專利名稱：一種單相半橋五電平逆變器及其應用電路的制作方法
技術領域：
本發明涉及電力電子技術領域，特別涉及一種單相半橋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管箝位型和飛跨電容型結構。下面分別予以介紹。參見圖la，該圖為現有技術中提供的二極管箝位型的五電平逆變器拓撲圖。圖Ia所示的是半橋五電平逆變器的拓撲結構。二極管用于為各個開關管進行電壓箝位。例如，第一二極管DBl用于將開關管Tl下端的電位箝位于第一電容Cl的下端；第二二極管DB2用于將開關管T5下端的電位箝位于第一電容Cl的下端。其他二極管DB3、 DB4、DB5和DB6類似，在此不再贅述。由于箝位二極管需要阻斷多倍電平電壓，通常需要多個相同標稱值的二極管串聯，如圖Ib所示，二極管DB21、DB22和DB23串聯相當于圖Ia中的二極管DB2。DB2UDB22 和DB23這三個二極管串聯起來共同承受圖Ia中DB2承受的電壓。由于二極管的分散性以及雜散參數的影響，標稱值相同的二極管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管兩端過電壓。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。因此，為了解決圖Ib存在的問題，提出了一種改進措施，如圖Ic所示。這種拓撲所用的開關管數量和圖Ia所用的一樣，該拓撲可以將每個二極管電壓箝位在單電平電壓之內，如圖Ic所示，所有的二極管沒有兩個串聯的情況。在電平數較多的逆變器中，有較大的優越性。但是這種電路的缺點是，箝位二極管的數量太多。參見圖2，該圖為現有技術中提供的飛跨電容型五電平逆變器拓撲圖。圖2所示的拓撲中的電容可以起到均壓的作用，但是缺點是運用的電容數目較
^^ ο綜上所述，現有技術中的兩種五電平逆變器拓撲均使用較多的半導體器件，造成體積較大，損耗較多，效率較低。
發明內容
本發明要解決的技術問題是提供一種單相半橋五電平逆變器及其應用電路，使用的半導體數目較少，損耗較小，效率較高，成本低。本發明提供一種單相半橋五電平逆變器，包括第一開關管、第二開關管、第三開關管、第四開關管、第五開關管、第六開關管、第七開關管和第八開關管；每個所述開關管反向并聯一個二極管；直流電源的正端通過依次串聯的第一電容、第二電容、第三電容和第四電容連接直流電源的負端；
第一開關管的第一端連接第一電容的第一端，第一開關管的第二端連接第一節占.
^ \\\ 第二開關管的第一端連接第一節點，第二開關管的第二端連接第二電容的第一端；第三開關管的第一端連接第一節點，第三開關管的第二端連接第二節點；第四開關管的第一端連接第二節點，第四開關管的第二端連接第三節點；第五開關管的第一端連接第三電容的第一端，第五開關管的第二端連接第三節占.
^ \\\ 第六開關管的第一端連接第三節點，第六開關管的第二端連接第四節點；第七開關管的第一端連接第四電容的第一端，第七開關管的第二端連接第四節占.
