TWI539736B - 五電平變換裝置 - Google Patents

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甘鴻堅
蒲波宇
王明
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台達電子企業管理（上海）有限公司
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Description

五電平變換裝置
本發明是有關於一種多電平變換裝置，且特別是有關於一種五電平變換裝置。
在大功率應用場合，相比於低壓系統，中、高壓系統的電流等級更低，具有更高的效率和更好的經濟性。因而中、高壓系統是大功率變換領域的最佳選擇。
對於中、高壓系統，現有的功率器件耐壓等級以及較大的電壓跳變幅度，是其兩個主要問題，因而多電平技術在此受到更多的關注和應用。
本發明提出一種結構簡單的五電平變換裝置的拓撲結構，具有非常好的應用價值。
本發明所提出的五電平變換裝置包括交流端、母線電容模組、第一開關模組、第二開關模組、第三開關模組、第一飛跨電容單元與第二飛跨電容單元。母線電容模組具有一正極性端、一負極性端與一中性點。第一開關模組的兩端分別連接母線電容模組的中性點與交流端，其中第一開關模組包括多個雙向開關電路彼此級聯，每一雙向開關電路包括兩個第一開關單元反向串聯連接。第二開關模組的兩端分別連接母線電容模組的正極性端與交流端，其中第二開關模組包括多個第二開關單元彼此串聯。第三開關模組的兩端分別連接母線電容模組的負極性端與交流端，其中第三開關模組包括多個第三開關單元彼此串聯。第一飛跨電容單元跨接在第一開關模組與第二開關模組之間，第二飛跨電容單元跨接在第一開關模組與第三開關模組之間，其中第一飛跨電容單元和第二飛跨電容單元分別與第一開關模組中第一開關單元之間的不同連接點相連接。
於一實施例中，多個雙向開關電路為一第一雙向開關電路與一第二雙向開關電路，第一雙向開關電路連接中性點，第二雙向開關電路連接交流端，第一飛跨電容單元的一端連接第一雙向開關電路中兩個第一開關單元之間的連接點，第二飛跨電容單元的一端連接第二雙向開關電路中兩個第一開關單元之間的連接點。
於一實施例中，第二開關單元的數量為兩個，第一飛跨電容單元的另一端連接兩個第二開關單元之間的連接點，兩個第二開關單元中之一者連接正極性端，兩個第二開關單元中之另一者連接交流端。
於一實施例中，第三開關單元的數量為兩個，第二飛跨電容單元的另一端連接兩個第三開關單元之間的連接點，兩個第三開關單元中之一者連接交流端，兩個第三開關單元中之另一者連接負極性端。
於一實施例中，多個雙向開關電路為一第一雙向開關電路與一第二雙向開關電路，第一雙向開關電路連接中性點，第二雙向開關電路連接交流端，第一飛跨電容單元的一端連接第二雙向開關電路中兩個第一開關單元之間的連接點，第二飛跨電容單元的一端連接第一雙向開關電路中兩個第一開關單元之間的連接點。
於一實施例中，第二開關單元的數量為兩個，第一飛跨電容單元的另一端連接兩個第二開關單元之間的連接點，兩個第二開關單元中之一者連接正極性端，兩個第二開關單元中之另一者連接交流端。
於一實施例中，第三開關單元的數量為兩個，第二飛跨電容單元的另一端連接兩個第三開關單元之間的連接點，兩個第三開關單元中之一者連接交流端，兩個第三開關單元中之另一者連接負極性端。
於一實施例中，多個雙向開關電路為一第一雙向開關電路與一第二雙向開關電路，第一雙向開關電路連接中性點，第二雙向開關電路連接交流端，第一飛跨電容單元的一端連接第二雙向開關電路中兩個第一開關單元之間的連接點，第二飛跨電容單元的一端連接第一雙向開關電路與第二雙向開關電路之間的連接點。
於一實施例中，第二開關單元的數量為兩個，第一飛跨電容單元的另一端連接兩個第二開關單元之間的連接點，兩個第二開關單元中之一者連接正極性端，兩個第二開關單元中之另一者連接交流端。
於一實施例中，第三開關單元的數量為兩個，第二飛跨電容單元的另一端連接兩個第三開關單元之間的連接點，兩個第三開關單元中之一者連接交流端，兩個第三開關單元中之另一者連接負極性端。
於一實施例中，多個雙向開關電路為一第一雙向開關電路與一第二雙向開關電路，第一雙向開關電路連接中性點，第二雙向開關電路連接交流端，第一飛跨電容單元的一端連接第一雙向開關電路中兩個第一開關單元之間的連接點，第二飛跨電容單元的一端連接第一雙向開關電路與第二雙向開關電路之間的連接點。
於一實施例中，第二開關單元的數量為兩個，第一飛跨電容單元的另一端連接兩個第二開關單元之間的連接點，兩個第二開關單元中之一者連接正極性端，兩個第二開關單元中之另一者連接交流端。
於一實施例中，第三開關單元的數量為兩個，第二飛跨電容單元的另一端連接兩個第三開關單元之間的連接點，兩個第三開關單元中之一者連接交流端，兩個第三開關單元中之另一者連接負極性端。
於一實施例中，多個雙向開關電路為一第一雙向開關電路與一第二雙向開關電路，第一雙向開關電路連接中性點，第二雙向開關電路連接交流端，第一飛跨電容單元的一端連接第一雙向開關電路與第二雙向開關電路之間的連接點，第二飛跨電容單元的一端連接第二雙向開關電路中兩個第一開關單元之間的連接點。
於一實施例中，第二開關單元的數量為兩個，第一飛跨電容單元的另一端連接兩個第二開關單元之間的連接點，兩個第二開關單元中之一者連接正極性端，兩個第二開關單元中之另一者連接交流端。
於一實施例中，第三開關單元的數量為兩個，第二飛跨電容單元的另一端連接兩個第三開關單元之間的連接點，兩個第三開關單元中之一者連接交流端，兩個第三開關單元中之另一者連接負極性端。
於一實施例中，多個雙向開關電路為一第一雙向開關電路與一第二雙向開關電路，第一雙向開關電路連接中性點，第二雙向開關電路連接交流端，第一飛跨電容單元的一端連接第一雙向開關電路與第二雙向開關電路之間的連接點，第二飛跨電容單元的一端連接第一雙向開關電路中兩個第一開關單元之間的連接點。
於一實施例中，第二開關單元的數量為兩個，第一飛跨電容單元的另一端連接兩個第二開關單元之間的連接點，兩個第二開關單元中之一者連接正極性端，兩個第二開關單元中之另一者連接交流端。
於一實施例中，第三開關單元的數量為兩個，第二飛跨電容單元的另一端連接兩個第三開關單元之間的連接點，兩個第三開關單元中之一者連接交流端，兩個第三開關單元中之另一者連接負極性端。
於一實施例中，每一第一開關單元包括至少一功率半導體開關，功率半導體開關為絕緣柵雙極型晶體管、門極可關斷晶閘管或集成門極換流晶閘管。
於一實施例中，每一第二、第三開關單元包括至少一功率半導體開關。
於一實施例中，功率半導體開關為複數個，該些功率半導體開關彼此串聯連接。
於一實施例中，功率半導體開關為絕緣柵雙極型晶體管、門極可關斷晶閘管或集成門極換流晶閘管。
於一實施例中，功率半導體開關為二極管。
綜上所述，本發明之技術方案與現有技術相比具有明顯的優點和有益效果。本發明採用非對襯式電路架構（兩飛跨電容單元的連接方式不同），在電路設計上更靈活、更有彈性。相比於三電平變換技術，五電平變換技術具有更好的電氣性能。
以下將以實施方式對上述之說明作詳細的描述，並對本發明之技術方案提供更進一步的解釋。
為了使本發明之敘述更加詳盡與完備，可參照所附之圖式及以下所述各種實施例，圖式中相同之號碼代表相同或相似之元件。另一方面，眾所週知的元件與步驟並未描述於實施例中，以避免對本發明造成不必要的限制。
本文中所使用之『約』、『大約』或『大致』係用以修飾任何可些微變化的數量，但這種些微變化並不會改變其本質。於實施方式中若無特別說明，則代表以『約』、『大約』或『大致』所修飾之數值的誤差範圍一般是容許在百分之二十以內，較佳地是於百分之十以內，而更佳地則是於百分五之以內。
本發明之技術態樣是一種五電平變換裝置，如第2圖、第4圖、第6圖、第8圖、第10圖、第12圖所示，五電平變換裝置可以被具體實現成交流-直流變換器（rectifier，或者也稱作整流器或者整流裝置），以將單相、三相或者多相的交流電壓轉換成直流電壓。另外，如第1圖、第3圖、第5圖、第7圖、第9圖、第11圖所示，五電平變換裝置可以被具體實現成直流-交流變換器（inverter，或者也稱作逆變器或者逆變裝置），以將直流電壓轉換成單相、三相或者多相的交流電壓，從而可以用來驅動負載。或者，如第1圖、第3圖、第5圖、第7圖、第9圖、第11圖所示之五電平變換裝置亦可用於交流-直流變換器。以下將搭配第1～12圖來說明本發明之具體實施方式。
第1圖是依照本發明第一實施例之一種五電平變換器100的電路圖（以單相為例）。如第1圖所示，五電平變換器100包括交流端 U、第一開關模組110、第二開關模組120、第三開關模組130、第一飛跨電容單元C1、第二飛跨電容單元C2與母線電容模組140。
於第1圖中，母線電容模組140具有正極性端141、負極性端142與中性點143。第一開關模組110的兩端分別連接母線電容模組140的中性點143與交流端 U，其中第一開關模組110包括第一雙向開關電路111與第二雙向開關電路112彼此級聯，第一雙向開關電路111包括兩個第一開關單元113、115反向串聯連接，第二雙向開關電路112包括兩個第一開關單元114、116反向串聯連接。第二開關模組120的兩端分別連接母線電容模組140的正極性端141與交流端 U，其中第二開關模組120包括多個第二開關單元121、122彼此串聯。第三開關模組130的兩端分別連接母線電容模組140的負極性端142與交流端U，其中第三開關模組130包括多個第三開關單元131、132彼此串聯。第一飛跨電容單元C1跨接在第一開關模組110與第二開關模組120之間，第二飛跨電容單元C2跨接在第一開關模組110與第三開關模組130之間，其中第一開關模組110中第一開關單元113、115僅連接第一飛跨電容單元C1而未連接第二飛跨電容單元C2，第一開關單元114、116僅連接第二飛跨電容單元C2而未連接第一飛跨電容單元C1。於本實施例中，第一飛跨電容單元C1和第二飛跨電容單元C2分別包括一個電容，或者多個電容，其中當包括多個電容時，該些電容可以串聯連接、並聯連接或者串並聯連接。
第一雙向開關電路111連接中性點143，第二雙向開關電路112連接交流端 U，第一飛跨電容單元C1的一端連接第一雙向開關電路111中兩個第一開關單元113、115之間的一連接點，第二飛跨電容單元C2的一端連接第二雙向開關電路112中兩個第一開關單元114、116之間的一連接點，前述兩不同連接點之間有第一開關單元113、116間隔而未直接相連在一起。第一飛跨電容單元C1的另一端連接兩個第二開關單元121、122之間的連接點，第二飛跨電容單元C2的另一端連接兩個第三開關單元131、132之間的連接點。
於第1圖中，各個第一開關單元114、116、113、115分別包括功率半導體開關S9、S10、S11、S12。功率半導體開關S9的發射極連接交流端 U，功率半導體開關S9的集電極連接功率半導體開關S10的集電極，功率半導體開關S10的發射極連接功率半導體開關S11的發射極，功率半導體開關S11的集電極連接功率半導體開關S12的集電極，功率半導體開關S12的發射極連接中性點143。功率半導體開關S9、S10、S11、S12中每一者均具有內接二極管，內接二極管與功率半導體開關本身反並聯；舉例而言，功率半導體開關S9的內接二極管的陽極連接功率半導體開關S9的發射極，功率半導體開關S9的內接二極管的陰極連接功率半導體開關S9的集電極。各個第一開關單元114、116、113、115中功率半導體開關的數量僅為例示，但此並不限定本發明，熟習此項技藝者應視當時需要彈性選擇功率半導體開關的數量及相應的耐電壓特性。於其他實施例中，第一開關單元114、116、113、115分別包括至少一功率半導體開關，當各個第一開關單元包括的功率半導體開關數量為複數時，該些功率半導體開關之間可以串聯連接，並聯連接或者串並聯連接等。
第二開關單元121包括至少一功率半導體開關以連接正極性端141，本實施例中以單一功率半導體開關S1為例進行說明，而第二開關單元122包括至少一功率半導體開關以連接交流端 U，本實施例中以三個串接的功率半導體開關S2、S3、S4為例進行說明，其中功率半導體開關S1、S2、S3、S4的耐電壓特性大致相同。具體而言，功率半導體開關S1的集電極連接正極性端141，功率半導體開關S1的發射極連接功率半導體開關S2的集電極，功率半導體開關S2的發射極連接半導體開關S3的集電極，半導體開關S3的發射極連接半導體開關S4的集電極，半導體開關S4的發射極連接交流端 U。功率半導體開關S1、S2、S3、S4中每一者均具有內接二極管，內接二極管與功率半導體開關本身反並聯。
第三開關單元131包括至少一功率半導體開關以連接交流端 U，本實施例中以單一功率半導體開關S5為例進行說明，第三開關單元132包括至少一功率半導體開關以連接負極性端142，本實施例中以三個串接的功率半導體開關S6、S7、S8為例進行說明，其中功率半導體開關S5、S6、S7、S8的耐電壓特性大致相同。具體而言，功率半導體開關S5的集電極連接交流端 U，功率半導體開關S5的發射極連接功率半導體開關S6的集電極，功率半導體開關S6的發射極連接半導體開關S7的集電極，半導體開關S7的發射極連接半導體開關S8的集電極，半導體開關S8的發射極連接負極性端142。功率半導體開關S5、S6、S7、S8中每一者均具有內接二極管，內接二極管與功率半導體開關本身反並聯。
應瞭解到，第1圖繪示之各個第二、第三開關單元121、122、131、132中功率半導體開關的數量僅為例示，但此並不限定本發明，熟習此項技藝者應視當時需要彈性選擇功率半導體開關的數量及相應的耐電壓特性。舉例而言，三個串接的功率半導體開關S2、S3、S4可整合成單一個功率半導體開關，其耐電壓特性與三個功率半導體開關S2、S3、S4加總的耐電壓特性大致相同；三個串接的功率半導體開關S6、S7、S8亦可整合成單一個功率半導體開關，其耐電壓特性與三個功率半導體開關S6、S7、S8加總的耐電壓特性大致相同。舉例來說，第二開關單元121以及第三開關單元131可以包含複數個功率半導體開關，該些功率半導體開關串聯連接。
於第1圖中，舉例而言，功率半導體開關S1～S12可為絕緣柵雙極型晶體管、門極可關斷晶閘管、集成門極換流晶閘管或其他開關器件，本領域技術人員當視實際需要彈性選擇之。
母線電容模組140包括第一母線電容單元C3與第二母線電容單元C4。第一母線電容單元C3的一端連接正極性端141，第一母線電容單元C3的另一端連接中性點143；第二母線電容單元C4的一端連接中性點143，第二母線電容單元C4的另一端連接負極性端142。
在運作時，第一母線電容單元C3與第二母線電容單元C4可連接輸入直流電源，並藉由脈寬調制訊號（Pulse With Modulation, PWM）分別控制功率半導體開關S1～S12之啟閉，使五電平變換器100得以進行逆變之功能，由交流端 U輸出交流電。
同樣地，在運作時，交流端 U接收輸入交流電源，並藉由脈寬調制訊號（Pulse With Modulation, PWM）分別控制功率半導體開關S1～S12之啟閉，使五電平變換器100得以進行整流之功能，由第一母線電容單元C3與第二母線電容單元C4輸出直流電。
於其他實施方式中，可以藉由脈衝頻率調製訊號（Pulse Frequency Modulation, PFM）或脈衝幅度調製訊號（Pulse Amplitude Modulation, PAM）等調製技術分別控制功率半導體開關S1～S12之啟閉，使五電平變換器100得以運作。
□了對五電平變換器100的工作原理做更進一步描述，請參照下表一，各功率半導體開關在工作過程中承受電壓V/2，其各交流端 U的電平所對應的開關狀態如表一所示。另外，關於五電平變換器交流端 U的電平波形，如第13圖所示。
