一种多电平逆变器的制作方法

本实用新型涉及电力电子技术领域，特别涉及一种多电平逆变器。

背景技术：

随着电力电子技术的不断发展，脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation，PWM)已经逐渐成为主流的电力电子逆变器控制方式，在不间断供电设备(Uninterruptible Power Supply，UPS)、光伏逆变器、风能变流器以及电机变流器等方面应用越来越广泛。

从PWM调制逆变器输出的相电压的电平数量上，可将逆变器划分为两电平逆变器器、三电平逆变器器、五电平逆变器以及多电平逆变器，从实现的复杂度上，五电平及更多电平的多电平逆变器实现起来比较困难，目前业界应用较多的是两电平和三电平逆变器。

两电平逆变器实现起来比较简单，成本较低，但是由于开关器件要承受整个母线电压应力，因此必须选择耐压等级较高的开关器件。两电平逆变器和三电平逆变器的开关损耗较大，限制了PWM开关频率的提高。另外，由于两电平和三电平输出电压谐波含量较高，导致输出滤波器的体积和损耗都比较大。

图1A为现有的一种多电平逆变器结构示意图，包括第一母线电容C1、第二母线电容C2、第三母线电容C3、第四母线电容C4、第七开关单元17、第八开关单元18、逆变电路和滤波电路10；所述逆变电路包括第一开关单元11、第二开关单元12、第三开关单元13、第四开关单元14、第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3和第四二极管D4；所述第二开关单元12和第三开关单元13串接点与所述滤波电路10连接。图中的第三二极管D3和第四二极管D4通态压降较高，导致这种逆变器的电路结构导通损耗较高，同时该逆变器拓扑不能完全实现四个象限的五电平运行，开关损耗较高，所以电路功耗大。

技术实现要素：

本实用新型实施例公开了一种多电平逆变器，并采用同步整流技术用以解决现有多电平逆变器的开关单元的导通损耗较高变换效率低下的问题。

为达到上述目的，本实用新型实施例公开了一种多电平逆变器，包括：第一母线电容、第二母线电容、第三母线电容、第四母线电容、第七开关单元、第八开关单元、逆变电路和滤波电路；

所述第一母线电容、第二母线电容、第三母线电容和第四母线电容串联于正、负直流母线之间且第二母线电容和第三母线电容串接点接地；

所述逆变电路包括第一开关单元、第二开关单元、第三开关单元、第四开关单元、第五开关单元、第六开关单元、第一二极管和第二二极管；所述第一开关单元、第二开关单元、第三开关单元、第四开关单元同向串联于正、负直流母线之间，且第二开关单元和第三开关单元串接点与所述滤波电路连接；所述第五开关单元与第一二极管的负极连接，所述第五开关单元的一未与第一二极管相连的非控制端连接于第一开关单元和第二开关单元的串接点，第一二极管的正极连接于第二母线电容和第三母线电容串接点；所述第六开关单元与第二二极管的正极连接，所述第六开关单元的一未与第二二极管相连的非控制端连接于第三开关单元和第四开关单元的串接点，第二二极管的负极连接于第二母线电容和第三母线电容串接点，其中，所述第五开关单元和第六开关单元为反并联体二极管的开关管；

