CN107154745B - 多电平电路、三相多电平电路及控制方法 - Google Patents

多电平电路、三相多电平电路及控制方法 Download PDF

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Abstract

本申请提供了一种多电平电路、三相多电平电路及控制方法，通过现在多电平电路中设置两组母线电容，减少了母线电容的组数，降低电路设计的复杂度。并且，每一条开关管支路中都是由两个半桥组成，且，两个半桥的公共端接地，还可以保证开关管的压差降低，保证了电路采用较低等级的耐压性能器件的需求。

Description

多电平电路、三相多电平电路及控制方法
技术领域
本申请涉及电力电子技术领域，尤其涉及多电平技术。
背景技术
当今，在电力电子技术领域，UPS(Uninterruptible Power System，不间断电源)或逆变器等电源设备，人们对其工作效率的要求已越来越高。据测算，若UPS效率每提升1％，全世界数据机房可节电3亿度。因此，如何提高电源设备的效率已经成为业界亟待解决的问题。
公知的，多电平技术能有效降低半导体器件的损耗以及磁性器件的损耗，显著提升设备的工作效率，近年来已被广泛应用，目前绝大多数UPS均采用三电平技术，少量电源设备开始采用四电平或五电平技术。尽管多电平技术可以有效降低电路损耗，但均要求多电平电路中的半导体器件的耐压性能较高，并且，由于母线电容的组数较多，还导致电路拓扑复杂。
现有多电平技术，以四电平为例，参见图1，包含四组母线电容，分别为电容C1、电容C2、电容C3以及电容C4，这些母线电容导致设备器件增多，均压控制增加了复杂度，甚至需要增加专门的平衡电路。另外，这些四电平拓扑需要用较高耐压的半导体器件。以输出端电压Vac为220V，电压峰值为311V为例。当开关管Q1开通时，A点电压为V1，此时，开关管Q4两端电压是V1-V4，由于电压V1大于311V，电压V4小于-311V，所以开关管Q4两端电压大于611V，加上关断时候的尖峰电压，开关管Q4需要用1200V的耐压规格，才能安全使用。同理，开关管Q1与开关管Q4类似，也需要用1200V的耐压规格。
发明内容
本申请提供了一种多电平电路、三相多电平电路及控制方法，以解决现有的多电平电路存在的半导体开关的耐压性能高以及母线电容的组数较多导致的电路拓扑复杂的问题。
为了实现上述目的，现提出的方案如下：
本申请的第一方面提供了一种多电平电路，包括：包含串联的第一电容和第二电容的电容支路，至少两条、且均与所述电容支路并联的开关管支路，第一负向耦合电感和第二负向耦合电感；其中，所述第一电容和第二电容的公共端接地；每一条所述开关管支路包括：第一半桥和第二半桥，每一条所述开关管支路的第一半桥和第二半桥的公共端接地；所述第一负向耦合电感的每一个输入端连接唯一一条所述开关管支路的第一半桥中的两个开关管的公共端；所述第二负向耦合电感的每一个输入端连接唯一一条所述开关管支路的第二半桥中的两个开关管的公共端。
从上述过程可以看出：通过现在多电平电路中设置两组母线电容，减少了母线电容的组数，降低电路设计的复杂度。并且，每一条开关管支路中都是由两个半桥组成，且，两个半桥的公共端接地，还可以保证开关管的压差降低，保证了电路采用较低等级的耐压性能器件的需求。
在一个实现方式中，所述第一负向耦合电感的输出端和所述第二负向耦合电感的输出端之间分别连接有第三半桥和第四半桥。
在一个实现方式中，所述每一条开关管支路中的第一半桥的两个开关管、第二半桥的两个开关管以及组成所述第三半桥和第四半桥的开关管，均为带体内二极管的IGBT或者MOSFET。
在一个实现方式中，所述第一负向耦合电感的输出端与所述第一电容未连接所述第二电容的一端之间还连接有钳位二极管；所述第二负向耦合电感的输出端与所述第二电容未连接所述第一电容的一端之间还连接有钳位二极管。
本申请的第二方面提供了一种三相多电平电路，包括：包含串联的第一电容和第二电容的电容支路，第一多电平生成单元和第二多电平生成单元，第一逆变单元和第二逆变单元，第一功率电感、第二功率电感以及第三功率电感；其中，所述第一电容和第二电容的公共端接地；所述第一多电平生成单元和所述第二多电平生成单元分别包括：至少两条、且均与所述电容支路并联的开关管支路、第一负向耦合电感和第二负向耦合电感；其中，每一条所述开关管支路包括：第一半桥和第二半桥，每一条所述开关管支路的第一半桥和第二半桥的公共端接地；所述第一负向耦合电感的每一个输入端连接唯一一条所述开关管支路的第一半桥中的两个开关管的公共端；所述第二负向耦合电感的每一个输入端连接唯一一条所述开关管支路的第二半桥中的两个开关管的公共端；所述第一逆变单元包括：连接在所述第一电平生成单元中的第一负向耦合电感和第二负向耦合电感之间分别连接第三半桥和第四半桥；所述第二逆变单元包括：连接在所述第二电平生成单元中的第一负向耦合电感和第二负向耦合电感之间分别连接第三半桥和第四半桥；所述第一功率电感连接所述第一逆变单元中的第四半桥中的两个开关管的公共端，所述第二功率电感分别连接所述第一逆变单元中的第三半桥中的两个开关管的公共端，以及所述第二逆变单元中的第四半桥的公共端；所述第三功率电感连接所述第二逆变单元中的第三半桥的公共端。
