CN204498017U - 一种多电平变换器电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种多电平变换器电路，包括：第一信号模块、第二信号模块、连接到所述第一信号模块和所述第二信号模块之间的第一混合多态开关模块和第二混合多态开关模块，所述第一混合多态开关模块和所述第二混合多态开关模块将从所述第一信号模块接收到的第一信号变换成第二信号并将所述第二信号输出到所述第二信号模块或将从所述第二信号模块接收到的第二信号变换成第一信号并将所述第一信号输出到所述第一信号模块。本实用新型采用混合多态开关模块，因此可以减少电流采样的个数，降低采样成本和采样复杂度，并且混合多态采样开关模块中使用了变压器，因此可以实现电流的自动均流控制，不需要对电流进行单独控制和均流控制，降低控制复杂度。

Description

一种多电平变换器电路

技术领域

本实用新型涉及整流逆变领域，更具体地说，涉及一种多电平变换器电路。

背景技术

多电平变换器电路(例如整流电路或者逆变电路)广泛应用于通信电源、光伏变换器、不间断电源(Uninterrupt Power Supply，UPS)等产品中。其除了进行交流和直流的电压转换外，同时还要实现输入的功率因数校正或输出的总谐波失真(Total Harmonic Distortion，THD)的控制，满足各种标准对输入输出特性的要求。为了同时实现提高效率和功率密度这个目标，在多电平变换器电路中开始采用交错并联结构。

然而，交错并联结构的缺点在于需要采样各交错单元的电感或者开关管电流，进行电流的单独控制，同时需要增加均流控制器消除各单元间的环流，因此采样的成本高，电流控制器结构复杂。而且交错并联的单元数量多的时候(如大于两个并联单元)均流控制的复杂度增加很多，对控制芯片的功能要求比较大，成本高。

因此，需要一种采样电流数量少、采样成本低且复杂度小的多电平变换器电路。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题在于，针对现有技术的多电平变换器电路采样电流数量多，需要对各个采样电流进行单独控制的缺陷，提供一种采样电流数量少、采样成本低且复杂度小的多电平变换器电路。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种多电平变换器电路，包括：第一信号模块、第二信号模块、用于将从所述第一信号模块接收到的第一信号变换成第二信号并将所述第二信号输出到所述第二信号模块或将从所述第二信号模块接收到的第二信号变换成第一信号并将所述第一信号输出到所述第一信号模块的第一混合多态开关模块和第二混合多态开关模块，所述第一混合多态开关模块和所述第二混合多态开关模块连接到所述第一信号模块和所述第二信号模块之间。

在本实用新型所述的多电平变换器电路中，所述第一混合多态开关模块和所述第二混合多态开关模块包括混合三态开关模块、混合四态开关模块和混合五态开关模块。

在本实用新型所述的多电平变换器电路中，所述第一混合多态开关模块包括第一变压器、第一开关、第二开关、第三开关、第四开关、第一双向开关和第二双向开关，所述第一变压器的第一绕组的第一端子和所述第一变压器的第二绕组的第一端子连接所述第一信号模块的第一端、所述第一变压器的第一绕组的第二端子连接所述第一开关的第一端和所述第二开关的第二端，所述第一变压器的第二绕组的第二端子连接第三开关的第一端和所述第四开关的第二端，所述第一开关的第二端、所述第三开关的第二端连接所述第二信号模块的第一端，所述第二开关的第一端、所述第四开关的第一端连接所述第二信号模块的第二端，所述第一双向开关的第一端连接所述第一开关的第一端，所述第一双向开关的第二端连接所述第二信号模块的第三端，所述第二双向开关的第一端连接所述第三开关的第一端，所述第二双向开关的第二端连接所述第二信号模块的第三端。

在本实用新型所述的多电平变换器电路中，所述第二混合多态开关模块包括第二变压器、第五开关、第六开关、第七开关、第八开关、第三双向开关和第四双向开关，所述第二变压器的第一绕组的第一端子和所述第二变压器的第二绕组的第一端子连接所述第一信号模块的第二端、所述第二变压器的第一绕组的第二端子连接所述第五开关的第一端和所述第六开关的第二端，所述第二变压器的第二绕组的第二端子连接第七开关的第一端和所述第八开关的第二端，所述第五开关的第二端、所述第七开关的第二端连接所述第二信号模块的第一端，所述第六开关的第一端、所述第八开关的第一端连接所述第二信号模块的第二端，所述第三双向开关的第一端连接所述第五开关的第一端，所述第三双向开关的第二端连接所述第二信号模块的第三端，所述第四双向开关的第一端连接所述第七开关的第一端，所述第四双向开关的第二端连接所述第二信号模块的第三端。

