一种单电源级联型开关电容多电平逆变电路的制作方法

本发明涉及电力电子功率变换器技术领域，特别涉及一种单电源级联型开关电容多电平逆变电路。

背景技术：

随着石油、煤炭等化石能源的日益枯竭，能源危机和能源污染步步逼近，获取新型能源的需求已经变得十分迫切，以风能和太阳能为代表的分布式发电技术以及以电池和超级电容为代表的分布式储能技术越来越受到世界各国的高度重视。这些新兴能源和新技术的发展和应用高度依赖于电力电子逆变装置的性能。

然而，传统的两电平逆变电路具有谐波含量高和效率低等缺陷。近年来，随着电力电子技术的高速发展，多电平逆变电路备受关注，其优点包括输出电压谐波含量少、器件电压应力低、电磁干扰少和效率较高等。典型的多电平逆变电路包括二极管钳位型、电容钳位型和h桥级联型。其中，二极管钳位型和电容钳位型多电平逆变电路都存在电容电压需要外加电压均衡电路的问题，而h桥级联型多电平逆变电路需要多个独立的直流电源。因此，如何提供一种电路结构简单且输入电源数量少的多电平逆变电路，是现今急需解决的问题。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种单电源级联型开关电容多电平逆变电路，以利用简单灵活的结构将一个直流电压源的恒定直流电压转换为多电平交流输出。

为解决上述技术问题，本发明提供一种单电源级联型开关电容多电平逆变电路，包括：第一全桥、第二全桥、双向全控开关、开关电容直流多电平升压电路和开关电容直流多电平降压电路；

其中，所述第一全桥和所述第二全桥分别包括各自对应的4个全控开关，所述开关电容直流多电平升压电路或所述开关电容直流多电平降压电路包括直流电压源；

所述开关电容直流多电平升压电路的第一端与所述第一全桥的输入正端连接，所述开关电容直流多电平升压电路的第二端与所述第一全桥的输入负端连接，用于将所述产生n种第一等间距电平；n为大于或等于2的正整数，所述第一等间距电平大于或等于所述直流电压源的输出电压；

所述开关电容直流多电平降压电路的第一端与所述第二全桥的输入正端连接，所述开关电容直流多电平降压电路的第二端与所述第二全桥的输入负端连接，用于产生m种第二等间距电平；m为大于或等于2的正整数，所述第二等间距电平小于或等于所述直流电压源的输出电压；

所述双向全控开关的第一端与所述第一全桥的输入负端连接，所述双向全控开关的第二端与所述第二全桥的输入负端连接；所述第一全桥的输出负端与所述第二全桥的输出正端连接，所述第一全桥的输出正端和所述第二全桥的输出负端用于与负载连接，输出预设数量种不同电平的多电平交流电；所述预设数量小于或等于2m×(n+1)+1。

可选的，所述第一全桥包括：第一全控开关、第二全控开关、第三全控开关和第四全控开关；其中，所述第一全控开关的第一端与所述第三全控开关的第一端连接其公共端作为所述第一全桥的输入正端，所述第二全控开关的第二端与所述第四全控开关的第二端连接其公共端作为所述第一全桥的输入负端，所述第一全控开关的第二端与所述第二全控开关的第一端连接其公共端作为所述第一全桥的输出正端，所述第三全控开关的第二端与所述第四全控开关的第一端连接其公共端作为所述第一全桥的输出负端；

所述第二全桥包括：第五全控开关、第六全控开关、第七全控开关和第八全控开关；其中，所述第五全控开关的第一端与所述第七全控开关的第一端连接其公共端作为所述第二全桥的输入正端，所述第六全控开关的第二端与所述第八全控开关的第二端连接其公共端作为所述第二全桥的输入负端，所述第五全控开关的第二端与所述第六全控开关的第一端连接其公共端作为所述第二全桥的输出正端，所述第七全控开关的第二端与所述第八全控开关的第一端连接其公共端作为所述第二全桥的输出负端。

