CN111800030A - 一种基于开关电容及二极管钳位的多电平逆变电路、系统 - Google Patents

一种基于开关电容及二极管钳位的多电平逆变电路、系统 Download PDF

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Abstract

本发明提出一种基于开关电容及二极管钳位的多电平逆变电路，解决现有多电平逆变电路直接扩充开关管数目来实现多电平的输出时，增大电路损耗及投资成本的问题，本发明仅通过增加少量的器件，再配合半桥逆变模块中全控开关管的通断，实现多电平状态的输出，避免开关管的过多扩充，减少整个电路的开关损耗，降低投资成本。

Description

一种基于开关电容及二极管钳位的多电平逆变电路、系统
技术领域
本发明涉及多电平逆变的技术领域，更具体地，涉及一种基于开关电容及二极管钳位的多电平逆变电路、系统。
背景技术
由于多电平逆变电路具有输出电压谐波含量少、器件电压能力低等诸多优点，被广泛应用于大功率电力拖动、高压交直流输电和新能源并网等应用场合。
传统典型的二极管钳位型三电平逆变电路如图1所示，该电路由4个全控开关S1～S4和2个二极管D1～D2、电容器C1和电容器C2构成，电容器C1和电容器C2为输入分压电容，正常时，电容器C1和电容器C2各承担+2E的电压，连接点a2为该三电平逆变电路的中性点，通过控制4个全控开关的有序通断，该电路可将直流电源电压4E转换成含有0和±2E三种电平的交流电输出，此外，公开号为CN110707955A，公开日为2020年1月7日的中国专利中也公开了一种三相多电平逆变电路，仅采用一个电源输入就可实现三相多电平交流电输出，解决了现有多电平逆变电路需要多个输入电源才能实现三电平输出的问题，但是再进一步，当实际要求输出的电平数目较多时，现有的多电平逆变电路需要扩充较多的开关管来实现多个电平的输出，而开关管数目的增多也造成整个电路的损耗增大。
综上所述，如何实现逆变电路的多电平输出，而又不增加过多的开关管成为一个亟待解决的问题。
发明内容
当实际要求输出的电平数目较多时，现有的多电平逆变电路需要扩充较多的开关管来实现多个电平的输出，而开关管数目的增多将造成整个电路的损耗增大，为解决上述技术问题，本发明提出一种基于开关电容及二极管钳位的多电平逆变电路、系统，通过增加少量的器件，就可实现多电平的输出，避免开关管的过多扩充，同时减少整个电路的损耗。
为了达到上述技术效果，本发明的技术方案如下：
一种基于开关电容及二极管钳位的多电平逆变电路，包括直流电源、由依次相连的第一分压电容C1及第二分压电容C2组成的分压电容支路、首尾依次连接的第一二极管D1及第二二极管D2、开关电容模块、由若干个全控开关管构成的半桥逆变模块及第一输出端uo+；所述分压电容支路、半桥逆变模块均并联在直流电源的两端；所述开关电容模块的a端、第一二极管D1与第二二极管D2的连接点a1、第一分压电容C1与第二分压电容C2的连接点a2依次连接，第一分压电容C1与第二分压电容C2的连接点a2为中性点，开关电容模块的b端与第一二极管D1的阴极端连接于半桥逆变模块的第一开断点c，开关电容模块的d端与第二二极管D2的阳极端连接于半桥逆变模块的第二开断点e，所述半桥逆变模块的第三开断点f连接多电平逆变电路的第一输出端uo+。
在此，以二极管钳位型的多电平逆变电路为基础，仅通过增加开关电容模块，再配合半桥逆变模块中全控开关管的通断，实现多电平状态的输出。
优选地，所述开关电容模块包括：双向开关管S5、第一开关电容C3及第二开关电容C4，所述双向开关管S5的一端、第一开关电容C3的一端及第二开关电容C4的一端连接于h点，双向开关管S5的另一端作为开关电容模块的a端与连接点a1相连，第一开关电容C3的另一端作为开关电容模块的b端与第一二极管D1的阴极端连接于半桥逆变模块的第一开断点c，第二开关电容C4的另一端作为开关电容模块的d端与第二二极管D2的阳极端连接于半桥逆变模块的第二开断点e，双向开关管S5由两个反向串联的IGBT或MOSFET构成。