^ \\\ 第八開關管的第一端連接第四節點，第八開關管的第二端連接直流電源的負端；第二節點作為該逆變器的一個交流輸出端，第五開關管的第一端作為該逆變器的另一個交流輸出端。優選地，所述開關管均為IGBT管，所述第一端為集電極，第二端為發射極。優選地，還包括第一電感、第二電感和電容；所述第二節點通過依次串聯的第一電感、電容和第二電感連接第二電容和第三電容的公共端。優選地，該單相半橋五電平逆變器對應的五個電平工作模態分別為第一模態第一開關管和第三開關管導通，其余開關管均截止；第二模態第二開關管和第三開關管導通，其余開關管均截止；第三模態第四開關管和第五開關管導通，其余開關管均截止；第四模態第四開關管、第六開關管和第七開關管導通，其余開關管均截止；
第五模態第四開關管、第六開關管和第八開關管導通，其余開關管截止。優選地，所述第一開關管的導通時序由正弦波和第一三角波進行比較產生，所述正弦波大于所述第一三角波時，所述第一開關管導通，反之截止；所述第二開關管的導通時序由所述正弦波與第一三角波和第二三角波進行比較產生，所述正弦波大于所述第二三角波且小于所述第一三角波時，所述第二開關管導通，反之截止；所述第三開關管的導通時序由所述正弦波和所述第二三角波進行比較產生，所述正弦波大于所述第二三角波時，所述第三開關管導通，反之截止；所述第四開關管的導通時序由所述正弦波和所述第二三角波進行比較產生，所述正弦波小于所述第二三角波時，所述第四開關管導通，反之截止；第五開關管的導通時序與第四開關管的導通時序關于正弦波的正半周和負半周對調；第六開關管的導通時序與第三開關管的導通時序關于正弦波的正半周和負半周對調；第七開關管的導通時序與第二開關管的導通時序關于正弦波的正半周和負半周對調；
第八開關管的導通時序與第一開關管的導通時序關于正弦波的正半周和負半周對調。本發明還提供一種所述逆變器的應用電路，包括兩個所述單相半橋五電平逆變器，分別是第一單相半橋五電平逆變器和第二單相半橋五電平逆變器；第一單相半橋五電平逆變器和第二單相半橋五電平逆變器中的第一開關管的第一端連接在一起均連接直流電源的正端；第一單相半橋五電平逆變器和第二單相半橋五電平逆變器中的第八開關管的第二端連接在一起均連接直流電壓的負端；第一單相半橋五電平逆變器和第二單相半橋五電平逆變器中第二開關管的第二端均連接在一起均連接第一電容和第二電容的公共端；第五開關管的第一端均連接第二電容和第三電容的公共端；第七開關管的第一端均連接在一起連接第三電容和第四電容的公共端；第一單相半橋五電平逆變器的第二節點和第二單相半橋五電平逆變器的第二節點分別作為該應用電路的兩個交流輸出端。優選地，所述第一單相半橋五電平逆變器由第一正弦波進行調制，所述第二單相半橋五電平逆變器由第二正弦波進行調制；所述第一正弦波和第二正弦波的相位相差180度。本發明還提供一種所述逆變器的應用電路，包括三個所述單相半橋五電平逆變器，分別是第一單相半橋五電平逆變器、第二單相半橋五電平逆變器和第三單相半橋五電平逆變器；第一單相半橋五電平逆變器、第二單相半橋五電平逆變器和第三單相半橋五電平逆變器中的第一開關管的第一端連接在一起均連接直流電源的正端；第一單相半橋五電平逆變器、第二單相半橋五電平逆變器和第三單相半橋五電平逆變器中的第八開關管的第二端連接在一起均連接直流電壓的負端；第一單相半橋五電平逆變器、第二單相半橋五電平逆變器和第三單相半橋五電平逆變器中第二開關管的第二端均連接在一起均連接第一電容和第二電容的公共端；第五開關管的第一端均連接第二電容和第三電容的公共端；第七開關管的第一端均連接在一起連接第三電容和第四電容的公共端；第一單相半橋五電平逆變器的第二節點、第二單相半橋五電平逆變器的第二節點和第三單相半橋五電平逆變器的第二節點分別作為該應用電路的三個交流輸出端。