可选的，所述开关电容直流多电平升压电路为含有所述直流电压源的有源型开关电容直流多电平升压电路；

对应的，所述开关电容直流多电平降压电路为不含所述直流电压源的无源型开关电容直流多电平降压电路。

可选的，n为2时，所述有源型开关电容直流多电平升压电路，包括：所述直流电压源、第一电容器、第九全控开关、第十全控开关和第十一全控开关；

其中，所述直流电压源的正极与所述第十全控开关的第一端和所述第十一全控开关的第二端连接，所述直流电压源的负极与所述第九全控开关的第二端连接其公共端作为所述有源型开关电容直流多电平升压电路的第二端，所述第一电容器的第一端与所述第十一全控开关的第一端连接其公共端作为所述有源型开关电容直流多电平升压电路的第一端，所述第一电容器的第二端与所述第九全控开关的第一端和所述第十全控开关的第二端连接。

可选的，m为2时，所述无源型开关电容直流多电平降压电路，包括：第二电容器、第三电容器、第十二全控开关、第十三全控开关和第十四全控开关；

其中，所述第三电容器第一端与所述第十三全控开关的第一端和所述第十四全控开关的第二端连接，所述第三电容器第二端与所述第十二全控开关的第二端连接其公共端作为所述无源型开关电容直流多电平降压电路的第二端，所述第二电容器的第一端与所述第十四全控开关的第一端连接其公共端作为所述无源型开关电容直流多电平降压电路的第一端，所述第二电容器的第二端所述第十二全控开关的第一端和所述第十三全控开关的第二端连接。

可选的，所述第十二全控开关、所述第十三全控开关和所述第十四全控开关均为二极管。

可选的，所述开关电容直流多电平升压电路为不含所述直流电压源的无源型开关电容直流多电平升压电路；

对应的，所述开关电容直流多电平降压电路为含有所述直流电压源的有源型开关电容直流多电平降压电路。

可选的，m为2时，所述有源型开关电容直流多电平降压电路，包括：所述直流电压源、第四电容器、第五电容器、第十五全控开关、第十六全控开关、第十七全控开关和第十八全控开关；

其中，所述直流电压源的正极与所述第十八全控开关的第二端连接，所述第十八全控开关的第一端与所述第四电容器的第一端和所述第十七全控开关的第一端连接其公共端作为所述有源型开关电容直流多电平降压电路的第一端，所述第四电容器的第二端与所述第十五全控开关的第一端和所述第十六全控开关的第二端连接，所述第五电容器的第一端与所述第十六全控开关的第一端和所述第十七全控开关的第二端连接，所述第五电容器的第二端与所述第十五全控开关的第二端和所述直流电压源的负极连接其公共端作为所述有源型开关电容直流多电平降压电路的第二端。

可选的，所述双向全控开关包括两个反向串联的全控开关。

可选的，所述第一等间距电平包括[v,2v,...,(n-1)v,nv]，所述第二等间距电平包括[v/m,2v/m,...,(m-1)v/m,v]，所述多电平交流电包括：[±v/m，±2v/m，...，±(m-1)v/m，±v，±[v+v/m]，±[v+2v/m]，...，±[v+(m-1)v/m]，±2v，...，±[nv+v/m]，±[nv+2v/m]，...，±[nv+(m-1)v/m]，±(n+1)v，0]；其中，v为所述直流电压源的输出电压，所述预设数量为2m×(n+1)+1。

