一種五電平逆變拓撲單元及五電平逆變器的製作方法

2023-10-10 18:19:29 1

專利名稱：一種五電平逆變拓撲單元及五電平逆變器的製作方法
技術領域：
本申請涉及電力電子技術領域，特別涉及一種五電平逆變器及其應用電路。
背景技術：
中壓大容量場合，多電平逆變器得到廣泛的應用，目前的五電平逆變器主要是二極體箝位型。下面對二極體箝位型五電平逆變器予以介紹。參見圖1，該圖為現有技術中提供的二極體箝位型的五電平逆變器拓撲圖。圖I所示的是半橋五電平逆變器的拓撲結構。二極體用於為各個開關管進行電壓箝位。例如，第一二極體DBl用於將開關管Tl下端的電位箝位於第一電容Cl的下端；第二二極體DB2用於將開關管T5下端的電位箝位於第一電容Cl的下端。其他二極體DB3、 DB4、DB5和DB6類似，在此不再贅述。由於箝位二極體需要阻斷多倍電平電壓，通常需要多個相同標稱值的二極體串聯，這些二極體串聯起來共同承受圖I中二極體DB2承受的電壓。由於二極體的分散性以及雜散參數的影響，標稱值相同的二極體所能承受的壓力也有所差別，這樣串聯起來可能引起有的二極體兩端過電壓。因此，需要均壓措施和很大的RC吸收電路，但是這樣將導致系統體積龐大，成本增加，且損耗較多,效率較低。

發明內容
本申請所要解決的技術問題是提供一種五電平逆變拓撲單元及五電平逆變器，用以解決現有技術中逆變器系統體積龐大，成本增加，且損耗較多，效率較低、電流轉換精度較低的技術問題。本申請提供了一種五電平逆變拓撲單元，包括開關管Tl、開關管TA1、開關管TA2、開關管T2、開關管TB I、開關管TB2、二極體DA1、二極體DB1、二極體DFl和二極體DF2 ；每個所述開關管均反向並聯一個二極體；該拓撲單元的第一直流輸入端Ml通過依次串聯的開關管TA1、二極體DA1、二極體DBl和開關管TBl與該拓撲單元的第二直流輸入端M2相連；該拓撲單元的第三直流輸入端M3通過依次串聯的開關管TA2、開關管Tl、開關管T2和開關管TB2與該拓撲單元的第四直流輸入端M4相連；二極體DAl和二極體DBl的連接線與開關管Tl和開關管T2的連接線相連；開關管T2和開關管TB2的連接線通過依次串聯的二極體DF2和二極體DFl與開關管TA2和開關管Tl的連接線相連；該拓撲單元的第五直流輸入端M5與二極體DF2和二極體DFl的連接線相連；開關管Tl和開關管T2的連接線與該拓撲單元的第一交流輸出端相連，二極體DFl和二極體DF2的連接線與該拓撲單元的第二交流輸出端相連。本申請還提供了一種五電平逆變器，包括一個如上述的拓撲單元，其中第一直流正電平PVl+與第一直流輸入端Ml相連，第二直流正電平PV2+與第三直流輸入端M3相連，直流零電平PVO與第五直流輸入端M5相連，第一直流負電平PVl-與第二直流輸入端M2相連，第二直流負電平PV2-與第四直流輸入端M4相連；第一直流正電平PVl+和第一直流輸入端Ml的連接線通過依次串聯的電容CAl和 電容CBl與第一直流負電平PVl-和第二直流輸入端M2的連接線相連；第二直流正電平PV2+和第三直流輸入端M3的連接線通過依次串聯的電容CA2和電容CB2與第二直流負電平PV2-和第四直流輸入端M4的連接線相連；電容CAl和電容CBl的連接線與電容CA2和電容CB2的連接線相連並與第五直流輸入端M5相連；拓撲單元的第一交流輸出端與該逆變器的第一交流輸出端相連，拓撲單元的第二交流輸出端與該逆變器的第二交流輸出端相連。本申請還提供了一種五電平逆變器，包括兩個如上述的拓撲單元第一拓撲單元和第二拓撲單元；第一直流正電平PVl+與第一拓撲單元和第二拓撲單元的各第一直流輸入端Ml相連；第一直流負電平PVl-與第一拓撲單元和第二拓撲單元的各第二直流輸入端M2相連；第一直流正電平PVl+和第一拓撲單元或第二拓撲單元的第一直流輸入端Ml的連接線通過依次串聯的電容CAl和電容CBl與第一拓撲單元或第二拓撲單元的第二直流輸入端M2和第一直流負電平PVl-的連接線相連；第二直流正電平PV2+與第一拓撲單元和第二拓撲單元的各第三直流輸入端M3相連；第二直流負電平PV2-與第一拓撲單元和第二拓撲單元的各第四直流輸入端M4相連；第二直流正電平PV2+和第一拓撲單元或第二拓撲單元的第三直流輸入端M3的連接線通過依次串聯的電容CA2和電容CB2與第一拓撲單元或第二拓撲單元的第四直流輸入端M4和第二直流負電平PV2-的連接線相連；直流零電平PVO與第一拓撲單元和第二拓撲單元的各第五直流輸入端M5相連；電容CAl和電容CBl的連接線與電容CA2和電容CB2的連接線相連並與第一拓撲單元或第二拓撲單元的第五直流輸入端M5相連；第一拓撲單元和第二拓撲單元中的各第一交流輸出端分別與該逆變器的第一交流輸出端和第二交流輸出端相連。