CN104333247A - 使用新型三端开关网络的级联型多电平单相和三相逆变器 - Google Patents

Abstract

本发明公开使用新型三端开关网络的级联型多电平单相半桥逆变器，包括四个功率开关管及其体二极管，四个输入滤波电容，两个反相耦合的两绕组变压器，两个输出滤波电感和一个滤波电容，四个功率二极管。本发明可扩展到两种结构的单相全桥逆变器、及三相桥式逆变器电路。本发明使用四个功率开关管、四个功率二极管、及两个反相耦合的变压器构成两个三端开关网络的级联，与通用两电平、或传统多电平逆变拓扑比较，每个三端开关网络内部的上、下桥臂功率开关管之间无需设置死区、并且能同时开通工作，在逆变中点实现多电平输出，从而改进输出电压谐波、减小输出滤波电感的尺寸与体积、降低开关器件损耗，因此降低系统材料成本、提高逆变器的系统性能。

Description

使用新型三端开关网络的级联型多电平单相和三相逆变器

技术领域

本发明涉及一种多电平逆变器，具体说是使用新型三端开关网络的级联型多电平单相逆变器和三相逆变器。

背景技术

逆变器可将直流电转换为交流电。逆变器是不间断电源(UPS)，及风能、太阳能光伏、与燃料电池等新能源发电系统中的重要组成部分。转换效率、输出谐波是逆变器最重要的电气指标，高转换效率可降低功率损耗、低谐波能改进电能质量。

逆变器内的功率器件和输出滤波电感的损耗限制了逆变器效率的提高。同时市场竞争的日剧激烈、功率开关管、及钢铁铜等原材料价格的上涨，给逆变器厂家带来了很大的成本压力。目前由于受功率器件性能的限制，传统电压箝位型多电平逆变器拓扑的功率器件和滤波电感的损耗已经很难降低，研制高性能低成本的多电平逆变器成为各个逆变器厂家的目标。

传统电压箝位型多电平逆变器的功率开关器件额定耐压较高，存在较大通态损耗和开关损耗，导致功率开关器件的总损耗大，从而降低了整个系统的效率。同时输出滤波电感的体积、尺寸、及重量改进空间有限，进一步影响了逆变器的效率与成本。

为了可使用低耐压功率开关管、以降低功率损耗，并且减小输出滤波电感体积、以提高电能质量，近年来多电平逆变器拓扑得到了越来越多的实际应用。其中，中点箝位型(Neutralpoint clamped，NPC)多电平拓扑由于结构简洁，从而在UPS与光伏逆变器中大量被应用。但是，电感损耗与输出谐波仍然较大。

因此，期望提供一种能够降低功率开关器件的通态损耗与开关损耗，并降低输出滤波电感损耗和成本的新型多电平逆变器，这种逆变器需要改进传统电压箝位型多电平拓扑的限制与不足。

发明内容

以下给出关于本发明的概述，以便提供关于本发明的某些方面的基本理解。应当理解，以下内容并不是关于本发明的穷举性描述。

本发明的一个主要目的在于，提供使用新型三端开关网络的级联型多电平单相逆变器和三相逆变器，包括如下方案。

使用新型三端开关网络的级联型多电平单相半桥逆变器，其包括：两个输入电源，四个输入滤波电容，四个功率开关管及其体二极管，两个反相耦合的两绕组变压器，两个滤波电感和一个输出滤波电容，和四个功率二极管；其中第一功率开关管的集电极和第二功率二极管的阴极及第一输入滤波电容的正极与第一输入电源的正极相连，第二功率开关管的发射极和第一功率二极管的阳极及第二输入滤波电容的负极与第一输入电源的负极相连，第一输入滤波电容的负极和与第二输入滤波电容的正极相连，构成第一中点；第一功率开关管的发射极和第一功率二极管的阴极与第一反相耦合变压器第一绕组的同名端相连，第二功率开关管的集电极和第二功率二极管的阳极与第一反相耦合变压器第二绕组的异名端相连；第三功率开关管的集电极和第四功率二极管的阴极及第三输入滤波电容的正极与第二输入电源的正极相连，第四功率开关管的发射极和第三功率二极管的阳极及第四输入滤波电容的负极与第二输入电源的负极相连，第三输入滤波电容的负极和与第四输入滤波电容的正极相连，构成第二中点；第三功率开关管的发射极和第三功率二极管的阴极与第二反相耦合变压器第一绕组的同名端相连，第四功率开关管的集电极和第四功率二极管的阳极与第二反相耦合变压器第二绕组的异名端相连；第一输出电感的一端与第一反相耦合变压器第一绕组的异名端及第二绕组的同名端相连，第二滤波电感的一端与第二反相耦合变压器第一绕组的异名端及第二绕组的同名端相连，第二滤波电感的另一端与第一中点相连；输出滤波电容及输出负载的一端与第一滤波电感的另一端相连，另一端与第二中点相连；四个功率开关管由四个驱动信号驱动，其中第一驱动信号由第一调制波和第一载波调制而成，第二驱动信号由第二调制波和第二载波调制而成，第三驱动信号由第三调制波和第三载波调制而成，第四驱动信号由第四调制波和第四载波调制而成；所述第一调制波和第二调制波的相位相同，第一载波的相位和第二载波的相位相差180度，第三调制波和第四调制波的相位相同，第三载波的相位和第四载波的相位相差180度；第一调制波和第三调制波的相位相同，第一载波和第三载波之间采用移相控制；

作为等同或者简单替换/增加的：所述输出滤波电感还可以集成到反相耦合的两绕组变压器中，或者说可把反相耦合的两绕组变压器的漏感用作滤波电感；还包括无需滤波电感、与(或)输出滤波电容，由感性负载本身构成滤波电路，比如用于工业变频器中；同时还包括接有第二级滤波电感，连接到所述由输出滤波电感和输出滤波电容的输出端，以构成LCL滤波电路所述输出滤波电感还能集成到反相耦合的两绕组变压器中，或者把反相耦合的两绕组变压器的漏感用作所述滤波电感；或者无需滤波电感、与/或无需输出滤波电容，由感性负载本身构成滤波电路。

