CN105048842B - 一种单相四电平逆变器及其应用电路 - Google Patents
一种单相四电平逆变器及其应用电路 Download PDFInfo
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Abstract
相对于传统的二极管箝位和电容箝位多电平拓扑，本发明提供一种单相四电平逆变器及其应用电路，电路简单，系统成本低，可靠性高。并且通过开关管单元、钳位电容、第一开关管及第二开关管的不同导通组合，根据控制目标的不同，在所述单相四电平逆变器输出电压相同的情况下，均存在不同的导通组合可以选择，控制灵活。
Description
技术领域
本发明涉及光伏新能源技术领域，特别涉及一种单相四电平逆变器及其应用电路。
背景技术
近年来多电平输出成为了中高压大功率变频领域的常用技术。其中，多电平逆变器因其输出电压阶梯多，从而可以使输出的电压波形具有较小的谐波和较低的电压变化率；且随着输出电平数的增加，其输出电压的谐波将减少。另外，多电平逆变技术在减小系统的开关损耗与导通损耗，降低管子的耐压与系统的电磁干扰方面性能都非常优良。
目前实际当中常用的多电平拓扑，主要有二极管箝位多电平和电容箝位多电平拓扑，二极管箝位多电平拓扑箝位二极管的数量随着电平数的平方急剧增长，箝位二极管数量多，电路复杂，成本高，可靠性差。电容箝位多电平拓扑必须使用的箝位电容数量也随着电平数的平方急剧增长，系统控制复杂，成本高，可靠性也大大降低。因此以上多电平拓扑都不适合在工程上推广使用。
发明内容
本发明提供一种单相四电平逆变器及其应用电路，电路简单，系统成本低，可靠性高。为实现所述目的，本申请提供的技术方案如下：
一种单相四电平逆变器，连接于直流电源的正端与负端之间，与串联支路并联；所述串联支路为第一电容、第二电容和第三电容依次串联连接的支路；所述单相四电平逆变器包括：开关管单元、钳位电容、第一开关管及第二开关管；所述第一开关管和所述第二开关管均反向并联一个二极管；其中：
所述开关管单元的第一输入端作为所述单相四电平逆变器的第一输入端、与所述直流电源的正端及所述第一电容的一端相连；所述开关管单元的第二输入端作为所述单相四电平逆变器的第二输入端、与所述第一电容和所述第二电容的连接点相连；所述开关管单元的第三输入端作为所述单相四电平逆变器的第三输入端、与所述第二电容及所述第三电容的连接点相连；所述开关管单元的第四输入端作为所述单相四电平逆变器的第四输入端、与所述直流电源的负端及所述第三电容的另一端相连；
所述钳位电容连接于所述开关管单元的第一输出端与第二输出端之间；
所述第一开关管的第一端与所述开关管单元的第一输出端及所述钳位电容的一端相连；
所述第一开关管的第二端与所述第二开关管的第一端相连，连接点作为所述单相四电平逆变器的输出端；
所述第二开关管的第二端与所述开关管单元的第二输出端及所述钳位电容的另一端相连。
优选的，所述开关管单元包括：第三开关管、第四开关管、第五开关管、第六开关管、第七开关管及第八开关管；所述第三开关管、所述第四开关管、所述第五开关管、所述第六开关管、所述第七开关管及所述第八开关管均反向并联一个二极管；其中：
所述第三开关管的第一端为所述开关管单元的第一输入端；
所述第三开关管的第二端与所述第五开关管的第二端相连，连接点为所述开关管单元的第一输出端；
所述第五开关管的第一端与所述第六开关管的第一端相连；
所述第六开关管的第二端为所述开关管单元的第二输入端；
所述第七开关管的第一端为所述开关管单元的第三输入端；
所述第七开关管的第二端与所述第八开关管的第二端相连；
所述第八开关管的第一端与所述第四开关管的第一端相连，连接点为所述开关管单元的第二输出端；
所述第四开关管的第二端为所述开关管单元的第四输入端。
优选的，对应不同的输出电平数，所述单相四电平逆变器的各开关管的状态分别为：
+3电平：所述第一开关管及所述第三开关管导通，所述第五开关管及所述第七开关管可以导通或者截止，其余开关管均截止；
+2电平：所述第二开关管及所述第三开关管导通，所述第五开关管及所述第七开关管可以导通或者截止，其余开关管均截止；或者，所述第一开关管、所述第七开关管及所述第八开关管导通，其余开关管均截止；或者，所述第一开关管、所述第五开关管及所述第六开关管导通，其余开关管均截止；
+1电平：所述第二开关管、所述第七开关管及所述第八开关管导通，其余开关管均截止；或者，所述第二开关管、所述第五开关管导通及所述第六开关管导通，其余开关管均截止；或者，所述第一开关管及所述第四开关管导通，所述第六开关管及所述第八开关管可以导通或者截止，其余开关管均截止；
0电平：所述第二开关管、所述第四开关管及导通，所述第六开关管及所述第八开关管可以导通或者截止，其余开关管均截止。
优选的，所述开关管单元包括：第一二极管、第二二极管、第三开关管、第四开关管、第五开关管、第六开关管、第七开关管及第八开关管；所述第五开关管、所述第六开关管、所述第七开关管及所述第八开关管均反向并联一个二极管；其中：
所述第三开关管的第一端与所述第一二极管的阴极相连，连接点为所述开关管单元的第一输入端；
所述第三开关管的第二端与所述第五开关管的第二端相连，连接点为所述开关管单元的第一输出端；
所述第五开关管的第一端与所述第六开关管的第一端及所述第一二极管的阳极相连；
所述第六开关管的第二端为所述开关管单元的第二输入端；
所述第七开关管的第一端为所述开关管单元的第三输入端；
所述第七开关管的第二端与所述第八开关管的第二端及所述第二二极管的阴极相连；
所述第八开关管的第一端与所述第四开关管的第一端相连，连接点为所述开关管单元的第二输出端；
所述第四开关管的第二端与所述第二二极管的阳极相连，连接点为所述开关管单元的第四输入端。
优选的，对应不同的输出电平数，所述单相四电平逆变器的各开关管的状态分别为：
+3电平：所述第一开关管及所述第三开关管导通，所述第五开关管及所述第七开关管可以导通或者截止，其余开关管均截止；
+2电平：所述第二开关管及所述第三开关管导通，所述第五开关管及所述第七开关管可以导通或者截止，其余开关管均截止；或者，所述第一开关管、所述第五开关管及所述第六开关管导通，其余开关管均截止；或者，所述第一开关管、所述第七开关管及所述第八开关管导通，其余开关管均截止；
+1电平：所述第二开关管、所述第七开关管及所述第八开关管导通，其余开关管均截止；或者，所述第一开关管、所述第四开关管导通，所述第六开关管和所述第八开关管可以导通或者截止，其余开关管均截止；或者，所述第二开关管、所述第五开关管及所述第六开关管导通，其余开关管均截止；
0电平：所述第二开关管、所述第四开关管及导通，所述第六开关管及所述第八开关管可以导通或者截止，其余开关管均截止。
优选的，所述开关管单元包括：第一二极管、第二二极管、第三开关管、第四开关管、第五开关管、第六开关管、第七开关管及第八开关管；所述第五开关管、所述第六开关管、所述第七开关管及所述第八开关管均反向并联一个二极管；其中：
所述第三开关管的第一端与所述第一二极管的阴极相连，连接点为所述开关管单元的第一输入端；
所述第一二极管的阳极与所述第五开关管的第二端相连，连接点为所述开关管单元的第一输出端；
所述第五开关管的第一端与所述第六开关管的第一端及所述第三开关管的第二端相连；
所述第六开关管的第二端为所述开关管单元的第二输入端；
所述第七开关管的第一端为所述开关管单元的第三输入端；
所述第七开关管的第二端与所述第八开关管的第二端及所述第四开关管的第一端相连；
所述第八开关管的第一端与所述第二二极管的阴极相连，连接点为所述开关管单元的第二输出端；
所述第四开关管的第二端与所述第二二极管的阳极相连，连接点为所述开关管单元的第四输入端。
优选的，对应不同的输出电平数，所述单相四电平逆变器的各开关管的状态分别为：
+3电平：所述第一开关管、所述第三开关管及所述第五开关管导通，所述第七开关管可以导通或者截止，其余开关管均截止；
+2电平：所述第二开关管、所述第三开关管及所述第五开关管导通，所述第七开关管可以导通或者截止，其余开关管均截止；或者，所述第一开关管、所述第五开关管及所述第六开关管导通，其余开关管均截止；或者，所述第一开关管、所述第七开关管及所述第八开关管导通，其余开关管均截止；
