CN100571012C - 分层叠加式电压型多电平电路 - Google Patents

分层叠加式电压型多电平电路 Download PDF

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Abstract

本发明属于多电平电路技术领域，其特征在于，所述电路由多层相同的二极管箝位式或电容箝位式多电平电路相交互连接而成，每一层内各开关管形成互锁关系，在层与层之间相应地也存在互锁关系。该电路的输出电压电平数与层数有关，而每层内各开关管的耐压能力又与所述各开关管分别串接的附加的开关管数，即每层的相串接的单元数相关。本发明在输出多电平的同时又提高了各层电路的耐压能力，从而使各开关管的成本下降。

Description

分层叠加式电压型多电平电路
技术领域
本发明涉及多电平电路，属多电平电路拓扑领域。
背景技术
相对于普通两电平电路(基本电路结构见图1)，多电平电路是指输出电压的电平数N大于2(称为N电平逆变器)。多电平逆变器具有以下优点：
1、输出电压更加接近正弦，电压谐波含量小。
2、输出电压dv/dt小，对负载(比如电机)的绝缘影响小，同时大大降低电磁干扰的水平。
3、以低耐压水平的单管构成高压系统，解决高压系统的单管耐压问题但不需要额外的变压器，大大减小系统的体积。
多电平电路拓扑结构种类很多，从输出电源类型上可以分为电压型和电流型，其中电压型的多电平逆变器应用非常广泛。本发明属于电压型多电平电路。
典型的多电平电路包括二极管箝位式、电容箝位式，见图2、图3所示。其他的已经出现的多电平拓扑结构基本上都是在这些多电平电路的基础上发展出来的。
以二极管箝位式和电容箝位式多电平为例，简要介绍其工作原理：
1、二极管箝位式(见图2)：
单相全桥5电平二极管箝位电路，直流侧有4个电容。设直流侧电压为Vdc，则每个电容的电压为Vdc/4，箝位二极管的作用是使每个开关器件的耐压保持为一个直流侧电容的电压水平。通过开关组合，输出为5种电平的组合。下面以a点为例具体解释如何输出阶梯型的多电平(设直流侧电位的最低点：0，为输出参考点)：
(1)开通所有上半桥开关Sa1、Sa2、Sa3、Sa4，输出电压为Va0＝Vdc。
(2)开通开关Sa2、Sa3、Sa4、Sa’1，输出电压为Va0＝3Vdc/4。
(3)开通开关Sa3、Sa4、Sa’1、Sa’2，输出电压为Va0＝2Vdc/4。
(4)开通开关Sa4、Sa’1、Sa’2、Sa’3，输出电压为Va0＝Vdc/4。
(5)开通开关Sa’1、Sa’2、Sa’3、Sa’4，输出电压为Va0＝0。
二极管箝位式电路的特点：
1)、嵌位二极管数目多。尽管主开关器件只要承受一个直流电容的电压(直流电压的M-1分之一)，但箝位二极管的需承受不同的反相电压。如若Sa’1~Sa’4开通，Da’1与Da3需要承受3Vdc/4，同时，Da2与Da’2需要承受2Vdc/4，Da1与Da’1只要承受Vdc/4。假设每个箝位二极管都选用与主开关器件同样耐压，则每相需要的箝位二极管的个数为(M-1)×(M-2)。这个数字随电平级数的增加而快速增加，因此这种电路在实际的应用中的输出电平级数不可能很高，一般被限制在7或9级。
2)、主开关器件的需要电流容量不相等。各个开关的导通是不对称的，越靠近中间导通的时间越长，则电流容量越大。
3)、电容电压不平衡。由于各级电容参与输出的时间不同，则在工作中电压会出现不平衡。对于输出功率因数为0的情况，各级电容在半个输出周期内自行平衡其电压[5]。但对于有有功输出的情况下，如果不对其进行平衡，将严重影响电路的工作。
2、电容箝位式(见图3)：
