CN105450064A - 一种多电平逆变器 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例公开了一种多电平逆变器，包括：电源电路、第一电平控制电路及第一滤波电路；电源电路，用于向第一电平控制电路提供直流电压；第一电平控制电路，与电源电路连接，用于将所述直流电压转变为梯形波后输出到第一滤波电路，具体包括至少一个反相耦合的两绕组变压器、第一T型桥臂和第二T型桥臂，第一T型桥臂由第一横桥臂和第一竖桥臂连接而成，第二T型桥臂由第二横桥臂和第二竖桥臂连接而成，第一横桥臂与第一竖桥臂的交叉点与变压器的第一绕组的同名端连接，第二横桥臂与第二竖桥臂的交叉点与变压器的第二绕组的异名端连接；第一滤波电路，与第一电平控制电路连接，用于将梯形波转变为正弦波输出。采用本发明，可以提高转换效率。

Description

一种多电平逆变器
技术领域
本发明涉及逆变器领域，尤其涉及一种多电平逆变器。
背景技术
逆变器是一种可将直流电转换为交流电的装置，它是电机驱动变频器、感应加热装置、不间断电源(UPS)，及风能、太阳能光伏、与燃料电池等新能源发电***中的重要组成部分。
由于传统半桥两电平拓扑逆变器在变压器的逆变中点实现两电平正负对称的方波输出，使得该方波经过滤波电路后输出电压的谐波较大，从而降低了***的转换效率。
发明内容
本发明实施例所要解决的技术问题在于，提供一种多电平逆变器，可以在逆变器的变压器的逆变中点实现多电平梯形波输出，经滤波电路后减小输出电压的谐波，从而提高了***的转换效率。
本发明实施例提供了一种多电平逆变器，所述多电平逆变器包括电源电路、第一电平控制电路以及第一滤波电路，其中：
所述电源电路，用于向所述第一电平控制电路提供直流电压；
所述第一电平控制电路，与所述电源电路连接，包括至少一个反相耦合的两绕组变压器及第一T型桥臂和第二T型桥臂，所述第一T型桥臂由第一横桥臂和第一竖桥臂连接而成，所述第二T型桥臂由第二横桥臂和第二竖桥臂连接而成，所述第一横桥臂与所述第一竖桥臂的交叉点与所述反相耦合的两绕组变压器的第一绕组的同名端连接，所述第二横桥臂与所述第二竖桥臂的交叉点与所述反相耦合的两绕组变压器的第二绕组的异名端连接，所述第一电平控制电路用于将所述直流电压转变为具有多个电平值的梯形波后经所述反相耦合的两绕组变压器的第一绕组的异名端与第二绕组的同名端的连接点输出到所述第一滤波电路；
所述第一滤波电路，与所述第一电平控制电路的所述反相耦合的两绕组变压器的第一绕组的异名端与第二绕组的同名端的连接点连接，用于将所述具有多个电平值的梯形波转变为正弦波输出。
其中可选地，所述电源电路包括至少一个输入电源、第一输入滤波电容以及第二输入滤波电容：
所述第一输入滤波电容的正极与所述至少一个输入电源的正极连接，所述第二输入滤波电容的负极与所述至少一个输入电源的负极连接；
所述第一输入滤波电容的负极与所述第二输入滤波电容的正极连接，构成直流母线中点。
其中可选地，所述第一竖桥臂的两端分别连接在所述至少一个输入电源的两极，所述第一横桥臂的一端与所述直流母线中点连接，所述第一横桥臂的另一端与所述第一竖桥臂连接，所述第一横桥臂与所述第一竖桥臂的交叉点将所述第一竖桥臂分为上下两部分；
所述第一竖桥臂的上部分具体包括第一功率开关管以及第一体二极管，所述第一竖桥臂的下部分具体包括第一功率二极管，所述第一横桥臂具体包括第二功率开关管、第二体二极管以及第三功率二极管，所述第一功率开关管的集电极分别与所述第一体二极管的阴极和所述电源电路的电源的正极连接，所述第一功率开关管的发射极分别与所述第一体二极管的阳极、所述第二功率开关管的发射极、所述第二体二极管的阳极和所述第一功率二极管的阴极连接，所述第一功率二极管的阳极和所述至少一个输入电源的负极连接，所述第二功率开关管的集电极分别与所述第二体二极管的阴极和所述第三功率二极管的阴极连接，所述第三功率二极管的阳极和所述直流母线中点连接；
所述第二竖桥臂的两端分别连接在所述至少一个输入电源的两极，所述第二横桥臂的一端与所述直流母线中点连接，所述第二横桥臂的另一端与所述第二竖桥臂连接，所述第二横桥臂与所述第二竖桥臂的交叉点将所述第二竖桥臂分为上下两部分；
所述第二竖桥臂的上部分具体包括第二功率二极管，所述第二竖桥臂的下部分具体包括第四功率开关管以及第四体二极管，所述第二横桥臂具体包括第三功率开关管、第二体二极管以及第四功率二极管，所述第二功率二极管的阴极和所述电源电路的电源的正极连接，所述第二功率二极管的阳极分别与所述第三功率开关管的集电极、所述第三体二极管的阴极、所述第四功率开关管的集电极和所述第四体二极管的阴极连接，所述第三功率开关管的发射极分别与所述第三体二极管的阳极和所述第四功率二极管的阳极连接，所述第四功率二极管的阴极和所述直流母线中点连接，所述第四功率开关管的发射极分别与所述第四体二极管的阳极和所述至少一个输入电源的负极连接。
其中可选地，所述第一滤波电路包括输出滤波电感、输出滤波电容以及负载：
所述输出滤波电感的一端分别与所述反相耦合的两绕组变压器的第一绕组的异名端和第二绕组的同名端连接，构成逆变中点，所述输出滤波电感的另一端分别与所述输出滤波电容的正极和所述负载的一端连接，所述输出滤波电容的负极和所述负载的另一端连接。
