CN111262464A - 一种半桥级联型多电平逆变电路及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种半桥级联型多电平逆变电路及控制方法，所述逆变电路是一种由基础子模块构成的新型多电平逆变电路拓扑结构，所述基础子模块包括第一基础子模块、第二基础子模块和第三基础子模块三种。通过将第一基础子模块、第二基础子模块和第三基础子模块进行配置组合，使其在不增加额外直流电源的基础上构成不同的多电平拓扑结构。所述半桥级联型多电平逆变电路不仅可自由输出多电平，并且在逆变电路扩展至M(M≥1)相N(N≥2)电平时，仅需N‑1个钳位电容和一个独立直流源，无需增添其他器件，器件使用数量少，电路结构简单，有效降低了硬件成本。

Description

一种半桥级联型多电平逆变电路及控制方法

技术领域

本发明涉及电力电子技术领域，尤其涉及一种半桥级联型多电平逆变电路及控制方法，可应用于高中低压逆变器、直流输变电、高中低压交流变频传动、特种逆变电源、UPS装置和储能装置等领域。

背景技术

级联型多电平逆变电路有多个电平输出，与传统的两电平逆变电路相比具有输出电压等级高、波形质量好、电压变化率（dv/dt）小以及电磁干扰（ElectromagneticInterference，简称EMI）小等诸多优点。近年来，级联型多电平逆变电路已在风电、光伏发电、高压逆变等场合广泛应用。多电平逆变电路的拓扑结构主要包括二极管钳位型、飞跨电容钳位型和级联型三种。由于传统的二极管钳位型多电平逆变电路受当前开关器件电压等级的限制，无法输出更高的电压（6～10kV）。为了提高输出电压等级，必须提高电平的数量，如此又存在母线电容电压难以平衡的问题，需要增加额外的硬件钳位电路，如采用多绕组变压器分别对各级母线电容进行钳位等。电容钳位型多电平逆变电路虽然可以实现任意电平输出和所有电容的电压平衡控制，但需要使用数目众多的钳位电容。大量电容的引入不仅增加了系统的成本和体积，而且频繁地充放电使得电容的寿命大大缩短，严重影响整个系统的可靠性。

而级联型多电平逆变电路不存在前两者的输入电容均压或飞跨电容电压控制问题，且结构简单，常采用 H 桥级联的方式实现，易于模块化设计，因此在中高压大功率场合中一直备受青睐。

发明内容

文献1[A Generalized Multilevel Inverter Topology with Self VoltageBalancing]提出了一种广义多电平逆变电路。该逆变电路在实现多电平输出的同时可通过算法自动平衡输出路径上各电容的电压且其模块化的连接方式便于电平拓展。但当逆变电路扩展至M相、N电平时，该电路结构及其衍生拓扑则需要[(N-1)×(N-2)×M]/2+N-1个钳位电容或钳位二极管，器件较多，极大地增加了硬件成本。

文献2[a non conventional power converter for plasma stabilization]提出了一种经典的级联型多电平逆变电路。它采用多个低压逆变单元输出级联的方式实现高压输出，输出谐波小且其模块化的设计易于多电平扩展。但该逆变电路容量扩展到M相N（N≥2）电平时需要(N-1)×M/2个独立直流源，直流源使用量大，硬件成本高。

有鉴于此，本发明提出了一种半桥级联型多电平逆变电路，本发明的目的在于提出一种由基础子模块构成的新型多电平逆变电路拓扑结构，所述的基础子模块包括第一基础子模块、第二基础子模块和第三基础子模块三种。通过将三种所述基础子模块进行配置组合，使其在不增加额外直流电源的基础上构成不同的多电平拓扑结构。更优地，所述的半桥级联型多电平逆变电路不仅可自由输出多电平，并且在逆变电路扩展至M相N（N≥2）电平时，仅需N-1个钳位电容和一个独立直流源，无需增添其他器件，器件使用数量少，电路结构简单，有效降低了硬件成本。

