CN204119075U - 逆变单元及逆变器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种逆变单元及逆变器。该逆变单元，包括母线电容C₁、母线电容C₂、三电平模块和H桥模块，母线电容C₁和母线电容C₂串联，且母线电容C₁的正极端与直流电源的正极端连接，母线电容C₂的负极端与直流电源的负极端连接，母线电容C₁、母线电容C₂的正极端和负极端均与三电平模块的输入端连接；H桥模块的晶体管S₁的集电极、晶体管S₃的发射极均与三电平模块的输出端连接；母线电容C₁、母线电容C₂和飞跨电容C_ph两端的电压值均为V_dc/2，V_dc为直流电源两端的电压值。相应地，提供包括所述逆变单元的逆变器。本实用新型所述逆变器不需采用数量较多的箝位二极管和数量较多的独立直流电源，且控制简单。

Description

逆变单元及逆变器

技术领域

本实用新型涉及电力电子技术领域，具体涉及一种逆变单元及包括所述逆变单元的逆变器。

背景技术

随着传统能源的日益减少，电力系统正面临巨大的变革。光伏发电、风力发电等技术因具有不消耗燃料、无噪声、无污染和可持续性发展等优势已经成为未来电力系统的发展方向。

并网逆变器作为光伏发电系统与电网接口的核心设备，对其结构与控制方法的研究在提高电力系统的发电效率、降低成本等方面具有极其重要的意义。其中，多电平逆变器因具有输出电压谐波小、电磁干扰小，能提高电源质量，减小滤波器体积和控制产生的高次谐波等诸多优势，广泛应用于高压大功率场合。但是，由于现有的二极管钳位型五电平逆变器需要采用数量较多的箝位二极管，现有的电容飞跨型五电平逆变器控制复杂，现有的H桥级联型五电平逆变器需要采用数量较多的独立直流电源(其中每个H桥模块都需要采用独立的直流电源)，因而抑制了五电平逆变器在实际生产中的推广和使用。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是针对现有技术中所存在的上述缺陷，提供一种不需采用数量较多的箝位二极管和数量较多的独立直流电源，且控制简单的逆变单元及包括所述逆变单元的逆变器。

解决本实用新型技术问题所采用的技术方案是：

所述逆变单元包括母线电容C₁、母线电容C₂、三电平模块和H桥模块，所述H桥模块包括晶体管S₁及与其反向并联的二极管D₁、晶体管S₂及与其反向并联的二极管D₂、晶体管S₃及与其反向并联的二极管D₃、晶体管S₄及与其反向并联的二极管D₄，和飞跨电容C_ph，

所述母线电容C₁和母线电容C₂串联，且母线电容C₁的正极端与直流电源的正极端连接，母线电容C₂的负极端与直流电源的负极端连接，母线电容C₁、母线电容C₂的正极端和负极端均与三电平模块的输入端连接；

在所述H桥模块中，所述晶体管S₁的集电极和晶体管S₃的发射极连接，所述晶体管S₁的发射极、飞跨电容C_ph的正极端和晶体管S₂的发射极连接，所述晶体管S₃的集电极、飞跨电容C_ph的负极端和晶体管S₄的集电极连接，所述晶体管S₂的集电极和晶体管S₄的发射极均与交流输出节点连接，且晶体管S₁的集电极和晶体管S₃的发射极均与三电平模块的输出端连接；

所述母线电容C₁、母线电容C₂和飞跨电容C_ph两端的电压值均为V_dc/2，且V_dc为所述直流电源两端的电压值。

本实用新型还提供一种逆变器，包括三相逆变单元，每相逆变单元均采用上述逆变单元。

有益效果：

本实用新型所述逆变器在单相和多相应用时，与现有技术相比，采用的半导体元器件较少，尤其采用的箝位二极管数量较少(甚至可以不采用)，而且只需采用一个独立的直流电源，因而极大地减小了逆变器的体积和成本，同时也降低了逆变器的损耗，提高了逆变器的效率；

本实用新型所述逆变器的控制方式简单、易行，利于推广和使用。

附图说明

图1为本实用新型实施例1所述逆变单元的结构示意图；

图2为本实用新型实施例1所述逆变单元的扩展结构示意图；

图3为本实用新型实施例2所述逆变单元的拓扑结构图；

图4至图13依次为图3所示逆变单元处于第一工作模态至第十工作模态的等效电路图；

其中，图4至图13的A图对应电流由逆变单元流向交流负载，图4至图13的B图对应电流由交流负载流向逆变单元；

图14为本实用新型实施例2所述逆变器的三相拓扑结构图；

图15为本实用新型实施例3所述逆变单元的拓扑结构图；

图16为本实用新型实施例3所述逆变器的三相拓扑结构图；

图17为本实用新型实施例4所述逆变单元的拓扑结构图；

图18为本实用新型实施例4所述逆变器的三相拓扑结构图。

具体实施方式

为使本领域技术人员更好地理解本实用新型的技术方案，下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步详细描述。

实施例1：

如图1所示，本实施例提供一种逆变单元，其包括母线电容C₁、母线电容C₂、三电平模块和H桥模块。

其中，所述H桥模块包括晶体管S₁及与其反向并联的二极管D₁、晶体管S₂及与其反向并联的二极管D₂、晶体管S₃及与其反向并联的二极管D₃、晶体管S₄及与其反向并联的二极管D₄，和飞跨电容C_ph；

所述母线电容C₁和母线电容C₂串联，且母线电容C₁的正极端与直流电源E的正极端连接，母线电容C₂的负极端与直流电源E的负极端连接，母线电容C₁、母线电容C₂的正极端和负极端均与三电平模块的输入端(即图1中的“in”)连接；

在所述H桥模块中，所述晶体管S₁的集电极和晶体管S₃的发射极连接，所述晶体管S₁的发射极、飞跨电容C_ph的正极端和晶体管S₂的发射极连接，所述晶体管S₃的集电极、飞跨电容C_ph的负极端和晶体管S₄的集电极连接，所述晶体管S₂的集电极和晶体管S₄的发射极均与交流输出节点A连接，或者说，晶体管S₂的集电极和晶体管S₄的发射极的连接节点即为交流输出节点A，且晶体管S₁的集电极和晶体管S₃的发射极均与三电平模块的输出端(即图1中的“out”)连接；

