CN107317508B - 一种电能变换器 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种电能变换器，属于电子技术领域，能够降低电能变换器的损耗。该电能变换器包括：第一开关单元、第二开关单元以及第三开关单元；第一开关单元包含第一开关器件、第二开关器件、第三开关器件和第四开关器件；第二开关单元包含第五开关器件和第六开关器件；第三开关单元包含第七开关器件和第八开关器件。第一开关器件和第五开关器件同时导通期间，第七开关器件闭合全部时间或者部分时间；第四开关器件和第六开关器件同时导通期间，第八开关器件闭合全部时间或者部分时间。

Description

一种电能变换器

技术领域

本申请涉及电子技术领域，尤其涉及一种电能变换器。

背景技术

电能变换器，广泛应用于太阳能逆变器、电动机驱动器、不间断供电电源等***中，其能够实现直流电压与交流电压的转换。提高电能变换器的转换效率，意味着更低的损耗，可以有效的减小设备中散热装置的体积和重量。同时，在保证充足散热的前提下，更高的转换效率允许电能变换器采用更高的半导体器件开关频率，从而减小设备中无源器件(主要为滤波电感)的体积和重量。因此，从整体上，变换器转换效率的提高，可以提高设备整体的功率密度，降低设备的体积、重量及成本，从而增加变换器设备的商业竞争力。

现有技术中，通常采用T型三电平电路拓扑、NPC(Neutral-Point-Clamped，中性点嵌位)三电平电路拓扑、ANPC(Active Neutral-Point-Clamped，有源中性点嵌位)三电平电路拓扑的电能变换器，而这三类电能变换器通常损耗较高。

发明内容

本申请提供一种电能变换器，能够降低电能变换器的损耗。

为达到上述目的，本申请的实施例采用如下技术方案：

第一方面，提供一种电能变换器，电能变换器的输出端输出脉冲，经滤波后用以提供交流电,该电能变换器包括：第一开关单元、第二开关单元以及第三开关单元；第一开关单元包含第一开关器件、第二开关器件、第三开关器件和第四开关器件；第一开关器件的第一端连接第一直流电压源的正端，第一开关器件的第二端连接第一节点；第二开关器件的第一端连接第一节点，第二开关器件的第二端连接第二节点；第三开关器件的第一端连接第二节点，第三开关器件的第二端连接第三节点；第四开关器件的第一端连接第三节点，第四开关器件的第二端连接第二直流电压源的负端；第一直流电压源的负端连接中间节点，第二直流电压源的正端连接中间节点；第二节点连接中间节点；第二开关单元包含第五开关器件和第六开关器件，第五开关器件的第一端连接第一节点，第五开关器件的第二端连接电能变换器的输出端；第六开关器件的第一端连接电能变换器的输出端，第六开关器件的第二端连接第三节点；第三开关单元包含第七开关器件和第八开关器件，第七开关器件的第一端连接第一直流电压源的正端，第七开关器件的第二端连接电能变换器的输出端；第八开关器件的第一端连接电能变换器的输出端，第八开关器件的第二端连接第二直流电压源的负端；第二开关器件和第三开关器件的驱动信号互补，并且在交流电的电压的正半周期，第一开关器件和第三开关器件的驱动信号相同；在交流电的电压的负半周期，第四开关器件和第二开关器件的驱动信号相同；第五开关器件和第六开关器件的驱动信号互补；第一开关器件和第五开关器件同时导通期间，第七开关器件闭合全部时间或者部分时间；第四开关器件和第六开关器件同时导通期间，第八开关器件闭合全部时间或者部分时间。上述方案中，电能变换器的输出端输出正电压时，除第一开关器件和第五开关器件的闭合能够导通第一直流电压源的正端与电能变换器的输出端之外，第七开关器件的闭合降低了第一直流电压源的正端与电能变换器的输出端之间的压降；电能变换器的输出端输出负电压时，除第四开关器件和第六开关器件的闭合能够导通第二直流电压源的负端与电能变换器的输出端之外，第八开关器件的闭合降低了第二直流电压源的负端与电能变换器的输出端之间的压降，从而降低了电能变换器的导通损耗；此外，第二开关器件与第五开关器件同时导通期间，或者第三开关器件与第六开关器件同时导通期间，电能变换器的输出端输出零电压，此时第七开关器件和第八开关器件保持关断状态；因此，电能变换器的输出端在正电压与零电压之间切换，或者电能变换器的输出端在零电压与负电压之间切换时，第一开关单元和第二开关单元中的开关器件进行切换动作，从而不额外引入第七开关器件和第八开关器件的开关损耗。

在一种示例性的方案中，第二开关器件和第三开关器件的驱动信号根据第一占空比得到；第五开关器件和第六开关器件的驱动信号根据第二占空比得到；第七开关器件和第八开关器件的驱动信号根据电能变换器的输出端的输出电压以及第一占空比和第二占空比得到；其中，第一占空比为100％时，第三开关器件保持导通状态，第二开关器件保持关断状态；第一占空比为0％时，第三开关器件保持关断状态，第二开关器件保持导通状态；第二占空比为100％时，第五开关器件保持导通状态，第六开关器件保持关断状态；第二占空比为0％时，第五开关器件保持关断状态，第六开关器件保持导通状态；第一直流电压源的正端提供正电压，第二直流电压源的负端提供负电压，中间节点提供零电压；当电能变换器的输出端输出正电压，且第一占空比或第二占空比小于100％时，第七开关器件相对于第一开关器件和第五开关器件同时导通的时间段的起始时刻延迟第一时段闭合，并且第七开关器件相对于第一开关器件和第五开关器件同时导通的时间段的结束时刻提前第二时段断开；当电能变换器的输出端输出正电压，且第一占空比和第二占空比等于100％时，第七开关器件相对于第一开关器件和第五开关器件同时导通的时间段的起始时刻同时闭合或者提前第三时段闭合，并且第七开关器件相对于第一开关器件和第五开关器件同时导通的时间段的结束时刻同时断开或者延迟第四时段断开；当电能变换器的输出端输出负电压，且第一占空比或第二占空比大于0％时，第八开关器件相对于第四开关器件和第六开关器件同时导通的时间段的起始时刻延迟第五时段闭合，并且第八开关器件相对于第四开关器件和第六开关器件同时导通的时间段的结束时刻提前第六时段断开；当电能变换器的输出端输出负电压，且第一占空比和第二占空比等于0％时，第八开关器件相对于第四开关器件和第六开关器件同时导通的时间段的起始时刻同时闭合或者提前第七时段闭合，并且第八开关器件相对于第四开关器件和第六开关器件同时导通的时间段的结束时刻同时断开或者延迟第八时段断开。

