CN108377106B - 一种四电平拓扑单元及其应用电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种四电平拓扑单元，所述四电平拓扑单元连接在直流电源的正极和负极之间，所述四电平拓扑单元包括：第一开关单元、第二开关单元、第三开关单元、第四开关单元、第五开关单元、第六开关单元、第七开关单元、第八开关单元、反向并联于各开关单元两端的二极管、第一电容、第二电容、第三电容、第四电容和限流电感。上述四电平拓扑单元在保持低损耗的情况下能提供更高的交流电压，同时能防止飞跨电容及部分开关管或二极管两端过电压，能够有效减少交直流变换器的交流侧成本及损耗，可靠性更高。本发明还公开了一种四电平拓扑单元的应用电路。

Description

一种四电平拓扑单元及其应用电路

技术领域

本发明涉及电力电子技术领域，特别是涉及一种四电平拓扑单元及其应用电路。

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，光伏逆变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，例如四电平交直流变换器。

传统四电平交直流变换器中需要采用均压措施和较大的吸收电路来防止飞跨电容及部分开关管和二极管两端过电压，而且传统四电平交直流变换器中拓扑封装结构不通用，在实际应用中一般都需要从新做封装，从而会带来成本增加、可靠性差等问题。

发明内容

基于此，有必要针对传统四电平交直流变换器中需要采用均压措施和较大的吸收电路来防止飞跨电容及部分开关管和二极管两端过电压，而且传统四电平交直流变换器中拓扑封装结构不通用，在实际应用中一般都需要从新做封装从而会带来成本增加、可靠性差的问题，提供一种四电平拓扑单元及其应用电路。

一种四电平拓扑单元，所述四电平拓扑单元连接在直流电源的正极和负极之间，所述四电平拓扑单元包括：第一开关单元、第二开关单元、第三开关单元、第四开关单元、第五开关单元、第六开关单元、第七开关单元、第八开关单元、反向并联于各开关单元两端的二极管、第一电容、第二电容、第三电容、第四电容和限流电感，其中：

所述第一开关单元第二端与所述直流电源正极相连，第一端与所述第七开关单元第一端相连；

所述第七开关单元第二端与所述第八开关单元第一端相连，连接点为所述四电平拓扑单元的交流端；

所述第八开关单元第二端与所述第六开关单元第二端相连；

所述第六开关单元第一端与所述直流电源负极相连；

所述第二开关单元、第三开关单元、第四开关单元和第五开关单元依次串联且其一端与所述第一开关单元的第二端和所述直流电源正极连接在一起，另一端与所述第六开关单元的第一端和所述直流电源负极连接在一起；

所述第一电容和第二电容依次串联且一端连接到所述直流电源正极，另一端连接到所述直流电源负极之间；

所述第三电容一端连接到所述第二开关单元与第三开关单元的公共端，另一端连接到所述第一开关单元和第七开关单元的公共端；

所述第四电容一端连接到所述第四开关单元与第五开关单元的公共端，另一端连接到所述第六开关单元和第八开关单元的公共端；

所述限流电感一端连接到所述第三开关单元和第四开关单元的公共端，另一端连接到所述第一电容和第二电容的公共端。

在其中一个实施例中，所述四电平拓扑单元工作时存在四种工作模态，实现不同工作功率下的交流直流转换。

在其中一个实施例中，所述四电平拓扑单元工作在第一模态下时，所述第一开关单元、第三开关单元、第四开关单元、第六开关单元、第七开关单元导通，其它开关单元截止。

在其中一个实施例中，所述四电平拓扑单元工作在第二模态下时，所述第二开关单元、第四开关单元、第六开关单元、第七开关单元导通，其它开关单元截止。

在其中一个实施例中，所述四电平拓扑单元工作在第三模态下时，所述第一开关单元、第三开关单元、第四开关单元、第六开关单元、第八开关单元导通，其它开关单元截止。

在其中一个实施例中，所述四电平拓扑单元工作在第四模态下时，所述第一开关单元、第三开关单元、第五开关单元、第八开关单元导通，其它开关单元截止。

一种四电平拓扑单元的应用电路，包括2个上述的四电平拓扑单元，分别为第一四电平拓扑单元和第二四电平拓扑单元，所述四电平拓扑单元的应用电路还包括第一电感和第二电感，其中：