在本实用新型所述的多电平变换器电路中，所述第一信号模块包括电压源，所述电压源的第一端连接所述第一信号模块的第一端，所述电压源的第二端连接所述第一信号模块的第二端，所述第二信号模块包括第一电压源器件和第二电压源器件，所述第一电压源器件和所述第二电压源器件串联到所述第二信号模块的第一端和第二端之间，所述第一电压源器件和所述第二电压源器件的连接点接地。

在本实用新型所述的多电平变换器电路中，所述第一信号模块还包括第一整流/逆变电感和/或第二整流/逆变电感，所述第一整流/逆变电感连接到所述电压源的第一端和所述第一信号模块的第一端之间，所述第二整流/逆变电感连接到所述电压源的第二端和所述第一信号模块的第二端之间。

在本实用新型所述的多电平变换器电路中，所述第一信号模块还包括第一EMI滤波器，所述第一EMI滤波器的输入端连接所述电压源、输出端连接所述第一整流/逆变电感和/或所述第二整流/逆变电感。

在本实用新型所述的多电平变换器电路中，所述第一信号模块包括滤波电容和负载，所述滤波电容的第一端连接到所述第一信号模块的第一端，所述滤波电容的第二端连接到所述第一信号模块的第二端，所述负载连接到所述滤波电容的两端；所述第二信号模块包括第三电压源器件和第四电压源器件，所述第一电压源器件和所述第二电压源器件串联后连接到所述第二信号模块的第一端和第二端之间且所述第三电压源器件和所述第四电压源器件的连接点接地。

在本实用新型所述的多电平变换器电路中，所述第一信号模块包括第一滤波电感和/或第二滤波电感，所述第一滤波电感连接到所述滤波电容的第一端和所述第一信号模块的第一端之间，所述第二滤波电感连接到所述滤波电容的第二端和所述第一信号模块的第二端之间。

在本实用新型所述的多电平变换器电路中，所述第一信号模块还包括第二EMI滤波器，所述第二EMI滤波器连接到所述滤波电容和所述负载之间。

实施本实用新型的多电平变换器电路，因为采用了混合多态开关模块，因此可以减少电流采样的个数，降低采样成本和采样复杂度。更进一步地，混合多态采样开关模块中使用了变压器，因此可以实现电流的自动均流控制，因此不需要对电流进行单独控制和均流控制，降低控制复杂度。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本实用新型作进一步说明，附图中：

