本申請要求2014年3月6日由傅電波遞交的發(fā)明名稱為“多電平混合逆變器和操作方法(Multilevel Hybrid Inverter and Operating Method)”的第14/199,749號美國非臨時專利申請案的在先申請優(yōu)先權(quán)，該在先申請的全部內(nèi)容以引入的方式并入本文本中。

技術領域

本發(fā)明涉及一種多電平逆變器設備和方法，在具體實施例中，涉及一種五電平逆變器。

背景技術：

可再生能量源包括太陽能、風能、潮汐能等。太陽能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)可包括多個串聯(lián)或并聯(lián)的太陽能面板。根據(jù)時間、位置、太陽跟蹤能力等因素，太陽能面板的輸出可生成可變直流電壓。為了調(diào)節(jié)太陽能面板的輸出，可將太陽能面板的輸出耦合到直流/直流(direct current/direct current，dc/dc)轉(zhuǎn)換器，從而在直流/直流轉(zhuǎn)換器的輸出端處得到調(diào)節(jié)后的輸出電壓。此外，太陽能面板可通過電池充電控制裝置與備用電池系統(tǒng)連接。在白天，備用電池通過太陽能面板的輸出充電。當電力設施發(fā)生故障或太陽能面板是離網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)時，備用電池為耦合到太陽能面板的負載提供電力。

由于多數(shù)的應用可設計為在120伏特交流(alternating current，ac)電下運行，所以使用太陽能逆變器來將光伏模塊的可變直流輸出轉(zhuǎn)換為120伏特的交流電源?？墒褂枚鄠€多電平逆變器拓撲結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)高功率和從太陽能到市電的高效轉(zhuǎn)換。具體而言，可使用一系列功率半導體開關將多個低壓直流電源轉(zhuǎn)換為高功率交流輸出通過合成階梯電壓波形來實現(xiàn)高功率交流輸出。

按照拓撲結(jié)構(gòu)差異，多電平逆變器可分為三大類，即二極管鉗位多電平逆變器、飛跨電容多電平逆變器和級聯(lián)H橋多電平逆變器。另外，多電平逆變器可采用不同的脈沖寬度調(diào)制(pulse width modulation，PWM)技術，諸如正弦PWM(sinusoidal PWM，SPWM)、選擇性諧波消除PWM、空間矢量調(diào)制等。多電平逆變器是中高功率應用的常見電源拓撲結(jié)構(gòu)，諸如可再生能源源的電網(wǎng)接口、靈活交流輸電系統(tǒng)、中壓電機驅(qū)動系統(tǒng)等。

二極管鉗位多電平逆變器通常指三電平中點鉗位(neutral point clamped，NCP)逆變器。三電平NCP逆變器需要將兩個串聯(lián)的電容耦合在輸入直流總線之間。將每個電容充到相同電勢。此外，三電平NCP逆變器可包括四個開關元件和兩個鉗位二極管。鉗位二極管有助于將開關元件上的電壓應力減少到一個電容電壓電平。

NCP逆變器使用階梯波形來生成交流輸出。這種階梯波形類似于需要的正弦波形。因此，NCP逆變器的輸出電壓可帶有低總諧波失真(total harmonic distortion，THD)。此外，階梯波形可降低電壓應力，因此，可提高NCP逆變器的電磁兼容性(electromagnetic compatibility，EMC)性能。此外，為達到同樣的THD，NCP逆變器可在更低的開關頻率下運行。這種更低的開關有助于減少開關損耗，從而實現(xiàn)高效的功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的優(yōu)選實施例提供了一種多電平逆變器裝置，從而大體上解決或克服了這些和其它問題并大體上實現(xiàn)了技術優(yōu)點。

根據(jù)一實施例，一種使用逆變器來實施直流(direct current，dc)/交流(alternating current，ac)轉(zhuǎn)換的方法包括：使所述逆變器耦合到通過直流電源的直流電壓，其中，所述逆變器包括：第一升壓裝置，具有耦合到所述直流電源的第一端子的輸入端；第二升壓裝置，具有耦合到所述直流電源的第二端子的輸入端；以及耦合到輸出濾波器的轉(zhuǎn)換級，包括前半周期開關網(wǎng)絡和后半周期開關網(wǎng)絡，其中所述前半周期開關網(wǎng)絡包括第一三電平導電路徑和第一五電平導電路徑；以及所述后半周期開關網(wǎng)絡包括第二三電平導電路徑和第二五電平導電路徑。

