CN102769402A - 逆变单元及具有该逆变单元的五电平逆变器 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种逆变单元，包括：开关管T1、开关管T2、开关管T3、开关管T4和开关管T5；其中：开关管T1并联有二极管D1，所述开关管T2并联有二极管D2，开关管T3并联有二极管D3，所述开关管T4并联有二极管D4，开关管T5并联有二极管D5；开关管T1发射极和开关管T2集电极的公共端反向连接有二极管DF1；开关管T4发射极和开关管T5集电极的公共端连接有二极管DF2；开关管T3并联有第一支路和第二支路，第一支路包括反向串联的二极管DA1和二极管DB2，第二支路包括反向串联的二极管DB1和二极管DA2；二极管DB1和二极管DA2的公共端，与开关管T2发射极和开关管T4集电极的公共端相连。
Description
技术领域
本申请涉及电力电子技术领域，特别涉及一种逆变单元及具有该逆变单元的五电平逆变器。
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1，二极管箝位型五电平逆变器包括：电源单元101、逆变单元102以及滤波并网单元103，其中：电源单元101生成2、1、0、-1和-2五种电平，上述五种电平经逆变单元102逆变为交流电，再经滤波并网单元103的作用后形成标准的交流电。
然而，现有技术的五电平逆变器中的逆变单元，包含八个开关管，每个开关管均并联有二极管，还包括DB1、DB2、DB3、DB4、DB5以及DB6六个箝位二极管，使逆变单元的结构复杂，且成本较高。
发明内容
本申请提供一种逆变单元及具有该逆变单元的五电平逆变器，以解决现有的逆变单元结构复杂、成本高的问题。
为解决上述问题，现提出的方案如下：
一种逆变单元，包括：开关管T1、开关管T2、开关管T3、开关管T4和开关管T5；其中：
所述开关管T1反向并联有二极管D1，所述开关管T2反向并联有二极管D2，所述开关管T3反向并联有二极管D3，所述开关管T4反向并联有二极管D4，所述开关管T5反向并联有二极管D5；
所述开关管T1发射极和开关管T2集电极的公共端反向连接有二极管DF1；
所述开关管T4发射极和开关管T5集电极的公共端连接有二极管DF2；
所述开关管T3并联有第一支路和第二支路，所述第一支路包括反向串联的二极管DA1和二极管DB2，所述第二支路包括反向串联的二极管DB1和二极管DA2；
所述二极管DB1和二极管DA2的公共端，与开关管T2发射极和开关管T4集电极的公共端相连。
一种五电平逆变器，包括：电源单元、三个逆变单元以及滤波并网单元，其中：
所述逆变单元输入端与所述电源单元的输出端相连；所述滤波并网单元与所述逆变单元的输出端相连；所述逆变单元包括：
开关管T1、开关管T2、开关管T3、开关管T4和开关管T5；其中：
所述开关管T1反向并联有二极管D1，所述开关管T1的集电极作为所述逆变单元的2电平输入端，所述开关管T2反向并联有二极管D2，所述开关管T3反向并联有二极管D3，所述开关管T4反向并联有二极管D4，所述开关管T5反向并联有二极管D5，所述开关管T5的发射极作为所述逆变单元的-2电平输入端；
所述开关管T1发射极和开关管T2集电极的公共端反向连接有二极管DF 1的一端，所述二极管DF1的另一端作为逆变单元的1电平输入端；
所述开关管T4发射极和开关管T5集电极的公共端连接有二极管DF2的一端，所述二极管DF2的另一端作为逆变单元的-1电平输入端；
所述开关管T3并联有第一支路和第二支路，所述第一支路包括反向串联的二极管DA1和二极管DB2，所述二极管DA1和二极管DB2的公共端作为所述逆变单元的0电平输入端，所述第二支路包括反向串联的二极管DB1和二极管DA2；
所述二极管DB1和二极管DA2的公共端，与开关管T2发射极和开关管T4集电极的公共端相连，所述二极管DB1、二极管DA2、开关管T1发射极和开关管T5集电极的连接端作为所述逆变单元的输出端。
优选地，所述电源单元包括：
直流源；
并联在所述直流源两端的第三支路，所述第三支路包括串联的电容CA1和电容CB1；
一端与所述电容CA1相连的电感L1，所述电感L1另一端连接有二极管DD1；
一端与所述电容CB1相连的电感L2，所述电感L2另一端反向连接有二极管DD2；
集电极与所述电感L1和二极管DD1的公共端相连的开关管TD1，所述开关管TD1的发射极与所述电容CA1和电容CB1的公共端相连；
一端与所述二极管DD1相连的电容CA2，所述电容CA2的另一端与所述电容CA1和电容CB1的公共端相连；
发射极与所述电感L2和二极管DD2的公共端相连的开关管TD2，所述开关管TD2的集电极与所述电容CA1和电容CB1的公共端相连；
一端与所述二极管DD2相连的电容CB2，所述电容CB2的另一端与所述电容CA1和电容CB1的公共端相连。
优选地，所述电源单元包括：
直流源；
并联在所述直流源两端的第四支路，所述第四支路包括串联的电容CA3和电容CB3；
一端与所述电容CA3相连的电感L3，所述电感L3另一端连接有二极管DD3；
一端与所述电容CB3相连的电感L4，所述电感L4另一端反向连接有二极管DD4；
集电极与所述电感L3和二极管DD3的公共端相连的开关管TD3，所述开关管TD3的发射极与所述电容CA3和电容CB3的公共端相连；
一端与所述二极管DD3相连的电容CA4，所述电容CA4的另一端与所述直流源相连；
发射极与所述电感L4和二极管DD4的公共端相连的开关管TD4，所述开关管TD4的集电极与所述电容CA3和电容CB3的公共端相连；