所述基础子模块为满足构成所述半桥级联型多电平逆变电路拓扑结构的最小组成模块，本发明的拓扑结构由所述第一基础子模块、第二基础子模块，第三基础子模块组成，可构成M相、N（N≥2） 电平电路，每一相中三种基础子模块的总数为N-1个。进一步地，每相中所述第一基础子模块数量为X-1（1≤X≤N）个，所述第二基础子模块数量为1个，所述第三基础子模块数量为N-X-1个，即第1个至第X-1个模块为所述第一基础子模块，第X个模块为所述第二基础子模块，第X+1个至第N-1个模块为所述第三基础子模块。

所述第一基础子模块为四端口模块，由第一开关管、第二开关管和第一电容构成。所述第一基础子模块的具体连接方式为：所述第一电容的正极即为所述第一基础子模块的第一一端口；所述第一电容的负极与所述第二开关管的发射极相连接，此连接点即为第一基础子模块的第一二端口； 所述第一开关管集电极即为第一基础子模块的第一三端口；所述第一开关管发射极与所述第二开关管的集电极相连接，此连接点即为第一基础子模块的第一四端口。

所述第二基础子模块为五端口模块，由第三开关管、第四开关管和第二电容构成，三者构成两条支路。两条支路的具体连接方式为：所述第二电容独自构成一条支路，所述第二电容的正极即为所述第二基础子模块的第二一端口，负极即为所述第二基础子模块的第二二端口；另一条支路以所述第三开关管的发射极与所述第四开关管的集电极相连的方式构成，第三开关管的集电极即为所述第二基础子模块的第二三端口，所述第四开关管的发射极即为所述第二基础子模块的第二四端口，所述第三开关管的发射极与所述第四开关管的集电极的连接点即为所述第二基础子模块的第二五端口。

所述第三基础子模块为四端口模块，包括第五开关管、第六开关管和第三电容，同时所述第三电容的正极与所述第五开关管的发射极相连，二者连接点即为所述第三基础子模块的第三一端口；所述第三电容的负极则作为所述第三基础子模块的第三二端口。而所述第五开关管的发射极则与所述第六开关管的集电极相连，此连接点为所述第三基础子模块的第三三端口，所述第六开关管的发射极作为所述第三基础子模块的第三四端口。

本发明的拓扑结构还包括直流母线，所述直流母线与直流侧电源相连，具体连接方式为所述直流母线通过与直流侧电源的正、负极相连的方式接入电路中，且所述直流母线以首尾相连的方式将各所述第一基础子模块、第二基础子模块和第三基础子模块的电容依次连接。进一步地，本发明中所包含的M相电路均共用同一直流母线且M相中的任一相其所对应的模块所接入的电容数量相同即每个逆变桥均与其对应电容相连接，M相电容共用且电容均为极性电容，有正负之分。

值得注意的是，所述第一基础子模块、第二基础子模块和第三基础子模块中的所述第一电容、第二电容和第三电容依次以串联方式通过母线接入直流侧，所述第一电容、第二电容和第三电容为共用电容。当扩展至M（M≥2）相N电平时，第一相中的三种所述基础子模块中的所述第一电容、第二电容和第三电容为共用电容。除此之外，第二相至第M相中的三种所述基础子模块中的所有电容均可以去掉，共用第一相的公共电容即所述第一电容、第二电容和第三电容即可，如此便极大地减少了电容的使用数量；但是本发明专利的应用范围并不局限于此，其他相所述基础子模块中的电容不去掉，亦不影响所述半桥级联型多电平逆变电路的功能和性能。

进一步地，本发明中的任一所述基础子模块即所述第一基础子模块、第二基础子模块和第三基础子模块均包含两个开关管，通过控制两个开关管的开通或关断，均可组合出三种开关状态。以所述第一基础子模块为例，所述第一基础子模块包含所述第一开关管与第二开关管，三种开关状态包括所述第一开关管导通所述第二开关管关闭、所述第一开关管与所述第二开关管均关闭和所述第一开关管关闭所述第二开关管导通，不存在第一开关管与所述第二开关管同时导通的开关状态，避免了直流母线电容短路的情况出现。

