CN106329974A - 五电平变换装置 - Google Patents

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Abstract

一种五电平变换装置包括交流端，具有正极端、负极端和中点的母线电容模块，第一开关模块与第二开关模块，第一开关模块包括双向开关电路，双向开关电路包括两个第一开关单元反向串联连接，第二开关模块包括两个第二开关单元、两个第三开关单元、两个第四开关单元与两个第五开关单元，其中两个第二开关单元级联而且与两个第四开关单元并联连接，第三开关单元、第四开关单元与第五开关单元级联而且与母线电容模块并联连接。第一开关模块的两不同接点分别通过两个飞跨电容器组连接到第二开关模块中的第三开关单元与第五开关单元。本发明采用非对对称式电路架构，在电路设计上更灵活、更有弹性。

Description

五电平变换装置
技术领域
本发明是有关于一种多电平变换装置，且特别是有关于一种五电平变换装置。
背景技术
在大功率应用场合，相比于低压系统，中、高压系统的电流等级更低，具有更高的效率和更好的经济性。因而中、高压系统是大功率变换领域的最佳选择。
对于中、高压系统，现有的功率器件耐压等级以及较大的电压跳变幅度，是其两个主要问题，因而多电平技术在此受到更多的关注和应用。
发明内容
本发明提出一种结构简单的五电平变换装置拓扑，具有非常好的应用价值。
本发明所提出的五电平变换装置包括交流端、母线电容模块、第一开关模块、第二开关模块、两个飞跨电容器组。母线电容模块具有正极端、负极端与中点。第一开关模块包括一双向开关电路，其中双向开关电路包括两个第一开关单元反向串联连接，两个第一开关单元中的一者的一端连接母线电容模块的中点。第二开关模块包括两个第二开关单元、两个第三开关单元、两个第四开关单元与两个第五开关单元，其中两个第二开关单元级联，两个第三开关单元、两个第四开关单元与两个第五开关单元级联而且与母线电容模块并联连接，其中两个第三开关单元与母线电容模块的正极端相连，两个第五开关单元与母线电容模块的负极端相连，两个第四开关单元与两个第二开关单元并联连接，其中两个第四开关单元之间的一连接点连接交流端，两个第二开关单元之间的一连接点连接两个第一开关单元中的另一者的一端。两个飞跨电容器组跨接在第一开关模块与第二开关模块之间，其中两个第一开关单元之间的一连接点与两个第一开关单元中的另一者的该端分别通过两个飞跨电容器组连接到两个第三开关单元之间的一连接点与两个第五开关单元之间的一连接点。
于一实施例中，两个第三开关单元中的一者连接正极端，而两个第三开关单元中的另一者连接两个第四开关单元中的一者；两个第五开关单元中的一者连接两个第四开关单元中的另一者，而两个第五开关单元中的另一者连接负极端。
于一实施例中，两个飞跨电容器组为一第一飞跨电容器组与一第二飞跨电容器组，第一飞跨电容器组的一端连接两个第一开关单元之间的连接点，第二飞跨电容器组的一端连接两个第一开关单元中的另一者的该端。
于一实施例中，第一飞跨电容器组的另一端连接两个第三开关单元之间的连接点；第二飞跨电容器组的另一端连接两个第五开关单元之间的连接点。
于一实施例中，两个飞跨电容器组为一第一飞跨电容器组与一第二飞跨电容器组，第一飞跨电容器组的一端连接两个第一开关单元中的另一者的该端，第二飞跨电容器组的一端连接两个第一开关单元之间的连接点。
于一实施例中，第一飞跨电容器组的另一端连接两个第三开关单元之间的连接点；第二飞跨电容器组的另一端连接两个第五开关单元之间的连接点。
于一实施例中，每一第一开关单元包括至少一功率半导体开关，功率半导体开关为绝缘栅双极型晶体管、门极可关断晶闸管或集成门极换流晶闸管。
于一实施例中，每一第二开关单元包括至少一功率半导体开关，功率半导体开关为二极管。
于一实施例中，每一第四开关单元包括至少一功率半导体开关，功率半导体开关为绝缘栅双极型晶体管、门极可关断晶闸管或集成门极换流晶闸管。
于一实施例中，每一第三、第五开关单元包括至少一功率半导体开关，功率半导体开关为绝缘栅双极型晶体管、门极可关断晶闸管或集成门极换流晶闸管。
于一实施例中，每一第三、第五开关单元包括至少一功率半导体开关，功率半导体开关为二极管。
于一实施例中，每一第二开关单元包括至少一功率半导体开关，功率半导体开关为绝缘栅双极型晶体管、门极可关断晶闸管或集成门极换流晶闸管。
于一实施例中，每一第四开关单元包括至少一功率半导体开关，功率半导体开关为二极管。
于一实施例中，每一第三、第五开关单元包括至少一功率半导体开关，功率半导体开关为二极管。
于一实施例中，母线电容模块包括第一母线电容器组与第二母线电容器组。第一母线电容器组的两端分别连接正极端与中点，第二母线电容器组的两端分别连接中点与负极端。
于一实施例中，每一飞跨电容器组包括至少一电容器。
综上所述，本发明的技术方案与现有技术相比具有明显的优点和有益效果。本发明采用非对称式电路架构(两飞跨电容器组的连接方式不同)，在电路设计上更灵活、更有弹性，且由于开关单元数目少，驱动更为简单。相比于三电平变换技术，五电平变换技术具有更好的电气性能。
以下将以实施方式对上述的说明作详细的描述，并对本发明的技术方案提供更进一步的解释。
附图说明
为让本发明的上述和其他目的、特征、优点与实施例能更明显易懂，所附附图的说明如下：
图1是依照本发明第一实施例的一种五电平变换装置的电路图；
图2是依照本发明第二实施例的一种五电平整流器的电路图；
图3是依照本发明第三实施例的一种五电平整流器的电路图；
图4是依照本发明第四实施例的一种五电平变换器的电路图；
图5是依照本发明第五实施例的一种五电平整流器的电路图；
图6是依照本发明第六实施例的一种五电平整流器的电路图；以及
图7是依照本发明各实施例的一种电平波形图。
为让本发明的上述和其他目的、特征、优点与实施例能更明显易懂，所附符号的说明如下：
100、400：五电平变换器
200、300、500、600：五电平整流器
110、210、310、410、510、610：第一开关模块
111、211、311、411、511、611：双向开关电路
112、113、212、213、312、313、412、413、512、513、612、613：第一开关单元
120、220、320、420、520、620：第二开关模块
121、122、221、222、321、322、421、422、521、522、621、622：第二开关单元
123、124、223、224、323、324、423、424、523、524、623、624：第三开关单元
125、126、225、226、325、326、425、426、525、526、625、626：第四开关单元
127、128、227、228、327、328、427、428、527、528、627、628：第五开关单元
140、240、340、440、540、640：母线电容模块
141、241、341、441、541、641：正极端
142、242、342、442、542、642：负极端
143、243、343、443、543、643：中点
C1：第一飞跨电容器组
C2：第二飞跨电容器组
C3：第一母线电容器组
C4：第二母线电容器组
D1～D8：功率半导体开关
S1～S10：功率半导体开关
VO：交流端
具体实施方式
为了使本发明的叙述更加详尽与完备，可参照所附的附图及以下所述各种实施例，附图中相同的号码代表相同或相似的元件。另一方面，众所周知的元件与步骤并未描述于实施例中，以避免对本发明造成不必要的限制。
