CN110112943B - 一种双端多电平逆变电路及逆变系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双端多电平逆变电路及逆变系统，包括第一开关电容单元、第二开关电容单元、第一半桥电路及第二半桥电路；第一半桥电路包括第一全控开关和第二全控开关；第二半桥电路包括第三全控开关和第四全控开关；控制器用于控制第一开关电容单元和第二开关电容单元将直流电压源输出的直流电转换为多电平直流电，并通过控制第一半桥电路和第二半桥电路内各全控开关的通断，实现将多电平直流电转换为多电平交流电输出。可见，本申请的多电平逆变电路包含较少的开关数量，不仅结构简单、成本较低，而且导通损耗较小、效率较高，从而利于新能源技术的发展。此外，本申请只采用一个直流电压源，相比于传统多输入电源的多电平逆变电路成本较低。

Description

一种双端多电平逆变电路及逆变系统

技术领域

本发明涉及电力电子功率逆变电路技术领域，特别是涉及一种双端多电平逆变电路及逆变系统。

背景技术

自古以来，我国能源消耗主要以石油、煤炭等非再生能源为主，但随着非再生能源逐渐稀缺，环境污染日渐严重，人们开始意识到能源危机的问题。为了缓解环境污染和能源危机，开发利用清洁、无污染、可再生的新能源已经成为世界环境和经济发展的必要任务。目前，以风能和太阳能为代表的新能源分布式发电技术和储能技术逐渐得到全球高度重视。

现有技术中，新能源技术的发展应用十分依赖电力电子功率变换器，特别是多电平逆变电路。目前，多电平逆变电路主要有三大种，分别是中性点钳位型、飞跨电容型和级联型。但是，这些传统的多电平逆变电路包含较多的开关数量，不仅结构复杂、成本较高，而且导通损耗较大、效率较低，从而不利于新能源技术的发展。

因此，如何提供一种解决上述技术问题的方案是本领域的技术人员目前需要解决的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种双端多电平逆变电路及逆变系统，包含较少的开关数量，不仅结构简单、成本较低，而且导通损耗较小、效率较高，从而利于新能源技术的发展；此外，本申请只采用一个直流电压源，相比于传统多输入电源的多电平逆变电路成本较低。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种双端多电平逆变电路，包括第一开关电容单元、第二开关电容单元、第一半桥电路及第二半桥电路；所述第一半桥电路包括第一全控开关和第二全控开关；所述第二半桥电路包括第三全控开关和第四全控开关；其中：

所述第一开关电容单元的第一端分别与直流电压源的正极和所述第二开关电容单元的第一端连接，所述直流电压源的负极分别与所述第一开关电容单元的第二端和所述第二开关电容单元的第二端连接；所述第一开关电容单元的第三端与所述第一全控开关的第一端连接，所述第一开关电容单元的第四端与所述第二全控开关的第二端连接，所述第一全控开关的第二端与所述第二全控开关的第一端连接并作为所述双端多电平逆变电路的输出负端；所述第二开关电容单元的第三端与所述第三全控开关的第一端连接，所述第二开关电容单元的第四端与所述第四全控开关的第二端连接，所述第三全控开关的第二端与所述第四全控开关的第一端连接并作为所述双端多电平逆变电路的输出正端；所述第一半桥电路和所述第二半桥电路中全控开关的控制端均与控制器连接；

所述控制器用于控制所述第一开关电容单元和所述第二开关电容单元将所述直流电压源恒定输出的直流电转换为多电平直流电，并通过控制所述第一半桥电路和所述第二半桥电路内各全控开关的通断，实现将所述多电平直流电转换为多电平交流电输出。

优选地，所述第一开关电容单元包括第三半桥电路、第一二极管、第二二极管、第一电容器及第二电容器；所述第三半桥电路包括第五全控开关和第六全控开关；其中：

所述第五全控开关的第一端和所述第一二极管的阳极连接并作为所述第一开关电容单元的第一端，所述第五全控开关的第二端分别与所述第六全控开关的第一端、所述第一电容器的第一端及所述第二电容器的第一端连接；所述第六全控开关的第二端与所述第二二极管的阴极连接并作为所述第一开关电容单元的第二端；所述第一二极管的阴极与所述第一电容器的第二端连接并作为所述第一开关电容单元的第三端；所述第二二极管的阳极与所述第二电容器的第二端连接并作为所述第一开关电容单元的第四端；所述第三半桥电路中各全控开关的控制端均与所述控制器连接；

