CN111049403A - 一种升降压型开关电容九电平逆变器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种升降压型开关电容九电平逆变器。该逆变器包括逆变H桥模块、直流输入源充电模块、第一开关电容模块和第二开关电容模块。所述逆变H桥模块包括第一～四MOSFET管；直流输入源充电模块包括第一直流输入源、第五～第八MOSFET管、第一二极管；第一开关电容模块包括第九MOSFET管、第一～第二开关电容、第二～三二极管；第二开关电容模块包括第十MOSFET管、第三～第四开关电容、第四～第五二极管。本发明根据不同开关序列控制的电流工作状态，既可提升低压直流电压等级后进行逆变，又可降低高压直流电压等级后进行逆变，具有结构简单、控制驱动简便、适用范围广泛、应用灵活的优点。

Description

一种升降压型开关电容九电平逆变器

技术领域

本发明涉及电力电子应用技术领域，特别是一种升降压型开关电容九电平逆变器。

背景技术

随着全球生态环境问题的恶化，无污染的可再生能源的推广迫在眉睫。在可再生能源联合发电系统中，分布式电网与电动汽车的应用离不开直流端到交流端高效的电能变换。高效的DC-AC化要求变换器具备交流输出端电压纹波少、电能质量高、电磁兼容性强以及开关器件电压应力小等特点。

多电平逆变器拓扑族由此诞生，20世纪80年代至21世纪初期，日本、法国、新加坡的学者先后提出了使用单一直流输入源的降压型二极管箝位多电平逆变器、使用单一直流输入源的降压型飞跨电容多电平逆变器和使用多个直流输入源的升压型级联H桥多电平逆变器。这三类传统的多电平逆变器中，前两种面对低压直流输入源为高压交流负载供电的场合，需要在前级增设基于笨重磁性元件的升压环节，且随着输出电平数的增加，将耗用大量的箝位二极管和直流电容，并需要复杂的电容均压控制策略；第三种拓扑具备升压能力，但需要多个直流输入源，并需要复杂的多个输入源功率匹配控制策略。这三类传统的多电平逆变器拓扑随着输出电平的增加，耗用主控开关管的数量也成倍增加。

20世纪90年代，开关电容变换器最初由日本熊本一研究机构的Umeno T等学者提出，主旨是将充电后的开关电容作为额外直流电压源，不使用电感或变压器等笨重的磁性元件，实现直流升压。随着电力电子技术的发展，开关电容原理开始被学术界应用于逆变领域，但早期结构过于复杂。2012年，东京理工大学的学者Hinago Youhei对简化早期开关电容多电平逆变器结构,仅用10只主控开关管，构建出基于开关电容变换器与传统全桥逆变器级联的七电平逆变器,该拓扑具有一定升压能力且可以扩展至更高电平输出(九电平场合需要13只主控开关管)，为后续各国学者对开关电容多电平逆变器拓扑的推演及器件简化提供了灵感。然而学术界提出的开关电容多电平逆变器拓扑，大多只有升压能力，适用于低压直流输入源为高压交流负载供电的场合，适用于高压直流输入源为低压交流负载供电场合的，具有降压功能的开关电容多电平逆变器拓扑鲜有提出。

发明内容

本发明的目的在于提供一种兼备升降压和逆变功能且结构简单、控制驱动简便、适用范围广泛、应用灵活的升降压型开关电容九电平逆变器，以拓宽直流输入源适用场合。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种升降压型开关电容九电平逆变器，包括逆变H桥模块、直流输入源充电模块、第一开关电容模块和第二开关电容模块；

所述逆变H桥模块包括第一MOSFET管S₁、第二MOSFET管S₂、第三MOSFET管S₃、第四MOSFET管S₄；所述直流输入源充电模块包括第一直流输入源V_in、第五MOSFET管S₅、第一二极管D₀、第六MOSFET管S₆、第七MOSFET管S₇、第八MOSFET管S₈；所述第一开关电容模块包括第九MOSFET管S₉、第一开关电容C₁₁、第二开关电容C₁₂、第二二极管D₁₁、第三二极管D₁₂；所述第二开关电容模块包括第十MOSFET管S₁₀、第三开关电容C₂₁、第四开关电容C₂₂、第四二极管D₂₁、第五二极管D₂₂；

所述第一直流输入源V_in的正极连接第五MOSFET管S₅的漏极，负极同时连接第二MOSFET管S₂的源极、第四MOSFET管S₄的源极、第八MOSFET管S₈的源极、第四开关电容C₂₂的负极性电压端口和第四二极管D₂₁的阳极；第一二极管D₀的阳极连接第五MOSFET管S₅的源极，阴极连接第一MOSFET管S₁的漏极、第三MOSFET管S₃的漏极、第六MOSFET管S₆的漏极、第一开关电容C₁₁的正极性电压端口和第三二极管D₁₂的阴极；第一MOSFET管S₁的源极与第二MOSFET管S₂的漏极共同连接交流正极性输出端，第三MOSFET管S₃的源极与第四MOSFET管S₄的漏极共同连接交流负极性输出端；第七MOSFET管S₇的漏极连接第六MOSFET管S₆的源极、第三开关电容C₂₁的正极性电压端口和第五二极管D₂₂的阴极，源极连接第八MOSFET管S₈的漏极、第二开关电容C₁₂的负极性电压端口和第二二极管D₁₁的阳极；第九MOSFET管S₉的漏极连接第二开关电容C₁₂的正极性电压端口和第三二极管D₁₂的阳极，源极连接第一开关电容C₁₁的负极性电压端口和第二二极管D₁₁的阴极；第十MOSFET管S₁₀的漏极连接第四开关电容C₂₂的正极性电压端口和第五二极管D₂₂的阳极，源极连接第三开关电容C₂₁的负极性电压端口和第四二极管D₂₁的阴极。