图1是本实用新型的多电平变换器电路的原理框图；

图2是本实用新型的多电平变换器电路的第一实施例的电路原理图；

图3A示出了图2所示的多电平变换器电路的双向开关S1-S4在占空比D>0.5时的调制信号和驱动信号示意图；

图3B示出了图2所示的多电平变换器电路的双向开关S1-S4在占空比D<0.5时的调制信号和驱动信号示意图；

图3C示出了图2所示的多电平变换器电路的双向开关S1-S4在占空比D＝0.5时的调制信号和驱动信号示意图；

图4A是图3A所示的双向开关S1-S4的第一状态的多电平变换器电路的电流流向图；

图4B是图3A所示的双向开关S1-S4的第二状态的多电平变换器电路的电流流向图；

图4C是图3A所示的双向开关S1-S4的第三状态的多电平变换器电路的电流流向图；

图4D是图3A所示的双向开关S1-S4的第四状态的多电平变换器电路的电流流向图；

图4E是图3A所示的双向开关S1-S4的第五状态的多电平变换器电路的电流流向图；

图4F是图3A所示的双向开关S1-S4的第六状态的多电平变换器电路的电流流向图；

图4G是图3A所示的双向开关S1-S4的第七状态的多电平变换器电路的电流流向图；

图4H是图3A所示的双向开关S1-S4的第八状态的多电平变换器电路的电流流向图；

图5A是图4A所示的电流流向图的等效电路图；

图5B是图4B所示的电流流向图的等效电路图；

图5C是图4C所示的电流流向图的等效电路图；

图5D是图4D所示的电流流向图的等效电路图；

图5E是图4E所示的电流流向图的等效电路图；

图5F是图4F所示的电流流向图的等效电路图；

图5G是图4G所示的电流流向图的等效电路图；

图5H是图4H所示的电流流向图的等效电路图；

图6是本实用新型的多电平变换器电路的第二实施例的电路原理图；

图7是本实用新型的多电平变换器电路的第三实施例的电路原理图；

图8是本实用新型的多电平变换器电路的第四实施例的电路原理图；

图9是本实用新型的多电平变换器电路的第五实施例的电路原理图；

图10是本实用新型的多电平变换器电路的第六实施例的电路原理图；

图11是本实用新型的多电平变换器电路的第七实施例的电路原理图；

图12是本实用新型的多电平变换器电路的第八实施例的电路原理图；

图13是本实用新型的多电平变换器电路的第九实施例的电路原理图；

图14是本实用新型的多电平变换器电路的第十实施例的电路原理图；

图15是本实用新型的多电平变换器电路的第十一实施例的电路原理图；

图16是本实用新型的多电平变换器电路的第十二实施例的电路原理图；

图17是本实用新型的多电平变换器电路的第十三实施例的电路原理图；

图18是本实用新型的多电平变换器电路的第十四实施例的电路原理图；

图19A是本实用新型的多电平变换器电路的双向开关的第一实施例的电路图；

图19B是本实用新型的多电平变换器电路的双向开关的第二实施例的电路图；

图19C是本实用新型的多电平变换器电路的双向开关的第三实施例的电路图；

图19D是本实用新型的多电平变换器电路的双向开关的第四实施例的电路图；

图19E是本实用新型的多电平变换器电路的双向开关的第五实施例的电路图；

图19F是本实用新型的多电平变换器电路的双向开关的第六实施例的电路图；

图19G是本实用新型的多电平变换器电路的双向开关的第七实施例的电路图；

图20A是本实用新型的多电平变换器电路的开关的第一实施例的电路图；

图20B是本实用新型的多电平变换器电路的开关的第二实施例的电路图；

图20C是本实用新型的多电平变换器电路的开关的第三实施例的电路图；

图21是本实用新型的多电平变换器电路的第十五实施例的电路图。

具体实施方式

图1是本实用新型的多电平变换器电路的原理框图。如图1所示，在本实用新型的多电平变换器电路包括：第一信号模块100、第二信号模块200、连接到所述第一信号模块100和所述第二信号模块200之间的第一混合多态开关模块300和第二混合多态开关模块400。在本实用新型中，所述第一混合多态开关模块300和所述第二混合多态开关模块400可以用于将从所述第一信号模块100接收到的第一信号变换成第二信号并将所述第二信号输出到所述第二信号模块200，也可以用于将从所述第二信号模块200接收到的第二信号变换成第一信号并将所述第一信号输出到所述第一信号模块100。

在本实用新型中，所述第一混合多态开关模块300和所述第二混合多态开关模块400可以包括混合三态开关模块、混合四态开关模块、混合五态开关模块、混合六态开关模块、…..混合N态开关模块。本领域技术人员知悉，除了本实用新型中示出的实施例外，所述第一混合多态开关模块300和所述第二混合多态开关模块400可以按照本领域中已知的任何混合多态开关构建。

在本实用新型中，所述多电平变换器电路可以是整流电路也可以是逆变电路。所述多电平变换器电路还可以既包括整流电路又包括逆变电路。所述第一信号模块100和第二信号模块200可以根据现有技术中已知的任何整流电路或者逆变电路进行构造。

实施本实用新型的多电平变换器电路，与交错并联相比，因为采用了混合多态开关模块，因此可以减少电流采样的个数，降低采样成本和采样复杂度。

图2是本实用新型的多电平变换器电路的第一实施例的电路原理图。图2所示的多电平变换器电路为整流电路，该整流电路包括第一信号模块100、第二信号模块200、连接到所述第一信号模块100和所述第二信号模块200之间的第一混合多态开关模块300和第二混合多态开关模块400。如图2所示，该第一信号模块100包括电压源AC和整流电感LS。该第二信号模块200包括直流母线电容Co1、Co2和负载R1。所述第一混合多态开关模块300包括变压器T1、二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4、双向开关S1和双向开关S2。所述第二混合多态开关模块400包括变压器T2、二极管D5、二极管D6、二极管D7、二极管D8、双向开关S3和双向开关S4。