相应的，所述控制器具体用于通过控制所述第三半桥电路内各全控开关的通断，实现控制所述第一开关电容单元的工作模态。

优选地，所述第一开关电容单元、所述第一半桥电路及所述第二半桥电路内各全控开关均选用N沟道MOSFET或P沟道MOSFET或IGBT；其中：

当各所述全控开关均选用N沟道MOSFET时，所述N沟道MOSFET的漏极作为各所述全控开关的第一端，所述N沟道MOSFET的源极作为各所述全控开关的第二端，所述N沟道MOSFET的栅极作为各所述全控开关的控制端；

当各所述全控开关均选用P沟道MOSFET时，所述P沟道MOSFET的源极作为各所述全控开关的第一端，所述P沟道MOSFET的漏极作为各所述全控开关的第二端，所述P沟道MOSFET的栅极作为各所述全控开关的控制端；

当各所述全控开关均选用IGBT时，所述IGBT的集电极作为各所述全控开关的第一端，所述IGBT的发射极作为各所述全控开关的第二端，所述IGBT的基极作为各所述全控开关的控制端。

优选地，所述第二开关电容单元包括第四半桥电路、第三二极管、第四二极管、第三电容器及第四电容器；所述第四半桥电路包括第七全控开关和第八全控开关；其中：

所述第七全控开关的第一端和所述第三二极管的阳极连接并作为所述第二开关电容单元的第一端，所述第七全控开关的第二端分别与所述第八全控开关的第一端、所述第三电容器的第一端及所述第四电容器的第一端连接；所述第八全控开关的第二端与所述第四二极管的阴极连接并作为所述第二开关电容单元的第二端；所述第三二极管的阴极与所述第三电容器的第二端连接并作为所述第二开关电容单元的第三端；所述第四二极管的阳极与所述第四电容器的第二端连接并作为所述第一开关电容单元的第四端；所述第四半桥电路中各全控开关的控制端均与所述控制器连接；

相应的，所述控制器具体用于通过控制所述第四半桥电路内各全控开关的通断，实现控制所述第二开关电容单元的工作模态。

优选地，所述第二开关电容单元、所述第一半桥电路及所述第二半桥电路内各全控开关均选用N沟道MOSFET或P沟道MOSFET或IGBT；其中：

当各所述全控开关均选用N沟道MOSFET时，所述N沟道MOSFET的漏极作为各所述全控开关的第一端，所述N沟道MOSFET的源极作为各所述全控开关的第二端，所述N沟道MOSFET的栅极作为各所述全控开关的控制端；

当各所述全控开关均选用P沟道MOSFET时，所述P沟道MOSFET的源极作为各所述全控开关的第一端，所述P沟道MOSFET的漏极作为各所述全控开关的第二端，所述P沟道MOSFET的栅极作为各所述全控开关的控制端；

当各所述全控开关均选用IGBT时，所述IGBT的集电极作为各所述全控开关的第一端，所述IGBT的发射极作为各所述全控开关的第二端，所述IGBT的基极作为各所述全控开关的控制端。

优选地，所述第一开关电容单元的数量为n，n为正整数；其中：

第1个第一开关电容单元的第一端与所述直流电压源的正极连接，第1个第一开关电容单元的第二端与所述直流电压源的负极连接；第i个第一开关电容单元的第一端与第i-1个第一开关电容单元的第三端连接，第i个第一开关电容单元的第二端与第i-1个第一开关电容单元的第四端连接；第n个第一开关电容单元的第三端与所述第一全控开关的第一端连接，第n个第一开关电容单元的第四端与所述第二全控开关的第二端连接；其中，不同数量的第一开关电容单元对应所述双端多电平逆变电路不同数量的输出电平数；i为大于1且小于等于n的整数。

优选地，所述第二开关电容单元的数量为m，m为正整数；其中：

第1个第二开关电容单元的第一端与所述直流电压源的正极连接，第1个第二开关电容单元的第二端与所述直流电压源的负极连接；第j个第二开关电容单元的第一端与第j-1个第二开关电容单元的第三端连接，第j个第二开关电容单元的第二端与第j-1个第二开关电容单元的第四端连接；第m个第二开关电容单元的第三端与所述第三全控开关的第一端连接，第m个第二开关电容单元的第四端与所述第四全控开关的第二端连接；其中，不同数量的第二开关电容单元对应所述双端多电平逆变电路不同数量的输出电平数；j为大于1小于等于m的整数。

