一開關管的第一端與所述第一直流輸入端相連，第2η 個開關管的第二端與所述第2η個直流輸入端相連，第η個開關管和第η+1個開關管的公共端為該多電平逆變拓撲單元的交流輸出端；第二直流輸入端至第η個直流輸入端此η-I個直流輸入端中，每個直流輸入端與所述開關管串聯(lián)支路中對應開關管的第一端之間均連接有一個開關管，且該開關管的第一端連接所述開關管串聯(lián)支路中對應開關管的第一端，該開關管的第二端連接對應的所述直流輸入端;第η+1個直流輸入端至第2η-1個直流輸入端此η_1個直流輸入端中，每個直流輸入端與所述開關管串聯(lián)支路中對應開關管的第二端之間均連接有一個開關管，且該開關管的第一端連接對應的所述直流輸入端，第二端連接所述開關管串聯(lián)支路中對應開關管的第二端。
2.一種多電平逆變拓撲單元，其特征在于，能夠實現(xiàn)(2n+l)電平逆變，其中，η為正整數(shù)，主要包括2η+1個直流輸入端、一個交流輸出端、4η個開關管，且所述4η個開關管均反向并聯(lián)有一個二極管，其中第一直流輸入端和第2η+1個直流輸入端分別連接直流電源的兩端，每兩個相鄰的直流輸入端之間均連接有一個電容，且第η+1個直流輸入端為零電位端；2η個開關管的第一端和第二端依次串聯(lián)在所述第一直流輸入端和第2η+1個直流輸入端之間構成開關管串聯(lián)支路，且第一開關管的第一端與所述第一直流輸入端相連，第2η個開關管的第二端與所述第2η個直流輸入端相連，第η個開關管和第η+1個開關管的公共端為該多電平逆變拓撲單元的交流輸出端；第二直流輸入端至第η個直流輸入端此η-I個直流輸入端中，每個直流輸入端與所述開關管串聯(lián)支路中對應開關管的第一端之間均連接有一個開關管，且該開關管的第一端連接所述開關管串聯(lián)支路中對應開關管的第一端，該開關管的第二端連接所述直流輸入端； 第η+2個直流輸入端至第2η個直流輸入端此η_1個直流輸入端中，每個直流輸入端與所述開關管串聯(lián)支路中對應開關管的第一端之間均連接有一個開關管，且該開關管的第一端連接所述開關管串聯(lián)支路中對應開關管的第一端，第二端連接所述直流輸入端；第η+1個直流輸入端與所述交流輸出端之間依次串聯(lián)有兩個開關管，且兩個開關管的第二端相連，兩個開關管的第一端分別連接所述第η+1個直流輸入端、所述開關管串聯(lián)支路中第η+1個開關管的第一端相連。
3.一種多電平逆變器，其特征在于，包括兩個權利要求I所述的多電平逆變拓撲單元，分別為第一多電平逆變拓撲單元、第二多電平逆變拓撲單元，其中所述第一多電平逆變拓撲單元的直流輸入端與所述第二多電平逆變拓撲單元的直流輸入端并聯(lián)，且所述第一多電平逆變拓撲單元的第一直流輸入端連接直流電源的正端，第2n個直流輸入端連接直流電源的負端；所述第一多電平逆變拓撲單元和所述第二多電平逆變拓撲單元的交流輸出端作為該多電平逆變器的兩個交流輸出端。
4.一種多電平逆變器，其特征在于，包括三個權利要求I所述的多電平拓撲單元，分別為第一多電平逆變拓撲單元、第二多電平逆變拓撲單元和第三多電平逆變拓撲單元，其中所述第一多電平逆變拓撲單元的直流輸入端、所述第二多電平逆變拓撲單元的直流輸入端及所述第三多電平逆變拓撲單元的直流輸入端一一并聯(lián)，所述第一多電平逆變拓撲單元的第一直流輸入端連接所述直流電源的正端，第2n個直流輸入端連接所述直流電源的負端；所述第一多電平逆變拓撲單元的交流輸出端、所述第二多電平逆變拓撲單元的交流輸出端及所述第三多電平逆變拓撲單元的交流輸出端分別作為該多電平逆變器的三個交流輸出端。
