CN208489802U - 五电平拓扑单元及五电平交直流变换器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种五电平拓扑单元。该五电平拓扑单元包括第一开关器件、第二开关器件、第三开关器件、第四开关器件、第五开关器件、第六开关器件、第七开关器件、第八开关器件、第九开关器件、第十开关器件、第十一开关器件、第十二开关器件、第十三开关器件及第十四开关器件；第一电容、第二电容、第三电容及第四电容；五电平拓扑单元在各开关器件的作用下工作在五个工作模态。本实用新型还涉及一种五电平交直流变换器。上述五电平拓扑单元及五电平交直流变换器，可降低整个系统的成本；系统可靠性高，效率高；开关器件的封装结构的通用性高，体积小；开关器件的静态耐压较高，因此，交流端的实际电压值可以更高。

Description

五电平拓扑单元及五电平交直流变换器

技术领域

本实用新型涉及电力电子技术领域，特别涉及一种五电平拓扑单元及五电平交直流变换器。

背景技术

其中，双向交直流变换器是一种将直流电能转换成交流电能或者将交流电能转换成直流电能的变换器。近年来，多电平拓扑电路技术成为了中高压大功率变频领域的常用技术。多电平拓扑电路系统在抗电磁干扰方面性能非常优良。因此，为了满足市场需求，越来越多的多电平交直流变换器推入市场，例如五电平交直流变换器。

但目前几乎所有五电平交直流变换器，需要采用复杂的均压措施和吸收电路来防止飞跨电容及部分开关管和二极管两端过电压，且传统五电平拓扑一般实际应用都需要从新做封装；这些因素均导致五电平交直流变换器的成本较高及可靠性差等问题。

实用新型内容

基于此，有必要针对五电平交直流变换器的这些问题，提供一种五电平拓扑单元及五电平交直流变换器。

一种五电平拓扑单元，包括：

第一开关器件、第二开关器件、第三开关器件、第四开关器件、第五开关器件、第六开关器件、第七开关器件、第八开关器件、第九开关器件、第十开关器件、第十一开关器件、第十二开关器件、第十三开关器件及第十四开关器件、第一电容、第二电容、第三电容及第四电容；

所述五电平拓扑单元与直流电源连接；所述直流电源的直流正端与直流负端之间并联有第一支路、第二支路和第三支路；

其中，所述第一支路包括相连的所述第一电容和所述第二电容，所述第一电容和所述第二电容之间的电路中点作为第一连接端；所述第一电容未连接所述第一连接端的电极连接直流电源的直流正端，所述第二电容未连接所述第一连接端的电极连接所述直流电源的直流负端；

所述第二支路包括依次连接的所述第二开关器件、所述第三开关器件、所述第四开关器件和所述第五开关器件，所述第二开关器件未连接所述第三开关器件的一端与所述直流正端连接，所述第五开关器件未连接所述第四开关器件的一端与所述直流负端连接；

所述第三支路包括依次连接的所述第一开关器件、所述第十三开关器件、所述第七开关器件、所述第八开关器件、所述第十四开关器件及所述第六开关器件，所述第一开关器件未连接所述第十三开关器件的一端连接所述直流正端，所述第六开关器件未连接所述第十四开关器件的一端连接所述直流负端；所述第七开关器件和所述第八开关器件的公共连接端作为交流端；

所述第十一开关器件一端与所述第一连接端连接，另一端通过所述第十二开关器件、所述第九开关器件及所述第十开关器件与所述交流端连接；

所述第一开关器件和所述第十三开关器件之间的公共连接端通过所述第三电容与所述第二开关器件与所述第三开关器件的公共连接端连接；所述第六开关器件和所述第十四开关器件的公共连接端通过所述第四电容与所述第四开关器件与所述第五开关器件的公共连接端连接；

在所述五电平拓扑单元的一个工作周期内，所述五电平拓扑单元依次工作在所述第一工作模态、所述第二工作模态、所述第三工作模态、所述第二工作模态、所述第一工作模态、所述第四工作模态、所述第五工作模态、所述第四工作模态及所述第一工作模态，以使得所述交流端输出交流电压；当所述五电平拓扑单元工作在所述第一工作模态时，所述交流端的电压为零；当所述五电平拓扑单元工作在第二工作模态时，所述五电平拓扑单元交流端的电压与所述直流正端的电压相等；当所述五电平拓扑单元工作在所述第三工作模态时，所述交流端的电压为所述直流正端的电压的两倍；当所述五电平拓扑单元工作在所述第四工作模态时，所述交流端的电压与所述直流负端相等；当所述五电平拓扑单元工作在所述第五工作模态时，所述交流端的电压是所述直流负端电压的两倍。

在其中一个实施例中，第一开关器件、第三开关器件、第四开关器件、第六开关器件、第九开关器件、第十开关器件、第十一开关器件、第十二开关器件、第十三开关器件导通，其他开关器件截止，以使所述五电平拓扑单元工作在第一工作模态；或者第一开关器件、第三开关器件、第四开关器件、第六开关器件、第九开关器件、第十开关器件、第十一开关器件、第十二开关器件、第十四开关器件导通，其他开关器件截止，以使所述五电平拓扑单元工作在第一工作模态；

