CN115149831A - 一种共地型开关电容多电平逆变器 - Google Patents

一种共地型开关电容多电平逆变器 Download PDF

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CN115149831A CN202210952832.8A CN202210952832A CN115149831A CN 115149831 A CN115149831 A CN 115149831A CN 202210952832 A CN202210952832 A CN 202210952832A CN 115149831 A CN115149831 A CN 115149831A
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Abstract

本发明公开了一种共地型开关电容多电平逆变器，包括直流输入端、交流输出端、开关电容基本单元(M1)以及开关电容可拓展单元(M2)，其中M2由开关电容单元级联而成，可提供多电平输出电压。本发明无需桥式逆变电路，通过基本单元(M1)串联直流输入电压源以及可拓展单元(M2)产生共地的交流输出电压。与同类共地多电平逆变器相比，本发明所提出的开关电源拓扑所使用的器件数量更少，且具备高增益、可拓展、输出总谐波畸变率较低的优点。本发明所公开的一种共地型开关电容多电平逆变器无需感性元件，效率高，功率密度高，可消除电源系统接地寄生电容的漏电流问题，可应用于电动汽车、光伏并网发电和分布式发电系统的DC‑AC变换器中。

Description

一种共地型开关电容多电平逆变器
技术领域
本发明属于多电平逆变器与新能源分布式并网发电领域，具体涉及一种共地型开关电容多电平逆变器及其调制方法。
背景技术
目前的光伏逆变器有如下挑战：1.由于光伏板寄生电容Cpv的存在，在连接到电网时存在漏电流，导致系统损耗增大和安全性问题；2.输出增益低；3.输出电平数量少。光伏板寄生电容Cpv的电压变化使光伏逆变器产生了漏电流，为消除漏电流，可通过逆变器输入端和输出端共地，使电容Cpv上的电压始终保持为零。输出电平数量少会导致输出电压THD较大，因此需要的滤波器体积大，从而导致系统功率密度较低。开关电容型逆变器的升压性能好，可输出多电平，且易于调节，常用于多电平拓扑结构中。因此本发明提出一种共地型开关电容多电平逆变器及其调制方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种共地型开关电容多电平逆变器及其调制方法。
实现本发明目的的技术方案为：一种共地型开关电容多电平逆变器，包括直流输入端、交流输出端Vo、开关电容基本单元(M1)以及开关电容可拓展单元(M2)。其中：
所述开关电容基本单元(M1)包括单向耐压功率开关管、双向耐压功率开关管以及电容C1、Cv。其中，单向耐压功率开关管包括第一功率开关管S11、第二功率开关管S12、第三功率开关管S1、第四功率开关管S2、第六功率开关管Sv1以及第八功率开关管Sv3；双向耐压功率开关管包括第五功率开关管S3和第七功率开关管Sv2。其中，第一功率开关管S11的阳极与直流输入端的正极连接，其阴极与电容C1的阳极连接；第二功率开关管S12的阳极连接于共地点G，其阴极连接电容C1的负极及第五功率开关管S3的阴极；第三功率开关管S1的阴极与第六功率开关管Sv1的阳极连接，其阳极与第四功率开关管S2和第八功率开关管Sv3的阳极、电容Cv的阳极连接；第八功率开关管Sv3的阴极与共地点G连接；第七功率开关管Sv2的阴极与电容Cv的负极以及第六功率开关管Sv1的阴极连接，其阳极与第四功率开关管S2的阴极、第五功率开关管S3的阳极连接；
所述开关电容可拓展单元(M2)包含三个端口，即端口a、端口b以及端口c。其中，a端口与开关电容基本单元(M1)中的电容C1正极连接；b端口与电容C1的负极连接；c端口与第三功率开关管S1的阴极连接。