所述母线电容C₁、母线电容C₂和飞跨电容C_ph两端的电压值均为V_dc/2，且V_dc为直流电源E两端的电压值。

本实施例中，所述三电平模块可采用现有的能输出三种电压值的电路模块，其结构和连接关系均属于本领域的公知常识，不再赘述。

优选地，本实施例中所采用的晶体管均为绝缘栅双极型晶体管。

本实施例中所采用的每个晶体管及与其反向并联的二极管可只采用一组(如图1所示)。优选地，本实施例中所采用的每个晶体管及与其反向并联的二极管也可采用至少两组，且该至少两组晶体管及与其反向并联的二极管采用串联和/或并联的连接方式，当该至少两组晶体管及与其反向并联的二极管依次串联时，可使所述逆变单元实现更高的电压输出，进而能够应用于中、高压领域。这里，至少两组晶体管及与其反向并联的二极管串联和/或并联指的是，该至少两组晶体管及与其反向并联的二极管依次串联，或者该至少两组晶体管及与其反向并联的二极管之间均并联，或者某些组晶体管及与其反向并联的二极管并联后再与其余组晶体管及与其反向并联的二极管串联。

本实施例中所采用的母线电容C₁、母线电容C₂、飞跨电容C_ph可分别只采用一个电容(如图1所示)。优选地，本实施例中所采用的母线电容C₁、母线电容C₂、飞跨电容C_ph也可分别由至少两个子电容串联和/或并联组成，以满足实际工程应用。这里，至少两个子电容串联和/或并联指的是，该至少两个子电容依次串联，或者该至少两个子电容之间均并联，或者某些子电容并联后再与其余子电容串联。例如，母线电容C₁包括四个子电容，分别为子电容C₁₁至子电容C₁₄，可使该四个子电容依次串联，或者使该四个子电容并联，或者使子电容C₁₁和子电容C₁₂并联，子电容C₁₃和子电容C₁₄并联，且并联后的子电容C₁₁和子电容C₁₂再与并联后的子电容C₁₃和子电容C₁₄串联，或者使子电容C₁₁、子电容C₁₂和子电容C₁₃并联后再与子电容C₁₄串联，等等。

本实施例还提供一种逆变单元的控制方法，该控制方法为：对上述逆变单元中的各个半导体元器件进行导通或关断控制，以使所述逆变单元的输出电压值分别为V_dc、V_dc/2、0、-V_dc/2和-V_dc，所述逆变单元的输出电压值为所述交流输出节点与中性点之间的电压差。也就是说，上述逆变单元为五电平逆变单元。

进一步地，所述逆变单元中的H桥模块不仅可采用一个(如图1所示)，还可采用至少两个，该至少两个H桥模块依次串联(如图2所示)，且这些串联的H桥模块具有两个端头，可见，图2所示逆变单元为图1所示逆变单元的扩展结构。该至少两个H桥模块依次为图2中的H桥模块1、...、H桥模块n，且n取大于或等于2的整数，其中位于一个端头处的H桥模块(即图2中的H桥模块1)的晶体管S₁的集电极和晶体管S₃的发射极均与三电平模块的输出端连接，位于另一个端头处的H桥模块(即图2中的H桥模块n)的晶体管S₂的集电极和晶体管S₄的发射极均与交流输出节点A连接，其余的每个H桥模块的晶体管S₁的集电极和晶体管S₃的发射极均与其串联的前一个H桥模块的晶体管S₂的集电极、晶体管S₄的发射极连接，每个H桥模块的晶体管S₂的集电极和晶体管S₄的发射极均与其串联的后一个H桥模块的晶体管S₁的集电极、晶体管S₃的发射极连接。这里，对于“H桥模块”及与其“串联的前一个H桥模块”来说，该“串联的前一个H桥模块”相对于该“H桥模块”更接近于三电平模块，例如，该“串联的前一个H桥模块”为图2中的H桥模块1，该“H桥模块”为图2中的H桥模块2；对于“H桥模块”及与其“串联的后一个H桥模块”来说，该“串联的后一个H桥模块”相对于该“H桥模块”更接近于交流输出节点A，例如，该“串联的后一个H桥模块”为图2中的H桥模块2，该“H桥模块”为图2中的H桥模块1。

本实施例还提供一种逆变器，包括三相逆变单元，其中每相逆变单元均采用上述逆变单元(可以为只采用一个H桥模块的逆变单元，也可以为采用至少两个H桥模块的逆变单元)。

实施例2：

本实施例提供一种逆变单元，包括母线电容C₁、母线电容C₂、三电平模块和H桥模块，其中的三电平模块为图3所示的T型三电平模块1。

具体地，该T型三电平模块1包括晶体管S₅及与其反向并联的二极管D₅、晶体管S₆及与其反向并联的二极管D₆、晶体管S₇及与其反向并联的二极管D₇，和晶体管S₈及与其反向并联的二极管D₈。

所述晶体管S₆的集电极分别与母线电容C₁的负极端和母线电容C₂的正极端连接，所述晶体管S₆的发射极与晶体管S₇的发射极连接，所述晶体管S₅的集电极与母线电容C₁的正极端连接，所述晶体管S₈的发射极与母线电容C₂的负极端连接，所述晶体管S₅的发射极、晶体管S₇的集电极和晶体管S₈的集电极均与H桥模块的晶体管S₁的集电极、晶体管S₃的发射极连接。这里，晶体管S₅的集电极、晶体管S₆的集电极和晶体管S₈的发射极为所述T型三电平模块1的输入端，晶体管S₅的发射极、晶体管S₇的集电极和晶体管S₈的集电极的连接节点为所述T型三电平模块1的输出端。