﹤表一﹥ <TABLE border="1" borderColor="#000000" width="_0002"><TBODY><tr><td>   </td><td> 狀態1 </td><td> 狀態2 </td><td> 狀態3 </td><td> 狀態4 </td><td> 狀態5 </td><td> 狀態6 </td><td> 狀態7 </td></tr><tr><td> S1 </td><td> 開通 </td><td> 開通 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td></tr><tr><td> S2 </td><td> 開通 </td><td> 關斷 </td><td> 開通 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td></tr><tr><td> S3 </td><td> 開通 </td><td> 關斷 </td><td> 開通 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td></tr><tr><td> S4 </td><td> 開通 </td><td> 關斷 </td><td> 開通 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td></tr><tr><td> S5 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 開通 </td><td> 開通 </td></tr><tr><td> S6 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 開通 </td><td> 關斷 </td><td> 開通 </td></tr><tr><td> S7 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 開通 </td><td> 關斷 </td><td> 開通 </td></tr><tr><td> S8 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 開通 </td><td> 關斷 </td><td> 開通 </td></tr><tr><td> S9 </td><td> 開通 </td><td> 開通 </td><td> 開通 </td><td> 開通 </td><td> 開通 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td></tr><tr><td> S10 </td><td> 關斷 </td><td> 開通 </td><td> 關斷 </td><td> 開通 </td><td> 開通 </td><td> 開通 </td><td> 開通 </td></tr><tr><td> S11 </td><td> 開通 </td><td> 開通 </td><td> 開通 </td><td> 開通 </td><td> 關斷 </td><td> 開通 </td><td> 關斷 </td></tr><tr><td> S12 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 開通 </td><td> 開通 </td><td> 開通 </td><td> 開通 </td><td> 開通 </td></tr><tr><td><i>U</i></td><td> V </td><td> V/2 </td><td> V/2 </td><td> 0 </td><td> - V/2 </td><td> - V/2 </td><td> - V </td></tr></TBODY></TABLE>
表一示意了五電平變換器100的一種操作方式。需要特別說明的是，五電平變換器100有很多種操作方式，表一僅示意性示出了其中一種。關於五電平變換器100之各種運用方式係為本技術領域中具有通常知識者可推知的技術，且非本發明所欲保護範圍，於此不再詳述之。
第2圖是依照本發明第二實施例之一種五電平整流器200的電路圖（以單相為例）。在架構上，五電平整流器200與五電平變換器100類似，兩者差異在於將第1圖的功率半導體開關S1～S8替換為第2圖的D1～D8（二極管）。如第2圖所示，五電平整流器200包括交流端 U、第一開關模組210、第二開關模組220、第三開關模組230、第一飛跨電容單元C1、第二飛跨電容單元C2與母線電容模組240。
於第2圖中，母線電容模組240具有正極性端241、負極性端242與中性點243。第一開關模組210的兩端分別連接母線電容模組240的中性點243與交流端 U，其中第一開關模組210包括第一雙向開關電路211與第二雙向開關電路212彼此級聯，第一雙向開關電路211包括兩個第一開關單元213、215反向串聯連接，第二雙向開關電路212包括兩個第一開關單元214、216反向串聯連接。第二開關模組220的兩端分別連接母線電容模組240的正極性端241與交流端 U，其中第二開關模組220包括多個第二開關單元221、222彼此串聯。第三開關模組230的兩端分別連接母線電容模組240的負極性端242與交流端 U，其中第三開關模組230包括多個第三開關單元231、232彼此串聯。第一飛跨電容單元C1跨接在第一開關模組210與第二開關模組220之間，第二飛跨電容單元C2跨接在第一開關模組210與第三開關模組230之間，其中第一開關模組210中第一開關單元213、215僅連接第一飛跨電容單元C1而未連接第二飛跨電容單元C2，第一開關單元214、216僅連接第二飛跨電容單元C2而未連接第一飛跨電容單元C1。
第一雙向開關電路211連接中性點243，第二雙向開關電路212連接交流端 U，第一飛跨電容單元C1的一端連接第一雙向開關電路211中兩個第一開關單元213、215之間的一連接點，第二飛跨電容單元C2的一端連接第二雙向開關電路212中兩個第一開關單元214、216之間的一連接點，前述兩不同連接點之間有第一開關單元213、216間隔而未直接相連在一起。第一飛跨電容單元C1的另一端連接兩個第二開關單元221、222之間的連接點，第二飛跨電容單元C2的另一端連接兩個第三開關單元231、232之間的連接點。
於第2圖中，各個第一開關單元214、216、213、215分別包括功率半導體開關S9、S10、S11、S12。第二開關單元221包括至少一功率半導體開關以連接正極性端241，本實施例中以單一功率半導體開關D1為例進行說明，而第二開關單元222包括至少一功率半導體開關以連接交流端 U，本實施例中以三個串接的功率半導體開關D2、D3、D4為例進行說明，其中功率半導體開關D1、D2、D3、D4的耐電壓特性大致相同；第三開關單元231包括至少一功率半導體開關以連接交流端 U，本實施例中以單一功率半導體開關D5為例進行說明，第三開關單元232包括至少一功率半導體開關以連接負極性端242，本實施例中以三個串接的功率半導體開關D6、D7、D8為例進行說明，其中功率半導體開關D5、D6、D7、D8的耐電壓特性大致相同。
應瞭解到，第2圖繪示之各個第二、第三開關單元221、222、231、232中功率半導體開關的數量僅為例示，但此並不限定本發明，熟習此項技藝者應視當時需要彈性選擇功率半導體開關的數量及相應的耐電壓特性。舉例而言，三個串接的功率半導體開關D2、D3、D4可整合成單一個功率半導體開關，其耐電壓特性與三個功率半導體開關D2、D3、D4加總的耐電壓特性大致相同；三個串接的功率半導體開關D6、D7、D8亦可整合成單一個功率半導體開關，其耐電壓特性與三個功率半導體開關D6、D7、D8加總的耐電壓特性大致相同。
於第2圖中，功率半導體開關D1～D8為二極管，功率半導體開關S9～S12每一者均具有內接二極管與其本身反並聯。舉例而言，功率半導體開關單元S9～S12為絕緣柵雙極型晶體管、門極可關斷晶閘管、集成門極換流晶閘管或其他開關器件，本領域技術人員當視實際需要彈性選擇之。
母線電容模組240包括第一母線電容單元C3與第二母線電容單元C4。第一母線電容單元C3的一端連接正極性端241，第一母線電容單元C3的另一端連接中性點243；第二母線電容單元C4的一端連接中性點243，第二母線電容單元C4的另一端連接負極性端242。
在運作時，交流端 U接收輸入交流電源，並藉由脈寬調制訊號分別控制功率半導體開關S9～S12之啟閉，使五電平整流器200得以進行整流，由第一母線電容單元C3與第二母線電容單元C4輸出直流電。於其他實施方式中，可以藉由脈衝頻率調製訊號或脈衝幅度調製訊號等調製技術分別控制功率半導體開關S9～S12之啟閉，使五電平整流器200得以運作。
□了對五電平整流器200的工作原理做更進一步描述，請參照下表二，各功率半導體開關在工作過程中承受電壓V/2，其各交流端 U的電平所對應的開關狀態如表二所示。另外，關於五電平整流器交流端 U的電平波形，如第13圖所示。
﹤表二﹥ <TABLE border="1" borderColor="#000000" width="_0003"><TBODY><tr><td>   </td><td> 狀態1 </td><td> 狀態2 </td><td> 狀態3 </td><td> 狀態4 </td><td> 狀態5 </td><td> 狀態6 </td><td> 狀態7 </td></tr><tr><td> D1 </td><td> 開通 </td><td> 關斷 </td><td> 開通 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td></tr><tr><td> D2 </td><td> 開通 </td><td> 開通 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td></tr><tr><td> D3 </td><td> 開通 </td><td> 開通 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td></tr><tr><td> D4 </td><td> 開通 </td><td> 開通 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td></tr><tr><td> D5 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 開通 </td><td> 關斷 </td><td> 開通 </td></tr><tr><td> D6 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 開通 </td><td> 開通 </td></tr><tr><td> D7 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 開通 </td><td> 開通 </td></tr><tr><td> D8 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 開通 </td><td> 開通 </td></tr><tr><td> S9 </td><td> 開通 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 開通 </td><td> 關斷 </td><td> 開通 </td><td> 關斷 </td></tr><tr><td> S10 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 開通 </td><td> 開通 </td><td> 開通 </td><td> 關斷 </td><td> 開通 </td></tr><tr><td> S11 </td><td> 開通 </td><td> 關斷 </td><td> 開通 </td><td> 開通 </td><td> 開通 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td></tr><tr><td> S12 </td><td> 關斷 </td><td> 開通 </td><td> 關斷 </td><td> 開通 </td><td> 開通 </td><td> 關斷 </td><td> 開通 </td></tr><tr><td><i>U</i></td><td> V </td><td> V/2 </td><td> V/2 </td><td> 0 </td><td> - V/2 </td><td> - V/2 </td><td> - V </td></tr></TBODY></TABLE>
表二示意了五電平整流器200的一種操作方式。需要特別說明的是，五電平整流器200有很多種操作方式，表二僅示意性示出了其中一種。關於五電平整流器200之各種運用方式係為本技術領域中具有通常知識者可推知的技術，且非本發明所欲保護範圍，於此不再詳述之。
第3圖是依照本發明第三實施例之一種五電平變換器300的電路圖（以單相為例）。在架構上，五電平變換器100與五電平變換器300類似，兩者差異在於改變第一飛跨電容單元C1與第二飛跨電容單元C2的連接方式，以及功率半導體開關S9～S12的連接方式。如第3圖所示，五電平變換器300包括交流端 U、第一開關模組310、第二開關模組320、第三開關模組330、第一飛跨電容單元C1、第二飛跨電容單元C2與母線電容模組340。
於第3圖中，母線電容模組340具有正極性端341、負極性端342與中性點343。第一開關模組310的兩端分別連接母線電容模組340的中性點343與交流端 U，其中第一開關模組310包括第一雙向開關電路311與第二雙向開關電路312彼此級聯，第一雙向開關電路311包括兩個第一開關單元313、315反向串聯連接，第二雙向開關電路312包括兩個第一開關單元314、316反向串聯連接。第二開關模組320的兩端分別連接母線電容模組340的正極性端341與交流端 U，其中第二開關模組320包括多個第二開關單元321、322彼此串聯。第三開關模組330的兩端分別連接母線電容模組340的負極性端342與交流端 U，其中第三開關模組330包括多個第三開關單元331、332彼此串聯。第一飛跨電容單元C1跨接在第一開關模組310與第二開關模組320之間，第二飛跨電容單元C2跨接在第一開關模組310與第三開關模組330之間，其中第一開關模組310中第一開關單元313、315僅連接第二飛跨電容單元C2而未連接第一飛跨電容單元C1，第一開關單元314、316僅連接第一飛跨電容單元C1而未連接第二飛跨電容單元C2。
第一雙向開關電路311連接中性點343，第二雙向開關電路312連接交流端 U，第二飛跨電容單元C2的一端連接第一雙向開關電路311中兩個第一開關單元313、315之間的一連接點，第一飛跨電容單元C1的一端連接第二雙向開關電路312中兩個第一開關單元314、316之間的一連接點，前述兩不同連接點之間有第一開關單元313、316間隔而未直接相連在一起。第一飛跨電容單元C1的另一端連接兩個第二開關單元321、322之間的連接點，第二飛跨電容單元C2的另一端連接兩個第三開關單元331、332之間的連接點。
於第3圖中，各個第一開關單元314、316、313、315分別包括功率半導體開關S9、S10、S11、S12。功率半導體開關S9的集電極連接交流端 U，功率半導體開關S9的發射極連接功率半導體開關S10的發射極，功率半導體開關S10的集電極連接功率半導體開關S11的集電極，功率半導體開關S11的發射極連接功率半導體開關S12的發射極，功率半導體開關S12的集電極連接中性點343。功率半導體開關S9、S10、S11、S12中每一者均具有內接二極管，內接二極管與功率半導體開關本身反並聯；舉例而言，功率半導體開關S9的內接二極管的陽極連接功率半導體開關S9的發射極，功率半導體開關S9的內接二極管的陰極連接功率半導體開關S9的集電極。
第二開關單元321包括至少一功率半導體開關以連接正極性端341，本實施例中以三個串接的功率半導體開關S1、S2、S3為例進行說明，而第二開關單元322包括至少一功率半導體開關以連接交流端 U，本實施例中以單一功率半導體開關S4為例進行說明，其中功率半導體開關S1、S2、S3、S4的耐電壓特性大致相同；第三開關單元331包括至少一功率半導體開關以連接交流端 U，本實施例中以三個串接的功率半導體開關S5、S6、S7為例進行說明，第三開關單元332包括至少一功率半導體開關以連接負極性端342，本實施例中以單一功率半導體開關S8為例進行說明，其中功率半導體開關S5、S6、S7、S8的耐電壓特性大致相同。
應瞭解到，第3圖繪示之各個第二、第三開關單元321、322、331、332中功率半導體開關的數量僅為例示，但此並不限定本發明，熟習此項技藝者應視當時需要彈性選擇功率半導體開關的數量及相應的耐電壓特性。舉例而言，三個串接的功率半導體開關S1、S2、S3可整合成單一個功率半導體開關，其耐電壓特性與三個功率半導體開關S1、S2、S3加總的耐電壓特性大致相同；三個串接的功率半導體開關S5、S6、S7亦可整合成單一個功率半導體開關，其耐電壓特性與三個功率半導體開關S5、S6、S7加總的耐電壓特性大致相同。
於第3圖中，功率半導體開關S1～S12每一者均具有內接二極管與其本身反並聯。舉例而言，功率半導體開關S1～S12為絕緣柵雙極型晶體管、門極可關斷晶閘管、集成門極換流晶閘管或其他開關器件，本領域技術人員當視實際需要彈性選擇之。
