CN102624266B - 三电平逆变电路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种三电平逆变电路，属于电力电子领域。所述三电平逆变电路包括有电压提供电路和单相或者三相逆变电路，该单相或者三相逆变电路中的逆变桥上的两个开关管分别并联有第一电容和第二电容，并且这两个串联的开关管的中间节点还与第一电感串联。该三电平逆变电路通过加入第一电容、第二电容和第一电感，使得每个开关管及其反向并联二极管实现了零电压或零电流的导通和截止，也即“软开关”，从而消除或减少了开关损耗和电磁干扰。本发明公开的三电平逆变电路可以应用于三电平T型逆变电路拓扑和三电平I型逆变电路拓扑的改进中。
Description
技术领域
本发明涉及电力电子领域，特别涉及一种包括软开关的三电平逆变电路。
背景技术
逆变电路是用于将直流电转换为交流电的一种转换电路。现有的逆变电路，通常都是在控制电路的控制下将直流电路输出的直流电源转换为频率和电压都任意可调的交流电源的一种电路。
请参考图1，其示出了现有技术中的一种逆变电路的电路示意图。该逆变电路主要包括：直流电源112、串联的电容C01和电容C02、串联的第一可控开关Q1和第二可控开关Q2以及负载130。其中，直流电源112的正极与电容C01不串联的一端相连，并且还与第一可控开关Q1不串联的一端相连；直流电源112的负极与电容C02不串联的一端相连，并且还与第二可控开关Q2不串联的一端相连。串联的电容C01和电容C02相连的中间节点通过负载130与串联的第一可控开关Q1和第二可控开关Q2相连的中间节点相连。通常情况下，电容C01和电容C02是参数相同的电容，所以假设直流电源102的提供的正极电压是2Vd，负极电压是0，则串联的电容C01和电容C02相连的中间节点的电压是Vd。
上述逆变电路的工作原理是：当第一可控开关Q1导通且第二可控开关Q2截止时，由于第一可控开关Q1与直流电源112的正极相连的一端电压为2Vd，而串联的第一可控开关Q1和第二可控开关Q2相连的中间节点的电压为Vd，则有电流从左到右流过负载130；当第一可控开关Q1截止且第二可控开关Q2导通时，由于第二可控开关Q2与直流电源112的负极相连的一端电压为0，而串联的第一可控开关Q1和第二可控开关Q2相连的中间节点的电压为Vd，则有电流从右到左流过负载130。显然，通过规律性地交替导通第一可控开关Q1和第二可控开关Q2，可以将直流电源112输出的直流电转换为交流电。在现有技术中，第一可控开关Q1和第二可控开关Q2通常是MOSFET管(Metal-Oxide-Semiconductor Field-EffectTransistor，金属场效应管)或者IGBT管(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管)中的一种，控制电路通常采用PWM(Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制技术)或者SPWM(Sinusoidal Pulse Width Modulation，正弦型脉冲宽度调制技术)来产生控制信号以控制第一可控开关Q1和第二可控开关Q2的导通和截止。通过不同的控制信号可以实现不同频率和不同电压波形的交流电输出。现有技术中，根据上述拓扑又衍生有三电平及多电平逆变电路，可以实现更好的逆变效果。
在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术至少存在以下问题：由于逆变电路中的功率开关在实际中并不是理想器件，其导通和截止不是瞬间完成而是需要一定的时间。在这段时间里，功率开关器件上存在电压和电流波形的交叠，从而产生了开关损耗，也即所说的“硬开关”。该开关损耗与其控制信号的载波频率成正比关系。随着逆变电路不断往高频化发展，该开关损耗呈直线上升，系统的效率会严重下降，而且会产生严重的电磁干扰，成为了抑制逆变电路效率提升的瓶颈所在。
发明内容
为了消除或减少开关损耗和电磁干扰，本发明实施例提供了一种三电平逆变电路。所述技术方案如下：
本发明实施例提供一种三电平逆变电路，所述三电平逆变电路包括：
电压提供电路和单相逆变电路；
所述电压提供电路包括正电压端、中间电压端和负电压端，所述正电压端与中间电压端的电压差等于所述中间电压端与负电压端的电压差；
所述单相逆变电路包括：
第一开关模块，包括第一开关管、与所述第一开关管反向并联的第一二极管和与所述第一开关管并联的第一电容；
第二开关模块，包括第二开关管、与所述第二开关管反向并联的第二二极管和与所述第二开关管并联的第二电容；
与所述中间电压端相连的中点续流模块，用于为所述第一开关模块和第二开关模块提供中点续流；
