CN112366971B - 三电平逆变拓扑结构及其控制方法、单相及三相逆变电路 - Google Patents
三电平逆变拓扑结构及其控制方法、单相及三相逆变电路 Download PDFInfo
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Abstract
一种三电平逆变拓扑结构及其控制方法、单相及三相逆变电路，其中，三电平逆变拓扑结构通过采用第一功率开关管、第二功率开关管、第三功率开关管、第一续流支路、第二续流支路以及第三续流支路，实现仅需三个功率开关管即可实现对直流电的逆变，相比于传统的三电平逆变拓扑结构减少了一个功率开关管，降低了三电平逆变拓扑结构的成本，解决了传统的三电平逆变拓扑结构存在的由于电路中所使用的功率开关管数量较多从而导致所产生的成本相对较高的问题。
Description
技术领域
本申请属于逆变电路技术领域，尤其涉及一种三电平逆变拓扑结构及其控制方法、单相逆变电路及三相逆变电路。
背景技术
目前，传统的三电平逆变拓扑结构(以单相为例)一般为T型拓扑结构，其电路的主要工作原理为对至少四个功率半导体开关管的开通关断进行合适的选择控制来实现直流电源到交流电源逆变的过程。但是该电路拓扑结构存在着由于电路中所使用的半导体功率开关管数量较多，从而导致所产生的成本相对较高的问题。
发明内容
本申请的目的在于提供一种三电平逆变拓扑结构及其控制方法、单相逆变电路及三相逆变电路，旨在解决传统的三电平逆变拓扑结构存在的由于电路中所使用的半导体功率开关管数量较多从而导致所产生的成本相对较高的问题。
本申请实施例的第一方面提了一种三电平逆变拓扑结构，与输入电容电路连接，所述输入电容电路的第一端和正母线连接，所述输入电容电路的第二端和负母线连接，所述三电平逆变拓扑结构包括：
第一功率开关管、第二功率开关管、第三功率开关管、第一续流支路、第二续流支路以及第三续流支路，所述第一功率开关管和所述第二功率开关管串联后与所述输入电容电路并联，所述第一续流支路与所述第一功率开关管并联，所述第二续流支路与所述第二功率开关管并联，所述第三续流支路与所述第三功率开关管并联，所述第三功率开关管的高电位端和所述第一续流支路的中点连接，所述第三功率开关管的低电位端和所述第二续流支路的中点连接，所述第三续流支路的中点和所述输入电容电路的中点连接，所述第一功率开关管和所述第二功率开关管的连接点共接作为所述三电平拓扑结构的交流输出端。
本申请实施例的第二方面提了一种应用于如本申请实施例的第一方面所述的三电平逆变拓扑结构的控制方法，包括：
提供第一控制信号控制所述第一功率开关管，提供第二控制信号控制所述第二功率开关管，提供第三控制信号控制所述第三功率开关管；
控制所述第一功率开关管导通、所述第二功率开关管关断、所述第三功率开关管关断，使所述三电平逆变拓扑结构输出正电压；
控制所述第一功率开关管关断、所述第二功率开关管关断、所述第三功率开关管导通，使所述三电平逆变拓扑结构输出零电压；
控制所述第一功率开关管关断、所述第二功率开关管导通、所述第三功率开关管关断，使三电平逆变拓扑结构输出负电压；
控制所述第一功率开关管关断、所述第二功率开关管关断、所述第三功率开关管导通，使三电平逆变拓扑结构输出零电压。
本申请实施例的第三方面提了一种单相逆变电路，包括：
输入电容电路；
输出滤波电路；以及
一个如本申请实施例的第一方面所述的三电平逆变拓扑结构，所述三电平逆变拓扑结构的交流输出端和所述输出滤波电路的第一端连接，所述输出滤波电路的第二端作为所述单相逆变电路的输出端。
本申请实施例的第四方面提了一种三相逆变电路，包括：
一个输入电容电路；
三个输出滤波电路：第一输出滤波电路、第二输出滤波电路以及第三输出滤波电路；以及
三个如本申请实施例的第一方面所述的三电平逆变拓扑结构：第一三电平逆变拓扑结构、第二三电平逆变拓扑结构以及第三三电平逆变拓扑结构；
其中，所述第一三电平逆变拓扑结构的输出端和所述第一输出滤波电路连接，所述第一三电平逆变拓扑结构的输出点用于输出第一相交流电；所述第二三电平逆变拓扑结构的输出端和所述第二输出滤波电路连接，所述第二三电平逆变拓扑结构的输出点用于输出第二相交流电；所述第三三电平逆变拓扑结构的输出端和所述第三输出滤波电路连接，所述第三三电平逆变拓扑结构的输出点用于输出第三相交流电。
上述的三电平逆变拓扑结构，通过采用第一功率开关管、第二功率开关管、第三功率开关管、第一续流支路、第二续流支路以及第三续流支路，组成了一种新的三电平逆变拓扑结构，实现仅需三个功率开关管即可实现对直流电的逆变，相比于传统的三电平逆变拓扑结构减少了一个功率开关管，降低了三电平逆变拓扑结构的成本，解决了传统的三电平逆变拓扑结构存在的由于电路中所使用的半导体功率开关管数量较多从而导致所产生的成本相对较高的问题。