母線電容模組340包括第一母線電容單元C3與第二母線電容單元C4。第一母線電容單元C3的一端連接正極性端341，第一母線電容單元C3的另一端連接中性點343；第二母線電容單元C4的一端連接中性點343，第二母線電容單元C4的另一端連接負極性端342。
在運作時，第一母線電容單元C3與第二母線電容單元C4可連接輸入直流電源，並藉由脈寬調制訊號分別控制功率半導體開關S1～S12之啟閉，使五電平變換器300得以進行逆變之功能，由交流端 U輸出交流電。
同樣地，在運作時，交流端 U接收輸入交流電源，並藉由脈寬調制訊號（Pulse With Modulation, PWM）分別控制功率半導體開關S1～S12之啟閉，使五電平變換器300得以進行整流之功能，由第一母線電容單元C3與第二母線電容單元C4輸出直流電。
於其他實施方式中，可以藉由脈衝頻率調製訊號或脈衝幅度調製訊號等調製技術分別控制功率半導體開關S1～S12之啟閉，使五電平變換器300得以運作。
□了對五電平變換器300的工作原理做更進一步描述，請參照下表三，各功率半導體開關在工作過程中承受電壓V/2，其各交流端 U的電平所對應的開關狀態如表三所示。另外，關於五電平變換器交流端 U的電平波形，如第13圖所示。
﹤表三﹥ <TABLE border="1" borderColor="#000000" width="_0004"><TBODY><tr><td>   </td><td> 狀態1 </td><td> 狀態2 </td><td> 狀態3 </td><td> 狀態4 </td><td> 狀態5 </td><td> 狀態6 </td><td> 狀態7 </td></tr><tr><td> S1 </td><td> 開通 </td><td> 開通 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td></tr><tr><td> S2 </td><td> 開通 </td><td> 開通 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td></tr><tr><td> S3 </td><td> 開通 </td><td> 開通 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td></tr><tr><td> S4 </td><td> 開通 </td><td> 關斷 </td><td> 開通 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td></tr><tr><td> S5 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 開通 </td><td> 開通 </td></tr><tr><td> S6 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 開通 </td><td> 開通 </td></tr><tr><td> S7 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 開通 </td><td> 開通 </td></tr><tr><td> S8 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 開通 </td><td> 關斷 </td><td> 開通 </td></tr><tr><td> S9 </td><td> 關斷 </td><td> 開通 </td><td> 關斷 </td><td> 開通 </td><td> 開通 </td><td> 開通 </td><td> 開通 </td></tr><tr><td> S10 </td><td> 開通 </td><td> 開通 </td><td> 開通 </td><td> 開通 </td><td> 開通 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td></tr><tr><td> S11 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 開通 </td><td> 開通 </td><td> 開通 </td><td> 開通 </td><td> 開通 </td></tr><tr><td> S12 </td><td> 開通 </td><td> 開通 </td><td> 開通 </td><td> 開通 </td><td> 關斷 </td><td> 開通 </td><td> 關斷 </td></tr><tr><td><i>U</i></td><td> V </td><td> V/2 </td><td> V/2 </td><td> 0 </td><td> - V/2 </td><td> - V/2 </td><td> - V </td></tr></TBODY></TABLE>
表三示意了五電平變換器300的一種操作方式。需要特別說明的是，五電平變換器300有很多種操作方式，表三僅示意性示出了其中一種。關於五電平變換器300之各種運用方式係為本技術領域中具有通常知識者可推知的技術，且非本發明所欲保護範圍，於此不再詳述之。
第4圖是依照本發明第四實施例之一種五電平整流器400的電路圖（以單相為例）。在架構上，五電平整流器400與五電平變換器300類似，兩者差異在於將第3圖的功率半導體開關S1～S8替換為第4圖的D1～D8（二極管）。如第4圖所示，五電平整流器400包括交流端 U、第一開關模組410、第二開關模組420、第三開關模組430、第一飛跨電容單元C1、第二飛跨電容單元C2與母線電容模組440。
於第4圖中，母線電容模組440具有正極性端441、負極性端442與中性點443。第一開關模組410的兩端分別連接母線電容模組440的中性點443與交流端 U，其中第一開關模組410包括第一雙向開關電路411與第二雙向開關電路412彼此級聯，第一雙向開關電路411包括兩個第一開關單元413、415反向串聯連接，第二雙向開關電路412包括兩個第一開關單元414、416反向串聯連接。第二開關模組420的兩端分別連接母線電容模組440的正極性端441與交流端 U，其中第二開關模組420包括多個第二開關單元421、422彼此串聯。第三開關模組430的兩端分別連接母線電容模組440的負極性端442與交流端 U，其中第三開關模組430包括多個第三開關單元431、432彼此串聯。第一飛跨電容單元C1跨接在第一開關模組410與第二開關模組420之間，第二飛跨電容單元C2跨接在第一開關模組410與第三開關模組430之間，其中第一開關模組410中第一開關單元413、415僅連接第二飛跨電容單元C2而未連接第一飛跨電容單元C1，第一開關單元414、416僅連接第一飛跨電容單元C1而未連接第二飛跨電容單元C2。
第一雙向開關電路411連接中性點443，第二雙向開關電路412連接交流端 U，第二飛跨電容單元C2的一端連接第一雙向開關電路411中兩個第一開關單元413、415之間的一連接點，第一飛跨電容單元C1的一端連接第二雙向開關電路412中兩個第一開關單元414、416之間的一連接點，前述兩不同連接點之間有第一開關單元413、416間隔而未直接相連在一起。第一飛跨電容單元C1的另一端連接兩個第二開關單元421、422之間的連接點，第二飛跨電容單元C2的另一端連接兩個第三開關單元431、432之間的連接點。
於第4圖中，各個第一開關單元414、416、413、415分別包括功率半導體開關S9、S10、S11、S12。第二開關單元421包括至少一功率半導體開關以連接正極性端441，本實施例中以三個串接的功率半導體開關D1、D2、D3為例進行說明，而第二開關單元422包括至少一功率半導體開關以連接交流端 U，本實施例中以單一功率半導體開關D4為例進行說明，其中功率半導體開關D1、D2、D3、D4的耐電壓特性大致相同；第三開關單元431包括至少一功率半導體開關以連接交流端U，本實施例中以三個串接的功率半導體開關D5、D6、D7為例進行說明，第三開關單元432包括至少一功率半導體開關以連接負極性端442，本實施例中以單一功率半導體開關D8為例進行說明，其中功率半導體開關D5、D6、D7、D8的耐電壓特性大致相同。
應瞭解到，第4圖繪示之各個第二、第三開關單元421、422、431、432中功率半導體開關的數量僅為例示，但此並不限定本發明，熟習此項技藝者應視當時需要彈性選擇功率半導體開關的數量及相應的耐電壓特性。舉例而言，三個串接的功率半導體開關D1、D2、D3可整合成單一個功率半導體開關，其耐電壓特性與三個功率半導體開關D1、D2、D3加總的耐電壓特性大致相同；三個串接的功率半導體開關D5、D6、D7亦可整合成單一個功率半導體開關，其耐電壓特性與三個功率半導體開關D5、D6、D7加總的耐電壓特性大致相同。
於第4圖中，功率半導體開關D1～D8為二極管，功率半導體開關S9～S12每一者均具有內接二極管與其本身反並聯。舉例而言，功率半導體開關單元S9～S12為絕緣柵雙極型晶體管、門極可關斷晶閘管、集成門極換流晶閘管或其他開關器件，本領域技術人員當視實際需要彈性選擇之。
母線電容模組440包括第一母線電容單元C3與第二母線電容單元C4。第一母線電容單元C3的一端連接正極性端441，第一母線電容單元C3的另一端連接中性點443；第二母線電容單元C4的一端連接中性點443，第二母線電容單元C4的另一端連接負極性端442。
在運作時，交流端 U接收輸入交流電源，並藉由脈寬調制訊號分別控制功率半導體開關S9～S12之啟閉，使五電平整流器400得以進行整流，由第一母線電容單元C3與第二母線電容單元C4輸出直流電。於其他實施方式中，可以藉由脈衝頻率調製訊號或脈衝幅度調製訊號等調製技術分別控制功率半導體開關S9～S12之啟閉，使五電平整流器400得以運作。
□了對五電平整流器400的工作原理做更進一步描述，請參照下表四，各功率半導體開關在工作過程中承受電壓V/2，其各交流端 U的電平所對應的開關狀態如表四所示。另外，關於五電平整流器交流端 U的電平波形，如第13圖所示。
﹤表四﹥ <TABLE border="1" borderColor="#000000" width="_0005"><TBODY><tr><td>   </td><td> 狀態1 </td><td> 狀態2 </td><td> 狀態3 </td><td> 狀態4 </td><td> 狀態5 </td><td> 狀態6 </td><td> 狀態7 </td></tr><tr><td> D1 </td><td> 開通 </td><td> 關斷 </td><td> 開通 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td></tr><tr><td> D2 </td><td> 開通 </td><td> 關斷 </td><td> 開通 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td></tr><tr><td> D3 </td><td> 開通 </td><td> 關斷 </td><td> 開通 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td></tr><tr><td> D4 </td><td> 開通 </td><td> 開通 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td></tr><tr><td> D5 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 開通 </td><td> 關斷 </td><td> 開通 </td></tr><tr><td> D6 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 開通 </td><td> 關斷 </td><td> 開通 </td></tr><tr><td> D7 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 開通 </td><td> 關斷 </td><td> 開通 </td></tr><tr><td> D8 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 開通 </td><td> 開通 </td></tr><tr><td> S9 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 開通 </td><td> 開通 </td><td> 開通 </td><td> 開通 </td><td> 開通 </td></tr><tr><td> S10 </td><td> 開通 </td><td> 開通 </td><td> 開通 </td><td> 開通 </td><td> 關斷 </td><td> 開通 </td><td> 關斷 </td></tr><tr><td> S11 </td><td> 關斷 </td><td> 開通 </td><td> 關斷 </td><td> 開通 </td><td> 開通 </td><td> 開通 </td><td> 開通 </td></tr><tr><td> S12 </td><td> 開通 </td><td> 開通 </td><td> 開通 </td><td> 開通 </td><td> 開通 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td></tr><tr><td><i>U</i></td><td> V </td><td> V/2 </td><td> V/2 </td><td> 0 </td><td> - V/2 </td><td> - V/2 </td><td> - V </td></tr></TBODY></TABLE>
表四示意了五電平整流器400的一種操作方式。需要特別說明的是，五電平整流器400有很多種操作方式，表四僅示意性示出了其中一種。關於五電平整流器400之各種運用方式係為本技術領域中具有通常知識者可推知的技術，且非本發明所欲保護範圍，於此不再詳述之。
第5圖是依照本發明第五實施例之一種五電平變換器500的電路圖（以單相為例）。在架構上，五電平變換器500與五電平變換器300類似，兩者差異在於改變第二飛跨電容單元C2的連接方式。如第5圖所示，五電平變換器500包括交流端 U、第一開關模組510、第二開關模組520、第三開關模組530、第一飛跨電容單元C1、第二飛跨電容單元C2與母線電容模組540。
於第5圖中，母線電容模組540具有正極性端541、負極性端542與中性點543。第一開關模組510的兩端分別連接母線電容模組540的中性點543與交流端 U，其中第一開關模組510包括第一雙向開關電路511與第二雙向開關電路512彼此級聯，第一雙向開關電路511包括兩個第一開關單元513、515反向串聯連接，第二雙向開關電路512包括兩個第一開關單元514、516反向串聯連接。第二開關模組520的兩端分別連接母線電容模組540的正極性端541與交流端 U，其中第二開關模組520包括多個第二開關單元521、522彼此串聯。第三開關模組530的兩端分別連接母線電容模組540的負極性端542與交流端 U，其中第三開關模組530包括多個第三開關單元531、532彼此串聯。第一飛跨電容單元C1跨接在第一開關模組510與第二開關模組520之間，第二飛跨電容單元C2跨接在第一開關模組510與第三開關模組530之間，其中第一開關模組510中第一開關單元513、516連接第二飛跨電容單元C2，第一開關單元514、516連接第一飛跨電容單元C1。
第一雙向開關電路511連接中性點543，第二雙向開關電路512連接交流端 U，第二飛跨電容單元C2的一端連接第一雙向開關電路511與第二雙向開關電路512之間的一連接點，第一飛跨電容單元C1的一端連接第二雙向開關電路512中兩個第一開關單元514、516之間的一連接點，前述兩不同連接點之間有第一開關單元516間隔而未直接相連在一起。第一飛跨電容單元C1的另一端連接兩個第二開關單元521、522之間的連接點，第二飛跨電容單元C2的另一端連接兩個第三開關單元531、532之間的連接點。