所述变压器T1的原边绕组的第一端子和所述变压器T1的副边绕组的第一端子经整流电感LS连接到电压源AC的第一端。所述变压器T1的原边绕组的第二端子连接所述二极管D1的阳极和所述二极管D2的阴极。所述变压器T1的副边绕组的第二端连接二极管D3的阳极和所述二极管D4的阴极。所述二极管D1的阴极、所述二极管D3的阴极连接直流母线电容Co1的第一端。所述二极管D2的阳极、所述二极管D4的阳极连接所述直流母线电容Co2的第一端。直流母线电容Co1和Co2的第二端连接母线中点。双向开关S1的第一端连接所述二极管D1的阳极、第二端连接母线中点。双向开关S2的第一端连接所述二极管D3的阳极、第二端连接母线中点。双向开关S3的第一端连接所述二极管D5的阳极、第二端连接母线中点。双向开关S4的第一端连接所述二极管D7的阳极、第二端连接母线中点。所述变压器T2的原边绕组的第一端子和所述变压器T2的副边绕组的第一端子连接到电压源AC的第二端。所述变压器T2的原边绕组的第二端子连接所述二极管D5的阳极和所述二极管D6的阴极，所述变压器T2的副边绕组的第二端子连接二极管D7的阳极和所述二极管D8的阴极，所述二极管D5的阴极、所述二极管D7的阴极连接直流母线电容Co1的第一端。所述二极管D6的阳极、所述二极管D8的阳极连接直流母线电容Co2的第一端。

为了使得本实用新型的目地、特征和优点更加明显易懂。下面结合图2、图3A-3C、图4A-H，图5A-H对图2所示的多电平变换器电路的原理说明如下。

双向开关S1-S4的驱动信号在一个开关周期内进行一定角度的相移，其中双向开关S1和S2移相180度，双向开关S3和S4分别相对双向开关S1和S2移相90度，双向开关S3和S4的驱动信号可以互换。根据输入电压Vin和输出电压一半的大小关系可以有不同的占空比，当时双向开关S1和S2的占空比D<0.5、当时双向开关S1和S2的占空比D＝0.5、当时双向开关S1和S2的占空比D>0.5。图3A-3C示出了不同的占空比时，双向开关S1-S4的开关状态。

根据双向开关S1-S4的通断状态可以画出每个时刻的电流流向图，以图2所示电流i_A从左向右方向流动为例，在D>0.5时，定义双向开关S1-S4导通为1关断为0，那么，双向开关S1、S2、S3、S4所有的开关状态有(1111)(0111)(0110)(0100)(1100)(1000)(1010)(1011)，可以看出在不同的开关状态间切换时每次切换只有一个双向开关改变状态，这样可以减少开关损耗。D<0.5和D＝0.5的工作模式的分析方法和D>0.5时是相同的。图4A是开关状态(0111)对应的电流流向图，图4B是开关状态(0110)对应的电流流向图。图4C是开关状态(0100)对应的电流流向图。图4D是开关状态(1100)对应的电流流向图。图4E是开关状态(1000)对应的电流流向图。图4F是开关状态(1010)对应的电流流向图。图4G是开关状态(1011)对应的电流流向图。图4H是开关状态(1111)对应的电流流向图。

以图4A为例进行说明，双向开关S1关断，双向开关S2、S3、S4导通，电流分两路，一路从电源AC流出经电感Ls、变压器T1的原边绕组、二极管D1给直流母线电容Co1充电，另一路经电感Ls流向变压器T1的副边绕组，然后经过双向开关S2到母线中点，母线中点电流经双向开关S3、S4和变压器T2的原边和副边流回电源AC，同时，直流母线电容Co1和Co2给负载提供能量。

根据图4A-H可以画出各模态下的等效电路图，分别为图5A-H。电压的参考方向如图2所示。假设输出直流母线总电压是Vo，直流母线电容Co1和Co2的电压分别为根据图5H可以得出，由于变压器T1的原副边的两个绕组Tp1和Ts1并联，所以两个绕组上的电压相等，即V_Tp1＝V_Ts1＝0；变压器T2的原副边的两个绕组Tp2和Ts2并联，所以两个绕组上的电压相等，即V_Tp2＝V_Ts2＝0，那么电感电压V_L＝V_IN。根据图5A可以得出，由于变压器T1的原副边的两个绕组Tp1和Ts1串联，所以两个绕组上的电压相等，即变压器T2的原副边的两个绕组Tp2和Ts2并联，所以两个绕组上的电压相等，即V_Tp2＝V_Ts2＝0，那么电感电压根据图5B可以得出，由于变压器T1的原副边的两个绕组Tp1和Ts1串联，所以两个绕组上的电压相等，即变压器T2的原副边的两个绕组Tp2和Ts2串联，所以两个绕组上的电压相等，即那么电感电压根据图5C可以得出，由于变压器T1的原副边的两个绕组Tp1和Ts1串联，所以两个绕组上的电压相等，即变压器T2的原副边的两个绕组Tp2和Ts2并联，所以两个绕组上的电压相等V_Tp2＝V_Ts2＝0，即，那么电感电压由等效电路可以看出八个开关模态对应五个不同的等效电路，(1111)、(1100)、(0100)和(1000)、(0111)和(1011)、(0110)和(1010)。占空比D<0.5和D＝0.5的模式下电感电压的计算方法是相同的，可以得出在输入电压的正负半周电感的电压分别有 七个电平数。由此可知，通过本实用新型多电平变换器电路通过使用混合三态开关模块使整流电感Ls的电压由三电平变成了七电平，所以可以大大减小滤波电感的感量。不同的占空比下可以列写出电感电压的伏秒数平衡方程，由此推导出电路的变量关系，如输出电压和输入电压的增益关系等。