本申請還提供了一種五電平逆變器，包括三個如上述的拓撲單元第一拓撲單元、第二拓撲單元和第三拓撲單元；第一直流正電平PVl+與第一拓撲單元、第二拓撲單元和第三拓撲單元的各第一直流輸入端Ml相連；第一直流負電平PVl-與第一拓撲單元、第二拓撲單元和第三拓撲單元的各第二直流輸入端M2相連；第一直流正電平PVl+和第一拓撲單元、第二拓撲單元或第三拓撲單元的第一直流輸入端Ml的連接線通過依次串聯的電容CAl和電容CBl與第一拓撲單元、第二拓撲單元或第三拓撲單元的第二直流輸入端M2和第一直流負電平PVl-的連接線相連；第二直流正電平PV2+與第一拓撲單元、第二拓撲單元和第三拓撲單元的各第三直流輸入端M3相連；第二直流負電平PV2-與第一拓撲單元、第二拓撲單元和第三拓撲單元的各第四直流輸入端M4相連；第二直流正電平PV2+和第一拓撲單元、第二拓撲單元或第三拓撲單元的第三直流輸入端M3的連接線通過依次串聯的電容CA2和電容CB2與第一拓撲單元、第二拓撲單元或第三拓撲單元的第四直流輸入端M4和第二直流負電平PV2-的連接線相連；直流零電平PVO與第一拓撲單元、第二拓撲單元和第三拓撲單元的各第五直流輸入端M5相連；電容CAl和電容CBl的連接線與電容CA2和電容CB2的連接線相連並與第一拓撲單元、第二拓撲單元或第三拓撲單元的第五直流輸入端M5相連；第一拓撲單元、第二拓撲單元和第三拓撲單元中的各第一交流輸出端分別與該逆變器的第一交流輸出端、第二交流輸出端和第三交流輸出端相連。本申請還提供了一種五電平逆變器，包括四個如上述的拓撲單元第一拓撲單元、第二拓撲單元、第三拓撲單元和第四拓撲單元；第一直流正電平PVl+與第一拓撲單元、第二拓撲單元、第三拓撲單元和第四拓撲單元的各第一直流輸入端Ml相連；第一直流負電平PVl-與第一拓撲單元、第二拓撲單元、第三拓撲單元和第四拓撲單元的各第二直流輸入端M2相連；第一直流正電平PVl+和第一拓撲單元、第二拓撲單元、第三拓撲單元或第四拓撲單元的第一直流輸入端Ml的連接線通過依次串聯的電容CAl和電容CBl與第一拓撲單元、第二拓撲單元、第三拓撲單元或第四拓撲單元的第二直流輸入端M2和第一直流負電平PVl-的連接線相連；第二直流正電平PV2+與第一拓撲單元、第二拓撲單元、第三拓撲單元和第四拓撲單元的各第三直流輸入端M3相連；第二直流負電平PV2-與第一拓撲單元、第二拓撲單元、第三拓撲單元和第四拓撲單元的各第四直流輸入端M4相連；第二直流正電平PV2+和第一拓撲單元、第二拓撲單元的第三直流輸入端M3的連接線通過依次串聯的電容CA2和電容CB2與第一拓撲單元、第二拓撲單元、第三拓撲單元或第四拓撲單元的第四直流輸入端M4和第二直流負電平PV2-的連接線相連；直流零電平PVO與第一拓撲單元、第二拓撲單元、第三拓撲單元和第四拓撲單元的各第五直流輸入端M5相連；電容CAl和電容CBl的連接線與電容CA2和電容CB2的連接線相連並與第一拓撲單元、第二拓撲單元、第三拓撲單元或第四拓撲單元的第五直流輸入端M5相連；第一拓撲單元、第二拓撲單元、第三拓撲單元和第四拓撲單元中的各第一交流輸出端分別與該逆變器的第一交流輸出端、第二交流輸出端、第三交流輸出端和第四交流輸出端相連。由上述可知，本申請提供的五電平逆變器拓撲單元包括六個反向並聯二極體的開關管和四個與開關管串聯的二極體，外側開關管串聯，減小外側開關管的電壓應力，相對於現有技術中需要採用均壓措施和較大的RC吸收電路防止部分二極體兩端過壓而導致逆變器體積龐大、成本增加、損耗較多以及效率較低的問題，本申請提供的五電平逆變器拓撲單元在實現單相和多相應用時在保證為電流提供通路的同時，保證整個逆變器的半導體器件較少，體積較小，成本較低，同時損耗較小，效率較高。當然，實施本申請的任一產品並不一定需要同時達到以上所述的所有優點。


為了更清楚地說明本申請實施例中的技術方案，下面將對實施例描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本申請的一些實施例，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動性的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。圖I為現有技術中二極體箝位型五電平逆變器拓撲圖；圖2為本申請提供的一種五電平逆變拓撲單元實施例一的拓撲圖；圖3為本申請提供的一種五電平逆變器實施例二的拓撲圖；圖4為本申請提供的一種五電平逆變器實施例二的另一拓撲圖；圖5為本申請提供的一種五電平逆變器實施例二的另一拓撲圖；圖6為本申請提供的一種五電平逆變器實施例二的另一拓撲圖；圖7為本申請提供的一種五電平逆變器實施例二處於第一工作模態的拓撲圖；圖8為本申請提供的一種五電平逆變器實施例二處於第二工作模態的拓撲圖；圖9為本申請提供的一種五電平逆變器實施例二處於第三工作模態的拓撲圖；圖10為本申請提供的一種五電平逆變器實施例二處於第四工作模態的拓撲圖；圖11為本申請提供的一種五電平逆變器實施例二處於第五工作模態的拓撲圖；圖12為本申請提供的一種五電平逆變器實施例二處於第六工作模態的拓撲圖；圖13為本申請提供的一種五電平逆變器實施例二處於第七工作模態的拓撲圖；圖14為本申請提供的一種五電平逆變器實施例二處於第八工作模態的拓撲圖；圖15為本申請提供的一種五電平逆變拓撲單元實施例一的等效圖；圖16為本申請通過的一種五電平逆變器實施例三的拓撲圖；圖17為本申請通過的一種五電平逆變器實施例三的另一拓撲圖；圖18為本申請通過的一種五電平逆變器實施例四的拓撲圖；圖19為本申請通過的一種五電平逆變器實施例四的另一拓撲圖；圖20為本申請通過的一種五電平逆變器實施例四的另一拓撲圖；