使用新型三端开关网络的级联型多电平单相全桥逆变器，其包括两个所述的级联型多电平单相半桥逆变器的桥臂，具体包括：两个输入电源，两个输入滤波电容，八个功率开关管及其体二极管，四个反相耦合的两绕组变压器，四个滤波电感和一个输出滤波电容，和八个功率二极管；其中第一功率开关管的集电极和第二功率二极管的阴极及第三功率开关管的集电极和第四功率二极管的阴极与第一输入滤波电容的正极和第一输入电源的正极相连，第二功率开关管的发射极和第一功率二极管的阳极及第四功率开关管的发射极和第三功率二极管的阳极与第一输入滤波电容的负极和第一输入电源的负极相连；第一功率开关管的发射极和第一功率二极管的阴极与第一反相耦合变压器第一绕组的同名端相连，第二功率开关管的集电极和第二功率二极管的阳极与第一反相耦合变压器第二绕组的异名端相连；第三功率开关管的发射极和第三功率二极管的阴极与第二反相耦合变压器第一绕组的同名端相连，第四功率开关管的集电极和第四功率二极管的阳极与第二反相耦合变压器第二绕组的异名端相连；第五功率开关管的集电极和第六功率二极管的阴极及第七功率开关管的集电极和第八功率二极管的阴极与第二输入滤波电容的正极和第二输入电源的正极相连，第六功率开关管的发射极和第五功率二极管的阳极及第八功率开关管的发射极和第七功率二极管的阳极与第二输入滤波电容的负极和第二输入电源的负极相连；第五功率开关管的发射极和第五功率二极管的阴极与第三反相耦合变压器第一绕组的同名端相连，第六功率开关管的集电极和第六功率二极管的阳极与第三反相耦合变压器第二绕组的异名端相连；第七功率开关管的发射极和第七功率二极管的阴极与第四反相耦合变压器第一绕组的同名端相连，第八功率开关管的集电极和第八功率二极管的阳极与第四反相耦合变压器第二绕组的异名端相连；第一滤波电感的一端与第一反相耦合变压器第一绕组的异名端及第二绕组的同名端相连，第二滤波电感的一端与第二反相耦合变压器第一绕组的异名端及第二绕组的同名端相连，第三滤波电感的一端与第三反相耦合变压器第一绕组的异名端及第二绕组的同名端相连，第四滤波电感的一端与第四反相耦合变压器第一绕组的异名端及第二绕组的同名端相连；第二滤波电感的另一端与第三滤波电感的另一端相连，输出滤波电容及输出负载的一端与第一滤波电感的另一端相连，另一端与第四滤波电感的另一端相连；八个功率开关管由八个驱动信号驱动，其中第一驱动信号由第一调制波和第一载波调制而成，第二驱动信号由第二调制波和第二载波调制而成，第三驱动信号由第三调制波和第三载波调制而成，第四驱动信号由第四调制波和第四载波调制而成，第五驱动信号由第五调制波和第五载波调制而成，第六驱动信号由第六调制波和第六载波调制而成，第七驱动信号由第七调制波和第七载波调制而成，第八驱动信号由第八调制波和第八载波调制而成；第一调制波和第二调制波的相位相同，第一载波的相位和第二载波的相位相差180度，第三调制波和第四调制波的相位相同，第三载波的相位和第四载波的相位相差180度；第五调制波和第六调制波的相位相同，第五载波的相位和第六载波的相位相差180度，第七调制波和第八调制波的相位相同，第七载波的相位和第八载波的相位相差180度；第一调制波和第三调制波的相位相同，第一载波的相位和第三载波的相位相差180度，第五调制波和第七调制波的相位相同，第五载波的相位和第七载波的相位相差180度；第一调制波和第五调制波的相位相同，第一载波和第五载波之间采用移相控制；

作为等同或者简单替换/增加的：所述输出滤波电感还可以集成到反相耦合的两绕组变压器中，或者说可把反相耦合的两绕组变压器的漏感用作输出滤波电感；还包括使用一个输出滤波电感、无需输出滤波电感、与(或)输出滤波电容，由感性负载本身构成滤波电路，比如用于工业变频器中；同时还包括接有第二级滤波电感，连接到所述由输出滤波电感和输出滤波电容的输出端，以构成LCL滤波电路。

使用新型三端开关网络的另一种级联型多电平单相全桥逆变器，其包括所述的所述的级联型多电平单相半桥逆变器的桥臂与一个级联型多电平单相全桥逆变桥臂，具体包括：两个输入电源，三个输入滤波电容，六个功率开关管及其体二极管，三个反相耦合的两绕组变压器，三个滤波电感和一个输出滤波电容，六个功率二极管；第一功率开关管的集电极和第二功率二极管的阴极及第三功率开关管的集电极和第四功率二极管的阴极与第一输入滤波电容的正极和第一输入电源的正极相连，第二功率开关管的发射极和第一功率二极管的阳极及第四功率开关管的发射极和第三功率二极管的阳极与第一输入滤波电容的负极和第一输入电源的负极相连；第一功率开关管的发射极和第一功率二极管的阴极与第一反相耦合变压器第一绕组的同名端相连，第二功率开关管的集电极和第二功率二极管的阳极与第一反相耦合变压器第二绕组的异名端相连；第三功率开关管的发射极和第三功率二极管的阴极与第二反相耦合变压器第一绕组的同名端相连，第四功率开关管的集电极和第四功率二极管的阳极与第二反相耦合变压器第二绕组的异名端相连；第五功率开关管的集电极和第六功率二极管的阴极与第二输入滤波电容的正极和第二输入电源的正极相连，第六功率开关管的发射极和第五功率二极管的阳极与第三输入滤波电容的负极和第二输入电源的负极相连，第二输入滤波电容的负极和与第三输入滤波电容的正极相连，构成中点；第五功率开关管的发射极和第五功率二极管的阴极与第三反相耦合变压器第一绕组的同名端相连，第六功率开关管的集电极和第六功率二极管的阳极与第三反相耦合变压器第二绕组的异名端相连；第一滤波电感的一端与第一反相耦合变压器第一绕组的异名端及第二绕组的同名端相连，第二滤波电感的一端与第二反相耦合变压器第一绕组的异名端及第二绕组的同名端相连，第三滤波电感的一端与第三反相耦合变压器第一绕组的异名端及第二绕组的同名端相连；第二滤波电感的另一端与第三滤波电感的另一端相连，输出滤波电容及输出负载的一端与第一滤波电感的另一端相连，另一端与中点相连；六个功率开关管由六个驱动信号驱动，其中第一驱动信号由第一调制波和第一载波调制而成，第二驱动信号由第二调制波和第二载波调制而成，第三驱动信号由第三调制波和第三载波调制而成，第四驱动信号由第四调制波和第四载波调制而成，第五驱动信号由第五调制波和第五载波调制而成，第六驱动信号由第六调制波和第六载波调制而成；第一调制波和第二调制波的相位相同，第一载波的相位和第二载波的相位相差180度，第三调制波和第四调制波的相位相同，第三载波的相位和第四载波的相位相差180度；第五调制波和第六调制波的相位相同，第五载波的相位和第六载波的相位相差180度；第一调制波和第三调制波的相位相同，第一载波的相位和第三载波的相位相差180度，第一调制波和第五调制波的相位相同，第一载波和第五载波之间采用移相控制；