需要说明的是，本实施例所述逆变单元中的其它元器件，如母线电容C₁、母线电容C₂和H桥模块，其连接关系及构成均与实施例1相同，不再赘述。

本实施例还提供上述逆变单元的控制方法，该控制方法为：对所述逆变单元的晶体管S₁至晶体管S₈中的任意多个进行导通或关断控制，以使所述逆变单元的输出电压值分别为V_dc、V_dc/2、0、-V_dc/2和-V_dc。也就是说，本实施例提供的逆变单元为五电平逆变单元，与现有技术相比，只需采用一个独立的直流电源E，不需要采用箝位二极管，使得本实施例所述五电平逆变单元及其组成的五电平逆变器中的半导体元器件较少、体积较小、成本较低，同时损耗较小、效率较高。需要说明的是，在本实施例以及下述各实施例中，对逆变单元中各晶体管的导通或关断控制可采用现有的具有控制功能的芯片或电路模块实现，这属于本领域的公知常识，不再赘述。

下面结合图4至图13描述上述五电平逆变单元的具体控制方法，以使所述五电平逆变单元的输出电压U_AO的值分别为V_dc、V_dc/2、0、-V_dc/2和-V_dc，其中U_AO表示所述五电平逆变单元中的交流输出节点A与中性点O之间的电压差。

如图4所示，所述五电平逆变单元处于第一工作模态：

控制晶体管S₂、晶体管S₃和晶体管S₅导通，并控制其余晶体管关断。如果电流由逆变单元流向交流负载(即由逆变单元流向交流输出节点A)，则如图4A所示，电流的路径为：母线电容C₁的正极端→晶体管S₅→二极管D₃→飞跨电容C_ph→二极管D₂→交流输出节点A，此时，所述五电平逆变单元的输出电压U_AO的值为V_dc；如果电流由交流负载流向逆变单元(即由交流输出节点A流向逆变单元)，则如图4B所示，电流的路径为：交流输出节点A→晶体管S₂→飞跨电容C_ph→晶体管S₃→二极管D₅→母线电容C₁的正极端。

如图5所示，所述五电平逆变单元处于第二工作模态：

控制所述逆变单元的晶体管S₂、晶体管S₃、晶体管S₆和晶体管S₇导通，并控制其余晶体管关断。如果电流由逆变单元流向交流负载，则如图5A所示，电流的路径为：母线电容C₁的负极端→晶体管S₆→二极管D₇→二极管D₃→飞跨电容C_ph→二极管D₂→交流输出节点A，此时，所述五电平逆变单元的输出电压U_AO的值为V_dc/2；如果电流由交流负载流向逆变单元，则如图5B所示，电流的路径为：交流输出节点A→晶体管S₂→飞跨电容C_ph→晶体管S₃→晶体管S₇→二极管D₆→母线电容C₁的负极端。

如图6所示，所述五电平逆变单元处于第三工作模态：

控制所述逆变单元的晶体管S₃、晶体管S₄和晶体管S₅导通，并控制其余晶体管关断。如果电流由逆变单元流向交流负载，则如图6A所示，电流的路径为：母线电容C₁的正极端→晶体管S₅→二极管D₃→晶体管S₄→交流输出节点A，此时，所述五电平逆变单元的输出电压U_AO的值为V_dc/2；如果电流由交流负载流向逆变单元，则如图6B所示，电流的路径为：交流输出节点A→二极管D₄→晶体管S₃→二极管D₅→母线电容C₁的正极端。

如图7所示，所述五电平逆变单元处于第四工作模态：

控制所述逆变单元的晶体管S₁、晶体管S₂和晶体管S₅导通，并控制其余晶体管关断。如果电流由逆变单元流向交流负载，则如图7A所示，电流的路径为：母线电容C₁的正极端→晶体管S₅→晶体管S₁→二极管D₂→交流输出节点A，此时，所述五电平逆变单元的输出电压U_AO的值为V_dc/2；如果电流由交流负载流向逆变单元，则如图7B所示，电流的路径为：交流输出节点A→晶体管S₂→二极管D₁→二极管D₅→母线电容C₁的正极端。

如图8所示，所述五电平逆变单元处于第五工作模态：

控制所述逆变单元的晶体管S₃、晶体管S₄、晶体管S₆和晶体管S₇导通，并控制其余晶体管关断。如果电流由逆变单元流向交流负载，则如图8A所示，电流的路径为：母线电容C₁的负极端→晶体管S₆→二极管D₇→二极管D₃→晶体管S₄→交流输出节点A，此时，所述五电平逆变单元的输出电压U_AO的值为0；如果电流由交流负载流向逆变单元，则如图8B所示，电流的路径为：交流输出节点A→二极管D₄→晶体管S₃→晶体管S₇→二极管D₆→母线电容C₁的负极端。

如图9所示，所述五电平逆变单元处于第六工作模态：

控制所述逆变单元的晶体管S₁、晶体管S₂、晶体管S₆和晶体管S₇导通，并控制其余晶体管关断。如果电流由逆变单元流向交流负载，则如图9A所示，电流的路径为：母线电容C₁的负极端→晶体管S₆→二极管D₇→晶体管S₁→二极管D₂→交流输出节点A，此时，所述五电平逆变单元的输出电压U_AO的值为0；如果电流由交流负载流向逆变单元，则如图9B所示，电流的路径为：交流输出节点A→晶体管S₂→二极管D₁→晶体管S₇→二极管D₆→母线电容C₁的负极端。

如图10所示，所述五电平逆变单元处于第七工作模态：

控制所述逆变单元的晶体管S₁、晶体管S₄、晶体管S₆和晶体管S₇导通，并控制其余晶体管关断。如果电流由逆变单元流向交流负载，则如图10A所示，电流的路径为：母线电容C₁的负极端→晶体管S₆→二极管D₇→晶体管S₁→飞跨电容C_ph→晶体管S₄→交流输出节点A，此时，所述五电平逆变单元的输出电压U_AO的值为-V_dc/2；如果电流由交流负载流向逆变单元，则如图10B所示，电流的路径为：交流输出节点A→二极管D₄→飞跨电容C_ph→二极管D₁→晶体管S₇→二极管D₆→母线电容C₁的负极端。

