CN102594181A - 多电平逆变拓扑单元及多电平逆变器 - Google Patents

多电平逆变拓扑单元及多电平逆变器 Download PDF

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CN102594181A CN2012100385043A CN201210038504A CN102594181A CN 102594181 A CN102594181 A CN 102594181A CN 2012100385043 A CN2012100385043 A CN 2012100385043A CN 201210038504 A CN201210038504 A CN 201210038504A CN 102594181 A CN102594181 A CN 102594181A
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汪洪亮
宋炀
岳秀梅
倪华
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Sungrow Power Supply Co Ltd
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    • H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H02M7/42—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal
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    • H02M7/483—Converters with outputs that each can have more than two voltages levels
    • H02M7/487—Neutral point clamped inverters

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Abstract

本申请公开了一种所述多电平逆变拓扑单元及多电平逆变器，能够实现N电平逆变，包括：2(N-1)个开关管，及反向并联在每个开关管两端的二极管，无需现有技术中的箝位二极管和飞跨电容，本发明提供的多电平逆变拓扑单元利用所述2(N-1)个开关管及自身反向并联的二极管即可为电流提供通路，并保证连接在直流输入端的电容不被短路，从而保证了多电平逆变拓扑单元中的半导体器件的数量较少，体积较小、成本低、损耗较小，效率高，而且，所述多电平逆变拓扑单元，在直流电源两端串联有多个开关管，从而降低了单个开关管需要承受的电压，进而提高了直流电源的电压等级。

Description

多电平逆变拓扑单元及多电平逆变器
技术领域
本申请涉及电力电子技术领域，特别是涉及一种多电平逆变拓扑单元及多电平逆变器。
背景技术
多电平逆变器在中压大容量场合得到广泛应用，现有的多电平逆变器主要有基于1字型多电平逆变拓扑单元和基于T字型的多电平逆变拓扑单元两类，下面将分别介绍上述的两类逆变拓扑单元。
请参见图1a，示出了二极管箝位型的1字型多电平逆变拓扑单元的结构示意图，该多电平逆变拓扑单元能够实现N电平逆变，主要包括：2(N-1)个串联连接的开关管T1、T2...T(2(N-1))，且每个开关管两端反相并联有一个二极管，共2(N-1)个二极管，还包括并联在所述多个串联的开关管支路上的箝位二极管，所述箝位二极管用于为各个开关管进行电压箝位，例如，第一箝位二极管D1用于将第一开关管T1的第二端的电压箝位于第一电容C1第二端的电压上，第二箝位二极管D2用于将开关管TN的第二端的电压箝位于第一电容C1第二端的电压上，其他箝位二极管的作用以此类推，此处不再赘述。
请参见图1b，示出了飞跨电容型的1字型多电平逆变拓扑单元的结构示意图，该多电平逆变拓扑单元中的电容C可以起到均压的作用，但是，需要的电容的数目较多。
上述的两种1字型多电平逆变拓扑单元，所使用的箝位二极管或者飞跨电容的数量较多，导致系统的体积庞大、成本增加。
请参见图1c，示出了T字型多电平逆变拓扑单元的结构示意图，该多电平拓扑单元能够实现N电平逆变，主要包括：2(N-1)个开关管，其中两个开关管串联后并联于直流电源Vdc的两端，剩余的2(N-2)个开关管两两串联构成一组，共构成N-2组开关管串联支路，此N-2组开关管串联支路均并联连接在交流输出端AC和对应的电容之间。此种多电平拓扑单元无需采用箝位二极管和飞跨电容，故拓扑单元中的器件数量大大减少，但是，连接直流电源的两个开关管需要承受直流电源Vdc的电压，然而单个开关管的电压承受能力较低，因此，此种T字型多电平逆变拓扑单元不适合应用于高压场合，限制了应用范围。