电容箝位式3电平全桥电路的结构图。两条桥臂的结构完全一样，其中每条桥臂有三层平衡电容。若所有的电容的容量相同，并且与主开关有相同的耐压，则M级电平需要M-1个直流侧电容。相对于二极管箝位式，电容嵌位式有更大的灵活性。以图3中Va为例，其输出有以下几种情况：
(1)当Va＝Vdc，开通上半臂开关Sa1～Sa4。
(2)当Va＝3Vdc/4，有三种组合：
(a)、开通Sa1、Sa2、Sa3、Sa’1(Va0＝Vdc-Vdc/4)。
(b)、开通Sa2、Sa3、Sa4、Sa’4(Va0＝3Vdc/4)。
(c)、开通Sa1、Sa3、Sa4、Sa’3(Va0＝Vdc-3Vdc/4+Vdc/2)。
(3)当Va＝Vdc/2，有6种开关组合：
(a)、开通Sa1、Sa2、Sa’1、Sa’2(Va0＝Vdc-Vdc/2)。
(b)、开通Sa3、Sa4、Sa’3、Sa’4(Va0＝Vdc/2)。
(c)、开通Sa1、Sa3、Sa’3、Sa’1(Va0＝Vdc-3Vdc/4+Vdc/2-Vdc/4)。
(d)、开通Sa1、Sa4、Sa’2、Sa’3(Va0＝Vdc-3Vdc/4+Vdc/4)。
(e)、开通Sa2、Sa’2、Sa4、Sa’4(Va0＝3Vdc/4-Vdc/2+Vdc/4)。
(f)、开通Sa2、Sa3、Sa’1、Sa’4(Va0＝3Vdc/4-Vdc/4)。
(4)当Va＝Vdc/4，有三种组合
(a)、开通Sa1、Sa’2、Sa’3、Sa’4(Va0＝Vdc-3Vdc/4)。
(b)、开通Sa4、Sa’2、Sa’3、Sa’4(Va0＝Vdc/4)。
(c)、开通Sa3、Sa’1、Sa’3、Sa’4(Va0＝Vdc/2-Vdc/4)。
(5)当Va＝0，开通所有下半臂Sa’4～Sa’1。
电容箝位式电路的特点：
电容箝位式最大的问题是需要大量的箝位电容。如果电容的耐压与主开关相同，对于M级电平电路，除去直流侧的M-1个电容外每相还需要(M-1)×(M-2)/2个辅助电容。而二极管箝位电路只要M-1个电容。对于电容平衡的问题，可以用输出相同电压不同开关组合对电容进行冲放电来解决，但是由于电容太多，如何选择开关组合将非常复杂，并要求较高的频率。
其他的多电平电路的工作原理不再赘述，总之都是通过一定方式的电路开关组合输出要求的电平。
发明内容
本发明的目的在于提供一种在满足输出多电平的条件下能有效地降低器件耐压水平，从而降低装置成本的分层叠加式电压型多电平电路结构。
本发明的特征在于，含有：
电压值为E的电源：由等分为两组的四个分电源(E/4)依次串接而成，中点接地；
箝位二极管组：由四个二极管(Da11、Da12、Da21、Da22)依次串接而成，第二个二极管(Da12)的负极接第一组中两个互相串接的分电源(E/4)的中点，第三个二极管(Da21)的正极接另一组中两个互相串接的分电源(E/4)的中点；
第一条开关管串接支路：由两个开关管(Sa11、Sa12)串接组成，第一开关管(Sa11)的集电极接第一组分电源的正输出端，而发射极和第二开关管(Sa12)的集电极相连，第二开关管(Sa12)的发射极是电压输出端(Va)；
第二条开关管串接支路：由两个开关管(Sa24、Sa23)串接组成，第八开关管(Sa24)的发射极接第二组分电源的负输出端，集电极接第七开关管(Sa23)的发射极，而第七开关管(Sa23)的集电极和所述电压输出端(Va)相连；
第三条开关管串接支路：由四个开关管(Sa21、Sa14、Sa22、Sa13)串接组成，第五开关管(Sa21)的集电极接地，发射极和第四开关管(Sa14)的发射极相连，第四开关管(Sa14)的集电极同时与第二个二极管(Da12)的正极、第六开关管(Sa22)的集电极相连，第三开关管(Sa13)的发射极和第六开关管(Sa22)的发射极相连，第三开关管(Sa13)的集电极接电压输出端(Va)；