在本实用新型中，双向开关S1-S4可以为双向开关管。本领域中任何已知的双向开关，例如DIODE、MOSFET、IGBT、JFET、IGCT、MCT、IGFET、SiC MOSFET都可以用于本实用新型，还可以采用MOSFET、IGBT、JFET、IGFET和二极管构成本实用新型的双向开关管。本领域中任何已知的双向开关，其组合都可以用于本实用新型。当然，在本实用新型的简化实施例中，整流电感Ls可以省略。

在本实用新型的其他实施例中，如图6所示，为了使得电路对称从而便于参数计算，可以将整流电感Ls分为整流电感Ls1和整流电感Ls2。该整流电感Ls1连接到电压源AC的第一端和变压器T1的原边绕组的第一端和副边绕组的第一端。该整流电感Ls2连接到电压源AC的第二端和变压器T2的原边绕组的第一端和副边绕组的第一端。

在本实用新型的其他实施例中，如图7所示，为了使整流电路的输入特性满足标准对总谐波含量等的要求，可以在电压源AC和整流电感LS之间增加EMI滤波器来降低共模和差模的噪声，即EMI滤波器的输入端连接电压源AC，输出端连接整流电感LS。又如图8所示，也可以在电压源AC和整流电感Ls1、整流电感Ls2之间增加EMI滤波器来降低共模和差模的噪声，EMI滤波器的输入端连接电压源AC，输出端连接整流电感Ls1，EMI滤波器的输入端连接电压源AC，输出端连接整流电感Ls2。

在本实用新型的其他实施例中，可以将图2或7所示的变压器T1和整流电感Ls集成为一个耦合电感Ts，或者将图6或8所示的变压器T1和整流电感Ls1集成为一个耦合电感Ts1、变压器T2和整流电感Ls2集成为一个耦合电感Ts2(如图9所示)。采用耦合电感替代变压器和整流电感，可以节省电子元器件，从而减小电路体积。

在本实用新型的其他实施例中，如图10所示，该第一信号模块100包括电压源AC和整流电感LS。该第二信号模块200包括直流母线电容Co1、Co2和负载R1。所述第一混合多态开关模块300和所述第二混合多态开关模块400可以是混合四态开关。如图10所示，所述第一混合多态开关模块300包括双向开关S1-S3、二极管D1-D6和变压器T1。所述第二混合多态开关模块400包括双向开关S4-S6、二极管D7-D12和变压器T2。在本实施例中，变压器T1和T2的原边绕组和副边绕组数目为三，而双向开关S1-S3和二极管D1-D6构成的桥臂数量，双向开关S4-S6、二极管D7-D12构成的桥臂数量也为三。具体电子元器件的连接关系可以参照图10所示。其中，变压器T1和变压器T2的副边绕组呈三角形连接。本领域技术人员知悉，图10所示的实施例也可以与图6-9中的实施例进行组合。基于本实用新型的教导，本领域技术人员能够实现该组合。由于在四态以及以上的混合多态开关模块在变压器的副边绕组的电压可以相互抵消，因此在本实用新型的进一步的实施例中，可以省略变压器T1和T2的副边绕组，具体电路可以参见图11所示。

在本实用新型中，组成双向开关的器件有DIODE、MOSFET、IGBT、JFET、IGCT、MCT、IGFET、SiC MOSFET等开关管，也有逆阻型IGBT和逆导型IGBT，但是不局限于上述器件。图19A-F示出了以MOSFET和二极管为例组成的双向开关管的结构。在本实用新型的其他实施例中，还可以将图19A-G的MOSFET用IGBT、JFET、IGFET等代替都可以构成双向开关。图19G示出了由逆阻型IGBT构成的双向开关。当然，本领域技术人员还可以采用其他的双向开关。在本实用新型中，所述二极管D1-D8可以采用其他开关替代，例如MOSFET，或者IGBT与二极管的反并联，本领域中任何已知的双向开关，其组合都可以用于本实用新型。图20A-C示出了可以用于替代所述二极管D1-D8的开关的示意图。

