CN108476000B - 单相四电平逆变器拓扑电路及三相四电平逆变器拓扑电路 - Google Patents

Abstract

一种单相四电平逆变器拓扑电路(M)及三相四电平逆变器拓扑电路，该单相四电平逆变器拓扑电路(M)适于和两个串联连接的直流电源一起使用，使得第一电流电源(C₁)或第二直流电源(C₂)给所述四电平逆变器拓扑电路(M)的负载供电，或者，所述两个电流电源中的任一个与悬浮电容(C_S)代数叠加后给所述四电平逆变器拓扑电路(M)的负载供电，从而使所述四电平逆变器拓扑电路(M)输出四个互不相同的电平。该单相、三相四电平逆变器拓扑电路通过采用悬浮电容(C_S)，降低了系统成本和体积，在相同的运行条件下，电压利用率是现有四电平逆变器拓扑电路的三倍，而且不需要附加电路，直流侧中点电压就可以平衡。

Description

单相四电平逆变器拓扑电路及三相四电平逆变器拓扑电路

本申请要求2015年11月6日提交的美国临时专利申请US62/252,122的优先权，其公开内容整体并入于此作为参考。

技术领域

本发明涉及电力电子领域中的电力变换器拓扑电路，特别是单相四电平逆变器拓扑电路及三相四电平逆变器拓扑电路。

背景技术

逆变器用于将直流电转化成交流电。随着技术发展和生活质量提高，逆变器尤其是多电平逆变器的作用越来越重要。现有公开的多电平逆变器分成两类，分别是多二极管嵌位式逆变器和悬浮电容式逆变器。

四电平逆变器产生四个互不相同的电平。图1(a)给出了现有的多二极管嵌位式四电平逆变器拓扑电路，图1(b)给出了现有的悬浮电容式四电平逆变器拓扑电路。但是，图1(a)和图1(b)中的两种电路的电压利用率均是单位一，且当输出高电压时，这两种电路均需要附加电路来增大输入电压。这两种电路的输入侧均连接两个以上的串联电容。因此，需要额外的附加电路平衡电容电压。这些附加电路降低了系统效率，增大了系统成本。

发明内容

本发明提供了一种四电平逆变器拓扑电路及其逆变器，以解决现有技术中的上述问题中的至少部分技术问题。

为了叙述方便，本申请中的术语“双向开关”指电流可以双向流动但只能承受单向电压的开关，比如带有反向并联二极管的IGBT，或内置并联二极管的MOSFET。

本发明提供的四电平逆变器拓扑电路，适于和两个串联连接的直流电源一起使用。

本发明一实施例提供了一种单相四电平逆变器拓扑电路，适于和两个串联连接的直流电源一起使用，两个直流电源包括第一直流电源和第二直流电源，第一直流电源的负极连接第二直流电源的正极，两直流电源的公共端适于连接交流电网或交流负载的接入端，包括第一电路模块和第二电路模块；

所述第一电路模块具有第一端、第二端、第三端和第四端；所述第二电路模块具有第一输入端、第二输入端、第三输入端、第四输入端和一个输出端；

所述第一电路模块的第一端连接所述单相四电平逆变器拓扑电路的第一端，第二端连接单相四电平逆变器拓扑电路的第二端；第三端连接第二电路模块的第三输入端，第四端连接第二电路模块的第四输入端；

所述第二电路模块的第一输入端连接所述单相四电平逆变器拓扑电路的第一端，第二输入端连接单相四电平逆变器拓扑电路的第二端；输出端连接所述单相四电平逆变器拓扑电路的第三端；所述第二电路模块还包括所述悬浮电容；

所述第一电路模块还连接若干控制端，适于在控制端接入的控制信号的控制下，提供四种工作模式：模式一：针对四个端子，导通第二端到第三端的连接，并断开其他端到端的连接；模式二：针对四个端子，导通第四端到第二端的连接，并断开其他端到端的连接；模式三：针对四个端子，导通第一端到第三端的连接，并断开其他端到端的连接；模式四：针对四个端子，导通第四端到第一端的连接，并断开其他端到端的连接；

所述第二电路模块还连接若干控制端，适于在控制端接入的控制信号的控制下，提供四种工作模式：针对四个输入端和一个输出端，模式一：导通第一输入端与悬浮电容的负极端之间的连接，同时导通第三输入端与悬浮电容的正极端之间的连接以及第三输入端与输出端之间的连接，断开其他端到端的连接；

模式二：导通第四输入端与悬浮电容的负极端之间的连接，同时导通第一输入端与悬浮电容的正极端之间的连接以及第一输入端与输出端之间的连接，断开其他端到端的连接；或者，导通第三输入端与悬浮电容的正极端之间的连接以及第三输入端与输出端之间的连接，同时导通第二输入端与悬浮电容的负极端之间的连接，断开其他端到端的连接；

模式三：导通第一输入端与悬浮电容的正极端之间的连接，同时导通第四输入端与悬浮电容的负极端之间的连接以及第四输入端与输出端之间的连接，断开其他端到端的连接；或者，导通第二输入端与悬浮电容的负极端之间的连接以及第二输入端与输出端之间的连接，同时导通第三输入端与悬浮电容的正极端之间的连接，断开其他端到端的连接；

模式四：导通第四输入端与悬浮电容的负极端之间的连接以及第四输入端与输出端之间的连接，同时导通第二输入端与悬浮电容的正极端之间的连接，断开其他端到端的连接；

第一电路模块四种工作模式和第二电路模型的四种工作模式构成六种工作模态：

第一工作模态：使第一电路模块工作在其模式一下，导通第二端到第三端的连接，断开其他端到端的连接；第二电路模块工作在其模式一下，导通第一输入端与悬浮电容的负极端的连接，第三输入端与悬浮电容的正极端的连接以及悬浮电容的正极端与输出端的连接，断开其他端到端的连接；

第二工作模态：第一电路模块工作在其模式二下，导通第四端与第二端的连接，断开其他的端到端的连接；第二电路模块工作在其模式二下，导通第一输入端与悬浮电容正极端以及输出端的连接，导通第四输入端与悬浮电容负极端的连接；

第三工作模态：第一电路模块工作在其模式三下，导通第一端到第三端的连接，断开其他的端到端的连接；第二电路模块工作在其模式二下，导通第三输入端与悬浮电容正极端以及悬浮电容正极端与输出端的连接，导通第二输入端与悬浮电容负极端的连接；正向电流路径为；

第四工作模态：第一电路模块工作在其模式二下，导通第四端到第二端的连接，断开其他的端到端的连接；第二电路模块工作在其模式三下，导通第一输入端与悬浮电容正极端之间的连接以及悬浮电容负极端与输出端的连接，导通第四输入端与悬浮电容负极端的连接；

第五工作模态：第一电路模块工作在其模式三下，导通第一端到第三端的连接，断开其他的端到端的连接；第二电路模块工作在其模式三下，导通第三输入端与悬浮电容正极端之间的连接，导通第二输入端与悬浮电容负极端以及输出端的连接

第六工作模态：第一电路模块工作在其模式四下，导通第四端到第一端的连接，断开其他的端到端的连接；第二电路模块工作在其模式四下，导通第二输入端与悬浮电容正极端之间的连接，导通第四输入端与悬浮电容负极端以及悬浮电容负极端与输出端的连接；

通过控制相应的开关管导通或关断，单相四电平逆变器在六种工作模态下交替工作，构成三组对称工作模态，分别是第一工作模态和第六工作模态，第二工作模态和第五工作模态，以及第三工作模态和第四工作模态，获得需要的逆变输出电压。

