CN102769404A - 一种四电平逆变拓扑单元及四电平逆变器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的四电平逆变拓扑单元包括四个反向并联二极管的开关管和两个二极管，相对于现有的四电平逆变器中半导体器件数量较多，由此加大了逆变器及其引用电路的成本，且由于四电平逆变器中半导体器件数量较多导致增加逆变器及其应用电路的封装难度的技术问题，本发明提供的四电平逆变拓扑单元在实现单相和多相应用时，在保证将直流逆变为交流的同时，减少了整个逆变器的半导体元器件的数量，体积较小，成本较低，同时，减小了其应用电路的封装难度。
Description
技术领域
本申请涉及电力电子技术领域，特别涉及一种四电平逆变拓扑单元及四电平逆变器。
背景技术
逆变器是将直流电转变为交流电的设备。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，且逆变器中通过设置电容C1、C2、C3、C4、C5和C6来产生四个不同电位的电信号。
由上述可知，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半导体器件数量较多，由此加大了逆变器及其应用电路的成本，同时，增加了逆变器及其应用电路的封装难度。
发明内容
本申请所要解决的技术问题是提供一种四电平逆变拓扑单元及四电平逆变器，用以解决现有的四电平逆变器中半导体器件数量较多，由此加大了逆变器及其引用电路的成本的技术问题，同时避免了由于四电平逆变器中半导体器件数量较多导致增加逆变器及其应用电路的封装难度的技术问题。
本申请提供了一种四电平逆变拓扑单元，包括第一支路、第二支路、开关管T1、开关管T4；
每个开关管反向并联一个二极管；
该拓扑单元的第一直流输入端M1通过依次串联的第一支路和第二支路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通过开关管T1与第一支路和第二支路的连接线相连；
第一支路和第二支路的连接线通过开关管T4与该拓扑单元的第四直流输入端M4相连；
第一支路和第二支路的连接线与该拓扑单元的交流输出端AC相连接；
其中，所述第一支路包括串联的二极管DF1和开关管T2，所述第二支路包括串联的开关管T3和二极管DF2。
上述四电平逆变拓扑单元，优选地，该四电平逆变拓扑单元对应的六个工作模态分别为：
第一工作模态：开关管T2导通，其余开关管均截止；
第二工作模态：开关管T1导通，或者开关管T1和开关管T2导通，其余开关管均截止；
第三工作模态：开关管T2导通，或者开关管T1和开关管T2导通，其余开关管均截止；
第四工作模态：开关管T3导通，其余开关管均截止；
第五工作模态：开关管T4导通，或者开关管T3和开关管T4导通，其余开关管均截止；
第六工作模态：开关管T3导通，或者开关管T3和开关管T4导通，其余开关管均截止。
本申请还提供了一种四电平逆变器，包括直流输入单元和一个如上述任意一种所述的拓扑单元，其中：
所述直流输入单元的第一直流正电平PV1+与该逆变单元的第一直流输入端M1相连，所述直流输入单元的第二直流正电平PV2+与该逆变单元的第三直流输入端M3相连，所述直流输入单元的第一直流负电平PV1-与该逆变单元的第二直流输入端M2相连，所述直流输入单元的第二直流负电平PV2-与该逆变单元的第四直流输入端M4相连；
该逆变单元的交流输出端AC与该逆变器的交流输出端相连。
本申请还提供了一种四电平逆变器，包括直流输入单元和两个如上述任意一种所述的拓扑单元：第一拓扑单元和第二拓扑单元；
直流输入单元的第一直流正电平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；
直流输入单元的第一直流负电平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；
直流输入单元的第二直流正电平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；
直流输入单元的第二直流负电平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；
第一拓扑单元的交流输出端AC与该逆变器的第一交流输出端相连，第二拓扑单元的交流输出端AC与该逆变器的第二交流输出端相连。
本申请还提供了一种四电平逆变器，包括直流输入单元和三个如上述任意一种所述的拓扑单元：第一拓扑单元、第二拓扑单元和第三拓扑单元；
直流输入单元的第一直流正电平PV1+与第一拓扑单元和、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；
直流输入单元的第一直流负电平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；
直流输入单元的第二直流正电平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；
