CN110707953A - 准五电平逆变器 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及但不限于准五电平逆变器。根据一个方面，本发明的实施例提供了一种逆变器，其包括输入端、输出端、多个DC总线、中点总线、LC滤波器、耦合到LC滤波器的公共节点、耦合到多个DC总线和公共节点的多个开关、耦合在中点总线和公共节点之间的双向开关以及控制器，所述控制器被配置为在第一操作模式中操作多个开关和双向开关以在公共节点处产生在第一正DC电压电平处的电压，在第二操作模式中操作多个开关和双向开关以产生在第二正DC电压电平处的电压，在第三操作模式中操作多个开关和双向开关以产生在第一负DC电压电平处的电压，以及在第四操作模式中操作多个开关和双向开关以产生在第二负DC电压电平处的电压。

Description

准五电平逆变器
背景
1.发明领域
本发明大体上涉及用于控制不间断电源(UPS)的系统及方法。
2.相关技术的讨论
使用电力设备(诸如，不间断电源(UPS))为敏感负载和/或关键负载(诸如，计算机系统和其他数据处理系统)提供经稳压的、不间断的电力是众所周知的。已知的不间断电源包括在线式UPS、离线式UPS、线互动式UPS以及其他。在线式UPS提供经调节的AC功率，并且在AC功率的主要来源中断时提供备用AC功率。离线式UPS通常不提供对输入AC功率的调节，但是确实在主AC电源中断时提供备用AC功率。线互动式UPS类似于离线式UPS之处在于当发生停电的时它们都切换到电池电源，但线互动式UPS通常还包括用于稳压由UPS提供的输出电压的多抽头变压器。
概述
本发明的至少一个方面是针对一种逆变器，其包括：输入端，所述输入端被配置为耦合到DC源并从DC源接收输入DC功率；输出端，所述输入端被配置为耦合到负载并向负载提供输出AC功率；多个DC总线，所述多个DC总线被耦合到输入端并被配置为从DC源接收输入DC功率；中点总线，所述中点总线被耦合到输入端并被耦合到多个DC总线；LC滤波器，所述LC滤波器被耦合到输出端；公共节点，所述公共节点被耦合到LC滤波器；多个开关，所述多个开关被耦合到多个DC总线和公共节点；双向开关，所述双向开关耦合在中点总线和公共节点之间；以及控制器，所述控制器被配置成在第一操作模式中操作多个开关和双向开关以在公共节点处产生在第一正DC电压电平处的电压，在第二操作模式中操作多个开关和双向开关以在公共节点处产生在第二正DC电压电平处的电压，在第三操作模式中操作多个开关和双向开关以在公共节点处产生在第一负DC电压电平处的电压，以及在第四操作模式中操作多个开关和双向开关以在公共节点处产生在第二负DC电压电平处的电压。在一个实施例中，LC滤波器被配置为在第一操作模式、第二操作模式、第三操作模式和第四操作模式期间向输出端提供从在公共节点处的电压得到的输出AC电压波形。
根据一个实施例，在第一操作模式中，控制器还被配置为操作多个开关和双向开关以在公共节点处产生在零和第一正DC电压电平之间交替的电压脉冲，在第二操作模式中，控制器还被配置为操作多个开关和双向开关以在公共节点处产生在第一正DC电压电平和第二正DC电压电平之间交替的电压脉冲，在第三操作模式中，控制器还被配置为操作多个开关和双向开关以在公共节点处产生在零和第一负DC电压电平之间交替的电压脉冲，以及在第四操作模式中，控制器还被配置为操作多个开关和双向开关以在公共节点处产生在第一负DC电压电平和第二负DC电压电平之间交替的电压脉冲。
根据另一个实施例，多个DC总线包括耦合到输入端的第一正DC总线、耦合到输入端的第二正DC总线、耦合到输入端的第一负DC总线和耦合到输入端的第二负DC总线，并且多个开关包括耦合到第一正DC总线的第一开关、耦合在第一开关和公共节点之间的第二开关、耦合到第一负DC总线的第三开关以及耦合在第三开关和公共节点之间的第四开关。在一个实施例中，逆变器还包括耦合在第二正DC总线和第二开关之间的第一二极管以及耦合在第二负DC总线和第四开关之间的第二二极管。在另一个实施例中，逆变器还包括耦合在第一正DC总线和第二正DC总线之间的第一电容器、耦合在第二正DC总线和中点总线之间的第二电容器、耦合在第一负DC总线和第二负DC总线之间的第三电容器以及耦合在第二负DC总线和中点总线之间的第四电容器。
根据一个实施例，控制器还被配置成在第一操作模式的第一阶段中操作多个开关以经由第二正DC总线、第一二极管和第二开关从第二电容器向公共点提供电流，并且在第一操作模式的第二阶段中操作双向开关以经由双向开关从中点总线向公共节点提供电流。在一个实施例中，控制器还被配置成在第二操作模式的第一阶段中操作多个开关以经由第一正DC总线、第一开关和第二开关从第一电容器向公共点提供电流，并且在第二操作模式的第二阶段中操作多个开关以经由第二正DC总线、第一二极管和第二开关从第二电容器向公共点提供电流。
根据另一个实施例，控制器还被配置为在第三操作模式的第一阶段中操作多个开关以经由第二负DC总线、第二二极管和第四开关从公共点向第三电容器提供电流，并且在第三操作模式的第二阶段中操作双向开关以经由双向开关从公共节点向中点总线提供电流。在一个实施例中，控制器还被配置成在第四操作模式的第一阶段中操作多个开关以经由第一负DC总线、第三开关和第四开关从公共点向第四电容器提供电流，并且在第四操作模式的第二阶段中操作多个开关以经由第二负DC总线、第二二极管和第四开关从公共点向第三电容器提供电流。
根据一个实施例，控制器还被配置为在从第二操作模式到第三操作模式的转变期间出现的第五操作模式的第一阶段中操作多个开关以经由第一正DC总线、第一开关和第二开关从公共点向第一电容器提供电流，并且在第五操作模式的第二阶段中操作双向开关以经由双向开关从公共节点向中点总线提供电流。在一个实施例中，控制器还被配置为在从第三操作模式到第二操作模式的转变期间出现的第六操作模式的第一阶段中操作多个开关以经由第一负DC总线、第三开关和第四开关从第四电容器向公共点提供电流，并且在第六操作模式的第二阶段中操作双向开关以经由双向开关从中点总线向公共节点提供电流。