在一种示例性的方案中，第一开关器件至第六开关器件均包含绝缘栅双极型晶体管IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)和二极管；其中，IGBT与二极管反并联；第七开关器件、第八开关器件均包含IGBT。

在一种示例性的方案中，第二开关器件、第三开关器件、第五开关器件、第六开关器件、第七开关器件以及第八开关器件均包含IGBT和二极管；其中，IGBT与二极管反并联；第一开关器件、第四开关器件均包含IGBT。

在一种示例性的方案中，第一开关器件至第八开关器件均包含IGBT和二极管；其中，IGBT与二极管反并联。

在一种示例性的方案中，第一开关器件至第八开关器件中至少存在一个开关器件包含至少两个串联的IGBT，以及与每个IGBT反并联的二极管；或者，第一开关器件至第八开关器件中至少存在一个开关器件包含至少两个串联的金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)。由于开关器件包含至少两个串联的IGBT或者MOSFET，因此，由于分压作用，可以选用耐压值较低的器件，并且可以选用统一耐压值的器件。

在一种示例性的方案中，第一开关器件至第六开关器件均包含IGBT和第一二极管，其中，IGBT与第一二极管反并联；第七开关器件和第八开关器件均包含宽禁带半导体晶体管和第二二极管，其中宽禁带半导体晶体管和第二二极管正向串联。

在一种示例性的方案中，第二开关器件、第三开关器件、第五开关器件、第六开关器件、第七开关器件和第八开关器件均包含IGBT和第一二极管，其中，IGBT与第一二极管反并联；第一开关器件和第四开关器件均包含宽禁带半导体晶体管和第二二极管，其中宽禁带半导体晶体管和第二二极管正向串联。

在一种示例性的方案中，宽禁带半导体晶体管替换为硅基MOSFET。此外，主流的宽禁带半导体晶体管包括碳化硅IGBT，碳化硅MOSFET和氮化镓器件。在低功率场景，硅基MOSFET及宽禁带半导体晶体管通常比硅基IGBT导通压降低，选用硅基MOSFET或宽禁带半导体晶体管以及与其串联的二极管的结构可以降低导通损耗。

第二方面，提供一种电能变换器，电能变换器的输出端输出脉冲，经滤波后用以提供交流电,该电能变换器包括：第一开关单元、第二开关单元以及第三开关单元；第一开关单元包含第一开关器件、第一二极管、第二二极管和第二开关器件；第一开关器件的第一端连接第一直流电压源的正端，第一开关器件的第二端连接第一节点；第一二极管的阴极连接所述第一节点，第一二极管的阳极连接第二节点；第二二极管的阴极连接第二节点，第二二极管的阳极连接第三节点；第二开关器件的第一端连接第三节点，第二开关器件的第二端连接第二直流电压源的负端；第一直流电压源的负端连接中间节点，第二直流电压源的正端连接中间节点；第二节点连接中间节点；第二开关单元包含第三开关器件和第四开关器件，第三开关器件的第一端连接第一节点，第三开关器件的第二端连接电能变换器的输出端；第四开关器件的第一端连接电能变换器的输出端，第四开关器件的第二端连接第三节点；第三开关单元包含第五开关器件和第六开关器件，第五开关器件的第一端连接第一直流电压源的正端，第五开关器件的第二端连接电能变换器的输出端；第六开关器件的第一端连接电能变换器的输出端，第六开关器件的第二端连接第二直流电压源的负端；在交流电的电压的正半周期，第一开关器件和第四开关器件的驱动信号互补，第三开关器件保持导通状态，第二开关器件保持关断状态；在交流电的电压的负半周期，第二开关器件和第三开关器件的驱动信号互补，第四开关器件保持导通状态，第一开关器件保持关断状态；第一开关器件和第三开关器件同时导通期间，第五开关器件闭合全部时间；第二开关器件和第四开关器件同时导通期间，第六开关器件闭合全部时间。上述方案中，电能变换器的输出端输出正电压时，除第一开关器件和第三开关器件的闭合能够导通第一直流电压源的正端与电能变换器的输出端之外，第五开关器件的闭合降低了第一直流电压源的正端与电能变换器的输出端之间的压降；电能变换器的输出端输出负正电压时，除第二开关器件和第四开关器件的闭合能够导通第二直流电压源的负端与电能变换器的输出端之外，第六开关器件的闭合降低了第二直流电压源的负端与电能变换器的输出端之间的压降，从而降低了电能变换器的导通损耗；此外，第一二极管与第三开关器件同时导通期间，或者第四开关器件与第二二极管同时导通期间，电能变换器的输出端输出零电压，此时第五开关器件和第六开关器件保持关断状态；因此，电能变换器的输出端在正电压与零电压之间切换，或者电能变换器的输出端在零电压与负电压之间切换时，第一开关单元和第二开关单元中的开关器件进行切换动作，从而不额外引入第五开关器件和第六开关器件的开关损耗。