其中，第一开关管(Sa11)、第二开关管(Sa12)、第三开关管(Sa13)、第四开关管(Sa14)和第一个二极管(Da11)、第二个二极管(Da12)构成第一层三电平电路，而第五开关管(Sa21)、第六开关管(Sa22)、第七开关管(Sa23)、第八开关管(Sa24)和第三个二极管(Da21)、第四个二极管(Da22)构成第二层三电平电路，该两层电路在所述第三条开关管串接支路中按所述第五开关管(Sa21)、第四开关管(Sa14)、第六开关管(Sa22)、第三开关管(Sa13)的连接关系叠加；
当第一层电路工作时，第二层中第五开关管(Sa21)、第六开关管(Sa22)始终导通，第七开关管(Sa23)、第八开关管(Sa24)始终截止，第一层的第一开关管(Sa11)及第二开关管(Sa12)、第二开关管(Sa12)及第三开关管(Sa13)、第三开关管(Sa13)及第四开关管(Sa14)相继导通，相对应地，第三开关管(Sa13)及第四开关管(Sa14)、第四开关管(Sa14)及第一开关管(Sa11)、第一开关管(Sa11)及第二开关管(Sa12)相继截止，该电压输出端(Va)电压依次为E/2、E/4及0伏，第二层电路工作时，第一层电路中第三开关管(Sa13)、第四开关管(Sa14)始终导通，第一开关管(Sa11)、第二开关管(Sa12)始终截止，第二层的第五开关管(Sa21)及第六开关管(Sa22)、第六开关管(Sa22)及第七开关管(Sa23)、第七开关管(Sa23)及第八开关管(Sa24)相继导通，相对应地，第七开关管(Sa23)及第八开关管(Sa24)、第八开关管(Sa24)及第五开关管(Sa21)、第五开关管(Sa21)及第六开关管(Sa22)相继截止，电压输出端(Va)电压依次为0，-E/4和-E/2伏；
该分层叠加式电压型多电平电路的输出端总电平数为(m-1)×n+1，n为层数，m为每层输出电平数。
在第一层中，第一开关管(Sa11)、第二开关管(Sa12)之间正向串接着两个开关管，所增加的两个开关管的串接点接第一个二极管(Da11)的负极，正向串接是通过第一开关管(Sa11)的发射极与邻接的所增加的开关管的集电极相连、第二开关管(Sa12)的集电极与所接的所增加的另一个开关管的发射极相连来实现的，从而，实现了降低各层开关管的耐压要求的目的。
本发明的特征还在于，含有：
电源：由两个分电源(E/2)串接而成，中点接地；
两组电容串接电路：每组由两个电容串接而成；
第一条开关管串接支路：由第六开关管(A3E2)、第五开关管(A2E2)、第四开关管(A1E2)依次串接而成，第六开关管(A3E2)的集电极接电源的正端，第四开关管(A1E2)的发射极接电压输出端，第六开关管(A3E2)的发射极与第五开关管(A2E2)的集电极相连，第五开关管(A2E2)的发射极与第四开关管(A1E2)的集电极相连；
第二条开关管串接支路，由第九开关管(B3E1)、第八开关管(B2E1)、第七开关管(B1E1)依次串接而成，第九开关管(B3E1)的发射极接电源的负输出端，第七开关管(B1E1)的集电极接所述电压输出端，第九开关管(B3E1)的集电极和第八开关管(B2E1)的发射极相连，第八开关管(B2E1)的集电极和第七开关管(B1E1)的发射极相连；
第三条开关管串接支路，由第十二开关管(B3E2)和第三开关管(A3E1)、第十一开关管(B2E2)和第二开关管(A2E1)、第十开关管(B1E2)和第一开关管(A1E1)依次串接而成，第十二开关管(B3E2)的集电极接地，而第一开关管(A1E1)的集电极接所述电压输出端，第三开关管(A3E1)的发射极、集电极依次分别和第十二开关管(B3E2)的发射极、第十一开关管(B2E2)的集电极相连，第二开关管(A2E1)的发射极、集电极依次分别和第十一开关管(B2E2)的发射极、第十开关管(B1E2)的集电极相连，而第十开关管(B1E2)的发射极和第一开关管(A1E1)的发射极相连；
