CN102594186B

CN102594186B - 四电平拓扑单元及其应用电路

Info

Publication number: CN102594186B
Application number: CN201210038747.7A
Authority: CN
Inventors: 汪洪亮; 陶磊; 倪华; 岳秀梅; 宋炀
Original assignee: Sungrow Power Supply Co Ltd
Current assignee: Sungrow Power Supply Co Ltd
Priority date: 2012-02-20
Filing date: 2012-02-20
Publication date: 2014-06-25
Anticipated expiration: 2032-02-20
Also published as: CN102594186A

Abstract

本发明公开了一种四电平拓扑单元，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、第一钳位二极管、第二钳位二极管和六个二极管。本发明公开的四电平拓扑单元与现有技术中的二极管钳位型四电平拓扑单元相比，减少了两个钳位二极管的使用，从而有效降低了逆变器的成本、简化了逆变器的结构、并降低了封装难度；与现有技术中的飞跨电容型四电平拓扑单元相比，在应用于四电平逆变器的过程中，可以减少3个电容的使用，由于电容本身的成本远高于二极管的成本，因此有效降低了逆变器的成本。本发明还公开了多种四电平逆变器和一种四电平直流交流转换芯片。

Description

四电平拓扑单元及其应用电路

技术领域

本发明属于电力电子技术技术领域，尤其涉及四电平拓扑单元及其应用电路。

背景技术

逆变器可以将直流电转变为交流电。随着技术的不断发展和进步，人们生活水平的不断提高，逆变器也成为了人们应急和外出的一种重要设备。目前的逆变器多为二极管钳位型逆变器或飞跨电容型逆变器。

图1和图2分别示出了传统四电平逆变器的部分结构。其中，图1为二极管钳位型四电平逆变器的部分结构，图2为飞跨电容型四电平逆变器的部分结构。在图1所示逆变器结构中，通过电容C1、C2和C3产生四个不同电位的电信号，并且每个四电平拓扑单元包括六个开关管和十个二极管；在图2所示逆变器结构中，每个四电平拓扑单元包括六个开关管和六个二极管，但是逆变器中必须设置电容C1、C2、C3、C4、C5和C6来产生四个不同电位的电信号。

因此，传统的二极管钳位型四电平逆变器和飞跨电容型四电平逆变器中使用的半导体器件数量较多，增加了逆变器的成本，并且也增大了逆变器的封装难度。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种应用于四电平逆变器的四电平拓扑单元，可以减小四电平逆变器中半导体器件的数量，有效降低四电平逆变器的成本和封装难度。本发明还公开了多种四电平逆变器和一种四电平直流交流转换芯片。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种四电平拓扑单元，应用于四电平逆变器中，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、第一钳位二极管、第二钳位二极管和六个二极管；

所述第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、第五开关管和第六开关管分别反向并联一个二极管；

直流电源的正端依次通过第一电容、第二电容和第三电容连接至所述直流电源的负端；

所述第一开关管的第一端连接至所述第一电容的第一端、第二端连接至第一节点；所述第二开关管的第一端连接至所述第一节点、第二端连接至所述第二电容的第一端；所述第三开关管的第一端连接至所述第一节点、第二端连接至第二节点；所述第四开关管的第一端连接至所述第二节点、第二端连接至第三节点；所述第五开关管的第一端连接至所述第三节点、第二端连接至第四节点；所述第六开关管的第一端连接至所述第四节点、第二端连接至所述第三电容的第二端；所述第一钳位二极管的阴极连接至所述第二节点、阳极连接至所述第二电容的第二端；所述第二钳位二极管的阳极连接至所述第四节点、阴极连接至所述第二电容的第二端；所述第三节点为所述四电平拓扑单元的交流输出端。

优选的，

上述四电平拓扑单元包括四个工作模态，分别为：

第一工作模态，所述第一开关管、第三开关管和第四开关管导通，其余开关管截止；

第二工作模态，所述第二开关管、第三开关管和第四开关管导通，其余开关管截止；

第三工作模态，所述第四开关管和第五开关管导通，其余开关管截止；

第四工作模态，所述第五开关管和第六开关管导通，其余开关管截止。

优选的，

在上述四电平拓扑单元中，所述第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、第五开关管和第六开关管的驱动信号通过比较正弦波与第一三角波和/或第二三角波确定，所述第一三角波和第二三角波具有相同的频率和幅值，所述第一三角波的波谷等于所述第二三角波的波峰；

所述第一开关管的驱动信号由所述正弦波与所述第一三角波进行比较产生，当所述正弦波大于所述第一三角波时所述第一开关管导通，反之截止；

所述第二开关管的驱动信号由所述正弦波与所述第一三角波进行比较产生，当所述正弦波小于所述第一三角波时所述第二开关管导通，反之截止；

所述第三开关管的驱动信号由所述正弦波与所述第二三角波进行比较产生，在所述正弦波的正半周期内，当所述正弦波大于所述第二三角波时所述第三开关管导通，反之截止，在所述正弦波的负半周期内，当所述正弦波的反向波小于所述第二三角波时所述第三开关管导通，反之截止；

所述第四开关管的驱动信号由所述正弦波的反向波与所述第一三角波进行比较产生，当所述正弦波的反向波小于所述第一三角波时所述第四开关管导通，反之截止；

所述第五开关管的驱动信号由所述正弦波与所述第二三角波进行比较产生，在所述正弦波的正半周期内，当所述正弦波小于所述第二三角波时所述第五开关管导通，反之截止，在所述正弦波的负半周期内，当所述正弦波的反向波大于所述第二三角波时所述第五开关管导通，反之截止；