第一开关器件、第三开关器件、第四开关器件、第六开关器件、第七开关器件、第十开关器件、第十一开关器件、第十二开关器件、第十三开关器件导通，其他开关器件截止，以使所述五电平拓扑单元工作在第二工作模态；

第二开关器件、第四开关器件、第六开关器件、第七开关器件、第十开关器件、第十三开关器件导通，其他开关器件截止，以使所述五电平拓扑单元工作在第三工作模态；

第一开关器件、第三开关器件、第四开关器件、第六开关器件、第八开关器件、第九开关器件、第十一开关器件、第十二开关器件、第十四开关器件导通，其他开关器件截止，以使所述五电平拓扑单元工作在第四工作模态；

第一开关器件、第三开关器件、第五开关器件、第八开关器件、第九开关器件、第十四开关器件导通，其他开关管截止，以使所述五电平拓扑单元工作在第五工作模态。

在其中一个实施例中，所述五电平拓扑单元还包括第一电感；所述第三开关器件和所述第四开关器件的公共连接端通过第一电感与第一连接端连接。

在其中一个实施例中，所述第十一开关器件、所述第十二开关器件、所述第九开关器件及所述第十开关器件依次连接，所述第十开关器件与所述交流端连接。

在其中一个实施例中，所述第九开关器件及所述第十开关器件反并联，所述第九开关器件与所述第十开关器件的一公共连接端和所述第十一开关器件之间设置所述第十二开关器件，所述第九开关器件与所述第十开关器件的另一公共连接端连接所述交流端。

在其中一个实施例中，各所述开关器件是开关管，各所述开关管均反并联一个二极管。

在其中一个实施例中，所述五电平拓扑单元还包括第十五二极管和第十六二极管，所述第十五二极管的阳极与所述第一连接端连接，所述第十五二极管的阴极与所述第二开关器件和所述第三开关器件的公共连接端连接；所述第十六二极管的阴极与所述第一连接端连接，所述第十六二极管的阳极与所述第四开关器件与所述第五开关器件的公共连接端连接。

一种五电平交直流变换器，包括：

上述任一实施例的五电平拓扑单元；

控制单元，用于控制所述五电平拓扑单元中各开关器件的导通状态或截止状态，以使所述变换器工作在相应的工作模态。

在其中一个实施例中，所述控制单元与各所述开关器件分别连接，所述控制单元为各所述开关器件分别提供驱动信号；各所述开关器件在相应的驱动信号下导通或截止。

在其中一个实施例中，所述控制单元的控制信号包括第一电压信号、第二电压信号及第三电压信号；所述控制单元通过将所述第一电压信号与所述第二电压信号的电压值在同一时刻的比较结果作为所述第一开关器件、所述第二开关器件、所述第三开关器件、所述第四开关器件、所述第五开关器件及所述第六开关器件的驱动信号；

所述控制单元通过将所述第一电压信号与所述第三电压信号的电压值在同一时刻的比较结果作为所述第七开关器件、所述第八开关器件、所述第九开关器件、所述第十开关器件、所述第十一开关器件及所述第十二开关器件的驱动信号；

所述第一电压信号作为所述第十三开关器件和所述第十四开关器件的驱动信号。

上述五电平拓扑单元及五电平交直流变换器，将直流电源的直流电转换成为交流电输出或者将交流侧的交流电转换成直流侧的直流电输出。在所述五电平拓扑单元的一个工作周期内，所述五电平拓扑单元依次工作在所述第一工作模态、所述第二工作模态、所述第三工作模态、所述第二工作模态、所述第一工作模态、所述第四工作模态、所述第五工作模态、所述第四工作模态及所述第一工作模态。当工作在第一工作模态时，交流端的电压为零。当工作在第二工作模态时，交流端的电压与直流正端的电压相等。当工作在第三工作模态时，交流端的电压为直流正端的电压的两倍。当工作在第四工作模态时，交流端的电压与直流负端相等。当工作在第五工作模态时，交流端的电压是直流负端电压的两倍。因此，在直流电源的直流电压一定时，交流端的交流电的最大幅值是直流电压的两倍。也就是说，在直流电源的直流电压一定时，交流端的交流电的幅值更高，交流电的电压有效值更高。因此，上述五电平拓扑单元，由于交流侧的电压较高，在负载电压一定时，上述五电平拓扑单元可以降低交直流变换器交流侧的隔离变压器的成本，从而降低系统的成本。同时，在相同功率等级下由于其交流侧电压更高则其交流电流更小，由于交流侧交流电流减少，因此可采用较细的交流线缆，所以交流侧线缆成本更低，即这将带来更低的损耗及更低的交流侧线缆成本。另外，当五电平拓扑单元工作在第三工作模态时，交流端与第一连接端之间、交流端与直流负端的之间的电路上的开关器件的静态耐压较高，因此，交流端的实际电压值可以更高，更接近理论值，从而使得交流侧的成本进一步降低。类似地，当五电平拓扑单元工作在第五工作模态时，交流端与第一连接端之间、交流端与直流正端之间的电路上的开关器件的的静态耐压较高，因此，交流端的实际电压值可以更高，更接近理论值，从而使得交流侧的成本进一步降低。

