CN105471298B - 一种多电平逆变器 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例公开了一种多电平逆变器，包括：第一直流电源电路，第一电平控制电路以及第一滤波电路，其中：第一电平控制电路与第一直流电源电路连接，包括至少三个半桥以及第一变压器，第一变压器包括至少三个绕组，相邻两个绕组之间反相耦合，至少三个半桥的输出端分别与第一变压器的至少三个绕组的同名端对应连接，第一变压器的至少三个绕组的异名端连接作为第一电平控制电路的输出端，第一电平控制电路用于将第一直流电源电路提供的直流电压转换成具有多种电平的方波并向第一滤波电路输出；第一滤波电路与第一电平控制电路连接，用于将多种电平的方波滤波成正弦波输出。采用本发明，可以增加输出电压电平数，而且减小输出的谐波。

Description

一种多电平逆变器
技术领域
本发明涉及逆变器领域，尤其涉及一种多电平逆变器。
背景技术
逆变器将直流电转换为交流电，是电机驱动变频器、感应加热装置、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。其中，输出谐波是逆变器最重要的电气指标之一，低谐波能改进电能质量。现在市场中的逆变器多为传统两电平逆变器，可以在电路的逆变中点形成一个正负对称的方波，通过滤波电路滤波成为正弦波。但是，由于两电平电压形成的方波的级数太少，LC滤波电路在将方波滤波成正弦波时，容易产生较大的谐波，从而造成电能质量的下降。
发明内容
本发明实施例所要解决的技术问题在于，提供一种多电平逆变器，可以在逆变器的逆变中点输出具有多种电平的方波，增加了输出电压的电平数，从而减下了输出谐波，进而提高了电能质量。
本发明实施例提供了一种多电平逆变器，所述逆变器包括第一直流电源电路，第一电平控制电路以及第一滤波电路，其中：
所述第一电平控制电路与所述第一直流电源电路连接，包括至少三个半桥以及第一变压器，所述第一变压器包括至少三个绕组，所述第一变压器的绕组数量与所述至少三个半桥数量对应一致，所述第一变压器的相邻两个绕组之间反相耦合，所述至少三个半桥包括第一半桥，所述第一半桥包括两个功率开关管和两个二极管，其中第一功率开关管的集电极与第一二极管的负极连接作为第一输入端接入所述第一直流电源电路的电源正极，第二功率开关管的发射极与第二二极管的正极连接作为第二输入端接入所述第一直流电源电路的电源负极，所述第一功率开关管的发射极与所述第一二极管的正极、所述第二功率开关管的集电极以及所述第二二极管的负极连接作为所述第一半桥的输出端，所述至少三个半桥与所述第一半桥的结构一致，所述至少三个半桥的输出端分别与所述第一变压器的至少三个绕组的同名端对应连接，所述第一变压器的至少三个绕组的异名端连接作为所述第一电平控制电路的输出端，所述第一电平控制电路用于将所述第一直流电源电路提供的直流电压转换成具有多种电平的方波，并由所述第一电平控制电路的输出端向所述第一滤波电路输出所述具有多种电平的方波；
所述第一滤波电路与所述第一电平控制电路连接，用于将所述第一电平控制电路输出的多种电平的方波滤波成正弦波输出。
可选的，所述至少三个半桥包括第一半桥、第二半桥、第三半桥，所述第一变压器包括第一绕组、第二绕组和第三绕组，所述第一绕组与所述第二绕组反相耦合，所述第二绕组与所述第三绕组反相耦合，所述第一半桥的输出端与所述第一变压器的第一绕组的同名端连接，所述第二半桥的输出端与所述第一变压器的第二绕组的同名端连接，所述第三半桥的输出端与所述第一变压器的第三绕组的同名端连接，所述第一变压器的第一绕组的异名端与所述第一变压器的第二绕组的异名端以及所述第一变压器的第三绕组的异名端连接作为所述第一电平控制电路的输出端。
可选的，所述第一滤波电路包括第一滤波电感、第一电容以及第一负载，其中：
所述第一滤波电感，一端与所述第一电平控制电路的输出端连接，另一端与所述第一电容的正极连接；
所述第一电容，正极与所述第一负载的一端连接作为输出端，负极与所述第一负载的另一端连接并接地。
可选的，所述第一直流电源电路包括第一输入电源、第二输入电源、第二电容以及第三电容，其中：
所述第一输入电源，正极与所述第二电容的正极连接，负极与所述第二电容的负极连接并接地；
所述第二输入电源，正极与所述第三电容的正极连接并接地，负极与所述第三电容的负极连接。
可选的，所述第一电平控制电路的三个半桥包括六个功率开关管，分别为第一功率开关管、第二功率开关管、第三功率开关管、第四功率开关管、第五功率开关管、第六功率开关管，所述六个功率开关管分别由六个驱动信号驱动，所述第一功率开关管由第一驱动信号、所述第二功率开关管由第二驱动信号、所述第三功率开关管由第三驱动信号、所述第四功率开关管由第四驱动信号、所述第五功率开关管由第五驱动信号、所述第六功率开关管由第六驱动信号，其中：
所述第一驱动信号与所述第二驱动信号由正弦波的正、负半周分别与第一三角载波调制而成，所述第三驱动信号和所述第四驱动信号由所述正弦波的正、负半周分别与第二三角载波调制而成，所述第五驱动信号和所述第六驱动信号由所述正弦波的正、负半周分别与第三三角载波调制而成；
所述第二三角载波与所述第一三角载波的相位相差120度，所述第三三角载波与所述第一三角载波的相位相差240度。
