CN104682736A - 五电平整流器 - Google Patents

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Abstract

本发明揭露一种五电平整流器。五电平整流器包括第一、第二、第三、第四功率半导体开关、第一、第二直流母线电容器、相电容器与第一、第二、第三、第四二极管模块，其中第一、第二、第三、第四二极管模块串接，第一、第二直流母线电容器串接，第二、第三功率半导体开关串接。第一二极管模块连接第一直流母线电容器与第一功率半导体开关，第四二极管模块连接第二直流母线电容器与第四功率半导体开关，相电容器的一端连接第一、第二功率半导体开关，相电容器的另一端连接第三、第四功率半导体开关。

Description

五电平整流器
技术领域
本发明是有关于一种多电平整流器，且特别是有关于一种五电平整流器。
背景技术
随着电力电子及控制技术的不断发展，诸多领域对大功率电力电子变换器的需求日益旺盛，比如电机调速、新能源发电以及智能电网等，并且电力电子变换器正朝着高压、大功率、高功率密度、高可靠性、低成本的方向发展。相比于两电平，多电平变换技术具有较低的谐波和电磁干扰，较好的电能质量等优点，可有效减少滤波器体积和成本；但同时，多电平变换器的半导体功率开关数量显着增多，控制逻辑较为复杂，因此也影响了多电平变换技术的进一步推广和应用。
为提高变换器电压等级，多种多电平技术得到广泛研究和应用，其中包括二极管中点箝位（Neutral Point Clamped，NPC）多电平技术、飞跨电容箝位多电平技术、有源中点箝位（Active neutral point clamped,ANPC）多电平技术、级联H桥（Cascaded H-bridge,CHB）多电平技术，以及模块组合多电平变换器（Modular Multilevel Converter,MMC）技术等。然而，前述技术应用在五电平拓扑结构中功率半导体开关至少需8个以上，由于功率半导体开关数量较多，因此功率半导体开关控制难度较大。再者，CHB以及MMC应用在五电平拓扑结构中均需要两个独立的直流电压源，变换器的成本较高、可靠性较低。
为了解决上述问题，相关领域莫不费尽心思来谋求解决之道，但长久以来一直未见适用的方式被发展完成。因此，如何能减少功率半导体开关数量，从而简化控制逻辑，实属当前重要研发课题之一，亦成为当前相关领域极需改进的目标。
发明内容
本发明的一方面是在提供结构简单的五电平整流器，在改善谐波、电磁干扰，提升电能质量的同时，具有较少的功率半导体开关和较为简单的控制逻辑。
于一实施例中，本发明所提供的五电平整流器包括第一功率半导体开关、第二功率半导体开关、第三功率半导体开关、第四功率半导体开关、第五功率半导体开关、第六功率半导体开关、第一直流母线电容器、第二直流母线电容器、相电容器、第一二极管模块与第二二极管模块。第一功率半导体开关具有第一端与第二端；第二功率半导体开关具有第一端与第二端；第三功率半导体开关具有第一端与第二端，其中第二功率半导体开关的第二端连接第三功率半导体开关的第一端；第四功率半导体开关具有第一端与第二端；第五功率半导体开关具有第一端与第二端；第六功率半导体开关具有第一端与第二端；第一二极管模块具有阳极与阴极，其中第一二极管模块的阳极、第一功率半导体开关的第一端与第五功率半导体开关的第一端彼此相连；第一直流母线电容器具有正极性端与负极性端，其中第一直流母线电容器的正极性端连接第一二极管模块的阴极；第二直流母线电容器具有正极性端与负极性端，其中第一直流母线电容器的负极性端、第二直流母线电容器的正极性端、第五功率半导体开关的第二端与第六功率半导体开关的第一端彼此相连；相电容器具有正极性端与负极性端，其中第一功率半导体开关的第二端、第二功率半导体开关的第一端与相电容器的正极性端彼此相连，第三功率半导体开关的第二端、第四功率半导体开关的第一端与相电容器的负极性端彼此相连；第二二极管模块具有阳极与阴极，其中第六功率半导体开关的第二端、第四功率半导体开关的第二端与第二二极管模块的阴极彼此相连，第二二极管模块的阳极连接第二直流母线电容器的负极性端。