附图说明

图1为一实施例的五电平拓扑单元的电路示意图；

图2a是图1所示的五电平拓扑单元工作在第一工作模态时的一等效电路图；

图2b是图1所示的五电平拓扑单元工作在第一工作模态时的另一等效电路图；

图3是图1所示的五电平拓扑单元工作在第二工作模态时的等效电路图；

图4是图1所示的五电平拓扑单元工作在第三工作模态时的等效电路图；

图5是图1所示的五电平拓扑单元工作在第四工作模态时的等效电路图；

图6是图1所示的五电平拓扑单元工作在第五工作模态时的等效电路图；

图7为一实施例的五电平拓扑单元工作时各开关器件及交流端的工作时序波形图；

图8为另一实施例的五电平拓扑单元的电路示意图；

图9为又一实施例的五电平拓扑单元的电路示意图；

图10为一实施例五电平交直流变换器中各电压信号、各开关器件及交流端的工作时序图。

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。

图1为一实施例的五电平拓扑单元200的电路示意图。该五电平拓扑单元 200应用于五电平交直流变换器中，五电平拓扑单元200用于将直流电源100的直流电转变为交流电输出。

该五电平拓扑单元200包括：第一开关器件Q1、第二开关器件Q2、第三开关器件Q3、第四开关器件Q4、第五开关器件Q5、第六开关器件Q6、第七开关器件Q7、第八开关器件Q8、第九开关器件Q9、第十开关器件Q10、第十一开关器件Q11、第十二开关器件Q12、第十三开关器件Q13、第十四开关器件Q14、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3及第四电容C4。

如图1所示，本实施例中，所有的开关器件是开关管，任一开关管反并联一个二极管。因此，本实施包括的二极管有第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4、第五二极管D5、第六二极管D6、第七二极管 D7第八二极管D8、第九二极管D9、第十二极管D10、第十三二极管D13、第十四二极管D14、第十五极管D15、第十六二极管D16。在其它实施例中，开关器件也可以是开关管以外的开关，例如光电开关等，只要能够实现电路的导通与断开即可。

五电平拓扑单元200中各器件的连接关系如下：直流电源的直流正端与直流负端之间并联有第一支路、第二支路和第三支路。

第一支路包括相连的第一电容和第二电容。具体地，第一电容C1和第二电容C2连接，第一电容C1和第二电容C2之间的电路中点作为第一连接端M1；第一电容C1未连接第一连接端M1的电极连接直流电源100的直流正端DC+，第二电容C2未连接第一连接端M1的电极连接直流电源100的直流负端DC-。即第一电容C1未连接第一连接端M1的电极连接直流电源100的正母线，第二电容C2未连接第一连接端M1的电极连接直流电源100的负母线，第一连接端M1 为母线中点M1，以母线中点M1电压为参考点，电压设为零。本实施例中，在描述各点的电压值时，参考点均为母线中点M1。

第二支路包括依次连接的第二开关器件Q2、第三开关器件Q3、第四开关器件Q4和第五开关器件Q5。具体地，第二开关器件Q2、第三开关器件Q3、第四开关器件Q4和第五开关器件Q5依次连接，第二开关器件Q2未连接第三开关器件Q3的一端与直流正端DC+连接，第五开关器件Q5未连接第四开关器件Q4的一端与直流负端DC-连接。第二开关器件Q2和第三开关器件Q3之间的公共连接端为第五连接端M5。第三开关器件和第四开关器件之间的公共连接端为第六连接端M6。这样，第二开关器件Q2、第三开关器件Q3、第四开关器件Q4和第五开关器件Q5可以使用I型三电平结构封装，以降低封装成本，增加其可靠性和通用性。

第三支路包括依次连接的第一开关器件Q1、第十三开关器件Q13、第七开关器件Q7、第八开关器件Q8、第十四开关器件Q14及第六开关器件Q6。即第一开关器件Q1、第十三开关器件Q13、第七开关器件Q7、第八开关器件Q8、第十四开关器件Q14及第六开关器件Q6依次连接，第一开关器件Q1未连接第十三开关器件Q13的一端连接直流正端DC+，第六开关器件Q6未连接第十四开关器件Q14的一端连接直流负端DC-。第七开关器件Q7和第八开关器件Q8的公共连接端作为交流端AC。

第十一开关器件Q11一端与第一连接端M1连接，另一端通过第十二开关器件Q12、第九开关器件Q9及第十开关器件Q10与交流端AC连接。具体地，如图1所示，第十一开关器件Q11、第十二开关器件Q12、第九开关器件Q9及第十开关器件Q10依次连接，第十开关器件Q10与交流端AC连接。这样，可以增大交流端AC与第一连接端M1之间的支路的静态耐压，使得在不损坏该支路的前提下，交流端AC可以设置更高电压值。另一方面，如图1所示，第七开关器件Q7、第十开关器件Q10、第九开关器件Q9、第八开关器件Q8可以使用T型三电平结构封装，以降低封装成本，增加其可靠性和通用性；另外值得说明的是第一开关器件Q1和第十三开关器件Q13、第十一开关器件Q11和第十二开关器件Q12、第六开关器件Q6和第十四开关器件Q14可以使用共射极的双管结构封装。