附图说明
图1为本申请一实施例提供的三电平逆变拓扑结构的电路示意图；
图2为图1所示的三电平逆变拓扑结构的第一种工作模式图；
图3为图1所示的三电平逆变拓扑结构的第二种工作模式图；
图4为图1所示的三电平逆变拓扑结构的第三种工作模式图；
图5为图1所示的三电平逆变拓扑结构的第四种工作模式图；
图6为本申请一实施例提供的三电平逆变拓扑结构的控制时序图；
图7为图6所示的控制时序图的另一模式；
图8为本申请一实施例提供的单相逆变电路的电路示意图；
图9为图8所示的单相逆变电路的控制电路的电路示意图；
图10为图8所示的单相逆变电路的交流输出波形图；
图11为本申请一实施例提供的三相逆变电路的电路示意图。
具体实施方式
为了使本申请所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。
需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
图1示出了本申请实施例的第一方面提供的三电平逆变拓扑结构10的结构示意图，为了便于说明，仅示出了与本实施例相关的部分，详述如下：
本实施例中的三电平逆变拓扑结构10，与输入电容电路20连接，输入电容电路20的第一端和正母线连接，输入电容电路20的第二端和负母线连接，三电平逆变拓扑结构10包括：
第一功率开关管110、第二功率开关管120、第三功率开关管130、第一续流支路140、第二续流支路150以及第三续流支路160，第一功率开关管110和第二功率开关管120串联后与输入电容电路20并联，第一续流支路140与第一功率开关管110并联，第二续流支路150与第二功率开关管120并联，第三续流支路160与第三功率开关管130并联，第三功率开关管130的第一端和第一续流支路140的中点连接，第三功率开关管130的第二端和第二续流支路150的中点连接，第三续流支路160和输入电容电路20的中点M连接，第一功率开关管110和第二功率开关管120的连接点N共接作为三电平拓扑结构10的交流输出端。
应理解，第一功率开关管110的低电位端和第二功率开关管120的高电位端连接，第一功率开关管110的高电位端和输入电容电路20的第一端以及正母线连接，第二功率开关管120的低电位端和输入电容电路20的第二端以及负母线连接。
应理解，本实施例中的第一功率开关管110、第二功率开关管120以及第三功率开关管130可以由NMOS管、PMOS管或者IGBT晶闸管等绝缘栅双极型晶体管等半导体功率器件构成，功率开关管的材料可以为碳化硅-金属氧化物半导体、硅-金属氧化物半导体等。当第一功率开关管110为NMOS管时，NMOS管的漏极为高电位端，源极为低电位端，栅极为控制端。当第一功率开关管110为PMOS管时，PMOS管的源极为高电位端，漏极为低电位端，栅极为控制端。当第一功率开关管110为N型IGBT晶闸管时，N型IGBT晶闸管的集电极为高电位端，发射极为低电位端，栅极为控制端。同理，第二功率开关管120和第三功率开关管130的引脚定义与第一功率开关管110一样，在此不做赘述。
应理解，第一功率开关管110、第二功率开关管120以及第三功率开关管130可以是相互独立的元器件，或者至少其中两个集成在同一模组内，此处不做具体的限制，但均在本申请实施例的保护范围内。
应理解，第一续流支路140、第二续流支路150以及第三续流支路160可以分别由一个或多个续流二极管构成。
应理解，本实施例中的第一功率开关管110包括有由于接收控制其通断的第一控制信号Vtrl1的控制端，本实施例中的第二功率开关管120包括有由于接收控制其通断的第二控制信号Vtrl2的控制端，本实施例中的第三功率开关管130包括有由于接收控制其通断的第三控制信号Vtrl3的控制端，外部电路通过输出第一控制信号Vtrl1、第二控制信号Vtrl2以及第三控制信号Vtrl3，从而控制三电平逆变拓扑结构10的输出电流i方向，从而实现逆变过程。
应理解，正母线与直流电源的正极连接，负母线与直流电源的负极连接。输入电容电路20包括两个以上串并联的电容组合，例如，图一所示输入电容电路20包括两个串联的电容，分别为第一电容C1和第二电容C2，第一电容C1和第二电容C2的连接点为输入电容电路20的中点M。