为解决上述技术问题，本发明还提供了一种逆变系统，包括上述任一种双端多电平逆变电路及用于控制所述双端多电平逆变电路工作的控制器。

本发明提供了一种双端多电平逆变电路，包括第一开关电容单元、第二开关电容单元、第一半桥电路及第二半桥电路；第一半桥电路包括第一全控开关和第二全控开关；第二半桥电路包括第三全控开关和第四全控开关；控制器用于控制第一开关电容单元和第二开关电容单元将直流电压源恒定输出的直流电转换为多电平直流电，并通过控制第一半桥电路和第二半桥电路内各全控开关的通断，实现将多电平直流电转换为多电平交流电输出。

可见，本申请采用结构较简单的第一开关电容单元和第二开关电容单元实现将直流电压源恒定输出的直流电转换为多电平直流电，然后采用第一半桥电路和第二半桥电路将多电平直流电转换为多电平交流电输出，相比于传统的多电平逆变电路，本申请的双端多电平逆变电路包含较少的开关数量，不仅结构简单、成本较低，而且导通损耗较小、效率较高，从而利于新能源技术的发展。此外，本申请只采用一个直流电压源，相比于传统多输入电源的多电平逆变电路成本较低。

本发明还提供了一种逆变系统，与上述双端多电平逆变电路具有相同的有益效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对现有技术和实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种双端多电平逆变电路的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种如图1所示双端多电平逆变电路的具体结构示意图；

图3为本发明实施例提供的一种如图2所示双端多电平逆变电路输出零电平时的工作模态示意图；

图4为本发明实施例提供的另一种如图2所示双端多电平逆变电路输出零电平时的工作模态示意图；

图5为本发明实施例提供的一种如图2所示双端多电平逆变电路输出正一倍电平时的工作模态示意图；

图6为本发明实施例提供的一种如图2所示双端多电平逆变电路输出正二倍电平时的工作模态示意图；

图7为本发明实施例提供的另一种如图2所示双端多电平逆变电路输出正二倍电平时的工作模态示意图；

图8为本发明实施例提供的一种如图2所示双端多电平逆变电路输出正三倍电平时的工作模态示意图；

图9为本发明实施例提供的一种如图2所示双端多电平逆变电路输出负一倍电平时的工作模态示意图；

图10为本发明实施例提供的一种如图2所示双端多电平逆变电路输出负二倍电平时的工作模态示意图；

图11为本发明实施例提供的另一种如图2所示双端多电平逆变电路输出负二倍电平时的工作模态示意图；

图12为本发明实施例提供的一种如图2所示双端多电平逆变电路输出负三倍电平时的工作模态示意图；

图13为本发明实施例提供的另一种双端多电平逆变电路的结构示意图；

图14为本发明实施例提供的一种如图13所示双端多电平逆变电路的具体结构示意图。

具体实施方式

本发明的核心是提供一种双端多电平逆变电路及逆变系统，包含较少的开关数量，不仅结构简单、成本较低，而且导通损耗较小、效率较高，从而利于新能源技术的发展；此外，本申请只采用一个直流电压源，相比于传统多输入电源的多电平逆变电路成本较低。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，都属于本发明保护的范围。

实施例一

请参照图1，图1为本发明实施例提供的一种双端多电平逆变电路的结构示意图。

该双端多电平逆变电路包括：第一开关电容单元、第二开关电容单元、第一半桥电路及第二半桥电路；第一半桥电路包括第一全控开关Q1和第二全控开关Q2；第二半桥电路包括第三全控开关Q3和第四全控开关Q4；其中：

第一开关电容单元的第一端分别与直流电压源VIN的正极和第二开关电容单元的第一端连接，直流电压源VIN的负极分别与第一开关电容单元的第二端和第二开关电容单元的第二端连接；第一开关电容单元的第三端与第一全控开关Q1的第一端连接，第一开关电容单元的第四端与第二全控开关Q2的第二端连接，第一全控开关Q1的第二端与第二全控开关Q2的第一端连接并作为双端多电平逆变电路的输出负端；第二开关电容单元的第三端与第三全控开关Q3的第一端连接，第二开关电容单元的第四端与第四全控开关Q4的第二端连接，第三全控开关Q3的第二端与第四全控开关Q4的第一端连接并作为双端多电平逆变电路的输出正端；第一半桥电路和第二半桥电路中全控开关的控制端均与控制器连接；

控制器用于控制第一开关电容单元和第二开关电容单元将直流电压源VIN恒定输出的直流电转换为多电平直流电，并通过控制第一半桥电路和第二半桥电路内各全控开关的通断，实现将多电平直流电转换为多电平交流电输出。

