CN105226978A - 一种五电平逆变器及其应用电路 - Google Patents

一种五电平逆变器及其应用电路 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种五电平逆变器及其应用电路，通过第一开关管、第二开关管、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、第八开关管及钳位电容的不同导通组合，使所述五电平逆变器具备输出多电平电压的能力；同时当输出电压为正向时，有两个导通组合可以选择，且两个导通组合的流向所述钳位电容的电流方向相反，因此可以通过对这两个导通组合的控制来平衡所述钳位电容上的电压；同理，当输出电压为负向时，也可以通过对另外两个导通组合的控制来平衡所述钳位电容上的电压；无需增加额外的硬件电路就可以实现全功率、全调制下功率电容电压的平衡控制。

Description

一种五电平逆变器及其应用电路
本申请要求于2015年10月10日提交中国专利局、申请号为201510662002.1、发明名称为“一种五电平逆变器及其应用电路”的中国专利申请的优先权，其全部内容通过引用结合在本申请中。
技术领域
本发明涉及光伏新能源技术领域，特别涉及一种五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。所以目前的逆变器多采用多电平逆变器。
现有技术中常用的二极管箝位式三电平以上的多电平逆变器，如图1所示，是利用多个功率电容串联后并联在光伏逆变器的直流侧两端来实现的，逆变器中的各开关管依次通过功率二极管与相应的功率电容相连，由于每个功率电容上输出的功率不相等，导致功率电容上的电压会出现不相等现象，即出现所谓的功率电容电压不平衡现象。
所以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。
发明内容
本发明提供一种五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。
为实现所述目的，本申请提供的技术方案如下：
一种五电平逆变器，连接于直流电源的正端与负端之间，与第一电容和第二电容的串联支路并联；所述五电平逆变器包括：
六个开关支路、第七开关管、第八开关管和钳位电容，其中：
第一开关支路包含第一单向器件和第一开关管，所述第一单向器件和第一开关管的公共端连接第一电容的第一端；
第二开关支路包含第二单向器件和第二开关管，所述第二单向器件的第二开关管的公共端连接所述第一开关支路的第一端；
第三开关支路包含第三单向器件和第三开关管，所述第三支路的第一端与所述第二开关支路的第一端、所述第一电容的第二端及所述第二电容的第一端相连；
第四开关支路包含第四单向器件和第四开关管，所述第四开关支路的第一端与所述第三开关支路的第一端相连；
第五开关支路包含第五单向器件和第五开关管，所述第五开关支路的第一端与所述第四开关支路的第一端相连；
第六开关支路包含第六单向器件和第六开关管，所述第六开关支路的第一端连接所述第五单向器件和第五开关管的公共端，所述第六单向器件和第六开关管的公共端连接所述第二电容的第二端；
所述钳位电容的第一端分别连接所述第一开关支路的第二端、所述第二开关支路的第二端、所述第三开关支路的第二端以及所述第七开关管的第一端，所述钳位电容的第二端分别连接所述第四开关支路的第二端、所述第五开关支路的第二端、所述第六开关支路的第二端以及所述第八开关管的第二端，所述第八开关管的第一端和所述第七开关管的第二端相连接，且该连接点与所述五电平逆变器的输出端相连；
所述第七开关管和所述第八开关管为提供双向功率路径的开关管。
优选的，
所述第二单向器件的输入端为所述第二开关支路的第一端，所述第二开关管的第二端为所述第二开关支路的第二端，所述第二开关管的第一端和第二单向器件的输出端的连接点连接所述第一开关支路的第一端；
所述第三开关管的第二端为所述第三开关支路的第一端，所述第三开关管的第一端连接所述第三单向器件的输出端，所述第三单向器件的输入端为所述第三开关支路的第二端；
所述第四单向器件的输入端为所述第四开关支路的第一端，所述第四单向器件的输出端连接所述第四开关管的第一端，所述第四开关管的第二端为所述第四开关支路的第二端；
所述第五单向器件的输出端和所述第五开关管的第二端的连接点连接所述第六开关支路的第一端，所述第五单向器件的输入端为所述第五开关支路的第一端，所述第五开关管的第一端为所述第五开关支路的第二端。
优选的，
所述第二开关管的第二端为所述第二开关支路的第一端，所述第二单向器件的输入端为所述第二开关支路的第二端，所述第二开关管的第一端和第二单向器件的输出端的连接点连接所述第一开关支路的第一端；
所述第三单向器件的输入端为所述第三开关支路的第一端，所述第三单向器件的输出端连接所述第三开关管的第一端，所述第三开关管的第二端为所述第三开关支路的第二端；
所述第四开关管的第二端为所述第四开关支路的第一端，所述第四开关管的第一端连接所述第四单向器件的输出端，所述第四单向器件的输入端为所述第四开关支路的第二端；
所述第五开关管的第二端和第五单向器件的输入端的连接点连接所述第六开关支路的第一端，所述第五开关管的第一端为所述第五开关支路的第一端，所述第五单向器件的输出端为所述第五开关支路的第二端。
优选的，
所述第一单向器件的输出端和第一开关管的第一端的连接点连接所述第一电容的第一端，所述第一单向器件的输入端为所述第一开关支路的第一端，所述第一开关管的第二端为所述第一开关支路的第二端；
所述第六单向器件的输入端和第六开关管的第二端的连接点连接所述第二电容的第二端，所述第六单向器件的输出端为所述第六开关支路的第一端，所述第六开关管的第一端为所述第六开关支路的第二端；
所述第二开关管、所述第三开关管、所述第四开关管和所述第五开关管均包括体二极管或反向并联一个二极管。
优选的，
所述第一单向器件的输出端和第一开关管的第一端的连接点连接所述第一电容的第一端，所述第一单向器件的输入端为所述第一开关支路的第一端，所述第一开关管的第二端为所述第一开关支路的第二端；
所述第六单向器件的输入端和第六开关管的第二端的连接点连接所述第二电容的第二端，所述第六单向器件的输出端为所述第六开关支路的第一端，所述第六开关管的第一端为所述第六开关支路的第二端。
优选的，
所述第一单向器件的输出端和第一开关管的第一端的连接点连接所述第一电容的第一端，所述第一开关管的第二端为所述第一开关支路的第一端，所述第二单向器件的输入端为所述第一开关支路的第二端；
所述第六单向器件的输入端和第六开关管的第二端的连接点连接所述第二电容的第二端，所述第六开关管的第一端为所述第六开关支路的第一端，所述第六单向器件的输出端为所述第六开关支路的第二端。
优选的，所述五电平逆变器对应的八个工作模态分别为：
第一模态：所述第一开关管及所述第七开关管导通，其余开关管均截止；
第二模态：所述第一开关管及所述第八开关管导通，其余开关管均截止；
第三模态：所述第四开关管、所述第五开关管及所述第七开关管导通，其余开关管均截止；
第四模态：所述第四开关管、所述第五开关管及所述第八开关管导通，其余开关管均截止；
第五模态：所述第二开关管、所述第三开关管及所述第七开关管导通，其余开关管均截止；
第六模态：所述第二开关管、所述第三开关管及所述第八开关管导通，其余开关管均截止；