所述第一四电平拓扑单元的第一电容和所述第二四电平拓扑单元的第一电容相互并联；

所述第一四电平拓扑单元的第二电容和所述第二四电平拓扑单元的第二电容相互并联；

所述第一四电平拓扑单元和第二四电平拓扑单元的第一输入端均与直流电源正极相连；

所述第一四电平拓扑单元和第二四电平拓扑单元的第二输入端均连接到所述第一电容和第二电容的公共端；

所述第一四电平拓扑单元和第二四电平拓扑单元的第三输入端均与直流电源负极相连；

所述第一四电平拓扑单元的输出端与所述第一电感相连，所述第一电感另一端与交流负载第一端相连；

所述第二四电平拓扑单元的输出端与所述第二电感相连，所述第二电感另一端与交流负载第二端相连。

在其中一个实施例中，所述四电平拓扑单元的应用电路还包括第五电容，所述第五电容并联在所述交流负载两端。

一种四电平拓扑单元的应用电路，包括3个上述的四电平拓扑单元，分别为第一四电平拓扑单元、第二四电平拓扑单元和第三四电平拓扑单元，所述四电平拓扑单元的应用电路还包括第一电感、第二电感和第三电感，其中：

所述第一四电平拓扑单元的第一电容、第二四电平拓扑单元的第一电容和第三四电平拓扑单元的第一电容相互并联；

所述第一四电平拓扑单元的第二电容、第二四电平拓扑单元的第二电容和第三四电平拓扑单元的第二电容相互并联；

所述第一四电平拓扑单元、第二四电平拓扑单元和第三四电平拓扑单元的第一输入端均与直流电源正极相连；

所述第一四电平拓扑单元、第二四电平拓扑单元和第三四电平拓扑单元的第二输入端均连接到所述第一电容和第二电容的公共端；

所述第一四电平拓扑单元、第二四电平拓扑单元和第三四电平拓扑单元的第三输入端均与直流电源负极相连；

所述第一四电平拓扑单元的输出端与所述第一电感相连，所述第一电感另一端与第一交流负载第一端相连；

所述第二四电平拓扑单元的输出端与所述第二电感相连，所述第二电感另一端与第二交流负载第一端相连；

所述第三四电平拓扑单元的输出端与所述第三电感相连，所述第三电感另一端与第三交流负载第一端相连；

所述第一交流负载第二端、第二交流负载第二端和第三交流负载第二端连接于同一连接点。

在其中一个实施例中，所述四电平拓扑单元的应用电路还包括第五电容、第六电容和第七电容，其中：

所述第五电容第一端连接在所述第一电感和所述第一交流负载之间；

所述第六电容第一端连接在所述第二电感和所述第二交流负载之间；

所述第七电容第一端连接在所述第三电感和所述第三交流负载之间；

所述第五电容第二端、第六电容第二端和第七电容第二端连接于同一连接点。

上述四电平拓扑单元及其应用电路在保持低损耗的情况下能提供更高的交流电压，同时能防止飞跨电容及部分开关管或二极管两端过电压，能够有效减少交直流变换器的交流侧成本及损耗，另外部分开关管采取通用结构封装，成本更低，可靠性更高。

附图说明

图1为本发明的实施例的四电平拓扑单元的示意图；

图2为本发明另一实施例的四电平拓扑单元的示意图；

图3为本发明的实施例的四电平拓扑单元工作在第一模态下时的等效电路图；

图4为本发明的实施例的四电平拓扑单元工作在第二模态下时的等效电路图；

图5为本发明的实施例的四电平拓扑单元工作在第三模态下时的等效电路图；

图6为本发明的实施例的四电平拓扑单元工作在第四模态下时的等效电路图；

图7为本发明的实施例的四电平拓扑单元中调制波正弦信号C、第一载波信号A、第二载波信号B、第一开关单元Q1、第二开关单元Q2、第三开关单元Q3、第四开关单元Q4、第五开关单元Q5、第六开关单元Q6、第七开关单元Q7、第八开关单元Q8和交流端AC波形的时序图；