基于图1，请参照图2，图2为本发明实施例提供的一种如图1所示双端多电平逆变电路的具体结构示意图。

第一开关电容单元包括第三半桥电路、第一二极管D1、第二二极管D2、第一电容器C1及第二电容器C2；第三半桥电路包括第五全控开关Q5和第六全控开关Q6；第二开关电容单元包括第四半桥电路、第三二极管D3、第四二极管D4、第三电容器C3及第四电容器C4；第四半桥电路包括第七全控开关Q7和第八全控开关Q8；其中：

第五全控开关Q5的第一端和第一二极管D1的阳极连接并作为第一开关电容单元的第一端，第五全控开关Q5的第二端分别与第六全控开关Q6的第一端、第一电容器C1的第一端及第二电容器C2的第一端连接；第六全控开关Q6的第二端与第二二极管D2的阴极连接并作为第一开关电容单元的第二端；第一二极管D1的阴极与第一电容器C1的第二端连接并作为第一开关电容单元的第三端；第二二极管D2的阳极与第二电容器C2的第二端连接并作为第一开关电容单元的第四端；第三半桥电路中各全控开关的控制端均与控制器连接；

第七全控开关Q7的第一端和第三二极管D3的阳极连接并作为第二开关电容单元的第一端，第七全控开关Q7的第二端分别与第八全控开关Q8的第一端、第三电容器C3的第一端及第四电容器C4的第一端连接；第八全控开关Q8的第二端与第四二极管D4的阴极连接并作为第二开关电容单元的第二端；第三二极管D3的阴极与第三电容器C3的第二端连接并作为第二开关电容单元的第三端；第四二极管D4的阳极与第四电容器C4的第二端连接并作为第一开关电容单元的第四端；第四半桥电路中各全控开关的控制端均与控制器连接；

相应的，控制器具体用于通过控制第三半桥电路内各全控开关的通断，实现控制第一开关电容单元的工作模态；通过控制第四半桥电路内各全控开关的通断，实现控制第二开关电容单元的工作模态。

在本实施例中，控制器可以通过控制各全控开关的通断，使本申请的双端多电平逆变电路的输出电压为直流电压源VIN输出电压的正一倍电平、负一倍电平、正二倍电平、负二倍电平、正三倍电平、负三倍电平及零电平。

具体地，请参照图3，图3为本发明实施例提供的一种如图2所示双端多电平逆变电路输出零电平时的工作模态示意图。当第一全控开关Q1、第三全控开关Q3、第五全控开关Q5、第七全控开关Q7同时导通，且第二全控开关Q2、第四全控开关Q4、第六全控开关Q6、第八全控开关Q8同时关断时，第二电容器C2通过第二二极管D2和第五全控开关Q5与直流电压源VIN构成回路，第四电容器C4通过第四二极管D4和第七全控开关Q7与直流电压源VIN构成回路，且它们被充电至直流电压源VIN的电压。第一电容器C1和第三电容器C3不进行充放电，第一二极管D1和第三二极管D3截止关断，双端多电平逆变电路的输出电压等于零，即VOUT＝0。

请参照图4，图4为本发明实施例提供的另一种如图2所示双端多电平逆变电路输出零电平时的工作模态示意图。当第二全控开关Q2、第四全控开关Q4、第六全控开关Q6、第八全控开关Q8同时导通，且第一全控开关Q1、第三全控开关Q3、第五全控开关Q5、第七全控开关Q7同时关断时，第一电容器C1通过第一二极管D1和第六全控开关Q6与直流电压源VIN构成回路，第三电容器C3通过第三二极管D3和第八全控开关Q8与直流电压源VIN构成回路，且它们被充电至直流电压源VIN的电压。第二电容器C2和第四电容器C4不进行充放电，第二二极管D2和第四二极管D4截止关断，双端多电平逆变电路的输出电压等于零，即VOUT＝0。

请参照图5，图5为本发明实施例提供的一种如图2所示双端多电平逆变电路输出正一倍电平时的工作模态示意图。当第二全控开关Q2、第三全控开关Q3、第五全控开关Q5、第八全控开关Q8同时导通，且第一全控开关Q1、第四全控开关Q4、第六全控开关Q6、第七全控开关Q7同时关断时，第二电容器C2通过第二二极管D2和第五全控开关Q5与直流电压源VIN构成回路，第三电容器C3通过第三二极管D3第八全控开关Q8与直流电压源VIN构成回路，且它们被充电至直流电压源VIN的电压。第一电容器C1的第四电容器C4不进行充放电，第一二极管D1和第四二极管D4截止关断，双端多电平逆变电路的输出电压等于直流电压源VIN输出电压的正一倍，即VOUT＝VIN。