一端与所述二极管DD4相连的电容CB4，所述电容CB4的另一端与所述直流源相连。
优选地，所述电源单元包括：
正负极对接的第一和第二直流源；
并联在所述直流源两端的第六支路，所述第六支路包括串联的电容CA5和电容CB5，所述电容CA5和电容CB5的公共端与所述两个直流源的公共端相连；
一端与所述电容CA5相连的电感L5，所述电感L5另一端连接有二极管DD5；
一端与所述电容CB5相连的电感L6，所述电感L6另一端反向连接有二极管DD6；
集电极与所述电感L5和二极管DD5的公共端相连的开关管TD5，所述开关管TD5的发射极与所述电容CA5和电容CB5的公共端相连；
一端与所述二极管DD5相连的电容CA6，所述电容CA6的另一端与所述电容CA5和电容CB5的公共端相连；
发射极与所述电感L6和二极管DD6的公共端相连的开关管TD6，所述开关管TD6的集电极与所述电容CA5和电容CB5的公共端相连；
一端与所述二极管DD6相连的电容CB6，所述电容CB6的另一端与所述电容CA5和电容CB5的公共端相连。
优选地，所述电源单元包括：
正负极对接的第一和第二直流源；
并联在所述直流源两端的第七支路，所述第七支路包括串联的电容CA7和电容CB7，所述电容CA7和电容CB7的公共端与所述两个直流源的公共端相连；
一端与所述电容CA7相连的电感L7，所述电感L7另一端连接有二极管DD7；
一端与所述电容CB7相连的电感L8，所述电感L8另一端反向连接有二极管DD8；
集电极与所述电感L7和二极管DD7的公共端相连的开关管TD7，所述开关管TD7的发射极与所述电容CA7和电容CB7的公共端相连；
一端与所述二极管DD7相连的电容CA8，所述电容CA8的另一端与所述第一直流源相连；
发射极与所述电感L8和二极管DD8的公共端相连的开关管TD8，所述开关管TD8的集电极与所述电容CA7和电容CB7的公共端相连；
一端与所述二极管DD8相连的电容CB8，所述电容CB8的另一端与所述第二直流源相连。
优选地，所述滤波并网单元包括：
与第一逆变单元输出端相连的电感L11；与第二逆变单元输出端相连的电感L12；与第三逆变单元输出端相连的电感L13；所述电感L11、电感L12和电感L13分别连接有交流源；
连接在所述电感L11和电感L12之间的支路，所述支路包括串联的电容C1和电容C2；
连接在所述电感L13和电容C2之间的电容C3。
优选地，所述滤波并网单元包括：
与第一逆变单元输出端相连的电感L11；与第二逆变单元输出端相连的电感L12；与第三逆变单元输出端相连的电感L13；所述电感L11、电感L12和电感L13分别连接有交流源；
连接在所述电感L11和电感L12之间的支路，所述支路包括串联的电容C1和电容C2；
连接在所述电感L13和电容C2之间的电容C3；
所述电容C1、电容C2和电容C3的公共端与电源单元的0输出端相连。
一种五电平逆变器，包括：电源单元、四个逆变单元以及滤波并网单元，其中：
所述逆变单元输入端与所述电源单元的输出端相连；所述滤波并网单元与所述逆变单元的输出端相连；所述逆变单元包括：
开关管T1、开关管T2、开关管T3、开关管T4和开关管T5；其中：
所述开关管T1反向并联有二极管D1，所述开关管T1的集电极作为所述逆变单元的2电平输入端，所述开关管T2反向并联有二极管D2，所述开关管T3反向并联有二极管D3，所述开关管T4反向并联有二极管D4，所述开关管T5反向并联有二极管D5，所述开关管T5的发射极作为所述逆变单元的-2电平输入端；
所述开关管T1发射极和开关管T2集电极的公共端反向连接有二极管DF 1的一端，所述二极管DF1的另一端作为逆变单元的1电平输入端；
所述开关管T4发射极和开关管T5集电极的公共端连接有二极管DF2的一端，所述二极管DF2的另一端作为逆变单元的-1电平输入端；
所述开关管T3并联有第一支路和第二支路，所述第一支路包括反向串联的二极管DA1和二极管DB2，所述二极管DA1和二极管DB2的公共端作为所述逆变单元的0电平输入端，所述第二支路包括反向串联的二极管DB1和二极管DA2；
所述二极管DB1和二极管DA2的公共端，与开关管T2发射极和开关管T4集电极的公共端相连，所述二极管DB1、二极管DA2、开关管T1发射极和开关管T5集电极的连接端作为所述逆变单元的输出端。
优选地，该五电平逆变器的电源单元也有四种形式，与前文所述的四种电源单元结构相同，在此不在赘述。
优选地，所述滤波并网单元包括：
与第一逆变单元输出端相连的电感L14；与第二逆变单元输出端相连的电感L15；与第三逆变单元输出端相连的电感L16；所述电感L14、电感L15和电感L16分别连接有交流源；
连接在所述电感L14和电感L15之间的支路，所述支路包括串联的电容C4和电容C5，所述电容C4和电容C5的公共端与第四逆变单元输出端相连；
连接在所述电感L16和电容C5之间的电容C6。
由上述可知，本申请提供的逆变单元中，减少了开关管的数量，简化了电路结构，降低了成本。
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逆变单元电路图；
图3（a）为本申请实施例提供的一种逆变单元处于第一工作状态下的结构图；
图3（b）为本申请实施例提供的一种逆变单元处于第二工作状态下的结构图；
图3（c）为本申请实施例提供的一种逆变单元处于第三工作状态下的结构图；
图3（d）为本申请实施例提供的一种逆变单元处于第四工作状态下的结构图；
图3（e）为本申请实施例提供的一种逆变单元处于第五工作状态下的结构图；
图3（f）为本申请实施例提供的一种逆变单元处于第六工作状态下的结构图；
图3（g）为本申请实施例提供的一种逆变单元处于第七工作状态下的结构图；