进一步地，所述MOSFET管均附加反并联二极管，具有双向通流能力。

进一步地，所述MOSFET管栅极和源极之间均接收外部电路提供的控制驱动信号，每只MOSFET管的控制驱动信号由1路与交流侧输出电压同频的正弦调制波V_m的正负极性和4路两倍于交流侧输出电压频率的具有导通延时角的基准方波U_i共同决定，基准方波U_i依次导通延时角度为θ_i,i＝1,2,3,4；4路基准方波U₁、U₂、U₃、U₄的幅值均为E，导通延时角满足0<θ₁<θ₂<θ₃<θ₄<π/2，叠加后获得两倍于交流侧输出电压频率的正极性的五电平阶梯波，该正极性的五电平阶梯波经逆变H桥模块变换极性，产生已消除特定次数谐波的交流九电平阶梯波。

进一步地，所述升降压型开关电容九电平逆变器的升压工作模式具体如下：

交流侧输出电压一个完整周期的正半周期时段内的开关序列和工作状态为：

(0，θ₁)与(π-θ₁，π)时段内，4路基准方波均为0，第二MOSFET管S₂、第四MOSFET管S₄、第五MOSFET管S₅、第六MOSFET管S₆、第八MOSFET管S₈、第九MOSFET管S₉以及第十MOSFET管S₁₀处于导通状态，其余MOSFET处于截止状态；第一开关电容模块中的第一开关电容C₁₁串联第二开关电容C₁₂,第二开关电容模块中的第三开关电容C₂₁串联第四开关电容C₂₂,两个开关电容模块分别与第一直流输入源V_in并联充电，每个开关电容电压被充至0.5V_in，交流输出侧电压为0；

(θ₁，θ₂)与(π-θ₂，π-θ₁)时段内，仅基准方波U₁输出为E，第一MOSFET管S₁、第四MOSFET管S₄、第五MOSFET管S₅、第六MOSFET管S₆、第八MOSFET管S₈以及第九MOSFET管S₉处于导通状态，其余MOSFET处于截止状态；第一开关电容模块中的第一开关电容C₁₁串联第二开关电容C₁₂，第二开关电容模块中的第三开关电容C₂₁并联第四开关电容C₂₂，第一开关电容模块继续被第一直流输入源V_in并联充电，第二开关电容模块对交流输出侧放电，交流输出侧电压为+0.5V_in；

(θ₂，θ₃)与(π-θ₃，π-θ₂)时段内，基准方波U₁和U₂输出为E，第一MOSFET管S₁、第四MOSFET管S₄、第五MOSFET管S₅、第六MOSFET管S₆、第八MOSFET管S₈、第九MOSFET管S₉以及第十MOSFET管S₁₀处于导通状态，其余MOSFET处于截止状态；第一开关电容模块中的第一开关电容C₁₁串联第二开关电容C₁₂,第二开关电容模块中的第三开关电容C₂₁串联第四开关电容C₂₂，两个开关电容模块分别于第一直流输入源V_in并联充电，第一直流输入源V_in为交流输出侧供电，交流输出侧电压为+V_in；

(θ₃，θ₄)与(π-θ₄，π-θ₃)时段内，基准方波U₁、U₂和U₃输出为E，第一MOSFET管S₁、第四MOSFET管S₄、第五MOSFET管S₅、第六MOSFET管S₆以及第七MOSFET管S₇处于导通状态，其余MOSFET处于截止状态；第一开关电容模块中的第一开关电容C₁₁并联第二开关电容C₁₂，第一开关电容模块与第一直流输入源V_in串联放电，交流输出侧电压为+1.5V_in；

(θ₄，π-θ₄)时段内，基准方波U₁、U₂、U₃和U₄输出为E，第一MOSFET管S₁、第四MOSFET管S₄、第七MOSFET管S₇、第九MOSFET管S₉以及第十MOSFET管S₁₀处于导通状态，其余MOSFET处于截止状态；第一开关电容模块中的第一开关电容C₁₁串联第二开关电容C₁₂，第二开关电容模块中的第三开关电容C₂₁串联第四开关电容C₂₂，两个开关电容模块相互串联共同为交流输出侧放电，交流输出侧电压为+2V_in；

将第一MOSFET管S₁、第四MOSFET管S₄分别用第二MOSFET管S₂、第三MOSFET管S₃替代，交流侧输出电压的负半周期的开关序列和工作状态与正半周期相同。

进一步地，所述升降压型开关电容九电平逆变器的降压工作模式具体如下：

交流侧输出电压一个完整周期的正半周期时段内的开关序列和工作状态为：

(0，θ₁)与(π-θ₁，π)时段内，4路基准方波均为0，第二MOSFET管S₂、第四MOSFET管S₄、第五MOSFET管S₅、第七MOSFET管S₇、第九MOSFET管S₉以及第十MOSFET管S₁₀处于导通状态，其余MOSFET处于截止状态；第一开关电容模块中的第一开关电容C₁₁串联第二开关电容C₁₂，第二开关电容模块中的第三开关电容C₂₁串联第四开关电容C₂₂，两个开关电容模块串联在一起被第一直流输入源V_in并联充电，每个开关电容电压被充至0.25V_in，交流输出侧电压为0；