发明内容
为解决上述技术问题，本申请实施例提供一种多电平逆变拓扑单元及多电平逆变器，以解决现有的多电平逆变拓扑单元中的箝位二极管或飞跨电容的数量，同时提高多电平逆变拓扑单元中直流电源的电压等级，扩大应用范围，技术方案如下：
一种多电平逆变拓扑单元，能够实现2n电平逆变，包括：2n个直流输入端、一个交流输出端、2(2n-1)个开关管，n为大于1的正整数，其中，所述2(2n-1)个开关管两端均反向并联有一个二极管；
第一直流输入端和第2n个直流输入端分别连接直流电源的两端，且每两个相邻的直流输入端之间连接有一个电容；
2n个开关管的第一端和第二端依次串联在所述第一直流电平输入端和第2n个直流输入端之间，构成开关管串联支路，且第一开关管的第一端与所述第一直流输入端相连，第2n个开关管的第二端与所述第2n个直流输入端相连，第n个开关管和第n+1个开关管的公共端为该多电平逆变拓扑单元的交流输出端；
第二直流输入端至第n个直流输入端此n-1个直流输入端中，每个直流输入端与所述开关管串联支路中对应开关管的第一端之间均连接有一个开关管，且该开关管的第一端连接所述开关管串联支路中对应开关管的第一端，该开关管的第二端连接对应的所述直流输入端；
第n+1个直流输入端至第2n-1个直流输入端此n-1个直流输入端中，每个直流输入端与所述开关管串联支路中对应开关管的第二端之间均连接有一个开关管，且该开关管的第一端连接对应的所述直流输入端，第二端连接所述开关管串联支路中对应开关管的第二端。
一种多电平逆变拓扑单元，能够实现(2n+1)电平逆变，其中，n为正整数，主要包括：2n+1个直流输入端、一个交流输出端、4n个开关管，且所述4n个开关管均反向并联有一个二极管，其中：
第一直流输入端和第2n+1个直流输入端分别连接直流电源的两端，每两个相邻的直流输入端之间均连接有一个电容，且第n+1个直流输入端为零电位端；
2n个开关管的第一端和第二端依次串联在所述第一直流输入端和第2n+1个直流输入端之间构成开关管串联支路，且第一开关管的第一端与所述第一直流输入端相连，第2n个开关管的第二端与所述第2n个直流输入端相连，第n个开关管和第n+1个开关管的公共端为该多电平逆变拓扑单元的交流输出端；
第二直流输入端至第n个直流输入端此n-1个直流输入端中，每个直流输入端与所述开关管串联支路中对应开关管的第一端之间均连接有一个开关管，且该开关管的第一端连接所述开关管串联支路中对应开关管的第一端，该开关管的第二端连接所述直流输入端；
第n+2个直流输入端至第2n个直流输入端此n-1个直流输入端中，每个直流输入端与所述开关管串联支路中对应开关管的第一端之间均连接有一个开关管，且该开关管的第一端连接所述开关管串联支路中对应开关管的第一端，第二端连接所述直流输入端；
第n+1个直流输入端与所述交流输出端之间依次串联有两个开关管，且两个开关管的第二端相连，两个开关管的第一端分别连接所述第n+1个直流输入端、所述开关管串联支路中第n+1个开关管的第一端相连。
一种多电平逆变器，包括：两个所述的多电平逆变拓扑单元，分别为第一多电平逆变拓扑单元、第二多电平逆变拓扑单元，其中：
所述第一多电平逆变拓扑单元的直流输入端与所述第二多电平逆变拓扑单元的直流输入端并联，且所述第一多电平逆变拓扑单元的第一直流输入端连接直流电源的正端，第2n个直流输入端连接直流电源的负端；
所述第一多电平逆变拓扑单元和所述第二多电平逆变拓扑单元的交流输出端作为该多电平逆变器的两个交流输出端。
一种多电平逆变器，包括：三个所述的多电平拓扑单元，分别为：第一多电平逆变拓扑单元、第二多电平逆变拓扑单元和第三多电平逆变拓扑单元，其中：
所述第一多电平逆变拓扑单元的直流输入端、所述第二多电平逆变拓扑单元的直流输入端及所述第三多电平逆变拓扑单元的直流输入端一一并联，所述第一多电平逆变拓扑单元的第一直流输入端连接所述直流电源的正端，第2n个直流输入端连接所述直流电源的负端；
所述第一多电平逆变拓扑单元的交流输出端、所述第二多电平逆变拓扑单元的交流输出端及所述第三多电平逆变拓扑单元的交流输出端分别作为该多电平逆变器的三个交流输出端。
一种多电平逆变器，包括四个所述的多电平逆变拓扑单元，分别为第一多电平逆变拓扑单元、第二多电平逆变拓扑单元、第三多电平逆变拓扑单元和第四多电平逆变拓扑单元，其中：