图8为本发明的实施例的四电平拓扑单元的功能单元接口示意图；

图9为本发明的实施例的四电平拓扑单元的应用电路的示意图；

图10为本发明另一实施例的四电平拓扑单元的应用电路的示意图；

图11为本发明另一实施例的四电平拓扑单元的应用电路的示意图；

图12为本发明另一实施例的四电平拓扑单元的应用电路的示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

请参见图1，图1为本发明的实施例的四电平拓扑单元的示意图。

在本实施例中，所述四电平拓扑单元连接在直流电源的正极和负极之间，所述四电平拓扑单元包括：第一开关单元Q1、第二开关单元Q2、第三开关单元Q3、第四开关单元Q4、第五开关单元Q5、第六开关单元Q6、第七开关单元Q7、第八开关单元Q8，反向并联于各开关单元两端的第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4、第五二极管D5、第六二极管D6、第七二极管D7、第八二极管D8，第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3，第四电容C4和限流电感L1，其中：

所述第一开关单元Q1第二端与所述直流电源正极DC+相连，第一端与所述第七开关单元Q7第一端相连；

所述第七开关单元Q7第二端与所述第八开关单元Q8第一端相连，连接点为所述四电平拓扑单元的交流端AC；

所述第八开关单元Q8第二端与所述第六开关单元Q6第二端相连；

所述第六开关单元Q6第一端与所述直流电源负极DC-相连；

所述第二开关单元Q2、第三开关单元Q3、第四开关单元Q4和第五开关单元Q5依次串联且一端与所述第一开关单元Q1的第二端和所述直流电源正极DC+连接在一起，另一端与所述第六开关单元Q6的第一端和所述直流电源负极DC-连接在一起；

所述第一电容C1和第二电容C2依次串联且一端连接到所述直流电源正极DC+，另一端连接到所述直流电源负极DC-；

所述第三电容C3一端连接到所述第二开关单元Q2与第三开关单元Q3的公共端，另一端连接到所述第一开关单元Q1和第七开关单元Q7的公共端；

所述第四电容C4一端连接到所述第四开关单元Q4与第五开关单元Q5的公共端，另一端连接到所述第六开关单元Q6和第八开关单元Q8的公共端；

所述限流电感L1一端连接到所述第三开关单元Q3和第四开关单元Q4的公共端，另一端连接到所述第一电容C1和第二电容C2的公共端。

在本实施例中，所述开关单元为开关管。在其它实施例中，所述开关单元可以为其它元件，只需起到开关作用即可。

在本实施例中，所述限流电感L1用于限制所述第三电容C3和第四电容C4的充放电电流。在本实施例中，所述限流电感L1一端连接到所述第三开关单元Q3和第四开关单元Q4的公共端，另一端连接到所述第一电容C1和第二电容C2的公共端。在其它实施例中，所述限流电感可以为多个，可以连接在其它位置，只需起到限流作用即可。

在本实施例中，所述第二开关单元Q2、第三开关单元Q3、第四开关单元Q4、第五开关单元Q5及其反并联二极管可使用I型三电平结构封装模块。

在本实施例中，所述第七开关单元Q7和第八开关单元Q8及其反并联二极管可使用半桥结构封装模块。

在本实施例中，所述限流电感L1的连接端M1为直流电源中点，所述第一开关单元Q1、第七开关单元Q7和第三电容C3的公共连接端为M2，所述第六开关单元Q6、第八开关单元Q8和第四电容C4的公共连接端为M3。

请参见图2，图2为本发明另一实施例的四电平拓扑单元的示意图。

在本实施例中，所述四电平拓扑单元还包括第十三二极管D13和第十四二极管D14，所述第十三二极管D13和第十四二极管D14依次串联。具体地，所述第十三二极管D13阳极连接到所述第一电容C1与所述第二电容C2的公共端，阴极连接到所述第二开关单元Q2和第三开关单元Q3的公共端，所述第十四二极管D14阳极连接到所述第四开关单元Q4和第五开关单元Q5的公共端，阴极连接到所述第一电容C1与所述第二电容C2的公共端。本实施例中的四电平拓扑单元其余部分与图1所示实施例相同，不再赘述。