本发明提供了一种三相四电平逆变器拓扑电路，包括三个单相四电平逆变器拓扑电路；每一个单相四电平逆变器拓扑电路为第一方面任一项所属的单相四电平逆变器拓扑电路；其中，所述三个单相四电平逆变器拓扑电路输入侧并联连接，所述三个单相四电平逆变器拓扑电路的交流输出端用于一对一连接三相交流电网或三相交流负载的三个交流电压输出端。

本发明提供的四电平逆变器拓扑电路中，第一电流电源或第二直流电源给所述四电平逆变器拓扑电路的负载供电，或者，所述两个电流电源中的任一个与悬浮电容代数叠加后给所述四电平逆变器拓扑电路的负载供电，从而使所述四电平逆变器拓扑电路输出四个互不相同的电平。本发明提供的单相、三相四电平逆变器拓扑电路通过采用悬浮电容，降低了系统成本和体积，在相同的运行条件下，电压利用率是现有四电平逆变器拓扑电路的三倍，而且不需要附加电路，直流侧中点电压就可以平衡。

本发明提供了一种四电平逆变器拓扑电路，可以用于，但不限于，可再生能源系统，比如单相或光伏系统。

附图说明

为了更全面地理解本发明的技术方案，对后面的实施例或现有技术描述中所需要使用的附图进行介绍如下。通过参考附图会更加清楚地理解本发明的特征信息和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：

图1(a)为第一种现有单相四电平逆变器拓扑电路的电路原理图；

图1(b)为第二种现有单相四电平逆变器拓扑电路的电路原理图；

图2(a)为本发明实施例提供的单相四电平逆变器拓扑电路的电路原理部分方框图；

图2(b)为本发明实施例提供的含有限流装置的单相四电平逆变器拓扑电路的电路原理部分方框图；

图3(a)为本发明实施例提供的第一种单相四电平逆变器拓扑电路的电路原理部分方框图；

图3(b)为本发明实施例提供的含有限流装置的第一种单相四电平逆变器拓扑电路的电路原理部分方框图；

图4为本发明实施例提供的第一种单相四电平逆变器拓扑电路中的第一电路模块M₁₁的第一种电路原理示意图；

图5为本发明实施例提供的第一种单相四电平逆变器拓扑电路中的第一电路模块M₁₁的第二种电路原理示意图；

图6为本发明实施例提供的第一种单相四电平逆变器拓扑电路中的第一电路模块M₁₁的第三种电路原理示意图；

图7为本发明实施例提供的第一种单相四电平逆变器拓扑电路中的第二电路模块M₁₂的第一种电路原理示意图；

图8为本发明实施例提供的第一种单相四电平逆变器拓扑电路中的第二电路模块M₁₂的第二种电路原理示意图；

图9为本发明实施例提供的含有图4所示的第一电路模块M₁₁和图7所示的第二电路模块M₁₂的单相四电平逆变器的电路原理示意图；

图10为本发明实施例提供的图9所示的单相四电平逆变器的第一种工作模态示意图；

图11为本发明实施例提供的图9所示的单相四电平逆变器的第二种工作模态示意图；

图12为本发明实施例提供的图9所示的单相四电平逆变器的第三种工作模态示意图；

图13为本发明实施例提供的图9所示的单相四电平逆变器的第四种工作模态示意图；

图14为本发明实施例提供的图9所示的单相四电平逆变器的第五种工作模态示意图；

图15为本发明实施例提供的图9所示的单相四电平逆变器的第六种工作模态示意图；

图16为本发明实施例提供的第二种单相四电平逆变器拓扑电路的电路原理部分方框图；

图17为本发明实施例提供的第二种单相四电平逆变器拓扑电路中的第一电路模块M₂₁的第一种电路原理示意图；

图18为本发明实施例提供的第二种单相四电平逆变器拓扑电路中的第一电路模块M₂₁的第二种电路原理示意图；

图19为本发明实施例提供的第二种单相四电平逆变器拓扑电路中的第二电路模块M₂₂的电路原理示意图；

图20为本发明实施例提供的含有图17所示的第一电路模块M₂₁和图19所示的第二电路模块M₂₂的单相四电平逆变器的电路原理示意图；

图21(a)为本发明实施例提供的第一种单相四电平逆变器拓扑电路的等效方框图；

图21(b)为本发明实施例提供的基于图21(a)所示等效电路的三相四电平逆变器拓扑电路的电路原理部分方框图；

图22(a)为本发明实施例提供的第二种单相四电平逆变器拓扑电路的等效方框图；

图22(b)为本发明实施例提供的基于图22(a)所示等效电路的三相四电平逆变器拓扑电路的电路原理部分方框图；

图23(a)为本发明实施例提供的基于图21(a)和图22(a)所示等效电路的第一种三相四电平逆变器拓扑电路的电路原理部分方框图；

图23(b)为本发明实施例提供的基于图21(a)和图22(a)所示等效电路的第二种三相四电平逆变器拓扑电路的电路原理部分方框图；

为了叙述方便，在各个附图中同一元器件采用相同的参考标号。同一附图中相同的符号，比如

表示相互连接在一起。

具体实施方式

本发明提供了一种四电平逆变器拓扑电路及其逆变器。为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案及其如何实现，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做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

如附图所示，本发明中使用的术语“V_dc”表示直流电源电压，M表示四电平逆变器拓扑电路，C₁表示充当第一直流电源的第一电容，C₂表示充当第二直流电源的第二电容，C_s表示悬浮电容。

为了叙述方便，逆变器交流输出电压的峰峰值与最小直流输入电压的比值定义为电压利用率。本发明实施例中，最小直流输入电压等于直流电源电压V_dc。

注意，二极管被用作代表单方向导通元件，但本发明中的单方向导通元件不限定于二极管。二极管的正极指阳极，负极指阴极。本发明中的单方向导通元件也可以采用二极管之外的其它单方向导通器件。

需要指出的是，本发明实施例中的二极管均可以采用双向开关代替，从而实现二极管所在的支路双向导通。

为了叙述方便，开关MOSFET被用作代表本发明中的可控型(导通和关断)开关管，但本发明中的可控型元件不限定于MOSFET。以N沟道MOSFET为例进行说明。N沟道MOSFET的第一端指漏极，第二端指源极，控制端指栅极。本发明中的每个可控型元件的控制端施加一个驱动控制信号。简洁起见，后面不再赘述。本发明中的可控型元件也可以采用MOSFET之外的其它可控型开关管器件实现，比如IGBT。

简洁起见，术语“双向开关”指电流可以双向流动但只能承受单向电压的半导体开关，比如带有反向并联二极管的IGBT，或内置并联二极管的MOSFET。

图2(a)给出了本发明实施例提供的一种单相四电平逆变器拓扑电路M的电路原理部分方框图。所述单相四电平逆变器拓扑电路M的输入侧和两个串联连接的电容(第一电容C₁、第二电容C₂)连接。其中，第一电容C₁作为第一直流电源，第二电容C₂作为第二直流电源。所述单相四电平逆变器拓扑电路M输出四个互不相同的电平。

所述单相四电平逆变器拓扑电路M包括至少一个悬浮电容C_s和其他用于拓扑控制的部分，并具有第一端①、第二端②和第三端③；第一端①适于连接第一直流电源的正极端，第二端②适于连接第二直流电源的负极端；第三端③适于连接交流电网或者交流负载的一个接入端；

其他用于拓扑控制的部分连接悬浮电容和若干控制端，单相四电平逆变器拓扑电路用于在其他用于拓扑控制的部分所连接的各个控制端接入的控制信号下使得单相四电平逆变器拓扑电路M提供至少四种工作模式：

第一种工作模式：导通第一端①与悬浮电容的负极端之间的连接以及第三端③与悬浮电容的正极端之间的连接；第二种工作模式：导通第一端①与第三端③之间的连接、第一端①与悬浮电容的正极端之间的连接、悬浮电容的负极端与第二端②之间的连接；