图3（h）为本申请实施例提供的一种逆变单元处于第八工作状态下的结构图；
图4（a）为本申请提供的逆变单元输出波形的时序控制图；
图4（b）为本申请提供的逆变单元输出波形的时序控制图；
图5为本申请提供的一种五电平逆变单元对应芯片的结构图；
图6为本申请实施例提供的一种五电平逆变器电路图；
图7（a）为本申请实施例提供的一种电源单元的电路图；
图7（b）为本申请另一实施例提供的一种电源单元的电路图；
图7（c）为本申请另一实施例提供的一种电源单元的电路图；
图7（d）为本申请另一实施例提供的一种电源单元的电路图；
图8为本申请另一实施例提供的一种五电平逆变器电路图；
图9为本申请另一实施例提供的一种五电平逆变器电路图。
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。
本发明实施例公开了一种逆变单元，以解决现有的逆变单元结构复杂、成本高的问题。
如图2所示，本实施例公开的逆变单元，包括：开关管T1、开关管T2、开关管T3、开关管T4和开关管T5；其中：
开关管T1反向并联有二极管D1，开关管T2反向并联有二极管D2、开关管T3反向并联有二极管D3，开关管T4反向并联有二极管D4，开关管T5反向并联有二极管D5；
开关管T1发射极和开关管T2集电极的公共端反向连接二极管DF1的一端，二极管DF 1的另一端作为1电平的输入端；开关管T1的集电极作为2电平的输入端；
开关管T4发射极和开关管T5集电极的公共端连接二极管DF2的一端，二极管DF2的另一端作为-1电平的输入端；开关管T5的发射极作为-2电平的输入端；
开关管T3的集电极和发射极之间并联有第一支路和第二支路，所述第一支路包括反向串联的二极管DA1和二极管DB2，所述第二支路包括反向串联的二极管DB1和二极管DA2；二极管DA1和二极管DB2的公共端作为0电平的输入端；
二极管DB1和二极管DA2的公共端，与开关管T2发射极和开关管T4集电极的公共端相连；二极管DB 1和二极管DA2的公共端作为输出端。
本实施例公开的逆变单元中，相对于现有技术中的逆变单元，仅采用五个开关管，减少了开关管的数量，简化了电路结构，降低了成本。
并且，本实施例公开的逆变单元，接收2、1、0、-1和-2五种电平，将上述的五种电平拟合为正弦波，如图3（a）和（b）所示，其中，V2指代2电平，V1指代1电平，0指代0电平，-V1指代-1电平，-V2指代-2电平。以下结合图2、图4（a）和（b）对逆变单元的逆变过程进行说明。
逆变单元包括八种工作模态，具体的：
如图3（a）所示，第一模态：开关管T1和T2导通，其他的开关管均截止，电流经2端口→T1→AC，此时，为2电平；
如图3（b）所示，第二模态：开关管T2导通，其他的开关管均截止，电流经1端口→DF1→T2→AC，此时，为1电平；
如图3（c）所示，第三模态：开关管T3导通，其他的开关管均截止，电流经0端口→DA1→T3→DA2→AC，此时，为0电平；
如图3（d）所示，第四模态：开关管T1和开关管T2导通，或者开关管T2导通，其他的开关管截止，电流经AC→D2→D1→2端口，此时，为2电平的无功路径；
如图3（e）所示，第五模态：开关管T4和T5导通，其他的开关管均截止，电流经AC→T4→T5→-2端口，此时，为-2电平；
如图3（f）所示，第六模态：开关管T4导通，其他的开关管均截止，电流经AC→T4→DF2→-1端口，此时，为-1电平；
如图3（g）所示，第七模态：开关管T3导通，其他的开关管均截止，电流经AC→DB1→T3→DB2→0端口，此时，为0电平；
如图3（h）所示，第八模态：开关管T4和开关管T5导通，或者开关管T4导通，其他的开关管截止，电流经-2端口→D5→D4→AC，此时，为-2电平的无功路径。
通过上述工作模态的时序进行控制，就能得到需要的正弦交流电，图4（a）和（b）为时序控制图，其中，u为逆变器输出的电压波形，设满足逆变要求的最小逆变电压为Vm。
当V1<Vm<V2时，按图4（a）所示的时序进行控制，即t0时刻～t1时刻、t2时刻～t4时刻以及t5时刻～t6时刻，第二工作模态和第六工作模态交替工作，t1时刻～t2时刻，第一工作模态和第二工作模态交替工作，t4时刻～t5时刻，第六工作模态和第五工作模态交替工作；
当Vm<V1<V2时，按图4（b）所示的时序进行控制，具体时序控制参见图3（a），在此不再赘述。并且，当逆变单元逆变之后的正弦波的峰值小于1电平时，此时，说明为逆变单元输入电源的直流电源满足逆变单元逆变电压的要求，但是，为了缩减能耗，仍旧在t1-t2时间段，控制为2电平输入，t4-t5时间段同理。
并且，发明人研究本实施例公开的逆变单元过程中发现，逆变单元将五电平拟合为正弦波的过程中，若去除1电平和-1电平的无功路径，对逆变单元的工作过程影响不大，因此，去除掉1电平和-1电平的无功路径，节省1电平和-1电平的无功路径中需要的开关管，形成了本实施例公开的逆变单元，且实现简化电路结构，降低成本的目的。
本实施例公开的逆变单元，在实际生成使用时，一般将逆变单元封装成芯片，如图5所示，包括六个端口，分别为0电平、1电平、2电平、-1电平以及-2电平五个输入端口，还包括AC输出端口。
本发明实施例还公开了一种五电平逆变器，适用于三相三线系统，如图6所示，包括：电源单元、三个逆变单元以及滤波并网单元，其中：
所述逆变单元输入端与所述电源单元的输出端相连；所述滤波并网单元与所述逆变单元的输出端相连；具体的：本实施例公开的电源单元可以输出0电平、1电平、2电平、-1电平以及-2电平五种电平；所述逆变单元的0电平、1电平、2电平、-1电平以及-2电平五个输入端口分别与所述电源单元的相应的输出端相连；所述逆变单元的AC输出端口与所述滤波并网单元相连；