第七模态：所述第六开关管及所述第七开关管导通，其余开关管均截止；
第八模态：所述第六开关管及所述第八开关管导通，其余开关管均截止。
优选的，所述五电平逆变器对应的八个工作模态分别为：
第一模态：所述第一开关管、所述第二开关管和所述第七开关管导通，其余开关管均截止；
第二模态：所述第一开关管、所述第二开关管和所述第八开关管导通，其余开关管均截止；
第三模态：所述第四开关管、所述第五开关管和所述第七开关管导通，其余开关管均截止；
第四模态：所述第四开关管、所述第五开关管和所述第八开关管导通，其余开关管均截止；
第五模态：所述第二开关管、所述第三开关管和所述第七开关管导通，其余开关管均截止；
第六模态：所述第二开关管、所述第三开关管和所述第八开关管导通，其余开关管均截止；
第七模态：所述第五开关管、所述第六开关管和所述第七开关管导通，其余开关管均截止；
第八模态：所述第五开关管、所述第六开关管和所述第八开关管导通，其余开关管均截止。
优选的，还包括：
与所述第一单向器件反向并联的第九开关管；
与所述第六单向器件反向并联的第十开关管；
或者，还包括：
与所述第二单向器件反向并联的第十一开关管；
与所述第五单向器件反向并联的第十二开关管；
或者，还包括：
与所述第三单向器件反向并联的第十三开关管；
与所述第四单向器件反向并联的第十四开关管。
优选的，还包括：分别与所述第一开关管和所述第六开关管反向并联的两个二极管；或者所述第一开关管和所述第六开关管还包括体二极管。
优选的，还包括：
与所述第一单向器件反向并联的第十五开关管；
与所述第二单向器件反向并联的第十六开关管；
与所述第四单向器件反向并联的第十七开关管；
与所述第五单向器件反向并联的第十八开关管。
优选的，还包括：
与所述第二单向器件反向并联的第十九开关管；
与所述第五单向器件反向并联的第二十开关管；
或者，还包括：
与所述第三单向器件反向并联的第二十一开关管；
与所述第四单向器件反向并联的第二十二开关管。
优选的，还包括：
与所述第一单向器件反向并联的第二十三开关管；
与所述第六单向器件反向并联的第二十四开关管。
优选的，所述第一单向器件、所述第二单向器件、所述第三单向器件、所述第四单向器件、所述第五单向器件及所述第六单向器件均为二极管或者单向晶闸管。
优选的，所述第二开关管、所述第三开关管、所述第四开关管和所述第五开关管均包括体二极管或反向并联一个二极管。
一种五电平逆变器的应用电路，包括两个如上述任一所述的五电平逆变器，分别为第一五电平逆变器和第二五电平逆变器；其中：
所述第一五电平逆变器和所述第二五电平逆变器的第一输入端均连接所述直流电源的正端；
所述第一五电平逆变器和所述第二五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；
所述第一五电平逆变器和所述第二五电平逆变器的第三输入端均连接所述直流电源的负端；
所述第一五电平逆变器和所述第二五电平逆变器的输出端分别作为所述五电平逆变器的应用电路的两个交流输出端。
一种五电平逆变器的应用电路，包括三个如上述任一所述的五电平逆变器，分别为第一五电平逆变器、第二五电平逆变器和第三五电平逆变器；其中：
所述第一五电平逆变器、所述第二五电平逆变器和所述第三五电平逆变器的第一输入端均连接所述直流电源的正端；
所述第一五电平逆变器、所述第二五电平逆变器和所述第三五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；
所述第一五电平逆变器、所述第二五电平逆变器和所述第三五电平逆变器的第三输入端均连接所述直流电源的负端；
所述第一五电平逆变器、所述第二五电平逆变器和所述第三五电平逆变器的输出端分别作为所述五电平逆变器的应用电路的三个交流输出端。
优选的，所述五电平逆变器的应用电路还包括第四输出端；所述第四输出端为所述第一电容与所述第二电容的连接点。
本发明提供的五电平逆变器，通过第一开关管、第二开关管、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、第八开关管及钳位电容的不同导通组合，使所述五电平逆变器具备输出多电平电压的能力；同时当输出电压为正向时，有两个导通组合可以选择，且两个导通组合的流向所述钳位电容的电流方向相反，因此可以通过对这两个导通组合的控制来平衡所述钳位电容上的电压；同理，当输出电压为负向时，也可以通过对另外两个导通组合的控制来平衡所述钳位电容上的电压；无需增加额外的硬件电路就可以实现全功率、全调制下功率电容电压的平衡控制。
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是现有技术提供的五电平逆变器的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的五电平逆变器的结构示意图；
图3是本发明另一实施例提供的第一种五电平逆变器的结构示意图；
图4是本发明另一实施例提供的第二种五电平逆变器的结构示意图；
图5是本发明另一实施例提供的第三种五电平逆变器的结构示意图；
图6是本发明另一实施例提供的另一五电平逆变器的结构示意图；
图7是本发明另一实施例提供的另一五电平逆变器的结构示意图；
图8-a和8-b是本发明另一实施例提供的五电平逆变器的应用示意图；
图9-a和9-b是本发明另一实施例提供的两相五电平逆变器的应用示意图；
图10-a和10-b是本发明另一实施例提供的三相三线制五电平逆变器的应用示意图；
图11-a和11-b是本发明另一实施例提供的三相四线制五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。
本发明提供一种五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2所示，所述五电平逆变器，连接于直流电源PV的正端与负端之间，与第一电容C1和第二电容C2的串联支路并联；所述五电平逆变器包括：
六个开关支路、第七开关管Q7、第八开关管Q8和钳位电容C3，其中：
第一开关支路包含第一单向器件和第一开关管，所述第一单向器件和所述第一开关管的公共端连接第一电容C1的第一端；
第二开关支路包含第二单向器件和第二开关管，所述第二单向器件的所述第二开关管的公共端连接所述第一开关支路的第一端；
第三开关支路包含第三单向器件和第三开关管，所述第三支路的第一端与所述第二开关支路的第一端、第一电容C1的第二端及第二电容C2的第一端相连；
第四开关支路包含第四单向器件和第四开关管，所述第四开关支路的第一端与所述第三开关支路的第一端相连；
第五开关支路包含第五单向器件和第五开关管，所述第五开关支路的第一端与所述第四开关支路的第一端相连；
第六开关支路包含第六单向器件和第六开关管，所述第六开关支路的第一端连接所述第五单向器件和所述第五开关管的公共端，所述第六单向器件和所述第六开关管的公共端连接第二电容C2的第二端；
钳位电容C3的第一端分别连接所述第一开关支路的第二端、所述第二开关支路的第二端、所述第三开关支路的第二端以及第七开关管Q7的第一端，钳位电容C3的第二端分别连接所述第四开关支路的第二端、所述第五开关支路的第二端、所述第六开关支路的第二端以及第八开关管Q8的第二端，第八开关管Q8的第一端和第七开关管Q7的第二端相连接，且该连接点与所述五电平逆变器的输出端相连；