於第5圖中，各個第一開關單元514、516、513、515分別包括功率半導體開關S9、S10、S11、S12。第二開關單元521包括至少一功率半導體開關以連接正極性端541，本實施例中以三個串接的功率半導體開關S1、S2、S3為例進行說明，而第二開關單元522包括至少一功率半導體開關以連接交流端 U，本實施例中以單一功率半導體開關S4為例進行說明，其中功率半導體開關S1、S2、S3、S4的耐電壓特性大致相同；第三開關單元531包括至少一功率半導體開關以連接交流端 U，本實施例中以兩個串接的功率半導體開關S5、S6為例進行說明，第三開關單元532包括至少一功率半導體開關以連接負極性端542，本實施例中以兩個串接的功率半導體開關S7、S8為例進行說明，其中功率半導體開關S5、S6、S7、S8的耐電壓特性大致相同。
應瞭解到，第5圖繪示之各個第二、第三開關單元521、522、531、532中功率半導體開關的數量僅為例示，但此並不限定本發明，熟習此項技藝者應視當時需要彈性選擇功率半導體開關的數量及相應的耐電壓特性。舉例而言，三個串接的功率半導體開關S1、S2、S3可整合成單一個功率半導體開關，其耐電壓特性與三個功率半導體開關S1、S2、S3加總的耐電壓特性大致相同；兩個串接的功率半導體開關S5、S6亦可整合成單一個功率半導體開關，其耐電壓特性與功率半導體開關S5、S6加總的耐電壓特性大致相同；另兩個串接的功率半導體開關S7、S8亦可整合成單一個功率半導體開關，其耐電壓特性與功率半導體開關S7、S8加總的耐電壓特性大致相同。
於第5圖中，功率半導體開關S1～S12每一者均具有內接二極管與其本身反並聯。舉例而言，功率半導體開關S1～S12為絕緣柵雙極型晶體管、門極可關斷晶閘管、集成門極換流晶閘管或其他開關器件，本領域技術人員當視實際需要彈性選擇之。
母線電容模組540包括第一母線電容單元C3與第二母線電容單元C4。第一母線電容單元C3的一端連接正極性端541，第一母線電容單元C3的另一端連接中性點543；第二母線電容單元C4的一端連接中性點543，第二母線電容單元C4的另一端連接負極性端542。
在運作時，第一母線電容單元C3與第二母線電容單元C4可連接輸入直流電源，並藉由脈寬調制訊號分別控制功率半導體開關S1～S12之啟閉，使五電平變換器500得以進行逆變之功能，由交流端 U輸出交流電。
同樣地，在運作時，交流端 U接收輸入交流電源，並藉由脈寬調制訊號（Pulse With Modulation, PWM）分別控制功率半導體開關S1～S12之啟閉，使五電平變換器500得以進行整流之功能，由第一母線電容單元C3與第二母線電容單元C4輸出直流電。
於其他實施方式中，可以藉由脈衝頻率調製訊號或脈衝幅度調製訊號等調製技術分別控制功率半導體開關S1～S12之啟閉，使五電平變換器500得以運作。
□了對五電平變換器500的工作原理做更進一步描述，請參照下表五，各功率半導體開關在工作過程中承受電壓V/2，其各交流端 U的電平所對應的開關狀態如表五所示。另外，關於五電平變換器交流端 U的電平波形，如第13圖所示。
﹤表五﹥ <TABLE border="1" borderColor="#000000" width="_0006"><TBODY><tr><td>   </td><td> 狀態1 </td><td> 狀態2 </td><td> 狀態3 </td><td> 狀態4 </td><td> 狀態5 </td><td> 狀態6 </td><td> 狀態7 </td></tr><tr><td> S1 </td><td> 開通 </td><td> 開通 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td></tr><tr><td> S2 </td><td> 開通 </td><td> 開通 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td></tr><tr><td> S3 </td><td> 開通 </td><td> 開通 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td></tr><tr><td> S4 </td><td> 開通 </td><td> 關斷 </td><td> 開通 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td></tr><tr><td> S5 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 開通 </td><td> 開通 </td></tr><tr><td> S6 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 開通 </td><td> 開通 </td></tr><tr><td> S7 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 開通 </td><td> 關斷 </td><td> 開通 </td></tr><tr><td> S8 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 開通 </td><td> 關斷 </td><td> 開通 </td></tr><tr><td> S9 </td><td> 關斷 </td><td> 開通 </td><td> 關斷 </td><td> 開通 </td><td> 開通 </td><td> 開通 </td><td> 開通 </td></tr><tr><td> S10 </td><td> 開通 </td><td> 開通 </td><td> 開通 </td><td> 開通 </td><td> 開通 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td></tr><tr><td> S11 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 開通 </td><td> 開通 </td><td> 開通 </td><td> 開通 </td><td> 開通 </td></tr><tr><td> S12 </td><td> 開通 </td><td> 開通 </td><td> 開通 </td><td> 開通 </td><td> 關斷 </td><td> 開通 </td><td> 關斷 </td></tr><tr><td><i>U</i></td><td> V </td><td> V/2 </td><td> V/2 </td><td> 0 </td><td> - V/2 </td><td> - V/2 </td><td> - V </td></tr></TBODY></TABLE>
表五示意了五電平變換器500的一種操作方式。需要特別說明的是，五電平變換器500有很多種操作方式，表五僅示意性示出了其中一種。關於五電平變換器500之各種運用方式係為本技術領域中具有通常知識者可推知的技術，且非本發明所欲保護範圍，於此不再詳述之。
第6圖是依照本發明第六實施例之一種五電平整流器600的電路圖。在架構上，五電平整流器600與五電平變換器500類似，兩者差異在於將第5圖的功率半導體開關S1～S8替換為第6圖的D1～D8（二極管）。如第6圖所示，五電平整流器600包括交流端 U、第一開關模組610、第二開關模組620、第三開關模組630、第一飛跨電容單元C1、第二飛跨電容單元C2與母線電容模組640。
於第6圖中，母線電容模組640具有正極性端641、負極性端642與中性點643。第一開關模組610的兩端分別連接母線電容模組640的中性點643與交流端 U，其中第一開關模組610包括第一雙向開關電路611與第二雙向開關電路612彼此級聯，第一雙向開關電路611包括兩個第一開關單元613、615反向串聯連接，第二雙向開關電路612包括兩個第一開關單元614、616反向串聯連接。第二開關模組620的兩端分別連接母線電容模組640的正極性端641與交流端 U，其中第二開關模組620包括多個第二開關單元621、622彼此串聯。第三開關模組630的兩端分別連接母線電容模組640的負極性端642與交流端 U，其中第三開關模組630包括多個第三開關單元631、632彼此串聯。第一飛跨電容單元C1跨接在第一開關模組610與第二開關模組620之間，第二飛跨電容單元C2跨接在第一開關模組610與第三開關模組630之間，其中第一開關模組610中第一開關單元613、616連接第二飛跨電容單元C2，第一開關單元614、616連接第一飛跨電容單元C1。
第一雙向開關電路611連接中性點643，第二雙向開關電路612連接交流端 U，第二飛跨電容單元C2的一端連接第一雙向開關電路611與第二雙向開關電路612之間的一連接點，第一飛跨電容單元C1的一端連接第二雙向開關電路612中兩個第一開關單元614、616之間的一連接點，前述兩不同連接點之間有第一開關單元616間隔而未直接相連在一起。第一飛跨電容單元C1的另一端連接兩個第二開關單元621、622之間的連接點，第二飛跨電容單元C2的另一端連接兩個第三開關單元631、632之間的連接點。
於第6圖中，各個第一開關單元614、616、613、615分別包括功率半導體開關S9、S10、S11、S12。第二開關單元621包括至少一功率半導體開關以連接正極性端641，本實施例中以三個串接的功率半導體開關D1、D2、D3為例進行說明，而第二開關單元622包括至少一功率半導體開關以連接交流端 U，本實施例中以單一功率半導體開關D4為例進行說明，其中功率半導體開關D1、D2、D3、D4的耐電壓特性大致相同；第三開關單元631包括至少一功率半導體開關以連接交流端U，本實施例中以兩個串接的功率半導體開關D5、D6為例進行說明第三開關單元632包括至少一功率半導體開關以連接負極性端642，本實施例中以兩個串接的功率半導體開關D7、D8為例進行說明，其中功率半導體開關D5、D6、D7、D8的耐電壓特性大致相同。
應瞭解到，第6圖繪示之各個第二、第三開關單元621、622、631、632中功率半導體開關的數量僅為例示，但此並不限定本發明，熟習此項技藝者應視當時需要彈性選擇功率半導體開關的數量及相應的耐電壓特性。舉例而言，三個串接的功率半導體開關D1、D2、D3可整合成單一個功率半導體開關，其耐電壓特性與三個功率半導體開關D1、D2、D3加總的耐電壓特性大致相同；兩個串接的功率半導體開關D5、D6亦可整合成單一個功率半導體開關，其耐電壓特性與功率半導體開關D5、D6加總的耐電壓特性大致相同；另兩個串接的功率半導體開關D7、D8亦可整合成單一個功率半導體開關，其耐電壓特性與功率半導體開關D7、D8加總的耐電壓特性大致相同。
於第6圖中，功率半導體開關D1～D8為二極管，功率半導體開關S9～S12每一者均具有內接二極管與其本身反並聯。舉例而言，功率半導體開關單元S9～S12為絕緣柵雙極型晶體管、門極可關斷晶閘管、集成門極換流晶閘管或其他開關器件，本領域技術人員當視實際需要彈性選擇之。
母線電容模組640包括第一母線電容單元C3與第二母線電容單元C4。第一母線電容單元C3的一端連接正極性端641，第一母線電容單元C3的另一端連接中性點643；第二母線電容單元C4的一端連接中性點643，第二母線電容單元C4的另一端連接負極性端642。
在運作時，交流端 U接收輸入交流電源，並藉由脈寬調制訊號分別控制功率半導體開關S9～S12之啟閉，使五電平整流器600得以進行整流，由第一母線電容單元C3與第二母線電容單元C4輸出直流電。於其他實施方式中，可以藉由脈衝頻率調製訊號或脈衝幅度調製訊號等調製技術分別控制功率半導體開關S9～S12之啟閉，使五電平整流器600得以運作。
□了對五電平整流器600的工作原理做更進一步描述，請參照下表六，各功率半導體開關在工作過程中承受電壓V/2，其各交流端 U的電平所對應的開關狀態如表六所示。另外，關於五電平整流器交流端 U的電平波形，如第13圖所示。
﹤表六﹥ <TABLE border="1" borderColor="#000000" width="_0007"><TBODY><tr><td>   </td><td> 狀態1 </td><td> 狀態2 </td><td> 狀態3 </td><td> 狀態4 </td><td> 狀態5 </td><td> 狀態6 </td><td> 狀態7 </td></tr><tr><td> D1 </td><td> 開通 </td><td> 關斷 </td><td> 開通 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td></tr><tr><td> D2 </td><td> 開通 </td><td> 關斷 </td><td> 開通 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td></tr><tr><td> D3 </td><td> 開通 </td><td> 關斷 </td><td> 開通 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td></tr><tr><td> D4 </td><td> 開通 </td><td> 開通 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td></tr><tr><td> D5 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 開通 </td><td> 關斷 </td><td> 開通 </td></tr><tr><td> D6 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 開通 </td><td> 關斷 </td><td> 開通 </td></tr><tr><td> D7 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 開通 </td><td> 開通 </td></tr><tr><td> D8 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 開通 </td><td> 開通 </td></tr><tr><td> S9 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 開通 </td><td> 開通 </td><td> 開通 </td><td> 開通 </td><td> 開通 </td></tr><tr><td> S10 </td><td> 開通 </td><td> 開通 </td><td> 開通 </td><td> 開通 </td><td> 關斷 </td><td> 開通 </td><td> 關斷 </td></tr><tr><td> S11 </td><td> 關斷 </td><td> 開通 </td><td> 關斷 </td><td> 開通 </td><td> 開通 </td><td> 開通 </td><td> 開通 </td></tr><tr><td> S12 </td><td> 開通 </td><td> 開通 </td><td> 開通 </td><td> 開通 </td><td> 開通 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td></tr><tr><td><i>U</i></td><td> V </td><td> V/2 </td><td> V/2 </td><td> 0 </td><td> - V/2 </td><td> - V/2 </td><td> - V </td></tr></TBODY></TABLE>
表六示意了五電平整流器600的一種操作方式。需要特別說明的是，五電平整流器600有很多種操作方式，表六僅示意性示出了其中一種。關於五電平整流器600之各種運用方式係為本技術領域中具有通常知識者可推知的技術，且非本發明所欲保護範圍，於此不再詳述之。
第7圖是依照本發明第七實施例之一種五電平變換器700的電路圖（以單相為例）。在架構上，五電平變換器700與五電平變換器100類似，兩者差異在於改變第二飛跨電容單元C2的連接方式。如第7圖所示，五電平變換器700包括交流端 U、第一開關模組710、第二開關模組720、第三開關模組730、第一飛跨電容單元C1、第二飛跨電容單元C2與母線電容模組740。