所述第六开关管的驱动信号由所述正弦波的反向波与所述第一三角波进行比较产生，当所述正弦波的反向波大于所述第一三角波时所述第六开关管导通，反之截止。

优选的，

在上述四电平拓扑单元中，所述开关管均为绝缘栅双极型晶体管(IGBT)，所述第一端为集电极，第二端为发射极。

一种单相全桥四电平逆变器，包括电容串、第一四电平拓扑单元和第二四电平拓扑单元；

所述电容串由第一电容、第二电容和第三电容依次串联而成，直流电源的正端依次通过所述第一电容、第二电容和第三电容连接至所述直流电源的负端；

所述第一四电平拓扑单元和第二四电平拓扑单元为前述任一种四电平拓扑单元，所述第一四电平拓扑单元和第二四电平拓扑单元中第一开关管的第一端均连接至所述第一电容的第一端，所述第一四电平拓扑单元和第二四电平拓扑单元中第六开关管的第二端均连接至所述第三电容的第二端，所述第一四电平拓扑单元和第二四电平拓扑单元中第一钳位二极管的阳极以及第二钳位二极管的阴极均连接至所述第二电容和第三电容的公共端，所述第一四电平拓扑单元和第二四电平拓扑单元中第二开关管的第二端均连接至所述第一电容和第二电容的公共端，所述第一四电平拓扑单元和第二四电平拓扑单元的交流输出端分别作为所述单相全桥四电平逆变器的两个交流输出端；

用于产生所述第一四电平拓扑单元驱动信号的正弦波的相位、以及用于产生所述第二四电平拓扑单元驱动信号的正弦波的相位相差180°。

优选的，

在上述单相全桥四电平逆变器中，所述第一四电平拓扑单元的交流输出端连接至一个交流负载的一端，所述第二四电平拓扑单元的交流输出端连接至所述交流负载的另一端；

所述单相全桥四电平逆变器中还包括滤波电路，所述滤波电路包括第一电感、第二电感和电容；所述第一电感串联于所述第一四电平拓扑单元的交流输出端和所述交流负载之间；所述第二电感串联于所述第二四电平拓扑单元的交流输出端和所述交流负载之间；所述电容并联于所述交流负载两端。

一种三相三线四电平逆变器，包括电容串、第一四电平拓扑单元、第二四电平拓扑单元和第三四电平拓扑单元；

所述第一四电平拓扑单元、第二四电平拓扑单元和第三四电平拓扑单元为前述任一种四电平拓扑单元，所述第一四电平拓扑单元、第二四电平拓扑单元和第三四电平拓扑单元中第一开关管的第一端均连接至所述第一电容的第一端，所述第一四电平拓扑单元、第二四电平拓扑单元和第三四电平拓扑单元中第六开关管的第二端均连接至所述第三电容的第二端，所述第一四电平拓扑单元、第二四电平拓扑单元和第三四电平拓扑单元中第一钳位二极管的阳极以及第二钳位二极管的阴极均连接至所述第二电容和第三电容的公共端，所述第一四电平拓扑单元、第二四电平拓扑单元和第三四电平拓扑单元中第二开关管的第二端均连接至所述第一电容和第二电容的公共端，所述第一四电平拓扑单元、第二四电平拓扑单元和第三四电平拓扑单元的交流输出端分别作为所述三相三线四电平逆变器的三个交流输出端；

用于产生所述第一四电平拓扑单元驱动信号的正弦波的相位、用于产生所述第二四电平拓扑单元驱动信号的正弦波的相位、以及用于产生所述第三四电平拓扑单元驱动信号的正弦波的相位依次相差120°。

优选的，

在上述三相三线四电平逆变器中，所述第一四电平拓扑单元的交流输出端连接至第一交流负载的一端，所述第二四电平拓扑单元的交流输出端连接至第二交流负载的一端，所述第三四电平拓扑单元的交流输出端连接至第三交流负载的一端，所述第一交流负载的另一端、所述第二交流负载的另一端和所述第三交流负载的另一端连接；

所述三相三线四电平逆变器中还包括滤波电路，所述滤波电路包括第一电感、第二电感、第三电感、第一电容、第二电容和第三电容；所述第一电感串联于所述第一四电平拓扑单元的交流输出端和所述第一交流负载之间；所述第二电感串联于所述第二四电平拓扑单元的交流输出端和所述第二交流负载之间；所述第三电感串联于所述第三四电平拓扑单元的交流输出端和所述第三交流负载之间；所述第一电容的一端连接至所述第一电感和第一交流负载的公共端，所述第二电容的一端连接至所述第二电感和第二交流负载的公共端，所述第三电容的一端连接至所述第三电感和第三交流负载的公共端，所述第一电容的另一端、所述第二电容的另一端和所述第三电容的另一端连接。

一种三相四线四电平逆变器，包括电容串、第一四电平拓扑单元、第二四电平拓扑单元、第三四电平拓扑单元和第四四电平拓扑单元；

所述第一四电平拓扑单元、第二四电平拓扑单元、第三四电平拓扑单元和第四四电平拓扑单元为前述任一种四电平拓扑单元，所述第一四电平拓扑单元、第二四电平拓扑单元、第三四电平拓扑单元和第四四电平拓扑单元中的第一开关管的第一端均连接至所述第一电容的第一端，所述第一四电平拓扑单元、第二四电平拓扑单元、第三四电平拓扑单元和第四四电平拓扑单元中第六开关管的第二端均连接至所述第三电容的第二端，所述第一四电平拓扑单元、第二四电平拓扑单元、第三四电平拓扑单元和第四四电平拓扑单元中第一钳位二极管的阳极以及第二钳位二极管的阴极均连接至所述第二电容和第三电容的公共端，所述第一四电平拓扑单元、第二四电平拓扑单元、第三四电平拓扑单元和第四四电平拓扑单元中第二开关管的第二端均连接至所述第一电容和第二电容的公共端，所述第一四电平拓扑单元、第二四电平拓扑单元、第三四电平拓扑单元和第四四电平拓扑单元的交流输出端分别为所述三相四线四电平逆变器的四个交流输出端；