直流输入单元的第二直流负电平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；
第一拓扑单元的交流输出端AC与该逆变器的第一交流输出端相连，第二拓扑单元的交流输出端AC与该逆变器的第二交流输出端相连，第三拓扑单元的交流输出端AC与该逆变器的第三交流输出端相连。
本申请还提供了一种四电平逆变器，包括直流输入单元和四个如上述任意一种所述的拓扑单元：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；
直流输入单元的第一直流正电平PV1+与第一拓扑单元和、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；
直流输入单元的第一直流负电平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；
直流输入单元的第二直流正电平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；
直流输入单元的第二直流负电平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；
第一拓扑单元的交流输出端AC与该逆变器的第一交流输出端相连，第二拓扑单元的交流输出端AC与该逆变器的第二交流输出端相连，第三拓扑单元的交流输出端AC与该逆变器的第三交流输出端相连，第四拓扑单元的交流输出端AC与该逆变器的第四交流输出端相连。
上述任意一种所述的四电平逆变器，优选地，所述直流输入单元包括电容CA1、电容CA2、电容CA3、电感L1、电感L2、开关管TB1、开关管TB2、二极管DB1和二极管DB2，其中：
直流电源的正端与电容CA1的第一端相连，直流电源的负端与电容CA1的第二端相连；
电容CA1的第一端和直流电源的连接线通过依次串联的电感L1和开关管TB1与电容CA1的第二端和直流电源的连接线相连；
电容CA1的第一端和直流电源的连接线通过依次串联的开关管TB2和电感L2与电容CA1的第二端和直流电源的连接线相连；
电感L1和开关管TB1的连接线通过依次串联的二极管DB1和电容CA2与电容CA1的第二端和直流电源的连接线相连；
电容CA1的第一端和直流电源的连接线通过依次串联的电容CA3和二极管DB2与开关管TB2和电感L2的连接线相连；
二极管DB1和电容CA2的连接线与该直流输入单元的第二直流正电平PV2+相连，电容CA1的第一端和直流电源的连接线与该直流输入单元的第一直流正电平PV1+相连，电容CA1的第二端和直流电源的连接线与该直流输入单元的第一直流负电平PV1-相连，电容CA3和二极管DB2的连接线与该直流输入单元的第二直流负电平PV2-相连。
上述任意一种所述的四电平逆变器，优选地，所述直流输入单元包括电容CA1、电容CA2、电容CA3、电感L1、电感L2、开关管TB1、开关管TB2、二极管DB1和二极管DB2，其中：
直流电源的正端与电容CA1的第一端相连，直流电源的负端与电容CA1的第二端相连；
电容CA1的第一端和直流电源的连接线通过依次串联的电感L1和开关管TB1与电容CA1的第二端和直流电源的连接线相连；
电容CA1的第一端和直流电源的连接线通过依次串联的开关管TB2和电感L2与电容CA1的第二端和直流电源的连接线相连；
电感L1和开关管TB1的连接线通过依次串联的二极管DB1和电容CA2与电容CA1的第一端和直流电源的连接线相连；
电容CA1的第二端和直流电源的连接线通过依次串联的电容CA3和二极管DB2与开关管TB2和电感L2的连接线相连；
二极管DB1和电容CA2的连接线与该直流输入单元的第二直流正电平PV2+相连，电容CA1的第一端和直流电源的连接线与该直流输入单元的第一直流正电平PV1+相连，电容CA1的第二端和直流电源的连接线与该直流输入单元的第一直流负电平PV1-相连，电容CA3和二极管DB2的连接线与该直流输入单元的第二直流负电平PV2-相连。
上述任意一种所述的四电平逆变器，优选地，所述直流输入单元包括电容CB1、电容CB2、电容CA2、电容CA3、电感L1、电感L2、开关管TB1、开关管TB2、二极管DB1和二极管DB2，其中：
直流电源的正端通过依次串联的电容CB1和电容CB2与直流电源的负端相连；
电容CB1和直流电源的连接线通过依次串联的电感L1、开关管TB1、开关管TB2和电感L2与电容CB2和直流电源的连接线相连；
电容CB1和电容CB2的连接线与开关管TB1和开关管TB2的连接线相连；
电感L1和开关管TB1的连接线通过依次串联的二极管DB1和电容CA2与电容CB1和直流电源的连接线相连；
电容CB2和直流电源的连接线通过依次串联的电容CA3和二极管DB2与开关管TB2和电感L2的连接线相连；
二极管DB1和电容CA2的连接线与该直流输入单元的第二直流正电平PV2+相连，电容CB1和直流电源的连接线与该直流输入单元的第一直流正电平PV1+相连，电容CB2和直流电源的连接线与该直流输入单元的第一直流负电平PV1-相连，电容CA3和二极管DB2的连接线与该直流输入单元的第二直流负电平PV2-相连。
