CN102624270B - 一种五电平逆变拓扑单元及五电平逆变器 - Google Patents
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Abstract
本申请提供的五电平逆变器拓扑单元包括六个反向并联二极管的开关管和四个与开关管串联的二极管，相对于现有技术中需要采用均压措施和较大的RC吸收电路防止部分二极管两端过压而导致逆变器体积庞大、成本增加、损耗较多以及效率较低的问题，本申请提供的五电平逆变器拓扑单元在实现单相和多相应用时在保证为电流提供通路的同时，保证整个逆变器的半导体器件较少，体积较小，成本较低，同时损耗较小，效率较高。
Description
技术领域
本申请涉及电力电子技术领域，特别涉及一种五电平逆变器及其应用电路。
背景技术
中压大容量场合，多电平逆变器得到广泛的应用，目前的五电平逆变器主要是二极管箝位型。下面对二极管箝位型五电平逆变器予以介绍。
参见图1，该图为现有技术中提供的二极管箝位型的五电平逆变器拓扑图。
图1所示的是半桥五电平逆变器的拓扑结构。二极管用于为各个开关管进行电压箝位。例如，第一二极管DB1用于将开关管T1下端的电位箝位于第一电容C1的下端；第二二极管DB2用于将开关管T5下端的电位箝位于第一电容C1的下端。其他二极管DB3、DB4、DB5和DB6类似，在此不再赘述。
由于箝位二极管需要阻断多倍电平电压，通常需要多个相同标称值的二极管串联，这些二极管串联起来共同承受图1中二极管DB2承受的电压。由于二极管的分散性以及杂散参数的影响，标称值相同的二极管所能承受的压力也有所差别，这样串联起来可能引起有的二极管两端过电压。因此，需要均压措施和很大的RC吸收电路，但是这样将导致系统体积庞大，成本增加，且损耗较多，效率较低。
发明内容
本申请所要解决的技术问题是提供一种五电平逆变拓扑单元及五电平逆变器，用以解决现有技术中逆变器系统体积庞大，成本增加，且损耗较多，效率较低、电流转换精度较低的技术问题。
本申请提供了一种五电平逆变拓扑单元，包括开关管T1、开关管TA1、开关管TA2、开关管T2、开关管TB 1、开关管TB2、二极管DA1、二极管DB1、二极管DF1和二极管DF2；
每个所述开关管均反向并联一个二极管；
该拓扑单元的第一直流输入端M1通过依次串联的开关管TA1、二极管DA1、二极管DB1和开关管TB1与该拓扑单元的第二直流输入端M2相连；
该拓扑单元的第三直流输入端M3通过依次串联的开关管TA2、开关管T1、开关管T2和开关管TB2与该拓扑单元的第四直流输入端M4相连；
二极管DA1和二极管DB1的连接线与开关管T1和开关管T2的连接线相连；
开关管T2和开关管TB2的连接线通过依次串联的二极管DF2和二极管DF1与开关管TA2和开关管T1的连接线相连；
该拓扑单元的第五直流输入端M5与二极管DF2和二极管DF1的连接线相连；
开关管T1和开关管T2的连接线与该拓扑单元的第一交流输出端相连，二极管DF1和二极管DF2的连接线与该拓扑单元的第二交流输出端相连。
本申请还提供了一种五电平逆变器，包括一个如上述的拓扑单元，其中：
第一直流正电平PV1+与第一直流输入端M1相连，第二直流正电平PV2+与第三直流输入端M3相连，直流零电平PV0与第五直流输入端M5相连，第一直流负电平PV1-与第二直流输入端M2相连，第二直流负电平PV2-与第四直流输入端M4相连；
第一直流正电平PV1+和第一直流输入端M1的连接线通过依次串联的电容CA1和电容CB1与第一直流负电平PV1-和第二直流输入端M2的连接线相连；
第二直流正电平PV2+和第三直流输入端M3的连接线通过依次串联的电容CA2和电容CB2与第二直流负电平PV2-和第四直流输入端M4的连接线相连；
电容CA1和电容CB1的连接线与电容CA2和电容CB2的连接线相连并与第五直流输入端M5相连；
拓扑单元的第一交流输出端与该逆变器的第一交流输出端相连，拓扑单元的第二交流输出端与该逆变器的第二交流输出端相连。
本申请还提供了一种五电平逆变器，包括两个如上述的拓扑单元：第一拓扑单元和第二拓扑单元；
第一直流正电平PV1+与第一拓扑单元和第二拓扑单元的各第一直流输入端M1相连；
第一直流负电平PV1-与第一拓扑单元和第二拓扑单元的各第二直流输入端M2相连；
第一直流正电平PV1+和第一拓扑单元或第二拓扑单元的第一直流输入端M1的连接线通过依次串联的电容CA1和电容CB1与第一拓扑单元或第二拓扑单元的第二直流输入端M2和第一直流负电平PV1-的连接线相连；
第二直流正电平PV2+与第一拓扑单元和第二拓扑单元的各第三直流输入端M3相连；
第二直流负电平PV2-与第一拓扑单元和第二拓扑单元的各第四直流输入端M4相连；
第二直流正电平PV2+和第一拓扑单元或第二拓扑单元的第三直流输入端M3的连接线通过依次串联的电容CA2和电容CB2与第一拓扑单元或第二拓扑单元的第四直流输入端M4和第二直流负电平PV2-的连接线相连；
