CN109995255A - 交直流变换器、五电平拓扑单元及其调制方法 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及一种交直流变换器、五电平拓扑单元及其调制方法。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，第一二极管、第二二极管、第一电容、第二电容及第三电容。上述交直流变换器、五电平拓扑单元及其调制方法，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，五电平拓扑单元结构简单，通过八个开关器件的导通和关断可以输出五种电平，使用便捷，在高电平时，通过该五电平拓扑单元电流流经的开关器件数量少，从而减少了元器件的导通损耗，提高了五电平拓扑单元的工作效率，降低了使用成本，提高了使用可靠性。
Description
技术领域
本申请涉及电力电子技术领域，特别是涉及一种交直流变换器、五电平拓扑单元及其调制方法。
背景技术
并网逆变器在光伏发电中扮演着很重要的角色，并网逆变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，例如交直流变换器。
传统的交直流变换器结构复杂，工作时元器件的开关损耗和导通损耗大，使用成本高，工作可靠性低。
发明内容
基于此，有必要针对传统的交直流变换器工作可靠性低的问题，提供一种五电平拓扑单元、交直流变换器及调制方法。
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、第七开关器件和第八开关器件；
第一二极管和第二二极管；
第一电容、第二电容及第三电容；
其中，所述第一电容和所述第二电容连接，所述第一电容与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二电容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电容的电极连接所述直流电源的直流负端；
所述第五开关器件、所述第三电容及所述第七开关器件依次连接，所述第五开关器件未连接所述第三电容的一端连接所述直流正端，所述第七开关器件未连接所述第三电容的一端与所述直流负端连接；所述第五开关器件与所述第三电容的公共连接端作为第二连接端，所述第三电容与所述第七开关器件的公共连接端作为第三连接端；
所述第四开关器件与所述第六开关器件连接，所述第四开关器件与所述第六开关器件的公共连接端连接所述第一二极管的阴极，所述第一二极管的阳极连接所述第一连接端，所述第四开关器件未连接所述第六开关器件的一端连接所述第二连接端，所述第六开关器件未连接所述第四开关器件的一端连接所述第三连接端；
所述第八开关器件与所述第三开关器件连接，所述第八开关器件与所述第三开关器件的公共连接端连接所述第二二极管的阳极，所述第二二极管的阴极连接所述第一连接端，所述第八开关器件未连接所述第三开关器件的一端连接所述第二连接端，所述第三开关器件未连接所述第八开关器件的一端连接所述第三连接端；
所述第一开关器件与所述第二开关器件连接，所述第一开关器件与所述第二开关器件的公共连接端作为交流端，所述第一开关器件未连接所述第二开关器件的一端连接所述第二连接端，所述第二开关器件未连接所述第一开关器件的一端连接所述第三连接端；
所述第一电容的额定电压值与所述第二电容的额定电压值相等，所述第三电容的额定电压值等于所述第一电容的额定电压值的一半，设为预设电压值；
所述五电平拓扑单元可以工作在五个工作模态，分别为第一工作模态、第二工作模态、第三工作模态、第四工作模态和第五工作模态，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预设电压值相等；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预设电压值的两倍；当所述五电平拓扑单元工作在所述第四工作模态时，所述交流端的电压是所述预设电压值的负一倍；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预设电压值的负两倍。
在其中一个实施例中，所述第一开关器件、所述第四开关器件和所述第八开关器件导通，其他开关器件截止，以使所述五电平拓扑单元工作在第一工作模态；或者所述第二开关器件、所述第三开关器件和所述第六开关器件导通，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；
所述第二开关器件和所述第五开关器件导通，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；或者所述第一开关器件、所述第三开关器件和所述第六开关器件导通，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；
所述第一开关器件和所述第五开关器件导通，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；