優選地，所述第一單相半橋五電平逆變器由第一正弦波進行調制，第二單相半橋五電平逆變器由第二正弦波進行調制，第三單相半橋五電平逆變器由第三正弦波進行調制；第一正弦波、第二正弦波和第三正弦波的相位依次相差120度。本發明還提供一種所述逆變器的應用電路，包括四個所述單相半橋五電平逆變器，分別是第一單相半橋五電平逆變器、第二單相半橋五電平逆變器、第三單相半橋五電平逆變器和第四單相半橋五電平逆變器；第一單相半橋五電平逆變器、第二單相半橋五電平逆變器、第三單相半橋五電平逆變器和第四單相半橋五電平逆變器中的第一開關管的第一端連接在一起均連接直流電源的正端；第一單相半橋五電平逆變器、第二單相半橋五電平逆變器、第三單相半橋五電平逆變器和第四單相半橋五電平逆變器中的第八開關管的第二端連接在一起均連接直流電壓的負端；第一單相半橋五電平逆變器、第二單相半橋五電平逆變器、第三單相半橋五電平逆變器和第四單相半橋五電平逆變器中第二開關管的第二端均連接在一起均連接第一電容和第二電容的公共端；第五開關管的第一端均連接第二電容和第三電容的公共端；第七開關管的第一端均連接在一起連接第三電容和第四電容的公共端；第一單相半橋五電平逆變器的第二節點、第二單相半橋五電平逆變器的第二節點、第三單相半橋五電平逆變器的第二節點和第四單相半橋五電平逆變器的第二節點分別作為該應用電路的四個交流輸出端。與現有技術相比，本發明具有以下優點本發明提供的單相半橋五電平逆變器包括八個開關管以及八個二極管，不包括現有技術中的箝位二極管和飛跨電容，現有技術中的五電平逆變器不可以去掉箝位二極管是因為這些二極管不但為電流提供通路，而且起到了電容不被短路的作用，而本發明提供的五電平逆變器利用八個開關管自身反向并聯的二極管就可以為電流提供通路，以及保證電容不被短路的作用。這樣保證整個逆變器中的半導體器件較少，損耗較小，效率較高，體積也小，進而成本也低。現有技術中的飛跨電容是為了生成多電平，由于電容本身成本較高； 而本發明實施例舍棄用電容來生成多電平，成本低。
圖Ia是現有技術中提供的二極管箝位型的五電平逆變器拓撲圖；圖Ib是現有技術中提供的另一種二極管箝位型的五電平逆變器拓撲圖；圖Ic是現有技術中提供的又一種二極管箝位型的五電平逆變器拓撲圖；圖2是現有技術中提供的飛跨電容型五電平逆變器拓撲圖；圖3是本發明實施例提供的單相半橋五電平逆變器拓撲圖；圖4是本發明實施例提供的單相半橋五電平逆變器處于第一模態對應的拓撲圖；圖5是本發明實施例提供的單相半橋五電平逆變器處于第二模態對應的拓撲圖；圖6是本發明實施例提供的單相半橋五電平逆變器處于第三模態對應的拓撲圖；圖7是本發明實施例提供的單相半橋五電平逆變器處于第四模態對應的拓撲圖；圖8是本發明實施例提供的單相半橋五電平逆變器處于第五模態對應的拓撲圖；圖9是本發明實施例提供的單相半橋五電平逆變器中八個開關的導通時序圖；圖10是本發明實施例提供的單相半橋五電平逆變器拓撲單元等效圖；圖11是本發明實施例提供的單相全橋五電平逆變器拓撲圖；圖12是本發明實施例提供的三相三線制五電平逆變器拓撲圖；圖13是本發明實施例提供的三相四線制五電平逆變器拓撲圖。
具體實施例方式為使本發明的上述目的、特征和優點能夠更加明顯易懂，下面結合附圖對本發明的具體實施方式
