专利名称：一种单相五电平逆变器的制作方法
技术领域：
本发明涉及电力电子技术领域，特别涉及一种单相五电平逆变器。
背景技术：
目前太阳能发电仍然存在成本过高，效率偏低的缺陷，故研究高效率的并网逆变器拓扑，对于提高太阳能并网发电效率，降低发电成本有重要的意义。相比传统的两电平，多电平技术越来越受关注，器件开关应力低，开关损耗小，输出滤波器小，谐波含量小。常见的飞跨电容及二极管嵌位及级联型的多电平变换器存在电路结构复杂，使用器件过多，控制也比较复杂等问题。中国发明专利CN1967998和CN1967997分别提出了一种三电平双降压式全桥逆变器和一种五电平双降压式全桥逆变器，基本思想均是由独立二极管实现续流，从而使得功率开关管可以选择导通压降更低的 M0SFET，提高逆变器的效率。但是CN1967997提出的五电平双降压式全桥逆变器相对于三电平双降式全桥逆变器并没有降低开关管的开关损耗及磁元件损耗。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种单相五电平逆变器，功率开关管承受的电压较低，因此能够扩大功率开关管的选择范围，成本较低，同时也降低了开关损耗，提高了效率。本发明实施例提供一种单相五电平逆变器，包括第一功率开关管、第二功率开关管、第三功率开关管、第四功率开关管、第五功率开关管、第六功率开关管、第一二极管、第二二极管、第三二极管和第四二极管；第一功率开关管的第一端连接直流电源的正端，第二端连接第二节点；第二功率开关管的第一端连接第二节点，第二端连接第四节点；第三功率开关管的第一端连接第五节点，第二端连接第三节点；第四功率开关管的第一端连接第三节点，第二端连接直流电源的负端；第一二极管的阳极连接第一节点，阴极连接第二节点；所述第一节点的电压为直流电源的电压的1/2 ；第二二极管的阳极连接第三节点，阴极连接第一节点；第五功率开关管的第一端连接直流电源的正端，第二端连接第六节点；第六功率开关管的第一端连接第六节点，第二端连接直流电源的负端；第三二极管阳极连接第五节点，阴极连接直流电源的正端；第四二极管的阳极连接直流电源的负端，阴极连接第四节点；第四节点和第六节点是该逆变器的正电压输出端；第五节点和第六节点是该逆变器的负电压输出端；所述第一功率开关管、第二功率开关管、第三功率开关管和第四功率开关管均为闻频功率开关管；所述第五功率开关管和第六功率开关管的开关频率与电网电压的频率相同。优选地，所述功率开关管为cool MOS管或者IGBT管。优选地，所述二极管为碳化硅二极管或者快恢复二极管。优选地，还包括第一电感、第二电感和电容；第一电感的一端连接第四节点，另一端通过电容连接第六节点；第二电感的一端连接第五节点，另一端通过电容连接第六节点。优选地，电网电压的正半周，该五电平逆变器共有三种有功工作模态，分别为
第一模态第一功率开关管、第二功率开关管和第六功率开关管均导通，其余功率开关管均截止；电流的路径为第一功率开关管-第二功率开关管-第一电感-第六功率开关管;第二模态第二功率开关管和第六功率开关管均导通，其余功率开关管均截止；电流的路径为第一节点-第一二极管-第二功率开关管-第一电感-第六功率开关管；第三模态第六功率开关管导通，其余功率开关管均截止；电流的路径为第一电感-第六功率开关管-第四二极管；电网电压的负半周，该五电平逆变器共有三种有功工作模态，分别为第七模态第三功率开关管、第四功率开关管和第五功率开关管均导通，其余功率开关管均截止，电流的路径为第五功率开关管-第二电感-第三功率开关管-第四功率开
