CN101262180B

CN101262180B - 箝位式多电平变换器用的单相电路拓扑结构

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Publication number: CN101262180B
Application number: CN2008101051397A
Authority: CN
Inventors: 李永东; 王琛琛; 高跃; 冯丽超
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 2008-04-25
Filing date: 2008-04-25
Publication date: 2011-09-14
Anticipated expiration: 2028-04-25
Also published as: CN101262180A

Abstract

箝位式多电平变换器用的单相电路拓扑结构属于电力电子多电平变换器技术领域，其特征在于直流侧有三个电容，直流侧电压为4V_dc，处于中间的电容实现2V_dc电压，在输入侧用四个二极管箝位，输出侧用一个箝位电容箝位，通过开关组合，使每个开关器件承受1V_dc，可以得到五种电平的输出组合。本发明具有电路结构大大简化、器件耐压水平低，可以做到不含器件的直接串联，没有开通和关断的同步问题。

Description

箝位式多电平变换器用的单相电路拓扑结构

技术领域

本发明涉及一种电力电子多电平拓扑结构，特指一种电压型交-直-交多电平变换器箝位型拓扑结构。

背景技术

多电平变换器是高压大容量功率变换的发展方向，相对于普通两电平电路，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。根据功率单元的组合方式上可以分为箝位式拓扑和级联式拓扑，其中箝位式拓扑又包括二极管钳位式、电容钳位式，在此基础上发展出的通用箝位式多电平拓扑结构以及层叠式多电平变换器。

1、通用箝位式多电平拓扑结构

通用箝位式多电平拓扑结构如图1所示。这种拓扑是用两电平半桥单元组成的拓扑结构，第一级由一个单元组成，可以输出两个电平；第二级由两个单元组成，和第一级一起可以输出三个电平；如此类推，可以构成一个五电平拓扑。其中开关管S₁₁、S₂₁、S₃₁、S₄₁、S₁₈、S₂₆、S₃₄、S₄₂及其反并联二极管为电路的主要器件，通过它们合适的开通和关断，可以产生希望得到的电压波形。其余的开关管和二极管的通断则起到了箝位和平衡电压的作用。每一级受到的电压应力为V_dc，各级的电压平衡通过箝位开关管和箝位二极管实现，在电路拓扑中，开关的作用有如下的规律：

1)每个开关级是一个独立的开关单元。

2)每个开关级相邻的任何两个开关都是互补的。

3)在一个开关级和周围互补开关组成的范围内，任何一个开关的状态一旦确定，其他开关的状态也即由电压规律随之确定。

这种通用多电平拓扑的特点是：

1)所需器件和电容数目众多，成本高。对于一个M级电平的通用多电平逆变系统，所需的开关器件/二极管数目为M(M-1)；需要的电平数目为M(M-1)/2。

2)可以很好的控制中点电压平衡。这种电路拓扑具有电压自平衡的功能，无需特殊的均压电路和复杂的电路均压控制就可以实现多电平，对于各种逆变策略和负载情况，都能有效的控制中点电压，相对各种普通箝位式多电平拓扑极具优势。

3)控制极其灵活。由于可控开关数量众多，对于确定的输出电平，有多种冗余的开关状态，因而这种拓扑开关模式的控制极其灵活。

把通用多电平拓扑结构经过一定的简化处理，就可以得到现在广泛应用的二极管箝位式和电容箝位式多电平拓扑结构。

2、二极管箝位式多电平拓扑结构

二极管箝位式多电平拓扑结构如图2所示，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4V_dc，则每个电容的电压为V_dc，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(V_dc)。通过开关组合，输出为5种电平的组合。这种二极管箝位式电路的特点是：

1)、嵌位二极管数目多。对于M级电平电路，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。假设每个箝位二极管都选用与主开关器件同样的耐压，则每相需要的箝位二极管的个数为(M-1)×(M-2)。

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。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。

3、电容箝位式多电平拓扑结构

电容箝位式五电平全桥电路的结构图如图3所示。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。

这种电容箝位式电路的特点是：

1)、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。

2)、相对于二极管箝位式，电容嵌位式有更大的灵活性。对于同一个确定的电压输出，有多个冗余的开关状态可供选择。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。