实施本实用新型的多电平变换器电路，因为采用了混合多态开关模块，因此可以减少电流采样的个数，降低采样成本和采样复杂度。更进一步地，混合多态采样开关模块中使用了变压器，因此可以实现电流的自动均流控制，因此不需要对电流进行单独控制和均流控制，降低控制复杂度。此外，混合多态采样开关模块的使用使得整流电感电压的电平数增加，电感的尺寸可以大大减小，降低无源器件的体积；并且电感纹波频率的是双向开关的开关频率的N倍(N为开关管桥臂数)，因此可以降低开关损耗，同时提高功率密度和效率。在本实用新型的其他实施例中，该整流电感也可以是逆变电感。

图12是本实用新型的多电平变换器电路的第八实施例的电路原理图。图12所示的多电平变换器电路为逆变电路，该逆变电路包括第一信号模块100、第二信号模块200、连接到所述第一信号模块100和所述第二信号模块200之间的第一混合多态开关模块300和第二混合多态开关模块400。如图12所示，该第一信号模块100包括滤波电容Co、滤波电感Lo和负载RL。所述第二信号模块200包括直流母线电压Vdc1和直流母线电压Vdc2。所述第一混合多态开关模块300包括变压器T1、开关管S1、开关管S2、开关管S3、开关管S4、双向开关BS1和双向开关BS2。所述第二混合多态开关模块400包括变压器T2、开关管S5、开关管S6、开关管S7、开关管S8、双向开关BS3和双向开关BS4。

所述变压器T1的原边绕组的第一端子和所述变压器T1的副边绕组的第一端子经滤波电感Lo连接到滤波电容Co的一端。所述变压器T1的原边绕组的第二端子连接所述开关管S1的第一端和所述开关管S2的第二端。所述变压器T1的副边绕组的第二端连接开关管S3的第一端和所述开关管S4的第二端。所述开关管S1的第二端、所述开关管S3的第二端连接直流母线电压Vdc1的正极。所述开关管S2的第一端、所述开关管S4的第一端连接所述直流母线电压Vdc2的负极。直流母线电压Vdc1的负极和直流母线电压Vdc2的正极接地。双向开关BS1的第一端连接所述开关管S1的第一端、第二端接地。双向开关BS2的第一端连接所述开关管S2的第一端、第二端接地。双向开关BS3的第一端连接所述开关管S5的第一端、第二端接地。双向开关BS4的第一端连接所述开关管S7的第一端、第二端接地。所述变压器T2的原边绕组的第一端子和所述变压器T2的副边绕组的第一端子连接到滤波电容Co的第二端。负载RL连接到滤波电容Co的两端。所述变压器T2的原边绕组的第二端子连接所述开关管S5的第一端和所述开关管S6的第二端，所述变压器T2的副边绕组的第二端子连接开关管S7的第一端和所述开关管S8的第二端。所述开关管S5的第二端、所述开关管S7的第二端连接直流母线电压Vdc1的正极。所述开关管S6的第一端、所述开关管S8的第一端连接直流母线电压Vdc2的负极。

在本实施例中，开关管S1、S3、S6、S8在如图12所示的电流方向时导通和关断，开关管S5、S7、S2、S4在与如图12所示的电流方向相反时导通和关断。中点嵌位的开关管BS1-BS4与相连的开关管S1-S8互补导通或者常通。具体的通断方式和调制方法有关。本领域技术人员可以根据实际情况进行选择。下面列出可能的一种控制方法。当输出电流为图12所示的方向时，第一混合多态开关模块300的开关管S1、S3和中点嵌位的双向开关BS1、BS2根据需要进行导通和关断。第二混合多态开关模块400的开关管S6、S8和中点嵌位的双向开关BS3、BS4根据需要进行导通和关断。双向开关BS1和BS2的载波信号移相180°,双向开关BS3和BS4的载波信号移相180°，双向开关BS3或者BS4和BS1的载波信号移相90°。垂直桥臂的开关管S1-S8与中点嵌位的双向开关BS1-BS4互补导通。双向开关BS3和BS4的驱动信号可以互换。在本实施例中，根据输入电压一半Vdc/2和输出电压Vo的大小关系可以有不同的占空比，具体的开关状态可以参见图2所示的变换器电路的开关状态，在此就不再累述了。

在本实用新型的其他实施例中，如图13所示，为了电路对称，可以将滤波电感Lo分为滤波电感Lo1和滤波电感Lo2。该滤波电感Lo1连接到滤波电容Co的第一端和变压器T1的原边绕组的第一端和副边绕组的第一端。该滤波电感Lo2连接到滤波电容Co的第二端和变压器T2的原边绕组的第一端和副边绕组的第一端。

