CN113381632B - 一种非桥式模块化逆变器及其控制方法 - Google Patents

一种非桥式模块化逆变器及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种非桥式模块化逆变器及其控制方法，所述非桥式模块化逆变器包括中间开关电容模块、基础开关电容模块Ⅰ、基础开关电容模块Ⅱ、左半桥模块和右半桥模块，所述中间开关电容模块包括开关管S0、开关管S1、开关管S1'、电解电容C和二极管D，所述基础开关电容模块Ⅰ和所述基础开关电容模块Ⅱ的电路结构相同；所述基础开关电容模块Ⅰ包括开关管SL11、开关管SL12、开关管SL13、开关管SL14、开关管SL15和电解电容CL1；与其他采用末端H桥来获得双极性输出电平的拓扑不同，所述非桥式模块化逆变器通过在ISCC模块的两侧分别放置相同数量的BSCC来实现双极性电平输出，有效减小了半导体器件的电压应力，在中‑高压工程中具有巨大的应用潜力。

Description

一种非桥式模块化逆变器及其控制方法
技术领域
本发明涉及逆变器技术领域，具体的说，涉及了一种非桥式模块化逆变器及其控制方法。
背景技术
近年来，随着分布式发电机的大规模部署，作为分布式能源与电网或交流负荷间的能量转换接口，分布式发电领域中DC-AC环节引起了广泛关注。特别是在光伏发电领域，光伏电池为低压直流源，在实际工程中，往往将多个光伏电池串联或者并联组成光伏阵列，经由汇流箱、控制器、直流配电箱、逆变器和交流配电箱向负载或者电网输出电能，逆变器在其中扮演着非常重要的角色，逆变器性能的优劣将直接影响到电网系统的稳定性。
传统多电平逆变器有二极管钳位型、飞跨电容型和H桥级联型三类典型结构。其中，二极管钳位型和飞跨电容型多电平逆变器电容电压的平衡问题是最需要关注的，这使得逆变器的调制工作变得复杂；H桥级联型多电平逆变器则需要大量的隔离直流电压源，这将限制其在许多单电源应用场景的使用。
为了适应新能源领域的发展需求，克服传统多电平逆变器的不足，将具有独立升压、电容电压自平衡等优点的开关电容技术被应用到多电平逆变器中。
为了解决以上存在的问题，人们一直在寻求一种理想的技术解决方案。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，从而提供一种非桥式模块化逆变器及其控制方法。
为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：
本发明第一方面提供一种非桥式模块化逆变器，设置在直流电源Vdc与负载之间，它包括中间开关电容模块、基础开关电容模块Ⅰ、基础开关电容模块Ⅱ、左半桥模块和右半桥模块，所述基础开关电容模块Ⅰ和所述基础开关电容模块Ⅱ的电路结构相同；
所述中间开关电容模块包括开关管S0、开关管S1、开关管S1'、电解电容 C和二极管D，其中，
所述开关管S1的漏极分别连接直流电源Vdc的正极和二极管D的正极，二极管D的负极连接所述开关管S0的源极，所述开关管S0的漏极连接电解电容C的阳极，电解电容C的阴极分别连接所述开关管S1的源极和所述开关管 S1'的漏极，所述开关管S1'的源极连接直流电源Vdc的负极；
所述基础开关电容模块Ⅰ包括开关管SL11、开关管SL12、开关管SL13、开关管SL14、开关管SL15和电解电容CL1，
所述开关管SL11的源极分别连接所述开关管SL13的漏极和所述开关管SL14的源极，所述开关管SL11的漏极连接所述电解电容CL1的阳极；所述开关管 SL12的源极连接所述电解电容CL1的阴极，所述开关管SL12的漏极分别连接所述开关管SL15的漏极和所述开关管SL13的源极；所述开关管SL14的漏极分别连接所述中间开关电容模块中二极管D的负极和所述开关管S0的源极；所述开关管SL15的源极分别连接直流电源Vdc的负极和所述中间开关电容模块中开关管S1'的源极；
