CN103023363A - 一种五电平逆变器 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种五电平逆变器，包括：正Boost升压电路、负Boost升压电路和逆变电路；逆变电路包括：一对输入支路、一对正续流支路、一对逆变竖桥臂正输入支路；第七开关管跨接在正输入支路、正续流支路及逆变竖桥臂正输入支路任意两个支路之间；第八开关管跨接在负输入支路、负续流支路逆变竖桥臂负输入支路任意两个支路之间；且第七开关管跨接的两个支路中的至少一个支路与第八开关管跨接的两个支路中的任意一个支路不属于同一对支路，所述同一对支路为输入支路、续流支路以及逆变竖桥臂输入支路中的任一对。采用本发明实施例，能够有效降低功率器件的开关损耗和主功率器件的通态损耗，有利于提高系统效率。

Description

一种五电平逆变器

技术领域

本发明涉及电力电子技术领域，特别是涉及一种五电平逆变器。

背景技术

逆变器（Inverter）是把直流电能转变成交流电。逆变器的应用十分广泛。在已有的各种电源中，太阳能电池、蓄电池、干电池等都是直流电源，当需要这些电源向交流负载供电时，就需要逆变电路。另外，交流电动机调速用变频器、不间断电源、感应加热电源等电力电子装置使用十分广泛，其电路的核心部分都是逆变电路。

若逆变器输出端相电压有两种电平，这种电路称为二电平逆变器。若逆变器输出端相电压有两种以上的电平，这种电路称为多电平逆变器。多电平逆变器能够承载更高的电压，而且输出多种电平的波形更加接近正弦波。

传统的五电平逆变器如图1所示。该逆变器由Boost升压电路和逆变电路构成。其中，Boost电路用于提升直流输入电压；逆变电路用于将直流BUS电压转换为交流电压，然后提供给负载或电网。

现有技术的五电平逆变器中，功率器件的开关损耗较大；同时，当输入直流电压较高时主功率开关管的通态损耗较大，在一定程度上限制了系统效率的进一步提高。

发明内容

本发明提供了一种五电平逆变器，能够有效降低功率器件的开关损耗和主功率器件的通态损耗，有利于提高系统效率。

一方面，提供了一种五电平逆变器，包括：正Boost升压电路、负Boost升压电路和逆变电路；所述逆变电路包括：第一二极管、第一开关管、第二开关管、第二二极管依次串联构成的一对输入支路；其中，所述第一二极管和第一开关管构成正输入支路，所述第二开关管和第二二极管构成负输入支路；第三二极管、第三开关管、第四开关管、第四二极管依次串联构成的一对续流支路；其中，所述第三二极管和第三开关管构成正续流支路，所述第四开关管和第四二极管构成负续流支路；第五开关管和第六开关管依次串联构成的一对逆变竖桥臂输入支路；其中，所述第五开关管构成逆变竖桥臂正输入支路，所述第六开关管构成逆变竖桥臂负输入支路；所述逆变电路还包括：第七开关管和第八开关管；所述第七开关管跨接在所述正输入支路、正续流支路以及逆变竖桥臂正输入支路中任意两个支路之间；所述第八开关管跨接在所述负输入支路、负续流支路以及逆变竖桥臂负输入支路中任意两个支路之间；且所述第七开关管跨接的两个支路中的至少一个支路与第八开关管跨接的两个支路中的任意一个支路不属于同一对支路，所述同一对支路为所述输入支路、续流支路以及逆变竖桥臂输入支路中的任一对。

在第一种可能的实现方式中，所述第一二极管的阳极接电源正极，所述第一二极管的阴极接所述第一开关管的第一端；所述第一开关管的第二端接所述第二开关管的第一端；所述第二开关管的第二端接所述第二二极管的阳极；所述第二二极管的阴极接所述电源的负极；所述第三二极管的阳极接地，所述第三二极管的阴极接所述第三开关管的第一端；所述第三开关管的第二端接所述第四开关管的第一端；所述第四开关管的第二端接所述第四二极管的阳极；所述第四二极管的阴极接地；所述第五开关管的第一端作为正Boost电压输入端接所述正Boost升压电路的输出端，所述第五开关管的第二端接所述第六开关管的第一端；所述第六开关管的第二端作为负Boost电压输入端接所述负Boost升压电路的输出端；所述第一开关管和所述第二开关管的公共端、所述第三开关管和所述第四开关管的公共端、所述第五开关管和所述第六开关管的公共端为所述逆变电路的输出中点。

结合第一种可能的实现方式，在第三种可能的实现方式中，所述第七开关管跨接在所述正输入支路和正续流支路之间；所述第八开关管跨接在所述负续流支路和逆变竖桥臂负输入支路之间。