根据另一个实施例，双向开关包括耦合到中点总线的第三二极管、耦合在第三二极管和公共点之间的第五开关、耦合到公共点的第四二极管以及耦合在第四二极管和中点总线之间的第六开关。
本发明的另一方面是针对一种用于操作逆变器的方法，所述逆变器包括被配置为耦合到DC源的输入端、输出端、多个DC总线、耦合到输入端和多个DC总线的中点总线、耦合到输出端的LC滤波器、耦合到LC滤波器的公共节点、耦合到多个DC总线和公共节点的多个开关以及耦合在中点总线和公共节点之间的双向开关，所述方法包括在输入端处接收来自DC源的输入DC功率，在第一操作模式中操作多个开关和双向开关以在公共节点处产生在第一正DC电压电平处的电压，在第二操作模式中操作多个开关和双向开关以在公共节点处产生在第二正DC电压电平处的电压，在第三操作模式中操作多个开关和双向开关以在公共节点处产生在第一负DC电压电平处的电压，在第四操作模式中操作多个开关和双向开关以在公共节点处产生在第二负DC电压电平处的电压，以及在第一操作模式、第二操作模式、第三操作模式和第四操作模式期间利用LC滤波器在输出端处产生在从公共节点处的电压得到的输出AC电压波形。
根据一个实施例，在第一操作模式中操作多个开关和双向开关包括操作多个开关和双向开关以在公共节点处产生在零和第一正DC电压电平之间交替的电压脉冲，在第二操作模式中操作多个开关和双向开关包括操作多个开关和双向开关以在公共节点处产生在第一正DC电压电平和第二正DC电压电平之间交替的电压脉冲，在第三操作模式中操作多个开关和双向开关包括操作多个开关和双向开关以在公共节点处产生在零和第一负DC电压电平之间交替的电压脉冲，以及在第四操作模式中操作多个开关和双向开关包括操作多个开关和双向开关以在公共节点处产生在第一负DC电压电平和第二负DC电压电平之间交替的电压脉冲。
根据另一个实施例，多个DC总线包括第一正DC总线、第二正DC总线、第一负DC总线和第二负DC总线，其中多个开关包括耦合到第一正DC总线的第一开关、耦合在第一开关和公共节点之间的第二开关、耦合到第一负DC总线的第三开关以及耦合在第三开关和公共节点之间的第四开关，并且操作多个开关和双向开关以在公共节点处产生在零和第一正DC电压电平之间交替的电压脉冲包括在第一操作模式的第一阶段中操作多个开关以经由第二正DC总线和第二开关从中点总线向公共点提供电流，以及在第一操作模式的第二阶段中操作双向开关以经由双向开关从中点总线向公共节点提供电流。
根据一个实施例，操作多个开关和双向开关以在公共节点处产生在第一正DC电压电平和第二正DC电压电平之间交替的电压脉冲包括在第二操作模式的第一阶段中操作多个开关以经由第一正DC总线、第一开关和第二开关从中点总线向公共点提供电流，以及在第二操作模式的第二阶段中操作多个开关以经由第二正DC总线和第二开关从中点总线向公共点提供电流。在另一个实施例中，操作多个开关和双向开关以在公共节点处产生在零和第一负DC电压电平之间交替的电压脉冲包括在第三操作模式的第一阶段中操作多个开关以经由第二负DC总线和第四开关从公共点向中点总线提供电流，以及在第三操作模式的第二阶段中操作双向开关以经由双向开关从公共节点向中点总线提供电流。
根据另一实施例，操作多个开关和双向开关以在公共节点处产生在第一负DC电压电平和第二负DC电压电平之间交替的电压脉冲包括在第四操作模式的第一阶段中操作多个开关以经由第一负DC总线、第三开关和第四开关从公共点向中点总线提供电流，以及在第四操作模式的第二阶段中操作多个开关以经由第二负DC总线和第四开关从公共点向中点总线提供电流。
本发明的至少一个方面是针对一种逆变器，其包括：输入端，所述输入端被配置为耦合到DC源并且从DC源接收输入DC功率；输出端，所述输出端被配置为耦合到负载并且向负载提供输出AC功率；多个DC总线，所述多个DC总线被耦合到输入端并且被配置为从DC源接收输入DC功率；中点总线，所述中点总线被耦合到输入端并且被耦合到多个DC总线；LC滤波器，所述LC滤波器被耦合到输出端；公共节点，所述公共节点被耦合到LC滤波器；多个开关，所述多个开关被耦合到多个DC总线和公共节点；以及用于将中点总线耦合到公共节点以在公共节点处在五个不同电压电平之间切换电压并且用于向输出端提供从五个不同电压电平得到的输出AC电压波形的装置。
附图说明
下面参考附图讨论至少一个实施方案的各种方面，附图并非旨在按比例绘制。附图被包括以提供对各个方面和实施例的说明和进一步的理解，并且被并入说明书并构成该说明书的一部分，但是不旨在作为对本发明的限制的定义。在附图中，在不同图中示出的每个相同或几乎相同的部件由相似的数字表示。为了清楚的目的，不是每个部件都在每个附图中被标出。在附图中：
图1是根据本文描述的方面的在线式UPS的框图；
图2是根据本文描述的方面的逆变器的示意图；
图3是示出根据本文描述的方面的对逆变器的操作的曲线图；
图4是根据本文描述的方面的在第一操作模式的第一阶段中操作的逆变器的示意图；
图5是根据本文描述的方面的在第一操作模式的第二阶段中操作的逆变器的示意图；
图6是根据本文描述的方面的在第二操作模式的第一阶段中操作的逆变器的示意图；
图7是根据本文描述的方面的在第二操作模式的第二阶段中操作的逆变器的示意图；
图8是根据本文描述的方面的在第三操作模式的第一阶段中操作的逆变器的示意图；
图9是根据本文描述的方面的在第三操作模式的第二阶段中操作的逆变器的示意图；
图10是根据本文描述的方面的在第四操作模式的第一阶段中操作的逆变器的示意图；
图11是根据本文描述的方面的在第四操作模式的第二阶段中操作的逆变器的示意图；
图12是根据本文描述的方面的在第五操作模式的第一阶段中操作的逆变器的示意图；
图13是根据本文描述的方面的在第五操作模式的第二阶段中操作的逆变器的示意图；
图14是根据本文描述的方面的在第六操作模式的第一阶段中操作的逆变器的示意图；
图15是根据本文描述的方面的在第六操作模式的第二阶段中操作的逆变器的示意图；以及
图16是可在其上实现本发明的各种实施例的系统的框图。
详细描述