4、层叠式多电平变换器

层叠式多电平变换器如图4所示，是基于跨接电容和开关组成基本换流单元的一个混合结构。这种结构相当于把两个电容箝位型单元叠加起来，图中S_21a、S_21b和S ₂₁为互补开关，不能同时开通，同样其他开关也有类似的互补开关对。上层和下层采用类似电容箝位型的开关方法，就可以实现多电平的输出。

这种层叠式多电平变换器的特点是：

1)、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。

2)、为了满足最底层和頂层一方开通时的耐压要求，拓扑中外侧功率开关都是两管直接串联，带来了开通和关断同步问题，而且由于不是总工作在上述的两个状态，从另一个角度说，浪费了功率器件的耐压容量，同时，这类拓扑的控制方法也比较复杂。

发明内容

本发明针对已有箝位型拓扑中，在实现多电平输出时所需的辅助箝位二极管的数量众多，或对箝位电容的耐压要求高和数量众多，使得变换器成本上升很多的问题，提出一种新型的箝位式多电平变换器用的单相电路拓扑结构。减少了较高电压处串联的箝位电容或二极管的数目，达到了用尽量少的低压器件实现多电平输出的目的。图5为这一发明的一种单相拓扑示意图，图6为本发明的另一种单相拓扑示意图。

本发明的特征之一在于，含有：

直流输入电容C_dc1，C_dc2，C_dc3，三者依次串接，在所述输入电容C_dc1两端V₅和V₄之间加入直流输入电压1V_dc，在所述输入电容C_dc2两端所述V₄和V₂之间加入直流输入电压2V_dc，在所述输入电容C_dc3两端所述V₂和V₁之间加入直流输入电压1V_dc，由所述电容C_dc1，C_dc2，C_dc3串联构成的支路上的总直流输入电压为4V_dc；

IGBT开关器件S₁、S₂、S₃、S₄、S₅、S ₁、S ₂、S ₃、S ₄和S ₅，共十个，所述各个IGBT开关器件从发射极和集电极之间依次分别正向各并接了一个反击穿二极管D_S1、D_S2、D_S3、D_S4、D_S5、D_S1、D_S2、D_S3、D_S4和D_S5，从而构成了十个具有反击穿功能的IGBT开关器件；

箝位二极管D₁、D₂、D₃、D₄共四个，以及一个箝位电容C，该电容C两端的电压为1V_dc；

其中：

所述反击穿二极管D_S3和所述反击穿二极管D_S1正向串接，串接后，该D_S1管的负极连接到所述端点V₅，

所述反击穿二极管D_S1的正极正向串接所述箝位二极管D₂后与所述端点V₄相连，同时，该箝位二极管D₂的负极又正向串接所述箝位二极管D₁后与反击穿二极管D_S1的正极相连，另外，所述反击穿二极管D_S1的负极与所述反击穿二极管的正极相连，

所述反击穿二极管D_S2和所述反击穿二极管D_S3正向串接后，该反击穿二极管D_S2的正极与所述端点V₁相连，

所述反击穿二极管D_S2的负极反向串接所述箝位二极管D₃后与所述端点V₂相连，该箝位二极管D₃的正极在正向串接一个所述箝位二极管D₄后与所述反击穿二极管D_S2的负极相连，另外，所述反击穿二极管D_S2的正极和所述反击穿二极管D_S3的负极相连，

所述反击穿二极管D_S5和所述反击穿二极管D_S4正向串接后，连接到所述反击穿二极管D_S3的正极，

所述反击穿二极管D_S4与所述反击穿二极管D_S5正向串接，串接后，该反击穿二极管D_S4的正极与所述反击穿二极管D_S2的正极相连，而所述箝位电容C的两端分别连接到所述反击穿二极管D_S5的负极和所述反击穿二极管D_S5的正极，