优选地，所述半桥逆变模块包括：第一全控开关S1、第二全控开关S2、第三全控开关S3及第四全控开关S4，第一全控开关S1、第二全控开关S2、第三全控开关S3及第四全控开关S4构成第一半桥逆变模块，并联于直流电源的两端，第一全控开关S1的第一端与第三全控开关S3的第二端连接于第一半桥逆变模块的第一开断点c，第三全控开关S3的第一端与第四全控开关S4的第二端连接于第一半桥逆变模块的第三开断点f，第四全控开关S4的第一端与第二全控开关S2的第二端连接于第一半桥逆变模块的第二开断点e，中性点a2接地。
优选地，第三全控开关S3和第四全控开关S4互补导通，同一时刻，第一全控开关S1、第二全控开关S2和双向开关管S5中有且仅有一个导通，当第一全控开关S1、第二全控开关S2和双向开关管S5中的一个导通时，其余两个关断，多电平逆变电路能输出0、+E、-E、+2E或-2E五种电平状态中的任意一种，其中E表示电动势量级，直流电源电压为4E。
在此，由于第三全控开关S3和第四全控开关S4互补导通，同一时刻，第一全控开关S1、第二全控开关S2和双向开关管S5中有且仅有一个导通，多电平逆变电路有6种工作状态，即：
1.第一全控开关S1导通、第二全控开关S2关断、第三全控开关S3导通、第四全控开关S4及双向开关管S5均关断，多电平逆变电路的第一输出端uo+输出+2E的电平状态；
2.第一全控开关S1关断、第二全控开关S2关断、第三全控开关S3导通、第四全控开关S4关断、双向开关管S5导通，多电平逆变电路的第一输出端uo+输出+E的电平状态；
3.第一全控开关S1导通、第二全控开关S2关断、第三全控开关S3关断、第四全控开关S4导通、双向开关管S5关断，多电平逆变电路的第一输出端uo+输出0电平状态；
4.第一全控开关S1关断、第二全控开关S2导通、第三全控开关S3导通、第四全控开关S4关断、双向开关管S5关断，多电平逆变电路的第一输出端uo+输出0电平状态；
5.第一全控开关S1关断、第二全控开关S2关断、第三全控开关S3关断、第四全控开关S4导通、双向开关管S5导通，多电平逆变电路的第一输出端uo+输出-E的电平状态；
6.第一全控开关S1关断、第二全控开关S2导通、第三全控开关S3关断、第四全控开关S4导通、双向开关管S5关断，多电平逆变电路的第一输出端uo+输出-2E的电平状态；
以上6种工作状态可对应多电平逆变电路输出0、+E、-E、+2E或-2E五种电平状态中的任意一种，其中0电平状态对应两种多电平逆变电路的工作状态，即通过开关电容模块:一个双向开关管S5、两个开关电容，就可实现多电平状态的输出，不须因实际要求输出的电平数目较多，而过多的扩充开关管，相对于传统的多电平逆变电路，减少了开关管的需求量，降低整个电路的损耗。
优选地，多电平逆变电路还包括第二输出端uo-；所述半桥逆变模块还包括：第五全控开关S6及第六全控开关S7，第五全控开关S6及第六全控开关S7构成第二半桥模块，并联于直流电源的两端，第五全控开关S6的第一端与第六全控开关S7的第二端连接于第二半桥模块的第四开断点g，第二半桥模块的第四开断点g连接多电平逆变电路的第二输出端uo-。
优选地，第三全控开关S3和第四全控开关S4互补导通，第五全控开关S6及第六全控开关S7也互补导通，同一时刻，第一全控开关S1、第二全控开关S2和双向开关S5中有且仅有一个导通，多电平逆变电路输出的电平状态满足：
[uo]＝[uo+]-[uo-]
其中，[uo+]表示第一输出端uo+输出的电平状态，[uo-]表示第二输出端uo-输出的电平状态，[uo]表示多电平逆变电路输出的电平状态。
优选地，多电平逆变电路能输出0、+E、-E、+2E、-2E、+3E、-3E、+4E或-4E九种电平状态中的任意一种，其中E表示电动势量级，直流电源电压为4E。
在此，由于第三全控开关S3和第四全控开关S4互补导通，第五全控开关S6及第六全控开关S7也互补导通，同一时刻，第一全控开关S1、第二全控开关S2和双向开关S5中有且仅有一个导通，多电平逆变电路有12种工作状态，即：