所述第一组电容串接电路的中点同时和第三开关管(A3E1)的集电极、第十一开关管(B2E2)的集电极相连，该电容串接电路的一端同时和第六开关管(A3E2)的发射极、第五开关管(A2E2)的集电极相连，而另一端同时和第九开关管(B3E1)的集电极、第八开关管(B2E1)的发射极相连；
所述第二组电容串接电路的中点同时和第二开关管(A2E1)、第十开关管(B1E2)的集电极相连，该电容串接电路的一端同时和第五开关管(A2E2)的发射极、第四开关管(A1E2)的集电极相连，而另一端同时和第八开关管(B2E1)的集电极、第七开关管(B1E1)的发射极相连；
在上述三条开关管串接支路中，第六开关管(A3E2)和第十二开关管(B3E2)互锁、第五开关管(A2E2)和第十一开关管(B2E2)互锁、第四开关管(A1E2)和第十开关管(B1E2)互锁，再加上所述两组电容串接电路中并联于相应互锁对管两端的电容(C1E2、C2E2)共同形成第一层电容箝位式多电平电路；第三开关管(A3E1)和第九开关管(B3E1)互锁、第二开关管(A2E1)和第八开关管(B2E1)互锁、第一开关管(A1E1)和第七开关管(B1E1)互锁，再加上所述两组电容串接电路中并联于相应互锁对管两端的电容(C1E1、C2E1)共同形成第二层电容箝位式多电平电路；在该第一层电路中，互锁对管第六开关管(A3E2)和第十二开关管(B3E2)、第五开关管(A2E2)和第十一开关管(B2E2)、第四开关管(A1E2)和第十开关管(B1E2)依次分别构成所述第一层电路的第三、第二、第一共计三个单元，该第二层电路中，互锁对管第三开关管(A3E1)和第九开关管(B3E1)、第二开关管(A2E1)和第八开关管(B2E1)、第一开关管(A1E1)和第七开关管(B1E1)依次分别构成所述第二层电路的第三、第二、第一共计三个单元，所述两层电路共同构成分层叠加式电压型多电平电路，该分层叠加式电压型多电平电路的输出电平总数为n×p+1，n为层数，p为每层的单元数。
在所述第六开关管(A3E2)、第五开关管(A2E2)、第四开关管(A1E2)的发射极端各串接一个用于降低所用开关管耐压等级的所增加的开关管，所增加的开关管的发射极分别和第五开关管(A2E2)、第四开关管(A1E2)的集电极以及电压输出端相连；在所述第九开关管(B3E1)、第八开关管(B2E1)、第七开关管(B1E1)的发射极各串接一个用于降低所用开关管耐压等级的所增加的开关管，所增加的各开关管的集电极依次分别和第九开关管(B3E1)、第八开关管(B2E1)、第七开关管(B1E1)的发射极相连。
本发明的特征还在于，把第一开关管(A1E1)和第十开关管(B1E2)短路，使第二开关管(A2E1)的集电极变为电压输出端，同时在第二开关管(A2E1)的集电极与第四开关管(A1E2)的发射极之间串接一个箝位二极管，箝位二极管的阳极与第二开关管(A2E1)的集电极相连，在第二开关管(A2E1)的集电极和第七开关管(B1E1)的发射极之间串接另一个箝位二极管，该另一个箝位二极管的阴极与第二开关管(A2E1)的集电极相连，使第一、第二两层电路的第一单元成为箝位式电路。
实验证明：本发明在输出多电平的同时还能降低对器件耐压等级的要求。
附图说明
图1为普通两电平逆变器电路结构
图2为二极管箝位式多电平电路(5电平)；
图3电容箝位式多电平电路(5电平)；