第七开关管Q7和第八开关管Q8为提供双向功率路径的开关管。
本实施例提供的所述五电平逆变器，通过所述第一开关管、所述第二开关管、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、所述第八开关管及钳位电容C3的不同导通组合，使所述五电平逆变器具备输出多电平电压的能力；同时当输出电压为正向时，有两个导通组合可以选择，且两个导通组合的流向钳位电容C3的电流方向相反，因此可以通过对这两个导通组合的控制来平衡钳位电容C3上的电压；同理，当输出电压为负向时，也可以通过对另外两个导通组合的控制来平衡钳位电容C3上的电压；而对于第一电容C1和第二电容C2的电压平衡控制与三电平逆变器的原理相同，不存在现有技术中通过二极管钳位来实现的五电平逆变器中电容电压不平衡的问题。所以本实施例提供的所述五电平逆变器，无需增加额外的硬件电路就可以实现全功率、全调制下功率电容电压的平衡控制。
优选的，如图3所示，所述第二单向器件的输入端为所述第二开关支路的第一端，第二开关管Q2的第二端为所述第二开关支路的第二端，第二开关管Q2的第一端和第二单向器件的输出端的连接点连接所述第一开关支路的第一端；
第三开关管Q3的第二端为所述第三开关支路的第一端，第三开关管Q3的第一端连接所述第三单向器件的输出端，所述第三单向器件的输入端为所述第三开关支路的第二端；
所述第四单向器件的输入端为所述第四开关支路的第一端，所述第四单向器件的输出端连接第四开关管Q4的第一端，第四开关管Q4的第二端为所述第四开关支路的第二端；
所述第五单向器件的输出端和第五开关管Q5的第二端的连接点连接所述第六开关支路的第一端，所述第五单向器件的输入端为所述第五开关支路的第一端，第五开关管Q5的第一端为所述第五开关支路的第二端；
第二开关管Q2、第三开关管Q3、第四开关管Q4和第五开关管Q5均包括体二极管或反向并联一个二极管。
在具体的应用环境中，优选的，如图3所示，第七开关管Q7和第八开关管Q8均包括体二极管或反向并联一个二极管。
另外，如图3所示，所述第一单向器件的输出端和第一开关管Q1的第一端的连接点连接第一电容C1的第一端，所述第一单向器件的输入端为所述第一开关支路的第一端，第一开关管Q1的第二端为所述第一开关支路的第二端；
所述第六单向器件的输入端和第六开关管Q6的第二端的连接点连接第二电容C2的第二端，所述第六单向器件的输出端为所述第六开关支路的第一端，第六开关管Q6的第一端为所述第六开关支路的第二端。
图3所示为本发明提供的第一种五电平逆变器的具体实现形式，直流电源PV的正端与负端之间的电压为Udc；第一电容C1与第二电容C2上的电压均为Udc/2，钳位电容C3上的电压为Udc/4，节点R与节点N之间的电压为所述五电平逆变器的输出电压VRN；其对应的八个工作模态分别为：
第一模态：第一开关管Q1及第七开关管Q7导通，其余开关管均截止；
此时，其有功电流路径为直流电源PV的正端→第一开关管Q1→第七开关管Q7→R点，输出电压VRN为Udc/2。当需要发无功时，无功电流路径相应为R点→第七开关管Q7的反并联二极管或者体二极管→第二开关管Q2的反并联二极管或者体二极管→所述第一单向器件→直流电源PV的正端→第一电容C1→N点，输出电压VRN为Udc/2。
第二模态：第一开关管Q1及第八开关管Q8导通，其余开关管均截止；
其有功电流路径为直流电源PV的正端→第一开关管Q1→钳位电容C3→第八开关管Q8的反并联二极管或者体二极管→R点，输出电压VRN为Udc/4。当需要发无功时，无功电流路径相应为R点→第八开关管Q8→钳位电容C3→第二开关管Q2的反并联二极管或者体二极管→所述第一单向器件→直流电源PV的正端→第一电容C1→N点，输出电压VRN为Udc/4。
第三模态：第四开关管Q4、第五开关管Q5及第七开关管Q7导通，其余开关管均截止；
其有功电流路径为N点→所述第四单向器件→第四开关管Q4→钳位电容C3→第七开关管Q7→R点，输出电压VRN为Udc/4。当需要发无功时，无功电流路径相应为R点→第七开关管Q7的反并联二极管或者体二极管→钳位电容C3→第五开关管Q5→所述第五单向器件→N点，输出电压VRN为Udc/4。
第四模态：第四开关管Q4、第五开关管Q5及第八开关管Q8导通，其余开关管均截止；
其有功电流路径为N点→所述第四单向器件→第四开关管Q4→第八开关管Q8的反并联二极管或者体二极管→R点，输出电压VRN为0。当需要发无功时，无功电流路径相应为R点→第八开关Q8→第五开关管Q5→所述第五单向器件→N点，输出电压VRN为0。
第五模态：第二开关管Q2、第三开关管Q3及第七开关管Q7导通，其余开关管均截止；
其有功电流路径为R点→第七开关管Q7的反并联单向器件或者体二极管→所述第三单向器件→第三开关管Q3→N点，输出电压VRN为0。当需要发无功时，无功电流路径相应为N点→所述第二单向器件→第二开关管Q2→第七开关管Q7→R点，输出电压VRN为0。
第六模态：第二开关管Q2、第三开关管Q3及第八开关管Q8导通，其余开关管均截止；
其有功电流路径为R点→第八开关管Q8→钳位电容C3→所述第三单向器件→第三开关管Q3→N点，输出电压VRN为-Udc/4。当需要发无功时，无功电流路径相应为N点→所述第二单向器件→第二开关管Q2→钳位电容C3→第八开关管Q8的反并联二极管或者体二极管→R点，输出电压VRN为-Udc/4。
第七模态：第六开关管Q6及第七开关管Q7导通，其余开关管均截止；
其有功电流路径为R点→第七开关管Q7的反并联二极管或者体二极管→钳位电容C3→第六开关管Q6→直流电源PV的负端→第二电容C2→N点，输出电压VRN为-Udc/4。当需要发无功时，无功电流路径相应为N点→第二电容C2→直流电源PV的负端→所述第六单向器件→第五开关管Q5的反并联二极管或者体二极管→钳位电容C3→第七开关管Q7→R点，输出电压VRN为-Udc/4。
第八模态：第六开关管Q6及第八开关管Q8导通，其余开关管均截止。
其有功电流路径为R点→第八开关管Q8→第六开关管Q6→直流电源PV的负端→第二电容C2→N点，输出电压VRN为-Udc/2。当需要发无功时，无功电流路径相应为N点→第二电容C2→直流电源PV的负端→所述第六单向器件→第五开关管Q5的反并联二极管或者体二极管→第八开关管Q8的反并联二极管或者体二极管→R点，输出电压VRN为-Udc/2。
或者，如图4所示，第二开关管Q2的第二端为所述第二开关支路的第一端，所述第二单向器件的输入端为所述第二开关支路的第二端，第二开关管Q2的第一端和第二单向器件的输出端的连接点连接所述第一开关支路的第一端；
所述第三单向器件的输入端为所述第三开关支路的第一端，所述第三单向器件的输出端连接第三开关管Q3的第一端，第三开关管Q3的第二端为所述第三开关支路的第二端；
第四开关管Q4的第二端为所述第四开关支路的第一端，第四开关管Q4的第一端连接所述第四单向器件的输出端连接，所述第四单向器件的输入端为所述第四开关支路的第二端；
第五开关管Q5的第二端和第三单向器件的输入端的连接点连接所述第六开关支路的第一端，第五开关管Q5的第一端为所述第五开关支路的第一端，所述第五单向器件的输出端为所述第五开关支路的第二端。
另外，所述第一单向器件的输出端和第一开关管Q1的第一端的连接点连接第一电容C1的第一端，所述第一单向器件的输入端为所述第一开关支路的第一端，第一开关管Q1的第二端为所述第一开关支路的第二端；