由上述可知，本申请提供的四电平逆变拓扑单元包括四个反向并联二极管的开关管和两个二极管，相对于现有的四电平逆变器中半导体器件数量较多，由此加大了逆变器及其引用电路的成本，且由于四电平逆变器中半导体器件数量较多导致增加逆变器及其应用电路的封装难度的技术问题，本申请提供的四电平逆变拓扑单元在实现单相和多相应用时，在保证将直流逆变为交流的同时，减少了整个逆变器的半导体元器件的数量，体积较小，成本较低，同时，减小了其应用电路的封装难度。
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为现有技术中的二极管钳位型四电平逆变器的拓扑图；
图2为现有技术中的飞跨电容型四电平逆变器的拓扑图；
图3为本申请提供的一种四电平逆变拓扑单元实施例一的拓扑图；
图4为本申请提供的一种四电平逆变拓扑单元实施例一处于第一工作模态的拓扑图；
图5为本申请提供的一种四电平逆变拓扑单元实施例一处于第二工作模态的拓扑图；
图6为本申请提供的一种四电平逆变拓扑单元实施例一处于第三工作模态的拓扑图；
图7为本申请提供的一种四电平逆变拓扑单元实施例一处于第四工作模态的拓扑图；
图8为本申请提供的一种四电平逆变拓扑单元实施例一处于第五工作模态的拓扑图；
图9为本申请提供的一种四电平逆变拓扑单元实施例一处于第六工作模态的拓扑图；
图10为本申请提供的一种四电平逆变拓扑单元实施例一中时序生成正弦波的一种时序调制图；
图11为本申请提供的一种四电平逆变拓扑单元实施例一中时序生成正弦波的另一种时序调制图；
图12为本申请提供的一种四电平逆变器实施例二的拓扑图；
图13为本申请提供的一种四电平逆变器实施例二的另一拓扑图；
图14为本申请提供的一种四电平逆变器实施例二的另一拓扑图；
图15为本申请提供的一种四电平逆变器实施例二的另一拓扑图；
图16为本申请提供的一种四电平逆变拓扑单元实施例一的等效图；
图17为本申请提供的一种四电平逆变器实施例三的拓扑图；
图18为本申请提供的一种四电平逆变器实施例三的另一拓扑图；
图19为本申请提供的一种四电平逆变器实施例三的另一拓扑图；
图20为本申请提供的一种四电平逆变器实施例三的另一拓扑图；
图21为本申请提供的一种四电平逆变器实施例三的另一拓扑图；
图22为本申请提供的一种四电平逆变器实施例四的拓扑图；
图23为本申请提供的一种四电平逆变器实施例四的另一拓扑图；
图24为本申请提供的一种四电平逆变器实施例四的另一拓扑图；
图25为本申请提供的一种四电平逆变器实施例四的另一拓扑图；
图26为本申请提供的一种四电平逆变器实施例四的另一拓扑图。
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3，其示出了本申请提供的一种四电平逆变拓扑单元实施例一的拓扑图，所述四电平逆变拓扑单元包括第一支路、第二支路、开关管T1、开关管T4；
每个开关管反向并联一个二极管；
该拓扑单元的第一直流输入端M1通过依次串联的第一支路和第二支路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通过开关管T1与第一支路和第二支路的连接线相连；
第一支路和第二支路的连接线通过开关管T4与该拓扑单元的第四直流输入端M4相连；
第一支路和第二支路的连接线与该拓扑单元的交流输出端AC相连接；
其中，所述第一支路包括串联的二极管DF1和开关管T2，所述第二支路包括串联的开关管T3和二极管DF2。
需要说明的是该拓扑单元的第一直流输入端M1通过依次串联的二极管DF1、开关管T2、开关管T3和二极管DF2与该拓扑单元的第二直流输入端M2相连接。
其中，开关管T2和二极管DF1的连接顺序、开关管T3和二极管DF2的连接顺序均可以调换，此时，该拓扑单元的第一直流输入端M1通过依次串联的开关管T2、二极管DF1、开关管T3和二极管DF2与该拓扑单元的第二直流输入端M2相连接；或该拓扑单元的第一直流输入端M1通过依次串联的二极管DF1、开关管T2、二极管DF2和开关管T3与该拓扑单元的第二直流输入端M2相连接；或该拓扑单元的第一直流输入端M1通过依次串联的开关管T2、二极管DF1、二极管DF2和开关管T3与该拓扑单元的第二直流输入端M2相连接。上述基于串联原理的元器件之间的连接顺序的改变未脱离本申请的发明思想，属于本申请的保护范围。
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。
由上述方案可知，本神请提供的四电平逆变拓扑单元包括四个反向并联二极管的开关管和两个二极管，相对于现有的四电平逆变器中半导体器件数量较多，由此加大了逆变器及其引用电路的成本，且由于四电平逆变器中半导体器件数量较多导致增加逆变器及其应用电路的封装难度的技术问题，本申请提供的四电平逆变拓扑单元在保证将直流逆变为交流的同时，减少了整个逆变器的半导体元器件的数量，体积较小，成本较低，同时，减小了其应用电路的封装难度。