所述方法還包括：在所述輸出濾波器的輸出端處的交流電壓的前半周期，當所述直流電源的所述第一端子處的電壓大于所述輸出濾波器的所述輸出端處的所述電壓的瞬時值時，啟用所述第一三電平導電路徑；在所述前半周期，當所述輸出濾波器的所述輸出端處的所述交流電壓的所述瞬時值大于所述直流電源的所述第一端子處的所述電壓時，啟用所述第一五電平導電路徑；在所述輸出濾波器的所述輸出端處的所述交流電壓的后半周期，當所述輸出濾波器的所述輸出端處的所述交流電壓的所述瞬時值大于所述直流電源的所述第二端子處的所述電壓時，啟用所述第二三電平導電路徑；以及在所述后半周期，當所述直流電源的所述第二端子處的所述交流電壓大于所述輸出濾波器的所述輸出端處的所述電壓的所述瞬時值時，啟用所述第二五電平導電路徑。

根據(jù)另一實施例，一種方法包括提供一種耦合到直流電源的逆變器，其中，所述逆變器包括：第一升壓裝置，具有耦合到所述直流電源的第一端子的輸入端；第二升壓裝置，具有耦合到所述直流電源的第二端子的輸入端；耦合到輸出濾波器的前半周期開關網(wǎng)絡，包括第一三電平導電路徑和第一五電平導電路徑，所述第一三電平導電路徑耦合到所述直流電源的所述第一端子，所述第一五電平導電路徑耦合到所述直流電源的所述第一端子和所述第一升壓裝置的輸出端；以及耦合到所述輸出濾波器的后半周期開關網(wǎng)絡，包括第二三電平導電路徑和第二五電平導電路徑，所述第二三電平導電路徑耦合到所述直流電源的所述第二端子，所述第二五電平導電路徑耦合到所述直流電源的所述第二端子和所述第二升壓裝置的輸出端，第一二極管耦合在所述直流電源的所述第一端子與所述前半周期開關網(wǎng)絡之間，第二二極管耦合在所述直流電源的所述第二端子與所述后半周期開關網(wǎng)絡之間；所述方法還包括：當通過所述直流電源的電壓大于所述輸出濾波器的輸出端處的電壓的峰-峰值時，旁路所述第一二極管和所述第二二極管。

根據(jù)又一實施例，一種逆變器包括：第一升壓裝置，具有耦合到直流電源的第一端子的輸入端；第二升壓裝置，具有耦合到所述直流電源的第二端子的輸入端；前半周期開關網(wǎng)絡，其中，所述前半周期開關網(wǎng)絡耦合到輸出濾波器的輸入端和所述第一升壓裝置，且所述前半周期開關網(wǎng)絡通過第一二極管耦合到所述輸出濾波器的所述輸入端和所述直流電源的所述第一端子，配置所述前半周期開關網(wǎng)絡，使得：當所述直流電源的所述第一端子處的電壓大于所述輸出濾波器的輸出端處的電壓的瞬時值時，將第一三電平導電路徑耦合在所述直流電源的所述第一端子與所述輸出濾波器的所述輸入端之間；以及當所述輸出濾波器的所述輸出端處的所述電壓的所述瞬時值大于所述直流電源的所述第一端子處的所述電壓時，將第一五電平導電路徑耦合到所述直流電源的所述第一端子和所述第一升壓裝置的輸出端。

所述逆變器還包括后半周期開關網(wǎng)絡，其中所述后半周期開關網(wǎng)絡耦合到所述輸出濾波器的所述輸入端和所述第二升壓裝置；以及所述后半周期開關網(wǎng)絡通過第二二極管耦合到所述輸出濾波器的所述輸入端和所述直流電源的所述第二端子。

本發(fā)明實施例的優(yōu)點為：使用包括三電平逆變器結(jié)構(gòu)和五電平逆變器結(jié)構(gòu)的混合逆變器來生成階梯波形。這種混合逆變器有助于提高多電平逆變器的效率和可靠性并為其節(jié)約成本。