所述反击穿二极管D_S5的正极和所述反击穿二极管D_S5的负极相连后，构成所述箝位式五电平变换器单相拓扑结构的电压输出端v_o；

当所述开关器件S₁、S ₂、S₃、S₄、S₅开通，而所述开关器件S ₁、S₂、S ₃、S ₄、S ₅关断时，v_o＝4V_dc；

当所述开关器件S ₁、S ₂、S₃、S₄、S₅开通，而所述开关器件S₁、S₂、S ₃、S ₄、S ₅关断时，v_o＝3V_dc；

当所述开关器件S₁、S ₂、S₃、S₄、S ₅开通，而所述开关器件S ₁、S₂、S ₃、S ₄、S₅关断时，v_o＝3V_dc；

当所述开关器件S ₁、S ₂、S ₃、S ₄、S₅开通，而所述开关器件S₁、S₂、S₃、S₄、S ₅关断时，v_o＝2V_dc；

当所述开关器件S ₁、S ₂、S₃、S₄、S ₅开通，而所述开关器件S₁、S₂、S ₃、S ₄、S₅关断时，v_o＝2V_dc；

当所述开关器件S ₁、S₂、S ₃、S ₄、S₅开通，而所述开关器件S₁、S ₂、S₃、S₄、S ₅关断时，v_o＝V_dc；

当所述开关器件S ₁、S ₂、S ₃、S ₄、S ₅开通，而所述开关器件S₁、S₂、S₃、S₄、S₅关断时，v_o＝V_dc；

当所述开关器件S ₁、S₂、S ₃、S ₄、S ₅开通，而所述开关器件S₁、S ₂、S₃、S₄、S₅关断时，v_o＝0。

本发明的特征之二在于，含有：

直流输入电容C_dc1′ C_dc2′，C_dc3′，三者依次串接，在所述输入电容C_dc1′两端V₅′和V₄′之间加入直流输入电压1V_dc′，在所述输入电容C_dc2′两端所述V₄′和V₂′之间加入直流输入电压2V_dc′，在所述输入电容C_dc3两端所述V₂′和V₁′之间加入直流输入电压1V_dc′，由所述电容C_dc1′C_dc2′，C_dc3′串联构成的支路上的总直流输入电压为4V_dc′；

IGBT开关器件S₁′、S₂′、S₃′、S₄′、S₅′、S′ ₁、S′ ₂、S′ ₃、S′ ₄和S′ ₅，共十个，所述各个IGBT开关器件从发射极和集电极之间依次分别正向各并接了一个反击穿二极管D_S1′、D_S2′、D_S3′、D_S4′、D_S5′、D_S1′、D_S2′、D_S3′、D_S4′和D_S5′，从而构成了十个具有反击穿功能的IGBT开关器件；