本发明所提供的一种单电源级联型开关电容多电平逆变电路，包括：第一全桥、第二全桥、双向全控开关、开关电容直流多电平升压电路和开关电容直流多电平降压电路；其中，第一全桥和第二全桥分别包括各自对应的4个全控开关，开关电容直流多电平升压电路或开关电容直流多电平降压电路包括直流电压源；开关电容直流多电平升压电路的第一端与第一全桥的输入正端连接，开关电容直流多电平升压电路的第二端与第一全桥的输入负端连接，用于将产生n种第一等间距电平；n为大于或等于2的正整数，第一等间距电平大于或等于直流电压源的输出电压；开关电容直流多电平降压电路的第一端与第二全桥的输入正端连接，开关电容直流多电平降压电路的第二端与第二全桥的输入负端连接，用于产生m种第二等间距电平；m为大于或等于2的正整数，第二等间距电平小于或等于直流电压源的输出电压；双向全控开关的第一端与第一全桥的输入负端连接，双向全控开关的第二端与第二全桥的输入负端连接；第一全桥的输出负端与第二全桥的输出正端连接，第一全桥的输出正端和第二全桥的输出负端用于与负载连接，输出预设数量种不同电平的多电平交流电；预设数量小于或等于2m×(n+1)+1。

可见，本发明利用开关电容直流多电平升压电路和开关电容直流多电平降压电路，可以分别产生n种第一等间距电平和m种第二等间距电平，从而利用第一全桥和第二全桥的级联配合，使单电源级联型开关电容多电平逆变电路可以产生最多2m×(n+1)+1种不同电平，能够以简单灵活的结构将一个直流电压源的恒定直流电压转换为多电平交流输出。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，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发明的实施例，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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例所提供的一种单电源级联型开关电容多电平逆变电路的结构示意图；

图2为图1所示单电源级联型开关电容多电平逆变电路的一种具体结构的示意图；

图3为图1所示单电源级联型开关电容多电平逆变电路的另一种具体结构的示意图；

图4为本发明实施例所提供的一种有源型开关电容直流多电平升压电路的电路图；

图5为本发明实施例所提供的一种无源型开关电容直流多电平升压电路和无源型开关电容直流多电平降压电路的电路图；

图6为本发明实施例所提供的一种有源型开关电容直流多电平降压电路的电路图；

图7为本发明实施例所提供的一种单电源级联型开关电容多电平逆变电路的电路图；

图8为本发明实施例所提供的一种双向可控开关的结构示意图；

图9为本发明实施例所提供的另一种双向可控开关的结构示意图；

图10为本发明实施例所提供的另一种双向可控开关的结构示意图；

图11为图7所示单电源级联型开关电容多电平逆变电路在输出电压正半周的状态电路的展示图；

图12为图7所示单电源级联型开关电容多电平逆变电路的仿真电路的电路图；

图13为图12所示仿真电路的一组输出电压和负载电流的波形图；

图14为图12所示仿真电路的另一组输出电压和负载电流的波形图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。

请参考图1，图1为本发明实施例所提供的一种单电源级联型开关电容多电平逆变电路的结构示意图。该电路可以包括：第一全桥10、第二全桥20、双向全控开关30(s0)、开关电容直流多电平升压电路40和开关电容直流多电平降压电路50；

其中，第一全桥10和第二全桥20分别包括各自对应的4个全控开关(s1-s4或s5-s8)，开关电容直流多电平升压电路40或开关电容直流多电平降压电路50包括直流电压源；

开关电容直流多电平升压电路40的第一端与第一全桥10的输入正端连接，开关电容直流多电平升压电路40的第二端与第一全桥10的输入负端连接，用于将产生n种第一等间距电平；n为大于或等于2的正整数，第一等间距电平大于或等于直流电压源的输出电压；

开关电容直流多电平降压电路50的第一端与第二全桥20的输入正端连接，开关电容直流多电平降压电路50的第二端与第二全桥20的输入负端连接，用于产生m种第二等间距电平；m为大于或等于2的正整数，第二等间距电平小于或等于直流电压源的输出电压；