从上述过程可以看出：通过现在三相多电平电路中设置两组母线电容，减少了母线电容的组数，降低电路设计的复杂度。并且，每一条开关管支路中都是由两个半桥组成，且，两个半桥的公共端接地，还可以保证开关管的压差降低，保证了电路采用较低等级的耐压性能器件的需求。
在一个实现方式中，所述第一多电平生成单元和所述第二多电平生成单元中的每一条开关管支路中的第一半桥的两个开关管、第二半桥的两个开关管以及所述第一逆变单元和所述第二逆变单元中的第三半桥和第四半桥的开关管，均为带体内二极管的IGBT或者MOSFET。
在一个实现方式中，所述第一多电平生成单元和所述第二多电平生成单元中的第一负向耦合电感的输出端与所述第一电容未连接所述第二电容的一端之间还连接有钳位二极管；所述第一多电平生成单元和所述第二多电平生成单元中的所述第二负向耦合电感的输出端与所述第二电容未连接所述第一电容的一端之间还连接有钳位二极管。
在一个实现方式中，所述三相多电平电路中的接地端还用于外接三相电源的公共端，形成三相电源的地线。
本申请的第三方面提供了一种多电平电路的控制方法，应用于上述第一方面公开的任意一项所述的多电平电路，其中，所述控制方法包括：控制每一条开关管支路中的第一半桥的两个开关管和第二半桥的两个开关管均互补发波；分别控制相邻两条开关管支路中的第一半桥中的第一开关管之间以及第二半桥中的第二开关管之间均交互N度发波，其中，所述N为360与所述开关管支路的数量的相除结果；控制所述第三半桥和所述第四半桥中的两个开关管均互补发波。
本申请的第四方面一种三相多电平电路的控制方法，应用于上述第二发面公开的任意一项所述的三相多电平电路，其中，所述控制方法包括：
控制所述第一多电平生成单元中每一条开关管支路中的第一半桥的两个开关管、以及第二半桥的两个开关管均互补发波，控制相邻两条开关管支路中的第一半桥中的第一开关管之间以及第二半桥中的第二开关管之间均交错N度发波，其中，所述N为360与所述开关管支路的数量的相除结果；控制所述第二多电平生成单元中每一条开关管支路中的第一半桥的两个开关管、以及第二半桥的两个开关管均互补发波，控制相邻两条开关管支路中的第一半桥中的第一开关管之间以及第二半桥中的第二开关管之间均交错N度发波，其中，述N为360与所述开关管支路的数量的相除结果；控制所述第一逆变单元中的第三半桥和所述第四半桥中的两个开关管均互补发波；控制所述第二逆变单元中的第三半桥和所述第四半桥中的两个开关管均互补发波。
在一个实现方式中，所述三相多电平电路的控制方法还包括：
在0-60°，控制所述第一逆变电路中第四半桥中的第一开关管、所述第二逆变电路中的第三半桥中的第二开关管、以及所述第二逆变电路中的第四半桥中的第一开关管开通；
在60-120°，控制所述第一逆变电路中第三半桥中的第二开关管、所述第一逆变电路中第四半桥中的第一开关管、以及所述第二逆变电路中的第三半桥中的第二开关管开通；
在120-180°，控制所述第一逆变电路中的第三半桥中的第二开关管、所述第一逆变电路中的第四半桥中的第一开关管、所述第二逆变电路中的第三半桥中的第一开关管开通；或者；控制所述第一逆变电路中的第四半桥中的第一开关管、所述第二逆变电路中的第三半桥中的第一开关管以及所述第二逆变电路中的第四半桥中的第二开关管开通；
在180-240°，控制所述第一逆变电路中的第四半桥中的第二开关管、所述第二逆变电路中的第三半桥中的第一开关管、以及所述第二逆变电路中的第四半桥中的第二开关管开通；
在240-300°，控制所述第一逆变电路中的第四半桥中的第二开关管、所述第一逆变电路中的第三半桥中的第一开关管、以及所述第二逆变电路中的第三半桥中的第一开关管开通；
在300-360°，控制所述第一逆变电路中的第四半桥中的第二开关管、所述第一逆变电路中的第三半桥中的第一开关管、以及所述第二逆变电路中的第三半桥中的第二开关管开通；或者，控制所述第一逆变电路中的第四半桥中的第二开关管、所述第二逆变电路中的第三半桥中的第一开关管、以及所述第二逆变电路中的第三半桥中的第二开关管开通。
附图说明
图1为现有技术公开的一种四电平电路的拓扑图；
图2为本申请实施例公开的一种五电平电路的拓扑图；
图3为本申请实施例公开的一种五电平电路的拓扑图；
图4(a)为开关管Q1和Q5占空比小于50％时，开关管Q1、Q2、Q4、Q6和A1点电位的展示图；
图4(b)为开关管Q1和Q5占空比大于50％时，开关管Q1、Q2、Q4、Q6和A1点电位的展示图；
图5为本申请实施例公开的七电平电路的拓扑图；
图6为本申请实施例公开的三相五电平电路的拓扑图；
图7为本申请实施例公开的三相交流电的展示图；