做詳細的說明。參見圖3，該圖為本發明實施例提供的單相半橋五電平逆變器拓撲圖。本發明實施例提供的單相半橋五電平逆變器，包括第一開關管Tl、第二開關管 T2、第三開關管T3、第四開關管T4、第五開關管T5、第六開關管T6、第七開關管T7和第八開關管T8 ；每個所述開關管反向并聯一個二極管；如圖3所示，T1-T8分別反向并聯D1-D8。直流電源的正端通過依次串聯的第一電容Cl、第二電容C2、第三電容C3和第四電容C4連接直流電源的負端；第一開關管Tl的第一端連接第一電容Cl的第一端，第一開關管Tl的第二端連接第一節點m ；第二開關管T2的第一端連接第一節點m，第二開關管T2的第二端連接第二電容 C2的第一端；第三開關管T3的第一端連接第一節點m，第三開關管T3的第二端連接第二節點 a ；第四開關管T4的第一端連接第二節點a，第四開關管T4的第二端連接第三節點 s ；第五開關管T5的第一端連接第三電容C3的第一端，第五開關管T5的第二端連接第三節點s ；第六開關管T6的第一端連接第三節點s，第六開關管T6的第二端連接第四節點 t ；第七開關管T7的第一端連接第四電容C4的第一端，第七開關管T7的第二端連接第四節點t;第八開關管T8的第一端連接第四節點t，第八開關管T8的第二端連接直流電源的負端。第二節點a作為該逆變器的一個交流輸出端，第五開關管的第一端作為該逆變器的另一個交流輸出端。需要說明的是，本發明實施例提供的逆變器是五電平逆變器，五電平逆變器可以提供五個電平，所以需要四個容值相同的電容串聯提供五個電平。N電平逆變器需要(N-I) 個容值相同的電容提供電平。如圖所示，本發明中的四個電容分別是C1、C2、C3和C4。
本發明實施例提供的單相半橋五電平逆變器包括八個開關管以及八個二極管，不包括現有技術中的箝位二極管和飛跨電容，現有技術中的五電平逆變器不可以去掉箝位二極管是因為這些二極管不但為電流提供通路，而且起到了電容不被短路的作用，而本發明實施例提供的五電平逆變器利用八個開關管自身反向并聯的二極管就可以為電流提供通路，以及保證電容不被短路的作用。這樣保證整個逆變器中的半導體器件較少，損耗較小， 效率較高，體積也小，進而成本也低。 為了更好地說明本發明實施例的優點，下面說明現有技術中的五電平逆變器中為何需要存在箝位二極管。以圖Ia所示的電路為例，Cl和C2的公共端向a流進電流時，要經過DB1、T2、T3和T4到達a。即箝位二極管DBl為電流提供了通路。當a向Cl和C2的公共端流出電流時，要經過T5和DB2到達Cl和C2的公共端。即箝位二極管DB2為電流提供了通路。可以理解的是，為了為電流提供通路可以用導線來代替，假設去掉DBl和DB2，從電路圖上可以看出，當Tl導通時，Cl的兩端將被短路，顯然這是不合理的。因此，現有技術中的箝位二極管必不可少。而本發明實施例中開關管自身反向并聯的二極管可以起到現有技術中箝位二極管的作用，例如，T3反向并聯的二極管D3既為電流提供通路，Cl和C2的公共端向a流進電流時，又可以保證Tl導通時，Cl不被短路。而現有技術提供的另一種拓撲雖然去掉了箝位二極管，但是增加的飛跨電容是為了生成多電平，由于電容本身成本較高；而本發明實施例舍棄用電容來生成多電平，成本低。需要說明的是，優選地，以上八個開關管可以為IGBT管、MOSFET管、IGCT管、或 IEGT管。當所述開關管均為IGBT管時，所述第一端為集電極，第二端為發射極。可以理解的是，以上八個開關管也可以選擇其他類型的開關管。需要說明的是，以上開關管反向并聯的二極管可以為獨立的二極管，也可以是與開關管封裝集成在一起的二極管。需要說明的是，所述單相半橋五電平逆變器，還可以包括第一電感Li、第二電感 L2和電容C ；所述第二節點a通過依次串聯的第一電感Ll、電容C和第二電感L2連接第二電容 C2的第二端，即節點η。本發明實施例提供的單相半橋五電平逆變器，每種工作模態只有兩個開關管導通。下面結合附圖來對五種工作模態進行詳細分析。參見圖4，該圖為本發明實施例提供的單相半橋五電平逆變器處于第一模態對應的拓撲圖。第一模態第一開關管Tl和第三開關管Τ3導通，其余開關管均截止；其中沒有脈沖驅動的開關管在圖中以細實線示出，有脈沖驅動的開關管以及導通的路徑以粗實線示出。即圖4中的Τ2、Τ4、Τ5、Τ6、Τ7和Τ8均是不導通的，Τ2、Τ4、Τ6、Τ7和Τ8沒有脈沖驅動。 