还有一个箝位电容C′，其两端加入直流电压为1V_dc′；

其中：

所述开关器件S₁′的集电极与所述端点V₅′相连，所述开关器件S′₁的发射极与所述端点V₄′相连，所述开关器件S₁′的发射极和开关器件S′₁的集电极相连，

所述开关器件S₂′的集电极合所述端点V₂′相连，所述开关器件S′₂的发射极与所述端点V₁′相连，所述开关器件S₂′的发射极合开关器件S′₂的集电极相连，

所述反击穿二极管D_S5′、D_S4′、D_S3′依次正向串接，串接后，该反击穿二极管D_S3′的负极与所述开关器件S₁′的发射极相连，

所述反击穿二极管D_S5′、D_S4′、D_S3′依此正向串接，串接后，该反击穿二极管D_S3′的正极与所述开关器件S₂′的发射极相连，

所述箝位电容C′的一端与所述开关器件S₅′的集电极相连，而该电容C′的另一端与所述开关器件S′₅的发射极相连，

开关器件S₅′的发射极与开关器件S′₅的集电极相连后构成箝位式五电平变换器单相拓扑结构的电压输出端v_o′；

当所述开关器件S₁′、S₂′、S₃′、S₄′、S₅′开通，而所述开关器件S′ ₁、S′ ₂、S′ ₃、S′ ₄、S′ ₅关断时，v_o′＝4V_dc′；

当所述开关器件S′ ₁、S₂′、S₃′、S₄′、S₅′开通，而所述开关器件S₁′、S′ ₂、S′ ₃、S′ ₄、S′ ₅关断时，v_o′＝3V_dc′；

当所述开关器件S₁′、S₂′、S₃′、S₄′、S′ ₅开通，而所述开关器件S′ ₁、S′ ₂、S′ ₃、S′ ₄、S₅′关断时，v_o′＝3V_dc′；

当所述开关器件S′ ₁、S₂′、S′ ₃、S′ ₄、S₅′开通，而所述开关器件S₁′、S′ ₂、S₃′、S₄′、S′ ₅关断时，v_o′＝2V_dc′；

当所述开关器件S′ ₁、S₂′、S₃′、S₄′、S′ ₅开通，而所述开关器件S₁′、S′ ₂、S′ ₃、S′ ₄、S₅′关断时，v_o′＝2V_dc′；

当所述开关器件S′ ₁、S₂′、S′ ₃、S′ ₄、S′ ₅开通，而所述开关器件S₁′、S′ ₂、S₃′、S₄′、S₅′关断时，v_o′＝V_dc′；

当所述开关器件S′ ₁、S′ ₂、S′ ₃、S′ ₄、S₅′开通，而所述开关器件S₁′、S₂′、S₃′、S₄′、S′ ₅关断时，v_o′＝V_dc′；

当所述开关器件S′ ₁、S′ ₂、S′ ₃、S′ ₄、S′ ₅开通，而所述开关器件S₁′、S₂′、S₃′、S₄′、S₅′关断时，v_o′＝0。

以上两种新型箝位式五电平电路拓扑结构有如下优点：

1)、电路结构大大简化，成本降低。与相同电压等级输出的通用箝位式五电平电路拓扑相比(图1)，大大减少了箝位电容和快恢复二极管的数量；比层叠式多电平变换器相比(图4)，所用电容等级相同，却减少了电容数目。

2)、器件耐压水平低，所有器件的最大耐压相同，都为V_dc(直流母线电压的1/4)。

3)、不含器件的直接串联，因而与层叠式多电平变换器相比，没有开通和关断的同步问题。

附图说明

图1为单相通用箝位式五电平变换器主电路拓扑结构；

图2为三相二极管钳位式五电平变换器主电路拓扑结构；

图3为三相电容箝位式五电平变换器主电路拓扑结构；

图4为两层叠两单元SMC多电平变换器主电路拓扑结构；

图5为新型箝位式五电平变换器单相拓扑一结构；

图6为新型箝位式五电平变换器单相拓扑二结构；

图7为PWM策略输出逆变器侧输出三相电压波形；

图8为PWM策略输出逆变器侧输出单相电压波形；

图9为PWM策略输出逆变器侧输出线电压波形。

具体实施方式

在图5单相拓扑中包括10个IGBT开关器件，4个箝位二极管以及一个箝位电容。其中S₁和S ₁、S₂和S ₂、S₃和S ₃、S₄和S ₄、S₅和S ₅分别均为互补开关。

在图6单相拓扑中也包括10个IGBT开关器件和一个箝位电容，与图5拓扑相比，省了4个箝位二极管。其中S₁′和S′ ₁、S₂′和S′ ₂、S₃′和S′ ₃、S₄′和S′ ₄、S₅′和S′ ₅分别均为互补开关。

对于图5单相拓扑结构而言，当要求输出v_o＝4V_dc时，开通S₁、S ₂、S₃、S₄、S₅，其余开关管的开关状态可以由互补关系确定，即断开S ₁、S₂、S ₃、S ₄、S ₅。若电流由逆变器流向负载，电流经过开关管S₁、S₃、S₄、S₅到达输出端v_o；若电流从负载流向逆变器，则电流从输出端v_o经过D_S5、D_S4、D_S3、D_S1到达逆变器侧p点。