所述第二开关器件、所述第四开关器件和所述第八开关器件导通，其他开关器件截止，以使所述五电平拓扑单元工作在第四工作模态；或者所述第一开关器件和所述第七开关器件导通，其他开关器件截止，以使所述五电平拓扑单元工作在第四工作模态；
所述第二开关器件和所述第七开关器件导通，其他开关器件截止，以使所述五电平拓扑单元工作在第五工作模态。
在其中一个实施例中，各所述开关器件均为开关管。
在其中一个实施例中，所述第三开关器件与所述第四开关器件均为逆阻型开关管。
在其中一个实施例中，所述第一开关器件、所述第二开关器件、所述第五开关器件与所述第七开关器件均反并联一个二极管。
一种交直流变换器，包括：
上述五电平拓扑单元；
控制单元，与各所述开关器件分别连接，用于根据接收的控制信号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，以使所述五电平拓扑单元工作在相应的工作模态。
一种如上述五电平拓扑单元的调制方法，包括以下步骤：
接收控制信号；
根据所述控制信号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，以使所述五电平拓扑单元工作在相应的工作模态。
在其中一个实施例中，所述控制信号包括第一电压信号、第二电压信号、第三电压信号、第四电压信号和第五电压信号；所述根据所述控制信号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，包括:
将所述第一电压信号、第二电压信号、第三电压信号和第四电压信号层叠组成一组载波；
将第五电压信号与所述载波进行比较：
根据所述载波与所述第五电压信号的比较结果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，以使所述五电平拓扑单元工作在相应的工作模态。
在其中一个实施例中，所述根据所述载波与所述第五电压信号的比较结果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，以使所述五电平拓扑单元工作在相应的工作模态，包括：
在所述第五电压信号的电压值大于所述第一电压信号、所述第二电压信号、所述第三电压信号和所述第四电压信号的电压值时，控制所述五电平拓扑单元工作在第三工作模态；
在所述第五电压信号的电压值大于所述第二电压信号的电压值且小于所述第一电压信号的电压值时，控制所述五电平拓扑单元工作在第二工作模态；
在所述第五电压信号的电压值大于所述第三电压信号的电压值且小于所述第二电压信号的电压值时，控制所述五电平拓扑单元工作在第一工作模态；
在所述第五电压信号的电压值大于所述第四电压信号的电压值且小于所述第三电压信号的电压值时，控制所述五电平拓扑单元工作在第四工作模态；
在所述第五电压信号的电压值小于所述第一电压信号、所述第二电压信号、所述第三电压信号和所述第四电压信号的电压值时，控制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，所述第五电压信号的波形为正弦波，所述第一电压信号、所述第二电压信号、所述第三电压信号和所述第四电压信号的波形均为三角波。
上述交直流变换器、五电平拓扑单元及其调制方法，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，五电平拓扑单元包括三个电容、两个二极管和八个开关器件，结构简单，通过八个开关器件的导通和关断，不同的开关状态组合一共可以输出五种电平，使用便捷，在高电平时，通过该五电平拓扑单元电流流经的开关器件数量少，从而减少了元器件的导通损耗，进而减小了元器件损耗占整体损耗的比例，提高了五电平拓扑单元的工作效率，降低了使用成本，提高了使用可靠性。
附图说明
图1为一个实施例中五电平拓扑单元的结构图；
图2为一个实施例中五电平拓扑单元的等效电路图；
图3为另一个实施例中五电平拓扑单元的等效电路图；
图4为又一个实施例中五电平拓扑单元的等效电路图；
图5为又一个实施例中五电平拓扑单元的等效电路图；
图6为又一个实施例中五电平拓扑单元等效电路图；
图7为又一个实施例中五电平拓扑单元的等效电路图；
图8为又一个实施例中五电平拓扑单元的等效电路图；
图9为又一个实施例中五电平拓扑单元的等效电路图；
图10为又一个实施例中五电平拓扑单元的等效电路图；
图11为又一个实施例中五电平拓扑单元的等效电路图；
图12为又一个实施例中五电平拓扑单元的等效电路图；
图13为又一个实施例中五电平拓扑单元的等效电路图；
图14为又一个实施例中五电平拓扑单元的等效电路图；
图15为又一个实施例中五电平拓扑单元的等效电路图；
图16为又一个实施例中五电平拓扑单元的等效电路图；
图17为又一个实施例中五电平拓扑单元的等效电路图；
图18为又一个实施例中五电平拓扑单元的等效电路图；
图19为又一个实施例中五电平拓扑单元的等效电路图；
图20为一个实施例中五电平拓扑单元调制方法的流程图；
图21为另一个实施例中五电平拓扑单元调制方法的流程图；
图22为一个实施例中正弦调制波与载波的比较示意图；