请参照图6，图6为本发明实施例提供的一种如图2所示双端多电平逆变电路输出正二倍电平时的工作模态示意图。当第二全控开关Q2、第三全控开关Q3、第六全控开关Q6、第八全控开关Q8同时导通，且第一全控开关Q1、第四全控开关Q4、第五全控开关Q5、第七全控开关Q7同时关断时，第一电容器C1通过第一二极管D1和第六全控开关Q6与直流电压源VIN构成回路，第三电容器C3通过第三二极管D3和第八全控开关Q8与直流电压源VIN构成回路，且它们被充电至直流电压源VIN的电压。第二电容器C2放电，第四电容器C4不进行充放电，第二二极管D2和第四二极管D4截止关断，双端多电平逆变电路的输出电压等于直流电压源VIN输出电压的正二倍，即

VOUT＝2VIN。

请参照图7，图7为本发明实施例提供的另一种如图2所示双端多电平逆变电路输出正二倍电平时的工作模态示意图。当第二全控开关Q2、第三全控开关Q3、第五全控开关Q5、第七全控开关Q7同时导通，且第一全控开关Q1、第四全控开关Q4、第六全控开关Q6、第八全控开关Q8同时关断时，第二电容器C2通过第二二极管D2和第五全控开关Q5与直流电压源VIN构成回路，第四电容器C4通过第四二极管D4和第七全控开关Q7与直流电压源VIN构成回路，且它们被充电至直流电压源VIN的电压。第一电容器C1不进行充放电，第三电容器C3放电，第一二极管D1和第三二极管D3截止关断，双端多电平逆变电路的输出电压等于直流电压源VIN输出电压的正二倍，即VOUT＝2VIN。

请参照图8，图8为本发明实施例提供的一种如图2所示双端多电平逆变电路输出正三倍电平时的工作模态示意图。当第二全控开关Q2、第三全控开关Q3、第六全控开关Q6、第七全控开关Q7同时导通，且第一全控开关Q1、第四全控开关Q4、第五全控开关Q5、第八全控开关Q8同时关断时，第一电容器C1通过第一二极管D1和第六全控开关Q6与直流电压源VIN构成回路，第四电容器C4通过第四二极管D4和第七全控开关Q7构成回路，且它们被充电至直流电压源VIN的电压。第二电容器C2放电，第三电容器C3放电，第二二极管D2和第三二极管D3截止关断，双端多电平逆变电路的输出电压等于直流电压源VIN输出电压的正三倍，即VOUT＝3VIN。

请参照图9，图9为本发明实施例提供的一种如图2所示双端多电平逆变电路输出负一倍电平时的工作模态示意图。当第一全控开关Q1、第四全控开关Q4、第六全控开关Q6、第七全控开关Q7同时导通，且第二全控开关Q2、第三全控开关Q3、第五全控开关Q5、第八全控开关Q8同时关断时，第一电容器C1通过第一二极管D1和第六全控开关Q6与直流电压源VIN构成回路，第四电容器C4通过第四二极管D4和第七全控开关Q7与直流电压源VIN构成回路，且它们被充电至直流电压源VIN的电压。第二电容器C2和第三电容器C3不进行充放电，第二二极管D2和第三二极管D3截止关断，双端多电平逆变电路的输出电压等于直流电压源VIN输出电压的负一倍，即VOUT＝-VIN。

请参照图10，图10为本发明实施例提供的一种如图2所示双端多电平逆变电路输出负二倍电平时的工作模态示意图。当第一全控开关Q1、第四全控开关Q4、第五全控开关Q5、第七全控开关Q7同时导通，且第二全控开关Q2、第三全控开关Q3、第六全控开关Q6、第八全控开关Q8同时关断时，第二电容器C2通过第二二极管D2和第五全控开关Q5与直流电压源VIN构成回路，第四电容器C4通过第四二极管D4和第七全控开关Q7与直流电压源VIN构成回路，且它们被充电至直流电压源VIN的电压。第一电容器C1放电，第三电容器C3不进行充放电，第一二极管D1和第三二极管D3截止关断，双端多电平逆变电路的输出电压等于直流电压源VIN输出电压的负二倍，即VOUT＝-2VIN。