其中，本申请提供的四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，包括六个工作模态，下面结合附图来对图3所示的五电平逆变器的六种工作模态进行详细分析。
其中，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，二极管D3与开关管T3反向并联，二极管D4与开关管T4反向并联。参考图4，其示出了本申请提供的四电平逆变拓扑单元实施例一的第一工作模态的拓扑图。
第一工作模态：开关管T2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：M1-DF1-T2-AC。
参考图5，其示出了本申请提供的四电平逆变拓扑单元实施例一的第二工作模态的拓扑图。
第二工作模态：开关管T1导通，或者开关管T1和开关管T2同时导通，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：M3-T1-AC。
参考图6，其示出了本申请提供的四电平逆变拓扑单元实施例一的第三工作模态的拓扑图。
第三工作模态：开关管T2导通，或开关管T1和开关管T2同时导通，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：AC-D1-M3。
参考图7，其示出了本申请提供的四电平逆变拓扑单元实施例一的第四工作模态的拓扑图。
第四工作模态：开关管T3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：AC-T3-DF2-M2。
参考图8，其示出了本申请提供的四电平逆变拓扑单元实施例一的第五工作模态的拓扑图。
第五工作模态：开关管T4导通，或者开关管T3和开关管T4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：AC-T4-M4。
参考图9，其示出了本申请提供的四电平逆变拓扑单元实施例一的第六工作模态的拓扑图。
第六工作模态：开关管T3导通，或开关管T3和开关管T4同时导通，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：M4-D4-AC。
通过对上述图4、图5、图7、图8所示的工作模态的时序进行控制，就能得到需要的正弦交流电，图10、图11为时序控制图，其中，u为逆变器输出的电压波形。
例如：假定上述拓扑单元的四个直流输入端M1、M2、M3、M4的输入电压分别为：+V1、-V1、+V2、-V2，则第一工作模态能获得电压V1，第二工作模态获得电压V2，第四工作模态获得电压-V1，第五工作模态获得电压-V2，设满足逆变要求的最小逆变电压为Vm。
当V1<Vm<V2时，按图10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，第一工作模态和第四工作模态交替工作，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，第四工作模态和第五工作模态交替工作；
当Vm<V1<V2时，按图11所示的时序进行控制，具体时序控制参见图11，在此不再赘述。
由上述可知，本申请提供的四电平逆变拓扑单元实施例一采用四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。
参考图12，其示出了本申请提供的一种四电平逆变器实施例二的拓扑图，所述四电平逆变器实施例二包括直流输入单元1201和一个如实施例一所述的拓扑单元，其中：
所述直流输入单元1201的第一直流正电平PV1+与该逆变单元的第一直流输入端M1相连，所述直流输入单元1201的第二直流正电平PV2+与该逆变单元的第三直流输入端M3相连，所述直流输入单元1201的第一直流负电平PV1-与该逆变单元的第二直流输入端M2相连，所述直流输入单元1201的第二直流负电平PV2-与该逆变单元的第四直流输入端M4相连；
该逆变单元的交流输出端AC与该逆变器的交流输出端相连。
其中，所述直流输入单元1201的实现方式有多种：
优选地，参考图13，其示出了本申请提供的一种四电平逆变器实施例二的另一拓扑图，其中，所述直流输入单元1201包括电容CA1、电容CA2、电容CA3、电感L1、电感L2、开关管TB1、开关管TB2、二极管DB1和二极管DB2，其中：
直流电源PV的正端与电容CA1的第一端相连，直流电源PV的负端与电容CA1的第二端相连；
电容CA1的第一端和直流电源PV的连接线通过依次串联的电感L1和开关管TB1与电容CA1的第二端和直流电源PV的连接线相连；
电容CA1的第一端和直流电源PV的连接线通过依次串联的开关管TB2和电感L2与电容CA1的第二端和直流电源PV的连接线相连；
电感L1和开关管TB1的连接线通过依次串联的二极管DB1和电容CA2与电容CA1的第二端和直流电源PV的连接线相连；
电容CA1的第一端和直流电源PV的连接线通过依次串联的电容CA3和二极管DB2与开关管TB2和电感L2的连接线相连；