直流零电平PV0与第一拓扑单元和第二拓扑单元的各第五直流输入端M5相连；
电容CA1和电容CB1的连接线与电容CA2和电容CB2的连接线相连并与第一拓扑单元或第二拓扑单元的第五直流输入端M5相连；
第一拓扑单元和第二拓扑单元中的各第一交流输出端分别与该逆变器的第一交流输出端和第二交流输出端相连。
本申请还提供了一种五电平逆变器，包括三个如上述的拓扑单元：第一拓扑单元、第二拓扑单元和第三拓扑单元；
第一直流正电平PV1+与第一拓扑单元、第二拓扑单元和第三拓扑单元的各第一直流输入端M1相连；
第一直流负电平PV1-与第一拓扑单元、第二拓扑单元和第三拓扑单元的各第二直流输入端M2相连；
第一直流正电平PV1+和第一拓扑单元、第二拓扑单元或第三拓扑单元的第一直流输入端M1的连接线通过依次串联的电容CA1和电容CB1与第一拓扑单元、第二拓扑单元或第三拓扑单元的第二直流输入端M2和第一直流负电平PV1-的连接线相连；
第二直流正电平PV2+与第一拓扑单元、第二拓扑单元和第三拓扑单元的各第三直流输入端M3相连；
第二直流负电平PV2-与第一拓扑单元、第二拓扑单元和第三拓扑单元的各第四直流输入端M4相连；
第二直流正电平PV2+和第一拓扑单元、第二拓扑单元或第三拓扑单元的第三直流输入端M3的连接线通过依次串联的电容CA2和电容CB2与第一拓扑单元、第二拓扑单元或第三拓扑单元的第四直流输入端M4和第二直流负电平PV2-的连接线相连；
直流零电平PV0与第一拓扑单元、第二拓扑单元和第三拓扑单元的各第五直流输入端M5相连；
电容CA1和电容CB1的连接线与电容CA2和电容CB2的连接线相连并与第一拓扑单元、第二拓扑单元或第三拓扑单元的第五直流输入端M5相连；
第一拓扑单元、第二拓扑单元和第三拓扑单元中的各第一交流输出端分别与该逆变器的第一交流输出端、第二交流输出端和第三交流输出端相连。
本申请还提供了一种五电平逆变器，包括四个如上述的拓扑单元：第一拓扑单元、第二拓扑单元、第三拓扑单元和第四拓扑单元；
第一直流正电平PV1+与第一拓扑单元、第二拓扑单元、第三拓扑单元和第四拓扑单元的各第一直流输入端M1相连；
第一直流负电平PV1-与第一拓扑单元、第二拓扑单元、第三拓扑单元和第四拓扑单元的各第二直流输入端M2相连；
第一直流正电平PV1+和第一拓扑单元、第二拓扑单元、第三拓扑单元或第四拓扑单元的第一直流输入端M1的连接线通过依次串联的电容CA1和电容CB1与第一拓扑单元、第二拓扑单元、第三拓扑单元或第四拓扑单元的第二直流输入端M2和第一直流负电平PV1-的连接线相连；
第二直流正电平PV2+与第一拓扑单元、第二拓扑单元、第三拓扑单元和第四拓扑单元的各第三直流输入端M3相连；
第二直流负电平PV2-与第一拓扑单元、第二拓扑单元、第三拓扑单元和第四拓扑单元的各第四直流输入端M4相连；
第二直流正电平PV2+和第一拓扑单元、第二拓扑单元的第三直流输入端M3的连接线通过依次串联的电容CA2和电容CB2与第一拓扑单元、第二拓扑单元、第三拓扑单元或第四拓扑单元的第四直流输入端M4和第二直流负电平PV2-的连接线相连；
直流零电平PV0与第一拓扑单元、第二拓扑单元、第三拓扑单元和第四拓扑单元的各第五直流输入端M5相连；
电容CA1和电容CB1的连接线与电容CA2和电容CB2的连接线相连并与第一拓扑单元、第二拓扑单元、第三拓扑单元或第四拓扑单元的第五直流输入端M5相连；
第一拓扑单元、第二拓扑单元、第三拓扑单元和第四拓扑单元中的各第一交流输出端分别与该逆变器的第一交流输出端、第二交流输出端、第三交流输出端和第四交流输出端相连。
由上述可知，本申请提供的五电平逆变器拓扑单元包括六个反向并联二极管的开关管和四个与开关管串联的二极管，外侧开关管串联，减小外侧开关管的电压应力，相对于现有技术中需要采用均压措施和较大的RC吸收电路防止部分二极管两端过压而导致逆变器体积庞大、成本增加、损耗较多以及效率较低的问题，本申请提供的五电平逆变器拓扑单元在实现单相和多相应用时在保证为电流提供通路的同时，保证整个逆变器的半导体器件较少，体积较小，成本较低，同时损耗较小，效率较高。
当然，实施本申请的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。
附图说明
为了更清楚地说明本申请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申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，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箝位型五电平逆变器拓扑图；
图2为本申请提供的一种五电平逆变拓扑单元实施例一的拓扑图；
图3为本申请提供的一种五电平逆变器实施例二的拓扑图；
图4为本申请提供的一种五电平逆变器实施例二的另一拓扑图；
图5为本申请提供的一种五电平逆变器实施例二的另一拓扑图；