第三种工作模式：导通第一端①与悬浮电容的正极端之间的连接，第三端③与第二端②之间的连接以及悬浮电容的负极端与第二端②之间的连接；

第四种工作模式：导通第二端②与悬浮电容的正极端之间的连接以及悬浮电容的负极端与第三端③之间的连接。图2(a)所示的单相四电平逆变器拓扑电路M中，可以由所述第一电容C₁或第二电容C₂中的一个给所述四电平逆变器拓扑电路M的负载供电，或者，所述两个电容(C₁、C₂)中的任一个与悬浮电容C_s代数叠加后给所述四电平逆变器拓扑电路M的负载供电，从而使所述四电平逆变器拓扑电路输出四个互不相同的电平。需要指出的是，虽然本发明实施例中，是以第一电容C₁或第二电容C₂不包含在四电平逆变器拓扑电路M中进行的说明，但是在实际应用中，本发明提供的四电平逆变器拓扑电路M本身还可以包含这里的第一电容C₁和第二电容C₂，这样可以直接实现对直流电压的多电平逆变。

图2(a)中所述的单相四电平逆变器拓扑电路M还连接滤波电感L₁的第一端，滤波电感L₁的第二端连接交流电网或交流负载的第一端。滤波电感L₁用于滤除开关频率的谐波，从而获得几乎正弦的负载电流。所述两个电容(C₁、C₂)的公共端连接交流电网或交流负载的第二端。对应的，单相四电平逆变器拓扑电路用于在其他用于拓扑控制的部分，在第一种工作模式下，将限流装置连接在第二端和悬浮电容的正极端之间，并导通第二端到悬浮电容的正极端之间的连接；在第二种工作模式和第三种工作模式下，将限流装置连接在第一端与悬浮电容的正极端之间，或者将限流装置连接在第二端与悬浮电容的负极端之间；在第四种工作模式下，将限流装置连接在第一端和悬浮电容的负极端之间，并导通悬浮电容的负极端到第一端的连接。

虽然本发明实施例中，是以滤波电感L₁不包含在四电平逆变器拓扑电路M中进行的说明，但是在实际应用中，本发明提供的四电平逆变器拓扑电路M本身还可以包含这里的滤波电感L₁，这样可以直接输出一个滤波后的交流电压。

图2(b)给出了本发明实施例提供的一种单相四电平逆变器拓扑电路M的改进电路原理部分方框图。在图2(a)的基础上，图2(b)中的所述单相四电平逆变器拓扑电路M进一步包括一个限流装置。所述限流装置用于抑制悬浮电容C_s充电时的冲击电流。因此，所述限流装置构成悬浮电容C_s充电回路的一部分。

所述限流装置有多种实现方式，比如以下一种或者几种的组合：电感；电阻；运行在有源模式或线性模式的半导体器件。图2(b)给出了限流电感L_s。

图3(a)给出了本发明实施例提供的第一种单相四电平逆变器拓扑电路M的电路原理部分方框图。所述第一种单相四电平逆变器拓扑电路M包括第一电路模块M₁₁和第二电路模块M₁₂。

所述第一电路模块M₁₁包括第一端I₁、第二端I₂、第三端I₃、第四端I₄，第一电路模块M₁₁还连接若干控制端，主要作用是在控制端接入的控制信号的控制下，提供四种工作模式：模式一：针对四个端子，导通第二端到第三端的连接，并断开其他端到端的连接；模式二：针对四个端子，导通第四端到第二端的连接，并断开其他端到端的连接；模式三：针对四个端子，导通第一端到第三端的连接，并断开其他端到端的连接；模式四：针对四个端子，导通第四端到第一端的连接，并断开其他端到端的连接。

所述第一电路模块M₁₁第一端I₁连接第一电容C₁正极，第二端I₂连接第二电容C₂的负极。

第二电路模块M₁₂包括四个输入端I_in-1～I_in-4、一个输出端I_out和一个悬浮电容C_s，还连接若干控制端，主要作用是在控制端接入的控制信号的控制下，提供四种工作模式：针对四个输入端和一个输出端，模式一：导通第一输入端与悬浮电容的负极端之间的连接，同时导通第三输入端与悬浮电容的正极端之间的连接以及第三输入端与输出端之间的连接的连接，断开其他端到端的连接；模式二：导通第四输入端与悬浮电容的负极端之间的连接，以及第一输入端与悬浮电容的正极端之间的连接和第一输入端与输出端之间的连接，断开其他端到端的连接；或者，导通第三输入端与悬浮电容的正极端之间的连接以及第三输入端与输出端之间的连接，以及第二输入端与悬浮电容的负极端之间的的连接，断开其他端到端的连接；模式三：导通第一输入端与悬浮电容的正极端之间的连接，同时导通第四输入端与悬浮电容的负极端之间的连接以及第四输入端与输出端的连接，断开其他端到端的连接；或者，导通第二输入端与悬浮电容的负极端之间的连接以及第二输入端与输出端的连接，同时导通第三输入端与悬浮电容的正极端之间的连接，断开其他端到端的连接；模式四：导通第四输入端与悬浮电容的负极端之间的连接以及第四输入端与输出端之间的连接，以及第二输入端与悬浮电容的正极端之间的连接，断开其他端到端的连接。具体来说，可以在每个输入端与输出端I_out之间至少有一个电路支路。每一个电路支路还连接至少一个控制端，适于在控制端接入导通信号时导通，接入关断信号时关断。

所述第一电路模块M₁₁的第三端I₃连接所述第二电路模块M₁₂的第三输入端I_in-3，第一电路模块M₁₁的第四端I₄连接所述第二电路模块M₁₂的第四输入端I_in-4。所述第二电路模块M₁₂的第一输入端I_in-1连接第一电容C₁的正极，第二输入端I_in-2连接第二电容C₂的负极。所述第二电路模块M₁₂的输出端I_out连接交流滤波电感L₁的第一端，交流滤波电感L₁的第二端连接交流电网或交流负载的第一端。第一电容C₁和第二电容C₂的公共端连接交流电网或交流负载的第二端。

具体来说，所述第一电路模块M₁₁包括至少两个电路支路，其中一个电路支路位于第一端I₁与第三端I₃之间，另一个电路支路位于第二端I₂与第四端I₄之间，且所述至少两个电路支路均延伸连接所述第二电路模块M₁₂的悬浮电容C_s。所述至少两个电路支路中的每个电路支路都至少包括一个双向开关。所述悬浮电容C_s由两个电容(C₁、C₂)同时充电。所述第二电路模块M₁₂产生四个相互不同的电平。

图3(b)给出了本发明实施例提供的第一种单相四电平逆变器拓扑电路M的改进电路原理部分方框图。和图3(a)相比，不同的是图3(b)中的第一电路模块M₁₁进一步包括一个限流电感L_s。所述限流电感L_s和图2(b)中的限流电感作用相同，简洁起见，此处不再重复描述。

图4给出了本发明实施例提供的第一种单相四电平逆变器拓扑电路M中的第一电路模块M₁₁的第一种电路原理示意图。所述第一电路模块M₁₁包括限流电感L_s、第一双向开关T₄₁、第二双向开关T₄₂、第一二极管D₄₁和第二二极管D₄₂。

第一双向开关T₄₁的第一端连接所述第一电路模块M₁₁的第一端I₁，第一双向开关T₄₁的第二端连接第二双向开关T₄₂的第一端。第二双向开关T₄₂的第二端连接所述第一电路模块M₁₁的第二端I₂。第一二极管D₄₁的正极连接第二二极管D₄₂的负极，第一二极管D₄₁的负极连接所述第一电路模块M₁₁的第三端I₃。第二二极管D₄₂的正极连接所述第一电路模块M₁₁的第四端I₄。所述限流电感L_s连接在第二双向开关T₄₂的第一端和第一二极管D₄₁的正极之间。