+1电平：所述第一开关管、所述第四开关管及所述第八开关管导通，所述第六开关管可以导通或者截止，其余开关管均截止；或者，所述第二开关管、所述第七开关管及所述第八开关管导通，其余开关管均截止；或者，所述第二开关管、所述第五开关管及所述第六开关管导通，其余开关管均截止；
0电平：所述第二开关管、所述第四开关管及所述第八开关管导通，所述第六开关管可以导通或者截止，导通其余开关管均截止。
优选的，所述开关管单元包括：第一整流桥、第二整流桥、第三开关管、第四开关管、第五开关管及第六开关管；所述第三开关管及所述第四开关管均反向并联一个二极管；其中：
所述第三开关管的第一端为所述开关管单元的第一输入端；
所述第三开关管的第二端与所述第一整流桥的一个交流引入脚相连，连接点为所述开关管单元的第一输出端；
所述第五开关管的第一端与所述第一整流桥的输出正极相连；所述第五开关管的第二端与所述第一整流桥的输出负极相连；
所述第一整流桥的另一个交流引入脚为所述开关管单元的第二输入端；
所述第二整流桥的一个交流引入脚为所述开关管单元的第三输入端；
所述第六开关管的第一端与所述第二整流桥的输出正极相连；所述第六开关管的第二端与所述第二整流桥的输出负极相连；
所述第二整流桥的另一个交流引入脚与所述第四开关管的第一端相连，连接点为所述开关管单元的第二输出端；
所述第四开关管的第二端为所述开关管单元的第四输入端。
优选的，所述开关管单元包括：第九二极管、第十二极管、第一整流桥、第二整流桥、第三开关管、第四开关管、第五开关管及第六开关管；其中：
所述第三开关管的第一端与所述第九二极管的阴极相连，连接点为所述开关管单元的第一输入端；
所述第三开关管的第二端与所述第一整流桥的一个交流引入脚相连，连接点为所述开关管单元的第一输出端；
所述第五开关管的第一端与所述第一整流桥的输出正极及所述第九二极管的阳极相连；所述第五开关管的第二端与所述第一整流桥的输出负极相连；
所述第一整流桥的另一个交流引入脚为所述开关管单元的第二输入端；
所述第二整流桥的一个交流引入脚为所述开关管单元的第三输入端；
所述第六开关管的第一端与所述第二整流桥的输出正极相连；所述第六开关管的第二端与所述第二整流桥的输出负极及所述第十二极管的阴极相连；
所述第二整流桥的另一个交流引入脚与所述第四开关管的第一端相连，连接点为所述开关管单元的第二输出端；
所述第四开关管的第二端与所述第十二极管的阳极相连，连接点为所述开关管单元的第四输入端。
优选的，对应不同的输出电平数，所述单相四电平逆变器的各开关管的状态分别为：
+3电平：所述第一开关管及所述第三开关管导通，其余开关管均截止；
+2电平：所述第一开关管及所述第六开关管导通，其余开关管均截止；或者，所述第二开关管及所述第三开关管导通，其余开关管均截止；或者，所述第一开关管及所述第五开关管导通，其余开关管均截止；
+1电平：所述第二开关管及所述第六开关管导通，其余开关管均截止；或者，所述第二开关管及所述第五开关管导通，其余开关管均截止；或者，所述第一开关管及所述第四开关管导通，其余开关管均截止；
0电平：所述第二开关管及所述第四开关管导通，导通其余开关管均截止。
一种单相四电平逆变器的应用电路，包括三个如上述任一所述的单相四电平逆变器，分别为第一单相四电平逆变器、第二单相四电平逆变器和第三单相四电平逆变器；其中：
所述第一单相四电平逆变器、所述第二单相四电平逆变器和所述第三单相四电平逆变器的第一输入端均连接所述直流电源的正端；
所述第一单相四电平逆变器、所述第二单相四电平逆变器和所述第三单相四电平逆变器的第二输入端均与所述第一电容和所述第二电容的连接点相连；
所述第一单相四电平逆变器、所述第二单相四电平逆变器和所述第三单相四电平逆变器的第三输入端均与所述第二电容和所述第三电容的连接点相连；
所述第一单相四电平逆变器、所述第二单相四电平逆变器和所述第三单相四电平逆变器的第三输入端均连接所述直流电源的负端；
所述第一单相四电平逆变器、所述第二单相四电平逆变器和所述第三单相四电平逆变器的输出端分别作为所述单相四电平逆变器的应用电路的三个交流输出端。
相对于传统的二极管箝位和电容箝位多电平拓扑，本发明提供的单相四电平逆变器，电路简单，系统成本低，可靠性高。并且通过开关管单元、钳位电容、第一开关管及第二开关管的不同导通组合，根据控制目标的不同，在所述单相四电平逆变器输出电压相同的情况下，存在不同的导通组合可以选择，控制灵活。
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是本发明实施例提供的单相四电平逆变器的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的第一种单相四电平逆变器拓扑图；
图3是本发明实施例提供的第二种单相四电平逆变器拓扑图；
图4是本发明实施例提供的第三种单相四电平逆变器拓扑图；
图5是本发明实施例提供的第四种单相四电平逆变器拓扑图；
图6是本发明实施例提供的第五种单相四电平逆变器拓扑图；
图7是本发明实施例提供的三相三线制四电平逆变器的应用示意图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
本发明提供一种单相四电平逆变器及其应用电路，以解决现有技术中的多电平逆变器缺少功率电容电压自平衡功能的问题。
具体的，如图1所示，所述单相四电平逆变器，连接于直流电源PV的正端与负端之间，与串联支路并联；所述串联支路为第一电容C1、第二电容C2和第三电容C3依次串联连接的支路；所述单相四电平逆变器包括：开关管单元、钳位电容C4、第一开关管Q1及第二开关管Q2；第一开关管Q1和第二开关管Q2均反向并联一个二极管；其中：
所述开关管单元的第一输入端作为所述单相四电平逆变器的第一输入端、与直流电源PV的正端及第一电容C1的一端相连；所述开关管单元的第二输入端作为所述单相四电平逆变器的第二输入端、与第一电容C1和第二电容C2的连接点相连；所述开关管单元的第三输入端作为所述单相四电平逆变器的第三输入端、与第二电容C2及第三电容C3的连接点相连；所述开关管单元的第四输入端作为所述单相四电平逆变器的第四输入端、与直流电源PV的负端及第三电容C3的另一端相连；
钳位电容C4连接于所述开关管单元的第一输出端与第二输出端之间；
第一开关管Q1的第一端与所述开关管单元的第一输出端及钳位电容C4的一端相连；
第一开关管Q1的第二端与第二开关管Q2的第一端相连，连接点作为所述单相四电平逆变器的输出端；
第二开关管Q2的第二端与所述开关管单元的第二输出端及钳位电容C4的另一端相连。
在具体的实际应用中，第一开关管Q1和第二开关管Q2反向并联的二极管可以是额外增加的二极管，也可以是各自的体二极管，此处不做具体限定，视其应用环境而定，均在本申请的保护范围内。
相对于传统的二极管箝位和电容箝位多电平拓扑，本实施例提供的所述单相四电平逆变器，电路简单，系统成本低，可靠性高。并且通过开关管单元、钳位电容、第一开关管及第二开关管的不同导通组合，根据控制目标的不同，在所述单相四电平逆变器输出电压相同的情况下，均存在不同的导通组合可以选择，控制灵活。
优选的，如图2所示，本实施例提供的第一种单相四电平逆变器中的所述开关管单元包括：第三开关管Q3、第四开关管Q4、第五开关管Q5、第六开关管Q6、第七开关管Q7及第八开关管Q8；第三开关管Q3、第四开关管Q4、第五开关管Q5、第六开关管Q6、第七开关管Q7及第八开关管Q8均反向并联一个二极管；其中：
第三开关管Q3的第一端为所述开关管单元的第一输入端；
第三开关管Q3的第二端与第五开关管Q5的第二端相连，连接点为所述开关管单元的第一输出端；
第五开关管Q5的第一端与第六开关管Q6的第一端相连；
第六开关管Q6的第二端为所述开关管单元的第二输入端；
第七开关管Q7的第一端为所述开关管单元的第三输入端；
第七开关管Q7的第二端与第八开关管Q8的第二端相连；
第八开关管Q8的第一端与第四开关管Q4的第一端相连，连接点为所述开关管单元的第二输出端；
第四开关管Q4的第二端为所述开关管单元的第四输入端。
图2中，以直流电源PV的负端为参考，直流电源PV的正端与负端之间的电压为3E；第一电容C1、第二电容C2及第三电容C3上的电压均为E，钳位电容C4上的电压为E；下面各图中所示标注与此处相同，不再一一赘述。