图23为另一个实施例中五电平拓扑单元调制方法的流程图。
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，以下通过实施例，并结合附图，对本发明进行更加全面的描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
在一个实施例中，请参见图1，提供一种五电平拓扑单元，该五电平拓扑单元用于将直流电源的直流电转变为交流电输出。
该五电平拓扑单元包括：第一开关器件S1、第二开关器件S2、第三开关器件S3、第四开关器件S4、第五开关器件S5、第六开关器件S6、第七开关器件S7、第八开关器件S8、第一二极管D1、第二二极管D2、第一电容C1、第二电容C2及第三电容C3。
五电平拓扑单元中各器件的连接关系如下：第一电容C1和第二电容C2连接，第一电容C1与第二电容C2之间的电路中点作为第一连接端，第一电容C1未连接第二电容C2的电极连接直流电源的直流正端，第二电容C2未连接第一电容C1的电极连接直流电源的直流负端，即第一电容C1未连接第一连接端的电极连接直流电源的正母线，第一电容C1为上母线电容，第二电容C2未连接第一连接端的电极连接直流电源的负母线，第二电容C2为下母线电容，第一连接端为母线中点。
第五开关器件S5、第三电容C3及第七开关器件S7依次连接，第五开关器件S5未连接第三电容C3的一端连接直流正端，第七开关器件S7未连接第三电容C3的一端与直流负端连接；第五开关器件S5与第三电容C3的公共连接端作为第二连接端，第三电容C3与第七开关器件S7的公共连接端作为第三连接端。
第四开关器件S4与第六开关器件S6连接，第四开关器件S4与第六开关器件S6的公共连接端连接第一二极管D1的阴极，第一二极管D1的阳极连接第一连接端，第四开关器件S4未连接第六开关器件S6的一端连接第二连接端，第六开关器件S6未连接第四开关器件S4的一端连接第三连接端。
第八开关器件S8与第三开关器件S3连接，第八开关器件S8与第三开关器件S3的公共连接端连接第二二极管D2的阳极，第二二极管D2的阴极连接第一连接端，第八开关器件S8未连接第三开关器件S3的一端连接第二连接端，第三开关器件S3未连接第八开关器件S8的一端连接第三连接端。
第一开关器件S1与第二开关器件S2连接，第一开关器件S1与第二开关器件S2的公共连接端作为交流端，第一开关器件S1未连接第二开关器件S2的一端连接第二连接端，第二开关器件S2未连接第一开关器件S1的一端连接第三连接端。当第一电容C1为上母线电容，第二电容C2为下母线电容，第三电容C3为悬浮电容时，上母线电容的正极连接直流电源的直流正端，上母线电容的负极连接下母线电容的负极，下母线电容的负极连接直流电源的直流负端，悬浮电容的正极通过第五开关器件S5连接直流电源的直流正端，悬浮电容的负极通过第七开关器件S7连接直流电源的负端。
第一电容C1的额定电压值与第二电容C2的额定电压值相等，因此第一电容C1和第二电容C2的电路中点出的电压值为0，有利于电路稳定，第三电容C3的额定电压值等于第一电容C1的额定电压值的一半，设为预设电压值，当第一电容C1和第二电容C2的额定电压值为2E时，第三电容C3的额定电压值为E。
五电平拓扑单元可以工作在五个工作模态，分别为第一工作模态、第二工作模态、第三工作模态、第四工作模态和第五工作模态，以使得交流端输出交流电压，当五电平拓扑单元工作在第一工作模态时，交流端的电压为零，当五电平拓扑单元工作在第二工作模态时，五电平拓扑单元交流端的电压与预设电压值相等，当五电平拓扑单元工作在第三工作模态时，交流端的电压为预设电压值的两倍，当五电平拓扑单元工作在第四工作模态时，交流端的电压是预设电压值的负一倍，当五电平拓扑单元工作在第五工作模态时，交流端的电压是预设电压值的负两倍。
上述五电平拓扑单元，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，五电平拓扑单元包括三个电容、两个二极管和八个开关器件，结构简单，通过八个开关器件的导通和关断，不同的开关状态组合一共可以输出五种电平，使用便捷，在高电平时，通过该五电平拓扑单元电流流经的开关器件数量少，从而减少了元器件的导通损耗，进而减小了元器件损耗占整体损耗的比例，提高了五电平拓扑单元的工作效率，降低了使用成本，提高了使用可靠性。
在一个实施例中，可以通过八个开关器件的导通和截止组合出不同的开关组合，从而输出不同的电平，操作简单。具体开关组合及对应输出的电平如下：
第一开关器件S1、第四开关器件S4和第八开关器件S8导通，其他开关器件截止，以使五电平拓扑单元工作在第一工作模态，或者第二开关器件S2、第三开关器件S3和第六开关器件S6导通，其他开关器件截止，以使五电平拓扑单元工作在第一工作模态，当五电平拓扑单元工作在第一工作模态时，交流端输出的电平为0。