第一开关器件M1和第十三开关器件Q13之间的公共连接端(定义为第二连接端M2)通过第三电容C3与第二开关器件Q2与第三开关器件的公共连接端(定义为第五连接端M5)连接；第六开关器件Q6和第十四开关器件Q14的公共连接端(定义为第三连接端M3)通过第四电容C4与第四开关器件Q4与第五开关器件Q5的公共连接端(定义为第四连接端M4)连接。

图2a是图1所示的五电平拓扑单元工作在第一工作模态H1时的一等效电路图；图2b是图1所示的五电平拓扑单元工作在第一工作模态H1时的另一等效电路图；图3是图1所示的五电平拓扑单元200工作在第二工作模态H2时的等效电路图；图4是图1所示的五电平拓扑单元200工作在第三工作模态H3时的等效电路图；图5是图1所示的五电平拓扑单元200工作在第四工作模态H4 时的等效电路图；图6是图1所示的五电平拓扑单元200工作在第五工作模态 H5时的等效电路图。五电平拓扑单元200工作在五个工作模态包括第一工作模态H1、第二工作模态H2、第三工作模态H3、第四工作模态H4和第五工作模态 H5。其中，图2a是五电平拓扑单元200由第二工作模态H2向第一工作模态H1 转换时的等效电路图；图2b是五电平拓扑单元200由第四工作模态H4向第一工作模态H1转换时的等效电路图。

五电平拓扑单元200的第一工作模态H1、第二工作模态H2、第三工作模态 H3、第四工作模态H4和第五工作模态H5中的各开关器件的工作状态如下：

第一工作模态H1：第一开关器件Q1、第三开关器件Q3、第四开关器件Q4、第六开关器件Q6、第九开关器件Q9、第十开关器件Q10、第十一开关器件Q11、第十二开关器件Q12、第十三开关器件Q13导通，其他开关器件截止，以使五电平拓扑单元工作在第一工作模态；或者第一开关器件Q1、第三开关器件Q3、第四开关器件Q4、第六开关器件Q6、第九开关器件Q9、第十开关器件Q10、第十一开关器件Q11、第十二开关器件Q12、第十四开关器件Q14导通，其他开关器件截止。第一工作模态H1的等效电路如图2a或图2b所示。具体地，本实施例中，交流端(AC)通过第九开关管Q9、第十开关管Q10、第十一开关管Q11、第十二开关管Q12、第九二极管D9、第十二极管D10、第十一二极管D11、第十二二极管D12与母线中点M1连接，处于续流模式。

第二工作模态H2：第一开关器件Q1、第三开关器件Q3、第四开关器件Q4、第六开关器件Q6、第七开关器件Q7、第十开关器件Q10、第十一开关管Q11、第十二开关管Q12、第十三开关器件Q13导通，其他开关器件截止，以使五电平拓扑单元工作在第二工作模态。第二工作模态H2的等效电路图如图3所示。本实施例中，此时，直流正端DC+通过第一二极管D1和第七开关管Q7、第十三开关管Q13给交流端AC提供电流；或者交流端AC通过第七二极管D7、第十三极管D13、第一开关管Q1给直流正端DC+提供电流；同时直流正端DC+通过第一二极管D1、第三开关管Q3和第一电感L1给第三电容C3充电或者第三电容C3通过第一电感L1、第三二极管D3和第一开关管Q1给直流侧提供电流。

第三工作模态H3：第二开关器件Q2、第四开关器件Q4、第六开关器件Q6、第七开关器件Q7、第十开关器件Q10、第十三开关器件Q13导通，其他开关器件截止，以使五电平拓扑单元工作在第三工作模态。第三工作模态H3的等效电路图如图4所示。交流端的电位被抬高到第一电容C1和第三电容C3两端电压之和。直流正端DC+通过第二开关管Q2、第三电容C3、第七开关管Q7、第十三开关管Q13给交流端AC提供电流；或者交流端AC通过第七二极管D7、第十三极管D13、第三电容C3和第二二极管D2给直流正端DC+提供电流。

第四工作模态H4：第一开关器件Q1、第三开关器件Q3、第四开关器件Q4、第六开关器件Q6、第八开关器件Q8、第九开关器件Q9、第十一开关器件Q11、第十二开关器件Q12、第十四开关器件Q14导通，其他开关器件截止。第四工作模态H4的等效电路图如图5所示。具体地，交流端AC通过第六二极管D6和第八开关管Q8、第十四开关管Q14给直流负端DC-提供电流；或者直流负端DC- 通过第八二极管D8、第十四二极管D14和第六开关管Q6给交流端AC提供电流；同时直流负端DC-通过第六二极管D6、第四开关管Q4和第一电感L1给第四电容C4充电或者第四电容C4通过第一电感L1、第四二极管D4和第六开关管Q6 给直流侧提供电流。

第五工作模态H5：第一开关器件Q1、第三开关器件Q3、第五开关器件Q5、第八开关器件Q8、第九开关器件Q9、第十四开关器件Q14导通，其他开关器件截止。第五工作模态H5的等效电路如图6所示。交流端的电位被拉低到第二电容C2和第四电容C4两端电压之和。交流端AC通过第八开关管Q8、第十四开关管Q14、第四电容C4、第五开关管Q5给直流负端DC-提供电流。或者直流负端 DC-通过第五二极管D5、第四电容C4和第八二极管D8、第十四二极管D14给交流端AC提供电流。