圖21為本申請通過的一種五電平逆變器實施例五的拓撲圖；圖22為本申請通過的一種五電平逆變器實施例五的另一拓撲圖。
具體實施例方式下面將結合本申請實施例中的附圖,對本申請實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本申請一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本申請中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本申請保護的範圍。參考圖2，其示出了本申請提供的一種五電平逆變器的拓撲單元實施例一的拓撲圖，所述五電平逆變器的拓撲單元包括開關管Tl、開關管TA1、開關管TA2、開關管T2、開關管TB1、開關管TB2、二極體DA1、二極體DB1、二極體DFl和二極體DF2 ；每個所述開關管均反向並聯一個二極體；
該拓撲單元的第一直流輸入端Ml通過依次串聯的開關管TA1、二極體DA1、二極體DBl和開關管TBl與該拓撲單元的第二直流輸入端M2相連；該拓撲單元的第三直流輸入端M3通過依次串聯的開關管TA2、開關管Tl、開關管T2和開關管TB2與該拓撲單元的第四直流輸入端M4相連；二極體DAl和二極體DBl的連接線與開關管Tl和開關管T2的連接線相連；開關管T2和開關管TB2的連接線通過依次串聯的二極體DF2和二極體DFl與開關管TA2和開關管Tl的連接線相連；該拓撲單元的第五直流輸入端M5與二極體DF2和二極體DFl的連接線相連；開關管Tl和開關管T2的連接線與該拓撲單元的第一交流輸出端相連，二極體DFl和二極體DF2的連接線與該拓撲單元的第二交流輸出端相連。其中，以上拓撲單元的開關管可以為IGBT管、MOSFET管、IGCT管、或IEGT管。可以理解的是，以上開關管也可以選擇其他類型的開關管。以上與開關管反向並聯的二極體可以為獨立的二極體，也可以是與開關管封裝集成在一起的二極體。由上述可知，相對應現有技術中需要採用均壓措施和較大的RC吸收電路防止部分二極體兩端過壓而導致逆變器體積龐大、成本增加、損耗較多以及效率較低的問題，基於本申請提供的五電平逆變拓撲單元的五電平逆變器在實現單相和多相應用時在保證為電流提供通路的同時，保證整個逆變器的半導體器件較少，體積較小，成本較低，同時損耗較小，效率較高。並且本申請的電路結構外側開關管串聯，減小外側開關管的電壓應力。參考圖3，其示出了本申請提供的一種五電平逆變器實施例二的拓撲圖，基於本申請實施例一，本申請實施例二包括一個如實施例一所述的拓撲單元，其中第一直流正電平PVl+與第一直流輸入端Ml相連，第二直流正電平PV2+與第三直流輸入端M3相連，直流零電平PVO與第五直流輸入端M5相連，第一直流負電平PVl-與第二直流輸入端M2相連，第二直流負電平PV2-與第四直流輸入端M4相連；第一直流正電平PVl+和第一直流輸入端Ml的連接線通過依次串聯的電容CAl和電容CBl與第一直流負電平PVl-和第二直流輸入端M2的連接線相連；第二直流正電平PV2+和第三直流輸入端M3的連接線通過依次串聯的電容CA2和電容CB2與第二直流負電平PV2-和第四直流輸入端M4的連接線相連；電容CAl和電容CBl的連接線與電容CA2和電容CB2的連接線相連並與第五直流輸入端M5相連；拓撲單元的第一交流輸出端與該逆變器的第一交流輸出端相連，拓撲單元的第二交流輸出端與該逆變器的第二交流輸出端相連。其中，如圖4所示，上述五個電平可以通過兩個直流電源PVM和PVN加上兩個DC/DC升壓電路獲得，具體的，兩個直流電源PVM和PVN正負對接，生成第一直流正電平PV1+、第一直流負電平PVl-和直流零電平PVO，兩個直流電源PVM和PVN各連接一個DC/DC升壓電路，生成第二直流正電平PV2+和第二直流負電平PV2-。參考圖5,其示出了本申請實施例二的另一種結構示意圖,基於上述如圖4所示的實施例，本申請提供的五電平逆變器還包括電感L501和電容C501，其中所述拓撲單元的第一交流輸出端通過依次串聯的電感L501和電容C501與該拓撲單元中二極體DF2和二極體DFl的連接線相連；電感L501和電容C501的連接線與該逆變器的第一交流輸出端相連。上述如圖4所示的五電平還可以通過如圖6所述的方式獲得，直流電源PVS產生第一直流正電平PVl+和第一直流負電平PV1-，通過電容CAl和電容CBl的分壓作用產生直流零電平PVO，直流電源PVS兩端各連接一個DC/DC升壓電路，生成第二直流正電平PV2+和第二直流負電平PV2-。