所述第一多电平逆变拓扑单元的直流输入端、所述第二多电平逆变拓扑单元的直流输入端、第三多电平逆变拓扑单元的直流输入端及第四多电平逆变拓扑单元的直流输入端一一并联，所述第一多电平逆变拓扑单元的第一直流输入端连接所述直流电源的正端，第2n个直流输入端连接所述直流电源的负端；
所述第一多电平逆变拓扑单元的交流输出端、所述第二多电平逆变拓扑单元的交流输出端、所述第三多电平逆变拓扑单元的交流输出端及所述第四多电平逆变拓扑单元的交流输出端分别作为该多电平逆变器的四个交流输出端。
一种多电平逆变器，包括：两个所述的多电平逆变拓扑单元，分别为：第一多电平逆变拓扑单元和第二多电平逆变拓扑单元，其中：
所述第一多电平逆变拓扑单元的直流输入端与所述第二多电平逆变拓扑单元的直流输入端并联，所述第一多电平逆变拓扑单元的第一直流输入端连接所述直流电源的正端，第2n+1个直流输入端连接所述直流电源的负端；
所述第一多电平逆变拓扑单元的交流输出端和所述第二多电平逆变拓扑单元的交流输出端分别作为该多电平逆变器的两个交流输出端。
一种多电平逆变器，包括三个所述的多电平逆变拓扑单元，分别为：第一多电平逆变拓扑单元、第二多电平逆变拓扑单元、第三多电平逆变拓扑单元，其中：
所述第一多电平逆变拓扑单元的直流输入端、所述第二多电平逆变拓扑单元的直流输入端及第三多电平逆变拓扑单元的直流输入端并联，所述第一多电平逆变拓扑单元的第一直流输入端连接所述直流电源的正端，第2n+1个直流输入端连接所述直流电源的负端；
所述第一多电平逆变拓扑单元的交流输出端、所述第二多电平逆变拓扑单元的交流输出端及所述第三多电平逆变拓扑单元的交流输出端分别作为该多电平逆变器的三个交流输出端。
一种多电平逆变器，包括四个所述的多电平逆变拓扑单元，分别为：第一多电平逆变拓扑单元、第二多电平逆变拓扑单元、第三多电平逆变拓扑单元和第四多电平逆变拓扑单元，其中：
所述第一多电平逆变拓扑单元的直流输入端、所述第二多电平逆变拓扑单元的直流输入端、第三多电平逆变拓扑单元的直流输入端及第四多电平逆变拓扑单元的直流输入端并联，所述第一多电平逆变拓扑单元的第一直流输入端连接所述直流电源的正端，第2n+1个直流输入端连接所述直流电源的负端；
所述第一多电平逆变拓扑单元的交流输出端、所述第二多电平逆变拓扑单元的交流输出端、所述第三多电平逆变拓扑单元的交流输出端及所述第四多电平逆变拓扑单元的交流输出端分别作为该多电平逆变器的四个交流输出端。
由以上本申请实施例提供的技术方案可见，所述多电平逆变拓扑单元及多电平逆变器，能够实现N电平逆变，包括：2(N-1)个开关管，及反向并联在每个开关管两端的二极管，无需现有技术中的箝位二极管和飞跨电容，本发明提供的多电平逆变拓扑单元利用所述2(N-1)个开关管及自身反向并联的二极管即可为电流提供通路，并保证连接在直流输入端的电容不被短路，从而保证了多电平逆变拓扑单元中的半导体器件的数量较少，体积较小、成本低、损耗较小，效率高，而且，所述多电平逆变拓扑单元，在直流电源两端串联有多个开关管，从而降低了单个开关管需要承受的电压，进而提高了直流电源的电压等级。
附图说明
为了更清楚地说明本申请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申请中记载的一些实施例，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为现有技术一种多电平逆变拓扑单元的结构示意图；
图1b为现有技术另一种多电平逆变拓扑单元的结构示意图；
图1c为现有技术另一种多电平逆变拓扑单元的结构示意图；
图2为本申请实施例一种多电平逆变拓扑单元的结构示意图；
图3为图2所示的多电平逆变拓扑单元的等效图；
图4为本申请实施例一种单相全桥多电平逆变器的电路结构示意图；
图5为本申请实施例一种三相三线制多电平逆变器的结构示意图；
图6为本申请实施例一种三相四线制多电平逆变器的结构示意图；
图7为本申请实施例另一种多电平逆变拓扑单元的电路结构示意图；
图8为本申请实施例一种七电平逆变拓扑单元的电路结构示意图
图9为本申请实施例图7所示的多电平逆变拓扑单元的等效图；
图10为本申请实施例另一种单相全桥多电平逆变器的电路结构示意图；
图11为本申请实施例另一种三相三线制多电平逆变器的结构示意图；
图12为本申请实施例另一种三相四线制多电平逆变器的结构示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都应当属于本申请保护的范围。
请参见图2，示出了本申请实施例一种多电平逆变拓扑单元的结构示意图。