图8为本申请实施例公开的电路101切换到电路102工作时，开关管Q2、Q6、Q13、Q14、Q7和Q11的电位的展示图；
图9为本申请实施例公开的三相七电平电路的拓扑图。
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。
本申请实施例公开了一种五电平电路，参见图2和图3，包括：
电容C1、电容C2、开关管Q1～开关管Q8、开关管Q13～开关管Q16、耦合电感L1以及耦合电感L2；其中：
电容C1和电容C2为直流侧母线电容，相互串联形成电容支路，且电容C1和电容C2。的公共端接地。可选地，电容C1和电容C2可以采用电解电容，当然还可以采用其他类型的电容。并且，电容C1和电容C2分别可以设计成一个容值较大的电容，还可以设计成由几个电容并联形成。基于此，可以看出，电容C1和电容C2不管是设计成一个容值大的电容还是被设计成几个并联的电容，均只是两组母线电容，这样，就减少了母线电容的组数，降低电路设计的复杂度。
开关管Q1～开关管Q4相互串联形成第一开关管支路，其中，开关管Q1和开关管Q2组成第一半桥，开关管Q3和开关管Q4组成第二半桥，第一半桥和第二半桥的公共端接地，即开关管Q2和开关管Q3的公共端接地。开关管Q5～开关管Q8相互串联形成第二开关管支路，开关管Q5和开关管Q6组成第一半桥，开关管Q7和开关管Q8组成第二半桥；第一半桥的第二半桥的公共端接地，即开关管Q6和开关管Q7的公共端接地。第一开关管支路和第二开关管支路还分别与电容支路并联。还需要说明的是，除图2绘示的第一开关管支路和第二开关管支路均包含第一半桥和第二半桥以外，还可以是：第一开关管支路和第二开关管支路均只包含第一半桥和第二半桥中的一个，即第一开关管支路的第一半桥和第二开关管支路的第一半桥的数量之和，与第一开关管支路的第二半桥和第二开关管支路的第二半桥的数量之和不相同。
耦合电感L1和耦合电感L2均为负向耦合电感，可以设计成低漏感形式，漏感极低。耦合电感L1的第一输入端A1连接在开关管Q1和开关管Q2的公共端，第二输入端A2连接在开关管Q5和开关管Q6的公共端。可选地，参见图3，耦合电感L1的输出端A3还可以通过钳位二极管D1连接在电容C1未连接电容C2的端口，以钳制电压尖峰。耦合电感L2的第一输入端B1连接在开关管Q3和开关管Q4的公共端，第二输入端B2连接在开关管Q7和开关管Q8的公共端。同样，可选地，参见图3，耦合电感L2的输出端B3也还可以通过钳位二极管D2连接在电容C2未连接电容C1的端口，也用于钳制电压尖峰。
参见图3，开关管Q13和开关管Q14组成第三半桥，连接在耦合电感L1的输出端A3和耦合电感L2的输出端B3之间，同样，开关管Q15和开关管Q16组成第四半桥，也连接在耦合电感L1的输出端A3和耦合电感L2的输出端B3之间。
可选地，开关管Q1～开关管Q8以及开关管Q13～开关管Q16可以选用带体内二极管的IGBT，也可以选用MOSFET。
本实施例公开的五电平电路中，直流侧可分为V+、V0、V-三个电位，并且，由于耦合电感L1为负向耦合电感，其输出端A3的电位是输入端A1和输入端A2的电位之和的一半，即VA3＝(VA1+VA2)/2。并且，开关管Q1和开关管Q2组成一个半桥的桥臂，两个开关管互补发波，开关管Q5和开关管Q6也组成一个半桥的桥臂，两个开关管也互补发波，另外，开关管Q1和开关管Q5交错180°(错开半个开关周期)发波。基于此，当开关管Q1和开关管Q5开通时，A1、A2点的电压均为V+电位，A3点电位为V+。当开关管Q1开通、开关管Q5关断，或者，开关管Q1关断、开关管Q5开通时，A3点电位为V+/2，当开关管Q1和开关管Q5都关断时，A3点电位为0，在A3点形成V+、V+/2以及0三个电平。
具体的，假设开关管均为高电平开通，低电平关断。参见图4(a)，在开关管Q1和开关管Q2的占空比小于50％时，在t1时刻，开关管Q1通高电平，开关管Q2通低电平，开关管Q5通低电平，开关管Q6通高电平。因此，在t1时刻，开关管Q1开通，开关管Q5关断，A3点电位为V+/2。在t2时刻，开关管Q1通低电平，开关管Q2通高电平，开关管Q5通低电平，开关管Q6通高电平，开关管Q1和开关管Q5均关断，A3点电位为0。
再参见图4(b)，在开关管Q1和开关管Q2的占空比大于50％时，在t3时刻，开关管Q1通高电平，开关管Q2通低电平，开关管Q5通高电平，开关管Q6通低电平。因此，在t1时刻，开关管Q1和开关管Q5均开通，A3点电位为V+。在t4时刻，开关管Q1通高电平，开关管Q2通低电平，开关管Q5通低电平，开关管Q6通高电平，开关管Q1开通，开关管Q5关断，A3点电位为V+/2。
同理，耦合电感L2的输出端B3的电位也是输入端B1和输入端B2的电位之和的一半，即VB3＝(VB1+VB2)/2。开关管Q3和开关管Q4互补发波，开关管Q7和开关管Q8互补发波，开关管Q3和开关管Q7交错180°发波，在B3点形成V-、V-/2以及0三个电平。
需要说明的是，开关管Q13和开关管Q14的公共端作为五电平电路的一个输出端，开关管Q15和开关管Q16的公共端作为五电平电路的另一个输出端。若开关管Q13开通，开关管Q14关断，可输出V+、V+/2以及0三个电平；若开关管Q13关断，开关管Q14开通，可输出V-、V-/2、0三个电平。同理，若开关管Q15开通、开关管Q16关断，输出V+、V+/2以及0三个电平，若开关管Q16开通、开关管Q15关断，输出V-、V-/2、0三个电平。因此，一共有V+、V+/2、0、V-/2、V-五个电平的输出。
还需要说明的是，本实施例公开的五电平电路中，由于开关管Q1和开关管Q2组成半桥，且开关管的输出端接地，因此，若开关管Q1开通，开关管Q2的输入端电压为V+，输出端为0，开关管Q2的压差为V+；若开关管Q1关断，开关管Q2开通，开关管Q1的输入端电压为V+，输出端为0，开关管Q1的压差也为V+，对于400V左右的母线电压，再考虑到关断时候的尖峰电压，开关管Q1和开关管Q2也可以仅用600V的耐压器件。同理，开关管Q5和开关管Q6也可以采用较低等级的耐压器件。
另外，开关管Q3和开关管Q4也组成半桥，开关管Q3的输入端也接地，若开关管Q4开通，开关管Q3的输出端电压为V-，输入端电压为0，开关管Q3的压差为V-；若开关管Q3开通，开关管Q4关断，开关管Q4的输入端电压为0，输出端电压为V-，开关管Q5的压差也为V-。同样，在母线电压为400V左右，开关管Q3和开关管Q4也仅需要用-600V的耐压器件即可。同理，开关管Q7和开关管Q8的耐压等级也可较低。
本申请另一实施例还公开了一种七电平电路，如图5所示，包括：电容C1、电容C2、开关管Q1～开关管Q12、开关管Q13～开关管Q16、耦合电感L1以及耦合电感L2。
其中，电容C1、电容C2、开关管Q1～开关管Q8以及开关管Q13～开关管Q16的连接方式与上述实施例公开的五电平电路相同，可参见上述实施例的内容，此处不再赘述。
与五电平电路区别的是，本实施例公开的七电平电路中，还包括：由开关管Q9～开关管Q12组成的开关管支路，此处称之为第三开关管支路，该开关管支路也与由电容C1和电容C2组成的电容支路并联。并且，第三开关管支路中，开关管Q9和开关管Q10组成第一半桥，开关管Q11和开关管Q12组成第二半桥，第一半桥和第二半桥的公共端接地，即开关管Q10和开关管Q11的公共端接地。
因七电平电路中包含有三条开关管支路，因此，耦合电感L1和耦合电感L2均包含有三个输入端，且每一个输入端只连接到唯一一个开关管支路中的第一半桥或第二半桥的两个开关管的公共端。具体的，耦合电感L1的输入端A1连接到开关管Q1和开关管Q2的公共端，输入端A2连接到开关管Q5和开关管Q6的公共端，输入端A3连接到开关管Q9和开关管Q10的公共端。耦合电感L2的输入端B1连接到开关管Q3和开关管Q4的公共端，输入端B2连接到开关管Q7和开关管Q8的公共端，输入端B3连接到开关管Q11和开关管Q12的公共端。耦合电感L1和耦合电感L2输出端的连接与上述实施例公开的五电平电路相同，此处也不再赘述。
本实施例公开的七电平电路中，直流侧也分为V+、V0、V-三个电位。耦合电感L1的输出端A4的电位是输入端A1、输入端A2和输入端A3和的电位之和的三分之一，即VA4＝(VA1+VA2+VA3)/3。
开关管Q1和开关管Q2组成一个半桥的桥臂，两个开关管互补发波，开关管Q5和开关管Q6也组成一个半桥的桥臂，两个开关管也互补发波，开关管Q9和开关管Q10也组成一个半桥的桥臂，两个开关管也互补发波。另外，开关管Q1和开关管Q5交错120°发波，开关管Q5和开关管Q9交错120°发波。基于此，若开关管Q1、开关管Q5和开关管Q9均开通，A1、A2和A3点的电压均为V+电位，A4点电位为V+；开关管Q1、开关管Q5和开关管Q9三者中的任意一个开通，剩余的两个关断，A3点电位为V+/3；若开关管Q1、开关管Q5和开关管Q9三者中的任意两个开通，剩余的一个关断，A3点电位为2V+/3；开关管Q1、开关管Q5以及开关管Q9都关断时，A3点电位为0，在A3点形成V+、V+/3、2V+/3以及0四个电平。
同理，耦合电感L2的输出端B4的电位是输入端B1、输入端B2和输入端B3的电位之和的三分之一，即VB4＝(VB1+VB2+VB3)/3。开关管Q3和开关管Q4互补发波，开关管Q7和开关管Q8互补发波，开关管Q11和开关管Q12互补发波，开关管Q3和开关管Q7交错120°发波，开关管Q7和开关管Q11交错120°发波，在B3点形成V-、V-/3、2V-/3以及0四个电平。
与上述实施例公开的五电平相同的是，开关管Q13和开关管Q14的公共端也作为七电平电路的一个输出端，开关管Q15和开关管Q16的公共端作为七电平电路的另一个输出端。若开关管Q13开通，开关管Q14关断，可输出V+、V+/3、2V+/3以及0四个电平；若开关管Q13关断，开关管Q14开通，可输出V-、V-/3、2V-/3以及0四个电平。同理，若开关管Q15开通、开关管Q16关断，输出V+、V+/3、2V+/3以及0四个电平，若开关管Q16开通、开关管Q15关断，输出V-、V-/3、2V-/3以及0四个电平。因此，一共有V+、V+/3、2V+/3、V-、V-/3、2V-/3以及0七个电平的输出。
由上述两个实施例公开的五电平电路和七电平电路可以看出：
在五电平电路的基础上，增加一条开关管支路，且增加对应该开关管支路的耦合电容的输入端，实现了七电平的输出。与此类推：在五电平电路的基础上，增加两条开关管支路和两个耦合电容的输入端，能实现九电平的输出，增加三条开关管支路和三个耦合电容的输入端，实现十一电平的输出，因此，可以得出：通过控制与电容支路并联的开关管支路的数量，且对应该开关管支路的数量设置耦合电感的输入端的数量，能够实现不同数量的电平的输出，进而形成输出不同数量的电平的多电平电路。
还需要说明的是，形成的每一种的多电平电路中，由于母线电容都只有两组，减少了母线电容的组数，降低电路设计的复杂度。并且，每一条开关管支路中都是由两个半桥组成，且，两个半桥的公共端接地，还可以保证开关管的压差降低，保证了电路采用较低等级的耐压性能器件的需求。
本申请另一实施例还公开了一种三相五电平电路，参见图6，包括：
电容C1、电容C2、开关管Q1～开关管Q8、开关管Q13～开关管Q16、耦合电感L1、耦合电感L2、开关管Q17～开关管Q24、开关管Q29～开关管Q32、耦合电感L3、耦合电感L4、功率电感L4、功率电感L5以及功率电感L6。
其中，功率电感L4、功率电感L5和功率电感L6用于滤波。电容C1、电容C2、开关管Q1～开关管Q8、开关管Q13～开关管Q16、耦合电感L1以及耦合电感L2的连接方式与对应图2的实施例公开的五电平电路中内容相同，此处不再赘述。并且，开关管Q17～开关管Q24、开关管Q29～开关管Q32、耦合电感L3以及耦合电感L4的连接方式，也可对应参见开关管Q1～开关管Q8、开关管Q13～开关管Q16、耦合电感L1和耦合电感L2的连接方式，此处也不再赘述。
需要说明的是，开关管Q13和开关管Q14的公共端W、开关管Q15和开关管Q16的公共端U、开关管Q29和开关管Q30的公共端X、开关管Q31和开关管Q32的公共端Y分别作为输出端，连接功率电感L4、功率电感L5以及功率电感L6。例如，开关管Q13和开关管Q14的公共端W连接功率电感L5的第一端、开关管Q15和开关管Q16的公共端U连接功率电感L4的第一端、开关管Q29和开关管Q30的公共端X连接功率电感L6的第一端、开关管Q31和开关管Q32的公共端Y连接功率电感L5的第一端，功率电感L4、功率电感L5以及功率电感L6的第二端分别作为电源输出或者输入，功率电感L4的电源为Vac1、功率电感L5的电源为Vac2、功率电感L6的电源为Vac3。
开关管Q13和开关管Q14的公共端W、开关管Q15和开关管Q16的公共端U、开关管Q29和开关管Q30的公共端X、开关管Q31和开关管Q32的公共端Y与功率电感L4、功率电感L5以及功率电感L6的连接方式还可以为其他，此处不一一说明，以下内容也仅以图6绘示的连接方式进行说明。
还需要说明的是，三相五电平电路中的接地点可以引出作为地线，也可以不引出，用于适应不同场景的需求。
结合图6和图7所示，三相电压Vac1、Vac2、Vac3的相位差互相相差120°，为了满足该要求，需要调整开关管Q13、开关管Q14、开关管Q15、开关管Q16、开关管Q29、开关管Q30、开关管Q31以及开关管Q32的开断。并且，开关管Q13、开关管Q14、开关管Q15、开关管Q16、开关管Q29、开关管Q30、开关管Q31、开关管Q32的开断的情况不同，图6虚线框标出的电路101、电路102、电路103和电路104工作情况也会相应调整。
具体的，0-60°时，Vac1和Vac2为正电压，Vac3为负电压，因此，分别用电路101、电路103以及电路104工作，对应的，开关管Q13、开关管Q14、开关管Q15、开关管Q16、开关管Q29、开关管Q30、开关管Q31以及开关管Q32中的开关管Q15、开关管Q30以及开关管Q31开通，其它的关断。
60-120°时，Vac1为正电压，Vac2和Vac3为负电压，因此，分别用电路101、电路102以及电路104工作。对应的，开关管Q13、开关管Q14、开关管Q15、开关管Q16、开关管Q29、开关管Q30、开关管Q31以及开关管Q32中的开关管Q15、开关管Q30、开关管Q14开通，其它的关断。
120-180°时，Vac1和Vac3为正电压，Vac2为负电压，因此，分别用电路101、103工作，Vac2用电路102或电路104工作。对应的，开关管Q13、开关管Q14、开关管Q15、开关管Q16、开关管Q29、开关管Q30、开关管Q31以及开关管Q32中的开关管Q15、开关管Q29、开关管Q14(或开关管Q32)开通，其它的关断。
180-240°时，Vac1和Vac2为负电压，Vac3为正电压，Vac1、Vac3分别用电路102、103，Vac2用电路104。因此，电路102、电路103、电路104正常工作，电路101不工作。对应的，开关管Q13、开关管Q14、开关管Q15、开关管Q16、开关管Q29、开关管Q30、开关管Q31以及开关管Q32中的开关管Q16、开关管Q29以及开关管Q32开通，其它的关断。
240-300°时，Vac2和Vac3为正电压，Vac1为负电压，Vac1、Vac3分别用电路102、103，Vac2用电路101。电路102、103、101正常工作，电路104不工作。对应的，开关管Q13、开关管Q14、开关管Q15、开关管Q16、开关管Q29、开关管Q30、开关管Q31以及开关管Q32中的开关管Q16、开关管Q29、开关管Q13开通，其它的关断。
300-360°时，Vac1和Vac3为负电压，Vac2为正电压，Vac1、Vac3分别用电路102、104，Vac2用电路101或103。电路102、电路104、电路101(或电路103)正常工作，电路103(或电路101)不工作。对应的，开关管Q13、开关管Q14、开关管Q15、开关管Q16、开关管Q29、开关管Q30、开关管Q31以及开关管Q32中的开关管Q16、开关管Q30、开关管Q13(或开关管Q29)开通，其它的关断。
还需要说明的是，电路101～电路104这四个电路进行工作切换时，为避免开关管发生过压的问题，需要开关管Q1～开关管Q8、开关管Q13～开关管Q16、开关管Q17～开关管Q24以及开关管Q29～开关管Q32满足一定的要求。
以Vac1由电路101工作切换到电路102工作为例，参见图8，需要由开关管Q15开通切换到开关管Q16开通，为了保证在切换的过程中，开关管均不能过压的要求，需要过零后有一个周期，开关管Q1～开关管Q8不交错发波。具体的：
t1-t2阶段，开关管Q2和开关管Q6全部关断。
t2-t3阶段，开关管Q3、开关管Q7和开关管Q16全部开通。
t3时刻，开关管Q15关断，此时，正半周电流全部转移到负半周路径。耦合电感L2只有漏感1～2uH，且有钳位二极管D1到正BUS，所以开关管Q15不会过压。
t4时刻，开关管Q3和开关管Q7一起关断，确保一个周期内耦合电感磁平衡。
t5时刻为过零后第二个开关周期，从t5时刻以后，开关管Q1～开关管Q8恢复正常的交错发波。
本申请另一实施例还公开了一种三相七电平电路，参见图9，包括：
电容C1、电容C2、开关管Q1～开关管Q12、开关管Q13～开关管Q16、耦合电感L1、耦合电感L2、开关管Q17～开关管Q28、开关管Q29～开关管Q32、耦合电感L3、耦合电感L4、功率电感L4、功率电感L5以及功率电感L6。
其中，容C1、电容C2、开关管Q1～开关管Q12、开关管Q13～开关管Q16、耦合电感L1以及耦合电感L2的连接方式与对应图5的实施例公开的七电平电路中内容相同，此处不再赘述。并且，开关管Q17～开关管Q28、开关管Q29～开关管Q32、耦合电感L3以及耦合电感L4的连接方式，也可对应参见开关管Q1～开关管Q12、开关管Q13～开关管Q16、耦合电感L1和耦合电感L2的连接方式，此处也不再赘述。
并且，开关管Q13～开关管Q16以及开关管Q29～开关管Q32也是要与功率电感L4、功率电感L5以及功率电感L6建立连接，通过功率电感L4、功率电感L5以及功率电感L6的滤波作用，完成三相交流电Vac1、Vac2、Vac3的输出。具体的内容均可参见上述实施例公开的三相五电平电路的内容，此处也不再赘述。
需要说明的是，本实施例公开的三相七电平电路，与上述实施例公开的三相五电平电路的区别在于：为满足七电平的输出，增加了一条由开关管Q9～开关管Q12组成的开关管主路，和一条由开关管Q25～开关管Q28组成的开关管支路。对应的，电路101～电路104在进行工作切换时，开关管的开断也要保证在切换的过程中开关管均不能过压的要求，即需要过零后有一个周期，开关管Q1～开关管Q12不交错发波。具体可参见对应图8的内容，此处不再赘述。
本申请另一实施例还一种多电平电路的控制方法，用于控制多电平电路中开关管的开断，其中，多电平电路的电路拓扑可参见对应图2和图5的实施例的内容，此处不再赘述。具体的，在多电平电路的工作过程中，所述控制方法具体用于：
控制每一条开关管支路中的第一半桥的两个开关管和第二半桥的两个开关管均互补发波；分别控制相邻两条开关管支路中的第一半桥中的第一开关管之间以及第二半桥中的第二开关管之间均交互N度发波，其中，N为360与所述开关管支路的数量的相除结果。
控制第三半桥和第四半桥中的两个开关管均互补发波。
需要说明的是，本实施例公开的多电平电路的控制方法的具体过程可参见对应图4(a)和图4(b)的内容，此处不再赘述。