(θ₁，θ₂)与(π-θ₂，π-θ₁)时段内，仅基准方波U₁输出为E，第一MOSFET管S₁、第四MOSFET管S₄、第六MOSFET管S₆以及第八MOSFET管S₈处于导通状态，其余MOSFET处于截止状态；第一开关电容模块中的第一开关电容C₁₁并联第二开关电容C₁₂，第二开关电容模块中的第三开关电容C₂₁并联第四开关电容C₂₂，第一直流输入源V_in悬空，第一开关电容模块与第二开关电容模块并联在一起为交流输出侧放电，交流输出侧电压为+0.25V_in；

(θ₂，θ₃)与(π-θ₃，π-θ₂)时段内，基准方波U₁和U₂输出为E，第一MOSFET管S₁、第四MOSFET管S₄、第六MOSFET管S₆、第八MOSFET管S₈、第九MOSFET管S₉以及第十MOSFET管S₁₀处于导通状态，其余MOSFET处于截止状态；第一开关电容模块中的第一开关电容C₁₁串联第二开关电容C₁₂，第二开关电容模块中的第三开关电容C₂₁串联第四开关电容C₂₂，两个开关电容模块并联在一起为交流输出侧放电，交流输出侧电压为+0.5V_in；

(θ₃，θ₄)与(π-θ₄，π-θ₃)时段内，基准方波U₁、U₂和U₃输出为E，第一MOSFET管S₁、第四MOSFET管S₄、第七MOSFET管S₇以及第十MOSFET管S₁₀处于导通状态，其余MOSFET处于截止状态；第一开关电容模块中的第一开关电容C₁₁串联第二开关电容C₁₂，第二开关电容模块中的第三开关电容C₂₁并联第四开关电容C₂₂，两个开关电容模块串联在一起为交流输出侧放电，交流输出侧电压为+0.75V_in；

(θ₄，π-θ₄)时段内，基准方波U₁、U₂、U₃和U₄输出为E，第一MOSFET管S₁、第四MOSFET管S₄、第五MOSFET管S₅、第七MOSFET管S₇、第九MOSFET管S₉以及第十MOSFET管S₁₀处于导通状态，其余MOSFET处于截止状态；第一开关电容模块中的第一开关电容C₁₁串联第二开关电容C₁₂，第二开关电容模块中的第三开关电容C₂₁串联第四开关电容C₂₂，两个开关电容模块串联在一起被第一直流输入源V_in充电，第一直流输入源V_in为交流输出侧放电，交流输出侧电压为+V_in；

将第一MOSFET管S₁、第四MOSFET管S₄分别用第二MOSFET管S₂、第三MOSFET管S₃替代，交流侧输出电压的负半周期的开关序列和工作状态与正半周期相同。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：(1)单级拓扑兼备升压与九电平逆变功能，作为需要升压场合DC-AC变换器，省略了笨重的磁性升压元件，以及大量箝位二极管、分压电容、独立直流输入源，并且拓扑所需的主控开关器件数量较少，拓扑紧凑精简、控制驱动容易；(2)在不改变主电路拓扑的前提下，额外设计降压场合的电路工作状态和开关序列，即可适用于高压直流输入源为低压交流负载供电的场合，在电动汽车及分布式电网高效的升压型DC-AC电能变换中都有着明显的优势，拓宽了开关电容多电平逆变器的应用范围。

附图说明

图1是本发明升降压型开关电容九电平逆变器的拓扑结构图。

图2是本发明所用调制策略下的输出电平与开关序列示意图，其中(a)为升压模式下的输出电平与开关序列示意图，(b)为降压模式下的输出电平与开关序列示意图。

具体实施方式

本发明升降压型开关电容九电平逆变器，包括逆变H桥模块、直流输入源充电模块、第一开关电容模块和第二开关电容模块；

所述逆变H桥模块包括第一MOSFET管S₁、第二MOSFET管S₂、第三MOSFET管S₃、第四MOSFET管S₄；所述直流输入源充电模块包括第一直流输入源V_in、第五MOSFET管S₅、第一二极管D₀、第六MOSFET管S₆、第七MOSFET管S₇、第八MOSFET管S₈；所述第一开关电容模块包括第九MOSFET管S₉、第一开关电容C₁₁、第二开关电容C₁₂、第二二极管D₁₁、第三二极管D₁₂；所述第二开关电容模块包括第十MOSFET管S₁₀、第三开关电容C₂₁、第四开关电容C₂₂、第四二极管D₂₁、第五二极管D₂₂；

所述第一直流输入源V_in的正极连接第五MOSFET管S₅的漏极，其负极同时连接第二MOSFET管S₂的源极、第四MOSFET管S₄的源极、第八MOSFET管S₈的源极、第四开关电容C₂₂的负极性电压端口和第四二极管D₂₁的阳极；第一二极管D₀的阳极连接第五MOSFET管S₅的源极，其阴极连接第一MOSFET管S₁的漏极、第三MOSFET管S₃的漏极、第六MOSFET管S₆的漏极、第一开关电容C₁₁的正极性电压端口和第三二极管D₁₂的阴极；第一MOSFET管S₁的源极与第二MOSFET管S₂的漏极共同连接交流正极性输出端，第三MOSFET管S₃的源极与第四MOSFET管S₄的漏极共同连接交流负极性输出端；第七MOSFET管S₇的漏极连接第六MOSFET管S₆的源极、第三开关电容C₂₁的正极性电压端口和第五二极管D₂₂的阴极，其源极连接第八MOSFET管S₈的漏极、第二开关电容C₁₂的负极性电压端口和第二二极管D₁₁的阳极；第九MOSFET管S₉的漏极连接第二开关电容C₁₂的正极性电压端口和第三二极管D₁₂的阳极，其源极连接第一开关电容C₁₁的负极性电压端口和第二二极管D₁₁的阴极；第十MOSFET管S₁₀的漏极连接第四开关电容C₂₂的正极性电压端口和第五二极管D₂₂的阳极，其源极连接第三开关电容C₂₁的负极性电压端口和第四二极管D₂₁的阴极。

