CN103647471A - 一种七电平逆变器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种七电平逆变器，包括两个直流升压电路、十个开关管、八个二极管、四个电容单元和两个电感，并且本发明实施例提供的七电平逆变器在有功模式和无功模式时均能实现七电平输出，因此相比于五电平逆变器，效率更高，从而减少了输出电压和电流的谐波含量。此外，本发明逆变器还具有体积较小、开关管的电压应力小、适合输入更高电压的场合等优点。

Description

一种七电平逆变器

技术领域

本发明涉及电力电子技术领域，尤其是涉及一种七电平逆变器。

背景技术

近年来，多电平技术越来越受关注，相比传统的两电平技术，多电平技术具有器件开关应力低，开关损耗小，输出滤波器小以及谐波含量小的特点。例如图1为一种常见的二极管钳位型的五电平逆变器。

然而，相对于图1所示的五电平逆变器，如何进一步提高逆变器的效率，从而减少输出电压和电流的谐波含量，是目前人们比较关心的问题。

发明内容

本发明解决的技术问题在于提供一种七电平逆变器，相对于五电平逆变器，进一步提高逆变器的效率，从而进一步减少输出电压和电流的谐波含量。

为此，本发明解决技术问题的技术方案是：

本发明提供了一种七电平逆变器，所述逆变器包括：第一直流升压电路、第二直流升压电路、第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、第五开关管、第六开关管、第七开关管、第八开关管、第九开关管、第十开关管、第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管、第五二极管、第六二极管、第七二极管、第八二极管、第一电容单元、第二电容单元、第三电容单元、第四电容单元、第一电感和第二电感；

所述第一直流升压电路的第一输入端连接直流电源的正极、所述第二电容单元的第一端、所述第一二极管的正极、所述第九开关管的第一端和第一支路的第一端；所述第一支路包括串联的所述第七开关管和所述第五二极管；其中，所述第五二极管使得电流从所述第一支路的第二端流向第一端；所述第七开关管的第一端连接所述第一支路的第一端，或者所述第七开关管的第二端连接所述第一支路的第二端；

所述第一直流升压电路的第二输入端连接所述第一直流升压电路的第一输出端、所述第二直流升压电路的第二输入端、所述第二直流升压电路的第一输出端、所述第一电容单元的第二端、所述第二电容单元的第二端、所述第三电容单元的第一端、所述第四电容单元的第一端、所述第二二极管的正极和所述第三二极管的负极；

所述第一直流升压电路的第二输出端连接所述第一电容单元的第一端、所述第一开关管的第一端和所述第七二极管的负极；

所述第二直流升压电路的第一输入端连接所述直流电源的负极、所述第三电容单元的第二端、所述第四二极管的负极、所述第十开关管的第二端和第二支路的第一端；所述第二支路包括串联的所述第八开关管和所述第六二极管；其中，所述第六二极管使得电流从所述第二支路的第一端流向第二端；所述第八开关管的第一端连接所述第二支路的第一端，或者所述第八开关管的第二端连接所述第二支路的第二端；

所述第二直流升压电路的第二输出端连接所述第四电容单元的第二端、所述第六开关管的第二端和所述第八二极管的正极；

所述第一开关管的第二端连接所述第一二极管的负极和所述第二开关管的第一端；

所述第二开关管的第二端连接所述第二二极管的负极和所述第三开关管的第一端；

所述第三开关管的第二端连接所述第二支路的第二端、所述第八二极管的负极和所述第一电感的第一端；

所述第四开关管的第一端连接所述第一支路的第二端、所述第七二极管的正极和所述第二电感的第一端；

所述第四开关管的第二端连接所述第三二极管的正极和所述第五开关管的第一端；

所述第五开关管的第二端连接所述第四二极管的正极和所述第六开关管的第一端；

所述第九开关管的第二端连接所述第十开关管的第一端；

所述第一电感的第二端连接所述第二电感的第二端，作为所述逆变器的第一交流输出端；所述第九开关管的第二端作为所述逆变器的第二交流输出端。

优选地，所述第一开关管导通时，电流从所述第一开关管的第一端流向第二端；所述第二开关管导通时，电流从所述第二开关管的第一端流向第二端；所述第三开关管导通时，电流从所述第三开关管的第一端流向第二端；所述第四开关管导通时，电流从所述第四开关管的第一端流向第二端；所述第五开关管导通时，电流从所述第五开关管的第一端流向第二端；所述第六开关管导通时，电流从所述第六开关管的第一端流向第二端；所述第七开关管导通时，电流从所述第七开关管的第二端流向第一端；所述第八开关管导通时，电流从所述第六开关管的第一端流向第二端；所述第九开关管导通时，电流从所述第六开关管的第一端流向第二端；所述第十开关管导通时，电流从所述第六开关管的第一端流向第二端。