当要求输出v_o＝3V_dc时，有两种开关方案。第一种方案为开通S ₁、S ₂、S₃、S₄、S₅，其余开关管的开关状态可以由互补关系确定，即断开S₁、S₂、S ₃、S ₄、S ₅。若电流由逆变器流向负载，电流经过D₁、S₃、S₄、S₅到达输出端v_o；若电流从负载流向逆变器，则电流从输出端v_o经过D_S5、D_S4、S ₁、D₂到达逆变器侧V₄点。第二种方案为开通S₁、S ₂、S₃、S₄、S ₅，断开S ₁、S₂、S ₃、S ₄、S₅。若电流由逆变器流向负载，电流经过S₁、S₃、S₄、C、D_S5到达输出端v_o；若电流从负载流向逆变器，则电流从输出端v_o经过S ₅、C、D_S4、D_S3、D_S1到达逆变器侧p点。

当要求输出v_o＝2V_dc时，有两种开关方案。第一种方案为开通S ₁、S ₂、S ₃、S ₄、S₅，其余开关管的开关状态可以由互补关系确定，即断开S₁、S₂、S₃、S₄、S ₅。若电流由逆变器流向负载，电流经过D₃、S ₂、D_S4、C、S₅到达输出端v_o；若电流从负载流向逆变器，则电流从输出端v_o经过D_S5、C、S ₄、S ₃、D₄到达逆变器侧V₂点。第二种方案为开通S ₁、S ₂、S₃、S₄、S ₅，断开S₁、S₂、S ₃、S ₄、S₅。若电流由逆变器流向负载，电流经过D₁、S₃、S₄、C、D_S5到达输出端v_o；若电流从负载流向逆变器，则电流从输出端v_o经过S ₅、C、D_S4、S ₁、D₂到达逆变器侧V₄点。

当要求输出v_o＝V_dc时，有两种开关方案。第一种方案为开通S ₁、S₂、S ₃、S ₄、S₅，其余开关管的开关状态可以由互补关系确定，即断开S₁、S ₂、S₃、S₄、S ₅。若电流由逆变器流向负载，电流经过D_S2、D_S3、D_S4、C、S₅到达输出端v_o；若电流从负载流向逆变器，则电流从输出端v_o经过D_S5、C、S ₄、S ₃、S₂到达逆变器侧n点。第二种方案为开通S ₁、S ₂、S ₃、S ₄、S ₅，断开S₁、S₂、S₃、S₄、S₅。若电流由逆变器流向负载，电流经过D₃、S ₂、D_S4、D_S5到达输出端v_o；若电流从负载流向逆变器，则电流从输出端v_o经过S ₅、S ₄、S ₃、D₄到达逆变器侧V₂点。

当要求输出v_o＝0时，开通S ₁、S₂、S ₃、S ₄、S ₅，其余开关管的开关状态可以由互补关系确定，即断开S₁、S ₂、S₃、S₄、S₅。若电流由逆变器流向负载，电流经过开关管D_S2、D_S3、D_S4、D_S5到达输出端v_o；若电流从负载流向逆变器，则电流从输出端v_o经过S ₅、S ₄、S ₃、S₂到达逆变器侧n点。

对于图6单相拓扑结构而言，当要求输出v_o＝4V_dc′时，开通S₁′、S₂′、S₃′、S₄′、S₅′，其余开关管的开关状态可以由互补关系确定，即断开S′ ₁、S′ ₂、S′ ₃、S′ ₄、S′ ₅。若电流由逆变器流向负载，电流经过开关管S₁′、S₃′、S₄′、S₅′到达输出端v_o；若电流从负载流向逆变器，则电流从输出端v_o经过D_S5′、D_S4′、D_S3′、D_S1′到达逆变器侧p′点。

当要求输出v_o＝3V_dc时，有两种开关方案。第一种方案为开通S′ ₁、S₂′、S₃′、S₄′、S₅′，其余开关管的开关状态可以由互补关系确定，即断开S₁′、S′ ₂、S′ ₃、S′ ₄、S′ ₅。若电流由逆变器流向负载，电流经过D_S1、S₃′、S₄′、S₅′到达输出端v_o；若电流从负载流向逆变器，则电流从输出端v_o经过D_S5′D_S4′、D_S3′、S′ ₁到达逆变器侧V₄点。第二种方案为开通S₁′、S₂′、S₃′、S₄′、S′ ₅，断开S′ ₁、S′ ₂、S′ ₃、S′ ₄、S₅′。若电流由逆变器流向负载，电流经过S₁′、S₃′、S₄′、C′、D_S5′到达输出端v_o；若电流从负载流向逆变器，则电流从输出端v_o经过S′ ₅、C′、D_S4′、D_S3′、D_S1′到达逆变器侧p′点。