作为等同或者简单替换/增加的：输出滤波电感还可以集成到反相耦合的两绕组变压器中，或者说可把反相耦合的两绕组变压器的漏感用作输出滤波电感；还包括使用一个输出滤波电感、无需输出滤波电感、与(或)输出滤波电容，由感性负载本身构成滤波电路，比如用于工业变频器中；同时还包括接有第二级滤波电感，连接到所述由输出滤波电感和输出滤波电容的输出端，以构成LCL滤波电路。

使用新型三端开关网络的半桥级联型多电平三相逆变器，其包括三个所述的所述的所述的级联型多电平单相半桥逆变器的桥臂，具体包括：六个输入电源，十二个输入滤波电容，十二个功率开关管及其体二极管，六个反相耦合的两绕组变压器，六个滤波电感和三个输出滤波电容，和十二个功率二极管；其中第一功率开关管的集电极和第二功率二极管的阴极及第一输入滤波电容的正极与第一输入电源的正极相连，第二功率开关管的发射极和第一功率二极管的阳极及第二输入滤波电容的负极与第一输入电源的负极相连，第一输入滤波电容的负极和与第二输入滤波电容的正极相连，构成第一中点；第一功率开关管的发射极和第一功率二极管的阴极与第一反相耦合变压器第一绕组的同名端相连，第二功率开关管的集电极和第二功率二极管的阳极与第一反相耦合变压器第二绕组的异名端相连；第三功率开关管的集电极和第四功率二极管的阴极及第三输入滤波电容的正极与第二输入电源的正极相连，第四功率开关管的发射极和第三功率二极管的阳极及第四输入滤波电容的负极与第二输入电源的负极相连，第三输入滤波电容的负极和与第四输入滤波电容的正极相连，构成第二中点；第三功率开关管的发射极和第三功率二极管的阴极与第二反相耦合变压器第一绕组的同名端相连，第四功率开关管的集电极和第四功率二极管的阳极与第二反相耦合变压器第二绕组的异名端相连；第一输出电感的一端与第一反相耦合变压器第一绕组的异名端及第二绕组的同名端相连，第二滤波电感的一端与第二反相耦合变压器第一绕组的异名端及第二绕组的同名端相连，第二滤波电感的另一端与第一中点相连；第一滤波电感的另一端经过第一输出滤波电容及输出负载实现A相输出，第一输出滤波电容及输出负载的另一端与第二中点相连；第五功率开关管的集电极和第六功率二极管的阴极及第五输入滤波电容的正极与第三输入电源的正极相连，第六功率开关管的发射极和第五功率二极管的阳极及第六输入滤波电容的负极与第三输入电源的负极相连，第五输入滤波电容的负极和与第六输入滤波电容的正极相连，构成第三中点；第五功率开关管的发射极和第五功率二极管的阴极与第三反相耦合变压器第一绕组的同名端相连，第六功率开关管的集电极和第六功率二极管的阳极与第三反相耦合变压器第二绕组的异名端相连；第七功率开关管的集电极和第八功率二极管的阴极及第七输入滤波电容的正极与第四输入电源的正极相连，第八功率开关管的发射极和第七功率二极管的阳极及第八输入滤波电容的负极与第四输入电源的负极相连，第七输入滤波电容的负极和与第八输入滤波电容的正极相连，构成第四中点；第七功率开关管的发射极和第七功率二极管的阴极与第四反相耦合变压器第一绕组的同名端相连，第八功率开关管的集电极和第八功率二极管的阳极与第四反相耦合变压器第二绕组的异名端相连；第三输出电感的一端与第三反相耦合变压器第一绕组的异名端及第二绕组的同名端相连，第四滤波电感的一端与第四反相耦合变压器第一绕组的异名端及第二绕组的同名端相连，第四滤波电感的另一端与第一中点相连；第三滤波电感的另一端经过第二输出滤波电容及输出负载实现B相输出，第二输出滤波电容及输出负载的另一端与第四中点相连；第九功率开关管的集电极和第十功率二极管的阴极及第九输入滤波电容的正极与第五输入电源的正极相连，第十功率开关管的发射极和第九功率二极管的阳极及第十输入滤波电容的负极与第五输入电源的负极相连，第九输入滤波电容的负极和与第十输入滤波电容的正极相连，构成第五中点；第九功率开关管的发射极和第九功率二极管的阴极与第五反相耦合变压器第一绕组的同名端相连，第十功率开关管的集电极和第十功率二极管的阳极与第五反相耦合变压器第二绕组的异名端相连；第十一功率开关管的集电极和第十二功率二极管的阴极及第十一输入滤波电容的正极与第六输入电源的正极相连，第十二功率开关管的发射极和第十一功率二极管的阳极及第十二输入滤波电容的负极与第六输入电源的负极相连，第十一输入滤波电容的负极和与第十二输入滤波电容的正极相连，构成第六中点；第十一功率开关管的发射极和第十一功率二极管的阴极与第六反相耦合变压器第一绕组的同名端相连，第十二功率开关管的集电极和第十二功率二极管的阳极与第六反相耦合变压器第二绕组的异名端相连；第五输出电感的一端与第五反相耦合变压器第一绕组的异名端及第二绕组的同名端相连，第六滤波电感的一端与第六反相耦合变压器第一绕组的异名端及第二绕组的同名端相连，第六滤波电感的另一端与第五中点相连；第五滤波电感的另一端经过第三输出滤波电容及输出负载实现C相输出，第三输出滤波电容及输出负载的另一端与第六中点相连；第二中点和第四中点与第六中点相连，构成输出N线；十二个功率开关管由十二个驱动信号驱动，其中第一驱动信号由第一调制波和第一载波调制而成，第二驱动信号由第二调制波和第二载波调制而成，第三驱动信号由第三调制波和第三载波调制而成，第四驱动信号由第四调制波和第四载波调制而成，第五驱动信号由第五调制波和第五载波调制而成，第六驱动信号由第六调制波和第六载波调制而成，第七驱动信号由第七调制波和第七载波调制而成，第八驱动信号由第八调制波和第八载波调制而成，第九驱动信号由第九调制波和第九载波调制而成，第十驱动信号由第十调制波和第十载波调制而成，第十一驱动信号由第十一调制波和第十一载波调制而成，第十二驱动信号由第十二调制波和第十二载波调制而成；第一调制波和第二调制波的相位相同，第一载波的相位和第二载波的相位相差180度，第三调制波和第四调制波的相位相同，第三载波的相位和第四载波的相位相差180度；第一调制波和第三调制波的相位相同，第一载波和第三载波之间采用移相控制；第五调制波和第六调制波的相位相同，第五载波的相位和第六载波的相位相差180度，第七调制波和第八调制波的相位相同，第七载波的相位和第八载波的相位相差180度；第五调制波和第七调制波的相位相同，第五载波和第七载波之间采用移相控制；第九调制波和第十调制波的相位相同，第九载波的相位和第十载波的相位相差180度，第十一调制波和第十二调制波的相位相同，第十一载波的相位和第十二载波的相位相差180度；第九调制波和第十一调制波的相位相同，第九载波和第十一载波之间采用移相控制；第一调制波和第五调制波与第九调制波的相位相同，第一载波和第五载波与第九载波的相位相差120度；

