本發(fā)明涉及電力電子變換器技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種七電平逆變器及七電平逆變拓撲結(jié)構(gòu)。

背景技術(shù)：

新能源發(fā)電技術(shù)的快速發(fā)展給電力電子技術(shù)提出了更高要求，大功率逆變器作為電能變換部分的核心部件，其性能的好壞直接影響電能輸出的質(zhì)量。多電平逆變器因具有輸出電平數(shù)多、輸出電壓諧波小、輸出功率大、開關(guān)頻率低、損耗小、效率高等優(yōu)點受到了學者們的青睞?，F(xiàn)有研究的多電平逆變器主要包括：二極管鉗位型多電平逆變器、電容型多電平逆變器和級聯(lián)型多電平逆變器。其中，二極管鉗位型多電平逆變器為獲得較高的電平數(shù)，需要大量的二極管，增加了拓撲結(jié)構(gòu)的復(fù)雜度，大量的二極管也提高了發(fā)生故障的可能性和整體成本。電容型多電平逆變器亦是如此，以犧牲電容數(shù)量為代價來提高電平數(shù)。而級聯(lián)型多電平逆變器工作需要配置獨立直流電源，或采用多繞組移相變壓器，導致器件本身體積大，級聯(lián)型多電平逆變器的成本亦不容樂觀。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供一種結(jié)構(gòu)簡單、輸出電平數(shù)多、開關(guān)器件數(shù)量少，成本低的七電平逆變器及七電平逆變拓撲結(jié)構(gòu)。

根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供一種七電平逆變拓撲結(jié)構(gòu)，包括DC/AC單元和DC/DC單元，其中：所述DC/AC單元包括第一直流電容C1和第二直流電容C2、8個開關(guān)管T1～T8、與開關(guān)管反向并聯(lián)的8個二極管D1～D8以及中間電容C3，其中，第一直流電容C1和第二直流電容C2串聯(lián)，分別具有初始電壓；中間電容C3具有初始電壓；第一開關(guān)管T1和第二開關(guān)管T2串聯(lián)后與第一直流電容C1并聯(lián)，第一開關(guān)管T1的輸入端為第一直流輸入端P0；第三開關(guān)管T3和第四開關(guān)管T4串聯(lián)后與第二直流電容C2并聯(lián)，第四開關(guān)管T4的輸出端為第二直流輸入端N0；第五開關(guān)管T5的輸入端與第一開關(guān)管T1的輸出端和第二開關(guān)管T2的輸入端相連，第五開關(guān)管T5的輸出端與第七開關(guān)管T7的輸入端相連于中間電容C3的第一端P1；第六開關(guān)管T6的輸入端與第八開關(guān)管T8的輸出端相連于中間電容C3的第二端N1，第六開關(guān)管T6的輸出端與第三開關(guān)管T3的輸出端和第四開關(guān)管T4的輸入端相連；第七開關(guān)管T7和第八開關(guān)管T8串聯(lián)后與中間電容C3并聯(lián)；其中，第七開關(guān)管T7的輸出端和第八開關(guān)管T8的輸入端與第一輸出端O1相連，所述第二開關(guān)管T2的輸出端和第三開關(guān)管T3的輸入端與第二輸出端O2相連；所述DC/DC單元的輸入端為第一直流輸入端P0和第二直流輸入端N0，所述DC/DC單元的輸出端為第一端P1和第二端N1，用于補充七電平逆變拓撲結(jié)構(gòu)中間電容C3的功率差額，維持所述中間電容C3的電壓穩(wěn)定。

根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，提供一種七電平逆變器，包括至少一個上述七電平逆變拓撲結(jié)構(gòu)。