双向全控开关30的第一端与第一全桥10的输入负端连接，双向全控开关30的第二端与第二全桥20的输入负端连接；第一全桥10的输出负端与第二全桥20的输出正端连接，第一全桥10的输出正端和第二全桥20的输出负端用于与负载连接，输出预设数量种不同电平的多电平交流电；预设数量小于或等于2m×(n+1)+1。

可以理解的是，本实施例中的开关电容直流多电平升压电路40在工作过程(单电源级联型开关电容多电平逆变电路的使用过程)中可以产生n种等间距电平(第一等间距电平)，开关电容直流多电平降压电路50在工作过程中可以产生m种等间距电平(第二等间距电平)，通过第一全桥10(全桥电路)与第二全桥20(全桥电路)的级联配合，可以使单电源级联型开关电容多电平逆变电路在使用过程中产生最多2m×(n+1)+1种不同电平，从而使该逆变电路可以将开关电容直流多电平升压电路40或开关电容直流多电平降压电路50中的一个直流电压源的恒定直流电压(输出电压)转换为多电平交流输出。

对应的，对于本实施例中分别包括各自对应的4个全控开关的两个全桥电路(第一全桥10和第二全桥20)的具体电路结构，可以由设计人员根据实用场景和用户需求自行设置，如图1所示，第一全桥10可以包括：第一全控开关(s1)、第二全控开关(s2)、第三全控开关(s3)和第四全控开关(s4)；其中，第一全控开关的第一端与第三全控开关的第一端连接其公共端作为第一全桥10的输入正端，第二全控开关的第二端与第四全控开关的第二端连接其公共端作为第一全桥10的输入负端，第一全控开关的第二端与第二全控开关的第一端连接其公共端作为第一全桥10的输出正端，第三全控开关的第二端与第四全控开关的第一端连接其公共端作为第一全桥10的输出负端。如图1所示，第二全桥20可以包括：第五全控开关(s5)、第六全控开关(s6)、第七全控开关(s7)和第八全控开关(s8)；其中，第五全控开关的第一端与第七全控开关的第一端连接其公共端作为第二全桥20的输入正端，第六全控开关的第二端与第八全控开关的第二端连接其公共端作为第二全桥20的输入负端，第五全控开关的第二端与第六全控开关的第一端连接其公共端作为第二全桥20的输出正端，第七全控开关的第二端与第八全控开关的第一端连接其公共端作为第二全桥20的输出负端。可以利用第一全桥10与第二全桥20的级联配合，使本实施例所提供的逆变电路可以输出预设数量种不同电平的多电平交流电，本实施例对此不做任何限制。

具体的，对于本实施例中的直流电压源的具体设置位置，即开关电容直流多电平升压电路40和开关电容直流多电平降压电路50的具体类型设置，可以由设计人员自行设置，如可以将直流电压源设置在开关电容直流多电平升压电路40，即如图2所示，开关电容直流多电平升压电路40可以为含有直流电压源的有源型开关电容直流多电平升压电路(有源开关电容直流多电平升压电路)，开关电容直流多电平降压电路50可以为无源型开关电容直流多电平降压电路(无源开关电容直流多电平降压电路)；也可以将直流电压源设置在开关电容直流多电平降压电路50，即如图3所示，开关电容直流多电平降压电路50可以为有源型开关电容直流多电平降压电路(有源开关电容直流多电平降压电路)，开关电容直流多电平升压电路40可以为无源型开关电容直流多电平升压电路(无源开关电容直流多电平升压电路)。本实施例对此不做任何限制。

同样的，对于本实施例中的开关电容直流多电平升压电路40和开关电容直流多电平降压电路50的具体电路结构，可以由设计人员自行设置，如n为2时，即开关电容直流多电平升压电路40可以产生2种等间距电平(第一等间距电平)时，上述有源型开关电容直流多电平升压电路，可以如图4所示，包括：直流电压源(v)、第一电容器(c1)、第九全控开关(s9)、第十全控开关(s10)和第十一全控开关(s11)；其中，直流电压源的正极与第十全控开关的第一端和第十一全控开关的第二端连接，直流电压源的负极与第九全控开关的第二端连接其公共端作为有源型开关电容直流多电平升压电路(开关电容直流多电平升压电路40)的第二端，第一电容器的第一端与第十一全控开关的第一端连接其公共端作为有源型开关电容直流多电平升压电路的第一端，第一电容器的第二端与第九全控开关的第一端和第十全控开关的第二端连接。