于一实施例中，第一功率半导体开关、第二功率半导体开关、第三功率半导体开关、第四功率半导体开关、第五功率半导体开关与第六功率半导体开关中每一者均为绝缘栅双极型晶体管、门极可关断晶闸管或集成门极换流晶闸管。
于一实施例中，第一功率半导体开关、第二功率半导体开关、第三功率半导体开关、第四功率半导体开关、第五功率半导体开关与第六功率半导体开关中每一者均包括多个绝缘栅双极型晶体管，这些绝缘栅双极型晶体管是串联、并联或是串、并联的组合。
于一实施例中，第一直流母线电容器、第二直流母线电容器与相电容器中每一者均包括多个电容元件，这些电容元件是串联、并联或是串、并联的组合。
于一实施例中，第一二极管模块与第二二极管模块中每一者均包括多个二极管，这些二极管是串联、并联或是串、并联的组合。
于另一实施例中，本发明所提供的三相五电平整流器包含三相桥臂，每相桥臂为上述的五电平整流器，每相桥臂并联连接。
于另一实施例中，本发明所提供的五电平整流器包括第一功率半导体开关、第二功率半导体开关、第三功率半导体开关、第四功率半导体开关、第一直流母线电容器、第二直流母线电容器、相电容器、第一二极管模块、第二二极管模块、第三二极管模块与第四二极管模块。第一功率半导体开关具有第一端与第二端；第二功率半导体开关具有第一端与第二端；第三功率半导体开关具有第一端与第二端，其中第二功率半导体开关的第二端连接第三功率半导体开关的第一端；第四功率半导体开关具有第一端与第二端；第一直流母线电容器具有正极性端与负极性端；第二直流母线电容器具有正极性端与负极性端；第一二极管模块具有阳极与阴极，其中第一直流母线电容器的正极性端连接第一二极管模块的阴极；第二二极管模块具有阳极与阴极，其中第一二极管模块的阳极、第二二极管模块的阴极与第一功率半导体开关的第一端彼此相连；第三二极管模块具有阳极与阴极，其中第一直流母线电容器的负极性端、第二直流母线电容器的正极性端、第二二极管模块的阳极与第三二极管模块的阴极彼此相连；相电容器具有正极性端与负极性端，其中第一功率半导体开关的第二端、第二功率半导体开关的第一端与相电容器的正极性端彼此相连，第三功率半导体开关的第二端、第四功率半导体开关的第一端与相电容器的负极性端彼此相连；第四二极管模块具有阳极与阴极，其中第四功率半导体开关的第二端、第三二极管模块的阳极与第四二极管模块的阴极彼此相连，第四二极管模块的阳极连接第二直流母线电容器的负极性端彼此相连。
于另一实施例中，第一功率半导体开关、第二功率半导体开关、第三功率半导体开关与第四功率半导体开关中每一者均为绝缘栅双极型晶体管、门极可关断晶闸管或集成门极换流晶闸管。
于另一实施例中，第一功率半导体开关、第二功率半导体开关、第三功率半导体开关与第四功率半导体开关中每一者均包括多个绝缘栅双极型晶体管，这些绝缘栅双极型晶体管是串联、并联或是串、并联的组合。
于另一实施例中，第一直流母线电容器、第二直流母线电容器与相电容器中每一者均包括多个电容元件，这些电容元件是串联、并联或是串、并联的组合。
于另一实施例中，第一二极管模块、第二二极管模块、第三二极管模块与第四二极管模块中每一者均包括多个二极管，这些二极管是串联、并联或是串、并联的组合。
于另一实施例中，本发明所提供的三相五电平整流器包含三相桥臂，每相桥臂为上述的五电平整流器，每相桥臂并联连接。
综上所述，本发明的技术方案与现有技术相比具有明显的优点和有益效果。本发明针对不需要能量回馈的应用场合，提供了结构简单的五电平整流器，在改善谐波、电磁干扰，提升电能质量的同时，具有较少的功率半导体开关、较为简单的控制逻辑、每相仅需一个独立直流电压源等优点，可以有效解决公知的五电平脉冲调制整流技术中遇到的问题。
以下将以实施方式对上述的说明作详细的描述，并对本发明的技术方案提供更进一步的解释。