关管;第八模态第三功率开关管和第五功率开关管均导通，其余功率开关管均截止，电流的路径为第五功率开关管-第二电感-第三功率开关管-第二二极管-第一节点；第九模态第五功率开关管导通，其余功率开关管均截止，电流的路径为第二电感-第三二极管-第五功率开关管-第二电感。优选地，电网电压的正半周，该五电平逆变器共有三种无功工作模态，分别为第四模态第三功率开关管、第四功率开关管和第六功率开关管均导通，其余功率开关管均截止；电流的路径为第二电感-第三功率开关管-第四功率开关管-第六功率开关管-第二电感；第五模态第三功率开关管和第六功率开关管均导通，其余功率开关管均截止；电流的路径为第二电感-第三功率开关管-第二二极管-第六功率开关管-第二电感；第六模态第六功率开关管导通，其余功率开关管均截止；电流的路径为第二电感_第二二极管_第六功率开关管_第二电感；电网电压的负半周，该五电平逆变器共有三种无功工作模态，分别为第十模态第一功率开关管、第二功率开关管和第五功率开关管均导通，其余功率开关管均截止，电流的路径为第一电感-第五功率开关管-第一功率开关管-第二功率开关管-第一电感；第十一模态第二功率开关管和第五功率开关管均导通，其余功率开关管均截止，电流的路径为第一电感-第五功率开关管-第一二极管-第二功率开关管-第一电感；第十二模态第五功率开关管导通，其余功率开关管均截止，电流的路径为第一电感-第五功率开关管-第四二极管-第一电感。优选地，还包括第七功率开关管和第八功率开关管；
所述第七功率开关管的第一端连接直流电源的正端，第二端连接所述第四节点；所述第八功率开关管的第一端连接直流电源的负端，第二端连接所述第五节点。优选地，电网电压的正半周，该五电平逆变器共有三种有功工作模态，分别为第一模态第六功率开关管和第七功率开关管均导通，其余功率开关管均截止；电流的路径为第七功率开关管-第一电感-第六功率开关管；第二模态第二功率开关管和第六功率开关管均导通，其余功率开关管均截止；电流的路径为第一节点-第一二极管-第二功率开关管-第一电感-第六功率开关管；第三模态第六功率开关管导通，其余功率开关管均截止；电流的路径为第一电 感-第六功率开关管-第四二极管；电网电压的负半周，该五电平逆变器共有三种有功工作模态，分别为第七模态第五功率开关管和第八功率开关管均导通，其余功率开关管均截止，电流的路径为第二电感-第八功率开关管-第五功率开关管；第八模态第三功率开关管和第五功率开关管均导通，其余功率开关管均截止，电流的路径为第五功率开关管-第二电感-第三功率开关管-第二二极管-第一节点；第九模态第五功率开关管导通，其余功率开关管均截止，电流的路径为第二电感-第三二极管-第五功率开关管-第二电感。优选地，电网电压的正半周，该五电平逆变器共有三种无功工作模态，分别为第四模态第六功率开关管和第八功率开关管均导通，其余功率开关管均截止；电流的路径为第二电感-第八功率开关管-第六功率开关管；第五模态第三功率开关管和第六功率开关管均导通，其余功率开关管均截止；电流的路径为第二电感-第三功率开关管-第二二极管-第六功率开关管-第二电感；第六模态第六功率开关管导通，其余功率开关管均截止；电流的路径为第二电感_第二二极管_第六功率开关管_第二电感；电网电压的负半周，该五电平逆变器共有三种无功工作模态，分别为第十模态第五功率开关管和第七功率开关管均导通，其余功率开关管均截止，电流的路径为第一电感-第五功率开关管-第七功率开关管-第一电感；第十一模态第二功率开关管和第五功率开关管均导通，其余功率开关管均截止，电流的路径为第一电感-第五功率开关管-第一二极管-第二功率开关管-第一电感；第十二模态第五功率开关管导通，其余功率开关管均截止，电流的路径为第一电感-第五功率开关管-第四二极管-第一电感。优选地，该五电平逆变器六个功率开关管在电网电压一个周期内的有功工作模态时的时序分别为所述第一功率开关管的导通时序由正弦调制波和第一三角波进行比较产生，所述正弦调制波大于第一三角波时第一功率开关管导通，反之截止；所述第二功率开关管的导通时序由所述正弦调制波和第二三角波进行比较产生，所述正弦调制波大于所述第二三角波时第二功率开关管导通，反之截止；所述第一三角波、第二三角波具有相同的频率和相同的幅值，所述第一三角波的波谷等于第二三角波的波峰，且第二三角波的波谷为零；所述第三功率开关管的导通时序由所述正弦调制波的反向波与第二三角波比较产生，所述正弦调制波的反向波大于所述第二三角波时所述第三功率开关管导通，反之截止;所述第四功率开关管的导通时序由所述正弦调制波的反向波与第一三角波比较产生，所述正弦调制波的反向波大于所述第一三角波时所述第四功率开关管导通，反之截止;所述第五功率开关管在所述正弦调制波的正半周导通，负半周截止；所述第六功率开关管在所述正弦调制波的正半周截止，负半周导通。