混合多电平逆变器拓扑电路及逆变器的制作方法

本实用新型涉及电力领域，特别是一种混合多电平逆变器拓扑电路及逆变器。

背景技术：

多电平逆变电路已经成为电力领域中不可或缺的一种逆变电路，其广泛应用于直流输电、新能源发电、储能以及ups电源等多个相关场合。除了可以获得较低的谐波畸变率，减少开关器件的开关损耗，多电平逆变电路利用较少的开关数量，产生多个电压等级的高压电压以满足不同电压等级的负载需求。根据多电平逆变电路的拓扑结构，可以将其主要分为二极管箝位型、飞跨电容型和级联型。其中飞跨电容型因涉及多个电容，电容成本较高且体积大；二极管箝位型拓扑需增加多个二极管，根据不同的组合，可组成三电平、五电平等多种电平拓扑，请参考图1、图2为常见的二极管箝位型三电平拓扑、二极管箝位型五电平拓扑。

三电平拓扑使用较少的开关管和二极管，成本较低；五电平拓扑则需要更多的开关管和二极管，谐波较三电平拓扑更好，但成本会增加。传统的二极管箝位型逆变器拓扑，仅存在单一电平数，如三电平、五电平，不能兼容多种电平，无法兼顾低成本和低谐波，需开发两款独立控制器，增加生产维护成本。

因此，如何设计一种可同时兼容三电平和五电平工作模式的混合多电平逆变器拓扑电路及逆变器是业界亟待解决的技术问题。

技术实现要素：

针对现有技术中只存在单一电平数，不能同时兼容三电平和五电平工作模式的技术问题，本本实用新型提出了一种混合多电平逆变器拓扑电路及逆变器。

本实用新型的技术方案为，提出了一种混合多电平逆变器拓扑电路，包括直流电源和交流电源、以及连接在所述交流电源两端的悬浮电容，还包括混合多电平拓扑单元，所述混合多电平拓扑单元连接在所述直流电源和所述交流电源两端；

所述混合多电平拓扑单元实现三电平工作模式和五电平工作模式的切换。

进一步，所述混合多电平拓扑单元包括：第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、第五开关管、第六开关管、第七开关管、第八开关管、第九开关管、第十开关管、第十一开关管、第十二开关管、第十三开关管、第十四开关管、第十五开关管、第十六开关管、第十七开关管、第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管、以及第一电容、第二电容、第三电容、第四电容；

所述第九开关管的第一端连接所述直流电源的输出端，所述第九开关管的第二端连接所述第一开关管的第一端，所述第一开关管的第二端连接第二开关管的第一端，所述第二开关管的第二端连接第三开关管的第一端，所述第三开关管的第二端连接第四开关管的第一端，所述第四开关管的第二端连接第五开关管的第一端，所述第五开关管的第二端连接第六开关管的第一端，所述第六开关管的第二端连接第七开关管的第一端，所述第七开关管的第二端连接第八开关管的第一端，所述第八开关管的第二端连接第十二开关管的第二端，第十二开关管的第一端连接所述直流电源的输入端；

所述第十三开关管的第一端连接在所述第一开关管的第二端和所述第二开关管的第一端之间，所述第十三开关管的第二端连接所述第一二极管的负极，所述第一二极管的正极连接在所述第五开关管的第二端和所述第六开关管的第一端之间；

所述第三二极管的负极连接在所述第二开关管的第二端和所述第三开关管的第一端之间，所述第三二极管的正极连接所述第四二极管的负极，所述第四二极管的正极连接在所述第六开关管的第二端和第七开关管的第一端之间；

所述第二二极管的负极连接在所述第三开关管的第二端和所述第四开关管的第一端之间，所述第二二极管的正极连接所述第十一开关管的第二端，所述第十一开关管的第一端连接在所述第十二开关管的第一段和所述直流电源的输入端之间；

所述第十四开关管的第一端连接在所述第二二极管的正极和所述第十一开关管的第二端之间，所述第十四开关管的第二端连接在所述第七开关管的第二端和所述第八开关管的第一端之间；