图6为本申请提供的一种五电平逆变器实施例二的另一拓扑图；
图7为本申请提供的一种五电平逆变器实施例二处于第一工作模态的拓扑图；
图8为本申请提供的一种五电平逆变器实施例二处于第二工作模态的拓扑图；
图9为本申请提供的一种五电平逆变器实施例二处于第三工作模态的拓扑图；
图10为本申请提供的一种五电平逆变器实施例二处于第四工作模态的拓扑图；
图11为本申请提供的一种五电平逆变器实施例二处于第五工作模态的拓扑图；
图12为本申请提供的一种五电平逆变器实施例二处于第六工作模态的拓扑图；
图13为本申请提供的一种五电平逆变器实施例二处于第七工作模态的拓扑图；
图14为本申请提供的一种五电平逆变器实施例二处于第八工作模态的拓扑图；
图15为本申请提供的一种五电平逆变拓扑单元实施例一的等效图；
图16为本申请通过的一种五电平逆变器实施例三的拓扑图；
图17为本申请通过的一种五电平逆变器实施例三的另一拓扑图；
图18为本申请通过的一种五电平逆变器实施例四的拓扑图；
图19为本申请通过的一种五电平逆变器实施例四的另一拓扑图；
图20为本申请通过的一种五电平逆变器实施例四的另一拓扑图；
图21为本申请通过的一种五电平逆变器实施例五的拓扑图；
图22为本申请通过的一种五电平逆变器实施例五的另一拓扑图。
具体实施方式
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，都属于本申请保护的范围。
参考图2，其示出了本申请提供的一种五电平逆变器的拓扑单元实施例一的拓扑图，所述五电平逆变器的拓扑单元包括：开关管T1、开关管TA1、开关管TA2、开关管T2、开关管TB1、开关管TB2、二极管DA1、二极管DB1、二极管DF1和二极管DF2；
每个所述开关管均反向并联一个二极管；
该拓扑单元的第一直流输入端M1通过依次串联的开关管TA1、二极管DA1、二极管DB1和开关管TB1与该拓扑单元的第二直流输入端M2相连；
该拓扑单元的第三直流输入端M3通过依次串联的开关管TA2、开关管T1、开关管T2和开关管TB2与该拓扑单元的第四直流输入端M4相连；
二极管DA1和二极管DB1的连接线与开关管T1和开关管T2的连接线相连；
开关管T2和开关管TB2的连接线通过依次串联的二极管DF2和二极管DF1与开关管TA2和开关管T1的连接线相连；
该拓扑单元的第五直流输入端M5与二极管DF2和二极管DF1的连接线相连；
开关管T1和开关管T2的连接线与该拓扑单元的第一交流输出端相连，二极管DF1和二极管DF2的连接线与该拓扑单元的第二交流输出端相连。
其中，以上拓扑单元的开关管可以为IGBT管、MOSFET管、IGCT管、或IEGT管。可以理解的是，以上开关管也可以选择其他类型的开关管。以上与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。
由上述可知，相对应现有技术中需要采用均压措施和较大的RC吸收电路防止部分二极管两端过压而导致逆变器体积庞大、成本增加、损耗较多以及效率较低的问题，基于本申请提供的五电平逆变拓扑单元的五电平逆变器在实现单相和多相应用时在保证为电流提供通路的同时，保证整个逆变器的半导体器件较少，体积较小，成本较低，同时损耗较小，效率较高。并且本申请的电路结构外侧开关管串联，减小外侧开关管的电压应力。
参考图3，其示出了本申请提供的一种五电平逆变器实施例二的拓扑图，基于本申请实施例一，本申请实施例二包括一个如实施例一所述的拓扑单元，其中：
第一直流正电平PV1+与第一直流输入端M1相连，第二直流正电平PV2+与第三直流输入端M3相连，直流零电平PV0与第五直流输入端M5相连，第一直流负电平PV1-与第二直流输入端M2相连，第二直流负电平PV2-与第四直流输入端M4相连；
第一直流正电平PV1+和第一直流输入端M1的连接线通过依次串联的电容CA1和电容CB1与第一直流负电平PV1-和第二直流输入端M2的连接线相连；
第二直流正电平PV2+和第三直流输入端M3的连接线通过依次串联的电容CA2和电容CB2与第二直流负电平PV2-和第四直流输入端M4的连接线相连；
电容CA1和电容CB1的连接线与电容CA2和电容CB2的连接线相连并与第五直流输入端M5相连；
拓扑单元的第一交流输出端与该逆变器的第一交流输出端相连，拓扑单元的第二交流输出端与该逆变器的第二交流输出端相连。
其中，如图4所示，上述五个电平可以通过两个直流电源PVM和PVN加上两个DC/DC升压电路获得，具体的，两个直流电源PVM和PVN正负对接，生成第一直流正电平PV1+、第一直流负电平PV1-和直流零电平PV0，两个直流电源PVM和PVN各连接一个DC/DC升压电路，生成第二直流正电平PV2+和第二直流负电平PV2-。
参考图5，其示出了本申请实施例二的另一种结构示意图，基于上述如图4所示的实施例，本申请提供的五电平逆变器还包括电感L501和电容C501，其中：