进一步的，所述开关电容可拓展单元(M2)可为但不限于串并联型、级联型、阶梯型或者斐波那契型(Fibonacci)开关电容拓扑。
进一步的，所述单向耐压的功率开关管采用全控电力电子器件，可为但不限于金属氧化物半导体场效应管(MOSFECT)或者绝缘栅双极晶体管(IGBT)；所述双向耐压的功率开关管可为但不限于两个金属氧化物半导体场效应管(MOSFECT)共源极串联组成；
进一步的，所述开关电容基本单元(M1)的电容C1、Cv以及开关电容可拓展单元(M2)中的电容器可通过串并联方式输出交流电压。
其中，输出电压Vo正半波时，输出电压Vo等于输入电源电压Vin、开关电容基本单元(M1)输出电压以及开关电容可拓展单元(M2)输出电压之和；输出电压Vo负半波时，输出电压Vo等于开关电容基本单元(M1)输出电压以及开关电容可拓展单元(M2)输出电压之和；输出电压Vo为0时，第五功率开关管S3导通，为负载提供续流支路。
进一步的，所述的共地型开关电容多电平逆变器的工作模式，即在一个工作周期内电容的充放电状态可采用但不限于下表所述的工作模式。其中“C”代表电容处于充电状态，“D”代表电容处于放电状态，“--”代表电容处于闲置状态。
Figure BSA0000280735280000021
交流输出电压Vo＝0时，第五功率开关S3导通，为负载提供续流支路；开关电容可拓展单元(M2)端子c、a的输出电压Vca为Vin，串联输入电源Vin经过第一功率开关管S11、第二功率开关管S12、第三功率开关管S1、第五功率开关S3以及第七功率开关管Sv2为开关电容基本单元(M1)中的电容Cv充电至2Vin；电容C1与输入电源并联充电至Vin；
交流输出电压Vo＝Vin时，输入电源Vin经过开第一功率开关管S11、第三功率开关管S1以及第四功率开关管S2，向负载供电；
交流输出电压Vo＝2Vin时，开关电容可拓展单元(M2)端子c、a的输出电压Vca为Vin，与输入电源Vin串联，经过第一功率开关管S11、第三功率开关管S1以及第四功率开关管S2，向负载供电；
交流输出电压Vo＝3Vin时，开关电容可拓展单元(M2)端子c、a的输出电压Vca为0。输入电源Vin于电容Cv串联，经过第一功率开关管S11、第四功率开关管S2以及第六功率开关管Sv1，向负载供电；
交流输出电压Vo＝nVin时(n为任意正整数n＞3)，开关电容可拓展单元(M2)端子c、a的输出电压Vca为(n-3)Vin，与输入电源Vin以及电容Cv串联，经过第一功率开关管S11、第四功率开关管S2以及第六功率开关管Sv1，向负载供电；
交流输出电压Vo＝-Vin时，开关电容基本单元(M1)中的电容C1与电源并联充电，电容Cv与C1反向串联，经过第二功率开关管S12、第三功率开关管S1以及第七功率开关管Sv2，向负载输出电平-Vin；
交流输出电压Vo＝-2Vin时，开关电容可拓展单元(M2)端子c、a的输出电压Vca为Vin，与开关电容基本单元(M1)中的电容C1串联，经过第三功率开关管S1、第五功率开关管S3以及第八功率开关管Sv3，向负载输出电平-2Vin；
交流输出电压Vo＝-3Vin时，开关电容可拓展单元(M2)端子c、a的输出电压Vca为0。开关电容基本单元(M1)中的电容C1与电容Cv串联，经过第五功率开关管S3、第六功率开关管Sv1以及第八功率开关管Sv3，向负载输出电平-3Vin；
交流输出电压Vo＝-nVin时(n为任意正整数n＞3)，开关电容可拓展单元(M2)端子c、a的输出电压Vca为(n-3)Vin，与开关电容基本单元(M1)中的电容C1以及Cv串联，经过第五功率开关管S3、第六功率开关管Sv1以及第八功率开关管Sv3，向负载输出电平-nVin。