作为等同或者简单替换/增加的：所述输出滤波电感还可以集成到反相耦合的两绕组变压器中，或者说可把反相耦合的两绕组变压器的漏感用作输出滤波电感；还包括无需输出滤波电感、与(或)输出滤波电容，由感性负载本身构成滤波电路，比如用于工业变频器中；还包括接有第二级滤波电感，连接到所述由输出滤波电感和输出滤波电容的输出端，以构成LCL滤波电路。同时，这种新型三端开关网络也可使用于全桥级联型多电平三相逆变器，并且可适应有中性线(N)、及无中性线(N)的逆变器系统；还包括使用新型三端开关网络的级联型N电平逆变器，上述级联型多电平基本拓扑可向级联型N电平拓扑扩展。

应该强调，术语“包括/包含”在发明描述中使用时指特征、要素、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、要素、步骤或组件的存在或附加。

与现有技术相比，本发明创造的优点和效果包括：

本发明电路结构及控制简单，能够降低功率开关器件的通态损耗与开关损耗，并降低输出滤波电感损耗和成本，这种逆变器需要改进传统电压箝位型多电平拓扑的限制与不足。本发明采用耦合电感PWM载波移相技术，不但可扩展传统多电平逆变器的输出电平数、降低功率器件的损耗，而且大幅度降低输出电感器体积、损耗和成本，提高逆变器的效率、改进逆变器输出电压谐波与电能质量，降低逆变器的整机成本，因此具有极大的应用价值和广阔的市场前景。本发明可以广泛应用于直流-交流功率变换器(DC/AC)中，例如不间断电源(UPS)、光伏逆变器、风能变流器、工业变频器、及燃料电源发电系统等。

附图说明

图1A是根据本发明的实施例的使用新型三端开关网络的级联型多电平单相半桥逆变器的拓扑电路图；

图1B是用于图1A的使用新型三端开关网络的级联型多电平单相半桥逆变器在占空比(D)<0.5的驱动信号、输出中点电压、以及变压器激磁电流的波形图；

图1C是用于图1A的使用新型三端开关网络的级联型多电平单相半桥逆变器在占空比(D)>0.5的驱动信号、输出中点电压、以及变压器激磁电流的波形图；

图2是根据本发明的实施例的使用新型三端开关网络的级联型多电平单相全桥逆变器的拓扑电路图；

图3是根据本发明的实施例的使用新型三端开关网络的另一种级联型多电平单相全桥逆变器的拓扑电路图；

图4是根据本发明的实施例的使用新型三端开关网络的级联型多电平半桥桥臂三相逆变器的拓扑电路图；

图5是根据本发明的实施例的使用新型三端开关网络的级联型多电平全桥桥臂星形接法的三相逆变器的拓扑电路图；

图6是根据本发明的实施例的使用新型三端开关网络的级联型多电平全桥桥臂三角形接法的三相逆变器的拓扑电路图；

上述附图中的部件只是为了示出本发明的工作原理。在各附图中，按照本领域的惯常表达方式，相同的或类似的技术特征或部件将采用相同或类似的附图标记来表示。

具体实施方式

以下结合附图和实例对本发明的实施作进一步说明，但它并不是意图确定本发明的关键或重要部分，也不是意图限定本发明的范围。参照下面结合附图对本发明实施例的说明，会更加容易地理解本发明的以上和其它目的、特点和优点，若有未特别详细说明之处，均是本领域技术人员可参照现有技术实现的。

参见图1A，一种使用新型三端开关网络的级联型多电平单相半桥逆变器，包括：两个输入电源(V1、V2)，四个输入滤波电容(C1、C2、C3、C4)，四个功率开关管(S1、S2、S3、S4)及其体二极管(D1、D2、D3、D4)，两个反相耦合的两绕组变压器(T1、T2)，两个滤波电感(L1、L2)和一个输出滤波电容C5，四个功率二极管(D5、D6、D7、D8)。第一功率开关管S1的集电极和第二功率二极管D6的阴极及第一输入滤波电容C1的正极与第一输入电源V1的正极相连，第二功率开关管S2的发射极和第一功率二极管D5的阳极及第二输入滤波电容C2的负极与第一输入电源V1的负极相连，第一输入滤波电容C1的负极和与第二输入滤波电容C2的正极相连，构成第一中点0。第一功率开关管S1的发射极和第一功率二极管D5的阴极与第一反相耦合变压器T1第一绕组的同名端相连，第二功率开关管S2的集电极和第二功率二极管D6的阳极与第一反相耦合变压器第二绕组T1的异名端相连。第三功率开关管S3的集电极和第四功率二极管D8的阴极及第三输入滤波电容C3的正极与第二输入电源V2的正极相连，第四功率开关管S4的发射极和第三功率二极管D7的阳极及第四输入滤波电容C4的负极与第二输入电源V2的负极相连，第三输入滤波电容C3的负极和与第四输入滤波电容C4的正极相连，构成第二中点N。第三功率开关管S3的发射极和第三功率二极管D7的阴极与第二反相耦合变压器T2第一绕组的同名端相连，第四功率开关管S4的集电极和第四功率二极管D8的阳极与第二反相耦合变压器T2第二绕组的异名端相连。第一输出电感L1的一端与第一反相耦合变压器T1第一绕组的异名端及第二绕组的同名端相连，第二滤波电感L2的一端与第二反相耦合变压器T2第一绕组的异名端及第二绕组的同名端相连，第二滤波电感L2的另一端与第一中点0相连。输出滤波电容C5及输出负载的一端与第一滤波电感L1的另一端相连，另一端与第二中点N相连。