1.第一全控开关S1导通、第二全控开关S2关断、第三全控开关S3导通、第四全控开关S4及双向开关管S5均关断，第五全控开关管S6关断、第六全控开关管S7导通，多电平逆变电路输出+4E的电平状态；
2.第一全控开关S1关断、第二全控开关S2关断、第三全控开关S3导通、第四全控开关S4关断、双向开关管S5导通，第五全控开关管S6关断、第六全控开关管S7导通，多电平逆变电路输出+3E的电平状态；
3.第一全控开关S1关断、第二全控开关S2导通、第三全控开关S3导通、第四全控开关S4关断、双向开关管S5关断，第五全控开关管S6关断、第六全控开关管S7导通，多电平逆变电路输出+2E的电平状态；
4.第一全控开关S1导通、第二全控开关S2关断、第三全控开关S3关断、第四全控开关S4导通、双向开关管S5关断，第五全控开关管S6关断、第六全控开关管S7导通，多电平逆变电路输出+2E的电平状态；
5.第一全控开关S1关断、第二全控开关S2关断、第三全控开关S3关断、第四全控开关S4导通、双向开关管S5导通，第五全控开关管S6关断、第六全控开关管S7导通，多电平逆变电路输出+E的电平状态；
6.第一全控开关S1关断、第二全控开关S2导通、第三全控开关S3关断、第四全控开关S4导通、双向开关管S5关断，第五全控开关管S6关断、第六全控开关管S7导通，多电平逆变电路输出0电平状态；
7.第一全控开关S1导通、第二全控开关S2关断、第三全控开关S3导通、第四全控开关S4关断、双向开关管S5关断、第五全控开关管S6导通、第六全控开关管S7关断，多电平逆变电路输出0电平状态；
8.第一全控开关S1关断、第二全控开关S2关断、第三全控开关S3导通、第四全控开关S4关断、双向开关管S5导通、第五全控开关管S6导通、第六全控开关管S7关断，多电平逆变电路输出-E电平状态；
9.第一全控开关S1关断、第二全控开关S2导通、第三全控开关S3导通、第四全控开关S4关断、双向开关管S5关断、第五全控开关管S6导通、第六全控开关管S7关断，多电平逆变电路输出-2E电平状态；
10.第一全控开关S1导通、第二全控开关S2关断、第三全控开关S3关断、第四全控开关S4导通、双向开关管S5关断，第五全控开关管S6导通、第六全控开关管S7关断，多电平逆变电路输出-2E的电平状态；
11.第一全控开关S1关断、第二全控开关S2关断、第三全控开关S3关断、第四全控开关S4导通、双向开关管S5导通，第五全控开关S6导通、第六全控开关管S7关断，多电平逆变电路输出-3E的电平状态；
12.第一全控开关S1关断、第二全控开关S2导通、第三全控开关S3关断、第四全控开关S4导通、双向开关管S5关断，第五全控开关S6导通、第六全控开关管S7关断，多电平逆变电路输出-4E的电平状态；
以上12种工作状态可对应多电平逆变电路输出0、+E、-E、+2E、-2E、+3E、-3E、+4E或-4E九种电平状态中的任意一种，其中0、+2E、-2E的电平状态各对应两种多电平逆变电路的工作状态，即通过开关电容模块:一个双向开关管S5、两个开关电容，就可实现多电平状态的输出，不须因实际要求输出的电平数目较多，而过多的扩充开关管，相对于传统的多电平逆变电路，减少了开关管的需求量，降低整个电路的损耗。
优选地，当第一全控开关S1导通、第二全控开关S2及双向开关管S5关断时，第一分压电容C1通过第二二极管D2为第一开关电容C3及第二开关电容C4充电；当第一全控开关S1及双向开关管S5关断、第二全控开关S2导通时，第二分压电容C2通过第一二极管D1为第一开关电容C3及第二开关电容C4充电。
在此，通过上述所述的充电，第一开关电容C3和第二开关电容C4的总电压可自动维持在与第一分压电容C1、第二分压电容C2电压一样的水平，即2E，则第一开关电容C3的电压和第二开关电容C4的电压均可自动平衡为E。