具体地，交流端输出的电流方向并不是唯一的，例如，当第一开关器件S1、第四开关器件S4和第八开关器件S8导通，其他开关器件截止时，根据第一开关器件S1的电流方向的不同，导通的开关组合不一样，交流端输出的电流方向也不一样，请参见图2，导通的开关器件的组合为第一开关器件S1与第四开关器件S4，此时直流电源处的电流依次经过第一二极管D1、第四开关器件S4和第一开关器件S1到达交流端，交流端的电流方向为正，请参见图3，导通的开关器件的组合为第一开关器件S1与第八开关器件S8，此时交流侧的电流依次经过第一开关器件S1、第八开关器件S8和第二二极管D2到达直流电源，交流端的电流方向为负，这两种情况下五电平拓扑单元交流端输出的电平均为0。当第二开关器件S2、第三开关器件S3和第六开关器件S6导通，其他开关器件截止时，根据第二开关器件S2的电流方向的不同，导通的开关组合不一样，交流端输出的电流方向也不一样，请参见图4，导通的开关器件的组合为第二开关器件S2与第六开关器件S6，此时直流电源处的电流依次经过第一二极管D1、第六开关器件S6和第二开关器件S2到达交流端，交流端的电流方向为正，请参见图5，导通的开关器件的组合为第二开关器件S2与第三开关器件S3，此时交流侧的电流依次经过第二开关器件S2、第三开关器件S3和第二二极管D2到达直流电源，交流端的电流方向为负，这两种情况下五电平拓扑单元交流端输出的电平均为0。
第二开关器件S2和第五开关器件S5导通，其他开关器件截止，以使五电平拓扑单元工作在第二工作模态；或者第一开关器件S1、第三开关器件S3和第六开关器件S6导通，其他开关器件截止，以使五电平拓扑单元工作在第二工作模态，当五电平拓扑单元工作在第二工作模态时，交流端的电压与预设电压值相等，即等于第三电容C3的额定电压值E。
具体地，交流端输出的电流方向并不是唯一的，例如，当第二开关器件S2和第五开关器件S5导通，其他开关器件截止时，根据第二开关器件S2的电流方向的不同，交流端输出的电流方向也不一样，请参见图6，此时直流电源处的电流依次经过第五开关器件S5、第三电容C3和第二开关器件S2到达交流端，交流端的电流方向为正，请参见图7，此时交流侧的电流依次经过第二开关器件S2、第三电容C3和第五开关器件S5到达直流电源，交流端的电流方向为负，这两种情况下五电平拓扑单元交流端输出的电平均为E。当第一开关器件S1、第三开关器件S3和第六开关器件S6导通，其他开关器件截止时，根据第一开关器件S1的电流方向的不同，导通的开关组合不一样，交流端输出的电流方向也不一样，请参见图8，导通的开关器件的组合为第一开关器件S1与第六开关器件S6，此时直流电源处的电流依次经过第一二极管D1、第六开关器件S6、第三电容C3和第一开关器件S1到达交流端，交流端的电流方向为正，请参见图9，导通的开关器件的组合为第一开关器件S1与第三开关器件S3，此时交流侧的电流依次经过第一开关器件S1、第三电容C3、第三开关器件S3和第二二极管D2到达直流电源，交流端的电流方向为负，这两种情况下五电平拓扑单元交流端输出的电平均为E。
第一开关器件S1和第五开关器件S5导通，其他开关器件截止，以使五电平拓扑单元工作在第三工作模态，当五电平拓扑单元工作在第三工作模态时，交流端输出的电压为预设电压值的两倍，即等于第一电容C1的额定电压值2E。
具体地，交流端输出的电流方向并不是唯一的，例如，当第一开关器件S1和第五开关器件S5导通，其他开关器件截止时，根据第一开关器件S1和第五开关器件S5的电流方向的不同，交流端输出的电流方向也不一样，请参见图10，此时直流电源处的电流依次经过第五开关器件S5和第一开关器件S1到达交流端，交流端的电流方向为正，请参见图11，此时交流侧的电流依次经过第一开关器件S1和第五开关器件S5到达直流电源，交流端的电流方向为负，这两种情况下五电平拓扑单元交流端输出的电平均为2E。
第二开关器件S2、第四开关器件S4和第八开关器件S8导通，其他开关器件截止，以使五电平拓扑单元工作在第四工作模态；或者第一开关器件S1和第七开关器件S7导通，其他开关器件截止，以使五电平拓扑单元工作在第四工作模态，当五电平拓扑单元工作在第四工作模态时，交流端的电压是预设电压值的负一倍，即交流端的电压值是第三电容C3的额定电压值的相反数-E。
具体地，交流端输出的电流方向并不是唯一的，例如，当第二开关器件S2、第四开关器件S4和第八开关器件S8导通，其他开关器件截止时，根据第二开关器件S2的电流方向的不同，交流端输出的电流方向也不一样，请参见图12，导通的开关器件的组合为第二开关器件S2与第四开关器件S4，此时直流电源处的电流依次经过第一二极管D1、第四开关器件S4、第三电容C3和第二开关器件S2到达交流端，交流端的电流方向为正，请参见图13，导通的开关器件的组合为第二开关器件S2与第八开关器件S8，此时交流侧的电流依次经过第二开关器件S2、第三电容C3、第八开关器件S8和第二二极管D2到达直流电源，交流端的电流方向为负，这两种情况下五电平拓扑单元交流端输出的电平均为-E。当第一开关器件S1和第七开关器件S7导通，其他开关器件截止时，根据第一开关器件S1和第七开关器件S7的电流方向的不同，交流端输出的电流方向也不一样，请参见图14，此时直流电源处的电流依次经过第七开关器件S7、第三电容C3和第一开关器件S1到达交流端，交流端的电流方向为正，请参见图15，此时交流侧的电流依次经过第一开关器件S1、第三电容C3和第七开关器件S7到达直流电源，交流端的电流方向为负，这两种情况下五电平拓扑单元交流端输出的电平均为-E。
