CN103346690A - 一种多电平逆变器及供电系统 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例提供的多电平逆变器及供电系统，涉及电子领域，能够简化电路结构。包括：2个N电平逆变单元，2个N电平逆变单元的脉冲宽度调制波错开180度相位，N为大于或等于3的整数；直流电源模块，其输出端分别与2个N电平逆变单元的输入端相连；变压器，变压器包括原边和副边，原边的电感和副边的电感相互耦合且原边的电感一端和副边的电感的一端分别与2个N电平逆变单元的输出端连接，以将2个N电平逆变单元反相耦合，原边的电感和副边的电感的另一端相互连接，在电感的连接处输出W个电平，W=2N-1；滤波器，滤波器一端与2个耦合电感之间的连接处连接，另一端接地。该多电平逆变器及供电系统用于将直流电转化为交流电。

Description

一种多电平逆变器及供电系统
技术领域
本发明涉及电子领域，尤其涉及一种多电平逆变器及供电系统。
背景技术
逆变器（inverter）是一种将直流电（DC）转化为交流电（AC）的装置，即能够把直流电能，如电池、蓄电瓶等转变成交流电，所述交流电一般为220v，50HZ的正弦波或方波。多电平逆变器可以将直流电先转化为多个电平的阶梯型方波，再通过滤波器形成正弦波，多电平逆变器实现的电平越多，其转化得到的正弦波的波形越接近标准正弦波形。现有技术中，多电平逆变器可以包括两个逆变单元、多个独立电感或耦合电感、输出滤波电容以及多个功率开关器件，所述两个逆变单元交错并联，用于进行电流的转化，即将直流电转化为交流电，所述多个独立电感或耦合电感与输出滤波电容组成滤波器，用于对输入电路进行滤波并为负载提供能量，通常的，多电平逆变器中输出电压的多电平是由所述多个功率开关器件的不同组合实现的。
但是上述多电平逆变器中，为了实现两个逆变单元的交错并联，需要在两个逆变单元的的外部连接功率开关器件，因此功率开关器件的个数较多，如实现三电平逆变器需要在两相交错并联的逆变单元之外设置2个或4个功率开关器件，因此电路结构较为复杂。
发明内容
本发明的实施例提供一种多电平逆变器及供电系统，能够简化电路结构。
为达到上述目的，本发明的实施例采用如下技术方案：
第一方面，提供一种多电平逆变器，包括：
2个N电平逆变单元，所述N电平逆变单元用于将直流电转化为交流电，2个所述N电平逆变单元的脉冲宽度调制波错开180度相位以使2个所述N电平逆变单元产生的交流电的输出波形错开半个周期，所述N为大于或等于3的整数；
直流电源模块，用于产生直流电，所述直流电源模块的输出端分别与2个所述N电平逆变单元的输入端相连，用于为2个所述N电平逆变单元供电；
变压器，所述变压器包括原边和副边，其中所述原边的电感和副边的电感相互耦合且所述原边的电感一端和副边的电感的一端分别与2个所述N电平逆变单元的输出端连接，以将2个所述N电平逆变单元反相耦合，连接所述原边的电感和副边的电感的另一端相互连接，从而在所述电感的连接处输出W个电平，所述W=2N-1；
滤波器，所述滤波器一端与所述变压器的2个耦合电感之间的连接处连接，另一端接地，用于滤除所述变压器的2个耦合电感之间连接处的电压纹波。
结合第一方面的第一种可实现方式，
2个所述N电平逆变单元包括第一N电平逆变单元和第二N电平逆变单元；
所述第一N电平逆变单元中至少一个开关器件和所述第二N电平逆变单元中至少一个开关器件相互导通使所述第一N电平逆变单元、第二N电平逆变单元、直流电源模块以及变压器形成回路时，在所述变压器的2个耦合电感之间的连接处输出所述W个电平。
结合第一种可实现方式的第二种可实现方式，
所述开关器件为二极管或功率开关。
结合第一方面、第一种可实现方式的第三种可实现方式，
2个所述N电平逆变单元的结构相同。
结合第一方面、第一种可实现方式的第四种可实现方式，
每个所述N电平逆变单元为T型五电平拓扑电路。
结合第一方面、第一种可实现方式的第五种可实现方式，
每个所述N电平逆变单元为I型五电平拓扑电路。
结合第一方面、第一种可实现方式的第六种可实现方式，
每个所述N电平逆变单元为T型三电平拓扑电路。
结合第一方面、第一种可实现方式的第七种可实现方式，
每个所述N电平逆变单元为I型三电平拓扑电路。
结合第一方面、第一至七种可实现方式的第八种可实现方式，
所述滤波器包括：滤波器电感和滤波器输出滤波电容，所述滤波器电感的一端与所述变压器的2个耦合电感之间的连接处连接，所述滤波器电感的另一端与输出滤波电容的一端串联，所述输出滤波电容另一端接地。
第二方面，提供一种供电系统，包括：
直流电源、负载以及以上任意所述的多电平逆变器，所述多电平逆变器将所述直流电源产生的直流电转变为交流电，以为所述负载提供交流电。
本发明的实施例提供一种多电平逆变器及供电系统，所述多电平逆变器包括：2个N电平逆变单元，所述N电平逆变单元用于将直流电转化为交流电，2个所述N电平逆变单元的脉冲宽度调制波错开180度相位以使2个所述N电平逆变单元产生的交流电的输出波形错开半个周期，所述N为大于或等于3的整数；直流电源模块，用于产生直流电，所述直流电源模块的输出端分别与2个所述N电平逆变单元的输入端相连，用于为2个所述N电平逆变单元供电；变压器，所述变压器包括原边和副边，其中所述原边的电感和副边的电感相互耦合且所述原边的电感一端和副边的电感的一端分别与2个所述N电平逆变单元的输出端连接，以将2个所述N电平逆变单元反相耦合，所述原边的电感和副边的电感的另一端相互连接，从而在所述电感的连接处输出W个电平，所述W=2N-1；滤波器，所述滤波器一端与所述变压器的2个耦合电感之间的连接处连接，另一端接地，用于滤除所述变压器的2个耦合电感之间连接处的电压纹波。这样一来，通过采用变压器的耦合电感分别与2个N电平逆变单元连接，实现2个所述耦合电感的输出为W个电平，相较于现有技术，由于采用变压器替代了位于逆变单元之外的部分功率开关器件，使得功率开关器件的个数减少，因此简化了电路结构。