更优地，本发明仅需N-1个电容，即可实现M相N电平输出，无需再另接入其他电容、二极管和开关管等电子器件，节约了硬件成本。本发明中所述第一基础子模块、第二基础子模块和第三基础子模块中所包含的电容均以串联方式依次接入直流侧且电容均为钳位电容，所述第一基础子模块、第二基础子模块和第三基础子模块中所包含的开关管均由全控型电力电子开关和不控型二极管并联组成。

值得说明的是，虽然在本发明的附图中的电路使用的开关管均为IGBT，但本发明的应用范围并不局限于此，开关管可采用全控型电力电子开关管，具体包括门极可关断晶闸管（GTO）、电力晶体管（GTR）、电力场效应晶体管（电力MOSFET）、绝缘栅极晶体管（IGBT）等。

另外，当所述半桥级联型多电平逆变电路需要产生N（N≥2）电平时，所述半桥级联型多电平逆变电路控制方式如下：

(1)调制信号U_ref为正弦波，将N-1个三角波U_tri1~U_tri（N-1）作为载波，在调制信号与载波的交点时刻控制所述第一基础子模块、第二基础子模块和第三基础子模块中的2个开关管的通断，进而改变与载波相对应的矩形脉冲的宽度以控制子模块输出基波的幅值；通过改变载波的调制周期控制其输出频率，从而在所述半桥级联型多电平逆变电路输出电压的同时对其幅值以及频率进行控制。

(2)输入所述调制信号U_ref与N-1个频率相同依次层叠的所述三角载波U_tri1~U_tri（N-1）比较，得到的PWM波形作为所述基础子模块中各个开关管的驱动信号，具体控制方法为：

N-1个三角载波从幅值为-1开始层叠，第n（1≤n≤N-1，n为整数）个载波的幅值U_tri（n）范围为[(2n-N+1)/N-1，（2n-N+2）/N-1],第N-1个载波的峰值为1，所有载波相位依次相差2π/N; 所述调制波U_ref的幅值范围在-1~1间变化；

当U_ref<0且U_tri（n）<U_ref<U_tri(n+1)（若N为奇数,1<n≤（N-1）/2；若N为偶数,1<n≤N/2）时，将第n-1个所述基础子模块设置为投入状态，第n个至第X-1个所述基础子模块设置为导通状态，第X个所述基础子模块设置为状态二，剩余所述基础子模块设置为阻断状态；当n=1时，第1个至第X-1个所述基础子模块全为导通状态，第X个所述基础子模块设置为状态二，其余所述基础子模块全为阻断状态。

当U_ref≥0且U_tri（n）≤U_ref≤U_tri（n+1）(若N为奇数，(N+1)/2≤n<N-1；若N为偶数，（N+2）≤n<N-1)时，将第n个子模块设置为投入状态，第X+1至第n-1个子模块设置为导通状态，第X个子模块设置为状态一，剩余子模块设置为阻断状态；当n=N-1时，第X个子模块设置为状态一，第X+1至第N-1个模块全为导通状态，其余模块全为阻断状态。