用于产生第二四电平拓扑单元驱动信号的正弦波的相位、用于产生第三四电平拓扑单元驱动信号的正弦波的相位、以及用于产生第四四电平拓扑单元驱动信号的正弦波的相位依次相差120°。

优选的，

在上述三相四线四电平逆变器中，所述第二四电平拓扑单元的交流输出端连接至第一交流负载的一端，所述第三四电平拓扑单元的交流输出端连接至第二交流负载的一端，所述第四四电平拓扑单元的交流输出端连接至第三交流负载的一端，所述第一四电平拓扑单元的交流输出端分别连接至所述第一交流负载的一端、所述第二交流负载的一端和第三交流负载的一端，所述第一交流负载的另一端、所述第二交流负载的另一端和所述第三交流负载的另一端连接；

所述三相四线四电平逆变器中还包括滤波电路，所述滤波电路包括第一电感、第二电感、第三电感、第一电容、第二电容和第三电容；所述第一电感串联于所述第二四电平拓扑单元的交流输出端和所述第一交流负载之间；所述第二电感串联于所述第三四电平拓扑单元的交流输出端和所述第二交流负载之间；所述第三电感串联于所述第四四电平拓扑单元的交流输出端和所述第三交流负载之间；所述第一电容的一端连接至所述第一电感和第一交流负载的公共端，所述第二电容的一端连接至所述第二电感和第二交流负载的公共端，所述第三电容的一端连接至所述第三电感和第三交流负载的公共端，所述第一电容的另一端、所述第二电容的另一端和所述第三电容的另一端连接至所述第一四电平拓扑单元的交流输出端。

一种四电平直流交流转换芯片，包括上述任一种四电平拓扑单元，还包括五个引出端，所述五个引出端分别为第一开关管的第一端、第二开关管的第二端、第一钳位二极管的阳极和第二钳位二极管的阴极的公共端、第六开关管的第二端和第三节点。

由此可见，本发明的有益效果为：本发明公开的四电平拓扑单元与现有技术中的二极管钳位型四电平拓扑单元相比，减少了两个钳位二极管的使用，从而有效降低了逆变器的成本、简化了逆变器的结构、并降低了封装难度；与现有技术中的飞跨电容型四电平拓扑单元相比，在应用于四电平逆变器的过程中，可以减少3个电容的使用，由于电容本身的成本远高于二极管的成本，因此有效降低了逆变器的成本。

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，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，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1为现有技术中二极管钳位型四电平逆变器的部分结构示意图；

图2为现有技术中飞跨电容型四电平逆变器的部分结构示意图；

图3为本发明公开的一种四电平拓扑单元的电路图；

图4为本发明公开的四电平拓扑单元处于第一工作模态时对应的拓扑图；

图5为本发明公开的四电平拓扑单元处于第二工作模态时对应的拓扑图；

图6为本发明公开的四电平拓扑单元处于第三工作模态时对应的拓扑图；

图7为本发明公开的四电平拓扑单元处于第四工作模态时对应的拓扑图；

图8为本发明公开的四电平拓扑单元中六个开关管的导通时序图；

图9为本发明公开的四电平直流交流转换芯片；

图10为本发明公开的一种单相全桥四电平逆变器的拓扑图；

图11为本发明公开的另一种单相桥式四电平逆变器的拓扑图；

图12为本发明公开的一种三相三线四电平逆变器的拓扑图；

图13为本发明公开的另一种三相三线四电平逆变器的拓扑图；

图14为本发明公开的一种三相四线四电平逆变器的拓扑图；

图15为本发明公开的另一种三相四线四电平逆变器的拓扑图。

具体实施方式

为了描述清楚，对下文中出现的英文缩写和术语进行简要说明：

IGBT：Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管；

MOSFET：Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，金属-氧化层-半导体-场效晶体管，简称金氧半场效晶体管；

IGCT：Intergrated Gate Commutated Thyristors，集成门极换流晶闸管；

IEGT：Injection Enhanced Gate Transistor，是耐压达4KV以上的IGBT系列电力电子器件。

本发明公开一种应用于四电平逆变器的四电平拓扑单元，可以减小四电平逆变器中半导体器件的数量，有效降低四电平逆变器的成本和封装难度。另外，本发明还公开了多种应用该四电平拓扑单元的四电平逆变器。

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。

参见图3，图3为本发明公开的一种四电平拓扑单元的电路图。

该四电平拓扑单元包括第一开关管T1、第二开关管T2、第三开关管T3、第四开关管T4、第五开关管T5、第六开关管T6、第一钳位二极管DB1、第二钳位二极管DB2、第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4、第五二极管D5和第六二极管D6。

