CN104935197A - 一种多电平变换器及供电系统 - Google Patents

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Abstract

本发明的实施例提供一种多电平变换器及供电系统。涉及电力电子领域，能够有效降低耦合电感的加工难度，简化电路结构。包括：至少一个变换单元，包括至少N个交错并联的桥臂，所述N为大于或等于3的整数，使所述变换单元输出2[（M-1）×N]+1个电平信号，所述M为所述变换单元接收的电平个数，所述M为大于或等于3的整数；直流输入单元，为所述变换单元提供所述直流电；分压单元，所述分压单元的输入端连接所述直流输入单元的输出端，所述分压单元的输出端连接所述变换单元的输入端；至少一个滤波单元，所述滤波单元与所述变换单元连接，输出所述交流电。本发明实施例提供的多电平变换器及供电系统用于直流电转化为交流电。

Description

一种多电平变换器及供电系统
技术领域
本发明涉及电力电子领域，尤其涉及一种多电平变换器及供电系统。
背景技术
多电平变换器是将直流电（DC）转化为随时间变化呈现多个电平的交流电（AC）、将随时间变化呈现多个电平的交流电转化为直流电、将直流电转化为直流电或交流电转化为交流电的装置，主要应用于高压大功率电机调速、无功补偿或有源滤波等领域。所述交流电一般为220v，50HZ的正弦波或方波，所述直流电可以是如电池、蓄电瓶等提供的直流电能。
多电平变换器可以采用二极管嵌位T性三电平拓扑实现三个电平的输出，还可以通过在二极管嵌位T性三电平拓扑的基础上增加功率半导体器件或者通过低电平拓扑串联实现更多个数的电平输出，但是，多电平变换器的整个拓扑的控制逻辑复杂度较高。
现有技术中，为了降低多电平变换器的整个拓扑的控制逻辑复杂度，多电平变换器还可以通过交错并联2个两电平输入的桥臂，在多电平变换器的工作时间周期内使交错并联的2个两电平输入的桥臂的开关管交错接通或断开，实现三个电平的输出，且每个所述桥臂与耦合电感连接，所述耦合电感根据2个桥臂的开关管交错接通或断开串联，实现对输出的电平信号进行滤波消除纹波，每个所述桥臂包括两个开关管。若需要多电平变换器实现更多个数的电平的输出，可以在所述2个两电平输入的桥臂的基础上交错并联更多的两电平输入的桥臂，实现多个电平的输出，并结合所述耦合电感实现对输出的电平信号进行滤波消除纹波。但是，当交错并联更多的两电平输入的桥臂，实现多个电平的输出时，所述桥臂与所述耦合电感的连接路数增多，例如交错并联4个两电平输入的桥臂，实现7个电平的输出时，4个两电平输入的桥臂与所述耦合电感连接需要四路，因此，导致耦合电感的加工复杂度较高，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变换器及供电系统，能够有效降低耦合电感的加工难度，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，提供一种多电平变换器，包括：
至少一个变换单元，所述变换单元包括：2个并联的多电平桥臂组，所述2个多电平桥臂组包括第一多电平桥臂组和第二多电平桥臂组，每个所述多电平桥臂组包括：桥臂组和耦合电感，所述桥臂组与所述耦合电感连接，所述耦合电感用于对所述桥臂组输出的电平信号滤波；
其中，所述桥臂组包括至少N个交错并联的桥臂，每个所述桥臂与所述耦合电感连接，所述N为大于或等于3的整数；
在高频周期内，所述桥臂组中每个所述桥臂的高频驱动信号与每个所述桥臂相邻的桥臂的高频驱动信号相位错开360/N度，所述第一多电平桥臂组中每个所述桥臂的高频驱动信号与所述第二多电平桥臂组中相对应所述每个所述桥臂的桥臂的高频驱动信号相位错开360/2N度；
在工频周期内，所述2个并联的多电平桥臂组的高频驱动信号相位错开180度，使得所述2个并联的多电平桥臂组输出的电平信号相位错开180度，从而使所述变换单元输出2[（M-1）×N]+1个电平信号，所述M为所述变换单元接收的电平个数，所述M为大于或等于3的整数；
直流输入单元，用于输入直流电，为所述变换单元提供所述直流电；
分压单元，用于将所述直流输入单元提供的所述直流电分为至少三个电平的直流电，所述分压单元的输入端与所述直流输入单元的输出端连接，所述分压单元的输出端与每个所述变换单元的输入端连接，其中，所述分压单元的输出端分别与每个所述变换单元中的每个所述桥臂的输入端连接；
至少一个滤波单元，用于将所述变换单元输出的电平信号进行变压转化为交流电，同时对所述交流电进行滤波，输出所述交流电，每个所述滤波单元的输入端分别与一个不同的所述变换单元的输出端连接，所述滤波单元与所述变换单元串联。
结合第一方面，在第一种可实现方式中，
每个所述桥臂包括至少一个开关管，所述开关管为功率器件。
结合第一种可实现方式，在第二种可实现方式中，
所述滤波单元包括隔离变压器和电容，所述隔离变压器用于将所述变换单元输出的电平信号进行变压转化为所述交流电，同时通过所述隔离变压器的漏感对所述变换单元输出的电平信号进行滤波和通过所述电容对所述交流电进行滤波。
结合第一种可实现方式，在第三种可实现方式中，
所述滤波单元包括隔离变压器和无源滤波器，所述隔离变压器用于将所述变换单元输出的电平信号进行变压转化为所述交流电，同时通过所述隔离变压器的漏感对所述变换单元输出的电平信号进行滤波和通过所述无源滤波器对所述交流电进行滤波。
第二方面，提供一种多电平变换器，包括：
至少一个变换单元，所述变换单元包括：2个并联的多电平桥臂组，所述2个多电平桥臂组包括第一多电平桥臂组和第二多电平桥臂组，每个所述多电平桥臂组包括：桥臂组和耦合电感，所述桥臂组与所述耦合电感连接，所述耦合电感用于对输入至所述桥臂组的电平信号进行滤波；
其中，所述桥臂组包括至少N个交错并联的桥臂，每个所述桥臂与所述耦合电感连接，所述N为大于或等于3的整数；
在高频周期内，所述桥臂组中每个所述桥臂的高频驱动信号与每个所述桥臂相邻的桥臂的高频驱动信号相位错开360/N度，所述第一多电平桥臂组中每个所述桥臂的高频驱动信号与所述第二多电平桥臂组中相对应所述每个所述桥臂的桥臂的高频驱动信号相位错开360/2N度；
在工频周期内，所述2个并联的多电平桥臂组的高频驱动信号相位错开180度，使得所述2个并联的多电平桥臂组输入的电平信号相位错开180度，从而对所述变换单元接收到的2[（M-1）×N]+1个电平信号进行转化，输出至少三个电平的直流电，所述M为所述变换单元输出的电平个数，所述M为大于或等于3的整数；
交流输入单元，用于输入交流电，为所述变换单元提供所述交流电；
至少一个滤波单元，用于将所述交流输入单元输入的交流电进行变压转化为电平信号，同时对所述交流电进行滤波，将所述电平信号输出至所述变换单元，每个所述滤波单元的输入端连接所述交流输入单元的输出端，每个所述滤波单元的输出端分别与一个不同的所述变换单元的输入端连接，所述滤波单元与所述变换单元串联；
分压单元，用于将所述变换单元输出的至少三个电平的直流电转换为两电平的直流电，所述分压单元的输入端与每个所述变换单元的输出端连接，其中，所述分压单元的输入端分别与每个所述变换单元中的每个所述桥臂的输出端连接；
直流输出单元，用于接收所述分压单元输出的直流电，输出所述直流电，所述分压单元的输出端连接所述直流输出单元的输入端。
结合第二方面，在第一种可实现方式中，
每个所述桥臂包括至少一个开关管，所述开关管为功率器件。
结合第一种可实现方式，在第二种可实现方式中，
所述滤波单元包括隔离变压器和电容，所述隔离变压器用于将所述交流输入单元输入的交流电进行变压转化为电平信号，同时通过所述隔离变压器的漏感对所述电平信号进行滤波和通过所述电容对所述交流电进行滤波，输出所述电平信号。
结合第一种可实现方式，在第三种可实现方式中，
所述滤波单元包括隔离变压器和无源滤波器，所述隔离变压器用于将所述交流输入单元输入的交流电进行变压转化为电平信号，同时通过所述隔离变压器的漏感对所述电平信号进行滤波和通过所述无源滤波器对所述交流电进行滤波，输出所述电平信号。
第三方面，提供一种供电系统，包括：负载以及以上任意所述的多电平变换器中至少一个，所述多电平变换器用于将交流电转化为直流电或将直流电转化为交流电，以为所述负载提供直流电或交流电。