有上述可知，本申請通過增加電感和電容實現本申請實施例二的實際應用，減少本申請實施例二的輸出電流的諧波，提高本申請實施例二在進行電流轉換的準確性。圖5所示的五電平逆變器與電感和電流形成的濾波模塊的連接結構與如圖6所示的五電平逆變器與電感和電流形成的濾波模塊的連接結構類此，在此不再闡述。由上述可知，相對於現有技術中需要採用均壓措施和較大的RC吸收電路防止部分二極體兩端過壓而導致逆變器體積龐大、成本增加、損耗較多以及效率較低的問題，本申請提供的五電平逆變器實施例二，即本申請實施例一在實現單相時在保證為電流提供通路的同時，保證整個逆變器的半導體器件較少，體積較小，成本較低，同時損耗較小，效率較聞。其中，本申請提供的五電平逆變器實施例二在實現直流電與交流電的轉換時，包括八個工作模態，下面結合附圖來對圖5所示的五電平逆變器的八種工作模態進行詳細分析。其中，二極體DA2與開關管TA2反向並聯，二極體DB2與開關管TB2反向並聯，二極體Dl與開關管Tl反向並聯，二極體D2與開關管T2反向並聯。其中，本申請實施例二的工作模態形成可以通過時序控制實現。參考圖7，其示出了本申請提供的五電平逆變器實施例二的第一工作模態的拓撲圖。第一工作模態開關管Tl導通，其餘開關管均截止；其中，不導通的路徑在圖中以細實線示出，導通的路徑以粗實線示出。電流的路徑為DF1-T1-L501-VG-DF1。參考圖8，其示出了本申請提供的五電平逆變器實施例二第二工作模態的拓撲圖。第二工作模態開關管TAl導通，其餘開關管均截止；其中，不導通的路徑在圖中以細實線示出，導通的路徑以粗實線示出。電流路徑為=Pvh-Tai-Dai-LSOI-Vg-PVOq其中，所述第二工作模態還可以為開關管Tl和開關管TAl導通，其餘開關管均截止，即在第一工作模態結束後，開關管Tl可以選擇不予以關閉，此時第二工作模態與只有開關管TAl導通的電流路徑一致，由此可以減少開關管在導通與閉合之間操作時的損耗。參考圖9，其示出了本申請提供的五電平逆變器實施例二第三工作模態的拓撲圖。第三工作模態開關管Tl和開關管TA2導通，其餘開關管均截止；其中，不導通的路徑在圖中以細實線示出，導通的路徑以粗實線示出。
電流 路徑為其中，所述第三工作模態還可以為開關管TA2、開關管Tl和開關管TAl導通，其餘開關管均截止，即在第二工作模態結束後，開關管TAl可以選擇不予以關閉，此時第三工作模態與只有開關管Tl和開關管TA2導通的電流路徑一致，由此可以減少開關管在導通與閉合之間操作時的損耗。參考圖10，其示出了本申請提供的五電平逆變器實施例二的第四工作模態的拓撲圖。第四工作模態開關管T2導通，其餘開關管均截止；不導通的路徑在圖中以細實線示出，導通的路徑以粗實線示出。電流路徑為T2-DF2-Vg-L501-T2。參考圖11，其示出了本申請提供的五電平逆變器實施例二的第五工作模態的拓撲圖。第五工作模態開關管TB I導通，其餘開關管均截止；不導通的路徑在圖中以細實線示出，導通的路徑以粗實線示出。電流路徑為PV0-VG-L501-DBI-TBI-PVl-。其中，所述第五工作模態還可以為開關管T2和開關管TBl導通，其餘開關管均截止，即在第四工作模態結束後，開關管T2可以選擇不予以關閉，此時第五工作模態與只有開關管TBl導通的電流路徑一致，由此可以減少開關管在導通與閉合之間操作時的損耗。參考圖12，其示出了本申請提供的五電平逆變器實施例二的第六工作模態的拓撲圖。第六工作模態開關管T2和開關管TB2導通，其餘開關管均截止；不導通的路徑在圖中以細實線示出，導通的路徑以粗實線示出。電流路徑為PV0-Vg-L501-T2-TB2-PV2-。其中，所述第六工作模態還可以為開關管TB2、開關管T2和開關管TBl導通，其餘開關管均截止，即在第五工作模態結束後，開關管TBl可以選擇不予以關閉，此時第六工作模態與只有開關管T2和開關管TB2導通的電流路徑一致，由此可以減少開關管在導通與閉合之間操作時的損耗。參考圖13，其示出了本申請提供的五電平逆變器實施例二第七工作模態的拓撲圖。第七工作模態開關管Tl導通、開關管Tl和開關管TAl導通或開關管Tl和開關管TAl及開關管TA2導通，其餘開關管均截止；不導通的路徑在圖中以細實線示出，導通的路徑以粗實線示出。電流路徑為CA2-Vg-L501-D1-DA2-CA2。參考圖14，其示出了本申請提供的五電平逆變器實施例二的第八工作模態的拓撲圖。第八工作模態開關管T2導通、開關管T2和開關管TBl導通或開關管Tl和開關管TBl及開關管TB2導通，其餘開關管均截止；不導通的路徑在圖中以細實線示出，導通的路徑以粗實線示出。電流路徑為CB2-DB2-D2-L501-Vg-CB2。在上述第三工作模態和第七工作模態中，開關管Tl和開關管TA2共同承受第二正電平PV2+ ;在第六工作模態和第八工作模態中，開關管T2和開關管TB2共同承受第二負電平PV2-，相對於現有技術中單個開關管的情形，開關管元器件承受的電壓應力小，對元器件的損耗較少。有上述可知，本申請提供的五電平逆變器實施例二採用五電平技術擬合正弦波的思路，相對於現有技術來說共模電壓小，紋波損耗較低，轉換效率較高。其中，本申請提供的五電平逆變拓撲單元實施例一在實現直流電與交流電的轉換時的八個工作模態，與本申請實施例二中圖7至圖14所示的工作模態類似，在此不再贅述。參考圖15，其示出了本申請提供的五電平逆變拓撲單元實施例一等效圖。在所述等效圖中，將所述五電平逆變拓撲單元實施例一的第一交流輸出端定義為拓撲單元的AC引出端。參考圖16，其示出了本申請提供的一種五電平逆變器實施例三的拓撲圖，基於上述本申請實施例一，本申請實施例三包括兩個如圖15所示的拓撲單元第一拓撲單元和第二拓撲單元；第一直流正電平PVl+與第一拓撲單元和第二拓撲單元的各第一直流輸入端Ml相連；