上述內(nèi)容已相當廣泛地概述了本發(fā)明的特征和技術優(yōu)點，以便可更好地理解下文對本發(fā)明的詳細描述。下文將描述本發(fā)明的附加特征和優(yōu)點，這些構(gòu)成本發(fā)明權(quán)利要求的主題。本領域技術人員應理解，所公開的概念和具體實施例可易于用作用于執(zhí)行與本發(fā)明的目的相同的其它結(jié)構(gòu)或過程的修改或設計的基礎。本領域技術人員還應認識到，這類等效構(gòu)造并不脫離所附權(quán)利要求中闡述的本發(fā)明的精神和范圍。

附圖說明

為了更完整地理解本發(fā)明及其優(yōu)點，現(xiàn)在參考下文結(jié)合附圖進行的描述，其中：

圖1示出了根據(jù)本發(fā)明各個實施例的多電平逆變器的框圖；

圖2A示出了根據(jù)本發(fā)明各個實施例的圖1所示的多電平逆變器的示意圖；

圖2B示出了根據(jù)本發(fā)明各個實施例的圖1所示的多電平逆變器的另一示意圖；

圖3示出了根據(jù)本發(fā)明各個實施例的圖2B所示多電平逆變器的各種信號的時序圖；

圖4示出了根據(jù)本發(fā)明各個實施例的圖2B所示多電平逆變器的三電平逆變器操作模式的系統(tǒng)配置的示意圖；

圖5示出了根據(jù)本發(fā)明各個實施例的圖4所示多電平逆變器的各種信號的時序圖；

圖6示出了根據(jù)本發(fā)明各個實施例的圖2B所示多電平逆變器的五電平操作模式的系統(tǒng)配置的示意圖；

圖7示出根據(jù)本發(fā)明各個實施例的圖6所示多電平逆變器的各種信號的時序圖；

圖8示出了根據(jù)本發(fā)明各個實施例的圖2B所示多電平逆變器的另一系統(tǒng)配置的示意圖。

除非另有指示，否則不同圖中的對應標號和符號通常指代對應部分。繪制各圖是為了清楚地說明實施例的相關方面，因此未必是按比例繪制的。

具體實施方式

下文將詳細論述當前優(yōu)選實施例的制作和使用。然而，應了解，本發(fā)明提供可在各種具體上下文中體現(xiàn)的許多適用的發(fā)明性概念。所論述的具體實施例僅僅說明用以實施和使用本發(fā)明的具體方式，而不限制本發(fā)明的范圍。

本發(fā)明將參考具體上下文中的優(yōu)選實施例進行描述，該具體上下文即五電平逆變器。然而，本發(fā)明也可應用于各種功率轉(zhuǎn)換器，包括多電平整流器、多電平逆變器、多電平交流到交流轉(zhuǎn)換器等。此外，本發(fā)明也可應用于各種三相多電平逆變器。

圖1示出了根據(jù)本發(fā)明各個實施例的多電平逆變器的框圖。多電平逆變器100包括：直流電源PV1、耦合在直流電源PV1的第一端子與接地線之間的第一升壓裝置112、耦合在直流電源PV1的第二端子與接地線之間的第二升壓裝置114、接地線和轉(zhuǎn)換級102。

圖1所示的直流電源PV1可實現(xiàn)為太陽能面板。更具體地，在一些實施例中，盡管圖1示出了單個直流電源PV1，但是直流電源PV1可包括多個串聯(lián)、并聯(lián)或以它們的任意組合等連接的太陽能面板。兩個輸入電容C1和C2串聯(lián)連接。如圖1所示，將串聯(lián)連接的輸入電容C1和C2耦合到直流電源PV1的輸出端子。在一些實施例中，輸入電容C1和C2的公共節(jié)點按圖1所示連接到接地線。

多電平逆變器100包括五個電壓電平(例如，V1、–V1、V2、–V2和接地線)。直流電源PV1的第一端子的輸出電壓為V1。直流電源PV1的第二端子的輸出電壓為–V1。將第一升壓裝置112和第二升壓裝置114分別耦合到直流電源PV1的第一端子和第二端子。此外，第一升壓裝置112和第二升壓裝置114將直流電源PV1的第一端子和第二端子的輸出電壓V1和–V1分別轉(zhuǎn)換為V2和–V2，如圖1所示。