结合第三种可能的实现方式，在第四种可能的实现方式中，所述第七开关管的第一端接所述第一开关管的第一端，所述第七开关管的第二端接所述第三开关管的第一端；所述第八开关的第一端接所述第四开关管的第二端，所述第八开关管的第二端接所述第六开关管的第二端。

结合第一种可能的实现方式，在第五种可能的实现方式中，所述第七开关管跨接在所述正输入支路和逆变竖桥臂正输入支路之间；所述第八开关管跨接在所述负输入支路和负续流支路之间。

结合第五种可能的实现方式，在第六种可能的实现方式中，所述第七开关管的第一端接所述第五开关管的第一端，所述第七开关管的第二端接所述第一开关管的第一端；所述第八开关管的第一端接所述第四开关管的第二端，所述第八开关管的第二端接所述第二开关管的第二端。

结合第一种可能的实现方式，在第七种可能的实现方式中，所述第七开关管跨接在所述正续流支路和逆变竖桥臂正输入支路之间；所述第八开关管跨接在所述负输入支路和负续流支路之间。

结合第七种可能的实现方式，在第八种可能的实现方式中，所述第七开关管的第一端接所述第五开关管的第一端，所述第七开关管的第二端接所述第三开关管的第一端；所述第八开关管的第一端接所述第四开关管的第二端，所述第八开关管的第二端接所述第二开关管的第二端。

结合上述任何一种可能的实现方式，在第九种可能的实现方式中，所述正Boost升压电路包括：第九开关管、第一电容、第三电容、第一电感、第五二极管、第七二极管；所述负Boost升压电路包括：第十开关管、第二电容、第四电容、第二电感、第六二极管、第八二极管；其中，所述第一电容的一端和第一电感的一端相连作为所述正Boost升压电路的输入端，接所述电源的正极；所述第一电容的另一端接所述第二电容的一端；所述第二电容的另一端和第二电感的一端相连作为所述负Boost升压电路的输入端，接所述电源的负极；所述第一电感的另一端接所述第九开关管的第一端和第五二极管的阳极；所述第九开关管的第二端接所述第十开关管的第一端；所述第十开关管的第二端接所述第二电感的另一端和第六二极管的阴极；所述第五二极管的阴极作为所述正Boost升压电路的输出端，接所述第三电容的一端；所述第三电容的另一端接所述第四电容的一端；所述第四电容的另一端接所述第六二极管的阳极；所述第六二极管的阳极作为所述负Boost升压电路的输出端；所述第九开关管和第十开关管的公共端、所述第一电容和第二电容的公共端、所述第三电容和第四电容的公共端接地；所述第七二极管作为所述正Boost升压电路的旁路二极管，阳极接所述正Boost升压电路的输入端，阴极接所述正Boost升压电路的输出端；所述第八二极管作为所述负Boost升压电路的旁路二极管，阴极接所述负Boost升压电路的输入端，阳极接所述负Boost升压电路的输出端；所述五电平逆变器还包括：第一功率继电器、第二功率继电器、第三功率继电器和第四功率继电器；所述第一功率继电器与所述正Boost升压电路的旁路二极管并联；所述第二功率继电器与所述负Boost升压电路的旁路二极管并联；所述第三功率继电器与所述第一二极管并联或串联；所述第四功率继电器与所述第二二极管并联或串联。

结合上述任何一种可能的实现方式，在第十种可能的实现方式中，所述第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、第五开关管、第六开关管为绝缘栅双极型晶体管IGBT；所述第七开关管和第八开关管为金氧半场效晶体管MOSFET。

结合第十种可能的实现方式，在第十一种可能的实现方式中，所述IGBT包括一三极管和一二极管；所述三极管的集电极和所述二极管的阴极相接，构成所述IGBT的第一端；所述三极管的发射极和所述二极管的阳极相接，构成所述IGBT的第二端；所述MOSFET包括一MOS管和一二极管构成。

结合第十种和第十一种可能的实现方式，在第十二种可能的可能的实现方式中，所述MOS管的源极和所述二极管的阴极相接，构成所述MOSFET的第一端；所述MOS管的漏极和所述二极管的阳极相接，构成所述MOSFET的第二端。

与现有技术相比，本发明实施例所述五电平逆变器中，通过在所述正输入支路、正续流支路以及逆变竖桥臂正输入支路中的任意两个支路之间跨接第七开关管，同时在所述负输入支路、负续流支路以及逆变竖桥臂负输入支路中的任意两个支路之间跨接第八开关管，且所述第七开关管跨接的两个支路中的至少一个支路与第八开关管跨接的两个支路中的任意一个支路不属于同一对支路，所述同一对支路为所述输入支路、续流支路以及逆变竖桥臂输入支路中的任一对。由此打破了传统的五电平逆变器的对称结构，该结构能够有效降低功率器件的开关损耗和主功率器件的通态损耗，有利于提高系统效率。