本文中所使用的“约”、“大约”或“大致”是用以修饰任何可些微变化的数量，但这种些微变化并不会改变其本质。于实施方式中若无特别说明，则代表以“约”、“大约”或“大致”所修饰的数值的误差范围一般是容许在百分之二十以内，较佳地是于百分之十以内，而更佳地则是于百分之五以内。
本发明的技术态样是一种五电平变换装置，如图2、图3、图5、图6所示，五电平变换装置可以被具体实现成交流-直流变换器(rectifier，或者也称作整流器或者整流装置)，以将单相、三相或者多相的交流电压转换成直流电压。另外，如图1、图4所示，五电平变换装置可以被具体实现成交流-直流变换器，或直流-交流变换器(可以作为整流器/整流装置，或者也可以作为逆变器/逆变装置)，可以将直流电压转换成单相、三相或者多相的交流电压，也可以将单相、三相或者多相的交流电压转换成直流电压，从而可以用来给相应地负载提供电能。以下将搭配图1～7来说明本发明的具体实施方式。
图1是依照本发明第一实施例的一种五电平变换器100的电路图(以单相为例)。如图1所示，五电平变换器100包括交流端VO、第一开关模块110、第二开关模块120、第一飞跨电容器组C1、第二飞跨电容器组C2与母线电容模块140。
于图1中，母线电容模块140具有正极端141、负极端142与中点143。第一开关模块110包括双向开关电路111，其中双向开关电路111包括两个第一开关单元112、113反向串联连接，第一开关单元113的一端连接母线电容模块140的中点143。其中第一开关单元112和113包括一个功率半导体开关，或者多个功率半导体开关，该些功率半导体开关串联连接。第二开关模块120包括第二开关单元121、122、第三开关单元123、124、第四开关单元125、126与第五开关单元127、128，其中第二开关单元121、122级联，第三、第四、第五开关单元123～128级联而且与母线电容模块140并联连接，其中第三开关单元123连接于母线电容模块140的正极端141，第三开关单元124串联连接于第三开关单元123，第四开关单元125串联连接于第三开关单元124，第四开关单元126串联连接于第四开关单元125，第五开关单元127串联连接于第四开关单元126，第五开关单元128串联连接于第五开关单元127，第五开关单元128连接于母线电容模块140的负极端142，第四开关单元125、126与两个第二开关单元121、122并联连接，其中第二开关单元121连接于第三开关单元124和第四开关单元125的连接点，第二开关单元122连接于第四开关单元126和第五开关单元127的连接点，且第四开关单元125、126之间的连接点连接交流端VO，第二开关单元121、122之间的连接点连接第一开关单元112的一端。第一、第二飞跨电容器组C1、C2跨接在第一开关模块110与第二开关模块120之间，其中第一开关单元112的两端分别通过飞跨电容器组C1、C2连接到第三开关单元123、124之间的连接点与第五开关单元127、128之间的连接点。飞跨电容器组C1和C2的每一者均可以包括至少一个电容器，当至少一电容器数量为多个时，该些电容器可以串联连接而成，也可以并联连接而成，还可以是串并联连接而成。
具体而言，第一飞跨电容器组C1的一端连接第一开关单元112、113之间的连接点(即，图1中第一开关单元112的左端)；第二飞跨电容器组C2的一端连接第一开关单元112和第二开关单元121、122之间的连接点(即，图1中第一开关单元112的右端)，前述飞跨电容器组C1、C2之间有第一开关单元112间隔而未直接相连在一起。第一飞跨电容器组C1的另一端连接第三开关单元123、124之间的连接点；第二飞跨电容器组C2的另一端连接两个第五开关单元127、128之间的连接点。
于图1中，第一开关单元112、113分别包括功率半导体开关S9、S10，第二开关单元121、122分别包括功率半导体开关D1、D2。功率半导体开关S9的发射极连接功率半导体开关D1的阳极与功率半导体开关D2的阴极，功率半导体开关S9的集电极连接功率半导体开关S10的集电极，功率半导体开关S10的发射极连接母线电容模块140的中点143。功率半导体开关S9、S10中每一者均具有内接二极管，内接二极管与功率半导体开关本身反并联；举例而言，功率半导体开关S9的内接二极管的阳极连接功率半导体开关S9的发射极，功率半导体开关S9的内接二极管的阴极连接功率半导体开关S9的集电极。于本实施例中，第一开关单元112、113的每一者包括至少一功率半导体开关，该至少一功率半导体开关为绝缘栅双极型晶体管、门极可关断晶闸管或集成门极换流晶闸管等全控型功率半导体器件。第二开关单元121、122的每一者包括至少一功率半导体开关，该至少一功率半导体开关为二极管。当至少一功率半导体开关的数量为多个时，该些功率半导体开关可以串联连接，该些功率半导体开关可以并联连接。
第三开关单元123包括单一功率半导体开关S1以连接正极端141，而第三开关单元124包括两个串接的功率半导体开关S2、S3以连接第四开关单元125中的功率半导体开关S4，其中功率半导体开关S1、S2、S3、S4的电气特性大致相同。具体而言，功率半导体开关S1的集电极连接母线电容模块140的正极端141，功率半导体开关S1的发射极连接功率半导体开关S2的集电极，功率半导体开关S2的发射极连接功率半导体开关S3的集电极，功率半导体开关S3的发射极连接功率半导体开关S4的集电极与功率半导体开关D1的阴极，功率半导体开关S4的发射极连接交流端VO。功率半导体开关S1、S2、S3、S4中每一者均具有内接二极管，内接二极管与功率半导体开关本身反并联。于本实施例中，第三开关单元123、124和第四开关单元125、126中的每一者包括至少一功率半导体开关，该至少一功率半导体开关为绝缘栅双极型晶体管、门极可关断晶闸管或集成门极换流晶闸管等全控型功率半导体器件。当至少一功率半导体开关的数量为多个时，该些功率半导体开关可以串联连接，该些功率半导体开关可以并联连接。
第五开关单元127包括单一功率半导体开关S6以连接第四开关单元126中的功率半导体开关S5，第五开关单元128包括两个串接的功率半导体开关S7、S8以连接母线电容模块140的负极端143，其中功率半导体开关S5、S6、S7、S8的电气特性大致相同。具体而言，功率半导体开关S5的集电极连接交流端VO，功率半导体开关S5的发射极连接功率半导体开关S6的集电极与功率半导体开关D2的阳极，功率半导体开关S6的发射极连接功率半导体开关S7的集电极，功率半导体开关S7的发射极连接功率半导体开关S8的集电极，功率半导体开关S8的发射极连接母线电容模块140的负极端142。功率半导体开关S5、S6、S7、S8中每一者均具有内接二极管，内接二极管与功率半导体开关本身反并联。于本实施例中，第五开关单元127、128中的每一者包括至少一功率半导体开关，该至少一功率半导体开关为绝缘栅双极型晶体管、门极可关断晶闸管或集成门极换流晶闸管等全控型功率半导体器件。当至少一功率半导体开关的数量为多个时，该些功率半导体开关可以串联连接，该些功率半导体开关可以并联连接。
应了解到，图1绘示的各个开关单元中功率半导体开关的数量仅为例示，但此并不限定本发明，本领域技术人员应视当时需要弹性选择功率半导体开关的数量及相应的电气特性。举例而言，两个串接的功率半导体开关S2、S3可整合成单一个功率半导体开关，其电气特性与两个功率半导体开关S2、S3加总的电气特性大致相同；两个串接的功率半导体开关S7、S8亦可整合成单一个功率半导体开关，其电气特性与两个功率半导体开关S7、S8加总的电气特性大致相同。