本发明还提出一种基于开关电容及二极管钳位的多电平逆变系统，所述多电平逆变系统由三个基于开关电容及二极管钳位的多电平逆变电路并联组成，三个基于开关电容及二极管钳位的多电平逆变电路的第一全控开关S1的第二端均连接于M点，三个基于开关电容及二极管钳位的多电平逆变电路的中性点a2均连接于J点，三个基于开关电容及二极管钳位的多电平逆变电路的第二全控开关S2的第一端均连接于K点，多电平逆变系统还包括A相输出端ua、B相输出端ub及C相输出端uc，A相输出端ua、B相输出端ub及C相输出端uc中的每一相均能输出0、+E、-E、+2E或-2E五种电平状态中的任意一种。
与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：
本发明提出一种基于开关电容及二极管钳位的多电平逆变电路、系统，基于现有的二极管钳位三电平逆变电路，仅通过增加开关电容模块，再配合半桥逆变模块中全控开关管的通断，实现多电平状态的输出，避免开关管的过多扩充，同时减少整个电路的损耗。
附图说明
图1为本发明背景技术中提到的现有二极管钳位三电平逆变电路的电路结构图。
图2为本发明实施例中提出的基于开关电容及二极管钳位的多电平逆变电路的电路结构图。
图3为本发明实施例中提出的基于开关电容及二极管钳位的多电平逆变电路的一种5电平输出的具体电路结构图。
图4为本发明实施例中提出的基于开关电容及二极管钳位的多电平逆变电路的一种9电平输出的具体电路结构图。
图5为本发明实施例中提出的基于开关电容及二极管钳位的多电平逆变电路的输出+4E电平状态的具体电路结构图。
图6为本发明实施例中提出的基于开关电容及二极管钳位的多电平逆变电路的输出+3E电平状态的具体电路结构图。
图7为本发明实施例中提出的基于开关电容及二极管钳位的多电平逆变电路的输出+2E电平状态的一种具体电路结构图。
图8为本发明实施例中提出的基于开关电容及二极管钳位的多电平逆变电路输出+2E电平状态的另一种具体电路结构图。
图9为本发明实施例中提出的基于开关电容及二极管钳位的多电平逆变电路输出+E电平状态的具体电路结构图。
图10为本发明实施例中提出的基于开关电容及二极管钳位的多电平逆变电路输出0电平状态的具体电路结构图。
图11为本发明实施例中提出的基于开关电容及二极管钳位的多电平逆变电路的一种5电平三相输出的多电平逆变系统的结构图。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
为了更好说明本实施例，附图某些部位会有省略、放大或缩小，并不代表实际的尺寸；
对于本领域技术人员来说，附图中某些公知说明可能省略是可以理解的。
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。
实施例1
如图1所示的传统典型的二极管钳位型三电平逆变电路，直流电源的电压为+4E，该电路由4个全控开关S1～S4和2个二极管D1～D2、电容器C1和电容器C2构成，电容器C1和电容器C2为输入分压电容，正常时，电容器C1和电容器C2各承担+2E的电压，电容器C1和电容器C2的连接点a2为该三电平逆变电路的中性点，通过控制4个全控开关的有序通断，该电路可将直流电源电压4E转换成含有0和±2E三种电平的交流电输出，具体地，当第一全控开关S1和第三全控开关S3导通而第二全控开关S2、第四全控开关S4关断时，输出电平为+2E；当第二全控开关S2和第四全控开关S4导通，而第一全控开关S1和第二全控开关S3关断时，输出电平为-2E；当第三全控开关S3和第四全控开关S4导通而第一全控开关S1和第二全控开关S2关断时，输出电平为0。
而当实际要求输出的电平数目较多时，现有的多电平逆变电路均是基于图1所示的传统二极管钳位型三电平逆变电路，然后扩充较多的开关管来实现多个电平的输出，特别是当输出电平数要求较多时，需要的开关管数量惊人，本发明提出一种基于开关电容及二极管钳位的多电平逆变电路如图2所示，包括直流电源、由依次相连的第一分压电容C1及第二分压电容C2组成的分压电容支路、首尾依次连接的第一二极管D1及第二二极管D2、开关电容模块、由若干个全控开关管构成的半桥逆变模块及第一输出端uo+；在本实施例中，直流电源的电压为+4E，所述分压电容支路、半桥逆变模块均并联在直流电源的两端；所述开关电容模块的a端、第一二极管D1与第二二极管D2的连接点a1、第一分压电容C1与第二分压电容C2的连接点a2依次连接，第一分压电容C1与第二分压电容C2的连接点a2为中性点，开关电容模块的b端与第一二极管D1的阴极端连接于半桥逆变模块的第一开断点c，开关电容模块的d端与第二二极管D2的阳极端连接于半桥逆变模块的第二开断点e，所述半桥逆变模块的第三开断点f连接多电平逆变电路的第一输出端uo+，仅通过增加开关电容模块，再配合半桥逆变模块中全控开关管的通断，实现多电平状态的输出，避免开关管的过多扩充，同时减少整个电路的损耗。