表1所示为所述第一种单相四电平逆变器对应的八个工作模态，对应不同的输出电平数，所述第一种单相四电平逆变器的各开关管的状态分别为：
+3电平：第一开关管Q1及第三开关管Q3导通，第五开关管Q5及第七开关管Q7可以导通或者截止，其余开关管均截止；
如表1第2行第2列中所示，其中，虚线箭头指向为有功电流的流经路径方向。此时所述单相四电平逆变器内的有功电流流向为：第三开关管Q3-第一开关管Q1；此时所述单相四电平逆变器的输出电压V为3E。另外，如果实际情况需要所述单相四电平逆变器发无功时，所述单相四电平
逆变器内的无功电流流向为：第一开关管Q1的反向并联二极管-第三开关管Q3的反向并联二极管；此时所述单相四电平逆变器的输出电压V为3E。
+2电平：第二开关管Q2及第三开关管Q3导通，第五开关管Q5及第七开关管Q7可以导通或者截止，其余开关管均截止；
如表1第3行第2列中所示，此时所述单相四电平逆变器内的有功电流流向为：第三开关管Q3-钳位电容C4-第二开关管Q2的反向并联二极管；此时所述单相四电平逆变器的输出电压V为2E。另外，如果实际情况需要所述单相四电平逆变器发无功时，所述单相四电平逆变器内的无功电流流向为：第二开关管Q2-钳位电容C4-第三开关管Q3的反向并联二极管；此时所述单相四电平逆变器的输出电压V为2E。
+2电平：第一开关管Q1、第七开关管Q7及第八开关管Q8均导通，其余开关管均截止；
如表1第3行第3列中所示，此时所述单相四电平逆变器内的有功电流流向为：第七开关管Q7-第八开关管Q8的反向并联二极管-钳位电容C4-第一开关管Q1；此时所述单相四电平逆变器的输出电压V为2E。另外，如果实际情况需要所述单相四电平逆变器发无功时，所述单相四电平逆变器内的无功电流流向为：第一开关管Q1反向并联二极管-钳位电容C4-第八开关管Q8-第七开关管Q7的反向并联二极管；此时所述单相四电平逆变器的输出电压V为2E。
+2电平：第一开关管Q1、第五开关管Q5及第六开关管Q6导通，其余开关管均截止；
如表1第3行第4列中所示，此时所述单相四电平逆变器内的有功电流流向为：第六开关管Q6的反向并联二极管-第五开关管Q5-第一开关管Q1；此时所述单相四电平逆变器的输出电压V为2E。另外，如果实际情况需要所述单相四电平逆变器发无功时，所述单相四电平逆变器内的无功电流流向为：第一开关管Q1的反向并联二极管-第五开关管Q5的反向并联二极管-第六开关管Q6；此时所述单相四电平逆变器的输出电压V为2E。
+1电平：第二开关管Q2、第七开关管Q7及第八开关管Q8导通，其余开关管均截止；
如表1第4行第2列中所示，此时所述单相四电平逆变器内的有功电流流向为：第七开关管Q7-第八开关管Q8的反向并联二极管-第二开关管Q2的反向并联二极管；此时所述单相四电平逆变器的输出电压V为E。另外，如果实际情况需要所述单相四电平逆变器发无功时，所述单相四电平逆变器内的无功电流流向为：第二开关管Q2-第八开关管Q8-第七开关管Q7的反向并联二极管；此时所述单相四电平逆变器的输出电压V为E。
+1电平：第二开关管Q2、第五开关管Q5及第六开关管Q6均导通，其余开关管均截止；
如表1第4行第3列中所示，此时所述单相四电平逆变器内的有功电流流向为：第六开关管Q6的反向并联二极管-第五开关管Q5-钳位电容C4-第二开关管Q2的反向并联二极管；此时所述单相四电平逆变器的输出电压V为E。另外，如果实际情况需要所述单相四电平逆变器发无功时，所述单相四电平逆变器内的无功电流流向为：第二开关管Q2-钳位电容C4-第五开关管Q5的反向并联二极管-第六开关管Q6；此时所述单相四电平逆变器的输出电压V为E。
+1电平：第一开关管Q1及第四开关管Q4导通，第六开关管Q6及第八开关管Q8可以导通或者截止，其余开关管均截止；
如表1第4行第4列中所示，此时所述单相四电平逆变器内的有功电流流向为：第四开关管Q4的反向并联二极管-钳位电容C4-第一开关管Q1；此时所述单相四电平逆变器的输出电压V为E。另外，如果实际情况需要所述单相四电平逆变器发无功时，所述单相四电平逆变器内的无功电流流向为：第一开关管Q1的反向并联二极管-钳位电容C4-第四开关管Q4；此时所述单相四电平逆变器的输出电压V为E。
0电平：第二开关管Q2及第四开关管Q4均导通，第六开关管Q6及第八开关管Q8可以导通或者截止，其余开关管均截止。
如表1第5行第2列中所示，此时所述单相四电平逆变器内的有功电流流向为：第四开关管Q4的反向并联二极管-第二开关管Q 2的反向并联二极管；此时所述单相四电平逆变器的输出电压V为0。另外，如果实际情况需要所述单相四电平逆变器发无功时，所述单相四电平逆变器内的无功电流流向为：第二开关管Q2-第四开关管Q4；此时所述单相四电平逆变器的输出电压V为0。
表1第一种单相四电平逆变器的八种模态
在具体的实际应用中，图2所示的第一种单相四电平逆变器，其中的第三开关管Q3及第四开关管Q4可以选用1200V的开关管(具体可以选择IGBT)，其余开关管可以选用600V或者650V低压等级的开关管，比如快速IGBT或者MOSFET(Metal-Oxide-SemiconductorField-Effect Transistor，金属-氧化物半导体场效应晶体管)，其开关特性好，开关损耗低。在具体的实际应用中，采用1200V的IGBT与600V或者650V低压等级的IGBT或者MOSFET，成本低，适合应用于本实施例所述的单相四电平逆变器。
或者，如图3所示，本发明提供的第二种所述单相四电平逆变器中的所述开关管单元包括：第一二极管D1、第二二极管D2、第三开关管Q3、第四开关管Q4、第五开关管Q5、第六开关管Q6、第七开关管Q7及第八开关管Q8；第五开关管Q5、第六开关管Q6、第七开关管Q7及第八开关管Q8均反向并联一个二极管；其中：
第三开关管Q3的第一端与第一二极管D1的阴极相连，连接点为所述开关管单元的第一输入端；
第三开关管Q3的第二端与第五开关管Q5的第二端相连，连接点为所述开关管单元的第一输出端；
第五开关管Q5的第一端与第六开关管Q6的第一端及第一二极管D1的阳极相连；
第六开关管Q6的第二端为所述开关管单元的第二输入端；
第七开关管Q7的第一端为所述开关管单元的第三输入端；
第七开关管Q7的第二端与第八开关管Q8的第二端及第二二极管D2的阴极相连；
第八开关管Q8的第一端与第四开关管Q4的第一端相连，连接点为所述开关管单元的第二输出端；
第四开关管Q4的第二端与第二二极管D2的阳极相连，连接点为所述开关管单元的第四输入端。
表2所示为图3所示第二种单相四电平逆变器对应的八个工作模态，对应不同的输出电平数，所述第二种单相四电平逆变器的各开关管的状态分别为：
+3电平：第一开关管Q1及第三开关管Q3导通，第五开关管Q5及第七开关管Q7可以导通或者截止，其余开关管均截止；
如表2第2行第2列中所示，其中，虚线箭头指向为有功电流的流经路径方向。此时所述单相四电平逆变器内的有功电流流向为：第三开关管Q3-第一开关管Q1；此时所述单相四电平逆变器的输出电压V为3E。另外，如果实际情况需要所述单相四电平逆变器发无功时，所述单相四电平逆变器内的无功电流流向为：第一开关管Q1的反向并联二极管-第五开关管Q5的反向并联二极管-第一二极管D1；此时所述单相四电平逆变器的输出电压V为3E。
+2电平：第二开关管Q2及第三开关管Q3导通，第五开关管Q5及第七开关管Q7可以导通或者截止，其余开关管均截止；
如表2第3行第2列中所示，此时所述单相四电平逆变器内的有功电流流向为：第三开关管Q3-钳位电容C4-第二开关管Q2的反向并联二极管；此时所述单相四电平逆变器的输出电压V为2E。另外，如果实际情况需要所述单相四电平逆变器发无功时，所述单相四电平逆变器内的无功电流流向为：第二开关管Q2-钳位电容C4-第五开关管Q5的反向并联二极管-第一二极管D1；此时所述单相四电平逆变器的输出电压V为2E。
+2电平：第一开关管Q1、第五开关管Q5及第六开关管Q6导通，其余开关管均截止；
如表2第3行第3列中所示，此时所述单相四电平逆变器内的有功电流流向为：第六开关管Q6的反向并联二极管-第五开关管Q5-第一开关管Q1；此时所述单相四电平逆变器的输出电压V为2E。另外，如果实际情况需要所述单相四电平逆变器发无功时，所述单相四电平逆变器内的无功电流流向为：第一开关管Q1的反向并联二极管-第五开关管Q5的反向并联二极管-第六开关管Q6；此时所述单相四电平逆变器的输出电压V为2E。