该多电平逆变拓扑单元实现2n个电平逆变，主要包括：2n个直流输入端、一个交流输出端AC、2(2n-1)个开关管，以及反向并联在所述2(2n-1)个开关管两端的二极管，其中，n为大于1的正整数。
其中，2(2n-1)个开关管中的2n个开关管依次串联在所述第一直流电平输入端和第2n个直流输入端之间，且第n个开关管和第n+1个开关管的公共端为该多电平逆变拓扑单元的交流输出端；
第一直流输入端连接直流电源Vdc的正端，第2n个直流输入端连接直流电源Vdc的负端，且所述2n个直流输入端中的相邻的两个直流输入端之间均连接有一个电容，例如，第一电容C1连接在第一直流输入端和第二直流输入端之间，依次类推，在第一直流输入端至第2n个直流输入端之间依次串联有2n-1个电容。
第二直流输入端至第n个直流输入端，每个直流输入端与所述2n个串联的开关管中对应的开关管的第一端之间均连接有一个开关管，第n+1个直流输入端至第2n-1个直流输入端，每个直流输入端与所述2n个串联的开关管中对应的开关管的第二端之间均连接有一个开关管。
直流电源Vdc的正端输出电压为
Figure BDA0000136908710000071
负端输出电压为
Figure BDA0000136908710000072
则所述2n个电平由小到大依次为
Figure BDA0000136908710000074
所述2n个直流输入端由下至上分别对应上述的2n个电平，位于最上方的第一直流输入端与直流电源Vdc的正端相连，输入的电平为
Figure BDA0000136908710000075
第二直流输入端输入的电平为
Figure BDA0000136908710000076
依次类推，位于最下方的第2n个直流输入端与直流电源Vdc的负端相连，输入的电平为
Figure BDA0000136908710000077
所述多电平逆变拓扑单元及多电平逆变器，能够实现2n电平逆变，包括：2(2n-1)个开关管，及反向并联在每个开关管两端的二极管，无需现有技术中的箝位二极管和飞跨电容，本发明提供的多电平逆变拓扑单元利用所述2(2n-1)个开关管及自身反向并联的二极管即可为电流提供通路，并保证连接在直流输入端的电容不被短路，从而使得多电平逆变拓扑单元中的半导体器件的数量较少，体积较小、成本低、损耗较小，效率高，而且，所述多电平逆变拓扑单元，在直流电源两端串联有多个开关管，降低了单个开关管需要承受的电压，从而提高了直流电源的电压等级。
优选的，上述所有的开关管可以是IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管)、MOSFET管、IGCT管或IEGT管，当所述开关管为IGBT管时，所述开关管的第一端为集电极、第二端为发射极。
优选的，本实施例提供的多电平逆变拓扑单元中开关管由开关管控制单元(图中未示出)控制开关管导通或关断，交流输出端输出为该多电平逆变拓扑单元中处于导通状态的开关管形成的回路连接的直流输入端的输入电平，因此，使多电平逆变拓扑单元交流输出端AC输出的2n个电平的顺序按照正弦波的变化趋势排列，由此得到该多电平逆变拓扑单元中的开关管的导通顺序。
需要说明的是，所述反向并联在开关管两端的二极管可以是独立的二极管，也可以是与所述开关管封装集成在一起的二极管。
需要说明的是，利用图2所示的多电平逆变拓扑单元构成2n电平逆变器时，至少需要2个图2所示的多电平逆变拓扑单元并联在一起，图3为图2所示的多电平逆变拓扑单元的等效图。
请参见图4，示出了一种单相全桥多电平逆变器的电路结构示意图。
单相全桥多电平逆变器主要包括：两个图2所示的多电平逆变拓扑单元，两个多电平逆变拓扑单元的2n个直流输入端一一连接，其中，DC+端作为多电平逆变拓扑单元的第一直流输入端连接直流电源的正端，DC-端作为多电平逆变拓扑单元的第2n个直流输入端连接直流电源的负端。
两个多电平逆变拓扑单元的交流输出端作为该单相全桥多电平逆变器的两个交流输出端连接滤波电路，交流输出端输出的信号经过滤波电路进行滤波后得到正弦波信号。
请参见图5，示出了一种三相三线制多电平逆变器的结构示意图。
该三相三线制多电平逆变器包括：三个图2所示的多电平逆变拓扑单元，此三个多电平逆变拓扑单元的直流输入端分别并联，DC+端作为多电平逆变拓扑单元的第一直流输入端连接直流电源的正端，DC-端作为多电平逆变拓扑单元的第2n个直流输入端连接直流电源的负端。
三个多电平逆变拓扑单元的三个交流输出端作为该三相三线制多电平逆变器的三个交流输出端连接滤波电路，交流输出端输出的信号经过滤波电路进行滤波后得到正弦波信号。