所述拓扑单元的第一交流输出端通过依次串联的电感L501和电容C501与该拓扑单元中二极管DF2和二极管DF1的连接线相连；
电感L501和电容C501的连接线与该逆变器的第一交流输出端相连。
上述如图4所示的五电平还可以通过如图6所述的方式获得，直流电源PVS产生第一直流正电平PV1+和第一直流负电平PV1-，通过电容CA1和电容CB1的分压作用产生直流零电平PV0，直流电源PVS两端各连接一个DC/DC升压电路，生成第二直流正电平PV2+和第二直流负电平PV2-。
有上述可知，本申请通过增加电感和电容实现本申请实施例二的实际应用，减少本申请实施例二的输出电流的谐波，提高本申请实施例二在进行电流转换的准确性。
图5所示的五电平逆变器与电感和电流形成的滤波模块的连接结构与如图6所示的五电平逆变器与电感和电流形成的滤波模块的连接结构类此，在此不再阐述。
由上述可知，相对于现有技术中需要采用均压措施和较大的RC吸收电路防止部分二极管两端过压而导致逆变器体积庞大、成本增加、损耗较多以及效率较低的问题，本申请提供的五电平逆变器实施例二，即本申请实施例一在实现单相时在保证为电流提供通路的同时，保证整个逆变器的半导体器件较少，体积较小，成本较低，同时损耗较小，效率较高。
其中，本申请提供的五电平逆变器实施例二在实现直流电与交流电的转换时，包括八个工作模态，下面结合附图来对图5所示的五电平逆变器的八种工作模态进行详细分析。
其中，二极管DA2与开关管TA2反向并联，二极管DB2与开关管TB2反向并联，二极管D1与开关管T1反向并联，二极管D2与开关管T2反向并联。其中，本申请实施例二的工作模态形成可以通过时序控制实现。
参考图7，其示出了本申请提供的五电平逆变器实施例二的第一工作模态的拓扑图。第一工作模态：开关管T1导通，其余开关管均截止；其中，不导通的路径在图中以细实线示出，导通的路径以粗实线示出。
电流的路径为：DF1-T1-L501-VG-DF1。
参考图8，其示出了本申请提供的五电平逆变器实施例二第二工作模态的拓扑图。第二工作模态：开关管TA1导通，其余开关管均截止；其中，不导通的路径在图中以细实线示出，导通的路径以粗实线示出。
电流路径为：PV1+-TA1-DA1-L501-VG-PV0。
其中，所述第二工作模态还可以为：开关管T1和开关管TA1导通，其余开关管均截止，即在第一工作模态结束后，开关管T1可以选择不予以关闭，此时第二工作模态与只有开关管TA1导通的电流路径一致，由此可以减少开关管在导通与闭合之间操作时的损耗。
参考图9，其示出了本申请提供的五电平逆变器实施例二第三工作模态的拓扑图。第三工作模态：开关管T1和开关管TA2导通，其余开关管均截止；其中，不导通的路径在图中以细实线示出，导通的路径以粗实线示出。
电流路径为：PV2+-TA2-T1-L501-VG-PV0。
其中，所述第三工作模态还可以为：开关管TA2、开关管T1和开关管TA1导通，其余开关管均截止，即在第二工作模态结束后，开关管TA1可以选择不予以关闭，此时第三工作模态与只有开关管T1和开关管TA2导通的电流路径一致，由此可以减少开关管在导通与闭合之间操作时的损耗。
参考图10，其示出了本申请提供的五电平逆变器实施例二的第四工作模态的拓扑图。第四工作模态：开关管T2导通，其余开关管均截止；不导通的路径在图中以细实线示出，导通的路径以粗实线示出。
电流路径为：T2-DF2-VG-L501-T2。
参考图11，其示出了本申请提供的五电平逆变器实施例二的第五工作模态的拓扑图。第五工作模态：开关管TB 1导通，其余开关管均截止；不导通的路径在图中以细实线示出，导通的路径以粗实线示出。
电流路径为：PV0-VG-L501-DB1-TB1-PV1-。
其中，所述第五工作模态还可以为：开关管T2和开关管TB1导通，其余开关管均截止，即在第四工作模态结束后，开关管T2可以选择不予以关闭，此时第五工作模态与只有开关管TB1导通的电流路径一致，由此可以减少开关管在导通与闭合之间操作时的损耗。
参考图12，其示出了本申请提供的五电平逆变器实施例二的第六工作模态的拓扑图。第六工作模态：开关管T2和开关管TB2导通，其余开关管均截止；不导通的路径在图中以细实线示出，导通的路径以粗实线示出。
电流路径为：PV0-VG-L501-T2-TB2-PV2-。
其中，所述第六工作模态还可以为：开关管TB2、开关管T2和开关管TB1导通，其余开关管均截止，即在第五工作模态结束后，开关管TB1可以选择不予以关闭，此时第六工作模态与只有开关管T2和开关管TB2导通的电流路径一致，由此可以减少开关管在导通与闭合之间操作时的损耗。
参考图13，其示出了本申请提供的五电平逆变器实施例二第七工作模态的拓扑图。第七工作模态：开关管T1导通、开关管T1和开关管TA1导通或开关管T1和开关管TA1及开关管TA2导通，其余开关管均截止；不导通的路径在图中以细实线示出，导通的路径以粗实线示出。
电流路径为：CA2-VG-L501-D1-DA2-CA2。