其中可选地，所述四个功率开关管分别由第一驱动信号、第二驱动信号、第三驱动信号以及第四驱动信号驱动：
所述第一驱动信号由调制波和第一载波调制而成，所述第二驱动信号由所述调制波和第二载波调制而成，所述第三驱动信号由所述调制波和第三载波调制而成，所述第四驱动信号由所述调制波和第四载波调制而成；
所述调制波为正弦波，所述第一载波、所述第二载波、所述第三载波以及所述第四载波为三角波；
所述第三载波相对所述第一载波移相180度，所述第二载波的相位和所述第三载波的相位相差180度，所述第四载波的相位和所述第一载波的相位相差180度。
其中可选地，当所述第一功率开关管在一个开关周期内的占空比在大于0且小于0.5的区间时，所述电平控制电路向所述滤波电路输出第一方波，所述第一方波包括两种电平值，所述两种电平值包括1/4倍的所述至少一个输入电源的电压和0；
当所述第一功率开关管在一个开关周期内的占空比在大于0.5且小于1的区间时，所述电平控制电路向所述滤波电路输出第二方波，所述第二方波包括两种电平值，所述两种电平值包括1/4倍的所述至少一个输入电源的电压和1/2倍的所述至少一个输入电源的电压；
当所述第四功率开关管在一个开关周期内的占空比在大于0且小于0.5的区间时，所述电平控制电路向所述滤波电路输出第三方波，所述第三方波包括两种电平值，所述两种电平值包括-1/4倍的所述至少一个输入电源的电压和0；
当所述第四功率开关管在一个开关周期内的占空比在大于0.5且小于1的区间时，所述电平控制电路向所述滤波电路输出第四方波，所述第四方波包括两种电平值，所述两种电平值包括-1/4倍的所述至少一个输入电源的电压和-1/2倍的所述至少一个输入电源的电压。
其中可选地，所述多电平逆变器还包括第二电平控制电路以及第二滤波电路：
所述第二电平控制电路与所述第一电平控制电路结构一致，所述第二滤波电路与所述第一滤波电路结构一致，所述第一滤波电路与所述第二滤波电路并联后输出。
其中可选地，所述多电平逆变器包括第一至第八功率开关管，所述第一至第八功率开关管分别由第一驱动信号至第八驱动信号驱动：
所述第一驱动信号由调制波和第一载波调制而成，所述第二驱动信号由所述调制波和第二载波调制而成，所述第三驱动信号由所述调制波和第三载波调制而成，所述第四驱动信号由所述调制波和第四载波调制而成，所述第五驱动信号由所述调制波和第五载波调制而成，所述第六驱动信号由所述调制波和第六载波调制而成，所述第七驱动信号由所述调制波和第七载波调制而成，所述第八驱动信号由所述调制波和第八载波调制而成；
所述调制波为正弦波，所述第一载波、所述第二载波、所述第三载波、所述第四载波、所述第五载波、所述第六载波、所述第七载波以及所述第八载波为三角波；
所述第三载波相对所述第一载波移相180度，所述第二载波的相位和所述第三载波的相位相差180度，所述第四载波的相位和所述第一载波的相位相差180度，所述第五载波相对所述第一载波移相180度，所述第七载波相对所述第五载波移相180度，所述第六载波的相位和所述第七载波的相位相差180度，所述第八载波的相位和所述第五载波的相位相差180度。
其中可选地，所述多电平逆变器还包括第五功率开关管、第五体二极管、第六功率开关管以及第六体二极管：
所述第五体二极管的阴极分别与所述至少一个输入电源的正极和所述第五功率开关管的集电极连接，所述第五体二极管的阳极分别与所述第五功率开关管的发射极、所述第六体二极管的阴极、所述第六功率开关管的集电极和所述输出滤波电容以及所述输出负载的另一端连接，所述第六体二极管的阳极分别与所述第六功率开关管的发射极和所述至少一个输入电源的负极连接。
其中可选地，所述第一至第六功率开关管分别由第一至第六驱动信号驱动：
所述第一驱动信号由调制波和第一载波调制而成，所述第二驱动信号由所述调制波和第二载波调制而成，所述第三驱动信号由所述调制波和第三载波调制而成，所述第四驱动信号由所述调制波和第四载波调制而成，所述第五驱动信号由所述调制波和第五载波调制而成，所述第六驱动信号由所述调制波和第六载波调制而成；
所述调制波为正弦波，所述第一载波、所述第二载波、所述第三载波、所述第四载波、所述第五载波以及所述第六载波为三角波；
所述第三载波相对所述第一载波移相180度，所述第二载波的相位和所述第三载波的相位相差180度，所述第四载波的相位和所述第一载波的相位相差180度，所述第五载波相对所述第一载波移相180度，所述第六载波的相位和所述第五载波的相位相差180度。
其中可选地，所述多电平逆变器还包括第三电平控制电路、第四电平控制电路、第三滤波电路以及第四滤波电路：
所述第三电平控制电路、所述第四电平控制电路与所述第一电平控制电路结构一致，所述第三滤波电路、所述第四滤波电路与所述第一滤波电路结构一致，所述第一输出滤波电感经过所述第一输出滤波电容实现A相输出，所述第三输出滤波电感经过所述第三输出滤波电容实现B相输出，所述第四输出滤波电感经过所述第四输出滤波电容实现C相输出。
其中可选地，所述第一至第十二个功率开关管分别由第一至第十二个驱动信号驱动：