请参见图6，示出了一种三相四线制多电平逆变器的结构示意图。
该三相四线制多电平逆变器包括：四个图2所示的多电平逆变拓扑单元，此四个多电平逆变拓扑单元的直流输入端分别并联，DC+端作为多电平逆变拓扑单元的第一直流输入端连接直流电源的正端，DC-端作为多电平逆变拓扑单元的第2n个直流输入端连接直流电源的负端。四个交流输出端作为该三相四线制多电平逆变器的四个交流输出端连接滤波电路，交流输出端端输出的信号经过滤波电路进行滤波后得到正弦波信号。
需要说明的是，所述滤波电路可以是L滤波电路，此时，滤波电路中仅有电感，也可以是LC滤波电路，此种滤波电路中既有电感也有电容，还可以是LCL滤波电路，此种滤波电路中的滤波元件依次为电感、电容、电感，本申请并不限定滤波电路的具体结构，凡是能够起到滤波作用的电路均是本发明公开和保护的范围。
上述多电平逆变拓扑单元能够实现偶数个电平逆变的逆变器，下面将详细介绍奇数个电平的多电平逆变拓扑单元的电路结构及工作过程。
请参见图7，示出了另一种多电平逆变拓扑单元的电路结构示意图。
该多电平逆变拓扑单元能够实现2n+1个电平逆变，主要包括：2n+1个直流输入端、一个交流输出端AC、4n个开关管，且所述4n个开关管均反向并联有二极管，其中，n为正整数。
第一直流输入端连接直流电源Vdc的正端，第2n+1个直流输入端连接直流电源Vdc的负端，第n+1个直流输入端为零电位端，且每两个相邻的直流输入端之间均连接有一个电容。
2n个开关管依次串联在所述第一直流输入端和第2n+1个直流输入端之间，且第n个开关管和第n+1个开关管的公共端为该多电平逆变拓扑单元的交流输出端AC；
第二直流输入端至第n个直流输入端此n-1个直流输入端中，每个直流输入端与开关管串联支路中对应开关管的第一端之间均连接有一个开关管，该开关管的第一端连接所述开关管串联支路中对应开关管的第一端，该开关管的第二端连接所述直流输入端；
第n+2个直流输入端至第2n直流输入端此n-1个直流输入端中，每个直流输入端与所述开关管串联支路中对应开关管的第一端之间均连接有一个开关管，且该开关管的第一端连接所述开关管串联支路中对应开关管的第一端，第二端连接所述直流输入端；
第n+1个直流输入端与所述交流输出端之间依次串联有两个开关管，且两个开关管的第二端相连，两个开关管的第一端分别连接所述第n+1个直流输入端、所述开关管串联支路中第n+1个开关管的第一端相连。
所述直流电源Vdc的正端输出电压为
Figure BDA0000136908710000101
负端输出电压为
Figure BDA0000136908710000102
则所述2n+1个电平由低到高依次为：
Figure BDA0000136908710000103
Figure BDA0000136908710000104
所述2n+1个直流输入端由下至上分别对应上述2n+1个电平，其中，位于最上方的第一直流输入端与直流电源Vdc的正端相连，输入的电平为
Figure BDA0000136908710000105
第二直流输入端输入的电平为
Figure BDA0000136908710000106
依此类推，位于最下方的第2n+1个直流输入端与直流电源Vdc的负端相连，输入的电平为
优选的，上述所有的开关管可以是IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管)、MOSFET管、IGET管或IEGT管，当所述开关管为IGBT管时，所述开关管的第一端为集电极、第二端为发射极。
优选的，本实施例提供的多电平逆变拓扑单元中开关管由开关管控制单元(图中未示出)控制开关管导通或关断，交流输出端输出为该多电平逆变拓扑单元中处于导通状态的开关管形成的回路连接的直流输入端的输入电平，因此，使多电平逆变拓扑单元交流输出端AC输出的2n+1个电平的顺序按照正弦波的变化趋势排列，由此得到该多电平逆变拓扑单元中的开关管的导通顺序。
需要说明的是，所述反向并联在开关管两端的二极管可以是独立的二极管，也可以是与所述开关管封装集成在一起的二极管。
下面以七电平逆变拓扑单元为例，对上述实现2n+1电平逆变拓扑单元进行详细说明。
请参见图8，示出了七电平逆变拓扑单元的电路结构示意图。
所述七电平逆变拓扑单元包括：12个开关管、7个直流输入端、一个交流输出端AC。
所述12个开关管分别为T1、T2、T3、T4、T5、T6、T7、T8、T9、T10、T11、T12，每个开关管两端均反向并联有一个二极管。