所述第六单向器件的输入端和第六开关管Q6的第二端的连接点连接第二电容C2的第二端，所述第六单向器件的输出端为所述第六开关支路的第一端，第六开关管Q6的第一端为所述第六开关支路的第二端。
在具体的应用环境中，优选的，如图4所示，第二开关管Q2、第三开关管Q3、第四开关管Q4、第五开关管Q5、第七开关管Q7和第八开关管Q8均包括体二极管或反向并联一个二极管。
图4所示为本发明提供的第二种五电平逆变器的具体实现形式。
图4所示的第二种五电平逆变器，直流电源PV的正端与负端之间的电压为Udc；第一电容C1与第二电容C2上的电压均为Udc/2，钳位电容C3上的电压为Udc/4，节点R与节点N之间的电压为所述五电平逆变器的输出电压VRN；其对应的八个工作模态分别为：
第一模态：第一开关管Q1及第七开关管Q7导通，其余开关管均截止；
此时，其有功电流路径为直流电源PV的正端→第一开关管Q1→第七开关管Q7→R点，输出电压VRN为Udc/2。当需要发无功时，无功电流路径相应为R点→第七开关管Q7的反并联二极管或者体二极管→所述第二单向器件→所述第一单向器件→直流电源PV的正端→第一电容C1→N点，输出电压VRN为Udc/2。
第二模态：第一开关管Q1及第八开关管Q8导通，其余开关管均截止；
其有功电流路径为直流电源PV的正端→第一开关管Q1→钳位电容C3→第八开关管Q8的反并联二极管或者体二极管→R点，输出电压VRN为Udc/4。当需要发无功时，无功电流路径相应为R点→第八开关管Q8→钳位电容C3→所述第二单向器件→所述第一单向器件→直流电源PV的正端→第一电容C1→N点，输出电压VRN为Udc/4。
第三模态：第四开关管Q4、第五开关管Q5及第七开关管Q7导通，其余开关管均截止；
其有功电流路径为N点→第五开关管Q5→所述第五单向器件→钳位电容C3→第七开关管Q7→R点，输出电压VRN为Udc/4。当需要发无功时，无功电流路径相应为R点→第七开关管Q7的反并联二极管或者体二极管→钳位电容C3→所述第四单向器件→第四开关管Q4→N点，输出电压VRN为Udc/4。
第四模态：第四开关管Q4、第五开关管Q5及第八开关管Q8导通，其余开关管均截止；
其有功电流路径为N点→第五开关管Q5→所述第五单向器件→第八开关管Q8的反并联二极管或者体二极管→R点，输出电压VRN为0。当需要发无功时，无功电流路径相应为R点→第八开关Q8→所述第四单向器件→第四开关管Q4→N点，输出电压VRN为0。
第五模态：第二开关管Q2、第三开关管Q3及第七开关管Q7导通，其余开关管均截止；
其有功电流路径为R点→第七开关管Q7的反并联单向器件或者体二极管→所述第二单向器件→第二开关管Q2→N点，输出电压VRN为0。当需要发无功时，无功电流路径相应为N点→所述第三单向器件→第三开关管Q3→第七开关管Q7→R点，输出电压VRN为0。
第六模态：第二开关管Q2、第三开关管Q3及第八开关管Q8导通，其余开关管均截止；
其有功电流路径为R点→第八开关管Q8→钳位电容C3→所述第二单向器件→第二开关管Q2→N点，输出电压VRN为-Udc/4。当需要发无功时，无功电流路径相应为N点→所述第三单向器件→第三开关管Q3→钳位电容C3→第八开关管Q8的反并联二极管或者体二极管→R点，输出电压VRN为-Udc/4。
第七模态：第六开关管Q6及第七开关管Q7导通，其余开关管均截止；
其有功电流路径为R点→第七开关管Q7的反并联二极管或者体二极管→钳位电容C3→第六开关管Q6→直流电源PV的负端→第二电容C2→N点，输出电压VRN为-Udc/4。当需要发无功时，无功电流路径相应为N点→第二电容C2→直流电源PV的负端→所述第六单向器件→所述第五单向器件→钳位电容C3→第七开关管Q7→R点，输出电压VRN为-Udc/4。
第八模态：第六开关管Q6及第八开关管Q8导通，其余开关管均截止。
其有功电流路径为R点→第八开关管Q8→第六开关管Q6→直流电源PV的负端→第二电容C2→N点，输出电压VRN为-Udc/2。当需要发无功时，无功电流路径相应为N点→第二电容C2→直流电源PV的负端→所述第六单向器件→所述第五单向器件→第八开关管Q8的反并联二极管或者体二极管→R点，输出电压VRN为-Udc/2。
或者，如图5所示，所述第二单向器件的输入端为所述第二开关支路的第一端，第二开关管Q2的第二端为所述第二开关支路的第二端，第二开关管Q2的第一端和第二单向器件的输出端的连接点连接所述第一开关支路的第一端；
第三开关管Q3的第二端为所述第三开关支路的第一端，第三开关管Q3的第一端连接所述第三单向器件的输出端，所述第三单向器件的输入端为所述第三开关支路的第二端；
所述第四单向器件的输入端为所述第四开关支路的第一端，所述第四单向器件的输出端连接第四开关管Q4的第一端，第四开关管Q4的第二端为所述第四开关支路的第二端；
所述第五单向器件的输出端和第五开关管Q5的第二端的连接点连接所述第六开关支路的第一端，所述第五单向器件的输入端为所述第五开关支路的第一端，第五开关管Q5的第一端为所述第五开关支路的第二端。
所述第一单向器件的输出端和第一开关管Q1的第一端的连接点连接第一电容C1的第一端，第一开关管Q1的第二端为所述第一开关支路的第一端，所述第二单向器件的输入端为所述第一开关支路的第二端；
所述第六单向器件的输入端和第六开关管Q6的第二端的连接点连接第二电容C2的第二端，第六开关管Q6的第一端为所述第六开关支路的第一端，所述第六单向器件的输出端为所述第六开关支路的第二端。
在具体的应用环境中，优选的，如图5所示，第二开关管Q2、第三开关管Q3、第四开关管Q4、第五开关管Q5、第七开关管Q7和第八开关管Q8均包括体二极管或反向并联一个二极管。
图5所示为本发明提供的第三种五电平逆变器的具体实现形式，直流电源PV的正端与负端之间的电压为Udc；第一电容C1与第二电容C2上的电压均为Udc/2，钳位电容C3上的电压为Udc/4，节点R与节点N之间的电压为所述五电平逆变器的输出电压VRN；其对应的八个工作模态分别为：
第一模态：第一开关管Q1、第二开关管Q2及第七开关管Q7导通，其余开关管均截止；
此时，其有功电流路径为直流电源PV的正端→第一开关管Q1→第二开关管Q2→第七开关管Q7→R点，输出电压VRN为Udc/2。当需要发无功时，无功电流路径相应为R点→第七开关管Q7的反并联二极管或者体二极管→所述第一单向器件→直流电源PV的正端→第一电容C1→N点，输出电压VRN为Udc/2。
第二模态：第一开关管Q1、第二开关管Q2及第八开关管Q8导通，其余开关管均截止；
其有功电流路径为直流电源PV的正端→第一开关管Q1→第二开关管Q2→钳位电容C3→第八开关管Q8的反并联二极管或者体二极管→R点，输出电压VRN为Udc/4。当需要发无功时，无功电流路径相应为R点→第八开关管Q8→钳位电容C3→所述第一单向器件→直流电源PV的正端→第一电容C1→N点，输出电压VRN为Udc/4。
第三模态：第四开关管Q4、第五开关管Q5及第七开关管Q7导通，其余开关管均截止；
其有功电流路径为N点→所述第四单向器件→第四开关管Q4→钳位电容C3→第七开关管Q7→R点，输出电压VRN为Udc/4。当需要发无功时，无功电流路径相应为R点→第七开关管Q7的反并联二极管或者体二极管→钳位电容C3→第五开关管Q5→所述第五单向器件→N点，输出电压VRN为Udc/4。