图5给出了本发明实施例提供的第一种单相四电平逆变器拓扑电路M中的第一电路模块M₁₁的第二种电路原理示意图。所述第一电路模块M₁₁包括限流电感L_s、第一双向开关T₅₁、第二双向开关T₅₂、第三双向开关T₅₃和第四双向开关T₅₄。

第一双向开关T₅₁的第一端连接所述第一电路模块M₁₁的第一端I₁，第一双向开关T₅₁的第二端连接第二双向开关T₅₂的第一端。第二双向开关T₅₂的第二端连接所述第一电路模块M₁₁的第二端I₂。第三双向开关T₅₃的第一端连接所述第一电路模块M₁₁的第三端I₃，第三双向开关T₅₃的第二端连接第四双向开关T₅₄的第一端。第四双向开关T₅₄的第二端连接所述第一电路模块M₁₁的第四端I₄。所述限流电感L_s连接在第二双向开关T₅₂的第一端和第四双向开关T₅₄的第一端之间。

图6给出了本发明实施例提供的第一种单相四电平逆变器拓扑电路M中的第一电路模块M₁₁的第三种电路原理示意图。所述第一电路模块M₁₁包括第一双向开关T₆₁、第二双向开关T₆₂、第三双向开关T₆₃、第四双向开关T₆₄、第一二极管D₆₁、第二二极管D₆₂和第一限流电感L_s1、第二限流电感L_s2。

第一双向开关T₆₁的第一端同时连接所述第一电路模块M₁₁的第一端I₁和第一限流电感L_s1的第一端，第一双向开关T₆₁的第二端连接第二限流电感L_s2的第一端。第二限流电感L_s2的第二端连接所述第一电路模块M₁₁的第二端I₂。第一限流电感L_s1的第二端连接第二双向开关T₆₂的第一端。第二双向开关T₆₂的第二端连接所述第一电路模块M₁₁的第二端I₂。第三双向开关T₆₃的第一端连接第一限流电感L_s1的第二端，第三双向开关T₆₃的第二端连接第一二极管D₆₁正极。第一二极管D₆₁负极连接所述第一电路模块M₁₁的第三端I₃。第四双向开关T₆₄的第二端连接第二限流电感L_s2的第一端，第四双向开关T₆₄的第一端连接第二二极管D₆₂负极。第二二极管D₆₂正极连接所述第一电路模块M₁₁的第四端I₄。

第一限流电感L_s1和第二限流电感L_s2作为限流装置交替工作，每半个电网电压周期交换一次。当第二限流电感L_s2作为限流装置工作时，第一限流电感L_s1工作在续流模式，反之亦然。

图7给出了本发明实施例提供的第一种单相四电平逆变器拓扑电路M中的第二电路模块M₁₂的第一种电路原理示意图。所述第二电路模块M₁₂包括悬浮电容C_s和六个双向开关T₇₁～T₇₆。

第一双向开关T₇₁的第一端连接所述第二电路模块M₁₂的第一输入端I_in-1，第一双向开关T₇₁的第二端连接第二双向开关T₇₂的第一端。第二双向开关T₇₂的第二端连接所述第二电路模块M₁₂的第二输入端I_in-2。第三双向开关T₇₃的第一端同时连接所述第二电路模块M₁₂的第三输入端I_in-3和悬浮电容C_s正极，第三双向开关T₇₃的第二端连接第四双向开关T₇₄的第一端。第四双向开关T₇₄的第二端同时连接所述第二电路模块M₁₂的第四输入端I_in-4和悬浮电容C_s负极。第三、第四双向开关的公共端连接第一、第二双向开关的公共端。第五双向开关T₇₅的第一端连接悬浮电容C_s正极，第五双向开关T₇₅的第二端连接第六双向开关T₇₆的第一端。第六双向开关T₇₆的第二端连接悬浮电容C_s负极。第五、第六双向开关的公共端连接所述第二电路模块M₁₂的输出端I_out。

图8给出了本发明实施例提供的第一种单相四电平逆变器拓扑电路M中的第二电路模块M₁₂的第二种电路原理示意图。所述第二电路模块M₁₂包括悬浮电容C_s、第一二极管D₈₁、第二二极管D₈₂和六个双向开关T₈₁～T₈₆。

第一双向开关T₈₁的第一端连接所述第二电路模块M₁₂的第一输入端I_in-1，第一双向开关T₈₁的第二端同时连接所述第二电路模块M₁₂的第四输入端I_in-4和悬浮电容C_s负极。第二双向开关T₈₂的第一端同时连接所述第二电路模块M₁₂的第三输入端I_in-3和悬浮电容C_s正极。第二双向开关T₈₂的第二端连接所述第二电路模块M₁₂的第二输入端I_in-2。

第一二极管D₈₁正极连接所述第二电路模块M₁₂的第一输入端I_in-1，第一二极管D₈₁负极连接第三双向开关T₈₃的第一端。第三双向开关T₈₃的第二端同时连接第四双向开关T₈₄的第一端和所述第二电路模块M₁₂的第三输入端I_in-3。第四双向开关T₈₄的第二端连接第五双向开关T₈₅的第一端，第五双向开关T₈₅的第二端同时连接第六双向开关T₈₆的第一端和所述第二电路模块M₁₂的第四输入端I_in-4。第六双向开关T₈₆的第二端连接第二二极管D₈₂正极，第二二极管D₈₂负极连接所述第二电路模块M₁₂的第二输入端I_in-2。第四、第五双向开关的公共端连接所述第二电路模块M₁₂的输出端I_out。

如图9所示，以带有图4所示第一电路模块M₁₁和图7所示第二电路模块M₁₂的单相四电平逆变器为例，说明本发明提供的第一种单相四电平逆变器的工作原理。下面给出了六个工作模态。

根据本实施例，假设直流电源的直流输出电压为V_dc。假定第一电容C₁的电容值等于第二电容C₂的电容值。显然，本发明并不限定第一电容C₁的电容值与第二电容C₂的电容值之间的大小关系。根据本实施例的假定，第一电容C₁电压和第二电容C₂电压都等于0.5V_dc。由于悬浮电容C_s由第一电容C₁和第二电容C₂同时充电，因此，所述悬浮电容电压为V_dc。定义附图10-15电路中的滤波电感L₁电流从左向右流动为正向电流，反之为负向电流。附图10-15中的实线电路工作，虚线电路不工作。

本发明实施例提供的单相四电平逆变器的第一工作模态如图10所示，此时，使第一电路模块工作在其模式一下，导通第二端到第三端的连接，断开其他端到端的连接；第二电路模块工作在其模式一下，导通第一输入端与悬浮电容C_s的负极端的连接，第三输入端与悬浮电容C_s的正极端的连接以及悬浮电容C_s的正极端与输出端O的连接，断开其他端到端的连接；此时正向电流路径为：C₁→T₇₁→T₇₄→C_s→T₇₅→L₁→G→C₁；负向电流路径为：C₁→G→L₁→T₇₅→C_s→T₇₄→T₇₁→C₁，单相四电平逆变器单元工作在其模式一下，逆变器输出电压U_OX等于所述悬浮电容C_s电压和第一电容C₁电压之和，即U_OX＝V_dc+0.5V_dc＝1.5V_dc。

在第一工作模态下，限流电感L_s的续流回路为：N→T₄₂→L_s→D₄₁→C_s→T₇₄→T₇₁→C₁→C₂→N。限流电感L_s可以被短路，但是悬浮电容的充电电流将会增大。