本发明实施例提供一种多电平变换器及供电系统，所述多电平变换器包括：至少一个变换单元，所述变换单元包括：至少一个变换单元，所述变换单元包括：2个并联的多电平桥臂组，所述2个多电平桥臂组包括第一多电平桥臂组和第二多电平桥臂组，每个所述多电平桥臂组包括：桥臂组和耦合电感，所述桥臂组与所述耦合电感连接，所述耦合电感用于对所述桥臂组输出的电平信号滤波；其中，所述桥臂组包括至少N个交错并联的桥臂，每个所述桥臂与所述耦合电感连接，所述N为大于或等于3的整数；在高频周期内，所述桥臂组中每个所述桥臂的高频驱动信号与每个所述桥臂相邻的桥臂的高频驱动信号相位错开360/N度，所述第一多电平桥臂组中每个所述桥臂的高频驱动信号与所述第二多电平桥臂组中相对应所述每个所述桥臂的桥臂的高频驱动信号相位错开360/2N度；在工频周期内，所述2个并联的多电平桥臂组的高频驱动信号相位错开180度，使得所述2个并联的多电平桥臂组输出的电平信号相位错开180度，从而使所述变换单元输出2[（M-1）×N]+1个电平信号，所述M为所述变换单元接收的电平个数，所述M为大于或等于3的整数；直流输入单元，用于输入直流电，为所述变换单元提供所述直流电；分压单元，用于将所述直流输入单元提供的所述直流电分为至少三个电平的直流电，所述分压单元的输入端与所述直流输入单元的输出端连接，所述分压单元的输出端与每个所述变换单元的输入端连接，其中，所述分压单元的输出端分别与每个所述变换单元中的每个所述桥臂的输入端连接；至少一个滤波单元，用于将所述变换单元输出的电平信号进行变压转化为交流电，同时对所述交流电进行滤波，输出所述交流电，每个所述滤波单元的输入端分别与一个不同的所述变换单元的输出端连接，所述滤波单元与所述变换单元串联。这样一来，通过采用2个并联的多电平桥臂组，每个所述多电平桥臂组包括桥臂组与耦合电感，且该桥臂组与该耦合电感连接，实现2个并联的多电平桥臂组输出2[（M-1）×N]+1个电平信号，相对于现有技术，在输出电平信号个数相等的情况下采用多电平桥臂组，能够有效地降低耦合电感的加工难度，简化电路结构。
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-a为本发明实施例提供的一种多电平变换器结构示意图；
图1-b为本发明实施例提供的另一种多电平变换器结构示意图；
图2为本发明实施例提供的又一种多电平变换器结构示意图；
图3为本发明实施例提供的一种多电平变换器输出电压示意图；
图4为本发明实施例提供的一种多电平变换器中的电压波形图；
图5-a为本发明实施例提供的另一种多电平变换器中的电压波形图；
图5-b为本发明实施例提供的又一种多电平变换器中的电压波形图；
图6为本发明实施例提供的再一种多电平变换器结构示意图；
图7为本发明实施例提供的另再一种多电平变换器结构示意图；
图8为本发明实施例提供的又再一种多电平变换器结构示意图；
图9-a为本发明实施例提供的再再一种多电平变换器结构示意图；
图9-b为本发明实施例提供的另另一种多电平变换器结构示意图；
图10为本发明实施例提供的另又一种多电平变换器结构示意图；
图11为本发明实施例提供的另一种多电平变换器输出电压示意图；
图12-a为本发明实施例提供的又一种多电平变换器中的电压波形图；
图12-b为本发明实施例提供的再一种多电平变换器中的电压波形图；
图13为本发明实施例提供的另再一种多电平变换器中的电压波形图；
图14为本发明实施例提供的又又一种多电平变换器结构示意图；
图15为本发明实施例提供的又另一种多电平变换器结构示意图；
图16为本发明实施例提供的又再一种多电平变换器结构示意图；
图17为本发明实施例提供的又另又一种多电平变换器结构示意图；
图18为本发明实施例提供的又另再一种多电平变换器结构示意图；
图19为本发明实施例提供的另又又一种多电平变换器结构示意图；
图20为本发明实施例提供的另又再一种多电平变换器结构示意图。
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变换器，如图1-a所示，包括：
至少一个变换单元10，所述变换单元包括：2个并联的多电平桥臂组，所述2个多电平桥臂组包括第一多电平桥臂组和第二多电平桥臂组，每个所述多电平桥臂组包括：桥臂组和耦合电感，所述桥臂组与所述耦合电感连接，所述耦合电感用于对所述桥臂组输出的电平信号滤波；
其中，所述桥臂组包括至少N个交错并联的桥臂，每个所述桥臂与所述耦合电感连接，所述N为大于或等于3的整数；
在高频周期内，所述桥臂组中每个所述桥臂的高频驱动信号与每个所述桥臂相邻的桥臂的高频驱动信号相位错开360/N度，所述第一多电平桥臂组中每个所述桥臂的高频驱动信号与所述第二多电平桥臂组中相对应所述每个所述桥臂的桥臂的高频驱动信号相位错开360/2N度；
在工频周期内，所述2个并联的多电平桥臂组的高频驱动信号相位错开180度，使得所述2个并联的多电平桥臂组输出的电平信号相位错开180度，从而使所述变换单元输出2[（M-1）×N]+1个电平信号，所述M为所述变换单元接收的电平个数，所述M为大于或等于3的整数；
直流输入单元20，用于输入直流电，为所述变换单元10提供所述直流电。
分压单元30，用于将所述直流输入单元20提供的所述直流电分为至少三个电平的直流电，所述分压单元30的输入端与所述直流输入单元20的输出端连接，所述分压单元30的输出端与每个所述变换单元10的输入端连接，其中，所述分压单元30的输出端分别与每个所述变换单元10中的每个所述桥臂的输入端连接。
至少一个滤波单元40，用于将所述变换单元10输出的电平信号进行变压转化为交流电，同时对所述交流电进行滤波，输出所述交流电，每个所述滤波单元40的输入端分别与一个不同的所述变换单元10的输出端连接，所述滤波单元40与所述变换单元10串联。
具体的，如图1-b所示，所述变换单元10包括：2个并联的多电平桥臂组，所述2个多电平桥臂组包括第一多电平桥臂组101和第二多电平桥臂组102。2个并联的多电平桥臂组的结构相同，相同位置的器件所起的作用相同。
其中，第一多电平桥臂组101包括桥臂组1011和耦合电感1012，所述桥臂组1011与所述耦合电感1012连接，所述耦合电感1012用于对所述桥臂组1011输出的电平信号滤波。所述桥臂组1011包括至少N个交错并联的桥臂，所述N个交错并联的桥臂包第一桥臂E1、第二桥臂E2和第N桥臂EN，所述N为大于或等于3的整数。所述第一桥臂E1通过V_E1与所述耦合电感1012连接，第二桥臂E2通过V_E2与所述耦合电感1012连接，第N桥臂EN通过V_EN与所述耦合电感1012连接。
同理，第二多电平桥臂组102包括桥臂组1021和耦合电感1022，所述桥臂组1021与所述耦合电感1022连接，所述耦合电感1022用于对所述桥臂组1021输出的电平信号滤波。所述桥臂组1021包括至少N个交错并联的桥臂，所述N个交错并联的桥臂包括第一桥臂F1、第二桥臂F2和第N桥臂FN，所述N为大于或等于3的整数。所述第一桥臂F1通过V_F1与所述耦合电感1022连接，第二桥臂F2通过V_F2与所述耦合电感1022连接，第N桥臂FN通过V_FN与所述耦合电感1022连接。
需要说明的是，在高频周期内，所述桥臂组1011中每个所述桥臂的高频驱动信号与每个所述桥臂相邻的桥臂的高频驱动信号相位错开360/N度，所述桥臂组1021中每个所述桥臂的高频驱动信号与每个所述桥臂相邻的桥臂的高频驱动信号相位错开360/N度，所述第一多电平桥臂组101中每个所述桥臂的高频驱动信号与所述第二多电平桥臂组102中相对应所述每个所述桥臂的桥臂的高频驱动信号相位错开360/2N度；
在工频周期内，所述第一多电平桥臂组101的高频驱动信号与所述第二多电平桥臂组102的高频驱动信号相位错开180度，使得所述第一多电平桥臂组101与所述第二多电平桥臂组102输出的电平信号相位错开180度，从而使所述变换单元输出2[（M-1）×N]+1个电平信号，所述M为所述变换单元接收的电平个数，所述M为大于或等于3的整数。
这样一来，通过采用2个并联的多电平桥臂组，每个所述多电平桥臂组包括桥臂组与耦合电感，且该桥臂组与该耦合电感连接，实现2个并联的多电平桥臂组输出2[（M-1）×N]+1个电平信号，相对于现有技术，在输出电平信号个数相等的情况下采用多电平桥臂组，能够有效地降低耦合电感的加工难度，简化电路结构。