与现有技术相比，本发明具有以下优点本发明实施例提供的单相五电平逆变器中的高频功率开关管所承受的电压应力比现有技术中小，每个高频功率开关管承受的电压是直流电源电压的一半。这样高频功率 开关管的选择范围较大，成本较低，同时也降低了开关损耗，提高了效率。由于高频功率开关管的电压应力为直流电源电压的一半，当输入电压较高时，高频功率开关管也可以承受。因此，该逆变器可以适用于较高的电压场合。
图I是本发明提供的单相五电平逆变器实施例一电路图；图2a是本发明图I对应的第一种有功工作模态不意图；图2b是本发明图I对应的第二种有功工作模态示意图；图2c是本发明图I对应的第三种有功工作模态示意图；图2d是本发明图I对应的第四种有功工作模态示意图；图2e是本发明图I对应的第五种有功工作模态示意图；图2f是本发明图I对应的第六种有功工作模态示意图；图3a是本发明图I对应的第一种无功工作模态示意图；图3b是本发明图I对应的第二种无功工作模态示意图；图3c是本发明图I对应的第三种无功工作模态示意图；图3d是本发明图I对应的第四种无功工作模态示意图；图3e是本发明图I对应的第五种无功工作模态示意图；图3f是本发明图I对应的第六种无功工作模态示意图；图4是本发明提供的单相五电平逆变器实施例二电路图；图5a是本发明图4对应的第一种有功工作模态不意图；图5b是本发明图4对应的第四种有功工作模态示意图；图5c是本发明图4对应的第一种无功工作模态不意图；图5d是本发明图4对应的第四种无功工作模态示意图；图6是图I所示的五电平逆变器中的功率开关管的时序图；图7是本发明提供的单相五电平逆变器实施例三电路图。
具体实施例方式为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式
做详细的说明。
参见图1，该图为本发明提供的单相五电平逆变器实施例一电路图。本发明实施例提供一种单相五电平逆变器，包括第一功率开关管QH1、第二功率开关管QH2、第三功率开关管QH3、第四功率开关管QH4、第五功率开关管QL1、第六功率开关管QL2、第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3和第四二极管D4 ；第一功率开关管QHl的第一端连接直流电源DC的正端，第二端连接第二节点A ；第二功率开关管QH2的第一端连接第二节点A，第二端连接第四节点D ；第三功率开关管QH3的第一端连接第五节点E，第二端连接第三节点B ；
·
第四功率开关管QH4的第一端连接第三节点B，第二端连接直流电源DC的负端；第一二极管Dl的阳极连接第一节点O,阴极连接第二节点A ;所述第一节点O的电压为直流电源DC的电压的1/2;第二二极管D2的阳极连接第三节点B，阴极连接第一节点O ;第五功率开关管QLl的第一端连接直流电源DC的正端，第二端连接第六节点C ；第六功率开关管QL2的第一端连接第六节点C，第二端连接直流电源DC的负端；第三二极管D3的阳极连接第五节点E，阴极连接直流电源DC的正端；第四二极管D4的阳极连接直流电源DC的负端，阴极连接第四节点D。第四节点D和第六节点C是该逆变器的正电压输出端；第五节点E和第六节点C是该逆变器的负电压输出端；所述第一功率开关管QH1、第二功率开关管QH2、第三功率开关管QH3和第四功率开关管QH4均为高频功率开关管；所述第五功率开关管QLl和第六功率开关管QL2的开关频率与电网电压的频率相同(即工频功率开关管)。需要说明的是，所述高频功率开关管指的是其开通和关断是由PWM波来控制的，一般PWM波的频率在几百赫兹或者一千赫兹以上。进一步的，以上所述功率开关管可以是cool MOS管或者IGBT管。以上所述二极管可以是碳化硅二极管或者快恢复二极管。本发明实施例提供的单相五电平逆变器中的高频功率开关管所承受的电压应力比现有技术中小，每个高频功率开关管承受的电压是直流电源电压的一半。