直流电源31的正端DC+依次通过第一电容C1、第二电容C2和第三电容C3连接至直流电源31的负端DC-。

第一开关管T1的第一端连接至第一电容C1的第一端(即直流电源31的正端DC+)，第一开关管T1的第二端连接至第一节点a；第二开关管T2的第一端连接至第一节点a，第二开关管T2的第二端连接至第二电容C2的第一端(即第一电容C1的第二端，也就是第一电容C1和第二电容C2的公共端M1)，第二开关管T2的第一端连接至第一节点a；；第三开关管T3的第一端连接至第一节点a，第三开关管T3的第二端连接至第二节点b；第四开关管T4的第一端连接至第二节点b，第四开关管T4的第二端连接至第三节点c第四节点d；第五开关管D5的第一端连接至第三节点c，第五开关管D5的第二端连接至第四节点d；第六开关管T6的第一端连接至第四节点d，第六开关管T6的第二端连接至第三电容的第二端；第五开关管T5的第一端连接至，第五开关管T5的第二端连接至第四节点d；第一钳位二极管DB1的阳极连接至第二电容C2的第二端(即第三电容C1的第一端，也就是第二电容C2和第三电容C3的公共端M2)，第一钳位二极管DB1的阴极连接至第二节点b；第二钳位二极管DB2的阳极连接至第四节点d，第二钳位二极管DB2的阴极连接至第二电容C2的第二端(即第三电容C1的第一端，也就是第二电容C2和第三电容C3的公共端M2)。

并且，在各个开关管的两端分别反向并联一个二极管，具体的：第一开关管T1的第一端和第二端之间反向并联第一二极管D1，第二开关管T2的第一端和第二端之间反向并联第二二极管D2，第三开关管T3的第一端和第二端之间反向并联第三二极管D3，第四开关管T4的第一端和第二端之间反向并联第四二极管D4，第五开关管T5的第一端和第二端之间反向并联第五二极管D5，第六开关管T6的第一端和第二端之间反向并联第六二极管D6。

第三节点c(即第四开关管T4的第二端和第五开关管T5的第一端的公共端)为该四电平拓扑单元的交流输出端AC。

与现有技术中的二极管钳位型四电平拓扑单元相比，本发明公开的四电平拓扑单元中仅包括两个钳位二极管，减少了钳位二极管的使用数量。

另外，现有技术提供的另一种飞跨电容型四电平拓扑单元中，虽然去掉了钳位二极管，但是为了生成多电平需要增加飞跨电容，在每个逆变器中需要使用6个电容，由于电容本身的成本较高，最终导致飞跨电容型逆变器成本的增高，而本发明公开的四电平拓扑单元在应用于四电平逆变器时仅需使用3个电容，可有效降低逆变器的成本。

综上，本发明公开的四电平拓扑单元与现有技术中的二极管钳位型四电平拓扑单元相比，减少了两个钳位二极管的使用，从而有效降低了逆变器的成本、简化了逆变器的结构、并降低了封装难度；与现有技术中的飞跨电容型四电平拓扑单元相比，在应用于四电平逆变器的过程中，可以减少3个电容的使用，由于电容本身的成本远高于二极管的成本，因此有效降低了逆变器的成本。

需要说明的是，以上六个开关管可以为IGBT管、MOSFET管、IGCT管、或IEGT管。当各个开关管均为IGBT管时，其第一端为集电极，第二端为发射极。可以理解的是，以上六个开关管也可以选择其他类型的开关管。

需要说明的是，以上开关管反向并联的二极管可以为独立的二极管，也可以是与开关管封装集成在一起的二极管。

本发明公开的四电平拓扑单元具有四种工作模态，下面结合附图对四电平拓扑单元的四种工作模态进行详细说明。

请参见图4～图7，图4～图7分别为本发明公开的四电平拓扑单元处于第一工作模态、第二工作模态、第三工作模态和第四工作模态时对应的拓扑图。

需要说明的是，没有脉冲驱动的开关管在图中以细实线示出，有脉冲驱动的开关管和导通的路径以粗实线示出。

第一工作模态：第一开关管T1、第三开关管T3和第四开关管T4均导通，其余开关管均截止。当交流输出端AC流出电流时，电流路径为：直流电源正端DC+-第一开关管T1-第三开关管T3-第四开关管T4-交流输出端AC。当由交流输出端AC流入电流时，电流路径为：交流输出端AC-第四二级管D4-第三二极管D3-第一二极管D1-直流电源正端DC-。

第二工作模态：第二开关管T2、第三开关管T3和第四开关管T4均导通，其余开关管均截止。当交流输出端AC流出电流时，电流路径为：第二电容C2的第一端M1-第二二极管D2-第三开关管T3-第四开关管T4-交流输出端AC。当由交流输出端AC流入电流时，电流路径为：交流输出端AC-第四二级管D4-第三二极管D3-第二开关管T2-第三电容C3的第一端M2。

第三工作模态：第四开关管T4和第五开关管T5导通，其余开关管均截止。当交流输出端AC流出电流时，电流路径为：第三电容C3的第一端M2-第一钳位二极管DB1-第四开关管T4-交流输出端AC。当由交流输出端AC流入电流时，电流路径为：交流输出端AC-第五开关管T5-第二钳位二极管DB2-第三电容C3的第一端M2。

第四工作模态：第五开关管T5和第六开关管T6导通，其余开关管均截止。当交流输出端AC流出电流时，电流路径为：直流电源负端DC--第六二极管D6-第五二极管D5-交流输出端AC。当由交流输出端AC流入电流时，电流路径为：交流输出端AC-第五开关管T5-第六开关管T6-直流电源负端DC-。