+2电平：第一开关管Q1、第七开关管Q7及第八开关管Q8导通，其余开关管均截止；
如表2第3行第4列中所示，此时所述单相四电平逆变器内的有功电流流向为：第七开关管Q7-第八开关管Q8的反向并联二极管-钳位电容C4-第一开关管Q1；此时所述单相四电平逆变器的输出电压V为2E。另外，如果实际情况需要所述单相四电平逆变器发无功时，所述单相四电平逆变器内的无功电流流向为：第一开关管Q1的反向并联二极管-钳位电容C4-第八开关管Q8-第七开关管Q7的反向并联二极管；此时所述单相四电平逆变器的输出电压V为2E。
+1电平：第二开关管Q2、第七开关管Q7及第八开关管Q8导通，其余开关管均截止；
如表2第4行第2列中所示，此时所述单相四电平逆变器内的有功电流流向为：第七开关管Q7-第八开关管Q8的反向并联二极管-第二开关管Q2的反向并联二极管；此时所述单相四电平逆变器的输出电压V为E。另外，如果实际情况需要所述单相四电平逆变器发无功时，所述单相四电平逆变器内的无功电流流向为：第二开关管Q2-第八开关管Q8-第七开关管Q7的反向并联二极管；此时所述单相四电平逆变器的输出电压V为E。
+1电平：第一开关管Q1、第四开关管Q4导通，第六开关管Q6和第八开关管Q8可以导通或者截止，其余开关管均截止；
如表2第4行第3列中所示，此时所述单相四电平逆变器内的有功电流流向为：第二二极管D2-第八开关管Q8的反向并联二极管-钳位电容C4-第一开关管Q1；此时所述单相四电平逆变器的输出电压V为E。另外，如果实际情况需要所述单相四电平逆变器发无功时，所述单相四电平逆变器内的无功电流流向为：第一开关管Q1的反向并联二极管-钳位电容C4-第四开关管Q4；此时所述单相四电平逆变器的输出电压V为E。
+1电平：第二开关管Q2、第五开关管Q5及第六开关管Q6导通，其余开关管均截止；
如表2第4行第4列中所示，此时所述单相四电平逆变器内的有功电流流向为：第六开关管Q6的反向并联二极管-第五开关管Q5-钳位电容C4-第二开关管Q2的反向并联二极管；此时所述单相四电平逆变器的输出电压V为E。另外，如果实际情况需要所述单相四电平逆变器发无功时，所述单相四电平逆变器内的无功电流流向为：第二开关管Q2-钳位电容C4-第五开关管Q5的反向并联二极管-第六开关管Q6；此时所述单相四电平逆变器的输出电压V为E。
0电平：第二开关管Q2、第四开关管Q4及导通，第六开关管Q6及第八开关管Q8可以导通或者截止，其余开关管均截止。
如表2第5行第2列中所示，此时所述单相四电平逆变器内的有功电流流向为：第二二极管D2-第八开关管Q8的反向并联二极管-第二开关管Q 2的反向并联二极管；此时所述单相四电平逆变器的输出电压V为0。另外，如果实际情况需要所述单相四电平逆变器发无功时，所述单相四电平逆变器内的无功电流流向为：第二开关管Q2-第四开关管Q4；此时所述单相四电平逆变器的输出电压V为0。
表2第二种单相四电平逆变器的八种模态
在具体的实际应用中，图3所示的第二种单相四电平逆变器，其中的第三开关管Q3及第四开关管Q4可以选用1200V的开关管(如IGBT)，其余开关管可以选用600V或者650V低压等级的开关管，比如快速IGBT或者MOSFET，其开关特性好，开关损耗低。
或者，如图4所示，本发明提供的第三种所述单相四电平逆变器中的所述开关管单元包括：第一二极管D1、第二二极管D2、第三开关管Q3、第四开关管Q4、第五开关管Q5、第六开关管Q6、第七开关管Q7及第八开关管Q8；第五开关管Q5、第六开关管Q6、第七开关管Q7及第八开关管Q8均反向并联一个二极管；其中：
第三开关管Q3的第一端与第一二极管D1的阴极相连，连接点为所述开关管单元的第一输入端；
第一二极管D1的阳极与第五开关管Q5的第二端相连，连接点为所述开关管单元的第一输出端；
第五开关管Q5的第一端与第六开关管Q6的第一端及第三开关管Q3的第二端相连；
第六开关管Q6的第二端为所述开关管单元的第二输入端；
第七开关管Q7的第一端为所述开关管单元的第三输入端；
第七开关管Q7的第二端与第八开关管Q8的第二端及第四开关管Q4的第一端相连；
第八开关管Q8的第一端与第二二极管D2的阴极相连，连接点为所述开关管单元的第二输出端；
第四开关管Q4的第二端与第二二极管D2的阳极相连，连接点为所述开关管单元的第四输入端。
表3所示为图4所示第三种单相四电平逆变器对应的八个工作模态，对应不同的输出电平数，所述第二种单相四电平逆变器的各开关管的状态分别为：
+3电平：第一开关管Q1、第三开关管Q3及第五开关管Q5导通，第七开关管Q7可以导通或者截止，其余开关管均截止；
如表3第2行第2列中所示，其中，虚线箭头指向为有功电流的流经路径方向。此时所述单相四电平逆变器内的有功电流流向为：第三开关管Q3-第五开关管Q5-第一开关管Q1；此时所述单相四电平逆变器的输出电压V为3E。另外，如果实际情况需要所述单相四电平逆变器发无功时，所述单相四电平逆变器内的无功电流流向为：第一开关管Q1的反向并联二极管-第一二极管D1；此时所述单相四电平逆变器的输出电压V为3E。
+2电平：第二开关管Q2、第三开关管Q3及第五开关管Q5导通，第七开关管Q7可以导通或者截止，其余开关管均截止；
如表3第3行第2列中所示，此时所述单相四电平逆变器内的有功电流流向为：第三开关管Q3-第五开关管Q5-钳位电容C4-第二开关管Q2的反向并联二极管；此时所述单相四电平逆变器的输出电压V为2E。另外，如果实际情况需要所述单相四电平逆变器发无功时，所述单相四电平逆变器内的无功电流流向为：第二开关管Q2-钳位电容C4-第一二极管D1；此时所述单相四电平逆变器的输出电压V为2E。
+2电平：第一开关管Q1、第五开关管Q5及第六开关管Q6导通，其余开关管均截止；
如表3第3行第3列中所示，此时所述单相四电平逆变器内的有功电流流向为：第六开关管Q6的反向并联二极管-第五开关管Q5-第一开关管Q1；此时所述单相四电平逆变器的输出电压V为2E。另外，如果实际情况需要所述单相四电平逆变器发无功时，所述单相四电平逆变器内的无功电流流向为：第一开关管Q1的反向并联二极管-第五开关管Q5的反向并联二极管-第六开关管Q6；此时所述单相四电平逆变器的输出电压V为2E。
+2电平：第一开关管Q1、第七开关管Q7及第八开关管Q8导通，其余开关管均截止；
如表3第3行第4列中所示，此时所述单相四电平逆变器内的有功电流流向为：第七开关管Q7-第八开关管Q8的反向并联二极管-钳位电容C4-第一开关管Q1；此时所述单相四电平逆变器的输出电压V为2E。另外，如果实际情况需要所述单相四电平逆变器发无功时，所述单相四电平逆变器内的无功电流流向为：第一开关管Q1的反向并联二极管-钳位电容C4-第八开关管Q8-第七开关管Q7的反向并联二极管；此时所述单相四电平逆变器的输出电压V为2E。
+1电平：第一开关管Q1、第四开关管Q4及第八开关管Q8导通，第六开关管Q6可以导通或者截止，其余开关管均截止；
如表3第4行第2列中所示，此时所述单相四电平逆变器内的有功电流流向为：第二二极管D2-钳位电容C4-第一开关管Q1；此时所述单相四电平逆变器的输出电压V为E。另外，如果实际情况需要所述单相四电平逆变器发无功时，所述单相四电平逆变器内的无功电流流向为：第一开关管Q1的反向并联二极管-钳位电容C4-第八开关管Q8-第四开关管Q4；此时所述单相四电平逆变器的输出电压V为E。
+1电平：第二开关管Q2、第七开关管Q7及第八开关管Q8导通，其余开关管均截止；
如表3第4行第3列中所示，此时所述单相四电平逆变器内的有功电流流向为：第七开关管Q7-第八开关管Q8的反向并联二极管-第二开关管Q2的反向并联二极管；此时所述单相四电平逆变器的输出电压V为E。另外，如果实际情况需要所述单相四电平逆变器发无功时，所述单相四电平逆变器内的无功电流流向为：第二开关管Q2-第八开关管Q8-第七开关管Q7的反向并联二极管；此时所述单相四电平逆变器的输出电压V为E。
+1电平：第二开关管Q2、第五开关管Q5及第六开关管Q6导通，其余开关管均截止；