附图说明

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

图1为传统的五电平逆变器电路图；

图2为本发明实施例一提供的五电平逆变器电路图；

图3为本发明实施例二提供的五电平逆变器电路图；

图4为本发明实施例三提供的五电平逆变器电路图；

图5为本发明实施例四提供的五电平逆变器电路图；

图6为本发明实施例五提供的五电平逆变器电路图；

图7为本发明实施例六提供的五电平逆变器电路图；

图8为本发明实施例七提供的五电平逆变器电路图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例中提供了一种五电平逆变器，能够有效降低功率器件的开关损耗和主功率器件的通态损耗，有利于提高系统效率。

参照图2，为本发明实施例一提供的五电平逆变器电路图。如图2所示，所述五电平逆变器包括：正Boost升压电路10、负Boost升压电路20、逆变电路30、滤波电路40。

所述逆变电路30包括：第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3、第四开关管Q4、第五开关管Q5、第六开关管Q6、第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4。

所述第一二极管D1、所述第一开关管Q1、所述第二开关管Q2、所述第二二极管D2依次串联接在所述电源PV1的正极和负极之间，构成一对输入支路。其中，所述第一二极管D1和第一开关管Q1构成正输入支路；所述第二开关管Q2和第二二极管D2构成负输入支路。所述第一开关管Q1和所述第二开关管Q2的公共端为所述输入支路的中点。

具体的，所述输入支路为：所述第一二极管D1的阳极接所述电源PV1的正极，所述第一二极管D1的阴极接所述第一开关管Q1的第一端；所述第一开关管Q1的第二端接所述第二开关管Q2的第一端；所述第二开关管Q2的第二端接所述第二二极管D2的阳极；所述第二二极管D2的阴极接所述电源PV1的负极。

所述第三二极管D3、所述第三开关管Q3、所述第四开关管Q4、所述第四二极管D4依次串联，构成一对续流支路。其中，所述第三二极管D3和第三开关管Q3构成正续流支路；所述第四开关管Q4和第四二极管D4构成负续流支路。所述第三开关管Q3和所述第四开关管Q4的公共端为所述续流支路的中点。

具体的，所述续流支路为：所述第三二极管D3的阳极接地，所述第三二极管D3的阴极接所述第三开关管Q3的第一端；所述第三开关管Q3的第二端接所述第四开关管Q4的第一端；所述第四开关管Q4的第二端接所述第四二极管D4的阳极；所述第四二极管D4的阴极接地。

所述第五开关管Q5和所述第六开关管Q6依次串联接在所述正Boost升压电路的输出端和负Boost升压电路的输出端之间，构成一对逆变竖桥臂输入支路。其中，所述第五开关管Q5构成逆变竖桥臂正输入支路；所述第六开关管Q6构成逆变竖桥臂负输入支路。所述第五开关管Q5和所述第六开关管Q6的公共端为所述逆变竖桥臂输入支路的中点。

具体的，所述逆变竖桥臂输入支路为：所述第五开关管Q5的第一端作为正Boost电压输入端接所述正Boost升压电路的输出端，所述第五开关管Q5的第二端接所述第六开关管Q6的第一端；所述第六开关管Q6的第二端作为负Boost电压输入端接所述负Boost升压电路的输出端。

所述输入支路的中点、续流支路的中点和逆变竖桥臂输入支路的中点短接，统称为所述逆变电路30的输出中点。

所述逆变电路30的输出中点通过滤波电路40接负载或电网。

本发明实施例所述五电平逆变器还包括：第七开关管Q7和第八开关管Q8。

所述第七开关管Q7跨接在所述正输入支路、正续流支路以及逆变竖桥臂正输入支路中任意两个支路之间；所述第八开关管Q8跨接在所述负输入支路、负续流支路以及逆变竖桥臂负输入支路中任意两个支路之间。

需要注意的是，所述第七开关管Q7跨接的两个支路中的至少一个支路与第八开关管Q8跨接的两个支路中的任意一个支路不属于同一对支路，所述同一对支路为所述输入支路、续流支路以及逆变竖桥臂输入支路中的任一对。

本发明实施例所述五电平逆变器中，通过在所述输入支路、续流支路以及逆变竖桥臂输入支路中的任意两个支路之间跨接第七开关管Q7和第八开关管Q8，且所述第七开关管Q7跨接的两个支路中的至少一个支路与第八开关管Q8跨接的两个支路中的任意一个支路不属于同一对支路，所述同一对支路为所述输入支路、续流支路以及逆变竖桥臂输入支路中的任一对。由此打破了传统的五电平逆变器的对称结构，该结构能够有效降低功率器件的开关损耗和主功率器件的通态损耗，有利于提高系统效率。