为了表述简洁及符合本领域的惯常表述，以下描述中涉及的元器件的数字或字母标记与前述标记代表相同的含义，在不影响本领域技术人员理解的情况下，个别地方仅用标记而不给出部件全称。

以下仅仅为举例。

第一功率开关管S1的占空比D<0.5时，一个完整的正弦波正周期内，使用新型三端开关网络的级联型多电平单相半桥逆变器存在四个工作模态，如图1B所示。

t0～t1：功率开关管(S1、S2、S4)导通、功率二极管D7续流导通，“b”点电压为输入电压V₁的正极、“c”点电压为输入电压V₁的负极，因此反相耦合变压器T1的两端电压V_bc＝+V₁。反相耦合变压器T1与输出滤波电感连接的中点“a”到第一中点的电压差V_a0＝0，这个电压差称为第一逆变中点电压。同时，“e”点电压为输入电压V₂的负极、“f”点电压也为输入电压V₂的负极，因此反相耦合变压器T2的两端电压为V_ef＝0。反相耦合变压器T2与输出滤波电感连接的中点“d”到第二中点的电压差这个电压差称为第二逆变中点电压。因此，总输出电压为 $V_{\mathrm{aN}}=V_{a0}+V_{\mathrm{dN}}=0-\frac{1}{2}{V}_2=-\frac{1}{2}{V}_{\mathrm{in}}$ (设V₁＝V₂＝V_in)。

t1～t2：第一功率开关管S1开始关断，S2、S4继续导通，功率二极管(D5、D7)续流导通，“b”点电压为输入电压V₁的负极、“c”点电压也为输入电压V₁的负极，因此反相耦合变压器T1的两端电压V_bc＝0，第一逆变中点电压同时，“e”点电压为输入电压V₂的负极、“f”点电压也为输入电压V₂的负极，因此反相耦合变压器T2的两端电压V_ef＝0，第二逆变中点电压 $V_{\mathrm{dN}}=-\frac{1}{2}{V}_2.$ 因此，总输出电压 $V_{\mathrm{aN}}=V_{a0}+V_{\mathrm{dN}}=-\frac{1}{2}{V}_{\mathrm{in}}-\frac{1}{2}{V}_{\mathrm{in}}=-\frac{1}{4}{V}_{\mathrm{in}}.$

t2～t3、t3～t4的过程相似，在此不再赘述。

占空比D<0.5总输出电压V_aN可实现0、三种电平。

第一功率开关管S1的占空比D>0.5时，一个完整的工作周期内，使用新型三端开关网络的级联型多电平单相半桥逆变器存在四个工作模态，如图1C所示，工作过程与占空比D<0.5相似，在此不再赘述。

占空比D<0.5可实现0三种电平。

因此，占空比全范围下可实现0、五种电平。

图2的使用新型三端开关网络的级联型多电平单相全桥逆变器，图3的另一种使用新型三端开关网络的级联型多电平单相全桥逆变器，图4的使用新型三端开关网络的级联型多电平半桥桥臂三相逆变器，图5的使用新型三端开关网络的级联型多电平全桥桥臂星形接法的三相逆变器，及图6的使用新型三端开关网络的级联型多电平全桥桥臂三角形接法的三相逆变器，基本工作原理、所采用的驱动信号与图1的多电平单相半桥逆变器类似，在此不再赘述。图4、5、6可适应有中性线N、及无中性线N的逆变器系统。另外，由上述级联型两电平基本拓扑可向级联型N电平拓扑扩展，构成使用新型三端开关网络的级联型N电平逆变器。图中的元器件符号与图1相同，其中C为电容，S为功率开关管，D为二极管(与图1一样，有功率开关管的体二极管和功率二极管)，T为反相耦合变压器，L为电感，R为负载。由于对本领域技术人员来说是清楚明确的，在此不再赘述。

本发明使用了四个功率开关管、四个功率二极管、及两个反相耦合变压器构成两个三端开关网络的级联，与两电平逆变拓扑比较，每个三端开关网络内的上、下桥臂功率开关管之间无需设置死区、并且能同时开通工作，在两个逆变中点实现多电平输出，从而改进输出电压谐波、减小输出滤波电感的尺寸与体积、降低开关器件损耗，因此降低系统材料成本、提高逆变器的系统性能。

本发明使用了两个级联的三端开关网络、及两个输出滤波电感，可选地，独立的输出滤波电感可集成到反相耦合的两绕组变压器中，或者说可把反相耦合的两绕组变压器的漏感用作输出滤波电感。

本发明中描述的功率开关管可以是绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)、金属氧化物半导体场效应晶体管(Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor，MOSFET)、门极可断晶闸管(GateTurn-off Thyristor，GTO)或任意其他适当的开关器件等。

本发明所提出的使用新型三端开关网络的级联型多电平单相逆变器和三相逆变器，可选地，单相或三相电压输出滤波后可以接一个单相或三相变压器。

根据本发明的实施例的逆变器或逆变器系统可以广泛应用于直流-交流功率变换器(DC/AC)中，例如不间断电源(UPS)、光伏逆变器、风能变流器、工业变频器、及燃料电源发电系统等。

本发明采用耦合电感PWM载波移相技术，不但可扩展传统多电平逆变器的输出电平数、降低功率器件的损耗，而且大幅度降低输出电感器体积、损耗和成本，提高逆变器的效率、改进逆变器输出电压谐波与电能质量，降低逆变器的整机成本，因此具有极大的应用价值和广阔的市场前景。