附图说明
为让本发明的上述和其他目的、特征、优点与实施例能更明显易懂，所附附图的说明如下：
图1是依照本发明一实施例的一种五电平整流器的一相桥臂的电路图；
图2是图1的五电平整流器的桥臂的电流i与节点O至中点N的电压VON的关系图；
图3是基于图1的五电平整流器的桥臂所拓扑而成的三相五电平整流器的电路图；
图4是依照本发明另一实施例的一种五电平整流器的一相桥臂电路图；
图5是图4的五电平整流器的桥臂的电流i与节点O至中点N的电压VON的关系图；
图6是基于图4的五电平整流器的桥臂所拓扑而成的三相五电平整流器的电路图；
图7A、7B、7C分别是依照本发明多个实施例的功率半导体开关内部架构的示意图；
图8A、8B、8C分别是依照本发明多个实施例的电容器内部架构的示意图；以及
图9A、9B、9C分别是依照本发明多个实施例的二极管模块内部架构的示意图。
具体实施方式
为了使本发明的叙述更加详尽与完备，可参照所附的附图及以下所述各种实施例，附图中相同的号码代表相同或相似的元件。另一方面，众所周知的元件与步骤并未描述于实施例中，以避免对本发明造成不必要的限制。
图1是依照本发明一实施例的一种五电平整流器100的一相桥臂的电路图。如图1所示，五电平整流器100包括第一功率半导体开关S1、第二功率半导体开关S2、第三功率半导体开关S3、第四功率半导体开关S4、第五功率半导体开关S5、第六功率半导体开关S6、第一直流母线电容器C1、第二直流母线电容器C2、相电容器C3、第一二极管模块D1与第二二极管模块D2。
于图1中，第一功率半导体开关S1具有第一端（亦即，IGBT的漏极）与第二端（亦即，IGBT的源极）；第二功率半导体开关S2具有第一端与第二端；第三功率半导体开关S3具有第一端与第二端，其中第二功率半导体开关S2的第二端连接第三功率半导体开关S3的第一端；第四功率半导体开关S4具有第一端与第二端；第五功率半导体开关S5具有第一端与第二端；第六功率半导体开关S6具有第一端与第二端；第一二极管模块D1具有阳极与阴极，其中第一二极管模块D1的阳极、第一功率半导体开关S1的第一端与第五功率半导体开关S5的第一端彼此相连；第一直流母线电容器C1具有正极性端与负极性端，其中第一直流母线电容器C1的正极性端连接第一二极管模块D1的阴极；第二直流母线电容器C2具有正极性端与负极性端，其中第一直流母线电容器C1的负极性端、第二直流母线电容器C2的正极性端、第五功率半导体开关S5的第二端与第六功率半导体开关S6的第一端彼此相连；相电容器C3具有正极性端与负极性端，其中第一功率半导体开关S1的第二端、第二功率半导体开关S2的第一端与相电容器C3的正极性端彼此相连，第三功率半导体开关S3的第二端、第四功率半导体开关S4的第一端与相电容器C3的负极性端彼此相连；第二二极管模块D2具有阳极与阴极，其中第六功率半导体开关S6的第二端、第四功率半导体开关S4的第二端与第二二极管模块D2的阴极彼此相连，第二二极管模块D2的阳极连接第二直流母线电容器C2的负极性端。
在使用时，第一直流母线电容器C1与第二直流母线电容器C2可连接公共直流母线，以输出直流电压；相电容器C3用以稳定电压，节点O作为一相输入端，控制模块（图1中未示出）输出驱动信号，分别控制功率半导体开关S1–S6的启闭，使五电平整流器100得以进行整流。
相对于公知技术的五电平变换器中，每相需控制8组不同驱动信号的开关，本发明图1所提出的五电平整流器100中，每相只需控制6组不同驱动信号的功率半导体开关，因此控制逻辑较为简单。
实作上，于图1中，第一功率半导体开关S1、第二功率半导体开关S2、第三功率半导体开关S3、第四功率半导体开关S4、第五功率半导体开关S5与第六功率半导体开关S6中每一者均为绝缘栅双极型晶体管（Insulate GateBipolar Transistor,IGBT）或是其他全控型功率器件，比如：门极可关断晶闸管（GTO）、集成门极换流晶闸管（Integrated Gate-Commutated Thyristor,IGCT）等，本领域技术人员应视当时需要弹性选择。另外，第一功率半导体开关S1、第二功率半导体开关S2、第三功率半导体开关S3、第四功率半导体开关S4、第五功率半导体开关S5与第六功率半导体开关S6中每一者均可具有体二极管（body diode），当功率半导体开关被关闭时，若有逆向电流，就可以经由这个体二极管回流。