可选的，当所述第一功率开关管在一个开关周期内的占空比在大于0小于1/3的区间时，所述第一电平控制电路向所述第一滤波电路输出第一方波，所述第一方波包括两种电平，所述两种电平分别为-1/6倍的所述直流电压和-1/2倍的所述直流电压；
当所述第一功率开关管在一个开关周期内的占空比在大于1/3小于2/3的区间时，所述第一电平控制电路向所述第一滤波电路输出第二方波，所述第二方波包括两种电平，所述两种电平分别为-1/6倍的所述直流电压和1/6倍的所述直流电压；
当所述第一功率开关管在一个开关周期内的占空比在大于2/3小于1的区间时，所述第一电平控制电路向所述第一滤波电路输出第三方波，所述第三方波包括两种电平，所述两种电平分别为1/6倍的所述直流电压或1/2倍的所述直流电压；
所述第一滤波电路将所述第一电平控制电路输出的所述第一方波、所述第二方波以及所述第三方波生成的方波通过滤波后转换为正弦波输出。
可选的，所述多电平逆变器还包括第二电平控制电路以及第二滤波电感，其中：
所述第二电平控制电路与所述第一电平控制电路结构一致，所述第二电平控制电路与所述第一电平控制电路并联；
所述第二滤波电感，一端与所述第二电平控制电路的输出端连接，另一端与所述第一滤波电路的所述第一电容的负极连接。
可选的，所述多电平逆变器还包括第四半桥，其中：
所述第四半桥与所述第一半桥的结构一致，所述第四半桥的输出端与所述第一滤波电路的所述第一电容的负极连接。
可选的，所述多电平逆变器还包括第三电平控制电路、第四电平控制电路、第二滤波电路以及第三滤波电路，其中：
所述第三电平控制电路、所述第四电平控制电路与所述第一电平控制电路结构一致，所述第三电平控制电路、所述第四电平控制电路与所述第一电平控制电路并联；
所述第二滤波电路、所述第三滤波电路与所述第一滤波电路结构一致，所述第二滤波电路与所述第三电平控制电路的输出端连接，所述第三滤波电路与所述第四电平控制电路的输出端连接，所述第一滤波电路输出端实现第一相输出，所述第二滤波电路输出端实现第二相输出，所述第三滤波电路输出端实现第三相输出。
可选的，所述多电平逆变器还包括第五电平控制电路，所述第五电平控制电路包括三个开关控制单元，分别为第一开关控制单元、第二开关控制单元以及第三开关控制单元，所述第一开关控制单元包括两个二极管以及两个功率开关管，其中第七功率开关管的集电极与第三二极管的负极连接作为所述第一开关控制单元的输入端，所述第七功率开关管的发射极与所述第三二极管的正极、第八功率开关管的发射极以及第四二极管的正极连接，所述第八功率开关管的集电极与所述第四二极管的负极连接作为所述第一开关控制单元的输出端，所述第二开关控制单元、所述第三开关控制单元与所述第一开关控制单元的结构一致，其中：
所述第一开关控制单元，输入端与所述第一直流电源电路的所述第二电容的负极连接，输出端与所述第一电平电路的所述第一半桥的输出端连接；
所述第二开关控制单元，输入端与所述第一直流电源电路的所述第二电容的负极连接，输出端与所述第一电平电路的所述第二半桥的输出端连接；
所述第三开关控制单元，输入端与所述第一直流电源电路的所述第二电容的负极连接，输出端与所述第一电平电路的所述第三半桥的输出端连接。
可选的，所述多电平逆变器还包括第六电平控制电路，所述第六电平控制电路包括三个开关控制单元，分别为第四开关控制单元、第五开关控制单元以及第六开关控制单元，所述第四开关控制单元包括四个二极管和两个功率开关管，其中第五二极管的负极与第九功率开关管的集电极连接作为所述第四开关控制单元的第一输入端，所述第五二极管的正极与所述第九功率开关管的发射极以及第六二极管的负极连接作为所述第四开关控制单元的第一输出端，第七二极管的负极与所述第六二极管的正极连接作为所述第四开关控制单元的第二输入端，所述第七二极管的正极与第八二极管的负极连接作为所述第四开关控制单元的第二输出端，所述第八二极管的负极与第十功率开关管的集电极连接，所述第八二极管的正极与所述第十功率开关管的发射极连接作为所述第四开关控制单元的第三输入端，所述第五开关控制单元、所述第六开关控制单元与所述第四开关控制单元的结构一致，其中：
所述第一半桥的第一输入端与所述第四开关控制单元的第一输出端连接后通过所述第四开关控制单元的第一输入端接入所述第一输入电源的正极，所述第一半桥的第二输入端与所述第四开关控制单元的第二输出端连接后通过所述第四开关控制单元的第三输入端接入所述第二输入电源的负极；
所述第二半桥的第一输入端与所述第五开关控制单元的第一输出端连接后通过所述第五开关控制单元的第一输入端接入所述第一输入电源的正极，所述第二半桥的第二输入端与所述第五开关控制单元的第二输出端连接后通过所述第五开关控制单元的第三输入端接入所述第二输入电源的负极；
所述第三半桥的第一输入端与所述第六开关控制单元的第一输出端连接后通过所述第六开关控制单元的第一输入端接入所述第一输入电源的正极，所述第三半桥的第二输入端与所述第六开关控制单元的第二输出端连接后通过所述第六开关控制单元的第三输入端接入所述第二输入电源的负极；
所述第四开关控制单元的第二输入端、所述第五开关控制单元的第二输入端以及所述第六开关控制单元的第二输入端连接与所述第一直流电源电路的所述第二电容的负极连接。
可选的，所述多电平逆变器还包括第二直流电源电路、第七电平控制电路以及第三滤波电感，其中：
所述第二直流电源电路与所述第一直流电源电路结构一致；