而Τ5有脈沖驅動，這是為了使Τ5的脈沖設計比較簡單，在這個模態為Τ5提供了高電平的脈沖信號。當第二節點a流出電流時，電流的路徑為T1-T3-Ll-Ve-L2-C2-Cl-Tl。當第二節點a流進電流時，電流的路徑為D3-Dl-Cl-C2-L2-Ve-Ll-D3。參見圖5，該圖為本發明實施例提供的單相半橋五電平逆變器處于第二模態對應的拓撲圖。第二模態第二開關管T2和第三開關管T3導通，其余開關管均截止；其中沒有脈沖驅動的開關管在圖中以細實線示出，有脈沖驅動的開關管以及導通的路徑以粗實線示出。即圖5中的T1、T4、T5、T6、T7和Τ8均是不導通的，T1JLT6J7和Τ8沒有脈沖驅動， 而Τ5有脈沖驅動，這是為了使Τ5的脈沖設計比較簡單，在這個模態為Τ5提供了高電平的脈沖信號。當第二節點a流出電流時，電流的路徑為D2-T3-Ll-Ve-L2-C2-D2。當第二節點a 流進電流時，電流的路徑為D3-T2-C2-L2-Ve-Ll-D3。參見圖6，該圖為本發明實施例提供的單相半橋五電平逆變器處于第三模態對應的拓撲圖。第三模態第四開關管T4和第五開關管T5導通，其余開關管均截止；不導通的開關管在圖中以細實線示出，導通的路徑以粗實線示出。當第二節點a流出電流時，電流的路徑為T5-D4-Ll-Ve-L2-T5。當第二節點a流進電流時，電流的路徑為=iM-DS-I^-Ve-LlH參見圖7，該圖為本發明實施例提供的單相半橋五電平逆變器處于第四模態對應的拓撲圖。第四模態第四開關管T4、第六開關管T6和第七開關管T7導通，其余開關管均截止；不導通的開關管在圖中以細實線示出，導通的路徑以粗實線示出。當第二節點a流出電流時，電流的路徑為T7-D6-D4-Ll-Ve-L2-C3-T7。當第二節點a流進電流時，電流的路徑為=TtTe-DT-CS-I^-Ve-LlH參見圖8，該圖為本發明實施例提供的單相半橋五電平逆變器處于第五模態對應的拓撲圖。第五模態第四開關管T4、第六開關管T6和第八開關管T8導通，其余開關管均截止；不導通的開關管在圖中以細實線示出，導通的路徑以粗實線示出。當第二節點a流出電流時，電流的路徑為D8-D6-D4-Ll-Ve-L2-C3-C4-D8。當第二節點a流進電流時，電流的路徑為=TtTe-TS-W-CS-I^-Ve-LlH參見圖9，該圖為本發明實施例提供的單相半橋五電平逆變器中八個開關的導通時序圖。圖9中的S1-S8分別為開關管T1-T8的柵極驅動信號。當開關管的驅動信號為高電平時，對應的開關管導通，當開關管的驅動信號為低電平時，對應的開關管截止。圖9中的Van是圖3中節點a和節點η之間的電壓。圖9中上端的波形包括兩個三角波(分別是第一三角波A和第二三角波B)和一個正弦波Ζ，這個正弦波Z與兩個三角波進行比較產生S1-S8。所述第一三角波Α、第二三角波B具有相同的頻率和相同的幅值，且所述第一三角波A的波谷等于第二三角波B的波峰。所述第一開關管Tl的導通時序由正弦波Z和第一三角波A進行比較產生，所述正弦波Z大于所述第一三角波A時，所述第一開關管Tl導通，反之截止；所述第二開關管Τ2的導通時序由所述正弦波Z與第一三角波A和第二三角波B 進行比較產生，所述正弦波Z大于所述第二三角波B且小于所述第一三角波A時，所述第二開關管Τ2導通，反之截止；所述第三開關管Τ3的導通時序由所述正弦波Z和所述第二三角波B進行比較產生，所述正弦波Z大于所述第二三角波B時，所述第三開關管Τ3導通，反之截止；所述第四開關管Τ4的導通時序由所述正弦波Z和所述第二三角波B進行比較產生，所述正弦波Z小于所述第二三角波B時，所述第四開關管Τ4導通，反之截止；第五開關管Τ5的導通時序與第四開關管Τ4的導通時序關于正弦波Z的正半周和負半周對調；第六開關管Τ6的導通時序與第三開關管Τ3的導通時序關于正弦波Z的正半周和負半周對調；