当要求输出v_o＝2V_dc时，有两种开关方案。第一种方案为开通S′ ₁、S′₂、S′ ₃、S′ ₄、S₅′，其余开关管的开关状态可以由互补关系确定，即断开S₁′、S′ ₂、S′₃、S′₄、S′ ₅。若电流由逆变器流向负载，电流经过S₂′、D_S3′、D_S4′、C′、S₅′到达输出端v_o；若电流从负载流向逆变器，则电流从输出端v_o经过D_S5′、C′、S′ ₄、S′ ₃、D_S2′到达逆变器侧V₂点。第二种方案为开通S′ ₁、S₂′、S₃′、S₄′、S′ ₅，断开S₁′、S′ ₂、S′ ₃、S′ ₄、S₅′。若电流由逆变器流向负载，电流经过D_S1′、S₃′、S₄′、C′、D_S5到达输出端v_o；若电流从负载流向逆变器，则电流从输出端v_o经过S′ ₅、C′、D_S4、D_S3、S′ ₁到达逆变器侧V₄点。

当要求输出v_o＝V_dc时，有两种开关方案。第一种方案为开通S′ ₁、S₂′、S′ ₃、S′ ₄、S′ ₅，其余开关管的开关状态可以由互补关系确定，即断开S₁′、S′ ₂、S₃′、S₄′、S₅′。若电流由逆变器流向负载，电流经过S₂′、D_S3′、D_S4′、D_S5′到达输出端v_o；若电流从负载流向逆变器，则电流从输出端v_o经过S′ ₅、S′ ₄、S′ ₃、D_S2′到达逆变器侧V₂点。第二种方案为开通S′ ₁、S′ ₂、S′ ₃、S′ ₄、S₅′，断开S₁′、S₂′、S₃′、S₄、S′ ₅。若电流由逆变器流向负载，电流经过D_S2′、D_S3′、D_S4′、C′、S₅′到达输出端v_o；若电流从负载流向逆变器，则电流从输出端v_o经过D_S5′、C′、S′ ₄、S′ ₃、S′ ₂到达逆变器侧n′点。

当要求输出v_o＝0时，开通S′ ₁、S′ ₂、S′ ₃、S′ ₄、S′ ₅，其余开关管的开关状态可以由互补关系确定，即断开S₁′、S₂′、S₃′、S₄′、S₅′。若电流由逆变器流向负载，电流经过开关管D_S2′、D_S3′、D_S4′、D_S5′到达输出端v_o；若电流从负载流向逆变器，则电流从输出端v_o经过S′ ₅、S′ ₄、S′ ₃、S′ ₂到达逆变器侧n′点。

可根据控制目标的不同，选择不同的冗余开关状态。拓扑结构一完整的开关状态与输出真值表如表1所示，拓扑结构二完整的开关状态与输出真值表如表2所示。采用PWM策略输出三相电压如图7所示，单相电压如图8所示，线电压如图9所示。

表1 新型箝位式五电平变换器拓扑一开关状态与输出真值表

S₁	S ₁	S₂	S ₂	S₃	S ₃	S₄	S ₄	S₅	S ₅	v_o
											0	1	1	0	0	1	0	1	0	1	0
0	1	0	1	0	1	0	1	0	1	1V_dc
											0	1	1	0	0	1	0	1	1	0	1V_dc
0	1	0	1	0	1	0	1	1	0	2V_dc
											0	1	0	1	1	0	1	0	0	1	2V_dc
0	1	0	1	1	0	1	0	1	0	3V_dc
											1	0	0	1	1	0	1	0	0	1	3V_dc
1	0	0	1	1	0	1	0	1	0	4V_dc

