CN205453532U

CN205453532U - 一种五电平逆变器及其应用电路

Info

Publication number: CN205453532U
Application number: CN201521142604.6U
Authority: CN
Inventors: 申潭; 陈鹏; 徐君; 薛丽英; 耭后来; 代尚方; 王鹏; 别伟
Original assignee: Sungrow Power Supply Co Ltd
Current assignee: Sungrow Power Supply Co Ltd
Priority date: 2015-12-31
Filing date: 2015-12-31
Publication date: 2016-08-10
Anticipated expiration: 2025-12-31

Abstract

本实用新型提供一种五电平逆变器，通过第一开关管Q1、第六开关管Q6、第七开关管Q7、第八开关管Q8、第一钳位电容C3、第二钳位电容C4及四个开关支路的不同导通组合，使所述五电平逆变器具备输出多电平电压的能力；同时当输出电压为正向时，有两个导通组合可以选择，且两个导通组合的流向第一钳位电容C3的电流方向相反，因此可以通过对这两个导通组合的控制来平衡第一钳位电容C3上的电压；同理，当输出电压为负向时，也可以通过对另外两个导通组合的控制来平衡第二钳位电容C4上的电压；所以本实用新型提供的所述五电平逆变器及其应用电路，无需增加额外的硬件电路就可以实现全功率、全调制下功率电容电压的平衡控制。

Description

一种五电平逆变器及其应用电路

技术领域

本实用新型涉及光伏新能源技术领域，特别涉及一种五电平逆变器及其应用电路。

背景技术

近年来多电平输出成为了中高压大功率变频领域的常用技术。其中，多电平逆变器因其输出电压阶梯多，从而可以使输出的电压波形具有较低的电压变化率；且随着输出电平数的增加，其输出电压的谐波将减少。另外，多电平逆变技术在减小系统的开关损耗与导通损耗，降低管子的耐压与系统的电磁干扰方面性能都非常优良。所以目前的逆变器多采用多电平逆变器。

现有技术中常用的二极管箝位式三电平以上的多电平逆变器，如图1所示，是利用多个功率电容串联后并联在光伏逆变器的直流侧两端来实现的，逆变器中的各开关管依次通过功率二极管与相应的功率电容相连，由于每个功率电容上输出的功率不相等，导致功率电容上的电压会出现不相等现象，即出现所谓的功率电容电压不平衡现象。

所以现有技术中的多电平逆变器缺少功率电容电压自平衡功能。

实用新型内容

本实用新型提供一种五电平逆变器及其应用电路，以解决现有技术中的多电平逆变器缺少功率电容电压自平衡功能的问题。

为实现所述目的，本申请提供的技术方案如下：

一种五电平逆变器，包括：

第一开关管Q1、第六开关管Q6、第七开关管Q7、第八开关管Q8、第一钳位电容C3、第二钳位电容C4和四个开关支路，其中：

第一开关管Q1的第一端为所述五电平逆变器的第一输入端，与直流电源PV的正端及第一电容C1的第一端相连；

第一开关支路的第一端与第四开关支路的第一端相连，连接点为所述五电平逆变器的第二输入端，与第一电容C1的第二端及第二电容C2的第一端相连；

第六开关管Q6的第二端为所述五电平逆变器的第三输入端，与直流电源PV的负端及第二电容C2的第二端相连；

第一钳位电容C3的第一端分别与第一开关管Q1的第二端及第七开关管Q7的第一端相连；第一钳位电容C3的第二端分别与所述第一开关支路的第二端及第二开关支路的第一端相连；

第二钳位电容C4的第一端分别与所述第四开关支路的第二端及第三开关支路的第一端相连；第二钳位电容C4的第二端分别与第六开关管Q6的第一端及第八开关管Q8的第二端相连；

所述第二开关支路的第二端与所述第三开关支路的第二端相连，连接点为所述五电平逆变器的输出端；

第一开关管Q1、第六开关管Q6、第七开关管Q7和第八开关管Q8均为提供双向功率路径的开关管。

优选的，

所述第一开关支路和所述第二开关支路中的至少一个开关支路为双向可控开关支路；

所述第三开关支路和所述第四开关支路中的至少一个开关支路为双向可控开关支路。

优选的，

所述第一开关支路包括：反向串联的第二开关管Q2和第九开关管Q9，或者两个反向并联的逆阻型开关管；

所述第二开关支路包括：第三开关管Q3；第七开关管Q7的第二端与所述第二开关支路的第二端相连；

所述第三开关支路包括：第四开关管Q4；第八开关管Q8的第一端与所述第三开关支路的第二端相连；

所述第四开关支路包括：反向串联的第五开关管Q5和第十开关管Q10，或者两个反向并联的逆阻型开关管。

优选的，

所述第一开关支路包括：第二开关管Q2；

所述第二开关支路包括：反向串联的第三开关管Q3和第九开关管Q9，或者两个反向并联的逆阻型开关管；第七开关管Q7的第二端与所述第二开关支路的第二端相连；

所述第三开关支路包括：反向串联的第四开关管Q4和第十开关管Q10，或者两个反向并联的逆阻型开关管；第八开关管Q8的第一端与所述第三开关支路的第二端相连；

所述第四开关支路包括：第五开关管Q5。

优选的，

所述第一开关支路包括：第二开关管Q2、第九二极管D9、第十二极管D10、第十一二极管D11和第十二二极管D12；第九二极管D9的正极与第十一二极管D11的负极相连，连接点为所述第一开关支路的第一端；第十二极管D10的正极与第十二二极管D12的负极相连，连接点为所述第一开关支路的第二端；第二开关管Q2的第一端分别与第九二极管D9的负极及第十二极管D10的负极相连；第二开关管Q2的第二端分别与第十一二极管D11的正极及第十二二极管D12的正极相连；

所述第四开关支路包括：第五开关管Q5、第十三二极管D13、第十四二极管D14、第十五二极管D15和第十六二极管D16；第十三二极管D13的正极与第十五二极管D15的负极相连，连接点为所述第四开关支路的第一端；第十四二极管D14的正极与第十六二极管D16的负极相连，连接点为所述第四开关支路的第二端；第五开关管Q5的第一端分别与第十三二极管D13的负极及第十四二极管D14的负极相连；第五开关管Q5的第二端分别与第十五二极管D15的正极及第十六二极管D16的正极相连。