需要说明的是：

在第三工作模态和第四工作模态，虽然第二开关管T2上加载了驱动信号，但由于此时交流输出端AC上加的是M1端或DC-端的电压，此时第三二极管D3承受反压阻断电流，因此第二开关管T2并没有导通流过电流。这是为了简化第二开关管T2的脉冲设计。

参见图8，图8为本发明公开的四电平拓扑单元中六个开关管的导通时序图。

图8中上端的波形包括两个三角波(分别是第一三角波A和第二三角波B)和一个正弦波Z，其中，第一三角波A、第二三角波B具有相同的频率和相同的幅值，且第一三角波A的波谷等于第二三角波B的波峰。

图8中的S1～S6分别为加载于开关管T1～T6控制端的驱动信号，当开关管的驱动信号为高电平时，对应的开关管导通，当开关管的驱动信号为低电平时，对应的开关管截止。S1～S6是通过比较正弦波Z与第一三角波A和/或第二三角波B产生的。

图8中的Vao是交流输出端AC上的电压。

第一开关管T1的驱动信号S1由正弦波Z与第一三角波A进行比较产生，当正弦波Z大于第一三角波A时第一开关管T1导通，反之截止。

第二开关管T2的驱动信号S2由正弦波Z与第一三角波A进行比较产生，当正弦波Z小于第一三角波A时第二开关管T2导通，反之截止。

第三开关管T3的驱动信号S3由正弦波Z与第二三角波B进行比较产生，在正弦波Z的正半周期内，当正弦波Z大于第二三角波B时第三开关管T3导通，反之截止；在正弦波Z的负半周期内，当正弦波Z的反向波小于第二三角波B时第三开关管T3导通，反之截止。

第四开关管T4的驱动信号S4由正弦波Z的反向波与第一三角波A进行比较产生，当正弦波Z的反向波小于第一三角波A时第四开关管T4导通，反之截止。

第五开关管T5的驱动信号S5由正弦波Z与第二三角波B进行比较产生，在正弦波Z的正半周期内，当正弦波Z小于第二三角波B时第五开关管T5导通，反之截止；在正弦波Z的负半周期内，当正弦波Z的反向波大于第二三角波B时第五开关管T5导通，反之截止。

第六开关管T6的驱动信号S6由正弦波Z的反向波与第一三角波A进行比较产生，当正弦波Z的反向波大于第一三角波A时第六开关管T6导通，反之截止。

本发明还公开了应用上述四电平拓扑单元的四电平逆变器，与现有技术中相同制式的四电平逆变器相比，可以有效降低逆变器的成本、简化逆变器的结构，从而降低封装难度。

需要说明的是，四电平逆变器包括单相全桥逆变器、三相三线四电平逆变器和三相四线四电平逆变器。这三者的相同点在于：均包括连接在直流电源两端的电容串；不同点在于：单相全桥逆变器中包含两个四电平拓扑单元，三相三线四电平逆变器中包含三个四电平拓扑单元，三相四线四电平逆变器中包含四个四电平拓扑单元。但是，各个逆变器中的四电平拓扑单元与电容串之间的连接关系、以及其工作过程基本一致。下面分别对各种制式的四电平逆变器的结构进行说明。

参见图10，图10为本发明公开的一种单相全桥四电平逆变器的拓扑图。

该单相全桥四电平逆变器包括电容串32、第一四电平拓扑单元33和第二四电平拓扑单元34。其中：

电容串32由第一电容C1、第二电容C2和第三电容C3依次串联而成。在工作状态，直流电源31的正端依次通过第一电容C1、第二电容C2和第三电容C3连接至直流电源31的负端。

第一四电平拓扑单元33和第二四电平拓扑单元34为本发明前文公开的任一种四电平拓扑单元，第一四电平拓扑单元33和第二四电平拓扑单元34的结构、以及与电容串32之间的连接关系一致。

具体的，第一四电平拓扑单元33和第二四电平拓扑单元34中的第一开关管的第一端均连接至第一电容C1的第一端(即直流电源31的正端)，第一四电平拓扑单元33和第二四电平拓扑单元34中的第六开关管的第二端均连接至第三电容C3的第二端(即直流电源31的负端)，第一四电平拓扑单元33和第二四电平拓扑单元34中第一钳位二极管的阳极以及第二钳位二极管的阴极均连接至第二电容C2和第三电容C3和的公共端，第一四电平拓扑单元33和第二四电平拓扑单元34中的第二开关管的第一二端均连接至第一电容C1和第二电容C2的公共端，第一四电平拓扑单元33和第二四电平拓扑单元34的交流输出端AC分别作为单相全桥四电平逆变器的两个交流输出端。

需要说明的是，图10所示单相全桥四电平逆变器中各个四电平拓扑单元具有的四个工作模态，以及四电平拓扑单元中六个开关管的导通时序均与图3所示四电平拓扑单元一致，在此不再赘述。另外，在本发明图10所示单相全桥四电平逆变器中，用于产生第一四电平拓扑单元33的驱动信号的正弦波的相位、以及用于产生第二四电平拓扑单元34的驱动信号的正弦波的相位相差180°。

当本发明图10所示单相全桥四电平逆变器在使用时，第一四电平拓扑单元33中的交流输出端AC可以连接至一个交流负载的一端，第二四电平拓扑单元34中的交流输出端AC可以连接至该交流负载的另一端。

另外，可以进一步在图10所示单相全桥四电平逆变器中增加滤波电路，如图11所示。

该滤波电流包括第一电感L1、第二电感L2和电容C。

其中，第一电感L1串联于第一四电平拓扑单元33的交流输出端AC和交流负载V_G之间，第二电感L2串联于第二四电平拓扑单元34的交流输出端AC和交流负载V_G之间，电容C并联于交流负载V_G两端。