需要说明的是，本实施例中，所有的电压的参考点都是母线中点M1。

图7为一实施例的五电平拓扑单元200工作时各开关器件及交流端AC的工作时序波形图。在图7中，第一开关器件Q1、第二开关器件Q2、第三开关器件 Q3第四开关器件Q4、第五开关器件Q5、第六开关器件Q6、第七开关器件Q7、第八开关器件Q8、第九开关器件Q9、第十开关器件Q10、第十一开关器件Q11、第十二开关器件Q12、第十三开关器件Q13及第十四开关器件Q14及交流端AC 各自的时序图的横坐标均为相同的时间轴，纵坐标为电压值。在五电平拓扑单元200的一个工作周期内，五电平拓扑单元200依次工作在第一工作模态H1、第二工作模态H2、第三工作模态H3、第二工作模态H2、第一工作模态H1、第四工作模态H4、第五工作模态H5、第四工作模态H4及第一工作模态H1，以使得交流端AC输出五电平交流电压。例如，在交流端AC的时序波形图中，分别对应了5个工作模态之间的切换。又如，在第一开关器件Q1的工作时序图中，高电平代表第一开关器件Q1导通，低电平代表第一开关器件Q1截止。其它开关器件的时序图类似。因此，在图7中，在一个工作模态下，便可以对应到各开关器件的工作状态。

上述五电平拓扑单元200，交流端AC输出的交流电为正弦波。当工作在第一工作模态H1时，交流端AC的电压为零。当工作在第二工作模态H2时，交流端AC的电压与直流正端DC+的电压相等。当工作在第三工作模态H3时，交流端 AC的电压为直流正端DC+的电压的两倍。当工作在第四工作模态H4时，交流端 AC的电压与直流负端DC-相等。当工作在第五工作模态H5时，交流端AC的电压是直流负端DC-电压的两倍。因此，在直流电源100的直流电压一定时，交流端AC的交流电的最大幅值是直流电压的两倍。也就是说，在直流电源100的直流电压一定时，交流端AC输出的交流电的幅值更高，交流电的电压有效值更高。因此，上述五电平拓扑单元200可以降低交直流变换器交流侧的隔离变压器及交流线缆的成本，从而降低系统的成本，同时在相同功率等级下由于其交流侧电压更高则其交流电流更小，这将带来更低的损耗。

另外，当五电平拓扑单元200工作在第三工作模态H3时，交流端AC与第一连接端M1之间、交流端AC与直流负端的之间的电路上的开关器件的静态耐压较高，因此，交流端AC的实际电压值可以更高，更接近理论值，从而使得交流侧的成本进一步降低。类似地，当五电平拓扑单元200工作在第第五工作模态时，交流端AC与第一连接端之间、交流端AC与直流正端之间的电路上的开关器件的的静态耐压较高，因此，交流端AC的实际电压值可以更高，更接近理论值，从而使得交流侧的成本进一步降低。

并且，上述五电平拓扑单元200具有较小的电流循环路径和较低的开关管应力。例如。第一开关器件Q1、第六开关器件Q6、第十一开关器件Q11、第十二开关器件Q12、第十三开关器件Q13及第十四开关器件Q14及反并联的二极管无开关损耗。第二开关器件Q2、第三开关器件Q3、第四开关器件Q4、第五开关器件Q5、第九开关器件Q9、第十开关器件Q10及它们所并联的二极管的电压应力仅为母线电压的一半。上述五电平拓扑单元200，在一定母线电压和一定输出电流下其开关管的总损耗与对应的三电平拓扑单元的开关管的总损耗基本一致。但由于在相同母线电压下，上述五电平拓扑单元200能够满足的输出电压是三电平拓扑单元的两倍，因此，上述五电平拓扑单元200可以减少其交流侧成本，比如，降低其交流升压变压器及线缆的成本。因为在一定功率下上述五电平拓扑单元200的开关管总损耗是传统三电平开关管总损耗的一半，因此，上述五电平拓扑单元200可以降低器件的损耗，从而延长寿命。

第二开关器件Q2、第三开关器件Q3、第四开关器件Q4和第五开关器件Q5 可以使用I型三电平结构封装，以降低封装成本，增加其可靠性和通用性。第七开关器件Q7、第十开关器件Q10、第九开关器件Q9、第八开关器件Q8可以使用T型三电平结构封装，以降低封装成本，增加其可靠性和通用性。开关器件 Q1、Q13及其反并联二极管、开关器件Q6、Q14及其反并联二极管、开关器件 Q11、Q12及其反并联二极管可以使用共集电极双管封装模块。这样，可以降低五电平拓扑单元100的封装成本。

请继续参照图1，本实施例中，五电平拓扑单元200还包括第一电感L1。第六连接端M6通过第一电感L1与第一连接端M1连接。第一电感L1用于限制第三电容C3和第四电容C4的充电电流，以起到保护作用。