所述第七开关单元的一端与所述第一二极管的负极连接，所述第七开关单元的一未与第一二极管相连的非控制端连接于第一母线电容和第二母线电容串接点；

所述第八开关单元的一端与所述第二二极管的正极连接，所述第八开关单元的一未与第二二极管相连的非控制端连接于第三母线电容和第四母线电容串接点。

进一步地，所述逆变电路的第一开关单元、第二开关单元、第三开关单元、第四开关单元、第五开关单元、第六开关单元中的任意一个开关单元包括反并联体二极管的开关管。

进一步地，所述第七开关单元包括反并联体二极管的开关管。

进一步地，所述第八开关单元包括反并联体二极管的开关管。

进一步地，所述滤波电路包括：储能电感和第五电容；

所述储能电感和第五电容串联；

所述储能电感的未与所述第五电容连接的一端连接在第二开关单元和第三开关单元的串接点；

所述第五电容的未与所述储能电感连接的一端接0V。

本实用新型实施例提供了一种多电平逆变器，包括第一母线电容、第二母线电容、第三母线电容、第四母线电容、第七开关单元、第八开关单元、逆变电路和滤波电路；所述第一母线电容、第二母线电容、第三母线电容和第四母线电容串联于正、负直流母线之间且第二母线电容和第三母线电容串接点接地；所述逆变电路包括第一开关单元、第二开关单元、第三开关单元、第四开关单元、第五开关单元、第六开关单元、第一二极管和第二二极管；所述第一开关单元、第二开关单元、第三开关单元、第四开关单元同向串联于正、负直流母线之间，且第二开关单元和第三开关单元串接点与所述滤波电路连接；所述第五开关单元与第一二极管的负极连接，所述第五开关单元的一未与第一二极管相连的非控制端连接于第一开关单元和第二开关单元的串接点，第一二极管的正极连接于第二母线电容和第三母线电容串接点；所述第六开关单元与第二二极管的正极连接，所述第六开关单元的一未与第二二极管相连的非控制端连接于第三开关单元和第四开关单元的串接点，第二二极管的负极连接于第二母线电容和第三母线电容串接点，其中，所述第五开关单元和第六开关单元为反并联体二极管的开关管；所述第七开关单元的一端与所述第一二极管的负极连接，所述第七开关单元的一未与第一二极管相连的非控制端连接于第一母线电容和第二母线电容串接点；所述第八开关单元的一端与所述第二二极管的正极连接，所述第八开关单元的一未与第二二极管相连的非控制端连接于第三母线电容和第四母线电容串接点。由于本实用新型的多电平逆变器中采用了功耗小的反并联体二极管的开关管，因此减小了多电平逆变器的开关单元的功率损耗，从而减小了电路功耗。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型，下面将对实施例或现有技术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实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1A为现有的一种多电平逆变器结构示意图；

图1B为本实用新型实施例提供的一种多电平逆变器结构示意图；

图2为本实用新型实施例提供的一种多电平逆变器结构示意图；

图3为本实用新型实施例提供的多电平逆变器的逆变拓扑带阻感性负载输出的电压和电流示意图；

图3A为图2所示的多电平逆变器的第一象限模态1的电流通路；

图3B为图2所示的多电平逆变器的第一象限模态2的电流通路示意图；

图3C为图2所示的多电平逆变器的第一象限模态3的电流通路示意图；

图3E为图2所示的多电平逆变器的第二象限模态2的电流通路示意图；

图3F为图2所示的多电平逆变器的第二象限模态3的电流通路示意图；

图3G为图2所示的多电平逆变器的第三象限模态1的电流通路示意图；

图3H为图2所示的多电平逆变器的第三象限模态2的电流通路示意图；

图3I为图2所示的多电平逆变器的第三象限模态3的电流通路示意图；

图3K为图2所示的多电平逆变器的第四象限模态2的电流通路示意图；

图3L为图2所示的多电平逆变器的第四象限模态3的电流通路示意图；

图4为图2所示的多电平逆变器的时序图。

具体实施方式

为了减小多电平逆变器的开关单元的的功率损耗，从而减小了电路功耗的问题，本实用新型提供了一种多电平逆变器。

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

图1B为本实用新型提供的一种多电平逆变器结构示意图，包括第一母线电容C1、第二母线电容C2、第三母线电容C3、第四母线电容C4、第七开关单元17、第八开关单元18、逆变电路和滤波电路10；

所述第一母线电容C1、第二母线电容C2、第三母线电容C3和第四母线电容C4串联于正、负直流母线之间且第二母线电容C2和第三母线电容C3串接点接地；

所述逆变电路包括第一开关单元11、第二开关单元12、第三开关单元13、第四开关单元14、第五开关单元15、第六开关单元16、第一二极管D1和第二二极管D2；所述第一开关单元11、第二开关单元12、第三开关单元13、第四开关单元14同向串联于正、负直流母线之间，且第二开关单元12和第三开关单元13串接点与所述滤波电路10连接；所述第五开关单元15与第一二极管D1的负极连接，所述第五开关单元15的一未与第一二极管D1相连的非控制端连接于第一开关单元11和第二开关单元12的串接点，第一二极管D1的正极连接于第二母线电容C2和第三母线电容C3串接点；所述第六开关单元16与第二二极管D2的正极连接，所述第六开关单元16的一未与第二二极管D2相连的非控制端连接于第三开关单元13和第四开关单元14的串接点，第二二极管D2的负极连接于第二母线电容C2和第三母线电容C3串接点，其中，所述第五开关单元和第六开关单元为反并联体二极管的开关管；

所述第七开关单元17的一端与所述第一二极管D1的负极连接，所述第七开关单元17的一未与第一二极管D1相连的非控制端连接于第一母线电容C1和第二母线电容C2串接点；

所述第八开关单元18的一端与所述第二二极管D2的正极连接，所述第八开关单元18的一未与第二二极管D2相连的非控制端连接于第三母线电容C3和第四母线电容C4串接点。