第一直流負電平PVl-與第一拓撲單元和第二拓撲單元的各第二直流輸入端M2相連；第一直流正電平PVl+和第一拓撲單元或第二拓撲單元的第一直流輸入端Ml的連接線通過依次串聯的電容CAl和電容CBl與第一拓撲單元或第二拓撲單元的第二直流輸入端M2和第一直流負電平PVl-的連接線相連；第二直流正電平PV2+與第一拓撲單元和第二拓撲單元的各第三直流輸入端M3相連；第二直流負電平PV2-與第一拓撲單元和第二拓撲單元的各第四直流輸入端M4相連；第二直流正電平PV2+和第一拓撲單元或第二拓撲單元的第三直流輸入端M3的連接線通過依次串聯的電容CA2和電容CB2與第一拓撲單元或第二拓撲單元的第四直流輸入端M4和第二直流負電平PV2-的連接線相連；直流零電平PVO與第一拓撲單元和第二拓撲單元的各第五直流輸入端M5相連；電容CAl和電容CBl的連接線與電容CA2和電容CB2的連接線相連並與第一拓撲單元或第二拓撲單元的第五直流輸入端M5相連；第一拓撲單元和第二拓撲單元中的各第一交流輸出端分別與該逆變器的第一交流輸出端和第二交流輸出端相連。其中，參考圖17，其示出了本申請實施例三的另一拓撲圖，基於上述如圖16所述的實施例，所述五電平逆變器還包括電感L1701、電感L1702和電容C1701，其中第一拓撲單元的AC引出端通過依次串聯的電感L1701、電容C1701和電感L1702與第二拓撲單元的AC引出端相連；電感L1701和電容C1701的連接線與該逆變器的第一交流輸出端相連，電容C1701和電感L1702的連接線與該逆變器的第二交流輸出端相連。有上述可知，相對於現有技術中需要採用均壓措施和較大的RC吸收電路防止部分二極體兩端過壓而導致逆變器體積龐大、成本增加、損耗較多以及效率較低的問題，本申請提供的五電平逆變拓撲單元在實現兩相應用時在保證為電流提供通路的同時，保證整個逆變器的半導體器件較少，體積較小，成本較低，同時損耗較小，效率較高。參考圖18，其示出了本申請提供的一種五電平逆變器實施例四的拓撲圖，基於上述本申請實施例一，本申請實施例四包括三個如圖15的拓撲單元第一拓撲單元、第二拓撲單元和第三拓撲單元；第一直流正電平PVl+與第一拓撲單元、第二拓撲單元和第三拓撲單元的各第一直流輸入端Ml相連；第一直流負電平PVl-與第一拓撲單元、第二拓撲單元和第三拓撲單元的各第二直流輸入端M2相連；第一直流正電平PVl+和第一拓撲單元、第二拓撲單元或第三拓撲單元的第一直流輸入端Ml的連接線通過依次串聯的電容 CAl和電容CBl與第一拓撲單元、第二拓撲單元或第三拓撲單元的第二直流輸入端M2和第一直流負電平PVl-的連接線相連；第二直流正電平PV2+與第一拓撲單元、第二拓撲單元和第三拓撲單元的各第三直流輸入端M3相連；第二直流負電平PV2-與第一拓撲單元、第二拓撲單元和第三拓撲單元的各第四直流輸入端M4相連；第二直流正電平PV2+和第一拓撲單元、第二拓撲單元或第三拓撲單元的第三直流輸入端M3的連接線通過依次串聯的電容CA2和電容CB2與第一拓撲單元、第二拓撲單元或第三拓撲單元的第四直流輸入端M4和第二直流負電平PV2-的連接線相連；直流零電平PVO與第一拓撲單元、第二拓撲單元和第三拓撲單元的各第五直流輸入端M5相連；電容CAl和電容CBl的連接線與電容CA2和電容CB2的連接線相連並與第一拓撲單元、第二拓撲單元或第三拓撲單元的第五直流輸入端M5相連；第一拓撲單元、第二拓撲單元和第三拓撲單元中的各第一交流輸出端分別與該逆變器的第一交流輸出端、第二交流輸出端和第三交流輸出端相連。其中，參考圖19，其示出了本申請實施例四的另一拓撲圖，基於上述如圖18所述的實施例，所述五電平逆變器還包括電感L1901、電感L1902、電感L1903、電容C1901、電容C1902和電容C1903，其中第一拓撲單元的AC引出端通過依次串聯的電感L1901、電容C1901、電容C1902和電感L1902與第二拓撲單元的AC引出端相連；第三拓撲單元的AC弓丨出端通過依次串聯的電感L1903和電容C1903與電容C1901和電容C1902的連接線相連；電感L1901和電容C1901的連接線與該逆變器的第一交流輸出端相連，電容C1902和電感L1902的連接線與該逆變器的第二交流輸出端相連，電感L1903和電容C1903的連