其中，

状态一：所述第二基础子模块中所述第三开关管导通，所述第四开关管关断；

状态二：所述第二基础子模块中所述第三开关管关断，所述第四开关管导通；

投入状态：所述第一基础子模块中所述第一开关管关断、所述第二开关管导通；所述第三基础子模块中所述第五开关管导通、所述第六开关管关断；

阻断状态：所述第一基础子模块、第二基础子模块或第三基础子模块中的两个开关管均关断；

导通状态：所述第一基础子模块中所述第一开关管导通、所述第二开关管关断；所述第三基础子模块中所述第五开关管关断、所述第六开关管导通。

值得说明的是，本发明中确定所述调制波的类型并不局限于某一种特定波形，所述调制波的波形具有普遍性。

本发明还可衍生出方案二，可在电路中接入过压保护模块、均压模块以及过流保护模块等各种保护模块，为电路的安全性及稳定性提供保障。所述过压保护模块是以与直流侧钳位电容并联方式接入电路；所述均压模块与过压保护模块的接入方式相同，即与所述基础子模块中的开关管并联；所述过流保护模块则是以与直流侧输入端串联的方式接入电路。增添过压保护模块、均压模块以及过流保护模块这些模块，可以提高所述半桥级联型多电平逆变电路的稳定性与可靠性。

本发明具有以下有益效果：本发明提出了一种半桥级联型多电平逆变电路，其解决了传统级联逆变电路需要多组直流母线的问题。引入的三种子模块并没有增加逆变电路的复杂度，控制方式简单，线电压的电平输出自由度高且输出性能与传统逆变电路相当。

附图说明：

图1为本发明所述第一基础子模块的结构示意图；

图2为本发明所述第二基础子模块的结构示意图；

图3为本发明所述第三基础子模块的结构示意图；

图4为本发明的实施例之一半桥级联型五电平逆变电路的结构示意图；

图5为本发明的实施例之一半桥级联型单相全桥逆变电路结构示意图；

图6为本发明的实施例之一半桥级联型单相全桥逆变电路的相电压波形图；

图7为本发明的实施例之一半桥级联型单相全桥逆变电路的线电压输出波形图；

图8为本发明的实施例之一半桥级联型三相桥式五电平逆变电路的结构示意图；

图9为本发明所述方案二中的第一基础子模块、第二基础子模块和第三基础子模块结构示意图。

图10为本发明所述方案二中的半桥级联型五电平逆变电路的结构示意图。

具体实施方式：

下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但值得说明的是，本发明的保护范围不局限于以下所述。

如图1所示，为组成本发明拓扑结构的所述第一基础子模块M1结构示意图，包括第一开关管TM11、第二开关管TM12和第一电容C1。所述基础子模块M1的具体连接方式为：所述第一电容C1的正极即为所述第一基础子模块M1的第一一端口MA1；所述第一电容C1的负极与所述第二开关管TM12的发射极相连接，此连接点即为所述第一基础子模块M1的第一二端口MB1； 所述第一开关管TM11集电极即为所述第一基础子模块M1的第一三端口MC1；所述第一开关管TM11发射极与所述第二开关管TM12的集电极相连接，此连接点即为所述第一基础子模块M1的第一四端口MD1。

如图2所示，为组成本发明拓扑结构的所述的第二基础子模块M2的结构示意图，包括所述第三开关管TM21、第四开关管TM22和第二电容C2。所述第二基础子模块M2的具体连接方式为：两条支路的具体连接方式为：所述第二电容C2独自构成一条支路，所述第二电容C2的正极即为所述第二基础子模块M2的第二一端口MA2，负极即为所述第二基础子模块M2的第二二端口MB2；另一条支路以所述第三开关管TM21的发射极与所述第四开关管TM22的集电极相连的方式构成，第三开关管TM21的集电极即为所述第二基础子模块M2的第二三端口MC2，所述第四开关管TM22的发射极即为所述第二基础子模块M2的第二四端口MD2，所述第三开关管TM21的发射极与所述第四开关管TM22的集电极的连接点即为为所述第二基础子模块M2的第二五端口O。

如图3所示，为组成本发明拓扑结构的所述第三基础子模块M3的结构示意图，包括第五开关管TM31、第六开关管TM32和第三电容C3，同时所述第三电容C3的正极与所述第五开关管TM31的发射极相连，二者连接点即为所述第三基础子模块M3的第三一端口MA3；所述第三电容C3的负极则作为所述第三基础子模块M3的第三二端口MB3。而所述第五开关管TM31的发射极则与所述第六开关管TM32的集电极相连，此连接点为所述第三基础子模块M3的第三三端口MC3，所述第六开关管TM32的发射极作为所述第三基础子模块M3的第三四端口MD3。