由于本实用新型的多电平逆变器中采用了通态电阻比较小的反并联体二极管的开关管，因此减小了多电平逆变器的开关单元的功率损耗，从而减小了电路功耗。

具体的，所述滤波电路10可以由一储能电感和一电容串联；或者由一储能电感和一电容并联，且一电阻并联所述电容而成。

为了进一步的减小多电平逆变器的开关功耗，并进一步减小电路功耗，在本实用新型实施例中：

可选地，第一开关单元11包括反并联体二极管的开关管。

可选地，第二开关单元12包括反并联体二极管的开关管。

可选地，第三开关单元13包括反并联体二极管的开关管。

可选地，第四开关单元14包括反并联体二极管的开关管。

当第一开关单元、第二开关单元、第三开关单元和第四开关单元为反并联体二极管的开关管时，该电平逆变器的结构示意图如图2所示。

在图2中，第一开关单元11为反并联体二极管的开关管S1，第二开关单元12为反并联体二极管的开关管S2，第三开关单元13为反并联体二极管的开关管S3，第四开关单元14为反并联体二极管的开关管S4，第五开关单元15为反并联体二极管的开关管S5，第六开关单元16为反并联体二极管的开关管S6。

反并联体二极管的开关管S1、反并联体二极管的开关管S2、反并联体二极管的开关管S3、反并联体二极管的开关管S4、反并联体二极管的开关管S5和反并联体二极管的开关管S6、第一二极管D1和第二二极管D2构成逆变电路。

所述反并联体二极管的开关管S1、反并联体二极管的开关管S2、反并联体二极管的开关管S3和反并联体二极管的开关管S4同向串联于正、负直流母线之间，且反并联体二极管的开关管S2和反并联体二极管的开关管S3串接点与所述10连接；所述反并联体二极管的开关管S5与第一二极管D1的负极连接，所述反并联体二极管的开关管S5的一未与第一二极管D1相连的非控制端连接于反并联体二极管的开关管S1和反并联体二极管的开关管S2的串接点，第一二极管D1的正极连接于第二母线电容C2和第三母线电容C3串接点；所述反并联体二极管的开关管S6与第二二极管D2的正极连接，所述反并联体二极管的开关管S6的一未与第二二极管D2相连的非控制端连接于反并联体二极管的开关管S3和反并联体二极管的开关管S4的串接点，第二二极管D3的负极连接于第二母线电容C2和第三母线电容C3串接点。

所述第七开关单元17包括反并联体二极管的开关管S7。

所述第八开关单元18包括反并联体二极管的开关管S8。

所述滤波电路10包括：储能电感L和第五电容C5；

所述储能电感L和第五电容C5串联；

所述储能电感L的未与所述第五电容C5连接的一端连接在第二开关单元12和第三开关单元13的串接点；

所述第五电容C5的未与所述储能电感L连接的一端接0V。

所述储能电感L的未与所述第五电容C5连接的一端连接在第二开关单元12和第三开关单元13的串接点即连接在反并联体二极管的开关管S2和反并联体二极管的开关管S3的串接点。

在本实用新型实施例中，所述反并联体二极管的开关管S1、反并联体二极管的开关管S2、反并联体二极管的开关管S3和反并联体二极管的开关管S4相连的连接点的脉动电压包括+Vbus、+1/2Vbus、0、-1/2Vbus、-Vbus五个电平，其中，Vbus为半母线电压。

根据图3所示的逆变拓扑带阻感性负载输出的电压和电流，可以将一个工频周期内的电流划分为I象限，II象限，III象限和IV象限。

其中，在I象限中，图3所示的逆变拓扑输出的电压大于零，输出的电流小于零(即电流从储能电感L的右侧流到储能电感L的左侧)；在II象限中，图3所示的逆变拓扑输出的电压大于零，输出的电流大于零(即电流从储能电感L的右侧流到储能电感L的左侧)；在III象限中，图3所示的逆变拓扑输出的电压小于零，输出的电流大于零；在IV象限中，图3所示的逆变拓扑输出的电压小于零，输出的电流小于零。

所述多电平逆变器的反并联体二极管的开关管S1、反并联体二极管的开关管S2、反并联体二极管的开关管S3、反并联体二极管的开关管S4、反并联体二极管的开关管S7和反并联体二极管的开关管S8的驱动时序电路和现有的驱动电路一样。反并联体二极管的开关管S5、反并联体二极管的开关管S6的驱动时序电路如图4所示。