所述基础开关电容模块Ⅱ包括开关管SR11、开关管SR12、开关管SR13、开关管SR14、开关管SR15和电解电容CR1，
所述开关管SR11的源极分别连接所述开关管SR13的漏极和所述开关管 SR14的源极，所述开关管SR11的漏极连接所述电解电容CR1的阳极；所述开关管SR12的源极连接所述电解电容CR1的阴极，所述开关管SR12的漏极分别连接所述开关管SR15的漏极和所述开关管SR13的源极；所述开关管SR14的漏极分别连接所述中间开关电容模块中电解电容C的阳极和所述开关管S0的漏极；所述开关管SR15的源极分别连接直流电源Vdc的负极和所述中间开关电容模块中开关管S1'的源极；
所述左半桥模块包括开关管S01和开关管S02，
所述开关管S01的漏极分别连接所述中间开关电容模块中开关管SL11的漏极和电解电容CL1的阳极，所述开关管S01的源极连接所述开关管S02的漏极，所述开关管S02的源极分别连接所述中间开关电容模块中开关管SL12的源极和电解电容CL1的阴极；
所述右半桥模块包括开关管S03和开关管S04，
所述开关管S03的漏极分别连接所述中间开关电容模块中开关管SR11的漏极和电解电容CR1的阳极，所述开关管S03的源极连接所述开关管S04的漏极；所述开关管S04的源极分别连接所述中间开关电容模块中开关管SR12的源极和电解电容CR1的阴极；
所述左半桥模块和所述右半桥模块的中点作为所述非桥式模块化逆变器的交流电压输出端。
本发明第二方面提供一种非桥式模块化逆变器的控制方法，所述方法包括以下步骤：
生成驱动信号，通过所述驱动信号控制权利要求1或2任一项所述的非桥式模块化逆变器工作在2n+3-3种工作模态下，输出2n+3-3种电平，且所述非桥式模块化逆变器输出电压增益G＝2n+2-2，其中，n表示基础开关电容模块Ⅰ的总个数。
本发明第三方面提供一种非桥式模块化逆变系统，包括逆变器和控制器，所述逆变器为上述的非桥式模块化逆变器。
本发明第四方面提供一种非桥式模块化逆变系统，包括逆变器和控制器，所述控制器控制逆变器中的开关管动作时，执行上述的非桥式模块化逆变器的控制方法的步骤。
本发明第五方面提供一种可读存储介质，其上存储有指令，该指令被处理器执行时实现如上述的非桥式模块化逆变器的控制方法的步骤。
本发明相对现有技术具有突出的实质性特点和显著的进步，具体的说：
1)本发明提供了一种非桥式模块化逆变器及其控制方法，与其他采用末端H桥来获得双极性输出电平的拓扑不同，所述非桥式模块化逆变器通过在中间开关电容模块的两侧分别放置相同数量的基础开关电容模块来实现双极性电平输出，有效减小了半导体器件的电压应力，在中-高压工程中具有巨大的应用潜力；
2)所述非桥式模块化逆变器是可扩展的，通过在中间开关电容模块的两侧增加相同数目的基础开关电容模块来增加输出电压电平的数量，并提高逆变器的输出增益；
3)所述非桥式模块化逆变器的扩展模块电路结构简单，能够以较少的器件输出更多的电平数，有效减少器件的使用，降低系统的成本；所述非桥式模块化逆变器的电容电压能够自平衡，避免了额外的电容电压控制回路，简化调制策略。
附图说明
图1为扩展后的非桥式模块化逆变器的结构示意图；
图2为具有1个基础开关电容模块Ⅰ和1个基础开关电容模块Ⅱ的非桥式模块化逆变器的结构示意图；
图3为图2中非桥式模块化逆变器工作模态Ⅰ的工作原理图；
图4为图2中非桥式模块化逆变器工作模态Ⅱ的工作原理图；
图5为图2中非桥式模块化逆变器工作模态Ⅲ的工作原理图；
图6为图2中非桥式模块化逆变器工作模态Ⅳ的工作原理图；
图7为图2中非桥式模块化逆变器工作模态Ⅴ的工作原理图；
图8为图2中非桥式模块化逆变器工作模态Ⅵ的工作原理图；
图9为图2中非桥式模块化逆变器工作模态Ⅶ的工作原理图；
图10为图2中非桥式模块化逆变器的载波层叠脉冲宽度调制原理图；