所述的7个直流输入端分别为：第一直流输入端、第二直流输入端、第三直流输入端、第四直流输入端、第五直流输入端、第六直流输入端和第七直流输入端，其中，第一直流输入端连接直流电源Vdc的正端，第七直流输入端连接直流电源Vdc的负端，第四直流输入端为零电位端；每相邻的两个直流输入端之间均连接一个电容，七个直流输入端间共连接有六个电容，分别为
T1～T6此六个开关管依次串联在所述第一直流输入端与第七直流输入端之间。
第二直流输入端通过T7连接至T2的第一端，第三直流输入端通过T8连接至T3的第一端，第四直流输入端通过串联连接的T9和T10连接至T4的第一端，第五直流输入端通过T11连接至T5的第一端，第六直流输入端通过T12连接至T6的第一端。其中，所述T9的第一端连接第四直流输入端，T9的第二端连接T10的第二端，T10的第一端连接T4的第一端。
直流电源Vdc的正端输出电压为
Figure BDA0000136908710000111
负端输出电压为
Figure BDA0000136908710000112
则上述第一直流输入端至第七直流输入端输入的电平依次为：
Figure BDA0000136908710000113
0、
Figure BDA0000136908710000114
下面结合图8所示的七电平逆变拓扑单元详细介绍输出七个电平对应的导通回路。
当该七电平逆变拓扑单元的交流输出端输出的电平为时，T1、T2、T3导通。
具体的，当图8中的a点流出电流时，电流的路径为：T1-T2-T3-L1-VG-L2-C3-C2-C1-T1；当a点流入电流时，电流的路径为：D3-D2-D1-C1-C2-C3-L2-VG-L1-D3。
当该七电平逆变拓扑单元的交流输出端输出的电平为
Figure BDA0000136908710000116
时，T2、T3、T7导通。
具体的，当a点流出电流时，电流的路径为：T2-T3-L1-VG-L2-C3-C2-D7-T2；当a点流入电流时，电流的路径为：D3-D2-T7-C2-C3-L2-VG-L1-D3。
当该七电平逆变拓扑单元的交流输出端输出的电平为
Figure BDA0000136908710000117
时，T3和T8导通。
具体的，当a点流出电流时，电流的路径为：T3-L1-VG-L2-C3-D8-T3；当a点流入电流时，电流的路径为：D3-T8-C3-L2-VG-L1-D3。
当该七电平逆变拓扑单元的交流输出端输出的电平为0时，T9和T10导通。
具体的，当a点流出电流时，电流的路径为：T9-D10-L1-VG-L2-T9；当a点流入电流时，电流的路径为：T10-D9-L2-VG-L1-T10。
当该七电平逆变拓扑单元的交流输出端输出的电平为
Figure BDA0000136908710000121
时，T11、T4导通。
具体的，当a点流出电流时，电流的路径为：T11-D4-L1-VG-L2-C4-T11；当a点流入电流时，电流的路径为：T4-D11-C4-L2-VG-L1-T4。
当该七电平逆变拓扑单元的交流输出端输出的电平为
Figure BDA0000136908710000122
时，T4、T5、T12导通。
具体的，当a点流出电流时，电流的路径为：T12-D5-D4-L1-VG-L2-C4-C5-T12；当a点流入电流时，电流的路径为：T4-T5-D12-C5-C4-L2-VG-L1-T4。
当该七电平逆变拓扑单元的交流输出端输出的电平为时，T4、T5、T6导通。
具体的，当a点流出电流时，电流的路径为：D6-D5-D4-L1-VG-L2-C4-C5-C6-D6；当a点流入电流时，电流的路径为：T4-T5-T6-C6-C5-C4-L2-VG-L1-T4。
优选的，本实施例提供的七电平逆变拓扑单元中开关管由开关管控制单元(图中未示出)控制开关管导通或关断，其中，该开关管控制单元根据正弦波的变化趋势使七电平逆变拓扑单元的交流输出端输出相对应的电平，从而得到开关管的导通时序。
本实施例提供的七电平逆变器，包括12个开关管，及反向并联在每个开关管两端的二极管，无需现有技术中的箝位二极管和飞跨电容，利用所述12个开关管及自身反向并联的二极管即可为电流提供通路，并保证连接在直流输入端的电容不被短路，从而保证了多电平逆变拓扑单元中的半导体器件的数量较少，体积较小、陈本低、损耗较小，效率高，而且，所述七电平逆变拓扑单元，在直流电源两端串联有多个开关管，从而降低了单个开关管需要承受的电压，进而提高了直流电源的电压等级。
图9为图7所示的多电平逆变拓扑单元的等效图。请参见图10，示出了本申请实施例另一种单相全桥多电平逆变器的拓扑图。