结合图2，对本发明实施例所述的五电平逆变器的电路结构进行详细介绍。

如图2所示，所述第七开关管Q7跨接在所述正输入支路和正续流支路之间；所述第八开关管Q8跨接在所述负续流支路和逆变竖桥臂负输入支路之间。

具体的，所述第七开关管Q7的第一端接所述第一开关管Q1的第一端，所述第七开关管Q7的第二端接所述第三开关管Q3的第一端。

所述第八开关管Q8的第一端接所述第四开关管Q4的第二端，所述第八开关管Q8的第二端接所述第六开关管Q6的第二端。

当然，图2所示仅为本发明实施例的一种具体实现形式，在实际应用中，本发明实施例所述的五电平逆变器可以但不限于由图2所示的电路结构来实现。

下面以图2所示的电路结构为例对本发明实施例所述的五电平逆变器的工作原理进行详细介绍。

如图2所示，输入正电压时电路的工作原理：

在输入正电压较高时，Boost升压电路不工作，输入正电压直接连接到逆变电路30。由图2可知，在电路形式上，所述第七开关管Q7与第三开关管Q3串联，该串联支路与所述第一开关管Q1、第五开关管Q5均构成并联形式。通过合适控制功率开关管开通和关断的时序，使得第三开关管Q3比第一开关管Q1、第五开关管Q5提前开通、提前关断，从而将第一开关管Q1、第五开关管Q5的开关损耗转移到第七开关管Q7所在的支路。同时，图2所示电路中，所述第一开关管Q1和第五开关管Q5相当于并联的关系，两个开关管共同分担电流，从而降低主功率开关管的导通损耗。此时，电路工作在三电平逆变器状态。

在输入正电压较低时，Boost升压电路开始工作，输入正电压一路与第一开关管Q1连接，另一路经过Boost升压电路升压后与所述第五开关管Q5相连。此时，结合图2所示，在电路形式上，所述第七开关管Q7与第三开关管Q3串联，该串联支路与所述第一开关管Q1构成并联形式。通过合适控制功率开关管开通和关断的时序，使得所述第三开关管Q3比第一开关管Q1提前开通、提前关断，从而较大的降低主功率开关管Q1的开关损耗。同时，在这种情况下，所述第五开关管Q5和第一开关管Q1构成五电平逆变器结构，可以进一步降低功率开关管的开关损耗，并降低输出电感的大小。

输入负电压时电路的工作原理：

在输入负电压较高时，Boost升压电路不工作，输入负电压直接连接到逆变电路30。由图2可知，在电路形式上，所述第四开关管Q4与第八开关管Q8串联，该串联支路与所述第二开关管Q2、第六开关管Q6均构成并联形式。通过合适控制功率开关管开通和关断的时序，使得第四开关管Q4比第二开关管Q2、第六开关管Q6提前开通、提前关断，从而将第二开关管Q2、第六开关管Q6的开关损耗转移到第八开关管Q8所在的支路。同时，图2所示电路中，所述第二开关管Q2和第六开关管Q6相当于并联的关系，两个开关管共同分担电流，从而降低主功率开关管的导通损耗。此时，电路工作在三电平逆变器状态。

在输入负电压较低时，Boost升压电路开始工作，输入负电压一路与第二开关管Q2连接，另一路经过Boost升压电路升压后与所述第六开关管Q6相连。此时，结合图2所示，在电路形式上，所述第四开关管Q4与第八开关管Q8串联，该串联支路与所述第六开关管Q6构成并联形式。通过合适控制功率开关管开通和关断的时序，使得所述第四开关管Q4比第六开关管Q6提前开通、提前关断，从而较大的降低主功率开关管Q6的开关损耗。同时，在这种情况下，所述第六开关管Q6和第二开关管Q2构成五电平逆变器结构，可以进一步降低功率开关管的开关损耗，并降低输出电感的大小。

由此可见，本发明实施例一所述五电平逆变器中，通过在传统的对称五电平逆变电路中增加第七开关管Q7和第八开关管Q8，打破对称结构，由此能够有效降低功率器件的开关损耗和主功率器件的通态损耗，有利于提高系统效率。

如图2所示，所述正Boost升压电路10包括：第九开关管Q9、第一电容C1、第三电容C3、第一电感L1、第五二极管D5、第七二极管D7；所述负Boost升压电路20包括：第十开关管Q10、第二电容C2、第四电容C4、第二电感L2、第六二极管D6、第八二极管D8。

其中，所述第一电容C1的一端和第一电感L1的一端相连作为所述正Boost升压电路10的输入端，接所述电源PV1的正极；所述第一电容C1的另一端接所述第二电容C2的一端；所述第二电容C2的另一端和第二电感L2的一端相连作为所述负Boost升压电路20的输入端，接所述电源PV1的负极。

所述第一电感L1的另一端接所述第九开关管Q9的第一端和第五二极管D5的阳极；所述第九开关管Q9的第二端接所述第十开关管Q10的第一端；所述第十开关管Q10的第二端接所述第二电感L2的另一端和第六二极管D6的阴极。