第四模态：第四开关管Q4、第五开关管Q5及第八开关管Q8导通，其余开关管均截止；
其有功电流路径为N点→所述第四单向器件→第四开关管Q4→第八开关管Q8的反并联二极管或者体二极管→R点，输出电压VRN为0。当需要发无功时，无功电流路径相应为R点→第八开关Q8→第五开关管Q5→所述第五单向器件→N点，输出电压VRN为0。
第五模态：第二开关管Q2、第三开关管Q3及第七开关管Q7导通，其余开关管均截止；
其有功电流路径为R点→第七开关管Q7的反并联单向器件或者体二极管→第三开关管Q3→所述第三单向器件→N点，输出电压VRN为0。当需要发无功时，无功电流路径相应为N点→所述第二单向器件→第二开关管Q2→第七开关管Q7→R点，输出电压VRN为0。
第六模态：第二开关管Q2、第三开关管Q3及第八开关管Q8导通，其余开关管均截止；
其有功电流路径为R点→第八开关管Q8→钳位电容C3→第三开关管Q3→所述第三单向器件→N点，输出电压VRN为-Udc/4。当需要发无功时，无功电流路径相应为N点→所述第二单向器件→第二开关管Q2→钳位电容C3→第八开关管Q8的反并联二极管或者体二极管→R点，输出电压VRN为-Udc/4。
第七模态：第五开关管Q5、第六开关管Q6及第七开关管Q7导通，其余开关管均截止；
其有功电流路径为R点→第七开关管Q7的反并联二极管或者体二极管→钳位电容C3→第五开关管Q5→第六开关管Q6→直流电源PV的负端→第二电容C2→N点，输出电压VRN为-Udc/4。当需要发无功时，无功电流路径相应为N点→第二电容C2→直流电源PV的负端→所述第六单向器件→钳位电容C3→第七开关管Q7→R点，输出电压VRN为-Udc/4。
第八模态：第五开关管Q5、第六开关管Q6及第八开关管Q8导通，其余开关管均截止。
其有功电流路径为R点→第八开关管Q8→第五开关管Q5→第六开关管Q6→直流电源PV的负端→第二电容C2→N点，输出电压VRN为-Udc/2。当需要发无功时，无功电流路径相应为N点→第二电容C2→直流电源PV的负端→所述第六单向器件→第八开关管Q8的反并联二极管或者体二极管→R点，输出电压VRN为-Udc/2。
由上述实施例可以看出，当输出电压为正向时，有两个状态第二工作模态和第三工作模态可以选择，且两个状态的流向钳位电容C3的电流方向相反，因此可以灵活选择这两个开关状态来平衡钳位电容C3的电压；同理，当输出电压为负向时，可以灵活选择第六工作模态和第七工作模态两个开关状态来平衡钳位电容C3上的电压，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。
值得说明的是，现有技术中如图1所述的五电平逆变器，其电流换流路径较多，同时每次电流流经的路径中需要经过多个开关管，其效率较低。
而本实施例提供的所述第一种五电平逆变器、所述第二种五电平逆变器及所述第三种五电平逆变器，由其各自的八个模态可以看出，每个模态下导通的开关管数量很多情况下为两个，达到提高系统效率的目的。
并且，现有如图1所示的多电平逆变器中，在非单位功率因数应用时，其开关管体内二极管需要提供电流路径。因此，在同时需要单位功率因数和非单位功率因数应用的场合，需要同时兼顾开关管和体内二极管的性能，给器件选择带来了难度，在很多应用场合下可能还需要外部反并联二极管来满足具体应用要求。而且开关管在单位功率因数和非单位功率因数时都要参与工作，导致其损耗过大，开关频率受限，减少了器件的使用寿命，降低了电路的整体转换效率。
而本实施例提供的所述五电平逆变器，不仅可以输出五个电平状态，降低系统的电流谐波含量，减小系统的交流滤波电感，提高系统的电压等级，降低系统的共模电压；且无需增加额外的硬件电路就可以实现全功率、全调制下功率电容电压的平衡控制；另外，在同时需要单位功率因数及非单位功率因数应用的场合时，开关器件选择范围大，开关管损耗进一步降低，延长了器件的使用寿命，提高了电路的整体转换效率，并大大降低了开关管损耗。
另外，上述各个工作模态下，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。
在具体的实际应用中，所述五电平逆变器也不一定限定于图3、图4及图5所示的实现形式。具体的，当所述五电平逆变器中的所述第一开关支路、所述第二开关支路及所述第三开关支路为图3所示的形式时，其所述第四开关支路、所述第五开关支路及所述第六开关支路并不一定仅限于图3所示的实现形式，也可以为图4或者图5的实现形式；当所述五电平逆变器中的所述第一开关支路、所述第二开关支路及所述第三开关支路为图4所示的形式时，其所述第四开关支路、所述第五开关支路及所述第六开关支路并不一定仅限于图4所示的实现形式，也可以为图3或者图5的实现形式；当所述五电平逆变器中的所述第一开关支路、所述第二开关支路及所述第三开关支路为图5所示的形式时，其所述第四开关支路、所述第五开关支路及所述第六开关支路并不一定仅限于图5所示的实现形式，也可以为图3或者图4的实现形式。上述实现形式均在本申请的保护范围内，此处不再一一赘述。
优选的，在图3的基础之上，如图6所示，所述五电平逆变器还包括：
与所述第一单向器件反向并联的第九开关管Q9；
与所述第六单向器件反向并联的第十开关管Q10；
此时，所述五电平逆变器对应的八个工作模态中，其第三模态、第四模态、第五模态及第六模态均与图3所示的所述第一种五电平逆变器对应的工作模态相同，而第一模态、第二模态、第七模态及第八模态均发生相应的变化，具体为：
第一模态：第一开关管Q1、第二开关管Q2、第七开关管Q7及第九开关管Q9导通，其余开关管均截止；
其有功电流路径包括两条，其中一条为：直流电源PV的正端→第一开关管Q1→第七开关管Q7→R点，另外一条为：直流电源PV的正端→第九开关管Q9→第二开关管Q2→第七开关管Q7→R点，输出电压VRN为Udc/2。当需要发无功时，无功电流路径相应为R点→第七开关管Q7的反并联二极管或者体二极管→第二开关管Q2的反并联二极管或者体二极管→所述第一单向器件→直流电源PV的正端→第一电容C1→N点，输出电压VRN为Udc/2。
第二模态：第一开关管Q1、第二开关管Q2、第八开关管Q8及第九开关管Q9导通，其余开关管均截止；
其有功电流路径包括两条，其中一条为：直流电源PV的正端→第一开关管Q1→钳位电容C3→第八开关管Q8的反并联二极管或者体二极管→R点，另外一条为：直流电源PV的正端→第九开关管Q9→第二开关管Q2→钳位电容C3→第八开关管Q8的反并联二极管或者体二极管→R点，输出电压VRN为Udc/4。当需要发无功时，无功电流路径相应为R点→第八开关管Q8→钳位电容C3→第二开关管Q2的反并联二极管或者体二极管→所述第一单向器件→直流电源PV的正端→第一电容C1→N点，输出电压VRN为Udc/4。
第七模态：第五开关管Q5、第六开关管Q6、第七开关管Q7及第十开关管Q10导通，其余开关管均截止；
其有功电流路径包括两条，其中一条为：R点→第七开关管Q7的反并联二极管或者体二极管→钳位电容C3→第六开关管Q6→直流电源PV的负端→第二电容C2→N点，另外一条为：R点→第七开关管Q7的反并联二极管或者体二极管→钳位电容C3→第五开关管Q5→第十开关管Q10→直流电源PV的负端→第二电容C2→N点，输出电压VRN为-Udc/4。当需要发无功时，无功电流路径相应为N点→第二电容C2→直流电源PV的负端→所述第六单向器件→第五开关管Q5的反并联二极管或者体二极管→钳位电容C3→第七开关管Q7→R点，输出电压VRN为-Udc/4。