二极管DB1和电容CA2的连接线与该直流输入单元的第二直流正电平PV2+相连，电容CA1的第一端和直流电源PV的连接线与该直流输入单元的第一直流正电平PV1+相连，电容CA1的第二端和直流电源PV的连接线与该直流输入单元的第一直流负电平PV1-相连，电容CA3和二极管DB2的连接线与该直流输入单元的第二直流负电平PV2-相连。
优选地，参考图14，其示出了本申请提供的一种四电平逆变器实施例二的另一拓扑图，其中，所述直流输入单元1201包括电容CA1、电容CA2、电容CA3、电感L1、电感L2、开关管TB1、开关管TB2、二极管DB1和二极管DB2，其中：
直流电源PV的正端与电容CA1的第一端相连，直流电源PV的负端与电容CA1的第二端相连；
电容CA1的第一端和直流电源PV的连接线通过依次串联的电感L1和开关管TB1与电容CA1的第二端和直流电源PV的连接线相连；
电容CA1的第一端和直流电源PV的连接线通过依次串联的开关管TB2和电感L2与电容CA1的第二端和直流电源PV的连接线相连；
电感L1和开关管TB1的连接线通过依次串联的二极管DB1和电容CA2与电容CA1的第一端和直流电源PV的连接线相连；
电容CA1的第二端和直流电源PV的连接线通过依次串联的电容CA3和二极管DB2与开关管TB2和电感L2的连接线相连；
二极管DB1和电容CA2的连接线与该直流输入单元的第二直流正电平PV2+相连，电容CA1的第一端和直流电源PV的连接线与该直流输入单元的第一直流正电平PV1+相连，电容CA1的第二端和直流电源PV的连接线与该直流输入单元的第一直流负电平PV1-相连，电容CA3和二极管DB2的连接线与该直流输入单元的第二直流负电平PV2-相连。
优选地，参考图15，其示出了本申请提供的一种四电平逆变器实施例二的另一拓扑图，其中，所述直流输入单元1201包括电容CB1、电容CB2、电容CA2、电容CA3、电感L1、电感L2、开关管TB 1、开关管TB2、二极管DB1和二极管DB2，其中：
直流电源PV的正端通过依次串联的电容CB1和电容CB2与直流电源PV的负端相连；
电容CB1和直流电源PV的连接线通过依次串联的电感L1、开关管TB1、开关管TB2和电感L2与电容CB2和直流电源PV的连接线相连；
电容CB1和电容CB2的连接线与开关管TB1和开关管TB2的连接线相连；
电感L1和开关管TB1的连接线通过依次串联的二极管DB1和电容CA2与电容CB1和直流电源PV的连接线相连；
电容CB1和直流电源PV的连接线通过依次串联的电容CA3和二极管DB2与开关管TB2和电感L2的连接线相连；
二极管DB1和电容CA2的连接线与该直流输入单元的第二直流正电平PV2+相连，电容CB1和直流电源PV的连接线与该直流输入单元的第一直流正电平PV1+相连，电容CB2和直流电源PV的连接线与该直流输入单元的第一直流负电平PV1-相连，电容CA3和二极管DB2的连接线与该直流输入单元的第二直流负电平PV2-相连。
由上述方案可知，相对于现有的四电平逆变器中半导体器件数量较多，由此加大了逆变器及其引用电路的成本，且由于四电平逆变器中半导体器件数量较多导致增加逆变器及其应用电路的封装难度的技术问题，本申请提供的四电平逆变器实施例二，即本申请实施例一在实现单相时，在保证将直流逆变为交流的同时，减少了整个逆变器的半导体元器件的数量，体积较小，成本较低。
需要说明的是，上述本申请提供的四电平逆变拓扑单元实施例一的工作模态描述适用于本申请提供的四电平逆变器实施例二的工作模态，通过采用四电平技术拟合正弦波思路，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。
参考图16，其示出了本申请提供的四电平逆变拓扑单元实施例一的等效图。
参考图17，其示出了本申请提供的一种四电平逆变器实施例三的拓扑图，为单相全桥四电平逆变器，所述四电平逆变器包括直流输入单元1701和两个如图12所示的拓扑单元：第一拓扑单元和第二拓扑单元；
直流输入单元的1701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；
直流输入单元1701的第一直流负电平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；
直流输入单元1701的第二直流正电平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；
直流输入单元1701的第二直流负电平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；
第一拓扑单元的交流输出端AC与该逆变器的第一交流输出端O1相连，第二拓扑单元的交流输出端AC与该逆变器的第二交流输出端O2相连。
需要说明的是，为减少本申请实施例三输出的交流电的谐波含量，可以在如图17所示的逆变器增加滤波单元，即通过设置电感和电容来实现交流电的滤波。参考图18，其示出了本申请提供的一种四电平逆变器实施例三的另一拓扑图，其中，所述四电平逆变器还包括电感L1801、电容C1801和电感L1802，其中：