第一升壓裝置112和第二升壓裝置114可通過使用升壓直流/直流轉(zhuǎn)換器等升壓電路來實現(xiàn)。升壓直流/直流轉(zhuǎn)換器由輸入電感器、低側(cè)開關和阻塞二極管組成。升壓直流/直流轉(zhuǎn)換器的詳細配置將在下文結(jié)合圖2A和圖2B進行描述。

應注意，盡管圖1示出了具有兩個升壓裝置(例如，第一升壓裝置112和第二升壓裝置114)的多電平逆變器100，但是多電平逆變器100可包括任何數(shù)量的升壓裝置。限制本文示出的升壓裝置的數(shù)量僅僅是為了清楚地示出各個實施例的本發(fā)明各個方面。升壓裝置的任何具體數(shù)目對本發(fā)明并不構(gòu)成限制。本領域普通技術人員將認識到許多變化、替換和修改。例如，可采用額外的升壓裝置來實現(xiàn)具有額外電壓電平的輸出階梯波形。

多電平逆變器100還可包括由電感器Lo和電容器Co，以及多個開關Q7和Q8組成的輸出濾波器。如圖1所示，輸出濾波器的輸入端耦合到開關Q7和Q8的公共節(jié)點。開關Q7和Q8可通過轉(zhuǎn)換級102分別耦合到V1和–V1。此外，開關Q7和Q8可通過轉(zhuǎn)換級102分別耦合到V2和–V2。轉(zhuǎn)換級102的詳細操作原理將在下文結(jié)合圖3至圖8詳細描述。

根據(jù)一實施例，開關(例如，開關Q7)可為絕緣柵雙極型管(insulated gate bipolar transistor，IGBT)設備。或者，開關元件可為任何可控開關，如金屬氧化物半導體場效應管(metal oxide semiconductor field-effect transistor，MOSFET)設備、集成門極換向晶閘管(integrated gate commutated thyristor，IGCT)設備、可關斷晶閘管(gate turn-off thyristor，GTO)設備、硅控整流器(silicon controlled rectifier，SCR)設備、結(jié)柵型場效應管(junction gate field-effect transistor，JFET)設備，MOS控制晶閘管(MOS controlled thyristor，MCT)設備等。

轉(zhuǎn)換級102可包括多個開關。配置每個開關，使得通過使用開關的不同組合在濾波器的輸入端處生成階梯波形。在一些實施例中，可啟用轉(zhuǎn)換級的一部分。轉(zhuǎn)換級充當三電平逆變器結(jié)構(gòu)。在可替代實施例中，根據(jù)直流電源PV1的輸出端處的電壓，可激活轉(zhuǎn)換級的另一部分。轉(zhuǎn)換級可包括三電平逆變器結(jié)構(gòu)和五電平逆變器結(jié)構(gòu)。轉(zhuǎn)換級102的詳細操作將在下文結(jié)合圖3至圖8進行描述。

圖2A示出了根據(jù)本發(fā)明各個實施例的圖1所示的多電平逆變器的示意圖。多電平逆變器105包括第一升壓裝置112，其生成的輸出電壓V2比來自直流電源PV1的輸入電壓V1高。此外，第二升壓裝置114用于生成負電壓–V2。

第一升壓裝置112和第二升壓裝置114都實施為升壓直流/直流轉(zhuǎn)換器。為簡單起見，下文僅詳細描述第一升壓裝置112。

如圖2A所示，第一升壓裝置112由輸入電感器L1、低側(cè)開關Q9、阻塞二極管D1和輸出電容C3組成?？刂破?未示出)可控制低側(cè)開關Q9的開啟占空比，從而調(diào)節(jié)通過輸出電容C3的輸出電壓V2。升壓直流/直流轉(zhuǎn)換器的詳細操作原理在本領域是公知的，因此不再詳細論述，以避免不必要的重復。