作为本发明的实施例，参阅图4所示，为本发明的实施例之一半桥级联型五电平逆变电路的结构示意图。所述半桥级联型五电平逆变电路由1个所述第一基础子模块M1和1个所述第二基础子模块M2以及2个所述第三基础子模块M3组成。图1、2、3已具体叙述所述第一基础子模块M1、第二基础子模块M2和第三基础子模块M3的连接方式，故在此和之后的实施例中均不再具体说明，只说明所述第一基础子模块、第二基础子模块和第三基础子模块间是如何连接的。所述基础子模块间的具体连接方式为：所述第一基础子模块M1的第一一端口MA1、第一三端口MC1相连，作为直流电源的正极输入端；所述第一基础子模块M1的第一二端口MB1、第一四端口MD1分别与所述第二基础子模块M2的第二一端口MA2和第二三端口MC2相连；所述第二基础子模块M2的第二二端口MB2、第二四端口MD2分别与所述第三基础子模块M3的第三一端口MA3和第三三端口MC3相连；第三二端口MB3、第三四端口MD3分别与第四一端口MA4和第四三端口MC4相连，第四二端口MB4和第四四端口MD4相连接作为所述直流电源的负极输入端。所述第二基础子模块M2的第二五端口O和第四二端口MB4分别构成正、负输出端口OUT+、OUT-。至此，所述半桥级联型五电平逆变电路的结构连接完成。

所述半桥级联型五电平逆变电路共可输出5个电平，分别为：E、3/4E、1/2E、E/4、0，其中E为直流母线电压。所述半桥级联型五电平逆变电路的具体实现方式为：

由此可看出，所述半桥级联型五电平逆变电路的拓扑结构包括所述的第一基础子模块M1、第二基础子模块M2、第三基础子模块M3。通过将所述第一基础子模块M1、第二基础子模块M2、第三基础子模块M3进行一定组合，可使其在不增加额外直流电源的基础上能得到不同的多电平拓扑结构，并可自由输出对应的多电平，且当逆变电路扩展至M相N（N≥2）电平时，仅需N-1个钳位电容和一个独立直流源，无需增添其他器件，器件使用数量少，电路结构简单，有效地降低了硬件成本。

作为本发明的另一个实施例，参阅图5所示，为半桥级联型单相全桥逆变电路的结构示意图。所述半桥级联型单相全桥逆变电路中的每一组桥臂的结构均与本发明的上一实施例中所述的半桥级联型五电平逆变电路的结构相同，故其所包含的所述三种基础子模块的具体连接方式亦不再赘述，只说明两个桥臂之间的连接方式。所述两组桥臂之间的连接方式：第一组桥臂和第二组桥臂中的全部所述第一一端口MA1相连；第一组桥臂和第二组桥臂中的所述第一二端口MB1相连；所述第一组桥臂和第二组桥臂中的第二二端口MB2相连；所述第一组桥臂和第二组桥臂中的第三二端口MB3相连；所述第一组桥臂和第二组桥臂中的四二端口MB4相连。此外，所述逆变电路的直流侧串入一个熔断器FU，可增加电路的安全性。至此，所述半桥级联型单相全桥逆变电路连接完成。

值得说明的是，由于第一组桥臂中的三种所述基础子模块中所包含的电容为公共电容，因此所述第二组桥臂中所包含的1个所述第一基础子模块M1、1个所述第二基础子模块M2和2个所述第三基础子模块M3中的电容需去掉，但是也可以接入，亦完全不影响电路的功能和性能。将所述半桥级联型多电平逆变扩展至M（M≥2）相N（N≥2）电平时，第2相至第M相中三种所述基础子模块中的电容皆是如此，在之后的实施例中不再赘述。