一种共地型开关电容多电平逆变器的调制方法，基于所述的共地型开关电容多电平逆变器，可通过特定调制方法控制开关电容基本单元(M1)和开关电容可拓展单元(M2)中的功率半导体器件的开通和关断，使逆变器产生多电平交流输出电压。所述共地型开关电容多电平逆变器可采用但不限于正弦脉宽调制(SPWM)、特定谐波消去法(SHE)、最近电平逼近法(NLC)实现调制，使逆变器产生多电平交流输出电压。
附图说明
图1是本发明实施例中逆变器的电路图；
图2是本发明实施例中逆变器使用串并联拓扑结构的电路图；
图3是本发明实施例中逆变器工作模态1的工作电流通路示意图；
图4是本发明实施例中逆变器工作模态2的工作电流通路示意图；
图5是本发明实施例中逆变器工作模态3的工作电流通路示意图；
图6是本发明实施例中逆变器工作模态4的工作电流通路示意图；
图7是本发明实施例中逆变器工作模态5的工作电流通路示意图；
图8是本发明实施例中逆变器工作模态6的工作电流通路示意图；
图9是本发明实施例中逆变器工作模态7的工作电流通路示意图；
图10是本发明实施例中逆变器工作模态8的工作电流通路示意图；
图11是本发明实施例中逆变器工作模态9的工作电流通路示意图；
图12是本发明实施例中漏电流波形图；
图13是本发明实施例中逆变器的输出电压波形图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，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。
如图1所示，一种共地型开关电容多电平逆变器，包括直流输入端、交流输出端Vo、开关电容基本单元(M1)以及开关电容可拓展单元(M2)。
所述开关电容基本单元(M1)包括单向耐压功率开关管，双向耐压功率开关管以及电容C1、Cv。其中，单向耐压功率开关管包括第一功率开关管S11、第二功率开关管S12、第三功率开关管S1、第四功率开关管S2、第六功率开关管Sv1以及第八功率开关管Sv3；双向耐压功率开关管包括第五功率开关管S3和第七功率开关管Sv2。所述单向耐压的功率开关管采用全控电力电子器件，可为但不限于金属氧化物半导体场效应管(MOSFECT)或者绝缘栅双极晶体管(IGBT)等可控开关器件，做如下定义：单向耐压的功率开关管承受电压应力的正极一侧为阳极，承受电压应力的负极一侧为阴极；所述双向耐压的功率开关管可为但不限于两个金属氧化物半导体场效应管(MOSFECT)共源极串联组成的双向耐压可控开关器件，做如下定义：双向耐压的第五功率开关管S3和第七功率开关管Sv2和S3连接的一侧为S3和Sv2的阳极，双向耐压的第五功率开关管S3与电容C1负极连接的一侧为阴极，双向耐压的第七功率开关管Sv2与电容Cv负极连接的一侧为阴极；
所述开关电容可拓展单元(M2)所用开关器件可为但不限于为金属氧化物半导体场效应管(MOSFECT)、绝缘栅双极晶体管(IGBT)或者二极管。
所述开关电容基本单元(M1)中，第一功率开关管S11的阳极与直流输入端的正极连接，其阴极与电容C1的阳极连接；第二功率开关管S12的阳极连接于共地点G，其阴极连接电容C1的负极及第五功率开关管S3的阴极；第三功率开关管S1的阴极与第六功率开关管Sv1的阳极连接，其阳极与第四功率开关管S2和第八功率开关管Sv3的阳极、电容Cv的阳极连接；第八功率开关管Sv3的阴极与共地点G连接；第七功率开关管Sv2的阴极与电容Cv的负极以及第六功率开关管Sv1的阴极连接，其阳极与第四功率开关管S2的阴极、第五功率开关管S3的阳极连接；
所述开关电容可拓展单元(M2)包含三个端口，即端口a、端口b以及端口c。其中，a端口与开关电容基本单元(M1)中的电容C1正极连接；b端口与电容C1的负极连接；c端口与第三功率开关管S1的阴极连接。
所述开关电容可拓展单元(M2)可为但不限于串并联型、级联型、阶梯型或者斐波那契型(Fibonacci)开关电容拓扑。
所述单向耐压的功率开关管采用全控电力电子器件，可为但不限于金属氧化物半导体场效应管(MOSFECT)或者绝缘栅双极晶体管(IGBT)；所述双向耐压的功率开关管可为但不限于两个金属氧化物半导体场效应管(MOSFECT)共源极串联组成；