本文所讨论的方法和系统的示例并不将其应用限于下面描述中阐述的或者在附图中示出的部件的结构和布置的细节。方法和系统能够在其他实施例中实施，并且能够以各种方式实践或执行。本文提供的特定实现方式的示例仅用于说明性目的而并不旨在限制。具体来说，结合任何一个或更多个示例论述的动作、部件、元件以及特征不旨在排除任何其他的示例中的类似作用。
另外，本文所用的措辞和术语是出于描述的目的，而不应视为具有限制性。对于本文中以单数提及的系统和方法的示例、实施方式、部件、元件或者动作的任何引用也可以包含包括复数的实施方式，并且对于本文的任何实施方式、部件、元件或者动作复数形式的任何提及也可以包含仅包括单数的实施方式。单数形式或者复数形式的引用并不旨在限制当前公开的系统或者方法、它们的部件、动作或者元件。本文使用“包括(including)”、“包括(comprising)”、“具有”、“含有”和“涉及”及其变型意在包括其后列举的项目和其等价物以及额外的项目。“或”的引用可解释为包括性的，使得使用“或”所描述的任何术语可以指示所描述的术语的单个、多于一个以及全部中的任何一种。另外，在本文件和通过引用并入的文件之间术语的用法不一致的情况下，在并入的文件中的术语用法作为对本文件中的术语用法的补充；对于不可协调的不一致，以本文件中的术语用法为准。
如上所述，诸如不间断电源(UPS)的电力设备通常用于为敏感负载和/或关键负载提供调节的、不间断的电力。
常规在线式UPS使用功率因数校正电路(PFC)来对由电力公司提供的输入AC功率进行整流，以向DC总线提供DC功率。DC总线上的经整流的DC功率在干线功率是可用的时候通常用于给电池充电。在不存在干线功率的情况下，电池放电并向DC总线提供DC功率。
逆变器从DC总线上的DC功率产生被提供到负载的AC输出电压。由于DC总线由电源或者电池供电，因此在干线出现故障并且电池充分充电时，UPS的输出功率是不间断的。一般，在线式UPS也可以在旁路模式中操作，其中具有基本保护的未调节的功率经由旁路线路从AC电源直接提供给负载。
提高UPS效率的一种常见方法是在UPS内利用多电平功率转换器。在UPS中通常使用的一种类型的多电平功率转换器是能够在五个电压电平之间切换的五电平逆变器：第一正DC电压电平、第二正DC电压电平、中点零电压电平、第一负DC电压电平和第二负DC电压电平。然而，这种5电平逆变器通常是复杂的，包括大量电源开关，并且相对昂贵。从而，对五电平逆变器的使用通常是有限的。
在至少一个实施例中，提供了一种准五电平逆变器系统和方法，其可以减少上述传统五电平逆变器的缺点，同时提供相对高的效率和低谐波失真。
图1是根据本发明的一个方面的在线式UPS100的框图。UPS100包括输入端102、转换器104、DC总线106、逆变器108、输出端110、电池112以及控制器114。输入端102被耦合到转换器104。DC总线106被耦合在转换器104和逆变器108之间。输出端110被耦合到逆变器108。控制器114被耦合到输入端102、输出端110、转换器104、DC总线106和逆变器108。电池被耦合到转换器104。
输入端102被配置为耦合到AC主电源并接收具有输入电压电平的输入AC功率。控制器114监测由输入端102接收的输入AC功率，并且被配置为基于由输入端102接收的输入AC功率的状态在不同的操作模式中操作UPS 100。当提供到输入端102的AC功率是可接受的(即，高于输入功率阈值)时，控制器114在正常操作模式中操作UPS100。在正常操作模式中，来自输入端102的AC功率被提供给转换器104。根据一个实施例，转换器104是功率因数校正转换器104；然而，在其他实施例中，其他类型的转换器也可被利用。
控制器114操作转换器104以将AC功率转换成DC功率并且向DC总线106提供DC功率。在一个实施例中，DC功率还从转换器104被提供到电池112以给电池112充电。在另一实施例中，来自DC总线106的DC功率经由DC/DC转换器被提供给电池112以给电池112充电。在正常操作模式中，逆变器108从DC总线106接收DC功率，且控制器114操作逆变器108以将DC功率转换成经调节的AC功率并且向耦合到输出端110的负载提供经调节的AC功率。
当提供到输入端102的AC功率是不可接受的(即，低于输入功率阈值)时，控制器114在备用操作模式中操作UPS100。在备用操作模式中，来自电池112的DC功率(例如由耦合到电池112的转换器104或DC/DC转换器)被调节并且被提供给DC总线106。逆变器108从DC总线106接收DC功率，且控制器114操作逆变器108以将DC功率转换成经调节的AC功率并且向输出端110提供经调节的AC功率。
图2是根据本文所述的至少一个实施例的逆变器108的示意图。逆变器108是准五电平逆变器。如图2所示，逆变器108包括输入端201和多个开关，所述多个开关包括第一开关(S1)202、第二开关(S2)204、第三开关(S3)206和第四开关(S4)208。逆变器108还包括双向开关233、LC滤波器211、第一正总线214、第二正总线231、中点总线216、第一负总线218、第二负总线235、中性线220、第一电容器(C1)217、第二电容器(C2)228、第三电容器(C3)219、第四电容器(C4)230、第一二极管(D1)232和第四二极管(D4)238。在一个实施例中，双向开关233包括第五开关(S5)224、第六开关(S6)226、第二二极管(D2)234和第三二极管(D3)236。在其他实施例中，双向开关233可以是另一种类型的双向开关。
LC滤波器211包括输出电感器210和输出电容器222。在一个实施例中，开关202、204、206、208、224、226中的每一个是绝缘栅双极晶体管(IGBT)；然而，在其他实施例中，每个开关202、204、206、208、224、226可以是另一适当类型的开关和/或晶体管(例如，金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET))。根据至少一个实施例，每个开关202、204、206、208、224、226包括与开关反并联连接的二极管。在至少一个实施例中，二极管是MOSFET的本征体二极管或IGBT的共封装二极管(co-pack diode)。