在本实施例中，所述第二开关单元Q2、第三开关单元Q3、第四开关单元Q4、第五开关单元Q5及其反并联二极管和所述第十三二极管D13和第十四二极管D14组成I型三电平结构，并可使用I型三电平结构封装模块。如果不使用I型三电平结构封装模块，所述第十三二极管D13和第十四二极管D14可以删除不用，这并不会影响系统性能。

请参见图3-图6，图3-图6为本发明的实施例的四电平拓扑单元在实现直流交流转换时，工作在4种不同模态下时的等效电路图，图3为本发明的实施例的四电平拓扑单元工作在第一模态H1下时的等效电路图，图4为本发明的实施例的四电平拓扑单元工作在第二模态H2下时的等效电路图，图5为本发明的实施例的四电平拓扑单元工作在第三模态H3下时的等效电路图，图6为本发明的实施例的四电平拓扑单元工作在第四模态H4下时的等效电路图。

具体地，当所述四电平拓扑单元工作在第一模态H1下时，所述第一开关单元Q1、第三开关单元Q3、第四开关单元Q4、第六开关单元Q6、第七开关单元Q7导通，其它开关单元截止。所述直流电源正极DC+通过所述第一二极管D1和第七开关单元Q7给所述交流端AC提供电流；或者所述交流端AC通过所述第七二极管D7和第一开关单元Q1给所述直流电源正极DC+提供电流；同时所述直流电源正极DC+通过所述第一二极管D1、第三开关单元Q3和限流电感L1给所述第三电容C3充电；或者所述第三电容C3通过所述限流电感L1、第三二极管D3和第一开关单元Q1给直流侧提供电流。

具体地，当所述四电平拓扑单元工作在第二模态H2下时，所述第二开关单元Q2、第四开关单元Q4、第六开关单元Q6、第七开关单元Q7导通，其它开关单元截止。所述公共连接端M2的电位被抬高，所述第三电容C3叠加到所述直流电源正极DC+上并通过所述第二开关单元Q2和第七开关单元Q7给所述交流端AC提供电流；或者所述交流端AC通过所述第七二极管D7和第二二极管D2给所述直流电源正极DC+和第三电容C3提供电流。

具体地，当所述四电平拓扑单元工作在第三模态H3下时，所述第一开关单元Q1、第三开关单元Q3、第四开关单元Q4、第六开关单元Q6、第八开关单元Q8导通，其它开关单元截止。所述交流端AC通过所述第六二极管D6和第八开关单元Q8给所述直流电源负极DC-提供电流；或者所述直流电源负极DC-通过所述第八二极管D8和第六开关单元Q6给所述交流端AC提供电流；同时所述直流电源负极DC-通过所述第六二极管D6、第四开关单元Q4和限流电感L1给所述第四电容C4充电；或者所述第四电容C4通过所述限流电感L1、第四二极管D4和第六开关单元Q6给直流侧提供电流。

具体地，当所述四电平拓扑单元工作在第四模态H4下时，所述第一开关单元Q1、第三开关单元Q3、第五开关单元Q5、第八开关单元Q8导通，其它开关单元截止。所述公共连接端M3的电位被拉低，第四电容C4两端的电压反向叠加在所述直流电源负极DC-上，所述交流端AC通过所述第八开关单元Q8和第五开关单元Q5给所述直流电源负极DC-和第四电容C4提供电流；或者所述直流电源负极DC-和第四电容C4通过所述第五二极管D5和第八二极管D8给所述交流端AC提供电流。

通过上述四种模态的切换，所述四电平拓扑单元可以实现不同工作功率下的交直流转换，同时每个工作模态不需要所有开关单元同时工作，减小损耗，提高效率。

所述四电平拓扑单元的第一开关单元Q1、第二开关单元Q2、第三开关单元Q3、第四开关单元Q4、第五开关单元Q5、第六开关单元Q6、第七开关单元Q7和第八开关单元Q8的驱动信号是通过比较调制波正弦信号C与第一载波信号A或第二载波信号B来确定的。请参见图7，图7为本发明的实施例的四电平拓扑单元中调制波正弦信号C、第一载波信号A、第二载波信号B、第一开关单元Q1、第二开关单元Q2、第三开关单元Q3、第四开关单元Q4、第五开关单元Q5、第六开关单元Q6、第七开关单元Q7、第八开关单元Q8和交流端AC波形的时序图。