更具体地，如图3所示的基于开关电容及二极管钳位的多电平逆变电路的一种5电平输出的具体电路结构图，开关电容模块1包括：双向开关管S5、第一开关电容C3及第二开关电容C4，双向开关管S5的一端、第一开关电容C3的一端及第二开关电容C4的一端连接于h点，双向开关管S5的另一端作为开关电容模块的a端与连接点a1相连，第一开关电容C3的另一端作为开关电容模块的b端与第一二极管D1的阴极端连接于半桥逆变模块的第一开断点c，第二开关电容C4的另一端作为开关电容模块的d端与第二二极管D2的阳极端连接于半桥逆变模块的第二开断点e，双向开关管S5由两个反向串联的IGBT或MOSFET构成。
半桥逆变模块包括：第一全控开关S1、第二全控开关S2、第三全控开关S3及第四全控开关S4，第一全控开关S1、第二全控开关S2、第三全控开关S3及第四全控开关S4构成第一半桥逆变模块2，并联于直流电源的两端，第一全控开关S1的第一端与第三全控开关S3的第二端连接于第一半桥逆变模块的第一开断点c，第三全控开关S3的第一端与第四全控开关S4的第二端连接于第一半桥逆变模块的第三开断点f，第四全控开关S4的第一端与第二全控开关S2的第二端连接于第一半桥逆变模块的第二开断点e，中性点a2接地。第三全控开关S3和第四全控开关S4互补导通，同一时刻，第一全控开关S1、第二全控开关S2和双向开关管S5中有且仅有一个导通，多电平逆变电路有6种工作状态，即：
1.第一全控开关S1导通、第二全控开关S2关断、第三全控开关S3导通、第四全控开关S4及双向开关管S5均关断，多电平逆变电路的第一输出端uo+输出+2E的电平状态；
2.第一全控开关S1关断、第二全控开关S2关断、第三全控开关S3导通、第四全控开关S4关断、双向开关管S5导通，多电平逆变电路的第一输出端uo+输出+E的电平状态；
3.第一全控开关S1导通、第二全控开关S2关断、第三全控开关S3关断、第四全控开关S4导通、双向开关管S5关断，多电平逆变电路的第一输出端uo+输出0电平状态；
4.第一全控开关S1关断、第二全控开关S2导通、第三全控开关S3导通、第四全控开关S4关断、双向开关管S5关断，多电平逆变电路的第一输出端uo+输出0电平状态；
5.第一全控开关S1关断、第二全控开关S2关断、第三全控开关S3关断、第四全控开关S4导通、双向开关管S5导通，多电平逆变电路的第一输出端uo+输出-E的电平状态；
6.第一全控开关S1关断、第二全控开关S2导通、第三全控开关S3关断、第四全控开关S4导通、双向开关管S5关断，多电平逆变电路的第一输出端uo+输出-2E的电平状态；
以上6种工作状态可对应多电平逆变电路输出0、+E、-E、+2E或-2E五种电平状态中的任意一种，其中0电平状态对应两种多电平逆变电路的工作状态，即通过开关电容模块:一个双向开关管S5、两个开关电容，就可实现多电平状态的输出，不须因实际要求输出的电平数目较多，而过多的扩充开关管，相对于传统的多电平逆变电路，减少了开关管的需求量，降低整个电路的损耗，其中E表示电动势量级，直流电源电压为4E。
如图4所示的基于开关电容及二极管钳位的多电平逆变电路的一种9电平输出的具体电路结构图，即多电平逆变电路还包括第二输出端uo-；半桥逆变模块还包括：第五全控开关S6及第六全控开关S7，第五全控开关S6及第六全控开关S7构成第二半桥模块3，并联于直流电源的两端，第五全控开关S6的第一端与第六全控开关S7的第二端连接于第二半桥模块的第四开断点g，第二半桥模块的第四开断点g连接多电平逆变电路的第二输出端uo-。