在一种示例性的方案中，第一开关器件至第四开关器件的驱动信号根据预定占空比得到；第五开关器件和第六开关器件的驱动信号根据电能变换器的输出端的输出电压以及预定占空比得到；其中，在交流电的电压的正半周期，且预定占空比为100％时，第一开关器件保持导通状态，第四开关器件保持关断状态；在交流电的电压的负半周期，且预定占空比为0％时，第三开关器件保持关断状态，第二开关器件保持导通状态；第一直流电压源的正端提供正电压，第二直流电压源的负端提供负电压，中间节点提供零电压；当电能变换器的输出端输出正电压，且预定占空比等于100％时，第五开关器件相对于第一开关器件导通的时间段的起始时刻同时闭合或者提前第一时段闭合，并且第五开关器件相对于第一开关器件导通的时间段的结束时刻同时断开或者延迟第二时段断开；当电能变换器的输出端输出负电压，且预定占空比等于0％时，第六开关器件相对于第二开关器件导通的时间段的起始时刻同时闭合或者提前第三时段闭合，并且第六开关器件相对于第二开关器件导通的时间段的结束时刻同时断开或者延迟第四时段断开。

在一种示例性的方案中，所述第一开关器件至第四开关器件均包含IGBT和二极管；其中，IGBT与二极管反并联；第五开关器件、第六开关器件均包含IGBT。

在一种示例性的方案中，第三开关器件至第六开关器件均包含IGBT和二极管；其中，IGBT与二极管反并联；第一开关器件、第二开关器件均包含IGBT。

在一种示例性的方案中，所述第一开关至第六开关器件均包含IGBT和二极管；其中，IGBT与二极管反并联。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍。

图1为本申请的实施例提供的一种电能变换器的电路拓扑结构示意图；

图2为本申请的实施例提供的一种电能变换器的驱动信号时序图；

图3为本申请的实施例提供的一种电能变换器的电路结构示意图一；

图4为本申请的实施例提供的一种电能变换器的驱动信号时序图的一部分；

图5为本申请的实施例提供的一种电能变换器的电路结构示意图二；

图6为本申请的实施例提供的一种电能变换器的电路结构示意图三；

图7为本申请的实施例提供的一种电能变换器的电路结构示意图四；

图8为本申请的实施例提供的一种电能变换器的电路结构示意图五；

图9为本申请的实施例提供的一种电能变换器的电路结构示意图六；

图10为本申请的另一实施例提供的一种电能变换器的电路拓扑结构示意图；

图11为本申请的实施例提供的一种电能变换器的电路结构示意图七；

图12为本申请的另一实施例提供的一种电能变换器的驱动信号时序图的一部分；

图13为本申请的实施例提供的一种电能变换器的电路结构示意图八；

图14为本申请的实施例提供的一种电能变换器的电路结构示意图九。

具体实施方式

下面结合附图，对本申请的实施例进行描述。

参照图1所示，本申请的实施例提供一种电能变换器，该电能变换器基于直流侧两个串联直流电压源第一直流电压源Cp和第二直流电压源Cn，在电能变换器的输出端(O)产生脉冲，经滤波后用以提供交流电。其中，第一直流电压源的正端(P)、第二直流电压源的负端(N)及Cp和Cn串联的中间节点(M)上的三个电压分别为+Vdc/2、-Vdc/2、0，即分别提供正电压、负电压及零电压。

参照图1所示的电路拓扑，电能变换器包括：第一开关单元SU1、第二开关单元SU2以及第三开关单元SU3。

第一开关单元SU1包含第一开关器件S1、第二开关器件S2、第三开关器件S3和第四开关器件S4；第一开关器件S1的第一端连接第一直流电压源的正端(P)，第一开关器件S1的第二端连接第一节点SP；第二开关器件S2的第一端连接第一节点SP，第二开关器件S2的第二端连接第二节点(中间节点(M))；第三开关器件S3的第一端连接第二节点，第三开关器件S3的第二端连接第三节点SN；第四开关器件S4的第一端连接第三节点SN，第四开关器件S4的第二端连接第二直流电压源的负端(N)；第一直流电压源的负端连接中间节点(M)，第二直流电压源的正端连接中间节点(M)；第二节点连接中间节点(M)。

第二开关单元SU2包含第五开关器件S5和第六开关器件S6，第五开关器件S5的第一端连接第一节点SP，第五开关器件S5的第二端连接电能变换器的输出端(O)；第六开关器件S6的第一端连接电能变换器的输出端(O)，第六开关器件S6的第二端连接第三节点SN；第三开关单元SU3包含第七开关器件S7和第八开关器件S8，第七开关器件S7的第一端连接第一直流电压源的正端(P)，第七开关器件S7的第二端连接电能变换器的输出端(O)；第八开关器件S8的第一端连接电能变换器的输出端(O)，第八开关器件S8的第二端连接第二直流电压源的负端(N)。

参照图2所示的驱动信号时序图，其中图2中的(a)提供了在交流电的电压的正半周期各个开关器件的驱动信号的时序,其中图2中的(b)提供了在交流电的电压的负半周期各个开关器件的驱动信号的时序。其中，1表示对应的开关器件闭合(导通)，0表示对应的开关器件断开(关断)，Vo为电能变换器输出端(O)的输出电压。第二开关器件S2和第三开关器件S3的驱动信号互补，并且在交流电的电压的正半周期，第一开关器件S1和第三开关器件S3的驱动信号相同；在交流电的电压的负半周期，第四开关器件S4和第二开关器件S2的驱动信号相同；第五开关器件S5和第六开关器件S6的驱动信号互补；第一开关器件S1和第五开关器件S5同时导通期间，第七开关器件S7闭合全部时间或者部分时间；第四开关器件S4和第六开关器件S6同时导通期间，第八开关器件S8闭合全部时间或者部分时间。

上述方案中，电能变换器的输出端输出正电压时，除第一开关器件和第五开关器件的闭合能够导通第一直流电压源的正端与电能变换器的输出端之外，第七开关器件的闭合降低了第一直流电压源的正端与电能变换器的输出端之间的压降；电能变换器的输出端输出负电压时，除第四开关器件和第六开关器件的闭合能够导通第二直流电压源的负端与电能变换器的输出端之外，第八开关器件的闭合降低了第二直流电压源的负端与电能变换器的输出端之间的压降，从而降低了电能变换器的导通损耗；此外，第二开关器件与第五开关器件同时导通期间，或者第三开关器件与第六开关器件同时导通期间，电能变换器的输出端输出零电压，此时第七开关器件和第八开关器件保持关断状态；因此，电能变换器的输出端在正电压与零电压之间切换，或者电能变换器的输出端在零电压与负电压之间切换时，第一开关单元和第二开关单元中的开关器件进行切换动作，从而不额外引入第七开关器件和第八开关器件的开关损耗。