需要说明的是，第一电感L1在电路中的位置和数量不局限于此，只要能够限制第三电容C3和第四电容C4的的充放电电流变换率即可。

图8为另一实施例的五电平拓扑单元的电路示意图。如图8所示，一实施例中，五电平拓扑单元300还包括第十五极管D15和第十六二极管D16。第十五极管D15的阳极与第一连接端M1连接，第十五极管D15的阴极与第二开关器件和第三开关器件的公共连接端第五连接端连接；第十六二极管D16的阴极与第一连接端M1连接，第十六二极管D16的阳极与第四开关器件Q4与第五开关器件Q5的公共连接端(第四连接端)连接。这样，五电平拓扑单元300中的第二开关器件Q2、第三开关器件Q3、第四开关器件Q4及第五开关器件Q5可以使用现有的I型三电平结构封装模块封装。这样可以减少重新做封装带来的成本压力，降低了五电平拓扑单元300的封装成本，从而降低系统的成本并提高其可靠性和通用性。

图9为又一实施例的五电平拓扑单元400的电路示意图。如图9所示，第九开关器件Q9及第十开关器件Q10反并联，第九开关器件Q9与第十开关器件 Q10的一公共连接端和第十一开关器件Q11之间设置第十二开关器件Q12，第九开关器件Q9与第十开关器件Q10的另一公共连接端连接交流端。这样，第七开关器件Q7、第八开关器件Q8、第九开关器件Q9和第十开关器件Q10也可以用另一种T型的开关管封装结构封装，降低系统的封装成本，且提高其可靠性和通用性。

一种五电平交直流变换器，包括上述任一实施例的五电平拓扑单元和控制单元。控制单元用于控制五电平拓扑单元中各开关器件的导通状态或截止状态，以使变换器工作在相应的工作模态。本实施例中，五电平拓扑单元的所有开关器件均为开关管。

上述五电平交直流变换器，交流端AC输出的交流电为正弦波。当工作在第一工作模态H1时，交流端AC的电压为零。当工作在第二工作模态H2时，交流端AC的电压与直流正端DC+的电压相等。当工作在第三工作模态H3时，交流端 AC的电压为直流正端DC+的电压的两倍。当工作在第四工作模态H4时，交流端 AC的电压与直流负端DC-相等。当工作在第五工作模态H5时，交流端AC的电压是直流负端DC-电压的两倍。因此，在直流电源100的直流电压一定时，交流端AC的交流电的最大幅值是直流电压的两倍。也就是说，在直流电源100的直流电压一定时，交流端AC输出的交流电的幅值更高，交流电的电压有效值更高。因此，上述五电平拓扑单元200可以降低交直流变换器交流侧的隔离变压器及线缆的成本，从而降低系统的成本，同时在相同功率等级下由于其交流侧电压更高则其交流电流更小，这将带来更低的损耗。

另外，当五电平拓扑单元工作在第三工作模态H3时，交流端AC与第一连接端M1之间、交流端AC与直流负端DC-的之间的电路上的开关器件的静态耐压较高，因此，交流端AC的实际电压值可以更高，更接近理论值，从而使得交流侧的成本进一步降低。类似地，当五电平拓扑单元工作在第五工作模态时，交流端AC与第一连接端M1之间、交流端AC与直流正端之间的电路上的开关器件的的静态耐压较高，因此，交流端AC的实际电压值可以更高，更接近理论值，从而使得交流侧的成本进一步降低。

本实施例中，控制单元与各开关器件分别连接，控制单元为各开关器件分别提供驱动信号。各开关器件在相应的驱动信号下导通或截止。因此，控制单元通过驱动信号控制各开关器件的工作时序，以使五电平拓扑单元输出符合预设时序的交流电。

控制单元的控制信号包括第一电压信号、第二电压信号及第三电压信号。其中，第一电压信号、第二电压信号及第三电压信号的电压具有共同的参考值。例如，本实施例中，参考值均为零。控制单元通过将第一电压信号与第二电压信号的电压值在同一时刻的比较结果作为第一开关器件、第二开关器件、第三开关器件、第四开关器件、第五开关器件及第六开关器件的驱动信号。

控制单元通过将第一电压信号与第三电压信号的电压值在同一时刻的比较结果作为第七开关器件、第八开关器件、第九开关器件、第十开关器件、第十一开关器件及第十二开关器件的驱动信号。

第一电压信号作为第十三开关器件和第十四开关器件的驱动信号。具体地，第一电压信号的电压值与零的比较结果作为第十三开关器件和第十四开关器件的驱动信号。

图10为一实施例五电平交直流变换器中各电压信号、各开关器件及交流端 AC的工作时序图。如图10所示，第一电压信号是正弦波；第二电压信号是三角波；第三电压信号是三角波。例如，第一电压信号是调制波C。第二电压信号是第一三角波，即载波A，第三电压信号是第二三角波，即载波B。与图7类似，图9中，载波A、载波B及调制波C的横坐标均为相同的时间轴，纵坐标为电压值。在同一时刻，载波A和调制波C的电压值的大小决定了相应的开关器件的导通或截止。载波A和载波B可以具有相同的频率和幅值，也可具有不同的频率和幅值。以下就各开关器件的驱动信号的产生分别介绍。