为了对五电平整流器100的工作原理做更进一步的描述，请参照图2，对相关参数规定如下：电流i流入整流器时方向为正，电流i流出整流器时方向为负；直流母线电容器C1与C2的电压均为Vbus/2，相电容C3的电压为Vbus/4；输出相电压为节点O至中点N的电压VON。
于图2中，对各状态下每个器件的开关状态及输出电平如下表所示：
S1 S2 S3 S4 S5 S6 D1 D2 VON
状态1 开通 开通 关断 关断 关断 关断 开通 关断 Vbus/2
状态2 开通 关断 开通 关断 关断 关断 开通 关断 Vbus/4
状态3 关断 开通 关断 开通 关断 开通 关断 关断 Vbus/4
状态4 关断 关断 开通 开通 关断 开通 关断 关断 0
状态5 开通 开通 关断 关断 开通 关断 关断 关断 0
状态6 开通 关断 开通 关断 开通 关断 关断 关断 -Vbus/4
状态7 关断 开通 关断 开通 关断 关断 关断 开通 -Vbus/4
状态8 关断 关断 开通 开通 关断 关断 关断 开通 -Vbus/2
状态1下输出相电压VON为Vbus/2，此时电流i流入整流器，其中第一功率半导体开关S1与第二功率半导体开关S2开通，电流i通过第二功率半导体开关S2的反并联二极管与第一功率半导体开关S1的反并联二极管，以及第一二极管模块D1，流入第一直流母线电容器C1的正极性端。
状态2、3下输出相电压VON为Vbus/4，此时电流i流入整流器。该状态下，相电容器C3参与工作，故相电容器C3会因相电流流过而产生电压波动；为维持相电容器C3电压稳定，此状态需能提供相电容器C3充、放电两条路径：
状态2下，第一功率半导体开关S1与第三功率半导体开关S3开通，电流i通过第三功率半导体开关S3、相电容器C3、第一功率半导体开关S1的反并联二极管，以及第一二极管模块D1，流入第一直流母线电容器C1的正极性端，此时相电容器C3在进行放电；
状态3下，第二功率半导体开关S2、第四功率半导体开关S4与第六功率半导体开关S6开通，电流i通过第二功率半导体开关S2的反并联二极管、相电容器C3、第四功率半导体开关S4，以及第六功率半导体开关S6的反并联二极管，流入母线电容中点N，此时相电容器C3在进行充电。
状态4下输出相电压VON为0，此时电流i流入整流器，其中第三功率半导体开关S3、第四功率半导体开关S4与第六功率半导体开关S6开通，电流i通过第三功率半导体开关S3、第四功率半导体开关S4与第六功率半导体开关S6的反并联二极管，流入直流母线电容的中点N。
状态5下输出相电压VON为0，此时电流流出整流器，其中第一功率半导体开关S1、第二功率半导体开关S2与第五功率半导体开关S5开通，电流i从直流母线电容的中点N，通过第五功率半导体开关S5的反并联二极管、第一功率半导体开关S1与第二功率半导体开关S2流出。
状态6、7下输出相电压VON为-Vbus/4，此时电流i流出整流器。该输出状态下，相电容器C3参与工作，为维持相电容器C3电压稳定，此状态需能提供相电容器C3充、放电两条路径：
状态6下，第一功率半导体开关S1、第三功率半导体开关S3与第五功率半导体开关S5开通，电流i从直流母线电容中点N，通过第五功率半导体开关S5的反并联二极管、第一功率半导体开关S1、相电容器C3、第三功率半导体开关S3的反并联二极管流出，此时相电容器C3在进行充电；
状态7下，第二功率半导体开关S2与第四功率半导体开关S4开通，电流i从第二直流母线电容器C2的负极性端，通过第二二极管模块D2、第四功率半导体开关S4的反并联二极管、相电容器C3和第二功率半导体开关S2流出，此时相电容器C3在进行放电。