所述第一驱动信号由调制波和第一载波调制而成，所述第二驱动信号由所述调制波和第二载波调制而成，所述第三驱动信号由所述调制波和第三载波调制而成，所述第四驱动信号由所述调制波和第四载波调制而成，所述第五驱动信号由所述调制波和第五载波调制而成，所述第六驱动信号由所述调制波和第六载波调制而成，所述第七驱动信号由所述调制波和第七载波调制而成，所述第八驱动信号由所述调制波和第八载波调制而成，所述第九驱动信号由所述调制波和第九载波调制而成，所述第十驱动信号由所述调制波和第十载波调制而成，所述第十一驱动信号由所述调制波和第十一载波调制而成，所述第十二驱动信号由所述调制波和第十二载波调制而成；
所述调制波为正弦波，所述第一载波、所述第二载波、所述第三载波、所述第四载波、所述第五载波、所述第六载波、所述第七载波、所述第八载波、所述第九载波、所述第十载波、所述第十一载波以及所述第十二载波为三角波；
所述第三载波的相位相对所述第一载波的相位平移180度，所述第二载波的相位和所述第三载波的相位相差180度，所述第四载波的相位和所述第一载波的相位相差180度，所述第五载波相对所述第一载波移相120度，所述第七载波相对所述第五载波移相180度，所述第六载波的相位和所述第七载波的相位相差180度，所述第八载波的相位和所述第五载波的相位相差180度，所述第九载波相对所述第五载波移相120度，所述第十一载波相对所述第九载波移相180度，所述第十载波的相位和所述第十一载波的相位相差180度，所述第十二载波的相位和所述第九载波的相位相差180度。
实施本发明实施例，具有如下有益效果：通过控制功率开关管的占空比，以使逆变器的变压器的逆变中点电压具有多个电平值。现有技术中，逆变中点输出一个正负对称的方波，使得该方波经滤波电路后输出的正弦波谐波较大，降低了***的转换效率。而与现有技术相比，本发明可以在逆变中点输出具有多电平值的梯形波，使得该梯形波经过滤波电路后更容易转变为正弦波，且输出电压电平数越多，梯形波就无线接近正弦波，越接近正弦波输出谐波也就越小，从而***的转换效率越高。因此采用本发明，可以提高***的转换效率。
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，下面将对实施例或现有技术描述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是本发明实施例提供的一种多电平逆变器的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的一种多电平逆变器的拓扑电路图；
图3是本发明实施例中占空比(D)<0.5时正弦波正半周的驱动信号、输出中的电源以及变压器激磁电流的波形图；
图4是本发明实施例中占空比(D)>0.5时正弦波正半周的驱动信号、输出中的电源以及变压器激磁电流的波形图；
图5是本发明另一实施例提供的多电平逆变器的拓扑电路图；
图6是本发明另一实施例提供的多电平逆变器的拓扑电路图；
图7是本发明另一实施例提供的多电平逆变器的拓扑电路图。
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、完整地描述，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。
本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。此外，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、***、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其他步骤或单元。
在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本发明的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。
如图1和图2所示，图1是本发明实施例提供的一种多电平逆变器的结构示意图，图2是本发明实施例提供的一种多电平逆变器的拓扑电路图。结合图1和图2，所述电路包括电源电路10、第一电平控制电路20以及第一滤波电路30，其中：
电源电路10，用于向第一电平控制电路20提供直流电压。电源电路10如图2所示包括至少一个输入电源Vin、第一输入滤波电容C1以及第二输入滤波电容C2，其中，
第一输入滤波电容C1的正极与至少一个输入电源Vin的正极连接，第二输入滤波电容C2的负极与至少一个输入电源Vin的负极连接。第一输入滤波电容C1的负极与第二输入滤波电容C2的正极连接，构成直流母线中点0。
第一电平控制电路20，与电源电路10以及第一滤波电路30连接，包括至少一个反相耦合的两绕组变压器T1及第一T型桥臂和第二T型桥臂，第一T型桥臂由第一横桥臂和第一竖桥臂连接而成，第二T型桥臂由第二横桥臂和第二竖桥臂连接而成，第一横桥臂与第一竖桥臂的交叉点与反相耦合的两绕组变压器T1的第一绕组的同名端连接，第二横桥臂与第二竖桥臂的交叉点与反相耦合的两绕组变压器T1的第二绕组的异名端连接，第一电平控制20电路用于将直流电压转变为具有多个电平值的梯形波后经所述反相耦合的两绕组变压器T1的第一绕组的异名端与第二绕组的同名端的连接点a输出到第一滤波电路30。
第一竖桥臂的两端分别连接在至少一个输入电源Vin的两极，第一横桥臂的一端与直流母线中点0连接，第一横桥臂的另一端与第一竖桥臂连接，第一横桥臂与第一竖桥臂的交叉点b将第一竖桥臂分为上下两部分。