第二开关器件S2和第七开关器件S7导通，其他开关器件截止，以使五电平拓扑单元工作在第五工作模态。当五电平拓扑单元工作在第五工作模态时，交流端的电压是预设电压值的负两倍，即交流端的电压值是第一电容C1的额定电压值的相反数-2E。
具体地，交流端输出的电流方向并不是唯一的，例如，当第二开关器件S2和第七开关器件S7导通，其他开关器件截止时，根据第二开关器件S2和第七开关器件S7的电流方向的不同，交流端输出的电流方向也不一样，请参见图16，此时直流电源处的电流依次经过第七开关器件S7和第二开关器件S2到达交流端，交流端的电流方向为正，请参见图17，此时交流侧的电流依次经过第二开关器件S2和第七开关器件S7到达直流电源，交流端的电流方向为负，这两种情况下五电平拓扑单元交流端输出的电平均为-2E。
在一个实施例中，五电平拓扑单元中的各开关器件均为开关管。开关管作为开关器件可以灵活切换开关器件的导通或截止的工作状态，有利于提高五电平拓扑单元的工作效率和可靠性。
具体地，当五电平拓扑单元中的各开关器件均为开关管时，各开关管均包括控制端、第一端和第二端，控制端可用于接收信号，开关管根据接收到的控制信号控制开关管的导通或截止状态，自动化程度高，使用便捷。五电平拓扑单元中的电路连接关系如下：
第一电容C1和第二电容C2连接，第一电容C1与第二电容C2之间的电路中点作为第一连接端，第一电容C1未连接第二电容C2的电极连接直流电源的直流正端，第二电容C2未连接第一电容C1的电极连接直流电源的直流负端，第五开关器件S5、第三电容C3及第七开关器件S7依次连接，第五开关器件S5的第一端连接直流电源的直流正端，第七开关器件S7的第二端与直流负端连接，第五开关器件S5的第二端与第三电容C3的公共连接端作为第二连接端，第三电容C3与第七开关器件S7的第一端的公共连接端作为第三连接端。
第四开关器件S4与第六开关器件S6连接，第四开关器件S4的第一端与第六开关器件S6的第一端的公共连接端连接第一二极管D1的阴极，第一二极管D1的阳极连接第一连接端，第四开关器件S4的第二端连接第二连接端，第六开关器件S6的第二端连接第三连接端。第八开关器件S8与第三开关器件S3连接，第八开关器件S8的第二端与第三开关器件S3的第二端的公共连接端连接第二二极管D2的阳极，第二二极管D2的阴极连接第一连接端，第八开关器件S8的第一端连接第二连接端，第三开关器件S3的第一端连接第三连接端。第一开关器件S1与第二开关器件S2连接，第一开关器件S1的第二端与第二开关器件S2的第一端的公共连接端作为交流端，第一开关器件S1的第一端连接第二连接端，第二开关器件S2的第二端连接第三连接端。该五电平拓扑单元一共可以输出0E，E，2E，-E，-2E五种电平，使用便捷，在高电平时，通过该五电平拓扑单元电流流经的开关器件数量少，从而减少了元器件的导通损耗，进而减小了元器件损耗占整体损耗的比例，提高了五电平拓扑单元的工作效率，降低了使用成本，提高了使用可靠性。可以理解，在其他实施例中，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。
在一个实施例中，第三开关器件S3与第四开关器件S4均为逆阻型开关管。逆阻型开关管对负阳极电压没有开关作用，只呈现反向阻断状态，对开关时间等瞬态参数没有特别要求，主要用于工频的反向阻断。逆阻型开关管除了具有单向导电特性之外，还具有正向导通的可控特性，门极对元件是否正向导通起控制作用，可通过门极电压控制开关管的导通或截止状态，可靠性高。
在一个实施例中，第一开关器件S1、第二开关器件S2、第五开关器件S5与第七开关器件S7均反并联一个二极管。在各个开关器件处反并联一个二极管可以增加各开关器件处的电流方向，丰富五电平拓扑单元的功能，提高其可靠性。具体地，第一开关器件S1与第三二极管D3反向并联、第二开关器件S2与第四二极管反向并联、第五开关器件S5与第五二极管D5反向并联，第七开关器件S7与第六二极管D7反向并联，当第一开关器件S1、第二开关器件S2、第五开关器件S5与第七开关器件S7均为开关管时，这些开关管反并联的二极管的阴极与开关管的第一端连接，反并联的二极管的阳极与开关管的第二端连接。以第一开关器件S1为例，第一开关器件S1处反并联一个二极管D3，当导通的开关器件的组合为第一开关器件S1与第四开关器件S4时，请参见图18，直流电源处的电流依次经过第一二极管D1、第四开关器件S4和第一开关器件S1到达交流端，交流端的电流方向为正，当导通的开关器件的组合为第一开关器件S1与第八开关器件S8，请参见图19，此时交流侧的电流依次经过第一开关器件S1、第八开关器件S8和第二二极管D2到达直流电源，交流端的电流方向为负，这两种情况下第一开关器件S1处的电流方向是不一样的，但均可以使五电平拓扑单元交流端输出的电平为0，丰富了五电平拓扑单元的工作可靠性。
在一个实施例中，提供一种交直流变换器，包括控制单元和上述五电平拓扑单元。控制单元与各开关器件分别连接，用于根据接收的控制信号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，以使五电平拓扑单元工作在相应的工作模态。