这样高频功率开关管的选择范围较大，成本较低，同时也降低了开关损耗，提高了效率。由于高频功率开关管的电压应力为直流电源电压的一半，当输入电压较高时，高频功率开关管也可以承受。因此，该逆变器可以适用于较高的电压场合。需要说明的是，第一电容Cl和第二电容C2的容值相同，Cl和C2上的电压相等，均等于直流电源DC的1/2电压。本实施例提供的单相五电平逆变器，还包括第一电感LI、第二电感L2和电容C。；第一电感LI的一端连接第四节点D,另一端通过电容C。连接第六节点C ;第二电感L2的一端连接第五节点E,另一端通过电容C。连接第六节点C。需要说明的是，本发明实施例提供的逆变器，不但可以应用于需求有功功率的场合，也可以应用于同时需求无功功率和有功功率的场合，，下面结合附图对各种工作状态分别进行介绍。电网电压的正半周，该五电平逆变器共有三种有功工作模态，分别为第一模态、第二模态和第三模态。下面结合附图分别进行介绍。
参见图2a，该图为图I对应的第一种有功工作模态示意图。第一模态第一功率开关管QHl、第二功率开关管QH2和第六功率开关管QLl均导通，其余功率开关管均截止；电流的路径为第一功率开关管QHl-第二功率开关管QH2-第一电感LI-第六功率开关管QLl ；参见图2b，该图为图I对应的第二种有功工作模态示意图。第二模态第二功率开关管QH2和第六功率开关管QLl均导通，其余功率开关管均截止；电流的路径为第一节点O-第一二极管Dl-第二功率开关管QH2-第一电感LI-第六功率开关管QLl。参见图2c，该图为图I对应的第三种有功工作模态示意图。
第三模态第六功率开关管QLl导通，其余功率开关管均截止；电流的路径为第一电感LI-第六功率开关管QLl-第四二极管D4。电网电压的负半周，该五电平逆变器共有三种有功工作模态，分别为第七模态、第八模态和第九模态，下面结合附图分别进行介绍。参见图2d，该图为图I对应的第四种有功工作模态示意图。第七模态第三功率开关管QH3、第四功率开关管QH4和第五功率开关管QL2均导通，其余功率开关管均截止，电流的路径为第五功率开关管QL2-第二电感L2-第三功率开关管QH3-第四功率开关管QH4 ；参见图2e，该图为图I对应的第五种有功工作模态示意图。第八模态第三功率开关管QH3和第五功率开关管QL2均导通，其余功率开关管均截止，电流的路径为第五功率开关管QL2-第二电感L2-第三功率开关管QH3-第二二极管D2-第一节点O;参见图2f，该图为图I对应的第六种有功工作模态示意图。第九模态第五功率开关管QL2导通，其余功率开关管均截止，电流的路径为 第二电感L2-第三二极管D3-第五功率开关管QL2-第二电感L2。电网电压的正半周，该五电平逆变器共有三种无功工作模态，分别为第四模态、第五模态和第六模态。参见图3a，该图为本发明图I对应的第一种无功工作模态示意图。第四模态第三功率开关管QH3、第四功率开关管QH4和第六功率开关管QLl均导通，其余功率开关管均截止；电流的路径为第二电感L2-第三功率开关管QH3-第四功率开关管QH4-第六功率开关管QLl-第二电感L2 ;参见图3b，该图为本发明图I对应的第二种无功工作模态示意图。第五模态第三功率开关管QH3和第六功率开关管QLl均导通，其余功率开关管均截止；电流的路径为第二电感L2-第三功率开关管QH3-第二二极管D2-第六功率开关管QLl-第二电感L2 ；参见图3c，该图是本发明图I对应的第三种无功工作模态示意图。第六模态第六功率开关管QLl导通，其余功率开关管均截止；电流的路径为第二电感L2-第三二极管D3-第六功率开关管QLl-第二电感L2 ；电网电压的负半周，该五电平逆变器共有三种无功工作模态，分别为第十模态、第H^一模态和第十二模态。
参见图3d，该图是本发明图I对应的第四种无功工作模态示意图。第十模态第一功率开关管QH1、第二功率开关管QH2和第五功率开关管QL2均导通，其余功率开关管均截止，电流的路径为第一电感LI-第五功率开关管QL2-第一功率开关管QHl-第二功率开关管QH2-第一电感LI ；参见图3e，该图是本发明图I对应的第五种无功工作模态示意图；第十一模态第二功率开关管QH2和第五功率开关管QL2均导通，其余功率开关管均截止，电流的路径为第一电感LI-第五功率开关管Q12-第一二极管Dl-第二功率开关管QH2-第一电感LI ；参见图3f，该图是本发明图I对应的第六种无功工作模态示意图。