可选的，三电平拓扑结构10的交流输出端可通过输出滤波电路30将逆变后的交流电滤波后输出，输出滤波电路30可以为任意的滤波电路组合，例如可以为LC滤波电路、LLC滤波电路、RLC滤波电路等，在此不做限制。
本实施例中的三电平逆变拓扑结构10，通过采用第一功率开关管110、第二功率开关管120、第三功率开关管130、第一续流支路140、第二续流支路150以及第三续流支路160，组成了一种新的三电平逆变拓扑结构10，实现仅需三个功率开关管即可实现对直流电的逆变，相比于传统的三电平逆变拓扑结构10减少了一个功率开关管，降低了三电平逆变拓扑结构10的成本，解决了传统的三电平逆变拓扑结构存在的由于电路中所使用的半导体功率开关管数量较多，从而导致所产生的成本相对较高的问题。
请参阅图1，在一个实施例中，第一功率开关管110包括第一绝缘栅双极型晶体管S1，第二功率开关管120包括第二绝缘栅双极型晶体管S2，第三功率开关管130包括第三绝缘栅双极型晶体管S3，第一绝缘栅双极型晶体管S1的高电位端和输入电容电路20的第一端连接，第一绝缘栅双极型晶体管S1的低电位端和第二绝缘栅双极型晶体管S2的高电位端连接，第二绝缘栅双极型晶体管S2的低电位端和输入电容电路20的第二端连接，第三绝缘栅双极型晶体管S3的高电位端和第一续流支路140的中点连接，第三绝缘栅双极型晶体管S3的低电位端和第二续流支路150的中点连接。
可以理解的是，第一绝缘栅双极型晶体管S1的控制端用于接收第一控制信号Vtrl1，第二绝缘栅双极型晶体管S2的控制端用于接收第二控制信号Vtrl2，第三绝缘栅双极型晶体管S3的控制端用于接收第三控制信号Vtrl3。
可以理解的是，当第一绝缘栅双极型晶体管S1为N型的绝缘栅双极型晶体管时，第一绝缘栅双极型晶体管S1的集电极为高电位端，发射极为低电位端，栅极为控制端。同理，第二绝缘栅双极型晶体管S2和第三绝缘栅双极型晶体管S3的引脚定义与第一绝缘栅双极型晶体管S1一样，在此不做赘述。
应理解，第一绝缘栅双极型晶体管S1、第二绝缘栅双极型晶体管S2以及第三绝缘栅双极型晶体管S3可以是相互独立的元器件，或者至少其中两个集成在同一模组内，此处不做具体的限制，但均在本申请实施例的保护范围内。
应理解，在其他实施例中，可以根据成本考虑或绝缘栅双极型晶体管选型的考虑，第一功率开关管110可以包括单个绝缘栅双极型晶体管或至少两个并联的绝缘栅双极型晶体管，此处不做具体的限定；同理，第二功率开关管120以及第三功率开关管130也一样。
请参阅图1，在一个实施例中，第一续流支路140包括第一续流二极管D1和第二续流二极管D2，第二续流支路150包括第三续流二极管D3和第四续流二极管D4，第三续流支路160包括第五续流二极管D5和第六续流二极管D6，第一续流二极管D1的负极和输入电容电路20的第一端连接，第一续流二极管D1的正极和第二续流二极管D2的负极共接于第三功率开关管130的高电位端，第二续流二极管D2的正极和第一功率开关管110的低电位端连接，第三续流二极管D3的负极和第二功率开关管120的高电位端连接，第三续流二极管D3的正极和第四续流二极管D4的负极共接于第三功率开关管130的低电位端，第四续流二极管D4的正极和第二功率开关管S2的低电位端连接，第五续流二极管D5的负极和第三功率开关管130的高电位端连接，第五续流二极管D5的正极和第六续流二极管D6的负极共接于输入电容电路20的中点M，第六续流二极管D6的正极和第三功率开关管130的低电位端连接。
应理解，第一续流二极管D1和第二续流二极管D2的连接点为第一续流支路140的中点，第三续流二极管D3和第四续流二极管D4的连接点为第二续流支路150的中点，第五续流二极管D5和第六续流二极管D6的连接点为第三续流支路160的中点。
与三电平逆变拓扑结构10相比较而言，本申请中所提出的新型三电平逆变拓扑结构10更为简单。三电平逆变拓扑结构10中可使用两个低电压等级的续流二极管器件来代替传统电路拓扑中高电压等级续流二极管器件。同时，功率开关管的使用数量也减少一个，因而在一定程度上降低了整体的成本。解决了传统的三电平逆变拓扑结构存在的由于电路中所使用的半导体功率开关管数量较多以及电路中功率器件电压等级需求高，从而导致所产生的成本相对较高的问题。此外，本申请中三电平逆变拓扑结构10仅需控制三个功率开关管的开通关断，控制相对简单易行，例如可采用单极性脉冲宽度调制方式来实现逆变功能。
在一个实施例中，第一续流二极管D1和第二续流二极管D2独立于第一功率开关管110之外，或与第一功率开关管110集成于一个开关芯片中；第三续流二极管D3和第四续流二极管D4独立于第二功率开关管120之外，或与第二功率开关管120集成于一个开关芯片中；第五续流二极管D5和第六续流二极管D6独立于第三功率开关管130之外，或与第三功率开关管130集成于一个开关芯片中。