图11为图2中非桥式模块化逆变器半桥电压波形图；
图12为图2中非桥式模块化逆变器连接阻感性负载时的输出电压和负载电流波形图。
具体实施方式
下面通过具体实施方式，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
实施例1
如附图2所示，一种非桥式模块化逆变器，设置在直流电源Vdc与负载之间，它包括中间开关电容模块、基础开关电容模块Ⅰ、基础开关电容模块Ⅱ、左半桥模块和右半桥模块，所述基础开关电容模块Ⅰ和所述基础开关电容模块Ⅱ的电路结构相同；
所述中间开关电容模块包括开关管S0、开关管S1、开关管S1'、电解电容 C和二极管D，其中，
所述开关管S1的漏极分别连接直流电源Vdc的正极和二极管D的正极，二极管D的负极连接所述开关管S0的源极，所述开关管S0的漏极连接电解电容C的阳极，电解电容C的阴极分别连接所述开关管S1的源极和所述开关管 S1'的漏极，所述开关管S1'的源极连接直流电源Vdc的负极；
所述基础开关电容模块Ⅰ包括开关管SL11、开关管SL12、开关管SL13、开关管SL14、开关管SL15和电解电容CL1，
所述开关管SL11的源极分别连接所述开关管SL13的漏极和所述开关管SL14的源极，所述开关管SL11的漏极连接所述电解电容CL1的阳极；所述开关管 SL12的源极连接所述电解电容CL1的阴极，所述开关管SL12的漏极分别连接所述开关管SL15的漏极和所述开关管SL13的源极；所述开关管SL14的漏极分别连接所述中间开关电容模块中二极管D的负极和所述开关管S0的源极；所述开关管SL15的源极分别连接直流电源Vdc的负极和所述中间开关电容模块中开关管S1'的源极；
所述基础开关电容模块Ⅱ包括开关管SR11、开关管SR12、开关管SR13、开关管SR14、开关管SR15和电解电容CR1，
所述开关管SR11的源极分别连接所述开关管SR13的漏极和所述开关管 SR14的源极，所述开关管SR11的漏极连接所述电解电容CR1的阳极；所述开关管SR12的源极连接所述电解电容CR1的阴极，所述开关管SR12的漏极分别连接所述开关管SR15的漏极和所述开关管SR13的源极；所述开关管SR14的漏极分别连接所述中间开关电容模块中电解电容C的阳极和所述开关管S0的漏极；所述开关管SR15的源极分别连接直流电源Vdc的负极和所述中间开关电容模块中开关管S1'的源极；
所述左半桥模块包括开关管S01和开关管S02，
所述开关管S01的漏极分别连接所述中间开关电容模块中开关管SL11的漏极和电解电容CL1的阳极，所述开关管S01的源极连接所述开关管S02的漏极，所述开关管S02的源极分别连接所述中间开关电容模块中开关管SL12的源极和电解电容CL1的阴极；
所述右半桥模块包括开关管S03和开关管S04，
所述开关管S03的漏极分别连接所述中间开关电容模块中开关管SR11的漏极和电解电容CR1的阳极，所述开关管S03的源极连接所述开关管S04的漏极；所述开关管S04的源极分别连接所述中间开关电容模块中开关管SR12的源极和电解电容CR1的阴极；
所述左半桥模块和所述右半桥模块的中点作为所述非桥式模块化逆变器的交流电压输出端。
需要说明的是，左半桥模块、基础开关电容模块Ⅰ、中间开关电容模块、基础开关电容模块Ⅱ和右半桥模块依次并联连接；所述基础开关电容模块Ⅰ和所述基础开关电容模块Ⅱ固有极性转换的能力，达到所述非桥式模块化逆变器输出电平极性转换的目的；所述左半桥模块和所述右半桥模块置放在逆变器的两侧，用来完成非桥式模块化逆变器的输出端控制。
如附图1所示，所述基础开关电容模块Ⅰ和所述基础开关电容模块Ⅱ是可扩展的：
所述左半桥模块与所述中间开关电容模块之间还包括扩展的基础开关电容模块Ⅰ，所述中间开关电容模块与右半桥模块之间还包括扩展的基础开关电容模块Ⅱ；扩展的基础开关电容模块Ⅰ与扩展的基础开关电容模块Ⅱ的电路结构相同，且扩展的基础开关电容模块Ⅰ的个数与扩展的基础开关电容模块Ⅱ的个数相等。