所述第七电平控制电路与所述第一电平控制电路结构一致，包括第五半桥、第六半桥以及第七半桥，所述第五半桥、所述第六半桥以及所述第七半桥的结构与所述第一半桥一致，所述第五半桥的第一输入端、所述第六半桥的第一输入端以及所述第七半桥的第一输入端接入所述第二直流电源电路的电源正极，所述第五半桥的第二输入端、所述第六半桥的第二输入端以及所述第七半桥的第二输入端接入所述第二直流电源电路的电源负极；
所述第三滤波电感，一端与所述第七电平控制电路的输出端连接，另一端与所述多电平逆变器的所述第二输入电源的正极连接。
可选的，所述至少三个半桥还包括第八半桥，所述第一变压器还包括第四绕组，所述第三绕组与所述第四绕组反相耦合，所述第八半桥的输出端与所述第一变压器的第四绕组的同名端连接，所述第一变压器的第一绕组的异名端、所述第二绕组的异名端、所述第三绕组的异名端以及所述第四绕组的异名端连接作为所述第一电平控制电路的输出端。
实施本发明实施例，具有如下有益效果：通过驱动信号来控制功率开关管的占空比，以使逆变器在逆变中点输出具有多种电平的方波。多电平技术可以输出一个具有多种电平值组成的方波，这个方波的阶梯级数就是对应的输出电压电平数。方波的级数越多通过输出LC更容易滤成正弦波，因为从波形上看阶梯级数越多的方波就无限接近正弦波，越接近正弦波的话输出谐波就越小，所以多电平技术的方波输出可以减小输出的谐波。
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一种多电平逆变器的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的一种多电平逆变器的原理图；
图3是本发明实施例中0<第一功率开关管的占空比<1/3时逆变器的工作状态图；
图4是本发明实施例中1/3<第一功率开关管的占空比<2/3时逆变器的工作状态图；
图5是本发明实施例中2/3<第一功率开关管的占空比<1时逆变器的工作状态图；
图6是本发明另一实施例提供的多电平逆变器的原理图；
图7是本发明另一实施例提供的多电平逆变器的原理图；
图8是本发明另一实施例提供的多电平逆变器的原理图；
图9是本发明另一实施例提供的多电平逆变器的原理图；
图10是本发明另一实施例提供的多电平逆变器的原理图；
图11是本发明另一实施例提供的多电平逆变器的原理图；
图12是本发明另一实施例提供的多电平逆变器的原理图。
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作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。
如图1和图2所示，图1是本发明实施例提供的一种多电平逆变器的结构示意图，图2是本发明实施例提供的一种多电平逆变器的原理图。结合图1和图2，所述多平逆变器包括第一直流电源电路10，第一电平控制电路20以及第一滤波电路30，其中：
第一直流电源电路10，用于向第一电平控制电路20提供直流电压。如图2所示可以包括第一输入电源Vin1、第二输入电源Vin2、第二电容C2以及第三电容C3。其中，
第一输入电源Vin1，正极与所述第二电容C2的正极连接，负极与第二电容出的负极连接并接地；第二输入电源Vin2，正极与第三电容C3的正极连接并接地，构成直流母线中点0，负极与第三电容C3的负极连接。第一输入电源Vin1＝第二输入电源Vin2＝直流电源电压Vin的1/2。
第一电平控制电路20，与第一直流电源电路10连接，可以包括至少三个半桥以及第一变压器T1，第一变压器T1包括至少三个绕组，第一变压器T1的绕组数量与至少三个半桥数量对应一致，第一变压器T1的相邻两个绕组之间反相耦合，至少三个半桥包括第一半桥，第一半桥包括两个功率开关管和两个二极管，其中第一功率开关管S1的集电极与第一二极管D1的负极连接作为第一输入端接入第一直流电源电路10的电源正极，第二功率开关管S2的发射极与第二二极管D2的正极连接作为第二输入端接入第一直流电源电路10的电源负极，所述第一功率开关管S1的发射极与所述第一二极管D1的正极、所述第二功率开关管S2的集电极以及所述第二二极管D2的负极连接作为所述第一半桥的输出端，至少三个半桥与第一半桥的结构一致，至少三个半桥的输出端分别与第一变压器T1的至少三个绕组的同名端对应连接，第一变压器T1的至少三个绕组的异名端连接作为第一电平控制电路10的输出端，第一电平控制电路20用于将第一直流电源电路10提供的直流电压转换成具有多种电平的方波，并由第一电平控制电路20的输出端向第一滤波电路30输出所述具有多种电平的方波。
具体的，如图2所示，第一电平控制电路20可以包括第一半桥、第二半桥、第三半桥，第一变压器T1包括第一绕组、第二绕组和第三绕组，第一绕组与第二绕组反相耦合，第二绕组与第三绕组反相耦合，第一半桥的输出端与所第一变压器T1的第一绕组的同名端连接，第二半桥的输出端与第一变压器T1的第二绕组的同名端连接，第三半桥的输出端与第一变压器T1的第三绕组的同名端连接，第一变压器T1的第一绕组的异名端与第一变压器T1的第二绕组的异名端以及第一变压器T1的第三绕组的异名端连接作为第一电平控制电路20的输出端a。
第一滤波电路30，与第一电平控制电路20连接，用于将第一电平控制电路20输出的多种电平的方波滤波成正弦波输出，如图2所示可以包括第一滤波电感L1、第一电容C1以及第一负载R1。其中，