第一拓扑单元的交流输出端AC通过依次串联的电感L1801、电容C1801和电感L1802与第二拓扑单元的交流输出端AC相连；
电感L1801和电容C1801的连接线与该逆变器的第一交流输出端O1相连，电容C1801和电感L1802的连接线与该逆变器的第二交流输出端O2相连。
其中，所述直流输入单元1701由多种实现方式：
参考图19，其示出了本申请提供的一种四电平逆变器实施例三的另一拓扑图，其中，所述直流输入单元1701的组成与连接结构与如图13所示的本申请实施例二中所述直流输入单元1201中所述一致，在此不再阐述；
参考图20，其示出了本申请提供的一种四电平逆变器实施例三的另一拓扑图，其中，所述直流输入单元1701的组成与连接结构与如图14所示的本申请实施例二中所述直流输入单元1201中所述一致，在此不再阐述；
参考图21，其示出了本申请提供的一种四电平逆变器实施例三的另一拓扑图，其中，所述直流输入单元1701的组成与连接结构与如图15所示的本申请实施例二中所述直流输入单元1201中所述一致，在此不再阐述。
需要说明的是，上述如图18所示的由多个电感和电容组成的滤波单元同样适用于如图19、图20、图21中所示的四电平逆变器，在此不再详细描述。
由上述方案可知相对于现有的四电平逆变器中半导体器件数量较多，由此加大了逆变器及其引用电路的成本，且由于四电平逆变器中半导体器件数量较多导致增加逆变器及其应用电路的封装难度的技术问题，本申请提供的四电平逆变器实施例三，即本申请实施例一在实现两相应用时，在保证将直流逆变为交流的同时，减少了整个逆变器的半导体元器件的数量，体积较小，成本较低。
需要说明的是，上述本申请提供的四电平逆变拓扑单元实施例一的工作模态描述适用于本申请提供的四电平逆变器实施例三的工作模态，通过采用四电平技术拟合正弦波思路，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。
参考图22，其示出了本申请提供的一种四电平逆变器实施例四的拓扑图，所述四电平逆变器包括直流输入单元2201和三个如图12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；
直流输入单元2201的第一直流正电平PV1+与第一拓扑单元和、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；
直流输入单元2201的第一直流负电平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；
直流输入单元2201的第二直流正电平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；
直流输入单元2201的第二直流负电平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；
第一拓扑单元的交流输出端AC与该逆变器的第一交流输出端O1相连，第二拓扑单元的交流输出端AC与该逆变器的第二交流输出端O2相连，第三拓扑单元的交流输出端AC与该逆变器的第三交流输出端O3相连。
需要说明的是，为减少本申请实施例四输出的交流电的谐波含量，可以在如图22所示的逆变器增加滤波单元，即通过设置电感和电容来实现交流电的滤波。参考图23，其示出了本申请提供的一种四电平逆变器实施例四的另一拓扑图，为三相三线四电平逆变器，其中，所述四电平逆变器还包括电感L2301、电感L2302、电感L2303、电容C2301、电容C2302和电容C2303，其中：
第一拓扑单元的交流输出端AC通过依次串联的电感L2301、电容C2301、电容C2302和电感L2302与第二拓扑单元的交流输出端AC相连；
第三拓扑单元的交流输出端AC通过依次串联的电感L2303和电容C2303与电容C2301和电容C2302的连接线相连；
电感L2301和电容C2301的连接线与该逆变器的第一交流输出端O1相连，电容C2302和电感L2302的连接线与该逆变器的第二交流输出端O2相连，电感L2303和电容C2303的连接线与该逆变器的第三交流输出端O3相连。
其中，所述直流输入单元2201由多种实现方式：
参考图24，其示出了本申请提供的一种四电平逆变器实施例四的另一拓扑图，其中，所述直流输入单元2201的组成与连接结构与如图13所示的本申请实施例二中所述直流输入单元1201中所述一致，在此不再阐述；
参考图25，其示出了本申请提供的一种四电平逆变器实施例四的另一拓扑图，其中，所述直流输入单元2201的组成与连接结构与如图14所示的本申请实施例二中所述直流输入单元1201中所述一致，在此不再阐述；
参考图26，其示出了本申请提供的一种四电平逆变器实施例四的另一拓扑图，其中，所述直流输入单元2201的组成与连接结构与如图15所示的本申请实施例二中所述直流输入单元1201中所述一致，在此不再阐述。