上述七電平逆變拓撲結(jié)構(gòu)及七電平逆變器中DC/AC單元，由中間電容C3和直流側(cè)的第一直流電容C1和第二直流電容C2以及開關(guān)管T1～T8來構(gòu)成不同的通路，且采用DC/DC單元來補充中間電容C3的功率差額，進而維持中間電容C3電壓穩(wěn)定，從而輸出七電平電壓，與二極管鉗位型七電平拓撲相比，減少了鉗位二極管數(shù)量；與飛跨電容型七電平拓撲相比，減少了飛跨電容數(shù)量；與級聯(lián)型七電平拓撲相比，減少了獨立電源數(shù)量，因此，本發(fā)明所述七電平逆變拓撲結(jié)構(gòu)及七電平逆變器使用開關(guān)器件數(shù)量少，且各開關(guān)管之間的連接簡單，體積小，成本低，具有較高的工程應(yīng)用價值。

附圖說明

通過參考以下具體實施方式內(nèi)容并且結(jié)合附圖，本發(fā)明的其它目的及結(jié)果將更加明白且易于理解。在附圖中：

圖1是本發(fā)明所述七電平逆變拓撲結(jié)構(gòu)和七電平逆變器的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明所述七電平逆變拓撲結(jié)構(gòu)的第一工作狀態(tài)的示意圖；

圖3是本發(fā)明所述七電平逆變拓撲結(jié)構(gòu)的第二工作狀態(tài)的示意圖；

圖4是本發(fā)明所述七電平逆變拓撲結(jié)構(gòu)的第三工作狀態(tài)的示意圖；

圖5是本發(fā)明所述七電平逆變拓撲結(jié)構(gòu)的第四工作狀態(tài)的示意圖；

圖6是本發(fā)明所述七電平逆變拓撲結(jié)構(gòu)的第五工作狀態(tài)的示意圖；

圖7是本發(fā)明所述七電平逆變拓撲結(jié)構(gòu)的第六工作狀態(tài)的示意圖；

圖8是本發(fā)明所述七電平逆變拓撲結(jié)構(gòu)的第七工作狀態(tài)的示意圖。

圖9是本發(fā)明所述七電平逆變拓撲結(jié)構(gòu)中DC/DC單元另一個實施例的示意圖；

圖10是本發(fā)明所述三相七電平逆變器的等效示意圖。

在附圖中，相同的附圖標記指示相似或相應(yīng)的特征或功能。

具體實施方式

在下面的描述中，出于說明的目的，為了提供對一個或多個實施例的全面理解，闡述了許多具體細節(jié)。然而，很明顯，也可以在沒有這些具體細節(jié)的情況下實現(xiàn)這些實施例。

下面將參照附圖來對根據(jù)本發(fā)明的各個實施例進行詳細描述。

圖1是本發(fā)明所述七電平逆變拓撲結(jié)構(gòu)和七電平逆變器的結(jié)構(gòu)示意圖，如圖1所示，所述七電平逆變拓撲結(jié)構(gòu)由DC/AC單元1和DC/DC單元2構(gòu)成，其中：

DC/AC單元1包括第一直流電容C1和第二直流電容C2、8個開關(guān)管T1～T8、與開關(guān)管反向并聯(lián)的8個二極管D1～D8以及中間電容C3，其中，

第一直流電容C1和第二直流電容C2串聯(lián)，分別具有初始電壓，可以由直流電源提供，也可以由具有初始電壓的電容提供；

中間電容C3具有初始電壓；

第一開關(guān)管T1和第二開關(guān)管T2串聯(lián)后與第一直流電容C1并聯(lián)，第一開關(guān)管T1的輸入端為第一直流輸入端P0，第一開關(guān)管T1的輸出端與第二開關(guān)管T2的輸入端相連；

第三開關(guān)管T3和第四開關(guān)管T4串聯(lián)后與第二直流電容C2并聯(lián)，第四開關(guān)管T4的輸出端為第二直流輸入端N0，第三開關(guān)管T3的輸出端與第四開關(guān)管T4的輸入端相連；