进一步地，所述MOSFET管均附加反并联二极管，具有双向通流能力。

进一步地，本发明采用基于低频，即交流侧输出电压频率的选择谐波消去调制策略来获得10只主控开关管的10路控制驱动信号。在该调制策略中，对于交流侧输出电压九电平的场合，将其负极性翻转后获得的五电平正极性阶梯波，需要4路幅值为E且各自导通延时角为θ_i的基准方波U_i(i＝1,2,3,4)进行叠加等效。导通延时角的选择根据交流输出侧欲消除的谐波次数(计划消除5次、7次、11次谐波)确定，4路基准方波与1路具备输出频率的正弦波形共同决定10只MOSFET的通断状态，进而引起输出电压九种电平按如下正弦规律的依次增减：0—+E—+2E—+3E—+4E—+3E—+2E—+E—0—-E—-2E—-3E—-4E—-3E—-2E—-E—0，其中升压模式下，单位输出电平E＝0.5V_in，降压模式下，单位输出电平E＝0.25V_in。

所述升降压型开关电容九电平逆变器的工作模式工作状态为：(1)升压模式下，第一开关电容模块中的第一开关电容C₁₁和第二开关电容C₁₂通过第九MOSFET管S₉的反并二极管串联，第二开关电容模块中的第三开关电容C₂₁和第四开关电容C₂₂通过第十MOSFET管S₁₀的反并二极管串联，两个开关电容模块分别通过第八MOSFET管S₈和第六MOSFET管S₆被第一直流输入源V_in并联充电，每只开关电容被充至0.5V_in，整个拓扑可输出0、±0.5V_in、±1V_in、±1.5V_in、±2V_in九种电平；(2)降压模式下，第一开关电容模块中的第一开关电容C₁₁和第二开关电容C₁₂通过第九MOSFET管S₉的反并二极管串联，第二开关电容模块中的第三开关电容C₂₁和第四开关电容C₂₂通过第十MOSFET管S₁₀的反并二极管串联，两个开关电容模块通过第七MOSFET管S₇串联在一起后被第一直流输入源V_in并联充电，每只开关电容被充至0.25V_in，整个拓扑可输出0、±0.25V_in、±0.5V_in、±0.75V_in、±1V_in九种电平。

相对于以二极管箝位型、飞跨电容型、级联H桥型为代表的传统九电平逆变器拓扑，本发明单级拓扑兼备升压与九电平逆变功能。作为需要升压场合DC-AC变换器，本发明省略了笨重的磁性升压元件，以及大量箝位二极管、分压电容、独立直流输入源，并且拓扑所需的主控开关器件数量较少，因此无论在拓扑紧凑性、拓扑精简性、控制驱动容易性方面，本发明在电动汽车及分布式电网高效的升压型DC-AC电能变换中都有着明显的优势，有着广泛的应用前景。相对于大多数仅有升压能力的开关电容九电平逆变器，本发明在不改变主电路拓扑的前提下，额外设计降压场合的电路工作状态和开关序列，即可适用于高压直流输入源为低压交流负载供电的场合，拓宽了开关电容多电平逆变器的应用范围。

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。

实施例

结合图1所示，本发明一种升降压型开关电容九电平逆变器，包括逆变H桥模块、直流输入源充电模块、第一开关电容模块和第二开关电容模块；

所述逆变H桥模块包括第一MOSFET管S₁、第二MOSFET管S₂、第三MOSFET管S₃、第四MOSFET管S₄；所述直流输入源充电模块包括第一直流输入源V_in、第五MOSFET管S₅、第一二极管D₀、第六MOSFET管S₆、第七MOSFET管S₇、第八MOSFET管S₈；所述第一开关电容模块包括第九MOSFET管S₉、第一开关电容C₁₁、第二开关电容C₁₂、第二二极管D₁₁、第三二极管D₁₂；所述第二开关电容模块包括第十MOSFET管S₁₀、第三开关电容C₂₁、第四开关电容C₂₂、第四二极管D₂₁、第五二极管D₂₂。

在本发明实施例中，所述升降压型开关电容九电平逆变器使用的10只MOSFET管都附加反并联二极管，具有双向通流能力；第一直流输入源V_in的正极连接第五MOSFET管S₅的漏极，其负极同时连接第二MOSFET管S₂的源极、第四MOSFET管S₄的源极、第八MOSFET管S₈的源极、第四开关电容C₂₂的负极性电压端口和第四二极管D₂₁的阳极；第一二极管D₀的阳极连接第五MOSFET管S₅的源极，其阴极连接第一MOSFET管S₁的漏极、第三MOSFET管S₃的漏极、第六MOSFET管S₆的漏极、第一开关电容C₁₁的正极性电压端口和第三二极管D₁₂的阴极；第一MOSFET管S₁的源极与第二MOSFET管S₂的漏极共同连接交流正极性输出端，第三MOSFET管S₃的源极与第四MOSFET管S₄的漏极共同连接交流负极性输出端；第七MOSFET管S₇的漏极连接第六MOSFET管S₆的源极、第三开关电容C₂₁的正极性电压端口和第五二极管D₂₂的阴极，其源极连接第八MOSFET管S₈的漏极、第二开关电容C₁₂的负极性电压端口和第二二极管D₁₁的阳极；第九MOSFET管S₉的漏极连接第二开关电容C₁₂的正极性电压端口和第三二极管D₁₂的阳极，其源极连接第一开关电容C₁₁的负极性电压端口和第二二极管D₁₁的阴极；第十MOSFET管S₁₀的漏极连接第四开关电容C₂₂的正极性电压端口和第五二极管D₂₂的阳极，其源极连接第三开关电容C₂₁的负极性电压端口和第四二极管D₂₁的阴极。