需要说明的是，每个所述桥臂包括至少一个开关管，所述开关管为功率器件，所述功率器件可以是MOSFET（Metal-Oxide-SemiconductorField-Effect Transistor，金属-氧化层半导体场效晶体管）、IGBT(InsulatedGate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管)和IGCT（Intergrated GateCommutated Thyristors，集成门极换流晶闸管）中至少一个或不同功率器件的组合。每个所述桥臂的开关管按照如表1所述的开关管开关状态逻辑关系进行接通和断开，以使桥臂组输出不同的电平信号。
表1开关管开关状态逻辑关系
Q1 Q2 Q3 Q4
ON ON OFF OFF
OFF ON ON OFF
OFF OFF ON ON
所述分压单元30包括多个分压电容，所述分压电容可以串联组成，用于将所述直流输入单元20为所述变换单元10提供的所述直流电分为至少三个电平的直流电，实现三电平中点电位。
所述滤波单元40可以包括隔离变压器和电容，所述隔离变压器用于将所述变换单元10输出的电平信号进行变压转化为所述交流电，同时通过所述隔离变压器的漏感对所述变换单元10输出的电平信号进行滤波和通过所述电容对所述交流电进行滤波。
所述滤波单元10还可以包括隔离变压器和无源滤波器，所述隔离变压器用于将所述变换单元10输出的电平信号进行变压转化为所述交流电，同时通过所述隔离变压器的漏感对所述变换单元10输出的电平信号进行滤波和通过所述无源滤波器对所述交流电进行滤波。所述无源滤波器可以是LC滤波器。
这样一来，在利用耦合电感的漏感和隔离变压器的漏感对变换单元输出的电平信号进行滤波，提高了多电平变换器的功率密度，并有效地降低了对变换单元输出的电平信号进行滤波的成本，且相对于现有技术，在变换单元的桥臂组输出相同的电平个数的情况下，2个并联的多电平桥臂组中桥臂组与耦合电感的加工难度相对简单，适合批量生产。
实际应用中，当所述多电平变换器设置有一个变换单元和一个滤波单元时，可以将该多电平变换器用于单相逆变系统，即可以将该多电平变换器连接到直流电源，将输入的直流电转化为交流电，以为负载提供交流电。
示例的，假设本发明实施例所述的多电平变换器设置有一个变换单元和一个滤波单元，M为3，N为3，如图2所示，包括：
直流输入单元20，用于输入直流电，包括Bus_+和Bus_-。
分压单元30，所述分压单元30包括第一分压电容C1，第二分压电容C2，该第一分压电容C1和该第二分压电容C2对直流输入单元20输入的电压进行分压，实现三电平中点电位，即Bus_N为0V。该分压单元30的输入端连接直流输入单元20的输出端。
变换单元10，所述变换单元10包括第一多电平桥臂组101和第二多电平桥臂组102，且第一多电平桥臂组101和第二多电平桥臂组102并联。2个并联的多电平桥臂组的结构相同，相同位置的器件所起的作用相同。该变换单元10的输入端连接分压单元30的输出端。
其中，第一多电平桥臂组101包括桥臂组1011和耦合电感1012，所述桥臂组1011包括第一桥臂E1、第二桥臂E2和第三桥臂E3，所述第一桥臂E1包括第一开关管Q1_E1、第二开关管Q2_E1、第三开关管Q3_E1和第四开关管Q4_E1，所述第二桥臂E2包括第一开关管Q1_E2、第二开关管Q2_E2、第三开关管Q3_E2和第四开关管Q4_E2，所述第三桥臂E3包括第一开关管Q1_E3、第二开关管Q2_E3、第三开关管Q3_E3和第四开关管Q4_E3。所述第一桥臂E1、第二桥臂E2和第三桥臂E3之间交错并联，且所述第一桥臂E1通过V_E1与所述耦合电感1012连接，第二桥臂E2通过V_E2与所述耦合电感1012连接，第三桥臂E3通过V_E3与所述耦合电感1012连接，利用所述耦合电感1012的漏感对桥臂组1011输出的电平信号进行滤波。
第二多电平桥臂组102包括桥臂组1021和耦合电感1022，所述桥臂组1021包括第一桥臂F1、第二桥臂F2和第三桥臂F3，所述第一桥臂F1包括第一开关管Q1_F1、第二开关管Q2_F1、第三开关管Q3_F1和第四开关管Q4_F1，所述第二桥臂F2包括第一开关管Q1_F2、第二开关管Q2_F2、第三开关管Q3_F2和第四开关管Q4_F2，所述第三桥臂F3包括第一开关管Q1_F3、第二开关管Q2_F3、第三开关管Q3_F3和第四开关管Q4_F3。所述第一桥臂F1、第二桥臂F2和第三桥臂F3之间交错并联，且所述第一桥臂F1通过V_F1与所述耦合电感1022连接，第二桥臂F2通过V_F2与所述耦合电感1022连接，第三桥臂F3通过V_F3与所述耦合电感1022连接，利用所述耦合电感1022的漏感对桥臂组1021输出的电平信号进行滤波。
滤波单元40，用于将所述变换单元10输出的电平信号转化为交流电，输出该交流电，所述滤波单元40的输入端与所述变换单元10的输出端连接，所述滤波单元40可以包括隔离变压器T1和电容C3。需要说明的是，所述滤波单元40还可以包括隔离变压器和LC滤波器，所述隔离变压器对变换单元10的输出端输出的电平信号进行变压的同时，通过所述隔离变压器的漏感对所述变换单元输出的电平信号进行滤波和通过所述电容C3或LC滤波器对所述交流电进行滤波，有效降低了滤波单元的滤波成本。
需要说明的是，所述滤波单元40还连接有负载R，滤波单元40的输出电压为所述负载R提供了电能。
具体的，直流输入单元输入直流电，包括Bus_+和Bus_-，第一分压电容C1和第二分压电容C2对直流输入单元输入的Bus_+与Bus_-的电压差VBus进行分压，实现三电平中点电位，即Bus_N为0V，从而为变换单元提供Bus_+、Bus_-或Bus_N中的至少一个电平，即Bus_+为VBus/2，Bus_-为-VBus/2。
根据开关管开关状态逻辑关系，第一多电平桥臂组中，当桥臂组的第一桥臂E1的第一开关管Q1_E1接通时，第二开关管Q2_E1接通，第三开关管Q3_E1和第四开关管Q4_E1处于断开状态。当第一桥臂E1的第二开关管Q2_E1接通时，第三开关管Q3_E1接通，第一开关管Q1_E1和第四开关管Q4_E1处于断开状态。当第一桥臂E1的第三开关管Q3_E1接通时，第四开关管Q4_E1接通，第一开关管Q1_E1和第二开关管Q2_E1处于断开状态。
同理，根据开关管开关状态逻辑关系，第一多电平桥臂组中，桥臂组的第二桥臂E2和第三桥臂E3，以及第二多电平桥臂组中桥臂组的第一桥臂F1、第二桥臂F2和第三桥臂F3的开关管进行接通或断开，即与第一多电平桥臂组中桥臂组的第一桥臂E1的第一开关管Q1_E1、第二开关管Q2_E1、第三开关管Q3_E1和第四开关管Q4_E1的接通或断开的状态相同。
需要说明的是，第一多电平桥臂组的桥臂组，在高频周期内，第一桥臂E1的高频驱动信号与第二桥臂E2的高频驱动信号相位错开360/3度，第二桥臂E2的高频驱动信号与第三桥臂E3的高频驱动信号相位错开360/3度，即第一桥臂E1、第二桥臂E2和第三桥臂E3中相邻的两个桥臂的开关管的开关状态的相位错开360/3度。同理，第二多电平桥臂组的桥臂组，在高频周期内，第一桥臂F1的高频驱动信号与第二桥臂F2的高频驱动信号相位错开360/3度、第二桥臂F2的高频驱动信号与第三桥臂F3的高频驱动信号相位错开360/3度，即第一桥臂F1、第二桥臂F2和第三桥臂F3中相邻的两个桥臂的开关管的开关状态的相位也错开360/3度。第一桥臂E1的高频驱动信号与第一桥臂F1的高频驱动信号相位错开360/6度，第二桥臂E2的高频驱动信号与第二桥臂F2的高频驱动信号相位错开360/6度，第三桥臂E3的高频驱动信号与第三桥臂F3的高频驱动信号相位错开360/6度。在工频周期内，第一多电平桥臂组101和第二多电平桥臂组102的高频驱动信号相位错开180度，使得第一多电平桥臂组101和第二多电平桥臂组102输出的电平信号相位错开180度，从而使所述变换单元10输出13个电平信号。所述高频周期是高频驱动信号的周期，所述工频周期是第一多电平桥臂组和第二多电平桥臂组的输出交流电的交流工频周期。根据占空比的不同状态，桥臂组可以输出不同的电平信号，所述占空比为在脉冲周期序列中，正脉冲的持续时间与脉冲总周期的比值。