此外，第二开关器件S2和第三开关器件S3的驱动信号根据第一占空比得到；第五开关器件S5和第六开关器件S6的驱动信号根据第二占空比得到；第七开关器件S7和第八开关器件S8的驱动信号根据电能变换器的输出端(O)的输出电压以及第一占空比和第二占空比得到；其中，第一占空比为100％时，第三开关器件S3保持导通状态，第二开关器件S2保持关断状态；第一占空比为0％时，第三开关器件S3保持关断状态，第二开关器件S2保持导通状态；

第二占空比为100％时，第五开关器件S5保持导通状态，第六开关器件S6保持关断状态；第二占空比为0％时，第五开关器件S5保持关断状态，第六开关器件S6保持导通状态。

当电能变换器的输出端(O)输出正电压，且第一占空比或第二占空比小于100％时，第七开关器件S7相对于第一开关器件S1和第五开关器件S5同时导通的时间段的起始时刻延迟第一时段闭合，并且第七开关器件S7相对于第一开关器件S1和第五开关器件S5同时导通的时间段的结束时刻提前第二时段断开；当电能变换器的输出端(O)输出正电压，且第一占空比和第二占空比等于100％时，第七开关器件S7相对于第一开关器件S1和第五开关器件S5同时导通的时间段的起始时刻同时闭合或者提前第三时段闭合，并且第七开关器件S7相对于第一开关器件S1和第五开关器件S5同时导通的时间段的结束时刻同时断开或者延迟第四时段断开；当电能变换器的输出端(O)输出负电压，且第一占空比或第二占空比大于0％时，第八开关器件S8相对于第四开关器件S4和第六开关器件S6同时导通的时间段的起始时刻延迟第五时段闭合，并且第八开关器件S8相对于第四开关器件S4和第六开关器件S6同时导通的时间段的结束时刻提前第六时段断开；当电能变换器的输出端(O)输出负电压，且第一占空比和第二占空比等于0％时，第八开关器件S8相对于第四开关器件S4和第六开关器件S6同时导通的时间段的起始时刻同时闭合或者提前第七时段闭合，并且第八开关器件S8相对于第四开关器件S4和第六开关器件S6同时导通的时间段的结束时刻同时断开或者延迟第八时段断开。

以下结合各个开关器件具体采用的器件对本申请的实施例进行详细说明。在以下实施例中，结合开关型器件的控制原理：导通指开关器件处于可以通过电流的状态，闭合指开关器件进入导通状态进行的切换动作；关断指开关器件处于不能通过电流的状态，断开指开关器件进入关断状态进行的切换动作；保持导通状态和保持关断状态均指此时开关器件不再在开关周期内进行切换动作。

参照图3所示，第一开关器件S1至第六开关器件S6均包含绝缘栅双极型晶体管IGBT和二极管；其中，IGBT与二极管反并联；第七开关器件S7、第八开关器件S8均包含IGBT。具体的，S1包含IGBT T1和二极管D1，S2包含IGBT T2和二极管D2、S3包含IGBT T3和二极管D3、S4包含IGBT T4和二极管D4、S5包含IGBT T5和二极管D5、S6包含IGBT T6和二极管D6、S7包含IGBT T7、S8包含IGBT T8；并且每个开关器件中的IGBT与二极管反并联。在形态上将图3中IGBT最上方的端口称作漏极、中间的端口成为栅极、最下方的端口称为源极；这里二极管与IGBT的源漏极并联，并且，二极管电压降的方向与IGBT电压降的方向相反，即如图3所示，IGBT从漏极向源极形成电压降，则二极管的阴极连接IGBT的漏极，二极管的阳极连接IGBT的源极；按照二极管正向导通的原理，IGBT源极的电流可以从二极管流向IGBT的漏极，以下各方案类似不再赘述。

结合图2所示的驱动信号时序图并参照图4所示，对其中的部分驱动信号进行说明，其中1表示对应的开关器件闭合(导通)，0表示对应的开关器件断开(关断)，∧表示逻辑与，Vo为电能变换器输出端(O)的输出电压；图4中的(a)为输出端(O)输出正电压与零电压，且第一占空比或第二占空比小于100％时；图4中的(b)为输出端(O)输出正电压与零电压，且第一占空比与第二占空比均等于100％时；图4中的(c)为输出端(O)输出零电压与负电压，且第一占空比或第二占空比大于0％时；图4中的(d)为输出端(O)输出零电压与负电压，且第一占空比与第二占空比均等于0％时。

第一开关单元SU1中的T2、T3的驱动信号根据第一占空比得到，并且互补；在交流电的电压的正半周期，T1与T3的驱动信号相同，T4与T2的驱动信号相同或保持关断状态；在交流电的电压的负半周期，T4与T2的驱动信号相同，T1与T3的驱动信号相同或保持关断状态。第二开关单元SU2中的T5、T6的驱动信号根据第二占空比得到，并且互补。当且仅当第一占空比为100％时，T3保持导通状态，T2保持关断状态；当且仅当第一占空比为0％时，T3保持关断状态，T2保持导通状态；当且仅当第二占空比为100％时，T5保持导通状态，T6保持关断状态；当且仅当第二占空比为0％时，T5保持关断状态，T6保持导通状态。T1～T6的驱动逻辑与图2中开关器件S1～S6的驱动逻辑一一对应。

T1、T5同时闭合或T7闭合时，输出端(O)连接至正端(P)，输出端(O)输出正电压；T4、T6同时闭合或T8闭合时，输出端(O)连接至负端(N)，输出端(O)输出负电压；当电流从直流侧流向交流侧，且D2、T5或T3、D6形成通路时，或者当电流从交流侧流向直流侧，且D5、T2或T6、D3形成通路时，输出端(O)连接至中间节点(M)，输出端(O)输出零电压。