所述开关电容基本单元(M1)的电容C1、Cv以及开关电容可拓展单元(M2)中的电容器可通过串并联方式输出交流电压。
其中，输出电压Vo正半波时，输出电压Vo等于输入电源电压Vin、开关电容基本单元(M1)输出电压以及开关电容可拓展单元(M2)输出电压之和；输出电压Vo负半波时，输出电压Vo等于开关电容基本单元(M1)输出电压以及开关电容可拓展单元(M2)输出电压之和；输出电压Vo为0时，第五功率开关管S3导通，为负载提供续流支路。
所述的共地型开关电容多电平逆变器的工作模式，即在一个工作周期内电容的充放电状态可采用但不限于下表所述的工作模式。其中“C”代表电容处于充电状态，“D”代表电容处于放电状态，“--”代表电容处于闲置状态。
Figure BSA0000280735280000061
交流输出电压Vo＝0时，第五功率开关S3导通，为负载提供续流支路；开关电容可拓展单元(M2)端子c、a的输出电压Vca为Vin，串联输入电源Vin经过第一功率开关管S11、第二功率开关管S12、第三功率开关管S1、第五功率开关S3以及第七功率开关管Sv2为开关电容基本单元(M1)中的电容Cv充电至2Vin；电容C1与输入电源并联充电至Vin；
交流输出电压Vo＝Vin时，输入电源Vin经过开第一功率开关管S11、第三功率开关管S1以及第四功率开关管S2，向负载供电；
交流输出电压Vo＝2Vin时，开关电容可拓展单元(M2)端子c、a的输出电压Vca为Vin，与输入电源Vin串联，经过第一功率开关管S11、第三功率开关管S1以及第四功率开关管S2，向负载供电；
交流输出电压Vo＝3Vin时，开关电容可拓展单元(M2)端子c、a的输出电压Vca为0。输入电源Vin于电容Cv串联，经过第一功率开关管S11、第四功率开关管S2以及第六功率开关管Sv1，向负载供电；
交流输出电压Vo＝nVin时(n为任意正整数n＞3)，开关电容可拓展单元(M2)端子c、a的输出电压Vca为(n-3)Vin，与输入电源Vin以及电容Cv串联，经过第一功率开关管S11、第四功率开关管S2以及第六功率开关管Sv1，向负载供电；
交流输出电压Vo＝-Vin时，开关电容基本单元(M1)中的电容C1与电源并联充电，电容Cv与C1反向串联，经过第二功率开关管S12、第三功率开关管S1以及第七功率开关管Sv2，向负载输出电平-Vin；
交流输出电压Vo＝-2Vin时，开关电容可拓展单元(M2)端子c、a的输出电压Vca为Vin，与开关电容基本单元(M1)中的电容C1串联，经过第三功率开关管S1、第五功率开关管S3以及第八功率开关管Sv3，向负载输出电平-2Vin；
交流输出电压Vo＝-3Vin时，开关电容可拓展单元(M2)端子c、a的输出电压Vca为0。开关电容基本单元(M1)中的电容C1与电容Cv串联，经过第五功率开关管S3、第六功率开关管Sv1以及第八功率开关管Sv3，向负载输出电平-3Vin；
交流输出电压Vo＝-nVin时(n为任意正整数n＞3)，开关电容可拓展单元(M2)端子c、a的输出电压Vca为(n-3)Vin，与开关电容基本单元(M1)中的电容C1以及Cv串联，经过第五功率开关管S3、第六功率开关管Sv1以及第八功率开关管Sv3，向负载输出电平-nVin。
一种共地型开关电容多电平逆变器的调制方法，基于所述的共地型开关电容多电平逆变器，可通过特定调制方法控制开关电容基本单元(M1)和开关电容可拓展单元(M2)中的功率半导体器件的开通和关断，使逆变器产生多电平交流输出电压。所述共地型开关电容多电平逆变器可采用但不限于正弦脉宽调制(SPWM)、特定谐波消去法(SHE)、最近电平逼近法(NLC)实现调制，使逆变器产生多电平交流输出电压。