第五開關(guān)管T5的輸入端與第一開關(guān)管T1的輸出端和第二開關(guān)管T2的輸入端相連，第五開關(guān)管T5的輸出端與第七開關(guān)管T7的輸入端相連于中間電容C3的第一端P1；

第六開關(guān)管T6的輸入端與第八開關(guān)管T8的輸出端相連于中間電容C3的第二端N1，第六開關(guān)管T6的輸出端與第三開關(guān)管T3的輸出端和第四開關(guān)管T4的輸入端相連；

第七開關(guān)管T7和第八開關(guān)管T8串聯(lián)后與中間電容C3并聯(lián)；

其中，第七開關(guān)管T7的輸出端和第八開關(guān)管T8的輸入端與第一輸出端O1相連，所述第二開關(guān)管T2的輸出端和第三開關(guān)管T3的輸入端與第二輸出端O2相連。

所述DC/DC單元2的輸入端為第一直流輸入端P0和第二直流輸入端N0，所述DC/DC單元的輸出端為中間電容C3的第一端P1和第二端N1，用于補充七電平逆變拓撲結(jié)構(gòu)中間電容C3的功率差額，維持所述中間電容C3的電壓穩(wěn)定。

上述七電平逆變拓撲結(jié)構(gòu)開關(guān)管數(shù)量少，電容數(shù)少，體積小，成本低，結(jié)構(gòu)簡單，控制簡單。

優(yōu)選地，每一對開關(guān)管互補導通，也就是說，第一開關(guān)管T1和第二開關(guān)管T2的驅(qū)動信號邏輯相反，第三開關(guān)管T3和第四開關(guān)管T4的驅(qū)動信號邏輯相反，第五開關(guān)管T5和第六開關(guān)管T6的驅(qū)動信號邏輯相反，第七開關(guān)管T7和第八開關(guān)管T8的驅(qū)動信號邏輯相反，進一步優(yōu)選地，第一開關(guān)管T1和第三開關(guān)管T3驅(qū)動信號邏輯相同，所述第二開關(guān)管T2和第四開關(guān)管T4的驅(qū)動信號邏輯相同，這樣上述DC/AC單元1共有3組獨立的開關(guān)管，分別是第一開關(guān)管T1、第五開關(guān)管T5、第七開關(guān)管T7，使得開關(guān)管的控制更加簡單。

上述七電平逆變拓撲結(jié)構(gòu)的各開關(guān)管的不同導通與關(guān)斷的組合，可以使得七電平逆變拓撲結(jié)構(gòu)處于不同工作狀態(tài)，圖2～圖8示出了七種工作狀態(tài)，其中：

如圖2所示，第一工作狀態(tài)：第一開關(guān)管T1、第五開關(guān)管T5和第七開關(guān)管T7的驅(qū)動信號均為高電平，第二開關(guān)管T2、第六開關(guān)管T6和第八開關(guān)管T8的驅(qū)動信號均為低電平，其余互補開關(guān)管的驅(qū)動信號可以為高電平也可以為低電平，電流流向為：P0→T1→T5→T7→O1→O2→C1，或者O2→O1→D7→D5→D1→P0→C1；

如圖3所示，第二工作狀態(tài)：第三開關(guān)管T3、第六開關(guān)管T6和第七開關(guān)管T7的驅(qū)動信號均為高電平，第四開關(guān)管T4、第五開關(guān)管T5和第八開關(guān)管T8的驅(qū)動信號均為低電平，其余互補開關(guān)管的驅(qū)動信號可以為高電平也可以為低電平，電流流向為：O2→T3→D6→C3→T7→O1,或者O2→O1→D7→C3→T6→D3；

如圖4所示，第三工作狀態(tài)：第一開關(guān)管T1、第五開關(guān)管T5和第八開關(guān)管T8的驅(qū)動信號均為高電平，第二開關(guān)管T2、第六開關(guān)管T6和第七開關(guān)管T7的驅(qū)動信號均為低電平，其余互補開關(guān)管的驅(qū)動信號可以為高電平也可以為低電平，電流流向為：P0→T1→T5→C3→D8→O1→O2→C1，或者O2→O1→T8→C3→D5→D1→P0→C1；