第三开关单元SU3中的T7、T8的驱动信号根据输出端(O)的输出电压及第一占空比、第二占空比得到。如图4中的(a)，当输出端(O)输出正电压，且第一占空比或第二占空比小于100％时，T7相对于T1∧T5的驱动信号的时序延迟一段时间td1_on(td1_on>0)闭合，提前一段时间td1_off(td1_off>0)断开；如图4中的(b)，当输出端(O)输出正电压，且第一占空比与第二占空比均等于100％时，T7相对于T1∧T5的驱动信号的时序同时闭合或提前一段时间td2_on闭合(即td2_on≥0)，同时断开或延迟一段时间td2_off断开(即td2_off≥0)。如图4中的(c)，当输出端(O)输出负电压，且第一占空比或第二占空比大于0％时，T8相对于T4∧T6的驱动信号的时序延迟一段时间td3_on(td3_on>0)闭合，提前一段时间td3_off(td3_off>0)断开；如图4中的(d)，当输出端(O)输出负电压，且第一占空比与第二占空比均等于0％时，T8相对于T4∧T6的驱动信号的时序同时闭合或提前一段时间td4_on闭合(即td4_on≥0)，同时断开或延迟一段时间td4_off断开(即td4_off≥0)。当输出端(O)输出零电压时，T7、T8保持关断状态。

图4中的(b)(d)中仅以第二占空比较晚达到100％或0％，且较早离开100％或0％为例；其余三种情况，即第一占空比较晚达到100％或0％且较早离开100％或0％；第一占空比较晚达到100％或0％而第二占空比较早离开100％或0％，第二占空比较晚达到100％或0％而第一占空比较早离开100％或0％，其原理与此一致，均未示出。

参照图5所示，第二开关器件S2、第三开关器件S3、第五开关器件S5、第六开关器件S6、第七开关器件S7以及第八开关器件S8均包含IGBT和二极管；其中，IGBT与二极管反并联；第一开关器件S1、第四开关器件S4均包含IGBT。具体的，S1包含IGBT T1，S2包含IGBT T2和二极管D2、S3包含IGBT T3和二极管D3、S4包含IGBT T4、S5包含IGBT T5和二极管D5、S6包含IGBT T6和二极管D6、S7包含IGBT T7和二极管D7、S8包含IGBT T8和二极管D8；并且每个开关器件中的IGBT与二极管反并联。与图3对应的实施例的区别为S1、S4仅由IGBT(T1、T4)构成，S7、S8由IGBT(T7、T8)及其反并联二极管(D7、D8)构成，其他开关器件与图3对应的实施例相同。这样，当输出端(O)连接至正端(P)，且电流从交流侧流向直流侧时，D7导通，与图3对应的实施例相比，D7的导通压降小于D1、D5的导通压降之和，导通损耗降低。D8与此同理。

参照图6所示，第一开关器件S1至第八开关器件S8均包含IGBT和二极管；其中，IGBT与二极管反并联。具体的，S1包含IGBT T1和二极管D1，S2包含IGBT T2和二极管D2、S3包含IGBT T3和二极管D3、S4包含IGBT T4和二极管D4、S5包含IGBT T5和二极管D5、S6包含IGBT T6和二极管D6、S7包含IGBT T7和二极管D7、S8包含IGBT T8和二极管D8；并且每个开关器件中的IGBT与二极管反并联。与图3对应的实施例的区别为S7、S8由IGBT(T7、T8)及其反并联二极管(D7、D8)构成，其他开关器件与图3对应的实施例相同。这样，当输出端(O)连接至正端(P)，且电流从交流侧流向直流侧时，D1、D5与D7导通，与图3对应的实施例相比，D1、D5与D7的并联导通压降远小于D1、D5的导通压降之和，导通损耗降低。D4、D6与D8与此同理。

参照图7所示，第一开关器件至第八开关器件中至少存在一个开关器件包含至少两个串联的IGBT，以及与每个IGBT反并联的二极管；或者，第一开关器件至第八开关器件中至少存在一个开关器件包含至少两个串联的金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET；示例性的，第一开关器件至第六开关器件均包含两个串联的IGBT或者两个MOSFET，第七开关器件和第八开关器件均包含四个串联的IGBT或者四个MOSFET。具体的，如图7所示，S1包含IGBT T1a、T1b和二极管D1a、D1b；S2包含IGBT T2a、T2b和二极管D2a、D2b；S3包含IGBT T3a、T3b和二极管D3a、D3b；S4包含IGBT T4a、T4b和二极管D4a、D4b；S5包含IGBT T5a、T5b和二极管D5a、D5b；S6包含IGBT T6a、T6b和二极管D6a、D6b；S7包含IGBT T7a、T7b、T7c、T7d和二极管D7a、D7b、D7c、D7d；S8包含IGBT T8a、T8b、T8c、T8d和二极管D8a、D8b、D8c、D8d；S1中T1a和T1b串联，即T1a的源极连接T1b的漏极；其他开关器件中的IGBT连接方式与S1中类似不再赘述，并且每个开关器件中的IGBT与二极管反并联。由于每个开关器件均包含至少两个串联的IGBT或者MOSFET，因此，由于分压作用，可以选用耐压值较低的器件，此外，如图7所示，S1至S6均包括两个串联的IGBT、S7和S8均包括四个串联的IGBT，因此每个IGBT分压值相同，可以选用统一耐压值的器件。