5.一種多電平逆變器，其特征在于，包括四個權利要求I所述的多電平逆變拓撲單元， 分別為第一多電平逆變拓撲單元、第二多電平逆變拓撲單元、第三多電平逆變拓撲單元和第四多電平逆變拓撲單元，其中所述第一多電平逆變拓撲單元的直流輸入端、所述第二多電平逆變拓撲單元的直流輸入端、第三多電平逆變拓撲單元的直流輸入端及第四多電平逆變拓撲單元的直流輸入端一一并聯(lián)，所述第一多電平逆變拓撲單元的第一直流輸入端連接所述直流電源的正端，第 2n個直流輸入端連接所述直流電源的負端；所述第一多電平逆變拓撲單元的交流輸出端、所述第二多電平逆變拓撲單元的交流輸出端、所述第三多電平逆變拓撲單元的交流輸出端及所述第四多電平逆變拓撲單元的交流輸出端分別作為該多電平逆變器的四個交流輸出端。
6.一種多電平逆變器，其特征在于，包括兩個權利要求3所述的多電平逆變拓撲單元，分別為第一多電平逆變拓撲單元和第二多電平逆變拓撲單元，其中所述第一多電平逆變拓撲單元的直流輸入端與所述第二多電平逆變拓撲單元的直流輸入端并聯(lián)，所述第一多電平逆變拓撲單元的第一直流輸入端連接所述直流電源的正端， 第2n+l個直流輸入端連接所述直流電源的負端；所述第一多電平逆變拓撲單元的交流輸出端和所述第二多電平逆變拓撲單元的交流輸出端分別作為該多電平逆變器的兩個交流輸出端。
7.一種多電平逆變器，其特征在于，包括三個權利要求3所述的多電平逆變拓撲單元， 分別為第一多電平逆變拓撲單元、第二多電平逆變拓撲單元、第三多電平逆變拓撲單元， 其中所述第一多電平逆變拓撲單元的直流輸入端、所述第二多電平逆變拓撲單元的直流輸入端及第三多電平逆變拓撲單元的直流輸入端并聯(lián)，所述第一多電平逆變拓撲單元的第一直流輸入端連接所述直流電源的正端，第2n+l個直流輸入端連接所述直流電源的負端；所述第一多電平逆變拓撲單元的交流輸出端、所述第二多電平逆變拓撲單元的交流輸出端及所述第三多電平逆變拓撲單元的交流輸出端分別作為該多電平逆變器的三個交流輸出端。
8.一種多電平逆變器，其特征在于，包括四個權利要求3所述的多電平逆變拓撲單元， 分別為第一多電平逆變拓撲單元、第二多電平逆變拓撲單元、第三多電平逆變拓撲單元和第四多電平逆變拓撲單元，其中所述第一多電平逆變拓撲單元的直流輸入端、所述第二多電平逆變拓撲單元的直流輸入端、第三多電平逆變拓撲單元的直流輸入端及第四多電平逆變拓撲單元的直流輸入端并聯(lián)，所述第一多電平逆變拓撲單元的第一直流輸入端連接所述直流電源的正端，第2n+l個直流輸入端連接所述直流電源的負端；所述第一多電平逆變拓撲單元的交流輸出端、所述第二多電平逆變拓撲單元的交流輸出端、所述第三多電平逆變拓撲單元的交流輸出端及所述第四多電平逆變拓撲單元的交流輸出端分別作為該多電平逆變器的四個交流輸出端。
全文摘要
本申請公開了一種所述多電平逆變拓撲單元及多電平逆變器，能夠實現(xiàn)N電平逆變，包括2(N-1)個開關管，及反向并聯(lián)在每個開關管兩端的二極管，無需現(xiàn)有技術中的箝位二極管和飛跨電容，本發(fā)明提供的多電平逆變拓撲單元利用所述2(N-1)個開關管及自身反向并聯(lián)的二極管即可為電流提供通路，并保證連接在直流輸入端的電容不被短路，從而保證了多電平逆變拓撲單元中的半導體器件的數(shù)量較少，體積較小、成本低、損耗較小，效率高，而且，所述多電平逆變拓撲單元，在直流電源兩端串聯(lián)有多個開關管，從而降低了單個開關管需要承受的電壓，進而提高了直流電源的電壓等級。
文檔編號H02M7/48GK102594181SQ20121003850
公開日2012年7月18日 申請日期2012年2月20日 優(yōu)先權日2012年2月20日
發(fā)明者倪華, 宋煬, 岳秀梅, 汪洪亮 申請人:陽光電源股份有限公司