图4层叠式二极管箝位五电平电路(其中4.1为不考虑耐压原理示意图，4.2为考虑耐压后的原理图)；
图5为层叠式二极管箝位五电平电路输出电压仿真波形图；
图6为层叠式电容箝位多电平电路(其中6.1为不考虑耐压原理示意图，6.2为考虑耐压后的原理图)；
图7为层叠式电容箝位多电平改进电路。
图8为三层层叠式二极管箝位式多电平电路结构。
图9为三层层叠式电容箝位式多电平电路结构。
具体实施方式
本发明提出的多电平电路的突出特点(创新点)是分层叠加式结构，所谓分层叠加式结构是指将同样的多电平电路(二极管箝位式、电容箝位式)叠加起来(见示意图4、图6、图7)。这种分层叠加的结构与现在存在的其它的多电平电路都不同。它将每层电路的耐压降为总电压的1/M(M为叠加层数)，有效地降低了器件耐压水平从而降低装置成本。
1层叠式二极管箝多电平电路(见附图4)：
该电路由两个三电平电路层叠而成，其中Sa11、Sa12、Sa13、Sa14和Da11、Da12构成了第一层(stage1)，而Sa21、Sa22、Sa23、Sa24和Da21、Da22构成了第二层(stage2)。
当第一层工作时，第二层中Sa21、Sa22保持一直导通，Sa23、Sa24保持截止，可以输出E/2、E/4、0三种电平。电路具体工作情况如下：
Sa11、Sa12导通，Sa13、Sa14截止：Va＝E/2；
Sa12、Sa13导通，Sa11、Sa14截止：Va＝E/4；
Sa13、Sa14导通，Sa11、Sa12截止：Va＝0。
当第二层工作时，第一层中Sa13、Sa14保持一直导通，Sa21、Sa22保持截止，可以输出0、-E/2、-E/4三种电平。电路具体工作情况如下：
Sa21、Sa22导通，Sa23、Sa24截止：Va＝0；
Sa22、Sa23导通，Sa21、Sa24截止：Va＝-E/4；
Sa23、Sa24导通，Sa21、Sa22截止：Va＝-E/2。
因此可以构成一个五电平输出拓扑结构。通过增加层数，很容易就可以实现更多的电平输出(输出电平数为(m-1)×n+1个电平，n为层数，m为一层输出的电平数)。值得注意的是，对于层叠式多电平结构，通过增加单元数(横向)既可以提高耐压又可以增加输出电平，而增加层数(纵向)只能增加电平数。
同时，由于层叠式的电路结构，将总的直流电压分割由为多个三电平电路构成，与普通二极管箝位式电路相比可以节省箝位二极管的个数。其输出电压的仿真波形图见图5所示。
三层层叠的二极管箝位式的多电平拓扑结构见附图8所示，其工作原理与上述的两层叠加的二极管箝位式电路相同。具体情况如下：
当第一层工作时，Sa21、Sa22保持导通，Sa23、Sa24、Sa31、Sa32、Sa33、Sa34保持截止。则：
Sa11、Sa12导通，Sa13、Sa14截止：Va＝3E/4；
Sa12、Sa13导通，Sa11、Sa14截止：Va＝E/2；
Sa13、Sa14导通，Sa11、Sa12截止：Va＝E/4。
当第二层工作时，Sa13、Sa14、Sa31、Sa32保持导通，Sa11、Sa12、Sa13、Sa14、Sa33、Sa34保持截止。
则：
Sa21、Sa22导通，Sa23、Sa24截止：Va＝E/4；
Sa22、Sa23导通，Sa21、Sa24截止：Va＝0；
Sa23、Sa24导通，Sa21、Sa22截止：Va＝-E/4。
当第三层工作时，Sa23、Sa24保持导通，Sa11、Sa12、Sa13、Sa14、Sa21、Sa22保持截止。则：
Sa31、Sa32导通，Sa33、Sa34截止：Va＝-E/4；
Sa32、Sa33导通，Sa21、Sa24截止：Va＝-E/2；
Sa33、Sa34导通，Sa31、Sa32截止：Va＝-3E/4；
共输出7种电平。
层叠式电容箝位多电平电路(见附图6)：