参照图8所示，第一开关器件S1至第六开关器件S6均包含IGBT和第一二极管，其中，IGBT与第一二极管反并联；第七开关器件和第八开关器件均包含宽禁带半导体晶体管和第二二极管，其中宽禁带半导体晶体管与第二二极管正向串联。宽禁带半导体晶体管可替换为硅基MOSFET。主流的宽禁带半导体晶体管包括碳化硅IGBT，碳化硅MOSFET和氮化镓器件。具体的，如图8所示，S1包含IGBT T1和二极管D1，S2包含IGBT T2和二极管D2、S3包含IGBT T3和二极管D3、S4包含IGBT T4和二极管D4、S5包含IGBT T5和二极管D5、S6包含IGBTT6和二极管D6、S7包含硅基MOSFET T7和二极管D7、S8包含硅基MOSFET T8和二极管D8；并且，S1至S6中的IGBT与二极管反并联；D7的阳极连接正端(P)，D7的阴极连接T7的漏极，D8的阳极连接输出端(O)，D8的阴极连接T8的漏极。在低功率场景，硅基MOSFET及宽禁带半导体晶体管通常比硅基IGBT导通压降低，选用硅基MOSFET或宽禁带半导体晶体管以及与其串联的二极管的结构可以降低导通损耗。此外，由于硅基MOSFET的体二极管反向恢复损耗较大，故串联二极管可以防止硅基MOSFET的体二极管导通，避免了反向恢复造成损耗。

参照图9所示，第二开关器件S2、第三开关器件S3、第五开关器件S5、第六开关器件S6、第七开关器件S7和第八开关器件S8均包含IGBT和第一二极管，其中，IGBT与第一二极管反并联；第一开关器件S1和第四开关器件S4均包含宽禁带半导体晶体管和第二二极管，其中宽禁带半导体晶体管与第二二极管正向串联。宽禁带半导体晶体管可替换为MOSFET。具体的，如图9所示，S1包含硅基MOSFET T1和二极管D1，S2包含IGBT T2和二极管D2、S3包含IGBT T3和二极管D3、S4包含硅基MOSFET T4和二极管D4、S5包含IGBT T5和二极管D5、S6包含IGBT T6和二极管D6、S7包含IGBT T7和二极管D7、S8包含IGBT T8和二极管D8；并且，S2、S3、S5、S6、S7及S8中的IGBT与二极管反并联；D1的阳极连接正端(P)，D7的阴极连接T1的漏极，D4的阳极连接第三节点SN，D4的阴极连接T4的漏极。在低功率场景，硅基MOSFET及宽禁带半导体晶体管通常比硅基IGBT导通压降低，选用硅基MOSFET或宽禁带半导体晶体管以及与其串联的二极管的结构可以降低导通损耗。此外，由于硅基MOSFET的体二极管反向恢复损耗较大，故串联二极管可以防止硅基MOSFET的体二极管导通，避免了反向恢复造成损耗。

参照图10所示，本申请的实施例提供一种电能变换器，该电能变换器基于直流侧两个串联直流电压源第一直流电压源Cp和第二直流电压源Cn，在电能变换器的输出端(O)产生脉冲，经滤波后用以提供交流电。其中，第一直流电压源的正端(P)、第二直流电压源的负端(N)及Cp和Cn串联的中间节点(M)上的三个电压分别为+Vdc/2、-Vdc/2、0，即分别提供正电压、负电压及零电压。

参照图10所示的电路拓扑，电能变换器包括：第一开关单元SU1、第二开关单元SU2以及第三开关单元SU3。

第一开关单元SU1包含第一开关器件S1、第一二极管D10、第二二极管D20和第二开关器件S2；第一开关器件S1的第一端连接第一直流电压源的正端(P)，第一开关器件S1的第二端连接第一节点SP；第一二极管D10的阴极连接第一节点SP，第一二极管D10的阳极连接第二节点(中间节点(M))；第二二极管D20的阴极连接第二节点，第二二极管D20的阳极连接第三节点SN；第二开关器件S2的第一端连接第三节点SN，第二开关器件S2的第二端连接第二直流电流源的负端(N)；第一直流电压源的负端连接中间节点(M)，第二直流电压源的正端连接中间节点(M)；第二节点连接所述中间节点(M)；第二开关单元SU2包含第三开关器件S3和第四开关器件S4，第三开关器件S3的第一端连接第一节点SP，第三开关器件S3的第二端连接电能变换器的输出端(O)；第四开关器件S4的第一端连接电能变换器的输出端(O)，第四开关器件S4的第二端连接第三节点SN；第三开关单元SU3包含第五开关器件S5和第六开关器件S6，第五开关器件S5的第一端连接第一直流电流源的正端(P)，第五开关器件S5的第二端连接电能变换器的输出端(O)；第六开关器件S6的第一端连接电能变换器的输出端(O)，第六开关器件S6的第二端连接第二直流电流源的负端(N)。在交流电的电压的正半周期，第一开关器件S1和第四开关器件S4的驱动信号互补，第三开关器件S3保持导通状态，第二开关器件S2保持关断状态；在交流电的电压的负半周期，第二开关器件S2和第三开关器件S3的驱动信号互补，第四开关器件S4保持导通状态，第一开关器件S1保持关断状态；第一开关器件和第三开关器件同时导通期间，第五开关器件闭合全部时间；第二开关器件和第四开关器件同时导通期间，第六开关器件闭合全部时间。上述方案中，电能变换器的输出端输出正电压时，除第一开关器件和第三开关器件的闭合能够导通第一直流电压源的正端与电能变换器的输出端之外，第五开关器件的闭合降低了第一直流电压源的正端与电能变换器的输出端之间的压降；电能变换器的输出端输出负正电压时，除第二开关器件和第四开关器件的闭合能够导通第二直流电压源的负端与电能变换器的输出端之外，第六开关器件的闭合降低了第二直流电压源的负端与电能变换器的输出端之间的压降，从而降低了电能变换器的导通损耗；此外，第一二极管与第三开关器件同时导通期间，或者第四开关器件与第二二极管同时导通期间，电能变换器的输出端输出零电压，此时第五开关器件和第六开关器件保持关断状态；因此，电能变换器的输出端在正电压与零电压之间切换，或者电能变换器的输出端在零电压与负电压之间切换时，第一开关单元和第二开关单元中的开关器件进行切换动作，从而不额外引入第五开关器件和第六开关器件的开关损耗。