本发明实施例提供的单相四电平逆变器的第二工作模态如图11所示，此时，第一电路模块工作在其模式二下，导通第四端与第二端的连接，断开其他的端到端的连接；第二电路模块工作在其模式二下，导通第一输入端与悬浮电容C_s正极端以及输出端O的连接，导通第四输入端与悬浮电容C_s负极端的连接；正向电流路径为：C₁→T₇₁→T₇₃→T₇₅→L₁→G→C₁。负向电流路径为：C₁→G→L₁→T₇₅→T₇₃→T₇₁→C₁，此时，单相四电平逆变器工作在其模式二下。逆变器输出电压U_OX等于第一电容C₁电压，即U_OX＝0.5V_dc。

第二工作模态下，悬浮电容C_s充电，充电回路为：P→T₇₁→T₇₃→C_s→D₄₂→L_s→T₄₂→C₂→C₁→P。可以看出，两个电容(C₁、C₂)同时给悬浮电容C_s充电。

本发明实施例提供的单相四电平逆变器的第三工作模态如图12所示，第一电路模块工作在其模式三下，导通第一端到第三端的连接，断开其他的端到端的连接；第二电路模块工作在其模式二下，导通第三输入端与悬浮电容C_s正极端以及悬浮电容C_s正极端与输出端O的连接，导通第二输入端与悬浮电容C_s负极端的连接；正向电流路径为：C₂→T₇₂→T₇₄→C_s→T₇₅→L₁→G→C₂。负向电流路径为：C₂→G→L₁→T₇₅→C_s→T₇₄→T₇₂→C₂，此时，单相四电平逆变器工作在其模式二下。逆变器输出电压U_OX等于悬浮电容C_s电压与负的第二电容C₂电压之和，即U_OX＝V_dc+(-0.5V_dc)＝0.5V_dc。此时悬浮电容C_s的充电回路为：P→T₄₁→L_s→D₄₁→C_s→T₇₄→T₇₂→C₂→C₁→P。

本发明实施例提供的单相四电平逆变器的第四工作模态如图13所示，第一电路模块工作在其模式二下，导通第四端到第二端的连接，断开其他的端到端的连接；第二电路模块工作在其模式三下，导通第一输入端与悬浮电容C_s正极端之间的连接以及悬浮电容C_s负极端与输出端O的连接，导通第四输入端与悬浮电容C_s负极端的连接；正向电流路径为：C₁→T₇₁→T₇₃→C_s→T₇₆→L₁→G→C₁，此时，单相四电平逆变器工作在其模式三下。负向电流路径为：C₁→G→L₁→T₇₆→C_s→T₇₃→T₇₁→C₁。逆变器输出电压U_OX等于第一电容C₁电压与负的悬浮电容C_s电压之和，即U_OX＝0.5V_dc+(-V_dc)＝-0.5V_dc。

第四工作模态下，悬浮电容C_s充电，充电回路为：P→T₇₁→T₇₃→C_s→D₄₂→L_s→T₄₂→C₂→C₁→P。

本发明实施例提供的单相四电平逆变器的第五工作模态如图14所示，第一电路模块工作在其第三工作模式下，导通第一端到第三端的连接，断开其他的端到端的连接；第二电路模块工作在其第三工作模式下，导通第三输入端与悬浮电容C_s正极端之间的连接，导通第二输入端与悬浮电容C_s负极端以及输出端O的连接；正向电流路径为：C₂→T₇₂→T₇₄→T₇₆→L₁→G→C₂。负向电流路径为：C₂→G→L₁→T₇₆→T₇₄→T₇₂→C₂，此时，单相四电平逆变器工作在其第三工作模式下。逆变器输出电压U_OX等于负的第二电容C₂电压，即U_OX＝-0.5V_dc。此时，此时悬浮电容C_s的充电回路为：P→T₄₁→L_s→D₄₁→C_s→T₇₄→T₇₂→C₂→C₁→P。

本发明实施例提供的单相四电平逆变器的第六工作模态如图15所示，第一电路模块工作在其第四工作模式下，导通第四端到第一端的连接，断开其他的端到端的连接；第二电路模块工作在其第四工作模式下，导通第二输入端与悬浮电容C_s正极端之间的连接，导通第四输入端与悬浮电容C_s负极端以及悬浮电容C_s负极端与输出端O的连接；正向电流路径为：C₂→T₇₂→T₇₃→C_s→T₇₆→L₁→G→C₂。负向电流路径为：C₂→G→L₁→T₇₆→C_s→T₇₃→T₇₂→C₂。逆变器输出电压U_OX等于负的悬浮电容C_s电压与负的第二电容C₂电压之和，即U_OX＝(-V_dc)+(-0.5V_dc)＝-1.5V_dc。此时，限流电感L_s的续流回路为：N→T₇₂→T₇₃→C_s→D₄₂→L_s→T₄₁→C₁→C₂→N。

通过控制相应的开关管导通或关断，图9所示的单相四电平逆变器在上述的六种工作模态下交替工作，从而获得需要的逆变输出电压。

在第二工作模态下，所述单相四电平逆变器输出电压U_OX等于第三工作模态下的输出电压。实际应用中，可以灵活选择第二工作模态和第三工作模态。同理，第四工作模态和第五工作模态输出电压相同，实际应用中可以灵活选择。

从第一工作模态和第六工作模态下，所述单相四电平逆变器输出电压U_OX等于3V_dc。根据本发明中关于电压利用率的定义，所述单相四电平逆变器的电压利用率等于三。但是，现有单相四电平逆变器(无悬浮电容)的电压利用率等于一。因此，在相同的运行条件下，所述单相四电平逆变器的电压利用率是现有单相四电平逆变器电压利用率的三倍。

注意，上述的六种工作模态构成三组对称工作模态，分别是第一工作模态和第六工作模态，第二工作模态和第五工作模态，以及第三工作模态和第四工作模态。因此，第一电容C₁和第二电容C₂之间的电压可以自动平衡。也就是说，不需要附加电路，直流侧中点电压就可以自动平衡。因此，节省了系统成本，减小了系统体积。

图16给出了本发明实施例提供的第二种单相四电平逆变器拓扑电路M的电路原理部分方框图。所述第二种单相四电平逆变器拓扑电路M包括第一电路模块M₂₁和第二电路模块M₂₂。

所述第一电路模块M₂₁具有第一端I₁′、第二端I₂′、第三端I₃′、第四端I₄′。第一端I₁′连接第一电容C₁正极，第二端I₂′连接第二电容C₂的负极。

第二电路模块M₂₂包括四个输入端I_in-1′～I_in-4′、一个输出端I_out′和一个限流电感L_s、一个悬浮电容C_s。每个输入端与输出端I_out′之间至少有一个电路支路。

所述限流电感L_s用于抑制悬浮电容C_s充电时的冲击电流。因此，所述限流电感L_s构成悬浮电容C_s充电回路的一部分。所述限流电感L_s可以用其它限流装置代替，比如电感；电阻；运行在有源模式或线性模式的半导体器件；或者上述几种的组合。

所述第一电路模块M₂₁的第三端I₃′连接所述第二电路模块M₂₂的第三输入端I_in-3′，第一电路模块M₂₁的第四端I₄′连接所述第二电路模块M₂₂的第四输入端I_in-4′。所述第二电路模块M₂₂的第一输入端I_in-1′连接第一电容C₁的正极，第二输入端I_in-2′连接第二电容C₂的负极。所述第二电路模块M₂₂的输出端I_out′连接交流滤波电感L₁的第一端，交流滤波电感L₁的第二端连接交流电网或交流负载的第一端。第一电容C₁和第二电容C₂的公共端连接交流电网或交流负载的第二端。

所述第一电路模块M₂₁至少提供两个电路支路，其中一个电路支路位于第一端I₁′与第三端I₃′之间，另一个电路支路位于第二端I₂′与第四端I₄′之间，且所述至少两个电路支路均延伸连接所述第二电路模块M₂₂的悬浮电容C_s。所述至少两个电路支路中的每个电路支路都至少包括一个双向开关。所述悬浮电容C_s由两个电容(C₁、C₂)同时充电。所述第二电路模块M₂₂产生四个相互不同的电平。