状态8下输出相电压VON为-Vbus/2，此时电流i流出整流器，其中第三功率半导体开关S3与第四功率半导体开关S4开通。电流i从第二直流母线电容器C2的负极性端，通过第二二极管模块D2、第四功率半导体开关S4的反并联二极管与第三功率半导体开关S3的反并联二极管流出。
图3是基于图1的五电平整流器的桥臂所拓扑而成的三相五电平整流器200的电路图。如图2所示，节点A、B、C为三相输入端，每相桥臂的中点N（亦即，第五功率半导体开关S5的第二端与第六功率半导体开关S6的第一端彼此相连的连接点）与直流母线电容器C1、C2的中点N相连（亦即，第一直流母线电容器C1的负极性端和第二直流母线电容器C2的正极性端彼此相连的连接点）。如此，每相仅需一个独立直流电压源，可以有效解决公知的CHB以及MMC应用在五电平拓扑结构中所遇到的问题。
图4是依照本发明另一实施例的一种电五电平整流器的一相桥臂电路图。如图1所示，五电平整流器300包括第一功率半导体开关S1、第二功率半导体开关S2、第三功率半导体开关S3、第四功率半导体开关S4、第一直流母线电容器C1、第二直流母线电容器C2、相电容器C3、第一二极管模块D1、第二二极管模块D2、第三二极管模块D3与第四二极管模块D4。
在图4中，第一功率半导体开关S1具有第一端与第二端；第二功率半导体开关S2具有第一端与第二端；第三功率半导体开关S3具有第一端与第二端，其中第二功率半导体开关S2的第二端连接第三功率半导体S3开关的第一端；第四功率半导体开关S4具有第一端与第二端；第一直流母线电容器C1具有正极性端与负极性端；第二直流母线电容器C2具有正极性端与负极性端；第一二极管模块D1具有阳极与阴极，其中第一直流母线电容器C1的正极性端连接第一二极管模块D1的阴极；第二二极管模块D2具有阳极与阴极，其中第一二极管模块D1的阳极、第二二极管模块D2的阴极与第一功率半导体开关S1的第一端彼此相连；第三二极管模块D3具有阳极与阴极，其中第一直流母线电容器C1的负极性端、第二直流母线电容器C2的正极性端、第二二极管模块D2的阳极与第三二极管模块D3的阴极彼此相连；相电容器C3具有正极性端与负极性端，其中第一功率半导体开关S1的第二端、第二功率半导体开关S2的第一端与相电容器C3的正极性端彼此相连，第三功率半导体开关S3的第二端、第四功率半导体开关S4的第一端与相电容器C3的负极性端彼此相连；第四二极管模块D4具有阳极与阴极，其中第四功率半导体开关S4的第二端、第三二极管模块D3的阳极与第四二极管模块D4的阴极彼此相连，第四二极管模块D4的阳极连接第二直流母线电容器C2的负极性端彼此相连。
在使用时，第一直流母线电容器C1与第二直流母线电容器C2可连接公共直流母线，以输出直流电压；相电容器C3用以稳定电压，节点A作为一相输入端，并通过驱动信号分别控制功率半导体开关S1–S4的启闭，使五电平整流器300得以进行整流。在其他实施方式中，可以通过脉宽调制信号（Pulse With Modulation,PWM）、脉冲频率调制信号（Pulse FrequencyModulation,PFM）或脉冲幅度调制信号（Pulse Amplitude Modulation,PAM）等脉冲调制技术分别控制功率半导体开关S1–S4的启闭，使五电平整流器300得以进行整流。
相对于公知技术的五电平变换器中，每相需控制8组不同驱动信号的功率半导体开关，本发明图4所提出的五电平变换器300中，每相只需控制4组不同驱动信号的功率半导体开关，因此控制逻辑较为简单。
实作上，在图4中，第一功率半导体开关S1、第二功率半导体开关S2、第三功率半导体开关S3与第四功率半导体开关S4中每一者均为绝缘栅双极型晶体管或是其他全控型功率器件，比如：门极可关断晶闸管、集成门极换流晶闸管等，本领域技术人员应视当时需要弹性选择。另外，第一功率半导体开关S1、第二功率半导体开关S2、第三功率半导体开关S3与第四功率半导体开关S4中每一者均可具有体二极管，当功率半导体开关被关闭时，若有逆向电流，就可以经由这个体二极管回流。