第一滤波电感L1，一端与第一电平控制电路10的输出端连接，另一端与第一电容C1的正极连接；第一电容C1，正极与第一负载R1的一端连接作为输出端Vout，负极与第一负载R1的另一端连接并接地。
下面结合图2对本发明实施例提供的多电平逆变器的工作原理进行一个完整描述。
第一电平控制电路20的三个半桥包括六个功率开关管，分别为第一功率开关管S1、第二功率开关管S2、第三功率开关管S3、第四功率开关管S4、第五功率开关管S5、第六功率开关管S6，六个功率开关管分别由六个驱动信号驱动，第一功率开关管S1由第一驱动信号、第二功率开关管S2由第二驱动信号、第三功率开关管S3由第三驱动信号、第四功率开关管S4由第四驱动信号、第五功率开关管S5由第五驱动信号、第六功率开关管S6由第六驱动信号，其中，第一驱动信号与第二驱动信号由正弦波的正、负半周分别与第一三角载波调制而成，第三驱动信号和第四驱动信号由正弦波的正、负半周分别与第二三角载波调制而成，第五驱动信号和第六驱动信号由所述正弦波的正、负半周分别与第三三角载波调制而成；第二三角载波与第一三角载波的相位相差120度，第三三角载波与第一三角载波的相位相差240度。
通过上述调制方法可以控制第一功率开关管S1的占空比，同时也控制其他五个功率开关管的导通和断开状态，从而可以根据占空比的不同，控制逆变器处于三种不同的工作区域。
需要说明的是，第一电平控制电路20的输出端a与直流母线中点0的电压记为Va0，第一功率开关管S1在一个开关周期内的占空比记为D。
当第一功率开关管S1在一个开关周期内的占空比在大于0小于1/3的区间时，第一电平控制电路20向第一滤波电路30输出第一方波，第一方波包括两种电平，两种电平分别为-1/6倍的直流电压和-1/2倍的直流电压。
具体的，当第一功率开关管S1的占空比0<D<1/3时，一个完整的开关周期内多电平逆变器存在六种工作模态，工作状态图如图3所示。
在t0～t1时间段内逆变器处于第一工作模态，功率开关管S1、S4、S6导通，T1与输出第一滤波电感L1连接的中点“a”到第二输入电源的负极的电压为1/3Vin，直流母线中点电位“0”到第二输入电源的负极的电压为Vin2＝Vin/2，因而逆变中点电压Va0＝1/3Vin-Vin/2＝-1/6Vin；
在t1～t2时间段内逆变器处于第二工作模态，功率开关管S2、S4、S6导通，T1与输出第一滤波电感L1连接的中点“a”到第二输入电源的负极的电压为0，直流母线中点电位“0”到第二输入电源的负极的电压为Vin2＝Vin/2，因而逆变中点电压Va0＝0-Vin/2＝-1/2Vin；
在t2～t3时间段内逆变器处于第三工作模态，功率开关管S2、S3、S6导通，T1与输出第一滤波电感L1连接的中点“a”到第二输入电源的负极的电压为1/3Vin，直流母线中点电位“0”到第二输入电源的负极的电压为Vin2＝Vin/2，因而逆变中点电压Va0＝1/3Vin-Vin/2＝-1/6Vin；
在t3～t4时间段内逆变器处于第四工作模态，功率开关管S2、S4、S6导通，T1与输出第一滤波电感L1连接的中点“a”到第二输入电源的负极的电压为0，直流母线中点电位“0”到第二输入电源的负极的电压为Vin2＝Vin/2，因而逆变中点电压Va0＝0-Vin/2＝-1/2Vin；
在t4～t5时间段内逆变器处于第五工作模态，功率开关管S2、S4、S5导通，T1与输出第一滤波电感L1连接的中点“a”到第二输入电源的负极的电压为1/3Vin，直流母线中点电位“0”到第二输入电源的负极的电压为Vin2＝Vin/2，因而逆变中点电压Va0＝1/3Vin-Vin/2＝-1/6Vin；
在t5～t6时间段内逆变器处于第六工作模态，功率开关管S2、S4、S6导通，T1与输出第一滤波电感L1连接的中点“a”到第二输入电源的负极的电压为0，直流母线中点电位“0”到第二输入电源的负极的电压为Vin2＝Vin/2，因而逆变中点电压Va0＝0-Vin/2＝-1/2Vin。
可以看出0<D<1/3时，逆变中点电压Va0可输出包括-1/6Vin以及-1/2Vin两种电平的第一方波，从而逆变器始终存在Vout<0，因而对应工作于输出正弦波的负半周。
当第一功率开关管S1在一个开关周期内的占空比在大于1/3小于2/3的区间时，第一电平控制电路20向第一滤波电路30输出第二方波，第二方波包括两种电平，两种电平分别为-1/6倍的直流电压和1/6倍的直流电压。
具体的，当第一功率开关管S1的占空比1/3<D<2/3时，一个完整的开关周期内多电平逆变器存在六种工作模态，工作状态图如图4所示。
在t0～t1时间段内逆变器处于第一工作模态，功率开关管S1、S4、S5导通，T1与输出第一滤波电感L1连接的中点“a”到第二输入电源的负极的电压为2/3Vin，直流母线中点电位“0”到第二输入电源的负极的电压为Vin2＝Vin/2，因而逆变中点电压Va0＝2/3Vin-Vin/2＝1/6Vin；
在t1～t2时间段内逆变器处于第二工作模态，功率开关管S1、S4、S6导通，T1与输出第一滤波电感L1连接的中点“a”到第二输入电源的负极的电压为1/3Vin，直流母线中点电位“0”到第二输入电源的负极的电压为Vin2＝Vin/2，因而逆变中点电压Va0＝1/3Vin-Vin/2＝-1/6Vin；