應注意，升壓直流/直流轉(zhuǎn)換器僅為實現(xiàn)第一升壓裝置112和第二升壓裝置114的示例。其它升壓拓撲結(jié)構(gòu)也在本發(fā)明的考慮范圍之內(nèi)。升壓直流/直流轉(zhuǎn)換器僅僅是從直流電源生成更高電壓(例如，V1)的一種方式。可將其它以及可替代實施例升壓拓撲結(jié)構(gòu)(例如使用開關電容電壓倍壓器)和其它電路(例如，電荷泵電壓倍壓器等)用于此功能。

轉(zhuǎn)換級102包括前半周期開關網(wǎng)絡104和后半周期開關網(wǎng)絡106。前半周期開關網(wǎng)絡104包括開關Q1、Q3和Q5，繼電器RL1，以及二極管D3和D5。前半周期開關網(wǎng)絡104在輸出交流波形Vo的前半周期激活。后半周期開關網(wǎng)絡106包括開關Q2、Q4和Q6，繼電器RL2，以及二極管D4和D6。后半周期開關網(wǎng)絡106在輸出交流波形Vo的后半周期激活。

應注意，Q5和Q6的電壓應力約等于2·V1。Q1和Q2的電壓應力約等于2·V2–2·V1。這樣，Q1和Q2的電壓應力可小于2·V2。有時，根據(jù)設計需求，Q1和Q2的電壓應力可小于2·V1。因此，Q1和Q2可實施為低電壓開關設備。

圖2B示出了根據(jù)本發(fā)明各個實施例的圖1所示的多電平逆變器的另一示意圖。多電平逆變器110的示意圖與圖2A所示的多電平逆變器105類似，不同之處在于分別在前半周期開關網(wǎng)絡104和后半周期開關網(wǎng)絡106中添加了開關Q11和Q12。

使開關Q11和Q12用于進一步減少圖1所示的多電平逆變器100的開關損耗。多電平逆變器110和多電平逆變器105都是圖1所示的多電平逆變器100的說明性實施例。因為多電平逆變器110的操作原理可與多電平逆變器105的類似，所以，在整個描述中，以多電平逆變器110為例來進一步描述多電平逆變器100的工作原理。

通過配置前半周期開關網(wǎng)絡的開關，圖2B所示的前半周期開關網(wǎng)絡104可作為三電平逆變器結(jié)構(gòu)或五電平逆變器結(jié)構(gòu)。具體地，當輸出電壓Vo的峰值電壓大于V1時，前半周期開關網(wǎng)絡104可根據(jù)V1的電壓進入三電平逆變器操作模式或五電平逆變器操作模式。更具體地，在一個完整周期中，當V1大于Vo的瞬時值時，前半周期開關網(wǎng)絡104可進入三電平逆變器操作模式。否則，前半周期開關網(wǎng)絡104可進入五電平逆變器操作模式。

在前半周期開關網(wǎng)絡的三電平逆變器操作模式下，關閉Q1、Q9和Q11，開啟Q3、Q5和Q7，關閉RL1，二極管D3正向偏置。D5可充當續(xù)流設備。在前半周期，開啟的Q3、Q5和Q7形成三電平逆變器結(jié)構(gòu)。另一方面，在前半周期開關網(wǎng)絡的五電平逆變器操作模式下，關閉Q3，開啟Q1、Q5、Q7和Q11，二極管D3正向偏置，關閉RL1，激活第一升壓裝置112。在前半周期，開啟的Q1、Q5、Q7和Q11形成五電平逆變器結(jié)構(gòu)。

同樣地，通過配置后半周期開關網(wǎng)絡的開關，后半周期開關網(wǎng)絡106可作為三電平逆變器結(jié)構(gòu)或五電平逆變器結(jié)構(gòu)。更具體地，在后半周期，當Vo的瞬時值大于–V1時，后半周期開關網(wǎng)絡106可進入三電平逆變器操作模式。否則，后半周期開關網(wǎng)絡106可進入五電平逆變器操作模式。

在后半周期開關網(wǎng)絡的三電平逆變器操作模式下，關閉Q2和Q12，開啟Q4、Q6和Q8，關閉RL2，二極管D4正向偏置。D5可充當續(xù)流設備。在后半周期，開啟的Q4、Q6和Q8形成三電平逆變器結(jié)構(gòu)。另一方面，在后半周期開關網(wǎng)絡的五電平逆變器操作模式下，關閉Q4，開啟Q2、Q6、Q8和Q12，二極管D4正向偏置，關閉RL2，激活第二升壓裝置114。在后半周期，開啟的Q2、Q6、Q8和Q12形成五電平逆變器結(jié)構(gòu)。