所述第一开关模块与第二开关模块串联，所述第一开关模块不与第二开关管串联的一端作为所述单相逆变电路的第一输入端与所述电压提供电路的正电压端相连；所述第二开关模块不与所述第一开关模块串联的一端作为所述单相逆变电路的第二输入端与所述电压提供电路的负电压端相连；所述第一开关模块和第二开关模块串联的中间节点还与第一电感的一端相连，所述第一电感的另一端作为所述单相逆变电路的输出端。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：
通过加入第一电感、在第一开关管上并联第一电容和在第二开关管上并联第二电容，使得三电平逆变电路中的每个开关管及其反向并联二极管实现了在工作过程中的零电压或零电流的导通和截止，也即“软开关”，从而达到了消除或减少了开关损耗和电磁干扰的效果。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例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是现有技术中的一种逆变电路的电路示意图；
图2是本发明实施例一提供的三电平逆变电路的电路示意图；
图3A-D是本发明实施例一提供的三电平逆变电路的工作示意图；
图4是本发明实施例二提供的三电平逆变电路的电路示意图；
图5是本发明实施例三提供的三电平逆变电路的电路示意图；
图6A和图6B是本发明实施例三和实施例六提供的三电平逆变电路的输出电流示意图；
图7是本发明实施例四提供的三电平逆变电路的电路示意图；
图8是本发明实施例五提供的三电平逆变电路的电路示意图；
图9是本发明实施例六提供的三电平逆变电路的电路示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
三电平逆变电路相比于图1所示两电平逆变电路多了一个中点续流模块，中点续流模块可以实现中点续流的功能。简单来讲，“中点续流”是指第一开关管和第二开关管在切换过程中，两者均未导通的所谓“死区时间”里，为输出继续提供电流的功能。三电平逆变电路相比于两电平逆变电路可以提供更好的逆变效果，根据实现中点续流模块的两个开关管的具体拓扑，可以分为T型三电平逆变电路和I型三电平逆变电路。
为了消除或者减弱硬开关产生的开关损耗和电磁干扰等问题，本发明实施例提供的三电平逆变电路均实现了软开关(Soft Switching)技术。所述“软开关”，就是在功率开关器件上的电压和电流都为零或者其中一个为零时进行的开关过程。软开关技术通常分为零电压开关ZVS(Zero Voltage Switching)和零电流开关ZCS(Zero Current Switching)，有时把近似零电压开关与近似零电流开关也称为软开关。
实施例一
请参考图2，其示出了本发明实施例一提供的逆变电路的电路示意图。该逆变电路采用单相三电平T型逆变电路拓扑，该逆变电路包括电压提供电路210和单相逆变电路220。
电压提供电路210包括正电压端A、中间电压端B和负电压端C。通常情况下，正电压端A与中间电压端B的电压差等于中间电压端B与负电压端C的电压差，比如正电压端A的电压是2Vd，中间电压端B的电压是Vd，负电压端C的电压是0；又比如，正电压端A的电压是Vd，中间电压端的电压是0，负电压端C的电压是-Vd。电压提供电路210可以包括直流电源212和两个相同且串联的电容C0，直流电源212的正极与两个串联的电容C0的一端相连作为正电压端A，直流电源212的负极与两个串联的电容C0的另一端相连作为负电压端C，两个串联的电容C的中间节点作为中间电压端B。
单相逆变电路220则包括第一开关模块和第二开关模块。该单相逆变电路220可以进行单相交流电的逆变。其中，第一开关模块包括第一开关管Q1、与第一开关管Q1反向并联的第一二极管D1和与第一开关管Q1并联的第一电容C1。第二开关模块包括第二开关管Q2、与第二开关管Q2反向并联的第二二极管D2和与第二开关管Q2并联的第二电容C2。其中，第一开关管Q1的两端可以认为是第一开关模块的两端，第一开关管Q1的控制端可以认为是第一开关模块的控制端。同样，第二开关管Q2的两端可以认为是第二开关模块的两端，第二开关管Q2的控制端可以认为是第二开关模块的控制端。
第一开关管Q1与第二开关管Q2串联，第一开关管Q1不与第二开关管Q2串联的另一端作为单相逆变电路220的第一输入端与电压提供电路210的正电压端A相连；第二开关管Q2不与第一开关管Q1串联的另一端作为单相逆变电路220的第二输入端与电压提供电路210的负电压端C相连；第一开关管Q1和第二开关管Q2串联的中间节点还与第一电感L1的一端相连，第一电感L1的另一端作为单相逆变电路的输出端。