其中，扩展的基础开关电容模块(Basic Switched Capacitor Circuit,BSCC) Ⅰ和扩展的基础开关电容模块(Basic Switched Capacitor Circuit,BSCC)Ⅱ对称设置在中间开关电容模块(Intermediate Switched Capacitor Circuit,ISCC)两侧。
扩展后的非桥式模块化逆变器中，相邻的基础开关电容模块Ⅰ并联连接；前级电解电容CLi的阳极分别连接后级基础开关电容模块Ⅰ的开关管SL(i+1)4的漏极，前级电解电容CLi的阴极连接后级后级基础开关电容模块Ⅰ的开关管 SL(i+1)5的源极；且最后一级基础开关电容模块Ⅰ的电解电容CLi的阳极连接所述左半桥模块的开关管S01的漏极，最后一级基础开关电容模块Ⅰ的电解电容CLi的阴极连接所述左半桥模块的开关管S02的源极。
扩展后的非桥式模块化逆变器中，相邻的基础开关电容模块Ⅱ连接方式类似，在此不再赘述。
需要说明的是，通过在ISCC模块的两侧分别放置相同数量的基础开关电容模块BSCC来使得所述非桥式模块化逆变器输出更多电平，所述基础开关电容模块Ⅰ的总数n与所述非桥式模块化逆变器输出电平数量N之前的关系为：N＝2n+3-3；
所述基础开关电容模块Ⅰ的总数n与所述非桥式模块化逆变器输出电压增益G之间的关系为：G＝2n+2-2。
所述非桥式模块化逆变器工作时，开关管S1和开关管S1'工作状态互补；开关管S01和开关管S02工作状态互补；开关管S03和开关管S04工作状态互补；开关管SL1n和开关管SR1n的开关状态在逆变器输出电平极性相反时是一致的。
需要说明的是，中间开关电容模块中的电解电容C的充电电压均为直流输入电压Vdc，基础开关电容模块Ⅰ或者基础开关电容模块Ⅱ中的电容充电电压为阶梯电压，后级电解电容的充电额定电压为前级电容额定电压和电源的叠加，电解电容CLn和CRn具有相同的充电额定电压2nVdc。
实施例2
在实施例1中非桥式模块化逆变器的基础上，本实施例给出一种非桥式模块化逆变器的控制方法：
生成驱动信号，通过所述驱动信号控制权利要求1或2任一项所述的非桥式模块化逆变器工作在2n+3-3种工作模态下，输出2n+3-3种电平，且所述非桥式模块化逆变器输出电压增益G＝2n+2-2，其中，n表示基础开关电容模块Ⅰ的总个数。
与其他采用末端H桥来获得双极性输出电平的拓扑不同，该非桥式模块化逆变器通过在中间开关电容模块ISCC的两侧分别放置相同数量的基础开关电容模块BSCC来实现双极性电平输出；在图1中非桥式模块化逆变器的基础上，还可以通过在中间开关电容模块的两侧增加相同数目的基础开关电容模块BSCC来增加输出电压电平的数量和提高逆变器的输出增益。
生成驱动信号时，执行：
采用载波层叠脉宽调制技术，使用正弦波作为调制波，以三角波作为载波；将调制波与2n+3-4个载波进行比较，在调制波大于载波的部分输出高电平，在调制波小于载波的部分输出低电平，由此得到2n+3-4个矩形脉冲信号，将得到的矩形脉冲信号进行逻辑组合，得到各个开关管的门极驱动信号。
进一步的，生成驱动信号时，载波与调制波的调制比M由调制波Aref和载波Ac的幅值共同决定，即：
M＝Aref/[(2n+2-2)×Ac]
调制比M的取值范围为0<M≤1：
当[(j-1)/(2n+2-2)]≤M≤[j/(2n+2-2)]时，j∈[1、2、3、…、(2n+2-2)]，所述非桥式模块化逆变器输出(2×j+1)种电平。
本实施例以附图2所示的具有1个基础开关电容模块Ⅰ和1个基础开关电容模块Ⅱ的非桥式模块化逆变器为例，该非桥式模块化逆变器输出13电平，在一个周期内可划分为13个工作模态，输出13种电平：+6Vdc、+5Vdc、+4Vdc、 +3Vdc、+2Vdc、+Vdc、0、-Vdc、-2Vdc、-3Vdc、-4Vdc、-5Vdc、-6Vdc；