在图6所示拓扑中，直流母线电压为E，使用2个电路层叠(Stage1和Stage2)，每一层由三个单元组成一个四电平电容箝位电路。该拓扑工作时，其中每个单元中的两个开关器件互锁(例如开关A3E2和B3E2互锁)。箝位电容CiEj上的电压为VciEj＝(i×E)/(n×p)，其中n为层数，p为一层的单元数，i＝1，2，...，p-1，j＝1，2，...，n。总的输出电平数为n×p+1，则图6所示拓扑一相可以输出7个电平。
在附图9中，使用三个电路层叠(Stage1、Stage2、Stage3)，每一层同样由三个单元组成一个四电平电容箝位电路。与图6相同，该电路中每个单元的两个开关器件互锁。其工作状况与图6相似。
显然，当电压等级相同时，由于层叠式变流器中电容电压降低了一半，总的电容数反而减少了；并且层叠技术使得变流器中储存的能量减少，减少量和层叠的层数成正比，因此层叠式变流器可以使用更小体积的电容，进一步减少了装置的体积。此外层叠数目越多，输出电平数也越多，大大改善了输出电压的波形。
改进型层叠式电容箝位多电平电路(见附图7)
对电容箝位的层叠式结构作一些改进可以节省开关器件，见图7所示。此改进电路是在层叠式电容箝位式电路的基础之上将最后一级的电路改为二极管箝位式，这样可以节省两只主开关管。
器件耐压
无论是二极管箝位的层叠式结构还是电容箝位式的层叠结构，由于层叠的原因，外层器件(图4中的Sa11、Sa12、Sa23、Sa24，图6中的A3E2、A2E2、A1E2、B3E1、B2E1、B1E1)的耐压是里层器件(除了外层器件的其他器件)的耐压的两倍。以层叠式二极管箝位电路为例：当输出电压为E，则Sa11、Sa12导通、其他所有开关管关闭，所有箝位二极管截止，则Sa23、Sa24一起承受反向耐压E，所以每个承受E/2的反向耐压，所以需要耐压为E/4的管子两个串联使用。同样可以得到Sa11、Sa12的耐压要求也是E/2。对于电容箝位的层叠式结构有同样的结论。
本发明的实现与其他的多电平电路拓扑的实现没有大的差别。输入侧为直流电源，输出为可控的交流(直流)电源。可以作为DC-AC逆变器、AC-DC变换器和DC-DC变换装置的主电路。

Claims (5)

1、分层叠加式电压型多电平电路，含有二极管箝位式多电平电路，其特征在于，含有：
电压值为E的电源：由等分为两组的四个分电源(E/4)依次串接而成，中点接地；
箝位二极管组：由第一二极管(Da11)、第二二极管(Da12)、第三二极管(Da21)、第四二极管(Da22)依次串接而成，第二个二极管(Da12)的负极接第一组中两个互相串接的分电源(E/4)的中点，第三个二极管(Da21)的正极接另一组中两个互相串接的分电源(E/4)的中点；
第一条开关管串接支路：由两个开关管(Sa11、Sa12)串接组成，第一开关管(Sa11)的集电极接第一组分电源的正输出端，而发射极和第二开关管(Sa12)的集电极相连，第二开关管(Sa12)的发射极是电压输出端(Va)；
第二条开关管串接支路：由两个开关管(Sa24、Sa23)串接组成，第八开关管(Sa24)的发射极接第二组分电源的负输出端，集电极接第七开关管(Sa23)的发射极，而第七开关管(Sa23)的集电极和所述电压输出端(Va)相连；
第三条开关管串接支路：由四个开关管(Sa21、Sa14、Sa22、Sa13)串接组成，第五开关管(Sa21)的集电极接地，发射极和第四开关管(Sa14)的发射极相连，第四开关管(Sa14)的集电极同时与第二个二极管(Da12)的正极、第六开关管(Sa22)的集电极相连，第三开关管(Sa13)的发射极和第六开关管(Sa22)的发射极相连，第三开关管(Sa13)的集电极接电压输出端(Va)；