该单相逆变电路的输出端还优选包括滤波电路，滤波电路包括滤波电容C3和滤波电感L2，滤波电容C3的一端与第一电感L1的另一端相连，滤波电容C3的另一端与电压提供电路210的中间电压端B相连。滤波电感L2的一端与第一电感L1的另一端相连，滤波电感L2的另一端通过负载与电压提供电路210的中间电压端B相连。该滤波电路可以对输出的交流电进行滤波，以降低电流高频纹波等信号，对输出的交流电进行优化。
作为三电平逆变电路，该T型单相逆变电路220还包括有用于实现中点续流模块的第三开关模块和第四开关模块，第三开关模块包括第三开关管Q3和与第三开关管Q3反向并联的第三二极管D3；第四开关模块包括第四开关管Q4和与第四开关管Q4反向并联的第四二极管。其中，第三开关管Q3的两端可以认为是第三开关模块的两端，第三开关管Q3的控制端可以认为是第三开关模块的控制端。同样，第四开关管Q4的两端可以认为是第四开关模块的两端，第四开关管Q4的控制端可以认为是第四开关模块的控制端。
第三开关管Q3和第四开关管Q4反向串联，第三开关管Q3不与第四开关管Q4串联的一端与电压提供电路210的中间电压端B相连，第四开关管Q4不与第三开关管Q3串联的一端与第一开关管Q1和第二开关管Q2串联的中间节点D相连。该第三开关模块和第四开关模块可以为该单相逆变电路220提供中点续流。
该三电平逆变电路的输出端输出的三电平主要是通过下面几种开关状态控制来得到的：
当第一开关管Q1和第三开关管Q3导通，第二开关管Q2和第四开关管Q4关断时，输出端的稳定电压等于正电压端A的电压，设此时的开关状态为第一开关状态；
当第三开关管Q3和第四开关管Q4导通，第一开关管Q1和第二开关管Q2关断时，输出端的稳定电压等于中间电压端B的电压，设此时的开关状态为第二开关状态；
当第二开关管Q2和第四开关管Q4导通，第一开关管Q1和第三开关管Q3关断时，输出端的稳定电压等于负电压端C的电压，设此时的开关状态为第三开关状态。
该逆变电路还可以包括有控制电路(未具体示出)，该控制电路可以采用PWM技术来产生控制信号以控制第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3和第四开关管Q4的导通和截止，以产生交流电。为了输出交流电的正半周，该控制电路可以控制各个开关管交替在第一开关状态和第二状态开关之间变化；为了输出交流电的负半周，该控制电路可以控制各个开关管交替在第二开关状态和第三开关状态之间变化。具体地讲，以输出交流电的正半周为例：
1，假设初始为第一开关状态，电流从正电压端A流经第一开关管Q1、第一电感L1、滤波电感L2和负载230后流回中间电压端B，如图3A所示；
2，由第一开关状态变为第二开关状态，此时，第一开关管Q1需要关断，第四开关管Q4在第一开关管Q1关断后开始导通，由于此时第一开关管Q1与第一电容C1并联，第一开关管Q1的电压无法突变，第一开关管Q1此时可以实现零电压关闭。第一开关管Q1关断后，第一电容C1逐渐充电，第二电容C2逐渐放电；
3，当第一电容C1的两端电压被充电至一半母线电压时，也即第一电容C1和第二电容C中点D处的电压等于中间电压端B的电压时，第四二极管D4会自动导通，此时第四二级管D4为零电压导通，第一电感L1保持电流继续流动，同时第一电感L1中的电流逐渐变小，如图3B；
4，当第一电感L1中的电流下降至0时，此时第四二极管D4实现零电流关闭，电流继续通过第四开关管Q4和第三二极管D3导通，如图3C；
5，当第一电感L1中的电流下降至0后，会出现短暂的反向电流，在反向充电至预设值时，此时关断第四开关管Q4，由于第一电容C1和第二电容C2的存在，第四开关管Q4此时实现零电压关闭；
6，当第四开关管Q4关断后，第一电感L1中的电流反向给第二电容C2充电，第一电容C1放电，当检测到第一电容C1和第二电容C中点处的电压等于中间电压端B的电压时，此时再次开通第一开关管Q1，此时第一开关管Q1可以实现零电压开启，如图3D所示，在第一电感L1中的反向电流被抵消为0时，电流流向又恢复为图3A所示，完成由第二开关状态变回第一开关状态的过程。
7，重复上述过程，交替在第一开关状态和第二开关状态之间变化就可以输出交流电的正半周。
根据对偶原理，输出交流电负半周时，各个开关管在第二开关状态和第三开关状态的变化过程与上述过程相似。从以上分析可见，第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3和第四开关管Q4以及并联二极管都能够实现软开关。需要说明的是，上述各个开关管可以同时为场效应管和绝缘栅型晶体管中的一种。而与各个开关管反向并联的二极管可以为对应开关管的寄生二极管。而第一电容C1和第二电容C2也可以分别为第一开关管Q1和第二开关管Q2的寄生电容。
综上所述，本发明实施例一提供的三电平逆变电路通过加入第一电感、在第一开关管上并联第一电容和在第二开关管上并联第二电容，使得每个开关管及其反向并联二极管实现了零电压或零电流的导通和截止，也即“软开关”，从而消除或减少了开关损耗和电磁干扰。