表2 新型箝位式五电平变换器拓扑二开关状态与输出真值表

S₁	S ₁	S₂	S ₂	S₃	S ₃	S₄	S ₄	S₅	S ₅	v_o
											0	1	0	1	0	1	0	1	0	1	0
0	1	0	1	0	1	0	1	1	0	1V_dc
											0	1	1	0	0	1	0	1	0	1	1V_dc
0	1	1	0	0	1	0	1	1	0	2V_dc
											0	1	1	0	1	0	1	0	0	1	2V_dc
0	1	1	0	1	0	1	0	1	0	3V_dc
											1	0	1	0	1	0	1	0	0	1	3V_dc
1	0	1	0	1	0	1	0	1	0	4V_dc

Claims

1.箝位型多电平变换器用的单相电路拓扑结构，其特点在于，含有：

直流输入电容C_ac1，C_dc2和C_dc3，三者依次串接，在所述输入电容C_dc1的两个端点即端点V₅和端点V₄之间加入直流输入电压1V_dc，在所述输入电容C_dc2的两个端点所述V₄和V₂之间加入直流输入电压2V_dc，在所述输入电容C_dc3的两个端点所述V₂和V₁之间加入直流输入电压1V_dc，由所述电容C_dc1，C_dc2和C_dc3串联构成的支路上的总直流输入电压为4V_dc；

IGBT开关器件S₁、S₂、S₃、S₄、S₅、S ₁、S ₂、S ₃、S ₄和S ₅，共十个，所述各个IGBT开关器件分别在其发射极和集电极之间在从发射极到集电极的方向上正向并接一个反击穿二极管D_S1、D_S2、D_S3、D_S4、D_S5、D_S1、D_S2、D_S3、D_S4和D_S5，从而构成了十个具有反击穿功能的IGBT开关器件；

箝位二极管D₁、D₂、D₃、D₄共四个，

以及一个箝位电容C，该电容C两端的电压为1V_dc；

其中：

所述反击穿二极管D_S3的正极连接到所述反击穿二极管D_S4的负极，所述反击穿二极管D_S3的负极连接到所述反击穿二极管D_S1的正极，所述反击穿二极管D_S1的负极连接到所述端点V₅，

所述反击穿二极管D_S1的正极反向串接所述箝位二极管D₂后与所述端点V₄相连，同时，该箝位二极管D₂的负极又正向串接所述箝位二极管D₁后与反击穿二极管D_S1的正极相连，另外，所述反击穿二极管D_S1的负极与所述反击穿二极管D_S3的正极相连，

所述反击穿二极管D_S2的负极连接到所述反击穿二极管D_S3的正极，所述反击穿二极管D_S2的正极连接到所述端点V₁，

所述反击穿二极管D_S4的正极连接到所述反击穿二极管D_S5的负极，所述反击穿二极管D_S4的负极连接到所述反击穿二极管D_S3的正极，

所述反击穿二极管D_S4的负极连接到所述反击穿二极管D_S5的正极，所述反击穿二极管D_S4的正极连接到所述反击穿二极管D_S2的正极，而所述箝位电容C的两端分别连接到所述反击穿二极管D_S5的负极和所述反击穿二极管D_S5的正极，