在t2～t3时间段内逆变器处于第三工作模态，功率开关管S1、S3、S6导通，T1与输出第一滤波电感L1连接的中点“a”到第二输入电源的负极的电压为2/3Vin，直流母线中点电位“0”到第二输入电源的负极的电压为Vin2＝Vin/2，因而逆变中点电压Va0＝2/3Vin-Vin/2＝1/6Vin；
在t3～t4时间段内逆变器处于第四工作模态，功率开关管S2、S3、S6导通，T1与输出第一滤波电感L1连接的中点“a”到第二输入电源的负极的电压为1/3Vin，直流母线中点电位“0”到第二输入电源的负极的电压为Vin2＝Vin/2，因而逆变中点电压Va0＝1/3Vin-Vin/2＝-1/6Vin；
在t4～t5时间段内逆变器处于第五工作模态，功率开关管S2、S3、S5导通，T1与输出第一滤波电感L1连接的中点“a”到第二输入电源的负极的电压为2/3Vin，直流母线中点电位“0”到第二输入电源的负极的电压为Vin2＝Vin/2，因而逆变中点电压Va0＝2/3Vin-Vin/2＝1/6Vin；
在t5～t6时间段内逆变器处于第六工作模态，功率开关管S2、S4、S5导通，T1与输出第一滤波电感L1连接的中点“a”到第二输入电源的负极的电压为1/3Vin，直流母线中点电位“0”到第二输入电源的负极的电压为Vin2＝Vin/2，因而逆变中点电压Va0＝1/3Vin-Vin/2＝-1/6Vin。
可以看出1/3<D<2/3时，逆变中点电压Va0可输出包括-1/6Vin以及1/6Vin两种电平的第二方波，从而可看出D＝1/2为过零点时，1/3<D<1/2时逆变器工作于正弦波负半周、1/2<D<2/3时逆变器工作于正半周。
当第一功率开关管S1在一个开关周期内的占空比在大于2/3小于1的区间时，第一电平控制电路20向第一滤波电路30输出第三方波，第三方波包括两种电平，两种电平分别为1/6倍的直流电压或1/2倍的直流电压。
具体的，当第一功率开关管S1的占空比2/3<D<1时，一个完整的开关周期内多电平逆变器存在六种工作模态，工作状态图如图5所示。
在t0～t1时间段内逆变器处于第一工作模态，功率开关管S1、S3、S5导通，T1与输出第一滤波电感L1连接的中点“a”到直流母线中点电位“0”的电压为Vin/2，因而逆变中点电压Va0＝Vin/2；
在t1～t2时间段内逆变器处于第二工作模态，功率开关管S1、S4、S5导通，T1与输出第一滤波电感L1连接的中点“a”到第二输入电源的负极的电压为2/3Vin，直流母线中点电位“0”到第二输入电源的负极的电压为Vin2＝Vin/2，因而逆变中点电压Va0＝2/3Vin-Vin/2＝1/6Vin；
在t2～t3时间段内逆变器处于第三工作模态，功率开关管S1、S3、S5导通，T1与输出第一滤波电感L1连接的中点“a”到直流母线中点电位“0”的电压为Vin/2，因而逆变中点电压Va0＝Vin/2；
在t3～t4时间段内逆变器处于第四工作模态，功率开关管S1、S3、S6导通，T1与输出第一滤波电感L1连接的中点“a”到第二输入电源的负极的电压为2/3Vin，直流母线中点电位“0”到第二输入电源的负极的电压为Vin2＝Vin/2，因而逆变中点电压Va0＝2/3Vin-Vin/2＝1/6Vin；
在t4～t5时间段内逆变器处于第五工作模态，功率开关管S1、S3、S5导通，T1与输出第一滤波电感L1连接的中点“a”到直流母线中点电位“0”的电压为Vin/2，因而逆变中点电压Va0＝Vin/2；
在t5～t6时间段内逆变器处于第六工作模态，功率开关管S2、S3、S5导通，T1与输出第一滤波电感L1连接的中点“a”到第二输入电源的负极的电压为2/3Vin，直流母线中点电位“0”到第二输入电源的负极的电压为Vin2＝Vin/2，因而逆变中点电压Va0＝2/3Vin-Vin/2＝1/6Vin。
可以看出2/3<D<1时，逆变中点电压Va0可输出包括1/6Vin以及1/2Vin两种电平的第三方波，从而逆变器始终存在Vout>0，因而对应工作于输出正弦波的正半周。
最终，Va0可以实现-1/6Vin、-1/2Vin、1/6Vin、1/2Vin四种电平。第一滤波电路30将第一电平控制电路20输出的第一方波、第二方波以及第三方波生成的方波通过滤波后转换为正弦波输出。
实施本发明实施例，具有如下有益效果：通过驱动信号来控制功率开关管的占空比，以使逆变器在逆变中点输出具有多种电平的方波。多电平技术可以输出一个具有多种电平值组成的方波，这个方波的阶梯级数就是对应的输出电压电平数。方波的级数越多通过输出LC更容易滤成正弦波，因为从波形上看阶梯级数越多的方波就无限接近正弦波，越接近正弦波的话输出谐波就越小，所以多电平技术的方波输出可以减小输出的谐波。
图6是本发明另一实施例提供的多电平逆变器的原理图，所述多电平逆变器包括前述实施例中的第一直流电源电路10、第一电平控制电路20以及第一滤波电路30，在本实施例中，所述多电平逆变器还包括第二电平控制电路40以及第二滤波电感L2，其中：
第二电平控制电路40与第一电平控制电路20结构一致，第二电平控制电路40与第一电平控制电路20并联。
第二滤波电感L2，一端与第二电平控制电路40的输出端连接，另一端与第一滤波电路30的第一电容C1的负极连接。
工作原理与前述实施例相似，T1、T2的逆变中点电压Va10、Va20分别为-1/6Vin、-1/2Vin、1/6Vin、1/2Vin四种电平，因此Vout端输出的正弦波就具有Vin、2/3Vin、1/3Vin、0、-1/3Vin、-2/3Vin、-Vin七种电平。