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为本发明实施例提供的一种多电平逆变器结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种九电平逆变器的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的一种九电平逆变器中的电压波形图；
图4为本发明实施例提供的另一种九电平逆变器的结构示意图；
图5为本发明实施例提供的一种五电平逆变器的结构示意图；
图6为本发明实施例提供的另一种五电平逆变器的结构示意图。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅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。
本发明实施例提供一种多电平逆变器，如图1所示，包括：
2个N电平逆变单元101和102，所述N电平逆变单元用于将直流电转化为交流电，2个所述N电平逆变单元101和102的脉冲宽度调制波错开180度相位以使2个所述N电平逆变单元产生的交流电的输出波形错开半个周期，所述N为大于或等于3的整数。实际应用中可以采用电源控制芯片对多电平逆变器中2个N电平逆变单元101和102的功率开关器件进行控制，通常，控制过程中会产生脉冲宽度调制波来开启或关断功率开关器件，例如，所述电源控制芯片为PWM(Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制)，在本发明实施例中，用于控制2个所述N电平逆变单元的脉冲宽度调制波错开180度相位。其中，2个所述N电平逆变单元101和102的结构相同。所述开关器件为二极管或功率开关。
直流电源模块103，所述直流电源模块103的输出端分别与与2个N电平逆变单元101和102的输入端a点和b点分别相连，用于为2个所述N电平逆变单元供电。
变压器104，包括原边和副边，其中所述原边的电感P和副边的电感S相互耦合且所述原边的电感P一端和副边的电感S的一端分别与2个所述N电平逆变单元101和102的输出端c和d连接，以将2个所述N电平逆变单元101和102反相耦合，用于实现2个所述N电平逆变单元101和102的交错并联，所述原边的电感和副边的电感的另一端相互连接，从而在所述电感的连接处e输出W个电平，所述W满足：W=2N-1。
滤波器105，所述滤波器一端与所述变压器的2个耦合电感之间的连接处e连接，另一端接地，用于滤除所述变压器的2个耦合电感之间的连接处即所述连接处e处的电压的纹波，所述2个耦合电感为原边的电感P和副边的电感S。
需要说明的是，所述滤波器105还连接有负载R，滤波器105的输出电压为所述负载R提供了电能。
这样一来，通过采用变压器的耦合电感分别与2个N电平逆变单元连接，实现2个所述耦合电感的输出为W个电平，相较于现有技术，由于采用变压器替代了位于逆变单元之外的部分功率开关器件，使得功率开关器件的个数减少，因此简化了电路结构。
具体的，2个所述N电平逆变单元包括第一N电平逆变单元101和第二N电平逆变单元102，所述第一N电平逆变单元101中至少一个开关器件和所述第二N电平逆变单元102中至少一个开关器件相互导通使所述第一N电平逆变单元101、第二N电平逆变单元102、直流电源模块103以及变压器104形成回路时，使在所述变压器的2个耦合电感之间的连接处e输出所述W个电平。
需要说明的是，所述N电平逆变单元可以采用多种拓扑结构，示例的，图2中为九电平逆变器的结构示意图，在所述九电平逆变器中，每个所述N电平逆变单元为T型五电平拓扑电路。2个所述N电平逆变单元分别为第一T型五电平逆变单元和第二T型五电平逆变单元，2个所述N电平逆变单元的结构相同，相同位置的器件所起的作用相同。
在本实施例中，假设直流电源模块为电源V12。所述第一T型五电平逆变单元（图2未标示）可以包括：功率开关Q99、二极管D160、功率开关Q100、二极管D159、功率开关Q96、二极管D155、二极管D108、功率开关Q107、二极管D174、功率开关Q108、二极管D175、功率开关Q97、二极管D154以及二极管D163，二极管D164、功率开关Q98、电感L32、二极管D161、电容C62、二极管D158和电容C60。所述第二T型五电平逆变单元（图2未标示）可以包括：功率开关Q104、二极管D171、功率开关Q101、二极管D166、功率开关Q103、二极管D169、二极管D168、功率开关Q106、二极管D170、功率开关Q105、二极管D172、功率开关Q102、二极管D170以及二极管D167，二极管D165、功率开关Q95、二极管D157、电感L31、电容C61、二极管D156和电容C59。