本实施例公开的逆变单元与上述实施例公开的逆变单元结构相同，如图2所示，包括：开关管T1、开关管T2、开关管T3、开关管T4和开关管T5；其中：
开关管T1反向并联有二极管D1，开关管T2反向并联有二极管D2、开关管T3反向并联有二极管D3，开关管T4反向并联有二极管D4，开关管T5反向并联有二极管D5；
开关管T1发射极和开关管T2集电极的公共端反向连接二极管DF1的一端，二极管DF1的另一端作为1电平的输入端；开关管T1的集电极作为2电平的输入端；
开关管T4发射极和开关管T5集电极的公共端连接二极管DF2的一端，二极管DF2的另一端作为-1电平的输入端；开关管T5的发射极作为-2电平的输入端；
开关管T3的集电极和发射极之间并联有第一支路和第二支路，所述第一支路包括反向串联的二极管DA1和二极管DB2，所述第二支路包括反向串联的二极管DB1和二极管DA2；二极管DA1和二极管DB2的公共端作为0电平的输入端；
二极管DB1和二极管DA2的公共端，与开关管T2发射极和开关管T4集电极的公共端相连；二极管DB1和二极管DA2的公共端作为输出端。
同样如图6所示，上述实施例中的五电平逆变器中的滤波并网单元包括：
与第一逆变单元输出端相连的电感L11；与第二逆变单元输出端相连的电感L12；与第三逆变单元输出端相连的电感L13；所述电感L11、电感L12和电感L13分别连接有交流源；
连接在所述电感L11和电感L12之间的支路，所述支路包括串联的电容C1和电容C2；
连接在所述电感L13和电容C2之间的电容C3。
并且，本实施例公开的逆变单元，工作过程见上述实施例公开的内容，此处不再赘述。
并且，上述实施例公开的五电平逆变器中，电源单元有四种形式，具体的，参见图7（a），所述电源单元包括：
直流源；
并联在所述直流源两端的第三支路，所述第三支路包括串联的电容CA1和电容CB1，电容CA1和电容CB1的公共端作为0电平的输出端；
一端与所述电容CA1相连的电感L1，所述电感L1另一端连接有二极管DD1，二极管DD1的另一端作为2电平的输出端，电感L1和电容CA1的公共端作为1电平的输出端；
一端与所述电容CB1相连的电感L2，所述电感L2另一端反向连接有二极管DD2，二极管DD2的另一端作为-2电平的输出端，电感L2和电容CB1的公共端作为-1电平的输出端；
集电极与所述电感L1和二极管DD1的公共端相连的开关管TD1，所述开关管TD1的发射极与所述电容CA1和电容CB1的公共端相连；
一端与所述二极管DD1相连的电容CA2，所述电容CA2的另一端与所述电容CA1和电容CB1的公共端相连；
发射极与所述电感L2和二极管DD2的公共端相连的开关管TD2，所述开关管TD2的集电极与所述电容CA1和电容CB1的公共端相连；
一端与所述二极管DD2相连的电容CB2，所述电容CB2的另一端与所述电容CA1和电容CB1的公共端相连。
本实施例公开的电源单元，电感L1、二极管DD1、开关管TD1和电容CA2形成升压电路，将电源单元的1电平升高为2电平，且2电平的电压可以不是1电平的2倍；同样，电感L2、二极管DD2、开关管TD2和电容CB2形成升压电路，将电源单元的-1电平升高为-2电平，且-2电平的电压也可以不是-1电平的2倍。
或者，如图7（b）所示，所述电源单元包括：
直流源；
并联在所述直流源两端的第四支路，所述第四支路包括串联的电容CA3和电容CB3，电容CA3和电容CB3的公共端作为0电平的输出端；
一端与所述电容CA3相连的电感L3，所述电感L3另一端连接有二极管DD3，二极管DD3的另一端作为2电平的输出端，电感L3和电容CA3的公共端作为1电平的输出端；
一端与所述电容CB3相连的电感L4，所述电感L4另一端反向连接有二极管DD4，二极管DD4的另一端作为-2电平的输出端，电感L4和电容CB3的公共端作为-1电平的输出端；
集电极与所述电感L3和二极管DD3的公共端相连的开关管TD3，所述开关管TD3的发射极与所述电容CA3和电容CB3的公共端相连；
一端与所述二极管DD3相连的电容CA4，所述电容CA4的另一端与所述直流源相连；
发射极与所述电感L4和二极管DD4的公共端相连的开关管TD4，所述开关管TD4的集电极与所述电容CA3和电容CB3的公共端相连；
一端与所述二极管DD4相连的电容CB4，所述电容CB4的另一端与所述直流源相连。
本实施例与上述实施例相同，电感L3、二极管DD3、开关管TD3和电容CA4形成升压电路，将电源单元的1电平升高为2电平，且2电平的电压可以不是1电平的2倍；同样，电感L4、二极管DD4、开关管TD4和电容CB4形成升压电路，将电源单元的-1电平升高为-2电平，且-2电平的电压也可以不是-1电平的2倍。
或者，如图7（c）所示，所述电源单元包括：
正负极对接的两个直流源，两个直流源的公共端作为0电平的输出端；
并联在所述直流源两端的第六支路，所述第六支路包括串联的电容CA5和电容CB5，所述电容CA5和电容CB5的公共端与所述两个直流源的公共端相连；
一端与所述电容CA5相连的电感L5，所述电感L5另一端连接有二极管DD5，二极管DD5的另一端作为2电平的输出端，电感L5和电容CA5的公共端作为1电平的输出端；
一端与所述电容CB5相连的电感L6，所述电感L6另一端反向连接有二极管DD6，二极管DD6的另一端作为-2电平的输出端，电感L6和电容CB5的公共端作为-1电平的输出端；
集电极与所述电感L5和二极管DD5的公共端相连的开关管TD5，所述开关管TD5的发射极与所述电容CA5和电容CB5的公共端相连；