此外，第一开关器件S1、第二开关器件S2、第三开关器件S3和第四开关器件S4的驱动信号根据预定占空比得到；第五开关器件和第六开关器件的驱动信号根据电能变换器的输出端(O)的输出电压以及预定占空比得到；其中，在交流电的电压的正半周期，且预定占空比为100％时，第一开关器件S1保持导通状态，第四开关器件S4保持关断状态；在交流电的电压的负半周期，且预定占空比为0％时，第三开关器件S3保持关断状态，第二开关器件S2保持导通状态；当电能变换器的输出端(O)输出正电压，且预定占空比等于100％时，第五开关器件S5相对于第一开关器件S1导通的时间段的起始时刻同时闭合或者提前第一时段闭合，并且第五开关器件S5相对于第一开关器件S1导通的时间段的结束时刻同时断开或者延迟第二时段断开；当电能变换器的输出端(O)输出负电压，且预定占空比等于0％时，第六开关器件S6相对于第二开关器件S2导通的时间段的起始时刻同时闭合或者提前第三时段闭合，并且第六开关器件S6相对于第二开关器件S2导通的时间段的结束时刻同时断开或者延迟第四时段断开。参照图11所示，第一开关器件S1至第四开关器件S4均包含IGBT和二极管；其中，IGBT与二极管反并联；第五开关器件S5、第六开关器件S6均包含IGBT。具体的，S1包含IGBT T1和二极管D1，S2包含IGBT T2和二极管D2、S3包含IGBT T3和二极管D3、S4包含IGBT T4和二极管D4、S5包含IGBT T5、S6包含IGBT T6；并且每个开关器件中的IGBT与二极管反并联。与图3对应的实施例相比，此实施例的电路拓扑中，开关器件S2、S3替换为二极管(D10、D20)，其他开关器件与图3对应的实施例相同。

参照图11的电能转换器的控制策略如下：T1、T2及T3、T4的驱动信号根据同一预定占空比得到。在交流电的电压的正半周期，T1与T4的驱动信号互补，T3保持导通状态，T2保持关断状态；在交流电的电压的负半周期，T2与T3的驱动信号互补，T4保持导通状态，T1保持关断状态。在交流电的电压的正半周期，当且仅当预定占空比为100％时，T1保持导通状态，T4保持关断状态；在交流电的电压的的负半周期，当且仅当占空比为0％时，T3保持关断状态，T2保持导通状态。T1、T3同时闭合或T5闭合时，输出端(O)连接至正端(P)，输出端(O)输出正电压；T2、T4同时闭合或T6闭合时，输出端(O)连接至负端(N)，输出端(O)输出负电压；当电流从直流侧流向交流侧，且D10、T3形成通路时，或者当电流从交流侧流向直流侧，且T4、D20形成通路时，输出端(O)连接至中间节点(M)，输出端(O)输出零电压。T5、T6的驱动信号根据输出端(O)的输出电压及预定占空比得到。如图12所示，对其中的部分驱动信号进行说明，其中1表示对应的开关器件闭合(导通)，0表示对应的开关器件断开(关断)，Vo为电能变换器输出端(O)的输出电压；图12中的(a)为输出端(O)输出正电压与零电压，且预定占空比等于100％时；图12中的(b)为输出端(O)输出零电压与负电压，且预定占空比等于0％时。当输出端(O)输出正电压，且预定占空比等于100％时，T5相对于T1的驱动信号的时序同时闭合或提前一段时间td1_on闭合(即td1_on≥0)，同时断开或延迟一段时间td1_off断开(即td1_off≥0)。当输出端(O)输出负电压，且占空比等于0％时，T6相对于T2的驱动信号的时序同时闭合或提前一段时间td2_on闭合(即td2_on≥0)，同时断开或延迟一段时间td2_off断开(即td2_off≥0)；其余情况T5、T6保持关断状态。与图3对应的实施例相比，此实施例节省两个IGBT(T2、T3)及其驱动电路驱动逻辑较为简单。

参照图13所示，第三开关器件S3至第六开关器件S6均包含IGBT和二极管；其中，IGBT与二极管反并联；第一开关器件S1、第二开关器件S2均包含IGBT。具体的，S1包含IGBTT1，S2包含IGBT T2、S3包含IGBT T3和二极管D3、S4包含IGBT T4和二极管D4、S5包含IGBT T5和二极管D5、S6包含IGBT T6和二极管D6；并且每个开关器件中的IGBT与二极管反并联。与图5对应的实施例相比，此实施例的电路拓扑中，开关器件S2、S3替换为二极管(D10、D20)，其他开关器件与图5对应的实施例相同，其驱动策略与图11对应的实施例相同不再赘述。

参照图14所示，第一开关器件S1至第六开关器件S6均包含IGBT和二极管；其中，IGBT与所述二极管反并联。具体的，S1包含IGBT T1和二极管D1，S2包含IGBT T2和二极管D2、S3包含IGBT T3和二极管D3、S4包含IGBT T4和二极管D4、S5包含IGBT T5和二极管D5、S6包含IGBT T6和二极管D6；并且每个开关器件中的IGBT与二极管反并联。与图6对应的实施例相比，此实施例的电路拓扑中，开关器件S2、S3替换为二极管(D10、D20)，其他开关器件与图6对应的实施例相同，其驱动策略与图11对应的实施例相同不再赘述。此外将图11、13、14中的S5和S6替换为如图8中的S7和S8的结构，或者将图11、13、14中S1和S2替换为如图9中的S1和S4的结构也是可以的，本申请的实施例不再赘述。

当然以上只是一种控制逻辑，以上控制逻辑是基于本申请的实施例提供的电子设备的各个结构的基本功能实现的，当然其他可以依据本申请实施例提供的电子设备实现的控制逻辑也是应当属于本申请的保护范围的。

Claims (9)