根據(jù)一實施例，為了改善多電平逆變器110的開關損耗，開關Q3、Q4、Q11和Q12可實現(xiàn)為MOSFET?；蛘撸_關Q3、Q4、Q11和Q12可實現(xiàn)為其它合適的設備，例如IGBT和/或其它。

如上所述相對于圖2B，二極管D5和D6可以用作續(xù)流設備。如圖2B中所示，二極管D5可以形成連接在輸出濾波器的輸入端與接地線之間的第一續(xù)流線路。在一些實施例中，在關閉Q3后，第一續(xù)流線路可向流入開關Q3的電流提供導電路徑。

同樣地，二極管D6可形成連接在輸出濾波器的輸入端與接地線之間的第二續(xù)流線路。根據(jù)一些實施例中，在關閉Q4后，第二續(xù)流線路可向流入開關Q4的電流提供導電路徑。

應注意，上述續(xù)流設備的示意圖僅為示例性結(jié)構(gòu)，并不意在限制當前實施例。本領域普通技術人員將認識到許多變化、替換和修改。例如，二極管D5和D6可分別替換為兩個開關。

包含繼電器RL1和RL2是為了提供一種附加操作模式。具體地，當輸入電壓(例如，V1)大于Vo的峰值電壓時，可關閉第一升壓裝置112和第二升壓裝置114。此外，為了進一步提高多電平逆變器110的效率，可通過開啟繼電器RL1和RL2來旁路二極管D3和D4。這樣，可降低多電平逆變器110的總功率損耗。

圖3示出了根據(jù)本發(fā)明各個實施例的圖2B所示多電平逆變器的各種信號的時序圖。Vo為圖2B所示輸出濾波器的輸出端處的電壓波形。如圖2B所示，輸出濾波器由輸出電感器Lo和輸出電容Co組成。輸出濾波器幫助過濾多電平PWM電壓以獲得正弦波形。

根據(jù)正弦波形Vo，時序圖可分為前半周期和后半周期。前半周期從t0開始到t3結(jié)束。后半周期從t3開始到t6結(jié)束。此外，可根據(jù)V1和Vo之間的關系將前半周期分為三個部分。更具體地，第一部分從t0開始到t1結(jié)束。在第一部分中，V1大于Vo的瞬時值。第二部分從t1開始到t2結(jié)束。在第二部分中，Vo的瞬時值大于V1。第三部分從t2開始到t3結(jié)束。在第三部分中，V1大于Vo的瞬時值。

在整個描述中，可替代地，前半周期的第一部分和第三部分可稱為前半周期的三電平逆變器操作模式?？商娲?，前半周期的第二部分可稱為前半周期的五電平逆變器操作模式。

同樣地，根據(jù)V1和Vo之間的關系，可將后半周期分為三個部分。更具體地，后半周期的第一部分從t3開始到t4結(jié)束。在后半周期的第一部分中，Vo的瞬時值大于–V1。后半周期的第二部分從t4開始到t5結(jié)束。在第二部分中，–V1大于Vo的瞬時值。后半周期的第三部分從t5開始到t6結(jié)束。在第三部分中，Vo的瞬時值大于–V1。

在整個描述中，可替代地，后半周期的第一部分和第三部分可稱為后半周期的三電平逆變器操作模式?？商娲?，后半周期的第二部分可稱為后半周期的五電平逆變器操作模式。各部分的詳細操作原理將在下文結(jié)合圖4至圖7進行描述。

圖4示出了根據(jù)本發(fā)明各個實施例的圖2B所示多電平逆變器的三電平逆變器操作模式的系統(tǒng)配置的示意圖。在前半周期中，當直流電源的第一端子處的電壓大于Vo的瞬時值時，多電平逆變器100進入三電平逆變器操作模式。啟用第一導電路徑，如圖4中箭頭402和404所示。