於第7圖中，母線電容模組740具有正極性端741、負極性端742與中性點743。第一開關模組710的兩端分別連接母線電容模組740的中性點743與交流端 U，其中第一開關模組710包括第一雙向開關電路711與第二雙向開關電路712彼此級聯，第一雙向開關電路711包括兩個第一開關單元713、715反向串聯連接，第二雙向開關電路712包括兩個第一開關單元714、716反向串聯連接。第二開關模組720的兩端分別連接母線電容模組740的正極性端741與交流端 U，其中第二開關模組720包括多個第二開關單元721、722彼此串聯。第三開關模組730的兩端分別連接母線電容模組740的負極性端742與交流端 U，其中第三開關模組730包括多個第三開關單元731、732彼此串聯。第一飛跨電容單元C1跨接在第一開關模組710與第二開關模組720之間，第二飛跨電容單元C2跨接在第一開關模組710與第三開關模組730之間，其中第一開關模組710中第一開關單元713、716連接第二飛跨電容單元C2，第一開關單元713、715連接第一飛跨電容單元C1。
第一雙向開關電路711連接中性點743，第二雙向開關電路712連接交流端 U，第二飛跨電容單元C2的一端連接第一雙向開關電路711與第二雙向開關電路712之間的一連接點，第一飛跨電容單元C1的一端連接第一雙向開關電路711中兩個第一開關單元713、715之間的一連接點，前述兩不同連接點之間有第一開關單元713間隔而未直接相連在一起。第一飛跨電容單元C1的另一端連接兩個第二開關單元721、722之間的連接點，第二飛跨電容單元C2的另一端連接兩個第三開關單元731、732之間的連接點。
於第7圖中，各個第一開關單元714、716、713、715分別包括功率半導體開關S9、S10、S11、S12。第二開關單元721包括至少一功率半導體開關以連接正極性端741，本實施例中以單一功率半導體開關S1為例進行說明，而第二開關單元722包括至少一功率半導體開關以連接交流端 U，本實施例中以三個串接的功率半導體開關S2、S3、S4為例進行說明，其中功率半導體開關S1、S2、S3、S4的耐電壓特性大致相同；第三開關單元731包括至少一功率半導體開關以連接交流端 U，本實施例中以兩個串接的功率半導體開關S5、S6為例進行說明，第三開關單元732包括至少一功率半導體開關以連接負極性端742，本實施例中以兩個串接的功率半導體開關S7、S8為例進行說明，其中功率半導體開關S5、S6、S7、S8的耐電壓特性大致相同。
應瞭解到，第7圖繪示之各個第二、第三開關單元721、722、731、732中功率半導體開關的數量僅為例示，但此並不限定本發明，熟習此項技藝者應視當時需要彈性選擇功率半導體開關的數量及相應的耐電壓特性。舉例而言，三個串接的功率半導體開關S2、S3、S4可整合成單一個功率半導體開關，其耐電壓特性與三個功率半導體開關S2、S3、S4加總的耐電壓特性大致相同；兩個串接的功率半導體開關S5、S6亦可整合成單一個功率半導體開關，其耐電壓特性與功率半導體開關S5、S6加總的耐電壓特性大致相同；另兩個串接的功率半導體開關S7、S8亦可整合成單一個功率半導體開關，其耐電壓特性與功率半導體開關S7、S8加總的耐電壓特性大致相同。
於第7圖中，功率半導體開關S1～S12每一者均具有內接二極管與其本身反並聯。舉例而言，功率半導體開關S1～S12為絕緣柵雙極型晶體管、門極可關斷晶閘管、集成門極換流晶閘管或其他開關器件，本領域技術人員當視實際需要彈性選擇之。
母線電容模組740包括第一母線電容單元C3與第二母線電容單元C4。第一母線電容單元C3的一端連接正極性端741，第一母線電容單元C3的另一端連接中性點743；第二母線電容單元C4的一端連接中性點743，第二母線電容單元C4的另一端連接負極性端742。
在運作時，第一母線電容單元C3與第二母線電容單元C4可連接輸入直流電源，並藉由脈寬調制訊號分別控制功率半導體開關S1～S12之啟閉，使五電平變換器700得以進行逆變之功能，由交流端 U輸出交流電。
同樣地，在運作時，交流端 U接收輸入交流電源，並藉由脈寬調制訊號（Pulse With Modulation, PWM）分別控制功率半導體開關S1～S12之啟閉，使五電平變換器700得以進行整流之功能，由第一母線電容單元C3與第二母線電容單元C4輸出直流電。
於其他實施方式中，可以藉由脈衝頻率調製訊號或脈衝幅度調製訊號等調製技術分別控制功率半導體開關S1～S12之啟閉，使五電平變換器700得以運作。
□了對五電平變換器700的工作原理做更進一步描述，請參照下表七，各功率半導體開關在工作過程中承受電壓V/2，其各交流端 U的電平所對應的開關狀態如表七所示。另外，關於五電平變換器交流端 U的電平波形，如第13圖所示。
﹤表七﹥ <TABLE border="1" borderColor="#000000" width="_0008"><TBODY><tr><td>   </td><td> 狀態1 </td><td> 狀態2 </td><td> 狀態3 </td><td> 狀態4 </td><td> 狀態5 </td><td> 狀態6 </td><td> 狀態7 </td></tr><tr><td> S1 </td><td> 開通 </td><td> 開通 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td></tr><tr><td> S2 </td><td> 開通 </td><td> 關斷 </td><td> 開通 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td></tr><tr><td> S3 </td><td> 開通 </td><td> 關斷 </td><td> 開通 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td></tr><tr><td> S4 </td><td> 開通 </td><td> 關斷 </td><td> 開通 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td></tr><tr><td> S5 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 開通 </td><td> 開通 </td></tr><tr><td> S6 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 開通 </td><td> 開通 </td></tr><tr><td> S7 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 開通 </td><td> 關斷 </td><td> 開通 </td></tr><tr><td> S8 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 開通 </td><td> 關斷 </td><td> 開通 </td></tr><tr><td> S9 </td><td> 開通 </td><td> 開通 </td><td> 開通 </td><td> 開通 </td><td> 開通 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td></tr><tr><td> S10 </td><td> 關斷 </td><td> 開通 </td><td> 關斷 </td><td> 開通 </td><td> 開通 </td><td> 開通 </td><td> 開通 </td></tr><tr><td> S11 </td><td> 開通 </td><td> 開通 </td><td> 開通 </td><td> 開通 </td><td> 關斷 </td><td> 開通 </td><td> 關斷 </td></tr><tr><td> S12 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 開通 </td><td> 開通 </td><td> 開通 </td><td> 開通 </td><td> 開通 </td></tr><tr><td><i>U</i></td><td> V </td><td> V/2 </td><td> V/2 </td><td> 0 </td><td> - V/2 </td><td> - V/2 </td><td> - V </td></tr></TBODY></TABLE>
表七示意了五電平變換器700的一種操作方式。需要特別說明的是，五電平變換器700有很多種操作方式，表七僅示意性示出了其中一種。關於五電平變換器700之各種運用方式係為本技術領域中具有通常知識者可推知的技術，且非本發明所欲保護範圍，於此不再詳述之。
第8圖是依照本發明第八實施例之一種五電平整流器800的電路圖（以單相為例）。在架構上，五電平整流器800與五電平變換器700類似，兩者差異在於將第7圖的功率半導體開關S1～S8替換為第8圖的D1～D8（二極管）。如第8圖所示，五電平整流器800包括交流端 U、第一開關模組810、第二開關模組820、第三開關模組830、第一飛跨電容單元C1、第二飛跨電容單元C2與母線電容模組840。
於第8圖中，母線電容模組840具有正極性端841、負極性端842與中性點843。第一開關模組810的兩端分別連接母線電容模組840的中性點843與交流端 U，其中第一開關模組810包括第一雙向開關電路811與第二雙向開關電路812彼此級聯，第一雙向開關電路811包括兩個第一開關單元813、815反向串聯連接，第二雙向開關電路812包括兩個第一開關單元814、816反向串聯連接。第二開關模組820的兩端分別連接母線電容模組840的正極性端841與交流端 U，其中第二開關模組620包括多個第二開關單元821、822彼此串聯。第三開關模組630的兩端分別連接母線電容模組840的負極性端842與交流端 U，其中第三開關模組830包括多個第三開關單元831、832彼此串聯。第一飛跨電容單元C1跨接在第一開關模組810與第二開關模組820之間，第二飛跨電容單元C2跨接在第一開關模組810與第三開關模組830之間，其中第一開關模組810中第一開關單元813、816連接第二飛跨電容單元C2，第一開關單元813、815連接第一飛跨電容單元C1。
第一雙向開關電路811連接中性點843，第二雙向開關電路812連接交流端 U，第二飛跨電容單元C2的一端連接第一雙向開關電路811與第二雙向開關電路812之間的一連接點，第一飛跨電容單元C1的一端連接第一雙向開關電路811中兩個第一開關單元813、815之間的一連接點，前述兩不同連接點之間有第一開關單元813間隔而未直接相連在一起。第一飛跨電容單元C1的另一端連接兩個第二開關單元821、822之間的連接點，第二飛跨電容單元C2的另一端連接兩個第三開關單元831、832之間的連接點。
於第8圖中，各個第一開關單元814、816、813、815分別包括功率半導體開關S9、S10、S11、S12。第二開關單元821包括至少一功率半導體開關以連接正極性端841，本實施例中以單一功率半導體開關D1為例進行說明，而第二開關單元822包括至少一功率半導體開關，本實施例中以三個串接的功率半導體開關D2、D3、D4為例進行說明，其中功率半導體開關D1、D2、D3、D4的耐電壓特性大致相同；第三開關單元831包括至少一功率半導體開關，本實施例中以兩個串接的功率半導體開關D5、D6為例進行說明，第三開關單元832包括至少一功率半導體開關，本實施例中以兩個串接的功率半導體開關D7、D8為例進行說明，其中功率半導體開關D5、D6、D7、D8的耐電壓特性大致相同。
應瞭解到，第8圖繪示之各個第二、第三開關單元821、822、831、832中功率半導體開關的數量僅為例示，但此並不限定本發明，熟習此項技藝者應視當時需要彈性選擇功率半導體開關的數量及相應的耐電壓特性。舉例而言，三個串接的功率半導體開關D2、D3、D4可整合成單一個功率半導體開關，其耐電壓特性與三個功率半導體開關D2、D3、D4加總的耐電壓特性大致相同；兩個串接的功率半導體開關D5、D6亦可整合成單一個功率半導體開關，其耐電壓特性與功率半導體開關D5、D6加總的耐電壓特性大致相同；另兩個串接的功率半導體開關D7、D8亦可整合成單一個功率半導體開關，其耐電壓特性與功率半導體開關D7、D8加總的耐電壓特性大致相同。
於第8圖中，功率半導體開關D1～D8為二極管，功率半導體開關S9～S12每一者均具有內接二極管與其本身反並聯。舉例而言，功率半導體開關單元S9～S12為絕緣柵雙極型晶體管、門極可關斷晶閘管、集成門極換流晶閘管或其他開關器件，本領域技術人員當視實際需要彈性選擇之。
於第8圖中，母線電容模組840包括第一母線電容單元C3與第二母線電容單元C4。第一母線電容單元C3的一端連接正極性端841，第一母線電容單元C3的另一端連接中性點843；第二母線電容單元C4的一端連接中性點843，第二母線電容單元C4的另一端連接負極性端842。
在運作時，交流端 U接收輸入交流電源，並藉由脈寬調制訊號分別控制功率半導體開關S9～S12之啟閉，使五電平整流器800得以進行整流，由第一母線電容單元C3與第二母線電容單元C4輸出直流電。於其他實施方式中，可以藉由脈衝頻率調製訊號或脈衝幅度調製訊號等調製技術分別控制功率半導體開關S9～S12之啟閉，使五電平整流器800得以運作。
□了對五電平整流器800的工作原理做更進一步描述，請參照下表八，各功率半導體開關在工作過程中承受電壓V/2，其交流端 U的電平所對應的開關狀態如表八所示。另外，關於五電平整流器交流端 U的電平波形，如第13圖所示。
﹤表八﹥ <TABLE border="1" borderColor="#000000" width="_0009"><TBODY><tr><td>   </td><td> 狀態1 </td><td> 狀態2 </td><td> 狀態3 </td><td> 狀態4 </td><td> 狀態5 </td><td> 狀態6 </td><td> 狀態7 </td></tr><tr><td> D1 </td><td> 開通 </td><td> 關斷 </td><td> 開通 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td></tr><tr><td> D2 </td><td> 開通 </td><td> 開通 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td></tr><tr><td> D3 </td><td> 開通 </td><td> 開通 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td></tr><tr><td> D4 </td><td> 開通 </td><td> 開通 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td></tr><tr><td> D5 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 開通 </td><td> 關斷 </td><td> 開通 </td></tr><tr><td> D6 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 開通 </td><td> 關斷 </td><td> 開通 </td></tr><tr><td> D7 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 開通 </td><td> 開通 </td></tr><tr><td> D8 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 開通 </td><td> 開通 </td></tr><tr><td> S9 </td><td> 開通 </td><td> 開通 </td><td> 開通 </td><td> 開通 </td><td> 關斷 </td><td> 開通 </td><td> 關斷 </td></tr><tr><td> S10 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 開通 </td><td> 開通 </td><td> 開通 </td><td> 開通 </td><td> 開通 </td></tr><tr><td> S11 </td><td> 開通 </td><td> 開通 </td><td> 開通 </td><td> 開通 </td><td> 開通 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td></tr><tr><td> S12 </td><td> 關斷 </td><td> 開通 </td><td> 關斷 </td><td> 開通 </td><td> 開通 </td><td> 開通 </td><td> 開通 </td></tr><tr><td><i>U</i></td><td> V </td><td> V/2 </td><td> V/2 </td><td> 0 </td><td> - V/2 </td><td> - V/2 </td><td> - V </td></tr></TBODY></TABLE>