如表3第4行第4列中所示，此时所述单相四电平逆变器内的有功电流流向为：第六开关管Q6的反向并联二极管-第五开关管Q5-钳位电容C4-第二开关管Q2的反向并联二极管；此时所述单相四电平逆变器的输出电压V为E。另外，如果实际情况需要所述单相四电平逆变器发无功时，所述单相四电平逆变器内的无功电流流向为：第二开关管Q2-钳位电容C4-第五开关管Q5的反向并联二极管-第六开关管Q6；此时所述单相四电平逆变器的输出电压V为E。
0电平：第二开关管Q2、第四开关管Q4及第八开关管Q8导通，第六开关管Q6可以导通或者截止，导通其余开关管均截止。
如表3第5行第2列中所示，此时所述单相四电平逆变器内的有功电流流向为：第二二极管D2-第二开关管Q2的反向并联二极管；此时所述单相四电平逆变器的输出电压V为0。另外，如果实际情况需要所述单相四电平逆变器发无功时，所述单相四电平逆变器内的无功电流流向为：第二开关管Q2-第八开关管Q8-第四开关管Q4；此时所述单相四电平逆变器的输出电压V为0。
表3第三种单相四电平逆变器的八种模态
在具体的实际应用中，图4所示的第三种单相四电平逆变器，其中的第一二极管D1及第二二极管D2可以选用1200V的二极管，其余开关管可以选用600V或者650V低压等级的开关管，比如快速IGBT或者MOSFET，其开关特性好，开关损耗低。
或者，如图5所示，本发明提供的第四种所述单相四电平逆变器中的所述开关管单元包括：第一整流桥(包括：第一二极管D1、第二二极管D2、第五二极管D5及第六二极管D6)、第二整流桥(包括：第三二极管D3、第四二极管D4、第七二极管D7及第八二极管D8)、第三开关管Q3、第四开关管Q4、第五开关管Q5及第六开关管Q6；第三开关管Q3及第四开关管Q4均反向并联一个二极管；其中：
第三开关管Q3的第一端为所述开关管单元的第一输入端；
第三开关管Q3的第二端与所述第一整流桥的一个交流引入脚相连，连接点为所述开关管单元的第一输出端；
第五开关管Q5的第一端与所述第一整流桥的输出正极相连；第五开关管Q5的第二端与所述第一整流桥的输出负极相连；
所述第一整流桥的另一个交流引入脚为所述开关管单元的第二输入端；
所述第二整流桥的一个交流引入脚为所述开关管单元的第三输入端；
第六开关管Q6的第一端与所述第二整流桥的输出正极相连；第六开关管Q6的第二端与所述第二整流桥的输出负极相连；
所述第二整流桥的另一个交流引入脚与第四开关管Q4的第一端相连，连接点为所述开关管单元的第二输出端；
第四开关管Q4的第二端为所述开关管单元的第四输入端。
表4所示为图5所示第四种单相四电平逆变器对应的八个工作模态，对应不同的输出电平数，所述第二种单相四电平逆变器的各开关管的状态分别为：
+3电平：第一开关管Q1及第三开关管Q3导通，其余开关管均截止；
如表4第2行第2列中所示，其中，虚线箭头指向为有功电流的流经路径方向。此时所述单相四电平逆变器内的有功电流流向为：第三开关管Q3-第一开关管Q1；此时所述单相四电平逆变器的输出电压V为3E。另外，如果实际情况需要所述单相四电平逆变器发无功时，所述单相四电平逆变器内的无功电流流向为：第一开关管Q1的反向并联二极管-第三开关管Q3的反向并联二极管；此时所述单相四电平逆变器的输出电压V为3E。
+2电平：第一开关管Q1及第五开关管Q5导通，其余开关管均截止；
如表4第3行第2列中所示，此时所述单相四电平逆变器内的有功电流流向为：第五二极管D5-第五开关管Q5-第二二极管D2-第一开关管Q1；此时所述单相四电平逆变器的输出电压V为2E。另外，如果实际情况需要所述单相四电平逆变器发无功时，所述单相四电平逆变器内的无功电流流向为：第一开关管Q1的反并联二极管-第一二极管D1-第五开关管Q5-第六二极管D6；此时所述单相四电平逆变器的输出电压V为2E。
+2电平：第二开关管Q2及第三开关管Q3导通，其余开关管均截止；
如表4第3行第3列中所示，此时所述单相四电平逆变器内的有功电流流向为：第三开关管Q3-钳位电容C4-第二开关管Q2的反并联二极管；此时所述单相四电平逆变器的输出电压V为2E。另外，如果实际情况需要所述单相四电平逆变器发无功时，所述单相四电平逆变器内的无功电流流向为：第二开关管Q2-钳位电容C4-第三开关管Q3的反向并联二极管；此时所述单相四电平逆变器的输出电压V为2E。
+2电平：第一开关管Q1及第六开关管Q6导通，其余开关管均截止；
如表4第3行第4列中所示，此时所述单相四电平逆变器内的有功电流流向为：第七二极管D7-第六开关管Q6-第四二极管D4-钳位电容C4-第一开关管Q1；此时所述单相四电平逆变器的输出电压V为2E。另外，如果实际情况需要所述单相四电平逆变器发无功时，所述单相四电平逆变器内的无功电流流向为：第一开关管Q1的反向并联二极管-钳位电容C4-第三二极管D3-第六开关管Q6-第八二极管D8；此时所述单相四电平逆变器的输出电压V为2E。
+1电平：第二开关管Q2及第六开关管Q6导通，其余开关管均截止；
如表4第4行第2列中所示，此时所述单相四电平逆变器内的有功电流流向为：第七二极管D7-第六开关管Q6-第四二极管D4-第二开关管Q2的反向并联二极管；此时所述单相四电平逆变器的输出电压V为E。另外，如果实际情况需要所述单相四电平逆变器发无功时，所述单相四电平逆变器内的无功电流流向为：第二开关管Q2-第三二极管D3-第六开关管Q6-第八二极管D8；此时所述单相四电平逆变器的输出电压V为E。
+1电平：第二开关管Q2及第五开关管Q5导通，其余开关管均截止；
如表4第4行第3列中所示，此时所述单相四电平逆变器内的有功电流流向为：第五二极管D5-第五开关管Q5-第二二极管D2-钳位电容C4-第二开关管Q2的反向并联二极管；此时所述单相四电平逆变器的输出电压V为E。另外，如果实际情况需要所述单相四电平逆变器发无功时，所述单相四电平逆变器内的无功电流流向为：第二开关管Q2-钳位电容C4-第一二极管D1-第五开关管Q5-第六二极管D6；此时所述单相四电平逆变器的输出电压V为E。
+1电平：第一开关管Q1及第四开关管Q4导通，其余开关管均截止；
如表4第4行第4列中所示，此时所述单相四电平逆变器内的有功电流流向为：第四开关管Q4的反向并联二极管-钳位电容C4-第一开关管Q1；此时所述单相四电平逆变器的输出电压V为E。另外，如果实际情况需要所述单相四电平逆变器发无功时，所述单相四电平逆变器内的无功电流流向为：第一开关管Q1的反向并联二极管-钳位电容C4-第四开关管Q4；此时所述单相四电平逆变器的输出电压V为E。
0电平：第二开关管Q2及第四开关管Q4导通，其余开关管均截止。
如表4第5行第2列中所示，此时所述单相四电平逆变器内的有功电流流向为：第四开关管Q4的反并联二极管-第二开关管Q2的反向并联二极管；此时所述单相四电平逆变器的输出电压V为0。另外，如果实际情况需要所述单相四电平逆变器发无功时，所述单相四电平逆变器内的无功电流流向为：第二开关管Q2-第四开关管Q4；此时所述单相四电平逆变器的输出电压V为0。
表4第四种单相四电平逆变器的八种模态
在具体的实际应用中，图5所示的第四种单相四电平逆变器，其中的第三开关管Q3及第四开关管Q4可以选用1200V的开关管(如IGBT)，其余开关管可以选用600V或者650V低压等级的开关管，比如快速IGBT或者MOSFET，其开关特性好，开关损耗低。
或者，如图6所示，本发明提供的第五种所述单相四电平逆变器中的所述开关管单元包括：第九二极管D9、第十二极管D10、第一整流桥(包括：第一二极管D1、第二二极管D2、第五二极管D5及第六二极管D6)、第二整流桥(包括：第三二极管D3、第四二极管D4、第七二极管D7及第八二极管D8)、第三开关管Q3、第四开关管Q4、第五开关管Q5及第六开关管Q6；其中：
第三开关管Q3的第一端与第九二极管D9的阴极相连，连接点为所述开关管单元的第一输入端；
第三开关管Q3的第二端与所述第一整流桥的一个交流引入脚相连，连接点为所述开关管单元的第一输出端；
第五开关管Q5的第一端与所述第一整流桥的输出正极及第九二极管D9的阳极相连；第五开关管Q5的第二端与所述第一整流桥的输出负极相连；
所述第一整流桥的另一个交流引入脚为所述开关管单元的第二输入端；
所述第二整流桥的一个交流引入脚为所述开关管单元的第三输入端；
第六开关管Q6的第一端与所述第二整流桥的输出正极相连；第六开关管Q6的第二端与所述第二整流桥的输出负极及第十二极管D10的阴极相连；