应理解，第一续流二极管D1和第二续流二极管D2可以为独立于第一功率开关管110之外的外部续流二极管，也可以是与第一功率开关管110反向并联集成于一个开关芯片中，即第一续流二极管D1和第二续流二极管D2可以是第一功率开关管110芯片的内部集成的反并联二极管。第三续流二极管D3和第四续流二极管D4可以为独立于第二功率开关管120之外的外部续流二极管，也可以是与第二功率开关管120反向并联集成于一个开关芯片中，即第三续流二极管D3和第四续流二极管D4可以是第二功率开关管120芯片的内部集成的反并联二极管。第五续流二极管D5和第六续流二极管D6可以为独立于第三功率开关管130之外的外部续流二极管，也可以是与第三功率开关管130反向并联集成于一个开关芯片中，即第五续流二极管D5和第六续流二极管D6可以是第三功率开关管130芯片的内部集成的反并联二极管。具体地，可以根据应用场合或成本需求而选择。
本申请实施例的第二方面提供了一种应用于如本申请实施例的第一方面的三电平逆变拓扑结构10的控制方法，包括：
提供第一控制信号Vtrl1控制第一功率开关管110，提供第二控制信号Vtrl2控制第二功率开关管120，提供第三控制信号Vtrl3控制第三功率开关管130；
1、控制第一功率开关管110导通、第二功率开关管120关断且第三功率开关管130关断，使三电平逆变拓扑结构10输出正电压；
如图2所示，此时第一功率开关管110开通、第二功率开关管120关断、第三功率开关管130关断，三电平逆变拓扑结构10工作在工作模态1。电流i由输入直流电压源VDC流出，经过第一功率开关管110、输出端滤波电路30后回到输入端母线电容电路20中点M。三电平逆变拓扑结构10输出正电压。
2、控制第一功率开关管110关断、第二功率开关管120关断且第三功率开关管130导通，使三电平逆变拓扑结构10输出零电压；
如图3所示，此时第一功率开关管110关断、第二功率开关管120关断、第三功率开关管130开通，三电平逆变拓扑结构10工作在工作模态2。电流i由输出端滤波电路30流出，经过第五续流二极管D5、第三功率开关管130、第三续流二极管D3回到输出端滤波电路30中。三电平逆变拓扑结构10输出零电压。
3、控制第一功率开关管110关断、第二功率开关管120导通且第三功率开关管130关断，使三电平逆变拓扑结构10输出负电压；
如图4所示，此时第一功率开关管110关断、第二功率开关管120关断、第三功率开关管130开通，三电平逆变拓扑结构10工作在工作模态4。电流i由输出端滤波电路30流出，经过第二续流二极管D2、第三功率开关管130、第六续流二极管D6、输出端滤波电容回到输出端滤波电路30中。三电平逆变拓扑结构10输出零电压。
4、控制第一功率开关管110关断、第二功率开关管120关断且第三功率开关管130导通，使三电平逆变拓扑结构10输出零电压。
如图5所示，此时第一功率开关管110关断、第二功率开关管120关断、第三功率开关管130开通，三电平逆变拓扑结构10工作在工作模态4。电流i由输出端滤波电路30流出，经过第二续流二极管D2、第三功率开关管130、第六续流二极管D6、输出端滤波电容回到输出端滤波电路30中。三电平逆变拓扑结构10输出零电压。
可选的，可以通过处理器实现对第一功率开关管110、第二功率开关管120以及第三功率开关管130通断的控制，处理器根据预设规则输出第一控制信号Vtrl1、第二控制信号Vtrl2以及第三控制信号Vtrl3控制第一功率开关管110、第二功率开关管120以及第三功率开关管130通断，第一控制信号Vtrl1、第二控制信号Vtrl2以及第三控制信号Vtrl3可以脉冲宽度调制信号。处理器60可以是中央处理单元(Central Processing Unit，CPU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现成可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。
可选的，可以通过第一正弦波、与第一正弦波相位相反且大小相等的第二正弦波，以及三角波的大小关系提供第一控制信号Vtrl1、第二控制信号Vtrl2以及第三控制信号Vtrl3，三角波的峰值大于第一正弦波和第二正弦波的峰值。例如，当第一正弦波位于正半轴时，根据第一正弦波和三角波的大小比较输出第一控制信号Vtrl1和第三控制信号Vtrl3；当第二正弦波位于正半轴时，根据第二正弦波和三角波的大小比较输出第二控制信号Vtrl2和第三控制信号Vtrl3。