第一竖桥臂的上部分具体包括第一功率开关管S1以及第一体二极管D1，第一竖桥臂的下部分具体包括第一功率二极管D5，第一横桥臂具体包括第二功率开关管S2、第二体二极管D2以及第三功率二极管D7。其中，第一功率开关管S1的集电极分别与第一体二极管D1的阴极和电源电路的电源的正极连接，第一功率开关管S1的发射极分别与第一体二极管D1的阳极、第二功率开关管S2的发射极、第二体二极管D2的阳极和第一功率二极管D5的阴极连接，第一功率二极管D5的阳极和至少一个输入电源的负极连接，第二功率开关管S2的集电极分别与第二体二极管D2的阴极和第三功率二极管D7的阴极连接，第三功率二极管D7的阳极和直流母线中点连接。
第二竖桥臂的两端分别连接在所述至少一个输入电源的两极，第二横桥臂的一端与直流母线中点连接，第二横桥臂的另一端与第二竖桥臂连接，第二横桥臂与第二竖桥臂的交叉点将第二竖桥臂分为上下两部分，第二竖桥臂的上部分具体包括第二功率二极管D6，第二竖桥臂的下部分具体包括第四功率开关管S4以及第四体二极管D4，第二横桥臂具体包括第三功率开关管S3、第二体二极管D3以及第四功率二极管D8。其中，第二功率二极管D6的阴极和电源电路的电源的正极连接，第二功率二极管D6的阳极分别与第三功率开关管S3的集电极、第三体二极管D3的阴极、第四功率开关管S4的集电极和第四体二极管D4的阴极连接，第三功率开关管S3的发射极分别与第三体二极管D3的阳极和第四功率二极管D8的阳极连接，第四功率二极管D8的阴极和直流母线中点连接，第四功率开关管S4的发射极分别与第四体二极管D4的阳极和至少一个输入电源的负极连接。
第一滤波电路30，与第一电平控制电路20的反相耦合的两绕组变压器T1的第一绕组的异名端与第二绕组的同名端的连接点a连接，用于将所述具有多个电平值的梯形波转变为正弦波输出。第一滤波电路30如图2所示，包括输出滤波电感L1、输出滤波电容C3以及负载R1。其中，输出滤波电感L1的一端分别与反相耦合的两绕组变压器T1的第一绕组的异名端和第二绕组的同名端连接，构成逆变中点，输出滤波电感L1的另一端分别与输出滤波电容C3的正极和负载R1的一端连接，输出滤波电容C3的负极和负载R1的另一端连接。
下面结合图2对本发明实施例提供的一种多电平逆变器的工作原理进行一个完整描述。
所述四个功率开关管S1、S2、S3、S4分别由第一驱动信号、第二驱动信号、第三驱动信号以及第四驱动信号驱动。其中，所述第一驱动信号由调制波和第一载波调制而成，所述第二驱动信号由所述调制波和第二载波调制而成，所述第三驱动信号由所述调制波和第三载波调制而成，所述第四驱动信号由所述调制波和第四载波调制而成。而所述调制波为正弦波，所述第一载波、所述第二载波、所述第三载波以及所述第四载波为三角波，所述第三载波相对所述第一载波移相180度，所述第二载波的相位和所述第三载波的相位相差180度，所述第四载波的相位和所述第一载波的相位相差180度。Vbc为变压器T1的两个绕组端电压，而Va0为逆变中点电压。设S1、S4的占空比为D，0点接地，输入电源电压为Vin，输出电压为Vout。
当所述第一功率开关管S1在一个开关周期内的占空比在大于0且小于0.5的区间时，所述电平控制电路向所述滤波电路输出第一方波，所述第一方波包括两种电平值，所述两种电平值包括1/4倍的所述至少一个输入电源的电压和0。
具体的，当D<0.5时，在一个完整开关周期内，所述多电平逆变器具有四个工作模态，如图3所示。
在t0～t1时间段内为工作模态1，功率开关管S1、S2、S3导通。虽然S2已经导通，但并不流过电流。“b”点电位为输入电压Vin的正极、“c”点电位为直流母线中点0，因此反相耦合变压器T1的两端电压Vbc＝Vin/2，而反相耦合变压器T1与输出滤波电感连接的中点“a”到直流母线中点“0”的电压Va0为+Vin/4。
在t1～t2时间段内为工作模态2，功率开关管S2、S3导通，同时功率二极管D7、D8也续流导流。“b”点电位为直流母线中点、“c”点电位也为直流母线中点，因此反相耦合变压器T1的两端电压Vbc＝0，同时，逆变中点电压Va0＝0。
在t2～t3时间段内为工作模态3，功率开关管S2导通，同时功率二极管D6、D7续流导通。“b”点电压为直流母线中点、“c”点电压为输入电压Vin的正极，因此反相耦合变压器T1的两端电压Vbc＝-Vin/2，同时，逆变中点电压Va0＝+Vin/4。
在t3～t4时间段内为工作模态4，功率开关管S2、S3导通，同时功率二极管D7、D8也续流导流。“b”点电位为直流母线中点、“c”点电位也为直流母线中点，因此反相耦合变压器T1的两端电压Vbc＝0，同时，逆变中点电压Va0＝0。
当所述第一功率开关管S1在一个开关周期内的占空比在大于0.5且小于1的区间时，所述电平控制电路向所述滤波电路输出第二方波，所述第二方波包括两种电平值，所述两种电平值包括1/4倍的所述至少一个输入电源的电压和1/2倍的所述至少一个输入电源的电压。
具体的，当D>0.5时，在一个完整开关周期内，所述多电平逆变器有四个工作模态，如图4所示。
在t0～t1时间段内为工作模态1，功率开关管S1、S2导通，功率二极管D6续流导通。虽然S2已经导通，但并不流过电流。此时“b”点电位为输入电源电压Vin的正极、“c”点电位也为输入电源电压Vin的正极，因此反相耦合变压器T1的两端电压Vbc＝0，同时，Va0＝+Vin/2。