对应的，m为2时，即开关电容直流多电平降压电路50可以产生2种等间距电平(第二等间距电平)时，上述无源型开关电容直流多电平降压电路，可以如图5所示，包括：第二电容器(c2)、第三电容器(c3)、第十二全控开关(s12)、第十三全控开关(s13)和第十四全控开关(s14)；其中，第三电容器第一端与第十三全控开关的第一端和第十四全控开关的第二端连接，第三电容器第二端与第十二全控开关的第二端连接其公共端作为无源型开关电容直流多电平降压电路(开关电容直流多电平降压电路50)的第二端，第二电容器的第一端与第十四全控开关的第一端连接其公共端作为无源型开关电容直流多电平降压电路的第一端，第二电容器的第二端第十二全控开关的第一端和第十三全控开关的第二端连接。

m为2时，上述有源型开关电容直流多电平降压电路，可以如图6所示，包括：直流电压源(v)、第四电容器(c4)、第五电容器(c5)、第十五全控开关(s15)、第十六全控开关(s16)、第十七全控开关(s17)和第十八全控开关(s18)；其中，直流电压源的正极与第十八全控开关的第二端连接，第十八全控开关的第一端与第四电容器的第一端和第十七全控开关的第一端连接其公共端作为有源型开关电容直流多电平降压电路的第一端，第四电容器的第二端与第十五全控开关的第一端和第十六全控开关的第二端连接，第五电容器的第一端与第十六全控开关的第一端和第十七全控开关的第二端连接，第五电容器的第二端与第十五全控开关的第二端和直流电压源的负极连接其公共端作为有源型开关电容直流多电平降压电路的第二端。对应的，n为2时，上述无源型开关电容直流多电平升压电路，也可以如图5所示的电路结构，包括：两个电容器(c2和c3)和三个全控开关(s12、s13和s14)。只要开关电容直流多电平升压电路40和开关电容直流多电平降压电路50分别可以产生n种第一等间距电平和m种第二等间距电平，本实施例对此不做任何限制。

需要说明的是，对于本实施例中开关电容直流多电平升压电路40和开关电容直流多电平降压电路50各自可以产生的等间距电平的具体数量和内容，可以由设计人员根据实用场景和用户需求自行设置，例如开关电容直流多电平升压电路40可以产生v，2v，…，(n-1)v，nv共n种等间距电平(第一等间距电平)，开关电容直流多电平降压电路50可以产生v/m，2v/m，…，(m-1)v/m，v共m种等间距电平(第二等间距电平)，即第一等间距电平可以包括[v,2v,...,(n-1)v,nv]，第二等间距电平可以包括[v/m,2v/m,...,(m-1)v/m,v]，对应的，利用第一全桥10和第二全桥20的级联配合，本实施例所提供的逆变电路输出多电平交流电的最多可以包括：[±v/m，±2v/m，...，±(m-1)v/m，±v，±[v+v/m]，±[v+2v/m]，...，±[v+(m-1)v/m]，±2v，...，±[nv+v/m]，±[nv+2v/m]，...，±[nv+(m-1)v/m]，±(n+1)v，0]共2m×(n+1)+1种电平。其中，v的具体数值可以由设计人员根据本实施例所提供的逆变电路的具体结构对应设置，如图7所示，采用图4所示电路结构的开关电容直流多电平升压电路40可以产生v和2v两种电平，采用图5所示电路结构的开关电容直流多电平降压电路50可以产生v/2和v两种电平，v可以为直流电压源的输出电压。本实施例对此不做任何限制。