在具体实施时，第三全控开关S3和第四全控开关S4互补导通，第五全控开关S6及第六全控开关S7也互补导通，同一时刻，第一全控开关S1、第二全控开关S2和双向开关S5中有且仅有一个导通，多电平逆变电路输出的电平状态满足：
[uo]＝[uo+]-[uo-]
其中，[uo+]表示第一输出端uo+输出的电平状态，[uo-]表示第二输出端uo-输出的电平状态，[uo]表示多电平逆变电路输出的电平状态。
由于第三全控开关S3和第四全控开关S4互补导通，第五全控开关S6及第六全控开关S7也互补导通，同一时刻，第一全控开关S1、第二全控开关S2和双向开关S5中有且仅有一个导通，多电平逆变电路有12种工作状态，即：
1.第一全控开关S1导通、第二全控开关S2关断、第三全控开关S3导通、第四全控开关S4及双向开关管S5均关断，第五全控开关管S6关断、第六全控开关管S7导通，多电平逆变电路输出+4E的电平状态；正半周期内输出+4E电平状态的具体电路结构图如图5所示，图中虚线表示相应的线路和开关管关断，实线表示相应的线路和开关管导通，由于多电平逆变电路输出的电平状态满足：[uo]＝[uo+]-[uo-]，所以多电平逆变电路输出+4E的电平状态。
2.第一全控开关S1关断、第二全控开关S2关断、第三全控开关S3导通、第四全控开关S4关断、双向开关管S5导通，第五全控开关管S6关断、第六全控开关管S7导通，多电平逆变电路输出+3E的电平状态；正半周期内输出+3E电平状态的具体电路结构图如图6所示，图中虚线表示相应的线路和开关管关断，实线表示相应的线路和开关管导通，具体分析情况与图5类似，此处不再赘述。
3.第一全控开关S1关断、第二全控开关S2导通、第三全控开关S3导通、第四全控开关S4关断、双向开关管S5关断，第五全控开关管S6关断、第六全控开关管S7导通，多电平逆变电路输出+2E的电平状态；正半周期内一种输出+2E电平状态的具体电路结构图如图7所示，图中虚线表示相应的线路和开关管关断，实线表示相应的线路和开关管导通，具体分析情况与图5类似，此处不再赘述。
4.第一全控开关S1导通、第二全控开关S2关断、第三全控开关S3关断、第四全控开关S4导通、双向开关管S5关断，第五全控开关管S6关断、第六全控开关管S7导通，多电平逆变电路输出+2E的电平状态；正半周期内另一种输出+2E电平状态的具体电路结构图如图8所示，图中虚线表示相应的线路和开关管关断，实线表示相应的线路和开关管导通，具体分析情况与图5类似，此处不再赘述。
5.第一全控开关S1关断、第二全控开关S2关断、第三全控开关S3关断、第四全控开关S4导通、双向开关管S5导通，第五全控开关管S6关断、第六全控开关管S7导通，多电平逆变电路输出+E的电平状态；正半周期内另一种输出+E电平状态的具体电路结构图如图9所示，图中虚线表示相应的线路和开关管关断，实线表示相应的线路和开关管导通，具体分析情况与图5类似，此处不再赘述。
6.第一全控开关S1关断、第二全控开关S2导通、第三全控开关S3关断、第四全控开关S4导通、双向开关管S5关断，第五全控开关管S6关断、第六全控开关管S7导通，多电平逆变电路输出0电平状态；正半周期内一种输出0电平状态的具体电路结构图如图10所示，图中虚线表示相应的线路和开关管关断，实线表示相应的线路和开关管导通，具体分析情况与图5类似，此处不再赘述。
7.第一全控开关S1导通、第二全控开关S2关断、第三全控开关S3导通、第四全控开关S4关断、双向开关管S5关断、第五全控开关管S6导通、第六全控开关管S7关断，多电平逆变电路输出0电平状态；
8.第一全控开关S1关断、第二全控开关S2关断、第三全控开关S3导通、第四全控开关S4关断、双向开关管S5导通、第五全控开关管S6导通、第六全控开关管S7关断，多电平逆变电路输出-E电平状态；
9.第一全控开关S1关断、第二全控开关S2导通、第三全控开关S3导通、第四全控开关S4关断、双向开关管S5关断、第五全控开关管S6导通、第六全控开关管S7关断，多电平逆变电路输出-2E电平状态；