参考图14，其示出了本申请提供的五电平逆变器实施例二的第八工作模态的拓扑图。第八工作模态：开关管T2导通、开关管T2和开关管TB1导通或开关管T1和开关管TB1及开关管TB2导通，其余开关管均截止；不导通的路径在图中以细实线示出，导通的路径以粗实线示出。
电流路径为：CB2-DB2-D2-L501-VG-CB2。
在上述第三工作模态和第七工作模态中，开关管T1和开关管TA2共同承受第二正电平PV2+；在第六工作模态和第八工作模态中，开关管T2和开关管TB2共同承受第二负电平PV2-，相对于现有技术中单个开关管的情形，开关管元器件承受的电压应力小，对元器件的损耗较少。
有上述可知，本申请提供的五电平逆变器实施例二采用五电平技术拟合正弦波的思路，相对于现有技术来说共模电压小，纹波损耗较低，转换效率较高。
其中，本申请提供的五电平逆变拓扑单元实施例一在实现直流电与交流电的转换时的八个工作模态，与本申请实施例二中图7至图14所示的工作模态类似，在此不再赘述。
参考图15，其示出了本申请提供的五电平逆变拓扑单元实施例一等效图。在所述等效图中，将所述五电平逆变拓扑单元实施例一的第一交流输出端定义为拓扑单元的AC引出端。
参考图16，其示出了本申请提供的一种五电平逆变器实施例三的拓扑图，基于上述本申请实施例一，本申请实施例三包括两个如图15所示的拓扑单元：第一拓扑单元和第二拓扑单元；
第一直流正电平PV1+与第一拓扑单元和第二拓扑单元的各第一直流输入端M1相连；
第一直流负电平PV1-与第一拓扑单元和第二拓扑单元的各第二直流输入端M2相连；
第一直流正电平PV1+和第一拓扑单元或第二拓扑单元的第一直流输入端M1的连接线通过依次串联的电容CA1和电容CB1与第一拓扑单元或第二拓扑单元的第二直流输入端M2和第一直流负电平PV1-的连接线相连；
第二直流正电平PV2+与第一拓扑单元和第二拓扑单元的各第三直流输入端M3相连；
第二直流负电平PV2-与第一拓扑单元和第二拓扑单元的各第四直流输入端M4相连；
第二直流正电平PV2+和第一拓扑单元或第二拓扑单元的第三直流输入端M3的连接线通过依次串联的电容CA2和电容CB2与第一拓扑单元或第二拓扑单元的第四直流输入端M4和第二直流负电平PV2-的连接线相连；
直流零电平PV0与第一拓扑单元和第二拓扑单元的各第五直流输入端M5相连；
电容CA1和电容CB1的连接线与电容CA2和电容CB2的连接线相连并与第一拓扑单元或第二拓扑单元的第五直流输入端M5相连；
第一拓扑单元和第二拓扑单元中的各第一交流输出端分别与该逆变器的第一交流输出端和第二交流输出端相连。
其中，参考图17，其示出了本申请实施例三的另一拓扑图，基于上述如图16所述的实施例，所述五电平逆变器还包括电感L1701、电感L1702和电容C1701，其中：
第一拓扑单元的AC引出端通过依次串联的电感L1701、电容C1701和电感L1702与第二拓扑单元的AC引出端相连；
电感L1701和电容C1701的连接线与该逆变器的第一交流输出端相连，电容C1701和电感L1702的连接线与该逆变器的第二交流输出端相连。
有上述可知，相对于现有技术中需要采用均压措施和较大的RC吸收电路防止部分二极管两端过压而导致逆变器体积庞大、成本增加、损耗较多以及效率较低的问题，本申请提供的五电平逆变拓扑单元在实现两相应用时在保证为电流提供通路的同时，保证整个逆变器的半导体器件较少，体积较小，成本较低，同时损耗较小，效率较高。
参考图18，其示出了本申请提供的一种五电平逆变器实施例四的拓扑图，基于上述本申请实施例一，本申请实施例四包括三个如图15的拓扑单元：第一拓扑单元、第二拓扑单元和第三拓扑单元；
第一直流正电平PV1+与第一拓扑单元、第二拓扑单元和第三拓扑单元的各第一直流输入端M1相连；
第一直流负电平PV1-与第一拓扑单元、第二拓扑单元和第三拓扑单元的各第二直流输入端M2相连；
第一直流正电平PV1+和第一拓扑单元、第二拓扑单元或第三拓扑单元的第一直流输入端M1的连接线通过依次串联的电容CA1和电容CB1与第一拓扑单元、第二拓扑单元或第三拓扑单元的第二直流输入端M2和第一直流负电平PV1-的连接线相连；
第二直流正电平PV2+与第一拓扑单元、第二拓扑单元和第三拓扑单元的各第三直流输入端M3相连；
第二直流负电平PV2-与第一拓扑单元、第二拓扑单元和第三拓扑单元的各第四直流输入端M4相连；
第二直流正电平PV2+和第一拓扑单元、第二拓扑单元或第三拓扑单元的第三直流输入端M3的连接线通过依次串联的电容CA2和电容CB2与第一拓扑单元、第二拓扑单元或第三拓扑单元的第四直流输入端M4和第二直流负电平PV2-的连接线相连；
直流零电平PV0与第一拓扑单元、第二拓扑单元和第三拓扑单元的各第五直流输入端M5相连；
电容CA1和电容CB1的连接线与电容CA2和电容CB2的连接线相连并与第一拓扑单元、第二拓扑单元或第三拓扑单元的第五直流输入端M5相连；
第一拓扑单元、第二拓扑单元和第三拓扑单元中的各第一交流输出端分别与该逆变器的第一交流输出端、第二交流输出端和第三交流输出端相连。