实施例二
请参考图4，其示出了本发明实施例二提供的三电平逆变电路的电路示意图。该三电平逆变电路采用三相三电平T型逆变电路拓扑，该三电平逆变电路包括电压提供电路410、第一相逆变电路420、第二相逆变电路和第三相逆变电路。
显然，实施例二提供的三电平逆变电路中的电压提供电路410可以与实施例一提供的三电平逆变电路中的电压提供电路210相同或者相近。不同的是，实施例一提供的三电平逆变电路仅包括单相逆变电路，而实施例二提供的三电平逆变电路包括输入端并联的三相逆变电路，但是这三相逆变电路分别都与实施例一提供的逆变电路中的单相逆变电路结构相同。也就是说，可以认为实施例二中的第一相逆变电路420与实施例一提供的三电平逆变电路中的单相逆变电路220相同，而采用相同结构的第二相逆变电路和第三相逆变电路的第一输入端和第二输入端也分别与电压提供电路410的正电压端和负电压端相连。该三相逆变电路可以具有各自的输出端，每个输出端输出一相交流电，也即该三相逆变电路可以输出三路交流电。同时每一相逆变电路的输出端可以具有各自的滤波电路。为了便于描述，该三相逆变电路的具体细节不再一一赘述，此乃本领域技术人员易于思及的地方。
对应于每一相逆变电路，每一相逆变电路都可以包括有控制电路(未具体示出)，该控制电路可以采用PWM技术来产生控制信号以控制每相逆变电路中的第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3和第四开关管Q4的导通和截止，以产生交流电。具体的控制方式和实现原理可以参考实施例一中的相关描述。通常来讲，对于每相逆变电路的控制可以是互相独立的，三相逆变电路即可以采用完全同步的控制方式，也可以模拟市电波形采用每相之间错相2/3π的控制方式。
需要说明的是，上述各个开关管可以为场效应管和绝缘栅型晶体管中的一种。而与各个开关管反向并联的二极管可以为对应开关管的寄生二极管。而第一电容C1和第二电容C2也可以分别为第一开关管Q1和第二开关管Q2的寄生电容。
综上所述，本发明实施例二提供的三电平逆变电路通过加入第一电感、在第一开关管上并联第一电容和在第二开关管上并联第二电容，使得每个开关管及其反向并联二极管实现了零电压或零电流的导通和截止，也即“软开关”，从而消除或减少了开关损耗和电磁干扰。
在实现上述实施例一和实施例二时，发明人进一步地发现上述电路中的每个器件(具体如各个开关管和各个电感等)在工作过程中的电流应力非常大，而且滤波电容的电容值也需要较大，这对于器件的寿命、性能要求和成本均为不利。为此，请进一步参考下述实施例。
实施例三
请参考图5，其示出了本发明实施例三提供的三电平逆变电路的电路示意图。该三电平逆变电路采用单相三电平T型逆变电路拓扑，该三电平逆变电路包括电压提供电路510、单相逆变电路520和单相副逆变电路530。
显然，实施例三提供的三电平逆变电路中的电压提供电路510可以与实施例一提供的三电平逆变电路中的电压提供电路210相同或者相近。不同的是，实施例一提供的三电平逆变电路仅包括单相逆变电路，而实施例三提供的三电平逆变电路还包括输入端和输出端都并联的单相逆变电路520和单相副逆变电路530。但是单相逆变电路520和单相副逆变电路530分别都与实施例一提供的逆变电路中的单相逆变电路结构相同。也就是说，可以认为实施例三中的单相逆变电路520与实施例一提供的三电平逆变电路中的单相逆变电路220相同，而采用相同结构的单相副逆变电路530的第一输入端和第二输入端也分别与电压提供电路510的正电压端和负电压端相连，同时单相副逆变电路530的输出端与单相逆变电路520的输出端相连成为交错输出端。同时单相逆变电路520和单相副逆变电路530可以共用同一滤波电路。为了便于描述，该三相逆变电路的具体细节不再一一赘述。
虽然上述单相逆变电路520和单相副逆变电路530的名称有主副之分，但是实际应用时，两者为并联同等的关系，单相逆变电路520和单相副逆变电路530主要为了实现交错并联。
对应于单相逆变电路520和单相副逆变电路530，每一相逆变电路都可以包括有控制电路(未具体示出)，该控制电路可以采用PWM技术来产生控制信号以控制每相逆变电路中的第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3和第四开关管Q4的导通和截止，以产生交流电。一相逆变电路的具体的控制方式和实现原理可以参考实施例一中的相关描述。采用上述交错并联的单相逆变电路520和单相副逆变电路530输出的电流可以参考图6A，其中I1为单相逆变电路520的输出电流，而I2为单相副逆变电路530的输出电流。可见，交错并联的单相逆变电路520和单相副逆变电路530能有效的减小器件电流应力，明显降低输出电流高频纹波，减小滤波电容容值需求，降低系统成本，降低系统EMI干扰。