示例的，以正半周期为例，如图3所示，当占空比D≤1/3时，假设当第一桥臂E1的第一开关管Q1_E1接通，第二开关管Q2_E1接通，第三开关管Q3_E1和第四开关管Q4_E1处于断开状态，则第一桥臂E1与耦合电感的连接线V_E1可以输出VBus/2，第二桥臂E2的第一开关管Q1_E2断开，第二开关管Q2_E2和第三开关管Q3_E2接通，第四开关管Q4_E2处于断开状态，第二桥臂E2与耦合电感的连接线V_E2可以输出Bus_N，第三桥臂E3的第一开关管Q1_E3断开，第二开关管Q2_E3和第三开关管Q3_E3接通，第四开关管Q4_E3处于断开状态，第三桥臂E3与耦合电感的连接线V_E3输出Bus_N，则第一多电平桥臂组输出（（VBus/2）+（Bus_N）+（Bus_N））/3=VBus/6的电平信号，即V_Eo为VBus/6。
同理，根据相邻的两个桥臂的开关管的开关状态的相位错开360/3度，当第二桥臂E2的第一开关管Q1_E2接通时，第二开关管Q2_E2接通，第三开关管Q3_E2和第四开关管Q4_E2处于断开状态，则第二桥臂E2与耦合电感的连接线V_E2可以输出VBus/2，第一桥臂E1的第一开关管Q1_E1断开，第二开关管Q2_E1和第三开关管Q3_E1接通，第四开关管Q4_E1处于断开状态，第一桥臂E1与耦合电感的连接线V_E1可以输出Bus_N，第三桥臂E3的第一开关管Q1_E3断开，第二开关管Q2_E3和第三开关管Q3_E3接通，第四开关管Q4_E3处于断开状态，第三桥臂E3与耦合电感的连接线V_E3输出Bus_N，则第一多电平桥臂组输出（（Bus_N）+（VBus/2）+（Bus_N））/3=VBus/6的电平信号，即V_Eo为VBus/6。
同理，当第三桥臂E3的第一开关管Q1_E3接通时，第二开关管Q2_E3接通，第三开关管Q3_E3和第四开关管Q4_E3处于断开状态，则第三桥臂E3与耦合电感的连接线V_E3输出VBus/2，第一桥臂E1的第一开关管Q1_E1断开，第二开关管Q2_E1和第三开关管Q3_E1接通，第四开关管Q4_E1处于断开状态，第一桥臂E1与耦合电感的连接线V_E1可以输出Bus_N，第二桥臂E2的第一开关管Q1_E2断开，第二开关管Q2_E2和第三开关管Q3_E2接通，第四开关管Q4_E2处于断开状态，第二桥臂E2与耦合电感的连接线V_E2可以输出Bus_N，则第一多电平桥臂组输出（（Bus_N）+（Bus_N）+（VBus/2））/3=VBus/6的电平信号，即V_Eo为VBus/6。
当占空比1/3≤D≤2/3时，假设当第一桥臂E1的第一开关管Q1_E1接通，第二开关管Q2_E1接通，第三开关管Q3_E1和第四开关管Q4_E1处于断开状态，则第一桥臂E1与耦合电感的连接线V_E1可以输出VBus/2，第二桥臂E2的第一开关管Q1_E2接通，第二开关管Q2_E2接通，第三开关管Q3_E2和第四开关管Q4_E2处于断开状态，第二桥臂E2与耦合电感的连接线V_E2可以输出VBus/2，第三桥臂E3的第一开关管Q1_E3断开，第二开关管Q2_E3和第三开关管Q3_E3接通，第四开关管Q4_E3处于断开状态，第三桥臂E3与耦合电感的连接线V_E3输出Bus_N，则第一多电平桥臂组输出（（VBus/2）+（VBus/2）+（Bus_N））/3=VBus/3的电平信号，即V_Eo为VBus/3。
同理，根据相邻的两个桥臂的开关管的开关状态的相位错开360/3度，当第二桥臂E2的第一开关管Q1_E2和第三桥臂E3的第一开关管Q1_E3同时接通时，即第二桥臂E2的第一开关管Q1_E2接通，第二开关管Q2_E2接通，第三开关管Q3_E2和第四开关管Q4_E2处于断开状态，第二桥臂E2与耦合电感的连接线V_E2可以输出VBus/2，第三桥臂E3的第一开关管Q1_E3接通，第二开关管Q2_E3接通，第三开关管Q3_E3和第四开关管Q4_E3处于断开状态，则第三桥臂E3与耦合电感的连接线V_E3输出VBus/2，第一桥臂E1的第一开关管Q1_E1断开，第二开关管Q2_E1和第三开关管Q3_E1接通，第四开关管Q4_E1处于断开状态，第一桥臂E1与耦合电感的连接线V_E1可以输出Bus_N，则第一多电平桥臂组输出（（Bus_N）+（VBus/2）+（VBus/2））/3=VBus/3的电平信号，即V_Eo为VBus/3。
同理，当第三桥臂E3的第一开关管Q1_E3和第一桥臂E1的第一开关管Q1_E1同时接通时，即第一桥臂E1的第一开关管Q1_E1接通，第二开关管Q2_E1接通，第三开关管Q3_E1和第四开关管Q4_E1处于断开状态，第一桥臂E1与耦合电感的连接线V_E1可以输出VBus/2，第三桥臂E3的第一开关管Q1_E3接通，第二开关管Q2_E3接通，第三开关管Q3_E3和第四开关管Q4_E3处于断开状态，则第三桥臂E3与耦合电感的连接线V_E3输出VBus/2，第二桥臂E2的第一开关管Q1_E2断开，第二开关管Q2_E2和第三开关管Q3_E2接通，第四开关管Q4_E2处于断开状态，第二桥臂E2与耦合电感的连接线V_E2可以输出Bus_N，则第一多电平桥臂组输出（（VBus/2）+（Bus_N）+（VBus/2））/3=VBus/3的电平信号，即V_Eo为VBus/3。
当占空比2/3≤D≤1时，假设当第一桥臂E1的第一开关管Q1_E1接通，第二开关管Q2_E1接通，第三开关管Q3_E1和第四开关管Q4_E1处于断开状态，则第一桥臂E1与耦合电感的连接线V_E1可以输出VBus/2，第二桥臂E2的第一开关管Q1_E2接通，第二开关管Q2_E2接通，第三开关管Q3_E2和第四开关管Q4_E2处于断开状态，第二桥臂E2与耦合电感的连接线V_E2可以输出VBus/2，第三桥臂E3的第一开关管Q1_E3接通，第二开关管Q2_E3接通，第三开关管Q3_E3和第四开关管Q4_E3处于断开状态，第三桥臂E3与耦合电感的连接线V_E3输出VBus/2，则第一多电平桥臂组输出（（VBus/2）+（VBus/2）+（VBus/2））/3=VBus/2的电平信号，即V_Eo为VBus/2。
在正半周期内，当第一多电平桥臂组输入VBus/2的电平信号时，第一多电平桥臂组可以输出VBus/6、VBus/3和VBus/2三种电平信号，同理，在负半周期内，当第一多电平桥臂组输入-VBus/2的电平信号时，第一多电平桥臂组可以输出-VBus/6、-VBus/3和-VBus/2三种电平信号，以及V_E1、V_E2和V_E3同时输出Bus_N时，第一多电平桥臂组可以输出0V，因此，在工频周期内第一多电平桥臂组可以输出VBus/6、VBus/3、VBus/2、-VBus/6、-VBus/3、-VBus/2和0V七种电平信号。
第二多电平桥臂组的结构与第一多电平桥臂组的结构相同，相同位置的器件所起的作用相同，同理，第二多电平桥臂组也可以输出VBus/6、VBus/3、VBus/2、-VBus/6、-VBus/3、-VBus/2和0V七种电平信号。
这样一来，如图4所示，直流输入单元输入的VBus/2、-VBus/2和-VBus/2三个电平的电压被转化成如图4所示的实线表示的阶梯型波形与虚线表示的阶梯型波形，即第一多电平桥臂组的输出波形V_Eo，与第二多电平桥臂组的输出波形V_Fo，且第一多电平桥臂组的输出波形V_Eo与第二多电平桥臂组的输出波形V_Fo错开180度相位。其中，图4横轴表示时间t，纵轴表示电压v。
进一步的，如图5-a所示，滤波单元对第一多电平桥臂组与第二第二多电平桥臂组的输出的2[（3-1）×3]+1=13个电平信号进行变压转化为交流电，然后通过隔离变压器和电容对交流电滤波，最终得到如图5-b所示的正弦波，加载在负载R上，其中，图5横轴表示时间t，纵轴表示电压v。
实际应用中，当所述多电平变换器设置有三个变换单元和三个滤波单元时，可以将该多电平变换器用于三相系统，即可以将该多电平变换器连接到直流电源，将输入的直流电转化为交流电，以为负载提供交流电。
示例的，假设本发明实施例所述的多电平变换器设置有三个变换单元和三个滤波单元，如图6所示，包括：直流输入单元20、分压单元30、三个变换单元10、三个滤波单元40和交流输出单元60，所述交流输出单元60用于输出交流电。所述三个变换单元包括第一变换单元A、第二变换单元B和第三变换单元C，所述三个滤波单元包括第一滤波单元a、第二滤波单元b、第三滤波单元c。