接線與該逆變器的第三交流輸出端相連。有上述可知，相對於現有技術中需要採用均壓措施和較大的RC吸收電路防止部分二極體兩端過壓而導致逆變器體積龐大、成本增加、損耗較多以及效率較低的問題，本申請提供的五電平逆變拓撲單元在實現三相應用時在保證為電流提供通路的同時，保證整個逆變器的半導體器件較少，體積較小，成本較低，同時損耗較小，效率較高。需要說明的是，上述五電平逆變器實施例四為三相三線制(三橋臂)五電平逆變器。參考圖20，其示出了本申請實施例四的另一種拓撲圖，基於上述如圖19所述的實施例，其中電容C1901、電容C1902和電容C1903的連接線與直流零電平PVO相連。需要說明的是，如圖20所示的五電平逆變器為三相四線制(三橋臂)五電平逆變器。參考圖21，其示出了本申請提供的一種五電平逆變器實施例五的拓撲圖，基於上述本申請實施例一，本申請實施例五包括四個如圖15的拓撲單元第一拓撲單元、第二拓撲單元、第三拓撲單元和第四拓撲單元；第一直流正電平PVl+與第一拓撲單元、第二拓撲單元、第三拓撲單元和第四拓撲單元的各第一直流輸入端Ml相連；第一直流負電平PVl-與第一拓撲單元、第二拓撲單元、第三拓撲單元和第四拓撲單元的各第二直流輸入端M2相連；第一直流正電平PVl+和第一拓撲單元、第二拓撲單元、第三拓撲單元或第四拓撲單元的第一直流輸入端Ml的連接線通過依次串聯的電容CAl和電容CBl與第一拓撲單元、第二拓撲單元、第三拓撲單元或第四拓撲單元的第二直流輸入端M2和第一直流負電平PVl-的連接線相連；第二直流正電平PV2+與第一拓撲單元、第二拓撲單元、第三拓撲單元和第四拓撲單元的各第三直流輸入端M3相連；第二直流負電平PV2-與第一拓撲單元、第二拓撲單元、第三拓撲單元和第四拓撲單元的各第四直流輸入端M4相連；第二直流正電平PV2+和第一拓撲單元、第二拓撲單元的第三直流輸入端M3的連接線通過依次串聯的電容CA2和電容CB2與第一拓撲單元、第二拓撲單元、第三拓撲單元或第四拓撲單元的第四直流輸入端M4和第二直流負電平PV2-的連接線相連；直流零電平PVO與第一拓撲單元、第二拓撲單元、第三拓撲單元和第四拓撲單元的各第五直流輸入端M5相連；電容CAl和電容CBl的連接線與電容CA2和電容CB2的連接線相連並與第一拓撲單元、第二拓撲單元、第三拓撲單元或第四拓撲單元的第五直流輸入端M5相連；第一拓撲單元、第二拓撲單元、第三拓撲單元和第四拓撲單元中的各第一交流輸出端分別與該逆變器的第一交流輸出端、第二交流輸出端、第三交流輸出端和第四交流輸出端相連。其中，參考圖22，其示出了本申請實施例五的另一拓撲圖，基於上述如圖21所述的實施例，所述五電平逆變器還包括電感L2201、電感L2202、電感L2203、電容C2201、電容C2202和電容C2203，其中第二拓撲單元的AC引出端通過依次串聯的電感L2201、電容C2201、電容C2202和電感L2202與第三拓撲單元的AC引出端相連；第四拓撲單元的AC引出端通過依次串聯的電感L2203和電容C2203與電容C2201和電容C2202的連接線相連； 電容C2201、電容C2202和電容C2203的連接線與第一拓撲單元的AC弓丨出端相連；電感L2201和電容C2201的連接線與該逆變器的第一交流輸出端相連，電容C2202和電感L2202的連接線與該逆變器的第二交流輸出端相連，電感L2203和電容C2203的連接線與該逆變器的第三交流輸出端相連。有上述可知，相對於現有技術中需要採用均壓措施和較大的RC吸收電路防止部分二極體兩端過壓而導致逆變器體積龐大、成本增加、損耗較多以及效率較低的問題，本申請提供的五電平逆變拓撲單元在實現四相應用時在保證為電流提供通路的同時，保證整個逆變器的半導體器件較少，體積較小，成本較低，同時損耗較小，效率較高。需要說明的是，上述五電平逆變器實施例五為三相四線制(四橋臂)五電平逆變器。需要說明的是，本說明書中的各個實施例均採用遞進的方式描述，每個實施例重點說明的都是與其他實施例的不同之處，各個實施例之間相同相似的部分互相參見即可。
最後，還需要說明的是，在本文中，諸如第一和第二等之類的關係術語僅僅用來將一個實體或者操作與另一個實體或操作區分開來，而不一定要求或者暗示這些實體或操作之間存在任何這種實際的關係或者順序。而且，術語「包括」、「包含」或者其任何其他變體意在涵蓋非排他性的包含，從而使得包括一系列要素的過程、方法、物品或者設備不僅包括那些要素，而且還包括沒有明確列出的其他要素，或者是還包括為這種過程、方法、物品或
者設備所固有的要素。在沒有更多限制的情況下，由語句「包括一個......」限定的要素，
並不排除在包括所述要素的過程、方法、物品或者設備中還存在另外的相同要素。以上對本申請所提供的一種五電平逆變拓撲單元及五電平逆變器進行了詳細介紹，本文中應用了具體個例對本申請的原理及實施方式進行了闡述，以上實施例的說明只是用於幫助理解本申請的方法及其核心思想；同時，對於本領域的一般技術人員，依據本申請的思想，在具體實施方式
及應用範圍上均會有改變之處，綜上所述，本說明書內容不應理解為對本申請的限制。
權利要求