图17给出了本发明实施例提供的第二种单相四电平逆变器拓扑电路M中的第一电路模块M₂₁的第一种电路原理示意图。所述第一电路模块M₂₁包括第一双向开关T₁₇₁、第二双向开关T₁₇₂和第一二极管D₁₇₁、第二二极管D₁₇₂。

第一双向开关T₁₇₁的第一端连接所述第一电路模块M₂₁的第一端I₁′，第一双向开关T₁₇₁的第二端连接第一二极管D₁₇₁正极。第一二极管D₁₇₁的负极连接所述第一电路模块M₂₁的第三端I₃′。第二双向开关T₁₇₂的第二端连接所述第一电路模块M₂₁的第二端I₂′。第二双向开关T₁₇₂的第一端连接第二二极管D₁₇₂负极。第二二极管D₁₇₂的正极连接所述第一电路模块M₂₁的第四端I₄′。

图18给出了本发明实施例提供的第二种单相四电平逆变器拓扑电路M中的第一电路模块M₂₁的第二种电路原理示意图。所述第一电路模块M₂₁包括第一双向开关T₁₈₁、第二双向开关T₁₈₂、第三双向开关T₁₈₃和第四双向开关T₁₈₄。

第一双向开关T₁₈₁的第一端连接所述第一电路模块M₂₁的第一端I₁′，第一双向开关T₁₈₁的第二端连接第二双向开关T₁₈₂的第二端。第二双向开关T₁₈₂的第一端连接所述第一电路模块M₂₁的第三端I₃′。第三双向开关T₁₈₃的第二端连接所述第一电路模块M₂₁的第二端I₂′，第三双向开关T₁₈₃的第一端连接第四双向开关T₁₈₄的第一端。第四双向开关T₁₈₄的第二端连接所述第一电路模块M₂₁的第四端I₄′。

图19给出了本发明实施例提供的第二种单相四电平逆变器拓扑电路M中的第二电路模块M₂₂的电路原理示意图。所述第二电路模块M₂₂包括限流电感L_s、悬浮电容C_s和六个双向开关T₁₉₁～T₁₉₆。

第一双向开关T₁₉₁的第一端连接所述第二电路模块M₂₂的第一输入端I_in-1′，第一双向开关T₁₉₁的第二端连接第二双向开关T₁₉₂的第一端。第二双向开关T₁₉₂的第二端连接所述第二电路模块M₂₂的第二输入端I_in-2′。第三双向开关T₁₉₃的第一端同时连接所述第二电路模块M₂₂的第三输入端I_in-3′和悬浮电容C_s正极，第三双向开关T₁₉₃的第二端连接第四双向开关T₁₉₄的第一端。第四双向开关T₁₉₄的第二端同时连接所述第二电路模块M₂₂的第四输入端I_in-4′和悬浮电容C_s负极。

限流电感L_s连接在第二双向开关T₁₉₂的第一端和第四双向开关T₁₉₄的第一端之间。第五双向开关T₁₉₅的第一端连接悬浮电容C_s正极。第五双向开关T₁₉₅的第二端连接第六双向开关T₁₉₆的第一端。第六双向开关T₁₉₆的第二端连接悬浮电容C_s负极。第五、第六双向开关的公共端连接所述第二电路模块M₂₂的输出端I_out′。

图20给出了带有图17所示第一电路模块M₂₁和图19所示第二电路模块M₂₂的第二种单相四电平逆变器。

本发明提供的第二种单相四电平逆变器的工作原理类似于第一种单相四电平逆变器的工作原理。参考前面对第一种单相四电平逆变器工作原理的分析，很容易对第二种单相四电平逆变器的工作原理进行类似分析。简洁起见，此处不再赘述。

但是，由于第二种单相四电平逆变器中的限流电感L_s作为限流装置工作或滤波装置工作，因此第二种单相四电平逆变器中的限流电感L_s不需要续流回路。

术语“V_Ls”用于表示当附图20中的限流电感L_s电流从左流向右时的限流电感L_s电压。由于限流电感L_s构成所述第二种单相四电平逆变器输出电压所在回路的一部分，因此，需要加上V_Ls或负的V_Ls来获得输出电压U_OX。限流电感L_s的感抗非常小，因此，电压V_Ls可以忽略不计。

图21(a)是本发明实施例提供的第一种单相四电平逆变器拓扑电路的等效方框图。如图21(a)所示，定义第一电路模块M₁₁的第一端I₁为所述第一种单相四电平逆变器拓扑电路的第一直流输入端，第一电路模块M₁₁的第二端I₂为其第二直流输入端，第二电路模块M₁₂的输出端I_out为其交流输出端。

图21(b)是基于图21(a)中的等效电路的第一种三相四电平逆变器拓扑电路的部分方框电路图。如图21(b)所示，所述三相四电平逆变器拓扑电路包括三个第一种单相四电平逆变器拓扑电路。所述三个第一种单相四电平逆变器拓扑电路输入侧并联连接直流电源。也就是说，所述三个第一种单相四电平逆变器拓扑电路的第一直流输入端均连接直流电源正极，所有第二直流输入端均连接直流电源负极。所述三个第一种单相四电平逆变器拓扑电路的交流输出端与三相交流电网或交流负载接入端一一对应连接。

图22(a)是第二种单相四电平逆变器拓扑电路的等效方框图。如图22(a)所示，定义第一电路模块M₂₁的第一端I₁′为所述第二种单相四电平逆变器拓扑电路的第一直流输入端，类似地，第一电路模块M₂₁的第二端I₂′为其第二直流输入端，第二电路模块M₂₂的输出端I_out′为其交流输出端。

图22(b)是基于图22(a)中的等效电路的第二种三相四电平逆变器拓扑电路的部分方框电路图。如图22(b)所示，所述三相四电平逆变器拓扑电路包括三个第二种单相四电平逆变器拓扑电路。所述三个第二种单相四电平逆变器拓扑电路输入侧并联连接直流电源。也就是说，所述三个第二种单相四电平逆变器拓扑电路的第一直流输入端均连接直流电源正极，所有第二直流输入端均连接直流电源负极。所述三个第二种单相四电平逆变器拓扑电路的交流输出端与三相交流电网或交流负载接入端一一对应连接。

图23(a)是基于图21(a)和图22(a)中的等效电路的第三种三相四电平逆变器拓扑电路的部分方框电路图。如图23(a)所示，所述三相四电平逆变器拓扑电路包括两个第一种单相四电平逆变器拓扑电路和一个第二种单相四电平逆变器拓扑电路。所述三个单相四电平逆变器拓扑电路输入侧并联连接直流电源。也就是说，所述三个单相四电平逆变器拓扑电路的第一直流输入端均连接直流电源正极，所有第二直流输入端均连接直流电源负极。所述三个单相四电平逆变器拓扑电路的交流输出端与三相交流电网或交流负载接入端一一对应连接。

图23(b)是基于图21(a)和图22(a)中的等效电路的第四种三相四电平逆变器拓扑电路的部分方框电路图。如图23(b)所示，所述三相四电平逆变器拓扑电路包括一个第一种单相四电平逆变器拓扑电路和两个第二种单相四电平逆变器拓扑电路。所述三个单相四电平逆变器拓扑电路输入侧并联连接直流电源。也就是说，所述三个单相四电平逆变器拓扑电路的第一直流输入端均连接直流电源正极，所有第二直流输入端均连接直流电源负极。所述三个单相四电平逆变器拓扑电路的交流输出端与三相交流电网或交流负载接入端一一对应连接。