第一开关管Q1的驱动信号由调制波C与载波A进行比产生。当调制波C的电压值小于载波A的电压值时第一开关管Q1导通，反之截止。

第二开关管Q2的驱动信号由调制波C与载波A进行比较产生。当调制波C 的电压值大于载波A的电压值时第二开关管Q2导通，反之截止。

第三开关管Q3的驱动信号由调制波C与载波A进行比较产生。当调制波C 的电压值小于载波A的电压值时第三开关管Q3导通，反之截止；

第四开关管Q4的驱动信号由调制波C的反向波与载波A进行比较产生。当调制波C的反向波即电压值小于载波A的电压值时第四开关管Q4导通，反之截止。

第五开关管Q5的驱动信号由调制波C的反向波与载波A进行比较产生。当调制波C的反向波大于载波A的电压值时第五开关管Q5导通，反之截止。

第六开关管Q6的驱动信号由调制波C的反向波与载波A进行比较产生。当调制波C的反向波小于载波A的电压值时第六开关管Q6导通，反之截止。

第七开关管Q7的驱动信号由调制波C与载波B进行比较产生。当调制波C 的电压值大于载波B的电压值时第七开关管Q7导通，反之截止。

第八开关管Q8的驱动信号由调制波C的反向波与载波B进行比较产生。当调制波C的反向波大于载波B的电压值时第八开关管Q8导通，反之截止。

第九开关管Q9的驱动信号由调制波C与载波B进行比较产生。当调制波C 在正半周时，当调制波C小于载波B时第九开关管Q9导通，反之截止；当调制波C在负半周时，当调制波C的反向波小于载波B的峰值时，第九开关管Q9导通，反之截止。

第十开关管Q10的驱动信号由调制波C的反向波与载波B进行比较产生。当调制波C在负半周时，当调制波C的反向波小于载波B时第十开关管Q10导通，反之截止；当调制波C在正半周时，当调制波C小于载波B的峰值时，第十开关管Q10导通，反之截止。

第十一开关管Q11的驱动信号由调制波C与载波B进行比较产生。当处于调制波C的正半周时，调制波C小于载波B的峰值时第十一开关管Q11导通，反之截止。当处于调制波C的负半周时，调制波C的反向波小于载波B的峰值时第十一开关管Q11导通，反之截止。

第十二开关管Q12的驱动信号由调制波C与载波B进行比较产生。当处于调制波C的正半周时，调制波C小于载波B的峰值时第十二开关管Q12导通，反之截止。当处于调制波C的负半周时，调制波C的反向波小于载波B的峰值时第十二开关管Q12导通，反之截止。

第十三开关管Q13的驱动信号为调制波C处于正半周时的电压值。即第十三开关管Q13在调制波C处于正半周时导通，反之截止。

第十四开关管Q14的驱动信号为调制波C处于负半周时的电压值。即第十四开关管Q14在调制波C处于负半周时导通，反之截止。

如上述，在五电平拓扑单元200的一个工作周期内，五电平拓扑单元200 依次工作在第一工作模态H1、第二工作模态H2、第三工作模态H3、第二工作模态H2、第一工作模态H1、第四工作模态H4、第五工作模态H5、第四工作模态 H4及第一工作模态H1，以使得交流端AC交流电压。因此，在各工作模态相应的时间段内，相应地控制各开关管的导通或截止，即可输出符合预期的交流电信号。

以上所述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实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种五电平拓扑单元，其特征在于，包括：

第一开关器件、第二开关器件、第三开关器件、第四开关器件、第五开关器件、第六开关器件、第七开关器件、第八开关器件、第九开关器件、第十开关器件、第十一开关器件、第十二开关器件、第十三开关器件及第十四开关器件；第一电容、第二电容、第三电容及第四电容；

所述五电平拓扑单元与直流电源连接；所述直流电源的直流正端与直流负端之间并联有第一支路、第二支路和第三支路；

其中，所述第一支路包括相连的所述第一电容和所述第二电容，所述第一电容和所述第二电容之间的电路中点作为第一连接端；所述第一电容未连接所述第一连接端的电极连接所述直流正端，所述第二电容未连接所述第一连接端的电极连接所述直流负端；

所述第二支路包括依次连接的所述第二开关器件、所述第三开关器件、所述第四开关器件和所述第五开关器件，所述第二开关器件未连接所述第三开关器件的一端与所述直流正端连接，所述第五开关器件未连接所述第四开关器件的一端与所述直流负端连接；

所述第三支路包括依次连接的所述第一开关器件、所述第十三开关器件、所述第七开关器件、所述第八开关器件、所述第十四开关器件及所述第六开关器件，所述第一开关器件未连接所述第十三开关器件的一端连接所述直流正端，所述第六开关器件未连接所述第十四开关器件的一端连接所述直流负端；所述第七开关器件和所述第八开关器件的公共连接端作为交流端；

所述第十一开关器件一端与所述第一连接端连接，另一端通过所述第十二开关器件、所述第九开关器件及所述第十开关器件与所述交流端连接；

所述第一开关器件和所述第十三开关器件之间的公共连接端通过所述第三电容与所述第二开关器件与所述第三开关器件的公共连接端连接；所述第六开关器件和所述第十四开关器件的公共连接端通过所述第四电容与所述第四开关器件与所述第五开关器件的公共连接端连接；