可以通过图9所示的控制电路实现对第一功率开关管110、第二功率开关管120以及第三功率开关管130通断的控制，其中，第一电源V1和第三电源V3输出同一正弦波，第二电源V2和第四电源V4分别输出反相的三角波；或者，第一电源V1和第三电源V3分别输出反相的正弦波，第二电源V2和第四电源V4输出同一三角波。其中，如图6所示正弦波具体可工频调制波(例如50Hz)，三角波可以高频载波(例如20kHz)。
在一个实施例中，上述控制方法还包括：
在预设周期的上半周期内，第一控制信号Vtrl1和第三控制信号Vtrl3电平状态相位相交错，第二控制信号Vtrl2停止，三电平逆变拓扑结构输出呈正弦波形的正向电压；
在预设周期的下半周期内，第二控制信号Vtrl2和第三控制信号Vtrl3电平状态相位相交错，第一控制信号Vtrl1停止，以控制三电平逆变拓扑结构输出呈正弦波形的负向电压。
应理解，预设周期为输出交流电的一个正反周期。可以可以引用正弦波和三角波实现各个控制信号的交替输出，正弦波的周期与预设周期时长一致，可以通过设定正弦波的周期大小来调整预设周期。第一控制信号Vtrl1和第三控制信号Vtrl3的电平状态相位相交错输出到三电平逆变拓扑结构时，第三控制信号Vtrl3停止时，第一功率开关管110与第三功率开关管130进行互补高频开关动作，第二功率开关管120处于关断状态。第二控制信号Vtrl2和第三控制信号Vtrl3电平状态相位相交错输出到三电平逆变拓扑结构时，且第一控制信号Vtrl1停止时，第二功率开关管120与第三功率开关管130进行互补高频开关动作，第一功率开关管110处于关断状态。
电平状态相位相交错的示意图如图6所示，例如第一控制信号Vtrl1和第三控制信号Vtrl3电平状态相位相交错为：当第一控制信号Vtrl1为高电平时，第三控制信号Vtrl3为低电平；当第一控制信号Vtrl1为低电平时，第三控制信号Vtrl3为高电平。
如图6所示，引用为正弦波的调制波Ug和Ug’，以及为三角波的高频载波UC，其中调制波Ug和Ug’为大小一致，相位相反的两个电压波形。调制波Ug位于正半轴时时，第一功率开关管110与第三功率开关管130进行互补高频开关动作，第二功率开关管120处于关断状态。调制波Ug位于负半轴时时，第二功率开关管120与第三功率开关管130进行互补高频开关动作，第一功率开关管110处于关断状态。
应理解，在本控制方法的控制下，三电平逆变拓扑结构输出为与正弦波周期相同的正弦波形交流电。
可选的，在一个实施例中，在第一预设时长内，仅提供电平状态相位相交错的第一控制信号Vtrl1和第二控制信号Vtrl2输出到三电平逆变拓扑结构，第一预设时长为以上半周期和下半周期的交接点为中点的时间区域，且第一预设时长小于预设周期的八分之一周期。
应理解，请参阅图7，第一预设时长即为调制波Ug和Ug’过零点时的时间区域，具体的，可以通过预设时长设置或者对调制波Ug和Ug’过零点(实际可看做输出交流电的波形过零点)的检测，及时调整对三电平逆变拓扑结构控制策略，使得三电平逆变拓扑结构在过零点时，控制策略为“三电平-两电平-三电平”控制，从而避免了在过零点时导致的电流激变，使得输出电压波形更为平滑。
应理解，上述实施例中各步骤的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本申请实施例的实施过程构成任何限定。
请参阅图8，本申请实施例的第三方面提供了一种单相逆变电路01，包括：输入电容电路20、输出滤波电路30以及一个如本申请实施例的第一方面的三电平逆变拓扑结构10，三电平逆变拓扑结构10的交流输出端和输出滤波电路30的第一端连接，输出滤波电路30的第二端作为单相逆变电路01的输出端。
应理解，单相逆变电路01的控制方法可参考本申请实施例的第二方面所提供的控制方法。
在一个实施例中，单相逆变电路01还包括控制电路，控制电路分别与第一功率开关管110的控制端Ctrl1、第二功率开关管120的控制端Ctrl2以及第三功率开关管130的控制端Ctrl3连接，控制电路用于控制三电平逆变拓扑结构10输出交流电。