在本实用新型的其他实施例中，如图14所示，为了使逆变电路的输出特性满足标准对总谐波含量等的要求，EMI滤波器连接到所述滤波电容Co和所述负载RL之间来降低共模和差模的噪声。又如图15所示，在电路具有滤波电感Lo1和滤波电感Lo2时，也可以在滤波电容Co和负载RL之间增加EMI滤波器来降低共模和差模的噪声。

在本实用新型的其他实施例中，可以将图12或14所示的变压器T1和滤波电感Lo集成为一个耦合电感Ts，或者将图13或15所示的变压器T1和滤波电感Lo1集成为一个耦合电感Ts1、变压器T2和滤波电感Lo1集成为一个耦合电感Ts2(如图16所示)。

在本实用新型的其他实施例中，如图17所示，该逆变电路包括第一信号模块100、第二信号模块200、连接到所述第一信号模块100和所述第二信号模块200之间的第一混合多态开关模块300和第二混合多态开关模块400。如图17所示，该第一信号模块100包括滤波电容Co、滤波电感Lo和负载RL。所述第二信号模块200包括直流母线电压Vdc1和直流母线电压Vdc2。所述第一混合多态开关模块300包括变压器T1、开关管S1-S6、双向开关BS1-BS3。所述第二混合多态开关模块400包括变压器T2、开关管S7-S12、双向开关BS4-BS6。

在本实施例中，变压器T1和T2的原边绕组和副边绕组数目为三，而双向开关BS1-BS3和开关管S1-S6构成的桥臂数量，双向开关BS4-BS6、开关管S7-S12构成的桥臂数量也为三。具体电子元器件的连接关系可以参照图17所示。其中，变压器T1和变压器T2的副边绕组呈三角形连接。本领域技术人员知悉，图17所示的实施例也可以与图13-16中的实施例进行组合。基于本实用新型的教导，本领域技术人员能够实现该组合。由于在四态以及以上的混合多态开关模块在变压器的副边绕组的电压可以相互抵消，因此在本实用新型的进一步的实施例中，可以省略变压器T1和T2的副边绕组，具体电路可以参见图18所示。

在本实用新型中，组成双向开关的器件有DIODE、MOSFET、IGBT、JFET、IGCT、MCT、IGFET、SiC MOSFET等开关管，也有逆阻型IGBT和逆导型IGBT，但是不局限于上述器件。图19A-F示出了以MOSFET和二极管为例组成的双向开关管的结构。在本实用新型的其他实施例中，还可以将图19A-G的MOSFET用IGBT、JFET、IGFET等代替都可以构成双向开关。图19G示出了由逆阻型IGBT构成的双向开关。当然，本领域技术人员还可以采用其他的双向开关。在本实用新型中，所述二极管D1-D12可以采用其他开关器件替代，例如MOSFET，或者IGBT与二极管的反并联，本领域中任何已知的双向开关，其组合都可以用于本实用新型。图20A-C示出了可以用于替代所述二极管D1-D12的开关器件的示意图。

图21是本实用新型的多电平变换器电路的第十五的实施例的电路图。如图21所示，所述多电平变换器电路包括设置在左侧的整流滤波器和整流电路部分，以及设置在右侧的逆变滤波器和逆变电路部分。具体电路构造参见图21。本领域技术人员知悉，所述整流电路部分还可以根据图2、6-11所示的实施例构造，而所述逆变电路部分还可以根据图12-18所示的实施例构造。基于本实用新型的教导，本领域技术人员能够实现本实用新型的多电平变换器电路，在此就不再累述了。

实施本实用新型的多电平变换器电路，因为采用了混合多态开关模块，因此可以减少电流采样的个数，降低采样成本和采样复杂度。更进一步地，混合多态采样开关模块中使用了变压器，因此可以实现电流的自动均流控制，因此不需要对电流进行单独控制和均流控制，降低控制复杂度。此外，混合多态采样开关模块的使用使得整流电感电压的电平数增加，电感的尺寸可以大大减小，降低无源器件的体积；并且电感纹波频率的是双向开关的开关频率的N倍(N为开关管桥臂数)，因此可以降低开关损耗，同时提高功率密度和效率。

虽然本实用新型是通过具体实施例进行说明的，本领域技术人员应当明白，在不脱离本实用新型范围的情况下，还可以对本实用新型进行各种变换及等同替代。因此，本实用新型不局限于所公开的具体实施例，而应当包括落入本实用新型权利要求范围内的全部实施方式。

Claims (10)