其中，参考图19，其示出了本申请实施例四的另一拓扑图，基于上述如图18所述的实施例，所述五电平逆变器还包括电感L1901、电感L1902、电感L1903、电容C1901、电容C1902和电容C1903，其中：
第一拓扑单元的AC引出端通过依次串联的电感L1901、电容C1901、电容C1902和电感L1902与第二拓扑单元的AC引出端相连；
第三拓扑单元的AC引出端通过依次串联的电感L1903和电容C1903与电容C1901和电容C1902的连接线相连；
电感L1901和电容C1901的连接线与该逆变器的第一交流输出端相连，电容C1902和电感L1902的连接线与该逆变器的第二交流输出端相连，电感L1903和电容C1903的连接线与该逆变器的第三交流输出端相连。
有上述可知，相对于现有技术中需要采用均压措施和较大的RC吸收电路防止部分二极管两端过压而导致逆变器体积庞大、成本增加、损耗较多以及效率较低的问题，本申请提供的五电平逆变拓扑单元在实现三相应用时在保证为电流提供通路的同时，保证整个逆变器的半导体器件较少，体积较小，成本较低，同时损耗较小，效率较高。
需要说明的是，上述五电平逆变器实施例四为三相三线制(三桥臂)五电平逆变器。
参考图20，其示出了本申请实施例四的另一种拓扑图，基于上述如图19所述的实施例，其中：
电容C1901、电容C1902和电容C1903的连接线与直流零电平PV0相连。需要说明的是，如图20所示的五电平逆变器为三相四线制(三桥臂)五电平逆变器。
参考图21，其示出了本申请提供的一种五电平逆变器实施例五的拓扑图，基于上述本申请实施例一，本申请实施例五包括四个如图15的拓扑单元：第一拓扑单元、第二拓扑单元、第三拓扑单元和第四拓扑单元；
第一直流正电平PV1+与第一拓扑单元、第二拓扑单元、第三拓扑单元和第四拓扑单元的各第一直流输入端M1相连；
第一直流负电平PV1-与第一拓扑单元、第二拓扑单元、第三拓扑单元和第四拓扑单元的各第二直流输入端M2相连；
第一直流正电平PV1+和第一拓扑单元、第二拓扑单元、第三拓扑单元或第四拓扑单元的第一直流输入端M1的连接线通过依次串联的电容CA1和电容CB1与第一拓扑单元、第二拓扑单元、第三拓扑单元或第四拓扑单元的第二直流输入端M2和第一直流负电平PV1-的连接线相连；
第二直流正电平PV2+与第一拓扑单元、第二拓扑单元、第三拓扑单元和第四拓扑单元的各第三直流输入端M3相连；
第二直流负电平PV2-与第一拓扑单元、第二拓扑单元、第三拓扑单元和第四拓扑单元的各第四直流输入端M4相连；
第二直流正电平PV2+和第一拓扑单元、第二拓扑单元的第三直流输入端M3的连接线通过依次串联的电容CA2和电容CB2与第一拓扑单元、第二拓扑单元、第三拓扑单元或第四拓扑单元的第四直流输入端M4和第二直流负电平PV2-的连接线相连；
直流零电平PV0与第一拓扑单元、第二拓扑单元、第三拓扑单元和第四拓扑单元的各第五直流输入端M5相连；
电容CA1和电容CB1的连接线与电容CA2和电容CB2的连接线相连并与第一拓扑单元、第二拓扑单元、第三拓扑单元或第四拓扑单元的第五直流输入端M5相连；
第一拓扑单元、第二拓扑单元、第三拓扑单元和第四拓扑单元中的各第一交流输出端分别与该逆变器的第一交流输出端、第二交流输出端、第三交流输出端和第四交流输出端相连。
其中，参考图22，其示出了本申请实施例五的另一拓扑图，基于上述如图21所述的实施例，所述五电平逆变器还包括电感L2201、电感L2202、电感L2203、电容C2201、电容C2202和电容C2203，其中：
第二拓扑单元的AC引出端通过依次串联的电感L2201、电容C2201、电容C2202和电感L2202与第三拓扑单元的AC引出端相连；第四拓扑单元的AC引出端通过依次串联的电感L2203和电容C2203与电容C2201和电容C2202的连接线相连；
电容C2201、电容C2202和电容C2203的连接线与第一拓扑单元的AC引出端相连；电感L2201和电容C2201的连接线与该逆变器的第一交流输出端相连，电容C2202和电感L2202的连接线与该逆变器的第二交流输出端相连，电感L2203和电容C2203的连接线与该逆变器的第三交流输出端相连。
有上述可知，相对于现有技术中需要采用均压措施和较大的RC吸收电路防止部分二极管两端过压而导致逆变器体积庞大、成本增加、损耗较多以及效率较低的问题，本申请提供的五电平逆变拓扑单元在实现四相应用时在保证为电流提供通路的同时，保证整个逆变器的半导体器件较少，体积较小，成本较低，同时损耗较小，效率较高。需要说明的是，上述五电平逆变器实施例五为三相四线制(四桥臂)五电平逆变器。
需要说明的是，本说明书中的各个实施例均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的部分互相参见即可。