根据如图2所示的至少一个实施例，第一开关(S1)202的集电极耦合到第一正总线214，并且第一开关(S1)202的发射极耦合到第二开关(S2)204的集电极。第二开关(S2)204的发射极耦合到公共点215。第一电容器(C1)217的第一端子耦合到第一正总线214，并且第一电容器(C1)217的第二端子耦合到第二正总线231。第二正总线231经由第一二极管(D1)232耦合到第一开关(S1)202的发射极。第二电容器(C2)228的第一端子耦合到第二正总线231，并且第二电容器(C2)228的第二端子耦合到中点总线216。
第三开关(S3)206的集电极耦合到公共点215，以及第三开关(S3)206的发射极耦合到第四开关(S4)208的集电极。第四开关(S4)208的发射极耦合到第一负总线218。第三电容器(C3)219的第一端子耦合到中点总线216，并且第三电容器(C3)219的第二端子耦合到第二负总线235。第二负总线235经由第四二极管(D4)238耦合到第三开关(S3)206的发射极。第四电容器(C4)230的第一端子耦合到第二负总线235，并且第四电容器(C4)230的第二端子耦合到第一负总线218。
第五开关(S5)224的发射极经由第二二极管(D2)234耦合到中点总线216。第五开关(S5)224的集电极耦合到公共点215。第六开关(S6)226的集电极耦合到中点总线216。第六开关(S6)226的发射极经由第三二极管(D3)236耦合到公共点215。公共点215耦合到电感器210的第一端子。电感器210的第二端子耦合到UPS 100的输出端110。根据至少一个实施例，输出端110还经由输出电容器222耦合到中性线220。中性线也耦合到中点总线216。控制器114耦合到每个开关202、204、206、208、224、226的栅极，并且被配置为向每个开关202、204、206、208、224、226的栅极提供控制信号。
在下面关于图3-15更详细地讨论逆变器的操作。图3是曲线图300，其包括示出在逆变器108的不同操作模式(A-F)下在公共点215处的逆变器108的电压的第一迹线302、示出在逆变器108的不同操作模式(A-F)下在输出端110处的逆变器108的经滤波输出电压的第二迹线304以及示出在逆变器108的不同操作模式(A-F)下的逆变器08的负载电流的第三迹线306。
图4-15是在不同操作模式(A-F)中操作的逆变器108的示意图。例如，图4是在模式A的第一阶段中操作的逆变器108的示意图，图5是在模式A的第二阶段中操作的逆变器108的示意图，图6是在模式B的第一阶段中操作的逆变器108的示意图，图7是在模式B的第二阶段中操作的逆变器108的示意图，图8是在模式C的第一阶段中操作的逆变器108的示意图，图9是在模式C的第二阶段中操作的逆变器108的示意图，图10是在模式D的第一阶段中操作的逆变器108的示意图，图11是在模式D的第二阶段中操作的逆变器108的示意图，图12是在模式E的第一阶段中操作的逆变器108的示意图，图13是在模式E的第二阶段中操作的逆变器108的示意图，图14是在模式F的第一阶段中操作的逆变器108的示意图，图15是在模式F的第二阶段中操作的逆变器108的示意图。
如上面类似地讨论的，在正常和备用操作模式中，逆变器108被配置为经由输入端201从DC源(例如，转换器104和/或电池112)接收DC功率，并且控制器114在模式A–F中操作逆变器108，以将由总线214、218、231、235从转换器104和/或电池112接收的DC功率转换成经调节的AC功率，并且向输出端110提供经调节的AC功率。
在模式A中，控制器114操作第一开关(S1)202、第三开关(S3)206、第四开关(S4)208和第五开关(S5)224以关断(即断开)，并且操作第六开关(S6)226以接通(即闭合)。在模式A中，控制器114还操作第二开关(S2)204以在断开和闭合状态之间交替(即，切换)。图4是在模式A的第一阶段中操作的逆变器108的示意图，其中第二开关(S2)204闭合。当第二开关(S2)204闭合时，从第二电容器(C2)228到输出端110的电流402通过第二正总线231、第一二极管(D1)232、第二开关(S2)204和LC滤波器211。在模式A的第一阶段期间，耦合到输出端110的负载236从第二电容器(C2)228汲取能量，并且在公共点215处产生的电压(在图3中被示为第一迹线302)具有第一正电平308，该第一正电平308等于(下面描述的)在模式B期间在公共点215处产生的第二正电压电平312的大约一半。
图5是在模式A的第二阶段中操作的逆变器108的示意图，其中第二开关(S2)204断开。当第二开关(S2)204断开时，从中点总线216到输出端110的电流502通过第六开关(S6)226、第三二极管(D3)236、公共点215和LC滤波器211。在模式A的第二阶段期间，在公共点215处的电压302变为零308。在模式A中，控制器操作第二开关(S2)204以在第一阶段和第二阶段之间交替，以在公共点215处产生在零308和第一正电平310之间交替的脉冲。在模式A期间在输出端110处的输出电流(在图3中被示为第三迹线306)是正的。
在模式A之后，逆变器108转变到模式B。在模式B中，控制器114操作第三开关(S3)206、第四开关(S4)208、第五开关(S5)224和第六开关(S6)226以关断，并且操作第二开关(S2)204以接通。在模式B中，控制器114还操作第一开关(S1)202以在断开和闭合状态之间交替(即，切换)。图6是在模式B的第一阶段中操作的逆变器108的示意图，其中第一开关(S1)202闭合。当第一开关(S1)202闭合时，从第二电容器(C2)228到输出端110的电流602通过第一电容器(C1)217、第一正总线214、第一开关(S1)202、第二开关(S2)204、公共点215和LC滤波器211。在模式B的第一阶段期间，耦合到输出端110的负载236从第一电容器(C1)217和第二电容器(C2)228汲取能量，并且在公共点215处产生的电压302具有第二正电平312，该第二正电平312等于(上面所述的)在模式A期间在公共点215处产生的第一正电平310的大约两倍。