所述第五二极管D5的阴极接所述第三电容C3的一端；所述第三电容C3的另一端接所述第四电容C4的一端；所述第四电容C4的另一端接所述第六二极管D6的阳极。

所述第九开关管Q9和第十开关管Q10的公共端、所述第一电容C1和第二电容C2的公共端、所述第三电容C3和第四电容C4的公共端接地。

其中，所述第五二极管D5的阴极作为所述正Boost升压电路10的输出端；所述第六二极管D6的阳极作为所述负Boost升压电路20的输出端。

所述第七二极管D7作为所述正Boost升压电路10的旁路二极管，其阳极接所述正Boost升压电路10的输入端，阴极接所述正Boost升压电路10的输出端。

所述第八二极管D8作为所述负Boost升压电路20的旁路二极管，其阴极接所述负Boost升压电路20的输入端，阳极接所述负Boost升压电路20的输出端。

所述滤波电路30包括：第三电感L3和第五电容C5。

所述第三电感L3一端接所述逆变电路30的输出中点，所述第三电感L3的另一端通过所述第五电容C5接地。

所述电路的负载与所述第五电容C5并联。

参照图3，为本发明实施例二提供的五电平逆变器电路图。

图3所示实施例二中，所述第七开关管Q7跨接在所述正输入支路和逆变竖桥臂正输入支路之间；所述第八开关管Q8跨接在所述负输入支路和负续流支路之间。

具体的，所述第七开关管Q7的第一端接所述第五开关管Q5的第一端，所述第七开关管Q7的第二端接所述第一开关管Q1的第一端。

所述第八开关管Q8的第一端接所述第四开关管Q4的第二端，所述第八开关管Q8的第二端接所述第二开关管Q2的第二端。

本发明实施例二所述五电平逆变器的工作原理与实施例一相同，在此不再赘述。

参照图4，为本发明实施例三提供的五电平逆变器电路图。

图4所示实施例二中，所述第七开关管Q7跨接在所述正续流支路和逆变竖桥臂正输入支路之间；所述第八开关管Q8跨接在所述负输入支路和负续流支路之间。

具体的，所述第七开关管Q7的第一端接所述第五开关管Q5的第一端，所述第七开关管Q7的第二端接所述第三开关管Q3的第一端。

所述第八开关管Q8的第一端接所述第四开关管Q4的第二端，所述第八开关管Q8的第二端接所述第二开关管Q2的第二端。

本发明实施例三所述五电平逆变器的工作原理与实施例一相同，在此不再赘述。

本发明实施例三和实施例四所述五电平逆变器中，通过在传统的对称五电平逆变电路中增加第七开关管Q7和第八开关管Q8，打破对称结构，由此能够有效降低功率器件的开关损耗和主功率器件的通态损耗，有利于提高系统效率。

在实际应用中，所述第七开关管Q7和第八开关管Q8的位置有多种选择，不限于图2、3、4电路中所示。任何满足在所述输入支路、续流支路以及逆变竖桥臂输入支路中的任意两个支路之间跨接第七开关管Q7和第八开关管Q8，且所述第七开关管跨接的两个支路中的至少一个支路与第八开关管跨接的两个支路中的任意一个支路不属于同一对支路的电路均能够应用于本发明实施例所述的五电平逆变器，实现本发明实施例要求达到的有益效果。

在本发明其他实施例中，所述五电平逆变器还可以为：所述第七开关管Q7跨接在所述正输入支路和正续流支路之间；所述第八开关管Q8跨接在所述负输入支路和逆变竖桥臂负输入支路之间。具体的，所述第七开关管Q7的第一端接所述第一开关管Q1的第一端，所述第七开关管Q7的第二端接所述第三开关管Q3的第一端。所述第八开关管Q8的第一端接所述第二开关管Q2的第二端，所述第八开关管Q8的第二端接所述第六开关管Q6的第二端。

在本发明其他实施例中，所述五电平逆变器还可以为：所述第七开关管Q7跨接在所述正输入支路和逆变竖桥臂正输入支路之间；所述第八开关管Q8跨接在所述负续流支路和逆变竖桥臂负输入支路之间。所述第七开关管Q7的第一端接所述第五开关管Q5的第一端，所述第七开关管Q7的第二端接所述第一开关管Q1的第一端。所述第八开关管Q8的第一端接所述第六开关管Q6的第二端，所述第八开关管Q8的第二端接所述第四开关管Q4的第二端。

在本发明其他实施例中，所述五电平逆变器还可以为：所述第七开关管Q7跨接在所述正续流支路和逆变竖桥臂正输入支路之间；所述第八开关管Q8跨接在所述负输入支路和逆变竖桥臂负输入支路之间。具体的，所述第七开关管Q7的第一端接所述第五开关管Q5的第一端，所述第七开关管Q7的第二端接所述第三开关管Q3的第一端。所述第八开关管Q8的第一端接所述第六开关管Q6的第二端，所述第八开关管Q8的第二端接所述第二开关管Q2的第二端。