为了对五电平整流器300的工作原理做更进一步描述，请参照图5，对相关参数规定如下：电流i流入整流器时方向为正，电流i流出整流器时方向为负；直流母线电容器C1与C2的电压均为Vbus/2，相电容C3的电压为Vbus/4；输出相电压为节点O至中点N的电压VON。
于图5中，对各状态下每个器件的开关状态及输出电平如下表所示：
S1 S2 S3 S4 D1 D2 D3 D4 VON
状态1 开通 开通 关断 关断 开通 关断 关断 关断 Vbus/2
状态2 开通 关断 开通 关断 开通 关断 关断 关断 Vbus/4
状态3 关断 开通 关断 开通 关断 关断 开通 关断 Vbus/4
状态4 关断 关断 开通 开通 关断 关断 开通 关断 0
状态5 开通 开通 关断 关断 关断 开通 关断 关断 0
状态6 开通 关断 开通 关断 关断 开通 关断 关断 -Vbus/4
状态7 关断 开通 关断 开通 关断 关断 关断 开通 -Vbus/4
状态8 关断 关断 开通 开通 关断 关断 关断 开通 -Vbus/2
状态1下输出相电压VON为Vbus/2，此时电流i流入整流器，其中S1与S2开通，电流i通过第二功率半导体开关S2的反并联二极管与第一功率半导体开关S1的反并联二极管、第一二极管模块D1流入第一直流母线电容器C1的正极性端。
状态2、3下输出相电压VON为Vbus/4，此时电流i流入整流器。该状态下，相电容器C3参与工作，为维持相电容器C3电压稳定，此状态需能提供相电容器C3充、放电两条路径：
状态2下，第一功率半导体开关S1与第三功率半导体开关S3开通，电流i通过第三功率半导体开关S3、相电容器C3、第一功率半导体开关S1的反并联二极管以及第一二极管模块D1，流入第一直流母线电容器C1的正极性端，此时相电容器C3在进行放电；
状态3下，第二功率半导体开关S2与第四功率半导体开关S4开通，电流i通过第二功率半导体开关S2的反并联二极管、相电容器C3、第四功率半导体开关S4以及第三二极管模块D3，流入直流母线电容的中点N，此时相电容器C3在进行充电。
状态4下输出相电压VON为0，此时电流i流入整流器，其中第三功率半导体开关S3、第四功率半导体开关S4与第三二极管模块D3开通，电流i通过第三功率半导体开关S3、第四功率半导体开关S4以及第三二极管模块D3，流入直流母线电容的中点N。
状态5下输出相电压VON为0，此时电流i流出整流器，其中第一功率半导体开关S1与第二功率半导体开关S2开通，电流i从直流母线电容的中点N，通过第二二极管模块D2、第一功率半导体开关S1与第二功率半导体开关S2流出。
状态6、7下输出相电压VON为-Vbus/4，此时电流i流出整流器。该状态下，相电容器C3参与工作，为维持相电容器C3电压稳定，此状态需能提供相电容器C3充、放电两条路径：
状态6下，第一功率半导体开关S1与第三功率半导体开关S3开通，电流i从直流母线电容的中点N，通过第二二极管模块D2、第一功率半导体开关S1、相电容器C3以及第三功率半导体开关S3的反并联二极管流出，此时相电容器C3在进行充电；
状态7下，第二功率半导体开关S2与第四功率半导体开关S4开通，电流i从第二直流母线电容器C2的负极性端，通过第四二极管模块D4、第四功率半导体开关S4的反并联二极管、相电容器C3以及第二功率半导体开关S2流出，此时相电容器C3在进行放电。
状态8下输出相电压VON为-Vbus/2，此时电流i流出整流器，其中第三功率半导体开关S3与第四功率半导体开关S4开通。电流i从第二直流母线电容器C2的负极性端，通过第四二极管模块D4、第四功率半导体开关S4的反并联二极管与第三功率半导体开关S3的反并联二极管流出。