具体地，当五电平拓扑单元中的各个开关器件为开关管时，控制单元连接各开关管的控制端，控制单元发送控制信号至各开关管，控制信号通过各开关管的控制端控制开关管的导通或截止状态，以使五电平拓扑单元工作在相应的工作模态。
上述交直流变换器，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，五电平拓扑单元包括三个电容、两个二极管和八个开关器件，结构简单，通过八个开关器件的导通和关断，不同的开关状态组合一共可以输出五种电平，使用便捷，在高电平时，通过该五电平拓扑单元电流流经的开关器件数量少，从而减少了元器件的导通损耗，进而减小了元器件损耗占整体损耗的比例，提高了五电平拓扑单元的工作效率，降低了使用成本，提高了使用可靠性。
在一个实施例中，请参见图20，提供一种上述五电平拓扑单元的调制方法，该方法包括以下步骤：
步骤S100：接收控制信号。
控制信号是控制五电平拓扑单元中个开关器件的导通或截止状态的依据，不同的开关器件的导通组合可以决定电路结构和电流流向，从而影响五电平拓扑单元输出电压值的大小。
步骤S200：根据控制信号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，以使五电平拓扑单元工作在相应的工作模态。
接收到控制信号后，根据控制信号中携带的信息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，以使五电平拓扑单元工作在相应的工作模态。具体地，控制信号可以是既定的导通或截止信号，也可以是根据几个信号的比较结果从而决定开关器件的导通或截止状态的控制信号，可根据实际需求决定。
在一个实施例中，控制信号包括第一电压信号、第二电压信号、第三电压信号、第四电压信号和第五电压信号，请参见图21，步骤S200包括步骤S210至步骤S230。
步骤S210：将第一电压信号、第二电压信号、第三电压信号和第四电压信号层叠组成一组载波。
将第一电压信号、第二电压信号、第三电压信号和第四电压信号层叠组成一组载波，可以将这四个电压信号集中在一起，比较时可以同时进行多个信号的比较，提高了五电平拓扑单元的工作效率。为了提高工作的可靠性，在本实施例中，第一电压信号、第二电压信号、第三电压信号和第四电压信号的相位幅值相等且依次层叠。可以理解，在其他实施例中，也可以采用其他的层叠方式，只要本领域技术人员认为可以实现即可。
步骤S220：将第五电压信号与载波进行比较。
将第五电压信号与层叠后的载波进行比较，可以提高信号比较的工作效率，载波包括第一电压信号、第二电压信号、第三电压信号和第四电压信号的全部信息，可以保证信号的完整性和信号比较的准确性。
步骤S230：根据载波与第五电压信号的比较结果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，以使五电平拓扑单元工作在相应的工作模态。
第五电压信号与载波的比较结果并不是唯一的，例如可以是第五电压信号与载波中特定信号的单一比较，也可以是第五电压信号与多个电压信号的区间比较，根据载波与第五电压信号的比较结果的不同，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不同，从而有不同的开关器件的导通组合，改变五电平拓扑单元中的有效电路结构，以使五电平拓扑单元工作在相应的工作模态。
在一个实施例中，步骤S230包括：
在第五电压信号的电压值大于第一电压信号、第二电压信号、第三电压信号和第四电压信号的电压值时，控制五电平拓扑单元工作在第三工作模态；在第五电压信号的电压值大于第二电压信号的电压值且小于第一电压信号的电压值时，控制五电平拓扑单元工作在第二工作模态；在第五电压信号的电压值大于第三电压信号的电压值且小于第二电压信号的电压值时，控制五电平拓扑单元工作在第一工作模态；在第五电压信号的电压值大于第四电压信号的电压值且小于第三电压信号的电压值时，控制五电平拓扑单元工作在第四工作模态；在第五电压信号的电压值小于第一电压信号、第二电压信号、第三电压信号和第四电压信号的电压值时，控制五电平拓扑单元工作在第五工作模态。以上的第五信号与第一电压信号、第二电压信号、第三电压信号和第四电压信号的比较结果与五电平拓扑单元的工作模态的对应关系并不是唯一的，可以理解，在其他实施例中，也可以采用其他的对应关系，只要本领域技术人员认为可以实现即可。
在一个实施例中，第五电压信号的波形为正弦波，第一电压信号、第二电压信号、第三电压信号和第四电压信号的波形均为三角波。通过四个三角波与一个正弦波比较控制八个开关管实现输出五种电平，使用便捷，可靠性高。