在t1～t2时间段内为工作模态2，功率开关管S1、S2、S3导通。虽然S2已经导通，但并不流过电流。此时“b”点电位为输入电源电压Vin的正极、“c”点电位为直流母线中点0，因此反相耦合变压器T1的两端电压Vbc＝+Vin/2，同时，Va0＝+Vin/4。
在t2～t3时间段内为工作模态3，功率开关管S1、S2导通，功率二极管D6续流导通。虽然S2已经导通，但并不流过电流。“b”点电位为输入电压Vin的正极、“c”点电位也为输入电压Vin的正极，因此反相耦合变压器T1的两端电压Vbc＝0，同时，Va0＝Vin/2。
在t3～t4时间段内为工作模态4，功率开关管S2导通，同时功率二极管D6、D7续流导通。“b”点电压为直流母线中点、“c”点电压为输入电压Vin的正极，因此反相耦合变压器T1的两端电压Vbc＝-Vin/2，同时，Va0＝+Vin/4。
当所述第四功率开关管S4在一个开关周期内的占空比在大于0且小于0.5的区间时，所述电平控制电路向所述滤波电路输出第三方波，所述第三方波包括两种电平值，所述两种电平值包括-1/4倍的所述至少一个输入电源的电压和0。
具体的，当S4的占空比D<0.5时，在逆变中点可输出0、-1/4Vin两种电平值。与S1的占空比D<0.5时原理相似，此处不再赘述。
当所述第四功率开关管S4在一个开关周期内的占空比在大于0.5且小于1的区间时，所述电平控制电路向所述滤波电路输出第四方波，所述第四方波包括两种电平值，所述两种电平值包括-1/4倍的所述至少一个输入电源的电压和-1/2倍的所述至少一个输入电源的电压。
具体的，当S4的占空比D>0.5时，在逆变中点可输出-1/4Vin、-1/2Vin两种电平值。与S1的占空比D>0.5时原理相似，此处不再赘述。
因此，Va0最终可实现1/4Vin、1/2Vin、0、-1/4Vin、-1/2Vin五种电平，在Vout端输出的正弦波具有五种电平值。
通过控制功率开关管的占空比，以使逆变器的变压器的逆变中点电压具有多个电平值，使得在逆变中点输出具有多电平值的梯形波，在所述梯形波经过滤波电路后更容易转变为正弦波，且输出电压电平数越多，梯形波就越接近正弦波，越接近正弦波输出谐波也就越小，从而可以提高***的转换效率。
图5是本发明另一实施例中的多电平逆变器的结构示意图，如图5所示，所述多电平逆变器包括前述实施例中的电源电路10、第一电平控制电路20以及第一滤波电路30，在本实施例中，所述多电平逆变器还包括第二电平控制电路40以及第二滤波电路50。
所述第二电平控制电路40与所述第一电平控制电路20结构一致，所述第二滤波电路50与所述第一滤波电路30结构一致，所述第一滤波电路30与所述第二滤波电路50并联后输出。
所述多电平逆变器包括第一至第八功率开关管S1～S8，所述第一至第八功率开关管分别由第一驱动信号至第八驱动信号驱动。其中，所述第一驱动信号由调制波和第一载波调制而成，所述第二驱动信号由所述调制波和第二载波调制而成，所述第三驱动信号由所述调制波和第三载波调制而成，所述第四驱动信号由所述调制波和第四载波调制而成，所述第五驱动信号由所述调制波和第五载波调制而成，所述第六驱动信号由所述调制波和第六载波调制而成，所述第七驱动信号由所述调制波和第七载波调制而成，所述第八驱动信号由所述调制波和第八载波调制而成。
所述调制波为正弦波，所述第一载波、所述第二载波、所述第三载波、所述第四载波、所述第五载波、所述第六载波、所述第七载波以及所述第八载波为三角波。需要说明的是，所述第三载波相对所述第一载波移相180度，所述第二载波的相位和所述第三载波的相位相差180度，所述第四载波的相位和所述第一载波的相位相差180度，所述第五载波相对所述第一载波移相180度，所述第七载波相对所述第五载波移相180度，所述第六载波的相位和所述第七载波的相位相差180度，所述第八载波的相位和所述第五载波的相位相差180度。
在T1、T2的逆变中点电压Va10、Va20分别具有+1/4Vin、1/2Vin、0、-1/4Vin、-1/2Vin五种电平，所述第一滤波电路与所述第二滤波电路并联输出后在Vout端的正弦波具有Vin、+3/4Vin、+1/2Vin、+1/4Vin、0、-1/4Vin、-1/2Vin、-3/4Vin、Vin九种电平。
通过控制功率开关管的占空比，以使逆变器的变压器的逆变中点电压具有多个电平值，使得在逆变中点输出具有多电平值的梯形波，在所述梯形波经过滤波电路后更容易转变为正弦波，且输出电压电平数越多，梯形波就越接近正弦波，越接近正弦波输出谐波也就越小，从而可以提高***的转换效率。
图6是本发明另一实施例提供的多电平逆变器的结构示意图，如图6所示，所述多电平逆变器包括前述实施例中的电源电路10、第一电平控制电路20、第一滤波电路30。在本实施例中，所述多电平逆变器还包括第五功率开关管S5、第五体二极管D5、第六功率开关管S6以及第六体二极管D6。
所述第五体二极管D5的阴极分别与所述至少一个输入电源的正极和所述第五功率开关管S5的集电极连接，所述第五体二极管D5的阳极分别与所述第五功率开关管S5的发射极、所述第六体二极管D6的阴极、所述第六功率开关管S6的集电极和所述输出滤波电容以及所述输出负载的另一端连接，所述第六体二极管的阳极分别与所述第六功率开关管的发射极和所述至少一个输入电源的负极连接。