所述第十开关管的第一端连接在所述第九开关管的第一端和所述直流电源的输出端之间，所述第十开关管的第二端连接在所述第十三开关管的第二端和所述第一二极管的负极之间；

所述第一电容一端连接在所述第九开关管的第二端和所述第一开关管的第一端之间，所述第一电容的第二端连接在所述第十开关管的第二端与第十三开关管的第二端之间并连接到所述第二电容的一端，第二电容的另一端连接所述第三电容，第三电容的另一端连接在所述第十一开关管的第二端和所述第二二极管的正极之间并连接到第四电容的一端，第四电容的另一端连接在第八开关管的第二端和所述第十二开关管的第二端之间；

所述交流电源一端连接在所述第四开关管的第二端和所述第五开关管的第一端之间，另一端连接在所述第二电容和所述第三电容之间并连接到所述第三二极管的正极和所述第四二极管的负极之间。

进一步，当所述第一开关管、第八开关管、第九开关管、第十二开关管不工作时，所述混合多电平逆变器拓扑电路为三电平工作模式；

当所述第十开关管和所述第十一开关管不工作时，所述混合多电平逆变器拓扑电路为五电平工作模式。

进一步，所述混合多电平逆变器拓扑电路处于三电平工作模式时，存在三种工作模态，实现不同工作功率下的交流直流转换。

进一步，所述三电平工作模式处于第一模态时，所述第二开关管、第三开关管、第四开关管、第十开关管、第十一开关管、第十三开关管、第十四开关管导通，其余开关管截止；

所述三电平工作模式处于第二模态时，所述第三开关管、所述第四开关管、所述第五开关管、所述第六开关管、所述第十开关管、所述第十一开关管、所述第十三开关管、所述第十四开关管导通，其余开关管截止；

所述三电平工作模式处于第三模态时，所述第五开关管、所述第六开关管、所述第七开关管、所述第十开关管、所述第十一开关管、所述第十三开关管、所述第十四开关管导通，其余开关管截止。

进一步，所述混合多电平逆变器拓扑电路处于五电平工作模式时，存在五种工作模态，实现不同工作功率下的交流直流转换。

进一步，所述五电平工作模式处于第一模态时，所述第一开关管、所述第二开关管、所述第三开关管、所述第四开关管、所述第九开关管、所述第十三开关管导通，其余开关管截止；

所述五电平工作模式处于第二模态时，所述第二开关管、所述第三开关管、所述第四开关管、所述第五开关管、所述第九开关管、所述第十二开关管、所述第十三开关管导通，其余开关管截止；

所述五电平工作模式处于第三模态时，所述第三开关管、所述第四开关管、所述第五开关管、所述第六开关管、所述第九开关管、所述第十二开关管导通，其余开关管截止；

所述五电平工作模式处于第四模态时，所述第四开关管、所述第五开关管、所述第六开关管、所述第七开关管、所述第九开关管、所述第十二开关管导通，其余开关管截止；

所述五电平工作模式处于第五模态时，所述第五开关管、所述第六开关管、所述第七开关管、所述第八开关管、所述第九开关管、所述第十二开关管导通，其余开关管截止。

进一步，还包括混合多电平工作模式；

所述混合多电平工作模式初始状态为三电平工作模式，当直流电源两端的电压值达到2x（开关管耐压值-设定电压预量）时切换到所述五电平工作模式。

本实用新型还提出了一种逆变器，所述逆变器采用上述混合多电平逆变器拓扑电路。

与现有技术相比，本实用新型至少具有如下有益效果：

1、能够同时兼容三电平和五电平工作模式，无需同时开发两款独立的控制器，降低了生产和维护成本。

2、当直流电源电压较高时，可以从三电平切换到五电平工作模式，避免了三电平工作模式下开光管承受较大的电压压力，从而导致的故障。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有技术中二极管箝位型三电平拓扑电路图；

图2为现有技术中二极管箝位型五电平拓扑电路图；

图3为本实用新型混合多电平逆变器拓扑电路图。

具体实施方式

为了使本实用新型所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

由此，本说明书中所指出的一个特征将用于说明本实用新型的一个实施方式的其中一个特征，而不是暗示本实用新型的每个实施方式必须具有所说明的特征。此外，应当注意的是本说明书描述了许多特征。尽管某些特征可以组合在一起以示出可能的系统设计，但是这些特征也可用于其他的未明确说明的组合。由此，除非另有说明，所说明的组合并非旨在限制。