10.第一全控开关S1导通、第二全控开关S2关断、第三全控开关S3关断、第四全控开关S4导通、双向开关管S5关断，第五全控开关管S6导通、第六全控开关管S7关断，多电平逆变电路输出-2E的电平状态；
11.第一全控开关S1关断、第二全控开关S2关断、第三全控开关S3关断、第四全控开关S4导通、双向开关管S5导通，第五全控开关S6导通、第六全控开关管S7关断，多电平逆变电路输出-3E的电平状态；
12.第一全控开关S1关断、第二全控开关S2导通、第三全控开关S3关断、第四全控开关S4导通、双向开关管S5关断，第五全控开关S6导通、第六全控开关管S7关断，多电平逆变电路输出-4E的电平状态；
以上12种工作状态可对应多电平逆变电路输出0、+E、-E、+2E、-2E、+3E、-3E、+4E或-4E九种电平状态中的任意一种，其中0、+2E、-2E的电平状态各对应两种多电平逆变电路的工作状态，工作状态7～工作状态12对应负半周期内的电平状态输出情况，此处不再附图赘述，本发明基于传统二极管钳位型逆变电路，通过开关电容模块:一个双向开关管S5、两个开关电容，就可实现多电平状态的输出，不须因实际要求输出的电平数目较多，而过多的扩充开关管，相对于传统的多电平逆变电路，减少了开关管的需求量，降低整个电路的损耗，其中E表示电动势量级，直流电源电压为4E。
当第一全控开关S1导通、第二全控开关S2及双向开关管S5关断时，第一分压电容C1通过第二二极管D2为第一开关电容C3及第二开关电容C4充电；当第一全控开关S1及双向开关管S5关断、第二全控开关S2导通时，第二分压电容C2通过第一二极管D1为第一开关电容C3及第二开关电容C4充电。通过上述所述的充电，第一开关电容C3和第二开关电容C4的总电压可自动维持在与第一分压电容C1、第二分压电容C2电压一样的水平，即2E，则第一开关电容C3的电压和第二开关电容C4的电压均可自动平衡为E。
在具体实施时，双向开关管S5由两个反向串联的IGBT或MOSFET构成。
如图11所示，基于上述5电平输出的多电平逆变电路，本发明还提出一种基于开关电容及二极管钳位的多电平逆变系统，所述多电平系统为三相多电平逆变系统，由三个基于开关电容及二极管钳位的多电平逆变电路并联组成，参见图11，三个基于开关电容及二极管钳位的多电平逆变电路的第一全控开关S1的第二端均连接于M点，三个基于开关电容及二极管钳位的多电平逆变电路的中性点a2均连接于J点，三个基于开关电容及二极管钳位的多电平逆变电路的第二全控开关S2的第一端均连接于K点，多电平逆变系统还包括A相输出端ua、B相输出端ub及C相输出端uc，A相输出端ua、B相输出端ub及C相输出端uc中的每一相均能输出0、+E、-E、+2E或-2E五种电平状态中的任意一种。
附图中描述仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
显然，本发明的上述实施例仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于开关电容及二极管钳位的多电平逆变电路，其特征在于，包括直流电源、由依次相连的第一分压电容C1及第二分压电容C2组成的分压电容支路、首尾依次连接的第一二极管D1及第二二极管D2、开关电容模块、由若干个全控开关管构成的半桥逆变模块及第一输出端uo+；所述分压电容支路、半桥逆变模块均并联在直流电源的两端；所述开关电容模块的a端、第一二极管D1与第二二极管D2的连接点a1、第一分压电容C1与第二分压电容C2的连接点a2依次连接，第一分压电容C1与第二分压电容C2的连接点a2为中性点，开关电容模块的b端与第一二极管D1的阴极端连接于半桥逆变模块的第一开断点c，开关电容模块的d端与第二二极管D2的阳极端连接于半桥逆变模块的第二开断点e，半桥逆变模块的第三开断点f连接多电平逆变电路的第一输出端uo+。