实施本发明实施例，具有如下有益效果：通过驱动信号来控制功率开关管的占空比，以使逆变器在逆变中点输出具有多种电平的方波。多电平技术可以输出一个具有多种电平值组成的方波，这个方波的阶梯级数就是对应的输出电压电平数。方波的级数越多通过输出LC更容易滤成正弦波，因为从波形上看阶梯级数越多的方波就无限接近正弦波，越接近正弦波的话输出谐波就越小，所以多电平技术的方波输出可以减小输出的谐波。
图7是本发明另一实施例提供的多电平逆变器的原理图，所述多电平逆变器包括前述实施例中的第一直流电源电路10、第一电平控制电路20以及第一滤波电路30，在本实施例中，所述多电平逆变器还包括第四半桥H4，其中：
第四半桥H4与第一半桥的结构一致，第四半桥H4的输出端与第一滤波电路30的第一电容C1的负极连接。
工作原理与前述实施例相似，T1的逆变中点电压Va0为-1/6Vin、-1/2Vin、1/6Vin、1/2Vin四种电平，第四半桥H4输出的中点电压为-1/2Vin、1/2Vin两种电平，因此Vout端输出的正弦波就具有Vin、2/3Vin、1/3Vin、0、-1/3Vin、-2/3Vin、-Vin七种电平。
实施本发明实施例，具有如下有益效果：通过驱动信号来控制功率开关管的占空比，以使逆变器在逆变中点输出具有多种电平的方波。多电平技术可以输出一个具有多种电平值组成的方波，这个方波的阶梯级数就是对应的输出电压电平数。方波的级数越多通过输出LC更容易滤成正弦波，因为从波形上看阶梯级数越多的方波就无限接近正弦波，越接近正弦波的话输出谐波就越小，所以多电平技术的方波输出可以减小输出的谐波。
图8是本发明另一实施例提供的多电平逆变器的原理图，所述多电平逆变器包括前述实施例中的第一直流电源电路10、第一电平控制电路20以及第一滤波电路30，在本实施例中，所述多电平逆变器还包括第三电平控制电路、第四电平控制电路、第二滤波电路以及第三滤波电路，其中：
第三电平控制电路、第四电平控制电路与第一电平控制电路结构一致，第三电平控制电路、第四电平控制电路与第一电平控制电路20并联。
第二滤波电路、第三滤波电路与第一滤波电路30结构一致，第二滤波电路与第三电平控制电路的输出端连接，第三滤波电路与第四电平控制电路的输出端连接，第一滤波电路30输出端实现第一相输出，第二滤波电路输出端实现第二相输出，第三滤波电路输出端实现第三相输出。
工作原理与前述实施例相似，在T1、T3、T4的逆变中点电压Va10、Va30、Va40分别具有-1/6Vin、-1/2Vin、1/6Vin、1/2Vin四种电平，分别经第一滤波电路20、第二滤波电路、第三滤波电路后实现第一相、第二相、第三相同时输出正弦波。
实施本发明实施例，具有如下有益效果：通过驱动信号来控制功率开关管的占空比，以使逆变器在逆变中点输出具有多种电平的方波。多电平技术可以输出一个具有多种电平值组成的方波，这个方波的阶梯级数就是对应的输出电压电平数。方波的级数越多通过输出LC更容易滤成正弦波，因为从波形上看阶梯级数越多的方波就无限接近正弦波，越接近正弦波的话输出谐波就越小，所以多电平技术的方波输出可以减小输出的谐波。
图9是本发明另一实施例提供的多电平逆变器的原理图，所述多电平逆变器还包括第五电平控制电路50，第五电平控制电路50包括三个开关控制单元，分别为第一开关控制单元、第二开关控制单元以及第三开关控制单元，第一开关控制单元包括两个二极管以及两个功率开关管，其中第七功率开关管S27的集电极与第三二极管D27的负极连接作为所述第一开关控制单元的输入端，第七功率开关管S27的发射极与第三二极管D27的正极、第八功率开关管S28的发射极以及第四二极管D28的正极连接，第八功率开关管S28的集电极与第四二极管D28的负极连接作为第一开关控制单元的输出端，第二开关控制单元、第三开关控制单元与第一开关控制单元的结构一致，其中：
第一开关控制单元，输入端与第一直流电源电路10的第二电容C2的负极连接，输出端与第一电平电路20的第一半桥的输出端连接。
第二开关控制单元，输入端与第一直流电源电路10的第二电容C2的负极连接，输出端与第一电平电路20的第二半桥的输出端连接。
第三开关控制单元，输入端与第一直流电源电路10的第二电容C2的负极连接，输出端与第一电平电路20的第三半桥的输出端连接。
工作原理与前述实施例相似，T1的逆变中点电压Va0具有Vin、2/3Vin、1/3Vin、0、-1/3Vin、-2/3Vin、-Vin七种电平。
实施本发明实施例，具有如下有益效果：通过驱动信号来控制功率开关管的占空比，以使逆变器在逆变中点输出具有多种电平的方波。多电平技术可以输出一个具有多种电平值组成的方波，这个方波的阶梯级数就是对应的输出电压电平数。方波的级数越多通过输出LC更容易滤成正弦波，因为从波形上看阶梯级数越多的方波就无限接近正弦波，越接近正弦波的话输出谐波就越小，所以多电平技术的方波输出可以减小输出的谐波。