需要说明的是，上述如图23所示的由多个电感和电容组成的滤波单元同样适用于如图24、图25、图26中所示的四电平逆变器，在此不再详细描述。
进一步的，在图26所示的实施方式中，电容C2301、电容C2302和电容C2303的公共端还可以与电容CB1和电容CB2的公共端相连，即是三相四线式五电平逆变器。
由上述方案可知，相对于现有两相五电平逆变器中诸如二极管和开关管等元器件较多，使得逆变拓扑单元的应用系统体积较大，成本较高，且损耗较多，效率较低的技术问题，本申请提供的一种四电平逆变器实施例四，即本申请提供的四电平逆变拓扑单元在实现三相应用时，在保证将直流逆变为交流的同时，减少了整个逆变器的半导体元器件的数量，体积较小，成本较低。同时，避免了现有五电平逆变器需要进行三电平中点平衡控制，由此加大上述逆变单元及其逆变器的技术成本的技术问题。
需要说明的是，上述本申请提供的四电平逆变拓扑单元实施例一的工作模态描述适用于本申请提供的四电平逆变器实施例四的工作模态，通过采用四电平技术拟合正弦波思路，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。
同样的，本申请四电平逆变拓扑单元的方案，同样适用于三相四线式逆变器，所述三相四线式逆变器包括直流输入单元和四个如图16所示的逆变拓扑单元，其接线方式与上述四电平逆变器实施例二、四电平逆变器实施例三和四电平逆变器实施例四相似，在此不在赘述。
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四电平逆变拓扑单元及四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)
1.一种四电平逆变拓扑单元，其特征在于，包括第一支路、第二支路、开关管T1、开关管T4；
每个开关管反向并联一个二极管；
该拓扑单元的第一直流输入端M1通过依次串联的第一支路和第二支路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通过开关管T1与第一支路和第二支路的连接线相连；
第一支路和第二支路的连接线通过开关管T4与该拓扑单元的第四直流输入端M4相连；
第一支路和第二支路的连接线与该拓扑单元的交流输出端AC相连接；
其中，所述第一支路包括串联的二极管DF1和开关管T2，所述第二支路包括串联的开关管T3和二极管DF2。
2.根据权利要求1所述的四电平逆变拓扑单元，其特征在于，该四电平逆变拓扑单元对应的六个工作模块分别为：
第一工作模态：开关管T2导通，其余开关管均截止；
第二工作模态：开关管T1导通，或者开关管T1和开关管T2导通，其余开关管均截止；
第三工作模态：开关管T2导通，或者开关管T1和开关管T2导通，其余开关管均截止；
第四工作模态：开关管T3导通，其余开关管均截止；
第五工作模态：开关管T4导通，或者开关管T3和开关管T4导通，其余开关管均截止；
第六工作模态：开关管T3导通，或者开关管T3和开关管T4导通，其余开关管均截止。
3.一种四电平逆变器，其特征在于，包括直流输入单元和一个如权1或权2所述的拓扑单元，其中：
所述直流输入单元的第一直流正电平PV1+与该逆变单元的第一直流输入端M1相连，所述直流输入单元的第二直流正电平PV2+与该逆变单元的第三直流输入端M3相连，所述直流输入单元的第一直流负电平PV1-与该逆变单元的第二直流输入端M2相连，所述直流输入单元的第二直流负电平PV2-与该逆变单元的第四直流输入端M4相连；
该逆变单元的交流输出端AC与该逆变器的交流输出端相连。
4.一种四电平逆变器，其特征在于，包括直流输入单元和两个如权1或权2所述的拓扑单元：第一拓扑单元和第二拓扑单元；
直流输入单元的第一直流正电平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；
直流输入单元的第一直流负电平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；
直流输入单元的第二直流正电平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；
直流输入单元的第二直流负电平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；
第一拓扑单元的交流输出端AC与该逆变器的第一交流输出端相连，第二拓扑单元的交流输出端AC与该逆变器的第二交流输出端相连。
5.一种四电平逆变器，其特征在于，包括直流输入单元和三个如权1或权2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；
直流输入单元的第一直流正电平PV1+与第一拓扑单元和、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；
直流输入单元的第一直流负电平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；