请参照图11，图11为本发明实施例提供的另一种如图2所示双端多电平逆变电路输出负二倍电平时的工作模态示意图。当第一全控开关Q1、第四全控开关Q4、第六全控开关Q6、第八全控开关Q8同时导通，且第二全控开关Q2、第三全控开关Q3、第五全控开关Q5、第七全控开关Q7同时关断时，第一电容器C1通过第一二极管D1和第六全控开关Q6与直流电压源VIN构成回路，第三电容器C3通过第三二极管D3和第八全控开关Q8与直流电压源VIN构成回路，且它们被充电至直流电压源VIN的电压。第二电容器C2不进行充放电，第四电容器C4放电，第二二极管D2和第四二极管D4截止关断，双端多电平逆变电路的输出电压等于直流电压源VIN输出电压的负二倍，即VOUT＝-2VIN。

请参照图12，图12为本发明实施例提供的一种如图2所示双端多电平逆变电路输出负三倍电平时的工作模态示意图。当第一全控开关Q1,、第四全控开关Q4、第五全控开关Q5、第八全控开关Q8同时导通，且第二全控开关Q2、第三全控开关Q3、第六全控开关Q6、第七全控开关Q7同时关断时，第二电容器C2通过第二二极管D2和第五全控开关Q5与直流电压源VIN构成回路，第三电容器C3通过第三二极管D3和第八全控开关Q8与直流电压源VIN构成回路，且它们被充电至直流电压源VIN的电压。第一电容器C1和第四电容器C4放电，第一二极管D1和第四二极管D4截止关断，双端多电平逆变电路的输出电压等于直流电压源VIN输出电压的负三倍，即VOUT＝-3VIN。

综上，在本实施例中，控制器通过合理地控制各全控开关的导通关断，使双端多电平逆变电路可输出7种不同电平的交流电。

此外，在本实施例中，第一开关电容单元、第二开关电容单元、第一半桥电路及第二半桥电路内各全控开关均选用N沟道MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，金属-氧化层-半导体场效晶体管)或P沟道MOSFET或IGBT(InsulatedGate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管)；其中：

当各全控开关均选用N沟道MOSFET时，N沟道MOSFET的漏极作为各全控开关的第一端，N沟道MOSFET的源极作为各全控开关的第二端，N沟道MOSFET的栅极作为各全控开关的控制端；

当各全控开关均选用P沟道MOSFET时，P沟道MOSFET的源极作为各全控开关的第一端，P沟道MOSFET的漏极作为各全控开关的第二端，P沟道MOSFET的栅极作为各全控开关的控制端；

当各全控开关均选用IGBT时，IGBT的集电极作为各全控开关的第一端，IGBT的发射极作为各全控开关的第二端，IGBT的基极作为各全控开关的控制端。

当然，本实施例的第一开关电容单元、第二开关电容单元、第一半桥电路及第二半桥电路内各全控开关也可以选用其他类型的开关管，只要符合全控开关的原理即可，本申请在此不做特别的限定。

实施例二

请参照图13，图13为本发明实施例提供的另一种双端多电平逆变电路的结构示意图。

第一开关电容单元的数量为n(n为正整数)；n个第一开关电容单元的连接方式为：

第1个第一开关电容单元的第一端与直流电压源VIN的正极连接，第1个第一开关电容单元的第二端与直流电压源VIN的负极连接；第i个第一开关电容单元的第一端与第i-1个第一开关电容单元的第三端连接，第i个第一开关电容单元的第二端与第i-1个第一开关电容单元的第四端连接；第n个第一开关电容单元的第三端与第一全控开关Q1的第一端连接，第n个第一开关电容单元的第四端与第二全控开关Q2的第二端连接；其中，不同数量的第一开关电容单元对应双端多电平逆变电路不同数量的输出电平数；i为大于1且小于等于n的整数。

第二开关电容单元的数量为m(m为正整数)，m个第二开关电容单元的连接方式为：

第1个第二开关电容单元的第一端与直流电压源VIN的正极连接，第1个第二开关电容单元的第二端与直流电压源VIN的负极连接；第j个第二开关电容单元的第一端与第j-1个第二开关电容单元的第三端连接，第j个第二开关电容单元的第二端与第j-1个第二开关电容单元的第四端连接；第m个第二开关电容单元的第三端与第三全控开关Q3的第一端连接，第m个第二开关电容单元的第四端与第四全控开关Q4的第二端连接；其中，不同数量的第二开关电容单元对应双端多电平逆变电路不同数量的输出电平数；j为大于1小于等于m的整数。

基于图13，请参照图14，图14为本发明实施例提供的一种如图13所示双端多电平逆变电路的具体结构示意图。

双端多电平逆变电路包括2个第一开关电容单元和1个第二开关电容单元，第2个第一开关电容单元包括第五半桥电路、第五二极管D5、第六二极管D6、第五电容器C5和第六电容器C6；第五半桥电路包括第九全控开关Q9和第十全控开关Q10；其中：