1.一種五電平逆變拓撲單元，其特徵在於，包括開關管Tl、開關管TA1、開關管TA2、開關管T2、開關管TB1、開關管TB2、二極體DA1、二極體DB1、二極體DFl和二極體DF2 ； 每個所述開關管均反向並聯一個二極體； 該拓撲單元的第一直流輸入端Ml通過依次串聯的開關管TA1、二極體DA1、二極體DBl和開關管TBl與該拓撲單元的第二直流輸入端M2相連； 該拓撲單元的第三直流輸入端M3通過依次串聯的開關管TA2、開關管Tl、開關管T2和開關管TB2與該拓撲單元的第四直流輸入端M4相連； 二極體DAl和二極體DBl的連接線與開關管Tl和開關管T2的連接線相連； 開關管T2和開關管TB2的連接線通過依次串聯的二極體DF2和二極體DFl與開關管TA2和開關管Tl的連接線相連； 該拓撲單元的第五直流輸入端M5與二極體DF2和二極體DFl的連接線相連； 開關管Tl和開關管T2的連接線與該拓撲單元的第一交流輸出端相連，二極體DFl和二極體DF2的連接線與該拓撲單元的第二交流輸出端相連。
2.根據權利要求I所述的五電平逆變拓撲單元，其特徵在於，該五電平逆變拓撲單元對應的八個工作模態分別為 第一工作模態開關管Tl導通，其餘開關管均截止； 第二工作模態開關管TAl導通，其餘開關管均截止；或開關管Tl和開關管TAl導通，其餘開關管均截止； 第三工作模態開關管Tl和開關管TA2導通，其餘開關管均截止；或開關管Tl、開關管TA2和開關管TAl導通，其餘開關管均截止； 第四工作模態開關管T2導通，其餘開關管均截止； 第五工作模態開關管TBl導通，其餘開關管均截止；或開關管T2和開關管TBl導通，其餘開關管均截止； 第六工作模態開關管T2和開關管TB2導通，其餘開關管均截止；或開關管T2、開關管TB2和開關管TBl導通，其餘開關管均截止； 第七工作模態開關管Tl導通、開關管Tl和開關管TAl導通或開關管Tl和開關管TAl及開關管TA2導通，其餘開關管均截止； 第八工作模態開關管T2導通、開關管T2和開關管TBl導通或開關管T2和開關管TBl及開關管TB2導通，其餘開關管均截止。
3.—種五電平逆變器，其特徵在於，包括一個如權I或權2所述的拓撲單元，其中 第一直流正電平PVl+與第一直流輸入端Ml相連，第二直流正電平PV2+與第三直流輸入端M3相連，直流零電平PVO與第五直流輸入端M5相連，第一直流負電平PVl-與第二直流輸入端M2相連，第二直流負電平PV2-與第四直流輸入端M4相連； 第一直流正電平PVl+和第一直流輸入端Ml的連接線通過依次串聯的電容CAl和電容CBl與第一直流負電平PVl-和第二直流輸入端M2的連接線相連； 第二直流正電平PV2+和第三直流輸入端M3的連接線通過依次串聯的電容CA2和電容CB2與第二直流負電平PV2-和第四直流輸入端M4的連接線相連； 電容CAl和電容CBl的連接線與電容CA2和電容CB2的連接線相連並與第五直流輸入端M5相連；拓撲單元的第一交流輸出端與該逆變器的第一交流輸出端相連，拓撲單元的第二交流輸出端與該逆變器的第二交流輸出端相連。
4.根據權利要求3所述的五電平逆變器，其特徵在於，還包括電容和電感； 所述拓撲單元的第一交流輸出端通過依次串聯的電感和電容與該拓撲單元中二極體DF2和二極體DFl的連接線相連； 電感和電容的連接線與該逆變器的第一交流輸出端相連。
5.一種五電平逆變器，其特徵在於，包括兩個如權I或權2所述的拓撲單元第一拓撲單元和第二拓撲單元；第一直流正電平PVl+與第一拓撲單兀和第二拓撲單兀的各第一直流輸入端Ml相連；第一直流負電平PVl-與第一拓撲單兀和第二拓撲單兀的各第二直流輸入端M2相連；第一直流正電平PVl+和第一拓撲單元或第二拓撲單元的第一直流輸入端Ml的連接線通過依次串聯的電容CAl和電容CBl與第一拓撲單元或第二拓撲單元的第二直流輸入端M2和第一直流負電平PVl-的連接線相連；第二直流正電平PV2+與第一拓撲單元和第二拓撲單元的各第三直流輸入端M3相連；第二直流負電平PV2-與第一拓撲單元和第二拓撲單元的各第四直流輸入端M4相連；第二直流正電平PV2+和第一拓撲單元或第二拓撲單元的第三直流輸入端M3的連接線通過依次串聯的電容CA2和電容CB2與第一拓撲單元或第二拓撲單元的第四直流輸入端M4和第二直流負電平PV2-的連接線相連； 直流零電平PVO與第一拓撲單元和第二拓撲單元的各第五直流輸入端M5相連； 電容CAl和電容CBl的連接線與電容CA2和電容CB2的連接線相連並與第一拓撲單元或第二拓撲單元的第五直流輸入端M5相連； 第一拓撲單元和第二拓撲單元中的各第一交流輸出端分別與該逆變器的第一交流輸出端和第二交流輸出端相連。
6.根據權利要求5所述的五電平逆變器，其特徵在於，還包括第一電感、第二電感和電容； 第一拓撲單元的第一交流輸出端通過依次串聯的第一電感、電容和第二電感與第二拓撲單元的第一交流輸出端相連； 第一電感和電容的連接線與該逆變器的第一交流輸出端相連，第二電感和電容的連接線與該逆變器的第二交流輸出相連。