所述第一至第六功率开关管分别由第一至第六驱动信号驱动。其中，所述第一驱动信号由调制波和第一载波调制而成，所述第二驱动信号由所述调制波和第二载波调制而成，所述第三驱动信号由所述调制波和第三载波调制而成，所述第四驱动信号由所述调制波和第四载波调制而成，所述第五驱动信号由所述调制波和第五载波调制而成，所述第六驱动信号由所述调制波和第六载波调制而成。
所述调制波为正弦波，所述第一载波、所述第二载波、所述第三载波、所述第四载波、所述第五载波以及所述第六载波为三角波。需要说明的是，所述第三载波相对所述第一载波移相180度，所述第二载波的相位和所述第三载波的相位相差180度，所述第四载波的相位和所述第一载波的相位相差180度，所述第五载波相对所述第一载波移相180度，所述第六载波的相位和所述第五载波的相位相差180度。
T1的逆变中点电压Va0具有+1/4Vin、1/2Vin、0、-1/4Vin、-1/2Vin五种电平，而在负载的另一端Vd0具有1/2Vin和-1/2Vin两种电平，经所述第一滤波电路并联输出后在Vout端的正弦波具有Vin、+3/4Vin、+1/2Vin、+1/4Vin、0、-1/4Vin、-1/2Vin、-3/4Vin、Vin九种电平。
通过控制功率开关管的占空比，以使逆变器的变压器的逆变中点电压具有多个电平值，使得在逆变中点输出具有多电平值的梯形波，在所述梯形波经过滤波电路后更容易转变为正弦波，且输出电压电平数越多，梯形波就越接近正弦波，越接近正弦波输出谐波也就越小，从而可以提高***的转换效率。
图7是本发明另一实施例提供的多电平逆变器的结构示意图，如图7所示，所述多电平逆变器包括前述实施例中的电源电路10、第一电平控制电路20以及第一滤波电路30。在本实施例中，所述多电平逆变器还包括第三电平控制电路、第四电平控制电路、第三滤波电路以及第四滤波电路。
所述第三电平控制电路、所述第四电平控制电路与所述第一电平控制电路20结构一致，所述第三滤波电路、所述第四滤波电路与所述第一滤波电路30结构一致。
所述第一输出滤波电感经过所述第一输出滤波电容实现A相输出，所述第三输出滤波电感经过所述第三输出滤波电容实现B相输出，所述第四输出滤波电感经过所述第四输出滤波电容实现C相输出。
所述第一至第十二个功率开关管分别由第一至第十二个驱动信号驱动。其中，所述第一驱动信号由调制波和第一载波调制而成，所述第二驱动信号由所述调制波和第二载波调制而成，所述第三驱动信号由所述调制波和第三载波调制而成，所述第四驱动信号由所述调制波和第四载波调制而成，所述第五驱动信号由所述调制波和第五载波调制而成，所述第六驱动信号由所述调制波和第六载波调制而成，所述第七驱动信号由所述调制波和第七载波调制而成，所述第八驱动信号由所述调制波和第八载波调制而成，所述第九驱动信号由所述调制波和第九载波调制而成，所述第十驱动信号由所述调制波和第十载波调制而成，所述第十一驱动信号由所述调制波和第十一载波调制而成，所述第十二驱动信号由所述调制波和第十二载波调制而成。
所述调制波为正弦波，所述第一载波、所述第二载波、所述第三载波、所述第四载波、所述第五载波、所述第六载波、所述第七载波、所述第八载波、所述第九载波、所述第十载波、所述第十一载波以及所述第十二载波为三角波。需要说明的是，所述第三载波的相位相对所述第一载波的相位平移180度，所述第二载波的相位和所述第三载波的相位相差180度，所述第四载波的相位和所述第一载波的相位相差180度，所述第五载波相对所述第一载波移相120度，所述第七载波相对所述第五载波移相180度，所述第六载波的相位和所述第七载波的相位相差180度，所述第八载波的相位和所述第五载波的相位相差180度，所述第九载波相对所述第五载波移相120度，所述第十一载波相对所述第九载波移相180度，所述第十载波的相位和所述第十一载波的相位相差180度，所述第十二载波的相位和所述第九载波的相位相差180度。
在T1、T3、T4的逆变中点电压Va10Va30、Va40分别具有+1/4Vin、1/2Vin、0、-1/4Vin、-1/2Vin五种电平，分别经第一滤波电路、第二滤波电路、第三滤波电路后实现A相、B相、C相同时输出。
通过控制功率开关管的占空比，以使逆变器的变压器的逆变中点电压具有多个电平值。现有技术中，逆变中点输出一个正负对称的方波，使得该方波经滤波电路后输出的正弦波谐波较大，降低了***的转换效率。而与现有技术相比，本发明可以在逆变中点输出具有多电平值的梯形波，使得该梯形波经过滤波电路后更容易转变为正弦波，且输出电压电平数越多，梯形波就无线接近正弦波，越接近正弦波输出谐波也就越小，从而***的转换效率越高。同时，采用本发明，还可以同时实现三相输出，大大提高了***的转换效率。
以上所揭露的仅为本发明较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (12)

1.一种多电平逆变器，其特征在于，所述多电平逆变器包括电源电路、第一电平控制电路以及第一滤波电路，其中：
所述电源电路，用于向所述第一电平控制电路提供直流电压；