该单相全桥多电平逆变器主要包括：两个图9所示的多电平逆变拓扑单元，两个多电平逆变拓扑单元的2n+1个直流输入端一一连接，其中，DC+端作为多电平逆变拓扑单元的第一直流输入端连接直流电源的正端，DC-端作为多电平逆变拓扑单元的第2n+1个直流输入端连接直流电源的负端。
两个多电平逆变拓扑单元的交流输出端作为该单相全桥多电平逆变器的两个交流输出端连接滤波电路，交流输出端输出的信号经过滤波电路进行滤波后得到正弦波信号。
请参见图11，示出了另一种三相三线制多电平逆变器的结构示意图。
该三相三线制多电平逆变器包括：三个图9所示的多电平逆变拓扑单元，此三个多电平逆变拓扑单元的直流输入端分别并联，DC+端作为多电平逆变拓扑单元的第一直流输入端连接直流电源的正端，DC-端作为多电平逆变拓扑单元的第2n+1个直流输入端连接直流电源的负端。
三个多电平逆变拓扑单元的三个交流输出端作为该三相三线制多电平逆变器的三个交流输出端连接滤波电路，交流输出端输出的信号经过滤波电路进行滤波后得到正弦波信号。
请参见图12，示出了另一种三相四线制多电平逆变器的结构示意图。
该三相四线制多电平逆变器包括：四个图9所示的多电平逆变拓扑单元，此四个多电平逆变拓扑单元的直流输入端分别并联，DC+端作为多电平逆变拓扑单元的第一直流输入端连接直流电源的正端，DC-端作为多电平逆变拓扑单元的第2n个直流输入端连接直流电源的负端。四个交流输出端作为该三相四线制多电平逆变器的四个交流输出端连接滤波电路，交流输出端端输出的信号经过滤波电路进行滤波后得到正弦波信号。
需要说明的是，本发明实施例提供的多电平逆变拓扑单元使用的半导体器件较少，功耗较低，因此效率较高，而且，所述多电平逆变拓扑单元，在直流电源两端串联有多个开关管，降低了单个开关管需要承受的电压，从而提高了直流电源的电压等级。可以理解的是，由该多电平逆变拓扑单元组成的单相全桥、三相三线制以及三相四线制多电平逆变器同样具有该优点。
需要说明的是，以上实施例中均是以直流电源被逆变器逆变为交流电以后并网运行的过程，图中VG代表电网。可以理解的是，该逆变器也可以应用于离网运行的过程，图中VG的部分用负载代替便是离网运行的情况。
需要说明的是，在本文中，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。
以上所述仅是本申请的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。

Claims (8)

1.一种多电平逆变拓扑单元，其特征在于，能够实现2n电平逆变，包括：2n个直流输入端、一个交流输出端、2(2n-1)个开关管，n为大于1的正整数，其中，所述2(2n-1)个开关管两端均反向并联有一个二极管；
第一直流输入端和第2n个直流输入端分别连接直流电源的两端，且每两个相邻的直流输入端之间连接有一个电容；
2n个开关管的第一端和第二端依次串联在所述第一直流电平输入端和第2n个直流输入端之间，构成开关管串联支路，且第一开关管的第一端与所述第一直流输入端相连，第2n个开关管的第二端与所述第2n个直流输入端相连，第n个开关管和第n+1个开关管的公共端为该多电平逆变拓扑单元的交流输出端；
第二直流输入端至第n个直流输入端此n-1个直流输入端中，每个直流输入端与所述开关管串联支路中对应开关管的第一端之间均连接有一个开关管，且该开关管的第一端连接所述开关管串联支路中对应开关管的第一端，该开关管的第二端连接对应的所述直流输入端；
第n+1个直流输入端至第2n-1个直流输入端此n-1个直流输入端中，每个直流输入端与所述开关管串联支路中对应开关管的第二端之间均连接有一个开关管，且该开关管的第一端连接对应的所述直流输入端，第二端连接所述开关管串联支路中对应开关管的第二端。
2.一种多电平逆变拓扑单元，其特征在于，能够实现(2n+1)电平逆变，其中，n为正整数，主要包括：2n+1个直流输入端、一个交流输出端、4n个开关管，且所述4n个开关管均反向并联有一个二极管，其中：
第一直流输入端和第2n+1个直流输入端分别连接直流电源的两端，每两个相邻的直流输入端之间均连接有一个电容，且第n+1个直流输入端为零电位端；
2n个开关管的第一端和第二端依次串联在所述第一直流输入端和第2n+1个直流输入端之间构成开关管串联支路，且第一开关管的第一端与所述第一直流输入端相连，第2n个开关管的第二端与所述第2n个直流输入端相连，第n个开关管和第n+1个开关管的公共端为该多电平逆变拓扑单元的交流输出端；
第二直流输入端至第n个直流输入端此n-1个直流输入端中，每个直流输入端与所述开关管串联支路中对应开关管的第一端之间均连接有一个开关管，且该开关管的第一端连接所述开关管串联支路中对应开关管的第一端，该开关管的第二端连接所述直流输入端；