请参阅图9，在一个实施例中，控制电路包括第一比较器U1、第二比较器U2、第一反相器U3、第二反相器U4、第一与门U5以及第三反相器U6，第一比较器U1的第一输入端与第一电源V1连接，第一比较器U1的第二输入端与第二电源V2连接，第二比较器U2的第一输入端与第三电源V3连接，第二比较器U2的第二输入端与第四电源V4连接，第一比较器U1的输出端与第一功率开关管110的控制端Ctrl1以及第一反相器U3的输入端连接，第一反相器U3的输出端和第一与门U5的第一输入端连接，第二比较器U2的输出端与第二功率开关管120的控制端Ctrl2以及第二反相器U4的输入端连接，第二反相器U4的输出端和第一与门U5的第二输入端连接，第一与门U5的输出端和第三反相器U6的输入端连接，第三反相器U6的输出端和第三功率开关管130的控制端Ctrl3连接。
应理解，第一电源V1和第三电源V3输出同一正弦波，第二电源V2和第四电源V4分别输出反相的三角波；或者，第一电源V1和第三电源V3分别输出反相的正弦波，第二电源V2和第四电源V4输出同一三角波。正弦波具体可工频调制波(例如50Hz)，三角波可以高频载波(例如20kHz)。
应理解，本实施例中的控制电路采用单极性宽度调制方式。以第一电源V1输出调制波Ug(例如50Hz)，第三电源V3输出调制波Ug反相的调制波Ug’，第二电源V2和第四电源V4输出高频载波UC(例如20kHz)为例，简述工作过程。其中，第一功率开关管110、第二功率开关管120、第三功率开关管130分别以高频周期(例如20kHz)进行开关动作。参阅图6，当调制波Ug处于正半轴时，第一功率开关管110与第三功率开关管130进行互补高频开关动作，第二功率开关管120处于关断状态。而当调制波Ug’(与调制波Ug反相的调制波)处于正半轴时，第二功率开关管120与第三功率开关管130进行互补高频开关动作，第一功率开关管110处于关断状态。单相逆变电路01的具体工作过程与本申请实施例的第二方面的控制方法的一致，单相逆变电路01的各个工作模式参考图2～图5。
具体地，以第一功率开关管110、第二功率开关管120以及第三功率开关管130高电平导通为例：
1、当调制波Ug处于正半轴，如调制波Ug的电压高于高频载波UC时，此时，第一比较器U1输出为高电平的第一控制信号Vtrl1到第一功率开关管110的控制端Ctrl1，第一比较器U1输出为低电平的第二控制信号Vtrl2到第二功率开关管120的控制端Ctrl2，第三反相器U6输出为低电平的第三控制信号Vtrl3到第三功率开关管130的控制端Ctrl3，单相逆变电路01工作在工作模态1，单相逆变电路01输出正电压。参考图2。
2、当调制波Ug处于正半轴，如调制波Ug的电压低于高频载波UC时，此时，第一比较器U1输出为低电平的第一控制信号Vtrl1到第一功率开关管110的控制端Ctrl1，第一比较器U1输出为低电平的第二控制信号Vtrl2到第二功率开关管120的控制端Ctrl2，第三反相器U6输出为高电平的第三控制信号Vtrl3到第三功率开关管130的控制端Ctrl3，单相逆变电路01工作在工作模态2，单相逆变电路01输出零电压。参考图3。
3、当调制波Ug’处于正半轴，如调制波Ug’的电压高于高频载波UC时，此时，第一比较器U1输出为低电平的第一控制信号Vtrl1到第一功率开关管110的控制端Ctrl1，第一比较器U1输出为高电平的第二控制信号Vtrl2到第二功率开关管120的控制端Ctrl2，第三反相器U6输出为低电平的第三控制信号Vtrl3到第三功率开关管130的控制端Ctrl3，单相逆变电路01工作在工作模态3，单相逆变电路01输出负电压。参考图4。
4、当调制波Ug’处于正半轴，如调制波Ug’的电压低于高频载波UC时，此时，第一比较器U1输出为低电平的第一控制信号Vtrl1到第一功率开关管110的控制端Ctrl1，第一比较器U1输出为低电平的第二控制信号Vtrl2到第二功率开关管120的控制端Ctrl2，第三反相器U6输出为高电平的第三控制信号Vtrl3到第三功率开关管130的控制端Ctrl3，单相逆变电路01工作在工作模态4，单相逆变电路01输出零电压。参考图5。
本单相逆变电路01的输出交流电的波形图如图10所示。
本单相逆变电路01的控制电路的电路构成简单，通过采用第一比较器U1、第二比较器U2、第一反相器U3、第二反相器U4、第一与门U5以及第三反相器U6，实现了单极性脉冲宽度调制方式以控制单相逆变电路01实现逆变功能，控制简单。
可选的，请参阅图7，还可以在过零点实施由三电平—两电平—三电平的控制切换，从而抑制尖端脉冲，使得输出的交流电的波形更加平滑。