图3所示的逆变拓扑在第一象限输出对应的电流流通路径分别如图3A、3B和3C所示，其中图3A为多电平逆变器的第一象限模态1的电流通路示意图，在模态1下A点的输出电流的方向如图所示，控制反并联体二极管的开关管S5工作在同步整流状态，A点的输出电压为0V，反并联体二极管的开关管S5导通、反并联体二极管的开关管S2导通，反并联体二极管的开关管S1不导通、反并联体二极管的开关管S4不导通、反并联体二极管的开关管S8不导通，所以电流通过第一二极管D1、反并联体二极管的开关管S5、反并联体二极管的开关管S2、储能电感L、电容C5构成续流回路。

如图3B为多电平逆变器的第一象限模态2的电流通路示意图，模态2下A点的输出的电流方向如图所示，控制反并联体二极管的开关管S5工作在同步整流状态，A点的输出电压为+1/2Vbus，其中Vbus为半母线电压，2Vbus为母线电压。反并联体二极管的开关管S2导通、反并联体二极管的开关管S5和反并联体二极管的开关管S7导通，反并联体二极管的开关管S1不导通和反并联体二极管的开关管S3不导通。所以电流通过第二母线电容C2、反并联体二极管的开关管S7、反并联体二极管的开关管S5、反并联体二极管的开关管S2、储能电感L、电容C5构成续流回路。

图3C为多电平逆变器的第一象限模态3的电流通路示意图，模态3下A点的输出电流的方向如图所示，A点的输出电压为+Vbus，其中Vbus为半母线电压，2Vbus为母线电压。反并联体二极管的开关管S1导通、反并联体二极管的开关管S2导通，反并联体二极管的开关管S7不导通、反并联体二极管的开关管S3不导通。所以电流通过第二母线电容C2、第一母线电容C1、反并联体二极管的开关管S1、反并联体二极管的开关管S2、储能电感L、电容C5构成续流回路。

图3所示的逆变拓扑在第二象限输出对应的电流流通路径分别如图3E和3F所示，第二象限模态1的电流通路示意图与3A相同，在模态1下输出的A点的输出电流方向如图3A所示，控制反并联体二极管的开关管S5工作在同步整流状态，A点的输出电压为0V，电流通过第一二极管D1、反并联体二极管的开关管S5、反并联体二极管的开关管S2、储能电感L、电容C5构成续流回路。此时，反并联体二极管的开关管S5工作在同步整流状态。

图3E为多电平逆变器的第二象限模态2的电流通路示意图，在模态2下A点的输出电流方向如图所示，控制反并联体二极管的开关管S8和反并联体二极管的开关管S3工作在同步整流状态，A点的输出电压为-1/2Vbus，其中Vbus为半母线电压，2Vbus为母线电压。反并联体二极管的开关管S8导通、反并联体二极管的开关管S6导通和反并联体二极管的开关管S3导通，反并联体二极管的开关管S2不导通、反并联体二极管的开关管S4不导通。所以电流通过第三母线电容C3、反并联体二极管的开关管S8、反并联体二极管的开关管S6、反并联体二极管的开关管S3、储能电感L、电容C5构成续流回路。

图3F为多电平逆变器的第二象限模态3的电流通路示意图，在模态3下A点的输出电流方向如图所示，控制反并联体二极管的开关管S4和反并联体二极管的开关管S3工作在同步整流状态，A点的输出电压为-Vbus，其中Vbus为半母线电压，2Vbus为母线电压。控制反并联体二极管的开关管S3导通和反并联体二极管的开关管S4导通，反并联体二极管的开关管S2不导通。所以电流通过第三母线电容C3、第四母线电容C4、反并联体二极管的开关管S4、反并联体二极管的开关管S3、储能电感、电容C5构成续流回路。此时，反并联体二极管的开关管S4、反并联体二极管的开关管S3工作在同步整流状态。

图3所示的逆变拓扑在第三象限输出对应的电流流通路径分别如图3G、3H和3I所示，其中图3G为多电平逆变器的第三象限模态1的电流通路示意图，在模态1下A点的输出电流方向如图所示，控制反并联体二极管的开关管S6工作在同步整流状态，A点的输出电压为0V，反并联体二极管的开关管S1不导通和反并联体二极管的开关管S7不导通，反并联体二极管的开关管S3导通、反并联体二极管的开关管S6导通。所以电流通过电容C5、储能电感L、反并联体二极管的开关管S3、反并联体二极管的开关管S6、第二二极管D2构成续流回路。