第十二模态第五功率开关管QL2导通，其余功率开关管均截止，电流的路径为第一电感LI-第五功率开关管QL2-第四二极管D4-第一电感LI。从以上各种工作模态中可以看出，电网电压正半周时，QLl导通，QL2截止；电网电压负半周时，QL2导通，QLl截止。因此，QLl和QL2是工频开关管。从以上各种工作模态中可以看出，无论哪种工作模态，本发明实施例提供的五电平逆变器中的高频功率开关管仅承受一半的母线电压，需要说明的是，此处的母线电压便是直流电源两端的电压。如图2a所示，该种工作模态中有两个高频功率开关管导通，即QHl和QH2，此时导通回路中的电压是Cl和C2上的电压之和，Cl和C2上的电压之和是直流电源两端的电压，即QHl和QH2分别承受一半的母线电压。如图2b所示，该种工作模态中只有一个高频功率开关管导通，即QH2，此时导通回路中的电压是C2上的电压，C2上的电压是直流电源两端的电压的一半，即QH2仅承受一半的母线电压。同理，其他工作模态与图2a和图2b的工作模态类似，高频功率开关管仅承受一半的母线电压。参见图4，该图是本发明提供的单相五电平逆变器实施例二电路图。本实施例提供的单相五电平逆变器还包括第七功率开关管QH5和第八功率开关管 QH6 ；所述第七功率开关管QH5的第一端连接直流电源DC的正端，第二端连接所述第四节点D ；所述第八功率开关管QH6的第一端连接直流电源DC的负端，第二端连接所述第五节点E。需要说明的是，实施例二与实施例一的区别是在实施例一的基础上增加了两个功率开关管，即QH5和QH6。实施例二与实施例一的区别是以下几种工作模态有所变化，下面结合附图分别进行介绍，其他工作模态与实施例一相同，在此不再赘述。电网电压的正半周，该五电平逆变器共有三种有功工作模态，分别为第一模态、第二模态和第三模态；其中，第二模态和第三模态与实施例一中的完全相同，在此仅介绍不同的第一模态。参见图5a，该图是图4对应的第一种有功工作模态示意图。第一模态第六功率开关管QLl和第七功率开关管QH5均导通，其余功率开关管均截止；电流的路径为第七功率开关管QH5-第一电感LI-第六功率开关管QLl。
电网电压的负半周，该五电平逆变器共有三种有功工作模态，分别为第七模态、第八模态和第九模态；其中，第八模态和第九模态与实施例一中的完全相同，在此仅介绍不同的第七模态。参见图5b，该图是本发明图4对应的第四种有功工作模态示意图。第七模态第五功率开关管QL2和第八功率开关管QH6均导通，其余功率开关管均截止，电流的路径为第二电感L2-第八功率开关管QH6-第五功率开关管QL2。电网电压的正半周，该五电平逆变器共有三种无功工作模态，分别为第四模态、第五模态和第六模态；其中，第五模态和第六模态与实施例一的完全相同，在此不再赘述，仅介绍有区别的第四模态。参见图5c，该图是本发明图4对应的第一种无功工作模态示意图。
第四模态第六功率开关管QLl和第八功率开关管QH6均导通，其余功率开关管均截止；电流的路径为第二电感L2-第八功率开关管QH6-第六功率开关管QLl。电网电压的负半周，该五电平逆变器共有三种无功工作模态，分别为第十模态、第H^一模态和第十二模态；其中，第i^一模态和第十二模态与实施例一的完全相同，在此不再赘述，仅介绍有区别的第十模态。参见图5d，该图是本发明图4对应的第四种无功工作模态示意图。第十模态第五功率开关管QL2和第七功率开关管QH5均导通，其余功率开关管均截止，电流的路径为第一电感LI-第五功率开关管QL2-第七功率开关管QH5-第一电感LI。该实施例与实施例一的工作原理相同，其中的高频功率开关管无论在哪种工作模态，仅承受一半的母线电压，在此不再一一举例进行介绍。