本申请实施例的第四方面提供了一种三相逆变电路02，包括：一个输入电容电路20、三个输出滤波电路：第一输出滤波电路31、第二输出滤波电路32以及第三输出滤波电路33；以及三个如本申请实施例的第一方面的三电平逆变拓扑结构：第一三电平逆变拓扑结构11、第二三电平逆变拓扑结构12以及第三三电平逆变拓扑结构13；其中，第一三电平逆变拓扑结构11的输出端和第一输出滤波电路31连接，第一三电平逆变拓扑结构11的输出点用于输出第一相交流电；第二三电平逆变拓扑结构12的输出端和第二输出滤波电路32连接，第二三电平逆变拓扑结构12的输出点用于输出第二相交流电；第三三电平逆变拓扑结构13的输出端和第三输出滤波电路33连接，第三三电平逆变拓扑结构13的输出点用于输出第三相交流电。
请参阅图11，在一个实施例中，三相逆变电路02还包括第一控制电路、第二控制电路以及第三控制电路，第一控制电路与第一三电平逆变拓扑结构11的控制端连接，第二控制电路与第二三电平逆变拓扑结构12的控制端连接，第三控制电路与第三三电平逆变拓扑结构13的控制端连接，第一控制电路、第二控制电路以及第三控制电路用于控制三相逆变电路02输出三相交流电。
应理解，第一控制电路、第二控制电路以及第三控制电路的电路构成可以与图7所示的控制电路一致，在此不做赘述。可以理解的是，三相逆变电路02可以输出相位相差120°的三相交流电，第一控制电路、第二控制电路以及第三控制电路的控制时序一一相差120°，例如，可以将第二控制电路的输入的调制波Ug和Ug’的较第一控制电路的输入的调制波Ug和Ug’相差120°相位，第三控制电路的输入的调制波Ug和Ug’的较第二控制电路的输入的调制波Ug和Ug’相差120°相位，第一控制电路的输入的调制波Ug和Ug’的较第三控制电路的输入的调制波Ug和Ug’相差120°相位。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，仅以上述各功能单元、模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能单元、模块完成，即将所述装置的内部结构划分成不同的功能单元或模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。实施例中的各功能单元、模块可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中，上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。另外，各功能单元、模块的具体名称也只是为了便于相互区分，并不用于限制本申请的保护范围。上述系统中单元、模块的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述或记载的部分，可以参见其它实施例的相关描述。
本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本申请的范围。
在本申请所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的装置/终端设备和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置/终端设备实施例仅仅是示意性的，例如，所述模块或单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通讯连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通讯连接，可以是电性，机械或其它的形式。
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
所述集成的模块/单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本申请实现上述实施例方法中的全部或部分流程，也可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一计算机可读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个方法实施例的步骤。其中，所述计算机程序包括计算机程序代码，所述计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。所述计算机可读介质可以包括：能够携带所述计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、U盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。需要说明的是，所述计算机可读介质包含的内容可以根据司法管辖区内立法和专利实践的要求进行适当的增减，例如在某些司法管辖区，根据立法和专利实践，计算机可读介质不包括电载波信号和电信信号。