优选的，

所述第一开关支路包括：第二开关管Q2；

所述第二开关支路包括：第三开关管Q3、第九二极管D9、第十二极管D10、第十一二极管D11和第十二二极管D12；第九二极管D9的正极与第十一二极管D11的负极相连，连接点为所述第二开关支路的第一端；第十二极管D10的正极与第十二二极管D12的负极相连，连接点为所述第二开关支路的第二端；第三开关管Q3的第一端分别与第九二极管D9的负极及第十二极管D10的负极相连；第三开关管Q3的第二端分别与第十一二极管D11的正极及第十二二极管D12的正极相连；第七开关管Q7的第二端与所述第二开关支路的第二端相连；

所述第三开关支路包括：第四开关管Q4、第十三二极管D13、第十四二极管D14、第十五二极管D15和第十六二极管D16；第十三二极管D13的正极与第十五二极管D15的负极相连，连接点为所述第三开关支路的第一端；第十四二极管D14的正极与第十六二极管D16的负极相连，连接点为所述第三开关支路的第二端；第四开关管Q4的第一端分别与第十三二极管D13的负极及第十四二极管D14的负极相连；第四开关管Q4的第二端分别与第十五二极管D15的正极及第十六二极管D16的正极相连；第八开关管Q8的第一端与所述第三开关支路的第二端相连；

所述第四开关支路包括：第五开关管Q5。

优选的，

所述第一开关支路包括：第二开关管Q2；

所述第二开关支路包括：反向串联的第三开关管Q3和第九开关管Q9；第三开关管Q3和第九开关管Q9的连接点与第七开关管Q7的第二端相连；

所述第三开关支路包括：反向串联的第四开关管Q4和第十开关管Q10；第四开关管Q4和第十开关管Q10的连接点与第八开关管Q8的第一端相连；

所述第四开关支路包括：第五开关管Q5。

优选的，

所述第四开关支路包括：第五开关管Q5。

优选的，

所述第一开关支路包括：第二开关管Q2；

优选的，

所述第四开关支路包括：第五开关管Q5。

优选的，

所述第一开关支路包括：第二开关管Q2；

优选的，当所述第一开关支路包括反向串联的第二开关管Q2和第九开关管Q9，所述第四开关支路包括反向串联的第五开关管Q5和第十开关管Q10时，所述五电平逆变器对应的八个工作模态分别为：

第一模态：第一开关管Q1及第七开关管Q7导通，其余开关管均截止；

第二模态：第一开关管Q1及第三开关管Q3导通，其余开关管均截止；

第三模态：第二开关管Q2、第七开关管Q7及第九开关管Q9导通，其余开关管均截止；

第四模态：第二开关管Q2、第三开关管Q3及第九开关管Q9导通，其余开关管均截止；

第五模态：第四开关管Q4、第五开关管Q5及第十开关管Q10导通，其余开关管均截止；

第六模态：第五开关管Q5、第八开关管Q8及第十开关管Q10导通，其余开关管均截止；

第七模态：第四开关管Q4及第六开关管Q6导通，其余开关管均截止；

第八模态：第六开关管Q6及第八开关管Q8导通，其余开关管均截止。

优选的，当所述第二开关支路包括反向串联的第三开关管Q3和第九开关管Q9，所述第三开关支路包括反向串联的第四开关管Q4和第十开关管Q10时，所述五电平逆变器对应的八个工作模态分别为：