需要说明的是，本发明前述各实施例所述的五电平逆变器中，为有效降低主功率管的开关损耗，所述第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3、第四开关管Q4、第五开关管Q5、第六开关管Q6均可以采用大功率IGBT（Insulated Gate BipolarTransistor，绝缘栅双极型晶体管）；而所述第七开关管Q7和第八开关管Q8则可以采用开关速度更快的功率MOSFET（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，金氧半场效晶体管）。

具体的，结合图形所示，所述IGBT由一三极管和一二极管构成；所述三极管的集电极和所述二极管的阴极相接，构成所述IGBT的第一端；所述三极管的发射极和所述二极管的阳极相接，构成所述IGBT的第二端。

所述MOSFET由一MOS管和一二极管构成；所述MOS管的源极和所述二极管的阴极相接，构成所述MOSFET的第一端；所述MOS管的漏极和所述二极管的阳极相接，构成所述MOSFET的第二端。

针对本发明前述各实施例所述的五电平逆变器，所述五电平逆变器可以进一步包括：所述五电平逆变器进一步包括：第一功率继电器、第二功率继电器、第三功率继电器和第四功率继电器。

其中，所述第一功率继电器与所述正Boost升压电路的旁路二极管并联；所述第二功率继电器与所述负Boost升压电路的旁路二极管并联。

所述第三功率继电器与所述第一二极管D1并联或串联；所述第四功率继电器与所述第二二极管D2并联或串联。

下面结合具体的电路图形进行详细介绍。

参照图5，为本发明实施例四提供的五电平逆变器电路图。如图5所示，本发明实施例四所述的五电平逆变器与实施例一的区别在于：所述五电平逆变器进一步包括：第一功率继电器RL1、第二功率继电器RL2、第三功率继电器RL3和第四功率继电器RL4。

其中，所述第一功率继电器RL1与所述正Boost升压电路的旁路二极管，即为所述第七二极管D7并联；所述第二功率继电器RL2与所述负Boost升压电路的旁路二极管，即为所述第八二极管D8并联。

所述第三功率继电器RL3与所述第一二极管D1并联；所述第四功率继电器RL4与所述第二二极管D2并联。

图5所示的电路结构在输入正电压时的工作原理：

在输入正电压较高时，Boost升压电路不工作，输入正电压通过两个支路连接到逆变电路，一路经过第一功率继电器RL1与第五开关管Q5连接，另一路经过第三功率继电器RL3与第一开关管Q1连接，此时，第一二极管D1、第七开关管Q7以及第三开关管Q3构成续流支路。由图2可知，所述第七开关管Q7与第三开关管Q3串联，在电路形式上，该串联支路与所述第一开关管Q1、第五开关管Q5均构成并联形式。通过合适控制功率开关管开通和关断的时序，使得第三开关管Q3比第一开关管Q1、第五开关管Q5提前开通、提前关断，从而将第一开关管Q1、第五开关管Q5的开关损耗转移到第七开关管Q7所在的支路。同时，图2所示电路中，所述第一开关管Q1和第五开关管Q5相当于并联的关系，两个开关管共同分担电流，从而降低主功率开关管的导通损耗。此时，电路工作在三电平逆变器状态。

在输入正电压较低时，Boost升压电路开始工作，输入正电压一路经过第三功率继电器RL3与第一开关管Q1连接，另一路经过Boost升压后与所述第五开关管Q5相连，此时，第一二极管D1、第七开关管Q7以及第三开关管Q3构成续流支路。此时，结合图2所示，所述第七开关管Q7与第三开关管Q3串联，在电路形式上，该串联支路与所述第一开关管Q1构成并联形式。通过合适控制功率开关管开通和关断的时序，使得所述第三开关管Q3比第一开关管Q1提前开通、提前关断，从而较大的降低主功率开关管Q1的开关损耗。同时，在这种情况下，所述第五开关管Q5和第一开关管Q1构成五电平逆变器结构，可以进一步降低功率开关管的开关损耗，并降低输出电感的大小。

输入负电压时电路的工作原理与之相同，在此不再赘述。

由此可见，本发明实施例四所述五电平逆变器中，通过在传统的对称五电平逆变电路中增加第七开关管Q7和第八开关管Q8，打破对称结构，由此能够有效降低功率器件的开关损耗和主功率器件的通态损耗，有利于提高系统效率。进一步的，在实施例四所示电路中，通过为所述第一二极管D1和第二二极管D2以及Boost升压电路的旁路二极管并联功率继电器，能够有效的降低各二极管的开通损耗。

参照图6，为本发明实施例五提供的五电平逆变器电路图。如图6所示，本发明实施例五所述的五电平逆变器与实施例二的区别在于：所述五电平逆变器进一步包括：第一功率继电器RL1、第二功率继电器RL2、第三功率继电器RL3和第四功率继电器RL4。