该非桥式模块化逆变器工作的正半周期对应工作模态如图3至图9所示。
具体工作原理分析如下：
工作模态Ⅰ：所述开关管SL12、SL15、SR12、SR15、S1′、S02和S04导通，其余开关管关断，此时，逆变器输出母线电压Vbus为0：
如图3所示，电流回路(放电回路)中，所述基础开关电容模块Ⅰ中的开关管SL11、SL12、SL15，以及所述左半桥模块的开关管S01和S02分别受到栅-源极电压VGSL11、VGSL12、VGSL15、VGS01和VGS02驱动，其他开关管保持如图10中所示的导通或者关断状态。当开关管SL11、SL12、SL15、S01和S02交替切换状态时，图3和图4所示的逆变器输出状态被交替切换。
工作模态Ⅱ：所述开关管SL11、SL14、SR12、SR15、S1′、S01和S04导通，其余开关管关断；
如图4所示状态，电容C与电源Vdc并联充电，此时，逆变器输出母线电压Vbus为+Vdc。
工作模态Ⅲ：所述开关管SL12、SL14、SL15、SR14、SR15、S0、S1、S01和S04导通，其余开关管关断；此时，逆变器输出母线电压Vbus为+2Vdc；
如图5所示状态，电流回路中，逆变器模块电路中开关管SL11、SL12、SL15、 SR12、S0、S1和S1′分别受到栅-源极电压VGSL11、VGSL12、VGSL15、VGSR12、 VGS0、VGS1和VGS1′驱动，其他开关管保持如图10中所示的导通或者关断状态。当上述开关管交替切换状态时，逆变器输出电平在图4和图5之间切换。在图5中，电容VCL1和VCR1分别由电源和电容C的串联组合充电。
工作模态Ⅳ：所述开关管SL12、SL13、SL14、SR12、SR15、S1′、S01和S04导通，其余开关管关断，二极管D截止；此时，逆变器输出母线电压Vbus为+3Vdc；
如附图6所示，电流回路中，所述逆变器模块电路中开关管SL13、SL15、 SR12、SR14、S0、S1和S1′分别受到栅-源极电压VGSL13、VGSL15、VGSR12、VGSR14、 VGS0、VGS1和VGS1′驱动，其他开关管维持导通或者关断状态。当上述开关管交替切换状态时，逆变器输出电平在图5和图6之间切换。如图6所示状态，电容CR1与电源Vdc并联充电，放电回路中的电容器CL1参与逆变器输出。
工作模态Ⅴ：所述开关管SL12、SL14、SL15、SR11、SR13、SR15、S0、S1、S01和S04导通，其余开关管关断，二极管D截止；逆变器输出母线电压Vbus为 +4Vdc。
如附图7所示，电流回路中，所述逆变器模块电路中开关管SL13、SL15、 SR11、SR12、SR13、S0、S1和S1′分别受到栅-源极电压VGSL13、VGSL15、VGSR11、VGSR12、VGSR13、VGS0、VGS1和VGS1′驱动,其他开关管维持导通或者关断状态。当上述开关管交替切换状态时，逆变器输出电平在图6和图7之间切换。如图7所示状态，电容CL1被电源和电容C的串联组合充电，放电回路中的电容CR1参与逆变器输出。
工作模态Ⅵ：所述开关管SL12、SL13、SL14、SR11、SR13、SR15、S1′、S01和 S04导通，其余开关管关断；逆变器输出母线电压Vbus为+5Vdc。
如附图8所示，电流回路中，所述逆变器模块电路中开关管SL13、SL15、 S0、S1和S1′分别受到栅-源极电压VGSL13、VGSL15、VGS0、VGS1和VGS1′驱动，其他开关管维持导通或者关断状态。当上述开关管交替切换状态时，逆变器输出电平在图7和图8之间切换。如图8所示状态，电容C与电源并联充电到Vdc，放电回路中的电容CL1和CR1参与逆变器输出。