具体地，所述第一开关单元Q1的驱动信号由所述调制波正弦信号C与所述第一载波信号A进行比较产生，当所述调制波正弦信号C小于所述第一载波信号A时所述第一开关单元Q1导通，反之截止；

所述第二开关单元Q2的驱动信号由所述调制波正弦信号C与所述第一载波信号A进行比较产生，当所述调制波正弦信号C大于所述第一载波信号A时所述第二开关单元Q2导通，反之截止；

所述第三开关单元Q3的驱动信号由所述调制波正弦信号C与所述第一载波信号A进行比较产生，当所述调制波正弦信号C小于所述第一载波信号A时所述第三开关单元Q3导通，反之截止；

所述第四开关单元Q4的驱动信号由所述调制波正弦信号C的反向波与所述第一载波信号A进行比较产生，当所述调制波正弦信号C的反向波小于所述第一载波信号A时所述第四开关单元Q4导通，反之截止；

所述第五开关单元Q5的驱动信号由所述调制波正弦信号C的反向波与所述第一载波信号A进行比较产生，当所述调制波正弦信号C的反向波大于所述第一载波信号A时所述第五开关单元Q5导通，反之截止；

所述第六开关单元Q6的驱动信号由所述调制波正弦信号C的反向波与所述第一载波信号A进行比较产生，当所述调制波正弦信号C的反向波小于所述第一载波信号A时所述第六开关单元Q6导通，反之截止；

所述第七开关单元Q7的驱动信号由所述调制波正弦信号C与所述第二载波信号B进行比较产生，当所述调制波正弦信号C大于所述第二载波信号B时所述第七开关单元Q7导通，反之截止；

所述第八开关单元Q8的驱动信号由所述调制波正弦信号C与所述第二载波信号B进行比较产生，当所述调制波正弦信号C小于所述第二载波信号B时所述第八开关单元Q8导通，反之截止。

在本实施例中，所述第一载波信号A和所述第二载波信号B具有相同的幅值和频率。在其它实施例中，所述第一载波信号A和所述第二载波信号B可以具有不同的幅值和频率。

图7中所述交流端AC的波形时序图上标注了所述四电平拓扑单元工作在四个工作模态下时对应的时序。

本发明还公开了一种四电平拓扑单元的应用电路，所述四电平拓扑单元的应用电路包括上述四电平拓扑单元。

请参见图8，图8为本发明的实施例的四电平拓扑单元的功能单元接口示意图。图8中的四电平拓扑单元的功能单元接口示意图是上述四电平拓扑单元除去第一电容C1和第二电容C2后的功能单元接口示意图。所述四电平拓扑单元的功能单元接口包括第一输入端DC+、第二输入端M1、第三输入端DC-和输出端AC。

请参见图9，图9为本发明的实施例的四电平拓扑单元的应用电路的示意图。

在本实施例中，所述四电平拓扑单元的应用电路包括2个图8所示的四电平拓扑单元，分别为第一四电平拓扑单元110和第二四电平拓扑单元120，所述四电平拓扑单元的应用电路还包括第五电容Cg、第一电感La和第二电感Lb，其中：