如图11所示，所述五电平逆变单元处于第八工作模态：

控制所述逆变单元的晶体管S₃、晶体管S₄和晶体管S₈导通，并控制其余晶体管关断。如果电流由逆变单元流向交流负载，则如图11A所示，电流的路径为：母线电容C₂的负极端→二极管D₈→二极管D₃→晶体管S₄→交流输出节点A，此时，所述五电平逆变单元的输出电压U_AO的值为-V_dc/2；如果电流由交流负载流向逆变单元，则如图11B所示，电流的路径为：交流输出节点A→二极管D₄→晶体管S₃→晶体管S₈→母线电容C₂的负极端。

如图12所示，所述五电平逆变单元处于第九工作模态：

控制所述逆变单元的晶体管S₁、晶体管S₂和晶体管S₈导通，并控制其余晶体管关断。如果电流由逆变单元流向交流负载，则如图12A所示，电流的路径为：母线电容C₂的负极端→二极管D₈→晶体管S₁→二极管D₂→交流输出节点A，此时，所述五电平逆变单元的输出电压U_AO的值为-V_dc/2；如果电流由交流负载流向逆变单元，则如图12B所示，电流的路径为：交流输出节点A→晶体管S₂→二极管D₁→晶体管S₈→母线电容C₂的负极端。

如图13所示，所述五电平逆变单元处于第十工作模态：

控制所述逆变单元的晶体管S₁、晶体管S₄和晶体管S₈导通，并控制其余晶体管关断。如果电流由逆变单元流向交流负载，则如图13A所示，电流的路径为：母线电容C₂的负极端→二极管D₈→晶体管S₁→飞跨电容C_ph→晶体管S₄→交流输出节点A，此时，所述五电平逆变单元的输出电压U_AO的值为-V_dc；如果电流由交流负载流向逆变单元，则如图13B所示，电流的路径为：交流输出节点A→二极管D₄→飞跨电容C_ph→二极管D₁→晶体管S₈→母线电容C₂的负极端。

可以看出，上述五电平逆变单元的每个工作模态都包括有功工作模态(即电路中电流和电压的方向相同)和无功工作模态(即电路中电流和电压的方向相反)，因而能满足交流负载或交流电网对无功的需求。

如图14所示，本实施例还提供一种逆变器，所述逆变器包括三相逆变单元，即图14中的A相逆变单元、B相逆变单元和C相逆变单元，其中每相逆变单元均采用上述五电平逆变单元。

本实施例还提供上述五电平逆变单元的扩展结构，即N电平逆变单元，其包括上述五电平逆变单元和((N-7)/2+1)个上述H桥模块，N取大于或等于7的奇数，且该((N-7)/2+1)个H桥模块依次串联，这些串联的H桥模块具有两个端头，并满足位于一个端头处的H桥模块的晶体管S₁的集电极和晶体管S₃的发射极均与所述五电平逆变单元中的H桥模块的晶体管S₂的集电极、晶体管S₄的发射极连接，位于另一个端头处的H桥模块的晶体管S₂的集电极和晶体管S₄的发射极均与交流输出节点A连接，其余的每个H桥模块的晶体管S₁的集电极和晶体管S₃的发射极均与其串联的前一个H桥模块的晶体管S₂的集电极、晶体管S₄的发射极连接，每个H桥模块的晶体管S₂的集电极和晶体管S₄的发射极均与其串联的后一个H桥模块的晶体管S₁的集电极、晶体管S₃的发射极连接。该N电平逆变单元的控制方法可由本领域技术人员根据本实施例中的五电平逆变单元的控制方法推出，不再赘述。

本实施例还提供一种逆变器，所述逆变器包括三相逆变单元，其中每相逆变单元均采用上述N电平逆变单元，N取大于或等于7的奇数。

本实施例中的其他方法、结构及作用都与实施例1相同，这里不再赘述。

实施例3：

本实施例提供一种逆变单元，包括母线电容C₁、母线电容C₂、三电平模块和H桥模块，其中的三电平模块为图15所示的T型三电平模块2。

具体地，该T型三电平模块2包括晶体管S₅及与其反向并联的二极管D₅、晶体管S₈及与其反向并联的二极管D₈，和双向功率开关管S_W1，

所述双向功率开关管S_W1的一端分别与母线电容C₁的负极端和母线电容C₂的正极端连接，所述晶体管S₅的集电极与母线电容C₁的正极端连接，所述晶体管S₈的发射极与母线电容C₂的负极端连接，所述晶体管S₅的发射极、双向功率开关管S_W1的另一端和晶体管S₈的集电极均与H桥模块的晶体管S₁的集电极、晶体管S₃的发射极连接。这里，晶体管S₅的集电极、双向功率开关管S_W1的一端和晶体管S₈的发射极为所述T型三电平模块2的输入端，晶体管S₅的发射极、双向功率开关管S_W1的另一端和晶体管S₈的集电极的连接节点为所述T型三电平模块2的输出端。

可以看出，本实施例所述T型三电平模块2的结构与实施例2所述T型三电平模块1的结构相比，区别仅在于：采用双向功率开关管S_W1代替了晶体管S₆及与其反向并联的二极管D₆，和晶体管S₇及与其反向并联的二极管D₇，或者说，区别仅在于：本实施例所述T型三电平模块2不包括实施例2所述T型三电平模块1中的二极管D₆和二极管D₇。

需要说明的是，本实施例所述逆变单元中的其它元器件，如母线电容C₁、母线电容C₂和H桥模块，其连接关系及构成均与实施例1相同，不再赘述。

本实施例还提供上述逆变单元的控制方法，该控制方法为：对所述逆变单元的晶体管S₁至晶体管S₅、晶体管S₈和双向功率开关管S_W1中的任意多个进行导通或关断控制，以使所述逆变单元的输出电压值分别为V_dc、V_dc/2、0、-V_dc/2和-V_dc。也就是说，本实施例提供的逆变单元为五电平逆变单元，其与现有技术相比，只需采用一个独立的直流电源E，不需要采用箝位二极管。

下面描述上述五电平逆变单元的具体控制方法，以使所述五电平逆变单元的输出电压U_AO的值分别为V_dc、V_dc/2、0、-V_dc/2和-V_dc，其中U_AO表示所述五电平逆变单元中交流输出节点A与中性点O之间的电压差。