工作模态Ⅶ：所述开关管SL12、SL13、SL14、SR11、SR13、SR15、S0、S1、 S01和S04导通，其余开关管关断，二极管D截止；逆变器输出母线电压Vbus为+6Vdc；
如附图9所示，电流回路中，所述逆变器模块电路中开关管S0、S1和S1′分别受到栅-源极电压VGS0、VGS1和VGS1′驱动，其他开关管维持导通或者关断状态。当上述开关管交替切换状态时，逆变器输出电平在图8和图8之间切换。如图9所示状态，放电回路中的电容C，CL1和CR1参与逆变器输出。
在正半工作周期内，所述非桥式模块化逆变器从工作模态Ⅰ、工作模态Ⅱ、工作模态Ⅲ、工作模态Ⅳ、工作模态Ⅴ、工作模态Ⅵ、工作模态Ⅶ、工作模态Ⅵ、工作模态Ⅴ、工作模态Ⅳ、工作模态Ⅲ、工作模态Ⅱ至工作模态Ⅰ，依次变化，输出0、+Vdc、+2Vdc、+3Vdc、+4Vdc、+5Vdc、+6Vdc、+5Vdc、+4Vdc、 +3Vdc、+2Vdc、+Vdc、0；为了降低开关频率，减少损耗，在工作模态切换时，除了电流回路中开关管需要动作外，其余开关管由于不参与电流回路，可维持当前状态(上一工作模态中的状态)不变。
在负半工作周期内，所述非桥式模块化逆变器从工作模态Ⅰ、工作模态Ⅷ、工作模态Ⅸ、工作模态Ⅹ、工作模态Ⅺ、工作模态Ⅻ、工作模态XIII、工作模态Ⅻ、工作模态Ⅺ、工作模态Ⅹ、工作模态Ⅸ、工作模态Ⅷ至工作模态Ⅰ，依次变化，0、-Vdc、-2Vdc、-3Vdc、-4Vdc、-5Vdc、-6Vdc、-5Vdc、-4Vdc、 -3Vdc、-2Vdc、-Vdc、0；工作模态Ⅷ、工作模态Ⅸ、工作模态Ⅹ、工作模态Ⅺ、工作模态Ⅻ、工作模态XIII对应的开关状态如下表所示，本实施例不再详述。
Figure RE-RE-GDA0003186877340000111
在上述非桥式模块化逆变器电路的基础上，本实施例还给出了载波层叠脉冲宽度调制方式下，各个开关管的驱动信号的具体实施方式；
如图10所示，在图2中的非桥式模块化逆变器的基础上，本实施例还给出了载波层叠脉冲宽度调制方式下，各个开关管的驱动信号的具体实施方式：
以12个频率相同(例如，80倍于调制波频率)、相位相同、幅值为Ac 的三角载波与一个幅值为Aref的正弦调制波进行比较，在调制波大于载波的部分输出高电平，在调制波小于载波的部分输出低电平，由此得到12组矩形脉冲信号。将得到的矩形脉冲信号进行合适的逻辑组合，得到各个开关管的门极驱动信号。逻辑组合公式如下表所示：
Figure RE-RE-GDA0003186877340000121
Figure RE-RE-GDA0003186877340000122
S1′＝S1
Figure RE-RE-GDA0003186877340000123
Figure RE-RE-GDA0003186877340000124
Figure RE-RE-GDA0003186877340000125
Figure RE-RE-GDA0003186877340000126
Figure RE-RE-GDA0003186877340000127
Figure RE-RE-GDA0003186877340000128
Figure RE-RE-GDA0003186877340000129
Figure RE-RE-GDA00031868773400001210
Figure RE-RE-GDA00031868773400001211
Figure RE-RE-GDA00031868773400001212
Figure RE-RE-GDA00031868773400001213
Figure RE-RE-GDA00031868773400001214
本实施例中，所述逆变器的调制比M由调制波和载波的幅值共同决定，即：M＝Aref/[6×Ac]；
调制比M的取值范围为0＜M≤1：当1/6＜M≤2/6时，逆变器输出3电平；当2/6＜M≤3/6时，逆变器输出5电平；当2/6＜M≤3/6时，逆变器输出7电平；当3/6＜M≤4/6时，逆变器输出9电平；当4/6＜M≤5/6时，逆变器输出11电平；当5/6<M≤1时，逆变器输出13电平。