第九全控开关Q9的第一端和第五二极管D5的阳极连接并作为第2个第一开关电容单元的第一端，第九全控开关Q9的第二端分别与第十全控开关Q10的第一端、第五电容器C5的第一端及第六电容器C6的第一端连接；第十全控开关Q10的第二端与第六二极管D6的阴极连接并作为第2个第一开关电容单元的第二端；第五二极管D5的阴极与第五电容器C5的第二端连接并作为第2个第一开关电容单元的第三端；第六二极管D6的阳极与第六电容器C6的第二端连接并作为第2个第一开关电容单元的第四端；其中，第1个第一开关电容单元的第三端和第2个第一开关电容单元的第一端连接，第1个第一开关电容单元的第四端和第2个第一开关电容单元的第二端连接，第2个第一开关电容单元的第三端与第一全控开关Q1的第一端连接，第2个第一开关电容单元的第四端与第二全控开关Q2的第二端连接。

在本实施例中，控制器可以通过控制各全控开关的通断，使双端多电平逆变电路的输出电压为直流电压源VIN输出电压的正一倍电平、负一倍电平、正二倍电平、负二倍电平、正三倍电平、负三倍电平、正四倍电平、负四倍电平、正五倍电平、负五倍电平及零电平，共11种不同电平的交流输出。至于输出不同电平时双端多电平逆变电路相应的工作模态，与上述实施例一图2的各工作模态类似，本申请在此不再赘述。

可见，双端多电平逆变电路输出电平的数量可以通过改变第一开关电容和第二开关电容单元的数量来改变。

本发明还提供了一种逆变系统，包括上述任一种双端多电平逆变电路及用于控制双端多电平逆变电路工作的控制器。

本发明提供的逆变系统的介绍请参考上述双端多电平逆变电路的实施例，本发明在此不再赘述。

还需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二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”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、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、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (7)

1.一种双端多电平逆变电路，其特征在于，包括第一开关电容单元、第二开关电容单元、第一半桥电路及第二半桥电路；所述第一半桥电路包括第一全控开关和第二全控开关；所述第二半桥电路包括第三全控开关和第四全控开关；其中：

所述第一开关电容单元的第一端分别与直流电压源的正极和所述第二开关电容单元的第一端连接，所述直流电压源的负极分别与所述第一开关电容单元的第二端和所述第二开关电容单元的第二端连接；所述第一开关电容单元的第三端与所述第一全控开关的第一端连接，所述第一开关电容单元的第四端与所述第二全控开关的第二端连接，所述第一全控开关的第二端与所述第二全控开关的第一端连接并作为所述双端多电平逆变电路的输出负端；所述第二开关电容单元的第三端与所述第三全控开关的第一端连接，所述第二开关电容单元的第四端与所述第四全控开关的第二端连接，所述第三全控开关的第二端与所述第四全控开关的第一端连接并作为所述双端多电平逆变电路的输出正端；所述第一半桥电路和所述第二半桥电路中全控开关的控制端均与控制器连接；

所述控制器用于控制所述第一开关电容单元和所述第二开关电容单元将所述直流电压源恒定输出的直流电转换为多电平直流电，并通过控制所述第一半桥电路和所述第二半桥电路内各全控开关的通断，实现将所述多电平直流电转换为多电平交流电输出；

所述第二开关电容单元的数量为m，m为正整数；其中：

第1个第二开关电容单元的第一端与所述直流电压源的正极连接，第1个第二开关电容单元的第二端与所述直流电压源的负极连接；第j个第二开关电容单元的第一端与第j-1个第二开关电容单元的第三端连接，第j个第二开关电容单元的第二端与第j-1个第二开关电容单元的第四端连接；第m个第二开关电容单元的第三端与所述第三全控开关的第一端连接，第m个第二开关电容单元的第四端与所述第四全控开关的第二端连接；其中，不同数量的第二开关电容单元对应所述双端多电平逆变电路不同数量的输出电平数；j为大于1小于等于m的整数。

2.如权利要求1所述的双端多电平逆变电路，其特征在于，所述第一开关电容单元包括第三半桥电路、第一二极管、第二二极管、第一电容器及第二电容器；所述第三半桥电路包括第五全控开关和第六全控开关；其中：