图7是在模式B的第二阶段中操作的逆变器108的示意图，其中第一开关(S1)202断开。当第一开关(S1)202断开时，从第二电容器(C2)228到输出端110的电流702通过第二正总线231、第一二极管(D1)232、第二开关(S2)204和LC滤波器211。在模式B的第二阶段期间，耦合到输出端110的负载236从第二电容器(C2)228汲取能量，并且在公共点215处产生的电压302在第一正电平310(即，与在模式A的第一阶段期间产生的相同的电平)处。在模式B中，控制器操作第一开关(S1)202以在第一阶段和第二阶段之间交替，以在公共点215处产生在第一正电平310和第二正电平312之间交替的脉冲。在模式B期间在输出端110处的输出电流306为正。
在模式B之后，逆变器108转变回到模式A。在转变回道模式A之后，逆变器108转变到模式C。在模式C中，控制器114操作第一开关(S1)202、第三开关(S3)206、第四开关(S4)208和第六开关(S6)226以关断。在模式B中，控制器114还在互补切换模式(即，一个开关闭合而另一个开关断开)中操作第二开关(S2)204和第五开关(S5)224。图8是在模式C的第一阶段中操作逆变器108的示意图，其中第二开关(S2)204闭合而第五开关(S5)224断开。当第二开关(S2)204闭合而第五开关(S5)224断开时，从输出端110到第一电容器(C1)217和第二电容器(C2)218的电流802通过LC滤波器211、公共点215、第二开关(S2)204(可能包括第二开关(S2)204的二极管(Ds2))和第一开关(S1)202的二极管(Ds1)。在模式C的第一阶段期间，耦合到输出端110的负载236向第一电容器(C1)217和第二电容器(C2)228提供回功率，并且在公共点215处产生的电压302在第二正电平312处。
图9是在模式C的第二阶段中操作的逆变器108的示意图，其中第二开关(S2)204断开，以及第五开关(S5)224闭合。当第二开关(S2)204断开而第五开关(S5)224闭合时，从输出端110到中点总线216的电流902通过LC滤波器211、公共点215、开关(S5)224和第二二极管(D2)234。在模式C的第二阶段期间，在公共点215处的电压变为零。在模式C中，控制器操作第二开关(S2)204和第五开关(S5)224以在第一阶段和第二阶段之间交替，以在公共点215处产生在第二正电平312和零308之间交替的脉冲。在模式C期间在公共点215处的输出电流306为负。控制器114调整在模式A、B和C中的公共点脉冲的宽度，以结合LC滤波器211来在输出端110处产生输出电压波形304的期望正半周期。
在模式C之后，逆变器108转变到模式D。在模式D中，控制器114操作第一开关(S1)202、第二开关(S2)204、第四开关(S4)208和第六开关(S6)226以关断(即断开)，并且操作第五开关(S5)224以接通(即闭合)。在模式D中，控制器114还操作第三开关(S3)206以在断开和闭合状态之间交替(即，切换)。图10是在模式D的第一阶段中操作的逆变器108的示意图，其中第三开关(S3)206闭合。当第三开关(S3)206闭合时，从输出端110到第三电容器(C3)219的电流1002通过LC滤波器211、公共点215、第三开关(S3)206、第四二极管(D4)238和第二负总线235。在模式D的第一阶段期间，耦合到输出端110的负载236从第三电容器(C3)219汲取能量，并且在公共点215处产生的电压302具有第一负电平314，该第一负电平314等于(下面描述的)在模式E期间在公共点215处产生的第二负电压电平316的大约一半。
图11是在模式D的第二阶段中操作的逆变器108的示意图，其中第三开关(S3)206断开。当第三开关(S3)206断开时，从输出端110到中点总线216的电流1102通过LC滤波器211、公共点215、第五开关(S5)224和第二二极管(D2)234。在模式D的第二阶段期间，在公共点215处的电压302变为零308。在模式D中，控制器操作第三开关(S3)206以在第一阶段和第二阶段之间交替，以在公共点215处产生在零308和第一负电平314之间交替的脉冲。在模式D期间在输出端110处的输出电流306为负。
在模式D之后，逆变器108转变到模式E。在模式E中，控制器114操作第一开关(S1)202、第二开关(S2)204、第五开关(S5)224和第六开关(S6)226以关断(即断开)，并且操作第三开关(S3)224以接通(即闭合)。在模式E中，控制器114还操作第四开关(S4)208以在断开和闭合状态之间交替(即，切换)。图12是在模式E的第一阶段期间操作的逆变器108的示意图，其中第四开关(S4)208闭合。当第四开关(S4)208闭合时，从输出端110到第三电容器(C3)219的电流1202通过LC滤波器211、第三开关(S3)206、第四开关(S4)208、第一负总线218和第四电容器(C4)230。在模式E的第一阶段期间，耦合到输出端110的负载236从第三电容器(C3)219和第四电容器(C4)230汲取能量，并且在公共点215处产生的电压302具有第二负电平316，该第二负电平316等于(上面所述的)在模式D期间在公共点215处产生的第一负电平314的大约两倍。
图13是在模式E的第二阶段期间操作的逆变器108的示意图，其中第四开关(S4)208断开。当第四开关(S4)208断开时，从输出端110到第三电容器(C3)219的电流1302通过LC滤波器211、公共点215、第三开关(S3)206、第四二极管(D4)238和第二负总线235。在模式E的第二阶段期间，耦合到输出端110的负载236从第三电容器(C3)219汲取能量，并且在公共点215处产生的电压302具有第一负电平314。在模式E中，控制器操作第四开关(S4)208以在第一阶段和第二阶段之间交替，以在公共点215处产生在第一负电平314和第二负电平316之间交替的脉冲。在模式E期间在输出端110处的输出电流306为负。