7.—種五電平逆變器，其特徵在於，包括三個如權I或權2所述的拓撲單元第一拓撲單元、第二拓撲單元和第三拓撲單元； 第一直流正電平PVl+與第一拓撲單元、第二拓撲單元和第三拓撲單元的各第一直流輸入端Ml相連； 第一直流負電平PVl-與第一拓撲單元、第二拓撲單元和第三拓撲單元的各第二直流輸入端M2相連； 第一直流正電平PVl+和第一拓撲單元、第二拓撲單元或第三拓撲單元的第一直流輸入端Ml的連接線通過依次串聯的電容CAl和電容CBl與第一拓撲單元、第二拓撲單元或第三拓撲單元的第二直流輸入端M2和第一直流負電平PVl-的連接線相連； 第二直流正電平PV2+與第一拓撲單元、第二拓撲單元和第三拓撲單元的各第三直流輸入端M3相連； 第二直流負電平PV2-與第一拓撲單元、第二拓撲單元和第三拓撲單元的各第四直流輸入端M4相連； 第二直流正電平PV2+和第一拓撲單元、第二拓撲單元或第三拓撲單元的第三直流輸入端M3的連接線通過依次串聯的電容CA2和電容CB2與第一拓撲單元、第二拓撲單元或第三拓撲單元的第四直流輸入端M4和第二直流負電平PV2-的連接線相連； 直流零電平PVO與第一拓撲單元、第二拓撲單元和第三拓撲單元的各第五直流輸入端M5相連； 電容CAl和電容CBl的連接線與電容CA2和電容CB2的連接線相連並與第一拓撲單元、第二拓撲單元或第三拓撲單元的第五直流輸入端M5相連； 第一拓撲單元、第二拓撲單元和第三拓撲單元中的各第一交流輸出端分別與該逆變器的第一交流輸出端、第二交流輸出端和第三交流輸出端相連。
8.根據權利要求7所述的五電平逆變器，其特徵在於，第一電感、第二電感、第三電感、第一電容、第二電容和第三電容； 第一拓撲單元的第一交流輸出端通過依次串聯的第一電感、第一電容、第二電容和第二電感與第二拓撲單元的第一交流輸出端相連； 第三拓撲單元的第一交流輸出端通過依次串聯的第三電感和第三電容與第一電容和第二電容的連接線相連； 第一電感和第一電容的連接線與該逆變器的第一交流輸出端相連，第二電感和第二電容的連接線與該逆變器的第二交流輸出端相連，第三電感和第三電容的連接線與該逆變器的第三交流輸出端相連。
9.一種五電平逆變器，其特徵在於，包括四個如權I或權2所述的拓撲單元第一拓撲單元、第二拓撲單元、第三拓撲單元和第四拓撲單元； 第一直流正電平PVl+與第一拓撲單元、第二拓撲單元、第三拓撲單元和第四拓撲單元的各第一直流輸入端Ml相連； 第一直流負電平PVl-與第一拓撲單元、第二拓撲單元、第三拓撲單元和第四拓撲單元的各第二直流輸入端M2相連； 第一直流正電平PVl+和第一拓撲單元、第二拓撲單元、第三拓撲單元或第四拓撲單元的第一直流輸入端Ml的連接線通過依次串聯的電容CAl和電容CBl與第一拓撲單元、第二拓撲單元、第三拓撲單元或第四拓撲單元的第二直流輸入端M2和第一直流負電平PVl-的連接線相連； 第二直流正電平PV2+與第一拓撲單元、第二拓撲單元、第三拓撲單元和第四拓撲單元的各第三直流輸入端M3相連； 第二直流負電平PV2-與第一拓撲單元、第二拓撲單元、第三拓撲單元和第四拓撲單元的各第四直流輸入端M4相連； 第二直流正電平PV2+和第一拓撲單元、第二拓撲單元的第三直流輸入端M3的連接線通過依次串聯的電容CA2和電容CB2與第一拓撲單元、第二拓撲單元、第三拓撲單元或第四拓撲單元的第四直流輸入端M4和第二直流負電平PV2-的連接線相連； 直流零電平PVO與第一拓撲單元、第二拓撲單元、第三拓撲單元和第四拓撲單元的各第五直流輸入端M5相連； 電容CAl和電容CBl的連接線與電容CA2和電容CB2的連接線相連並與第一拓撲單元、第二拓撲單元、第三拓撲單元或第四拓撲單元的第五直流輸入端M5相連； 第一拓撲單元、第二拓撲單元、第三拓撲單元和第四拓撲單元中的各第一交流輸出端分別與該逆變器的第一交流輸出端、第二交流輸出端、第三交流輸出端和第四交流輸出端相連。
10.根據權利要求9所述的五電平逆變器，其特徵在於，還包括第一電感、第二電感、第三電感、第一電容、第二電容和第三電容； 第二拓撲單元的第一交流輸出端通過依次串聯的第一電感、第一電容、第二電容和第二電感與第三拓撲單元的第一交流輸出端相連； 第四拓撲單元的第一交流輸出端通過依次串聯的第三電感和第三電容與第一電容和第二電容的連接線相連； 第一拓撲單元的第一交流輸出端與第一電容和第二電容的連接線相連； 第一電感和第一電容的連接線與該逆變器的第一交流輸出端相連，第二電感和第二電容的連接線與該逆變器的第二交流輸出端相連，第三電感和第三電容的連接線與該逆變器的第三交流輸出端相連。
全文摘要
本發明提供的五電平逆變器拓撲單元包括六個反向並聯二極體的開關管和四個與開關管串聯的二極體，相對於現有技術中需要採用均壓措施和較大的RC吸收電路防止部分二極體兩端過壓而導致逆變器體積龐大、成本增加、損耗較多以及效率較低的問題，本發明提供的五電平逆變器拓撲單元在實現單相和多相應用時在保證為電流提供通路的同時，保證整個逆變器的半導體器件較少，體積較小，成本較低，同時損耗較小，效率較高。
文檔編號H02M7/483GK102624270SQ20121009636
公開日2012年8月1日 申請日期2012年4月1日 優先權日2012年4月1日
發明者汪洪亮 申請人:陽光電源股份有限公司