于图1中，举例而言，功率半导体开关D1、D2可为二极管，功率半导体开关S1～S10可为绝缘栅双极型晶体管、门极可关断晶闸管、集成门极换流晶闸管或其他开关器件，本领域技术人员当视实际需要弹性选择之。
母线电容模块140包括第一母线电容器组C3与第二母线电容器组C4。第一母线电容器组C3的一端连接正极端141，第一母线电容器组C3的另一端连接中点143；第二母线电容器组C4的一端连接中点143，第二母线电容器组C4的另一端连接负极端142。其中，第一母线电容器组C3和第二母线电容器组C4每一者包括至少一电容，当该至少一电容为多个时，该些电容可以串联连接、并联连接或者串并联连接。
在运作时，第一母线电容器组C3与第二母线电容器组C4可接收直流输入电压，并通过脉宽调制信号(Pulse With Modulation,PWM)分别控制功率半导体开关S1～S10的启闭，使五电平变换器100得以进行逆变的功能，使得五电平变换器100的交流端VO输出交流电压。于其他实施方式中，可以通过脉冲频率调制信号(Pulse Frequency Modulation,PFM)或脉冲幅度调制信号(Pulse Amplitude Modulation,PAM)等调制技术分别控制功率半导体开关S1～S10的启闭，使五电平变换器100得以运作。
在运作时，五电平变换器100的交流端VO接收交流输入电压，并通过脉宽调制信号(Pulse With Modulation,PWM)分别控制功率半导体开关S1～S10的启闭，使五电平变换器100得以进行整流的功能，使得第一母线电容器组C3与第二母线电容器组C4输出直流电压。
为了对五电平变换器100的工作原理做更进一步描述，请参照下表一，各功率半导体开关在工作过程中承受电压V/2，其各交流端VO电平所对应的开关状态如表一所示，表一里「ON」代表开通，「OFF」代表关断，交流端VO相对于中点的电压可调整为V、V/2、0、-V、-V/2(即，五电平)。另外，关于五电平变换器交流端VO的电平波形，如图7所示。
﹤表一﹥
表一示意了五电平变换器100的一种操作方式。需要特别说明的是，五电平变换器100有很多种操作方式，表一仅示意性示出了其中一种。关于五电平变换器100的各种运用方式为本技术领域中普通技术人员可推知的技术，且非本发明所欲保护范围，于此不再详述之。
图2是依照本发明第二实施例的一种五电平整流器200的电路图(以单相为例)。在架构上，五电平整流器200与五电平变换器100类似，两者差异在于将图1的S1～S8替换为图2的D1～D8，并将图1的D1、D2替换为图2的S1、S2。如图2所示，五电平整流器200包括交流端VO、第一开关模块210、第二开关模块220、第三开关模块230、第一飞跨电容器组C1、第二飞跨电容器组C2与母线电容模块240。
于图2中，母线电容模块240具有正极性端极端241、负极性端极端242与中性点中点243。第一开关模块210包括双向开关电路211，其中双向开关电路211包括两个第一开关单元212、213反向串联连接，第一开关单元213的一端连接母线电容模块240的中性点中点243。第二开关模块220包括第二开关单元221、222、第三开关单元223、224、第四开关单元225、226与第五开关单元227、228，其中第二开关单元221、222级联，第三、第四、第五开关单元223～228级联而且与母线电容模块240并联连接，其中第三开关单元223与母线电容模块240的正极性端极端241相连，第五开关单元228与母线电容模块240的负极性端极端242相连，第四开关单元225、226与两个第二开关单元221、222并联连接，亦即，第二开关单元221连接于第四开关单元225和第三开关单元224；第二开关单元222连接于第四开关单元226和第五开关单元227，且第二开关单元221串联连接于第二开关单元222，其中第四开关单元225、226之间的连接点连接交流端VO，第二开关单元221、222之间的连接点连接第一开关单元212的一端。第一、第二飞跨电容器组C1、C2跨接在第一开关模块210与第二开关模块220之间，其中第一开关单元212的两端分别通过飞跨电容器组C1、C2连接到第三开关单元223、224之间的连接点与第五开关单元227、228之间的连接点。
具体而言，第一飞跨电容器组C1的一端连接第一开关单元212、213之间的连接点(即，图2中第一开关单元212的左端)；第二飞跨电容器组C2的一端连接第一开关单元212和第二开关单元221、222之间的连接点(即，图2中第一开关单元212的右端)，前述飞跨电容器组C1、C2之间有第一开关单元212间隔而未直接相连在一起。第一飞跨电容器组C1的另一端连接第三开关单元223、224之间的连接点；第二飞跨电容器组C2的另一端连接两个第五开关单元227、228之间的连接点。
于图2中，第一开关单元212、213分别包括功率半导体开关S3、S4，第二开关单元221、222分别包括功率半导体开关S1、S2。功率半导体开关S3的发射极连接功率半导体开关S1的发射极与功率半导体开关S2的集电极，功率半导体开关S3的集电极连接功率半导体开关S4的集电极，功率半导体开关S4的发射极连接中点243。功率半导体开关S1～S4中每一者均具有内接二极管，内接二极管与功率半导体开关本身反并联；举例而言，功率半导体开关S3的内接二极管的阳极连接功率半导体开关S3的发射极，功率半导体开关S3的内接二极管的阴极连接功率半导体开关S3的集电极。
第三开关单元223包括单一功率半导体开关D1以连接正极端241，而第三开关单元224包括两个串接的功率半导体开关D2、D3以连接第四开关单元225中的功率半导体开关D4，其中功率半导体开关D1、D2、D3、D4的电气特性大致相同。具体而言，功率半导体开关D1的阴极连接正极端241，功率半导体开关D1的阳极连接功率半导体开关D2的阴极，功率半导体开关D2的阳极连接功率半导体开关D3的阴极，功率半导体开关D3的阳极连接功率半导体开关D4的阴极与功率半导体开关S1的集电极，功率半导体开关D4的阳极连接交流端VO。
第五开关单元227包括单一功率半导体开关D6以连接第四开关单元226中的功率半导体开关D5，第五开关单元228包括两个串接的功率半导体开关D7、D8以连接负极端242，其中功率半导体开关D5、D6、D7、D8的电气特性大致相同。具体而言，功率半导体开关D5的阴极连接交流端VO，功率半导体开关D5的阳极连接功率半导体开关D6的阴极与功率半导体开关S2的发射极，功率半导体开关D6的阳极连接功率半导体开关D7的阴极，功率半导体开关D7的阳极连接功率半导体开关S8的阴极，功率半导体开关D8的阳极连接负极端242。
于本实施例中，第三、四、五开关单元中的每一者包括至少一功率半导体开关，该至少一功率半导体开关为二极管。当至少一功率半导体开关的数量为多个时，该些功率半导体开关可以串联连接，也可以并联连接。第二开关单元包括至少一功率半导体开关，该至少一功率半导体开关为绝缘栅双极型晶体管、门极可关断晶闸管或集成门极换流晶闸管等全控型功率半导体器件。当至少一功率半导体开关的数量为多个时，该些功率半导体开关可以串联连接，也可以并联连接。
应了解到，图2绘示的各个开关单元中功率半导体开关的数量仅为例示，但此并不限定本发明，本领域技术人员应视当时需要弹性选择功率半导体开关的数量及相应的电气特性。举例而言，两个串接的功率半导体开关D2、D3可整合成单一个功率半导体开关，其电气特性与两个功率半导体开关D2、D3加总的电气特性大致相同；两个串接的功率半导体开关D7、D8亦可整合成单一个功率半导体开关，其电气特性与两个功率半导体开关D7、D8加总的电气特性大致相同。