如圖5所示，第四工作狀態(tài)：第二開關(guān)管T2、第五開關(guān)管T5和第七開關(guān)管T7的驅(qū)動信號均為高電平，第一開關(guān)管T1、第六開關(guān)管T6和第八開關(guān)管T8的驅(qū)動信號均為低電平，其余互補開關(guān)管的驅(qū)動信號可以為高電平也可以為低電平，電流流向為：O2→D2→T5→T7→O1，或者O2→O1→D7→D5→T2；

如圖6所示，第五工作狀態(tài)：第四開關(guān)管T4、第六開關(guān)管T6和第七開關(guān)管T7的驅(qū)動信號均為高電平，第三開關(guān)管T3、第五開關(guān)管T5和第八開關(guān)管T8的驅(qū)動信號均為低電平，其余互補開關(guān)管的驅(qū)動信號可以為高電平也可以為低電平，電流流向為：N0→D4→D6→C3→T7→O1→O2→C2，或者O2→O1→D7→C3→T6→T4→N0→C2；

如圖7所示，第六工作狀態(tài)：第二開關(guān)管T2、第五開關(guān)管T5和第八開關(guān)管T8的驅(qū)動信號均為高電平，第一開關(guān)管T1、第六開關(guān)管T6和第七開關(guān)管T7的驅(qū)動信號均為低電平，其余互補開關(guān)管的驅(qū)動信號可以為高電平也可以為低電平，電流流向為：O2→D2→T5→C3→D8→O1，或者O2→O1→T8→C3→D5→T2；

如圖8所示，第七工作狀態(tài)：第四開關(guān)管T4、第六開關(guān)管T6和第八開關(guān)管T8的驅(qū)動信號均為高電平，第三開關(guān)管T3、第五開關(guān)管T5和第七開關(guān)管T7的驅(qū)動信號均為低電平，其余互補開關(guān)管的驅(qū)動信號可以為高電平也可以為低電平，電流流向為：N0→D4→D6→D8→O1→O2→C2，或者O2→O1→T8→T6→T4→N0→C2。

本發(fā)明所述七電平逆變拓撲結(jié)構(gòu)中，通過中間電容C3和直流側(cè)的第一直流電容C1和第二直流電容C2的電壓組合可以輸出多種電平電壓，例如，第一直流電容C1與第二直流電容C2參數(shù)相同，初始電壓均為3E，所述中間電容C3的初始電壓為2E，所述第一輸出端O1和第二輸出端O2在上述七種工作狀態(tài)下的壓差分別為：3E、2E、E、0、-E、-2E、-3E，又如，第一直流電容C1和第二直流電容C2初始電壓均為3E，所述中間電容C3的初始電壓為E，所述第一輸出端O1和第二輸出端O2在上述七種工作狀態(tài)下的壓差分別為：3E、E、2E、0、-2E、-E、-3E。另外，在各輸出電平值情況下，中間電容C3充/放電狀態(tài)只能為充電/放電/旁路三者之一，在C3的初始電壓為E情況下，在第一工作狀態(tài)、第四工作狀態(tài)和第七工作狀態(tài)，中間電容C3處于旁路狀態(tài)；在第二工作狀態(tài)，由中間電容C3的電壓輸出+E電平，中間電容C3只充電或者只放電；在第三工作狀態(tài)，由第一直流電容C1的電壓與中間電容C3的電壓相減輸出+2E電平，此時中間電容C3只充電或者只放電；在第五工作狀態(tài)，由第二直流電容C2的電壓與中間電容C3的電壓相加輸出-2E電平，此時中間電容C3只充電或者只放電；在第六工作狀態(tài)，由中間電容C3的電壓輸出-E電平，中間電容C3只充電或者只放電。