从图21(b)至图23(b)中的所述三相四电平逆变器拓扑电路中的每个第一电路模块M₁₁均可以采用图4至图6所示的任一个电路，每个第二电路模块M₁₂均可以采用图7或图8所示的任一个电路。类似地，从图21(b)至图23(b)中的所述三相四电平逆变器拓扑电路中的每个第一电路模块M₂₁均可以采用图17或图18所示的任一个电路，每个第二电路模块M₂₂均可以采用图19所示的电路。下标相同的电路模块优先选择相同的电路以便于集成，比如，每个第一电路模块M₁₁都采用图4所示的电路，每个第二电路模块M₁₂都采用图7所示的电路。

本发明提供的四电平逆变器拓扑电路，可以用于，但不限于，可再生能源系统，比如单相或三相并网光伏系统。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同或相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。

需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”，“上”和“下”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备同时还存在另外的其它要素。

以上所述仅是本发明的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，比如，根据本实施例中的拓扑电路利用对称特性得到的拓扑电路，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (16)

1.一种单相四电平逆变器拓扑电路，适于和两个串联连接的直流电源一起使用，两个直流电源包括第一直流电源和第二直流电源，第一直流电源的负极连接第二直流电源的正极，两直流电源的公共端适于连接交流电网或交流负载的接入端，其特征在于，包括第一电路模块和第二电路模块；

所述第一电路模块具有第一端、第二端、第三端和第四端；所述第二电路模块具有第一输入端、第二输入端、第三输入端、第四输入端和一个输出端；

所述第一电路模块的第一端连接所述单相四电平逆变器拓扑电路的第一端，第二端连接单相四电平逆变器拓扑电路的第二端；第三端连接第二电路模块的第三输入端，第四端连接第二电路模块的第四输入端；

所述第二电路模块的第一输入端连接所述单相四电平逆变器拓扑电路的第一端，第二输入端连接单相四电平逆变器拓扑电路的第二端；输出端连接所述单相四电平逆变器拓扑电路的第三端；所述第二电路模块还包括悬浮电容；

所述第一电路模块还连接若干控制端，适于在控制端接入的控制信号的控制下，提供四种工作模式：模式一：针对四个端子，导通第二端到第三端的连接，并断开其他端到端的连接；模式二：针对四个端子，导通第四端到第二端的连接，并断开其他端到端的连接；模式三：针对四个端子，导通第一端到第三端的连接，并断开其他端到端的连接；模式四：针对四个端子，导通第四端到第一端的连接，并断开其他端到端的连接；

所述第二电路模块还连接若干控制端，适于在控制端接入的控制信号的控制下，提供四种工作模式：针对四个输入端和一个输出端，

模式一：导通第一输入端与悬浮电容的负极端之间的连接，同时导通第三输入端与悬浮电容的正极端之间的连接以及第三输入端与输出端之间的连接，断开其他端到端的连接；

模式二：导通第四输入端与悬浮电容的负极端之间的连接，同时导通第一输入端与悬浮电容的正极端之间的连接以及第一输入端与输出端之间的连接，断开其他端到端的连接；或者，导通第三输入端与悬浮电容的正极端之间的连接以及第三输入端与输出端之间的连接，同时导通第二输入端与悬浮电容的负极端之间的连接，断开其他端到端的连接；

模式三：导通第一输入端与悬浮电容的正极端之间的连接，同时导通第四输入端与悬浮电容的负极端之间的连接以及第四输入端与输出端之间的连接，断开其他端到端的连接；或者，导通第二输入端与悬浮电容的负极端之间的连接以及第二输入端与输出端之间的连接，同时导通第三输入端与悬浮电容的正极端之间的连接，断开其他端到端的连接；

模式四：导通第四输入端与悬浮电容的负极端之间的连接以及第四输入端与输出端之间的连接，同时导通第二输入端与悬浮电容的正极端之间的连接，断开其他端到端的连接；

第一电路模块四种工作模式和第二电路模块的四种工作模式构成六种工作模态：

第一工作模态：使第一电路模块工作在其模式一下，导通第二端到第三端的连接，断开其他端到端的连接；第二电路模块工作在其模式一下，导通第一输入端与悬浮电容的负极端的连接，第三输入端与悬浮电容的正极端的连接以及悬浮电容的正极端与输出端的连接，断开其他端到端的连接；

第二工作模态：第一电路模块工作在其模式二下，导通第四端与第二端的连接，断开其他的端到端的连接；第二电路模块工作在其模式二下，导通第一输入端与悬浮电容正极端以及输出端的连接，导通第四输入端与悬浮电容负极端的连接；

第三工作模态：第一电路模块工作在其模式三下，导通第一端到第三端的连接，断开其他的端到端的连接；第二电路模块工作在其模式二下，导通第三输入端与悬浮电容正极端以及悬浮电容正极端与输出端的连接，导通第二输入端与悬浮电容负极端的连接；第四工作模态：第一电路模块工作在其模式二下，导通第四端到第二端的连接，断开其他的端到端的连接；第二电路模块工作在其模式三下，导通第一输入端与悬浮电容正极端之间的连接以及悬浮电容负极端与输出端的连接，导通第四输入端与悬浮电容负极端的连接；

第五工作模态：第一电路模块工作在其模式三下，导通第一端到第三端的连接，断开其他的端到端的连接；第二电路模块工作在其模式三下，导通第三输入端与悬浮电容正极端之间的连接，导通第二输入端与悬浮电容负极端以及输出端的连接；

第六工作模态：第一电路模块工作在其模式四下，导通第四端到第一端的连接，断开其他的端到端的连接；第二电路模块工作在其模式四下，导通第二输入端与悬浮电容正极端之间的连接，导通第四输入端与悬浮电容负极端以及悬浮电容负极端与输出端的连接；

通过控制相应的开关管导通或关断，单相四电平逆变器在六种工作模态下交替工作，构成三组对称工作模态，分别是第一工作模态和第六工作模态，第二工作模态和第五工作模态，以及第三工作模态和第四工作模态，获得需要的逆变输出电压。

2.根据权利要求1所述的单相四电平逆变器拓扑电路，其特征在于，还包括一个限流装置；

所述单相四电平逆变器拓扑电路包括至少一个悬浮电容和其他用于拓扑控制的部分，并具有第一端、第二端和第三端；第一端适于连接第一直流电源的正极端，第二端适于连接第二直流电源的负极端；第三端适于连接交流电网或者交流负载的一个接入端；

其他用于拓扑控制的部分连接悬浮电容和若干控制端，单相四电平逆变器拓扑电路用于在其他用于拓扑控制的部分所连接的各个控制端接入的控制信号下使得单相四电平逆变器拓扑电路提供至少四种工作模式：

第一种工作模式：导通第一端与悬浮电容的负极端之间的连接以及第三端与悬浮电容的正极端之间的连接；第二种工作模式：导通第一端与第三端之间的连接、第一端与悬浮电容的正极端之间的连接、悬浮电容的负极端与第二端之间的连接；

第三种工作模式：导通第一端与悬浮电容的正极端之间的连接，第三端与第二端之间的连接以及悬浮电容的负极端与第二端之间的连接；

第四种工作模式：导通第二端与悬浮电容的正极端之间的连接以及悬浮电容的负极端与第三端之间的连接；

所述单相四电平逆变器拓扑电路还用于在第一种工作模式下，将限流装置连接在单相四电平逆变器拓扑电路的第二端和悬浮电容的正极端之间，并导通单相四电平逆变器拓扑电路的第二端到悬浮电容的正极端之间的连接；在第二种工作模式和第三种工作模式下，将限流装置连接在单相四电平逆变器拓扑电路的第一端与悬浮电容的正极端之间，或者将限流装置连接在单相四电平逆变器拓扑电路的第二端与悬浮电容的负极端之间；在第四种工作模式下，将限流装置连接在单相四电平逆变器拓扑电路的第一端和悬浮电容的负极端之间，并导通悬浮电容的负极端到单相四电平逆变器拓扑电路的第一端的连接。