所述五电平逆变单元处于第一工作模态：

控制晶体管S₂、晶体管S₃和晶体管S₅导通，并控制其余晶体管关断。如果电流由逆变单元流向交流负载(即由逆变单元流向交流输出节点A)，则电流的路径为：母线电容C₁的正极端→晶体管S₅→二极管D₃→飞跨电容C_ph→二极管D₂→交流输出节点A，此时，所述五电平逆变单元的输出电压U_AO的值为V_dc；如果电流由交流负载流向逆变单元(即由交流输出节点A流向逆变单元)，则电流的路径为：交流输出节点A→晶体管S₂→飞跨电容C_ph→晶体管S₃→二极管D₅→母线电容C₁的正极端。

所述五电平逆变单元处于第二工作模态：

控制所述逆变单元的晶体管S₂、晶体管S₃和双向功率开关管S_W1导通，并控制其余晶体管关断。如果电流由逆变单元流向交流负载，则电流的路径为：母线电容C₁的负极端→双向功率开关管S_W1→二极管D₃→飞跨电容C_ph→二极管D₂→交流输出节点A，此时，所述五电平逆变单元的输出电压U_AO的值为V_dc/2；如果电流由交流负载流向逆变单元，则电流的路径为：交流输出节点A→晶体管S₂→飞跨电容C_ph→晶体管S₃→双向功率开关管S_W1→母线电容C₁的负极端。

所述五电平逆变单元处于第三工作模态：

控制所述逆变单元的晶体管S₃、晶体管S₄和晶体管S₅导通，并控制其余晶体管关断。如果电流由逆变单元流向交流负载，则电流的路径为：母线电容C₁的正极端→晶体管S₅→二极管D₃→晶体管S₄→交流输出节点A，此时，所述五电平逆变单元的输出电压U_AO的值为V_dc/2；如果电流由交流负载流向逆变单元，则电流的路径为：交流输出节点A→二极管D₄→晶体管S₃→二极管D₅→母线电容C₁的正极端。

所述五电平逆变单元处于第四工作模态：

控制所述逆变单元的晶体管S₁、晶体管S₂和晶体管S₅导通，并控制其余晶体管关断。如果电流由逆变单元流向交流负载，则电流的路径为：母线电容C₁的正极端→晶体管S₅→晶体管S₁→二极管D₂→交流输出节点A，此时，所述五电平逆变单元的输出电压U_AO的值为V_dc/2；如果电流由交流负载流向逆变单元，则电流的路径为：交流输出节点A→晶体管S₂→二极管D₁→二极管D₅→母线电容C₁的正极端。

所述五电平逆变单元处于第五工作模态：

控制所述逆变单元的晶体管S₃、晶体管S₄和双向功率开关管S_W1导通，并控制其余晶体管关断。如果电流由逆变单元流向交流负载，则电流的路径为：母线电容C₁的负极端→双向功率开关管S_W1→二极管D₃→晶体管S₄→交流输出节点A，此时，所述五电平逆变单元的输出电压U_AO的值为0；如果电流由交流负载流向逆变单元，则电流的路径为：交流输出节点A→二极管D₄→晶体管S₃→双向功率开关管S_W1→母线电容C₁的负极端。

所述五电平逆变单元处于第六工作模态：

控制所述逆变单元的晶体管S₁、晶体管S₂和双向功率开关管S_W1导通，并控制其余晶体管关断。如果电流由逆变单元流向交流负载，则电流的路径为：母线电容C₁的负极端→双向功率开关管S_W1→晶体管S₁→二极管D₂→交流输出节点A，此时，所述五电平逆变单元的输出电压U_AO的值为0；如果电流由交流负载流向逆变单元，则电流的路径为：交流输出节点A→晶体管S₂→二极管D₁→双向功率开关管S_W1→母线电容C₁的负极端。

所述五电平逆变单元处于第七工作模态：

控制所述逆变单元的晶体管S₁、晶体管S₄和双向功率开关管S_W1导通，并控制其余晶体管关断。如果电流由逆变单元流向交流负载，则电流的路径为：母线电容C₁的负极端→双向功率开关管S_W1→晶体管S₁→飞跨电容C_ph→晶体管S₄→交流输出节点A，此时，所述五电平逆变单元的输出电压U_AO的值为-V_dc/2；如果电流由交流负载流向逆变单元，则电流的路径为：交流输出节点A→二极管D₄→飞跨电容C_ph→二极管D₁→双向功率开关管S_W1→母线电容C₁的负极端。

所述五电平逆变单元处于第八工作模态：

控制所述逆变单元的晶体管S₃、晶体管S₄和晶体管S₈导通，并控制其余晶体管关断。如果电流由逆变单元流向交流负载，则电流的路径为：母线电容C₂的负极端→二极管D₈→二极管D₃→晶体管S₄→交流输出节点A，此时，所述五电平逆变单元的输出电压U_AO的值为-V_dc/2；如果电流由交流负载流向逆变单元，则电流的路径为：交流输出节点A→二极管D₄→晶体管S₃→晶体管S₈→母线电容C₂的负极端。

所述五电平逆变单元处于第九工作模态：

控制所述逆变单元的晶体管S₁、晶体管S₂和晶体管S₈导通，并控制其余晶体管关断。如果电流由逆变单元流向交流负载，则电流的路径为：母线电容C₂的负极端→二极管D₈→晶体管S₁→二极管D₂→交流输出节点A，此时，所述五电平逆变单元的输出电压U_AO的值为-V_dc/2；如果电流由交流负载流向逆变单元，则电流的路径为：交流输出节点A→晶体管S₂→二极管D₁→晶体管S₈→母线电容C₂的负极端。

所述五电平逆变单元处于第十工作模态：

控制所述逆变单元的晶体管S₁、晶体管S₄和晶体管S₈导通，并控制其余晶体管关断。如果电流由逆变单元流向交流负载，则电流的路径为：母线电容C₂的负极端→二极管D₈→晶体管S₁→飞跨电容C_ph→晶体管S₄→交流输出节点A，此时，所述五电平逆变单元的输出电压U_AO的值为-V_dc；如果电流由交流负载流向逆变单元，则电流的路径为：交流输出节点A→二极管D₄→飞跨电容C_ph→二极管D₁→晶体管S₈→母线电容C₂的负极端。