第二模态：第一开关管Q1、第三开关管Q3及第九开关管Q9导通，其余开关管均截止；

第三模态：第二开关管Q2及第七开关管Q7导通，其余开关管均截止；

第六模态：第五开关管Q5及第八开关管Q8导通，其余开关管均截止；

第七模态：第四开关管Q4、第六开关管Q6及第十开关管Q10导通，其余开关管均截止；

优选的，所述五电平逆变器对应的八个工作模态分别为：

第一模态：第一开关管Q1和第七开关管Q7导通，其余开关管均截止；

第二模态：第一开关管Q1和第三开关管Q3导通，其余开关管均截止；

第三模态：第二开关管Q2和第七开关管Q7导通，其余开关管均截止；

第四模态：第二开关管Q2和第三开关管Q3导通，其余开关管均截止；

第五模态：第四开关管Q4和第五开关管Q5导通，其余开关管均截止；

第六模态：第五开关管Q5和第八开关管Q8导通，其余开关管均截止；

第七模态：第四开关管Q4和第六开关管Q6导通，其余开关管均截止；

第八模态：第六开关管Q6和第八开关管Q8导通，其余开关管均截止。

优选的，所述五电平逆变器对应的八个工作模态分别为：

第一模态：第一开关管Q1、第七开关管Q7和第九开关管Q9导通，其余开关管均截止；

第二模态：第一开关管Q1、第三开关管Q3和第九开关管Q9导通，其余开关管均截止；

第三模态：第二开关管Q2、第七开关管Q7和第九开关管Q9导通，其余开关管均截止；

第四模态：第二开关管Q2、第三开关管Q3和第九开关管Q9导通，其余开关管均截止；

第五模态：第四开关管Q4、第五开关管Q5和第十开关管Q10导通，其余开关管均截止；

第六模态：第五开关管Q5、第八开关管Q8和第十开关管Q10导通，其余开关管均截止；

第七模态：第四开关管Q4、第六开关管Q6和第十开关管Q10导通，其余开关管均截止；

第八模态：第六开关管Q6、第八开关管Q8和第十开关管Q10导通，其余开关管均截止。

优选的，各个开关管均包括体二极管或反向并联一个二极管。

优选的，第二开关管Q2与第九开关管Q9的连接点，还与第四开关管Q4与第十开关管Q10的连接点相连。

优选的，第三开关管Q3与第九开关管Q9的连接点，还与第五开关管Q5与第十开关管Q10的连接点相连。

一种五电平逆变器的应用电路，包括两个如上述任一所述的五电平逆变器，分别为第一五电平逆变器和第二五电平逆变器；其中：

所述第一五电平逆变器和所述第二五电平逆变器的第一输入端均连接直流电源PV的正端；

所述第一五电平逆变器和所述第二五电平逆变器的第二输入端均与第一电容C1和第二电容C2的连接点相连；

所述第一五电平逆变器和所述第二五电平逆变器的第三输入端均连接直流电源PV的负端；

所述第一五电平逆变器和所述第二五电平逆变器的输出端分别作为所述五电平逆变器的应用电路的两个交流输出端。

一种五电平逆变器的应用电路，包括三个如上述任一所述的五电平逆变器，分别为第一五电平逆变器、第二五电平逆变器和第三五电平逆变器；其中：

所述第一五电平逆变器、所述第二五电平逆变器和所述第三五电平逆变器的第一输入端均连接直流电源PV的正端；

所述第一五电平逆变器、所述第二五电平逆变器和所述第三五电平逆变器的第二输入端均与第一电容C1和第二电容C2的连接点相连；

所述第一五电平逆变器、所述第二五电平逆变器和所述第三五电平逆变器的第三输入端均连接直流电源PV的负端；

所述第一五电平逆变器、所述第二五电平逆变器和所述第三五电平逆变器的输出端分别作为所述五电平逆变器的应用电路的三个交流输出端。

优选的，所述五电平逆变器的应用电路还包括第四输出端；所述第四输出端为第一电容C1与第二电容C2的连接点。

本实用新型提供的五电平逆变器，通过第一开关管Q1、第六开关管Q6、第七开关管Q7、第八开关管Q8、第一钳位电容C3、第二钳位电容C4及四个开关支路的不同导通组合，使所述五电平逆变器具备输出多电平电压的能力；同时当输出电压为正向时，有两个导通组合可以选择，且两个导通组合的流向第一钳位电容C3的电流方向相反，因此可以通过对这两个导通组合的控制来平衡第一钳位电容C3上的电压；同理，当输出电压为负向时，也可以通过对另外两个导通组合的控制来平衡第二钳位电容C4上的电压；而对于第一电容C1和第二电容C2的电压平衡控制与三电平逆变器的原理相同，不存在现有技术中通过二极管钳位来实现的五电平逆变器中电容电压不平衡的问题。所以本实施例提供的所述五电平逆变器，无需增加额外的硬件电路就可以实现全功率、全调制下功率电容电压的平衡控制。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是现有技术提供的五电平逆变器的结构示意图；

图2是本实用新型实施例提供的五电平逆变器的结构示意图；

图3是本实用新型另一实施例提供的第一种五电平逆变器的结构示意图；

图4是本实用新型另一实施例提供的第二种五电平逆变器的结构示意图；

图5是本实用新型另一实施例提供的第三种五电平逆变器的结构示意图；

图6是本实用新型另一实施例提供的第四种五电平逆变器的结构示意图；

图7是本实用新型另一实施例提供的第五种五电平逆变器的结构示意图；

图8是本实用新型另一实施例提供的第六种五电平逆变器的结构示意图；

图9是本实用新型另一实施例提供的第七种五电平逆变器的结构示意图；

图10是本实用新型另一实施例提供的第八种五电平逆变器的结构示意图；

图11是本实用新型另一实施例提供的第九种五电平逆变器的结构示意图；

图12-a和12-b是本实用新型另一实施例提供的五电平逆变器的应用示意图；

图13-a和13-b是本实用新型另一实施例提供的两相五电平逆变器的应用示意图；

图14-a和14-b是本实用新型另一实施例提供的三相三线制五电平逆变器的应用示意图；

图15-a和15-b是本实用新型另一实施例提供的三相四线制五电平逆变器的应用示意图。

具体实施方式

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本实用新型的具体实施方式做详细的说明。

具体的，如图2所示，所述五电平逆变器包括：

本实施例提供的所述五电平逆变器，通过第一开关管Q1、第六开关管Q6、第七开关管Q7、第八开关管Q8、第一钳位电容C3、第二钳位电容C4及上述四个开关支路的不同导通组合，使所述五电平逆变器具备输出多电平电压的能力；同时当输出电压为正向时，有两个导通组合可以选择，且两个导通组合的流向第一钳位电容C3的电流方向相反，因此可以通过对这两个导通组合的控制来平衡第一钳位电容C3上的电压；同理，当输出电压为负向时，也可以通过对另外两个导通组合的控制来平衡第二钳位电容C4上的电压；而对于第一电容C1和第二电容C2的电压平衡控制与三电平逆变器的原理相同，不存在现有技术中通过二极管钳位来实现的五电平逆变器中电容电压不平衡的问题。所以本实施例提供的所述五电平逆变器，无需增加额外的硬件电路就可以实现全功率、全调制下功率电容电压的平衡控制。

优选的，图2中的所述第一开关支路和所述第二开关支路中的至少一个开关支路为双向可控开关支路；

所述第一开关支路和所述第二开关支路中，以及所述第三开关支路和所述第四开关支路中，只要保证至少一个开关支路为双向可控开关支路即可保证当输出电压为正向时，可以通过对两个导通组合的控制来平衡第一钳位电容C3上的电压；同理，当输出电压为负向时，也可以通过对另外两个导通组合的控制来平衡第二钳位电容C4上的电压；进而实现全功率、全调制下功率电容电压的平衡控制。

当然，在具体的实际应用中，所述第一开关支路和所述第二开关支路，以及所述第三开关支路和所述第四开关支路，也可以均为双向可控开关支路，此处不再赘述，均在本申请的保护范围内。

例如，如图3所示：

优选的，各个开关管均包括体二极管或反向并联一个二极管，比如IGBT(InsulatedGateBipolarTransistor，绝缘栅双极型功率管)和MOSFET(metallicoxidesemiconductorfieldeffecttransistor，金属氧化物半导体场效应晶体管)等开关管。

图3中的所述第一开关支路以反向串联的第二开关管Q2和第九开关管Q9、所述第四开关支路以反向串联的第五开关管Q5和第十开关管Q10为例进行展示；并且，在具体的实际应用中，所述第一开关支路和所述第四开关支路中反向串联的两个开关管的串联顺序并不做具体限定，也可以将所述第一开关支路或者所述第四开关支路中反向串联的两个开关管的串联顺序调换；另外，当第九开关管Q9和第五开关管Q5(或者第二开关管Q2和第十开关管Q10)均设置于所在支路的左侧，即两者连接于N点时，可以将两者进行并联，即以一个同方向的开关管代替两者；图3仅为一种示例，可以视其具体的应用环境而定，均在本申请的保护范围内。