优选地，可以采用交错断续模式和交错连续模式来控制。具体地讲，可以在负载较轻时，采用交错断续模式来控制；在负载较重时，采用交错连续模式来控制。此时，交错输出端输出的电流Ic可以参考图6B所示。采用此种控制方式可以进一步地降低器件电流应力。
需要说明的是，上述各个开关管可以为场效应管和绝缘栅型晶体管中的一种。而与各个开关管反向并联的二极管可以为对应开关管的寄生二极管。而第一电容C1和第二电容C2也可以分别为第一开关管Q1和第二开关管Q2的寄生电容。
综上所述，本发明实施例三提供的三电平逆变电路通过加入交错并联两路逆变电路，使得该三电平逆变电路不仅具有实施例一的优点，还可以降低实施例一提供的三电平逆变电路的器件电流应力，使得各个器件获得更长的寿命；也可以采用容值较小的滤波电容，从而可以达到降低成本的效果。需要说明的是，对于实施例二提供的三电平逆变电路，可以为每一相逆变电路都分别设置对应的一相副逆变电路来实现同样的效果，为了简化描述，具体细节不再一一赘述。
实施例四
请参考图7，其示出了本发明实施例四提供的三电平逆变电路的电路示意图。该三电平逆变电路采用单相三电平I型逆变电路拓扑，该三电平逆变电路包括电压提供电路710和单相逆变电路720。
电压提供电路710包括正电压端A、中间电压端B和负电压端C。通常情况下，正电压端A与中间电压端B的电压差等于中间电压端B与负电压端C的电压差，比如正电压端A的电压是2Vd，中间电压端的电压是Vd，负电压端C的电压是0；又比如，正电压端A的电压是Vd，中间电压端的电压是0，负电压端C的电压是-Vd。电压提供电路710可以包括直流电源712和两个相同且串联的电容C0，直流电源712的正极与两个串联的电容C0的一端相连作为正电压端A，直流电源712的负极与两个串联的电容C0的另一端相连作为负电压端C，两个串联的电容C的中间节点作为中间电压端B。
单相逆变电路720则包括第一开关模块和第二开关模块。该单相逆变电路720可以进行单相交流电的逆变。其中，第一开关模块包括第一开关管Q1、与第一开关管Q1反向并联的第一二极管D1和与第一开关管Q1并联的第一电容C1。第二开关模块包括第二开关管Q2、与第二开关管Q2反向并联的第二二极管D2和与第二开关管Q2并联的第二电容C2。其中，第一开关管Q1的两端可以认为是第一开关模块的两端，第一开关管Q1的控制端可以认为是第一开关模块的控制端。同样，第二开关管Q2的两端可以认为是第二开关模块的两端，第二开关管Q2的控制端可以认为是第二开关模块的控制端。
第一开关管Q1与第二开关管Q2串联，第一开关管Q1不串联的一端作为单相逆变电路720的第一输入端与电压提供电路710的正电压端A相连；第二开关管Q2不串联的一端作为单相逆变电路720的第二输入端与电压提供电路710的负电压端C相连；第一开关管Q1和第二开关管Q2串联的中间节点还与第一电感L1的一端相连，第一电感L1的另一端作为单相逆变电路的输出端。
该单相逆变电路的输出端还优选包括滤波电路，滤波电路包括滤波电容C3和滤波电感L2，滤波电容C3的一端与第一电感L1的另一端相连，滤波电容C3的另一端与电压提供电路710的中间电压端B相连。滤波电感L2的一端与第一电感L1的另一端相连，滤波电感L2的另一端通过负载与电压提供电路710的中间电压端B相连。该滤波电路可以对输出的交流电进行滤波，以降低电流高频纹波等信号，对输出的交流电进行优化。
作为三电平逆变电路，该I型单相逆变电路720还包括有用于实现中点续流模块的第三开关模块和第四开关模块，第三开关模块包括第三开关管Q3和与第三开关管Q3反向并联的第三二极管D3；第四开关模块包括第四开关管Q4和与第四开关管Q4反向并联的第四二极管D4。其中，第三开关管Q3的两端可以认为是第三开关模块的两端，第三开关管Q3的控制端可以认为是第三开关模块的控制端。同样，第四开关管Q4的两端可以认为是第四开关模块的两端，第四开关管Q4的控制端可以认为是第四开关模块的控制端。
第三开关管Q3串联于第一开关管Q1和第二开关管Q2串联的中间节点D和第一开关管Q1之间，第三开关管Q3与第一开关管Q1相连的中间节点E还与第五二极管D5的负极相连，第五二极管D5的正极与电压提供电路710的中间电压端B相连。第四开关管Q4串联于第一开关管Q1和第二开关管Q2串联的中间节点D和第二开关管Q2之间，第四开关管Q4与第二开关管Q2相连的中间节点F还与第六二极管D6的正极相连，第六二极管D6的负极与电压提供电路710的中间电压端B相连。该第三开关模块和第四开关模块可以在死区时间提供中点续流。
该逆变电路的最终输出端输出的三电平主要是通过下面几种开关状态控制来得到的：
当第一开关管Q1和第三开关管Q3导通，第二开关管Q2和第四开关管Q4关断时，最终输出端的稳定电压等于正电压端A的电压，设此时的开关状态为第一开关状态；