下面结合附图以及实施例对本实用新型的原理及结构进行详细说明。

请参考图3，本实用新型混合多电平逆变器拓扑电路包括直流电源和交流电源。以及连接在交流电源两端的悬浮电容，还包括混合多电平拓扑单元，其连接在直流电源和交流电源两端，用于实现三电平工作模式和五电平工作模式的切换。

具体的，混合多电平拓扑单元包括：第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、第五开关管、第六开关管、第七开关管、第八开关管、第九开关管、第十开关管、第十一开关管、第十二开关管、第十三开关管、第十四开关管、第十五开关管、第十六开关管、第十七开关管、第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管、以及第一电容、第二电容、第三电容、第四电容；

其中，第九开关管的第一端连接在直流电源的输出端，第九开关管的第二端连接在第一开关管的第一端，第一开关管的第二端连接到第二开关管的第一端，第二开关管的第二端连接到第三开关管的第一端，第三开关管的第二端连接到第四开关管的第一端，第四开关管的第二端连接到第五开关管的第一端，第五开关管的第二端连接到第六开关管的第一端，第六开关管的第二端连接到第七开关管的第一端，第七开关管的第二端连接到第八开关管的第一端，第八开关管的第二端连接到第十二开关管的第二端，第十二开关管的第一端连接到直流电源的输入端。

第十三开关管的第一端连接在第一开关管的第二端和第二开关管的第一端之间，第十三开关管的第二端连接到第一二极管的负极，第一二极管的正极连接到第五开关管的第二端和第六开关管的第一端之间。

第三二极管的负极连接在第二开关管的第二端和第三开关管的第一端之间，第三二极管的正极连接到第四二极管的负极，第四二极管的正极连接在第六开关管的第二端和第七开关管的第一端之间。

第二二极管的负极连接在第三开关管的第二端和第四开关管的第一端之间，第二二极管的正极连接第十一开关管的第二端，第十一开关管的第一端连接到直流电源的输入端和第十二开关管的第一端之间。

第十四开关管的第一端连接到第二二极管的正极和第十一开关管的第二端之间，第十四开关管的第二端连接到第七开关管的第二端和第八开关管的第一端之间。

第十开关管的第一端连接到第九开关管的第一端和直流电源的输入端之间，第十开关管的第二端连接到第十三开关管的第二端和第一二极管的的负极之间。

第一电容的一端连接在第九开关管的第二端和第一开关管的第一端之间，另一端连接到第十开关管的第二端和第十三开关管的第二端并连接到第二电容的一端，第二电容的另一端连接到第三电容的一端，第三电容的另一端连接到第十一开关管的第二端和第二开关管的正极之间并连接到第四电容的一端，第四电容的另一端连接到第八开关管的第二端和第十二开关管的第二端之间。

交流电源一端连接在第四开关管的第二端和第五开关管的第一端之间，另一端连接在第三二极管的正极和第四二极管的负极之间与第二电容和第三电容之间。

在第四开关管的第二端和第五开关管的第一端之间设有节点a。在交流电源的两端还串联了第一电感和第二电感，交流电源的一端串联第一电感后连接到第四开关管的第二端和第五开关管的第一端之间，交流电源的另一端串联第二电感后连接到第三二极管的正极和第四二极管的负极之间。

其中，当第一开关管、第八开关管、第九开关管、第十二开关管不工作时，混合多电平逆变器电路为三电平工作模式。

三电平工作模式下该混合多电平逆变器电路具有三种模态，

第一模态：第二开关管、第三开关管、第四开关管、第十开关管、第十一开关管、第十三开关管、第十四开关管导通，其余开关管截止；

此时，节点a流出电流时，电流的路径为：c2-d13-s2-s3-s4-l1-vg-l2-c2，节点a流入电流时，电流的路径为：l1-d4-d3-d2-s13-c2-l2-vg-l1。