对应的，本实施例中的双向全控开关30可以为当且仅当本实施例所提供的逆变电路的两个输出端(第一全桥10的输出正端和第二全桥20的输出负端)的输出电压为±v和0时，导通的开关设备。对于双向全控开关30的具体结构类型，可以由设计人员自行设置，如图8所示，双向全控开关30可以由两个反向串联的全控开关(如igbt管或mos管)构成；如图9所示，双向全控开关30也可以由一个全控开关同一个二极管的反向串联组合与另一个全控开关同另一个二极管的反向串联组合进行反相并联构成；如图10所示，双向全控开关30还可以由四个二极管构成的不可控整流器与一个全控开关构成；双向全控开关30也可以设置为如继电器开关的其他开关设备。本实施例对此不做任何限制。

具体的，对于本实施例中的具体电路元器件的具体型号类型，可以由设计人员根据实用场景和用户需求自行设置，如本实施例中的全控开关(开关管)可以选用igbt管；即igbt管的集电极可以作为全控开关的第一端，igbt管的发射极可以作为全控开关的第二端，igbt管的门极可以作为全控开关的控制端；例如图1至图7中s1-s17和图8至图10中双向全控开关30中的全控开关均可以为igbt管。本实施例中的全控开关也可以选用nmos管；即nmos管的漏极可以作为全控开关的第一端，nmos管的源极可以作为全控开关的第二端，nmos管的栅极可以作为全控开关的开关控制端；例如图1至图7中s1-s17和图8至图10中双向全控开关30中的全控开关均可以为nmos管。本实施例中的全控开关还可以如pmos管或三极管的其他全控开关，或采用多种类型的全控开关组合形式，例如图4、图5和图7中的s11和s12-s14以及图6中的s15-s17可以为二极管，即二极管的阴极可以作为全控开关的第一端，二极管的阳极可以作为全控开关的第二端，本实施例对此不做任何限制。

对应的，对于本实施例所提供的逆变电路所输出的预设数量种不同电平的多电平交流电的具体内容，即逆变电路中的全控开关的具体控制方式，可以由设计人员自行设置，如图11所示，可以通过对图7所示的逆变电路中的全控开关(s1-s14和s0中的全控开关)的控制端发送对应的控制信号，使逆变电路输出表1所示的13种不同电平的多电平交流电(输出电压)，即预设数量为2m×(n+1)+1。本实施例对此不做任何限制。

表1全控开关在一个输出电压周期内的开关状态表

表1中，0对应的开关状态为关断，1对应的开关状态为导通，v为直流电压源的输出电压(即图11中的e)。

具体的，以图7所示的逆变电路为例，当该逆变电路中的直流电压源的输出电压为100v，第一电容器、第二电容器和第三电容器的值均为4mf，所有全控开关均由理想igbt构成且采用表1所示的开关逻辑进行控制时，其仿真电路可以如图12所示，当负载r＝500ω，l＝0时，逆变电路的输出电压和负载电流如可以如图13所示，此时输出电压为13种电平且有效值为220.5v；当负载r＝100ω，l＝100mh时，输出电压和负载电流如图14所示，此时负载电流接近正弦波。

本实施例中，本发明实施例利用开关电容直流多电平升压电路40和开关电容直流多电平降压电路50，可以分别产生n种第一等间距电平和m种第二等间距电平，从而利用第一全桥10和第二全桥20的级联配合，使单电源级联型开关电容多电平逆变电路可以产生最多2m×(n+1)+1种不同电平，能够以简单灵活的结构将一个直流电压源的恒定直流电压转换为多电平交流输出。

本说明书中各个实施例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部分互相参见即可。还需要说明的是，在本说明书中，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。

以上对本发明所提供的一种单电源级联型开关电容多电平逆变电路进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明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发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。