所述第二整流桥的另一个交流引入脚与第四开关管Q4的第一端相连，连接点为所述开关管单元的第二输出端；
第四开关管Q4的第二端与第十二极管D10的阳极相连，连接点为所述开关管单元的第四输入端。
表5所示为图6所示第五种单相四电平逆变器对应的八个工作模态，对应不同的输出电平数，所述第二种单相四电平逆变器的各开关管的状态分别为：
+3电平：第一开关管Q1及第三开关管Q3导通，其余开关管均截止；
如表5第2行第2列中所示，其中，虚线箭头指向为有功电流的流经路径方向。此时所述单相四电平逆变器内的有功电流流向为：第三开关管Q3-第一开关管Q1；此时所述单相四电平逆变器的输出电压V为3E。另外，如果实际情况需要所述单相四电平逆变器发无功时，所述单相四电平逆变器内的无功电流流向为：第一开关管Q1的反向并联二极管-第一二极管D1-第九二极管D9；此时所述单相四电平逆变器的输出电压V为3E。
+2电平：第一开关管Q1及第六开关管Q6导通，其余开关管均截止；
如表5第3行第2列中所示，此时所述单相四电平逆变器内的有功电流流向为：第七二极管D7-第六开关管Q6-第四二极管D4-钳位电容C4-第一开关管Q1；此时所述单相四电平逆变器的输出电压V为2E。另外，如果实际情况需要所述单相四电平逆变器发无功时，所述单相四电平逆变器内的无功电流流向为：第一开关管Q1的反并联二极管-钳位电容C4-第三二极管D3-第六开关管Q6-第八二极管D8；此时所述单相四电平逆变器的输出电压V为2E。
+2电平：第二开关管Q2及第三开关管Q3导通，其余开关管均截止；
如表5第3行第3列中所示，此时所述单相四电平逆变器内的有功电流流向为：第三开关管Q3-钳位电容C4-第二开关管Q2的反并联二极管；此时所述单相四电平逆变器的输出电压V为2E。另外，如果实际情况需要所述单相四电平逆变器发无功时，所述单相四电平逆变器内的无功电流流向为：第二开关管Q2-钳位电容C4-第一二极管D1-第九二极管D9；此时所述单相四电平逆变器的输出电压V为2E。
+2电平：第一开关管Q1及第五开关管Q5导通，其余开关管均截止；
如表4第3行第4列中所示，此时所述单相四电平逆变器内的有功电流流向为：第五二极管D5-第五开关管Q5-第二二极管D2-第一开关管Q1；此时所述单相四电平逆变器的输出电压V为2E。另外，如果实际情况需要所述单相四电平逆变器发无功时，所述单相四电平逆变器内的无功电流流向为：第一开关管Q1的反向并联二极管-第一二极管D1-第五开关管Q5-第六二极管D6；此时所述单相四电平逆变器的输出电压V为2E。
+1电平：第二开关管Q2及第六开关管Q6导通，其余开关管均截止；
如表5第4行第2列中所示，此时所述单相四电平逆变器内的有功电流流向为：第七二极管D7-第六开关管Q6-第四二极管D4-第二开关管Q2的反向并联二极管；此时所述单相四电平逆变器的输出电压V为E。另外，如果实际情况需要所述单相四电平逆变器发无功时，所述单相四电平逆变器内的无功电流流向为：第二开关管Q2-第三二极管D3-第六开关管Q6-第八二极管D8；此时所述单相四电平逆变器的输出电压V为E。
+1电平：第二开关管Q2及第五开关管Q5导通，其余开关管均截止；
如表5第4行第3列中所示，此时所述单相四电平逆变器内的有功电流流向为：第五二极管D5-第五开关管Q5-第二二极管D2-钳位电容C4-第二开关管Q2的反向并联二极管；此时所述单相四电平逆变器的输出电压V为E。另外，如果实际情况需要所述单相四电平逆变器发无功时，所述单相四电平逆变器内的无功电流流向为：第二开关管Q2-钳位电容C4-第一二极管D1-第五开关管Q5-第六二极管D6；此时所述单相四电平逆变器的输出电压V为E。
+1电平：第一开关管Q1及第四开关管Q4导通，其余开关管均截止；
如表5第4行第4列中所示，此时所述单相四电平逆变器内的有功电流流向为：第十二极管D10-第四二极管D4-钳位电容C4-第一开关管Q1；此时所述单相四电平逆变器的输出电压V为E。另外，如果实际情况需要所述单相四电平逆变器发无功时，所述单相四电平逆变器内的无功电流流向为：第一开关管Q1的反向并联二极管-钳位电容C4-第四开关管Q4；此时所述单相四电平逆变器的输出电压V为E。
0电平：第二开关管Q2及第四开关管Q4导通，其余开关管均截止。
如表5第5行第2列中所示，此时所述单相四电平逆变器内的有功电流流向为：第十二极管D10-第四二极管D4-第二开关管Q2的反向并联二极管；此时所述单相四电平逆变器的输出电压V为0。另外，如果实际情况需要所述单相四电平逆变器发无功时，所述单相四电平逆变器内的无功电流流向为：第二开关管Q2-第四开关管Q4；此时所述单相四电平逆变器的输出电压V为0。
表5第五种单相四电平逆变器的八种模态
在具体的实际应用中，图6所示的第五种单相四电平逆变器，其中的第三开关管Q3及第四开关管Q4可以选用1200V的开关管(如IGBT)，其余开关管可以选用600V或者650V低压等级的开关管，比如快速IGBT或者MOSFET，其开关特性好，开关损耗低。
值得说明的是，本实施例中所述的五种单相四电平逆变器中，其中的各个开关管可以为IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘三双极型功率管)管、MOS管、IGCT(Intergrated Gate Commutated Thyristors，集成栅极换流晶闸管)管或者IEGT(Injection Enhanced Gate Transistor，电子注入增强门极晶体管)管等开关管；具体的选用可以视其应用环境而定，此处不做具体限定，均在本申请的保护范围内。且各个开关管反向并联的二极管可以是额外增加的二极管，也可以是各自的体二极管，此处不做具体限定，视其应用环境而定，均在本申请的保护范围内。
另外，图2至图6所示的各个单相四电平逆变器，其中各个开关管的选型及驱动信号来源此处不做具体限定，可以视其具体应用环境而定。
优选的，图2、图3、图5和图6中，第三开关管Q3及第四开关管Q4的电压等级均大于半母线电压，图4中第三开关管Q3及第四开关管Q4电压等级大于四分之一母线电压，D1和D2电压等级大于半母线电压；其余开关管的电压等级均大于四分之一母线电压。
本发明另一实施例还提供了一种单相四电平逆变器的应用电路，如图7所示，为本实施例提供的三相三线制四电平逆变器拓扑图，包括三个如图2至图6任一所示的单相四电平逆变器，分别为第一单相四电平逆变器201、第二单相四电平逆变器202和第三单相四电平逆变器203；其中：
第一单相四电平逆变器201、第二单相四电平逆变器202和第三单相四电平逆变器203的第一输入端均连接直流电源PV的正端；
第一单相四电平逆变器201、第二单相四电平逆变器202和第三单相四电平逆变器203的第二输入端均与第一电容C1和第二电容C2的连接点相连；
第一单相四电平逆变器201、第二单相四电平逆变器202和第三单相四电平逆变器203的第三输入端与第二电容C2和第三电容C3的连接点相连；
所述第一单相四电平逆变器、所述第二单相四电平逆变器和所述第三单相四电平逆变器的第三输入端均连接直流电源PV的负端；
第一单相四电平逆变器201、第二单相四电平逆变器202和第三单相四电平逆变器203的输出端分别作为所述单相四电平逆变器的应用电路的三个交流输出端。
具体的，第一单相四电平逆变器201由第一正弦波进行调制，第二单相四电平逆变器202由第二正弦波进行调制，第三单相四电平逆变器203由第三正弦波进行调制；
第一正弦波、第二正弦波和第三正弦波的相位依次相差120度。
所述三相三线制四电平逆变器，采用图2至图6所示的各个单相四电平逆变器时，在其各自的八个模态中，可以通过选择不同的模态，实现母线电容和钳位电容的电压平衡控制。因此所述三相三线制四电平逆变器不需要增加额外的硬件电路就可以实现全功率、全调制下电容电压的平衡控制，避免系统的相输出电压由多电平退化为三电平或者两电平。
另外，所述单相四电平逆变器还适用于两相四电平逆变器及三相四线制四电平逆变器。具体的连接方式及工作原理，此处不再一一赘述。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。
Claims (11)