上述七電平逆變拓撲結(jié)構(gòu)DC/AC單元1的中間電容C3在一個調(diào)制波周期內(nèi)，充電功率和放電功率不相等導致難以維持其電壓穩(wěn)定，DC/DC單元2用于補充七電平逆變拓撲結(jié)構(gòu)中間電容C3的功率差額，維持所述中間電容C3的電壓穩(wěn)定，在一個優(yōu)選實施例中，所述DC/DC單元2包括4個開關(guān)管T9～T12、與開關(guān)管反向并聯(lián)的二極管D9～D12以及第二電感L2組成，其中：

第九開關(guān)管T9的輸入端與第一直流輸入端P0相連，第九開關(guān)管T9的輸出端與第十二開關(guān)管T12的輸入端相連；

第十開關(guān)管T10的輸入端與第十一開關(guān)管T11的輸出端相連，第十開關(guān)管T10的輸出端與第二直流輸入端N0相連；

第十一開關(guān)管T11、第二電感L2和第十二開關(guān)管T12串聯(lián)；

第十一開關(guān)管T11的輸入端與中間電容的第一端P1相連，第十一開關(guān)管T11的輸出端與第二電感L2相連；

第十二開關(guān)管T12的輸入端與第二電感L2相連，第十二開關(guān)管T12的輸出端與中間電容的第二端N1相連。

優(yōu)選地，第九開關(guān)管T9與第十開關(guān)管T10同時導通，第十一開關(guān)管T11與第十二開關(guān)管T12同時導通，第九開關(guān)管T9與第十一開關(guān)管T11互補導通，這樣上述DC/DC單元2有1組獨立的開關(guān)管，即第九開關(guān)管T9，從而七電平逆變拓撲結(jié)構(gòu)可以共有4組獨立的開關(guān)管，分別是第一開關(guān)管T1、第五開關(guān)管T5、第七開關(guān)管T7和第九開關(guān)管T9。

上述DC/DC單元可以克服中間電容C3在一個調(diào)制波周期內(nèi)難以維持電壓穩(wěn)定的缺點，其工作過程如下：

⑴第九開關(guān)管T9和第十開關(guān)管T10同時導通，第十一開關(guān)管T11和第十二開關(guān)管T12同時關(guān)斷，第二電感L2通過第九開關(guān)管T9和第十開關(guān)管T10儲存能量；

⑵第九開關(guān)管T9和第十開關(guān)管T10同時關(guān)斷，第十一開關(guān)管T11和第十二開關(guān)管T12同時開通，第二電感L2的電流方向由下向上保持不變，第二電感L2釋放能量給電容C3充電；

⑶第九開關(guān)管T9和第十開關(guān)管T10同時關(guān)斷，第十一開關(guān)管T11和第十二開關(guān)管T12同時開通，電容C3釋放能量，通過第十一開關(guān)管T11和第十二開關(guān)管T12給第二電感L2儲存能量；

⑷第九開關(guān)管T9和第十開關(guān)管T10同時開通，第十一開關(guān)管T11和第十二開關(guān)管T12同時關(guān)斷，第二電感L2釋放能量。

圖1中僅僅示出了DC/DC單元的一個實施例，但是本發(fā)明并不限于此，實際電路中也可以采用其他DC/DC電路拓撲結(jié)構(gòu)，例如全橋型雙有源橋DC/DC電路拓撲結(jié)構(gòu)，如圖9所示，此拓撲結(jié)構(gòu)的輸入輸出由兩個全橋單元經(jīng)變壓器T連接而成，采用橋間移相的控制方式可以實現(xiàn)功率流的雙向傳輸，以維持電容C3的電壓穩(wěn)定。