可以看出，上述五电平逆变单元的每个工作模态都包括有功工作模态(即电路中电流和电压的方向相同)和无功工作模态(即电路中电流和电压的方向相反)，因而能满足交流负载或交流电网对无功的需求。

如图16所示，本实施例还提供一种逆变器，所述逆变器包括三相逆变单元，即图16中的A相逆变单元、B相逆变单元和C相逆变单元，其中每相逆变单元均采用上述五电平逆变单元。

本实施例还提供上述五电平逆变单元的扩展结构，即N电平逆变单元，其包括上述五电平逆变单元和((N-7)/2+1)个上述H桥模块，N取大于或等于7的奇数，且该((N-7)/2+1)个H桥模块依次串联，这些串联的H桥模块具有两个端头，并满足位于一个端头处的H桥模块的晶体管S₁的集电极和晶体管S₃的发射极均与所述五电平逆变单元中的H桥模块的晶体管S₂的集电极、晶体管S₄的发射极连接，位于另一个端头处的H桥模块的晶体管S₂的集电极和晶体管S₄的发射极均与交流输出节点A连接，其余的每个H桥模块的晶体管S₁的集电极和晶体管S₃的发射极均与其串联的前一个H桥模块的晶体管S₂的集电极、晶体管S₄的发射极连接，每个H桥模块的晶体管S₂的集电极和晶体管S₄的发射极均与其串联的后一个H桥模块的晶体管S₁的集电极、晶体管S₃的发射极连接。该N电平逆变单元的控制方法可由本领域技术人员根据本实施例中的五电平逆变单元的控制方法推出，不再赘述。

本实施例还提供一种逆变器，所述逆变器包括三相逆变单元，其中每相逆变单元均采用上述N电平逆变单元，N取大于或等于7的奇数。

本实施例中的其他方法、结构及作用都与实施例1相同，这里不再赘述。

实施例4：

本实施例提供一种逆变单元，包括母线电容C₁、母线电容C₂、三电平模块和H桥模块，其中的三电平模块为图17所示的I型三电平模块。

具体地，该I型三电平模块包括晶体管S₅及与其反向并联的二极管D₅、晶体管S₆及与其反向并联的二极管D₆、晶体管S₇及与其反向并联的二极管D₇、晶体管S₈及与其反向并联的二极管D₈、二极管D₉和二极管D₁₀，

所述晶体管S₅的集电极与母线电容C₁的正极端连接，所述晶体管S₅的发射极与晶体管S₆的集电极连接，所述晶体管S₆的发射极与晶体管S₇的集电极连接，所述晶体管S₇的发射极与晶体管S₈的集电极连接，所述晶体管S₈的发射极与母线电容C₂的负极端连接，所述二极管D₉的负极分别与晶体管S₅的发射极和晶体管S₆的集电极连接，所述二极管D₁₀的正极分别与晶体管S₇的发射极和晶体管S₈的集电极连接，所述二极管D₉的正极和二极管D₁₀的负极均与母线电容C₁的负极端、母线电容C₂的正极端连接。这里，晶体管S₅的集电极、二极管D₉的正极、二极管D₁₀的负极和晶体管S₈的发射极为所述I型三电平模块的输入端，晶体管S₆的发射极和晶体管S₇的集电极的连接节点为所述I型三电平模块的输出端。所述二极管D₉和二极管D₁₀为箝位二极管。

需要说明的是，本实施例所述逆变单元中的其它元器件，如母线电容C₁、母线电容C₂和H桥模块，其连接关系及构成均与实施例1相同，不再赘述。

本实施例还提供上述逆变单元的控制方法，该控制方法为：对所述逆变单元的晶体管S₁至晶体管S₈中的任意多个进行导通或关断控制，以使所述逆变单元的输出电压值分别为V_dc、V_dc/2、0、-V_dc/2和-V_dc。也就是说，本实施例提供的逆变单元为五电平逆变单元，其与现有技术相比，只需采用一个独立的直流电源E和两个箝位二极管。

下面描述上述五电平逆变单元的具体控制方法，以使所述五电平逆变单元的输出电压U_AO的值分别为V_dc、V_dc/2、0、-V_dc/2和-V_dc，其中U_AO表示所述五电平逆变单元中交流输出节点A与中性点O之间的电压差。

所述五电平逆变单元处于第一工作模态：

控制晶体管S₂、晶体管S₃、晶体管S₅和晶体管S₆导通，并控制其余晶体管关断。如果电流由逆变单元流向交流负载(即由逆变单元流向交流输出节点A)，则电流的路径为：母线电容C₁的正极端→晶体管S₅→晶体管S₆→二极管D₃→飞跨电容C_ph→二极管D₂→交流输出节点A，此时，所述五电平逆变单元的输出电压U_AO的值为V_dc；如果电流由交流负载流向逆变单元(即由交流输出节点A流向逆变单元)，则电流的路径为：交流输出节点A→晶体管S₂→飞跨电容C_ph→晶体管S₃→二极管D₆→二极管D₅→母线电容C₁的正极端。

所述五电平逆变单元处于第二工作模态：

控制所述逆变单元的晶体管S₂、晶体管S₃、晶体管S₆和晶体管S₇导通，并控制其余晶体管关断。如果电流由逆变单元流向交流负载，则电流的路径为：母线电容C₁的负极端→二极管D₉→晶体管S₆→二极管D₃→飞跨电容C_ph→二极管D₂→交流输出节点A，此时，所述五电平逆变单元的输出电压U_AO的值为V_dc/2；如果电流由交流负载流向逆变单元，则电流的路径为：交流输出节点A→晶体管S₂→飞跨电容C_ph→晶体管S₃→晶体管S₇→二极管D₁₀→母线电容C₁的负极端。