于图2中，举例而言，功率半导体开关D1～D8可为二极管，功率半导体开关S1～S4可为绝缘栅双极型晶体管、门极可关断晶闸管、集成门极换流晶闸管或其他开关器件，本领域技术人员当视实际需要弹性选择之。
母线电容模块240包括第一母线电容器组C3与第二母线电容器组C4。第一母线电容器组C3的一端连接正极端241，第一母线电容器组C3的另一端连接中点243；第二母线电容器组C4的一端连接中点243，第二母线电容器组C4的另一端连接负极端242。
在运作时，五电平整流器200的交流端VO接收交流输入电压，并通过脉宽调制信号分别控制功率半导体开关S1～S4的启闭，使五电平整流器200得以进行整流的功能，使得第一母线电容器组C3与第二母线电容器组C4输出直流电压。于其他实施方式中，可以通过脉冲频率调制信号或脉冲幅度调制信号等调制技术分别控制功率半导体开关S1～S4的启闭，使五电平整流器200得以运作。
为了对五电平整流器200的工作原理做更进一步描述，请参照下表二，各功率半导体开关在工作过程中承受电压V/2，其各交流端VO电平所对应的开关状态如表二所示，表二里「ON」代表开通，「OFF」代表关断，输出端VO相对于中点的电压可调整为V、V/2、0、-V、-V/2(即，五电平)。另外，关于五电平变换器交流端VO的电平波形，如图7所示。
﹤表二﹥
状态1 状态2 状态3 状态4 状态5 状态6 状态7 状态8
D1 ON OFF ON OFF OFF OFF OFF OFF
D2 ON ON OFF OFF OFF OFF OFF OFF
D3 ON ON OFF OFF OFF OFF OFF OFF
D4 ON ON ON ON OFF OFF OFF OFF
D5 OFF OFF OFF OFF ON ON ON ON
D6 OFF OFF OFF OFF OFF OFF ON ON
D7 OFF OFF OFF OFF OFF ON OFF ON
D8 OFF OFF OFF OFF OFF ON OFF ON
S1 OFF OFF ON ON ON OFF OFF OFF
S2 OFF OFF OFF ON ON ON OFF OFF
S3 ON ON ON ON ON OFF ON OFF
S4 OFF ON OFF ON ON OFF ON ON
VO V V/2 V/2 0 0 -V/2 -V/2 -V
表二示意了五电平整流器200的一种操作方式。需要特别说明的是，五电平整流器200有很多种操作方式，表二仅示意性示出了其中一种。关于五电平整流器200的各种运用方式为本技术领域中普通技术人员可推知的技术，且非本发明所欲保护范围，于此不再详述之。
图3是依照本发明第三实施例的一种五电平整流器300的电路图(以单相为例)。在架构上，五电平整流器300与五电平整流器200类似，两者差异在于将功率半导体开关S1、S2与功率半导体开关D1、D2的位置互调。如图3所示，五电平整流器300包括交流端VO、第一开关模块310、第二开关模块320、第三开关模块330、第一飞跨电容器组C1、第二飞跨电容器组C2与母线电容模块340。
于图3中，母线电容模块340具有正极端341、负极端342与中点343。第一开关模块310包括双向开关电路311，其中双向开关电路311包括两个第一开关单元312、313反向串联连接，第一开关单元313的一端连接母线电容模块340的中点343。第二开关模块320包括第二开关单元321、322、第三开关单元323、324、第四开关单元325、326与第五开关单元327、328，其中第二开关单元321、322级联，第三、第四、第五开关单元323～328级联而且与母线电容模块340并联连接，其中第三开关单元323与母线电容模块340的正极端341相连，第五开关单元328与母线电容模块340的负极端342相连，第四开关单元325、326与两个第二开关单元321、322并联连接，其中第四开关单元325、326之间的连接点连接交流端VO，第二开关单元321、322之间的连接点连接第一开关单元312的一端。第一、第二飞跨电容器组C1、C2跨接在第一开关模块310与第二开关模块320之间，其中第一开关单元312的两端分别通过飞跨电容器组C1、C2连接到第三开关单元323、324之间的连接点与第五开关单元327、328之间的连接点。
具体而言，第一飞跨电容器组C1的一端连接第一开关单元312、313之间的连接点(即，图3中第一开关单元312的左端)；第二飞跨电容器组C2的一端连接第一开关单元312和第二开关单元321、322之间的连接点，前述飞跨电容器组C1、C2之间有第一开关单元312间隔而未直接相连在一起。第一飞跨电容器组C1的另一端连接第三开关单元323、324之间的连接点；第二飞跨电容器组C2的另一端连接两个第五开关单元327、328之间的连接点。
于图3中，第一开关单元312、313分别包括功率半导体开关S3、S4，第二开关单元321、322分别包括功率半导体开关D4、D5。功率半导体开关S3的发射极连接功率半导体开关D4的阳极与功率半导体开关D5的阴极，功率半导体开关S3的集电极连接功率半导体开关S4的集电极，功率半导体开关S4的发射极连接中点343。功率半导体开关S3、S4中每一者均具有内接二极管，内接二极管与功率半导体开关本身反并联；举例而言，功率半导体开关S3的内接二极管的阳极连接功率半导体开关S3的发射极，功率半导体开关S3的内接二极管的阴极连接功率半导体开关S3的集电极。
第三开关单元323包括单一功率半导体开关D1以连接正极端341，而第三开关单元324包括两个串接的功率半导体开关D2、D3以连接第四开关单元325中的功率半导体开关S1。具体而言，功率半导体开关D1的阴极连接正极端341，功率半导体开关D1的阳极连接功率半导体开关D2的阴极，功率半导体开关D2的阳极连接功率半导体开关D3的阴极，功率半导体开关D3的阳极连接功率半导体开关D4的阴极与功率半导体开关S1的集电极，功率半导体开关S1的发射极连接交流端VO。
第五开关单元327包括单一功率半导体开关D6以连接第四开关单元326中的功率半导体开关S2，第五开关单元328包括两个串接的功率半导体开关D7、D8以连接负极端343。具体而言，功率半导体开关S2的集电极连接交流端VO，功率半导体开关S2的发射极连接功率半导体开关D6的阴极和功率半导体开关D5的阳极，功率半导体开关D6的阳极连接功率半导体开关S7的阴极，功率半导体开关D7的阳极连接功率半导体开关D8的阴极，功率半导体开关D8的阳极连接负极端342。
于本实施例中，第二、三、五开关单元中的每一者包括至少一功率半导体开关，该至少一功率半导体开关为二极管，当至少一功率半导体开关的数量为多个时，该些功率半导体开关可以串联连接，该些功率半导体开关可以并联连接。第四开关单元包括至少一功率半导体开关，该至少一功率半导体开关为绝缘栅双极型晶体管、门极可关断晶闸管或集成门极换流晶闸管等全控型功率半导体器件。当至少一功率半导体开关的数量为多个时，该些功率半导体开关可以串联连接，该些功率半导体开关可以并联连接。