为了更好地理解上述实施例中，以下结合一个实施例进行详细的解释说明。当第五电压信号的波形为正弦波，第一电压信号、第二电压信号、第三电压信号和第四电压信号的波形均为三角波时，请参见图22与图23，图22为正弦调制波与载波的比较示意图，图23为五电平拓扑单元的调制方法的流程图，当正弦调制波大于所有三角波时，八个开关管的导通或关断状态如V1所述，当正弦调制波大于第二三角波且小于第一三角波时，并且正弦调制波相位处于0-π/2之间，八个开关管的导通或关断状态如V2所述，当正弦调制波大于第二三角波且小于第一三角波时，并且正弦调制波相位处于π/2-π之间，八个开关管的导通或关断状态如V3所述，当正弦调制波大于第三三角波且小于第二三角波时，并且正弦调制波相位处于π-2π之间，八个开关管的导通或关断状态如V4所述，当正弦调制波大于第三三角波且小于第二三角波时，并且正弦调制波相位处于0-π之间，八个开关管的导通或关断状态如V5所述，当正弦调制波大于第四三角波且小于第三三角波时，并且正弦调制波相位处于π-3π/2之间，八个开关管的导通或关断状态如V6所述，当正弦调制波大于第四三角波且小于第三三角波时，并且正弦调制波相位处于3π/2-2π之间，八个开关管的导通或关断状态如V7所述，当正弦调制波小于所有三角波时，八个开关管的导通或关断状态如V8所述。其中，V1、V2、V3、V4、V5、V6、V7和V8状态分别为：
V1:开关S1、S5闭合，开关S2、S3、S4、S6、S7、S8断开的状态，输出电平为2E；
V2:开关S2、S5闭合，开关S1、S3、S4、S6、S7、S8断开的状态，输出电平为E；
V3:开关S1、S3、S6闭合，开关S2、S4、S5、S7、S8断开的状态，输出电平为E；
V4:开关S1、S4、S8闭合，开关S2、S3、S5、S6、S7断开的状态，输出电平为0E；
V5:开关S2、S3、S6闭合，开关S1、S4、S5、S7、S8断开的状态，输出电平为0E；
V6:开关S2、S4、S8闭合，开关S1、S3、S5、S6、S7断开的状态，输出电平为-E；
V7:开关S1、S7闭合，开关S2、S3、S4、S5、S6、S8断开的状态，输出电平为-E；
V8:开关S2、S7闭合，开关S1、S3、S4、S5、S6、S8断开的状态，输出电平为-2E。
该五电平拓扑单元的调制技术，通过四行同相位、等幅值的三角波层叠组成一组载波，然后这组载波与一个正弦调制波比较，根据其比较的结果在八种开关状态组合中选择相应的开关状态组合，使五电平拓扑单元输出五种电平，实现五电平拓扑单元的自动控制。
上述五电平拓扑单元调制方法，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，五电平拓扑单元包括三个电容、两个二极管和八个开关器件，结构简单，通过八个开关器件的导通和关断，不同的开关状态组合一共可以输出五种电平，使用便捷，在高电平时，通过该五电平拓扑单元电流流经的开关器件数量少，从而减少了元器件的导通损耗，进而减小了元器件损耗占整体损耗的比例，提高了五电平拓扑单元的工作效率，降低了使用成本，提高了使用可靠性。
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、第七开关器件和第八开关器件；
第一二极管和第二二极管；
第一电容、第二电容及第三电容；
其中，所述第一电容和所述第二电容连接，所述第一电容与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二电容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电容的电极连接所述直流电源的直流负端；
所述第五开关器件、所述第三电容及所述第七开关器件依次连接，所述第五开关器件未连接所述第三电容的一端连接所述直流正端，所述第七开关器件未连接所述第三电容的一端与所述直流负端连接；所述第五开关器件与所述第三电容的公共连接端作为第二连接端，所述第三电容与所述第七开关器件的公共连接端作为第三连接端；
所述第四开关器件与所述第六开关器件连接，所述第四开关器件与所述第六开关器件的公共连接端连接所述第一二极管的阴极，所述第一二极管的阳极连接所述第一连接端，所述第四开关器件未连接所述第六开关器件的一端连接所述第二连接端，所述第六开关器件未连接所述第四开关器件的一端连接所述第三连接端；
所述第八开关器件与所述第三开关器件连接，所述第八开关器件与所述第三开关器件的公共连接端连接所述第二二极管的阳极，所述第二二极管的阴极连接所述第一连接端，所述第八开关器件未连接所述第三开关器件的一端连接所述第二连接端，所述第三开关器件未连接所述第八开关器件的一端连接所述第三连接端；
所述第一开关器件与所述第二开关器件连接，所述第一开关器件与所述第二开关器件的公共连接端作为交流端，所述第一开关器件未连接所述第二开关器件的一端连接所述第二连接端，所述第二开关器件未连接所述第一开关器件的一端连接所述第三连接端；
所述第一电容的额定电压值与所述第二电容的额定电压值相等，所述第三电容的额定电压值等于所述第一电容的额定电压值的一半，设为预设电压值；