第八模态：第五开关管Q5、第六开关管Q6、第八开关管Q8及第十开关管Q10导通，其余开关管均截止。
其有功电流路径包括两条，其中一条为：R点→第八开关管Q8→第六开关管Q6→直流电源PV的负端→第二电容C2→N点，另外一条为：R点→第八开关管Q8→第五开关管Q5→第十开关管Q10→直流电源PV的负端→第二电容C2→N点，输出电压VRN为-Udc/2。当需要发无功时，无功电流路径相应为N点→第二电容C2→直流电源PV的负端→所述第六单向器件→第五开关管Q5的反并联二极管或者体二极管→第八开关管Q8的反并联二极管或者体二极管→R点，输出电压VRN为-Udc/2。
或者，在图3的基础之上，如图7所示，所述五电平逆变器还包括：
与所述第三单向器件反向并联的第十三开关管Q13；
与所述第四单向器件反向并联的第十四开关管Q14。
此时，所述五电平逆变器对应的八个工作模态中，其第一模态、第二模态、第七模态及第八模态均与图3所示的所述第一种五电平逆变器相同，而其第三模态、第四模态、第五模态及第六模态均发生相应的变化，具体为：
第三模态：第四开关管Q4、第五开关管Q5、第七开关管Q7及第十四开关管Q14导通，其余开关管均截止；
此时，其无功电流路径变化为并联的两条，而有功电流路径及相应的输出电压均未发生变化。
第四模态：第四开关管Q4、第五开关管Q5、第八开关管Q8及第十四开关管Q14导通，其余开关管均截止；
此时，其无功电流路径变化为并联的两条，而有功电流路径及相应的输出电压均未发生变化。
第五模态：第二开关管Q2、第三开关管Q3、第七开关管Q7及第十三开关管Q13导通，其余开关管均截止；
此时，其无功电流路径变化为并联的两条，而有功电流路径及相应的输出电压均未发生变化。
第六模态：第二开关管Q2、第三开关管Q3、第八开关管Q8及第十三开关管Q13导通，其余开关管均截止；
此时，其无功电流路径变化为并联的两条，而有功电流路径及相应的输出电压均未发生变化。
或者，所述五电平逆变器还包括：
与所述第二单向器件反向并联的第十一开关管；
与所述第五单向器件反向并联的第十二开关管；
此时，所述五电平逆变器对应的八个工作模态配合不同的开关管控制，也将产生相应的电流路径的变化，此处不再一一赘述。
优选的，所述第一种五电平逆变器、所述第二种五电平逆变器及所述第三种五电平逆变器均还包括：分别与所述第一开关管和所述第六开关管反向并联的两个二极管；或者所述第一种五电平逆变器、所述第二种五电平逆变器及所述第三种五电平逆变器中的所述第一开关管和所述第六开关管还包括体二极管。
上述实施例中的所述第一开关管及所述第六开关管均为单向器件即可，比如不带体二极管的开关管或者逆阻型开关管；而所述第二开关管、所述第三开关管、所述第四开关管、所述第五开关管、所述第七开关管及所述第八开关管均可以为带体二极管或者反向并联一个二极管的开关管，比如IGBT(InsulatedGateBipolarTransistor，绝缘栅双极型功率管)和MOSFET(metallicoxidesemiconductorfieldeffecttransistor，金属氧化物半导体场效应晶体管)等开关管。同时，所述第一开关管及所述第六开关管也可以均为双向器件，比如带体二极管或者反向并联一个二极管的IGBT、MOSFET等开关管。
各个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。
优选的，在图4的基础之上，所述五电平逆变器还包括：
与所述第一单向器件反向并联的第十五开关管；
与所述第二单向器件反向并联的第十六开关管；
与所述第四单向器件反向并联的第十七开关管；
与所述第五单向器件反向并联的第十八开关管。
此时，所述五电平逆变器对应的八个工作模态配合不同的开关管控制，也将产生相应的电流路径的变化，此处不再一一赘述。
优选的，在图4和图5的基础之上，所述五电平逆变器还包括：
与所述第二单向器件反向并联的第十九开关管；
与所述第五单向器件反向并联的第二十开关管；
此时，所述五电平逆变器对应的八个工作模态配合不同的开关管控制，也将产生相应的电流路径的变化，此处不再一一赘述。
或者，在图4和图5的基础之上，所述五电平逆变器还包括：
与所述第三单向器件反向并联的第二十一开关管；
与所述第四单向器件反向并联的第二十二开关管。
此时，所述五电平逆变器对应的八个工作模态配合不同的开关管控制，也将产生相应的电流路径的变化，此处不再一一赘述。
优选的，在图5的基础之上，所述五电平逆变器还包括：
与所述第一单向器件反向并联的第二十三开关管；
与所述第六单向器件反向并联的第二十四开关管。
此时，所述五电平逆变器对应的八个工作模态配合不同的开关管控制，也将产生相应的电流路径的变化，此处不再一一赘述。
优选的，上述实施例中的所述第一单向器件、所述第二单向器件、所述第三单向器件、所述第四单向器件、所述第五单向器件及所述第六单向器件均为二极管或者单向晶闸管。
当均为二极管时，各个二极管的阳极为相应单向器件的输入端，各个二极管的阴极为相应单向器件的输出端。
在具体的实际应用中，各个单向器件还可以为单向晶闸管等，可以视其具体应用环境而定，均在本申请的保护范围内。
优选的，所述第二开关管、所述第三开关管、所述第四开关管和所述第五开关管均包括体二极管或反向并联一个二极管。
值得说明的是，在具体的实际应用中，上述实施例中的所述第三开关管与所述第三单向器件组成的第三开关支路，及所述第四单向器件与所述第四开关管组成的第四开关支路内，其开关管与单向器件之间的连接关系并不一定限定于上述情况，两者之间的位置互换也在本申请的保护范围内；或者，所述第三开关支路及所述第四开关支路均可用一个逆阻型开关管来代替，可以视其具体应用环境而定，均在本申请的保护范围内。
在具体的实际应用中，如图8-a所示，所述五电平逆变器的第二输入端及输出端还可以分别通过电感等元件(比如电容)与电网相连。所述五电平逆变器的前端还可以增加一个DC/DC变换器来进行电压的变化，用于拓宽所述五电平逆变器的输入电压范围。或者，如图8-b所示，所述五电平逆变器的前端还增加一个DC/DC变换器来进行电压的变化，且其第二输入端及输出端分别通过电感等元件(比如电容)与电网相连。
本发明另一实施例还提供了一种五电平逆变器的应用电路，如图9-a所示，为本实施例提供的两相五电平逆变器拓扑图，包括两个如上述实施例所述的五电平逆变器，分别为第一五电平逆变器101和第二五电平逆变器102；其中：
第一五电平逆变器101和第二五电平逆变器102的第一输入端均连接所述直流电源PV的正端；
第一五电平逆变器101和第二五电平逆变器102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；
第一五电平逆变器101和第二五电平逆变器102的第三输入端均连接所述直流电源的负端；
第一五电平逆变器101和第二五电平逆变器102的输出端分别作为所述五电平逆变器的应用电路的两个交流输出端。
具体的，第一五电平逆变器101由第一正弦波进行调制，第二五电平逆变器102由第二正弦波进行调制；
第一正弦波和第二正弦波的相位相差180度或0度。