应了解到，图3绘示的各个开关单元中功率半导体开关的数量仅为例示，但此并不限定本发明，本领域技术人员应视当时需要弹性选择功率半导体开关的数量及相应的电气特性。举例而言，两个串接的功率半导体开关D2、D3可整合成单一个功率半导体开关，其电气特性与两个功率半导体开关D2、D3加总的电气特性大致相同；两个串接的功率半导体开关D7、D8亦可整合成单一个功率半导体开关，其电气特性与两个功率半导体开关D7、D8加总的电气特性大致相同。
于图3中，举例而言，功率半导体开关D1～D8可为二极管，功率半导体开关S1～S4可为绝缘栅双极型晶体管、门极可关断晶闸管、集成门极换流晶闸管或其他开关器件，本领域技术人员当视实际需要弹性选择的。
母线电容模块340包括第一母线电容器组C3与第二母线电容器组C4。第一母线电容器组C3的一端连接正极端341，第一母线电容器组C3的另一端连接中点343；第二母线电容器组C4的一端连接中点343，第二母线电容器组C4的另一端连接负极端342。
在运作时，五电平整流器300的交流端VO接收交流输入电压，并通过脉宽调制信号分别控制功率半导体开关S1～S4的启闭，使五电平整流器300得以进行整流的功能，使得第一母线电容器组C3与第二母线电容器组C4输出直流电压。于其他实施方式中，可以通过脉冲频率调制信号或脉冲幅度调制信号等调制技术分别控制功率半导体开关S1～S4的启闭，使五电平整流器300得以运作。
为了对五电平整流器300的工作原理做更进一步描述，请参照下表三，各功率半导体开关在工作过程中承受电压V/2，其各交流端VO电平所对应的开关状态如表三所示，表三里「ON」代表开通，「OFF」代表关断，输出端VO相对于中点的电压可调整为V、V/2、0、-V、-V/2(即，五电平)。另外，关于五电平变换器交流端VO的电平波形，如图7所示。
﹤表三﹥
状态1 状态2 状态3 状态4 状态5 状态6 状态7 状态8
D1 ON OFF ON OFF OFF OFF OFF OFF
D2 ON ON OFF OFF OFF OFF OFF OFF
D3 ON ON OFF OFF OFF OFF OFF OFF
D4 OFF OFF OFF ON OFF ON OFF OFF
D5 OFF OFF ON OFF ON OFF OFF ON
D6 OFF OFF OFF OFF OFF OFF ON ON
D7 OFF OFF OFF OFF OFF ON OFF ON
D8 OFF OFF OFF OFF OFF ON OFF ON
S1 ON ON OFF ON ON ON OFF OFF
S2 OFF OFF ON ON ON OFF ON OFF
S3 ON ON ON ON ON OFF ON OFF
S4 OFF ON OFF ON ON ON ON ON
VO V V/2 V/2 0 0 -V/2 -V/2 -V
表三示意了五电平整流器300的一种操作方式。需要特别说明的是，五电平整流器300有很多种操作方式，表三仅示意性示出了其中一种。关于五电平整流器300的各种运用方式为本技术领域中普通技术人员可推知的技术，且非本发明所欲保护范围，于此不再详述之。
图4是依照本发明第四实施例的一种五电平变换器400的电路图(以单相为例)。在架构上，图4的五电平变换器400与图1的五电平变换器100类似，两者差异在于改变功率半导体开关S9、S10以及飞跨电容器组C1、C2的连接方式。如图4所示，五电平变换器400包括交流端VO、第一开关模块410、第二开关模块420、第一飞跨电容器组C1、第二飞跨电容器组C2与母线电容模块440。
于图4中，母线电容模块440具有正极端441、负极端442与中点443。第一开关模块410包括双向开关电路411，其中双向开关电路411包括两个第一开关单元412、413反向串联连接，第一开关单元413的一端连接母线电容模块440的中点443。第二开关模块420包括第二开关单元421、422、第三开关单元423、424、第四开关单元425、426与第五开关单元427、428，其中第二开关单元421、422级联，第三、第四、第五开关单元423～428级联而且与母线电容模块440并联连接，其中第三开关单元423与母线电容模块440的正极性端极端441相连，第五开关单元428与母线电容模块440的负极性端极端442相连，第四开关单元425、426与两个第二开关单元421、422并联连接，其中第四开关单元425、426之间的连接点连接交流端VO，第二开关单元421、422之间的连接点连接第一开关单元412的一端。第一、第二飞跨电容器组C1、C2跨接在第一开关模块410与第二开关模块420之间，其中第一开关单元412的两端分别通过飞跨电容器组C1、C2连接到第三开关单元423、424之间的连接点与第五开关单元427、428之间的连接点。
具体而言，第二飞跨电容器组C2的一端连接开关单元412、413之间的连接点(即，图4中第一开关单元412的左端)；第一飞跨电容器组C1的一端连接第一开关单元412和第二开关单元421、422之间的连接点，前述飞跨电容器组C1、C2之间有第一开关单元412间隔而未直接相连在一起。第一飞跨电容器组C1的另一端连接第三开关单元423、424之间的连接点；第二飞跨电容器组C2的另一端连接两个第五开关单元427、428之间的连接点。
于图4中，第一开关单元412、413分别包括功率半导体开关S9、S10，第二开关单元421、422分别包括功率半导体开关D1、D2。功率半导体开关S9的集电极连接功率半导体开关D1的阳极与功率半导体开关D2的阴极，功率半导体开关S9的发射极连接功率半导体开关S10的发射极，功率半导体开关S10的集电极连接中点443。功率半导体开关S9、S10中每一者均具有内接二极管，内接二极管与功率半导体开关本身反并联；举例而言，功率半导体开关S9的内接二极管的阳极连接功率半导体开关S9的发射极，功率半导体开关S9的内接二极管的阴极连接功率半导体开关S9的集电极。
第三开关单元423包括两个串接的功率半导体开关S1、S2以连接正极端441，而第三开关单元424包括单一功率半导体开关S3以连接第四开关单元425中的功率半导体开关S4，其中功率半导体开关S1、S2、S3、S4的电气特性大致相同。具体而言，功率半导体开关S1的集电极连接正极端441，功率半导体开关S1的发射极连接功率半导体开关S2的集电极，功率半导体开关S2的发射极连接功率半导体开关S3的集电极，功率半导体开关S3的发射极连接功率半导体开关S4的集电极与功率半导体开关D1的阴极，功率半导体开关S4的发射极连接交流端VO。功率半导体开关S1、S2、S3、S4中每一者均具有内接二极管，内接二极管与功率半导体开关本身反并联。
第五开关单元427包括两个串接的功率半导体开关S6、S7以连接第四开关单元426中的功率半导体开关S5，第五开关单元428包括单一功率半导体开关S8以连接负极端442，其中功率半导体开关S5、S6、S7、S8的电气特性大致相同。具体而言，功率半导体开关S5的集电极连接交流端VO，功率半导体开关S5的发射极连接功率半导体开关S6的集电极与功率半导体开关D2的阳极，功率半导体开关S6的发射极连接功率半导体开关S7的集电极，功率半导体开关S7的发射极连接功率半导体开关S8的集电极，功率半导体开关S8的发射极连接负极端442。功率半导体开关S5、S6、S7、S8中每一者均具有内接二极管，内接二极管与功率半导体开关本身反并联。
于本实施例中，第三、四、五开关单元中的每一者包括至少一功率半导体开关，该至少一功率半导体开关为绝缘栅双极型晶体管、门极可关断晶闸管或集成门极换流晶闸管等全控型功率半导体器件。当至少一功率半导体开关的数量为多个时，该些功率半导体开关可以串联连接，也可以并联连接。第二开关单元包括至少一功率半导体开关，该至少一功率半导体开关为二极管。当至少一功率半导体开关的数量为多个时，该些功率半导体开关可以串联连接，也可以并联连接。