所述五电平拓扑单元可以工作在五个工作模态，分别为第一工作模态、第二工作模态、第三工作模态、第四工作模态和第五工作模态，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预设电压值相等；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预设电压值的两倍；当所述五电平拓扑单元工作在所述第四工作模态时，所述交流端的电压是所述预设电压值的负一倍；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预设电压值的负两倍。
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、所述第四开关器件和所述第八开关器件导通，其他开关器件截止，以使所述五电平拓扑单元工作在第一工作模态；或者所述第二开关器件、所述第三开关器件和所述第六开关器件导通，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；
所述第二开关器件和所述第五开关器件导通，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；或者所述第一开关器件、所述第三开关器件和所述第六开关器件导通，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；
所述第一开关器件和所述第五开关器件导通，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；
所述第二开关器件、所述第四开关器件和所述第八开关器件导通，其他开关器件截止，以使所述五电平拓扑单元工作在第四工作模态；或者所述第一开关器件和所述第七开关器件导通，其他开关器件截止，以使所述五电平拓扑单元工作在第四工作模态；
所述第二开关器件和所述第七开关器件导通，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，各所述开关器件均为开关管。
4.根据权利要求3所述的五电平拓扑单元，其特征在于，所述第三开关器件与所述第四开关器件均为逆阻型开关管。
5.根据权利要求3所述的五电平拓扑单元，其特征在于，所述第一开关器件、所述第二开关器件、所述第五开关器件与所述第七开关器件均反并联一个二极管。
6.一种交直流变换器，其特征在于，包括：
权利要求1至5任一项所述的五电平拓扑单元；
控制单元，与各所述开关器件分别连接，用于根据接收的控制信号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，以使所述五电平拓扑单元工作在相应的工作模态。
7.一种如权利要求1-5任意一项所述的五电平拓扑单元的调制方法，其特征在于，包括以下步骤：
接收控制信号；
根据所述控制信号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，以使所述五电平拓扑单元工作在相应的工作模态。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述控制信号包括第一电压信号、第二电压信号、第三电压信号、第四电压信号和第五电压信号；所述根据所述控制信号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，包括:
将所述第一电压信号、第二电压信号、第三电压信号和第四电压信号层叠组成一组载波；
将第五电压信号与所述载波进行比较：
根据所述载波与所述第五电压信号的比较结果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，以使所述五电平拓扑单元工作在相应的工作模态。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述根据所述载波与所述第五电压信号的比较结果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，以使所述五电平拓扑单元工作在相应的工作模态，包括：
在所述第五电压信号的电压值大于所述第一电压信号、所述第二电压信号、所述第三电压信号和所述第四电压信号的电压值时，控制所述五电平拓扑单元工作在第三工作模态；
在所述第五电压信号的电压值大于所述第二电压信号的电压值且小于所述第一电压信号的电压值时，控制所述五电平拓扑单元工作在第二工作模态；
在所述第五电压信号的电压值大于所述第三电压信号的电压值且小于所述第二电压信号的电压值时，控制所述五电平拓扑单元工作在第一工作模态；
在所述第五电压信号的电压值大于所述第四电压信号的电压值且小于所述第三电压信号的电压值时，控制所述五电平拓扑单元工作在第四工作模态；
在所述第五电压信号的电压值小于所述第一电压信号、所述第二电压信号、所述第三电压信号和所述第四电压信号的电压值时，控制所述五电平拓扑单元工作在第五工作模态。
10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述第五电压信号的波形为正弦波，所述第一电压信号、所述第二电压信号、所述第三电压信号和所述第四电压信号的波形均为三角波。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20190709 |