需要说明的是，从图4以及图5a-图5d中可以看出，与图I所示实施例中的工作模态相比，电流的路径中减少了一个功率开关管，因此减少了损耗，这样可以达到节能的效果，进而提高工作效率。需要说明的是，以上两个实施例中提供的单相五电平逆变器的拓扑中不存在现有技术中的一字型拓扑中桥臂直通的问题，即本发明实施例中的QH2和QH3没有公共点，实现了桥臂的中点分离，不存在桥臂直通回路。这样可以避免将直流电源短路的弊端。参见图6，该图为图I所示的五电平逆变器中的功率开关管的时序图。该五电平逆变器六个功率开关管在电网电压一个周期内的有功工作模态时的时序分别为所述第一功率开关管QHl的导通时序由正弦调制波Z和第一三角波A进行比较产生，所述正弦调制波Z大于第一三角波A时第一功率开关管QHl导通，反之截止；所述第二功率开关管QH2的导通时序由所述正弦调制波Z和第二三角波B进行比较产生，所述正弦调制波Z大于所述第二三角波B时第二功率开关管QH2导通，反之截止；所述第一三角波A、第二三角波B具有相同的频率和相同的幅值，且所述第一三角波A的波谷等于第二三角波B的波峰，且第二三角波的波谷为零所述第三功率开关管QH3的导通时序由所述正弦调制波Z的反向波与第二三角波B比较产生，所述正弦调制波Z的反向波大于所述第二三角波B时所述第三功率开关管QH3导通，反之截止；
所述第四功率开关管QH4的导通时序由所述正弦调制波Z的反向波与第一三角波A比较产生，所述正弦调制波Z的反向波大于所述第一三角波A时所述第四功率开关管QH4导通，反之截止；所述第五功率开关管QH5在所述正弦调制波Z的正半周导通，负半周截止；所述第六功率开关管QH6在所述正弦调制波Z的正半周截止，负半周导通。图6中的Vdc是图I中的第四节点D和第六节点C之间的电压，即逆变器输出的正电压，Vec是图I中第五节点E和第六节点C之间的电压，即逆变器输出的负电压。并且，从图6中可以看出，在tl-t2时间段内，在电平O和I跳变；在t2-t3时间段内，在电平I和2跳变。在t3-t4时间段内，在电平O和I跳变，在t4-t5时间段内，在电平O和-I跳变；在t5-t6时间段内，在电平-I和_2跳变；在t6-t7时间段内，在电平-I和O跳变。 需要说明的是，本发明实施例中仅给出了图I所示的逆变器中的有功工作模态时的导通时序。参见图7，该图为本发明提供的单相五电平逆变器实施例三电路图。本实施例提供的单相五电平逆变器与实施例一相比，增加了一个电感，即第三电感L3。第一电感LI的一端连接第四节点D,另一端依次通过第三电感L3和电容C。连接第六节点C ；第二电感L2的一端连接第五节点E,另一端依次通过第三电感L3和电容C。连接第六节点C。本实施例提供的单相五电平逆变器与实施例一的工作模态和导通状态均完全相同。区别仅是本实施例中的LI和L2的电感值可以远小于实施例一中的LI和L2的电感值。而本实施例中L3的电感值可以与实施例一中LI和L2的电感值相同。因此，本实施例中仅L3采用较大的电感值，而实施例一中有两个较大的电感值，这样本实施例可以降低整个逆变器的体积，进而降低成本。以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明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发明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，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明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，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。
权利要求