应了解到，图4绘示的各个开关单元中功率半导体开关的数量仅为例示，但此并不限定本发明，本领域技术人员应视当时需要弹性选择功率半导体开关的数量及相应的电气特性。举例而言，两个串接的功率半导体开关S1、S2可整合成单一个功率半导体开关，其电气特性与两个功率半导体开关S1、S2加总的电气特性大致相同；两个串接的功率半导体开关S6、S7亦可整合成单一个功率半导体开关，其电气特性与两个功率半导体开关S6、S7加总的电气特性大致相同。
于图4中，举例而言，功率半导体开关D1、D2可为二极管，功率半导体开关S1～S10可为绝缘栅双极型晶体管、门极可关断晶闸管、集成门极换流晶闸管或其他开关器件，本领域技术人员当视实际需要弹性选择之。
母线电容模块440包括第一母线电容器组C3与第二母线电容器组C4。第一母线电容器组C3的一端连接正极端441，第一母线电容器组C3的另一端连接中点443；第二母线电容器组C4的一端连接中点443，第二母线电容器组C4的另一端连接负极端442。
在运作时，第一母线电容器C3与第二母线电容器C4可接收直流输入电压，并通过脉宽调制信号分别控制功率半导体开关S1～S10的启闭，使五电平变换器400得以进行逆变的功能，使得五电平变换器400的交流端VO输出交流电压。于其他实施方式中，可以通过脉冲频率调制信号或脉冲幅度调制信号等调制技术分别控制功率半导体开关S1～S10的启闭，使五电平变换器400得以运作。
在运作时，五电平变换器400的交流端VO接收交流输入电压，并通过脉宽调制信号(Pulse With Modulation,PWM)分别控制功率半导体开关S1～S10的启闭，使五电平变换器400得以进行整流的功能，使得第一母线电容器组C3与第二母线电容器组C4输出直流电压。
为了对五电平变换器400的工作原理做更进一步描述，请参照下表四，各功率半导体开关在工作过程中承受电压V/2，其各交流端VO电平所对应的开关状态如表四所示，表四里「ON」代表开通，「OFF」代表关断，输出端VO相对于中点的电压可调整为V、V/2、0、-V、-V/2(即，五电平)。另外，关于五电平变换器交流端VO的电平波形，如图7所示。
﹤表四﹥
表四示意了五电平变换器400的一种操作方式。需要特别说明的是，五电平变换器400有很多种操作方式，表四仅示意性示出了其中一种。关于五电平变换器400的各种运用方式为本技术领域中普通技术人员可推知的技术，且非本发明所欲保护范围，于此不再详述之。
图5是依照本发明第五实施例的一种五电平整流器500的电路图(以单相为例)。在架构上，五电平整流器500与五电平变换器400类似，两者差异在于将图4的S1～S8替换为图5的D1～D8，并将图4的D1、D2替换为图5的S1、S2。如图5所示，五电平整流器500包括交流端VO、第一开关模块510、第二开关模块520、第三开关模块530、第一飞跨电容器组C1、第二飞跨电容器组C2与母线电容模块540。
于图5中，母线电容模块540具有正极端541、负极端542与中点543。第一开关模块510包括双向开关电路511，其中双向开关电路511包括两个第一开关单元512、513反向串联连接，第一开关单元513的一端连接母线电容模块540的中点543。第二开关模块520包括第二开关单元521、522、第三开关单元523、524、第四开关单元525、526与第五开关单元527、528，其中第二开关单元521、522级联，第三、第四、第五开关单元523～528级联而且与母线电容模块540并联连接，其中第三开关单元523与母线电容模块540的正极端541相连，第五开关单元528与母线电容模块540的负极端542相连，第四开关单元525、526与两个第二开关单元521、522并联连接，其中第四开关单元525、526之间的连接点连接交流端VO，第二开关单元521、522之间的连接点连接第一开关单元512的一端。第一、第二飞跨电容器组C1、C2跨接在第一开关模块510与第二开关模块520之间，其中第一开关单元512的两端分别通过飞跨电容器组C1、C2连接到第三开关单元523、524之间的连接点与第五开关单元527、528之间的连接点。
具体而言，第二飞跨电容器组C2的一端连接第一开关单元512、513之间的连接点(即，图5中第一开关单元512的左端)；第一飞跨电容器组C1的一端连接第一开关单元512和第二开关单元521、522之间的连接点，前述飞跨电容器组C1、C2之间有第一开关单元512间隔而未直接相连在一起。第一飞跨电容器组C1的另一端连接第三开关单元523、524之间的连接点；第二飞跨电容器组C2的另一端连接两个第五开关单元527、528之间的连接点。
于图5中，第一开关单元512、513分别包括功率半导体开关S3、S4，第二开关单元521、522分别包括功率半导体开关S1、S2。功率半导体开关S3的集电极连接功率半导体开关S1的发射极与功率半导体开关S2的集电极，功率半导体开关S3的发射极连接功率半导体开关S4的发射极，功率半导体开关S4的集电极连接中点543。功率半导体开关S1～S4中每一者均具有内接二极管，内接二极管与功率半导体开关本身反并联；举例而言，功率半导体开关S3的内接二极管的阳极连接功率半导体开关S3的发射极，功率半导体开关S3的内接二极管的阴极连接功率半导体开关S3的集电极。
第三开关单元523包括两个串接的功率半导体开关D1、D2以连接正极端541，而第三开关单元524包括单一功率半导体开关D3以连接第四开关单元525中的功率半导体开关D4，其中功率半导体开关D1、D2、D3、D4的电气特性大致相同。具体而言，功率半导体开关D1的阴极连接正极端541，功率半导体开关D1的阳极连接功率半导体开关D2的阴极，功率半导体开关D2的阳极连接功率半导体开关D3的阴极，功率半导体开关D3的阳极连接功率半导体开关D4的阴极与功率半导体开关S1的集电极，功率半导体开关D4的阳极连接交流端VO。
第五开关单元527包括两个串接的功率半导体开关D6、D7以连接第四开关单元226中的功率半导体开关D5，第五开关单元528包括单一功率半导体开关D8以连接负极端542，其中功率半导体开关D5、D6、D7、D8的电气特性大致相同。具体而言，功率半导体开关D5的阴极连接交流端VO，功率半导体开关D5的阳极连接功率半导体开关D6的阴极与功率半导体开关S2的发射极，功率半导体开关D6的阳极连接功率半导体开关D7的阴极，功率半导体开关D7的阳极连接功率半导体开关S8的阴极，功率半导体开关D8的阳极连接负极端542。
于本实施例中，第三、四、五开关单元中的每一者包括至少一功率半导体开关，该至少一功率半导体开关为二极管。当至少一功率半导体开关的数量为多个时，该些功率半导体开关可以串联连接，也可以并联连接。第二开关单元包括至少一功率半导体开关，该至少一功率半导体开关为绝缘栅双极型晶体管、门极可关断晶闸管或集成门极换流晶闸管等全控型功率半导体器件。当至少一功率半导体开关的数量为多个时，该些功率半导体开关可以串联连接，也可以并联连接。
应了解到，图5绘示的各个开关单元中功率半导体开关的数量仅为例示，但此并不限定本发明，本领域技术人员应视当时需要弹性选择功率半导体开关的数量及相应的电气特性。举例而言，两个串接的功率半导体开关D1、D2可整合成单一个功率半导体开关，其电气特性与两个功率半导体开关D1、D2加总的电气特性大致相同；两个串接的功率半导体开关D6、D7亦可整合成单一个功率半导体开关，其电气特性与两个功率半导体开关D6、D7加总的电气特性大致相同。