1.一种单相四电平逆变器，其特征在于，连接于直流电源的正端与负端之间，与串联支路并联；所述串联支路为第一电容、第二电容和第三电容依次串联连接的支路；所述单相四电平逆变器包括：开关管单元、钳位电容、第一开关管及第二开关管；所述第一开关管和所述第二开关管均反向并联一个二极管；其中：
所述开关管单元的第一输入端作为所述单相四电平逆变器的第一输入端、与所述直流电源的正端及所述第一电容的一端相连；所述开关管单元的第二输入端作为所述单相四电平逆变器的第二输入端、与所述第一电容和所述第二电容的连接点相连；所述开关管单元的第三输入端作为所述单相四电平逆变器的第三输入端、与所述第二电容及所述第三电容的连接点相连；所述开关管单元的第四输入端作为所述单相四电平逆变器的第四输入端、与所述直流电源的负端及所述第三电容的另一端相连；
所述钳位电容连接于所述开关管单元的第一输出端与第二输出端之间；
所述第一开关管的第一端与所述开关管单元的第一输出端及所述钳位电容的一端相连；
所述第一开关管的第二端与所述第二开关管的第一端相连，连接点作为所述单相四电平逆变器的输出端；
所述第二开关管的第二端与所述开关管单元的第二输出端及所述钳位电容的另一端相连；
所述开关管单元包括：第三开关管、第四开关管、第五开关管、第六开关管、第七开关管及第八开关管；所述第三开关管、所述第四开关管、所述第五开关管、所述第六开关管、所述第七开关管及所述第八开关管均反向并联一个二极管；其中：
所述第三开关管的第一端为所述开关管单元的第一输入端；
所述第三开关管的第二端与所述第五开关管的第二端相连，连接点为所述开关管单元的第一输出端；
所述第五开关管的第一端与所述第六开关管的第一端相连；
所述第六开关管的第二端为所述开关管单元的第二输入端；
所述第七开关管的第一端为所述开关管单元的第三输入端；
所述第七开关管的第二端与所述第八开关管的第二端相连；
所述第八开关管的第一端与所述第四开关管的第一端相连，连接点为所述开关管单元的第二输出端；
所述第四开关管的第二端为所述开关管单元的第四输入端。
2.根据权利要求1所述的单相四电平逆变器，其特征在于，对应不同的输出电平数，所述单相四电平逆变器的各开关管的状态分别为：
+3电平：所述第一开关管及所述第三开关管导通，所述第五开关管及所述第七开关管可以导通或者截止，其余开关管均截止；
+2电平：所述第二开关管及所述第三开关管导通，所述第五开关管及所述第七开关管可以导通或者截止，其余开关管均截止；或者，所述第一开关管、所述第七开关管及所述第八开关管导通，其余开关管均截止；或者，所述第一开关管、所述第五开关管及所述第六开关管导通，其余开关管均截止；
+1电平：所述第二开关管、所述第七开关管及所述第八开关管导通，其余开关管均截止；或者，所述第二开关管、所述第五开关管导通及所述第六开关管导通，其余开关管均截止；或者，所述第一开关管及所述第四开关管导通，所述第六开关管及所述第八开关管可以导通或者截止，其余开关管均截止；
0电平：所述第二开关管、所述第四开关管及导通，所述第六开关管及所述第八开关管可以导通或者截止，其余开关管均截止。
3.一种单相四电平逆变器，其特征在于，连接于直流电源的正端与负端之间，与串联支路并联；所述串联支路为第一电容、第二电容和第三电容依次串联连接的支路；所述单相四电平逆变器包括：开关管单元、钳位电容、第一开关管及第二开关管；所述第一开关管和所述第二开关管均反向并联一个二极管；其中：
所述开关管单元的第一输入端作为所述单相四电平逆变器的第一输入端、与所述直流电源的正端及所述第一电容的一端相连；所述开关管单元的第二输入端作为所述单相四电平逆变器的第二输入端、与所述第一电容和所述第二电容的连接点相连；所述开关管单元的第三输入端作为所述单相四电平逆变器的第三输入端、与所述第二电容及所述第三电容的连接点相连；所述开关管单元的第四输入端作为所述单相四电平逆变器的第四输入端、与所述直流电源的负端及所述第三电容的另一端相连；
所述钳位电容连接于所述开关管单元的第一输出端与第二输出端之间；
所述第一开关管的第一端与所述开关管单元的第一输出端及所述钳位电容的一端相连；
所述第一开关管的第二端与所述第二开关管的第一端相连，连接点作为所述单相四电平逆变器的输出端；
所述第二开关管的第二端与所述开关管单元的第二输出端及所述钳位电容的另一端相连；
所述开关管单元包括：第一二极管、第二二极管、第三开关管、第四开关管、第五开关管、第六开关管、第七开关管及第八开关管；所述第五开关管、所述第六开关管、所述第七开关管及所述第八开关管均反向并联一个二极管；其中：
所述第三开关管的第一端与所述第一二极管的阴极相连，连接点为所述开关管单元的第一输入端；
所述第三开关管的第二端与所述第五开关管的第二端相连，连接点为所述开关管单元的第一输出端；
所述第五开关管的第一端与所述第六开关管的第一端及所述第一二极管的阳极相连；
所述第六开关管的第二端为所述开关管单元的第二输入端；
所述第七开关管的第一端为所述开关管单元的第三输入端；
所述第七开关管的第二端与所述第八开关管的第二端及所述第二二极管的阴极相连；
所述第八开关管的第一端与所述第四开关管的第一端相连，连接点为所述开关管单元的第二输出端；
所述第四开关管的第二端与所述第二二极管的阳极相连，连接点为所述开关管单元的第四输入端。
4.根据权利要求3所述的单相四电平逆变器，其特征在于，对应不同的输出电平数，所述单相四电平逆变器的各开关管的状态分别为：
+3电平：所述第一开关管及所述第三开关管导通，所述第五开关管及所述第七开关管可以导通或者截止，其余开关管均截止；
+2电平：所述第二开关管及所述第三开关管导通，所述第五开关管及所述第七开关管可以导通或者截止，其余开关管均截止；或者，所述第一开关管、所述第五开关管及所述第六开关管导通，其余开关管均截止；或者，所述第一开关管、所述第七开关管及所述第八开关管导通，其余开关管均截止；
+1电平：所述第二开关管、所述第七开关管及所述第八开关管导通，其余开关管均截止；或者，所述第一开关管、所述第四开关管导通，所述第六开关管和所述第八开关管可以导通或者截止，其余开关管均截止；或者，所述第二开关管、所述第五开关管及所述第六开关管导通，其余开关管均截止；
0电平：所述第二开关管、所述第四开关管及导通，所述第六开关管及所述第八开关管可以导通或者截止，其余开关管均截止。
5.一种单相四电平逆变器，其特征在于，连接于直流电源的正端与负端之间，与串联支路并联；所述串联支路为第一电容、第二电容和第三电容依次串联连接的支路；所述单相四电平逆变器包括：开关管单元、钳位电容、第一开关管及第二开关管；所述第一开关管和所述第二开关管均反向并联一个二极管；其中：
所述开关管单元的第一输入端作为所述单相四电平逆变器的第一输入端、与所述直流电源的正端及所述第一电容的一端相连；所述开关管单元的第二输入端作为所述单相四电平逆变器的第二输入端、与所述第一电容和所述第二电容的连接点相连；所述开关管单元的第三输入端作为所述单相四电平逆变器的第三输入端、与所述第二电容及所述第三电容的连接点相连；所述开关管单元的第四输入端作为所述单相四电平逆变器的第四输入端、与所述直流电源的负端及所述第三电容的另一端相连；
所述钳位电容连接于所述开关管单元的第一输出端与第二输出端之间；
所述第一开关管的第一端与所述开关管单元的第一输出端及所述钳位电容的一端相连；
所述第一开关管的第二端与所述第二开关管的第一端相连，连接点作为所述单相四电平逆变器的输出端；
所述第二开关管的第二端与所述开关管单元的第二输出端及所述钳位电容的另一端相连；
所述开关管单元包括：第一二极管、第二二极管、第三开关管、第四开关管、第五开关管、第六开关管、第七开关管及第八开关管；所述第五开关管、所述第六开关管、所述第七开关管及所述第八开关管均反向并联一个二极管；其中：
所述第三开关管的第一端与所述第一二极管的阴极相连，连接点为所述开关管单元的第一输入端；
所述第一二极管的阳极与所述第五开关管的第二端相连，连接点为所述开关管单元的第一输出端；
所述第五开关管的第一端与所述第六开关管的第一端及所述第三开关管的第二端相连；
所述第六开关管的第二端为所述开关管单元的第二输入端；
所述第七开关管的第一端为所述开关管单元的第三输入端；
所述第七开关管的第二端与所述第八开关管的第二端及所述第四开关管的第一端相连；