在模式E之后，逆变器108转变回到模式D。在转变回到模式D之后，逆变器108转变到模式F。在模式F中，控制器114操作第一开关(S1)202、第二开关(S2)204、第四开关(S4)208和第五开关(S5)224以关断。在模式F中，控制器114还在互补切换模式(即，一个开关闭合而另一个开关断开)中操作第三开关(S3)206和第六开关(S6)226。图14是在模式F的第一阶段中操作的逆变器108的示意图，其中第三开关(S3)206闭合而第六开关(S6)226断开。当第三开关(S3)206闭合而第六开关(S6)226断开时，从第三电容器(C3)219和第四电容器(C4)230到输出端110的电流1402通过第一负总线218、第四开关(S4)208的二极管(Ds4)、第三开关(S3)206(可能包括第三开关(S3)206的二极管(Ds3))、公共点215和LC滤波器211。在模式F的第一阶段期间，耦合到输出端110的负载236向第三电容器(C3)219和第四电容器(C4)230提供回功率，并且在公共点215处产生的电压302在第二负电平316处。
图15是在模式F的第二阶段期间操作的逆变器108的示意图，其中第三开关(S3)206断开，以及第六开关(S6)226闭合。当第三开关(S3)206断开而第六开关(S6)226闭合时，从中点总线216到输出端110的电流1502通过第六开关(S6)226、第三二极管(D3)236、公共点215和LC滤波器211。在模式F的第二阶段期间，在公共点215处的电压变为零。在模式F中，控制器操作第三开关(S3)206和第六开关(S6)226以在第一阶段和第二阶段之间交替，以在公共点215处产生在第二负电平316和零308之间交替的脉冲。在模式F期间在公共点215处的输出电流306为正。控制器114调整在模式D、E和F中的公共点脉冲的宽度，以结合LC滤波器211来在输出端110处产生输出电压波形304的期望负半周期。
图16示出形成可被配置成实施本文公开的一个或更多个方面的系统1600的计算部件的示例框图。例如，系统1600可被通信地耦合到控制器114或被包括在控制器114内。系统1600还可以被配置为如上面所讨论地操作逆变器。
系统1600可包括例如计算平台，如基于英特尔奔腾类型的处理器、摩托罗拉的PowerPC、Sun的UltraSPARC、德州仪器DSP、惠普PA-RISC处理器或任何其它类型的处理器的那些计算平台。系统1600可包括专门编程的专用硬件，例如专用集成电路(ASIC)。系统1600还可以包括现场可编程门阵列(FPGA)。可以将本公开的各个方面实施为在系统1600(诸如，在图16中显示的系统)上执行的专用软件。
系统1600可以包括连接到如磁盘驱动器、存储器、闪存或用于存储数据的其它设备的一个或更多个存储器设备1610的处理器/ASIC 1606。存储器1610可以在系统1600的操作期间用于存储程序和数据。计算机系统1600的部件可以由互连机构1608耦合，该互连机构1608可包括一个或更多个总线(例如，集成于同一机器内的部件之间)和/或网络(例如，存在于分立机器上的部件之间)。互连机构1608实现了在系统1600的部件之间进行交换通信(例如，数据、指令)。系统1600也包括一个或更多个输入设备1604，其可包括例如键盘或触摸屏。系统1600包括一个或更多个输出设备1602，其可包括例如显示器。此外，计算机系统1600可包含可将计算机系统1600连接至通信网络(除互连机构1608之外或作为互连机构1608的替代)的一个或更多个接口(未示出)。
系统1600可包括储存系统1612，其可包括计算机可读和/或可写的非易失性介质，其中信号可被存储以提供由处理器执行的程序或提供在介质上或在介质中存储的由程序处理的信息。介质可例如是磁盘或闪存存储器，并且在一些示例中可包括RAM或其他非易失性存储器，如EEPROM。在一些实施例中，处理器可使数据从非易失性介质被读取到允许相比于介质而言处理器/ASIC更快地访问信息的另一个存储器1610中。这个存储器1610可以是易失性的随机存取存储器，例如动态随机存取存储器(DRAM)或静态存储器(SRAM)。它可位于储存系统1612中或存储器系统1610中。处理器1606可操纵集成电路存储器1610内的数据并且接着在完成处理之后将数据复制到储存器1612。已知用于管理在储存器1612和集成电路存储器元件1610之间数据移动的各种机构，并且本公开内容不限于此。本公开内容不限于特定的存储器系统1610或储存系统1612。
系统1600可以包括可使用高级计算机编程语言编程的计算机平台。系统1600也可使用专业编程的专用硬件(例如，ASIC)来实现。系统1600可包括处理器1606，其可以是市场上可买到的处理器，例如从英特尔公司可购得的公知的奔腾类处理器。许多其他处理器也是可用的。处理器1606可执行操作系统，其可以是例如从微软公司可购买的Windows操作系统、从苹果电脑公司可购买的MAC OS系统X、从Sun Microsystems可购买的Solaris操作系统或者从各种来源可获得的UNIX和/或LINUX。可使用许多其他操作系统。
处理器和操作系统可共同形成计算机平台，可以用高级编程语言编写关于该计算机平台的应用程序。应当理解，本公开不限于特定的计算机系统平台、处理器、操作系统或网络。此外，对本领域的技术人员应当明显的是，本公开不限于特定的编程语言或计算机系统。此外，应该认识到，还可使用其他适合的编程语言和其他适合的计算机系统。
如上所述，逆变器108可以与在线式UPS一起进行利用；然而，在其他实施例中，逆变器108可以与需要DC到AC转换的另外类型的UPS和/或另外类型的电力系统一起进行利用。