在所述第二T型五电平逆变单元中，二极管D165和功率开关Q95并联，二极管D165的负极接地，电感L31的一端与所述二极管D165的正极连接，电感L31的另一端与电源V12的负极连接，电容C61的负极与电源V12的负极连接，正极接地，同时，二极管D165的负极与二极管D157的负极连接，电源V12的负极还与二极管D156的负极连接，二极管D157的正极与二极管D156的正极连接，且电容C59的负极与所述二极管D157与二极管D156的连接处连接，正极接地。本实施例假设所述电源V12的电压为2V，其正电极的电动势为+1V，负电极的电动势为-1V，这样一来，当功率开关Q95导通，电容C59的负极为负升压（boost）电压，可以在电路形成回路时放电，向第一T型五电平逆变单元或第二T型五电平逆变单元提供-2V的电压。电容C61可以在电路形成回路时放电，向第一T型五电平逆变单元或第二T型五电平逆变单元提供-1V的电压。同时，当第一T型五电平逆变单元或第二T型五电平逆变单元的输入端与电容C62和C61之间的连接处f连接时，还可以得到0V的电压，这样一来，第一T型五电平逆变单元或第二T型五电平逆变单元中可以存在+2V、+1V、0V、-1V、-2V五种电平。需要说明的是，所述第二T型五电平逆变单元和第二T型五电平逆变单元的电路结构可以根据具体情况进行调整，如增加或减少电容的个数，具体结构可以与现有技术相同，本发明对此不做限定。
在实际应用中，PWM通过采用相位上错开180度的脉冲宽度调制波控制第一T型五电平逆变单元和第二T型五电平逆变单元中对应功率开关和二极管的开启，在变压器TX1的2个耦合电感P1和S1之间的连接处e实现输出W个电平。
具体的，PWM导通第一T型五电平逆变单元的功率开关Q99和第二T型五电平逆变单元的功率开关Q101，同时关断2个所述T型五电平逆变单元中其他二极管和功率开关时，电流经过电容C60、功率开关Q99、耦合电感P1、耦合电感S1、功率开关Q101和电容C59形成回路，耦合电感P1处的电动势与电容C60的正极相等，为+2V，耦合电感S1处的电动势与电容C59的负极相等，为-2V，因此位于2个所述耦合电感P1和S1之间的连接处e的电动势为（+2-（-2））÷2=+2V，因此变压器TX1的2个耦合电感P1和S1之间的连接处e输出+2V电平。
当导通第一T型五电平逆变单元的功率开关Q99和第二T型五电平逆变单元的二极管D172和功率开关Q106，同时关断2个所述T型五电平逆变单元中其他二极管和功率开关时，电流经过电容C60、功率开关Q99、耦合电感P1、耦合电感S1、二极管D172和功率开关Q106接地形成回路，耦合电感P1处的电动势与电容C60的正极相等，为+2V，耦合电感S1处的电动势与地相等，为0V，因此位于2个所述耦合电感P1和S1之间的连接处e的电动势为（+2-0）÷2=+1V，因此变压器TX1的2个耦合电感P1和S1之间的连接处e输出+1V电平。
当导通第一T型五电平逆变单元的功率开关Q99和第二T型五电平逆变单元的二极管D167和功率开关Q102，同时关断2个所述T型五电平逆变单元中其他二极管和功率开关时，电流经过电容C60、功率开关Q99、耦合电感P1、耦合电感S1、二极管D172、功率开关Q106和电容C61形成回路，耦合电感P1处的电动势与电容C60的正极相等，为+2V，耦合电感S1处的电动势与电容C61的负极相等，为-1V，因此位于2个所述耦合电感P1和S1之间的连接处e的电动势为（+2-（-1））÷2=+3/2V，因此变压器TX1的2个耦合电感P1和S1之间的连接处e输出+3/2V电平。
当导通第一T型五电平逆变单元的功率开关Q96和二极管D108和第二T型五电平逆变单元的二极管D172和功率开关Q106，同时关断2个所述T型五电平逆变单元中其他二极管和功率开关时，电流经过电容C62、功率开关Q96和二极管D108、耦合电感P1、耦合电感S1、二极管D172和功率开关Q106接地形成回路，耦合电感P1处的电动势与电容C62的正极相等，为+1V，耦合电感S1处的电动势与地相等，为0V，因此位于2个所述耦合电感P1和S1之间的连接处e的电动势为（+1-0）÷2=+1/2V，因此变压器TX1的2个耦合电感P1和S1之间的连接处e输出+1/2V电平。
当导通第一T型五电平逆变单元的功率开关Q107和功率开关Q108和第二T型五电平逆变单元的二极管D172和功率开关Q106，同时关断2个所述T型五电平逆变单元中其他二极管和功率开关时，耦合电感P1通过功率开关Q107和功率开关Q108接地，耦合电感S1通过二极管D172和功率开关Q106接地，因此耦合电感P1处的电动势与地相等，为0V，耦合电感S1处的电动势与地相等，为0V，因此位于2个所述耦合电感P1和S1之间的连接处e的电动势为0V，因此变压器TX1的输出端输出0V电平。特别的，所述0V电平的实现还可以有多种方法，如同时导通第一T型五电平逆变单元的功率开关Q99和第二T型五电平逆变单元的功率开关Q104，或者同时导通第一T型五电平逆变单元的功率开关Q100和第二T型五电平逆变单元的功率开关Q101等等，本发明对此不再赘述。