所述第五全控开关的第一端和所述第一二极管的阳极连接并作为所述第一开关电容单元的第一端，所述第五全控开关的第二端分别与所述第六全控开关的第一端、所述第一电容器的第一端及所述第二电容器的第一端连接；所述第六全控开关的第二端与所述第二二极管的阴极连接并作为所述第一开关电容单元的第二端；所述第一二极管的阴极与所述第一电容器的第二端连接并作为所述第一开关电容单元的第三端；所述第二二极管的阳极与所述第二电容器的第二端连接并作为所述第一开关电容单元的第四端；所述第三半桥电路中各全控开关的控制端均与所述控制器连接；

相应的，所述控制器具体用于通过控制所述第三半桥电路内各全控开关的通断，实现控制所述第一开关电容单元的工作模态。

3.如权利要求2所述的双端多电平逆变电路，其特征在于，所述第一开关电容单元、所述第一半桥电路及所述第二半桥电路内各全控开关均选用N沟道MOSFET或P沟道MOSFET或IGBT；其中：

当各所述全控开关均选用N沟道MOSFET时，所述N沟道MOSFET的漏极作为各所述全控开关的第一端，所述N沟道MOSFET的源极作为各所述全控开关的第二端，所述N沟道MOSFET的栅极作为各所述全控开关的控制端；

当各所述全控开关均选用P沟道MOSFET时，所述P沟道MOSFET的源极作为各所述全控开关的第一端，所述P沟道MOSFET的漏极作为各所述全控开关的第二端，所述P沟道MOSFET的栅极作为各所述全控开关的控制端；

当各所述全控开关均选用IGBT时，所述IGBT的集电极作为各所述全控开关的第一端，所述IGBT的发射极作为各所述全控开关的第二端，所述IGBT的基极作为各所述全控开关的控制端。

4.如权利要求1所述的双端多电平逆变电路，其特征在于，所述第二开关电容单元包括第四半桥电路、第三二极管、第四二极管、第三电容器及第四电容器；所述第四半桥电路包括第七全控开关和第八全控开关；其中：

所述第七全控开关的第一端和所述第三二极管的阳极连接并作为所述第二开关电容单元的第一端，所述第七全控开关的第二端分别与所述第八全控开关的第一端、所述第三电容器的第一端及所述第四电容器的第一端连接；所述第八全控开关的第二端与所述第四二极管的阴极连接并作为所述第二开关电容单元的第二端；所述第三二极管的阴极与所述第三电容器的第二端连接并作为所述第二开关电容单元的第三端；所述第四二极管的阳极与所述第四电容器的第二端连接并作为所述第一开关电容单元的第四端；所述第四半桥电路中各全控开关的控制端均与所述控制器连接；

相应的，所述控制器具体用于通过控制所述第四半桥电路内各全控开关的通断，实现控制所述第二开关电容单元的工作模态。

5.如权利要求4所述的双端多电平逆变电路，其特征在于，所述第二开关电容单元、所述第一半桥电路及所述第二半桥电路内各全控开关均选用N沟道MOSFET或P沟道MOSFET或IGBT；其中：

当各所述全控开关均选用N沟道MOSFET时，所述N沟道MOSFET的漏极作为各所述全控开关的第一端，所述N沟道MOSFET的源极作为各所述全控开关的第二端，所述N沟道MOSFET的栅极作为各所述全控开关的控制端；

当各所述全控开关均选用P沟道MOSFET时，所述P沟道MOSFET的源极作为各所述全控开关的第一端，所述P沟道MOSFET的漏极作为各所述全控开关的第二端，所述P沟道MOSFET的栅极作为各所述全控开关的控制端；

当各所述全控开关均选用IGBT时，所述IGBT的集电极作为各所述全控开关的第一端，所述IGBT的发射极作为各所述全控开关的第二端，所述IGBT的基极作为各所述全控开关的控制端。

6.如权利要求1-5任一项所述的双端多电平逆变电路，其特征在于，所述第一开关电容单元的数量为n，n为正整数；其中：

第1个第一开关电容单元的第一端与所述直流电压源的正极连接，第1个第一开关电容单元的第二端与所述直流电压源的负极连接；第i个第一开关电容单元的第一端与第i-1个第一开关电容单元的第三端连接，第i个第一开关电容单元的第二端与第i-1个第一开关电容单元的第四端连接；第n个第一开关电容单元的第三端与所述第一全控开关的第一端连接，第n个第一开关电容单元的第四端与所述第二全控开关的第二端连接；其中，不同数量的第一开关电容单元对应所述双端多电平逆变电路不同数量的输出电平数；i为大于1且小于等于n的整数。

7.一种逆变系统，其特征在于，包括如权利要求1-6任一项所述的双端多电平逆变电路及用于控制所述双端多电平逆变电路工作的控制器。

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