图10是本发明另一实施例提供的多电平逆变器的原理图，所述多电平逆变器包括前述实施例中的第一直流电源电路10、第一电平控制电路20以及第一滤波电路30，在本实施例中，所述多电平逆变器还包括第六电平控制电路，第六电平控制电路包括三个开关控制单元，分别为第四开关控制单元、第五开关控制单元以及第六开关控制单元，所述第四开关控制单元包括四个二极管和两个功率开关管，其中第五二极管D33的负极与第九功率开关管S33的集电极连接作为第四开关控制单元的第一输入端，第五二极管D33的正极与第九功率开关管S33的发射极以及第六二极管D34的负极连接作为第四开关控制单元的第一输出端，第七二极管D35的负极与第六二极管D34的正极连接作为第四开关控制单元的第二输入端，第七二极管D35的正极与第八二极管D36的负极连接作为第四开关控制单元的第二输出端，第八二极管D36的负极与第十功率开关管S36的集电极连接，第八二极管D36的正极与第十功率开关管S36的发射极连接作为第四开关控制单元的第三输入端，第五开关控制单元、第六开关控制单元与第四开关控制单元的结构一致，其中：
第一半桥的第一输入端与第四开关控制单元的第一输出端连接后通过第四开关控制单元的第一输入端接入第一输入电源的正极，第一半桥的第二输入端与第四开关控制单元的第二输出端连接后通过第四开关控制单元的第三输入端接入第二输入电源的负极。
第二半桥的第一输入端与第五开关控制单元的第一输出端连接后通过第五开关控制单元的第一输入端接入第一输入电源的正极，第二半桥的第二输入端与第五开关控制单元的第二输出端连接后通过第五开关控制单元的第三输入端接入第二输入电源的负极。
第三半桥的第一输入端与第六开关控制单元的第一输出端连接后通过第六开关控制单元的第一输入端接入第一输入电源的正极，第三半桥的第二输入端与第六开关控制单元的第二输出端连接后通过第六开关控制单元的第三输入端接入第二输入电源的负极。
第四开关控制单元的第二输入端、第五开关控制单元的第二输入端以及第六开关控制单元的第二输入端连接与第一直流电源电路10的第二电容C2的负极连接。
工作原理与前述实施例相似，T1的逆变中点电压Va0具有Vin、2/3Vin、1/3Vin、0、-1/3Vin、-2/3Vin、-Vin七种电平。
实施本发明实施例，具有如下有益效果：通过驱动信号来控制功率开关管的占空比，以使逆变器在逆变中点输出具有多种电平的方波。多电平技术可以输出一个具有多种电平值组成的方波，这个方波的阶梯级数就是对应的输出电压电平数。方波的级数越多通过输出LC更容易滤成正弦波，因为从波形上看阶梯级数越多的方波就无限接近正弦波，越接近正弦波的话输出谐波就越小，所以多电平技术的方波输出可以减小输出的谐波。
图11是本发明另一实施例提供的多电平逆变器的原理图，所述多电平逆变器包括前述实施例中的第一直流电源电路10、第一电平控制电路20以及第一滤波电路30，在本实施例中，所述多电平逆变器还包括第二直流电源电路60、第七电平控制电路70以及第三滤波电感L3，其中：
第二直流电源电路60与第一直流电源电路10结构一致。
第七电平控制电路70与第一电平控制电路结构20一致，包括第五半桥、第六半桥以及第七半桥，第五半桥、第六半桥以及第七半桥的结构与第一半桥一致，第五半桥的第一输入端、第六半桥的第一输入端以及第七半桥的第一输入端接入第二直流电源电路60的电源正极，第五半桥的第二输入端、第六半桥的第二输入端以及第七半桥的第二输入端接入第二直流电源电路60的电源负极。
第三滤波电感L3，一端与第七电平控制电路70的输出端连接，另一端与多电平逆变器的第二输入电源的正极连接。
工作原理与前述实施例相似，T1、T5的逆变中点电压Va10、Va50分别为-1/6Vin、-1/2Vin、1/6Vin、1/2Vin四种电平，因此Vout端输出的正弦波就具有Vin、2/3Vin、1/3Vin、0、-1/3Vin、-2/3Vin、-Vin七种电平。
实施本发明实施例，具有如下有益效果：通过驱动信号来控制功率开关管的占空比，以使逆变器在逆变中点输出具有多种电平的方波。多电平技术可以输出一个具有多种电平值组成的方波，这个方波的阶梯级数就是对应的输出电压电平数。方波的级数越多通过输出LC更容易滤成正弦波，因为从波形上看阶梯级数越多的方波就无限接近正弦波，越接近正弦波的话输出谐波就越小，所以多电平技术的方波输出可以减小输出的谐波。
图12是本发明另一实施例提供的多电平逆变器的原理图，所述多电平逆变器包括前述实施例中的第一直流电源电路10、第一电平控制电路20以及第一滤波电路30，在本实施例中，所述至少三个半桥还包括第八半桥H8，所述第一变压器T1还包括第四绕组P4，所述第三绕组与所述第四绕组P4反相耦合，所述第八半桥的输出端与所述第一变压器T1的第四绕组P4的同名端连接，所述第一变压器T1的第一绕组的异名端、所述第二绕组的异名端、所述第三绕组的异名端以及所述第四绕组P4的异名端连接作为所述第一电平控制电路的输出端。
实际上，多电平逆变器可扩展至五端开关网络中，使用五端开关网络的五电平半桥逆变器如图12所示，同时可扩展至N端开关网络，重新构建新的多电平拓扑族，工作原理与前述实施例相似，这里不再详细分析。
实施本发明实施例，具有如下有益效果：通过驱动信号来控制功率开关管的占空比，以使逆变器在逆变中点输出具有多种电平的方波。多电平技术可以输出一个具有多种电平值组成的方波，这个方波的阶梯级数就是对应的输出电压电平数。方波的级数越多通过输出LC更容易滤成正弦波，因为从波形上看阶梯级数越多的方波就无限接近正弦波，越接近正弦波的话输出谐波就越小，所以多电平技术的方波输出可以减小输出的谐波。
以上所揭露的仅为本发明较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (2)