PWM导通第一T型五电平逆变单元的功率开关Q100和第二T型五电平逆变单元的功率开关Q104，同时关断2个所述T型五电平逆变单元中其他二极管和功率开关时，电流经过电容C60、功率开关Q104、耦合电感S1、耦合电感P1、功率开关Q100和电容C59形成回路，耦合电感S1处的电动势与电容C60的正极相等，为+2V，耦合电感P1处的电动势与电容C59的负极相等，为-2V，因此位于2个所述耦合电感P1和S1之间的连接处e的电动势为-（+2-（-2））÷2=-2V，因此变压器TX1的2个耦合电感P1和S1之间的连接处e输出-2V电平。
当导通第二T型五电平逆变单元的功率开关Q104和第一T型五电平逆变单元的二极管D168和功率开关Q107，同时关断2个所述T型五电平逆变单元中其他二极管和功率开关时，电流经过电容C60、功率开关Q104、耦合电感S1、耦合电感P1、二极管D168和功率开关Q107接地形成回路，耦合电感S1处的电动势与电容C60的正极相等，为+2V，耦合电感P1处的电动势与地相等，为0V，因此位于2个所述耦合电感P1和S1之间的连接处e的电动势为-（+2-0）÷2=-1V，因此变压器TX1的2个耦合电感P1和S1之间的连接处e输出-1V电平。
当导通第二T型五电平逆变单元的功率开关Q104和第一T型五电平逆变单元的二极管D163和功率开关Q97，同时关断2个所述T型五电平逆变单元中其他二极管和功率开关时，电流经过电容C60、功率开关Q104、耦合电感S1、耦合电感P1、二极管D163、功率开关Q97和电容C61形成回路，耦合电感S1处的电动势与电容C60的正极相等，为+2V，耦合电感P1处的电动势与电容C61的负极相等，为-1V，因此位于2个所述耦合电感P1和S1之间的连接处e的电动势为-（+2-（-1））÷2=-3/2V，因此变压器TX1的2个耦合电感P1和S1之间的连接处e输出-3/2V电平。
当导通第二T型五电平逆变单元的功率开关Q103和二极管D168和第一T型五电平逆变单元的二极管D108和功率开关Q107，同时关断2个所述T型五电平逆变单元中其他二极管和功率开关时，电流经过电容C62、功率开关Q103和二极管D168、耦合电感S1、耦合电感P1、二极管D108和功率开关Q107接地形成回路，耦合电感S1处的电动势与电容C62的正极相等，为+1V，耦合电感P1处的电动势与地相等，为0V，因此位于2个所述耦合电感P1和S1之间的连接处e的电动势为-（+1-0）÷2=-1/2V，因此变压器TX1的2个耦合电感P1和S1之间的连接处e输出-1/2V电平。
在实际应用中，所述滤波器可以为LC滤波器，如图2所示，所述滤波器20具体包括：滤波器电感L33和输出滤波电容C63，所述电感L33的一端与所述变压器的2个耦合电感P1和S1之间的连接处e连接，所述电感L33的另一端与输出滤波电容C63的一端串联，所述输出滤波电容C63另一端接地。同时，在输出滤波电容C63两端添加负载R4。
这样一来，通过2个交错并联的T型五电平逆变单元与变压器的处理，在变压器的2个耦合电感P1和S1之间的连接处e，直流电源模块V12的电压的波形被转化成如图3-a所示的阶梯型波形，由于每个T型五电平逆变单元可以实现5个电平，因此在变压器输出端实现了5×2-1=9个电平，然后通过LC滤波器的滤波，最终得到如图3-b所示的正弦波，加载在负载R4上，其中，图3横轴表示时间t，纵轴表示电压v。
当所述多电平逆变器为九电平逆变器，且每个N电平逆变单元为I型五电平拓扑电路时，如图4所示，2个I型五电平逆变单元分别为第一I型五电平逆变单元和第二I型五电平逆变单元，2个所述I型五电平逆变单元的结构相同，相同位置的器件所起的作用相同。所述第一I型五电平逆变单元和第二I型五电平逆变单元用于实现直流电到交流电的转化。
在本实施例中，假设直流电源模块为电源V15。所述第一I型五电平逆变单元包括：功率开关Q134、二极管D227、功率开关Q131、二极管D222、功率开关Q130、二极管D221、功率开关Q125、二极管D210、二极管D219、功率开关Q128、二极管D214、二极管D228、功率开关Q127、二极管D220以及二极管D213，二极管D212、功率开关Q126、电感L43、二极管D215、电容C74、二极管D216和电容C76。所述第二I型五电平逆变单元（图4未标示）包括：功率开关Q135、二极管D232、功率开关Q136、二极管D233、功率开关Q137、二极管D234、功率开关Q138、二极管D210、功率开关Q132、二极管D224、二极管D225、二极管D230、功率开关Q133、二极管D223、二极管D231以及二极管D226，二极管D211、功率开关Q129、二极管D211、电感L44、电容C75、二极管D218和电容C77。。
本实施例假设所述电源V12的电压为2V，其正电极的电动势为+1V，负电极的电动势为-1V，上述两个I型供电子单元的电路的工作原理可以参考图3中的T型五电平拓扑电路中的供电子单元的工作原理，两个I型供电子单元可以分别向第一I型供电子单元和第二I型供电子单元提供+2V、+1V、0V、-1V、-2V五种电平，本发明对此不再赘述。
PWM通过用相位上错开180度的脉冲宽度调制波控制第一I型五电平逆变单元和第二I型五电平逆变单元中对应功率开关和二极管的开启，在变压器TX1的2个耦合电感P1和S1之间的连接处e实现输出W个电平。