開啟的Q3、Q5和Q7形成第一導電路徑。Q5耦合在輸出濾波器的輸入端與直流電源PV1的第一端子之間。Q3和Q7串聯(lián)連接，并耦合在輸出濾波器的輸入端與直流電源PV1的第一端子之間。電流通過兩個電流路徑從直流電源PV1的第一端子流到輸出濾波器。第一電流路徑包括Q5。第二電流路徑包括Q7和Q3。如圖4所示，這兩個電流路徑并聯(lián)連接。此外，第二電流路徑的Q3可幫助Q5實現(xiàn)零電壓開關。零電壓開關過程將在下文結(jié)合圖5進行描述。

在后半周期，當Vo的瞬時值大于直流電源PV1的第二端子處的電壓(例如，–V1)時，多電平逆變器110進入三電平逆變器操作模式。啟用第二導電路徑，如圖4中箭頭406和408所示。

第二導電路徑由Q4、Q6和Q8組成。Q6耦合在輸出濾波器的輸入端與直流電源PV1的第二端子之間。Q4和Q8串聯(lián)連接，并耦合在輸出濾波器的輸入端與直流電源PV1的第二端子之間。第二導電路徑的工作原理類似于第一導電路徑的工作原理，因此在此不作詳細描述。

圖5示出了根據(jù)本發(fā)明各個實施例的圖4所示多電平逆變器的各種信號的時序圖。如上文結(jié)合圖4描述的，在t0到t1的時間間隔、t2到t3的時間間隔、t3到t4的時間間隔和t5到t6的時間間隔內(nèi)，多電平逆變器110進入三電平逆變器操作模式。在這四個時間間隔內(nèi)的柵極驅(qū)動信號是相似的。為簡單起見，下文將僅詳細描述t0到t1的時間間隔內(nèi)的柵極信號。

在t0到t1的時間間隔內(nèi)，在t7開啟Q5之前，在t0開啟Q3。如圖5所示，在這個時間間隔內(nèi)，Q7始終開啟。因此，開啟的Q7和Q3串聯(lián)連接以形成如圖4所示的零電壓開關輔助電路。在t8，當關閉Q5時，開啟Q7和Q3，使得通過Q5的電壓約等于零?？傊@樣的零電壓開關輔助電路有助于Q5實現(xiàn)零電壓開關。同樣地，Q5能夠在t9和t10實現(xiàn)零電壓開關。

應注意，在t7至t8的時間間隔內(nèi)，可關閉開關Q3，而非始終保持Q3。更具體地，Q3可在Q5已實現(xiàn)零電壓開啟轉(zhuǎn)換之后關閉，然后在t8關閉Q5之前開啟。

圖6示出了根據(jù)本發(fā)明各個實施例的圖2B所示多電平逆變器的五電平操作模式的系統(tǒng)配置的示意圖。在前半周期，當Vo的瞬時值大于直流電源PV1的第一端子處的電壓(例如，V1)時，多電平逆變器進入五電平逆變器操作模式。啟用兩個導電路徑，如圖6中箭頭602、603和604所示。

第一導電路徑由Q5形成。如圖6所示，Q5耦合在輸出濾波器的輸入端與直流電源PV1的第一端子之間。第二導電路徑包括Q1、Q5、Q7和Q11。Q1和Q5串聯(lián)連接，并耦合在輸出濾波器的輸入端與第一升壓裝置112的輸出端之間。Q7和Q11串聯(lián)連接，并耦合在輸出濾波器的輸入端與第一升壓裝置112的輸出端之間。電流可通過Q5從直流電源PV1的第一端子(V1)流向輸出濾波器?；蛘撸娏魍ㄟ^開啟的Q1、Q5、Q7和Q11從第一升壓裝置112的輸出端流向輸出濾波器。

應注意，當有電流流經(jīng)第二導電路徑時，二極管D3可充當阻塞二極管。還應注意，第二電流路徑的Q11可幫助Q1實現(xiàn)零電壓開關。Q1的零電壓開關過程將在下文結(jié)合圖7進行描述。

在后半周期，當直流電源PV1的第二端子處的電壓(例如，–V1)大于Vo的瞬時值時，多電平逆變器110進入五電平逆變器操作模式。啟用兩個導電路徑，如圖6中箭頭606、607和608所示。