一端与所述二极管DD5相连的电容CA6，所述电容CA6的另一端与所述电容CA5和电容CB5的公共端相连；
发射极与所述电感L6和二极管DD6的公共端相连的开关管TD6，所述开关管TD6的集电极与所述电容CA5和电容CB5的公共端相连；
一端与所述二极管DD6相连的电容CB6，所述电容CB6的另一端与所述电容CA5和电容CB5的公共端相连。
与上述实施例相同，电感L5、二极管DD5、开关管TD5和电容CA6形成升压电路，将电源单元的1电平升高为2电平，且2电平的电压可以不是1电平的2倍；同样，电感L6、二极管DD6、开关管TD6和电容CB6形成升压电路，将电源单元的-1电平升高为-2电平，且-2电平的电压也可以不是-1电平的2倍。
或者，如图7（d）所示，所述电源单元包括：
正负极对接的两个直流源，两个直流源的公共端作为0电平的输出端；
并联在所述直流源两端的第七支路，所述第七支路包括串联的电容CA7和电容CB7，所述电容CA7和电容CB7的公共端与所述两个直流源的公共端相连；
一端与所述电容CA7相连的电感L7，所述电感L7另一端连接有二极管DD7，二极管DD7的另一端作为2电平的输出端，电感L7和电容CA7的公共端作为1电平的输出端；
一端与所述电容CB7相连的电感L8，所述电感L8另一端反向连接有二极管DD8，二极管DD8的另一端作为-2电平的输出端，电感L8和电容CB7公共端作为-1电平的输出端；
集电极与所述电感L7和二极管DD7的公共端相连的开关管TD7，所述开关管TD7的发射极与所述电容CA7和电容CB7的公共端相连；
一端与所述二极管DD7相连的电容CA8，所述电容CA8的另一端与所述直流源相连；
发射极与所述电感L8和二极管DD8的公共端相连的开关管TD8，所述开关管TD8的集电极与所述电容CA7和电容CB7的公共端相连；
一端与所述二极管DD8相连的电容CB8，所述电容CB8的另一端与所述另一个直流源相连。
与上述实施例相同，电感L7、二极管DD7、开关管TD7和电容CA8形成升压电路，将电源单元的1电平升高为2电平，且2电平的电压可以不是1电平的2倍；同样，电感L8、二极管DD8、开关管TD8和电容CB8形成升压电路，将电源单元的-1电平升高为-2电平，且-2电平的电压也可以不是-1电平的2倍。
当上述实施例公开的五电平逆变器适用于三相四线系统时，如图7所示，除包括如上述实施例公开的电源单元和逆变单元之外，还包括：滤波并网单元，其中：所述滤波并网单元包括：
与第一逆变单元输出端相连的电感L11；与第二逆变单元输出端相连的电感L12；与第三逆变单元输出端相连的电感L13；所述电感L11、电感L12和电感L13分别连接有交流源；
连接在所述电感L11和电感L12之间的支路，所述支路包括串联的电容C1和电容C2；
连接在所述电感L13和电容C2之间的电容C3；
电容C1、电容C2和电容C3的公共端与电源单元的0输出端相连。
本发明另一实施例还公开了一种五电平逆变器，适应于三相四线系统，如图9所示，包括：电源单元、四个逆变单元以及滤波并网单元，其中：
所述逆变单元输入端与所述电源单元的输出端相连；所述滤波并网单元与所述逆变单元的输出端相连；具体的：本实施例公开的电源单元可以输出0电平、1电平、2电平、-1电平以及-2电平五种电平；所述逆变单元的0电平、1电平、2电平、-1电平以及-2电平五个输入端口分别与所述电源单元的相应的输出端相连；所述逆变单元的AC输出端口与所述滤波并网单元相连；
本实施例公开的逆变单元与上述实施例公开的逆变单元结构相同所述逆变单元，如图2所示，包括：
开关管T1、开关管T2、开关管T3、开关管T4和开关管T5；其中：
所述开关管T1反向并联有二极管D1，所述开关管T2反向并联有二极管D2，所述开关管T3反向并联有二极管D3，所述开关管T4反向并联有二极管D4，所述开关管T5反向并联有二极管D5；
所述开关管T1发射极和开关管T2集电极的公共端反向连接有二极管DF1；
所述开关管T4发射极和开关管T5集电极的公共端连接有二极管DF2；
所述开关管T3并联有第一支路和第二支路，所述第一支路包括串联的二极管DA1和二极管DB2，所述第二支路包括串联的二极管DB1和二极管DA2；
所述二极管DB1和二极管DA2的公共端，与开关管T2发射极和开关管T4集电极的公共端相连。
并且，同样如图9所示，所述滤波并网单元包括：
与第一逆变单元输出端相连的电感L14；与第二逆变单元输出端相连的电感L15；与第三逆变单元输出端相连的电感L16；所述电感L14、电感L15和电感L16分别连接有交流源；
连接在所述电感L14和电感L15之间的支路，所述支路包括串联的电容C4和电容C5，所述电容C4和电容C5的公共端与第四逆变单元输出端相连；
连接在所述电感L16和电容C5之间的电容C6。
本实施例公开的五电平逆变器中，电源单元也有四种形式，同样参见图7（a），所述电源单元包括：
直流源；
并联在所述直流源两端的第三支路，所述第三支路包括串联的电容CA1和电容CB1，电容CA1和电容CB1的公共端作为0电平的输出端；
一端与所述电容CA1相连的电感L1，所述电感L1另一端连接有二极管DD1，二极管DD1的另一端作为2电平的输出端，电感L1和电容CA1的公共端作为1电平的输出端；
一端与所述电容CB1相连的电感L2，所述电感L2另一端反向连接有二极管DD2，二极管DD2的另一端作为-2电平的输出端，电感L2和电容CB1的公共端作为-1电平的输出端；
集电极与所述电感L1和二极管DD1的公共端相连的开关管TD1，所述开关管TD1的发射极与所述电容CA1和电容CB1的公共端相连；
一端与所述二极管DD1相连的电容CA2，所述电容CA2的另一端与所述电容CA1和电容CB1的公共端相连；