当第三开关管Q3和第四开关管Q4导通，第一开关管Q1和第二开关管Q2关断时，最终输出端的稳定电压等于中间电压端B的电压，设此时的开关状态为第二开关状态；
当第二开关管Q2和第四开关管Q4导通，第一开关管Q1和第三开关管Q3关断时，最终输出端的稳定电压等于负电压端C的电压，设此时的开关状态为第三开关状态。
该三电平逆变电路还可以包括有控制电路(未具体示出)，该控制电路可以采用PWM技术来产生控制信号以控制第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3和第四开关管Q4的导通和截止，以产生交流电。由于三电平I型逆变电路拓扑和三电平T型逆变电路拓扑只是对实现中点续流的第三开关管Q3和第四开关管Q4的位置发生变动，工作原理基本相同，所以该逆变电路的工作时的细节，可以参考实施例一中的描述获知，在此不再赘述。
作为本发明实施例的重点和亮点之一，本实施例中的第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3和第四开关管Q4及其对应二极管也能够实现软开关。一方面，由于第一电容C1和第二电容C2的存在，可以使得第一开关管Q1和第二开关管Q2实现零电压导通或截止；另一方面，由于第一电容C1、第二电容C2和第一电感L1使得图示中D点的电压发生谐振，并且使得第三开关管Q3和第四开关管Q4在D点电流为0时实现零电流导通或截止。
需要说明的是，上述各个开关管可以为场效应管和绝缘栅型晶体管中的一种。而与各个开关管反向并联的二极管可以为对应开关管的寄生二极管。而第一电容C1和第二电容C2也可以分别为第一开关管Q1和第二开关管Q2的寄生电容。
综上所述，本发明实施例四提供的三电平逆变电路通过加入第一电感、在第一开关管上并联第一电容和在第二开关管上并联第二电容，使得每个开关管及其反向并联二极管实现了零电压或零电流的导通和截止，也即“软开关”，从而消除或减少了开关损耗和电磁干扰。
实施例五
请参考图8，其示出了本发明实施例五提供的三电平逆变电路的电路示意图。该三电平逆变电路采用三相三电平I型逆变电路拓扑，该三电平逆变电路包括电压提供电路810、第一相逆变电路820、第二相逆变电路和第三相逆变电路。
显然，实施例五提供的三电平逆变电路中的电压提供电路810可以与实施例四提供的逆变电路中的电压提供电路710相同或者相近。不同的是，实施例四提供的三电平逆变电路仅包括单相逆变电路，而实施例五提供的三电平逆变电路包括并联的三相逆变电路，但是这三相逆变电路分别都与实施例四提供的三电平逆变电路中的单相逆变电路结构相同。也就是说，如果认为实施例五中的第一相逆变电路820与实施例四提供的三电平逆变电路中的单相逆变电路720相同，则采用相同结构的第二相逆变电路和第三相逆变电路的第一输入端和第二输入端也分别与电压提供电路810的正电压端和负电压端相连。该三相逆变电路可以具有各自的输出端，每个输出端输出一相交流电，也即该三相逆变电路可以输出三路交流电。同时每一相逆变电路的输出端可以具有各自的滤波电路。为了便于描述，该三相逆变电路的具体细节不再一一赘述。
对应于每一相逆变电路，每一相逆变电路都可以包括有控制电路(未具体示出)，该控制电路可以采用PWM技术来产生控制信号以控制每相逆变电路中的第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3和第四开关管Q4的导通和截止，以产生交流电。具体的控制方式可以参考实施例一中的相关描述。通常来讲，对于每相逆变电路的控制是互相独立的，三相逆变电路即可以采用完全同步的控制方式，也可以模拟市电波形采用每相之间错相2/3π的控制方式。
需要说明的是，上述各个开关管可以为场效应管和绝缘栅型晶体管中的一种。而与各个开关管反向并联的二极管可以为对应开关管的寄生二极管。而第一电容C1和第二电容C2也可以分别为第一开关管Q1和第二开关管Q2的寄生电容。
综上所述，本发明实施例五提供的逆变电路通过加入第一电感、在第一开关管上并联第一电容和在第二开关管上并联第二电容，使得每个开关管及其反向并联二极管实现了零电压或零电流的导通和截止，也即“软开关”，从而消除或减少了开关损耗和电磁干扰。
在实现上述实施例三和实施例四时，发明人同样发现上述电路中的每个器件(具体如各个开关管和各个电感等)在工作过程中的电流应力非常大，而且滤波电容的电容值也需要较大，这对于器件的寿命、性能要求和成本均为不利。为此，请进一步参考下述实施例。
实施例六
请参考图9，其示出了本发明实施例六提供的三电平逆变电路的电路示意图。该三电平逆变电路采用单相三电平T型逆变电路拓扑，该三电平逆变电路包括电压提供电路910、单相逆变电路920和单相副逆变电路930。