1.一种多电平变换器电路，其特征在于，包括：第一信号模块、第二信号模块、用于将从所述第一信号模块接收到的第一信号变换成第二信号并将所述第二信号输出到所述第二信号模块或将从所述第二信号模块接收到的第二信号变换成第一信号并将所述第一信号输出到所述第一信号模块的第一混合多态开关模块和第二混合多态开关模块，所述第一混合多态开关模块和所述第二混合多态开关模块连接到所述第一信号模块和所述第二信号模块之间。

2.根据权利要求1所述的多电平变换器电路，其特征在于，所述第一混合多态开关模块和所述第二混合多态开关模块包括混合三态开关模块、混合四态开关模块和混合五态开关模块。

3.根据权利要求2所述的多电平变换器电路，其特征在于，所述第一混合多态开关模块包括第一变压器、第一开关、第二开关、第三开关、第四开关、第一双向开关和第二双向开关，所述第一变压器的第一绕组的第一端子和所述第一变压器的第二绕组的第一端子连接所述第一信号模块的第一端、所述第一变压器的第一绕组的第二端子连接所述第一开关的第一端和所述第二开关的第二端，所述第一变压器的第二绕组的第二端子连接第三开关的第一端和所述第四开关的第二端，所述第一开关的第二端、所述第三开关的第二端连接所述第二信号模块的第一端，所述第二开关的第一端、所述第四开关的第一端连接所述第二信号模块的第二端，所述第一双向开关的第一端连接所述第一开关的第一端，所述第一双向开关的第二端连接所述第二信号模块的第三端，所述第二双向开关的第一端连接所述第三开关的第一端，所述第二双向开关的第二端连接所述第二信号模块的第三端。

4.根据权利要求3所述的多电平变换器电路，其特征在于，所述第二混合多态开关模块包括第二变压器、第五开关、第六开关、第七开关、第八开关、第三双向开关和第四双向开关，所述第二变压器的第一绕组的第一端子和所述第二变压器的第二绕组的第一端子连接所述第一信号模块的第二端、所述第二变压器的第一绕组的第二端子连接所述第五开关的第一端和所述第六开关的第二端，所述第二变压器的第二绕组的第二端子连接第七开关的第一端和所述第八开关的第二端，所述第五开关的第二端、所述第七开关的第二端连接所述第二信号模块的第一端，所述第六开关的第一端、所述第八开关的第一端连接所述第二信号模块的第二端，所述第三双向开关的第一端连接所述第五开关的第一端，所述第三双向开关的第二端连接所述第二信号模块的第三端，所述第四双向开关的第一端连接所述第七开关的第一端，所述第四双向开关的第二端连接所述第二信号模块的第三端。

5.根据权利要求4所述的多电平变换器电路，其特征在于，所述第一信号模块包括电压源，所述电压源的第一端连接所述第一信号模块的第一端，所述电压源的第二端连接所述第一信号模块的第二端，所述第二信号模块包括第一电压源器件和第二电压源器件，所述第一电压源器件和所述第二电压源器件串联到所述第二信号模块的第一端和第二端之间，所述第一电压源器件和所述第二电压源器件的连接点接地。

6.根据权利要求5所述的多电平变换器电路，其特征在于，所述第一信号模块还包括第一整流/逆变电感和/或第二整流/逆变电感，所述第一整流/逆变电感连接到所述电压源的第一端和所述第一信号模块的第一端之间，所述第二整流/逆变电感连接到所述电压源的第二端和所述第一信号模块的第二端之间。

7.根据权利要求6所述的多电平变换器电路，其特征在于，所述第一信号模块还包括第一EMI滤波器，所述第一EMI滤波器的输入端连接所述电压源、输出端连接所述第一整流/逆变电感和/或所述第二整流/逆变电感。

8.根据权利要求4所述的多电平变换器电路，其特征在于，所述第一信号模块包括滤波电容和负载，所述滤波电容的第一端连接到所述第一信号模块的第一端，所述滤波电容的第二端连接到所述第一信号模块的第二端，所述负载连接到所述滤波电容的两端；所述第二信号模块包括第三电压源器件和第四电压源器件，所述第一电压源器件和所述第二电压源器件串联后连接到所述第二信号模块的第一端和第二端之间且所述第三电压源器件和所述第四电压源器件的连接点接地。

9.根据权利要求8所述的多电平变换器电路，其特征在于，所述第一信号模块包括第一滤波电感和/或第二滤波电感，所述第一滤波电感连接到所述滤波电容的第一端和所述第一信号模块的第一端之间，所述第二滤波电感连接到所述滤波电容的第二端和所述第一信号模块的第二端之间。

10.根据权利要求8所述的多电平变换器电路，其特征在于，所述第一信号模块还包括第二EMI滤波器，所述第二EMI滤波器连接到所述滤波电容和所述负载之间。