第n+2个直流输入端至第2n个直流输入端此n-1个直流输入端中，每个直流输入端与所述开关管串联支路中对应开关管的第一端之间均连接有一个开关管，且该开关管的第一端连接所述开关管串联支路中对应开关管的第一端，第二端连接所述直流输入端；
第n+1个直流输入端与所述交流输出端之间依次串联有两个开关管，且两个开关管的第二端相连，两个开关管的第一端分别连接所述第n+1个直流输入端、所述开关管串联支路中第n+1个开关管的第一端相连。
3.一种多电平逆变器，其特征在于，包括：两个权利要求1所述的多电平逆变拓扑单元，分别为第一多电平逆变拓扑单元、第二多电平逆变拓扑单元，其中：
所述第一多电平逆变拓扑单元的直流输入端与所述第二多电平逆变拓扑单元的直流输入端并联，且所述第一多电平逆变拓扑单元的第一直流输入端连接直流电源的正端，第2n个直流输入端连接直流电源的负端；
所述第一多电平逆变拓扑单元和所述第二多电平逆变拓扑单元的交流输出端作为该多电平逆变器的两个交流输出端。
4.一种多电平逆变器，其特征在于，包括：三个权利要求1所述的多电平拓扑单元，分别为：第一多电平逆变拓扑单元、第二多电平逆变拓扑单元和第三多电平逆变拓扑单元，其中：
所述第一多电平逆变拓扑单元的直流输入端、所述第二多电平逆变拓扑单元的直流输入端及所述第三多电平逆变拓扑单元的直流输入端一一并联，所述第一多电平逆变拓扑单元的第一直流输入端连接所述直流电源的正端，第2n个直流输入端连接所述直流电源的负端；
所述第一多电平逆变拓扑单元的交流输出端、所述第二多电平逆变拓扑单元的交流输出端及所述第三多电平逆变拓扑单元的交流输出端分别作为该多电平逆变器的三个交流输出端。
5.一种多电平逆变器，其特征在于，包括四个权利要求1所述的多电平逆变拓扑单元，分别为第一多电平逆变拓扑单元、第二多电平逆变拓扑单元、第三多电平逆变拓扑单元和第四多电平逆变拓扑单元，其中：
所述第一多电平逆变拓扑单元的直流输入端、所述第二多电平逆变拓扑单元的直流输入端、第三多电平逆变拓扑单元的直流输入端及第四多电平逆变拓扑单元的直流输入端一一并联，所述第一多电平逆变拓扑单元的第一直流输入端连接所述直流电源的正端，第2n个直流输入端连接所述直流电源的负端；
所述第一多电平逆变拓扑单元的交流输出端、所述第二多电平逆变拓扑单元的交流输出端、所述第三多电平逆变拓扑单元的交流输出端及所述第四多电平逆变拓扑单元的交流输出端分别作为该多电平逆变器的四个交流输出端。
6.一种多电平逆变器，其特征在于，包括：两个权利要求3所述的多电平逆变拓扑单元，分别为：第一多电平逆变拓扑单元和第二多电平逆变拓扑单元，其中：
所述第一多电平逆变拓扑单元的直流输入端与所述第二多电平逆变拓扑单元的直流输入端并联，所述第一多电平逆变拓扑单元的第一直流输入端连接所述直流电源的正端，第2n+1个直流输入端连接所述直流电源的负端；
所述第一多电平逆变拓扑单元的交流输出端和所述第二多电平逆变拓扑单元的交流输出端分别作为该多电平逆变器的两个交流输出端。
7.一种多电平逆变器，其特征在于，包括三个权利要求3所述的多电平逆变拓扑单元，分别为：第一多电平逆变拓扑单元、第二多电平逆变拓扑单元、第三多电平逆变拓扑单元，其中：
所述第一多电平逆变拓扑单元的直流输入端、所述第二多电平逆变拓扑单元的直流输入端及第三多电平逆变拓扑单元的直流输入端并联，所述第一多电平逆变拓扑单元的第一直流输入端连接所述直流电源的正端，第2n+1个直流输入端连接所述直流电源的负端；
所述第一多电平逆变拓扑单元的交流输出端、所述第二多电平逆变拓扑单元的交流输出端及所述第三多电平逆变拓扑单元的交流输出端分别作为该多电平逆变器的三个交流输出端。
8.一种多电平逆变器，其特征在于，包括四个权利要求3所述的多电平逆变拓扑单元，分别为：第一多电平逆变拓扑单元、第二多电平逆变拓扑单元、第三多电平逆变拓扑单元和第四多电平逆变拓扑单元，其中：
所述第一多电平逆变拓扑单元的直流输入端、所述第二多电平逆变拓扑单元的直流输入端、第三多电平逆变拓扑单元的直流输入端及第四多电平逆变拓扑单元的直流输入端并联，所述第一多电平逆变拓扑单元的第一直流输入端连接所述直流电源的正端，第2n+1个直流输入端连接所述直流电源的负端；
所述第一多电平逆变拓扑单元的交流输出端、所述第二多电平逆变拓扑单元的交流输出端、所述第三多电平逆变拓扑单元的交流输出端及所述第四多电平逆变拓扑单元的交流输出端分别作为该多电平逆变器的四个交流输出端。
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