显然，实施例六提供的三电平逆变电路中的电压提供电路910可以与实施例四提供的三电平逆变电路中的电压提供电路710相同或者相近。不同的是，实施例四提供的三电平逆变电路仅包括单相逆变电路，而实施例六提供的三电平逆变电路还包括输入端和输出端都并联的单相逆变电路920和单相副逆变电路930。但是单相逆变电路920和单相副逆变电路930分别都与实施例四提供的逆变电路中的单相逆变电路结构相同。也就是说，可以认为实施例六中的单相逆变电路920与实施例四提供的三电平逆变电路中的单相逆变电路220相同，而采用相同结构的单相副逆变电路930的第一输入端和第二输入端也分别与电压提供电路910的正电压端和负电压端相连，同时单相副逆变电路930的输出端与单相逆变电路920的输出端相连成为交错输出端。同时单相逆变电路920和单相副逆变电路930可以共用同一滤波电路。为了便于描述，该三相逆变电路的具体细节不再一一赘述。
虽然上述单相逆变电路920和单相副逆变电路930的名称有主副之分，但是实际应用时，两者为并联同等的关系，单相逆变电路920和单相副逆变电路930主要为了实现交错并联。
对应于单相逆变电路920和单相副逆变电路930，每一相逆变电路都可以包括有控制电路(未具体示出)，该控制电路可以采用PWM技术来产生控制信号以控制每相逆变电路中的第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3和第四开关管Q4的导通和截止，以产生交流电。一相逆变电路的具体的控制方式和实现原理可以参考实施例四中的相关描述。采用上述交错并联的单相逆变电路920和单相副逆变电路930输出的电流可以参考图6A，其中I1为单相逆变电路920的输出电流，而I2为单相副逆变电路930的输出电流。可见，交错并联的单相逆变电路920和单相副逆变电路930能有效的减小器件电流应力，明显降低输出电流高频纹波，减小滤波电容容值需求，降低系统成本，降低系统EMI干扰。
优选地，可以采用交错断续模式和交错连续模式来控制。具体地讲，可以在负载较轻时，采用交错断续模式来控制；在负载较重时，采用交错连续模式来控制。此时，交错输出端输出的电流Ic可以参考图6B所示。采用此种控制方式可以进一步地降低器件电流应力。
需要说明的是，上述各个开关管可以为场效应管和绝缘栅型晶体管中的一种。而与各个开关管反向并联的二极管可以为对应开关管的寄生二极管。而第一电容C1和第二电容C2也可以分别为第一开关管Q1和第二开关管Q2的寄生电容。
综上所述，本发明实施例六提供的三电平逆变电路通过加入交错并联两路逆变电路，使得该三电平逆变电路不仅具有实施例四的优点，还可以降低实施例四提供的三电平逆变电路的器件电流应力，使得各个器件获得更长的寿命；也可以采用容值较小的滤波电容，从而可以达到降低成本的效果。需要说明的是，对于实施例五提供的三电平逆变电路，也可以为每一相逆变电路都分别设置对应的一相副逆变电路来实现同样的效果，为了简化描述，具体细节不再一一赘述。
需要补充说明的是，由于上述实施例中，一个电压提供模块可能需要与多相逆变电路相连，所以在具体的实施例中，可能会采用相同性能和参数的几个电压提供模块分别与各相逆变电路相连，此种情形不应当作为制约本发明的保护范围的桎梏。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分步骤可以通过硬件来完成，也可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种三电平逆变电路，其特征在于，所述三电平逆变电路包括：
电压提供电路和单相逆变电路；
所述电压提供电路包括正电压端、中间电压端和负电压端，所述正电压端与中间电压端的电压差等于所述中间电压端与负电压端的电压差；
所述单相逆变电路包括：
第一开关模块，包括第一开关管、与所述第一开关管反向并联的第一二极管和与所述第一开关管并联的第一电容；
第二开关模块，包括第二开关管、与所述第二开关管反向并联的第二二极管和与所述第二开关管并联的第二电容；
与所述中间电压端相连的中点续流模块，用于为所述第一开关模块和第二开关模块提供中点续流；
所述第一开关模块与第二开关模块串联，所述第一开关模块不与第二开关管串联的一端作为所述单相逆变电路的第一输入端与所述电压提供电路的正电压端相连；所述第二开关模块不与所述第一开关模块串联的一端作为所述单相逆变电路的第二输入端与所述电压提供电路的负电压端相连；所述第一开关模块和第二开关模块串联的中间节点还与第一电感的一端相连，所述第一电感的另一端作为所述单相逆变电路的输出端；
其中，所述中点续流模块，具体包括：
第三开关模块，包括第三开关管和与所述第三开关管反向并联的第三二极管；
第四开关模块，包括第四开关管和与所述第四开关管反向并联的第四二极管；