第七開關管T7的導通時序與第二開關管T2的導通時序關于正弦波Z的正半周和負半周對調；第八開關管T8的導通時序與第一開關管Tl的導通時序關于正弦波Z的正半周和負半周對調。以上實施例提供的均是單相半橋五電平逆變器，可以理解的是，由單相半橋可以組成單相全橋、三相三線制以及三相四線制拓撲。下面分別予以介紹。參見圖10，該圖為本發明實施例提供的單相半橋五電平逆變器拓撲單元等效圖。將圖3中的單相半橋五電平逆變器中的第二節點a定義為拓撲單元的AC引出端， Tl的第一端定義為拓撲單元的DC+引出端，T8的第二端定義為拓撲單元的DC-引出端，T2 的第二端定義為拓撲單元的Ml引出端，T4的第二端定義為拓撲單元的M2引出端，T7的第一端定義為拓撲單元的M3引出端。拓撲單元的Ml引出端連接圖3中的Cl和C2的公共端，M2引出端連接圖3中的 C2和C3的公共端，M3引出端連接圖3中的C3和C4的公共端。圖3中的單相半橋五電平逆變器等效后的拓撲單元示意圖如圖10所示。參見圖11，該圖為本發明實施例提供的單相全橋五電平逆變器拓撲圖。單相全橋五電平逆變器包括兩個所述單相半橋五電平逆變器，分別是第一單相半橋五電平逆變器和第二單相半橋五電平逆變器；將這兩個單相半橋五電平逆變器等效為圖 10所示的拓撲單元。如圖11所示，兩個拓撲單元的DC+端連接在一起，然后連接直流電源的正端； DC-端連接在一起，然后連接直流電源的負端。兩個拓撲單元的Ml連接在一起，然后連接Cl和C2的公共端；M2連接在一起，然后連接C2和C3的公共端；M3連接在一起，然后連接C3和C4的公共端。兩個拓撲單元的AC為該單相全橋五電平逆變器的兩個交流輸出端。需要說明的是，所述第一單相半橋五電平逆變器由第一正弦波進行調制，所述第二單相半橋五電平逆變器由第二正弦波進行調制；所述第一正弦波和第二正弦波的相位相差180度。參見圖12，該圖為本發明實施例提供的三相三線制五電平逆變器拓撲圖。該圖與圖11的區別是，包括三個圖10所示的拓撲單元，即包括三個所述單相半橋五電平逆變器。這三個單相半橋逆變器的連接與圖11中的兩個單相半橋逆變器的連接方式相同，如圖12所示，在此不再贅述。需要說明的是，所述第一單相半橋五電平逆變器由第一正弦波進行調制，第二單相半橋五電平逆變器由第二正弦波進行調制，第三單相半橋五電平逆變器由第三正弦波進行調制；第一正弦波、第二正弦波和第三正弦波的相位依次相差120度。這三個拓撲單元的AC為該三相三線制五電平逆變器的三個交流輸出端。參見圖13，該圖為本發明實施例提供的三相四線制五電平逆變器拓撲圖。該圖與圖11的區別是，包括四個圖10所示的拓撲單元，即包括四個所述單相半橋五電平逆變器。這四個單相半橋逆變器的連接與圖11中的兩個單相半橋逆變器的連接方式相同，如圖13所示，在此不再贅述。
這四個拓撲單元的AC為該三相四線制五電平逆變器的四個交流輸出端。需要說明的是，本發明實施例提供的單相半橋五電平逆變器使用的半導體器件較少，造成的功耗較低，因此效率較高，可以理解的是，由該單相半橋五電平逆變器組成的單相全橋、三相三線制以及三相四線制五電平逆變器同樣具有該優點。需要說明的是，以上實施例中均是以直流電源被逆變器逆變為交流電以后并網運行的過程，圖中Ve代表電網。可以理解的是，該逆變器也可以應用于離網運行的過程，圖中 Vg的部分用負載代替便是離網運行的情況。以上所述，僅是本發明的較佳實施例而已，并非對本發明作任何形式上的限制。雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然而并非用以限定本發明。任何熟悉本領域的技術人員，在不脫離本發明技術方案范圍情況下，都可利用上述揭示的方法和技術內容對本發明技術方案做出許多可能的變動和修飾，或修改為等同變化的等效實施例。因此，凡是未脫離本發明技術方案的內容，依據本發明的技術實質對以上實施例所做的任何簡單修改、等同變化及修飾，均仍屬于本發明技術方案保護的范圍內。