所述第一四电平拓扑单元110的第一电容和所述第二四电平拓扑单元120的第一电容相互并联，相当于所述四电平拓扑单元的应用电路的第一电容C1；

所述第一四电平拓扑单元110的第二电容和所述第二四电平拓扑单元120的第二电容相互并联，相当于所述四电平拓扑单元的应用电路的第二电容C2；

所述第一电容C1和第二电容C2相互串联且连接在直流电源正负极之间；

所述第一四电平拓扑单元110和第二四电平拓扑单元120的第一输入端DC+均与直流电源正极相连；

所述第一四电平拓扑单元110和第二四电平拓扑单元120的第二输入端M1均连接到所述第一电容C1和第二电容C2的公共端；

所述第一四电平拓扑单元110和第二四电平拓扑单元120的第三输入端DC-均与直流电源负极相连；

所述第一四电平拓扑单元110的输出端与所述第一电感La相连，所述第一电感La另一端与交流负载Vg第一端相连；

所述第二四电平拓扑单元120的输出端与所述第二电感Lb相连，所述第二电感Lb另一端与交流负载Vg第二端相连；

所述第五电容Cg并联在所述交流负载Vg两端。

在本实施例中，用于产生所述第一四电平拓扑单元110驱动信号的调制正弦波的相位与用于产生所述第二四电平拓扑单元120驱动信号的调制正弦波的相位相差180°。

请参见图10，图10为本发明另一实施例的四电平拓扑单元的应用电路的示意图。

在本实施例中，所述四电平拓扑单元的应用电路包括3个图8所示的四电平拓扑单元，分别为第一四电平拓扑单元210、第二四电平拓扑单元220和第三四电平拓扑单元230，所述四电平拓扑单元的应用电路还包括第五电容Ca、第六电容Cb、第七电容Cc、第一电感La、第二电感Lb和第三电感Lc，其中：

所述第一四电平拓扑单元210的第一电容、第二四电平拓扑单元220的第一电容和第三四电平拓扑单元230的第一电容相互并联，相当于所述四电平拓扑单元的应用电路的第一电容C1；

所述第一四电平拓扑单元210的第二电容、第二四电平拓扑单元220的第二电容和第三四电平拓扑单元230的第二电容相互并联，相当于所述四电平拓扑单元的应用电路的第二电容C2；

所述第一电容C1和第二电容C2相互串联且连接在直流电源正负极之间；

所述第一四电平拓扑单元210、第二四电平拓扑单元220和第三四电平拓扑单元230的第一输入端DC+均与直流电源正极相连；

所述第一四电平拓扑单元210、第二四电平拓扑单元220和第三四电平拓扑单元230的第二输入端M1均连接到所述第一电容C1和第二电容C2的公共端；

所述第一四电平拓扑单元210、第二四电平拓扑单元220和第三四电平拓扑单元230的第三输入端DC-均与直流电源负极相连；

所述第一四电平拓扑单元210的输出端与所述第一电感La相连，所述第一电感La另一端与第一交流负载VGa第一端相连；

所述第二四电平拓扑单元220的输出端与所述第二电感Lb相连，所述第二电感Lb另一端与第二交流负载VGb第一端相连；

所述第三四电平拓扑单元230的输出端与所述第三电感Lc相连，所述第三电感Lc另一端与第三交流负载VGc第一端相连；

所述第一交流负载VGa第二端、第二交流负载VGb第二端和第三交流负载VGc第二端连接于同一连接点；

所述第五电容Ca第一端连接在所述第一电感La和所述第一交流负载VGa之间；

所述第六电容Cb第一端连接在所述第二电感Lb和所述第二交流负载VGb之间；

所述第七电容Cc第一端连接在所述第三电感Lc和所述第三交流负载VGc之间；

所述第五电容Ca第二端、第六电容Cb第二端和第七电容Cc第二端连接于同一连接点。

在本实施例中，用于产生所述第一四电平拓扑单元210驱动信号的调制正弦波的相位和用于产生所述第二四电平逆变拓扑单元驱动信号的调制正弦波的相位相差120°，用于产生所述第二四电平逆变拓扑单元驱动信号的调制正弦波的相位和用于产生所述第三四电平逆变拓扑单元驱动信号的调制正弦波的相位相差120°，用于产生所述第三四电平逆变拓扑单元驱动信号的调制正弦波的相位和用于产生所述第一四电平逆变拓扑单元驱动信号的调制正弦波的相位相差120°。

请参见图11，图11为本发明另一实施例的四电平拓扑单元的应用电路的示意图。

在本实施例中，所述第五电容Ca第二端、第六电容Cb第二端和第七电容Cc第二端连接于同一连接点且与所述直流电源中点M1相连。本实施例中的四电平拓扑单元的应用电路其余部分与图10所示实施例相同，不再赘述。

请参见图12，图12为本发明另一实施例的四电平拓扑单元的应用电路的示意图。

在本实施例中，所述第五电容Ca第二端、第六电容Cb第二端和第七电容Cc第二端连接于同一连接点且与所述直流电源中点M1相连，所述第五电容Ca第二端、第六电容Cb第二端和第七电容Cc第二端连接于同一连接点且与所述第一交流负载VGa第二端、第二交流负载VGb第二端和第三交流负载VGc第二端的公共连接点相连。本实施例中的四电平拓扑单元的应用电路其余部分与图11所示实施例相同，不再赘述。