如本文所讨论的，提供了一种准五电平逆变器系统和方法，其可以减少上述传统五电平逆变器的缺点，同时提供相对高的效率和低谐波失真。通过如上所讨论的结合二极管D1和D4利用双向开关233，本文描述的准五电平逆变器系统可以在五个电压电平之间切换并产生期望的输出电压波形，同时具有比传统五电平逆变器更简单的结构、利用更少的功率开关并且具有更低的成本。
在这样描述了本发明的至少一个实施例的几个方面后，应认识到，本领域的技术人员将容易想到各种变更、修改和改进。这样的变更、修改和改进被认为是本公开的一部分，并且被认为在本发明的精神和范围内。因此，前文的描述和附图仅仅是示例性的。

Claims (20)

1.一种逆变器，包括：
输入端，所述输入端被配置为耦合到DC源并从所述DC源接收输入DC功率；
输出端，所述输出端被配置为耦合到负载并向所述负载提供输出AC功率；
多个DC总线，所述多个DC总线被耦合到所述输入端并被配置为从所述DC源接收所述输入DC功率；
中点总线，所述中点总线被耦合到所述输入端并被耦合到所述多个DC总线；
LC滤波器，所述LC滤波器被耦合到所述输出端；
公共节点，所述公共节点被耦合到所述LC滤波器；
多个开关，所述多个开关被耦合到所述多个DC总线和所述公共节点；
双向开关，所述双向开关被耦合在所述中点总线和所述公共节点之间；以及
控制器，所述控制器被配置成在第一操作模式中操作所述多个开关和所述双向开关以在所述公共节点处产生在第一正DC电压电平处的电压，在第二操作模式中操作所述多个开关和所述双向开关以在所述公共节点处产生在第二正DC电压电平处的电压，在第三操作模式中操作所述多个开关和所述双向开关以在所述公共节点处产生在第一负DC电压电平处的电压，以及在第四操作模式中操作所述多个开关和所述双向开关以在所述公共节点处产生在第二负DC电压电平处的电压。
2.根据权利要求1所述的逆变器，其中，所述LC滤波器被配置为在所述第一操作模式、第二操作模式、第三操作模式和第四操作模式期间向所述输出端提供从在所述公共节点处的电压得到的输出AC电压波形。
3.根据权利要求1所述的逆变器，其中，在所述第一操作模式中，所述控制器还被配置为操作所述多个开关和所述双向开关以在所述公共节点处产生在零和所述第一正DC电压电平之间交替的电压脉冲，在所述第二操作模式中，所述控制器还被配置为操作所述多个开关和所述双向开关以在所述公共节点处产生在所述第一正DC电压电平和所述第二正DC电压电平之间交替的电压脉冲，在所述第三操作模式中，所述控制器还被配置为操作所述多个开关和所述双向开关以在所述公共节点处产生在零和所述第一负DC电压电平之间交替的电压脉冲，以及在所述第四操作模式中，所述控制器还被配置为操作所述多个开关和所述双向开关以在所述公共节点处产生在所述第一负DC电压电平和所述第二负DC电压电平之间交替的电压脉冲。
4.根据权利要求1所述的逆变器，
其中，所述多个DC总线包括：
第一正DC总线，所述第一正DC总线耦合到所述输入端；
第二正DC总线，所述第二正DC总线耦合到所述输入端；
第一负DC总线，所述第一负DC总线耦合到所述输入端；以及
第二负DC总线，所述第二负DC总线耦合到所述输入端，以及其中，所述多个开关包括：
第一开关，所述第一开关耦合到所述第一正DC总线；
第二开关，所述第二开关耦合在所述第一开关和所述公共节点之间；
第三开关，所述第三开关耦合到所述第一负DC总线；以及
第四开关，所述第四开关耦合在所述第三开关和所述公共节点之间。
5.根据权利要求4所述的逆变器，还包括：
第一二极管，所述第一二极管耦合在所述第二正DC总线和所述第二开关之间；以及
第二二极管，所述第二二极管耦合在所述第二负DC总线和所述第四开关之间。
6.根据权利要求5所述的逆变器，还包括：
第一电容器，所述第一电容器耦合在所述第一正DC总线和所述第二正DC总线之间；
第二电容器，所述第二电容器耦合在所述第二正DC总线和所述中点总线之间；
第三电容器，所述第三电容器耦合在所述第一负DC总线和所述第二负DC总线之间；以及
第四电容器，所述第四电容器耦合在所述第二负DC总线和所述中点总线之间。
7.根据权利要求6所述的逆变器，其中，所述控制器还被配置成在所述第一操作模式的第一阶段中，操作所述多个开关以经由所述第二正DC总线、所述第一二极管和所述第二开关从所述第二电容器向所述公共点提供电流，并且在所述第一操作模式的第二阶段中，操作所述双向开关以经由所述双向开关从所述中点总线向所述公共节点提供电流。
8.根据权利要求7所述的逆变器，其中，所述控制器还被配置成在所述第二操作模式的第一阶段中，操作所述多个开关以经由所述第一正DC总线、所述第一开关和所述第二开关从所述第一电容器向所述公共点提供电流，并且在所述第二操作模式的第二阶段中，操作所述多个开关以经由所述第二正DC总线、所述第一二极管和所述第二开关从所述第二电容器向所述公共点提供电流。
9.根据权利要求8所述的逆变器，其中，所述控制器还被配置为在所述第三操作模式的第一阶段中，操作所述多个开关以经由所述第二负DC总线、所述第二二极管和所述第四开关从所述公共点向所述第三电容器提供电流，并且在所述第三操作模式的第二阶段中，操作所述双向开关以经由所述双向开关从所述公共节点向所述中点总线提供电流。
10.根据权利要求9所述的逆变器，其中，所述控制器还被配置成在所述第四操作模式的第一阶段中，操作所述多个开关以经由所述第一负DC总线、所述第三开关和所述第四开关从所述公共点向所述第四电容器提供电流，并且在所述第四操作模式的第二阶段中，操作所述多个开关以经由所述第二负DC总线、所述第二二极管和所述第四开关从所述公共点向所述第三电容器提供电流。
11.根据权利要求10所述的逆变器，其中，所述控制器还被配置为在从所述第二操作模式到所述第三操作模式的转变期间出现的第五操作模式的第一阶段中，操作所述多个开关以经由所述第一正DC总线、所述第一开关和所述第二开关从所述公共点向所述第一电容器提供电流，并且在所述第五操作模式的第二阶段中，操作所述双向开关以经由所述双向开关从所述公共节点向所述中点总线提供电流。