图3所示为本实用新型提供的第一种五电平逆变器的具体实现形式，其中，PV+为直流电源PV的正端，PV-为直流电源PV的负端，R为所述五电平逆变器的输出端，N为第一电容C1与第二电容C2的连接点，D1为第一开关管Q1的体二极管或者反向并联二极管，D2为第二开关管Q2的体二极管或者反向并联二极管，D3为第三开关管Q3的体二极管或者反向并联二极管，D4为第四开关管Q4的体二极管或者反向并联二极管，D5为第五开关管Q5的体二极管或者反向并联二极管，D6为第六开关管Q6的体二极管或者反向并联二极管，D7为第七开关管Q7的体二极管或者反向并联二极管，D8为第八开关管Q8的体二极管或者反向并联二极管，D9为第九开关管Q9的体二极管或者反向并联二极管，D10为第十开关管Q10的体二极管或者反向并联二极管；其对应的八个工作模态分别为：

此时，其有功电流路径为PV+→Q1→Q7→R；当需要发无功时，无功电流路径相应为R→D7→D1→PV+→N；

此时，其有功电流路径为PV+→Q1→C3→D3→R；当需要发无功时，无功电流路径相应为R→Q3→C3→D1→PV+→N；

此时，其有功电流路径为N→Q9→D2→C3→Q7→R；当需要发无功时，无功电流路径相应为R→D7→C3→Q2→D9→N；

此时，其有功电流路径为N→Q9→D2→D3→R；当需要发无功时，无功电流路径相应为R→Q3→Q2→D9→N；

此时，其有功电流路径为R→D4→D5→Q10→N；当需要发无功时，无功电流路径相应为N→D10→Q5→Q4→R；

此时，其有功电流路径R→Q8→C4→D5→Q10→N；当需要发无功时，无功电流路径相应为N→D10→Q5→C4→D8→R；

此时，其有功电流路径为R→D4→C4→Q6→PV-→N；当需要发无功时，无功电流路径相应为N→PV-→D6→C4→Q4→R；

此时，其有功电流路径为R→Q8→Q6→PV-→N；当需要发无功时，无功电流路径相应为N→PV-→D6→D8→R。

或者，如图4所示：

所述第一开关支路包括：第二开关管Q2；

所述第四开关支路包括：第五开关管Q5。

优选的，各个开关管均包括体二极管或反向并联一个二极管，比如带体二极管或者反向并联一个二极管的IGBT、MOSFET等开关管。

图4中的所述第二开关支路以反向串联的第三开关管Q3和第九开关管Q9、所述第三开关支路以反向串联的第四开关管Q4和第十开关管Q10为例进行展示；并且，在具体的实际应用中，所述第二开关支路和所述第三开关支路中反向串联的两个开关管的串联顺序并不做具体限定，也可以将所述第二开关支路或者所述第三开关支路中反向串联的两个开关管的串联顺序调换；另外，当第九开关管Q9和第四开关管Q4(或者第三开关管Q3和第十开关管Q10)均设置于所在支路的右侧，即两者连接于R点时，可以将两者进行并联，即以一个同方向的开关管代替两者；图4仅为一种示例，可以视其具体的应用环境而定，均在本申请的保护范围内。

图4所示为本实用新型提供的第二种五电平逆变器的具体实现形式，其中，PV+为直流电源PV的正端，PV-为直流电源PV的负端，R为所述五电平逆变器的输出端，N为第一电容C1与第二电容C2的连接点，D1为第一开关管Q1的体二极管或者反向并联二极管，D2为第二开关管Q2的体二极管或者反向并联二极管，D3为第三开关管Q3的体二极管或者反向并联二极管，D4为第四开关管Q4的体二极管或者反向并联二极管，D5为第五开关管Q5的体二极管或者反向并联二极管，D6为第六开关管Q6的体二极管或者反向并联二极管，D7为第七开关管Q7的体二极管或者反向并联二极管，D8为第八开关管Q8的体二极管或者反向并联二极管，D9为第九开关管Q9的体二极管或者反向并联二极管，D10为第十开关管Q10的体二极管或者反向并联二极管；其对应的八个工作模态分别为：

此时，其有功电流路径为PV+→Q1→C3→D3→Q9→R；当需要发无功时，无功电流路径相应为R→D9→Q3→C3→D1→PV+→N；

此时，其有功电流路径为N→D2→C3→Q7→R；当需要发无功时，无功电流路径相应为R→D7→C3→Q2→N；

此时，其有功电流路径为N→D2→D3→Q9→R；当需要发无功时，无功电流路径相应为R→D9→Q3→Q2→N；

此时，其有功电流路径为R→Q10→D4→D5→N；当需要发无功时，无功电流路径相应为N→Q5→Q4→D10→R；

此时，其有功电流路径R→Q8→C4→D5→N；当需要发无功时，无功电流路径相应为N→Q5→C4→D8→R；

此时，其有功电流路径为R→Q10→D4→C4→Q6→PV-→N；当需要发无功时，无功电流路径相应为N→PV-→D6→C4→Q4→D10→R；

或者，如图5所示：

在具体的应用中，也可以将第二开关管Q2及第五开关管Q5进行并联，即省掉一个开关管和两个二极管(比如第二开关管Q2、第九二极管D9及第十一二极管D11)。

或者，如图6所示：

所述第一开关支路包括：第二开关管Q2；

所述第四开关支路包括：第五开关管Q5。

在具体的应用中，也可以将第三开关管Q3及第四开关管Q4进行并联，即省掉一个开关管和两个二极管(比如第三开关管Q3、第十二极管D10及第十二二极管D12)。

优选的，图5中的第一开关管Q1、第三开关管Q3、第四开关管Q4、第六开关管Q6、第七开关管Q7及第八开关管Q8均包括体二极管或反向并联一个二极管，比如带体二极管或者反向并联一个二极管的IGBT、MOSFET等开关管。而第二开关管Q2及第五开关管Q5均为单向可控器件即可，比如不带体二极管的开关管或者逆阻型开关管，或者也可以为双向可控器件，如带体二极管或者反向并联一个二极管的IGBT、MOSFET等开关管。