所述第一电平控制电路，与所述电源电路连接，包括至少一个反相耦合的两绕组变压器及第一T型桥臂和第二T型桥臂，所述第一T型桥臂由第一横桥臂和第一竖桥臂连接而成，所述第二T型桥臂由第二横桥臂和第二竖桥臂连接而成，所述第一横桥臂与所述第一竖桥臂的交叉点与所述反相耦合的两绕组变压器的第一绕组的同名端连接，所述第二横桥臂与所述第二竖桥臂的交叉点与所述反相耦合的两绕组变压器的第二绕组的异名端连接，所述第一电平控制电路用于将所述直流电压转变为具有多个电平值的梯形波后经所述反相耦合的两绕组变压器的第一绕组的异名端与第二绕组的同名端的连接点输出到所述第一滤波电路；
所述第一滤波电路，与所述第一电平控制电路的所述反相耦合的两绕组变压器的第一绕组的异名端与第二绕组的同名端的连接点连接，用于将所述具有多个电平值的梯形波转变为正弦波输出。
2.如权利要求1所述的多电平逆变器，其特征在于，所述电源电路包括至少一个输入电源、第一输入滤波电容以及第二输入滤波电容，其中：
所述第一输入滤波电容的正极与所述至少一个输入电源的正极连接，所述第二输入滤波电容的负极与所述至少一个输入电源的负极连接；
所述第一输入滤波电容的负极与所述第二输入滤波电容的正极连接，构成直流母线中点。
3.如权利要求2所述的多电平逆变器，其特征在于，
所述第一竖桥臂的两端分别连接在所述至少一个输入电源的两极，所述第一横桥臂的一端与所述直流母线中点连接，所述第一横桥臂的另一端与所述第一竖桥臂连接，所述第一横桥臂与所述第一竖桥臂的交叉点将所述第一竖桥臂分为上下两部分；
所述第一竖桥臂的上部分具体包括第一功率开关管以及第一体二极管，所述第一竖桥臂的下部分具体包括第一功率二极管，所述第一横桥臂具体包括第二功率开关管、第二体二极管以及第三功率二极管，所述第一功率开关管的集电极分别与所述第一体二极管的阴极和所述电源电路的电源的正极连接，所述第一功率开关管的发射极分别与所述第一体二极管的阳极、所述第二功率开关管的发射极、所述第二体二极管的阳极和所述第一功率二极管的阴极连接，所述第一功率二极管的阳极和所述至少一个输入电源的负极连接，所述第二功率开关管的集电极分别与所述第二体二极管的阴极和所述第三功率二极管的阴极连接，所述第三功率二极管的阳极和所述直流母线中点连接；
所述第二竖桥臂的两端分别连接在所述至少一个输入电源的两极，所述第二横桥臂的一端与所述直流母线中点连接，所述第二横桥臂的另一端与所述第二竖桥臂连接，所述第二横桥臂与所述第二竖桥臂的交叉点将所述第二竖桥臂分为上下两部分；
所述第二竖桥臂的上部分具体包括第二功率二极管，所述第二竖桥臂的下部分具体包括第四功率开关管以及第四体二极管，所述第二横桥臂具体包括第三功率开关管、第二体二极管以及第四功率二极管，所述第二功率二极管D6的阴极和所述电源电路的电源的正极连接，所述第二功率二极管的阳极分别与所述第三功率开关管的集电极、所述第三体二极管的阴极、所述第四功率开关管的集电极和所述第四体二极管的阴极连接，所述第三功率开关管的发射极分别与所述第三体二极管的阳极和所述第四功率二极管的阳极连接，所述第四功率二极管的阴极和所述直流母线中点连接，所述第四功率开关管的发射极分别与所述第四体二极管的阳极和所述至少一个输入电源的负极连接。
4.如权利要求1所述的多电平逆变器，其特征在于，所述第一滤波电路包括输出滤波电感、输出滤波电容以及负载，其中：
所述输出滤波电感的一端分别与所述反相耦合的两绕组变压器的第一绕组的异名端和第二绕组的同名端连接，构成逆变中点，所述输出滤波电感的另一端分别与所述输出滤波电容的正极和所述负载的一端连接，所述输出滤波电容的负极和所述负载的另一端连接。
5.如权利要求1～4任一项所述的多电平逆变器，其特征在于，所述四个功率开关管分别由第一驱动信号、第二驱动信号、第三驱动信号以及第四驱动信号驱动，其中：
所述第一驱动信号由调制波和第一载波调制而成，所述第二驱动信号由所述调制波和第二载波调制而成，所述第三驱动信号由所述调制波和第三载波调制而成，所述第四驱动信号由所述调制波和第四载波调制而成；
所述调制波为正弦波，所述第一载波、所述第二载波、所述第三载波以及所述第四载波为三角波；
所述第三载波相对所述第一载波移相180度，所述第二载波的相位和所述第三载波的相位相差180度，所述第四载波的相位和所述第一载波的相位相差180度。
6.如权利要求1～5任一项所述的多电平逆变器，其特征在于，
当所述第一功率开关管在一个开关周期内的占空比在大于0且小于0.5的区间时，所述电平控制电路向所述滤波电路输出第一方波，所述第一方波包括两种电平值，所述两种电平值包括1/4倍的所述至少一个输入电源的电压和0；
当所述第一功率开关管在一个开关周期内的占空比在大于0.5且小于1的区间时，所述电平控制电路向所述滤波电路输出第二方波，所述第二方波包括两种电平值，所述两种电平值包括1/4倍的所述至少一个输入电源的电压和1/2倍的所述至少一个输入电源的电压；
当所述第四功率开关管在一个开关周期内的占空比在大于0且小于0.5的区间时，所述电平控制电路向所述滤波电路输出第三方波，所述第三方波包括两种电平值，所述两种电平值包括-1/4倍的所述至少一个输入电源的电压和0；
当所述第四功率开关管在一个开关周期内的占空比在大于0.5且小于1的区间时，所述电平控制电路向所述滤波电路输出第四方波，所述第四方波包括两种电平值，所述两种电平值包括-1/4倍的所述至少一个输入电源的电压和-1/2倍的所述至少一个输入电源的电压。