表八示意了五電平整流器800的一種操作方式。需要特別說明的是，五電平整流器800有很多種操作方式，表八僅示意性示出了其中一種。關於五電平整流器800之各種運用方式係為本技術領域中具有通常知識者可推知的技術，且非本發明所欲保護範圍，於此不再詳述之。
第9圖是依照本發明第九實施例之一種五電平變換器900的電路圖（以單相為例）。在架構上，五電平變換器900與五電平變換器700類似，兩者差異在於改變第一飛跨電容單元C1與第二飛跨電容單元C2的連接方式。如第9圖所示，五電平變換器900包括交流端 U、第一開關模組910、第二開關模組920、第三開關模組930、第一飛跨電容單元C1、第二飛跨電容單元C2與母線電容模組940。
於第9圖中，母線電容模組940具有正極性端941、負極性端942與中性點943。第一開關模組910的兩端分別連接母線電容模組940的中性點943與交流端 U，其中第一開關模組910包括第一雙向開關電路911與第二雙向開關電路912彼此級聯，第一雙向開關電路911包括兩個第一開關單元913、915反向串聯連接，第二雙向開關電路912包括兩個第一開關單元914、916反向串聯連接。第二開關模組920的兩端分別連接母線電容模組940的正極性端941與交流端 U，其中第二開關模組920包括多個第二開關單元921、922彼此串聯。第三開關模組930的兩端分別連接母線電容模組940的負極性端942與交流端 U，其中第三開關模組930包括多個第三開關單元931、932彼此串聯。第一飛跨電容單元C1跨接在第一開關模組910與第二開關模組920之間，第二飛跨電容單元C2跨接在第一開關模組910與第三開關模組930之間，其中第一開關模組910中第一開關單元913、916連接第一飛跨電容單元C1，第一開關單元914、916連接第二飛跨電容單元C2。
第一雙向開關電路911連接中性點943，第二雙向開關電路912連接交流端 U，第一飛跨電容單元C1的一端連接第一雙向開關電路911與第二雙向開關電路912之間的一連接點，第二飛跨電容單元C2的一端連接第二雙向開關電路912中兩個第一開關單元914、916之間的一連接點，前述兩不同連接點之間有第一開關單元916間隔而未直接相連在一起。第一飛跨電容單元C1的另一端連接兩個第二開關單元921、922之間的連接點，第二飛跨電容單元C2的另一端連接兩個第三開關單元931、932之間的連接點。
於第9圖中，各個第一開關單元914、916、913、915分別包括功率半導體開關S9、S10、S11、S12。第二開關單元921包括至少一功率半導體開關以連接正極性端941，本實施例中以兩個串接的功率半導體開關S1、S2為例進行說明，而第二開關單元922包括至少一功率半導體開關以連接交流端 U，本實施例中以兩個串接的功率半導體開關S3、S4為例進行說明，其中功率半導體開關S1、S2、S3、S4的耐電壓特性大致相同；第三開關單元931包括至少一功率半導體開關以連接交流端 U，本實施例中以單一功率半導體開關S5為例進行說明，第三開關單元932包括至少一功率半導體開關以連接負極性端942，本實施例中以三個串接的功率半導體開關S6、S7、S8為例進行說明，其中功率半導體開關S5、S6、S7、S8的耐電壓特性大致相同。
應瞭解到，第9圖繪示之各個第二、第三開關單元921、922、931、932中功率半導體開關的數量僅為例示，但此並不限定本發明，熟習此項技藝者應視當時需要彈性選擇功率半導體開關的數量及相應的耐電壓特性。舉例而言，兩個串接的功率半導體開關S1、S2可整合成單一個功率半導體開關，其耐電壓特性與功率半導體開關S1、S2加總的耐電壓特性大致相同；另兩個串接的功率半導體開關S3、S4可整合成單一個功率半導體開關，其耐電壓特性與功率半導體開關S3、S4加總的耐電壓特性大致相同。三個串接的功率半導體開關S6、S7、S8亦可整合成單一個功率半導體開關，其耐電壓特性與三個功率半導體開關S6、S7、S8加總的耐電壓特性大致相同。
於第9圖中，功率半導體開關S1～S12每一者均具有內接二極管與其本身反並聯。舉例而言，功率半導體開關S1～S12為絕緣柵雙極型晶體管、門極可關斷晶閘管、集成門極換流晶閘管或其他開關器件，本領域技術人員當視實際需要彈性選擇之。
母線電容模組940包括第一母線電容單元C3與第二母線電容單元C4。第一母線電容單元C3的一端連接正極性端941，第一母線電容單元C3的另一端連接中性點943；第二母線電容單元C4的一端連接中性點943，第二母線電容單元C4的另一端連接負極性端942。
在運作時，第一母線電容單元C3與第二母線電容單元C4可連接輸入直流電源，並藉由脈寬調制訊號分別控制功率半導體開關S1～S12之啟閉，使五電平變換器900得以進行逆變之功能由交流端 U輸出交流電。
同樣地，在運作時，交流端 U接收輸入交流電源，並藉由脈寬調制訊號（Pulse With Modulation, PWM）分別控制功率半導體開關S1～S12之啟閉，使五電平變換器900得以進行整流之功能，由第一母線電容單元C3與第二母線電容單元C4輸出直流電。
於其他實施方式中，可以藉由脈衝頻率調製訊號或脈衝幅度調製訊號等調製技術分別控制功率半導體開關S1～S12之啟閉，使五電平變換器900得以運作。
□了對五電平變換器900的工作原理做更進一步描述，請參照下表九，各功率半導體開關在工作過程中承受電壓V/2，其各交流端 U的電平所對應的開關狀態如表九所示。另外，關於五電平變換器交流端 U的電平波形，如第13圖所示。
﹤表九﹥ <TABLE border="1" borderColor="#000000" width="_0010"><TBODY><tr><td>   </td><td> 狀態1 </td><td> 狀態2 </td><td> 狀態3 </td><td> 狀態4 </td><td> 狀態5 </td><td> 狀態6 </td><td> 狀態7 </td></tr><tr><td> S1 </td><td> 開通 </td><td> 開通 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td></tr><tr><td> S2 </td><td> 開通 </td><td> 開通 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td></tr><tr><td> S3 </td><td> 開通 </td><td> 關斷 </td><td> 開通 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td></tr><tr><td> S4 </td><td> 開通 </td><td> 關斷 </td><td> 開通 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td></tr><tr><td> S5 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 開通 </td><td> 開通 </td></tr><tr><td> S6 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 開通 </td><td> 關斷 </td><td> 開通 </td></tr><tr><td> S7 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 開通 </td><td> 關斷 </td><td> 開通 </td></tr><tr><td> S8 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 開通 </td><td> 關斷 </td><td> 開通 </td></tr><tr><td> S9 </td><td> 開通 </td><td> 開通 </td><td> 開通 </td><td> 開通 </td><td> 開通 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td></tr><tr><td> S10 </td><td> 關斷 </td><td> 開通 </td><td> 關斷 </td><td> 開通 </td><td> 開通 </td><td> 開通 </td><td> 開通 </td></tr><tr><td> S11 </td><td> 開通 </td><td> 開通 </td><td> 開通 </td><td> 開通 </td><td> 關斷 </td><td> 開通 </td><td> 關斷 </td></tr><tr><td> S12 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 開通 </td><td> 開通 </td><td> 開通 </td><td> 開通 </td><td> 開通 </td></tr><tr><td><i>U</i></td><td> V </td><td> V/2 </td><td> V/2 </td><td> 0 </td><td> - V/2 </td><td> - V/2 </td><td> - V </td></tr></TBODY></TABLE>
表九示意了五電平變換器900的一種操作方式。需要特別說明的是，五電平變換器900有很多種操作方式，表九僅示意性示出了其中一種。關於五電平變換器900之各種運用方式係為本技術領域中具有通常知識者可推知的技術，且非本發明所欲保護範圍，於此不再詳述之。
第10圖是依照本發明第十實施例之一種五電平整流器1000的電路圖。在架構上，五電平整流器1000與五電平變換器900類似，兩者差異在於將第9圖的功率半導體開關S1～S8替換為第10圖的D1～D8（二極管）。如第10圖所示，五電平整流器1000包括交流端 U、第一開關模組1010、第二開關模組1020、第三開關模組1030、第一飛跨電容單元C1、第二飛跨電容單元C2與母線電容模組1040。
於第10圖中，母線電容模組1040具有正極性端1041、負極性端1042與中性點1043。第一開關模組1010的兩端分別連接母線電容模組1040的中性點1043與交流端 U，其中第一開關模組1010包括第一雙向開關電路1011與第二雙向開關電路1012彼此級聯，第一雙向開關電路1011包括兩個第一開關單元1013、1015反向串聯連接，第二雙向開關電路1012包括兩個第一開關單元1014、1016反向串聯連接。第二開關模組1020的兩端分別連接母線電容模組1040的正極性端1041與交流端 U，其中第二開關模組1020包括多個第二開關單元1021、1022彼此串聯。第三開關模組1030的兩端分別連接母線電容模組1040的負極性端1042與交流端 U，其中第三開關模組1030包括多個第三開關單元1031、1032彼此串聯。第一飛跨電容單元C1跨接在第一開關模組1010與第二開關模組1020之間，第二飛跨電容單元C2跨接在第一開關模組1010與第三開關模組1030之間，其中第一開關模組1010中第一開關單元1013、1016連接第一飛跨電容單元C1，第一開關單元1014、1016連接第二飛跨電容單元C2。
第一雙向開關電路1011連接中性點1043，第二雙向開關電路1012連接交流端 U，第一飛跨電容單元C1的一端連接第一雙向開關電路1011與第二雙向開關電路1012之間的一連接點，第二飛跨電容單元C2的一端連接第二雙向開關電路1012中兩個第一開關單元1014、1016之間的一連接點，前述兩不同連接點之間有第一開關單元1016間隔而未直接相連在一起。第一飛跨電容單元C1的另一端連接兩個第二開關單元1021、1022之間的連接點，第二飛跨電容單元C2的另一端連接兩個第三開關單元1031、1032之間的連接點。
於第10圖中，各個第一開關單元1014、1016、1013、1015分別包括功率半導體開關S9、S10、S11、S12。第二開關單元1021包括至少一功率半導體開關以連接正極性端1041，本實施例中以兩個串接的功率半導體開關D1 、D2為例進行說明，而第二開關單元1022包括至少一功率半導體開關以連接交流端 U，本實施例中以兩個串接的功率半導體開關D3、D4為例進行說明，其中功率半導體開關D1、D2、D3、D4的耐電壓特性大致相同；第三開關單元1031包括至少一功率半導體開關以連接交流端 U，本實施例中以單一功率半導體開關D5為例進行說明，第三開關單元1032包括至少一功率半導體開關以連接負極性端1042，本實施例中以三個串接的功率半導體開關D6、D7、D8為例進行說明，其中功率半導體開關D5、D6、D7、D8的耐電壓特性大致相同。
應瞭解到，第10圖繪示之各個第二、第三開關單元1021、1022、1031、1032中功率半導體開關的數量僅為例示，但此並不限定本發明，熟習此項技藝者應視當時需要彈性選擇功率半導體開關的數量及相應的耐電壓特性。舉例而言，兩個串接的功率半導體開關D1、D2可整合成單一個功率半導體開關，其耐電壓特性與功率半導體開關D1、D2加總的耐電壓特性大致相同；另兩個串接的功率半導體開關D3、D4可整合成單一個功率半導體開關，其耐電壓特性與功率半導體開關D3、D4加總的耐電壓特性大致相同。三個串接的功率半導體開關D6、D7、D8亦可整合成單一個功率半導體開關，其耐電壓特性與三個功率半導體開關D6、D7、D8加總的耐電壓特性大致相同。
於第10圖中，功率半導體開關D1～D8為二極管，功率半導體開關S9～S12每一者均具有內接二極管與其本身反並聯。舉例而言，功率半導體開關單元S9～S12為絕緣柵雙極型晶體管、門極可關斷晶閘管、集成門極換流晶閘管或其他開關器件，本領域技術人員當視實際需要彈性選擇之。
母線電容模組1040包括第一母線電容單元C3與第二母線電容單元C4。第一母線電容單元C3的一端連接正極性端1041，第一母線電容單元C3的另一端連接中性點1043；第二母線電容單元C4的一端連接中性點1043，第二母線電容單元C4的另一端連接負極性端1042。
在運作時，交流端 U接收輸入交流電源，並藉由脈寬調制訊號分別控制功率半導體開關S9～S12之啟閉，使五電平整流器1000得以進行整流，由第一母線電容單元C3與第二母線電容單元C4輸出直流電。於其他實施方式中，可以藉由脈衝頻率調製訊號或脈衝幅度調製訊號等調製技術分別控制功率半導體開關S9～S12之啟閉，使五電平整流器1000得以運作。
□了對五電平整流器1000的工作原理做更進一步描述，請參照下表十，各功率半導體開關在工作過程中承受電壓V/2，其各交流端 U的電平所對應的開關狀態如表十所示。另外，關於五電平整流器交流端 U的電平波形，如第13圖所示。