以上仅为本发明的较佳实施例，但是应当理解在不超出由所附的权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下可以进行各种改变、替代和变换。而且，本发明的范围不仅限于说明书所描述的过程、设备、手段、方法和步骤的具体实施例。本领域内的普通技术人员从本发明的公开内容将容易理解，根据本发明可以使用执行与在此的相应实施例基本相同的功能或者获得与其基本相同的结果的、现有和将来要被开发的过程、设备、手段、方法或者步骤。因此，所附的权利要求旨在它们的范围内包括这样的过程、设备、手段、方法或者步骤。

Claims (9)

1.使用新型三端开关网络的级联型多电平单相半桥逆变器，其特征在于包括：两个输入电源，四个输入滤波电容，四个功率开关管及其体二极管，两个反相耦合的两绕组变压器，两个滤波电感和一个输出滤波电容，和四个功率二极管；其中第一功率开关管的集电极和第二功率二极管的阴极及第一输入滤波电容的正极与第一输入电源的正极相连，第二功率开关管的发射极和第一功率二极管的阳极及第二输入滤波电容的负极与第一输入电源的负极相连，第一输入滤波电容的负极和与第二输入滤波电容的正极相连，构成第一中点；第一功率开关管的发射极和第一功率二极管的阴极与第一反相耦合变压器第一绕组的同名端相连，第二功率开关管的集电极和第二功率二极管的阳极与第一反相耦合变压器第二绕组的异名端相连；第三功率开关管的集电极和第四功率二极管的阴极及第三输入滤波电容的正极与第二输入电源的正极相连，第四功率开关管的发射极和第三功率二极管的阳极及第四输入滤波电容的负极与第二输入电源的负极相连，第三输入滤波电容的负极和与第四输入滤波电容的正极相连，构成第二中点；第三功率开关管的发射极和第三功率二极管的阴极与第二反相耦合变压器第一绕组的同名端相连，第四功率开关管的集电极和第四功率二极管的阳极与第二反相耦合变压器第二绕组的异名端相连；第一输出电感的一端与第一反相耦合变压器第一绕组的异名端及第二绕组的同名端相连，第二滤波电感的一端与第二反相耦合变压器第一绕组的异名端及第二绕组的同名端相连，第二滤波电感的另一端与第一中点相连；输出滤波电容及输出负载的一端与第一滤波电感的另一端相连，另一端与第二中点相连；四个功率开关管由四个驱动信号驱动，其中第一驱动信号由第一调制波和第一载波调制而成，第二驱动信号由第二调制波和第二载波调制而成，第三驱动信号由第三调制波和第三载波调制而成，第四驱动信号由第四调制波和第四载波调制而成；所述第一调制波和第二调制波的相位相同，第一载波的相位和第二载波的相位相差180度，第三调制波和第四调制波的相位相同，第三载波的相位和第四载波的相位相差180度；第一调制波和第三调制波的相位相同，第一载波和第三载波之间采用移相控制；

所述输出滤波电感还能集成到反相耦合的两绕组变压器中，或者把反相耦合的两绕组变压器的漏感用作所述滤波电感；或者无需滤波电感、与/或无需输出滤波电容，由感性负载本身构成滤波电路。

2.根据权利要求1所述的使用新型三端开关网络的级联型多电平单相半桥逆变器，其特征在于还包括第二级滤波电感，连接到由所述输出滤波电感和输出滤波电容构成的输出端，以构成LCL滤波电路。

3.使用新型三端开关网络的级联型多电平单相全桥逆变器，其特征在于包括两个权利要求1所述的级联型多电平单相半桥逆变器的桥臂，具体包括：两个输入电源，两个输入滤波电容，八个功率开关管及其体二极管，四个反相耦合的两绕组变压器，四个滤波电感和一个输出滤波电容，和八个功率二极管；其中第一功率开关管的集电极和第二功率二极管的阴极及第三功率开关管的集电极和第四功率二极管的阴极与第一输入滤波电容的正极和第一输入电源的正极相连，第二功率开关管的发射极和第一功率二极管的阳极及第四功率开关管的发射极和第三功率二极管的阳极与第一输入滤波电容的负极和第一输入电源的负极相连；第一功率开关管的发射极和第一功率二极管的阴极与第一反相耦合变压器第一绕组的同名端相连，第二功率开关管的集电极和第二功率二极管的阳极与第一反相耦合变压器第二绕组的异名端相连；第三功率开关管的发射极和第三功率二极管的阴极与第二反相耦合变压器第一绕组的同名端相连，第四功率开关管的集电极和第四功率二极管的阳极与第二反相耦合变压器第二绕组的异名端相连；第五功率开关管的集电极和第六功率二极管的阴极及第七功率开关管的集电极和第八功率二极管的阴极与第二输入滤波电容的正极和第二输入电源的正极相连，第六功率开关管的发射极和第五功率二极管的阳极及第八功率开关管的发射极和第七功率二极管的阳极与第二输入滤波电容的负极和第二输入电源的负极相连；第五功率开关管的发射极和第五功率二极管的阴极与第三反相耦合变压器第一绕组的同名端相连，第六功率开关管的集电极和第六功率二极管的阳极与第三反相耦合变压器第二绕组的异名端相连；第七功率开关管的发射极和第七功率二极管的阴极与第四反相耦合变压器第一绕组的同名端相连，第八功率开关管的集电极和第八功率二极管的阳极与第四反相耦合变压器第二绕组的异名端相连；第一滤波电感的一端与第一反相耦合变压器第一绕组的异名端及第二绕组的同名端相连，第二滤波电感的一端与第二反相耦合变压器第一绕组的异名端及第二绕组的同名端相连，第三滤波电感的一端与第三反相耦合变压器第一绕组的异名端及第二绕组的同名端相连，第四滤波电感的一端与第四反相耦合变压器第一绕组的异名端及第二绕组的同名端相连；第二滤波电感的另一端与第三滤波电感的另一端相连，输出滤波电容及输出负载的一端与第一滤波电感的另一端相连，另一端与第四滤波电感的另一端相连；八个功率开关管由八个驱动信号驱动，其中第一驱动信号由第一调制波和第一载波调制而成，第二驱动信号由第二调制波和第二载波调制而成，第三驱动信号由第三调制波和第三载波调制而成，第四驱动信号由第四调制波和第四载波调制而成，第五驱动信号由第五调制波和第五载波调制而成，第六驱动信号由第六调制波和第六载波调制而成，第七驱动信号由第七调制波和第七载波调制而成，第八驱动信号由第八调制波和第八载波调制而成；第一调制波和第二调制波的相位相同，第一载波的相位和第二载波的相位相差180度，第三调制波和第四调制波的相位相同，第三载波的相位和第四载波的相位相差180度；第五调制波和第六调制波的相位相同，第五载波的相位和第六载波的相位相差180度，第七调制波和第八调制波的相位相同，第七载波的相位和第八载波的相位相差180度；第一调制波和第三调制波的相位相同，第一载波的相位和第三载波的相位相差180度，第五调制波和第七调制波的相位相同，第五载波的相位和第七载波的相位相差180度；第一调制波和第五调制波的相位相同，第一载波和第五载波之间采用移相控制；