因相电压为每一相电源两端相对于此相中选取的参考点的电压值，而线电压则为每两相之间的电压差值，根据规定方向不同而有正负之分。因此，相电压与线电压产生互不冲突。

参阅图6所示，为本发明的实施例之一半桥级联型单相全桥逆变电路相电压输出波形图。由图可见，半桥级联型单相全桥逆变电路相电压输出范围为+120V~-120V，相位差为120°，所述三种基础子模块中的电容电压均为30V，正负各有四电平，分别为+120V、+90V、+60V、+30V、0V、-30V、-60V、-90V、-120V。与传统H桥级联型多电平逆变电路相比，本实施例所述半桥级联型单相全桥逆变电路仅需一组直流母线便可单相输出九电平电压，减少了三组直流母线，大大提高了设备的经济性。

参阅图7所示，为本发明的实施例之一半桥级联型单相全桥逆变电路的线电压输出波形图，以图5半桥级联型单相全桥逆变电路中的MB2为参考点，相位相差120°，所述三种基础子模块中的电容电压均为30V。因此，所述半桥级联型单相全桥逆变电路的线电压输出范围为+60V~-60V，正负各可输出两电平，分别为-60V、-30V、0V、+30V、+60V。

由于所述半桥级联型五电平逆变电路中两组桥臂结构完全相同，故仅以一组桥臂为例阐述输出线电压值与其所对应的开关管的状态：

由此可以看出，所述半桥级联型五电平逆变电路可通过控制电路中第一开关管TM11、第三开关管TM21、第五开关管TM31、第六开关管TM32、第七开关管TM41、第八开关管TM42的状态并进行组合，达到输出-60V、-30V、0、+30V、+60V这五个电压的目的。具体开关状态控制方式为：输出-60V电压，则第八开关管TM42、第六开关管TM32、第四开关管TM22导通；输出-30V电压，则第六开关管TM41、第六开关管TM32、第四开关管TM22导通；输出0V电压，则第五开关管TM31、第四开关管TM22导通。

由此可见，本发明的实施例之一半桥级联型五电平逆变电路可在不增加额外直流电源的前提下，得到不同的多电平拓扑，并可自由输出五电平，无需增添其他器件，器件使用数量少，电路结构简单，有效降低了硬件成本。

作为本发明的一个可参考实施例，参阅如图8所示，为本发明的实施例之一半桥级联型三相桥式五电平逆变电路的结构示意图，所述半桥级联型三相桥式五电平逆变电路中的每一相拓扑结构与本发明实施例之一的半桥级联型五电平逆变电路的拓扑结构完全相同，故其所包含的所述三种基础子模块的具体连接方式亦不再赘述，只说明三相之间的连接方式。所述三相之间的连接方式：三相中的所有第一二端口MB1相连，三相中的所有所述第二二端口 MB2相连，三相中的所有所述第三二端口MB3相连，三相中的所有所述第四二端口MB4相连。至此，所述半桥级联型三相桥式五电平逆变电路连接完成。

所述半桥级联型三相桥式五电平逆变电路是线电压波形与实施例之一半桥级联型五电平逆变电路的线电压输出波形即图6完全相同，输出范围为+120V~-120V，相位差为120°，所述三种基础子模块中的电容电压均为30V，正负各有四电平，具体可输出+120V、+90V、+60V、+30V、0V、-30V、-60V、-90V、-120V这九个电压。所述半桥级联型三相桥式五电平逆变电路是线电压波形与实施例之一半桥级联型单相全桥逆变电路的线电压输出波形图图7完全相同，相位相差120°，所述三种基础子模块中的电容电压均为30V，输出范围为+60V~-60V，正负各可输出两电平，具体可输出-60V、-30V、0V、+30V、+60V这五个电压。

作为本发明的另一个可参考实施例，参阅如图9所示，为本发明所述方案二中的第一基础子模块M1、第二基础子模块M2、第三基础子模块M3结构示意图，所述方案二中的子模块电路结构均是在之前电路结构的基础上接入了过压保护模块、均压模块以及过流保护模块。其中,第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R11、第五电阻R12、第六电阻R21、第七电阻R22、第八电阻R31和第九电阻R32均为保护用电阻。