发射极与所述电感L2和二极管DD2的公共端相连的开关管TD2，所述开关管TD2的集电极与所述电容CA1和电容CB1的公共端相连；
一端与所述二极管DD2相连的电容CB2，所述电容CB2的另一端与所述电容CA1和电容CB1的公共端相连。
或者，如图7（b）所示，所述电源单元包括：
直流源；
并联在所述直流源两端的第四支路，所述第三支路包括串联的电容CA3和电容CB3，电容CA3和电容CB3的公共端作为0电平的输出端；
一端与所述电容CA3相连的电感L3，所述电感L3另一端连接有二极管DD3，二极管DD3的另一端作为2电平的输出端，电感L3和电容CA3的公共端作为1电平的输出端；
一端与所述电容CB3相连的电感L4，所述电感L4另一端反向连接有二极管DD4，二极管DD4的另一端作为-2电平的输出端，电感L4和电容CB3的公共端作为-1电平的输出端；
集电极与所述电感L3和二极管DD3的公共端相连的开关管TD3，所述开关管TD3的发射极与所述电容CA3和电容CB3的公共端相连；
一端与所述二极管DD3相连的电容CA4，所述电容CA4的另一端与所述直流源相连；
发射极与所述电感L4和二极管DD4的公共端相连的开关管TD4，所述开关管TD4的集电极与所述电容CA3和电容CB3的公共端相连；
一端与所述二极管DD4相连的电容CB4，所述电容CB4的另一端与所述直流源相连。
或者，如图7（c）所示，所述电源单元包括：
正负极对接的两个直流源，两个直流源的公共端作为0电平的输出端；
并联在所述直流源两端的第六支路，所述第六支路包括串联的电容CA5和电容CB5，所述电容CA5和电容CB5的公共端与所述两个直流源的公共端相连；
一端与所述电容CA5相连的电感L5，所述电感L5另一端连接有二极管DD5，二极管DD5的另一端作为2电平的输出端，电感L5和电容CA5的公共端作为1电平的输出端；
一端与所述电容CB5相连的电感L6，所述电感L6另一端反向连接有二极管DD6，二极管DD6的另一端作为-2电平的输出端，电感L6和电容CB5的公共端作为-1电平的输出端；
集电极与所述电感L5和二极管DD5的公共端相连的开关管TD5，所述开关管TD5的发射极与所述电容CA5和电容CB5的公共端相连；
一端与所述二极管DD5相连的电容CA6，所述电容CA6的另一端与所述电容CA5和电容CB5的公共端相连；
发射极与所述电感L6和二极管DD6的公共端相连的开关管TD6，所述开关管TD6的集电极与所述电容CA5和电容CB5的公共端相连；
一端与所述二极管DD6相连的电容CB6，所述电容CB6的另一端与所述电容CA5和电容CB5的公共端相连。
或者，如图7（d）所示，所述电源单元包括：
正负极对接的两个直流源，两个直流源的公共端作为0电平的输出端；
并联在所述直流源两端的第七支路，所述第七支路包括串联的电容CA7和电容CB7，所述电容CA7和电容CB7的公共端与所述两个直流源的公共端相连；
一端与所述电容CA7相连的电感L7，所述电感L7另一端连接有二极管DD7，二极管DD7的另一端作为2电平的输出端，电感L7和电容CA7的公共端作为1电平的输出端；
一端与所述电容CB7相连的电感L8，所述电感L8另一端反向连接有二极管DD8，二极管DD8的另一端作为-2电平的输出端，电感L8和电容CB7公共端作为-1电平的输出端；
集电极与所述电感L7和二极管DD7的公共端相连的开关管TD7，所述开关管TD7的发射极与所述电容CA7和电容CB7的公共端相连；
一端与所述二极管DD7相连的电容CA8，所述电容CA8的另一端与所述直流源相连；
发射极与所述电感L8和二极管DD8的公共端相连的开关管TD8，所述开关管TD8的集电极与所述电容CA7和电容CB7的公共端相连；
一端与所述二极管DD8相连的电容CB8，所述电容CB8的另一端与所述另一个直流源相连。
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 (14)
1.一种逆变单元，其特征在于，包括：开关管T1、开关管T2、开关管T3、开关管T4和开关管T5；其中：
所述开关管T1反向并联有二极管D1，所述开关管T2反向并联有二极管D2，所述开关管T3反向并联有二极管D3，所述开关管T4反向并联有二极管D4，所述开关管T5反向并联有二极管D5；
所述开关管T1发射极和开关管T2集电极的公共端反向连接有二极管DF1；
所述开关管T4发射极和开关管T5集电极的公共端连接有二极管DF2；
所述开关管T3并联有第一支路和第二支路，所述第一支路包括反向串联的二极管DA1和二极管DB2，所述第二支路包括反向串联的二极管DB1和二极管DA2；
所述二极管DB1和二极管DA2的公共端，与开关管T2发射极和开关管T4集电极的公共端相连。
2.一种五电平逆变器，其特征在于，包括：电源单元、三个逆变单元以及滤波并网单元，其中：
所述逆变单元输入端与所述电源单元的输出端相连；所述滤波并网单元与所述逆变单元的输出端相连；所述逆变单元包括：
开关管T1、开关管T2、开关管T3、开关管T4和开关管T5；其中：
所述开关管T1反向并联有二极管D1，所述开关管T1的集电极作为所述逆变单元的2电平输入端，所述开关管T2反向并联有二极管D2，所述开关管T3反向并联有二极管D3，所述开关管T4反向并联有二极管D4，所述开关管T5反向并联有二极管D5，所述开关管T5的发射极作为所述逆变单元的-2电平输入端；
所述开关管T1发射极和开关管T2集电极的公共端反向连接有二极管DF 1的一端，所述二极管DF1的另一端作为逆变单元的1电平输入端；