图6是基于图4的五电平整流器的桥臂所拓扑而成的三相五电平整流器400的电路图。如图4所示，节点A、B、C为三相输入端，每相桥臂的中点N（亦即，第二二极管模块D2的阳极与第三二极管模块D3的阴极彼此相连的连接点）与直流母线电容C1、C2的中点N相连（亦即，第一直流母线电容器C1的负极性端与第二直流母线电容器C2的正极性端彼此连接的连接点）。如此，每相仅需一个独立直流电压源，可以有效解决公知的CHB以及MMC应用在五电平拓扑结构中所遇到的问题。
图7A、7B、7C分别是依照本发明多个实施例的功率半导体开关内部架构的示意图。实作上，上述各实施例中的功率半导体开关S1–S6中任一者的内部可设置一个或多个绝缘栅双极型晶体管500，这些绝缘栅双极型晶体管500是串联（如图7A所示）、并联（如图7B所示）或是串、并联的组合（如图7C所示）。应了解到，图7A、7B、7C中的绝缘栅双极型晶体管500的数量仅为例示，但此并不限制本发明，本领域技术人员应视当时需要弹性选择绝缘栅双极型晶体管500的数量及相应连接形式。
图8A、8B、8C分别是依照本发明多个实施例的电容器内部架构的示意图。实作上，上述各实施例中的第一直流母线电容器C1、第二直流母线电容器C2与相电容器C3中任一者的内部可设置一个或多个电容元件600，这些电容元件是串联（如图8A所示）、并联（如图8B所示）或是串、并联的组合（如图8C所示）。应了解到，图8A、8B、8C中的电容元件600的数量仅为例示，但此并不限制本发明，本领域技术人员应视当时需要弹性选择电容元件600的数量及相应连接形式。
图9A、9B、9C分别是依照本发明多个实施例的二极管模块内部架构的示意图。实作上，上述各实施例中的二极管模块D1–D4中任一者的内部可设置一个或多个二极管700，这些功率二极管700是串联（如图9A所示）、并联（如图9B所示）或是串、并联的组合（如图9C所示）。应了解到，图9A、9B、9C中的二极管700的数量仅为例示，但此并不限制本发明，本领域技术人员应视当时需要弹性选择二极管700的数量及相应连接形式。在一些实施例中，二极管模块D1–D4中任一者可以采用绝缘栅双极型晶体管、门极可关断晶闸管、集成门极换流晶闸管等功率半导体器件内部的体二极管。
综上所述，本发明针对不需要能量回馈的应用场合，提供了结构简单的五电平整流器，在改善谐波、电磁干扰，提升电能质量的同时，具有较少的半导体功率开关、较为简单的控制逻辑、每相仅需一个独立直流电压源等优点。
虽然本发明已以实施方式揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (12)

1.一种五电平整流器，其特征在于，包括：
一第一功率半导体开关，具有一第一端与一第二端；
一第二功率半导体开关，具有一第一端与一第二端；
一第三功率半导体开关，具有一第一端与一第二端，其中该第二功率半导体开关的第二端连接该第三功率半导体开关的第一端；
一第四功率半导体开关，具有一第一端与一第二端；
一第五功率半导体开关，具有一第一端与一第二端；
一第六功率半导体开关，具有一第一端与一第二端；
一第一二极管模块，具有一阳极与一阴极，其中该第一二极管模块的阳极、该第一功率半导体开关的第一端与该第五功率半导体开关的第一端彼此相连；
一第一直流母线电容器，具有一正极性端与一负极性端，其中该第一直流母线电容器的正极性端连接该第一二极管模块的阴极；
一第二直流母线电容器，具有一正极性端与一负极性端，其中该第一直流母线电容器的负极性端、该第二直流母线电容器的正极性端、该第五功率半导体开关的第二端与该第六功率半导体开关的第一端彼此相连；
一相电容器，具有一正极性端与一负极性端，其中该第一功率半导体开关的第二端、该第二功率半导体开关的第一端与该相电容器的正极性端彼此相连，该第三功率半导体开关的第二端、该第四功率半导体开关的第一端与该相电容器的负极性端彼此相连；以及
一第二二极管模块，具有一阳极与一阴极，其中该第六功率半导体开关的第二端、该第四功率半导体开关的第二端与该第二二极管模块的阴极彼此相连，该第二二极管模块的阳极连接该第二直流母线电容器的负极性端。