其中，第一开关管(Sa11)、第二开关管(Sa12)、第三开关管(Sa13)、第四开关管(Sa14)和第一个二极管(Da11)、第二个二极管(Da12)构成第一层三电平电路，而第五开关管(Sa21)、第六开关管(Sa22)、第七开关管(Sa23)、第八开关管(Sa24)和第三个二极管(Da21)、第四个二极管(Da22)构成第二层三电平电路，该两层电路在所述第三条开关管串接支路中按所述第五开关管(Sa21)、第四开关管(Sa14)、第六开关管(Sa22)、第三开关管(Sa13)的连接关系叠加；
当第一层电路工作时，第二层中第五开关管(Sa21)、第六开关管(Sa22)始终导通，第七开关管(Sa23)、第八开关管(Sa24)始终截止，第一层的第一开关管(Sa11)及第二开关管(Sa12)、第二开关管(Sa12)及第三开关管(Sa13)、第三开关管(Sa13)及第四开关管(Sa14)相继导通，相对应地，第三开关管(Sa13)及第四开关管(Sa14)、第四开关管(Sa14)及第一开关管(Sa11)、第一开关管(Sa11)及第二开关管(Sa12)相继截止，该电压输出端(Va)电压依次为E/2、E/4及0伏，第二层电路工作时，第一层电路中第三开关管(Sa13)、第四开关管(Sa14)始终导通，第一开关管(Sa11)、第二开关管(Sa12)始终截止，第二层的第五开关管(Sa21)及第六开关管(Sa22)、第六开关管(Sa22)及第七开关管(Sa23)、第七开关管(Sa23)及第八开关管(Sa24)相继导通，相对应地，第七开关管(Sa23)及第八开关管(Sa24)、第八开关管(Sa24)及第五开关管(Sa21)、第五开关管(Sa21)及第六开关管(Sa22)相继截止，电压输出端(Va)电压依次为0，-E/4和-E/2伏；
该分层叠加式电压型多电平电路的输出端总电平数为(m-1)×n+1，n为层数，m为每层输出电平数。
2、根据权利要求1所述的分层叠加式电压型多电平电路，其特征在于，在第一层中，第一开关管(Sa11)、第二开关管(Sa12)之间正向串接着两个开关管，所增加的两个开关管的串接点接第一个二极管(Da11)的负极，正向串接是通过第一开关管(Sa11)的发射极与邻接的所增加的开关管的集电极相连、第二开关管(Sa12)的集电极与所接的所增加的另一个开关管的发射极相连来实现的。
3、分层叠加式电压型多电平电路，含有电容箝位式多电平电路，其特征在于，含有：
电源：由两个分电源(E/2)串接而成，中点接地；
两组电容串接电路：每组由两个电容串接而成；
第一条开关管串接支路：由第六开关管(A3E2)、第五开关管(A2E2)、第四开关管(A1E2)依次串接而成，第六开关管(A3E2)的集电极接电源的正端，第四开关管(A1E2)的发射极接电压输出端，第六开关管(A3E2)的发射极与第五开关管(A2E2)的集电极相连，第五开关管(A2E2)的发射极与第四开关管(A1E2)的集电极相连；
第二条开关管串接支路，由第九开关管(B3E1)、第八开关管(B2E1)、第七开关管(B1E1)依次串接而成，第九开关管(B3E1)的发射极接电源的负输出端，第七开关管(B1E1)的集电极接所述电压输出端，第九开关管(B3E1)的集电极和第八开关管(B2E1)的发射极相连，第八开关管(B2E1)的集电极和第七开关管(B1E1)的发射极相连；
第三条开关管串接支路，由第十二开关管(B3E2)和第三开关管(A3E1)、第十一开关管(B2E2)和第二开关管(A2E1)、第十开关管(B1E2)和第一开关管(A1E1)依次串接而成，第十二开关管(B3E2)的集电极接地，而第一开关管(A1E1)的集电极接所述电压输出端，第三开关管(A3E1)的发射极、集电极依次分别和第十二开关管(B3E2)的发射极、第十一开关管(B2E2)的集电极相连，第二开关管(A2E1)的发射极、集电极依次分别和第十一开关管(B2E2)的发射极、第十开关管(B1E2)的集电极相连，而第十开关管(B1E2)的发射极和第一开关管(A1E1)的发射极相连；