其中，其中，所述第一功率继电器RL1与所述正Boost升压电路的旁路二极管，即为所述第七二极管D7并联；所述第二功率继电器RL与所述负Boost升压电路的旁路二极管，即为所述第八二极管D8并联。

所述第三功率继电器RL3与所述第一二极管D1并联；所述第四功率继电器RL4与所述第二二极管D2并联。

参照图7，为本发明实施例六提供的五电平逆变器电路图。如图7所示，本发明实施例六所述的五电平逆变器与实施例三的区别在于：所述五电平逆变器进一步包括：第一功率继电器RL1、第二功率继电器RL2、第三功率继电器RL3和第四功率继电器RL4。

其中，所述第一功率继电器RL1与所述正Boost升压电路的旁路二极管，即为所述第七二极管D7并联；所述第二功率继电器RL与所述负Boost升压电路的旁路二极管，即为所述第八二极管D8并联。

所述第三功率继电器RL3与所述第一二极管D1并联；所述第四功率继电器RL4与所述第二二极管D2并联。

本发明实施例五和实施例六所述的五电平逆变器的工作原理与实施例四相同，在此不再赘述。

本发明实施例五和实施例六所述五电平逆变器中，通过在传统的对称五电平逆变电路中增加第七开关管Q7和第八开关管Q8，打破对称结构，由此能够有效降低功率器件的开关损耗和主功率器件的通态损耗，有利于提高系统效率。进一步的，在实施例五盒实施例所示电路中，通过为所述第一二极管D1和第二二极管D2以及Boost升压电路的旁路二极管并联功率继电器，能够有效的降低各二极管的开通损耗。

参照图8，为本发明实施例七提供的五电平逆变器电路图。如图8所示，其中，所述第一功率继电器RL1与所述正Boost升压电路的旁路二极管，即为所述第七二极管D7并联；所述第二功率继电器RL与所述负Boost升压电路的旁路二极管，即为所述第八二极管D8并联。

所述第三功率继电器RL3与所述第一二极管D1串联；所述第四功率继电器RL4与所述第二二极管D2并联。

当所述第三功率继电器RL3与所述第一二极管D1串联时，能够阻隔电流流过所述第一二极管D1所在的支路。对于功率继电器而言，由于存在体二极管，导致电流可能会双向流动。而在正常工作时，不允许反向电流的存在，因此，通过将功率继电器和二极管串联，可以有效阻挡反向电流。

本发明实施例七所述电路的工作原理与前述各实施例所述电路相同，在此不再赘述。

需要说明的是，上述图3至图8中所述正Boost升压电路、负Boost升压电路、及逆变电路的电路结构与图2相同，在此不再赘述。

以上对本发明所提供的一种五电平逆变器，进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (12)

1.一种五电平逆变器，其特征在于，所述五电平逆变器包括：正Boost升压电路、负Boost升压电路和逆变电路；

所述逆变电路包括：

第一二极管、第一开关管、第二开关管、第二二极管依次串联构成的一对输入支路；其中，所述第一二极管和第一开关管构成正输入支路，所述第二开关管和第二二极管构成负输入支路；

第三二极管、第三开关管、第四开关管、第四二极管依次串联构成的一对续流支路；其中，所述第三二极管和第三开关管构成正续流支路，所述第四开关管和第四二极管构成负续流支路；

第五开关管和第六开关管依次串联构成的一对逆变竖桥臂输入支路；其中，所述第五开关管构成逆变竖桥臂正输入支路，所述第六开关管构成逆变竖桥臂负输入支路；

所述逆变电路还包括：第七开关管和第八开关管；

所述第七开关管跨接在所述正输入支路、正续流支路以及逆变竖桥臂正输入支路中任意两个支路之间；所述第八开关管跨接在所述负输入支路、负续流支路以及逆变竖桥臂负输入支路中任意两个支路之间；

且所述第七开关管跨接的两个支路中的至少一个支路与第八开关管跨接的两个支路中的任意一个支路不属于同一对支路，所述同一对支路为所述输入支路、续流支路以及逆变竖桥臂输入支路中的任一对。

2.根据权利要求1所述的五电平逆变器，其特征在于，所述第一二极管的阳极接电源正极，所述第一二极管的阴极接所述第一开关管的第一端；所述第一开关管的第二端接所述第二开关管的第一端；所述第二开关管的第二端接所述第二二极管的阳极；所述第二二极管的阴极接所述电源的负极；

所述第三二极管的阳极接地，所述第三二极管的阴极接所述第三开关管的第一端；所述第三开关管的第二端接所述第四开关管的第一端；所述第四开关管的第二端接所述第四二极管的阳极；所述第四二极管的阴极接地；