最后，还需要说明的是，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。
以上对本申请所提供的一种五电平逆变拓扑单元及五电平逆变器进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。
Claims (9)
1.一种五电平逆变拓扑单元，其特征在于，包括开关管T1、开关管TA1、开关管TA2、开关管T2、开关管TB1、开关管TB2、二极管DA1、二极管DB1、二极管DF1和二极管DF2；
每个所述开关管均反向并联一个二极管；
该拓扑单元的第一直流输入端M1通过依次串联的开关管TA1、二极管DA1、二极管DB1和开关管TB1与该拓扑单元的第二直流输入端M2相连；
该拓扑单元的第三直流输入端M3通过依次串联的开关管TA2、开关管T1、开关管T2和开关管TB2与该拓扑单元的第四直流输入端M4相连；
二极管DA1和二极管DB1的连接线与开关管T1和开关管T2的连接线相连；
开关管T2和开关管TB2的连接线通过依次串联的二极管DF2和二极管DF1与开关管TA2和开关管T1的连接线相连；
该拓扑单元的第五直流输入端M5与二极管DF2和二极管DF1的连接线相连;
开关管T1和开关管T2的连接线与该拓扑单元的第一交流输出端相连，二极管DF1和二极管DF2的连接线与该拓扑单元的第二交流输出端相连；
该五电平逆变拓扑单元对应的八个工作模态分别为：
第一工作模态：开关管T1导通，其余开关管均截止；
第二工作模态：开关管TA1导通，其余开关管均截止；或开关管T1和开关管TA1导通，其余开关管均截止；
第三工作模态：开关管T1和开关管TA2导通，其余开关管均截止；或开关管T1、开关管TA2和开关管TA1导通，其余开关管均截止；
第四工作模态：开关管T2导通，其余开关管均截止；
第五工作模态：开关管TB1导通，其余开关管均截止；或开关管T2和开关管TB1导通，其余开关管均截止；
第六工作模态：开关管T2和开关管TB2导通，其余开关管均截止；或开关管T2、开关管TB2和开关管TB1导通，其余开关管均截止；
第七工作模态：开关管T1导通、开关管T1和开关管TA1导通或开关管T1和开关管TA1及开关管TA2导通，其余开关管均截止；
第八工作模态：开关管T2导通、开关管T2和开关管TB1导通或开关管T2和开关管TB1及开关管TB2导通，其余开关管均截止。
2.一种五电平逆变器，其特征在于，包括一个如权1所述的拓扑单元，其中：
第一直流正电平PV1+与第一直流输入端M1相连，第二直流正电平PV2+与第三直流输入端M3相连，直流零电平PV0与第五直流输入端M5相连，第一直流负电平PV1-与第二直流输入端M2相连，第二直流负电平PV2-与第四直流输入端M4相连；
第一直流正电平PV1+和第一直流输入端M1的连接线通过依次串联的电容CA1和电容CB1与第一直流负电平PV1-和第二直流输入端M2的连接线相连；
第二直流正电平PV2+和第三直流输入端M3的连接线通过依次串联的电容CA2和电容CB2与第二直流负电平PV2-和第四直流输入端M4的连接线相连；
电容CA1和电容CB1的连接线与电容CA2和电容CB2的连接线相连并与第五直流输入端M5相连；
拓扑单元的第一交流输出端与该逆变器的第一交流输出端相连，拓扑单元的第二交流输出端与该逆变器的第二交流输出端相连。
3.根据权利要求2所述的五电平逆变器，其特征在于，还包括电容和电感；
所述拓扑单元的第一交流输出端通过依次串联的电感和电容与该拓扑单元中二极管DF2和二极管DF1的连接线相连；
电感和电容的连接线与该逆变器的第一交流输出端相连。
4.一种五电平逆变器，其特征在于，包括两个如权1所述的拓扑单元：第一拓扑单元和第二拓扑单元；
第一直流正电平PV1+与第一拓扑单元和第二拓扑单元的各第一直流输入端M1相连；
第一直流负电平PV1-与第一拓扑单元和第二拓扑单元的各第二直流输入端M2相连；
第一直流正电平PV1+和第一拓扑单元或第二拓扑单元的第一直流输入端M1的连接线通过依次串联的电容CA1和电容CB1与第一拓扑单元或第二拓扑单元的第二直流输入端M2和第一直流负电平PV1-的连接线相连；
第二直流正电平PV2+与第一拓扑单元和第二拓扑单元的各第三直流输入端M3相连；
第二直流负电平PV2-与第一拓扑单元和第二拓扑单元的各第四直流输入端M4相连；
第二直流正电平PV2+和第一拓扑单元或第二拓扑单元的第三直流输入端M3的连接线通过依次串联的电容CA2和电容CB2与第一拓扑单元或第二拓扑单元的第四直流输入端M4和第二直流负电平PV2-的连接线相连；
直流零电平PV0与第一拓扑单元和第二拓扑单元的各第五直流输入端M5相连；
电容CA1和电容CB1的连接线与电容CA2和电容CB2的连接线相连并与第一拓扑单元或第二拓扑单元的第五直流输入端M5相连；
第一拓扑单元和第二拓扑单元中的各第一交流输出端分别与该逆变器的第一交流输出端和第二交流输出端相连。
5.根据权利要求4所述的五电平逆变器，其特征在于，还包括第一电感、第二电感和电容；