第一導電路徑由Q6形成。Q16耦合在輸出濾波器的輸入端與直流電源PV1的第二端子(–V1)之間。第二導電路徑包括Q2、Q6、Q8和Q12。如圖6所示，Q2和Q6串聯(lián)連接，并耦合在輸出濾波器的輸入端與第二升壓裝置114的輸出端之間。Q8和Q12串聯(lián)連接，并耦合在輸出濾波器的輸入端與第二升壓裝置114的輸出端之間。后半周期中的導電路徑的工作原理類似于前半周期中的，因此在此不作詳細描述。

總而言之，在五電平逆變器操作模式下，傳遞到輸出濾波器的功率一部分由三電平逆變器結(jié)構(gòu)(Q5形成的第一導電路徑或Q6形成的第一導電路徑)處理，一部分由五電平逆變器結(jié)構(gòu)(Q1、Q5、Q7和Q11形成的第二導電路徑或Q2、Q6、Q8和Q12形成的第二導電路徑)處理。三電平逆變器結(jié)構(gòu)有助于減少功率損耗，從而提高多電平逆變器110的效率。

圖7示出了根據(jù)本發(fā)明各個實施例的圖6所示多電平逆變器的各種信號的時序圖。如上文結(jié)合圖6描述的，在t1至t2的時間間隔和t4到t5的時間間隔內(nèi)，多電平逆變器系統(tǒng)進入五電平逆變器操作模式。這兩個時間間隔內(nèi)的柵極驅(qū)動信號是相似的。為簡單起見，下文將僅詳細描述t1到t2的時間間隔內(nèi)的柵極信號。

在t1至t2的時間間隔內(nèi)，在t11開啟Q1之前，在t1開啟Q11。如圖7所示，在這個時間間隔內(nèi)，Q5和Q7始終開啟。因此，開啟的Q7和Q11串聯(lián)連接以形成零電壓開關輔助電路。在t12，當關閉Q1時，開關Q5、Q7和Q11仍然開啟，使得通過Q1的電壓約等于零。在t13可關閉Q11。總之，Q11有助于Q1實現(xiàn)零電壓開關。

應注意，在t11至t12的時間間隔內(nèi)，可關閉開關Q11，而非保持Q11。更具體地，Q11可在Q1已實現(xiàn)零電壓開啟轉(zhuǎn)換后關閉，然后在t12關閉Q1之前再次開啟。

圖8示出了根據(jù)本發(fā)明各個實施例的圖2B所示多電平逆變器的另一系統(tǒng)配置的示意圖。關閉第一升壓裝置112和第二升壓裝置114，當通過直流電源的電壓大于Vo的峰值電壓時，旁路二極管D3和D4。

如箭頭802和804所示，在前半周期，能量通過Q3、Q5和Q7傳遞到輸出濾波器。更具體地，開啟的繼電器RL1旁路二極管D3。在后半周期，如箭頭806和808所示，能量通過Q4、Q6和Q8傳遞到輸出濾波器。

具有繼電器RL1和RL2的一個有利特征是：可通過旁路二極管D3和D4來降低功率損耗。此外，可通過關閉第一升壓裝置112和第二升壓裝置114來提高多電平逆變器110的效率。

雖然已詳細地描述了本發(fā)明的實施例及其優(yōu)點，但是應理解，可以在不脫離如所附權(quán)利要求書所界定的本發(fā)明的精神和范圍的情況下對本發(fā)明做出各種改變、替代和更改。

此外，本發(fā)明的范圍并不局限于說明書中所述的過程、機器、制造、物質(zhì)組分、構(gòu)件、方法和步驟的具體實施例。所屬領域的一般技術人員可從本發(fā)明中輕易地了解，可根據(jù)本發(fā)明使用現(xiàn)有的或即將開發(fā)出的，具有與本文所描述的相應實施例實質(zhì)相同的功能，或能夠取得與所述實施例實質(zhì)相同的結(jié)果的過程、機器、制造、物質(zhì)組分、構(gòu)件、方法或步驟。相應地，所附權(quán)利要求范圍包括這些流程，機器，制造，物質(zhì)組分，構(gòu)件，方法，及步驟。