以输出电压正弦波的正半周为例，PWM导通第一I型五电平逆变单元的功率开关Q134、功率开关Q131和第二I型五电平逆变单元的功率开关Q137、功率开关Q138，同时关断2个所述I型五电平逆变单元中其他二极管和功率开关时，电流经过电容C76、功率开关Q134、功率开关Q131、耦合电感P1、耦合电感S1、功率开关Q137、功率开关Q138和电容C77形成回路，耦合电感P1处的电动势与电容C76的正极相等，为+2V，耦合电感S1处的电动势与电容C77的负极相等，为-2V，因此位于2个所述耦合电感P1和S1之间的连接处e的电动势为（+2-（-2））÷2=+2V，因此变压器TX1的2个耦合电感P1和S1之间的连接处e输出+2V电平。
当导通第一I型五电平逆变单元的功率开关Q134、功率开关Q131和第二I型五电平逆变单元的功率开关Q137、二极管D231，同时关断2个所述I型五电平逆变单元中其他二极管和功率开关时，电流经过电容C76、功率开关Q134、功率开关Q131、耦合电感P1、耦合电感S1、功率开关Q137、二极管D231接地形成回路，耦合电感P1处的电动势与电容C76的正极相等，为+2V，耦合电感S1处的电动势与地相等，为0V，因此位于2个所述耦合电感P1和S1之间的连接处e的电动势为（+2-0）÷2=+1V，因此变压器TX1的2个耦合电感P1和S1之间的连接处e输出+1V电平。
当导通第一I型五电平逆变单元的功率开关Q134、功率开关Q131和第二I型五电平逆变单元的功率开关Q137、二极管D226和功率开关Q133，同时关断2个所述I型五电平逆变单元中其他二极管和功率开关时，电流经过电容C76、功率开关Q134、功率开关Q131、耦合电感P1、耦合电感S1、功率开关Q137、二极管D226和功率开关Q133和电容C75形成回路，耦合电感P1处的电动势与电容C76的正极相等，为+2V，耦合电感S1处的电动势与电容C75的负极相等，为-1V，因此位于2个所述耦合电感P1和S1之间的连接处e的电动势为（+2-（-1））÷2=+3/2V，因此变压器TX1的2个耦合电感P1和S1之间的连接处e输出+3/2V电平。
当导通第一I型五电平逆变单元的功率开关Q128、二极管D214和功率开关Q131和第二I型五电平逆变单元的功率开关Q137、二极管D231，同时关断2个所述I型五电平逆变单元中其他二极管和功率开关时，电流经过电容C74的功率开关Q128、二极管D214、功率开关Q131、耦合电感P1、耦合电感S1、功率开关Q137、二极管D231接地形成回路，耦合电感P1处的电动势与电容C74的正极相等，为+1V，耦合电感S1处的电动势与地相等，为0V，因此位于2个所述耦合电感P1和S1之间的连接处e的电动势为（+1-0）÷2=+1/2V，因此变压器TX1的2个耦合电感P1和S1之间的连接处e输出+1/2V电平。
当导通第一I型五电平逆变单元的二极管D230和功率开关Q136和第二I型五电平逆变单元的二极管D137和功率开关Q231，同时关断2个所述I型五电平逆变单元中其他二极管和功率开关时，耦合电感P1通过二极管D230和功率开关Q136接地，耦合电感S1通过二极管D137和功率开关Q231接地，因此耦合电感P1处的电动势与地相等，为0V，耦合电感S1处的电动势与地相等，为0V，因此位于2个所述耦合电感P1和S1之间的连接处e的电动势为0V，因此变压器TX1的输出端输出0V电平。特别的，所述0V电平的实现还可以有多种方法，如同时导通第一I型五电平逆变单元的功率开关Q134、功率开关Q131和第二I型五电平逆变单元的功率开关Q135、功率开关Q136，或者同时导通第一I型五电平逆变单元的功率开关Q130、功率开关Q125和第二I型五电平逆变单元的功率开关Q234、功率开关Q235等等，本发明对此不再赘述。
在实际应用中，所述滤波器可以为LC滤波器，如图4所示，所述滤波器30具体包括：电感L41和输出滤波电容C73，所述电感L41的一端与所述变压器的2个耦合电感P1和S1之间的连接处e连接，所述电感L41的另一端与输出滤波电容C73的一端串联，所述输出滤波电容C73另一端接地。同时，在输出滤波电容C73两端添加负载R7。
这样一来，通过2个交错并联的I型五电平逆变单元与变压器的处理，在变压器输出端，直流电源模块V12的波形被转化成如图3-a所示的阶梯型波形，由于每个I型五电平逆变单元可以实现5个电平，因此在变压器的2个耦合电感P1和S1之间的连接处e实现了5×2-1=9个电平，然后通过LC滤波器的滤波，最终得到如图3-b所示的正弦波，加载在负载R4上。
当所述多电平逆变器为五电平逆变器，且每个所述N电平逆变单元为T型三电平拓扑电路时，如图5所示，2个所述N电平逆变单元分别为第一T型三电平逆变单元和第二T型三电平逆变单元，2个所述N电平逆变单元的结构相同，相同位置的器件所起的作用相同。其中，第一T型三电平逆变单元（图5未标示）包括：第一供电子单元和第一T型三电平逆变单元，第二T型三电平逆变单元（图5未标示）包括：第二供电子单元和第二T型三电平逆变单元，所述第一供电子单元和第二供电子单元用于为所述第一T型三电平逆变单元或第二T型三电平逆变单元提供多种电平，所述第一T型三电平逆变单元和第二T型三电平逆变单元用于实现直流电到交流电的转化。