所述第五开关管的第一端作为正Boost电压输入端接所述正Boost升压电路的输出端，所述第五开关管的第二端接所述第六开关管的第一端；所述第六开关管的第二端作为负Boost电压输入端接所述负Boost升压电路的输出端；

所述第一开关管和所述第二开关管的公共端、所述第三开关管和所述第四开关管的公共端、所述第五开关管和所述第六开关管的公共端为所述逆变电路的输出中点。

3.根据权利要求1或2所述的五电平逆变器，其特征在于，所述第七开关管跨接在所述正输入支路和正续流支路之间；所述第八开关管跨接在所述负续流支路和逆变竖桥臂负输入支路之间。

4.根据权利要求3所述的五电平逆变器，其特征在于，所述第七开关管的第一端接所述第一开关管的第一端，所述第七开关管的第二端接所述第三开关管的第一端；

所述第八开关的第一端接所述第四开关管的第二端，所述第八开关管的第二端接所述第六开关管的第二端。

5.根据权利要求1或2所述的五电平逆变器，其特征在于，所述第七开关管跨接在所述正输入支路和逆变竖桥臂正输入支路之间；所述第八开关管跨接在所述负输入支路和负续流支路之间。

6.根据权利要求5所述的五电平逆变器，其特征在于，所述第七开关管的第一端接所述第五开关管的第一端，所述第七开关管的第二端接所述第一开关管的第一端；

所述第八开关管的第一端接所述第四开关管的第二端，所述第八开关管的第二端接所述第二开关管的第二端。

7.根据权利要求1或2所述的五电平逆变电路，其特征在于，所述第七开关管跨接在所述正续流支路和逆变竖桥臂正输入支路之间；所述第八开关管跨接在所述负输入支路和负续流支路之间。

8.根据权利要求7的五电平逆变器，其特征在于，所述第七开关管的第一端接所述第五开关管的第一端，所述第七开关管的第二端接所述第三开关管的第一端；

所述第八开关管的第一端接所述第四开关管的第二端，所述第八开关管的第二端接所述第二开关管的第二端。

9.根据权利要求1至8任一项所述的五电平逆变器，其特征在于，

所述正Boost升压电路包括：第九开关管、第一电容、第三电容、第一电感、第五二极管、第七二极管；所述负Boost升压电路包括：第十开关管、第二电容、第四电容、第二电感、第六二极管、第八二极管；

其中，所述第一电容的一端和第一电感的一端相连作为所述正Boost升压电路的输入端，接所述电源的正极；所述第一电容的另一端接所述第二电容的一端；所述第二电容的另一端和第二电感的一端相连作为所述负Boost升压电路的输入端，接所述电源的负极；

所述第一电感的另一端接所述第九开关管的第一端和第五二极管的阳极；所述第九开关管的第二端接所述第十开关管的第一端；所述第十开关管的第二端接所述第二电感的另一端和第六二极管的阴极；

所述第五二极管的阴极作为所述正Boost升压电路的输出端，接所述第三电容的一端；所述第三电容的另一端接所述第四电容的一端；所述第四电容的另一端接所述第六二极管的阳极；所述第六二极管的阳极作为所述负Boost升压电路的输出端；

所述第九开关管和第十开关管的公共端、所述第一电容和第二电容的公共端、所述第三电容和第四电容的公共端接地；

所述第七二极管作为所述正Boost升压电路的旁路二极管，阳极接所述正Boost升压电路的输入端，阴极接所述正Boost升压电路的输出端；

所述第八二极管作为所述负Boost升压电路的旁路二极管，阴极接所述负Boost升压电路的输入端，阳极接所述负Boost升压电路的输出端；

所述五电平逆变器还包括：第一功率继电器、第二功率继电器、第三功率继电器和第四功率继电器；

所述第一功率继电器与所述正Boost升压电路的旁路二极管并联；所述第二功率继电器与所述负Boost升压电路的旁路二极管并联；

所述第三功率继电器与所述第一二极管并联或串联；所述第四功率继电器与所述第二二极管并联或串联。

10.根据权利要求1至8任一项所述的五电平逆变器，其特征在于，所述第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、第五开关管、第六开关管为绝缘栅双极型晶体管IGBT；所述第七开关管和第八开关管为金氧半场效晶体管MOSFET。

11.根据权利要求10所述的五电平逆变器，其特征在于，所述IGBT包括一三极管和一二极管；所述三极管的集电极和所述二极管的阴极相接，构成所述IGBT的第一端；所述三极管的发射极和所述二极管的阳极相接，构成所述IGBT的第二端。

12.根据权利要求10或11所述的五电平逆变器，其特征在于，所述MOSFET包括一MOS管和一二极管构成；所述MOS管的源极和所述二极管的阴极相接，构成所述MOSFET的第一端；所述MOS管的漏极和所述二极管的阳极相接，构成所述MOSFET的第二端。

Images