所述开关管T4发射极和开关管T5集电极的公共端连接有二极管DF2的一端，所述二极管DF2的另一端作为逆变单元的-1电平输入端；
所述开关管T3并联有第一支路和第二支路，所述第一支路包括反向串联的二极管DA1和二极管DB2，所述二极管DA1和二极管DB2的公共端作为所述逆变单元的0电平输入端，所述第二支路包括反向串联的二极管DB1和二极管DA2；
所述二极管DB1和二极管DA2的公共端，与开关管T2发射极和开关管T4集电极的公共端相连，所述二极管DB1、二极管DA2、开关管T1发射极和开关管T5集电极的连接端作为所述逆变单元的输出端。
3.根据权利要求2所述的五电平逆变器，其特征在于，所述电源单元包括：
直流源；
并联在所述直流源两端的第三支路，所述第三支路包括串联的电容CA1和电容CB1；
一端与所述电容CA1相连的电感L1，所述电感L1另一端连接有二极管DD1；
一端与所述电容CB1相连的电感L2，所述电感L2另一端反向连接有二极管DD2；
集电极与所述电感L1和二极管DD1的公共端相连的开关管TD1，所述开关管TD1的发射极与所述电容CA1和电容CB1的公共端相连；
一端与所述二极管DD1相连的电容CA2，所述电容CA2的另一端与所述电容CA1和电容CB1的公共端相连；
发射极与所述电感L2和二极管DD2的公共端相连的开关管TD2，所述开关管TD2的集电极与所述电容CA1和电容CB1的公共端相连；
一端与所述二极管DD2相连的电容CB2，所述电容CB2的另一端与所述电容CA1和电容CB1的公共端相连。
4.根据权利要求2所述的五电平逆变器，其特征在于，所述电源单元包括：
直流源；
并联在所述直流源两端的第四支路，所述第四支路包括串联的电容CA3和电容CB3；
一端与所述电容CA3相连的电感L3，所述电感L3另一端连接有二极管DD3；
一端与所述电容CB3相连的电感L4，所述电感L4另一端反向连接有二极管DD4；
集电极与所述电感L3和二极管DD3的公共端相连的开关管TD3，所述开关管TD3的发射极与所述电容CA3和电容CB3的公共端相连；
一端与所述二极管DD3相连的电容CA4，所述电容CA4的另一端与所述直流源相连；
发射极与所述电感L4和二极管DD4的公共端相连的开关管TD4，所述开关管TD4的集电极与所述电容CA3和电容CB3的公共端相连；
一端与所述二极管DD4相连的电容CB4，所述电容CB4的另一端与所述直流源相连。
5.根据权利要求2所述的五电平逆变器，其特征在于，所述电源单元包括：
正负极对接的第一和第二直流源；
并联在所述直流源两端的第六支路，所述第六支路包括串联的电容CA5和电容CB5，所述电容CA5和电容CB5的公共端与所述两个直流源的公共端相连；
一端与所述电容CA5相连的电感L5，所述电感L5另一端连接有二极管DD5；
一端与所述电容CB5相连的电感L6，所述电感L6另一端反向连接有二极管DD6；
集电极与所述电感L5和二极管DD5的公共端相连的开关管TD5，所述开关管TD5的发射极与所述电容CA5和电容CB5的公共端相连；
一端与所述二极管DD5相连的电容CA6，所述电容CA6的另一端与所述电容CA5和电容CB5的公共端相连；
发射极与所述电感L6和二极管DD6的公共端相连的开关管TD6，所述开关管TD6的集电极与所述电容CA5和电容CB5的公共端相连；
一端与所述二极管DD6相连的电容CB6，所述电容CB6的另一端与所述电容CA5和电容CB5的公共端相连。
6.根据权利要求2所述的五电平逆变器，其特征在于，所述电源单元包括：
正负极对接的第一和第二直流源；
并联在所述直流源两端的第七支路，所述第七支路包括串联的电容CA7和电容CB7，所述电容CA7和电容CB7的公共端与所述两个直流源的公共端相连；
一端与所述电容CA7相连的电感L7，所述电感L7另一端连接有二极管DD7；
一端与所述电容CB7相连的电感L8，所述电感L8另一端反向连接有二极管DD8；
集电极与所述电感L7和二极管DD7的公共端相连的开关管TD7，所述开关管TD7的发射极与所述电容CA7和电容CB7的公共端相连；
一端与所述二极管DD7相连的电容CA8，所述电容CA8的另一端与所述第一直流源相连；
发射极与所述电感L8和二极管DD8的公共端相连的开关管TD8，所述开关管TD8的集电极与所述电容CA7和电容CB7的公共端相连；
一端与所述二极管DD8相连的电容CB8，所述电容CB8的另一端与所述第二直流源相连。
7.根据权利要求2-6中任意一项所述的五电平逆变器，其特征在于，所述滤波并网单元包括：
与第一逆变单元输出端相连的电感L11；与第二逆变单元输出端相连的电感L12；与第三逆变单元输出端相连的电感L13；所述电感L11、电感L12和电感L13分别连接有交流源；
连接在所述电感L11和电感L12之间的支路，所述支路包括串联的电容C1和电容C2；
连接在所述电感L13和电容C2之间的电容C3。
8.根据权利要求2-6中任意一项所述的五电平逆变器，其特征在于，所述滤波并网单元包括：
与第一逆变单元输出端相连的电感L11；与第二逆变单元输出端相连的电感L12；与第三逆变单元输出端相连的电感L13；所述电感L11、电感L12和电感L13分别连接有交流源；
连接在所述电感L11和电感L12之间的支路，所述支路包括串联的电容C1和电容C2；
连接在所述电感L13和电容C2之间的电容C3；
所述电容C1、电容C2和电容C3的公共端与电源单元的0输出端相连。
9.一种五电平逆变器，其特征在于，包括：电源单元、四个逆变单元以及滤波并网单元，其中：
所述逆变单元输入端与所述电源单元的输出端相连；所述滤波并网单元与所述逆变单元的输出端相连；所述逆变单元包括：