所述第八开关管的第一端与所述第二二极管的阴极相连，连接点为所述开关管单元的第二输出端；
所述第四开关管的第二端与所述第二二极管的阳极相连，连接点为所述开关管单元的第四输入端。
6.根据权利要求5所述的单相四电平逆变器，其特征在于，对应不同的输出电平数，所述单相四电平逆变器的各开关管的状态分别为：
+3电平：所述第一开关管、所述第三开关管及所述第五开关管导通，所述第七开关管可以导通或者截止，其余开关管均截止；
+2电平：所述第二开关管、所述第三开关管及所述第五开关管导通，所述第七开关管可以导通或者截止，其余开关管均截止；或者，所述第一开关管、所述第五开关管及所述第六开关管导通，其余开关管均截止；或者，所述第一开关管、所述第七开关管及所述第八开关管导通，其余开关管均截止；
+1电平：所述第一开关管、所述第四开关管及所述第八开关管导通，所述第六开关管可以导通或者截止，其余开关管均截止；或者，所述第二开关管、所述第七开关管及所述第八开关管导通，其余开关管均截止；或者，所述第二开关管、所述第五开关管及所述第六开关管导通，其余开关管均截止；
0电平：所述第二开关管、所述第四开关管及所述第八开关管导通，所述第六开关管可以导通或者截止，导通其余开关管均截止。
7.一种单相四电平逆变器，其特征在于，连接于直流电源的正端与负端之间，与串联支路并联；所述串联支路为第一电容、第二电容和第三电容依次串联连接的支路；所述单相四电平逆变器包括：开关管单元、钳位电容、第一开关管及第二开关管；所述第一开关管和所述第二开关管均反向并联一个二极管；其中：
所述开关管单元的第一输入端作为所述单相四电平逆变器的第一输入端、与所述直流电源的正端及所述第一电容的一端相连；所述开关管单元的第二输入端作为所述单相四电平逆变器的第二输入端、与所述第一电容和所述第二电容的连接点相连；所述开关管单元的第三输入端作为所述单相四电平逆变器的第三输入端、与所述第二电容及所述第三电容的连接点相连；所述开关管单元的第四输入端作为所述单相四电平逆变器的第四输入端、与所述直流电源的负端及所述第三电容的另一端相连；
所述钳位电容连接于所述开关管单元的第一输出端与第二输出端之间；
所述第一开关管的第一端与所述开关管单元的第一输出端及所述钳位电容的一端相连；
所述第一开关管的第二端与所述第二开关管的第一端相连，连接点作为所述单相四电平逆变器的输出端；
所述第二开关管的第二端与所述开关管单元的第二输出端及所述钳位电容的另一端相连；
所述开关管单元包括：第一整流桥、第二整流桥、第三开关管、第四开关管、第五开关管及第六开关管；所述第三开关管及所述第四开关管均反向并联一个二极管；其中：
所述第三开关管的第一端为所述开关管单元的第一输入端；
所述第三开关管的第二端与所述第一整流桥的一个交流引入脚相连，连接点为所述开关管单元的第一输出端；
所述第五开关管的第一端与所述第一整流桥的输出正极相连；所述第五开关管的第二端与所述第一整流桥的输出负极相连；
所述第一整流桥的另一个交流引入脚为所述开关管单元的第二输入端；
所述第二整流桥的一个交流引入脚为所述开关管单元的第三输入端；
所述第六开关管的第一端与所述第二整流桥的输出正极相连；所述第六开关管的第二端与所述第二整流桥的输出负极相连；
所述第二整流桥的另一个交流引入脚与所述第四开关管的第一端相连，连接点为所述开关管单元的第二输出端；
所述第四开关管的第二端为所述开关管单元的第四输入端。
8.根据权利要求7所述的单相四电平逆变器，其特征在于，对应不同的输出电平数，所述单相四电平逆变器的各开关管的状态分别为：
+3电平：所述第一开关管及所述第三开关管导通，其余开关管均截止；
+2电平：所述第一开关管及所述第六开关管导通，其余开关管均截止；或者，所述第二开关管及所述第三开关管导通，其余开关管均截止；或者，所述第一开关管及所述第五开关管导通，其余开关管均截止；
+1电平：所述第二开关管及所述第六开关管导通，其余开关管均截止；或者，所述第二开关管及所述第五开关管导通，其余开关管均截止；或者，所述第一开关管及所述第四开关管导通，其余开关管均截止；
0电平：所述第二开关管及所述第四开关管导通，导通其余开关管均截止。
9.一种单相四电平逆变器，其特征在于，连接于直流电源的正端与负端之间，与串联支路并联；所述串联支路为第一电容、第二电容和第三电容依次串联连接的支路；所述单相四电平逆变器包括：开关管单元、钳位电容、第一开关管及第二开关管；所述第一开关管和所述第二开关管均反向并联一个二极管；其中：
所述开关管单元的第一输入端作为所述单相四电平逆变器的第一输入端、与所述直流电源的正端及所述第一电容的一端相连；所述开关管单元的第二输入端作为所述单相四电平逆变器的第二输入端、与所述第一电容和所述第二电容的连接点相连；所述开关管单元的第三输入端作为所述单相四电平逆变器的第三输入端、与所述第二电容及所述第三电容的连接点相连；所述开关管单元的第四输入端作为所述单相四电平逆变器的第四输入端、与所述直流电源的负端及所述第三电容的另一端相连；
所述钳位电容连接于所述开关管单元的第一输出端与第二输出端之间；
所述第一开关管的第一端与所述开关管单元的第一输出端及所述钳位电容的一端相连；
所述第一开关管的第二端与所述第二开关管的第一端相连，连接点作为所述单相四电平逆变器的输出端；
所述第二开关管的第二端与所述开关管单元的第二输出端及所述钳位电容的另一端相连；
所述开关管单元包括：第九二极管、第十二极管、第一整流桥、第二整流桥、第三开关管、第四开关管、第五开关管及第六开关管；其中：
所述第三开关管的第一端与所述第九二极管的阴极相连，连接点为所述开关管单元的第一输入端；
所述第三开关管的第二端与所述第一整流桥的一个交流引入脚相连，连接点为所述开关管单元的第一输出端；
所述第五开关管的第一端与所述第一整流桥的输出正极及所述第九二极管的阳极相连；所述第五开关管的第二端与所述第一整流桥的输出负极相连；
所述第一整流桥的另一个交流引入脚为所述开关管单元的第二输入端；
所述第二整流桥的一个交流引入脚为所述开关管单元的第三输入端；
所述第六开关管的第一端与所述第二整流桥的输出正极相连；所述第六开关管的第二端与所述第二整流桥的输出负极及所述第十二极管的阴极相连；
所述第二整流桥的另一个交流引入脚与所述第四开关管的第一端相连，连接点为所述开关管单元的第二输出端；
所述第四开关管的第二端与所述第十二极管的阳极相连，连接点为所述开关管单元的第四输入端。
10.根据权利要求9所述的单相四电平逆变器，其特征在于，对应不同的输出电平数，所述单相四电平逆变器的各开关管的状态分别为：
+3电平：所述第一开关管及所述第三开关管导通，其余开关管均截止；
+2电平：所述第一开关管及所述第六开关管导通，其余开关管均截止；或者，所述第二开关管及所述第三开关管导通，其余开关管均截止；或者，所述第一开关管及所述第五开关管导通，其余开关管均截止；
+1电平：所述第二开关管及所述第六开关管导通，其余开关管均截止；或者，所述第二开关管及所述第五开关管导通，其余开关管均截止；或者，所述第一开关管及所述第四开关管导通，其余开关管均截止；
0电平：所述第二开关管及所述第四开关管导通，导通其余开关管均截止。
11.一种单相四电平逆变器的应用电路，其特征在于，包括三个如权利要求1至10任一所述的单相四电平逆变器，分别为第一单相四电平逆变器、第二单相四电平逆变器和第三单相四电平逆变器；其中：
所述第一单相四电平逆变器、所述第二单相四电平逆变器和所述第三单相四电平逆变器的第一输入端均连接所述直流电源的正端；
所述第一单相四电平逆变器、所述第二单相四电平逆变器和所述第三单相四电平逆变器的第二输入端均与所述第一电容和所述第二电容的连接点相连；
所述第一单相四电平逆变器、所述第二单相四电平逆变器和所述第三单相四电平逆变器的第三输入端均与所述第二电容和所述第三电容的连接点相连；
所述第一单相四电平逆变器、所述第二单相四电平逆变器和所述第三单相四电平逆变器的第三输入端均连接所述直流电源的负端；
所述第一单相四电平逆变器、所述第二单相四电平逆变器和所述第三单相四电平逆变器的输出端分别作为所述单相四电平逆变器的应用电路的三个交流输出端。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |