CN108322079A - 五电平拓扑单元及五电平交直流变换器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种五电平拓扑单元。该五电平拓扑单元包括第一开关器件、第二开关器件、第三开关器件、第四开关器件、第五开关器件、第六开关器件、第七开关器件、第八开关器件、第九开关器件、第十开关器件；第一电容、第二电容、第三电容及第四电容；五电平拓扑单元在各开关器件的作用下工作在五个工作模态，以满足交流端的交流电压。本发明还涉及一种五电平交直流变换器。上述五电平拓扑单元及五电平交直流变换器，在直流电压一定时，交流端的交流电的最大幅值更高。因此，可降低交流侧并网变压器和交流线缆的成本及损耗，从而降低整个系统的成本；并且系统可靠性高，效率高；开关器件的封装结构的通用性高，体积小。

Description

五电平拓扑单元及五电平交直流变换器

技术领域

本发明涉及电力电子技术领域，特别涉及一种五电平拓扑单元及五电平交直流变换器。

背景技术

双向交直流变换器是一种将直流电能转换成交流电能或者将交流电能转换成直流电能的变换器。随着社会的不断发展和进步，人类对能源的需求日益增加，光伏、储能等新能源在能源比重占比也越来越大。作为其核心，光伏直流变换器及储能变流器在近年的市场竞争中也越来越激烈。为了满足市场需求，越来越多的多电平交直流变换器推入市场，例如五电平交直流变换器。

目前市场上的五电平交直流变换器，具有复杂的均压措施和吸收电路，这会导致五电平交直流变换器的损耗大，效率低，最终导致五电平交直流变换器的成本较高。

发明内容

基于此，有必要针对五电平交直流变换器的这些问题，提供一种五电平拓扑单元及五电平交直流变换器。

一种五电平拓扑单元，包括：

第一开关器件、第二开关器件、第三开关器件、第四开关器件、第五开关器件、第六开关器件、第七开关器件、第八开关器件、第九开关器件、第十开关器件；第一电容、第二电容、第三电容及第四电容；

所述五电平拓扑单元与直流电源连接；所述直流电源的直流正端与直流负端之间并联有第一支路、第二支路和第三支路；

其中，所述第一支路包括相连的所述第一电容和所述第二电容，所述第一电容和所述第二电容之间的电路中点作为第一连接端；所述第一电容未连接所述第一连接端的电极连接直流电源的直流正端，所述第二电容未连接所述第一连接端的电极连接所述直流电源的直流负端；

所述第二支路包括依次连接的所述第二开关器件、所述第三开关器件、所述第四开关器件和所述第五开关器件，所述第二开关器件未连接所述第三开关器件的一端与所述直流正端连接，所述第五开关器件未连接所述第四开关器件的一端与所述直流负端连接；

所述第三直流包括依次连接的所述第一开关器件、所述第七开关器件、所述第八开关器件及所述第六开关器件，所述第一开关器件未连接所述第七开关器件的一端连接所述直流正端，所述第六开关器件未连接所述第八开关器件的一端连接所述直流负端；所述第七开关器件和所述第八开关器件的公共连接端作为交流端；

所述第九开关器件和所述第十开关器件设置于所述第一连接端和所述交流端之间的电路上；

所述第一开关器件和所述第七开关器件之间的公共连接端通过所述第三电容与所述第二开关器件与所述第三开关器件的公共连接端连接；所述第六开关器件和所述第八开关器件的公共连接端通过所述第四电容与所述第四开关器件与所述第五开关器件的公共连接端连接；

在所述五电平拓扑单元的一个工作周期内，所述五电平拓扑单元依次工作在所述第一工作模态、所述第二工作模态、所述第三工作模态、所述第二工作模态、所述第一工作模态、所述第四工作模态、所述第五工作模态、所述第四工作模态及所述第一工作模态，以使得所述交流端输出交流电压；

当所述五电平拓扑单元工作在所述第一工作模态时，所述交流端的电压为零；

当所述五电平拓扑单元工作在第二工作模态时，所述五电平拓扑单元交流端的电压与所述直流正端的电压相等；

当所述五电平拓扑单元工作在所述第三工作模态时，所述交流端的电压为所述直流正端的电压的两倍；

当所述五电平拓扑单元工作在所述第四工作模态时，所述交流端的电压与所述直流负端相等；

当所述五电平拓扑单元工作在所述第五工作模态时，所述交流端的电压是所述直流负端电压的两倍。

在其中一个实施例中，所述第一开关器件、第三开关器件、第四开关器件、第六开关器件、第九开关器件、第十开关器件导通，其他开关器件截止，以使所述五电平拓扑单元工作在第一工作模态；

第一开关器件、第三开关器件、第四开关器件、第六开关器件、第七开关器件、第十开关器件导通，其他开关器件截止，以使所述五电平拓扑单元工作在第二工作模态；

第二开关器件、第四开关器件、第六开关器件、第七开关器件导通，其他开关器件截止，以使所述五电平拓扑单元工作在第三工作模态；

第一开关器件、第三开关器件、第四开关器件、第六开关器件、第八开关器件、第九开关器件导通，其他开关器件截止，以使所述五电平拓扑单元工作在第四工作模态；

第一开关器件、第三开关器件、第五开关器件、第八开关器件导通，其他开关器件截止，以使所述五电平拓扑单元工作在第五工作模态。

在其中一个实施例中，所述五电平拓扑单元还包括第一电感；所述第三开关器件和所述第四开关器件的公共连接端通过第一电感与第一连接端连接。

在其中一个实施例中，所述五电平拓扑单元还包括第十三二极管和第十四二极管，所述第十三二极管的阳极与所述第一连接端连接，所述第十三二极管的阴极与所述第二开关器件和所述第三开关器件的公共连接端连接；所述第十四二极管的阴极与所述第一连接端连接，所述第十四二极管的阳极与所述第四开关器件与所述第五开关器件的公共连接端连接。

在其中一个实施例中，所述第九开关器件与所述第十开关器件串联，所述第九开关器件连接所述第一连接端，所述第十开关器件连接所述交流端。

在其中一个实施例中，所述第九开关器件与所述第十开关器件反并联，所述第九开关器件与所述第十开关器件的一公共连接端与所述第一连接端连接，另一公共连接端与所述交流端连接。

一种五电平交直流变换器包括：

上述任一实施例所述的五电平拓扑单元；

控制单元，用于控制所述五电平拓扑单元中各开关器件的导通状态或截止状态，以使得五电平交直流变换器工作在相应的模态。

在其中一个实施例中，所述控制单元与各所述开关器件分别连接；所述控制单元的控制信号包括第一电压信号、第二电压信号及第三电压信号；所述控制单元通过将所述第一电压信号与所述第二电压信号的电压值在同一时刻的比较结果作为所述第一开关器件、所述第二开关器件、所述第三开关器件、所述第四开关器件、所述第五开关器件及所述第六开关器件的驱动信号；

所述控制单元通过将所述第一电压信号与所述第三电压信号的电压值在同一时刻的比较结果作为所述第七开关器件、所述第八开关器件、所述第九开关器件、所述第十开关器件的驱动信号；各所述开关器件在相应的驱动信号下导通或截止。

在其中一个实施例中，所述第一电压信号的波形为正弦波；所述第二电压信号和所述第三电压信号的波形分别三角波。

在其中一个实施例中，所述的五电平交直流变换器还包括：

交流侧滤波单元，所述交流滤波单元的一端与所述五电平拓扑单元的交流端连接，所述交流滤波单元用于改善所述交流端的交流电的波形。

上述五电平拓扑单元及五电平交直流变换器，将直流电源的直流电转换成为交流电输出或者将交流侧的交流电转换成直流侧的直流电输出。在所述五电平拓扑单元的一个工作周期内，所述五电平拓扑单元依次工作在所述第一工作模态、所述第二工作模态、所述第三工作模态、所述第二工作模态、所述第一工作模态、所述第四工作模态、所述第五工作模态、所述第四工作模态及所述第一工作模态。当工作在第一工作模态时，交流端的电压为零。当工作在第二工作模态时，交流端的电压与直流正端的电压相等。当工作在第三工作模态时，交流端的电压为直流正端的电压的两倍。当工作在第四工作模态时，交流端的电压与直流负端相等。当工作在第五工作模态时，交流端的电压是直流负端电压的两倍。因此，在直流电源的直流电压一定时，交流端的交流电的最大幅值是直流电压的两倍。也就是说，在直流电源的直流电压一定时，交流端的交流电的幅值更高，交流电的电压有效值更高。在相同功率等级下，由于其交流侧电压更高则其交流电流较小。这样，五电平拓扑单元转换效率高，且损耗小。因此，在相同功率等级下，五电平拓扑单元的成本较低。另外，在负载需求较高交流电压时，由于交流电流小，可以降低交直流变换器交流侧的隔离变压器及交流线缆的成本，从而降低系统的成本。

附图说明

图1为一实施例的五电平拓扑单元的电路示意图；

图2是图1所示的五电平拓扑单元工作在第一工作模态时的等效电路图；

图3是图1所示的五电平拓扑单元工作在第二工作模态时的等效电路图；

图4是图1所示的五电平拓扑单元工作在第三工作模态时的等效电路图；

图5是图1所示的五电平拓扑单元工作在第四工作模态时的等效电路图；

图6是图1所示的五电平拓扑单元工作在第五工作模态时的等效电路图；

图7为一实施例的五电平拓扑单元工作时各开关器件及交流端的工作时序波形图；

图8为另一实施例的五电平拓扑单元的电路示意图；

图9为又一实施例的五电平拓扑单元的电路示意图；

图10为一实施例五电平交直流变换器中各电压信号、各开关器件及交流端的工作时序图；

图11为一实施例的单相五电平交直流变换器的示意图；

图12为一实施例的三相三线五电平交直流变换器的示意图；

图13为另一实施例的三相三线五电平交直流变换器的示意图；

图14为一实施例的三相四线五电平交直流变换器的示意图。

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。

图1为一实施例的五电平拓扑单元200的电路示意图。该五电平拓扑单元200应用于五电平交直流变换器中，五电平拓扑单元200用于将直流电源100的直流电转变为交流电输出。

该五电平拓扑单元200包括：第一开关器件Q1、第二开关器件Q2、第三开关器件Q3、第四开关器件Q4、第五开关器件Q5、第六开关器件Q6、第七开关器件Q7、第八开关器件Q8、第九开关器件Q9、第十开关器件Q10、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3及第四电容C4。

如图1所示，本实施例中，所有的开关器件是开关管，任一开关管反并联一个二极管。在其它实施例中，开关器件也可以是开关管以外的开关，例如光电开关等，只要能够实现电路的导通与断开即可。

五电平拓扑单元200中各器件的连接关系如下：直流电源的直流正端与直流负端之间并联有第一支路、第二支路和第三支路。

第一支路包括相连的第一电容和第二电容。即第一电容C1和第二电容C2连接，第一电容C1和第二电容C2之间的电路中点作为第一连接端M1；第一电容C1未连接第一连接端M1的电极连接直流电源100的直流正端DC+，第二电容C2未连接第一连接端M1的电极连接直流电源100的直流负端DC-。即第一电容C1未连接第一连接端M1的电极连接直流电源100的正母线，第二电容C2未连接第一连接端M1的电极连接直流电源100的负母线，第一连接端M1为母线中点M1，以母线中点M1电压为参考点，电压设为零。本实施例中，在描述各点的电压值时，参考点均为母线中点M1。

第二支路包括依次连接的第二开关器件、第三开关器件、第四开关器件和第五开关器件。即第二开关器件Q2、第三开关器件Q3、第四开关器件Q4和第五开关器件Q5依次连接，第二开关器件Q2未连接第三开关器件的一端与直流正端DC+连接，第五开关器件Q5未连接第四开关器件的一端与直流负端DC-连接。第二开关器件Q2和第三开关器件Q3之间的公共连接端为第二连接端M2。这样，第二开关器件Q2、第三开关器件Q3、第四开关器件Q4和第五开关器件Q5可以使用I型三电平结构封装，以降低封装成本，增加其可靠性和通用性。

第三支路包括依次连接的第一开关器件、第七开关器件、第八开关器件及第六开关器件。第一开关器件Q1、第七开关器件Q7、第八开关器件Q8及第六开关器件Q6依次连接，第一开关器件Q1未连接第七开关器件的一端连接直流正端DC+，第六开关器件Q6未连接第八开关器件的一端连接直流负端DC-；第九开关器件Q9和第十开关器件Q10的公共连接端作为交流端AC。第十开关器件Q10和第九开关器件Q9设置于第一连接端和交流端之间的电路上。本实施例中，第九开关器件Q9与第十开关器件Q10串联，第九开关器件Q9连接第一连接端，第十开关器件Q10连接交流端AC。这样，第七开关器件Q7、第十开关器件Q10、第九开关器件Q9、第八开关器件Q8可以使用T型三电平结构封装，以降低封装成本，增加其可靠性和通用性,并降低封装成本。

第一开关器件Q1和第七开关器件Q7之间的公共连接端(定义为第三连接端M3)通过第三电容C3与第二开关器件Q2与第三开关器件Q3的公共连接端(定义为第五连接端M5)连接。即第一开关器件Q1、第七开关器件Q7和第三电容C3的公共连接端为第三连接端M3。第二开关器件Q2、第三开关器件Q3和第三电容C3的公共连接端为第五连接端M5。

第六开关器件Q6和第八开关器件Q8的公共连接端(定义为第四连接端M4)通过第四电容C4与第四开关器件Q4与第五开关器件Q5的公共连接端(定义为第六连接端M6)连接。第六开关器件Q6、第八开关器件Q8和第四电容C4的公共连接端为第四连接端M4。第四开关器件Q4、第五开关器件Q5和第四电容C4的公共连接端定义为第六连接端M6。

图2是图1所示的五电平拓扑单元200工作在第一工作模态H1时的等效电路图；图3是图1所示的五电平拓扑单元200工作在第二工作模态H2时的等效电路图；图4是图1所示的五电平拓扑单元200工作在第三工作模态H3时的等效电路图；图5是图1所示的五电平拓扑单元200工作在第四工作模态H4时的等效电路图；图6是图1所示的五电平拓扑单元200工作在第五工作模态H5时的等效电路图。五电平拓扑单元200工作在五个工作模态包括第一工作模态H1、第二工作模态H2、第三工作模态H3、第四工作模态H4和第五工作模态H5。

五电平拓扑单元200的第一工作模态H1、第二工作模态H2、第三工作模态H3、第四工作模态H4和第五工作模态H5中的各开关器件的工作状态如下：

第一工作模态H1：第一开关器件Q1、第三开关器件Q3、第四开关器件Q4、第六开关器件Q6、第九开关器件Q9、第十开关器件Q10导通，其他开关器件截止。第一工作模态H1的等效电路如图2所示。即本实施例中，交流端AC通过第九开关器件Q9、第十开关器件Q10、第九二极管D9、第十二极管D10、第十一二极管D11、第十二二极管D12与母线中点M1连接，处于续流模式。即交流端AC的电压与母线中点M1的电压相等。

第二工作模态H2：第一开关器件Q1、第三开关器件Q3、第四开关器件Q4、第六开关器件Q6、第七开关器件Q7、第十开关器件Q10导通，其他开关器件截止。第二工作模态H2的等效电路图如图3所示，此时，直流正端DC+通过第一二极管D1、第七开关器件Q7给交流端AC提供电流。或者交流端AC通过第七二极管D7和第一开关器件Q1给直流正端DC+提供电流；同时直流正端DC+通过第一二极管D1、第三开关器件Q3和第一电感L1给第三电容C3充电或者第三电容C3通过第一电感L1、第三二极管D3和第一开关器件Q1给直流侧提供电流。并且在这个工作模态中，第一电容C1给第三电容C3充电，因此，最终第一电容C1和第三电容C3两端的电压相等。即在第二工作模态H2下，第一电容C1和第三电容C3并联，交流端AC的电压等于第一电容C1和第三电容C3两端的电压。

第三工作模态H3：第二开关器件Q2、第四开关器件Q4、第六开关器件Q6、第七开关器件Q7导通，其他开关器件截止。第三工作模态H3的等效电路图如图4所示。第三连接端M3的电位被抬高到第一电容C1和第三电容C3两端电压之和，电压以母线中点M1为参考点。即当工作在第三工作模态H3时，交流端AC的电压为直流正端DC+的电压的两倍。在这个过程中，直流正端DC+通过第二开关器件Q2、第三电容C3、第七开关器件Q7给交流端AC提供电流。或者交流端AC端通过第七二极管D7、第三电容C3和第二二极管D2给直流正端DC+提供电流。

第四工作模态H4：第一开关器件Q1、第三开关器件Q3、第四开关器件Q4、第六开关器件Q6、第八开关器件Q8、第九开关器件Q9导通，其他开关器件截止。第四工作模态H4的等效电路图如图5所示。在这个过程中，交流端AC通过第六二极管D6和第八开关管给直流负端DC-提供电流。或者直流负端DC-通过第八二极管D8和第六开关管给交流端AC提供电流。同时直流负端DC-通过第六二极管D6、第四开关管和第一电感L1给第四电容C4充电或者第四电容C4通过第一电感L1、第四二极管D4和第六开关管给直流侧提供电流。即当工作在第四工作模态H4时，交流端AC的电压与直流负端DC-相等。

第五工作模态H5：第一开关器件Q1、第三开关器件Q3、第五开关器件Q5、第八开关器件Q8导通，其他开关器件截止。第五工作模态H5的等效电路如图6所示。在这个过程中，以母线中点M1为参考点，第四连接端M4的电位被拉低到第二电容C2和第四电容C4两端电压之和。即当工作在第五工作模态H5时，交流端AC的电压是直流负端DC-电压的两倍。具体地，交流端AC的电压的极性与直流负端DC-的电压相同，而电压的绝对值是直流负端DC-电压的绝对值的两倍。交流端AC通过第八开关器件Q8、第四电容C4、第五开关器件Q5给直流负端DC-提供电流。或者直流负端DC-通过第五二极管D5、第四电容C4、第八二极管D8给交流端AC提供电流。

需要说明的是，本实施例中，所有的电压的参考点都是母线中点M1。

图7为一实施例的五电平拓扑单元200工作时各开关器件及交流端AC的工作时序波形图。在图7中，第一开关器件Q1、第二开关器件Q2、第三开关器件Q3、第四开关器件Q4、第五开关器件Q5、第六开关器件Q6、第七开关器件Q7、第八开关器件Q8、第九开关器件Q9、第十开关器件Q10及交流端AC各自的时序图的横坐标均为相同的时间轴。纵坐标为电压值。在五电平拓扑单元200的一个工作周期内，五电平拓扑单元200依次工作在第一工作模态H1、第二工作模态H2、第三工作模态H3、第二工作模态H2、第一工作模态H1、第四工作模态H4、第五工作模态H5、第四工作模态H4及第一工作模态H1，以使得交流端AC输出五电平交流电压。例如，在交流端AC的时序波形图中，分别对应了5个工作模态之间的切换。又如，在第一开关器件Q1的工作时序图中，高电平代表第一开关器件Q1导通，低电平代表第一开关器件Q1截止。其它开关器件的时序图类似。因此，在图7中，在一个工作模态下，便可以对应到各开关器件的工作状态。

上述五电平拓扑单元200，交流端AC输出的交流电为正弦波。当工作在第一工作模态H1时，交流端AC的电压为零。当工作在第二工作模态H2时，交流端AC的电压与直流正端DC+的电压相等。当工作在第三工作模态H3时，交流端AC的电压为直流正端DC+的电压的两倍。当工作在第四工作模态H4时，交流端AC的电压与直流负端DC-相等。当工作在第五工作模态H5时，交流端AC的电压是直流负端DC-电压的两倍。因此，在直流电源100的直流电压一定时，交流端AC的交流电的最大幅值是直流电压的两倍。也就是说，在直流电源100的直流电压一定时，交流端AC输出的交流电的幅值更高，交流电的电压有效值更高。在相同功率等级下，由于其交流侧电压更高则其交流电流较小。这样，五电平拓扑单元转换效率高，且损耗小。因此，在相同功率等级下，五电平拓扑单元的成本较低。另外，在负载需求较高交流电压时，由于交流电流小，可以降低交直流变换器交流侧的隔离变压器及交流线缆的成本，从而降低系统的成本。

另外，上述五电平拓扑单元200具有较小的电流循环路径和较低的开关管应力。例如。第一开关器件Q1和第六开关器件Q6及反并联的二极管无开关损耗。第二开关器件Q2、第三开关器件Q3、第四开关器件Q4、第五开关器件Q5、第七开关器件Q7、第八开关器件Q8、第九开关器件Q9、第十开关器件Q10及它们所并联的二极管的电压应力仅为母线电压的一半。上述五电平拓扑单元200，在一定母线电压和一定输出电流下其开关管的总损耗与对应的三电平拓扑单元的开关管的总损耗基本一致。但由于在相同母线电压下，上述五电平拓扑单元200能够满足的输出电压是三电平拓扑单元的两倍，因此，上述五电平拓扑单元200可以减少其交流侧成本，比如，降低其交流升压变压器及线缆的成本。因为在一定功率下上述五电平拓扑单元200的开关管总损耗是传统三电平开关管总损耗的一半，因此，上述五电平拓扑单元200可以降低器件的损耗，从而延长寿命。

请继续参照图1，本实施例中，五电平拓扑单元200还包括第一电感L1。第二连接端M2通过第一电感L1与第一连接端M1连接。第一电感L1用于限制第三电容C3和第四电容C4的充电电流，以起到保护作用。

需要说明的是，第一电感L1在电路中的位置和数量不局限于此，只要能够限制第三电容C3和第四电容C4的的充放电电流变化率即可。

图8为另一实施例的五电平拓扑单元300的电路示意图。如图8所示，一实施例中，五电平拓扑单元300还包括第十三二极管D13和第十四二极管D14。第十三二极管D13的阳极与第一连接端M1连接，第十三二极管D13的阴极与第二开关器件Q2和第三开关器件Q3的公共连接端连接。即第十三二极管D13的阴极与第五连接端M5连接。第十四二极管D14的阴极与第一连接端M1连接，第十四二极管D14的阳极与第四开关器件Q4与第五开关器件Q5的公共连接端连接。即第十四二极管D14的阳极与第六连接端M6连接。这样，五电平拓扑单元300中的第二开关器件Q2、第三开关器件Q3、第四开关器件Q4及第五开关器件Q5可以使用现有的I型三电平结构封装模块封装。这样可以减少重新做封装带来的成本压力，降低了五电平拓扑单元300的封装成本，从而降低系统的成本并提高其可靠性和通用性。

图9为又一实施例的五电平拓扑单元800的电路示意图。第九开关器件Q9与第十开关器件Q10反并联，第九开关器件Q9与第十开关器件Q10的一公共连接端与第一连接端M1连接，另一公共连接端与交流端AC连接。这样，第七开关器件Q7、第十开关器件Q10、第九开关器件Q9、第八开关器件Q8也可以使用T型三电平结构封装，以降低封装成本，增加其可靠性和通用性,并降低封装成本。

一种五电平交直流变换器，用于将直流电源100的直流电转换为交流电。该五电平变换器包括控制单元和上述任一实施例的五电平拓扑单元。控制单元用于控制五电平拓扑单元中各开关器件的导通状态或截止状态，以使得交流端AC输出交流电压。本实施例中，五电平拓扑单元的所有开关器件均为开关管。

上述五电平交直流变换器，将直流电源100的直流电转换成为交流电输出或将交流侧的交流电转换为直流电输出。在五电平拓扑单元的一个工作周期内，五电平拓扑单元依次工作在第一工作模态H1、第二工作模态H2、第三工作模态H3、第二工作模态H2、第一工作模态H1、第四工作模态H4、第五工作模态H5、第四工作模态H4及第一工作模态H1。即五电平拓扑单元的交流端AC的交流电为正弦波。当工作在第一工作模态H1时，交流端AC的电压为零。当工作在第二工作模态H2时，交流端AC的电压与直流正端DC+的电压相等。当工作在第三工作模态H3时，交流端AC的电压为直流正端DC+的电压的两倍。当工作在第四工作模态H4时，交流端AC的电压与直流负端DC-相等。当工作在第五工作模态H5时，交流端AC的电压是直流负端DC-电压的两倍。因此，在直流电源100的直流电压一定时，交流端AC的交流电的幅值是直流电压的两倍。也就是说，在直流电源100的直流电压一定时，交流端AC的交流电的幅值更高，交流电的电压有效值更高。在相同功率等级下，由于其交流侧电压更高则其交流电流较小。这样，五电平拓扑单元转换效率高，且损耗小。因此，在相同功率等级下，五电平拓扑单元的成本较低。另外，在负载需求较高交流电压时，由于交流电流小，可以降低交直流变换器交流侧的隔离变压器及交流侧线缆的成本，从而降低系统的成本。

本实施例中，控制单元与各开关器件分别连接，控制单元为各开关器件分别提供驱动信号。各开关器件在相应的驱动信号下导通或截止。因此，控制单元通过驱动信号控制各开关器件的工作时序，以使五电平拓扑单元输出符合预设时序的交流电。

控制单元的控制信号包括第一电压信号、第二电压信号及第三电压信号；控制单元通过将第一电压信号与第二电压信号的电压值在同一时刻的比较结果作为第一开关器件、第二开关器件、第三开关器件、第四开关器件、第五开关器件及第六开关器件的驱动信号。

控制单元通过将第一电压信号与第三电压信号的电压值在同一时刻的比较结果作为第七开关器件、第八开关器件、第九开关器件、第十开关器件的驱动信号。

图10为一实施例五电平交直流变换器中各电压信号、各开关器件及交流端AC的工作时序图。如图9所示，本实施例中，第一电压信号是正弦波；第二电压信号是三角波；第三电压信号是三角波。例如，第一电压信号是调制波C。第二电压信号是第一三角波，即载波A，第三电压信号是第二三角波，即载波B。与图7类似，图9中，载波A、载波B及调制波C的横坐标均为相同的时间轴，纵坐标为电压值。在同一时刻，载波A和调制波C的电压值的大小决定了相应的开关器件的导通或截止。载波A和载波B可以具有相同的频率和幅值，也可具有不同的频率和幅值。以下就各开关器件的驱动信号的产生分别介绍。

第一开关管Q1的驱动信号由调制波C与载波A进行比产生。当调制波C的电压值小于载波A的电压值时第一开关管Q1导通，反之截止。

第二开关管Q2的驱动信号由调制波C与载波A进行比较产生。当调制波C的电压值大于载波A的电压值时第二开关管Q2导通，反之截止。

第三开关管Q3的驱动信号由调制波C与载波A进行比较产生。当调制波C的电压值小于载波A的电压值时第三开关管Q3导通，反之截止；

第四开关管Q4的驱动信号由调制波C的反向波与载波A进行比较产生。当调制波C的反向波(即电压值，不考虑极性)小于载波A的电压值时第四开关管Q4导通，反之截止。

第五开关管Q5的驱动信号由调制波C的反向波与载波A进行比较产生。当调制波C的反向波大于载波A的电压值时第五开关管Q5导通，反之截止。

第六开关管Q6的驱动信号由调制波C的反向波与载波A进行比较产生。当调制波C的反向波小于载波A的电压值时第六开关管Q6导通，反之截止。

第七开关管Q7的驱动信号由调制波C与载波B进行比较产生。当调制波C的电压值大于载波B的电压值时第七开关管Q7导通，反之截止。

第八开关管Q8的驱动信号由调制波C的反向波与载波B进行比较产生。当调制波C的反向波大于载波B的电压值时第八开关管Q8导通，反之截止。

第九开关管Q9的驱动信号由调制波C与载波B进行比较产生。当调制波C在正半周时，当调制波C小于载波B时第九开关管Q9导通，反之截止；当调制波C在负半周时，当调制波C的反向波小于载波B的峰值时，第九开关管Q9导通，反之截止；

第十开关管Q10的驱动信号由调制波C的反向波与载波B进行比较产生。当调制波C在负半周时，当调制波C的反向波小于载波B时第十开关管(Q10)导通，反之截止；当调制波C在正半周时，当调制波C小于载波B的峰值时，第十开关管(Q10)导通，反之截止

如上述，在五电平拓扑单元200的一个工作周期内，五电平拓扑单元200依次工作在第一工作模态H1、第二工作模态H2、第三工作模态H3、第二工作模态H2、第一工作模态H1、第四工作模态H4、第五工作模态H5、第四工作模态H4及第一工作模态H1，以使得交流端AC交流电压。因此，在各工作模态相应的时间段内，相应地控制各开关管的导通或截止，即可输出符合预期的交流电信号。

一实施例中，五电平交直流变换器还包括交流侧滤波单元。交流滤波单元的一端与五电平拓扑单元的交流端AC连接，交流滤波单元用于改善交流端AC的交流电的波形，以使得交流端AC的交流电的波形更为平滑。另外，交流侧滤波单元也可以滤除噪声。通常，交流侧滤波单元由电容及电感组成。

以下就常见的几种例子说明五电平交直流变换器。

图11为一实施例的单相五电平交直流变换器400的示意图。该五电平交直流变换器400中五电平拓扑单元的数量为两个，分别为第一五电平拓扑单元410和第二五电平拓扑单元420。两个五电平拓扑单元的直流正端DC+连接在一起，两个五电平拓扑单元的直流负端DC-连接在一起，两个五电平拓扑单元的第一连接端M1连接在一起。第一五电平拓扑单元410输出的交流电和第二五电平拓扑单元420的交流电之间的相位差为180°，以满足单相电应用需求。

具体地，用于产生第一五电平拓扑单元410驱动信号的调制波的相位与用于产生第二五电平拓扑单元420驱动信号的调制波的相位相差180°，以使得第一五电平拓扑单元410的交流电和第二五电平拓扑单元420的交流电之间的相位差为180°。

如图10所示，五电平交直流变换器400还包括交流侧滤波单元430。交流侧滤波单元430包括第二电感La、第三电感Lb和第五电容Cg。第二电感La的一端与第一五电平拓扑单元410的交流端AC连接。第三电感Lb的一端与第二五电平拓扑单元420的交流端AC连接，第二电感La的另一端通过第一交流负载Vg与第三电感Lb的另一端连接。第五电容Cg于第一交流负载Vg并联。因此，交流侧滤波单元430可以使得第一交流负载Vg处的交流电的波形更光滑。

图12为一实施例的三相三线五电平变换器500的示意图。该三相三线五电平变换器500中，五电平拓扑单元的数量为三个，分别为第三五电平拓扑单元510、第四五电平拓扑单元520和第五五电平拓扑单元530。三个五电平拓扑单元的直流正端DC+连接在一起，三个五电平拓扑单元的直流负端DC-连接在一起，三个五电平拓扑单元的第一连接端M1连接在一起。第三五电平拓扑单元510、第四五电平拓扑单元520和第五五电平拓扑单元530的交流电的相位依次相差120°，以满足三相电应用需求。

具体地，用于产生第一五电平拓扑单元驱动信号的调制波的相位、用于产生第二五电平拓扑单元驱动信号的调制波的相位及用于产生第二五电平拓扑单元驱动信号的调制波的相位之间依次相差120°，以使得第一五电平拓扑单元输出的交流电、第二五电平拓扑单元输出的交流电及第三五电平拓扑单元510输出的交流电之间的相位差为120°。

本实施例中，五电平交直流变换器500还包括交流侧滤波单元540。交流侧滤波单元540包括第四电感La、第五电感Lb、第六电感Lc、第六电容Ca、第七电容Cb和第八电容Cc。第四电感La的一端与第三五电平拓扑单元510的交流端AC连接，第四电感La的另一端分别与第六电容Ca的一个电极和第二交流负载VGa的一端连接。第五电感Lb的一端与第四五电平拓扑单元520的交流端AC连接，第五电感Lb的另一端分别与第七电容Cb的一个电极和第三交流负载VGb的一端连接。第六电感Lc的一端与第五五电平拓扑单元530的交流端AC连接，第六电感Lc的另一端分别与第八电容Cc的一个电极和第四交流负载VGc的一端连接。第二交流负载VGa的另一端、第三交流负载VGb的另一端及第四交流负载VGc的另一端连接。第六电容Ca的另一电极、第七电容Cb的另一电极及第八电容Cc的另一电极连接。因此，交流侧滤波单元540可以使得各交流负载处的交流电的波形更光滑。

图13为另一实施例的三相三线五电平交直流变换器600的示意图。本实施例中，五电平交直流变换器600的电路结构可以参考图11中的变换器的示意图。区别在于，交流侧滤波单元的第六电容Ca、第七电容Cb及第八电容Cc的公共连接端与母线中点M1连接在一起；第六电容Ca、第七电容Cb及第八电容Cc的公共连接端与第二交流负载VGa、第三交流负载VGb及第四交流负载VGc的公共连接端连接在一起。

图14为一实施例的三相四线五电平变换器700的示意图。本实施例中，五电平变换器700也用于工业中。本实施例中的五电平变换器700的电路结构可参照图11中的五电平交直流变换器700的电路结构。区别在于，本实施例中，交流侧滤波单元的第六电容Ca、第七电容Cb及第八电容Cc的公共连接端与母线中点M1连接在一起；第六电容Ca、第七电容Cb及第八电容Cc的公共连接端与第二交流负载VGa、第三交流负载VGb及第四交流负载VGc的公共连接端连接在一起。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种五电平拓扑单元，其特征在于，包括：第一开关器件、第二开关器件、第三开关器件、第四开关器件、第五开关器件、第六开关器件、第七开关器件、第八开关器件、第九开关器件、第十开关器件、第一电容、第二电容、第三电容及第四电容；

所述五电平拓扑单元与直流电源连接；所述直流电源的直流正端与直流负端之间并联有第一支路、第二支路和第三支路；

其中，所述第一支路包括相连的所述第一电容和所述第二电容，所述第一电容和所述第二电容之间的电路中点作为第一连接端；所述第一电容未连接所述第一连接端的电极连接直流电源的直流正端，所述第二电容未连接所述第一连接端的电极连接所述直流电源的直流负端；

所述第二支路包括依次连接的所述第二开关器件、所述第三开关器件、所述第四开关器件和所述第五开关器件，所述第二开关器件未连接所述第三开关器件的一端与所述直流正端连接，所述第五开关器件未连接所述第四开关器件的一端与所述直流负端连接；

所述第三支路包括依次连接的所述第一开关器件、所述第七开关器件、所述第八开关器件及所述第六开关器件，所述第一开关器件未连接所述第七开关器件的一端连接所述直流正端，所述第六开关器件未连接所述第八开关器件的一端连接所述直流负端；所述第七开关器件和所述第八开关器件的公共连接端作为交流端；

所述第九开关器件和所述第十开关器件设置于所述第一连接端和所述交流端之间的电路上；

所述第一开关器件和所述第七开关器件之间的公共连接端通过所述第三电容与所述第二开关器件与所述第三开关器件的公共连接端连接；所述第六开关器件和所述第八开关器件的公共连接端通过所述第四电容与所述第四开关器件与所述第五开关器件的公共连接端连接；

在所述五电平拓扑单元的一个工作周期内，所述五电平拓扑单元依次工作在所述第一工作模态、所述第二工作模态、所述第三工作模态、所述第二工作模态、所述第一工作模态、所述第四工作模态、所述第五工作模态、所述第四工作模态及所述第一工作模态，以使得所述交流端输出交流电压；当所述五电平拓扑单元工作在所述第一工作模态时，所述交流端的电压为零；当所述五电平拓扑单元工作在第二工作模态时，所述五电平拓扑单元交流端的电压与所述直流正端的电压相等；当所述五电平拓扑单元工作在所述第三工作模态时，所述交流端的电压为所述直流正端的电压的两倍；当所述五电平拓扑单元工作在所述第四工作模态时，所述交流端的电压与所述直流负端相等；当所述五电平拓扑单元工作在所述第五工作模态时，所述交流端的电压是所述直流负端电压的两倍。

2.根据权利要求1所述的五电平拓扑单元，其特征在于，

所述第一开关器件、第三开关器件、第四开关器件、第六开关器件、第九开关器件、第十开关器件导通，其他开关器件截止，以使所述五电平拓扑单元工作在第一工作模态；

第一开关器件、第三开关器件、第四开关器件、第六开关器件、第七开关器件、第十开关器件导通，其他开关器件截止，以使所述五电平拓扑单元工作在第二工作模态；

第二开关器件、第四开关器件、第六开关器件、第七开关器件导通，其他开关器件截止，以使所述五电平拓扑单元工作在第三工作模态；

第一开关器件、第三开关器件、第四开关器件、第六开关器件、第八开关器件、第九开关器件导通，其他开关器件截止，以使所述五电平拓扑单元工作在第四工作模态；

第一开关器件、第三开关器件、第五开关器件、第八开关器件导通，其他开关器件截止，以使所述五电平拓扑单元工作在第五工作模态。

3.根据权利要求1所述的五电平拓扑单元，其特征在于，还包括第一电感；所述第三开关器件和所述第四开关器件的公共连接端通过第一电感与第一连接端连接。

4.根据权利要求1所述的五电平拓扑单元，其特征在于，还包括：

第十三二极管和第十四二极管，所述第十三二极管的阳极与所述第一连接端连接，所述第十三二极管的阴极与所述第二开关器件和所述第三开关器件的公共连接端连接；所述第十四二极管的阴极与所述第一连接端连接，所述第十四二极管的阳极与所述第四开关器件与所述第五开关器件的公共连接端连接。

5.根据权利要求1所述的五电平拓扑单元，其特征在于，

所述第九开关器件与所述第十开关器件串联，所述第九开关器件连接所述第一连接端，所述第十开关器件连接所述交流端。

6.根据权利要求1所述的五电平拓扑单元，其特征在于，所述第九开关器件与所述第十开关器件反并联，所述第九开关器件与所述第十开关器件的一公共连接端与所述第一连接端连接，另一公共连接端与所述交流端连接。

7.一种五电平交直流变换器，其特征在于，包括：

权利要求1至6任一项所述的五电平拓扑单元；

控制单元，用于控制所述五电平拓扑单元中各开关器件的导通状态或截止状态，以使所述变换器工作在相应的工作模态。

8.根据权利要求7所述的五电平交直流变换器，其特征在于，所述控制单元与各所述开关器件分别连接；所述控制单元的控制信号包括第一电压信号、第二电压信号及第三电压信号；所述控制单元通过将所述第一电压信号与所述第二电压信号的电压值在同一时刻的比较结果作为所述第一开关器件、所述第二开关器件、所述第三开关器件、所述第四开关器件、所述第五开关器件及所述第六开关器件的驱动信号；

所述控制单元通过将所述第一电压信号与所述第三电压信号的电压值在同一时刻的比较结果作为所述第七开关器件、所述第八开关器件、所述第九开关器件、所述第十开关器件的驱动信号；各所述开关器件在相应的驱动信号下导通或截止。

9.根据权利要求8所述的五电平交直流变换器，其特征在于，所述第一电压信号的波形为正弦波；所述第二电压信号和所述第三电压信号的波形分别三角波。

10.根据权利要求7所述的五电平交直流变换器，其特征在于，还包括：

交流侧滤波单元，所述交流滤波单元的一端与所述五电平拓扑单元的交流端连接，所述交流滤波单元用于改善所述交流端的交流电的波形。