于图5中，举例而言，功率半导体开关D1～D8可为二极管，功率半导体开关S1～S4可为绝缘栅双极型晶体管、门极可关断晶闸管、集成门极换流晶闸管或其他开关器件，本领域技术人员当视实际需要弹性选择之。
母线电容模块540包括第一母线电容器组C3与第二母线电容器组C4。第一母线电容器组C3的一端连接正极端241，第一母线电容器组C3的另一端连接中点543；第二母线电容器组C4的一端连接中点543，第二母线电容器组C4的另一端连接负极端542。
在运作时，五电平整流器500的交流端VO接收交流输入电压，并通过脉宽调制信号分别控制功率半导体开关S1～S4的启闭，使五电平整流器500得以进行整流的功能，使得第一母线电容器组C3与第二母线电容器组C4输出直流电压。于其他实施方式中，可以通过脉冲频率调制信号或脉冲幅度调制信号等调制技术分别控制功率半导体开关S1～S4的启闭，使五电平整流器500得以运作。
为了对五电平整流器500的工作原理做更进一步描述，请参照下表五，各功率半导体开关在工作过程中承受电压V/2，其各交流端VO电平所对应的开关状态如表五所示，表五里「ON」代表开通，「OFF」代表关断，输出端VO相对于中点的电压可调整为V、V/2、0、-V、-V/2(即，五电平)。另外，关于五电平变换器交流端VO的电平波形，如图7所示。
﹤表五﹥
状态1 状态2 状态3 状态4 状态5 状态6 状态7 状态8
D1 ON OFF ON OFF OFF OFF OFF OFF
D2 ON OFF ON OFF OFF OFF OFF OFF
D3 ON ON OFF OFF OFF OFF OFF OFF
D4 ON ON ON ON OFF OFF OFF OFF
D5 OFF OFF OFF OFF ON ON ON ON
D6 OFF OFF OFF OFF OFF OFF ON ON
D7 OFF OFF OFF OFF OFF OFF ON ON
D8 OFF OFF OFF OFF OFF ON OFF ON
S1 OFF OFF ON ON ON OFF OFF OFF
S2 OFF OFF OFF ON ON ON OFF OFF
S3 OFF ON OFF ON ON ON ON ON
S4 ON ON ON ON ON OFF ON OFF
VO V V/2 V/2 0 0 -V/2 -V/2 -V
表五示意了五电平整流器500的一种操作方式。需要特别说明的是，五电平整流器500有很多种操作方式，表五仅示意性示出了其中一种。关于五电平整流器500的各种运用方式为本技术领域中普通技术人员可推知的技术，且非本发明所欲保护范围，于此不再详述之。
图6是依照本发明第六实施例的一种五电平整流器600的电路图(以单相为例)。在架构上，五电平整流器600与五电平整流器500类似，两者差异在于将功率半导体开关S1、S2与功率半导体开关D4、D5的位置互调。如图6所示，五电平整流器600包括交流端VO、第一开关模块610、第二开关模块620、第三开关模块630、第一飞跨电容器组C1、第二飞跨电容器组C2与母线电容模块640。
于图6中，母线电容模块640具有正极端641、负极端642与中点643。第一开关模块610包括双向开关电路611，其中双向开关电路611包括两个第一开关单元612、613反向串联连接，第一开关单元613的一端连接母线电容模块640的中点643。第二开关模块620包括第二开关单元621、622、第三开关单元623、624、第四开关单元625、626与第五开关单元627、628，其中第二开关单元621、622级联，第三、第四、第五开关单元623～628级联而且与母线电容模块640并联连接，其中第三开关单元623与母线电容模块640的正极端641相连，第五开关单元628与母线电容模块640的负极端642相连，第四开关单元625、626与两个第二开关单元621、622并联连接，其中第四开关单元625、626之间的连接点连接交流端VO，第二开关单元621、622之间的连接点连接第一开关单元612的一端。第一、第二飞跨电容器组C1、C2跨接在第一开关模块610与第二开关模块620之间，其中第一开关单元612的两端分别通过飞跨电容器组C1、C2连接到第三开关单元623、624之间的连接点与第五开关单元627、628之间的连接点。
具体而言，第二飞跨电容器组C2的一端连接第一开关单元612、613之间的连接点(即，图6中第一开关单元612的左端)；第一飞跨电容器组C1的一端连接第一开关单元612和第二开关单元621、622之间的连接点，前述飞跨电容器组C1、C2之间有第一开关单元612间隔而未直接相连在一起。第一飞跨电容器组C1的另一端连接第三开关单元623、624之间的连接点；第二飞跨电容器组C2的另一端连接两个第五开关单元627、628之间的连接点。
于图6中，第一开关单元612、613分别包括功率半导体开关S3、S4，第二开关单元621、622分别包括功率半导体开关D4、D5。功率半导体开关S3的集电极连接功率半导体开关D4的阳极与功率半导体开关D5的阴极，功率半导体开关S3的发射极连接功率半导体开关S4的发射极，功率半导体开关S4的集电极连接中点643。功率半导体开关S1～S4中每一者均具有内接二极管，内接二极管与功率半导体开关本身反并联；举例而言，功率半导体开关S3的内接二极管的阳极连接功率半导体开关S3的发射极，功率半导体开关S3的内接二极管的阴极连接功率半导体开关S3的集电极。
第三开关单元623包括两个串接的功率半导体开关D1、D2以连接正极端341，而第三开关单元624包括单一功率半导体开关D3以连接第四开关单元625中的功率半导体开关S1。具体而言，功率半导体开关D1的阴极连接正极端641，功率半导体开关D1的阳极连接功率半导体开关D2的阴极，功率半导体开关D2的阳极连接功率半导体开关D3的阴极，功率半导体开关D3的阳极连接功率半导体开关D4的阴极与功率半导体开关S1的集电极，功率半导体开关S1的发射极连接交流端VO。
第五开关单元627包括两个串接的功率半导体开关D6、D7以连接第四开关单元626中的功率半导体开关S2，第五开关单元628包括单一功率半导体开关D8以连接负极端642。具体而言，功率半导体开关S2的集电极连接交流端VO，功率半导体开关S2的发射极连接功率半导体开关D6的阴极与功率半导体开关D5的阳极，功率半导体开关D6的阳极连接功率半导体开关D7的阴极，功率半导体开关D7的阳极连接功率半导体开关D8的阴极，功率半导体开关D8的阳极连接负极端642。
于本实施例中，第二、三、五开关单元中的每一者包括至少一功率半导体开关，该至少一功率半导体开关为二极管。当至少一功率半导体开关的数量为多个时，该些功率半导体开关可以串联连接，也可以并联连接。第四开关单元包括至少一功率半导体开关，该至少一功率半导体开关为绝缘栅双极型晶体管、门极可关断晶闸管或集成门极换流晶闸管等全控型功率半导体器件。当至少一功率半导体开关的数量为多个时，该些功率半导体开关可以串联连接，也可以并联连接。
应了解到，图6绘示的各个开关单元中功率半导体开关的数量仅为例示，但此并不限定本发明，本领域技术人员应视当时需要弹性选择功率半导体开关的数量及相应的电气特性。举例而言，两个串接的功率半导体开关D1、D2可整合成单一个功率半导体开关，其电气特性与两个功率半导体开关D1、D2加总的电气特性大致相同；两个串接的功率半导体开关D6、D7亦可整合成单一个功率半导体开关，其电气特性与两个功率半导体开关D6、D7加总的电气特性大致相同。