權利要求
1.一種單相半橋五電平逆變器，其特征在于，包括第一開關管、第二開關管、第三開關管、第四開關管、第五開關管、第六開關管、第七開關管和第八開關管；每個所述開關管反向并聯一個二極管；直流電源的正端通過依次串聯的第一電容、第二電容、第三電容和第四電容連接直流電源的負端；第一開關管的第一端連接第一電容的第一端，第一開關管的第二端連接第一節點； 第二開關管的第一端連接第一節點，第二開關管的第二端連接第二電容的第一端； 第三開關管的第一端連接第一節點，第三開關管的第二端連接第二節點； 第四開關管的第一端連接第二節點，第四開關管的第二端連接第三節點； 第五開關管的第一端連接第三電容的第一端，第五開關管的第二端連接第三節點； 第六開關管的第一端連接第三節點，第六開關管的第二端連接第四節點； 第七開關管的第一端連接第四電容的第一端，第七開關管的第二端連接第四節點； 第八開關管的第一端連接第四節點，第八開關管的第二端連接直流電源的負端； 第二節點作為該逆變器的一個交流輸出端，第五開關管的第一端作為該逆變器的另一個交流輸出端。
2.根據權利要求1所述的單相半橋五電平逆變器，其特征在于，所述開關管均為IGBT 管，所述第一端為集電極，第二端為發射極。
3.根據權利要求1或2所述的單相半橋五電平逆變器，其特征在于，還包括第一電感、 第二電感和電容；所述第二節點通過依次串聯的第一電感、電容和第二電感連接第二電容和第三電容的公共端。
4.根據權利要求1所述的單相半橋五電平逆變器，其特征在于，該單相半橋五電平逆變器對應的五個電平工作模態分別為第一模態第一開關管和第三開關管導通，其余開關管均截止； 第二模態第二開關管和第三開關管導通，其余開關管均截止； 第三模態第四開關管和第五開關管導通，其余開關管均截止； 第四模態第四開關管、第六開關管和第七開關管導通，其余開關管均截止； 第五模態第四開關管、第六開關管和第八開關管導通，其余開關管截止。
5.根據權利要求4所述的單相半橋五電平逆變器，其特征在于，所述第一開關管的導通時序由正弦波和第一三角波進行比較產生，所述正弦波大于所述第一三角波時，所述第一開關管導通，反之截止；所述第二開關管的導通時序由所述正弦波與第一三角波和第二三角波進行比較產生， 所述正弦波大于所述第二三角波且小于所述第一三角波時，所述第二開關管導通，反之截止；所述第三開關管的導通時序由所述正弦波和所述第二三角波進行比較產生，所述正弦波大于所述第二三角波時，所述第三開關管導通，反之截止；所述第四開關管的導通時序由所述正弦波和所述第二三角波進行比較產生，所述正弦波小于所述第二三角波時，所述第四開關管導通，反之截止；第五開關管的導通時序與第四開關管的導通時序關于正弦波的正半周和負半周對調；第六開關管的導通時序與第三開關管的導通時序關于正弦波的正半周和負半周對調；第七開關管的導通時序與第二開關管的導通時序關于正弦波的正半周和負半周對調；第八開關管的導通時序與第一開關管的導通時序關于正弦波的正半周和負半周對調。
6.一種權利要求1所述逆變器的應用電路，其特征在于，包括兩個所述單相半橋五電平逆變器，分別是第一單相半橋五電平逆變器和第二單相半橋五電平逆變器；第一單相半橋五電平逆變器和第二單相半橋五電平逆變器中的第一開關管的第一端連接在一起均連接直流電源的正端；第一單相半橋五電平逆變器和第二單相半橋五電平逆變器中的第八開關管的第二端連接在一起均連接直流電壓的負端；第一單相半橋五電平逆變器和第二單相半橋五電平逆變器中第二開關管的第二端均連接在一起均連接第一電容和第二電容的公共端；第五開關管的第一端均連接第二電容和第三電容的公共端；第七開關管的第一端均連接在一起連接第三電容和第四電容的公共端；第一單相半橋五電平逆變器的第二節點和第二單相半橋五電平逆變器的第二節點分別作為該應用電路的兩個交流輸出端。