所述五电平逆变单元处于第三工作模态：

控制所述逆变单元的晶体管S₃、晶体管S₄、晶体管S₅和晶体管S₆导通，并控制其余晶体管关断。如果电流由逆变单元流向交流负载，则电流的路径为：母线电容C₁的正极端→晶体管S₅→晶体管S₆→二极管D₃→晶体管S₄→交流输出节点A，此时，所述五电平逆变单元的输出电压U_AO的值为V_dc/2；如果电流由交流负载流向逆变单元，则电流的路径为：交流输出节点A→二极管D₄→晶体管S₃→二极管D₆→二极管D₅→母线电容C₁的正极端。

所述五电平逆变单元处于第四工作模态：

控制所述逆变单元的晶体管S₁、晶体管S₂晶体管S₅和晶体管S₆导通，并控制其余晶体管关断。如果电流由逆变单元流向交流负载，则电流的路径为：母线电容C₁的正极端→晶体管S₅→晶体管S₆→晶体管S₁→二极管D₂→交流输出节点A，此时，所述五电平逆变单元的输出电压U_AO的值为V_dc/2；如果电流由交流负载流向逆变单元，则电流的路径为：交流输出节点A→晶体管S₂→二极管D₁→二极管D₆→二极管D₅→母线电容C₁的正极端。

所述五电平逆变单元处于第五工作模态：

控制所述逆变单元的晶体管S₃、晶体管S₄、晶体管S₆和晶体管S₇导通，并控制其余晶体管关断。如果电流由逆变单元流向交流负载，则电流的路径为：母线电容C₁的负极端→二极管D₉→晶体管S₆→二极管D₃→晶体管S₄→交流输出节点A，此时，所述五电平逆变单元的输出电压U_AO的值为0；如果电流由交流负载流向逆变单元，则电流的路径为：交流输出节点A→二极管D₄→晶体管S₃→晶体管S₇→二极管D₁₀→母线电容C₁的负极端。

所述五电平逆变单元处于第六工作模态：

控制所述逆变单元的晶体管S₁、晶体管S₂、晶体管S₆和晶体管S₇导通，并控制其余晶体管关断。如果电流由逆变单元流向交流负载，则电流的路径为：母线电容C₁的负极端→二极管D₉→晶体管S₆→晶体管S₁→二极管D₂→交流输出节点A，此时，所述五电平逆变单元的输出电压U_AO的值为0；如果电流由交流负载流向逆变单元，则电流的路径为：交流输出节点A→晶体管S₂→二极管D₁→晶体管S₇→二极管D₁₀→母线电容C₁的负极端。

所述五电平逆变单元处于第七工作模态：

控制所述逆变单元的晶体管S₁、晶体管S₄、晶体管S₆和晶体管S₇导通，并控制其余晶体管关断。如果电流由逆变单元流向交流负载，则电流的路径为：母线电容C₁的负极端→二极管D₉→晶体管S₆→晶体管S₁→飞跨电容C_ph→晶体管S₄→交流输出节点A，此时，所述五电平逆变单元的输出电压U_AO的值为-V_dc/2；如果电流由交流负载流向逆变单元，则电流的路径为：交流输出节点A→二极管D₄→飞跨电容C_ph→二极管D₁→晶体管S₇→二极管D₁₀→母线电容C₁的负极端。

所述五电平逆变单元处于第八工作模态：

控制所述逆变单元的晶体管S₃、晶体管S₄、晶体管S₇和晶体管S₈导通，并控制其余晶体管关断。如果电流由逆变单元流向交流负载，则电流的路径为：母线电容C₂的负极端→二极管D₈→二极管D₇→二极管D₃→晶体管S₄→交流输出节点A，此时，所述五电平逆变单元的输出电压U_AO的值为-V_dc/2；如果电流由交流负载流向逆变单元，则电流的路径为：交流输出节点A→二极管D₄→晶体管S₃→晶体管S₇→晶体管S₈→母线电容C₂的负极端。

所述五电平逆变单元处于第九工作模态：

控制所述逆变单元的晶体管S₁、晶体管S₂、晶体管S₇和晶体管S₈导通，并控制其余晶体管关断。如果电流由逆变单元流向交流负载，则电流的路径为：母线电容C₂的负极端→二极管D₈→二极管D₇→晶体管S₁→二极管D₂→交流输出节点A，此时，所述五电平逆变单元的输出电压U_AO的值为-V_dc/2；如果电流由交流负载流向逆变单元，则电流的路径为：交流输出节点A→晶体管S₂→二极管D₁→晶体管S₇→晶体管S₈→母线电容C₂的负极端。

所述五电平逆变单元处于第十工作模态：

控制所述逆变单元的晶体管S₁、晶体管S₄、晶体管S₇和晶体管S₈导通，并控制其余晶体管关断。如果电流由逆变单元流向交流负载，则电流的路径为：母线电容C₂的负极端→二极管D₈→二极管D₇→晶体管S₁→飞跨电容C_ph→晶体管S₄→交流输出节点A，此时，所述五电平逆变单元的输出电压U_AO的值为-V_dc；如果电流由交流负载流向逆变单元，则电流的路径为：交流输出节点A→二极管D₄→飞跨电容C_ph→二极管D₁→晶体管S₇→晶体管S₈→母线电容C₂的负极端。

可以看出，上述五电平逆变单元的每个工作模态都包括有功工作模态(即电路中电流和电压的方向相同)和无功工作模态(即电路中电流和电压的方向相反)，因而能满足交流负载或交流电网对无功的需求。

如图18所示，本实施例还提供一种逆变器，所述逆变器包括三相逆变单元，即图18中的A相逆变单元、B相逆变单元和C相逆变单元，其中每相逆变单元均采用上述五电平逆变单元。