于图6中，举例而言，功率半导体开关D1～D8可为二极管，功率半导体开关S1～S4可为绝缘栅双极型晶体管、门极可关断晶闸管、集成门极换流晶闸管或其他开关器件，本领域技术人员当视实际需要弹性选择之。
母线电容模块640包括第一母线电容器组C3与第二母线电容器组C4。第一母线电容器组C3的一端连接正极端641，第一母线电容器组C3的另一端连接中点643；第二母线电容器组C4的一端连接中点643，第二母线电容器组C4的另一端连接负极端642。
在运作时，五电平整流器600的交流端VO接收交流输入电压并通过脉宽调制信号分别控制功率半导体开关S1～S4的启闭，使五电平整流器600得以进行整流的功能，使得第一母线电容器C3与第二母线电容器C4输出直流电压。于其他实施方式中，可以通过脉冲频率调制信号或脉冲幅度调制信号等调制技术分别控制功率半导体开关S1～S4的启闭，使五电平整流器600得以运作。
为了对五电平整流器600的工作原理做更进一步描述，请参照下表六，各功率半导体开关在工作过程中承受电压V/2，其各交流端VO电平所对应的开关状态如表六所示，表六里「ON」代表开通，「OFF」代表关断，输出端VO相对于中点的电压可调整为V、V/2、0、-V、-V/2(即，五电平)。另外，关于五电平变换器交流端VO的电平波形，如图7所示。
﹤表六﹥
状态1 状态2 状态3 状态4 状态5 状态6 状态7 状态8
D1 ON OFF ON OFF OFF OFF OFF OFF
D2 ON OFF ON OFF OFF OFF OFF OFF
D3 ON ON OFF OFF OFF OFF OFF OFF
D4 OFF OFF OFF ON OFF ON OFF OFF
D5 OFF OFF ON OFF ON OFF OFF OFF
D6 OFF OFF OFF OFF OFF OFF ON ON
D7 OFF OFF OFF OFF OFF OFF ON ON
D8 OFF OFF OFF OFF OFF ON OFF ON
S1 ON ON OFF ON ON ON OFF OFF
S2 OFF OFF ON ON ON OFF ON ON
S3 OFF ON ON ON ON ON ON ON
S4 ON ON OFF ON ON OFF ON OFF
VO V V/2 V/2 0 0 -V/2 -V/2 -V
表六示意了五电平整流器600的一种操作方式。需要特别说明的是，五电平整流器600有很多种操作方式，表六仅示意性示出了其中一种。关于五电平整流器600的各种运用方式为本技术领域中普通技术人员可推知的技术，且非本发明所欲保护范围，于此不再详述之。
综上所述，本发明提出一种结构简单的五电平变换装置拓扑，其采用非对衬式电路架构(两飞跨电容器组的连接方式不同)，在电路设计上更灵活、更有弹性，因而具有非常好的应用价值。相比于三电平变换技术，五电平变换技术具有更好的电气性能。
虽然本发明已以实施方式公开如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视所附的权利要求所界定者为准。

Claims (16)

1.一种五电平变换装置，其特征在于，包括：
一交流端；
一母线电容模块，具有一正极端、一负极端与一中点；
一第一开关模块，包括一双向开关电路，其中该双向开关电路包括两个第一开关单元反向串联连接，所述两个第一开关单元中的一者的一端连接该母线电容模块的该中点；
一第二开关模块，包括两个第二开关单元、两个第三开关单元、两个第四开关单元与两个第五开关单元，其中所述两个第二开关单元级联，所述两个第三开关单元、所述两个第四开关单元与所述两个第五开关单元级联而且与该母线电容模块并联连接，其中所述两个第三开关单元与该母线电容模块的该正极端相连，所述两个第五开关单元与该母线电容模块的该负极端相连，所述两个第四开关单元与所述两个第二开关单元并联连接，其中所述两个第四开关单元之间的一连接点连接该交流端，所述两个第二开关单元之间的一连接点连接所述两个第一开关单元中的另一者的一端；以及
两个飞跨电容器组，跨接在该第一开关模块与该第二开关模块之间，其中所述两个第一开关单元之间的一连接点与所述两个第一开关单元中的该另一者的该端分别通过所述两个飞跨电容器组连接到所述两个第三开关单元之间的一连接点与所述两个第五开关单元之间的一连接点。
2.如权利要求1所述的五电平变换装置，其中所述两个第三开关单元中的一者连接该正极端，而所述两个第三开关单元中的另一者连接所述两个第四开关单元中的一者；所述两个第五开关单元中的一者连接所述两个第四开关单元中的另一者，而所述两个第五开关单元中的另一者连接该负极端。
3.如权利要求2所述的五电平变换装置，其中所述两个飞跨电容器组为一第一飞跨电容器组与一第二飞跨电容器组，该第一飞跨电容器组的一端连接所述两个第一开关单元之间的该连接点，该第二飞跨电容器组的一端连接所述两个第一开关单元中的该另一者的该端。
4.如权利要求3所述的五电平变换装置，其中该第一飞跨电容器组的另一端连接所述两个第三开关单元之间的该连接点；该第二飞跨电容器组的另一端连接所述两个第五开关单元之间的该连接点。
5.如权利要求2所述的五电平变换装置，其中所述两个飞跨电容器组为一第一飞跨电容器组与一第二飞跨电容器组，该第一飞跨电容器组的一端连接所述两个第一开关单元中的该另一者的该端，该第二飞跨电容器组的一端连接所述两个第一开关单元之间的该连接点。
6.如权利要求5所述的五电平变换装置，其中该第一飞跨电容器组的另一端连接所述两个第三开关单元之间的该连接点；该第二飞跨电容器组的另一端连接所述两个第五开关单元之间的该连接点。
7.如权利要求1所述的五电平变换装置，其中每一该第一开关单元包括至少一功率半导体开关，该功率半导体开关为绝缘栅双极型晶体管、门极可关断晶闸管或集成门极换流晶闸管。
8.如权利要求1所述的五电平变换装置，其中每一该第二开关单元包括至少一功率半导体开关，该功率半导体开关为二极管。
9.如权利要求8所述的五电平变换装置，其中每一该第四开关单元包括至少一功率半导体开关，该功率半导体开关为绝缘栅双极型晶体管、门极可关断晶闸管或集成门极换流晶闸管。
10.如权利要求9所述的五电平变换装置，其中每一该第三、第五开关单元包括至少一功率半导体开关，该功率半导体开关为绝缘栅双极型晶体管、门极可关断晶闸管或集成门极换流晶闸管。
11.如权利要求9所述的五电平变换装置，其中每一该第三、第五开关单元包括至少一功率半导体开关，该功率半导体开关为二极管。
12.如权利要求1所述的五电平变换装置，其中每一该第二开关单元包括至少一功率半导体开关，该功率半导体开关为绝缘栅双极型晶体管、门极可关断晶闸管或集成门极换流晶闸管。
13.如权利要求12所述的五电平变换装置，其中每一该第四开关单元包括至少一功率半导体开关，该功率半导体开关为二极管。
14.如权利要求13所述的五电平变换装置，其中每一该第三、第五开关单元包括至少一功率半导体开关，该功率半导体开关为二极管。
15.如权利要求1所述的五电平变换装置，其中该母线电容模块包括：
一第一母线电容器组，其两端分别连接该正极端与该中点；以及
一第二母线电容器组，其两端分别连接该中点与该负极端。
16.如权利要求1所述的五电平变换装置，其中每一该飞跨电容器组包括至少一电容器。
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