本发明另一实施例还提供了一种五电平逆变器的应用电路，如图10-a所示，为本实施例提供的三相三线制五电平逆变器拓扑图，包括三个如图上述实施例所述的五电平逆变器，分别为第一五电平逆变器201、第二五电平逆变器202和第三五电平逆变器203；其中：
第一五电平逆变器201、第二五电平逆变器202和第三五电平逆变器203的第一输入端均连接所述直流电源PV的正端；
第一五电平逆变器201、第二五电平逆变器202和第三五电平逆变器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；
第一五电平逆变器201、第二五电平逆变器202和第三五电平逆变器203的第三输入端均连接所述直流电源的负端；
第一五电平逆变器201、第二五电平逆变器202和第三五电平逆变器203的输出端分别作为所述五电平逆变器的应用电路的三个交流输出端。
具体的，第一五电平逆变器201由第一正弦波进行调制，第二五电平逆变器202由第二正弦波进行调制，第三五电平逆变器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互差120度。
本发明另一实施例还提供了一种五电平逆变器的应用电路，如图11-a所示，为本实施例提供的三相四线制五电平逆变器拓扑图，包括三个如上述实施例所述的五电平逆变器，分别为第一五电平逆变器201、第二五电平逆变器202和第三五电平逆变器203；其中：
第一五电平逆变器201、第二五电平逆变器202和第三五电平逆变器203的第一输入端均连接所述直流电源PV的正端；
第一五电平逆变器201、第二五电平逆变器202和第三五电平逆变器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；
第一五电平逆变器201、第二五电平逆变器202和第三五电平逆变器203的第三输入端均连接所述直流电源的负端；
第一五电平逆变器201、第二五电平逆变器202和第三五电平逆变器203的输出端分别作为所述五电平逆变器的应用电路的三个交流输出端；
第一电容C1与第二电容C2的连接点作为所述五电平逆变器的应用电路的第四输出端、分别通过电网与电感等元件(例如还包括电容)与所述三个交流输出端相连。
具体的，第一五电平逆变器201由第一正弦波进行调制，第二五电平逆变器202由第二正弦波进行调制，第三五电平逆变器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互差120度。
在具体的实际应用中，所述五电平逆变器的应用电路的前端还可以增加一个DC/DC变换器来进行电压的变化，用于拓宽所述五电平逆变器的应用电路的输入电压范围。所述五电平逆变器的应用电路的各个交流输出端还可以分别通过电感等元件(例如还包括电容)与电网相连。或者如图9-b、10-b和11-b所示，各个所述五电平逆变器的应用电路，其前端增加一个DC/DC变换器来进行电压的变化，且其各个交流输出端还分别通过电感等元件与电网相连。
上述实施例中所述的各五电平逆变器的应用电路，均可应用于光伏发电系统，相应的，所述直流电源为光伏电池组件。或者所述各五电平逆变器的应用电路也可以应用于其他发电系统，此处不做具体限定。
需要说明的是，本发明实施例提供的五电平逆变器实现了功率电容上的电压自平衡的功能，可以理解的是，由该五电平逆变器组成的两相、三相三线制以及三相四线制五电平逆变器同样具有该优点。
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 (20)

1.一种五电平逆变器，其特征在于，连接于直流电源的正端与负端之间，与第一电容和第二电容的串联支路并联；所述五电平逆变器包括：
六个开关支路、第七开关管、第八开关管和钳位电容，其中：
第一开关支路包含第一单向器件和第一开关管，所述第一单向器件和第一开关管的公共端连接第一电容的第一端；
第二开关支路包含第二单向器件和第二开关管，所述第二单向器件的第二开关管的公共端连接所述第一开关支路的第一端；
第三开关支路包含第三单向器件和第三开关管，所述第三支路的第一端与所述第二开关支路的第一端、所述第一电容的第二端及所述第二电容的第一端相连；
第四开关支路包含第四单向器件和第四开关管，所述第四开关支路的第一端与所述第三开关支路的第一端相连；
第五开关支路包含第五单向器件和第五开关管，所述第五开关支路的第一端与所述第四开关支路的第一端相连；
第六开关支路包含第六单向器件和第六开关管，所述第六开关支路的第一端连接所述第五单向器件和第五开关管的公共端，所述第六单向器件和第六开关管的公共端连接所述第二电容的第二端；
所述钳位电容的第一端分别连接所述第一开关支路的第二端、所述第二开关支路的第二端、所述第三开关支路的第二端以及所述第七开关管的第一端，所述钳位电容的第二端分别连接所述第四开关支路的第二端、所述第五开关支路的第二端、所述第六开关支路的第二端以及所述第八开关管的第二端，所述第八开关管的第一端和所述第七开关管的第二端相连接，且该连接点与所述五电平逆变器的输出端相连；
所述第七开关管和所述第八开关管为提供双向功率路径的开关管。
2.根据权利要求1所述的五电平逆变器，其特征在于，
所述第二单向器件的输入端为所述第二开关支路的第一端，所述第二开关管的第二端为所述第二开关支路的第二端，所述第二开关管的第一端和第二单向器件的输出端的连接点连接所述第一开关支路的第一端；
所述第三开关管的第二端为所述第三开关支路的第一端，所述第三开关管的第一端连接所述第三单向器件的输出端，所述第三单向器件的输入端为所述第三开关支路的第二端；
所述第四单向器件的输入端为所述第四开关支路的第一端，所述第四单向器件的输出端连接所述第四开关管的第一端，所述第四开关管的第二端为所述第四开关支路的第二端；
所述第五单向器件的输出端和所述第五开关管的第二端的连接点连接所述第六开关支路的第一端，所述第五单向器件的输入端为所述第五开关支路的第一端，所述第五开关管的第一端为所述第五开关支路的第二端。
3.根据权利要求1所述的五电平逆变器，其特征在于，
所述第二开关管的第二端为所述第二开关支路的第一端，所述第二单向器件的输入端为所述第二开关支路的第二端，所述第二开关管的第一端和第二单向器件的输出端的连接点连接所述第一开关支路的第一端；
所述第三单向器件的输入端为所述第三开关支路的第一端，所述第三单向器件的输出端连接所述第三开关管的第一端，所述第三开关管的第二端为所述第三开关支路的第二端；
所述第四开关管的第二端为所述第四开关支路的第一端，所述第四开关管的第一端连接所述第四单向器件的输出端，所述第四单向器件的输入端为所述第四开关支路的第二端；
所述第五开关管的第二端和第五单向器件的输入端的连接点连接所述第六开关支路的第一端，所述第五开关管的第一端为所述第五开关支路的第一端，所述第五单向器件的输出端为所述第五开关支路的第二端。
4.根据权利要求2所述的五电平逆变器，其特征在于，
所述第一单向器件的输出端和第一开关管的第一端的连接点连接所述第一电容的第一端，所述第一单向器件的输入端为所述第一开关支路的第一端，所述第一开关管的第二端为所述第一开关支路的第二端；
所述第六单向器件的输入端和第六开关管的第二端的连接点连接所述第二电容的第二端，所述第六单向器件的输出端为所述第六开关支路的第一端，所述第六开关管的第一端为所述第六开关支路的第二端；
所述第二开关管、所述第三开关管、所述第四开关管和所述第五开关管均包括体二极管或反向并联一个二极管。