在本实施例中，假设直流电源模块为电源V17。所述第一T型三电平逆变单元包括：功率开关Q144、二极管D247、功率开关Q139、二极管D236、功率开关Q150、二极管D255、功率开关Q149、二极管D254，电容C79和电容C81。。所述第二T型三电平逆变单元（图5未标示）包括：功率开关Q145、二极管D248、功率开关Q148、二极管D253、功率开关Q151、二极管D256、功率开关Q152、二极管D257，电容C80和电容C82。
本实施例假设所述电源V17的电压为2V，其正电极的电动势为+1V，负电极的电动势为-1V，由图5可以看出，所述电容C79和电容C80串联，所述电容C81和电容C82串联，所述电容C79的正极、电容C81的正极与所述电源V17的正极连接，所述电容C80的正极、电容C82的负极与所述电源V17的负极连接，所述电容C79与电容C80中间的连接处接地，所述电容C81与电容C82中间的连接处接地。因此可以分别向第一T型三电平逆变单元和第二T型三电平逆变单元提供+1V、0V、-1V三种电平。需要说明的是，第一T型三电平逆变单元和第二T型三电平逆变单元的电路结构可以根据具体情况进行调整，如增加或减少电容的个数，具体可以参考现有技术，本发明对此不做限定。
PWM通过采用相位上错开180度的脉冲宽度调制波控制第一T型三电平逆变单元和第二T型三电平逆变单元中对应功率开关和二极管的开启，在变压器TX1的2个耦合电感P1和S1之间的连接处e可以输出W个电平。
PWM导通第一T型三电平逆变单元的功率开关Q144和第二T型三电平逆变单元的功率开关Q148，同时关断2个所述T型三电平逆变单元中其他二极管和功率开关时，电流经过电容C81、功率开关Q144、耦合电感P1、耦合电感S1、功率开关Q148和电容C82形成回路，耦合电感P1处的电动势与电容C81的正极相等，为+1V，耦合电感S1处的电动势与电容C82的负极相等，为-1V，因此位于2个所述耦合电感P1和S1之间的连接处e的电动势为（+1-（-1））÷2=+1V，因此变压器TX1的2个耦合电感P1和S1之间的连接处e输出+1V电平。
当导通第一T型三电平逆变单元的功率开关Q144和第二T型三电平逆变单元的二极管D257、功率开关Q151，同时关断2个所述T型三电平逆变单元中其他二极管和功率开关时，电流经过电容C81、功率开关Q144、耦合电感P1、耦合电感S1、二极管D257、功率开关Q151接地形成回路，耦合电感P1处的电动势与电容C81的正极相等，为+1V，耦合电感S1处的电动势与地相等，为0V，因此位于2个所述耦合电感P1和S1之间的连接处e的电动势为（+1-0）÷2=+1/2V，因此变压器TX1的2个耦合电感P1和S1之间的连接处e输出+1/2V电平。
当导通第一T型三电平逆变单元的二极管D255和功率开关Q149和第二T型三电平逆变单元的二极管D257和功率开关Q151，同时关断2个所述T型三电平逆变单元中其他二极管和功率开关时，耦合电感P1通过二极管D255和功率开关Q149接地，耦合电感S1通过二极管D257和功率开关Q151接地，因此耦合电感P1处的电动势与地相等，为0V，耦合电感S1处的电动势与地相等，为0V，因此位于2个所述耦合电感P1和S1之间的连接处e的电动势为0V，因此变压器TX1的2个耦合电感P1和S1之间的连接处e输出0V电平。
PWM导通第二T型三电平逆变单元的功率开关Q145和第一T型三电平逆变单元的功率开关Q139，同时关断2个所述T型三电平逆变单元中其他二极管和功率开关时，电流经过电容C81、功率开关Q145、耦合电感S1、耦合电感P1、功率开关Q139和电容C82形成回路，耦合电感S1处的电动势与电容C81的正极相等，为+1V，耦合电感P1处的电动势与电容C82的负极相等，为-1V，因此位于2个所述耦合电感P1和S1之间的连接处e的电动势为-（+1-（-1））÷2=-1V，因此变压器TX1的2个耦合电感P1和S1之间的连接处e输出-1V电平。
当导通第二T型三电平逆变单元的功率开关Q145和第一T型三电平逆变单元的二极管D254、功率开关Q150，同时关断所述T型2个三电平逆变单元中其他二极管和功率开关时，电流经过电容C81、功率开关Q145、耦合电感S1、耦合电感P1、二极管D254、功率开关Q150接地形成回路，耦合电感S1处的电动势与电容C81的正极相等，为+1V，耦合电感P1处的电动势与地相等，为0V，因此位于2个所述耦合电感P1和S1之间的连接处e的电动势为-（+1-0）÷2=-1/2V，因此变压器TX1的输出端输出-1/2V电平。由于每个T型三电平逆变单元可以实现3个电平，因此在变压器D2个耦合电感P1和S1之间的连接处e实现了3×2-1=5个电平，然后通过LC滤波器的滤波，最终得到正弦波，加载在负载R8上。
在实际应用中，所述滤波器可以为LC滤波器，如图5所示，所述滤波器40具体包括：电感L34和输出滤波电容C78，所述电感L34的一端与所述变压器的2个耦合电感P1和S1之间的连接处e连接，所述电感L34的另一端与输出滤波电容C78的一端串联，所述输出滤波电容C78另一端接地。同时，在输出滤波电容C78两端添加负载R8。
当所述多电平逆变器为五电平逆变器，且每个所述N电平逆变单元为I型三电平拓扑电路时，如图6所示，2个所述N电平逆变单元分别为第一I型三电平逆变单元和第二I型三电平逆变单元，2个所述N电平逆变单元的结构相同，相同位置的器件所起的作用相同。所述第一I型三电平逆变单元和第二I型三电平逆变单元用于实现直流电到交流电的转化。
在本实施例中，假设直流电源模块为电源V17。所述第一I型三电平逆变单元包括：功率开关Q141、二极管D238、功率开关Q155、二极管D245、功率开关Q157、二极管D249、功率开关Q140、二极管D237、二极管D241、二极管D242，电容C84。所述第二I型三电平逆变单元（图6未标示）包括：功率开关Q142、二极管D239、功率开关Q156、二极管D246、功率开关Q158、二极管D250、功率开关Q143、二极管D240、二极管D244、二极管D243，电容C85。
本实施例假设所述电源V18的电压为2V，其正电极的电动势为+1V，负电极的电动势为-1V，由图6可以看出，所述电容C84的正极与所述电源V18的正极连接，所述电容C85的负极与所述电源V18的负极连接，所述电容C84与电容C85串联，且所述电容C84与电容C85中间的连接处接地。因此，可以向第一I型三电平逆变单元和第二I型三电平逆变单元提供+1V、0V、-1V三种电平。
PWM通过用相位上错开180度的脉冲宽度调制波控制第一I型三电平逆变单元和第二I型三电平逆变单元中对应功率开关和二极管的开启，以使第一I型三电平逆变单元和第二I型三电平逆变单元产生的交流电的输出波形错开半个周期，在变压器TX1的2个耦合电感P1和S1之间的连接处e实现输出W个电平。
PWM导通第一I型三电平逆变单元的功率开关Q141、功率开关Q155和第二I型三电平逆变单元的功率开关Q158、功率开关Q143，同时关断2个所述I型三电平逆变单元中其他二极管和功率开关时，电流经过电容C84、功率开关Q141、功率开关Q155、耦合电感P1、耦合电感S1、功率开关Q158、功率开关Q143形成回路，耦合电感P1处的电动势与电容C84的正极相等，为+1V，耦合电感S1处的电动势与电容C85的负极相等，为-1V，因此位于2个所述耦合电感P1和S1之间的连接处e的电动势为（+1-（-1））÷2=+1V，因此变压器TX1的2个耦合电感P1和S1之间的连接处e输出+1V电平。
当PWM导通第一I型三电平逆变单元的功率开关Q141、功率开关Q155和第二I型三电平逆变单元的功率开关Q158、二极管D243，同时关断2个所述I型三电平逆变单元中其他二极管和功率开关时，电流经过电容C84、功率开关Q141、功率开关Q155、耦合电感P1、耦合电感S1、功率开关Q158、二极管D243接地形成回路，耦合电感P1处的电动势与电容C84的正极相等，为+1V，耦合电感S1处的电动势与地相等，为0V，因此位于2个所述耦合电感P1和S1之间的连接处e的电动势为（+1-0）÷2=+1/2V，因此变压器TX1的2个耦合电感P1和S1之间的连接处e输出+1/2V电平。
当导通第一I型三电平逆变单元的二极管D241和功率开关Q155和第二I型三电平逆变单元的功率开关Q158和二极管D243，同时关断2个所述I型三电平逆变单元中其他二极管和功率开关时，耦合电感P1通过二极管D241和功率开关Q155接地，耦合电感S1通过功率开关Q158和二极管D243接地，因此耦合电感P1处的电动势与地相等，为0V，耦合电感S1处的电动势与地相等，为0V，因此位于2个所述耦合电感P1和S1之间的连接处e的电动势为0V，因此变压器TX1的2个耦合电感P1和S1之间的连接处e输出0V电平。
PWM导通第二I型三电平逆变单元的功率开关Q142、功率开关Q156和第一I型三电平逆变单元的功率开关Q157、功率开关Q140，同时关断2个所述I型三电平逆变单元中其他二极管和功率开关时，电流经过电容C84、功率开关Q142、功率开关Q156、耦合电感S1、耦合电感P1、功率开关Q157、功率开关Q140和电容C85形成回路，耦合电感S1处的电动势与电容C84的正极相等，为+1V，耦合电感P1处的电动势与电容C85的负极相等，为-1V，因此位于2个所述耦合电感P1和S1之间的连接处e的电动势为-（+1-（-1））÷2=-1V，因此变压器TX1的2个耦合电感P1和S1之间的连接处e输出-1V电平。
当导通第二I型三电平逆变单元的功率开关Q142、功率开关Q156和第一I型三电平逆变单元的功率开关Q158、二极管D243，同时关断2个所述I型三电平逆变单元中其他二极管和功率开关时，电流经过电容C84、功率开关Q142、功率开关Q156、耦合电感S1、耦合电感P1、功率开关Q158、二极管D243接地形成回路，耦合电感S1处的电动势与电容C84的正极相等，为+1V，耦合电感P1处的电动势与地相等，为0V，因此位于2个所述耦合电感P1和S1之间的连接处e的电动势为-（+1-0）÷2=-1/2V，因此变压器TX1的输出端输出-1/2V电平。由于每个三电平逆变单元可以实现3个电平，因此2个耦合电感之间的连接处e实现了输出3×2-1=5个电平，然后通过LC滤波器的滤波，最终得到正弦波，加载在负载R9上。
在实际应用中，所述滤波器可以为LC滤波器，如图6所示，所述滤波器50具体包括：电感L42和输出滤波电容C83，所述电感L42的一端与所述变压器的2个耦合电感P1和S1之间的连接处e连接，所述电感L42的另一端与输出滤波电容C83的一端串联，所述输出滤波电容C83另一端接地。同时，在输出滤波电容C83两端添加负载R9。
需要说明的是，上述多电平逆变器只是举例说明，在实际应用中，所述多电平逆变器的2个N电平逆变单元中的每个N电平逆变单元均为一个通常的逆变器，可以根据具体情况采用具体的拓扑结构，其逆变方法可以参考上述实施例，本发明对此不再赘述。特别的，本发明实施例对PWM的个数不做限制，只要保证加载在第一N电平逆变单元的脉冲宽度调制波和加载在第二N电平逆变单元的脉冲宽度调制波错开180度相位即可。
本发明实施例提供一种供电系统，包括直流电源、负载以及本发明任意实施例提供的多电平逆变器，所述多电平逆变器将所述直流电源产生的直流电转变为交流电，以为所述负载提供交流电。
其中，所述多电平逆变器，包括：
2个N电平逆变单元，所述N电平逆变单元用于将直流电转化为交流电，2个所述N电平逆变单元的脉冲宽度调制波错开180度相位以使2个所述N电平逆变单元产生的交流电的输出波形错开半个周期，所述N为大于或等于3的整数；
直流电源模块，用于产生直流电，所述直流电源模块的输出端分别与2个所述N电平逆变单元的输入端相连，用于为2个所述N电平逆变单元供电；
变压器，所述变压器包括原边和副边，其中所述原边的电感和副边的电感相互耦合且所述原边的电感一端和副边的电感的一端分别与2个所述N电平逆变单元的输出端连接，以将2个所述N电平逆变单元反相耦合，所述原边的电感和副边的电感的另一端相互连接，从而在所述电感的连接处输出W个电平，所述W=2N-1；
滤波器，所述滤波器一端与所述变压器的2个耦合电感之间的连接处连接，另一端接地，用于滤除所述变压器的2个耦合电感之间连接处的电压纹波。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统中涉及的具体步骤，可以参考前述多电平逆变器装置实施例中的对应过程，在此不再赘述。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统，装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理包括，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用硬件加软件功能单元的形式实现。
本领域普通技术人员可以理解：实现上述方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成，前述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，执行包括上述方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种多电平逆变器，其特征在于，包括：
2个N电平逆变单元，所述N电平逆变单元用于将直流电转化为交流电，2个所述N电平逆变单元的脉冲宽度调制波错开180度相位以使2个所述N电平逆变单元产生的交流电的输出波形错开半个周期，所述N为大于或等于3的整数；
直流电源模块，用于产生直流电，所述直流电源模块的输出端分别与2个所述N电平逆变单元的输入端相连，用于为2个所述N电平逆变单元供电；
变压器，所述变压器包括原边和副边，其中所述原边的电感和副边的电感相互耦合且所述原边的电感一端和副边的电感的一端分别与2个所述N电平逆变单元的输出端连接，以将2个所述N电平逆变单元反相耦合，所述原边的电感和副边的电感的另一端相互连接，从而在所述原边的电感和副边的电感之间的连接处输出W个电平，所述W=2N-1；
滤波器，所述滤波器一端与所述变压器的2个耦合电感之间的连接处连接，另一端接地，用于滤除所述变压器的2个耦合电感之间的连接处的电压纹波。
2.根据权利要求1所述的多电平逆变器，其特征在于，
2个所述N电平逆变单元包括第一N电平逆变单元和第二N电平逆变单元；
所述第一N电平逆变单元、第二N电平逆变单元、直流电源模块以及变压器形成回路时，在所述原边的电感和副边的电感之间的连接处输出所述W个电平。
3.根据权利要求2所述的多电平逆变器，其特征在于，所述开关器件为二极管或功率开关。
4.根据权利要求1或2所述的多电平逆变器，其特征在于，2个所述N电平逆变单元的结构相同。
5.根据权利要求1或2所述的多电平逆变器，其特征在于，
所述N电平逆变单元为T型五电平拓扑电路。
6.根据权利要求1或2所述的多电平逆变器，其特征在于，
所述N电平逆变单元为I型五电平拓扑电路。
7.根据权利要求1或2所述的多电平逆变器，其特征在于，
所述N电平逆变单元为T型三电平拓扑电路。
8.根据权利要求1或2所述的多电平逆变器，其特征在于，
所述N电平逆变单元为I型三电平拓扑电路。
9.根据权利要求1至3任一项权利要求所述的多电平逆变器，其特征在于，
所述滤波器包括：滤波器电感和输出滤波电容，所述滤波器电感的一端与所述变压器的原边的电感和副边的电感之间的连接处连接，所述滤波器电感的另一端与所述输出滤波电容的一端串联，所述输出滤波电容另一端接地。
10.一种供电系统，其特征在于，包括直流电源、负载以及如权利要求1至3任一项所述的多电平逆变器，所述多电平逆变器将所述直流电源产生的直流电转变为交流电，以为所述负载提供交流电。
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