作为本发明的又一个可参考实施例，参阅如图10所示，为本发明所述方案二中的半桥级联型五电平逆变电路的结构示意图。值得说明的是，虽然方案二中所述的半桥级联型五电平逆变电路是在由图4所示的本发明所述的实施例之一半桥级联型五电平逆变电路的基础上进行的进一步地改良与提升，所述方案2中的子模块电路结构均是在之前电路结构的基础上接入了过压保护模块、均压模块以及过流保护模块，并在所述半桥级联型五电平逆变电路的直流侧串入一个熔断器FU，但二者不能混为一谈且本发明的保护范围也不仅局限于此。

所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本公开的范围（包括权利要求）被限于这些例子；在本发明的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本发明的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。

本发明的实施例旨在涵盖落入所附权利要求的宽泛范围之内的所有这样的替换、修改和变型。因此，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种半桥级联型多电平逆变电路，其特征在于，包括三种基础子模块即第一基础子模块、第二基础子模块和第三基础子模块，可构成M（M≥1）相、N（N≥2） 电平电路，每一相中所述第一基础子模块、第二基础子模块和第三基础子模块的合计总数为N-1个，每相中所述第一基础子模块数量为X-1（1≤X≤N）个，所述第二基础子模块数量为1个，所述第三基础子模块数量为N-X-1个，即第1个至第X-1个模块为所述第一基础子模块，第X个模块为所述第二基础子模块，第X+1个至第N-1个模块为所述第三基础子模块；

所述第一基础子模块为四端口模块，由第一开关管、第二开关管和第一电容构成，所述第一基础子模块的具体连接方式为：所述第一电容的正极即为所述第一基础子模块的第一一端口；所述第一电容的负极与所述第二开关管的发射极相连接，此连接点即为第一基础子模块的第一二端口；所述第一开关管集电极即为第一基础子模块的第一三端口；所述第一开关管发射极与所述第二开关管的集电极相连接，此连接点即为第一基础子模块的第一四端口；

所述第二基础子模块为五端口模块，由第三开关管、第四开关管和第二电容构成，三者构成两条支路，两条支路的具体连接方式为：所述第二电容独自构成一条支路，所述第二电容的正极即为所述第二基础子模块的第二一端口，负极即为所述第二基础子模块的第二二端口；另一条支路以所述第三开关管的发射极与所述第四开关管的集电极相连的方式构成，第三开关管的集电极即为所述第二基础子模块的第二三端口，所述第四开关管的发射极即为所述第二基础子模块的第二四端口，所述第三开关管的发射极与所述第四开关管的集电极的连接点即为所述第二基础子模块的第二五端口；

所述第三基础子模块为四端口模块，包括第五开关管、第六开关管和第三电容，同时所述第三电容的正极与所述第五开关管的发射极相连，二者连接点即为所述第三基础子模块的第三一端口；所述第三电容的负极则作为所述第三基础子模块的第三二端口，而所述第五开关管的发射极则与所述第六开关管的集电极相连，此连接点为所述第三基础子模块的第三三端口，所述第六开关管的发射极作为所述第三基础子模块的第三四端口。

2.根据权利要求1所述的一种半桥级联型多电平逆变电路，其特征在于，还包括直流母线，所述直流母线与直流侧电源相连，具体连接方式为所述直流母线通过与直流侧电源的正、负极相连的方式接入电路中，且所述直流母线以首尾相连的方式将各所述第一基础子模块、第二基础子模块和第三基础子模块中的第一电容、第二电容和第三电容依次连接；所述逆变电路扩展至M（M≥1）相、N（N≥2） 电平时，M相电路均共用同一直流母线且M相中的任一相其所对应的模块所接入的电容数量相同即每个逆变桥均与其对应电容相连接，M相电容共用且电容均为极性电容，有正负之分，且所述第一基础子模块、第二基础子模块和第三基础子模块中的电容均为钳位电容。