2.根据权利要求1所述的五电平整流器，其特征在于，该第一功率半导体开关、该第二功率半导体开关、该第三功率半导体开关、该第四功率半导体开关、该第五功率半导体开关与该第六功率半导体开关中每一者均为绝缘栅双极型晶体管、门极可关断晶闸管或集成门极换流晶闸管。
3.根据权利要求1所述的五电平整流器，其特征在于，该第一功率半导体开关、该第二功率半导体开关、该第三功率半导体开关、该第四功率半导体开关、该第五功率半导体开关与该第六功率半导体开关中每一者均包括多个绝缘栅双极型晶体管，所述多个绝缘栅双极型晶体管是串联、并联或是串、并联的组合。
4.根据权利要求1所述的五电平整流器，其特征在于，该第一直流母线电容器、该第二直流母线电容器与该相电容器中每一者均包括多个电容元件，所述多个电容元件是串联、并联或是串、并联的组合。
5.根据权利要求1所述的五电平整流器，其特征在于，该第一二极管模块与该第二二极管模块中每一者均包括多个二极管，所述二极管是串联、并联或是串、并联的组合。
6.一种三相五电平整流器，其特征在于，包含一三相桥臂，每相该桥臂为权利要求1-5中任一所述的五电平整流器，每相桥臂并联连接。
7.一种五电平整流器，其特征在于，包括：
一第一功率半导体开关，具有一第一端与一第二端；
一第二功率半导体开关，具有一第一端与一第二端；
一第三功率半导体开关，具有一第一端与一第二端，其中该第二功率半导体开关的第二端连接该第三功率半导体开关的第一端；
一第四功率半导体开关，具有一第一端与一第二端；
一第一直流母线电容器，具有一正极性端与一负极性端；
一第二直流母线电容器，具有一正极性端与一负极性端；
一第一二极管模块，具有一阳极与一阴极，其中该第一直流母线电容器的正极性端连接第一二极管模块的阴极；
一第二二极管模块，具有一阳极与一阴极，其中该第一二极管模块的阳极、该第二二极管模块的阴极与该第一功率半导体开关的第一端彼此相连；
一第三二极管模块，具有一阳极与一阴极，其中该第一直流母线电容器的负极性端、该第二直流母线电容器的正极性端、该第二二极管模块的阳极与该第三二极管模块的阴极彼此相连；
一相电容器，具有一正极性端与一负极性端，其中该第一功率半导体开关的第二端、该第二功率半导体开关的第一端与该相电容器的正极性端彼此相连，该第三功率半导体开关的第二端、该第四功率半导体开关的第一端与该相电容器的负极性端彼此相连；以及
一第四二极管模块，具有一阳极与一阴极，其中该第四功率半导体开关的第二端、该第三二极管模块的阳极与该第四二极管模块的阴极彼此相连，该第四二极管模块的阳极连接该第二直流母线电容器的负极性端彼此相连。
8.根据权利要求7所述的五电平整流器，其特征在于，该第一功率半导体开关、该第二功率半导体开关、该第三功率半导体开关与该第四功率半导体开关中每一者均为绝缘栅双极型晶体管、门极可关断晶闸管或集成门极换流晶闸管。
9.根据权利要求7所述的五电平整流器，其特征在于，该第一功率半导体开关、该第二功率半导体开关、该第三功率半导体开关与该第四功率半导体开关中每一者均包括多个绝缘栅双极型晶体管，所述多个绝缘栅双极型晶体管是串联、并联或是串、并联的组合。
10.根据权利要求7所述的五电平整流器，其特征在于，该第一直流母线电容器、该第二直流母线电容器与该相电容器中每一者均包括多个电容元件，所述多个电容元件是串联、并联或是串、并联的组合。
11.根据权利要求7所述的五电平整流器，其特征在于，该第一二极管模块、该第二二极管模块、该第三二极管模块与该第四二极管模块中每一者均包括多个二极管，所述多个二极管是串联、并联或是串、并联的组合。
12.一种三相五电平整流器，其特征在于，包含一三相桥臂，每相该桥臂为权利要求7-11中任一所述的五电平整流器，每相桥臂并联连接。
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