1.一种单相五电平逆变器，其特征在于，包括第一功率开关管、第二功率开关管、第三功率开关管、第四功率开关管、第五功率开关管、第六功率开关管、第一二极管、第二二极管、第三二极管和第四二极管； 第一功率开关管的第一端连接直流电源的正端，第二端连接第二节点； 第二功率开关管的第一端连接第二节点，第二端连接第四节点； 第三功率开关管的第一端连接第五节点，第二端连接第三节点； 第四功率开关管的第一端连接第三节点，第二端连接直流电源的负端； 第一二极管的阳极连接第一节点，阴极连接第二节点；所述第一节点的电压为直流电源的电压的1/2 ； 第二二极管的阳极连接第三节点，阴极连接第一节点； 第五功率开关管的第一端连接直流电源的正端，第二端连接第六节点； 第六功率开关管的第一端连接第六节点，第二端连接直流电源的负端； 第三二极管阳极连接第五节点，阴极连接直流电源的正端； 第四二极管的阳极连接直流电源的负端，阴极连接第四节点； 第四节点和第六节点是该逆变器的正电压输出端； 第五节点和第六节点是该逆变器的负电压输出端； 所述第一功率开关管、第二功率开关管、第三功率开关管和第四功率开关管均为高频功率开关管；所述第五功率开关管和第六功率开关管的开关频率与电网电压的频率相同。
2.根据权利要求I所述的单相五电平逆变器，其特征在于，所述功率开关管为coolMOS管或者IGBT管。
3.根据权利要求I所述的单相五电平逆变器，其特征在于，所述二极管为碳化硅二极管或者快恢复二极管。
4.根据权利要求1-3任一项所述的单相五电平逆变器，其特征在于，还包括第一电感、第二电感和电容； 第一电感的一端连接第四节点，另一端通过电容连接第六节点； 第二电感的一端连接第五节点，另一端通过电容连接第六节点。
5.根据权利要求4所述的单相五电平逆变器，其特征在于，电网电压的正半周，该五电平逆变器共有三种有功工作模态，分别为 第一模态第一功率开关管、第二功率开关管和第六功率开关管均导通，其余功率开关管均截止；电流的路径为第一功率开关管-第二功率开关管-第一电感-第六功率开关管； 第二模态第二功率开关管和第六功率开关管均导通，其余功率开关管均截止；电流的路径为第一节点-第一二极管-第二功率开关管-第一电感-第六功率开关管； 第三模态第六功率开关管导通，其余功率开关管均截止；电流的路径为第一电感-第六功率开关管-第四二极管； 电网电压的负半周，该五电平逆变器共有三种有功工作模态，分别为 第七模态第三功率开关管、第四功率开关管和第五功率开关管均导通，其余功率开关管均截止，电流的路径为第五功率开关管-第二电感-第三功率开关管-第四功率开关管；第八模态第三功率开关管和第五功率开关管均导通，其余功率开关管均截止，电流的路径为第五功率开关管-第二电感-第三功率开关管-第二二极管-第一节点； 第九模态第五功率开关管导通，其余功率开关管均截止，电流的路径为第二电感-第三二极管-第五功率开关管-第二电感。
6.根据权利要求5或4所述的单相五电平逆变器，其特征在于，电网电压的正半周，该五电平逆变器共有三种无功工作模态，分别为 第四模态第三功率开关管、第四功率开关管和第六功率开关管均导通，其余功率开关管均截止；电流的路径为第二电感-第三功率开关管-第四功率开关管-第六功率开关管-第二电感； 第五模态第三功率开关管和第六功率开关管均导通，其余功率开关管均截止；电流的路径为第二电感-第三功率开关管-第二二极管-第六功率开关管-第二电感； 第六模态第六功率开关管导通，其余功率开关管均截止；电流的路径为第二电感_第二二极管_第六功率开关管_第二电感； 电网电压的负半周，该五电平逆变器共有三种无功工作模态，分别为 第十模态第一功率开关管、第二功率开关管和第五功率开关管均导通，其余功率开关管均截止，电流的路径为第一电感-第五功率开关管-第一功率开关管-第二功率开关管-第一电感； 第十一模态第二功率开关管和第五功率开关管均导通，其余功率开关管均截止，电流的路径为第一电感-第五功率开关管-第一二极管-第二功率开关管-第一电感； 第十二模态第五功率开关管导通，其余功率开关管均截止，电流的路径为第一电感-第五功率开关管-第四二极管-第一电感。
7.根据权利要求4所述的单相五电平逆变器，其特征在于，还包括第七功率开关管和第八功率开关管； 所述第七功率开关管的第一端连接直流电源的正端，第二端连接所述第四节点； 所述第八功率开关管的第一端连接直流电源的负端，第二端连接所述第五节点。