1.一种多电平逆变器，其特征在于，所述逆变器包括第一直流电源电路，第一电平控制电路以及第一滤波电路，其中：
所述第一电平控制电路与所述第一直流电源电路连接，包括至少三个半桥以及第一变压器，所述第一变压器包括至少三个绕组，所述第一变压器的绕组数量与所述至少三个半桥数量对应一致，所述第一变压器的相邻两个绕组之间反相耦合，所述至少三个半桥包括第一半桥，所述第一半桥包括两个功率开关管和两个二极管，其中第一功率开关管的集电极与第一二极管的负极连接作为第一输入端接入所述第一直流电源电路的电源正极，第二功率开关管的发射极与第二二极管的正极连接作为第二输入端接入所述第一直流电源电路的电源负极，所述第一功率开关管的发射极与所述第一二极管的正极、所述第二功率开关管的集电极以及所述第二二极管的负极连接作为所述第一半桥的输出端，所述至少三个半桥与所述第一半桥的结构一致，所述至少三个半桥的输出端分别与所述第一变压器的至少三个绕组的同名端对应连接，所述第一变压器的至少三个绕组的异名端连接作为所述第一电平控制电路的输出端，所述第一电平控制电路用于将所述第一直流电源电路提供的直流电压转换成具有多种电平的方波，并由所述第一电平控制电路的输出端向所述第一滤波电路输出所述具有多种电平的方波；
所述至少三个半桥包括第一半桥、第二半桥、第三半桥，所述第一变压器包括第一绕组、第二绕组和第三绕组，所述第一绕组与所述第二绕组反相耦合，所述第二绕组与所述第三绕组反相耦合，所述第一半桥的输出端与所述第一变压器的第一绕组的同名端连接，所述第二半桥的输出端与所述第一变压器的第二绕组的同名端连接，所述第三半桥的输出端与所述第一变压器的第三绕组的同名端连接，所述第一变压器的第一绕组的异名端与所述第一变压器的第二绕组的异名端以及所述第一变压器的第三绕组的异名端连接作为所述第一电平控制电路的输出端；
所述第一电平控制电路的三个半桥包括六个功率开关管，分别为第一功率开关管、第二功率开关管、第三功率开关管、第四功率开关管、第五功率开关管、第六功率开关管，所述六个功率开关管分别由六个驱动信号驱动，所述第一功率开关管由第一驱动信号、所述第二功率开关管由第二驱动信号、所述第三功率开关管由第三驱动信号、所述第四功率开关管由第四驱动信号、所述第五功率开关管由第五驱动信号、所述第六功率开关管由第六驱动信号，其中：
所述第一驱动信号与所述第二驱动信号由正弦波的正、负半周分别与第一三角载波调制而成，所述第三驱动信号和所述第四驱动信号由所述正弦波的正、负半周分别与第二三角载波调制而成，所述第五驱动信号和所述第六驱动信号由所述正弦波的正、负半周分别与第三三角载波调制而成；
所述第二三角载波与所述第一三角载波的相位相差120度，所述第三三角载波与所述第一三角载波的相位相差240度；
当所述第一功率开关管在一个开关周期内的占空比在大于0小于1/3的区间时，所述第一电平控制电路向所述第一滤波电路输出第一方波，所述第一方波包括两种电平，所述两种电平分别为-1/6倍的所述直流电压和-1/2倍的所述直流电压；
当所述第一功率开关管在一个开关周期内的占空比在大于1/3小于2/3的区间时，所述第一电平控制电路向所述第一滤波电路输出第二方波，所述第二方波包括两种电平，所述两种电平分别为-1/6倍的所述直流电压和1/6倍的所述直流电压；
当所述第一功率开关管在一个开关周期内的占空比在大于2/3小于1的区间时，所述第一电平控制电路向所述第一滤波电路输出第三方波，所述第三方波包括两种电平，所述两种电平分别为1/6倍的所述直流电压或1/2倍的所述直流电压；
所述第一滤波电路将所述第一电平控制电路输出的所述第一方波、所述第二方波以及所述第三方波生成的方波通过滤波后转换为正弦波输出；
所述第一滤波电路与所述第一电平控制电路连接，用于将所述第一电平控制电路输出的多种电平的方波滤波成正弦波输出；
所述第一直流电源电路包括第一输入电源、第二输入电源、第二电容以及第三电容，其中：
所述第一输入电源，正极与所述第二电容的正极连接，负极与所述第二电容的负极连接并接地；
所述第二输入电源，正极与所述第三电容的正极连接并接地，负极与所述第三电容的负极连接；
所述多电平逆变器还包括第二直流电源电路、第七电平控制电路以及第三滤波电感，其中：
所述第二直流电源电路与所述第一直流电源电路结构一致；
所述第七电平控制电路与所述第一电平控制电路结构一致，包括第五半桥、第六半桥以及第七半桥，所述第五半桥、所述第六半桥以及所述第七半桥的结构与所述第一半桥一致，所述第五半桥的第一输入端、所述第六半桥的第一输入端以及所述第七半桥的第一输入端接入所述第二直流电源电路的电源正极，所述第五半桥的第二输入端、所述第六半桥的第二输入端以及所述第七半桥的第二输入端接入所述第二直流电源电路的电源负极；
所述第三滤波电感，一端与所述第七电平控制电路的输出端连接，另一端与所述多电平逆变器的所述第二输入电源的正极连接。
2.如权利要求1所述的多电平逆变器，其特征在于，所述第一滤波电路包括第一滤波电感、第一电容以及第一负载，其中：
所述第一滤波电感，一端与所述第一电平控制电路的输出端连接，另一端与所述第一电容的正极连接；
所述第一电容，正极与所述第一负载的一端连接作为输出端，负极与所述第一负载的另一端连接并接地。
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