进一步地，所述MOSFET管均附加反并联二极管，具有双向通流能力。

在本发明实施例中，针对同一拓扑设计出升/降压两套开关序列：(1)升压模式下，第一开关电容模块中的第一开关电容C₁₁和第二开关电容C₁₂通过第九MOSFET管S₉的反并二极管串联，第二开关电容模块中的第三开关电容C₂₁和第四开关电容C₂₂通过第十MOSFET管S₁₀的反并二极管串联，两个开关电容模块分别通过第八MOSFET管S₈和第六MOSFET管S₆被第一直流输入源V_in并联充电，每只开关电容被充至0.5V_in，整个拓扑可输出0、±0.5V_in、±1V_in、±1.5V_in、±2V_in九种电平；(2)降压模式，第一开关电容模块中的第一开关电容C₁₁和第二开关电容C₁₂通过第九MOSFET管S₉的反并二极管串联，第二开关电容模块中的第三开关电容C₂₁和第四开关电容C₂₂通过第十MOSFET管S₁₀的反并二极管串联，两个开关电容模块通过第七MOSFET管S₇串联在一起后被第一直流输入源V_in并联充电，每只开关电容被充至0.25V_in，整个拓扑可输出0、±0.25V_in、±0.5V_in、±0.75V_in、±1V_in九种电平。

结合图2(a)～(b)所示，在本发明实施例中，采用基于低频(交流侧输出电压频率)的选择谐波消去调制策略来获得10只主控开关管的10路控制驱动信号。每只MOSFET管的控制驱动信号由1路与交流侧输出电压同频的正弦调制波V_m的正负极性和4路两倍于交流侧输出电压频率的具有一定导通延时角的基准方波(方波U_i,依次导通延时角度为θ_i,i＝1,2,3,4)共同决定。这4路基准方波U₁、U₂、U₃、U₄的幅值均为E,导通延时角满足0<θ₁<θ₂<θ₃<θ₄<π/2叠加后可获得两倍于交流侧输出电压频率的正极性的五电平阶梯波。该正极性的五电平阶梯波经逆变H桥模块变换极性，产生已消除特定次数谐波的交流九电平阶梯波。

进一步地，所述升降压型开关电容九电平逆变器在升压应用场合下交流侧输出电压一个完整周期的正半周期时段内的开关序列和工作状态为：

(0，θ₁)与(π-θ₁，π)时段内，4路基准方波均为0，第二MOSFET管S₂、第四MOSFET管S₄、第五MOSFET管S₅、第六MOSFET管S₆、第八MOSFET管S₈、第九MOSFET管S₉以及第十MOSFET管S₁₀处于导通状态，其余MOSFET处于截止状态；第一开关电容模块中的第一开关电容C₁₁串联第二开关电容C₁₂，第二开关电容模块中的第三开关电容C₂₁串联第四开关电容C₂₂,两个开关电容模块分别与第一直流输入源V_in并联充电，每个开关电容电压被充至0.5V_in，交流输出侧电压为0。

(θ₁，θ₂)与(π-θ₂，π-θ₁)时段内，仅基准方波U₁输出为E，第一MOSFET管S₁、第四MOSFET管S₄、第五MOSFET管S₅、第六MOSFET管S₆、第八MOSFET管S₈以及第九MOSFET管S₉处于导通状态，其余MOSFET处于截止状态；第一开关电容模块中的第一开关电容C₁₁串联第二开关电容C₁₂，第二开关电容模块中的第三开关电容C₂₁并联第四开关电容C₂₂，第一开关电容模块继续被第一直流输入源V_in并联充电，第二开关电容模块对交流输出侧放电，交流输出侧电压为+0.5V_in。

(θ₂，θ₃)与(π-θ₃，π-θ₂)时段内，基准方波U₁和U₂输出为E，第一MOSFET管S₁、第四MOSFET管S₄、第五MOSFET管S₅、第六MOSFET管S₆、第八MOSFET管S₈、第九MOSFET管S₉以及第十MOSFET管S₁₀处于导通状态，其余MOSFET处于截止状态；第一开关电容模块中的第一开关电容C₁₁串联第二开关电容C₁₂，第二开关电容模块中的第三开关电容C₂₁串联第四开关电容C₂₂，两个开关电容模块分别于第一直流输入源V_in并联充电，第一直流输入源V_in为交流输出侧供电，交流输出侧电压为+V_in。

(θ₃，θ₄)与(π-θ₄，π-θ₃)时段内，基准方波U₁、U₂和U₃输出为E，第一MOSFET管S₁、第四MOSFET管S₄、第五MOSFET管S₅、第六MOSFET管S₆以及第七MOSFET管S₇处于导通状态，其余MOSFET处于截止状态；第一开关电容模块中的第一开关电容C₁₁并联第二开关电容C₁₂，第一开关电容模块与第一直流输入源V_in串联放电，交流输出侧电压为+1.5V_in。

(θ₄，π-θ₄)时段内，基准方波U₁、U₂、U₃和U₄输出为E，第一MOSFET管S₁、第四MOSFET管S₄、第七MOSFET管S₇、第九MOSFET管S₉以及第十MOSFET管S₁₀处于导通状态，其余MOSFET处于截止状态；第一开关电容模块中的第一开关电容C₁₁串联第二开关电容C₁₂，第二开关电容模块中的第三开关电容C₂₁串联第四开关电容C₂₂，两个开关电容模块相互串联共同为交流输出侧放电，交流输出侧电压为+2V_in。