其中，分压单元30的输入端连接直流输入单元20的输出端，第一变换单元A的输入端、第二变换单元B的输入端和第三变换单元C的输入端分别与分压单元30的输出端连接，第一变换单元A的输出端与第一滤波单元a的输入端连接，第二变换单元B的输出端与第二滤波单元b的输入端连接，第三变换单元C的输出端与第三滤波单元c的输入端连接。
需要说明的是，该多电平变换器所述的三个滤波单元的输出端可以包括中线，即第一滤波单元a的相线A输出第一变换单元A的交流电，第二滤波单元b的相线B输出第二变换单元B的交流电，第三滤波单元c的相线C输出第三变换单元C的交流电，第一滤波单元a的另一相线、第二滤波单元b的另一相线和第三滤波单元c的另一相线连接于一点作为中线N。相线A、相线B和相线C两两之间的电压为380V，相线A、相线B和相线C分别与中线N之间的电压为220V。所述中线用于对多电平变换器输出的各相电压接近对称，对多电平变换器连接的负载起到保护作用，即在相线A、相线B和相线C中任意一相突然断路或短路，输出电压突然升高或降低时，平衡其他两相电压，避免损坏负载。
若该多电平变换器所述的三个滤波单元的输出端不包括中线，滤波单元的输出端可以采用Y形连接方法或者△形连接方法。
如图7所示，滤波单元的输出端采用Y形连接方法为第一滤波单元a的相线A输出第一变换单元A的交流电，第二滤波单元b的相线B输出第二变换单元B的交流电，第三滤波单元c的相线C输出第三变换单元C的交流电，第一滤波单元a的另一相线、第二滤波单元b的另一相线和第三滤波单元c的另一相线连接于一点。
如图8所示，滤波单元的输出端可以采用△形连接方法为相线A通过电容C12与相线B连接，相线B通过电容C23与相线C连接，相线C通过电容C31相线A连接，即相线A、相线B和相线C之间两两之间相互连接形成△形连接，第一滤波单元a的另一相线、第二滤波单元b的另一相线和第三滤波单元c的另一相线分别悬空。
特别的，例如，中国电网的三相系统，每个所述变换单元输出的交流电相位错开120度，以为负载提供交流电。本发明实施例所述的多电平变换器还可以用于其他多相系统，工作原理与本发明实施例所述的多电平变换器相同，在此不再赘述。
本发明实施例提供一种多电平变换器，如图9-a所示，包括：
至少一个变换单元10，所述变换单元包括：2个并联的多电平桥臂组，所述2个多电平桥臂组包括第一多电平桥臂组和第二多电平桥臂组，每个所述多电平桥臂组包括：桥臂组和耦合电感，所述桥臂组与所述耦合电感连接，所述耦合电感用于对输入至所述桥臂组的电平信号进行滤波；
其中，所述桥臂组包括至少N个交错并联的桥臂，每个所述桥臂与所述耦合电感连接，所述N为大于或等于3的整数；
在高频周期内，所述桥臂组中每个所述桥臂的高频驱动信号与每个所述桥臂相邻的桥臂的高频驱动信号相位错开360/N度，所述第一多电平桥臂组中每个所述桥臂的高频驱动信号与所述第二多电平桥臂组中相对应所述每个所述桥臂的桥臂的高频驱动信号相位错开360/2N度；
在工频周期内，所述2个并联的多电平桥臂组的高频驱动信号相位错开180度，使得所述2个并联的多电平桥臂组输入的电平信号相位错开180度，从而对所述变换单元接收到的2[（M-1）×N]+1个电平信号进行转化，输出至少三个电平的直流电，所述M为所述变换单元输出的电平个数，所述M为大于或等于3的整数。
交流输入单元70，用于输入交流电，为所述变换单元10提供所述交流电。
至少一个滤波单元40，用于将所述交流输入单元70输入的交流电进行变压转化为电平信号，同时对所述交流电进行滤波，将所述电平信号输出至所述变换单元10，每个所述滤波单元40的输入端连接所述交流输入单元70的输出端，每个所述滤波单元40的输出端分别与一个不同的所述变换单元10的输入端连接，所述滤波单元与所述变换单元10串联。
分压单元30，用于将所述变换单元10输出的至少三个电平的直流电转换为两电平的直流电，所述分压单元30的输入端与每个所述变换单元的输出端连接，其中，所述分压单元的输入端分别与每个所述变换单元中的每个所述桥臂的输出端连接。
直流输出单元80，用于接收所述分压单元30输出的直流电，输出所述直流电，所述分压单元30的输出端连接所述直流输出单元80的输入端。
具体的，如图9-b所示，所述变换单元10包括：2个并联的多电平桥臂组，所述2个多电平桥臂组包括第一多电平桥臂组101和第二多电平桥臂组102。2个并联的多电平桥臂组的结构相同，相同位置的器件所起的作用相同。
其中，第一多电平桥臂组101包括桥臂组1011和耦合电感1012，所述桥臂组1011与所述耦合电感1012连接，所述耦合电感1012用于对所述桥臂组1011输出的电平信号滤波。所述桥臂组1011包括至少N个交错并联的桥臂，所述N个交错并联的桥臂包第一桥臂E1、第二桥臂E2和第N桥臂EN，所述N为大于或等于3的整数。所述第一桥臂E1通过V_E1与所述耦合电感1012连接，第二桥臂E2通过V_E2与所述耦合电感1012连接，第N桥臂EN通过V_EN与所述耦合电感1012连接。
同理，第二多电平桥臂组102包括桥臂组1021和耦合电感1022，所述桥臂组1021与所述耦合电感1022连接，所述耦合电感1022用于对所述桥臂组1021输出的电平信号滤波。所述桥臂组1021包括至少N个交错并联的桥臂，所述N个交错并联的桥臂包括第一桥臂F1、第二桥臂F2和第N桥臂FN，所述N为大于或等于3的整数。所述第一桥臂F1通过V_F1与所述耦合电感1022连接，第二桥臂F2通过V_F2与所述耦合电感1022连接，第N桥臂FN通过V_FN与所述耦合电感1022连接。
需要说明的是，在高频周期内，所述桥臂组1011中每个所述桥臂的高频驱动信号与每个所述桥臂相邻的桥臂的高频驱动信号相位错开360/N度，所述桥臂组1021中每个所述桥臂的高频驱动信号与每个所述桥臂相邻的桥臂的高频驱动信号相位错开360/N度，所述第一多电平桥臂组101中每个所述桥臂的高频驱动信号与所述第二多电平桥臂组102中相对应所述每个所述桥臂的桥臂的高频驱动信号相位错开360/2N度；
在工频周期内，所述第一多电平桥臂组101的高频驱动信号与所述第二多电平桥臂组102的高频驱动信号相位错开180度，使得所述第一多电平桥臂组101与所述第二多电平桥臂组102输入的电平信号相位错开180度，从而对所述变换单元接收到的2[（M-1）×N]+1个电平信号进行转化，输出至少三个电平的直流电，所述M为所述变换单元输出的电平个数，所述M为大于或等于3的整数。
这样一来，通过采用2个并联的多电平桥臂组，每个所述多电平桥臂组包括桥臂组与耦合电感，且该桥臂组与该耦合电感连接，实现对2个并联的多电平桥臂组接收到的2[（M-1）×N]+1个电平信号进行转化，输出至少三个电平的直流电，相对于现有技术，在输入电平信号个数相等的情况下转化为两个电平的直流电采用多电平桥臂组，能够有效地降低耦合电感的加工难度，简化电路结构。
需要说明的是，每个所述桥臂包括至少一个开关管，所述开关管为功率器件，所述功率器件可以是MOSFET（Metal-Oxide-SemiconductorField-Effect Transistor，金属-氧化层半导体场效晶体管）、IGBT(InsulatedGate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管)和IGCT（Intergrated GateCommutated Thyristors，集成门极换流晶闸管）中至少一个或不同功率器件的组合。每个所述桥臂的开关管按照如表1所述的开关管开关状态逻辑关系进行接通和断开，以使桥臂组输出不同的电平信号。
表1开关管开关状态逻辑关系
Q1 Q2 Q3 Q4
ON ON OFF OFF
OFF ON ON OFF
OFF OFF ON ON
所述分压单元30包括多个分压电容，所述分压电容可以串联组成，用于将所述变换单元10输出的至少三个电平的直流电转换为两电平的直流电。
所述滤波单元40可以包括隔离变压器和电容，所述隔离变压器用于将所述交流输入单元70输入的交流电进行变压转化为电平信号，同时通过所述隔离变压器的漏感对所述电平信号进行滤波和通过所述电容对所述交流电进行滤波，输出所述电平信号。