优选的，图6中的第一开关管Q1、第二开关管Q2、第五开关管Q5、第六开关管Q6、第七开关管Q7及第八开关管Q8均包括体二极管或反向并联一个二极管，比如带体二极管或者反向并联一个二极管的IGBT、MOSFET等开关管。而第三开关管Q3及第四开关管Q4均为单向可控器件即可，比如不带体二极管的开关管或者逆阻型开关管，或者也可以为双向可控器件，如带体二极管或者反向并联一个二极管的IGBT、MOSFET等开关管。

图5和图6中的第九二极管D9、第十二极管D10、第十一二极管D11和第十二二极管D12，以及第十三二极管D13、第十四二极管D14、第十五二极管D15和第十六二极管D16，均可以一个全波整流桥代替，此处不做具体限定，可以视其具体的应用环境而定，均在本申请的保护范围内。

图5所示为本实用新型提供的第三种五电平逆变器的具体实现形式，图6所示为本实用新型提供的第四种五电平逆变器的具体实现形式，其中，PV+为直流电源PV的正端，PV-为直流电源PV的负端，R为所述五电平逆变器的输出端，N为第一电容C1与第二电容C2的连接点，D1为第一开关管Q1的体二极管或者反向并联二极管，D2为第二开关管Q2的体二极管或者反向并联二极管，D3为第三开关管Q3的体二极管或者反向并联二极管，D4为第四开关管Q4的体二极管或者反向并联二极管，D5为第五开关管Q5的体二极管或者反向并联二极管，D6为第六开关管Q6的体二极管或者反向并联二极管，D7为第七开关管Q7的体二极管或者反向并联二极管，D8为第八开关管Q8的体二极管或者反向并联二极管，D9为第九开关管Q9的体二极管或者反向并联二极管，D10为第十开关管Q10的体二极管或者反向并联二极管；其对应的八个工作模态分别为：

此时，图5所示的第三种五电平逆变器的有功电流路径为PV+→Q1→Q7→R；当需要发无功时，无功电流路径相应为R→D7→D1→PV+→N；

图6所示的第四种五电平逆变器的有功电流路径为PV+→Q1→Q7→R；当需要发无功时，无功电流路径相应为R→D7→D1→PV+→N；

此时，图5所示的第三种五电平逆变器的有功电流路径为PV+→Q1→C3→D3→R；当需要发无功时，无功电流路径相应为R→Q3→C3→D1→PV+→N；

图6所示的第四种五电平逆变器的有功电流路径为PV+→Q1→C3→D9→Q3→D12→R；当需要发无功时，无功电流路径相应为R→D10→Q3→D11→C3→D1→PV+→N；

此时，图5所示的第三种五电平逆变器的有功电流路径为N→D9→Q2→D12→C3→Q7→R；当需要发无功时，无功电流路径相应为R→D7→C3→D10→Q2→D11→N；

图6所示的第四种五电平逆变器的有功电流路径为N→D2→C3→Q7→R；当需要发无功时，无功电流路径相应为R→D7→C3→Q2→N；

第四模态：第二开关管Q2及第三开关管Q3导通，其余开关管均截止；

此时，图5所示的第三种五电平逆变器的有功电流路径为N→D9→Q2→D12→D3→R；当需要发无功时，无功电流路径相应为R→Q3→D10→Q2→D11→N；

图6所示的第四种五电平逆变器的有功电流路径为N→D2→D9→Q3→D12→R；当需要发无功时，无功电流路径相应为R→D10→Q3→D11→Q2→N；

第五模态：第四开关管Q4及第五开关管Q5导通，其余开关管均截止；

此时，图5所示的第三种五电平逆变器的有功电流路径为R→D4→D14→Q5→D15→N；当需要发无功时，无功电流路径相应为N→D13→Q5→D16→Q4→R；

图6所示的第四种五电平逆变器的有功电流路径为R→D14→Q4→D15→D5→N；当需要发无功时，无功电流路径相应为N→Q5→D13→Q4→D16→R；

此时，图5所示的第三种五电平逆变器的有功电流路径为R→Q8→C4→D14→Q5→D15→N；当需要发无功时，无功电流路径相应为N→D13→Q5→D16→C4→D8→R；

图6所示的第四种五电平逆变器的有功电流路径为R→Q8→C4→D5→N；当需要发无功时，无功电流路径相应为N→Q5→C4→D8→R；

此时，图5所示的第三种五电平逆变器的有功电流路径为R→D4→C4→Q6→PV-→N；当需要发无功时，无功电流路径相应为N→PV-→D6→C4→Q4→R；

图6所示的第四种五电平逆变器的有功电流路径为R→D14→Q4→D15→C4→Q6→PV-→N；当需要发无功时，无功电流路径相应为N→PV-→D6→C4→D13→Q4→D16→R；

此时，图5所示的第三种五电平逆变器的有功电流路径为R→Q8→Q6→PV-→N；当需要发无功时，无功电流路径相应为N→PV-→D6→D8→R；

图6所示的第四种五电平逆变器的有功电流路径为R→Q8→Q6→PV-→N；当需要发无功时，无功电流路径相应为N→PV-→D6→D8→R；

或者，如图7所示：

所述第一开关支路包括：第二开关管Q2；

所述第二开关支路包括：反向串联的第三开关管Q3和第九开关管Q9；第三开关管Q3和第九开关管Q9的连接点与第七开关管Q7的第二端相连；第三开关管Q3的第二端为所述第二开关支路的第一端，第九开关管Q9的第二端为所述第二开关支路的第二端；

所述第三开关支路包括：反向串联的第四开关管Q4和第十开关管Q10；第四开关管Q4和第十开关管Q10的连接点与第八开关管Q8的第一端相连；第四开关管Q4的第一端为所述第三开关支路的第一端，第十开关管Q10的第一端为所述第三开关支路的第二端；