8.根据权利要求7所述的单相五电平逆变器，其特征在于，电网电压的正半周，该五电平逆变器共有三种有功工作模态，分别为 第一模态第六功率开关管和第七功率开关管均导通，其余功率开关管均截止；电流的路径为第七功率开关管-第一电感-第六功率开关管； 第二模态第二功率开关管和第六功率开关管均导通，其余功率开关管均截止；电流的路径为第一节点-第一二极管-第二功率开关管-第一电感-第六功率开关管； 第三模态第六功率开关管导通，其余功率开关管均截止；电流的路径为第一电感-第六功率开关管-第四二极管； 电网电压的负半周，该五电平逆变器共有三种有功工作模态，分别为 第七模态第五功率开关管和第八功率开关管均导通，其余功率开关管均截止，电流的路径为第二电感-第八功率开关管-第五功率开关管； 第八模态第三功率开关管和第五功率开关管均导通，其余功率开关管均截止，电流的路径为第五功率开关管-第二电感-第三功率开关管-第二二极管-第一节点； 第九模态第五功率开关管导通，其余功率开关管均截止，电流的路径为第二电感-第三二极管-第五功率开关管-第二电感。
9.根据权利要求8或7所述的单相五电平逆变器，其特征在于，电网电压的正半周，该五电平逆变器共有三种无功工作模态，分别为 第四模态第六功率开关管和第八功率开关管均导通，其余功率开关管均截止；电流的路径为第二电感-第八功率开关管-第六功率开关管； 第五模态第三功率开关管和第六功率开关管均导通，其余功率开关管均截止；电流的路径为第二电感-第三功率开关管-第二二极管-第六功率开关管-第二电感； 第六模态第六功率开关管导通，其余功率开关管均截止；电流的路径为第二电感_第二二极管_第六功率开关管_第二电感； 电网电压的负半周，该五电平逆变器共有三种无功工作模态，分别为 第十模态第五功率开关管和第七功率开关管均导通，其余功率开关管均截止，电流的路径为第一电感-第五功率开关管-第七功率开关管-第一电感； 第十一模态第二功率开关管和第五功率开关管均导通，其余功率开关管均截止，电流的路径为第一电感-第五功率开关管-第一二极管-第二功率开关管-第一电感； 第十二模态第五功率开关管导通，其余功率开关管均截止，电流的路径为第一电感-第五功率开关管-第四二极管-第一电感。
10.根据权利要求5所述的单相五电平逆变器，其特征在于，该五电平逆变器六个功率开关管在电网电压一个周期内的有功工作模态时的时序分别为 所述第一功率开关管的导通时序由正弦调制波和第一三角波进行比较产生，所述正弦调制波大于第一三角波时第一功率开关管导通，反之截止； 所述第二功率开关管的导通时序由所述正弦调制波和第二三角波进行比较产生，所述正弦调制波大于所述第二三角波时第二功率开关管导通，反之截止； 所述第一三角波、第二三角波具有相同的频率和相同的幅值，所述第一三角波的波谷等于第二三角波的波峰，且第二三角波的波谷为零； 所述第三功率开关管的导通时序由所述正弦调制波的反向波与第二三角波比较产生，所述正弦调制波的反向波大于所述第二三角波时所述第三功率开关管导通，反之截止； 所述第四功率开关管的导通时序由所述正弦调制波的反向波与第一三角波比较产生，所述正弦调制波的反向波大于所述第一三角波时所述第四功率开关管导通，反之截止；所述第五功率开关管在所述正弦调制波的正半周导通，负半周截止； 所述第六功率开关管在所述正弦调制波的正半周截止，负半周导通。
全文摘要
本发明提供一种单相五电平逆变器，包括四个高频功率开关管，该逆变器中的高频功率开关管所承受的电压应力比现有技术中小，每个高频功率开关管承受的电压是直流电源电压的一半。这样高频功率开关管的选择范围较大，成本较低。由于高频功率开关管的电压应力为直流电源电压的一半，当输入电压较高时，高频功率开关管也可以承受。因此，该逆变器可以适用于较高的电压场合。
文档编号H02M7/48GK102843054SQ201210328208
公开日2012年12月26日 申请日期2012年9月6日 优先权日2012年9月6日
发明者胡兵, 薛丽英, 陆鑫, 申谭, 张彦虎 申请人:阳光电源股份有限公司