所述滤波单元40还可以包括隔离变压器和无源滤波器，所述隔离变压器用于将所述交流输入单元70输入的交流电进行变压转化为电平信号，同时通过所述隔离变压器的漏感对所述电平信号进行滤波和通过所述无源滤波器对所述交流电进行滤波，输出所述电平信号。所述无源滤波器可以是LC滤波器。
这样一来，在利用耦合电感的漏感和隔离变压器的漏感对交流输入单元输入的交流电进行滤波，提高了多电平变换器的功率密度，并有效地降低了对交流输入单元输入的交流电进行滤波的成本，且相对于现有技术，在变换单元的桥臂组输入相同的电平个数的情况下，2个并联的多电平桥臂组中桥臂组与耦合电感的加工难度相对简单，适合批量生产。
实际应用中，当所述多电平变换器设置有一个变换单元和一个滤波单元时，可以将该多电平变换器用于单相整流系统，即可以将该多电平变换器连接到交流电源，将输入的交流电转化为直流电，以为负载提供直流电。
示例的，假设本发明实施例所述的多电平变换器设置有一个变换单元和一个变压单元，M为3，N为3，如图10所示，包括：
交流输入单元70，用于输入交流电，为所述变换单元10提供所述交流电。
滤波单元40，用于将所述交流输入单元70输入的交流电进行变压转化为电平信号，同时对所述交流电进行滤波，将所述电平信号输出至所述变换单元，每个所述滤波单元40的输入端连接所述交流输入单元70的输出端，每个所述滤波单元40的输出端分别与一个不同的所述变换单元10的输入端连接，所述滤波单元40与所述变换单元10串联。所述滤波单元40可以包括隔离变压器T1和电容C3。需要说明的是，所述滤波单元40包括隔离变压器和LC滤波器，所述隔离变压器对交流输入单元70输入的交流电进行变压转化为电平信号，同时通过所述电容C3或LC滤波器对所述交流电进行滤波和通过所述隔离变压器的漏感对电平信号进行滤波，提高了多电平变换器的功率密度，并有效地降低了对交流输入单元输入的交流电进行滤波的成本。
变换单元10，所述变换单元10包括第一多电平桥臂组101和第二多电平桥臂组102，且第一多电平桥臂组101和第二多电平桥臂组102并联。2个并联的多电平桥臂组的结构相同，相同位置的器件所起的作用相同。该变换单元10的输入端连接变压单元40的输出端。
其中，第一多电平桥臂组101包括桥臂组1011和耦合电感1012，所述桥臂组1011包括第一桥臂E1、第二桥臂E2和第三桥臂E3，所述第一桥臂E1包括第一开关管Q1_E1、第二开关管Q2_E1、第三开关管Q3_E1和第四开关管Q4_E1，所述第二桥臂E2包括第一开关管Q1_E2、第二开关管Q2_E2、第三开关管Q3_E2和第四开关管Q4_E2，所述第三桥臂E3包括第一开关管Q1_E3、第二开关管Q2_E3、第三开关管Q3_E3和第四开关管Q4_E3。所述第一桥臂E1、第二桥臂E2和第三桥臂E3之间交错并联，且所述第一桥臂E1通过V_E1与所述耦合电感1012连接，第二桥臂E2通过V_E2与所述耦合电感1012连接，第三桥臂E3通过V_E3与所述耦合电感1012连接，利用所述耦合电感1012的漏感对桥臂组1011输出的电平信号进行滤波。
第二多电平桥臂组102包括桥臂组1021和耦合电感1022，所述桥臂组1021包括第一桥臂F1、第二桥臂F2和第三桥臂F3，所述第一桥臂F1包括第一开关管Q1_F1、第二开关管Q2_F1、第三开关管Q3_F1和第四开关管Q4_F1，所述第二桥臂F2包括第一开关管Q1_F2、第二开关管Q2_F2、第三开关管Q3_F2和第四开关管Q4_F2，所述第三桥臂F3包括第一开关管Q1_F3、第二开关管Q2_F3、第三开关管Q3_F3和第四开关管Q4_F3。所述第一桥臂F1、第二桥臂F2和第三桥臂F3之间交错并联，且所述第一桥臂F1通过V_F1与所述耦合电感1022连接，第二桥臂F2通过V_F2与所述耦合电感1022连接，第三桥臂F3通过V_F3与所述耦合电感1022连接，利用所述耦合电感1022的漏感对桥臂组1021输出的电平信号进行滤波。
分压单元30，所述分压单元30包括第一分压电容C1，第二分压电容C2，该第一分压电容C1和该第二分压电容C2对变换单元10输出的至少三个电平的直流电转换为两电平的直流电。该分压单元30的输入端连接变换单元10的输出端。
直流输出单元80，用于接收所述分压单元30输出的直流电，输出所述直流电，所述分压单元30的输出端连接所述直流输出单元80的输入端。
需要说明的是，所述直流输出单元80还连接有负载R，直流输出单元80的输出电压为所述负载R提供了电能。
具体的，假设交流输入单元输入220V交流电，然后，滤波单元对输入的220V交流电进行变压，同时，对所述交流电进行滤波。
根据开关管开关状态逻辑关系，第一多电平桥臂组中，当桥臂组的第一桥臂E1的第一开关管Q1_E1接通时，第二开关管Q2_E1接通，第三开关管Q3_E1和第四开关管Q4_E1处于断开状态。当第一桥臂E1的第二开关管Q2_E1接通时，第三开关管Q3_E1接通，第一开关管Q1_E1和第四开关管Q4_E1处于断开状态。当第一桥臂E1的第三开关管Q3_E1接通时，第四开关管Q4_E1接通，第一开关管Q1_E1和第二开关管Q2_E1处于断开状态。
同理，根据开关管开关状态逻辑关系，第一多电平桥臂组中，桥臂组的第二桥臂E2和第三桥臂E3，以及第二多电平桥臂组中桥臂组的第一桥臂F1、第二桥臂F2和第三桥臂F3的开关管进行接通或断开，即与第一多电平桥臂组中桥臂组的第一桥臂E1的第一开关管Q1_E1、第二开关管Q2_E1、第三开关管Q3_E1和第四开关管Q4_E1的接通或断开的状态相同。
需要说明的是，第一多电平桥臂组的桥臂组，在高频周期内，第一桥臂E1的高频驱动信号与第二桥臂E2的高频驱动信号相位错开360/3度，第二桥臂E2的高频驱动信号与第三桥臂E3的高频驱动信号相位错开360/3度，即第一桥臂E1、第二桥臂E2和第三桥臂E3中相邻的两个桥臂的开关管的开关状态的相位错开360/3度。同理，第二多电平桥臂组的桥臂组，在高频周期内，第一桥臂F1的高频驱动信号与第二桥臂F2的高频驱动信号相位错开360/3度、第二桥臂F2的高频驱动信号与第三桥臂F3的高频驱动信号相位错开360/3度，即第一桥臂F1、第二桥臂F2和第三桥臂F3中相邻的两个桥臂的开关管的开关状态的相位也错开360/3度。第一桥臂E1的高频驱动信号与第一桥臂F1的高频驱动信号相位错开360/6度，第二桥臂E2的高频驱动信号与第二桥臂F2的高频驱动信号相位错开360/6度，第三桥臂E3的高频驱动信号与第三桥臂F3的高频驱动信号相位错开360/6度。在工频周期内，第一多电平桥臂组101和第二多电平桥臂组102的高频驱动信号相位错开180度，使得第一多电平桥臂组101和第二多电平桥臂组102输入的电平信号相位错开180度，从而对所述变换单元10接收到的13个电平信号进行转化，输出至少三个电平的直流电。所述高频周期是高频驱动信号的周期，所述工频周期是第一多电平桥臂组和第二多电平桥臂组的输入交流电的交流工频周期。根据占空比的不同状态，桥臂组可以输出不同的电平信号，所述占空比为在脉冲周期序列中，正脉冲的持续时间与脉冲总周期的比值。
示例的，以正半周期为例，如图11所示，当占空比D≤1/3时，假设当第一多电平桥臂组输入VBus/6的电平信号，即V_EI为VBus/6时，且第一桥臂E1的第一开关管Q1_E1接通，第二开关管Q2_E1接通，第三开关管Q3_E1和第四开关管Q4_E1处于断开状态，第二桥臂E2的第一开关管Q1_E2断开，第二开关管Q2_E2和第三开关管Q3_E2接通，第四开关管Q4_E2处于断开状态，第三桥臂E3的第一开关管Q1_E3断开，第二开关管Q2_E3和第三开关管Q3_E3接通，第四开关管Q4_E3处于断开状态，则第一多电平桥臂组输出（VBus/6）×3=VBus/2的电平信号，第一桥臂E1与耦合电感的连接线V_E1可以输入VBus/2，第二桥臂E2与耦合电感的连接线V_E2可以输入Bus_N，第三桥臂E3与耦合电感的连接线V_E3可以输入Bus_N。
同理，根据相邻的两个桥臂的开关管的开关状态的相位错开360/3度，当第一多电平桥臂组输入VBus/6的电平信号，即V_EI为VBus/6时，且第二桥臂E2的第一开关管Q1_E2接通，第二开关管Q2_E2接通，第三开关管Q3_E2和第四开关管Q4_E2处于断开状态，第一桥臂E1的第一开关管Q1_E1断开，第二开关管Q2_E1和第三开关管Q3_E1接通，第四开关管Q4_E1处于断开状态，第三桥臂E3的第一开关管Q1_E3断开，第二开关管Q2_E3和第三开关管Q3_E3接通，第四开关管Q4_E3处于断开状态，则第一多电平桥臂组输出（VBus/6）×3=VBus/2的电平信号，第二桥臂E2与耦合电感的连接线V_E2可以输入VBus/2，第一桥臂E1与耦合电感的连接线V_E1可以输入Bus_N，第三桥臂E3与耦合电感的连接线V_E3可以输入Bus_N。