本发明仅逆变H桥模块有变化输出极性的能力，将第一MOSFET管S₁、第四MOSFET管S₄分别用第二MOSFET管S₂、第三MOSFET管S₃替代，交流侧输出电压的负半周期的开关序列和工作状态与正半周期相同。

进一步地，所述升降压型开关电容九电平逆变器在降压场合下交流侧输出电压一个完整周期的正半周期时段内的开关序列和工作状态为：

(0，θ₁)与(π-θ₁，π)时段内，4路基准方波均为0，第二MOSFET管S₂、第四MOSFET管S₄、第五MOSFET管S₅、第七MOSFET管S₇、第九MOSFET管S₉以及第十MOSFET管S₁₀处于导通状态，其余MOSFET处于截止状态；第一开关电容模块中的第一开关电容C₁₁串联第二开关电容C₁₂，第二开关电容模块中的第三开关电容C₂₁串联第四开关电容C₂₂，两个开关电容模块串联在一起被第一直流输入源V_in并联充电，每个开关电容电压被充至0.25V_in，交流输出侧电压为0。

(θ₁，θ₂)与(π-θ₂，π-θ₁)时段内，仅基准方波U₁输出为E，第一MOSFET管S₁、第四MOSFET管S₄、第六MOSFET管S₆以及第八MOSFET管S₈处于导通状态，其余MOSFET处于截止状态；第一开关电容模块中的第一开关电容C₁₁并联第二开关电容C₁₂，第二开关电容模块中的第三开关电容C₂₁并联第四开关电容C₂₂，第一直流输入源V_in悬空，第一开关电容模块与第二开关电容模块并联在一起为交流输出侧放电，交流输出侧电压为+0.25V_in。

(θ₂，θ₃)与(π-θ₃，π-θ₂)时段内，基准方波U₁和U₂输出为E，第一MOSFET管S₁、第四MOSFET管S₄、第六MOSFET管S₆、第八MOSFET管S₈、第九MOSFET管S₉以及第十MOSFET管S₁₀处于导通状态，其余MOSFET处于截止状态；第一开关电容模块中的第一开关电容C₁₁串联第二开关电容C₁₂，第二开关电容模块中的第三开关电容C₂₁串联第四开关电容C₂₂，两个开关电容模块并联在一起为交流输出侧放电，交流输出侧电压为+0.5V_in。

(θ₃，θ₄)与(π-θ₄，π-θ₃)时段内，基准方波U₁、U₂和U₃输出为E，第一MOSFET管S₁、第四MOSFET管S₄、第七MOSFET管S₇以及第十MOSFET管S₁₀处于导通状态，其余MOSFET处于截止状态；第一开关电容模块中的第一开关电容C₁₁串联第二开关电容C₁₂，第二开关电容模块中的第三开关电容C₂₁并联第四开关电容C₂₂，两个开关电容模块串联在一起为交流输出侧放电，交流输出侧电压为+0.75V_in。

(θ₄，π-θ₄)时段内，基准方波U₁、U₂、U₃和U₄输出为E，第一MOSFET管S₁、第四MOSFET管S₄、第五MOSFET管S₅、第七MOSFET管S₇、第九MOSFET管S₉以及第十MOSFET管S₁₀处于导通状态，其余MOSFET处于截止状态；第一开关电容模块中的第一开关电容C₁₁串联第二开关电容C₁₂，第二开关电容模块中的第三开关电容C₂₁串联第四开关电容C₂₂，两个开关电容模块串联在一起被第一直流输入源V_in充电，第一直流输入源V_in为交流输出侧放电，交流输出侧电压为+V_in。

本发明仅逆变H桥模块有变化输出极性的能力，将第一MOSFET管S₁、第四MOSFET管S₄分别用第二MOSFET管S₂、第三MOSFET管S₃替代，交流侧输出电压的负半周期的开关序列和工作状态与正半周期相同。

本发明升降压型开关电容九电平逆变器，根据不同开关序列控制的电流工作状态，既可提升低压直流电压等级后进行逆变，又可降低高压直流电压等级后进行逆变。所提拓扑主电路包括10只主控开关管、5只二极管、4只分压电容。仅考虑九电平输出电压场合下，相对于以二极管箝位型、飞跨电容型、级联H桥型为代表的，均需要16只主控开关管的传统多电平逆变器，本发明仅需要10只主控开关管，而且不需要大量的分压电容、箝位二极管、独立直流输入源，因此本发明控制驱动更加简单、拓扑器件更加简洁。

考虑到直流输入端电压等级低于交流输出端电压等级的场合，传统九电平逆变器在直流侧还需加设基于笨重磁性元件的升压环节，级联H桥型九电平逆变器需要考虑4个输入源功率匹配，本发明利用分压电容充当额外直流电源，单级拓扑兼备逆变与升压能力；考虑到直流输入端电压等级高于交流输出端电压等级的场合，较之大多数为兼备升压和逆变功能而设计的开关电容多电平逆变器，本发明拓展出兼备降压和逆变的能力，拥有比主流升压型多电平逆变器更广的适用范围。

本发明可用于近几年研究火热的电动汽车和分布式发电系统的升压型DC-AC变换器，以更轻小的拓扑、更少的主控开关管驱动，实现交流侧更低的电压谐波和更优的电能质量；除此之外，对于特殊要求的低压交流负载，本发明在不改变原有拓扑的情况下，修改开关序列，即可同时实现高压直流输入电压的降压和逆变，应用更加灵活。

Claims (5)