上述七電平逆變拓撲結(jié)構(gòu)包括DC/AC單元和DC/DC單元，其中，DC/AC單元通過中間電容C3和直流側(cè)的第一直流電容C1和第二直流電容C2的電壓組合進而通過開關(guān)管T1～T8輸出七電平電壓，但是由于在一個調(diào)制波周期內(nèi)，中間電容C3充電功率和放電功率難以保持相等，中間C3電壓難以穩(wěn)定，針對此問題，本發(fā)明采用DC/DC單元來補充DC/AC單元的功率差額，進而維持中間電容C3電壓穩(wěn)定，中間電容C3充電和放電的功率差額即為DC/DC電路的傳輸功率，因此所需DC/DC單元的電路容量小。

上述開關(guān)管T1～T12可以根據(jù)實際電壓和功率等級選用功率開關(guān)管，如MOSFET或IGBT，附圖中以IGBT為例進行說明，二極管的陽極與功率開關(guān)管的發(fā)射極連接，二極管的陰極與功率開關(guān)管的集電極相連接，但是本發(fā)明并不限于此。

在本發(fā)明的一個可選實施例中，上述七電平逆變拓撲結(jié)構(gòu)還包括濾波單元，設(shè)置在所述第一輸出端O1和第二輸出端O2之間，所述濾波單元可以為濾波器，優(yōu)選地，如圖1所示，所述濾波單元為串聯(lián)的濾波電容C4和第一電感L1，濾波電容C4和負載電阻R并聯(lián)后與濾波電感L串聯(lián)，所述第一電感L1連接到第一輸出端O1，所述濾波電容C4連接到第二輸出端O2。

圖1示出了本發(fā)明所述七電平逆變器，如圖1所示，所述七電平逆變器包括至少一個上述七電平逆變拓撲結(jié)構(gòu)，還可以包括控制單元(未示出)，所述控制單元，生成觸發(fā)脈沖控制七電平逆變器拓撲結(jié)構(gòu)中各開關(guān)管的通斷，通過不同開關(guān)管導通與關(guān)斷的組合，實現(xiàn)所述七電平逆變拓撲結(jié)構(gòu)的不同工作狀態(tài)。

圖1示出的七電平逆變拓撲結(jié)構(gòu)為單相七電平逆變拓撲結(jié)構(gòu)，圖1示出的包括一個單相七電平逆變拓撲結(jié)構(gòu)的七電平逆變器為單相七電平逆變器，但是本發(fā)明并不限于此，優(yōu)選地，所述七電平逆變器包括多個所述七電平逆變拓撲結(jié)構(gòu)，所述多個七電平逆變拓撲結(jié)構(gòu)電路組合，形成多相逆變器，例如：三相逆變器，如圖10所示，三個所述單相七電平逆變拓撲的三個第二輸出端O2相連作為中性點，三個第一輸出端O1與三相交流負載相連，三個第一直流輸入端P0相連后與直流電源正極相連，三個第二直流輸入端N0相連后與直流電源負極相連。

在本發(fā)明的實施例中，反向并聯(lián)二極管D1～D12可以是獨立的二極管，也可以是與開關(guān)管T1～T12集成封裝在一起的二極管。

上述七電平逆變器相對于傳統(tǒng)七電平逆變器而言，二極管、開關(guān)管及電容器數(shù)量減少很多，使得逆變器損耗小、效率高，且連接結(jié)構(gòu)簡單從而簡化了七電平逆變器的拓撲，使得控制簡單，且降低了成本，同時在保證中間電容C3電壓穩(wěn)定的基礎(chǔ)上，DC/DC單元的電路容量小，適用于中高壓、大功率應(yīng)用場合，且在新能源并網(wǎng)發(fā)電領(lǐng)域也具有廣闊的應(yīng)用前景。

盡管前面公開的內(nèi)容示出了本發(fā)明的示例性實施例，但是應(yīng)當注意，在不背離權(quán)利要求限定的范圍的前提下，可以進行多種改變和修改。此外，盡管本發(fā)明的元素可以以個體形式描述或要求，但是也可以設(shè)想具有多個元素，除非明確限制為單個元素。