﹤表十﹥ <TABLE border="1" borderColor="#000000" width="_0011"><TBODY><tr><td>   </td><td> 狀態1 </td><td> 狀態2 </td><td> 狀態3 </td><td> 狀態4 </td><td> 狀態5 </td><td> 狀態6 </td><td> 狀態7 </td></tr><tr><td> D1 </td><td> 開通 </td><td> 關斷 </td><td> 開通 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td></tr><tr><td> D2 </td><td> 開通 </td><td> 關斷 </td><td> 開通 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td></tr><tr><td> D3 </td><td> 開通 </td><td> 開通 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td></tr><tr><td> D4 </td><td> 開通 </td><td> 開通 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td></tr><tr><td> D5 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 開通 </td><td> 關斷 </td><td> 開通 </td></tr><tr><td> D6 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 開通 </td><td> 開通 </td></tr><tr><td> D7 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 開通 </td><td> 開通 </td></tr><tr><td> D8 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 開通 </td><td> 開通 </td></tr><tr><td> S9 </td><td> 開通 </td><td> 開通 </td><td> 開通 </td><td> 開通 </td><td> 關斷 </td><td> 開通 </td><td> 關斷 </td></tr><tr><td> S10 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 開通 </td><td> 開通 </td><td> 開通 </td><td> 開通 </td><td> 開通 </td></tr><tr><td> S11 </td><td> 開通 </td><td> 開通 </td><td> 開通 </td><td> 開通 </td><td> 開通 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td></tr><tr><td> S12 </td><td> 關斷 </td><td> 開通 </td><td> 關斷 </td><td> 開通 </td><td> 開通 </td><td> 開通 </td><td> 開通 </td></tr><tr><td><i>U</i></td><td> V </td><td> V/2 </td><td> V/2 </td><td> 0 </td><td> - V/2 </td><td> - V/2 </td><td> - V </td></tr></TBODY></TABLE>
表十示意了五電平整流器1000的一種操作方式。需要特別說明的是，五電平整流器1000有很多種操作方式，表十僅示意性示出了其中一種。關於五電平整流器1000之各種運用方式係為本技術領域中具有通常知識者可推知的技術，且非本發明所欲保護範圍，於此不再詳述之。
第11圖是依照本發明第十一實施例之一種五電平變換器1100的電路圖（以單相為例）。在架構上，五電平變換器1100與五電平變換器300類似，兩者差異在於改變第一飛跨電容單元C1的連接方式。如第11圖所示，五電平變換器1100包括交流端 U、第一開關模組1110、第二開關模組1120、第三開關模組1130、第一飛跨電容單元C1、第二飛跨電容單元C2與母線電容模組1140。
於第11圖中，母線電容模組1140具有正極性端1141、負極性端1142與中性點1143。第一開關模組1110的兩端分別連接母線電容模組1140的中性點1143與交流端 U，其中第一開關模組1110包括第一雙向開關電路1111與第二雙向開關電路1112彼此級聯，第一雙向開關電路1111包括兩個第一開關單元1113、1115反向串聯連接，第二雙向開關電路1112包括兩個第一開關單元1114、1116反向串聯連接。第二開關模組1120的兩端分別連接母線電容模組1140的正極性端1141與交流端 U，其中第二開關模組1120包括多個第二開關單元1121、1122彼此串聯。第三開關模組1130的兩端分別連接母線電容模組1140的負極性端1142與交流端 U，其中第三開關模組1130包括多個第三開關單元1131、1132彼此串聯。第一飛跨電容單元C1跨接在第一開關模組1110與第二開關模組1120之間，第二飛跨電容單元C2跨接在第一開關模組1110與第三開關模組1130之間，其中第一開關模組1110中第一開關單元1113、1116連接第一飛跨電容單元C1，第一開關單元1113、1115連接第二飛跨電容單元C2。
第一雙向開關電路1111連接中性點1143，第二雙向開關電路1112連接交流端 U，第一飛跨電容單元C1的一端連接第一雙向開關電路1111與第二雙向開關電路1112之間的一連接點，第二飛跨電容單元C2的一端連接第一雙向開關電路1111中兩個第一開關單元1113、1115之間的一連接點，前述兩不同連接點之間有第一開關單元1113間隔而未直接相連在一起。第一飛跨電容單元C1的另一端連接兩個第二開關單元1121、1122之間的連接點，第二飛跨電容單元C2的另一端連接兩個第三開關單元1131、1132之間的連接點。
於第11圖中，各個第一開關單元1114、1116、1113、1115分別包括功率半導體開關S9、S10、S11、S12。第二開關單元1121包括至少一功率半導體開關以連接正極性端1141，本實施例中以兩個串接的功率半導體開關S1、S2為例進行說明，而第二開關單元1122包括至少一功率半導體開關以連接交流端 U，本實施例中以兩個串接的功率半導體開關S3、S4為例進行說明，其中功率半導體開關S1、S2、S3、S4的耐電壓特性大致相同；第三開關單元1131包括至少一功率半導體開關以連接交流端U，本實施例中以三個串接的功率半導體開關S5、S6、S7為例進行說明，第三開關單元1132包括至少一功率半導體開關以連接負極性端1142，本實施例中以單一功率半導體開關S8為例進行說明，其中功率半導體開關S5、S6、S7、S8的耐電壓特性大致相同。
應瞭解到，第11圖繪示之各個第二、第三開關單元1121、1122、1131、1132中功率半導體開關的數量僅為例示，但此並不限定本發明，熟習此項技藝者應視當時需要彈性選擇功率半導體開關的數量及相應的耐電壓特性。舉例而言，兩個串接的功率半導體開關S1、S2可整合成單一個功率半導體開關，其耐電壓特性與功率半導體開關S1、S2加總的耐電壓特性大致相同；另兩個串接的功率半導體開關S3、S4可整合成單一個功率半導體開關，其耐電壓特性與功率半導體開關S3、S4加總的耐電壓特性大致相同。三個串接的功率半導體開關S5、S6、S7亦可整合成單一個功率半導體開關，其耐電壓特性與三個功率半導體開關S5、S6、S7加總的耐電壓特性大致相同。
於第11圖中，功率半導體開關S1～S12每一者均具有內接二極管與其本身反並聯。舉例而言，功率半導體開關S1～S12為絕緣柵雙極型晶體管、門極可關斷晶閘管、集成門極換流晶閘管或其他開關器件，本領域技術人員當視實際需要彈性選擇之。
母線電容模組1140包括第一母線電容單元C3與第二母線電容單元C4。第一母線電容單元C3的一端連接正極性端1141，第一母線電容單元C3的另一端連接中性點1143；第二母線電容單元C4的一端連接中性點1143，第二母線電容單元C4的另一端連接負極性端1142。
在運作時，第一母線電容單元C3與第二母線電容單元C4可連接輸入直流電源，並藉由脈寬調制訊號分別控制功率半導體開關S1～S12之啟閉，使五電平變換器1100得以進行逆變之功能，由交流端 U輸出交流電。
同樣地，在運作時，交流端 U接收輸入交流電源，並藉由脈寬調制訊號（Pulse With Modulation, PWM）分別控制功率半導體開關S1～S12之啟閉，使五電平變換器1100得以進行整流之功能，由第一母線電容單元C3與第二母線電容單元C4輸出直流電。
於其他實施方式中，可以藉由脈衝頻率調製訊號或脈衝幅度調製訊號等調製技術分別控制功率半導體開關S1～S12之啟閉，使五電平變換器1100得以運作。
□了對五電平變換器1100的工作原理做更進一步描述，請參照下表十一，各功率半導體開關在工作過程中承受電壓V/2，其各交流端 U的電平所對應的開關狀態如表十一所示。另外，關於五電平變換器交流端 U的電平波形，如第13圖所示。
﹤表十一﹥ <TABLE border="1" borderColor="#000000" width="_0012"><TBODY><tr><td>   </td><td> 狀態1 </td><td> 狀態2 </td><td> 狀態3 </td><td> 狀態4 </td><td> 狀態5 </td><td> 狀態6 </td><td> 狀態7 </td></tr><tr><td> S1 </td><td> 開通 </td><td> 開通 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td></tr><tr><td> S2 </td><td> 開通 </td><td> 開通 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td></tr><tr><td> S3 </td><td> 開通 </td><td> 關斷 </td><td> 開通 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td></tr><tr><td> S4 </td><td> 開通 </td><td> 關斷 </td><td> 開通 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td></tr><tr><td> S5 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 開通 </td><td> 開通 </td></tr><tr><td> S6 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 開通 </td><td> 開通 </td></tr><tr><td> S7 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 開通 </td><td> 開通 </td></tr><tr><td> S8 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 開通 </td><td> 關斷 </td><td> 開通 </td></tr><tr><td> S9 </td><td> 關斷 </td><td> 開通 </td><td> 關斷 </td><td> 開通 </td><td> 開通 </td><td> 開通 </td><td> 開通 </td></tr><tr><td> S10 </td><td> 開通 </td><td> 開通 </td><td> 開通 </td><td> 開通 </td><td> 開通 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td></tr><tr><td> S11 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 開通 </td><td> 開通 </td><td> 開通 </td><td> 開通 </td><td> 開通 </td></tr><tr><td> S12 </td><td> 開通 </td><td> 開通 </td><td> 開通 </td><td> 開通 </td><td> 關斷 </td><td> 開通 </td><td> 關斷 </td></tr><tr><td><i>U</i></td><td> V </td><td> V/2 </td><td> V/2 </td><td> 0 </td><td> - V/2 </td><td> - V/2 </td><td> - V </td></tr></TBODY></TABLE>
表十一示意了五電平變換器1100的一種操作方式。需要特別說明的是，五電平變換器1100有很多種操作方式，表十一僅示意性示出了其中一種。關於五電平變換器1100之各種運用方式係為本技術領域中具有通常知識者可推知的技術，且非本發明所欲保護範圍，於此不再詳述之。
第12圖是依照本發明第十二實施例之一種五電平整流器1200的電路圖。在架構上，五電平整流器1200與五電平變換器1100類似，兩者差異在於將第12圖的功率半導體開關S1～S8替換為第11圖的D1～D8（二極管）。如第12圖所示，五電平整流器1200包括交流端 U、第一開關模組1210、第二開關模組1220、第三開關模組1230、第一飛跨電容單元C1、第二飛跨電容單元C2與母線電容模組1240。
於第12圖中，母線電容模組1240具有正極性端1241、負極性端1242與中性點1243。第一開關模組1210的兩端分別連接母線電容模組1240的中性點1243與交流端 U，其中第一開關模組1210包括第一雙向開關電路1211與第二雙向開關電路1212彼此級聯，第一雙向開關電路1211包括兩個第一開關單元1213、1215反向串聯連接，第二雙向開關電路1212包括兩個第一開關單元1214、1216反向串聯連接。第二開關模組1220的兩端分別連接母線電容模組1240的正極性端1241與交流端 U，其中第二開關模組1220包括多個第二開關單元1221、1222彼此串聯。第三開關模組1230的兩端分別連接母線電容模組1240的負極性端1242與交流端 U，其中第三開關模組1230包括多個第三開關單元1231、1232彼此串聯。第一飛跨電容單元C1跨接在第一開關模組1210與第二開關模組1220之間，第二飛跨電容單元C2跨接在第一開關模組1210與第三開關模組1230之間，其中第一開關模組1210中第一開關單元1213、1216連接第一飛跨電容單元C1，第一開關單元1213、1215連接第二飛跨電容單元C2。
第一雙向開關電路1211連接中性點1243，第二雙向開關電路1212連接交流端 U，第一飛跨電容單元C1的一端連接第一雙向開關電路1211與第二雙向開關電路1212之間的一連接點，第二飛跨電容單元C2的一端連接第一雙向開關電路1211中兩個第一開關單元1213、1215之間的一連接點，前述兩不同連接點之間有第一開關單元1213間隔而未直接相連在一起。第一飛跨電容單元C1的另一端連接兩個第二開關單元1221、1222之間的連接點，第二飛跨電容單元C2的另一端連接兩個第三開關單元1231、1232之間的連接點。
於第12圖中，各個第一開關單元1214、1216、1213、1215分別包括功率半導體開關S9、S10、S11、S12。第二開關單元1221包括至少一功率半導體開關以連接正極性端1241，本實施例中以兩個串接的功率半導體開關D1 、D2為例進行說明，而第二開關單元1222包括至少一功率半導體開關以連接交流端 U，本實施例中以兩個串接的功率半導體開關D3、D4為例進行說明，其中功率半導體開關D1、D2、D3、D4的耐電壓特性大致相同；第三開關單元1231包括至少一功率半導體開關以連接交流端 U，本實施例中以三個串接的功率半導體開關D5、D6、D7為例進行說明，第三開關單元1232包括至少一功率半導體開關以連接負極性端1242，本實施例中以單一功率半導體開關D8為例進行說明，其中功率半導體開關D5、D6、D7、D8的耐電壓特性大致相同。
應瞭解到，第12圖繪示之各個第二、第三開關單元1221、1222、1231、1232中功率半導體開關的數量僅為例示，但此並不限定本發明，熟習此項技藝者應視當時需要彈性選擇功率半導體開關的數量及相應的耐電壓特性。舉例而言，兩個串接的功率半導體開關D1、D2可整合成單一個功率半導體開關，其耐電壓特性與功率半導體開關D1、D2加總的耐電壓特性大致相同；另兩個串接的功率半導體開關D3、D4可整合成單一個功率半導體開關，其耐電壓特性與功率半導體開關D3、D4加總的耐電壓特性大致相同。三個串接的功率半導體開關D5、D6、D7亦可整合成單一個功率半導體開關，其耐電壓特性與三個功率半導體開關D5、D6、D7加總的耐電壓特性大致相同。
於第12圖中，功率半導體開關D1～D8為二極管，功率半導體開關S9～S12每一者均具有內接二極管與其本身反並聯。舉例而言，功率半導體開關單元S9～S12為絕緣柵雙極型晶體管、門極可關斷晶閘管、集成門極換流晶閘管或其他開關器件，本領域技術人員當視實際需要彈性選擇之。
母線電容模組1240包括第一母線電容單元C3與第二母線電容單元C4。第一母線電容單元C3的一端連接正極性端1241，第一母線電容單元C3的另一端連接中性點1243；第二母線電容單元C4的一端連接中性點1243，第二母線電容單元C4的另一端連接負極性端1242。