本申请另一实施例还公开了一种三相多电平电路的控制方法，用于控制三相多电平电路中的开关管的开断，其中，三相多电平电路的电路拓扑可参见对应图6和图9的实施例的内容，此处也不再赘述。
具体的，本实施例公开的三相多电平电路的控制方法包括：
控制第一多电平生成单元中每一条开关管支路中的第一半桥的两个开关管、以及第二半桥的两个开关管均互补发波，控制相邻两条开关管支路中的第一半桥中的第一开关管之间以及第二半桥中的第二开关管之间均交错N度发波，其中，N为360与所述开关管支路的数量的相除结果。
控制第二多电平生成单元中每一条开关管支路中的第一半桥的两个开关管、以及第二半桥的两个开关管均互补发波，控制相邻两条开关管支路中的第一半桥中的第一开关管之间以及第二半桥中的第二开关管之间均交错N度发波，其中，N为360与所述开关管支路的数量的相除结果。
控制第一逆变单元中的第三半桥和第四半桥中的两个开关管均互补发波。
控制第二逆变单元中的第三半桥和第四半桥中的两个开关管均互补发波。
需要说明的是，本实施例公开的多电平电路的控制方法的具体过程可参见对应图6和图9的实施例中的相应内容，此处不再赘述。
可选地，为了使三相多电平电路的输出端的三相电压，能够满足Vac1、Vac2、Vac3的相位差互相相差120°的要求，上述控制方法还用于在不同的相位角度时，控制不同的开关管的开断，具体的：
在0-60°，控制第一逆变电路中第四半桥中的第一开关管、所述第二逆变电路中的第三半桥中的第二开关管、以及第二逆变电路中的第四半桥中的第一开关管开通；
在60-120°，控制第一逆变电路中第三半桥中的第二开关管、第一逆变电路中第四半桥中的第一开关管、以及第二逆变电路中的第三半桥中的第二开关管开通；
在120-180°，控制第一逆变电路中的第三半桥中的第二开关管、第一逆变电路中的第四半桥中的第一开关管、第二逆变电路中的第三半桥中的第一开关管开通；或者；控制第一逆变电路中的第四半桥中的第一开关管、第二逆变电路中的第三半桥中的第一开关管以及第二逆变电路中的第四半桥中的第二开关管开通；
在180-240°，控制第一逆变电路中的第四半桥中的第二开关管、第二逆变电路中的第三半桥中的第一开关管、以及第二逆变电路中的第四半桥中的第二开关管开通；
在240-300°，控制第一逆变电路中的第四半桥中的第二开关管、第一逆变电路中的第三半桥中的第一开关管、以及第二逆变电路中的第三半桥中的第一开关管开通；
在300-360°，控制第一逆变电路中的第四半桥中的第二开关管、第一逆变电路中的第三半桥中的第一开关管、以及第二逆变电路中的第三半桥中的第二开关管开通；或者，控制第一逆变电路中的第四半桥中的第二开关管、第二逆变电路中的第三半桥中的第一开关管、以及第二逆变电路中的第三半桥中的第二开关管开通。
其中，上述方案的具体实现过程可参见对应图6和图9的实施例中的相应内容，此处也不再赘述。

Claims (12)

1.一种多电平电路，其特征在于，包括：
包含串联的第一电容和第二电容的电容支路，所述第一电容和第二电容的公共端接地；
至少两条、且均与所述电容支路并联的开关管支路，其中，每一条所述开关管支路包括：第一半桥和第二半桥，每一条所述开关管支路的第一半桥和第二半桥的公共端接地；
第一负向耦合电感和第二负向耦合电感，其中，所述第一负向耦合电感的每一个输入端连接唯一一条所述开关管支路的第一半桥中的两个开关管的公共端；所述第二负向耦合电感的每一个输入端连接唯一一条所述开关管支路的第二半桥中的两个开关管的公共端。
2.根据权利要求1所述的多电平电路，其特征在于，所述第一负向耦合电感的输出端和所述第二负向耦合电感的输出端之间分别连接有第三半桥和第四半桥。
3.根据权利要求2所述的多电平电路，其特征在于，所述每一条开关管支路中的第一半桥的两个开关管、第二半桥的两个开关管以及组成所述第三半桥和第四半桥的开关管，均为带体内二极管的IGBT或者MOSFET。
4.根据权利要求1-3中任意一项所述的多电平电路，其特征在于，所述第一负向耦合电感的输出端与所述第一电容未连接所述第二电容的一端之间还连接有钳位二极管；所述第二负向耦合电感的输出端与所述第二电容未连接所述第一电容的一端之间还连接有钳位二极管。
5.一种三相多电平电路，其特征在于，包括：
包含串联的第一电容和第二电容的电容支路，所述第一电容和第二电容的公共端接地；
第一多电平生成单元和第二多电平生成单元，其中，所述第一多电平生成单元和所述第二多电平生成单元分别包括：至少两条、且均与所述电容支路并联的开关管支路、第一负向耦合电感和第二负向耦合电感；其中，每一条所述开关管支路包括：第一半桥和第二半桥，每一条所述开关管支路的第一半桥和第二半桥的公共端接地；所述第一负向耦合电感的每一个输入端连接唯一一条所述开关管支路的第一半桥中的两个开关管的公共端；所述第二负向耦合电感的每一个输入端连接唯一一条所述开关管支路的第二半桥中的两个开关管的公共端；