开关管T1、开关管T2、开关管T3、开关管T4和开关管T5；其中：
所述开关管T1反向并联有二极管D1，所述开关管T1的集电极作为所述逆变单元的2电平输入端，所述开关管T2反向并联有二极管D2，所述开关管T3反向并联有二极管D3，所述开关管T4反向并联有二极管D4，所述开关管T5反向并联有二极管D5，所述开关管T5的发射极作为所述逆变单元的-2电平输入端；
所述开关管T1发射极和开关管T2集电极的公共端反向连接有二极管DF 1的一端，所述二极管DF1的另一端作为逆变单元的1电平输入端；
所述开关管T4发射极和开关管T5集电极的公共端连接有二极管DF2的一端，所述二极管DF2的另一端作为逆变单元的-1电平输入端；
所述开关管T3并联有第一支路和第二支路，所述第一支路包括反向串联的二极管DA1和二极管DB2，所述二极管DA1和二极管DB2的公共端作为所述逆变单元的0电平输入端，所述第二支路包括反向串联的二极管DB1和二极管DA2；
所述二极管DB1和二极管DA2的公共端，与开关管T2发射极和开关管T4集电极的公共端相连，所述二极管DB1、二极管DA2、开关管T1发射极和开关管T5集电极的连接端作为所述逆变单元的输出端。
10.根据权利要求9所述的五电平逆变器，其特征在于，所述电源单元包括：
直流源；
并联在所述直流源两端的第三支路，所述第三支路包括串联的电容CA1和电容CB1；
一端与所述电容CA1相连的电感L1，所述电感L1另一端连接有二极管DD1；
一端与所述电容CB1相连的电感L2，所述电感L2另一端反向连接有二极管DD2；
集电极与所述电感L1和二极管DD1的公共端相连的开关管TD1，所述开关管TD1的发射极与所述电容CA1和电容CB1的公共端相连；
一端与所述二极管DD1相连的电容CA2，所述电容CA2的另一端与所述电容CA1和电容CB1的公共端相连；
发射极与所述电感L2和二极管DD2的公共端相连的开关管TD2，所述开关管TD2的集电极与所述电容CA1和电容CB1的公共端相连；
一端与所述二极管DD2相连的电容CB2，所述电容CB2的另一端与所述电容CA1和电容CB1的公共端相连。
11.根据权利要求9所述的五电平逆变器，其特征在于，所述电源单元包括：
直流源；
并联在所述直流源两端的第四支路，所述第四支路包括串联的电容CA3和电容CB3；
一端与所述电容CA3相连的电感L3，所述电感L3另一端连接有二极管DD3；
一端与所述电容CB3相连的电感L4，所述电感L4另一端反向连接有二极管DD4；
集电极与所述电感L3和二极管DD3的公共端相连的开关管TD3，所述开关管TD3的发射极与所述电容CA3和电容CB3的公共端相连；
一端与所述二极管DD3相连的电容CA4，所述电容CA4的另一端与所述直流源相连；
发射极与所述电感L4和二极管DD4的公共端相连的开关管TD4，所述开关管TD4的集电极与所述电容CA3和电容CB3的公共端相连；
一端与所述二极管DD4相连的电容CB4，所述电容CB4的另一端与所述直流源相连。
12.根据权利要求9所述的五电平逆变器，其特征在于，所述电源单元包括：
正负极对接的第一和第二直流源；
并联在所述直流源两端的第六支路，所述第六支路包括串联的电容CA5和电容CB5，所述电容CA5和电容CB5的公共端与所述第一直流源和第二直流源的公共端相连；
一端与所述电容CA5相连的电感L5，所述电感L5另一端连接有二极管DD5；
一端与所述电容CB5相连的电感L6，所述电感L6另一端反向连接有二极管DD6；
集电极与所述电感L5和二极管DD5的公共端相连的开关管TD5，所述开关管TD5的发射极与所述电容CA5和电容CB5的公共端相连；
一端与所述二极管DD5相连的电容CA6，所述电容CA6的另一端与所述电容CA5和电容CB5的公共端相连；
发射极与所述电感L6和二极管DD6的公共端相连的开关管TD6，所述开关管TD6的集电极与所述电容CA5和电容CB5的公共端相连；
一端与所述二极管DD6相连的电容CB6，所述电容CB6的另一端与所述电容CA5和电容CB5的公共端相连。
13.根据权利要求9所述的五电平逆变器，其特征在于，所述电源单元包括：
正负极对接的第一和第二直流源；
并联在所述直流源两端的第七支路，所述第七支路包括串联的电容CA7和电容CB7，所述电容CA7和电容CB7的公共端与所述两个直流源的公共端相连；
一端与所述电容CA7相连的电感L7，所述电感L7另一端连接有二极管DD7；
一端与所述电容CB7相连的电感L8，所述电感L8另一端反向连接有二极管DD8；
集电极与所述电感L7和二极管DD7的公共端相连的开关管TD7，所述开关管TD7的发射极与所述电容CA7和电容CB7的公共端相连；
一端与所述二极管DD7相连的电容CA8，所述电容CA8的另一端与所述第一直流源相连；
发射极与所述电感L8和二极管DD8的公共端相连的开关管TD8，所述开关管TD8的集电极与所述电容CA7和电容CB7的公共端相连；
一端与所述二极管DD8相连的电容CB8，所述电容CB8的另一端与所述第二直流源相连。
14.根据权利要求9-13中任意一项所述的五电平逆变器，其特征在于，所述滤波并网单元包括：
与第一逆变单元输出端相连的电感L14；与第二逆变单元输出端相连的电感L15；与第三逆变单元输出端相连的电感L16；所述电感L14、电感L15和电感L16分别连接有交流源；
连接在所述电感L14和电感L15之间的支路，所述支路包括串联的电容C4和电容C5，所述电容C4和电容C5的公共端与第四逆变单元输出端相连；
连接在所述电感L16和电容C5之间的电容C6。
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