所述第四开关支路包括：第五开关管Q5。

图7所示为本实用新型提供的第五种五电平逆变器的具体实现形式，其中，PV+为直流电源PV的正端，PV-为直流电源PV的负端，R为所述五电平逆变器的输出端，N为第一电容C1与第二电容C2的连接点，D1为第一开关管Q1的体二极管或者反向并联二极管，D2为第二开关管Q2的体二极管或者反向并联二极管，D3为第三开关管Q3的体二极管或者反向并联二极管，D4为第四开关管Q4的体二极管或者反向并联二极管，D5为第五开关管Q5的体二极管或者反向并联二极管，D6为第六开关管Q6的体二极管或者反向并联二极管，D7为第七开关管Q7的体二极管或者反向并联二极管，D8为第八开关管Q8的体二极管或者反向并联二极管，D9为第九开关管Q9的体二极管或者反向并联二极管，D10为第十开关管Q10的体二极管或者反向并联二极管；其对应的八个工作模态分别为：

此时，其有功电流路径为PV+→Q1→Q7→Q9→R；当需要发无功时，无功电流路径相应为R→D9→D7→D1→PV+→N；

此时，其有功电流路径为N→D2→C3→Q7→Q9→R；当需要发无功时，无功电流路径相应为R→D9→D7→C3→Q2→N；

此时，其有功电流路径为R→Q10→Q8→C4→D5→N；当需要发无功时，无功电流路径相应为N→Q5→C4→D8→D10→R；

此时，其有功电流路径为R→Q10→Q8→Q6→PV-→N；当需要发无功时，无功电流路径相应为N→PV-→D6→D8→D10→R；

或者，如图8所示：

所述第四开关支路包括：第五开关管Q5。

图8中的所述第一开关支路以反向串联的第二开关管Q2和第九开关管Q9、所述第三开关支路以反向串联的第四开关管Q4和第十开关管Q10为例进行展示；并且，在具体的实际应用中，所述第一开关支路和所述第三开关支路中反向串联的两个开关管的串联顺序并不做具体限定，图8仅为一种示例，可以视其具体的应用环境而定，均在本申请的保护范围内。

图8所示为本实用新型提供的第六种五电平逆变器的具体实现形式，其对应的八个工作模态中，其第一模态至第第四模态分别与图3所示的第一种五电平逆变器的第一模态至第四模态对应相同；其第五模态至第第八模态分别与图4所示的第二种五电平逆变器的第五模态至第八模态对应相同，此处不再一一赘述。

优选的，在图8的基础上，即当所述第一开关支路包括反向串联的第二开关管Q2和第九开关管Q9、所述第三开关支路包括反向串联的第四开关管Q4和第十开关管Q10，且第九开关管Q9的第一端为所述第一开关支路的第一端，第二开关管Q2的第一端为所述第一开关支路的第二端，第四开关管Q4的第一端为所述第三开关支路的第一端，第十开关管Q10的第一端为所述第三开关支路的第二端，或者，第九开关管Q9的第二端为所述第一开关支路的第二端，第二开关管Q2的第二端为所述第一开关支路的第一端，第四开关管Q4的第二端为所述第三开关支路的第二端，第十开关管Q10的第二端为所述第三开关支路的第一端时，第二开关管Q2与第九开关管Q9的连接点，还与第四开关管Q4与第十开关管Q10的连接点相连。

此时，电流流经第九开关管Q9之后，可以直接通过第十开关管Q10的体二极管或反向并联二极管到达R点，而无需再经过第二开关管Q2的体二极管或反向并联二极管及第三开关管Q3的体二极管或反向并联二极管；同理，电流流经第十开关管Q10之后，可以直接通过第九开关管Q9的体二极管或反向并联二极管到达N点，效率更为提高。

或者，如图9所示：

所述第一开关支路包括：第二开关管Q2；

图9中的所述第二开关支路以反向串联的第三开关管Q3和第九开关管Q9、所述第四开关支路以反向串联的第五开关管Q5和第十开关管Q10为例进行展示；并且，在具体的实际应用中，所述第二开关支路和所述第四开关支路中反向串联的两个开关管的串联顺序并不做具体限定，图9仅为一种示例，可以视其具体的应用环境而定，均在本申请的保护范围内。

图9所示为本实用新型提供的第七种五电平逆变器的具体实现形式，其对应的八个工作模态中，其第一模态至第第四模态分别与图4所示的第二种五电平逆变器的第一模态至第四模态对应相同；其第五模态至第第八模态分别与图3所示的第一种五电平逆变器的第五模态至第八模态对应相同，此处不再一一赘述。

优选的，在图9的基础上，即当所述第二开关支路包括反向串联的第三开关管Q3和第九开关管Q9、所述第四开关支路包括反向串联的第五开关管Q5和第十开关管Q10，且第九开关管Q9的第二端为所述第二开关支路的第二端，第三开关管Q3的第二端为所述第二开关支路的第一端，第五开关管Q5的第二端为所述第四开关支路的第二端，第十开关管Q10的第二端为所述第四开关支路的第一端，或者，第九开关管Q9的第一端为所述第二开关支路的第一端，第三开关管Q3的第一端为所述第二开关支路的第二端，第五开关管Q5的第一端为所述第四开关支路的第一端，第十开关管Q10的第一端为所述第四开关支路的第二端时，第三开关管Q3与第九开关管Q9的连接点，还与第五开关管Q5与第十开关管Q10的连接点相连。

此时，电流流经第十开关管Q10的体二极管或反向并联二极管之后，可以直接通过第九开关管Q9到达R点，而无需再经过第五开关管Q5及第四开关管Q4；同理，电流流经第九开关管Q9的体二极管或反向并联二极管之后，可以直接通过第十开关管Q10到达N点，效率更为提高。

或者，如图10所示：

所述第四开关支路包括：第五开关管Q5。

优选的，图10中的第一开关管Q1、第三开关管Q3、第五开关管Q5、第六开关管Q6、第七开关管Q7及第八开关管Q8均包括体二极管或反向并联一个二极管，比如带体二极管或者反向并联一个二极管的IGBT、MOSFET等开关管。而第二开关管Q2及第四开关管Q4均为单向可控器件即可，比如不带体二极管的开关管或者逆阻型开关管，或者也可以为双向可控器件，如带体二极管或者反向并联一个二极管的IGBT、MOSFET等开关管。

图10中的第九二极管D9、第十二极管D10、第十一二极管D11和第十二二极管D12，以及第十三二极管D13、第十四二极管D14、第十五二极管D15和第十六二极管D16，均可以一个全波整流桥代替，此处不做具体限定，可以视其具体的应用环境而定，均在本申请的保护范围内。