7.如权利要求1所述的多电平逆变器，其特征在于，所述多电平逆变器还包括第二电平控制电路以及第二滤波电路，其中：
所述第二电平控制电路与所述第一电平控制电路结构一致，所述第二滤波电路与所述第一滤波电路结构一致，所述第一滤波电路与所述第二滤波电路并联后输出。
8.如权利要求7所述的多电平逆变器，其特征在于，所述多电平逆变器包括第一至第八功率开关管，所述第一至第八功率开关管分别由第一驱动信号至第八驱动信号驱动，其中：
所述第一驱动信号由调制波和第一载波调制而成，所述第二驱动信号由所述调制波和第二载波调制而成，所述第三驱动信号由所述调制波和第三载波调制而成，所述第四驱动信号由所述调制波和第四载波调制而成，所述第五驱动信号由所述调制波和第五载波调制而成，所述第六驱动信号由所述调制波和第六载波调制而成，所述第七驱动信号由所述调制波和第七载波调制而成，所述第八驱动信号由所述调制波和第八载波调制而成；
所述调制波为正弦波，所述第一载波、所述第二载波、所述第三载波、所述第四载波、所述第五载波、所述第六载波、所述第七载波以及所述第八载波为三角波；
所述第三载波相对所述第一载波移相180度，所述第二载波的相位和所述第三载波的相位相差180度，所述第四载波的相位和所述第一载波的相位相差180度，所述第五载波相对所述第一载波移相180度，所述第七载波相对所述第五载波移相180度，所述第六载波的相位和所述第七载波的相位相差180度，所述第八载波的相位和所述第五载波的相位相差180度。
9.如权利要求2所述的多电平逆变器，其特征在于，所述多电平逆变器还包括第五功率开关管、第五体二极管、第六功率开关管以及第六体二极管，其中：
所述第五体二极管的阴极分别与所述至少一个输入电源的正极和所述第五功率开关管的集电极连接，所述第五体二极管的阳极分别与所述第五功率开关管的发射极、所述第六体二极管的阴极、所述第六功率开关管的集电极和所述输出滤波电容以及所述输出负载的另一端连接，所述第六体二极管的阳极分别与所述第六功率开关管的发射极和所述至少一个输入电源的负极连接。
10.如权利要求9所述的多电平逆变器，其特征在于，所述第一至第六功率开关管分别由第一至第六驱动信号驱动，其中：
所述第一驱动信号由调制波和第一载波调制而成，所述第二驱动信号由所述调制波和第二载波调制而成，所述第三驱动信号由所述调制波和第三载波调制而成，所述第四驱动信号由所述调制波和第四载波调制而成，所述第五驱动信号由所述调制波和第五载波调制而成，所述第六驱动信号由所述调制波和第六载波调制而成；
所述调制波为正弦波，所述第一载波、所述第二载波、所述第三载波、所述第四载波、所述第五载波以及所述第六载波为三角波；
所述第三载波相对所述第一载波移相180度，所述第二载波的相位和所述第三载波的相位相差180度，所述第四载波的相位和所述第一载波的相位相差180度，所述第五载波相对所述第一载波移相180度，所述第六载波的相位和所述第五载波的相位相差180度。
11.如权利要求1所述的多电平逆变器，其特征在于，所述多电平逆变器还包括第三电平控制电路、第四电平控制电路、第三滤波电路以及第四滤波电路，其中：
所述第三电平控制电路、所述第四电平控制电路与所述第一电平控制电路结构一致，所述第三滤波电路、所述第四滤波电路与所述第一滤波电路结构一致，所述第一输出滤波电感经过所述第一输出滤波电容实现A相输出，所述第三输出滤波电感经过所述第三输出滤波电容实现B相输出，所述第四输出滤波电感经过所述第四输出滤波电容实现C相输出。
12.如权利要求11所述的多电平逆变器，其特征在于，所述第一至第十二个功率开关管分别由第一至第十二个驱动信号驱动，其中：
所述第一驱动信号由调制波和第一载波调制而成，所述第二驱动信号由所述调制波和第二载波调制而成，所述第三驱动信号由所述调制波和第三载波调制而成，所述第四驱动信号由所述调制波和第四载波调制而成，所述第五驱动信号由所述调制波和第五载波调制而成，所述第六驱动信号由所述调制波和第六载波调制而成，所述第七驱动信号由所述调制波和第七载波调制而成，所述第八驱动信号由所述调制波和第八载波调制而成，所述第九驱动信号由所述调制波和第九载波调制而成，所述第十驱动信号由所述调制波和第十载波调制而成，所述第十一驱动信号由所述调制波和第十一载波调制而成，所述第十二驱动信号由所述调制波和第十二载波调制而成；
所述调制波为正弦波，所述第一载波、所述第二载波、所述第三载波、所述第四载波、所述第五载波、所述第六载波、所述第七载波、所述第八载波、所述第九载波、所述第十载波、所述第十一载波以及所述第十二载波为三角波；
所述第三载波的相位相对所述第一载波的相位平移180度，所述第二载波的相位和所述第三载波的相位相差180度，所述第四载波的相位和所述第一载波的相位相差180度，所述第五载波相对所述第一载波移相120度，所述第七载波相对所述第五载波移相180度，所述第六载波的相位和所述第七载波的相位相差180度，所述第八载波的相位和所述第五载波的相位相差180度，所述第九载波相对所述第五载波移相120度，所述第十一载波相对所述第九载波移相180度，所述第十载波的相位和所述第十一载波的相位相差180度，所述第十二载波的相位和所述第九载波的相位相差180度。
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