所述输出滤波电感还能集成到反相耦合的两绕组变压器中，或者把反相耦合的两绕组变压器的漏感用作所述输出滤波电感；或者仅用一个输出滤波电感、或者无需输出滤波电感、与/或无需输出滤波电容，由感性负载本身构成滤波电路。

4.根据权利要求1所述的使用新型三端开关网络的级联型多电平单相全桥逆变器，其特征在于还还包括第二级滤波电感，连接到由所述输出滤波电感和输出滤波电容构成的输出端，以构成LCL滤波电路。

5.使用新型三端开关网络的另一种级联型多电平单相全桥逆变器，其特征在于包括权利要求1所述的所述的级联型多电平单相半桥逆变器的桥臂与一个级联型多电平单相全桥逆变桥臂，具体包括：两个输入电源，三个输入滤波电容，六个功率开关管及其体二极管，三个反相耦合的两绕组变压器，三个滤波电感和一个输出滤波电容，六个功率二极管；第一功率开关管的集电极和第二功率二极管的阴极及第三功率开关管的集电极和第四功率二极管的阴极与第一输入滤波电容的正极和第一输入电源的正极相连，第二功率开关管的发射极和第一功率二极管的阳极及第四功率开关管的发射极和第三功率二极管的阳极与第一输入滤波电容的负极和第一输入电源的负极相连；第一功率开关管的发射极和第一功率二极管的阴极与第一反相耦合变压器第一绕组的同名端相连，第二功率开关管的集电极和第二功率二极管的阳极与第一反相耦合变压器第二绕组的异名端相连；第三功率开关管的发射极和第三功率二极管的阴极与第二反相耦合变压器第一绕组的同名端相连，第四功率开关管的集电极和第四功率二极管的阳极与第二反相耦合变压器第二绕组的异名端相连；第五功率开关管的集电极和第六功率二极管的阴极与第二输入滤波电容的正极和第二输入电源的正极相连，第六功率开关管的发射极和第五功率二极管的阳极与第三输入滤波电容的负极和第二输入电源的负极相连，第二输入滤波电容的负极和与第三输入滤波电容的正极相连，构成中点；第五功率开关管的发射极和第五功率二极管的阴极与第三反相耦合变压器第一绕组的同名端相连，第六功率开关管的集电极和第六功率二极管的阳极与第三反相耦合变压器第二绕组的异名端相连；第一滤波电感的一端与第一反相耦合变压器第一绕组的异名端及第二绕组的同名端相连，第二滤波电感的一端与第二反相耦合变压器第一绕组的异名端及第二绕组的同名端相连，第三滤波电感的一端与第三反相耦合变压器第一绕组的异名端及第二绕组的同名端相连；第二滤波电感的另一端与第三滤波电感的另一端相连，输出滤波电容及输出负载的一端与第一滤波电感的另一端相连，另一端与中点相连；六个功率开关管由六个驱动信号驱动，其中第一驱动信号由第一调制波和第一载波调制而成，第二驱动信号由第二调制波和第二载波调制而成，第三驱动信号由第三调制波和第三载波调制而成，第四驱动信号由第四调制波和第四载波调制而成，第五驱动信号由第五调制波和第五载波调制而成，第六驱动信号由第六调制波和第六载波调制而成；第一调制波和第二调制波的相位相同，第一载波的相位和第二载波的相位相差180度，第三调制波和第四调制波的相位相同，第三载波的相位和第四载波的相位相差180度；第五调制波和第六调制波的相位相同，第五载波的相位和第六载波的相位相差180度；第一调制波和第三调制波的相位相同，第一载波的相位和第三载波的相位相差180度，第一调制波和第五调制波的相位相同，第一载波和第五载波之间采用移相控制；

所述独立的输出滤波电感还能集成到反相耦合的两绕组变压器中，或者把反相耦合的两绕组变压器的漏感用作所述输出滤波电感；或者仅使用一个输出滤波电感、或无需输出滤波电感与/或输出滤波电容，由感性负载本身构成滤波电路。

6.根据权利要求5所述的使用新型三端开关网络的另一种级联型多电平单相全桥逆变器，其特征在于还包括第二级滤波电感，连接到由所述输出滤波电感和输出滤波电容构成的输出端，以构成LCL滤波电路。