12.根据权利要求11所述的逆变器，其中，所述控制器还被配置为在从所述第三操作模式到所述第二操作模式的转变期间出现的第六操作模式的第一阶段中，操作所述多个开关以经由所述第一负DC总线、所述第三开关和所述第四开关从所述第四电容器向所述公共点提供电流，并且在所述第六操作模式的第二阶段中，操作所述双向开关以经由所述双向开关从所述中点总线向所述公共节点提供电流。
13.根据权利要求12所述的逆变器，其中，所述双向开关包括：
第三二极管，所述第三二极管耦合到所述中点总线；
第五开关，所述第五开关耦合在所述第三二极管和所述公共点之间；
第四二极管，所述第四二极管耦合到所述公共点；以及
第六开关，所述第六开关耦合在所述第四二极管和所述中点总线之间。
14.一种用于操作逆变器的方法，所述逆变器包括被配置为耦合到DC源的输入端、输出端、多个DC总线、耦合到所述输入端和所述多个DC总线的中点总线、耦合到所述输出端的LC滤波器、耦合到所述LC滤波器的公共节点、耦合到所述多个DC总线和所述公共节点的多个开关以及耦合在所述中点总线和所述公共节点之间的双向开关，所述方法包括：
在所述输入端处接收来自所述DC源的输入DC功率；
在第一操作模式中，操作所述多个开关和所述双向开关以在所述公共节点处产生在第一正DC电压电平处的电压；
在第二操作模式中，操作所述多个开关和所述双向开关以在所述公共节点处产生在第二正DC电压电平处的电压；
在第三操作模式中，操作所述多个开关和所述双向开关以在所述公共节点处产生在第一负DC电压电平处的电压；
在第四操作模式中，操作所述多个开关和所述双向开关以在所述公共节点处产生在第二负DC电压电平处的电压；以及
在所述第一操作模式、第二操作模式、第三操作模式和第四操作模式期间利用所述LC滤波器在所述输出端处产生从所述公共节点处的电压得到的输出AC电压波形。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，在所述第一操作模式中操作所述多个开关和所述双向开关包括操作所述多个开关和所述双向开关以在所述公共节点处产生在零和所述第一正DC电压电平之间交替的电压脉冲，
其中，在所述第二操作模式中操作所述多个开关和所述双向开关包括操作所述多个开关和所述双向开关以在所述公共节点处产生在所述第一正DC电压电平和所述第二正DC电压电平之间交替的电压脉冲，
其中，在所述第三操作模式中操作所述多个开关和所述双向开关包括操作所述多个开关和所述双向开关以在所述公共节点处产生在零和所述第一负DC电压电平之间交替的电压脉冲，以及
其中，在所述第四操作模式中操作所述多个开关和所述双向开关包括操作所述多个开关和所述双向开关以在所述公共节点处产生在所述第一负DC电压电平和所述第二负DC电压电平之间交替的电压脉冲。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，所述多个DC总线包括第一正DC总线、第二正DC总线、第一负DC总线和第二负DC总线，其中，所述多个开关包括耦合到所述第一正DC总线的第一开关、耦合在所述第一开关和所述公共节点之间的第二开关、耦合到所述第一负DC总线的第三开关以及耦合在所述第三开关和所述公共节点之间的第四开关，并且其中，操作所述多个开关和所述双向开关以在所述公共节点处产生在零和所述第一正DC电压电平之间交替的电压脉冲包括：
在所述第一操作模式的第一阶段中，操作所述多个开关以经由所述第二正DC总线和所述第二开关从所述中点总线向所述公共点提供电流；以及
在所述第一操作模式的第二阶段中，操作所述双向开关以经由所述双向开关从所述中点总线向所述公共节点提供电流。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，操作所述多个开关和所述双向开关以在所述公共节点处产生在所述第一正DC电压电平和所述第二正DC电压电平之间交替的电压脉冲包括：
在所述第二操作模式的第一阶段中，操作所述多个开关以经由所述第一正DC总线、所述第一开关和所述第二开关从所述中点总线向所述公共点提供电流；以及
在所述第二操作模式的第二阶段中，操作所述多个开关以经由所述第二正DC总线和所述第二开关从所述中点总线向所述公共点提供电流。
18.根据权利要求17所述的方法，其中，操作所述多个开关和所述双向开关以在所述公共节点处产生在零和所述第一负DC电压电平之间交替的电压脉冲包括：
在所述第三操作模式的第一阶段中，操作所述多个开关以经由所述第二负DC总线和所述第四开关从所述公共点向所述中点总线提供电流；以及
在所述第三操作模式的第二阶段中，操作所述双向开关以经由所述双向开关从所述公共节点向所述中点总线提供电流。
19.根据权利要求18所述的逆变器，其中，操作所述多个开关和所述双向开关以在所述公共节点处产生在所述第一负DC电压电平和所述第二负DC电压电平之间交替的电压脉冲包括：
在所述第四操作模式的第一阶段中，操作所述多个开关以经由所述第一负DC总线、所述第三开关和所述第四开关从所述公共点向所述中点总线提供电流；以及
在所述第四操作模式的第二阶段中，操作所述多个开关以经由所述第二负DC总线和所述第四开关从所述公共点向所述中点总线提供电流。
20.一种逆变器，包括：
输入端，所述输入端被配置为耦合到DC源并且从所述DC源接收输入DC功率；
输出端，所述输出端被配置为耦合到负载并且向所述负载提供输出AC功率；
多个DC总线，所述多个DC总线被耦合到所述输入端并且被配置为从所述DC源接收所述输入DC功率；
中点总线，所述中点总线被耦合到所述输入端并且被耦合到所述多个DC总线；
LC滤波器，所述LC滤波器被耦合到所述输出端；
公共节点，所述公共节点被耦合到所述LC滤波器；
多个开关，所述多个开关被耦合到所述多个DC总线和所述公共节点；以及
用于将所述中点总线耦合到所述公共节点以在所述公共节点处在五个不同电压电平之间切换电压并且用于向所述输出端提供从所述五个不同电压电平得到的输出AC电压波形的装置。
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