所述反击穿二极管D_S5的正极和所述反击穿二极管D_S5的负极相连后，构成所述箝位型多电平变换器单相拓扑结构的电压输出端v_o；

当所述开关器件S₁、S ₂、S₃、S₄和S₅开通，而所述开关器件S ₁、S₂、S ₃、S ₄和S ₅关断时，v_o＝4V_dc；

当所述开关器件S ₁、S ₂、S₃、S₄和S₅开通，而所述开关器件S₁、S₂、S ₃、S ₄和S ₅关断时，v_o＝3V_dc；

当所述开关器件S₁、S ₂、S₂、S₄和S ₅开通，而所述开关器件S ₁、S₂、S ₃、S ₄和S₅关断时，v_o＝3V_dc；

当所述开关器件S ₁、S ₂、S ₃、S ₄、S₅开通，而所述开关器件S₁、S₂、S₃、S₄和S ₅关断时，v_o＝2V_dc；

当所述开关器件S ₁、S ₂、S₃、S₄和S ₅开通，而所述开关器件S₁、S₂、S ₃、S ₄和S₅关断时，v_o＝2V_dc；

当所述开关器件S ₁、S₂、S ₃、S ₄和S₅开通，而所述开关器件S₁、S ₂、S₃、S₄和S ₅关断时，v_o＝V_dc；

当所述开关器件S ₁、S ₂、S ₃、S ₄和S ₅开通，而所述开关器件S₁、S₂、S₃、S₄和S₅关断时，v_o＝V_dc；

当所述开关器件S ₁、S₂、S ₃、S ₄和S ₅开通，而所述开关器件S₁、S ₂、S₃、S₄和S₅关断时，v_o＝0。

2.箝位型多电平变换器用的单相电路拓扑结构，其特点在于，含有：

直流输入电容C′_dc1，C′_dc2和C′_dc3，三者依次串接，在所述输入电容C′_dc1的两个端点V′₅和V′₄之间加入直流输入电压1V′_dc，在所述输入电容C′_dc2的两个端点所述V′₄和V′₂之间加入直流输入电压2V′_dc，在所述输入电容C′_dc3的两个端点所述V′₂和V₁′之间加入直流输入电压1V′_dc，由所述电容C′_dc1，C′_dc2和C′_dc3串联构成的支路上的总直流输入电压为4V′_dc；

IGBT开关器件S′₁、S′₂、S′₃、S′₄、S′₅、S′₁、S′₂、S′₃、S′₄和S′₅，共十个，所述各个IGBT开关器件分别在其发射极和集电极之间在从发射极到集电极的方向上正向并接一个反击穿二极管D′_S1、D′_S2、D′_S3、D′_S4、D′_S5、D′_S1、D′_S2、D′_S3、D′_S4和D′_S5，从而构成了十个具有反击穿功能的IGBT开关器件；

还有一个箝位电容C′，其两端加入直流电压为1V′_dc；

其中：

所述开关器件S′₁的集电极与所述端点V′₅相连，所述开关器件S′₁的发射极与所述端点V′₄相连，所述开关器件S′₁的发射极和开关器件S′₁的集电极相连，

所述开关器件S′₂的集电极和所述端点V′₂相连，所述开关器件S′₂的发射极与所述端点V′₁相连，所述开关器件S′₂的发射极和开关器件S′₂的集电极相连，

所述反击穿二极管D′_S5的负极连接到所述反击穿二极管D′_S4的正极，所述反击穿二极管D′_S4的负极连接到所述反击穿二极管D′_S3的正极，所述反击穿二极管D′_S3的负极连接到所述开关器件S′₁的发射极，

所述反击穿二极管D′S ₅的正极连接到所述反击穿二极管D′S ₄的负极，所述反击穿二极管D′_S4的正极连接到反击穿二极管D′_S3的负极，所述反击穿二极管D′_S3的正极连接到所述开关器件S′₂的发射极，

所述箝位电容C′的一端与所述开关器件S′₅的集电极相连，而该电容C′的另一端与所述开关器件S′₅的发射极相连，

开关器件S′₅的发射极与开关器件S′₅的集电极相连后构成箝位型多电平变换器单相拓扑结构的电压输出端v′_o；

当所述开关器件S′₁、S′₂、S′₃、S′₄和S′₅开通，而所述开关器件S′₁、S′₂、S′₃、S′₄和S′₅关断时，v′_o＝4V′_dc；

当所述开关器件S′₁、S′₂、S′₃、S′₄和S′₅开通，而所述开关器件S′₁、S′₂、S′₃、S′₄和S′₅关断时，v′_o＝3V′_dc；

当所述开关器件S′₁、S′₂、S′₃、S′₄和S′₅开通，而所述开关器件S′₁、S′₂、S′₃、S′₄和S′₅关断时，v′_o＝2V′_dc；

当所述开关器件S′₁、S′₂、S′₃、S′₄和S′₅开通，而所述开关器件S′₁、S′₂、S′₃、S′₄和S′₅关断时，v′_o＝V′_dc；

当所述开关器件S′₁、S′₂、S′₃、S′₄和S′₅开通，而所述开关器件S′₁、S′₂、S′₃、S′₄和S′₅关断时，v′_o＝0。