本发明公开的单相全桥四电平逆变器与现有技术中的二极管钳位型单相全桥四电平逆变器相比，每个四电平拓扑单元中均减少了两个钳位二极管的使用，因此，本发明公开的单相全桥四电平逆变器与二极管钳位型单相全桥四电平逆变器相比，减少了二极管的使用数量，从而有效降低了逆变器的成本、简化了逆变器的结构、并降低了其封装难度；与现有技术中的飞跨电容型单相全桥四电平逆变器相比，减少了3个电容的使用，由于电容的成本远高于二极管的成本，因此有效降低了逆变器的成本。

参见图12，图12为本发明公开的一种三相三线四电平逆变器的拓扑图。

该三相三线四电平逆变器包括电容串32、第一四电平拓扑单元33、第二四电平拓扑单元34和第三四电平拓扑单元35。其中：

第一四电平拓扑单元33、第二四电平拓扑单元34和第三四电平拓扑单元35为本发明前文公开的任一种四电平拓扑单元，第一四电平拓扑单元33、第二四电平拓扑单元34和第三四电平拓扑单元35的结构、以及与电容串32之间的连接关系一致。

具体的，第一四电平拓扑单元33、第二四电平拓扑单元34和第三四电平拓扑单元35中的第一开关管的第一端均连接至第一电容C1的第一端(即直流电源31的正端)，第一四电平拓扑单元33、第二四电平拓扑单元34和第三四电平拓扑单元35中的第六开关管的第二端均连接至第三电容C3的第二端(即直流电源31的负端)，第一四电平拓扑单元33、第二四电平拓扑单元34和第三四电平拓扑单元35中第一钳位二极管的阳极以及第二钳位二极管的阴极均连接至第一电容C1和第二电容C2的公共端，第一四电平拓扑单元33、第二四电平拓扑单元34和第三四电平拓扑单元34中的第五开关管的第一端均连接至第二电容C2和第三电容C3的公共端，第一四电平拓扑单元33、第二四电平拓扑单元34和第三四电平拓扑单元35的交流输出端AC分别作为三相三线四电平逆变器的三个交流输出端。

需要说明的是，图12所示三相三线四电平逆变器中各个四电平拓扑单元具有的四个工作模态，以及四电平拓扑单元中六个开关管的导通时序均与图3所示四电平拓扑单元一致，在此不再赘述。同时，在本发明图12所示三相三线四电平逆变器中，用于产生第一四电平拓扑单元33的驱动信号的正弦波的相位、用于产生第二四电平拓扑单元34的驱动信号的正弦波的相位、以及用于产生第三四电平拓扑单元35的驱动信号的正弦波的相位依次相差120°。

当本发明图10所示三相三线四电平逆变器在使用时，第一四电平拓扑单元33中的交流输出端AC可以连接至第一交流负载v_G1的一端，第二四电平拓扑单元34中的交流输出端AC可以连接至第二交流负载v_G2的一端，第三四电平拓扑单元35的交流输出端AC可以连接至第三交流负载v_G3的一端，并且各个交流负载v_G1、v_G2和v_G3的另一端连接在一起，如图13所示。

另外，在三相三线四电平逆变器中还可以设置滤波电路，参见图13。

该滤波电路包括第一电感L1、第二电感L2、第三电感L3、第一电容C1、第二电容C2和第三电容C3。

其中，第一电感L1串联于第一四电平拓扑单元33的交流输出端AC和第一交流负载v_G1之间；第二电感L2串联于第二四电平拓扑单元34的交流输出端AC和第二交流负载v_G2之间；第三电感L3串联于第三四电平拓扑单元35的交流输出端AC和第三交流负载v_G3之间；第一电容C1的一端连接至第一电感L1和第一交流负载v_G1的公共端，第二电容C2的一端连接至第二电感L2和第二交流负载v_G2的公共端，第三电容C3的一端连接至第三电感L3和第三交流负载v_G3的公共端，并且，第一电容C1的另一端、第二电容C2的另一端和第三电容C3的另一端连接。

本发明公开的三相三线四电平逆变器与现有技术中的二极管钳位型三相三线四电平逆变器相比，每个四电平拓扑单元中均减少了两个钳位二极管的使用，因此，本发明公开的三相三线四电平逆变器与二极管钳位型三相三线四电平逆变器相比，减少了二极管的使用数量，从而有效降低了逆变器的成本、简化了逆变器的结构、并降低了其封装难度；与现有技术中的飞跨电容型三相三线四电平逆变器相比，减少了3个电容的使用，由于电容的成本远高于二极管的成本，因此有效降低了逆变器的成本。

参见图14，图14为本发明公开的一种三相四线四电平逆变器的拓扑图。

该三相四线四电平逆变器包括电容串32、第一四电平拓扑单元33、第二四电平拓扑单元34、第三四电平拓扑单元35和第四四电平拓扑单元36。其中：

第一四电平拓扑单元33、第二四电平拓扑单元34、第三四电平拓扑单元35和第四四电平拓扑单元36为本发明前文公开的任一种四电平拓扑单元，第一四电平拓扑单元33、第二四电平拓扑单元34、第三四电平拓扑单元35和第四四电平拓扑单元36的结构、以及与电容串32之间的连接关系一致。