所述第三开关模块和第四开关模块反向串联，所述第三开关模块不串联的一端与所述电压提供电路的中间电压端相连，所述第四开关模块不串联的一端与所述第一开关模块和第二开关模块串联的中间节点相连；
或者，
所述第三开关模块串联于所述第一开关模块和第二开关模块串联的中间节点和所述第一开关模块之间，所述第三开关模块与第一开关模块相连的中间节点还与第五二极管的负极相连，所述第五二极管的正极与所述电压提供电路的中间电压端相连；所述第四开关模块串联于所述第一开关模块和第二开关模块串联的中间节点和所述第二开关模块之间，所述第四开关模块与第二开关模块相连的中间节点还与第六二极管的正极相连，所述第六二极管的负极与所述电压提供电路的中间电压端相连；
所述三电平逆变电路，还包括：控制电路，所述控制电路用于控制所述第一开关管、所述第二开关管、所述第三开关管和所述第四开关管在第一开关状态、第二开关状态以及第三开关状态之间变化，以产生交流电；
其中，所述第一开关状态为所述第一开关管和所述第三开关管导通，且所述第二开关管和所述第四开关管关断；所述第二开关状态为所述第三开关管和所述第四开关管导通，且所述第一开关管和所述第二开关管关断；所述第三开关状态为所述第二开关管和所述第四开关管导通，且所述第一开关管和所述第三开关管关断；
在所述三电平逆变电路中，所述第一开关管及其反向并联的所述第一二极管、所述第二开关管及其反向并联的所述第二二极管、所述第三开关管及其反向并联的所述第三二极管、所述第四开关管及其反向并联的所述第四二极管均为零电压或零电流的导通和截止。
2.根据权利要求1所述的三电平逆变电路，其特征在于，所述三电平逆变电路还包括：
与所述单相逆变电路结构相同且输入端并联的第二相逆变电路和第三相逆变电路，所述第二相逆变电路和第三相逆变电路的第一输入端和第二输入端也分别与所述电压提供电路的正电压端和负电压端相连，所述第二相逆变电路和第三相逆变电路具有各自的输出端。
3.根据权利要求1所述的三电平逆变电路，其特征在于，所述三电平逆变电路还包括：
与所述单相逆变电路结构相同且输入端和输出端同时并联的单相副逆变电路，所述单相副逆变电路的第一输入端和第二输入端也分别与所述电压提供电路的正电压端和负电压端相连，所述单相副逆变电路的输出端与所述单相逆变电路的输出端相连成为交错输出端。
4.根据权利要求2所述的三电平逆变电路，其特征在于，所述三电平逆变电路还包括：
与所述单相逆变电路结构相同且输入端和输出端同时并联的单相副逆变电路，所述单相副逆变电路的第一输入端和第二输入端也分别与所述电压提供电路的正电压端和负电压端相连，所述单相副逆变电路的输出端与所述单相逆变电路的输出端相连成为交错输出端；
与所述第二相逆变电路结构相同且输入端和输出端同时并联的第二相副逆变电路，所述第二相副逆变电路的第一输入端和第二输入端也分别与所述电压提供电路的正电压端和负电压端相连，所述第二相副逆变电路的输出端与所述第二相逆变电路的输出端相连成为交错输出端；
与所述第三相逆变电路结构相同且输入端和输出端同时并联的第三相副逆变电路，所述第三相副逆变电路的第一输入端和第二输入端也分别与所述电压提供电路的正电压端和负电压端相连，所述第三相副逆变电路的输出端与所述第三相逆变电路的输出端相连成为交错输出端。
5.根据权利要求1或2所述的三电平逆变电路，其特征在于，所述每一相逆变电路的输出端还各自包括滤波电路，所述滤波电路包括滤波电容和滤波电感，
所述滤波电容的一端与所述输出端相连，所述滤波电容的另一端与所述电压提供电路的中间电压端相连；
所述滤波电感的一端与所述输出端相连，所述滤波电感的另一端通过负载与所述电压提供电路的中间电压端相连。
6.根据权利要求3或4所述的三电平逆变电路，其特征在于，所述每一相逆变电路和对应副逆变电路的交错输出端还各自包括滤波电路，所述滤波电路包括滤波电容和滤波电感，
所述滤波电容的一端与所述交错输出端相连，所述滤波电容的另一端与所述电压提供电路的中间电压端相连；
所述滤波电感的一端与所述交错输出端相连，所述滤波电感的另一端通过负载与所述电压提供电路的中间电压端相连。
7.根据权利要求1至4任一所述的逆变电路，其特征在于，所述电压提供电路包括直流电源和两个相同且串联的电容，所述直流电源的正极与所述两个串联的电容的一端相连作为所述正电压端，所述直流电源的负极与所述两个串联的电容的另一端相连作为所述负电压端，所述两个串联的电容的中间节点作为所述中间电压端。
8.根据权利要求1至4任一所述的逆变电路，其特征在于，所述开关管为场效应管和绝缘栅型晶体管中的一种。
9.根据权利要求1至4任一所述的逆变电路，其特征在于，所述与开关管反向并联的二极管为所述开关管的寄生二极管；所述第一电容和第二电容分别为所述第一开关管和第二开关管的寄生电容。
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