在運作時，交流端 U接收輸入交流電源，並藉由脈寬調制訊號分別控制功率半導體開關S9～S12之啟閉，使五電平整流器1200得以進行整流，由第一母線電容單元C3與第二母線電容單元C4輸出直流電。於其他實施方式中，可以藉由脈衝頻率調製訊號或脈衝幅度調製訊號等調製技術分別控制功率半導體開關S9～S12之啟閉，使五電平整流器1200得以運作。
□了對五電平整流器1200的工作原理做更進一步描述，請參照下表十二，各功率半導體開關在工作過程中承受電壓V/2，其各交流端 U的電平所對應的開關狀態如表十二所示。另外，關於五電平整流器交流端 U的電平波形，如第13圖所示。
﹤表十二﹥ <TABLE border="1" borderColor="#000000" width="_0013"><TBODY><tr><td>   </td><td> 狀態1 </td><td> 狀態2 </td><td> 狀態3 </td><td> 狀態4 </td><td> 狀態5 </td><td> 狀態6 </td><td> 狀態7 </td></tr><tr><td> D1 </td><td> 開通 </td><td> 關斷 </td><td> 開通 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td></tr><tr><td> D2 </td><td> 開通 </td><td> 關斷 </td><td> 開通 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td></tr><tr><td> D3 </td><td> 開通 </td><td> 開通 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td></tr><tr><td> D4 </td><td> 開通 </td><td> 開通 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td></tr><tr><td> D5 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 開通 </td><td> 關斷 </td><td> 開通 </td></tr><tr><td> D6 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 開通 </td><td> 關斷 </td><td> 開通 </td></tr><tr><td> D7 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 開通 </td><td> 關斷 </td><td> 開通 </td></tr><tr><td> D8 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 開通 </td><td> 開通 </td></tr><tr><td> S9 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td><td> 開通 </td><td> 開通 </td><td> 開通 </td><td> 開通 </td><td> 開通 </td></tr><tr><td> S10 </td><td> 開通 </td><td> 開通 </td><td> 開通 </td><td> 開通 </td><td> 關斷 </td><td> 開通 </td><td> 關斷 </td></tr><tr><td> S11 </td><td> 關斷 </td><td> 開通 </td><td> 關斷 </td><td> 開通 </td><td> 開通 </td><td> 開通 </td><td> 開通 </td></tr><tr><td> S12 </td><td> 開通 </td><td> 開通 </td><td> 開通 </td><td> 開通 </td><td> 開通 </td><td> 關斷 </td><td> 關斷 </td></tr><tr><td><i>U</i></td><td> V </td><td> V/2 </td><td> V/2 </td><td> 0 </td><td> - V/2 </td><td> - V/2 </td><td> - V </td></tr></TBODY></TABLE>
表十二示意了五電平整流器1200的一種操作方式。需要特別說明的是，五電平整流器1200有很多種操作方式，表十二僅示意性示出了其中一種。關於五電平整流器1200之各種運用方式係為本技術領域中具有通常知識者可推知的技術，且非本發明所欲保護範圍，於此不再詳述之。
綜上所述，本發明提出一種結構簡單的五電平變換裝置拓撲，其採用非對襯式電路架構（兩飛跨電容單元的連接方式不同），在電路設計上更靈活、更有彈性，因而具有非常好的應用價值。相比於三電平變換技術，五電平變換技術具有更好的電氣性能。
雖然本發明已以實施方式揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
為讓本發明之上述和其他目的、特徵、優點與實施例能更明顯易懂，所附符號之說明如下：
100、300、500、700、900、1100‧‧‧五電平變換器
200、400、600、800、1000、1200‧‧‧五電平整流器
110、210、310、410、510、610、710、810、910、1010、1110、1210‧‧‧第一開關模組
111、211、311、411、511、611、711、811、911、1011、1111、1211‧‧‧第一雙向開關電路
112、212、312、412、512、612、712、812、912、1012、1112、1212‧‧‧第二雙向開關電路
113～116、213～216、313～316、413～416、513～516、613～616、713～716、813～816、913～916、1013～1016、1113～1116、1213～1216‧‧‧第一開關單元
120、220、320、420、520、620、720、820、920、1020、1120、1220‧‧‧第二開關模組
121、122、221、222、321、322、421、422、521、522、621、622、721、722、821、822、921、922、1021、1022、1121、1122、1221、1222‧‧‧第二開關單元
130、230、330、430、530、630、730、830、930、1030、1130、1230‧‧‧第三開關模組
131、132、231、232、331、332、431、432、531、532、631、632、731、732、831、832、931、932、1031、1032、1131、1132、1231、1232‧‧‧第三開關單元
140、240、340、440、540、640、740、840、940、1040、1140、1240‧‧‧母線電容模組
141、241、341、441、541、641、741、841、941、1041、1141、1241‧‧‧正極性端
142、242、342、442、542、642、742、842、942、1042、1142、1242‧‧‧負極性端
143、243、343、443、543、643、743、843、943、1043、1143、1243‧‧‧中性點
C1‧‧‧第一飛跨電容單元
C2‧‧‧第二飛跨電容單元
C3‧‧‧第一母線電容單元
C4‧‧‧第二母線電容單元
D1～D8‧‧‧功率半導體開關
S1～S12‧‧‧功率半導體開關
U‧‧‧交流端
為讓本發明之上述和其他目的、特徵、優點與實施例能更明顯易懂，所附圖式之說明如下： 第1圖是依照本發明第一實施例之一種五電平變換裝置的電路圖； 第2圖是依照本發明第二實施例之一種五電平整流器的電路圖； 第3圖是依照本發明第三實施例之一種五電平變換器的電路圖； 第4圖是依照本發明第四實施例之一種五電平整流器的電路圖； 第5圖是依照本發明第五實施例之一種五電平變換器的電路圖； 第6圖是依照本發明第六實施例之一種五電平整流器的電路圖； 第7圖是依照本發明第七實施例之一種五電平變換器的電路圖； 第8圖是依照本發明第八實施例之一種五電平整流器的電路圖； 第9圖是依照本發明第九實施例之一種五電平變換器的電路圖； 第10圖是依照本發明第十實施例之一種五電平整流器的電路圖； 第11圖是依照本發明第十一實施例之一種五電平變換器的電路圖； 第12圖是依照本發明第十二實施例之一種五電平整流器的電路圖；以及 第13圖是依照本發明各實施例之一種電平波形圖。
100‧‧‧五電平變換器
110‧‧‧第一開關模組
111‧‧‧第一雙向開關電路
112‧‧‧第二雙向開關電路
113~116‧‧‧第一開關單元
120‧‧‧第二開關模組
121、122‧‧‧第二開關單元
130‧‧‧第三開關模組
131、132‧‧‧第三開關單元
140‧‧‧母線電容模組
141‧‧‧正極性端
142‧‧‧負極性端
143‧‧‧中性點
C1‧‧‧第一飛跨電容單元
C2‧‧‧第二飛跨電容單元
C3‧‧‧第一母線電容單元
C4‧‧‧第二母線電容單元
S1~S12‧‧‧功率半導體開關
U‧‧‧交流端

Claims (24)

  1. 一種五電平變換裝置，包括： 一交流端； 一母線電容模組，具有一正極性端、一負極性端與一中性點； 一第一開關模組，其兩端分別連接該母線電容模組的該中性點與該交流端，其中該第一開關模組包括多個雙向開關電路彼此級聯，每一該雙向開關電路包括兩個第一開關單元反向串聯連接； 一第二開關模組，其兩端分別連接該母線電容模組的該正極性端與該交流端，其中該第二開關模組包括多個第二開關單元彼此串聯； 一第三開關模組，其兩端分別連接該母線電容模組的該負極性端與該交流端，其中該第三開關模組包括多個第三開關單元彼此串聯； 一第一飛跨電容單元，跨接在該第一開關模組與該第二開關模組之間；以及 一第二飛跨電容單元，跨接在該第一開關模組與該第三開關模組之間，其中該第一飛跨電容單元和該第二飛跨電容單元分別與該第一開關模組中該些第一開關單元之間的不同連接點相連接。
  2. 如請求項1所述之五電平變換裝置，其中該些雙向開關電路為一第一雙向開關電路與一第二雙向開關電路，該第一雙向開關電路連接該中性點，該第二雙向開關電路連接該交流端，該第一飛跨電容單元的一端連接該第一雙向開關電路中該兩個第一開關單元之間的連接點，該第二飛跨電容單元的一端連接該第二雙向開關電路中該兩個第一開關單元之間的連接點。
  3. 如請求項2所述之五電平變換裝置，其中該些第二開關單元的數量為兩個，該第一飛跨電容單元的另一端連接該兩個第二開關單元之間的連接點，□兩個第二開關單元中之一者連接□正極性端，□兩個第二開關單元中之另一者連接□交流端。
  4. 如請求項2所述之五電平變換裝置，其中該些第三開關單元的數量為兩個，該第二飛跨電容單元的另一端連接該兩個第三開關單元之間的連接點，該兩個第三開關單元中之一者連接該交流端，該兩個第三開關單元中之另一者連接該負極性端。
  5. 如請求項1所述之五電平變換裝置，其中該些雙向開關電路為一第一雙向開關電路與一第二雙向開關電路，該第一雙向開關電路連接該中性點，該第二雙向開關電路連接該交流端，該第一飛跨電容單元的一端連接該第二雙向開關電路中該兩個第一開關單元之間的連接點，該第二飛跨電容單元的一端連接該第一雙向開關電路中該兩個第一開關單元之間的連接點。
  6. 如請求項5所述之五電平變換裝置，其中該些第二開關單元的數量為兩個，該第一飛跨電容單元的另一端連接該兩個第二開關單元之間的連接點，其中該兩個第二開關單元中之一者連接該正極性端，而該兩個第二開關單元中之另一者連接該交流端。
  7. 如請求項5所述之五電平變換裝置，其中該些第三開關單元的數量為兩個，該第二飛跨電容單元的另一端連接該兩個第三開關單元之間的連接點，其中該兩個第三開關單元中之一者連接該交流端，而該兩個第三開關單元中之另一者連接該負極性端。
  8. 如請求項1所述之五電平變換裝置，其中該些雙向開關電路為一第一雙向開關電路與一第二雙向開關電路，該第一雙向開關電路連接該中性點，該第二雙向開關電路連接該交流端，該第一飛跨電容單元的一端連接該第二雙向開關電路中該兩個第一開關單元之間的連接點，該第二飛跨電容單元的一端連接該第一雙向開關電路與該第二雙向開關電路之間的連接點。
  9. 如請求項8所述之五電平變換裝置，其中該些第二開關單元的數量為兩個，該第一飛跨電容單元的另一端連接該兩個第二開關單元之間的連接點，該兩個第二開關單元中之一者連接該正極性端，該兩個第二開關單元中之另一者連接該交流端。
  10. 如請求項8所述之五電平變換裝置，其中該些第三開關單元的數量為兩個，該第二飛跨電容單元的另一端連接該兩個第三開關單元之間的連接點，該兩個第三開關單元中之一者連接該交流端，該兩個第三開關單元中之另一者連接該負極性端。
  11. 如請求項1所述之五電平變換裝置，其中該些雙向開關電路為一第一雙向開關電路與一第二雙向開關電路，該第一雙向開關電路連接該中性點，該第二雙向開關電路連接該交流端，該第一飛跨電容單元的一端連接該第一雙向開關電路中該兩個第一開關單元之間的連接點，該第二飛跨電容單元的一端連接該第一雙向開關電路與該第二雙向開關電路之間的連接點。
  12. 如請求項11所述之五電平變換裝置，其中該些第二開關單元的數量為兩個，該第一飛跨電容單元的另一端連接該兩個第二開關單元之間的連接點，該兩個第二開關單元中之一者連接該正極性端，而該兩個第二開關單元中之另一者連接該交流端。
  13. 如請求項11所述之五電平變換裝置，其中該些第三開關單元的數量為兩個，該第二飛跨電容單元的另一端連接該兩個第三開關單元之間的連接點，該兩個第三開關單元中之一者連接該交流端，該兩個第三開關單元中之另一者連接該負極性端。
  14. 如請求項1所述之五電平變換裝置，其中該些雙向開關電路為一第一雙向開關電路與一第二雙向開關電路，該第一雙向開關電路連接該中性點，該第二雙向開關電路連接該交流端，該第一飛跨電容單元的一端連接該第一雙向開關電路與該第二雙向開關電路之間的連接點，該第二飛跨電容單元的一端連接該第二雙向開關電路中該兩個第一開關單元之間的連接點。
  15. 如請求項14所述之五電平變換裝置，其中該些第二開關單元的數量為兩個，該第一飛跨電容單元的另一端連接該兩個第二開關單元之間的連接點，其中該兩個第二開關單元中之一者連接該正極性端，該兩個第二開關單元中之另一者連接該交流端。
  16. 如請求項14所述之五電平變換裝置，其中該些第三開關單元的數量為兩個，該第二飛跨電容單元的另一端連接該兩個第三開關單元之間的連接點，該兩個第三開關單元中之一者連接該交流端，該兩個第三開關單元中之另一者連接該負極性端。
  17. 如請求項1所述之五電平變換裝置，其中該些雙向開關電路為一第一雙向開關電路與一第二雙向開關電路，該第一雙向開關電路連接該中性點，該第二雙向開關電路連接該交流端，該第一飛跨電容單元的一端連接該第一雙向開關電路與該第二雙向開關電路之間的連接點，該第二飛跨電容單元的一端連接該第一雙向開關電路中該兩個第一開關單元之間的連接點。
  18. 如請求項17所述之五電平變換裝置，其中該些第二開關單元的數量為兩個，該第一飛跨電容單元的另一端連接該兩個第二開關單元之間的連接點，該兩個第二開關單元中之一者連接該正極性端，該兩個第二開關單元中之另一者連接該交流端。
  19. 如請求項17所述之五電平變換裝置，其中該些第三開關單元的數量為兩個，該第二飛跨電容單元的另一端連接該兩個第三開關單元之間的連接點，該兩個第三開關單元中之一者連接該交流端，該兩個第三開關單元中之另一者連接該負極性端。
  20. 如請求項1所述之五電平變換裝置，其中每一該第一開關單元包括至少一功率半導體開關，該功率半導體開關為絕緣柵雙極型晶體管、門極可關斷晶閘管或集成門極換流晶閘管。
  21. 如請求項1所述之五電平變換裝置，其中每一該第二、第三開關單元包括至少一功率半導體開關。
  22. 如請求項21所述之五電平變換裝置，其中該至少一功率半導體開關為複數個，該些功率半導體開關彼此串聯連接。
  23. 如請求項21所述之五電平變換裝置，其中該至少一功率半導體開關為絕緣柵雙極型晶體管、門極可關斷晶閘管或集成門極換流晶閘管。
  24. 如請求項21所述之五電平變換裝置，其中該至少一功率半導體開關為二極管。
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