1.一种升降压型开关电容九电平逆变器，其特征在于，包括逆变H桥模块、直流输入源充电模块、第一开关电容模块和第二开关电容模块；

所述逆变H桥模块包括第一MOSFET管(S₁)、第二MOSFET管(S₂)、第三MOSFET管(S₃)、第四MOSFET管(S₄)；所述直流输入源充电模块包括第一直流输入源(V_in)、第五MOSFET管(S₅)、第一二极管(D₀)、第六MOSFET管(S₆)、第七MOSFET管(S₇)、第八MOSFET管(S₈)；所述第一开关电容模块包括第九MOSFET管(S₉)、第一开关电容(C₁₁)、第二开关电容(C₁₂)、第二二极管(D₁₁)、第三二极管(D₁₂)；所述第二开关电容模块包括第十MOSFET管(S₁₀)、第三开关电容(C₂₁)、第四开关电容(C₂₂)、第四二极管(D₂₁)、第五二极管(D₂₂)；

所述第一直流输入源(V_in)的正极连接第五MOSFET管(S₅)的漏极，负极同时连接第二MOSFET管(S₂)的源极、第四MOSFET管(S₄)的源极、第八MOSFET管(S₈)的源极、第四开关电容(C₂₂)的负极性电压端口和第四二极管(D₂₁)的阳极；第一二极管(D₀)的阳极连接第五MOSFET管(S₅)的源极，阴极连接第一MOSFET管(S₁)的漏极、第三MOSFET管(S₃)的漏极、第六MOSFET管(S₆)的漏极、第一开关电容(C₁₁)的正极性电压端口和第三二极管(D₁₂)的阴极；第一MOSFET管(S₁)的源极与第二MOSFET管(S₂)的漏极共同连接交流正极性输出端，第三MOSFET管(S₃)的源极与第四MOSFET管(S₄)的漏极共同连接交流负极性输出端；第七MOSFET管(S₇)的漏极连接第六MOSFET管(S₆)的源极、第三开关电容(C₂₁)的正极性电压端口和第五二极管(D₂₂)的阴极，源极连接第八MOSFET管(S₈)的漏极、第二开关电容(C₁₂)的负极性电压端口和第二二极管(D₁₁)的阳极；第九MOSFET管(S₉)的漏极连接第二开关电容(C₁₂)的正极性电压端口和第三二极管(D₁₂)的阳极，源极连接第一开关电容(C₁₁)的负极性电压端口和第二二极管(D₁₁)的阴极；第十MOSFET管(S₁₀)的漏极连接第四开关电容(C₂₂)的正极性电压端口和第五二极管(D₂₂)的阳极，源极连接第三开关电容(C₂₁)的负极性电压端口和第四二极管(D₂₁)的阴极。

2.根据权利要求1所述的升降压型开关电容九电平逆变器，其特征在于，所述MOSFET管均附加反并联二极管，具有双向通流能力。

3.根据权利要求1或2所述的升降压型开关电容九电平逆变器，其特征在于，所述MOSFET管栅极和源极之间均接收外部电路提供的控制驱动信号，每只MOSFET管的控制驱动信号由1路与交流侧输出电压同频的正弦调制波(V_m)的正负极性和4路两倍于交流侧输出电压频率的具有导通延时角的基准方波U_i共同决定，基准方波U_i依次导通延时角度为θ_i,i＝1,2,3,4；4路基准方波U₁、U₂、U₃、U₄的幅值均为E，导通延时角满足0<θ₁<θ₂<θ₃<θ₄<π/2，叠加后获得两倍于交流侧输出电压频率的正极性的五电平阶梯波，该正极性的五电平阶梯波经逆变H桥模块变换极性，产生已消除特定次数谐波的交流九电平阶梯波。

4.根据权利要求3所述的升降压型开关电容九电平逆变器，其特征在于，所述升降压型开关电容九电平逆变器的升压工作模式具体如下：

交流侧输出电压一个完整周期的正半周期时段内的开关序列和工作状态为：

(0，θ₁)与(π-θ₁，π)时段内，4路基准方波均为0，第二MOSFET管(S₂)、第四MOSFET管(S₄)、第五MOSFET管(S₅)、第六MOSFET管(S₆)、第八MOSFET管(S₈)、第九MOSFET管(S₉)以及第十MOSFET管(S₁₀)处于导通状态，其余MOSFET处于截止状态；第一开关电容模块中的第一开关电容(C₁₁)串联第二开关电容(C₁₂),第二开关电容模块中的第三开关电容(C₂₁)串联第四开关电容(C₂₂),两个开关电容模块分别与第一直流输入源(V_in)并联充电，每个开关电容电压被充至0.5V_in，交流输出侧电压为0；

(θ₁，θ₂)与(π-θ₂，π-θ₁)时段内，仅基准方波U₁输出为E，第一MOSFET管(S₁)、第四MOSFET管(S₄)、第五MOSFET管(S₅)、第六MOSFET管(S₆)、第八MOSFET管(S₈)以及第九MOSFET管(S₉)处于导通状态，其余MOSFET处于截止状态；第一开关电容模块中的第一开关电容(C₁₁)串联第二开关电容(C₁₂)，第二开关电容模块中的第三开关电容(C₂₁)并联第四开关电容(C₂₂)，第一开关电容模块继续被第一直流输入源(V_in)并联充电，第二开关电容模块对交流输出侧放电，交流输出侧电压为+0.5V_in；

(θ₂，θ₃)与(π-θ₃，π-θ₂)时段内，基准方波U₁和U₂输出为E，第一MOSFET管(S₁)、第四MOSFET管(S₄)、第五MOSFET管(S₅)、第六MOSFET管(S₆)、第八MOSFET管(S₈)、第九MOSFET管(S₉)以及第十MOSFET管(S₁₀)处于导通状态，其余MOSFET处于截止状态；第一开关电容模块中的第一开关电容(C₁₁)串联第二开关电容(C₁₂),第二开关电容模块中的第三开关电容(C₂₁)串联第四开关电容(C₂₂)，两个开关电容模块分别于第一直流输入源(V_in)并联充电，第一直流输入源(V_in)为交流输出侧供电，交流输出侧电压为+V_in；