图10所示为本实用新型提供的第八种五电平逆变器的具体实现形式，其对应的八个工作模态中，其第一模态至第第四模态分别与图5所示的第三种五电平逆变器的第一模态至第四模态对应相同；其第五模态至第第八模态分别与图6所示的第四种五电平逆变器的第五模态至第八模态对应相同，此处不再一一赘述。

或者，如图11所示：

所述第一开关支路包括：第二开关管Q2；

优选的，图11中的第一开关管Q1、第二开关管Q2、第四开关管Q4、第六开关管Q6、第七开关管Q7及第八开关管Q8均包括体二极管或反向并联一个二极管，比如带体二极管或者反向并联一个二极管的IGBT、MOSFET等开关管。而第三开关管Q3及第五开关管Q5均为单向可控器件即可，比如不带体二极管的开关管或者逆阻型开关管，或者也可以为双向可控器件，如带体二极管或者反向并联一个二极管的IGBT、MOSFET等开关管。

图11中的第九二极管D9、第十二极管D10、第十一二极管D11和第十二二极管D12，以及第十三二极管D13、第十四二极管D14、第十五二极管D15和第十六二极管D16，均可以一个全波整流桥代替，此处不做具体限定，可以视其具体的应用环境而定，均在本申请的保护范围内。

图11所示为本实用新型提供的第九种五电平逆变器的具体实现形式，其对应的八个工作模态中，其第一模态至第第四模态分别与图6所示的第四种五电平逆变器的第一模态至第四模态对应相同；其第五模态至第第八模态分别与图5所示的第三种五电平逆变器的第五模态至第八模态对应相同，此处不再一一赘述。

由上述实施例可以看出，当输出电压为正向时，有两个状态第二工作模态和第三工作模态可以选择，且两个状态的流向第一钳位电容C3的电流方向相反，因此可以灵活选择这两个开关状态来平衡第一钳位电容C3的电压；同理，当输出电压为负向时，可以灵活选择第六工作模态和第七工作模态两个开关状态来平衡第二钳位电容C4上的电压，不需要增加额外的硬件电路就可以实现全功率、全调制下电容电压的平衡控制。因此，本实施例提供的所述五电平逆变器，不仅可以输出五个电平状态，降低系统的电流谐波含量，减小系统的交流滤波电感，提高系统的电压等级，降低系统的共模电压；且无需增加额外的硬件电路就可以实现全功率、全调制下功率电容电压的平衡控制。

值得说明的是，现有技术中如图1所述的五电平逆变器，其电流换流路径较多，同时每次电流流经的路径中需要经过多个开关管，其效率较低。

而本实施例提供的上述多种五电平逆变器，由其各自的八个模态可以看出，每个模态下导通的开关管数量很多情况下为两个，可以达到提高系统效率的目的。

另外，上述各个工作模态下，其中各个开关管的选型及驱动信号来源此处不做具体限定，可以视其具体应用环境而定。

在具体的实际应用中，所述五电平逆变器也不一定限定于图3至图11所示的实现形式。具体的，所述第一开关支路和所述第二开关支路中的至少一个双向可控开关支路，以及所述第三开关支路和所述第四开关支路中的至少一个双向可控开关支路，可以采用反向串联的两个开关管、反向并联的两个逆阻型开关管、或者四个整流二极管加一个开关管中的任意一种形式，均在本申请的保护范围内，此处不再一一赘述。

在具体的实际应用中，如图12-a所示，所述五电平逆变器的第二输入端及输出端还可以分别通过电感等元件(比如电容)与电网相连。或者，如图12-b所示，所述五电平逆变器的前端还增加一个DC/DC变换器来进行电压的变化，用于拓宽所述五电平逆变器的输入电压范围，且其第二输入端及输出端分别通过电感等元件(比如电容)与电网相连。

本实用新型另一实施例还提供了一种五电平逆变器的应用电路，如图13-a所示，为本实施例提供的两相五电平逆变器拓扑图，包括两个如上述实施例所述的五电平逆变器，分别为第一五电平逆变器101和第二五电平逆变器102；其中：

第一五电平逆变器101和第二五电平逆变器102的第一输入端均连接直流电源PV的正端；

第一五电平逆变器101和第二五电平逆变器102的第二输入端均与第一电容C1和第二电容C2的连接点相连；

第一五电平逆变器101和第二五电平逆变器102的第三输入端均连接直流电源PV的负端；

第一五电平逆变器101和第二五电平逆变器102的输出端分别作为所述五电平逆变器的应用电路的两个交流输出端。

具体的，第一五电平逆变器101由第一正弦波进行调制，第二五电平逆变器102由第二正弦波进行调制；

第一正弦波和第二正弦波的相位相差180度或0度。

本实用新型另一实施例还提供了一种五电平逆变器的应用电路，如图14-a所示，为本实施例提供的三相三线制五电平逆变器拓扑图，包括三个如图上述实施例所述的五电平逆变器，分别为第一五电平逆变器201、第二五电平逆变器202和第三五电平逆变器203；其中：

第一五电平逆变器201、第二五电平逆变器202和第三五电平逆变器203的第一输入端均连接直流电源PV的正端；

第一五电平逆变器201、第二五电平逆变器202和第三五电平逆变器203的第二输入端均与第一电容C1和第二电容C2的连接点相连；

第一五电平逆变器201、第二五电平逆变器202和第三五电平逆变器203的第三输入端均连接直流电源PV的负端；

第一五电平逆变器201、第二五电平逆变器202和第三五电平逆变器203的输出端分别作为所述五电平逆变器的应用电路的三个交流输出端。

具体的，第一五电平逆变器201由第一正弦波进行调制，第二五电平逆变器202由第二正弦波进行调制，第三五电平逆变器203由第三正弦波进行调制；

第一正弦波、第二正弦波和第三正弦波的相位依次互差120度。

本实用新型另一实施例还提供了一种五电平逆变器的应用电路，如图15-a所示，为本实施例提供的三相四线制五电平逆变器拓扑图，包括三个如上述实施例所述的五电平逆变器，分别为第一五电平逆变器201、第二五电平逆变器202和第三五电平逆变器203；其中：