综上所述，本发明具有多电平输出、高增益、共地型结构、输出增益和可拓展的特点，消除了系统的漏电流，实现了交流侧更低的电压谐波和更优的电能质量。本发明可用于近几年研究火热的电动汽车、光伏并网发电和分布式发电系统的DC-AC变换器中。
实施例
为了验证本发明方案的有效性，进行如下仿真实验。
本实施例中，输入电压Vin为100V，负载Zo为100Q，输出频率fo为50HZ，输出功率为480W。电容C1＝C2＝Cv＝2200μF。使用的功率开关管均为金属氧化物半导体场效应管(MOSFECT)。采用正弦脉宽调制方式(SPWM)，其调制度为0.79。
如图2所示，开关电容可拓展单元(M2)采用串并联型开关电容拓扑结构，为了使描述简洁，仅采用一个开关电容单元，由电容C2和第九功率开关管S21、第十功率开关管S22及第十一功率开关管S23组成。第九功率开关管S21的漏极和第十一功率开关管S23的源极与开关电容基本单元(M1)中的电容C1的正极连接；第十一功率开关管S23的漏极连接于电容C2的正极以及开关电容基本单元(M1)中第三功率开关管S1的源极；第九功率开关管S21的源极和第十功率开关管S22的漏极连接于电容C2的负极；
开关电容基本单元(M1)中，第一功率开关管S11的漏极与直流输入端的正极连接，其源极与电容C1的正极连接；第二功率开关管S12的漏极连接于共地点G，其源极连接电容C1的负极及第五功率开关管S3的源极；第三功率开关管S1的源极与第六功率开关管Sv1的漏极连接，其漏极与第四功率开关管S2的漏极和第八功率开关管Sv3的阳极、电容Cv的正极连接；第八功率开关管Sv3的阴极与共地点G连接；第七功率开关管Sv2的阴极与电容Cv的负极以及第六功率开关管Sv1的阴极连接，其阳极与第四功率开关管S2的源极、第五功率开关管S3的漏极连接；
逆变器的交流输出Vo连接负载Zo，其负极连接于共地点G，其正极与第四功率开关管S2的源极、第七功率开关管Sv2及第五功率开关管S3的阳极连接。
基于所使用的串并联型结构，通过电源和电容的串并联转换，逆变器可以在使用少量器件的情况下使交流输出Vo的负载Zo获得如下电平：
Vo：0、±Vin、±2Vin、±3Vin、±4Vin；
图3～图11分别为逆变器九种工作模态的工作电流通路，两种不同的虚线分别表示所述共地型开关电容多电平逆变器的充电回路和放电回路，被虚化的器件表示该器件没有工作，逆变器的工作模态如下：
工作模态1：控制第一功率开关管S11、第二功率开关管S12、第三功率开关管S1、第五功率开关管S3导通、第七功率开关管Sv2以及第九功率开关管S21导通，控制其余开关器件关断。电容C1与电源Vin并联，处于充电状态，其充电电压为Vin。电源Vin与电容C2串联，向电容Cv充电，其充电电压为2Vin。逆变器的输出为：Vo＝0，工作电流通路如图3所示。
工作模态2：控制第一功率开关管S11、第二功率开关管S12、第三功率开关管S1、第四功率开关管S2、第十功率开关管S22以及第十一功率开关管S23导通，控制其余开关器件关断。电容C1和C2与电源Vin并联，处于充电状态，其充电电压为Vin。电容Cv既不充电也不放电，处于闲置状态。电源Vin放电到负载Zo，逆变器的输出为：Vo＝Vin，工作电流通路如图4所示。
工作模态3：控制第一功率开关管S11、第二功率开关管S12、第三功率开关管S1、第四功率开关管S2以及第九功率开关管S21导通，控制其余开关器件关断。电容C1与电源Vin并联，处于充电状态，其充电电压为Vin。电源Vin和电容C2串联放电到负载Zo，逆变器的输出为：Vo＝2Vin，工作电流通路如图5所示。
工作模态4：控制第一功率开关管S11、第二功率开关管S12、第四功率开关管S2、第六功率开关管Sv1、第十功率开关管S22以及第十一功率开关管S23导通，控制其余开关器件关断。电容C1和C2与电源Vin并联，处于充电状态，其充电电压为Vin。电源Vin和电容Cv串联放电到负载Zo，逆变器的输出为：Vo＝3Vin，工作电流通路如图6所示。