直流输入单元的第二直流正电平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；
直流输入单元的第二直流负电平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；
第一拓扑单元的交流输出端AC与该逆变器的第一交流输出端相连，第二拓扑单元的交流输出端AC与该逆变器的第二交流输出端相连，第三拓扑单元的交流输出端AC与该逆变器的第三交流输出端相连。
6.一种四电平逆变器，其特征在于，包括直流输入单元和四个如权1或权2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；
直流输入单元的第一直流正电平PV1+与第一拓扑单元和、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；
直流输入单元的第一直流负电平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；
直流输入单元的第二直流正电平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；
直流输入单元的第二直流负电平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；。
第一拓扑单元的交流输出端AC与该逆变器的第一交流输出端相连，第二拓扑单元的交流输出端AC与该逆变器的第二交流输出端相连，第三拓扑单元的交流输出端AC与该逆变器的第三交流输出端相连，第四拓扑单元的交流输出端AC与该逆变器的第四交流输出端相连。
7.根据权利要求3、4、5和6任意一项所述的四电平逆变器，其特征在于，所述直流输入单元包括电容CA1、电容CA2、电容CA3、电感L1、电感L2、开关管TB1、开关管TB2、二极管DB1和二极管DB2，其中：
直流电源的正端与电容CA1的第一端相连，直流电源的负端与电容CA1的第二端相连；
电容CA1的第一端和直流电源的连接线通过依次串联的电感L1和开关管TB1与电容CA1的第二端和直流电源的连接线相连；
电容CA1的第一端和直流电源的连接线通过依次串联的开关管TB2和电感L2与电容CA1的第二端和直流电源的连接线相连；
电感L1和开关管TB1的连接线通过依次串联的二极管DB1和电容CA2与电容CA1的第二端和直流电源的连接线相连；
电容CA1的第一端和直流电源的连接线通过依次串联的电容CA3和二极管DB2与开关管TB2和电感L2的连接线相连；
二极管DB1和电容CA2的连接线与该直流输入单元的第二直流正电平PV2+相连，电容CA1的第一端和直流电源的连接线与该直流输入单元的第一直流正电平PV1+相连，电容CA1的第二端和直流电源的连接线与该直流输入单元的第一直流负电平PV1-相连，电容CA3和二极管DB2的连接线与该直流输入单元的第二直流负电平PV2-相连。
8.根据权利要求3、4、5和6任意一项所述的四电平逆变器，其特征在于，所述直流输入单元包括电容CA1、电容CA2、电容CA3、电感L1、电感L2、开关管TB1、开关管TB2、二极管DB1和二极管DB2，其中：
直流电源的正端与电容CA1的第一端相连，直流电源的负端与电容CA1的第二端相连；
电容CA1的第一端和直流电源的连接线通过依次串联的电感L1和开关管TB1与电容CA1的第二端和直流电源的连接线相连；
电容CA1的第一端和直流电源的连接线通过依次串联的开关管TB2和电感L2与电容CA1的第二端和直流电源的连接线相连；
电感L1和开关管TB1的连接线通过依次串联的二极管DB1和电容CA2与电容CA1的第一端和直流电源的连接线相连；
电容CA1的第二端和直流电源的连接线通过依次串联的电容CA3和二极管DB2与开关管TB2和电感L2的连接线相连；
二极管DB1和电容CA2的连接线与该直流输入单元的第二直流正电平PV2+相连，电容CA1的第一端和直流电源的连接线与该直流输入单元的第一直流正电平PV1+相连，电容CA1的第二端和直流电源的连接线与该直流输入单元的第一直流负电平PV1-相连，电容CA3和二极管DB2的连接线与该直流输入单元的第二直流负电平PV2-相连。
9.根据权利要求3、4、5和6任意一项所述的四电平逆变器，其特征在于，所述直流输入单元包括电容CB1、电容CB2、电容CA2、电容CA3、电感L1、电感L2、开关管TB1、开关管TB2、二极管DB1和二极管DB2，其中：
直流电源的正端通过依次串联的电容CB1和电容CB2与直流电源的负端相连；
电容CB 1和直流电源的连接线通过依次串联的电感L1、开关管TB1、开关管TB2和电感L2与电容CB2和直流电源的连接线相连；
电容CB1和电容CB2的连接线与开关管TB1和开关管TB2的连接线相连；
电感L1和开关管TB1的连接线通过依次串联的二极管DB1和电容CA2与电容CB1和直流电源的连接线相连；
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