本实施例根据上述调制方式通过仿真对所述13电平逆变器装置进行了验证，图11和图12分别为半桥电压波形图和逆变器阻感性负载时的输出电压和负载电流波形图。由仿真结果图11可以看出，逆变器两个半桥的峰值电压为100V，谷值电压为-50V，这与逆变器工作原理的理论分析一致；由仿真结果图12可以看出，逆变器输出13电平电压，峰值电压为150V，逆变器输出升压增益为6，负载电流为正弦波形，并滞后于输出电压一定的角度，验证了所提拓扑带感性负载的能力。
实施例3
本实施例给出一种非桥式模块化逆变系统，包括逆变器和控制器，所述逆变器为上述的非桥式模块化逆变器。
本实施例还给出另一种非桥式模块化逆变系统的具体实施方式，包括逆变器和控制器，所述控制器控制逆变器中的开关管动作时，执行上述的非桥式模块化逆变器的控制方法的步骤。
本实施例给出一种可读存储介质的具体实施方式，其上存储有指令，该指令被处理器执行时实现如上述的非桥式模块化逆变器的控制方法的步骤。
在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述或记载的部分，可以参见其它实施例的相关描述。
本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本申请的范围。
在本申请所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的系统和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的系统实施例仅仅是示意性的，例如，上述模块的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。
另外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
上述集成的模块如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本申请实现上述实施例方法中的全部或部分流程，也可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，上述的计算机程序可存储于计算机可读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个方法实施例的步骤。其中，上述计算机程序包括计算机程序代码，上述计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。

Claims (7)

1.一种非桥式模块化逆变器，设置在直流电源Vdc与负载之间，其特征在于：包括中间开关电容模块、基础开关电容模块Ⅰ、基础开关电容模块Ⅱ、左半桥模块和右半桥模块，所述基础开关电容模块Ⅰ和所述基础开关电容模块Ⅱ的电路结构相同；
所述中间开关电容模块包括开关管S0、开关管S1、开关管S1'、电解电容C和二极管D，其中，
所述开关管S1的漏极分别连接直流电源Vdc的正极和二极管D的正极，二极管D的负极连接所述开关管S0的源极，所述开关管S0的漏极连接电解电容C的阳极，电解电容C的阴极分别连接所述开关管S1的源极和所述开关管S1'的漏极，所述开关管S1'的源极连接直流电源Vdc的负极；
所述基础开关电容模块Ⅰ包括开关管SL11、开关管SL12、开关管SL13、开关管SL14、开关管SL15和电解电容CL1，