3.根据权利要求1所述的一种半桥级联型多电平逆变电路，其特征在于，所述第一基础子模块、第二基础子模块和第三基础子模块中的开关管均由全控型电力电子开关和不控型二极管并联组成；所述第一基础子模块、第二基础子模块和第三基础子模块中的两个开关管均有三种开关组合状态，即同一个基础子模块中的一个开关管导通，另一个开关管关断或者两个开关管均关断，不存在两个开关管同时导通的状态。

4.一种如权利要求1或2所述的半桥级联型多电平逆变电路控制方法，其特征在于，包括：

(1)所述半桥级联型多电平逆变电路产生输出N（N≥2）电平时，调制信号U_ref为正弦波，将N-1个三角波U_tri1~U_tri（N-1）作为载波，在调制信号与载波的交点时刻控制所述第一基础子模块、第二基础子模块和第三基础子模块中的2个开关管的通断，进而改变与载波相对应的矩形脉冲的宽度以控制子模块输出基波的幅值，通过改变载波的调制周期控制其输出频率，从而在所述半桥级联型多电平逆变电路输出电压的同时对其幅值以及频率进行控制；

(2)输入所述调制信号U_ref与N-1个频率相同依次层叠的所述三角载波U_tri1~U_tri（N-1）比较，得到的PWM波形作为所述基础子模块中各个开关管的驱动信号，具体控制方法为：

N-1个三角载波从幅值为-1开始层叠，第n（1≤n≤N-1，n为整数）个载波的幅值U_tri（n）范围为[(2n-N+1)/N-1，（2n-N+2）/N-1],第N-1个载波的峰值为1，所有载波相位依次相差2π/N; 所述调制波U_ref的幅值范围在-1~1间变化；

当U_ref<0且U_tri（n）<U_ref<U_tri(n+1)（若N为奇数,1<n≤（N-1）/2；若N为偶数,1<n≤N/2）时，将第n-1个所述基础子模块设置为投入状态，第n个至第X-1个所述基础子模块设置为导通状态，第X个所述基础子模块设置为状态二，剩余所述基础子模块设置为阻断状态；当n=1时，第1个至第X-1个所述基础子模块全为导通状态，第X个所述基础子模块设置为状态二，其余所述基础子模块全为阻断状态；

当U_ref≥0且U_tri（n）≤U_ref≤U_tri（n+1）(若N为奇数，(N+1)/2≤n<N-1；若N为偶数，（N+2）≤n<N-1)时，将第n个子模块设置为投入状态，第X+1至第n-1个子模块设置为导通状态，第X个子模块设置为状态一，剩余子模块设置为阻断状态；当n=N-1时，第X个子模块设置为状态一，第X+1至第N-1个模块全为导通状态，其余模块全为阻断状态，

其中，

状态一：所述第二基础子模块中所述第三开关管导通，所述第四开关管关断；

状态二：所述第二基础子模块中所述第三开关管关断，所述第四开关管导通；

投入状态：所述第一基础子模块中所述第一开关管关断、所述第二开关管导通；所述第三基础子模块中所述第五开关管导通、所述第六开关管关断；

阻断状态：所述第一基础子模块、第二基础子模块或第三基础子模块中的两个开关管均关断；

导通状态：所述第一基础子模块中所述第一开关管导通、所述第二开关管关断；所述第三基础子模块中所述第五开关管关断、所述第六开关管导通。

5.根据权利要求1所述的一种半桥级联型多电平逆变电路，其特征在于，还包括过压保护模块、均压模块、过流保护模块，所述过压保护模块是以与直流侧钳位电容并联方式接入电路；所述均压模块与过压保护模块的接入方式相同，即与开关管并联；所述过流保护模块则是以与直流侧输入端串联的方式接入电路。

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