本实施例还提供上述五电平逆变单元的扩展结构，即N电平逆变单元，其包括上述五电平逆变单元和((N-7)/2+1)个上述H桥模块，N取大于或等于7的奇数，且该((N-7)/2+1)个H桥模块依次串联，这些串联的H桥模块具有两个端头，并满足位于一个端头处的H桥模块的晶体管S₁的集电极和晶体管S₃的发射极均与所述五电平逆变单元中的H桥模块的晶体管S₂的集电极、晶体管S₄的发射极连接，位于另一个端头处的H桥模块的晶体管S₂的集电极和晶体管S₄的发射极均与交流输出节点A连接，其余的每个H桥模块的晶体管S₁的集电极和晶体管S₃的发射极均与其串联的前一个H桥模块的晶体管S₂的集电极、晶体管S₄的发射极连接，每个H桥模块的晶体管S₂的集电极和晶体管S₄的发射极均与其串联的后一个H桥模块的晶体管S₁的集电极、晶体管S₃的发射极连接。该N电平逆变单元的控制方法可由本领域技术人员根据本实施例中的五电平逆变单元的控制方法推出，不再赘述。

本实施例还提供一种逆变器，所述逆变器包括三相逆变单元，其中每相逆变单元均采用上述N电平逆变单元，N取大于或等于7的奇数。

本实施例中的其他方法、结构及作用都与实施例1相同，这里不再赘述。

可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本实用新型的原理而采用的示例性实施方式，然而本实用新型并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本实用新型的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本实用新型的保护范围。

Claims (7)

1.一种逆变单元，其特征在于，包括母线电容C₁、母线电容C₂、三电平模块和H桥模块，所述H桥模块包括晶体管S₁及与其反向并联的二极管D₁、晶体管S₂及与其反向并联的二极管D₂、晶体管S₃及与其反向并联的二极管D₃、晶体管S₄及与其反向并联的二极管D₄，和飞跨电容C_ph，

所述母线电容C₁和母线电容C₂串联，且母线电容C₁的正极端与直流电源的正极端连接，母线电容C₂的负极端与直流电源的负极端连接，母线电容C₁、母线电容C₂的正极端和负极端均与三电平模块的输入端连接；

在所述H桥模块中，所述晶体管S₁的集电极和晶体管S₃的发射极连接，所述晶体管S₁的发射极、飞跨电容C_ph的正极端和晶体管S₂的发射极连接，所述晶体管S₃的集电极、飞跨电容C_ph的负极端和晶体管S₄的集电极连接，所述晶体管S₂的集电极和晶体管S₄的发射极均与交流输出节点连接，且晶体管S₁的集电极和晶体管S₃的发射极均与三电平模块的输出端连接；

所述母线电容C₁、母线电容C₂和飞跨电容C_ph两端的电压值均为V_dc/2，且V_dc为所述直流电源两端的电压值。

2.根据权利要求1所述的逆变单元，其特征在于，

所述三电平模块包括晶体管S₅及与其反向并联的二极管D₅、晶体管S₆及与其反向并联的二极管D₆、晶体管S₇及与其反向并联的二极管D₇，和晶体管S₈及与其反向并联的二极管D₈，

所述晶体管S₆的集电极分别与母线电容C₁的负极端和母线电容C₂的正极端连接，所述晶体管S₆的发射极与晶体管S₇的发射极连接，所述晶体管S₅的集电极与母线电容C₁的正极端连接，所述晶体管S₈的发射极与母线电容C₂的负极端连接，所述晶体管S₅的发射极、晶体管S₇的集电极和晶体管S₈的集电极均与H桥模块的晶体管S₁的集电极、晶体管S₃的发射极连接。

3.根据权利要求1所述的逆变单元，其特征在于，

所述三电平模块包括晶体管S₅及与其反向并联的二极管D₅、晶体管S₈及与其反向并联的二极管D₈，和双向功率开关管S_W1，

所述双向功率开关管S_W1的一端分别与母线电容C₁的负极端和母线电容C₂的正极端连接，所述晶体管S₅的集电极与母线电容C₁的正极端连接，所述晶体管S₈的发射极与母线电容C₂的负极端连接，所述晶体管S₅的发射极、双向功率开关管S_W1的另一端和晶体管S₈的集电极均与H桥模块的晶体管S₁的集电极、晶体管S₃的发射极连接。

4.根据权利要求1所述的逆变单元，其特征在于，

所述三电平模块包括晶体管S₅及与其反向并联的二极管D₅、晶体管S₆及与其反向并联的二极管D₆、晶体管S₇及与其反向并联的二极管D₇、晶体管S₈及与其反向并联的二极管D₈、二极管D₉和二极管D₁₀，

所述晶体管S₅的集电极与母线电容C₁的正极端连接，所述晶体管S₅的发射极与晶体管S₆的集电极连接，所述晶体管S₆的发射极与晶体管S₇的集电极连接，所述晶体管S₇的发射极与晶体管S₈的集电极连接，所述晶体管S₈的发射极与母线电容C₂的负极端连接，所述二极管D₉的负极分别与晶体管S₅的发射极和晶体管S₆的集电极连接，所述二极管D₁₀的正极分别与晶体管S₇的发射极和晶体管S₈的集电极连接，所述二极管D₉的正极和二极管D₁₀的负极均与母线电容C₁的负极端、母线电容C₂的正极端连接。

5.根据权利要求1～4中任一项所述的逆变单元，其特征在于，所述逆变单元中采用的晶体管均为绝缘栅双极型晶体管。

6.根据权利要求1～4中任一项所述的逆变单元，其特征在于，

所述逆变单元中的所述H桥模块采用至少两个，该至少两个H桥模块依次串联，且这些串联的H桥模块具有两个端头，其中位于一个端头处的H桥模块的晶体管S₁的集电极和晶体管S₃的发射极均与三电平模块的输出端连接，位于另一个端头处的H桥模块的晶体管S₂的集电极和晶体管S₄的发射极均与交流输出节点连接，其余的每个H桥模块的晶体管S₁的集电极和晶体管S₃的发射极均与其串联的前一个H桥模块的晶体管S₂的集电极、晶体管S₄的发射极连接，每个H桥模块的晶体管S₂的集电极和晶体管S₄的发射极均与其串联的后一个H桥模块的晶体管S₁的集电极、晶体管S₃的发射极连接。

7.一种逆变器，包括三相逆变单元，其特征在于，每相逆变单元均采用如权利要求1～6中任一项所述的逆变单元。