2.根据权利要求1所述的基于开关电容及二极管钳位的多电平逆变电路，其特征在于，所述开关电容模块包括：双向开关管S5、第一开关电容C3及第二开关电容C4，所述双向开关管S5的一端、第一开关电容C3的一端及第二开关电容C4的一端连接于h点，双向开关管S5的另一端作为开关电容模块的a端与连接点a1相连，第一开关电容C3的另一端作为开关电容模块的b端与第一二极管D1的阴极端连接于半桥逆变模块的第一开断点c，第二开关电容C4的另一端作为开关电容模块的d端与第二二极管D2的阳极端连接于半桥逆变模块的第二开断点e，所述双向开关管S5由两个反向串联的IGBT或MOSFET构成。
3.根据权利要求2所述的基于开关电容及二极管钳位的多电平逆变电路，其特征在于，所述半桥逆变模块包括：第一全控开关S1、第二全控开关S2、第三全控开关S3及第四全控开关S4，第一全控开关S1、第二全控开关S2、第三全控开关S3及第四全控开关S4构成第一半桥逆变模块，并联于直流电源的两端，第一全控开关S1的第一端与第三全控开关S3的第二端连接于第一半桥逆变模块的第一开断点c，第三全控开关S3的第一端与第四全控开关S4的第二端连接于第一半桥逆变模块的第三开断点f，第四全控开关S4的第一端与第二全控开关S2的第二端连接于第一半桥逆变模块的第二开断点e。
4.根据权利要求3所述的基于开关电容及二极管钳位的多电平逆变电路，其特征在于，中性点a2接地。
5.根据权利要求4所述的基于开关电容及二极管钳位的多电平逆变电路，其特征在于，第三全控开关S3和第四全控开关S4互补导通，同一时刻，第一全控开关S1、第二全控开关S2和双向开关管S5中有且仅有一个导通，多电平逆变电路能输出0、+E、-E、+2E或-2E五种电平状态中的任意一种，其中E表示电动势量级，直流电源电压为4E。
6.根据权利要求3所述的基于开关电容及二极管钳位的多电平逆变电路，其特征在于，多电平逆变电路还包括第二输出端uo-；所述半桥逆变模块还包括：第五全控开关S6及第六全控开关S7，第五全控开关S6及第六全控开关S7构成第二半桥模块，并联于直流电源的两端，第五全控开关S6的第一端与第六全控开关S7的第二端连接于第二半桥模块的第四开断点g，第二半桥模块的第四开断点g连接多电平逆变电路的第二输出端uo-。
7.根据权利要求6所述的基于开关电容及二极管钳位的多电平逆变电路，其特征在于，第三全控开关S3和第四全控开关S4互补导通，第五全控开关S6及第六全控开关S7也互补导通，同一时刻，第一全控开关S1、第二全控开关S2和双向开关S5中有且仅有一个导通，多电平逆变电路输出的电平状态满足：
[uo]＝[uo+]-[uo-]
其中，[uo+]表示第一输出端uo+输出的电平状态，[uo-]表示第二输出端uo-输出的电平状态，[uo]表示多电平逆变电路输出的电平状态。
8.根据权利要求7所述的基于开关电容及二极管钳位的多电平逆变电路，其特征在于，多电平逆变电路能输出0、+E、-E、+2E、-2E、+3E、-3E、+4E或-4E九种电平状态中的任意一种，其中E表示电动势量级，直流电源电压为4E。
9.根据权利要求3～8任意一项所述的基于开关电容及二极管钳位的多电平逆变电路，其特征在于，当第一全控开关S1导通、第二全控开关S2及双向开关管S5关断时，第一分压电容C1通过第二二极管D2为第一开关电容C3及第二开关电容C4充电；当第一全控开关S1及双向开关管S5关断、第二全控开关S2导通时，第二分压电容C2通过第一二极管D1为第一开关电容C3及第二开关电容C4充电。
10.一种基于开关电容及二极管钳位的多电平逆变系统，其特征在于，所述多电平逆变系统由三个权利要求5所述的基于开关电容及二极管钳位的多电平逆变电路并联组成，三个基于开关电容及二极管钳位的多电平逆变电路的第一全控开关S1的第二端均连接于M点，三个基于开关电容及二极管钳位的多电平逆变电路的中性点a2均连接于J点，三个基于开关电容及二极管钳位的多电平逆变电路的第二全控开关S2的第一端均连接于K点，多电平逆变系统还包括A相输出端ua、B相输出端ub及C相输出端uc，A相输出端ua、B相输出端ub及C相输出端uc中的每一相均能输出0、+E、-E、+2E或-2E五种电平状态中的任意一种。
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