第一逆变单元和第二逆变单元，其中，所述第一逆变单元包括：连接在所述第一多电平生成单元中的第一负向耦合电感和第二负向耦合电感之间分别连接第三半桥和第四半桥；所述第二逆变单元包括：连接在所述第二多电平生成单元中的第一负向耦合电感和第二负向耦合电感之间分别连接第三半桥和第四半桥；
第一功率电感、第二功率电感以及第三功率电感，其中，所述第一功率电感连接所述第一逆变单元中的第四半桥中的两个开关管的公共端，所述第二功率电感分别连接所述第一逆变单元中的第三半桥中的两个开关管的公共端，以及所述第二逆变单元中的第四半桥的公共端；所述第三功率电感连接所述第二逆变单元中的第三半桥的公共端。
6.根据权利要求5所述的三相多电平电路，其特征在于，所述第一多电平生成单元和所述第二多电平生成单元中的每一条开关管支路中的第一半桥的两个开关管、第二半桥的两个开关管以及所述第一逆变单元和所述第二逆变单元中的第三半桥和第四半桥的开关管，均为带体内二极管的IGBT或者MOSFET。
7.根据权利要求5或6所述的三相多电平电路，其特征在于，所述第一多电平生成单元和所述第二多电平生成单元中的第一负向耦合电感的输出端与所述第一电容未连接所述第二电容的一端之间还连接有钳位二极管；所述第一多电平生成单元和所述第二多电平生成单元中的所述第二负向耦合电感的输出端与所述第二电容未连接所述第一电容的一端之间还连接有钳位二极管。
8.根据权利要求5或6所述的三相多电平电路，其特征在于，所述三相多电平电路中的接地端还用于外接三相电源的公共端，形成三相电源的地线。
9.一种多电平电路的控制方法，其特征在于，应用于如权利要求1或4所述的多电平电路，其中，所述控制方法包括：
控制每一条开关管支路中的第一半桥的两个开关管和第二半桥的两个开关管均互补发波；分别控制相邻两条开关管支路中的第一半桥中的第一开关管之间以及第二半桥中的第二开关管之间均交互N度发波，其中，所述N为360与所述开关管支路的数量的相除结果。
10.一种多电平电路的控制方法，其特征在于，应用于如权利要求2或3所述的多电平电路，其中，所述控制方法包括：
控制每一条开关管支路中的第一半桥的两个开关管和第二半桥的两个开关管均互补发波；分别控制相邻两条开关管支路中的第一半桥中的第一开关管之间以及第二半桥中的第二开关管之间均交互N度发波，其中，所述N为360与所述开关管支路的数量的相除结果；
控制所述第三半桥和所述第四半桥中的两个开关管均互补发波。
11.一种三相多电平电路的控制方法，其特征在于，应用于如权利要求5-8中任一项所述的三相多电平电路，其中，所述控制方法包括：
控制所述第一多电平生成单元中每一条开关管支路中的第一半桥的两个开关管、以及第二半桥的两个开关管均互补发波，控制相邻两条开关管支路中的第一半桥中的第一开关管之间以及第二半桥中的第二开关管之间均交错N度发波，其中，所述N为360与所述开关管支路的数量的相除结果；
控制所述第二多电平生成单元中每一条开关管支路中的第一半桥的两个开关管、以及第二半桥的两个开关管均互补发波，控制相邻两条开关管支路中的第一半桥中的第一开关管之间以及第二半桥中的第二开关管之间均交错N度发波，其中，所述N为360与所述开关管支路的数量的相除结果；
控制所述第一逆变单元中的第三半桥和所述第四半桥中的两个开关管均互补发波；
控制所述第二逆变单元中的第三半桥和所述第四半桥中的两个开关管均互补发波。
12.根据权利要求11所述的控制方法，其特征在于，还包括：
在0-60°，控制所述第一逆变单元中第四半桥中的第一开关管、所述第二逆变单元中的第三半桥中的第二开关管、以及所述第二逆变单元中的第四半桥中的第一开关管开通；
在60-120°，控制所述第一逆变单元中第三半桥中的第二开关管、所述第一逆变单元中第四半桥中的第一开关管、以及所述第二逆变单元中的第三半桥中的第二开关管开通；
在120-180°，控制所述第一逆变单元中的第三半桥中的第二开关管、所述第一逆变单元中的第四半桥中的第一开关管、所述第二逆变单元中的第三半桥中的第一开关管开通；或者；控制所述第一逆变单元中的第四半桥中的第一开关管、所述第二逆变单元中的第三半桥中的第一开关管以及所述第二逆变单元中的第四半桥中的第二开关管开通；
在180-240°，控制所述第一逆变单元中的第四半桥中的第二开关管、所述第二逆变单元中的第三半桥中的第一开关管、以及所述第二逆变单元中的第四半桥中的第二开关管开通；
在240-300°，控制所述第一逆变单元中的第四半桥中的第二开关管、所述第一逆变单元中的第三半桥中的第一开关管、以及所述第二逆变单元中的第三半桥中的第一开关管开通；
在300-360°，控制所述第一逆变单元中的第四半桥中的第二开关管、所述第一逆变单元中的第三半桥中的第一开关管、以及所述第二逆变单元中的第三半桥中的第二开关管开通；或者，控制所述第一逆变单元中的第四半桥中的第二开关管、所述第二逆变单元中的第三半桥中的第一开关管、以及所述第二逆变单元中的第三半桥中的第二开关管开通。
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