7.根據權利要求6所述的逆變器的應用電路，其特征在于，所述第一單相半橋五電平逆變器由第一正弦波進行調制，所述第二單相半橋五電平逆變器由第二正弦波進行調制；所述第一正弦波和第二正弦波的相位相差180度。
8.—種權利要求1所述逆變器的應用電路，其特征在于，包括三個所述單相半橋五電平逆變器，分別是第一單相半橋五電平逆變器、第二單相半橋五電平逆變器和第三單相半橋五電平逆變器；第一單相半橋五電平逆變器、第二單相半橋五電平逆變器和第三單相半橋五電平逆變器中的第一開關管的第一端連接在一起均連接直流電源的正端；第一單相半橋五電平逆變器、第二單相半橋五電平逆變器和第三單相半橋五電平逆變器中的第八開關管的第二端連接在一起均連接直流電壓的負端；第一單相半橋五電平逆變器、第二單相半橋五電平逆變器和第三單相半橋五電平逆變器中第二開關管的第二端均連接在一起均連接第一電容和第二電容的公共端；第五開關管的第一端均連接第二電容和第三電容的公共端；第七開關管的第一端均連接在一起連接第三電容和第四電容的公共端；第一單相半橋五電平逆變器的第二節點、第二單相半橋五電平逆變器的第二節點和第三單相半橋五電平逆變器的第二節點分別作為該應用電路的三個交流輸出端。
9.根據權利要求8所述的逆變器的應用電路，其特征在于，所述第一單相半橋五電平逆變器由第一正弦波進行調制，第二單相半橋五電平逆變器由第二正弦波進行調制，第三單相半橋五電平逆變器由第三正弦波進行調制；第一正弦波、第二正弦波和第三正弦波的相位依次相差120度。
10.一種權利要求1所述逆變器的應用電路，其特征在于，包括四個所述單相半橋五電平逆變器，分別是第一單相半橋五電平逆變器、第二單相半橋五電平逆變器、第三單相半橋五電平逆變器和第四單相半橋五電平逆變器；第一單相半橋五電平逆變器、第二單相半橋五電平逆變器、第三單相半橋五電平逆變器和第四單相半橋五電平逆變器中的第一開關管的第一端連接在一起均連接直流電源的正端；第一單相半橋五電平逆變器、第二單相半橋五電平逆變器、第三單相半橋五電平逆變器和第四單相半橋五電平逆變器中的第八開關管的第二端連接在一起均連接直流電壓的負端；第一單相半橋五電平逆變器、第二單相半橋五電平逆變器、第三單相半橋五電平逆變器和第四單相半橋五電平逆變器中第二開關管的第二端均連接在一起均連接第一電容和第二電容的公共端；第五開關管的第一端均連接第二電容和第三電容的公共端；第七開關管的第一端均連接在一起連接第三電容和第四電容的公共端；第一單相半橋五電平逆變器的第二節點、第二單相半橋五電平逆變器的第二節點、第三單相半橋五電平逆變器的第二節點和第四單相半橋五電平逆變器的第二節點分別作為該應用電路的四個交流輸出端。
全文摘要
本發明提供一種單相半橋五電平逆變器及其應用電路，其中單相半橋五電平逆變器包括八個開關管以及八個二極管，不包括現有技術中的箝位二極管和飛跨電容，現有技術中的五電平逆變器不可以去掉箝位二極管是因為這些二極管不但為電流提供通路，而且起到了電容不被短路的作用，而本發明提供的五電平逆變器利用八個開關管自身反向并聯的二極管就可以為電流提供通路，以及保證電容不被短路的作用。這樣保證整個逆變器中的半導體器件較少，損耗較小，效率較高，體積也小，進而成本也低。現有技術中的飛跨電容是為了生成多電平，由于電容本身成本較高；而本發明實施例舍棄用電容來生成多電平，成本低。
文檔編號H02M7/5387GK102437769SQ20111031478
公開日2012年5月2日 申請日期2011年10月17日 優先權日2011年10月17日
發明者倪華, 傅立秦, 曹仁賢, 汪洪亮 申請人:陽光電源股份有限公司