1.一种电能变换器，所述电能变换器的输出端输出脉冲，经滤波后用以提供交流电，其特征在于，包括：第一开关单元、第二开关单元以及第三开关单元；

所述第一开关单元包含第一开关器件、第二开关器件、第三开关器件和第四开关器件；所述第一开关器件的第一端连接第一直流电压源的正端，所述第一开关器件的第二端连接第一节点；所述第二开关器件的第一端连接所述第一节点，所述第二开关器件的第二端连接第二节点；所述第三开关器件的第一端连接所述第二节点，所述第三开关器件的第二端连接第三节点；所述第四开关器件的第一端连接所述第三节点，所述第四开关器件的第二端连接第二直流电压源的负端；所述第一直流电压源的负端连接中间节点，所述第二直流电压源的正端连接所述中间节点；所述第二节点连接所述中间节点；

所述第二开关单元包含第五开关器件和第六开关器件，所述第五开关器件的第一端连接所述第一节点，所述第五开关器件的第二端连接所述电能变换器的输出端；所述第六开关器件的第一端连接所述电能变换器的输出端，所述第六开关器件的第二端连接所述第三节点；

所述第三开关单元包含第七开关器件和第八开关器件，所述第七开关器件的第一端连接所述第一直流电压源的正端，所述第七开关器件的第二端连接所述电能变换器的输出端；所述第八开关器件的第一端连接所述电能变换器的输出端，所述第八开关器件的第二端连接所述第二直流电压源的负端；

所述第二开关器件和所述第三开关器件的驱动信号互补，并且在所述交流电的电压的正半周期，所述第一开关器件和所述第三开关器件的驱动信号相同；在所述交流电的电压的负半周期，所述第四开关器件和所述第二开关器件的驱动信号相同；所述第五开关器件和所述第六开关器件的驱动信号互补；

所述第二开关器件和所述第三开关器件的驱动信号根据第一占空比得到；

所述第五开关器件和所述第六开关器件的驱动信号根据第二占空比得到；

所述第七开关器件和所述第八开关器件的驱动信号根据所述电能变换器的输出端的输出电压以及所述第一占空比和第二占空比得到；

当所述电能变换器的输出端输出正电压，且所述第一占空比或所述第二占空比小于100％时，所述第七开关器件相对于所述第一开关器件和所述第五开关器件同时导通的时间段的起始时刻延迟第一时段闭合，并且所述第七开关器件相对于所述第一开关器件和所述第五开关器件同时导通的时间段的结束时刻提前第二时段断开；

当所述电能变换器的输出端输出正电压，且所述第一占空比和所述第二占空比等于100％时，所述第七开关器件相对于所述第一开关器件和所述第五开关器件同时导通的时间段的起始时刻同时闭合或者提前第三时段闭合，并且所述第七开关器件相对于所述第一开关器件和所述第五开关器件同时导通的时间段的结束时刻同时断开或者延迟第四时段断开；

当所述电能变换器的输出端输出负电压，且所述第一占空比或所述第二占空比大于0％时，所述第八开关器件相对于所述第四开关器件和所述第六开关器件同时导通的时间段的起始时刻延迟第五时段闭合，并且所述第八开关器件相对于所述第四开关器件和所述第六开关器件同时导通的时间段的结束时刻提前第六时段断开；

当所述电能变换器的输出端输出负电压，且所述第一占空比和所述第二占空比等于0％时，所述第八开关器件相对于所述第四开关器件和所述第六开关器件同时导通的时间段的起始时刻同时闭合或者提前第七时段闭合，并且所述第八开关器件相对于所述第四开关器件和所述第六开关器件同时导通的时间段的结束时刻同时断开或者延迟第八时段断开。

2.根据权利要求1所述的电能变换器，其特征在于，

所述第一占空比为100％时，所述第三开关器件保持导通状态，所述第二开关器件保持关断状态；所述第一占空比为0％时，所述第三开关器件保持关断状态，所述第二开关器件保持导通状态；所述第二占空比为100％时，所述第五开关器件保持导通状态，所述第六开关器件保持关断状态；所述第二占空比为0％时，所述第五开关器件保持关断状态，所述第六开关器件保持导通状态；

所述第一直流电压源的正端提供所述正电压，所述第二直流电压源的负端提供所述负电压，所述中间节点提供零电压。

3.根据权利要求1所述的电能变换器，其特征在于，所述第一开关器件至第六开关器件均包含绝缘栅双极型晶体管IGBT和二极管；其中，所述IGBT与所述二极管反并联；第七开关器件、第八开关器件均包含IGBT。

4.根据权利要求1所述的电能变换器，其特征在于，所述第二开关器件、第三开关器件、第五开关器件、第六开关器件、第七开关器件以及第八开关器件均包含IGBT和二极管；其中，所述IGBT与所述二极管反并联；第一开关器件、第四开关器件均包含IGBT。

5.根据权利要求1所述的电能变换器，其特征在于，所述第一开关器件至第八开关器件均包含IGBT和二极管；其中，所述IGBT与所述二极管反并联。

6.根据权利要求1所述的电能变换器，其特征在于，所述第一开关器件至第八开关器件中至少存在一个开关器件包含至少两个串联的IGBT，以及与每个所述IGBT反并联的二极管；或者，

所述第一开关器件至第八开关器件中至少存在一个开关器件包含至少两个串联的金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET。

7.根据权利要求1所述的电能变换器，其特征在于，所述第一开关器件至第六开关器件均包含IGBT和第一二极管，其中，所述IGBT与所述第一二极管反并联；

所述第七开关器件和第八开关器件均包含宽禁带半导体晶体管和第二二极管，其中，所述宽禁带半导体晶体管与所述第二二极管正向串联。

8.根据权利要求1所述的电能变换器，其特征在于，所述第二开关器件、第三开关器件、第五开关器件、第六开关器件、第七开关器件和第八开关器件均包含IGBT和第一二极管，其中，所述IGBT与所述第一二极管反并联；

所述第一开关器件和第四开关器件均包含宽禁带半导体晶体管和第二二极管，其中，所述宽禁带半导体晶体管与所述第二二极管正向串联。

9.根据权利要求7或8所述的电能变换器，其特征在于，所述宽禁带半导体晶体管替换为硅基MOSFET。