具体的，第一四电平拓扑单元33、第二四电平拓扑单元34、第三四电平拓扑单元35和第四四电平拓扑单元36中的第一开关管的第一端均连接至第一电容C1的第一端(即直流电源31的正端)，第一四电平拓扑单元33、第二四电平拓扑单元34、第三四电平拓扑单元35和第四四电平拓扑单元36中的第六开关管的第二端均连接至第三电容的第二端(即直流电源31的负端)，第一四电平拓扑单元33、第二四电平拓扑单元34、第三四电平拓扑单元35和第四四电平拓扑单元36中第一钳位二极管的阳极以及第二钳位二极管的阴极均连接至第二电容C2和第三电容C3的公共端，第一四电平拓扑单元33、第二四电平拓扑单元34、第三四电平拓扑单元35和第四四电平拓扑单元36中的第二开关管的第二端均连接至第一电容C1和第二电容C2的公共端，第一四电平拓扑单元33、第二四电平拓扑单元34、第三四电平拓扑单元35和第四四电平拓扑单元36的交流输出端AC分别为三相四线四电平逆变器的四个交流输出端。

需要说明的是，图14所示三相四线四电平逆变器中各个四电平拓扑单元具有的四个工作模态，以及四电平拓扑单元中六个开关管的导通时序均与图3所示四电平拓扑单元一致，在此不再赘述。同时，在图14所示三相四线四电平逆变器中，用于产生第二四电平拓扑单元34的驱动信号的正弦波的相位、用于产生第三四电平拓扑单元35的驱动信号的正弦波的相位、以及用于产生第四四电平拓扑单元36的驱动信号的正弦波的相位依次相差120°，而用于产生第一四电平拓扑单元33的驱动信号的正弦波的相位根据实际应用场景设定。

当本发明图14所示三相四线四电平逆变器在使用时，第二四电平拓扑单元34的交流输出端AC连接至第一交流负载v_G1的一端，第三四电平拓扑单元35的交流输出端AC连接至第二交流负载v_G2的一端，第四四电平拓扑单元36的交流输出端AC连接至第三交流负载v_G3的一端，第一四电平拓扑单元33的交流输出端AC分别连接至第一交流负载v_G1的一端、第二交流负载v_G2的一端和第三交流负载v_G3的一端，并且，第一交流负载v_G1的另一端、第二交流负载v_G2的另一端和第三交流负载v_G3的另一端连接在一起，如图15所示。

另外，在三相四线四电平逆变器中还可以设置滤波电路，参见图15。

其中，第一电感L1串联于第二四电平拓扑单元34的交流输出端AC和第一交流负载v_G1之间；第二电感L2串联于第三四电平拓扑单元35的交流输出端AC和第二交流负载v_G2之间；第三电感L3串联于第四四电平拓扑单元36的交流输出端AC和第三交流负载v_G3之间；第一电容C1的一端连接至第一电感L1和第一交流负载v_G1的公共端，第二电容C2的一端连接至第二电感L2和第二交流负载v_G2的公共端，第三电容C3的一端连接至第三电感L3和第三交流负载v_G3的公共端，并且，第一电容C1的另一端、第二电容C2的另一端和第三电容C3的另一端连接至第一四电平拓扑单元33的交流输出端AC。

本发明公开的三相四线四电平逆变器与现有技术中的二极管钳位型三相四线四电平逆变器相比，每个四电平拓扑单元中均减少了两个钳位二极管的使用，因此，本发明公开的三相四线四电平逆变器与二极管钳位型三相四线四电平逆变器相比，减少了二极管的使用数量，从而有效降低了逆变器的成本、简化了逆变器的结构、并降低了其封装难度；与现有技术中的飞跨电容型三相四线四电平逆变器相比，减少了3个电容的使用，

综上，本发明公开的四电平逆变器，可以为单相全桥制、三相三线制和三相四线制，与相同制式的二极管钳位型四电平逆变器相比，每个四电平拓扑单元中均减少了两个钳位二极管的使用，从而有效降低了逆变器的成本、简化了逆变器的结构、并降低了其封装难度；与相同制式的飞跨电容型四电平逆变器相比，减少了3个电容的使用，由于电容的成本远高于二极管的成本，因此有效降低了逆变器的成本。

本发明还公开了一种四电平直流交流转换芯片，见图9。在其内部封装有一个四电平拓扑单元，该四电平拓扑单元为本申请上述公开的任意一种四电平拓扑单元(具体结构参见前文描述，在此不再赘述)，该四电平直流交流转换芯片还包括五个引出端，这五个引出端分别为第一开关管的第一端、第二开关管的第二端、第一钳位二极管的阳极和第二钳位二极管的阴极的公共端、第六开关管的第二端和第三节点。

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。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims

1.一种四电平拓扑单元，应用于四电平逆变器中，其特征在于，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、第一钳位二极管、第二钳位二极管和六个二极管；

所述第一开关管的第一端连接至所述第一电容的第一端、所述第一开关管的第二端连接至第一节点；所述第二开关管的第一端连接至所述第一节点、第二端连接至所述第二电容的第一端；所述第三开关管的第一端连接至所述第一节点、第二端连接至第二节点；所述第四开关管的第一端连接至所述第二节点、第二端连接至第三节点；所述第五开关管的第一端连接至所述第三节点、第二端连接至第四节点；所述第六开关管的第一端连接至所述第四节点、第二端连接至所述第三电容的第二端；所述第一钳位二极管的阴极连接至所述第二节点、阳极连接至所述第二电容的第二端；所述第二钳位二极管的阳极连接至所述第四节点、阴极连接至所述第二电容的第二端；所述第三节点为所述四电平拓扑单元的交流输出端。