同理，当第一多电平桥臂组输入VBus/6的电平信号，即V_EI为VBus/6时，且第三桥臂E3的第一开关管Q1_E3接通，第二开关管Q2_E3接通，第三开关管Q3_E3和第四开关管Q4_E3处于断开状态，第一桥臂E1的第一开关管Q1_E1断开，第二开关管Q2_E1和第三开关管Q3_E1接通，第四开关管Q4_E1处于断开状态，第二桥臂E2的第一开关管Q1_E2断开，第二开关管Q2_E2和第三开关管Q3_E2接通，第四开关管Q4_E2处于断开状态，则第一多电平桥臂组输出（VBus/6）×3=VBus/2的电平信号，第三桥臂E3与耦合电感的连接线V_E3可以输入VBus/2，第一桥臂E1与耦合电感的连接线V_E1可以输入Bus_N，第二桥臂E2与耦合电感的连接线V_E2可以输入Bus_N。
当占空比1/3≤D≤2/3时，假设当第一多电平桥臂组输入VBus/3的电平信号，即V_EI为VBus/3时，且第一桥臂E1的第一开关管Q1_E1接通，第二开关管Q2_E1接通，第三开关管Q3_E1和第四开关管Q4_E1处于断开状态，第二桥臂E2的第一开关管Q1_E2接通，第二开关管Q2_E2接通，第三开关管Q3_E2和第四开关管Q4_E2处于断开状态，第三桥臂E3的第一开关管Q1_E3断开，第二开关管Q2_E3和第三开关管Q3_E3接通，第四开关管Q4_E3处于断开状态，则第一多电平桥臂组输出（VBus/3）×3=VBus的电平信号，第一桥臂E1与耦合电感的连接线V_E1可以输入VBus/2，第二桥臂E2与耦合电感的连接线V_E2可以输入VBus/2，第三桥臂E3与耦合电感的连接线V_E3可以输入Bus_N。
同理，根据相邻的两个桥臂的开关管的开关状态的相位错开360/3度，当第一多电平桥臂组输入VBus/3的电平信号，即V_EI为VBus/3时，且第二桥臂E2的第一开关管Q1_E2和第三桥臂E3的第一开关管Q1_E3同时接通时，即第二桥臂E2的第一开关管Q1_E2接通，第二开关管Q2_E2接通，第三开关管Q3_E2和第四开关管Q4_E2处于断开状态，第三桥臂E3的第一开关管Q1_E3接通，第二开关管Q2_E3接通，第三开关管Q3_E3和第四开关管Q4_E3处于断开状态，第一桥臂E1的第一开关管Q1_E1断开，第二开关管Q2_E1和第三开关管Q3_E1接通，第四开关管Q4_E1处于断开状态，则第一多电平桥臂组输出（VBus/3）×3=VBus的电平信号，第二桥臂E2与耦合电感的连接线V_E2可以输入VBus/2，第三桥臂E3与耦合电感的连接线V_E3可以输入VBus/2，第一桥臂E1与耦合电感的连接线V_E1可以输入Bus_N。
同理，当第一多电平桥臂组输入VBus/3的电平信号，即V_EI为VBus/3时，且第三桥臂E3的第一开关管Q1_E3和第一桥臂E1的第一开关管Q1_E1同时接通时，即第一桥臂E1的第一开关管Q1_E1接通，第二开关管Q2_E1接通，第三开关管Q3_E1和第四开关管Q4_E1处于断开状态，第三桥臂E3的第一开关管Q1_E3接通，第二开关管Q2_E3接通，第三开关管Q3_E3和第四开关管Q4_E3处于断开状态，第二桥臂E2的第一开关管Q1_E2断开，第二开关管Q2_E2和第三开关管Q3_E2接通，第四开关管Q4_E2处于断开状态，则第一多电平桥臂组输出（VBus/3）×3=VBus的电平信号，第一桥臂E1与耦合电感的连接线V_E1可以输入VBus/2，则第三桥臂E3与耦合电感的连接线V_E3可以输入VBus/2，第二桥臂E2与耦合电感的连接线V_E2可以输入Bus_N。
当占空比2/3≤D≤1时，假设当第一多电平桥臂组输入VBus/2的电平信号，即V_EI为VBus/2时，且第一桥臂E1的第一开关管Q1_E1接通，第二开关管Q2_E1接通，第三开关管Q3_E1和第四开关管Q4_E1处于断开状态，第二桥臂E2的第一开关管Q1_E2接通，第二开关管Q2_E2接通，第三开关管Q3_E2和第四开关管Q4_E2处于断开状态，第三桥臂E3的第一开关管Q1_E3接通，第二开关管Q2_E3接通，第三开关管Q3_E3和第四开关管Q4_E3处于断开状态，则第一多电平桥臂组输出（VBus/2）×3=3VBus/2的电平信号，第一桥臂E1与耦合电感的连接线V_E1可以输入VBus/2，第二桥臂E2与耦合电感的连接线V_E2可以输入VBus/2，第三桥臂E3与耦合电感的连接线V_E3可以输入VBus/2。
在正半周期内，当第一多电平桥臂组输入VBus/6、VBus/3或VBus/2的电平信号时，第一多电平桥臂组可以输出VBus/2的电平信号，同理，在负半周期内，当第一多电平桥臂组输入-VBus/6、-VBus/3或-VBus/2的电平信号时，第一多电平桥臂组可以输出-VBus/2的电平信号，以及V_E1、V_E2和V_E3同时输出Bus_N时，第一多电平桥臂组可以输出0V，因此，在工频周期内第一多电平桥臂组可以输出VBus/2、-VBus/2、和Bus_N三种电平信号。
第二多电平桥臂组的结构与第一多电平桥臂组的结构相同，相同位置的器件所起的作用相同，同理，第二多电平桥臂组也可以输出VBus/2、-VBus/2、和Bus_N三种电平信号。这样一来，如图12所示，交流输入单元输入的交流电，如图12-a所示的正弦波，通过滤波单元的隔离变压器和电容所述交流电滤波，得到如图12-b所示第一多电平桥臂组与第二多电平桥臂组的输入波形V_EI-V_FI。其中，图12横轴表示时间t，纵轴表示电压v。
进一步的，如图13所示，滤波单元的隔离变压器对第一多电平桥臂组与第二多电平桥臂组的输入交流电进行变压，使得第一多电平桥臂组的输入波形与第二多电平桥臂组的输入波形相位错开180度，从而使所述变换单元将接收到的2[（3-1）×3]+1=13个电平信号，转化输出三个电平的直流电，分压单元再将变换单元输出的三个电平的直流电转换为两个电平的直流电，输出直流电。其中，图13横轴表示时间t，纵轴表示电压v。
实际应用中，当所述多电平变换器设置有三个变换单元和三个滤波单元时，可以将该多电平变换器用于三相系统，即可以将该多电平变换器连接到交流电源，将输入的交流电转化为直流电，以为负载提供直流电。
示例的，假设本发明实施例所述的多电平变换器设置有三个变换单元和三个滤波单元，如图14所示，包括：交流输入单元70、分压单元30、三个变换单元10、三个滤波单元40和直流输出单元80，所述直流输出单元80用于输出直流电。所述三个变换单元包括第一变换单元A、第二变换单元B和第三变换单元C，所述三个滤波单元包括第一滤波单元a、第二滤波单元b、第三滤波单元c。
其中，三个滤波单元40的输入端分别与交流输入单元70的输出端连接，第一滤波单元a的输出端与第一变换单元A的输入端连接，第二滤波单元b的输出端与第二滤波单元b的输入端连接，第三滤波单元c的输出端与第三变换单元C的输入端连接，三个变换单元10的输出端与分压单元30的输入端连接，分压单元30的输出端与直流输出单元80的输入端连接。
需要说明的是，该多电平变换器所述的三个滤波单元的输入端可以包括中线，即第一滤波单元a的相线A给第一变换单元A输入交流电，第二滤波单元b的相线B给第二变换单元B输入交流电，第三滤波单元c的相线C给第三变换单元C输入交流电，第一滤波单元a的另一相线、第二滤波单元b的另一相线和第三滤波单元c的另一相线连接于中线N。相线A、相线B和相线C两两之间的电压为380V，相线A、相线B和相线C分别与中线N之间的电压为220V。所述中线用于对多电平变换器输入的各相电压接近对称，对多电平变换器连接的负载起到保护作用，即在相线A、相线B和相线C中任意一相突然断路或短路，输入电压突然升高或降低时，平衡其他两相电压，避免损坏负载。
若该多电平变换器所述的三个滤波单元的输入端不包括中线，滤波单元的输入端可以采用Y形连接方法或者△形连接方法。