(θ₃，θ₄)与(π-θ₄，π-θ₃)时段内，基准方波U₁、U₂和U₃输出为E，第一MOSFET管(S₁)、第四MOSFET管(S₄)、第五MOSFET管(S₅)、第六MOSFET管(S₆)以及第七MOSFET管(S₇)处于导通状态，其余MOSFET处于截止状态；第一开关电容模块中的第一开关电容(C₁₁)并联第二开关电容(C₁₂)，第一开关电容模块与第一直流输入源(V_in)串联放电，交流输出侧电压为+1.5V_in；

(θ₄，π-θ₄)时段内，基准方波U₁、U₂、U₃和U₄输出为E，第一MOSFET管(S₁)、第四MOSFET管(S₄)、第七MOSFET管(S₇)、第九MOSFET管(S₉)以及第十MOSFET管(S₁₀)处于导通状态，其余MOSFET处于截止状态；第一开关电容模块中的第一开关电容(C₁₁)串联第二开关电容(C₁₂)，第二开关电容模块中的第三开关电容(C₂₁)串联第四开关电容(C₂₂)，两个开关电容模块相互串联共同为交流输出侧放电，交流输出侧电压为+2V_in；

将第一MOSFET管(S₁)、第四MOSFET管(S₄)分别用第二MOSFET管(S₂)、第三MOSFET管(S₃)替代，交流侧输出电压的负半周期的开关序列和工作状态与正半周期相同。

5.根据权利要求3所述的升降压型开关电容九电平逆变器，其特征在于，所述升降压型开关电容九电平逆变器的降压工作模式具体如下：

交流侧输出电压一个完整周期的正半周期时段内的开关序列和工作状态为：

(0，θ₁)与(π-θ₁，π)时段内，4路基准方波均为0，第二MOSFET管(S₂)、第四MOSFET管(S₄)、第五MOSFET管(S₅)、第七MOSFET管(S₇)、第九MOSFET管(S₉)以及第十MOSFET管(S₁₀)处于导通状态，其余MOSFET处于截止状态；第一开关电容模块中的第一开关电容(C₁₁)串联第二开关电容(C₁₂)，第二开关电容模块中的第三开关电容(C₂₁)串联第四开关电容(C₂₂)，两个开关电容模块串联在一起被第一直流输入源(V_in)并联充电，每个开关电容电压被充至0.25V_in，交流输出侧电压为0；

(θ₁，θ₂)与(π-θ₂，π-θ₁)时段内，仅基准方波U₁输出为E，第一MOSFET管(S₁)、第四MOSFET管(S₄)、第六MOSFET管(S₆)以及第八MOSFET管(S₈)处于导通状态，其余MOSFET处于截止状态；第一开关电容模块中的第一开关电容(C₁₁)并联第二开关电容(C₁₂)，第二开关电容模块中的第三开关电容(C₂₁)并联第四开关电容(C₂₂)，第一直流输入源(V_in)悬空，第一开关电容模块与第二开关电容模块并联在一起为交流输出侧放电，交流输出侧电压为+0.25V_in；

(θ₂，θ₃)与(π-θ₃，π-θ₂)时段内，基准方波U₁和U₂输出为E，第一MOSFET管(S₁)、第四MOSFET管(S₄)、第六MOSFET管(S₆)、第八MOSFET管(S₈)、第九MOSFET管(S₉)以及第十MOSFET管(S₁₀)处于导通状态，其余MOSFET处于截止状态；第一开关电容模块中的第一开关电容(C₁₁)串联第二开关电容(C₁₂)，第二开关电容模块中的第三开关电容(C₂₁)串联第四开关电容(C₂₂)，两个开关电容模块并联在一起为交流输出侧放电，交流输出侧电压为+0.5V_in；

(θ₃，θ₄)与(π-θ₄，π-θ₃)时段内，基准方波U₁、U₂和U₃输出为E，第一MOSFET管(S₁)、第四MOSFET管(S₄)、第七MOSFET管(S₇)以及第十MOSFET管(S₁₀)处于导通状态，其余MOSFET处于截止状态；第一开关电容模块中的第一开关电容(C₁₁)串联第二开关电容(C₁₂)，第二开关电容模块中的第三开关电容(C₂₁)并联第四开关电容(C₂₂)，两个开关电容模块串联在一起为交流输出侧放电，交流输出侧电压为+0.75V_in；

(θ₄，π-θ₄)时段内，基准方波U₁、U₂、U₃和U₄输出为E，第一MOSFET管(S₁)、第四MOSFET管(S₄)、第五MOSFET管(S₅)、第七MOSFET管(S₇)、第九MOSFET管(S₉)以及第十MOSFET管(S₁₀)处于导通状态，其余MOSFET处于截止状态；第一开关电容模块中的第一开关电容(C₁₁)串联第二开关电容(C₁₂)，第二开关电容模块中的第三开关电容(C₂₁)串联第四开关电容(C₂₂)，两个开关电容模块串联在一起被第一直流输入源(V_in)充电，第一直流输入源(V_in)为交流输出侧放电，交流输出侧电压为+V_in；

将第一MOSFET管(S₁)、第四MOSFET管(S₄)分别用第二MOSFET管(S₂)、第三MOSFET管(S₃)替代，交流侧输出电压的负半周期的开关序列和工作状态与正半周期相同。

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