以上所述实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种单相逆变电路，其特征在于，包括：
输入电容电路；
输出滤波电路；
三电平逆变拓扑结构，所述三电平逆变拓扑结构的交流输出端和所述输出滤波电路的第一端连接，所述输出滤波电路的第二端作为所述单相逆变电路的输出端；
所述三电平逆变拓扑结构与输入电容电路连接，所述输入电容电路的第一端和正母线连接，所述输入电容电路的第二端和负母线连接，所述三电平逆变拓扑结构包括：
第一功率开关管、第二功率开关管、第三功率开关管、第一续流支路、第二续流支路以及第三续流支路，所述第一功率开关管和所述第二功率开关管串联后与所述输入电容电路并联，所述第一续流支路与所述第一功率开关管并联，所述第二续流支路与所述第二功率开关管并联，所述第三续流支路与所述第三功率开关管并联，所述第三功率开关管的高电位端和所述第一续流支路的中点连接，所述第三功率开关管的低电位端和所述第二续流支路的中点连接，所述第三续流支路的中点和所述输入电容电路的中点连接，所述第一功率开关管和所述第二功率开关管的连接点作为所述三电平逆变拓扑结构的交流输出端；
所述三电平逆变拓扑结构还包括控制电路，所述控制电路分别与所述第一功率开关管的控制端、所述第二功率开关管的控制端以及所述第三功率开关管的控制端连接，所述控制电路用于控制所述三电平逆变拓扑结构输出交流电；
所述控制电路包括第一比较器、第二比较器、第一反相器、第二反相器、第一与门以及第三反相器，所述第一比较器的第一输入端与第一电源连接，所述第一比较器的第二输入端与第二电源连接，所述第二比较器的第一输入端与第三电源连接，所述第二比较器的第二输入端与第四电源连接，所述第一比较器的输出端与所述第一功率开关管的控制端以及所述第一反相器的输入端连接，所述第一反相器的输出端和所述第一与门的第一输入端连接，所述第二比较器的输出端与所述第二功率开关管的控制端以及所述第二反相器的输入端连接，所述第二反相器的输出端和所述第一与门的第二输入端连接，所述第一与门的输出端和所述第三反相器的输入端连接，所述第三反相器的输出端和所述第三功率开关管的控制端连接。
2.如权利要求1所述的单相逆变电路，其特征在于，所述第一续流支路包括第一续流二极管和第二续流二极管，所述第二续流支路包括第三续流二极管和第四续流二极管，所述第三续流支路包括第五续流二极管和第六续流二极管，所述第一续流二极管的负极和所述输入电容电路的第一端连接，所述第一续流二极管的正极和所述第二续流二极管的负极共接于所述第三功率开关管的高电位端，所述第二续流二极管的正极和所述第一功率开关管的低电位端连接，所述第三续流二极管的负极和所述第二功率开关管的高电位端连接，所述第三续流二极管的正极和所述第四续流二极管的负极共接于所述第三功率开关管的低电位端，所述第四续流二极管的正极和所述第二功率开关管的低电位端连接，所述第五续流二极管的负极和所述第三功率开关管的高电位端连接，所述第五续流二极管的正极和所述第六续流二极管的负极共接于所述输入电容电路的中点，所述第六续流二极管的正极和所述第三功率开关管的低电位端连接。
3.如权利要求2所述的单相逆变电路，其特征在于，所述第一续流二极管和第二续流二极管独立于所述第一功率开关管之外，或与所述第一功率开关管集成于一个开关芯片中；所述第三续流二极管和第四续流二极管独立于所述第二功率开关管之外，或与所述第二功率开关管集成于一个开关芯片中；所述第五续流二极管和第六续流二极管独立于所述第三功率开关管之外，或与所述第三功率开关管集成于一个开关芯片中。
4.一种三相逆变电路，其特征在于，包括：
一个输入电容电路；
三个输出滤波电路：第一输出滤波电路、第二输出滤波电路以及第三输出滤波电路；
三个如权利要求1～3任意一项所述的三电平逆变拓扑结构：第一三电平逆变拓扑结构、第二三电平逆变拓扑结构以及第三三电平逆变拓扑结构；
所述第一三电平逆变拓扑结构的输出端和所述第一输出滤波电路连接，所述第一三电平逆变拓扑结构的输出点用于输出第一相交流电；所述第二三电平逆变拓扑结构的输出端和所述第二输出滤波电路连接，所述第二三电平逆变拓扑结构的输出点用于输出第二相交流电；所述第三三电平逆变拓扑结构的输出端和所述第三输出滤波电路连接，所述第三三电平逆变拓扑结构的输出点用于输出第三相交流电。
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