第一拓扑单元的第一交流输出端通过依次串联的第一电感、电容和第二电感与第二拓扑单元的第一交流输出端相连；
第一电感和电容的连接线与该逆变器的第一交流输出端相连，第二电感和电容的连接线与该逆变器的第二交流输出相连。
6.一种五电平逆变器，其特征在于，包括三个如权1所述的拓扑单元：第一拓扑单元、第二拓扑单元和第三拓扑单元；
第一直流正电平PV1+与第一拓扑单元、第二拓扑单元和第三拓扑单元的各第一直流输入端M1相连；
第一直流负电平PV1-与第一拓扑单元、第二拓扑单元和第三拓扑单元的各第二直流输入端M2相连；
第一直流正电平PV1+和第一拓扑单元、第二拓扑单元或第三拓扑单元的第一直流输入端M1的连接线通过依次串联的电容CA1和电容CB1与第一拓扑单元、第二拓扑单元或第三拓扑单元的第二直流输入端M2和第一直流负电平PV1-的连接线相连；
第二直流正电平PV2+与第一拓扑单元、第二拓扑单元和第三拓扑单元的各第三直流输入端M3相连；
第二直流负电平PV2-与第一拓扑单元、第二拓扑单元和第三拓扑单元的各第四直流输入端M4相连；
第二直流正电平PV2+和第一拓扑单元、第二拓扑单元或第三拓扑单元的第三直流输入端M3的连接线通过依次串联的电容CA2和电容CB2与第一拓扑单元、第二拓扑单元或第三拓扑单元的第四直流输入端M4和第二直流负电平PV2-的连接线相连；
直流零电平PV0与第一拓扑单元、第二拓扑单元和第三拓扑单元的各第五直流输入端M5相连；
电容CA1和电容CB1的连接线与电容CA2和电容CB2的连接线相连并与第一拓扑单元、第二拓扑单元或第三拓扑单元的第五直流输入端M5相连；
第一拓扑单元、第二拓扑单元和第三拓扑单元中的各第一交流输出端分别与该逆变器的第一交流输出端、第二交流输出端和第三交流输出端相连。
7.根据权利要求6所述的五电平逆变器，其特征在于，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；
第一拓扑单元的第一交流输出端通过依次串联的第一电感、第一电容、第二电容和第二电感与第二拓扑单元的第一交流输出端相连；
第三拓扑单元的第一交流输出端通过依次串联的第三电感和第三电容与第一电容和第二电容的连接线相连；
第一电感和第一电容的连接线与该逆变器的第一交流输出端相连，第二电感和第二电容的连接线与该逆变器的第二交流输出端相连，第三电感和第三电容的连接线与该逆变器的第三交流输出端相连。
8.一种五电平逆变器，其特征在于，包括四个如权1所述的拓扑单元：第一拓扑单元、第二拓扑单元、第三拓扑单元和第四拓扑单元；
第一直流正电平PV1+与第一拓扑单元、第二拓扑单元、第三拓扑单元和第四拓扑单元的各第一直流输入端M1相连；
第一直流负电平PV1-与第一拓扑单元、第二拓扑单元、第三拓扑单元和第四拓扑单元的各第二直流输入端M2相连；
第一直流正电平PV1+和第一拓扑单元、第二拓扑单元、第三拓扑单元或第四拓扑单元的第一直流输入端M1的连接线通过依次串联的电容CA1和电容CB1与第一拓扑单元、第二拓扑单元、第三拓扑单元或第四拓扑单元的第二直流输入端M2和第一直流负电平PV1-的连接线相连；
第二直流正电平PV2+与第一拓扑单元、第二拓扑单元、第三拓扑单元和第四拓扑单元的各第三直流输入端M3相连；
第二直流负电平PV2-与第一拓扑单元、第二拓扑单元、第三拓扑单元和第四拓扑单元的各第四直流输入端M4相连；
第二直流正电平PV2+和第一拓扑单元、第二拓扑单元的第三直流输入端M3的连接线通过依次串联的电容CA2和电容CB2与第一拓扑单元、第二拓扑单元、第三拓扑单元或第四拓扑单元的第四直流输入端M4和第二直流负电平PV2-的连接线相连；
直流零电平PV0与第一拓扑单元、第二拓扑单元、第三拓扑单元和第四拓扑单元的各第五直流输入端M5相连；
电容CA1和电容CB1的连接线与电容CA2和电容CB2的连接线相连并与第一拓扑单元、第二拓扑单元、第三拓扑单元或第四拓扑单元的第五直流输入端M5相连；
第一拓扑单元、第二拓扑单元、第三拓扑单元和第四拓扑单元中的各第一交流输出端分别与该逆变器的第一交流输出端、第二交流输出端、第三交流输出端和第四交流输出端相连。
9.根据权利要求8所述的五电平逆变器，其特征在于，还包括第一电感、第二电感、第三电感、第一电容、第二电容和第三电容；
第二拓扑单元的第一交流输出端通过依次串联的第一电感、第一电容、第二电容和第二电感与第三拓扑单元的第一交流输出端相连；
第四拓扑单元的第一交流输出端通过依次串联的第三电感和第三电容与第一电容和第二电容的连接线相连；
第一拓扑单元的第一交流输出端与第一电容和第二电容的连接线相连；
第一电感和第一电容的连接线与该逆变器的第一交流输出端相连，第二电感和第二电容的连接线与该逆变器的第二交流输出端相连，第三电感和第三电容的连接线与该逆变器的第三交流输出端相连。
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