7.使用新型三端开关网络的半桥级联型多电平三相逆变器，其特征在于包括三个权利要求1所述的所述的所述的级联型多电平单相半桥逆变器的桥臂，具体包括：六个输入电源，十二个输入滤波电容，十二个功率开关管及其体二极管，六个反相耦合的两绕组变压器，六个滤波电感和三个输出滤波电容，和十二个功率二极管；其中第一功率开关管的集电极和第二功率二极管的阴极及第一输入滤波电容的正极与第一输入电源的正极相连，第二功率开关管的发射极和第一功率二极管的阳极及第二输入滤波电容的负极与第一输入电源的负极相连，第一输入滤波电容的负极和与第二输入滤波电容的正极相连，构成第一中点；第一功率开关管的发射极和第一功率二极管的阴极与第一反相耦合变压器第一绕组的同名端相连，第二功率开关管的集电极和第二功率二极管的阳极与第一反相耦合变压器第二绕组的异名端相连；第三功率开关管的集电极和第四功率二极管的阴极及第三输入滤波电容的正极与第二输入电源的正极相连，第四功率开关管的发射极和第三功率二极管的阳极及第四输入滤波电容的负极与第二输入电源的负极相连，第三输入滤波电容的负极和与第四输入滤波电容的正极相连，构成第二中点；第三功率开关管的发射极和第三功率二极管的阴极与第二反相耦合变压器第一绕组的同名端相连，第四功率开关管的集电极和第四功率二极管的阳极与第二反相耦合变压器第二绕组的异名端相连；第一输出电感的一端与第一反相耦合变压器第一绕组的异名端及第二绕组的同名端相连，第二滤波电感的一端与第二反相耦合变压器第一绕组的异名端及第二绕组的同名端相连，第二滤波电感的另一端与第一中点相连；第一滤波电感的另一端经过第一输出滤波电容及输出负载实现A相输出，第一输出滤波电容及输出负载的另一端与第二中点相连；第五功率开关管的集电极和第六功率二极管的阴极及第五输入滤波电容的正极与第三输入电源的正极相连，第六功率开关管的发射极和第五功率二极管的阳极及第六输入滤波电容的负极与第三输入电源的负极相连，第五输入滤波电容的负极和与第六输入滤波电容的正极相连，构成第三中点；第五功率开关管的发射极和第五功率二极管的阴极与第三反相耦合变压器第一绕组的同名端相连，第六功率开关管的集电极和第六功率二极管的阳极与第三反相耦合变压器第二绕组的异名端相连；第七功率开关管的集电极和第八功率二极管的阴极及第七输入滤波电容的正极与第四输入电源的正极相连，第八功率开关管的发射极和第七功率二极管的阳极及第八输入滤波电容的负极与第四输入电源的负极相连，第七输入滤波电容的负极和与第八输入滤波电容的正极相连，构成第四中点；第七功率开关管的发射极和第七功率二极管的阴极与第四反相耦合变压器第一绕组的同名端相连，第八功率开关管的集电极和第八功率二极管的阳极与第四反相耦合变压器第二绕组的异名端相连；第三输出电感的一端与第三反相耦合变压器第一绕组的异名端及第二绕组的同名端相连，第四滤波电感的一端与第四反相耦合变压器第一绕组的异名端及第二绕组的同名端相连，第四滤波电感的另一端与第一中点相连；第三滤波电感的另一端经过第二输出滤波电容及输出负载实现B相输出，第二输出滤波电容及输出负载的另一端与第四中点相连；第九功率开关管的集电极和第十功率二极管的阴极及第九输入滤波电容的正极与第五输入电源的正极相连，第十功率开关管的发射极和第九功率二极管的阳极及第十输入滤波电容的负极与第五输入电源的负极相连，第九输入滤波电容的负极和与第十输入滤波电容的正极相连，构成第五中点；第九功率开关管的发射极和第九功率二极管的阴极与第五反相耦合变压器第一绕组的同名端相连，第十功率开关管的集电极和第十功率二极管的阳极与第五反相耦合变压器第二绕组的异名端相连；第十一功率开关管的集电极和第十二功率二极管的阴极及第十一输入滤波电容的正极与第六输入电源的正极相连，第十二功率开关管的发射极和第十一功率二极管的阳极及第十二输入滤波电容的负极与第六输入电源的负极相连，第十一输入滤波电容的负极和与第十二输入滤波电容的正极相连，构成第六中点；第十一功率开关管的发射极和第十一功率二极管的阴极与第六反相耦合变压器第一绕组的同名端相连，第十二功率开关管的集电极和第十二功率二极管的阳极与第六反相耦合变压器第二绕组的异名端相连；第五输出电感的一端与第五反相耦合变压器第一绕组的异名端及第二绕组的同名端相连，第六滤波电感的一端与第六反相耦合变压器第一绕组的异名端及第二绕组的同名端相连，第六滤波电感的另一端与第五中点相连；第五滤波电感的另一端经过第三输出滤波电容及输出负载实现C相输出，第三输出滤波电容及输出负载的另一端与第六中点相连；第二中点和第四中点与第六中点相连，构成输出N线；十二个功率开关管由十二个驱动信号驱动，其中第一驱动信号由第一调制波和第一载波调制而成，第二驱动信号由第二调制波和第二载波调制而成，第三驱动信号由第三调制波和第三载波调制而成，第四驱动信号由第四调制波和第四载波调制而成，第五驱动信号由第五调制波和第五载波调制而成，第六驱动信号由第六调制波和第六载波调制而成，第七驱动信号由第七调制波和第七载波调制而成，第八驱动信号由第八调制波和第八载波调制而成，第九驱动信号由第九调制波和第九载波调制而成，第十驱动信号由第十调制波和第十载波调制而成，第十一驱动信号由第十一调制波和第十一载波调制而成，第十二驱动信号由第十二调制波和第十二载波调制而成；第一调制波和第二调制波的相位相同，第一载波的相位和第二载波的相位相差180度，第三调制波和第四调制波的相位相同，第三载波的相位和第四载波的相位相差180度；第一调制波和第三调制波的相位相同，第一载波和第三载波之间采用移相控制；第五调制波和第六调制波的相位相同，第五载波的相位和第六载波的相位相差180度，第七调制波和第八调制波的相位相同，第七载波的相位和第八载波的相位相差180度；第五调制波和第七调制波的相位相同，第五载波和第七载波之间采用移相控制；第九调制波和第十调制波的相位相同，第九载波的相位和第十载波的相位相差180度，第十一调制波和第十二调制波的相位相同，第十一载波的相位和第十二载波的相位相差180度；第九调制波和第十一调制波的相位相同，第九载波和第十一载波之间采用移相控制；第一调制波和第五调制波与第九调制波的相位相同，第一载波和第五载波与第九载波的相位相差120度；

   所述输出滤波电感还能集成到反相耦合的两绕组变压器中，或者把反相耦合的两绕组变压器的漏感用作所述输出滤波电感；或者无需输出滤波电感、与/或无需输出滤波电容，由感性负载本身构成滤波电路。

8.根据权利要求7所述的使用新型三端开关网络的半桥级联型多电平三相逆变器，其特征在于还包括第二级滤波电感，连接到由所述输出滤波电感和输出滤波电容构成的输出端，以构成LCL滤波电路。

9.根据权利要求7所述的使用新型三端开关网络的半桥级联型多电平三相逆变器，其特征在于该变压器能适应有中性线(N)或无中性线(N)的逆变器系统。