上述四电平拓扑单元及其应用电路在保持低损耗的情况下能提供更高的交流电压，能够有效减少交直流变换器的交流侧成本及损耗，同时开关管统一封装，可靠性更高。并且减少了重新做封装带来的成本压力，提高产品可靠性和通用性，同时具有较小的电流循环路径和较低的开关管应力。当本发明应用在光伏发电等系统中时在相同PV电压等级下由于其能满足更高交流电压，能进一步减少交流侧并网变压器及交流线缆的成本及损耗。另外本发明可解决传统四电平技术中需要采用均压措施和较大的吸收电路来防止飞跨电容和部分开关管及二极管两端过电压，从而导致整机的体积庞大、成本增加、损耗增大、效率降低等问题。同时本发明可使用现有的成熟的三电平结构封装模块，解决了传统四电平没有统一封装并需要重新做封装导致的可靠性低、成本高、通用性差等问题。进一步地，所述第一开关单元Q1、第二开关单元Q2、第三开关单元Q3、第四开关单元Q4、第五开关单元Q5、第六开关单元Q6、第七开关单元Q7、第八开关单元Q8的动态电压应力仅为母线电压的一半，带来的好处是能使用更低电压等级的开关单元来满足更高的交流电压，使功率器件成本降低，同时由于第一开关单元Q1、第六开关单元Q6没有开关损耗，第二开关单元Q2、第三开关单元Q3、第四开关单元Q4、第五开关单元Q5应力小，同时由于在相同功率等级下其交流电压更高，所以其电流也更小，因此开关管损耗更小，吸收及散热系统需求小，使得系统成本低，可靠性提高，效率提高。本发明还能满足更高的交流侧电压，特别是对于目前的光伏市场和储能市场，其交流侧都需要连接到10KVac或者35KVac的中压电网上，在相同直流电压等级和相同功率等级下，本发明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提升系统效率，因为交流侧电压越高，相同功率下的交流电流越小，则交流侧的线径可以用的越小，同时变压器的匝比也越小。

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)

1.一种四电平拓扑单元，所述四电平拓扑单元连接在直流电源的正极和负极之间，其特征在于，所述四电平拓扑单元包括：第一开关单元、第二开关单元、第三开关单元、第四开关单元、第五开关单元、第六开关单元、第七开关单元、第八开关单元、反向并联于各开关单元两端的二极管、第一电容、第二电容、第三电容、第四电容和限流电感，其中：

所述第一开关单元第二端与所述直流电源正极相连，第一端与所述第七开关单元第一端相连；

所述第七开关单元第二端与所述第八开关单元第一端相连，连接点为所述四电平拓扑单元的交流端；

所述第八开关单元第二端与所述第六开关单元第二端相连；

所述第六开关单元第一端与所述直流电源负极相连；

所述第二开关单元、第三开关单元、第四开关单元和第五开关单元依次串联且其一端与所述第一开关单元的第二端和所述直流电源正极连接在一起，另一端与所述第六开关单元的第一端和所述直流电源负极连接在一起；

所述第一电容和第二电容依次串联且一端连接到所述直流电源正极，另一端连接到所述直流电源负极之间；

所述第三电容一端连接到所述第二开关单元与第三开关单元的公共端，另一端连接到所述第一开关单元和第七开关单元的公共端；

所述第四电容一端连接到所述第四开关单元与第五开关单元的公共端，另一端连接到所述第六开关单元和第八开关单元的公共端；

所述限流电感一端连接到所述第三开关单元和第四开关单元的公共端，另一端连接到所述第一电容和第二电容的公共端；

所述第二开关单元、第三开关单元、第四开关单元、第五开关单元及其反并联二极管使用I型三电平结构封装模块。

2.根据权利要求1所述的四电平拓扑单元，其特征在于，所述四电平拓扑单元工作时存在四种工作模态，实现不同工作功率下的交流直流转换。

3.根据权利要求2所述的四电平拓扑单元，其特征在于，所述四电平拓扑单元工作在第一模态下时，所述第一开关单元、第三开关单元、第四开关单元、第六开关单元、第七开关单元导通，其它开关单元截止。