工作模态5：控制第一功率开关管S11、第二功率开关管S12、第四功率开关管S2导通、第六功率开关管Sv1以及第九功率开关管S21，控制其余开关器件关断。电容C1与电源Vin并联，处于充电状态，其充电电压为Vin。电源Vin、电容C1和电容Cv串联放电到负载Zo，逆变器的输出为：Vo＝4Vin，工作电流通路如图7所示。
工作模态6：控制第一功率开关管S11、第二功率开关管S12、第三功率开关管S1、第七功率开关管Sv2、第十功率开关管S22以及第十一功率开关管S23、导通，控制其余开关器件关断。电容C1和C2与电源Vin并联，处于充电状态，其充电电压为Vin。电容Cv和电源反向串联放电到负载Zo，逆变器的输出为：Vo＝-VCv+Vin＝-Vin，工作电流通路如图8所示。
工作模态7：控制第三功率开关管S1、第五功率开关管S3、第八功率开关管Sv3以及第九功率开关管S21导通，控制其余开关器件关断。电容C1、C2串联放电到负载Zo，逆变器的输出为Vo＝-2Vin，工作电流通路如图9所示。
工作模态8：控制第五功率开关管S3、第六功率开关管Sv1、第八功率开关管Sv3、第十功率开关管S22以及第十一功率开关管S23导通，控制其余开关器件关断。电容C1、C2并联后与电容Cv串联放电到负载Zo，逆变器的输出为：Vo＝-3Vin，工作电流通路如图10所示。
工作模态9：控制第五功率开关管S3、第六功率开关管Sv1、第八功率开关管Sv3以及第九功率开关管S21导通，控制其余开关器件关断。电容C1、C2和Cv串联放电到负载Zo，逆变器的输出为：Vo＝-4Vin，工作电流通路如图11所示。
利用PSIM仿真得到以下结果。图12为漏电流波形，电流显示为零，验证了该拓扑的共地特性可消除漏电流。图13为输出电压波形，方均根值为220V，输出频率为50Hz，符合理论分析，该结构具有一定的升压能力，验证了该结构的可行性。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (6)

1.一种共地型开关电容多电平逆变器，其特征在于，包括直流输入端、交流输出端、开关电容基本单元(M1)以及开关电容可拓展单元(M2)。其中：
所述开关电容基本单元(M1)包括单向耐压功率开关管，双向耐压功率开关管以及电容C1、Cv。其中第一功率开关管S11、第二功率开关管Si2、第三功率开关管S1、第四功率开关管S2、第六功率开关管Sv1以及第八功率开关管Sv3为单向耐压的功率开关管；第五功率开关管S3和第七功率开关管Sv2为双向耐压的功率开关管。第一功率开关管S11的阳极与直流输入端的正极连接，其阴极与电容C1的阳极连接；第二功率开关管S12的阳极连接于共地点G，其阴极连接电容C1的负极及第五功率开关管S3的阴极；第三功率开关管S1的阴极与第六功率开关管Sv1的阳极连接，其阳极与第四功率开关管S2和第八功率开关管Sv3的阳极、电容Cv的阳极连接；第八功率开关管Sv3的阴极与共地点G连接；第七功率开关管Sv2的阴极与电容Cv的负极以及第六功率开关管Sv1的阴极连接，其阳极与第四功率开关管S2的阴极、第五功率开关管S3的阳极连接；
所述开关电容可拓展单元(M2)包含三个端口，即端口a、端口b以及端口c。其中，a端口与开关电容基本单元(M1)中的电容C1正极连接；b端口与电容C1的负极连接；c端口与第三功率开关管S1的阴极连接。
2.根据权利要求1所述的共地型开关电容多电平逆变器，其特征在于，所述开关电容可拓展单元(M2)可为但不限于串并联型、级联型、阶梯型或者斐波那契型(Fibonacci)开关电容拓扑。
3.根据权利要求1所述的共地型开关电容多电平逆变器，其特征在于，所述单向耐压的功率开关管采用全控电力电子器件，可为但不限于金属氧化物半导体场效应管(MOSFECT)或者绝缘栅双极晶体管(IGBT)；所述双向耐压的功率开关管可为但不限于两个金属氧化物半导体场效应管(MOSFECT)共源极串联组成。