所述第一组电容串接电路的中点同时和第三开关管(A3E1)的集电极、第十一开关管(B2E2)的集电极相连，该电容串接电路的一端同时和第六开关管(A3E2)的发射极、第五开关管(A2E2)的集电极相连，而另一端同时和第九开关管(B3E1)的集电极、第八开关管(B2E1)的发射极相连；
所述第二组电容串接电路的中点同时和第二开关管(A2E1)、第十开关管(B1E2)的集电极相连，该电容串接电路的一端同时和第五开关管(A2E2)的发射极、第四开关管(A1E2)的集电极相连，而另一端同时和第八开关管(B2E1)的集电极、第七开关管(B1E1)的发射极相连；
在上述三条开关管串接支路中，第六开关管(A3E2)和第十二开关管(B3E2)互锁、第五开关管(A2E2)和第十一开关管(B2E2)互锁、第四开关管(A1E2)和第十开关管(B1E2)互锁，再加上所述两组电容串接电路中并联于相应互锁对管两端的电容(C1E2、C2E2)共同形成第一层电容箝位式多电平电路；第三开关管(A3E1)和第九开关管(B3E1)互锁、第二开关管(A2E1)和第八开关管(B2E1)互锁、第一开关管(A1E1)和第七开关管(B1E1)互锁，再加上所述两组电容串接电路中并联于相应互锁对管两端的电容(C1E1、C2E1)共同形成第二层电容箝位式多电平电路；在该第一层电路中，互锁对管第六开关管(A3E2)和第十二开关管(B3E2)、第五开关管(A2E2)和第十一开关管(B2E2)、第四开关管(A1E2)和第十开关管(B1E2)依次分别构成所述第一层电路的第三、第二、第一共计三个单元，该第二层电路中，互锁对管第三开关管(A3E1)和第九开关管(B3E1)、第二开关管(A2E1)和第八开关管(B2E1)、第一开关管(A1E1)和第七开关管(B1E1)依次分别构成所述第二层电路的第三、第二、第一共计三个单元，所述两层电路共同构成分层叠加式电压型多电平电路，该分层叠加式电压型多电平电路的输出电平总数为n×p+1，n为层数，p为每层的单元数。
4、根据权利要求3所述的分层叠加式电压型多电平电路，其特征在于，在所述第六开关管(A3E2)、第五开关管(A2E2)、第四开关管(A1E2)的发射极端各串接一个用于降低所用开关管耐压等级的所增加的开关管，所增加的开关管的发射极分别和第五开关管(A2E2)、第四开关管(A1E2)的集电极以及电压输出端相连；在所述第九开关管(B3E1)、第八开关管(B2E1)、第七开关管(B1E1)的发射极各串接一个用于降低所用开关管耐压等级的所增加的开关管，所增加的各开关管的集电极依次分别和第九开关管(B3E1)、第八开关管(B2E1)、第七开关管(B1E1)的发射极相连。
5、根据权利要求4所述的分层叠加式电压型多电平电路，其特征在于，把第一开关管(A1E1)和第十开关管(B1E2)短路，使第二开关管(A2E1)的集电极变为电压输出端，同时在第二开关管(A2E1)的集电极与第四开关管(A1E2)的发射极之间串接一个箝位二极管，箝位二极管的阳极与第二开关管(A2E1)的集电极相连，在第二开关管(A2E1)的集电极和第七开关管(B1E1)的发射极之间串接另一个箝位二极管，该另一个箝位二极管的阴极与第二开关管(A2E1)的集电极相连，使第一、第二两层电路的第一单元成为箝位式电路。
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