2.根据权利要求1所述的四电平拓扑单元，其特征在于，所述四电平拓扑单元包括四个工作模态，分别为：

3.根据权利要求2所述的四电平拓扑单元，其特征在于，所述第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、第五开关管和第六开关管的驱动信号通过比较正弦波与第一三角波和/或第二三角波确定，所述第一三角波和第二三角波具有相同的频率和幅值，所述第一三角波的波谷等于所述第二三角波的波峰；

4.一种单相全桥四电平逆变器，其特征在于，包括电容串、第一四电平拓扑单元和第二四电平拓扑单元；

所述第一四电平拓扑单元和第二四电平拓扑单元为权利要求1至3任一项所述的四电平拓扑单元，所述第一四电平拓扑单元和第二四电平拓扑单元中第一开关管的第一端均连接至所述第一电容的第一端，所述第一四电平拓扑单元和第二四电平拓扑单元中第六开关管的第二端均连接至所述第三电容的第二端，所述第一四电平拓扑单元和第二四电平拓扑单元中第一钳位二极管的阳极以及第二钳位二极管的阴极均连接至所述第二电容和第三电容的公共端，所述第一四电平拓扑单元和第二四电平拓扑单元中第二开关管的第二端均连接至所述第一电容和第二电容的公共端，所述第一四电平拓扑单元和第二四电平拓扑单元的交流输出端分别作为所述单相全桥四电平逆变器的两个交流输出端；

5.根据权利要求4所述的单相全桥四电平逆变器，其特征在于：

所述第一四电平拓扑单元的交流输出端连接至一个交流负载的一端，所述第二四电平拓扑单元的交流输出端连接至所述交流负载的另一端；

6.一种三相三线四电平逆变器，其特征在于，包括电容串、第一四电平拓扑单元、第二四电平拓扑单元和第三四电平拓扑单元；

所述第一四电平拓扑单元、第二四电平拓扑单元和第三四电平拓扑单元为权利要求1至3任一项所述的四电平拓扑单元，所述第一四电平拓扑单元、第二四电平拓扑单元和第三四电平拓扑单元中第一开关管的第一端均连接至所述第一电容的第一端，所述第一四电平拓扑单元、第二四电平拓扑单元和第三四电平拓扑单元中第六开关管的第二端均连接至所述第三电容的第二端，所述第一四电平拓扑单元、第二四电平拓扑单元和第三四电平拓扑单元中第一钳位二极管的阳极以及第二钳位二极管的阴极均连接至所述第二电容和第三电容的公共端，所述第一四电平拓扑单元、第二四电平拓扑单元和第三四电平拓扑单元中第二开关管的第二端均连接至所述第一电容和第二电容的公共端，所述第一四电平拓扑单元、第二四电平拓扑单元和第三四电平拓扑单元的交流输出端分别作为所述三相三线四电平逆变器的三个交流输出端；

7.根据权利要求6所述的三相三线四电平逆变器，其特征在于：

所述第一四电平拓扑单元的交流输出端连接至第一交流负载的一端，所述第二四电平拓扑单元的交流输出端连接至第二交流负载的一端，所述第三四电平拓扑单元的交流输出端连接至第三交流负载的一端，所述第一交流负载的另一端、所述第二交流负载的另一端和所述第三交流负载的另一端连接；

8.一种三相四线四电平逆变器，其特征在于，包括电容串、第一四电平拓扑单元、第二四电平拓扑单元、第三四电平拓扑单元和第四四电平拓扑单元；

所述第一四电平拓扑单元、第二四电平拓扑单元、第三四电平拓扑单元和第四四电平拓扑单元为权利要求1至3任一项所述的四电平拓扑单元，所述第一四电平拓扑单元、第二四电平拓扑单元、第三四电平拓扑单元和第四四电平拓扑单元中的第一开关管的第一端均连接至所述第一电容的第一端，所述第一四电平拓扑单元、第二四电平拓扑单元、第三四电平拓扑单元和第四四电平拓扑单元中第六开关管的第二端均连接至所述第三电容的第二端，所述第一四电平拓扑单元、第二四电平拓扑单元、第三四电平拓扑单元和第四四电平拓扑单元中第一钳位二极管的阳极以及第二钳位二极管的阴极均连接至所述第二电容和第三电容的公共端，所述第一四电平拓扑单元、第二四电平拓扑单元、第三四电平拓扑单元和第四四电平拓扑单元中第二开关管的第二端均连接至所述第一电容和第二电容的公共端，所述第一四电平拓扑单元、第二四电平拓扑单元、第三四电平拓扑单元和第四四电平拓扑单元的交流输出端分别为所述三相四线四电平逆变器的四个交流输出端；

9.根据权利要求8所述的三相四线四电平逆变器，其特征在于：

所述第二四电平拓扑单元的交流输出端连接至第一交流负载的一端，所述第三四电平拓扑单元的交流输出端连接至第二交流负载的一端，所述第四四电平拓扑单元的交流输出端连接至第三交流负载的一端，所述第一四电平拓扑单元的交流输出端分别连接至所述第一交流负载的一端、所述第二交流负载的一端和第三交流负载的一端，所述第一交流负载的另一端、所述第二交流负载的另一端和所述第三交流负载的另一端连接；

10.一种四电平直流交流转换芯片，其特征在于，包括权利要求1至3中任一项所述的四电平拓扑单元，还包括五个引出端，所述五个引出端分别为第一开关管的第一端、第二开关管的第二端、第一钳位二极管的阳极和第二钳位二极管的阴极的公共端、第六开关管的第二端和第三节点。