4.根据权利要求1所述的共地型开关电容多电平逆变器，其特征在于，所述开关电容基本单元(M1)的电容C1、Cv以及开关电容可拓展单元(M2)中的电容器可通过串并联方式输出交流电压。
其中，输出电压Vo正半波时，输出电压Vo等于输入电源电压Vin、开关电容基本单元(M1)输出电压以及开关电容可拓展单元(M2)输出电压之和；输出电压Vo负半波时，输出电压Vo等于开关电容基本单元(M1)输出电压以及开关电容可拓展单元(M2)输出电压之和；输出电压Vo为0时，第五功率开关管S3导通，为负载提供续流支路。
5.根据权利要求4所述的共地型开关电容多电平逆变器的工作模式，其特征在于，在一个工作周期内，电容的充放电状态可采用但不限于下表所述的工作模式。其中“C”代表电容处于充电状态，“D”代表电容处于放电状态，“--”代表电容处于闲置状态。
Figure FSA0000280735270000021
交流输出电压Vo＝0时，第五功率开关S3导通，为负载提供续流支路；开关电容可拓展单元(M2)端子c、a的输出电压Vca为Vin，串联输入电源Vin经过第一功率开关管S11、第二功率开关管S12、第三功率开关管S1、第五功率开关S3以及第七功率开关管Sv2为开关电容基本单元(M1)中的电容Cv充电至2Vin；电容C1与输入电源并联充电至Vin；
交流输出电压Vo＝Vin时，输入电源Vin经过开第一功率开关管S11、第三功率开关管S1以及第四功率开关管S2，向负载供电；
交流输出电压Vo＝2Vin时，开关电容可拓展单元(M2)端子c、a的输出电压Vca为Vin，与输入电源Vin串联，经过第一功率开关管S11、第三功率开关管S1以及第四功率开关管S2，向负载供电；
交流输出电压Vo＝3Vin时，开关电容可拓展单元(M2)端子c、a的输出电压Vca为0。输入电源Vin于电容Cv串联，经过第一功率开关管S11、第四功率开关管S2以及第六功率开关管Sv1，向负载供电；
交流输出电压Vo＝nVin时(n为任意正整数n＞3)，开关电容可拓展单元(M2)端子c、a的输出电压Vca为(n-3)Vin，与输入电源Vin以及电容Cv串联，经过第一功率开关管S11、第四功率开关管S2以及第六功率开关管Sv1，向负载供电；
交流输出电压Vo＝-Vin时，开关电容基本单元(M1)中的电容C1与电源并联充电，电容Cv与C1反向串联，经过第二功率开关管S12、第三功率开关管S1以及第七功率开关管Sv2，向负载输出电平-Vin；
交流输出电压Vo＝-2Vin时，开关电容可拓展单元(M2)端子c、a的输出电压Vca为Vin，与开关电容基本单元(M1)中的电容C1串联，经过第三功率开关管S1、第五功率开关管S3以及第八功率开关管Sv3，向负载输出电平-2Vin；
交流输出电压Vo＝-3Vin时，开关电容可拓展单元(M2)端子c、a的输出电压Vca为0。开关电容基本单元(M1)中的电容C1与电容Cv串联，经过第五功率开关管S3、第六功率开关管Sv1以及第八功率开关管Sv3，向负载输出电平-3Vin；
交流输出电压Vo＝-nVin时(n为任意正整数n＞3)，开关电容可拓展单元(M2)端子c、a的输出电压Vca为(n-3)Vin，与开关电容基本单元(M1)中的电容C1以及Cv串联，经过第五功率开关管S3、第六功率开关管Sv1以及第八功率开关管Sv3，向负载输出电平-nVin。
6.一种共地型开关电容多电平逆变器的调制方法，其特征在于，基于权利要求1-5所述的共地型开关电容多电平逆变器，可通过特定调制方法控制开关电容基本单元(M1)和开关电容可拓展单元(M2)中的功率半导体器件的开通和关断，使逆变器产生多电平交流输出电压。所述共地型开关电容多电平逆变器可采用但不限于正弦脉宽调制(SPWM)、特定谐波消去法(SHE)、最近电平逼近法(NLC)实现调制，使逆变器产生多电平交流输出电压。
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