第二模态：第三开关管、第四开关管、第五开关管、第六开关管、第十开关管、第十一开关管、第十三开关管、第十四开关管导通，其余开关管截止；

此时，节点a流出电流时，电流的路径为：db3-s3-s4-l1-vg-l2-db3，节点a流入电流时，电流的路径为：db4-l2-vg-l1-s5-s6-db4。

第三模态：第五开关管、第六开关管、第七开关管、第十开关管、第十一开关管、第十三开关管、第十四开关管导通，其余开关管截止；

此时，节点a流出电流时，电流的路径为：s14-d7-d6-d5-l1-vg-l2-c3-s14，节点a流入电流时，电流的路径为s5-s6-s7-d14-c3-l2-vg-l1-s5。

当第十开关管和第十一开关管不工作时，混合多电平逆变器电路为五电平工作模式。

五电平工作模式下该混合多电平逆变器电路具有五种模态，

第一模态：第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、第九开关管、第十二开关管导通，其余开关管截止；

此时，节点a流出电流时，电流的路径为：s1-s2-s3-s4-l1-vg-l2-c2-c1-s1，节点a流入电流时，电流的路径为：d4-d3-d2-d1-c1-c2-l2-vg-l1-d4。

第二模态：第二开关管、第三开关管、第四开关管、第五开关管、第九开关管、第十二开关管、第十三开关管导通，其余开关管截止；

此时，节点a流出电流时，电流的路径为：d13-s2-s3-s4-l1-vg-l2-c2-d13；节点a流入电流时，电流的路径为：d4-d3-d2-s13-c2-l2-vg-l1-d4或s5-db1-c2-l2-vg-l1-s5。

第三模态：第三开关管、第四开关管、第五开关管、第六开关管、第九开关管、第十二开关管导通，其余开关管截止；

此时，节点a流出电流时，电流的路径为：db3-s3-s4-l1-vg-l2-db3；节点a流入电流时，电流的路径为：s5-s6-db4-l2-vg-l1-s5。

第四模态：第四开关管、第五开关管、第六开关管、第七开关管、第九开关管、第十二开关管导通，其余开关管截止；

此时，节点a流出电流时，电流的路径为：db2-s4-l1-vg-l2-c3-db2或s14-d7-d6-d5-l1-vg-l2-c3-s14；节点a流入电流时，电流的路径为s5-s6-s7-d14-c3-l2-vg-l1-s5。

第五模态：第五开关管、第六开关管、第七开关管、第八开关管、第九开关管、第十二开关管导通，其余开关管截止；

此时，节点a流出电流时，电流的路径为：d8-d7-d6-d5-l1-vg-l2-c3-c4-d8；节点a流入电流时，电流的路径为：s5-s6-s7-s8-c4-c3-l2-vg-l1-s5。

本实用新型混合多电平逆变器拓扑电路还包括混合多电平模式，该模式下初始状态为三电平工作状态，当直流电源两端的电压值达到2×（开关管耐压值-设定电压裕量）（如开关管耐压值为650v，设定电压裕量为50v，则电压值达到2×（650-50）=1200v）时，工作模式将由三电平切换至五电平模式，此时开关的承受耐压确保开关管不会因过压导致管子损坏。

这里，该电压值计算是根据三电平和五电平工作模式下单个开关管所承受的耐压值计算的，三电平工作模式下单个开关管的耐压为直流电源电压的1/2，五电平工作模式下单个开关管的耐压值为直流电源的1/4，且需考虑一定裕量来提高器件的可靠性，避免因开关管开关过程中的尖峰导致管子损坏，其电压裕量可以根据实际情况设计。

可以计算，当三电平工作模式下单个开关管的耐压值最高为：开关管耐压值-设定的电压裕量，故得出此时直流电源两端的电压值为2×（开关管耐压值-设定电压裕量），即当直流电源的电压值达到该电压时，切换为五电平工作模式，可以避免三电平工作模式下，单个开关管承受较高的电压压力从而发生故障。

本实用新型还提出了一种逆变器，所述逆变器采用混合多电平逆变器拓扑电路。

与现有技术相比，本实用新型能够同时兼容三电平工作模式和五电平工作模式，不用开发两款独立的控制器，增加生产维护成本，同时，还避免了三电平工作模式下，由于电源电压较高开关管承受较大压力，导致故障的问题。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。