第一五电平逆变器201、第二五电平逆变器202和第三五电平逆变器203的输出端分别作为所述五电平逆变器的应用电路的三个交流输出端；

第一电容C1与第二电容C2的连接点作为所述五电平逆变器的应用电路的第四输出端、分别通过电网与电感等元件(例如还包括电容)与所述三个交流输出端相连。

在具体的实际应用中，所述五电平逆变器的应用电路的前端还可以增加一个DC/DC变换器来进行电压的变化，用于拓宽所述五电平逆变器的应用电路的输入电压范围。所述五电平逆变器的应用电路的各个交流输出端还可以分别通过电感等元件(例如还包括电容)与电网相连。或者如图13-b、14-b和15-b所示，各个所述五电平逆变器的应用电路，其前端增加一个DC/DC变换器来进行电压的变化，且其各个交流输出端还分别通过电感等元件与电网相连。

上述实施例中所述的各五电平逆变器的应用电路，均可应用于光伏发电系统，相应的，直流电源PV为光伏电池组件。或者所述各五电平逆变器的应用电路也可以应用于其他发电系统，此处不做具体限定。

需要说明的是，本实用新型实施例提供的五电平逆变器实现了功率电容上的电压自平衡的功能，可以理解的是，由该五电平逆变器组成的两相、三相三线制以及三相四线制五电平逆变器同样具有该优点。

本实用新型的五电平逆变器，不局限于逆变器，也可以用于整流器、DCDC变换器等应用。双向可控开关支路，指开关支路可以被控制开通和关断，使得电流从第一端流入，从第二端流出，也可以被控制开通和关断，使得电流从第二端流入，从第一端流出。

以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例而已，并非对本实用新型作任何形式上的限制。虽然本实用新型已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本实用新型。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本实用新型技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本实用新型技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本实用新型技术方案的内容，依据本实用新型的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本实用新型技术方案保护的范围内。

Claims

1.一种五电平逆变器，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的五电平逆变器，其特征在于，

3.根据权利要求2所述的五电平逆变器，其特征在于，

4.根据权利要求2所述的五电平逆变器，其特征在于，

所述第一开关支路包括：第二开关管Q2；

所述第四开关支路包括：第五开关管Q5。

5.根据权利要求2所述的五电平逆变器，其特征在于，

6.根据权利要求2所述的五电平逆变器，其特征在于，

所述第一开关支路包括：第二开关管Q2；

所述第四开关支路包括：第五开关管Q5。

7.根据权利要求2所述的五电平逆变器，其特征在于，

所述第一开关支路包括：第二开关管Q2；

所述第四开关支路包括：第五开关管Q5。

8.根据权利要求2所述的五电平逆变器，其特征在于，

所述第四开关支路包括：第五开关管Q5。

9.根据权利要求2所述的五电平逆变器，其特征在于，

所述第一开关支路包括：第二开关管Q2；

10.根据权利要求2所述的五电平逆变器，其特征在于，

所述第四开关支路包括：第五开关管Q5。

11.根据权利要求2所述的五电平逆变器，其特征在于，

所述第一开关支路包括：第二开关管Q2；

12.根据权利要求3所述的五电平逆变器，其特征在于，当所述第一开关支路包括反向串联的第二开关管Q2和第九开关管Q9，所述第四开关支路包括反向串联的第五开关管Q5和第十开关管Q10时，所述五电平逆变器对应的八个工作模态分别为：

13.根据权利要求4所述的五电平逆变器，其特征在于，当所述第二开关支路包括反向串联的第三开关管Q3和第九开关管Q9，所述第三开关支路包括反向串联的第四开关管Q4和第十开关管Q10时，所述五电平逆变器对应的八个工作模态分别为：

14.根据权利要求5或6所述的五电平逆变器，其特征在于，所述五电平逆变器对应的八个工作模态分别为：

15.根据权利要求7所述的五电平逆变器，其特征在于，所述五电平逆变器对应的八个工作模态分别为：

16.根据权利要求1至4、7至9任一所述的五电平逆变器，其特征在于，各个开关管均包括体二极管或反向并联一个二极管。

17.根据权利要求8所述的五电平逆变器，其特征在于，当所述第一开关支路包括反向串联的第二开关管Q2和第九开关管Q9、所述第三开关支路包括反向串联的第四开关管Q4和第十开关管Q10，且第九开关管Q9的第一端为所述第一开关支路的第一端，第二开关管Q2的第一端为所述第一开关支路的第二端，第四开关管Q4的第一端为所述第三开关支路的第一端，第十开关管Q10的第一端为所述第三开关支路的第二端，或者，第九开关管Q9的第二端为所述第一开关支路的第二端，第二开关管Q2的第二端为所述第一开关支路的第一端，第四开关管Q4的第二端为所述第三开关支路的第二端，第十开关管Q10的第二端为所述第三开关支路的第一端时，第二开关管Q2与第九开关管Q9的连接点，还与第四开关管Q4与第十开关管Q10的连接点相连。

18.根据权利要求9所述的五电平逆变器，其特征在于，当所述第二开关支路包括反向串联的第三开关管Q3和第九开关管Q9、所述第四开关支路包括反向串联的第五开关管Q5和第十开关管Q10，且第九开关管Q9的第二端为所述第二开关支路的第二端，第三开关管Q3的第二端为所述第二开关支路的第一端，第五开关管Q5的第二端为所述第四开关支路的第二端，第十开关管Q10的第二端为所述第四开关支路的第一端，或者，第九开关管Q9的第一端为所述第二开关支路的第一端，第三开关管Q3的第一端为所述第二开关支路的第二端，第五开关管Q5的第一端为所述第四开关支路的第一端，第十开关管Q10的第一端为所述第四开关支路的第二端时，第三开关管Q3与第九开关管Q9的连接点，还与第五开关管Q5与第十开关管Q10的连接点相连。

19.一种五电平逆变器的应用电路，其特征在于，包括两个如权利要求1至18任一所述的五电平逆变器，分别为第一五电平逆变器和第二五电平逆变器；其中：

20.一种五电平逆变器的应用电路，其特征在于，包括三个如权利要求1至18任一所述的五电平逆变器，分别为第一五电平逆变器、第二五电平逆变器和第三五电平逆变器；其中：

21.根据权利要求20所述的五电平逆变器的应用电路，其特征在于，所述五电平逆变器的应用电路还包括第四输出端；所述第四输出端为第一电容C1与第二电容C2的连接点。