所述开关管SL11的源极分别连接所述开关管SL13的漏极和所述开关管SL14的源极，所述开关管SL11的漏极连接所述电解电容CL1的阳极；所述开关管SL12的源极连接所述电解电容CL1的阴极，所述开关管SL12的漏极分别连接所述开关管SL15的漏极和所述开关管SL13的源极；所述开关管SL14的漏极分别连接所述中间开关电容模块中二极管D的负极和所述开关管S0的源极；所述开关管SL15的源极分别连接直流电源Vdc的负极和所述中间开关电容模块中开关管S1'的源极；
所述基础开关电容模块Ⅱ包括开关管SR11、开关管SR12、开关管SR13、开关管SR14、开关管SR15和电解电容CR1，
所述开关管SR11的源极分别连接所述开关管SR13的漏极和所述开关管SR14的源极，所述开关管SR11的漏极连接所述电解电容CR1的阳极；所述开关管SR12的源极连接所述电解电容CR1的阴极，所述开关管SR12的漏极分别连接所述开关管SR15的漏极和所述开关管SR13的源极；所述开关管SR14的漏极分别连接所述中间开关电容模块中电解电容C的阳极和所述开关管S0的漏极；所述开关管SR15的源极分别连接直流电源Vdc的负极和所述中间开关电容模块中开关管S1'的源极；
所述左半桥模块包括开关管S01和开关管S02，
所述开关管S01的漏极分别连接所述基础开关电容模块Ⅰ中开关管SL11的漏极和电解电容CL1的阳极，所述开关管S01的源极连接所述开关管S02的漏极，所述开关管S02的源极分别连接所述基础开关电容模块Ⅰ中开关管SL12的源极和电解电容CL1的阴极；
所述右半桥模块包括开关管S03和开关管S04，
所述开关管S03的漏极分别连接所述基础开关电容模块Ⅱ中开关管SR11的漏极和电解电容CR1的阳极，所述开关管S03的源极连接所述开关管S04的漏极；所述开关管S04的源极分别连接所述基础开关电容模块Ⅱ中开关管SR12的源极和电解电容CR1的阴极；
所述左半桥模块和所述右半桥模块的中点作为所述非桥式模块化逆变器的交流电压输出端。
2.根据权利要求1所述的非桥式模块化逆变器，其特征在于：所述左半桥模块与所述中间开关电容模块之间还包括扩展的基础开关电容模块Ⅰ，所述中间开关电容模块与右半桥模块之间还包括扩展的基础开关电容模块Ⅱ；
扩展的基础开关电容模块Ⅰ与扩展的基础开关电容模块Ⅱ的电路结构相同，且扩展的基础开关电容模块Ⅰ的个数与扩展的基础开关电容模块Ⅱ的个数相等。
3.一种非桥式模块化逆变器的控制方法，其特征在于：生成驱动信号，通过所述驱动信号控制权利要求1或2任一项所述的非桥式模块化逆变器工作在2n+3-3种工作模态下，输出2n+3-3种电平，且所述非桥式模块化逆变器输出电压增益G=2n+2-2，其中，n表示基础开关电容模块Ⅰ的总个数。
4.根据权利要求3所述的非桥式模块化逆变器的控制方法，其特征在于，生成驱动信号时，执行：
采用载波层叠脉宽调制技术，使用正弦波作为调制波，以三角波作为载波；将调制波与2n+3-4个载波进行比较，在调制波大于载波的部分输出高电平，在调制波小于载波的部分输出低电平，由此得到2n+3-4个矩形脉冲信号，将得到的矩形脉冲信号进行逻辑组合，得到各个开关管的门极驱动信号。
5.根据权利要求3所述的非桥式模块化逆变器的控制方法，其特征在于，生成驱动信号时，载波与调制波的调制比M由调制波Aref和载波Ac的幅值共同决定，即：
M=Aref/[(2n+2-2)×Ac]
调制比M的取值范围为0<M≤1：
当[(j-1) /(2n+2-2)]≤M≤[j/(2n+2-2)]时，j∈[1、2、3、…、(2n+2-2) ]，所述非桥式模块化逆变器输出（2×j+1）种电平。
6.一种非桥式模块化逆变系统，包括逆变器和控制器，其特征在于：所述逆变器为权利要求1或2任一项所述的非桥式模块化逆变器。
7.一种非桥式模块化逆变系统，包括逆变器和控制器，其特征在于：所述控制器控制逆变器中的开关管动作时，执行权利要求3-5任一项所述的非桥式模块化逆变器的控制方法的步骤。
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