如图15所示，滤波单元的输入端采用Y形连接方法为第一滤波单元a的相线A给第一变换单元A输入交流电，第二滤波单元b的相线B给第二变换单元B输入交流电，第三滤波单元c的相线C给第三变换单元C输入交流电，第一滤波单元a的另一相线、第二滤波单元b的另一相线和第三滤波单元c的另一相线连接于一点。
如图16所示，滤波单元的输入端可以采用△形连接方法为相线A分别与相线B和相线C连接，相线B分别与相线A和相线C连接，相线C分别与相线B和相线A连接，即相线A、相线B和相线C之间两两之间相互连接形成△形连接，第一滤波单元a的另一相线、第二滤波单元b的另一相线和第三滤波单元c的另一相线分别悬空。
特别的，每个所述变换单元输入的交流电相位错开120度，以为负载提供直流电。本发明实施例所述的多电平变换器还可以用于其他多相系统，工作原理与本发明实施例所述的多电平变换器相同，在此不再赘述。
本发明实施例提供一种供电系统，包括：负载以及多电平变换器，所述多电平变换器用于将交流电转化为直流电或将直流电转化为交流电，以为所述负载提供直流电或交流电。
具体的，假设当所述多电平变换器用于将直流电转化为交流电时，如图17所示，包括：直流电源1、多电平变换器2和负载3，所述多电平变换器用于将直流电转化为交流电，以为所述负载3提供交流电。其中，直流电源1的输出端连接多电平变换器2的输入端，多电平变换器2的输出端连接负载3。
假设当所述多电平变换器用于将交流电转化为直流电时，如图18所示，包括：交流电源4、多电平变换器5和负载6，所述多电平变换器用于将交流电转化为直流电，以为所述负载6提供直流电。其中，交流电源4的输出端连接多电平变换器5的输入端，多电平变换器5的输出端连接负载6。
特别的，假设当多电平变换器2的输出端连接多电平变换器5的输入端时，可以实现将直流电转化为直流电，为负载6提供直流电，如图19所示，包括：直流电源1、多电平变换器2、多电平变换器5和负载6。其中，直流电源1的输出端连接多电平变换器2的输入端，多电平变换器2的输出端连接多电平变换器5的输入端，多电平变换器5的输出端连接负载6。
或者，当多电平变换器5的输出端连接多电平变换器2的输入端时，可以实现将交流电转化为交流电，为负载3提供交流电，如图20所示，包括：交流电源4、多电平变换器5、多电平变换器2和负载3。其中，交流电源4的输出端连接多电平变换器5的输入端，多电平变换器5的输出端连接多电平变换器2的输入端，多电平变换器2的输出端连接负载3。
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，装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法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 (9)

1.一种多电平变换器，其特征在于，包括：
至少一个变换单元，所述变换单元包括：2个并联的多电平桥臂组，所述2个多电平桥臂组包括第一多电平桥臂组和第二多电平桥臂组，每个所述多电平桥臂组包括：桥臂组和耦合电感，所述桥臂组与所述耦合电感连接，所述耦合电感用于对所述桥臂组输出的电平信号滤波；
其中，所述桥臂组包括至少N个交错并联的桥臂，每个所述桥臂与所述耦合电感连接，所述N为大于或等于3的整数；
在高频周期内，所述桥臂组中每个所述桥臂的高频驱动信号与每个所述桥臂相邻的桥臂的高频驱动信号相位错开360/N度，所述第一多电平桥臂组中每个所述桥臂的高频驱动信号与所述第二多电平桥臂组中相对应所述每个所述桥臂的桥臂的高频驱动信号相位错开360/2N度；
在工频周期内，所述2个并联的多电平桥臂组的高频驱动信号相位错开180度，使得所述2个并联的多电平桥臂组输出的电平信号相位错开180度，从而使所述变换单元输出2[（M-1）×N]+1个电平信号，所述M为所述变换单元接收的电平个数，所述M为大于或等于3的整数；
直流输入单元，用于输入直流电，为所述变换单元提供所述直流电；
分压单元，用于将所述直流输入单元提供的所述直流电分为至少三个电平的直流电，所述分压单元的输入端与所述直流输入单元的输出端连接，所述分压单元的输出端与每个所述变换单元的输入端连接，其中，所述分压单元的输出端分别与每个所述变换单元中的每个所述桥臂的输入端连接；
至少一个滤波单元，用于将所述变换单元输出的电平信号进行变压转化为交流电，同时对所述交流电进行滤波，输出所述交流电，每个所述滤波单元的输入端分别与一个不同的所述变换单元的输出端连接，所述滤波单元与所述变换单元串联。
2.根据权利要求1所述的多电平变换器，其特征在于，每个所述桥臂包括至少一个开关管，所述开关管为功率器件。
3.根据权利要求2所述的多电平变换器，其特征在于，所述滤波单元包括隔离变压器和电容，所述隔离变压器用于将所述变换单元输出的电平信号进行变压转化为所述交流电，同时通过所述隔离变压器的漏感对所述变换单元输出的电平信号进行滤波和通过所述电容对所述交流电进行滤波。
4.根据权利要求2所述的多电平变换器，其特征在于，所述滤波单元包括隔离变压器和无源滤波器，所述隔离变压器用于将所述变换单元输出的电平信号进行变压转化为所述交流电，同时通过所述隔离变压器的漏感对所述变换单元输出的电平信号进行滤波和通过所述无源滤波器对所述交流电进行滤波。
5.一种多电平变换器，其特征在于，包括：
至少一个变换单元，所述变换单元包括：2个并联的多电平桥臂组，所述2个多电平桥臂组包括第一多电平桥臂组和第二多电平桥臂组，每个所述多电平桥臂组包括：桥臂组和耦合电感，所述桥臂组与所述耦合电感连接，所述耦合电感用于对输入至所述桥臂组的电平信号进行滤波；
其中，所述桥臂组包括至少N个交错并联的桥臂，每个所述桥臂与所述耦合电感连接，所述N为大于或等于3的整数；
在高频周期内，所述桥臂组中每个所述桥臂的高频驱动信号与每个所述桥臂相邻的桥臂的高频驱动信号相位错开360/N度，所述第一多电平桥臂组中每个所述桥臂的高频驱动信号与所述第二多电平桥臂组中相对应所述每个所述桥臂的桥臂的高频驱动信号相位错开360/2N度；
在工频周期内，所述2个并联的多电平桥臂组的高频驱动信号相位错开180度，使得所述2个并联的多电平桥臂组输入的电平信号相位错开180度，从而对所述变换单元接收到的2[（M-1）×N]+1个电平信号进行转化，输出至少三个电平的直流电，所述M为所述变换单元输出的电平个数，所述M为大于或等于3的整数；
交流输入单元，用于输入交流电，为所述变换单元提供所述交流电；
至少一个滤波单元，用于将所述交流输入单元输入的交流电进行变压转化为电平信号，同时对所述交流电进行滤波，将所述电平信号输出至所述变换单元，每个所述滤波单元的输入端连接所述交流输入单元的输出端，每个所述滤波单元的输出端分别与一个不同的所述变换单元的输入端连接，所述滤波单元与所述变换单元串联；
分压单元，用于将所述变换单元输出的至少三个电平的直流电转换为两电平的直流电，所述分压单元的输入端与每个所述变换单元的输出端连接，其中，所述分压单元的输入端分别与每个所述变换单元中的每个所述桥臂的输出端连接；
直流输出单元，用于接收所述分压单元输出的直流电，输出所述直流电，所述分压单元的输出端连接所述直流输出单元的输入端。
6.根据权利要求5所述的多电平变换器，其特征在于，每个所述桥臂包括至少一个开关管，所述开关管为功率器件。
7.根据权利要求6所述的多电平变换器，其特征在于，所述滤波单元包括隔离变压器和电容，所述隔离变压器用于将所述交流输入单元输入的交流电进行变压转化为电平信号，同时通过所述隔离变压器的漏感对所述电平信号进行滤波和通过所述电容对所述交流电进行滤波，输出所述电平信号。
8.根据权利要求6所述的多电平变换器，其特征在于，所述滤波单元包括隔离变压器和无源滤波器，所述隔离变压器用于将所述交流输入单元输入的交流电进行变压转化为电平信号，同时通过所述隔离变压器的漏感对所述电平信号进行滤波和通过所述无源滤波器对所述交流电进行滤波，输出所述电平信号。
9.一种供电系统，其特征在于，包括：负载以及如权利要求1至4任意一项权利要求所述的多电平变换器和如权利要求5至8任意一项权利要求所述的多电平变换器中至少一个，所述多电平变换器用于将交流电转化为直流电或将直流电转化为交流电，以为所述负载提供直流电或交流电。
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