5.根据权利要求3所述的五电平逆变器，其特征在于，
所述第一单向器件的输出端和第一开关管的第一端的连接点连接所述第一电容的第一端，所述第一单向器件的输入端为所述第一开关支路的第一端，所述第一开关管的第二端为所述第一开关支路的第二端；
所述第六单向器件的输入端和第六开关管的第二端的连接点连接所述第二电容的第二端，所述第六单向器件的输出端为所述第六开关支路的第一端，所述第六开关管的第一端为所述第六开关支路的第二端。
6.根据权利要求2所述的五电平逆变器，其特征在于，
所述第一单向器件的输出端和第一开关管的第一端的连接点连接所述第一电容的第一端，所述第一开关管的第二端为所述第一开关支路的第一端，所述第二单向器件的输入端为所述第一开关支路的第二端；
所述第六单向器件的输入端和第六开关管的第二端的连接点连接所述第二电容的第二端，所述第六开关管的第一端为所述第六开关支路的第一端，所述第六单向器件的输出端为所述第六开关支路的第二端。
7.根据权利要求4所述的五电平逆变器，其特征在于，所述五电平逆变器对应的八个工作模态分别为：
第一模态：所述第一开关管及所述第七开关管导通，其余开关管均截止；
第二模态：所述第一开关管及所述第八开关管导通，其余开关管均截止；
第三模态：所述第四开关管、所述第五开关管及所述第七开关管导通，其余开关管均截止；
第四模态：所述第四开关管、所述第五开关管及所述第八开关管导通，其余开关管均截止；
第五模态：所述第二开关管、所述第三开关管及所述第七开关管导通，其余开关管均截止；
第六模态：所述第二开关管、所述第三开关管及所述第八开关管导通，其余开关管均截止；
第七模态：所述第六开关管及所述第七开关管导通，其余开关管均截止；
第八模态：所述第六开关管及所述第八开关管导通，其余开关管均截止。
8.根据权利要求5所述的五电平逆变器，其特征在于，所述五电平逆变器对应的八个工作模态分别为：
第一模态：所述第一开关管及所述第七开关管导通，其余开关管均截止；
第二模态：所述第一开关管及所述第八开关管导通，其余开关管均截止；
第三模态：所述第四开关管、所述第五开关管及所述第七开关管导通，其余开关管均截止；
第四模态：所述第四开关管、所述第五开关管及所述第八开关管导通，其余开关管均截止；
第五模态：所述第二开关管、所述第三开关管及所述第七开关管导通，其余开关管均截止；
第六模态：所述第二开关管、所述第三开关管及所述第八开关管导通，其余开关管均截止；
第七模态：所述第六开关管及所述第七开关管导通，其余开关管均截止；
第八模态：所述第六开关管及所述第八开关管导通，其余开关管均截止。
9.根据权利要求6所述的五电平逆变器，其特征在于，所述五电平逆变器对应的八个工作模态分别为：
第一模态：所述第一开关管、所述第二开关管和所述第七开关管导通，其余开关管均截止；
第二模态：所述第一开关管、所述第二开关管和所述第八开关管导通，其余开关管均截止；
第三模态：所述第四开关管、所述第五开关管和所述第七开关管导通，其余开关管均截止；
第四模态：所述第四开关管、所述第五开关管和所述第八开关管导通，其余开关管均截止；
第五模态：所述第二开关管、所述第三开关管和所述第七开关管导通，其余开关管均截止；
第六模态：所述第二开关管、所述第三开关管和所述第八开关管导通，其余开关管均截止；
第七模态：所述第五开关管、所述第六开关管和所述第七开关管导通，其余开关管均截止；
第八模态：所述第五开关管、所述第六开关管和所述第八开关管导通，其余开关管均截止。
10.根据权利要求4所述的五电平逆变器，其特征在于，还包括：
与所述第一单向器件反向并联的第九开关管；
与所述第六单向器件反向并联的第十开关管；
或者，还包括：
与所述第二单向器件反向并联的第十一开关管；
与所述第五单向器件反向并联的第十二开关管；
或者，还包括：
与所述第三单向器件反向并联的第十三开关管；
与所述第四单向器件反向并联的第十四开关管。
11.根据权利要求4所述的五电平逆变器，其特征在于，还包括：分别与所述第一开关管和所述第六开关管反向并联的两个二极管；或者所述第一开关管和所述第六开关管还包括体二极管。
12.根据权利要求5或6所述的五电平逆变器，其特征在于，还包括：分别与所述第一开关管和所述第六开关管反向并联的两个二极管；或者所述第一开关管和所述第六开关管还包括体二极管。
13.根据权利要求5所述的五电平逆变器，其特征在于，还包括：
与所述第一单向器件反向并联的第十五开关管；
与所述第二单向器件反向并联的第十六开关管；
与所述第四单向器件反向并联的第十七开关管；
与所述第五单向器件反向并联的第十八开关管。
14.根据权利要求5或6所述五电平逆变器，其特征在于，还包括：
与所述第二单向器件反向并联的第十九开关管；
与所述第五单向器件反向并联的第二十开关管；
或者，还包括：
与所述第三单向器件反向并联的第二十一开关管；
与所述第四单向器件反向并联的第二十二开关管。
15.根据权利要求6所述的五电平逆变器，其特征在于，还包括：
与所述第一单向器件反向并联的第二十三开关管；
与所述第六单向器件反向并联的第二十四开关管。
16.根据权利要求1至13任一所述的五电平逆变器，其特征在于，所述第一单向器件、所述第二单向器件、所述第三单向器件、所述第四单向器件、所述第五单向器件及所述第六单向器件均为二极管或者单向晶闸管。
17.根据权利要求1、2、3、5、6、8、9、12或13任一所述的五电平逆变器，其特征在于，所述第二开关管、所述第三开关管、所述第四开关管和所述第五开关管均包括体二极管或反向并联一个二极管。
18.一种五电平逆变器的应用电路，其特征在于，包括两个如权利要求1至17任一所述的五电平逆变器，分别为第一五电平逆变器和第二五电平逆变器；其中：
所述第一五电平逆变器和所述第二五电平逆变器的第一输入端均连接所述直流电源的正端；
所述第一五电平逆变器和所述第二五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；
所述第一五电平逆变器和所述第二五电平逆变器的第三输入端均连接所述直流电源的负端；
所述第一五电平逆变器和所述第二五电平逆变器的输出端分别作为所述五电平逆变器的应用电路的两个交流输出端。
19.一种五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17任一所述的五电平逆变器，分别为第一五电平逆变器、第二五电平逆变器和第三五电平逆变器；其中：
所述第一五电平逆变器、所述第二五电平逆变器和所述第三五电平逆变器的第一输入端均连接所述直流电源的正端；
所述第一五电平逆变器、所述第二五电平逆变器和所述第三五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；
所述第一五电平逆变器、所述第二五电平逆变器和所述第三五电平逆变器的第三输入端均连接所述直流电源的负端；
所述第一五电平逆变器、所述第二五电平逆变器和所述第三五电平逆变器的输出端分别作为所述五电平逆变器的应用电路的三个交流输出端。
20.根据权利要求19所述的五电平逆变器的应用电路，其特征在于，所述五电平逆变器的应用电路还包括第四输出端；所述第四输出端为所述第一电容与所述第二电容的连接点。
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