3.根据权利要求2所述的单相四电平逆变器拓扑电路，其特征在于，所述限流装置包括以下一种或者几种的组合：限流电感；限流电阻；运行在有源模式或线性模式的半导体器件。

4.根据权利要求1所述的单相四电平逆变器拓扑电路，其特征在于，

所述第二电路模块具有四个输入端和一个输出端；每个输入端和所述输出端之间至少有一个电路支路；每一个电路支路还连接至少一个控制端，适于在控制端接入导通信号时导通，接入关断信号时关断。

5.根据权利要求1所述的单相四电平逆变器拓扑电路，其特征在于，还包括滤波电感，所述单相四电平逆变器拓扑电路的第三端具体通过所述滤波电感连接在交流电网或交流负载的接入端。

6.根据权利要求3所述的单相四电平逆变器拓扑电路，其特征在于，还包含限流电感时，所述第一电路模块进一步包括第一双向开关、第二双向开关和第一、第二二极管和所述限流电感；

第一双向开关的第一端连接所述第一电路模块的第一端，第一双向开关的第二端连接第二双向开关的第一端；第二双向开关的第二端连接所述第一电路模块的第二端；第一二极管的正极连接第二二极管的负极，第一二极管的负极连接所述第一电路模块的第三端；第二二极管的正极连接所述第一电路模块的第四端；所述限流电感连接在第二双向开关的第一端和第一二极管的正极之间。

7.根据权利要求3所述的单相四电平逆变器拓扑电路，其特征在于，还包含限流电感时，所述第一电路模块包括第一双向开关、第二双向开关、第三双向开关、第四双向开关和所述限流电感；

第一双向开关的第一端连接所述第一电路模块的第一端，第一双向开关的第二端连接第二双向开关的第一端；第二双向开关的第二端连接所述第一电路模块的第二端；第三双向开关的第一端连接所述第一电路模块的第三端，第三双向开关的第二端连接第四双向开关的第一端；第四双向开关的第二端连接所述第一电路模块的第四端；所述限流电感连接在第二双向开关的第一端和第四双向开关的第一端之间。

8.根据权利要求3所述的单相四电平逆变器拓扑电路，其特征在于，还包含限流电感时，所述第一电路模块进一步包括第一双向开关、第二双向开关、第三双向开关、第四双向开关、第一二极管、第二二极管和第一限流电感、第二限流电感；

第一双向开关的第一端同时连接所述第一电路模块的第一端和第一限流电感的第一端，第一双向开关的第二端连接第二限流电感的第一端；第二限流电感的第二端连接所述第一电路模块的第二端；第一限流电感的第二端连接第二双向开关的第一端；第二双向开关的第二端连接所述第一电路模块的第二端；第三双向开关的第一端连接第一限流电感的第二端，第三双向开关的第二端连接第一二极管正极；第一二极管负极连接所述第一电路模块的第三端；第四双向开关的第二端连接第二限流电感的第一端，第四双向开关的第一端连接第二二极管负极；第二二极管正极连接所述第一电路模块的第四端。

9.根据权利要求4所述的单相四电平逆变器拓扑电路，其特征在于，所述第二电路模块进一步包括六个双向开关；

第一双向开关的第一端连接所述第二电路模块的第一输入端，第一双向开关的第二端连接第二双向开关的第一端；第二双向开关的第二端连接所述第二电路模块的第二输入端；第三双向开关的第一端同时连接所述第二电路模块的第三输入端和悬浮电容正极，第三双向开关的第二端连接第四双向开关的第一端；第四双向开关的第二端同时连接所述第二电路模块的第四输入端和悬浮电容负极；第三双向开关、第四双向开关的公共端连接第一双向开关、第二双向开关的公共端；第五双向开关的第一端连接悬浮电容正极，第五双向开关的第二端连接第六双向开关的第一端；第六双向开关的第二端连接悬浮电容负极；第五双向开关、第六双向开关的公共端连接所述第二电路模块的输出端。

10.根据权利要求5所述的单相四电平逆变器拓扑电路，其特征在于，所述第二电路模块进一步包括第一二极管、第二二极管和六个双向开关；

第一双向开关的第一端连接所述第二电路模块的第一输入端，第一双向开关的第二端同时连接所述第二电路模块的第四输入端和悬浮电容负极；第二双向开关的第一端同时连接所述第二电路模块的第三输入端和悬浮电容正极；第二双向开关的第二端连接所述第二电路模块的第二输入端；

第一二极管正极连接所述第二电路模块的第一输入端，第一二极管负极连接第三双向开关的第一端；第三双向开关的第二端同时连接第四双向开关的第一端和所述第二电路模块的第三输入端；第四双向开关的第二端连接第五双向开关的第一端，第五双向开关的第二端同时连接第六双向开关的第一端和所述第二电路模块的第四输入端；第六双向开关的第二端连接第二二极管正极，第二二极管负极连接所述第二电路模块的第二输入端；第四、第五双向开关的公共端连接所述第二电路模块的输出端。

11.根据权利要求2所述的单相四电平逆变器拓扑电路，其特征在于，还包含限流装置时，所述第二电路模块包括所述限流装置。

12.根据权利要求11所述的单相四电平逆变器拓扑电路，其特征在于，所述第一电路模块进一步包括第一双向开关、第二双向开关和第一、第二二极管；

第一双向开关的第一端连接所述第一电路模块的第一端，第一双向开关的第二端连接第一二极管正极；第一二极管的负极连接所述第一电路模块的第三端；第二双向开关的第二端连接所述第一电路模块的第二端；第二双向开关的第一端连接第二二极管负极；第二二极管的正极连接所述第一电路模块的第四端。

13.根据权利要求11所述的单相四电平逆变器拓扑电路，其特征在于，所述第一电路模块进一步包括第一双向开关、第二双向开关、第三双向开关和第四双向开关；

第一双向开关的第一端连接所述第一电路模块的第一端，第一双向开关的第二端连接第二双向开关的第二端；第二双向开关的第一端连接所述第一电路模块的第三端；第三双向开关的第二端连接所述第一电路模块的第二端，第三双向开关的第一端连接第四双向开关的第一端；第四双向开关的第二端连接所述第一电路模块的第四端。

14.根据权利要求11所述的单相四电平逆变器拓扑电路，其特征在于，所述第二电路模块包括悬浮电容、六个双向开关和限流电感；

第一双向开关的第一端连接所述第二电路模块的第一输入端，第一双向开关的第二端连接第二双向开关的第一端；第二双向开关的第二端连接所述第二电路模块的第二输入端；第三双向开关的第一端同时连接所述第二电路模块的第三输入端和悬浮电容正极，第三双向开关的第二端连接第四双向开关的第一端；第四双向开关的第二端同时连接所述第二电路模块的第四输入端和悬浮电容负极；

限流电感连接在第二双向开关的第一端和第四双向开关的第一端之间；第五双向开关的第一端连接悬浮电容正极；第五双向开关的第二端连接第六双向开关的第一端；第六双向开关的第二端连接悬浮电容负极；第五、第六双向开关的公共端连接所述第二电路模块的输出端。

15.一种三相四电平逆变器拓扑电路，其特征在于，包括三个单相四电平逆变器拓扑电路；其中，所述三个单相四电平逆变器拓扑电路输入侧并联连接，所述三个单相四电平逆变器拓扑电路的交流输出端用于一对一连接三相交流电网或三相交流负载的三个交流电压输出端；每一个单相四电平逆变器拓扑电路为如权利要求1-14任一项所述的单相四电平逆变器拓扑电路。

16.根据权利要求15所述的三相四电平逆变器拓扑电路，其特征在于，所述三个单相四电平逆变器拓扑电路中的第一电路模块采用相同的电路，且/或，第二电路模块采用相同的电路。

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