4.根据权利要求2所述的四电平拓扑单元，其特征在于，所述四电平拓扑单元工作在第二模态下时，所述第二开关单元、第四开关单元、第六开关单元、第七开关单元导通，其它开关单元截止。

5.根据权利要求2所述的四电平拓扑单元，其特征在于，所述四电平拓扑单元工作在第三模态下时，所述第一开关单元、第三开关单元、第四开关单元、第六开关单元、第八开关单元导通，其它开关单元截止。

6.根据权利要求2所述的四电平拓扑单元，其特征在于，所述四电平拓扑单元工作在第四模态下时，所述第一开关单元、第三开关单元、第五开关单元、第八开关单元导通，其它开关单元截止。

7.一种四电平拓扑单元的应用电路，其特征在于，包括2个如权利要求1-6所述的四电平拓扑单元，分别为第一四电平拓扑单元和第二四电平拓扑单元，所述四电平拓扑单元的应用电路还包括第一电感和第二电感，其中：

所述第一四电平拓扑单元的第一电容和所述第二四电平拓扑单元的第一电容相互并联；

所述第一四电平拓扑单元的第二电容和所述第二四电平拓扑单元的第二电容相互并联；

所述第一四电平拓扑单元和第二四电平拓扑单元的第一输入端均与直流电源正极相连；

所述第一四电平拓扑单元和第二四电平拓扑单元的第二输入端均连接到所述第一电容和第二电容的公共端；

所述第一四电平拓扑单元和第二四电平拓扑单元的第三输入端均与直流电源负极相连；

所述第一四电平拓扑单元的输出端与所述第一电感相连，所述第一电感另一端与交流负载第一端相连；

所述第二四电平拓扑单元的输出端与所述第二电感相连，所述第二电感另一端与交流负载第二端相连。

8.根据权利要求7所述的四电平拓扑单元的应用电路，其特征在于，所述四电平拓扑单元的应用电路还包括第五电容，所述第五电容并联在所述交流负载两端。

9.一种四电平拓扑单元的应用电路，其特征在于，包括3个如权利要求1-6所述的四电平拓扑单元，分别为第一四电平拓扑单元、第二四电平拓扑单元和第三四电平拓扑单元，所述四电平拓扑单元的应用电路还包括第一电感、第二电感和第三电感，其中：

所述第一四电平拓扑单元的第一电容、第二四电平拓扑单元的第一电容和第三四电平拓扑单元的第一电容相互并联；

所述第一四电平拓扑单元的第二电容、第二四电平拓扑单元的第二电容和第三四电平拓扑单元的第二电容相互并联；

所述第一四电平拓扑单元、第二四电平拓扑单元和第三四电平拓扑单元的第一输入端均与直流电源正极相连；

所述第一四电平拓扑单元、第二四电平拓扑单元和第三四电平拓扑单元的第二输入端均连接到所述第一电容和第二电容的公共端；

所述第一四电平拓扑单元、第二四电平拓扑单元和第三四电平拓扑单元的第三输入端均与直流电源负极相连；

所述第一四电平拓扑单元的输出端与所述第一电感相连，所述第一电感另一端与第一交流负载第一端相连；

所述第二四电平拓扑单元的输出端与所述第二电感相连，所述第二电感另一端与第二交流负载第一端相连；

所述第三四电平拓扑单元的输出端与所述第三电感相连，所述第三电感另一端与第三交流负载第一端相连；

所述第一交流负载第二端、第二交流负载第二端和第三交流负载第二端连接于同一连接点。

10.根据权利要求9 所述的四电平拓扑单元的应用电路，其特征在于，所述四电平拓扑单元的应用电路还包括第五电容、第六电容和第七电容，其中：

所述第五电容第一端连接在所述第一电感和所述第一交流负载之间；

所述第六电容第一端连接在所述第二电感和所述第二交流负载之间；

所述第七电容第一端连接在所述第三电感和所述第三交流负载之间；

所述第五电容第二端、第六电容第二端和第七电容第二端连接于同一连接点。