所述五电平拓扑单元工作模态包括第一工作模态、第二工作模态、第三工作模态、第四工作模态以及第五工作模态；在所述五电平拓扑单元的一个工作周期内，所述五电平拓扑单元依次工作在所述第一工作模态、所述第二工作模态、所述第三工作模态、所述第二工作模态、所述第一工作模态、所述第四工作模态、所述第五工作模态、所述第四工作模态及所述第一工作模态，以使得所述交流端输出交流电压；当所述五电平拓扑单元工作在所述第一工作模态时，所述交流端的电压为零；当所述五电平拓扑单元工作在第二工作模态时，所述五电平拓扑单元交流端的电压与所述直流正端的电压相等；当所述五电平拓扑单元工作在所述第三工作模态时，所述交流端的电压为所述直流正端的电压的两倍；当所述五电平拓扑单元工作在所述第四工作模态时，所述交流端的电压与所述直流负端相等；当所述五电平拓扑单元工作在所述第五工作模态时，所述交流端的电压是所述直流负端电压的两倍。

2.根据权利要求1所述的五电平拓扑单元，其特征在于，

第一开关器件、第三开关器件、第四开关器件、第六开关器件、第九开关器件、第十开关器件、第十一开关器件、第十二开关器件、第十三开关器件导通，其他开关器件截止，以使所述五电平拓扑单元工作在第一工作模态；或者第一开关器件、第三开关器件、第四开关器件、第六开关器件、第九开关器件、第十开关器件、第十一开关器件、第十二开关器件、第十四开关器件导通，其他开关器件截止，以使所述五电平拓扑单元工作在第一工作模态；

第一开关器件、第三开关器件、第四开关器件、第六开关器件、第七开关器件、第十开关器件、第十一开关器件、第十二开关器件、第十三开关器件导通，其他开关器件截止，以使所述五电平拓扑单元工作在第二工作模态；

第二开关器件、第四开关器件、第六开关器件、第七开关器件、第十开关器件、第十三开关器件导通，其他开关器件截止，以使所述五电平拓扑单元工作在第三工作模态；

第一开关器件、第三开关器件、第四开关器件、第六开关器件、第八开关器件、第九开关器件、第十开关器件、第十一开关器件、第十四开关器件导通，其他开关器件截止，以使所述五电平拓扑单元工作在第四工作模态；

第一开关器件、第三开关器件、第五开关器件、第八开关器件、第九开关器件、第十四开关器件导通，其他开关管截止，以使所述五电平拓扑单元工作在第五工作模态。

3.根据权利要求1所述的五电平拓扑单元，其特征在于，还包括第一电感；所述第三开关器件和所述第四开关器件的公共连接端通过第一电感与第一连接端连接。

4.根据权利要求1所述的五电平拓扑单元，其特征在于，所述第十一开关器件、所述第十二开关器件、所述第九开关器件及所述第十开关器件依次连接，所述第十开关器件与所述交流端连接。

5.根据权利要求1所述的五电平拓扑单元，其特征在于，所述第九开关器件及所述第十开关器件反并联，所述第九开关器件与所述第十开关器件的一公共连接端和所述第十一开关器件之间设置所述第十二开关器件，所述第九开关器件与所述第十开关器件的另一公共连接端连接所述交流端。

6.根据权利要求1所述的五电平拓扑单元，其特征在于，各所述开关器件是开关管，各所述开关管均反并联一个二极管。

7.根据权利要求1所述的五电平拓扑单元，其特征在于，还包括：

第十五二极管和第十六二极管，所述第十五二极管的阳极与所述第一连接端连接，所述第十五二极管的阴极与所述第二开关器件和所述第三开关器件的公共连接端连接；所述第十六二极管的阴极与所述第一连接端连接，所述第十六二极管的阳极与所述第四开关器件与所述第五开关器件的公共连接端连接。

8.一种五电平交直流变换器，其特征在于，包括：

权利要求1至7任一项所述的五电平拓扑单元；

控制单元，用于控制所述五电平拓扑单元中各开关器件的导通状态或截止状态，以使所述变换器工作在相应的工作模态。

9.根据权利要求8所述的五电平交直流变换器，其特征在于，所述控制单元与各所述开关器件分别连接，所述控制单元为各所述开关器件分别提供驱动信号；各所述开关器件在相应的驱动信号下导通或截止。

10.根据权利要求9所述的五电平交直流变换器，其特征在于，所述控制单元的控制信号包括第一电压信号、第二电压信号及第三电压信号；所述控制单元通过将所述第一电压信号与所述第二电压信号的电压值在同一时刻的比较结果作为所述第一开关器件、所述第二开关器件、所述第三开关器件、所述第四开关器件、所述第五开关器件及所述第六开关器件的驱动信号；

所述控制单元通过将所述第一电压信号与所述第三电压信号的电压值在同一时刻的比较结果作为所述第七开关器件、所述第八开关器件、所述第九开关器件、所述第十开关器件、所述第十一开关器件及所述第十二开关器件的驱动信号；

所述第一电压信号作为所述第十三开关器件和所述第十四开关器件的驱动信号。