图3H为多电平逆变器的第三象限模态2的电流通路示意图，在模态2下A点的输出电流方向如图所示，控制反并联体二极管的开关管S6工作在同步整流状态，A点的输出电压为-1/2Vbus，其中Vbus为半母线电压，2Vbus为母线电压。反并联体二极管的开关管S2不导通，反并联体二极管的开关管S3、反并联体二极管的开关管S6、反并联体二极管的开关管S8导通，所以电流通过电容C5、储能电感、反并联体二极管的开关管S3、反并联体二极管的开关管S6、反并联体二极管的开关管S8、第三母线电容C3构成续流回路。

图3I为多电平逆变器的第三象限模态3的电流通路示意图，在模态3下A点的输出电流方向如图所示，A点的输出电压为-Vbus，其中Vbus为半母线电压，2Vbus为母线电压。反并联体二极管的开关管S2不导通，反并联体二极管的开关管S3、反并联体二极管的开关管S4导通，所以电流通过电容C5、储能电感L、反并联体二极管的开关管S3、反并联体二极管的开关管S4、第四母线电容C4、第三母线电容C3构成续流回路。

图3所示的逆变拓扑在第四象限输出对应的电流流通路径分别如图3K和3L所示，其中第四象限模态1的电流通路示意图与图3G相同，在模态1下A点的输出电流方向如图所示，控制反并联体二极管的开关管S6工作在同步整流状态，A点的输出电压为0V，电流通过电容C5、储能电感L、反并联体二极管的开关管S3、反并联体二极管的开关管S6、第二二极管D2构成续流回路。

图3K为图2所示的多电平逆变器的第四象限模态2的电流通路示意图，模态2下A点的输出电流方向如图所示，控制反并联体二极管的开关管S8和反并联体二极管的开关管S3工作在同步整流状态，A点的输出电压为+1/2Vbus，其中Vbus为半母线电压，2Vbus为母线电压。反并联体二极管的开关管S2导通、反并联体二极管的开关管S5和反并联体二极管的开关管S7导通，反并联体二极管的开关管S1不导通和反并联体二极管的开关管S3不导通。所以电流通过电容C5、储能电感L、反并联体二极管的开关管S2、反并联体二极管的开关管S5、反并联体二极管的开关管S7、第二母线电容C2构成续流回路。此时，反并联体二极管的开关管S2、反并联体二极管的开关管S7工作在同步整流状态。

图3L为图2所示的多电平逆变器的第四象限模态3的电流通路示意图，在模态3下A点的输出电流方向如图所示，A点的输出电压为+Vbus，其中Vbus为半母线电压，2Vbus为母线电压。反并联体二极管的开关管S1导通、反并联体二极管的开关管S2导通，反并联体二极管的开关管S7不导通、反并联体二极管的开关管S3不导通。所以电流通过电容C5、储能电感L、反并联体二极管的开关管S2、反并联体二极管的开关管S1、第一母线电容C1、第二母线电容C2构成续流回路。

本实用新型实施例提供了一种多电平逆变器，包括第一母线电容、第二母线电容、第三母线电容、第四母线电容、第七开关单元、第八开关单元、逆变电路和滤波电路；所述第一母线电容、第二母线电容、第三母线电容和第四母线电容串联于正、负直流母线之间且第二母线电容和第三母线电容串接点接地；所述逆变电路包括第一开关单元、第二开关单元、第三开关单元、第四开关单元、第五开关单元、第六开关单元、第一二极管和第二二极管；所述第一开关单元、第二开关单元、第三开关单元、第四开关单元同向串联于正、负直流母线之间，且第二开关单元和第三开关单元串接点与所述滤波电路连接；所述第五开关单元与第一二极管的负极连接，所述第五开关单元的一未与第一二极管相连的非控制端连接于第一开关单元和第二开关单元的串接点，第一二极管的正极连接于第二母线电容和第三母线电容串接点；所述第六开关单元与第二二极管的正极连接，所述第六开关单元的一未与第二二极管相连的非控制端连接于第三开关单元和第四开关单元的串接点，第二二极管的负极连接于第二母线电容和第三母线电容串接点，其中，所述第五开关单元和第六开关单元为反并联体二极管的开关管；所述第七开关单元的一端与所述第一二极管的负极连接，所述第七开关单元的一未与第一二极管相连的非控制端连接于第一母线电容和第二母线电容串接点；所述第八开关单元的一端与所述第二二极管的正极连接，所述第八开关单元的一未与第二二极管相连的非控制端连接于第三母线电容和第四母线电容串接点。由于本实用新型的多电平逆变器中采用了通态电阻比较小的反并联体二极管的开关管，因此减小了多电平逆变器的开关单元的功率损耗，从而减小了电路功耗。

上述已描述了本申请的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本申请范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。