优选地，所述逆变器具有八种有功工作模态，分别为第一工作模态、第二工作模态、第三工作模态、第四工作模态、第五工作模态、第六工作模态、第七工作模态和第八工作模态；

所述逆变器处于所述第一工作模态时，所述第一开关管、所述第二开关管、所述第三开关管和所述第十开关管导通，所述第四开关管、所述第五开关管、所述第六开关管、所述第七开关管、所述第八开关管和所述第九开关管关断；

所述逆变器处于所述第二工作模态时，所述第二开关管、所述第三开关管和所述第十开关管导通，所述第一开关管、所述第四开关管、所述第五开关管、所述第六开关管、所述第七开关管、所述第八开关管和所述第九开关管关断；

所述逆变器处于所述第三工作模态时，所述第三开关管和所述第十开关管导通，所述第一开关管、所述第二开关管、所述第四开关管、所述第五开关管、所述第六开关管、所述第七开关管、所述第八开关管和所述第九开关管关断；

所述逆变器处于所述第四工作模态时，所述第八开关管和所述第十开关管导通，所述第一开关管、所述第二开关管、所述第三开关管、所述第四开关管、所述第五开关管、所述第六开关管、所述第七开关管和所述第九开关管关断；

所述逆变器处于所述第五工作模态时，所述第四开关管、所述第五开关管、所述第六开关管和所述第九开关管导通，所述第一开关管、所述第二开关管、所述第三开关管、所述第七开关管、所述第八开关管和所述第十开关管关断；

所述逆变器处于所述第六工作模态时，所述第四开关管、所述第五开关管和所述第九开关管导通，所述第一开关管、所述第二开关管、所述第三开关管、所述第六开关管、所述第七开关管、所述第八开关管和所述第十开关管关断；

所述逆变器处于所述第七工作模态时，所述第四开关管和所述第九开关管导通，所述第一开关管、所述第二开关管、所述第三开关管、所述第五开关管、所述第六开关管、所述第七开关管、所述第八开关管和所述第十开关管关断；

所述逆变器处于所述第八工作模态时，所述第七开关管和所述第九开关管导通，所述第一开关管、所述第二开关管、所述第三开关管、所述第四开关管、所述第五开关管、所述第六开关管、所述第八开关管和所述第十开关管关断。

优选地，所述逆变器输出的周期信号在一个周期内分为第一时段、第二时段、第三时段、第四时段、第五时段、第六时段、第七时段、第八时段、第九时段和第十时段；

在所述第一时段和所述第五时段，所述逆变器交替处于第三工作模态和第四工作模态；

在所述第二时段和所述第四时段，所述逆变器交替处于第二工作模态和第三工作模态；

在所述第三时段，所述逆变器交替处于第一工作模态和第二工作模态；

在所述第六时段和所述第十时段，所述逆变器交替处于第七工作模态和第八工作模态；

在所述第七时段和所述第九时段，所述逆变器交替处于第六工作模态和第七工作模态；

在所述第八时段，所述逆变器交替处于第五工作模态和第六工作模态。

优选地，所述逆变器具有八种无功工作模态，分别为第九工作模态、第十工作模态、第十一工作模态、第十二工作模态、第十三工作模态、第十四工作模态、第十五工作模态和第十六工作模态；

所述逆变器处于所述第九工作模态时，所述第十开关管导通，所述第一开关管、所述第二开关管、所述第三开关管、所述第四开关管、所述第五开关管、所述第六开关管、所述第七开关管、所述第八开关管和所述第九开关管关断；

所述逆变器处于所述第十工作模态时，所述第七开关管和所述第十开关管导通，所述第一开关管、所述第二开关管、所述第三开关管、所述第四开关管、所述第五开关管、所述第六开关管、所述第八开关管和所述第九开关管关断；

所述逆变器处于所述第十一工作模态时，所述第四开关管和所述第十开关管导通，所述第一开关管、所述第二开关管、所述第三开关管、所述第七开关管、所述第五开关管、所述第六开关管、所述第八开关管和所述第九开关管关断；

所述逆变器处于所述第十二工作模态时，所述第四开关管、所述第五开关管和所述第十开关管导通，所述第一开关管、所述第二开关管、所述第三开关管、所述第七开关管、所述第六开关管、所述第八开关管和所述第九开关管关断；

所述逆变器处于所述第十三工作模态时，所述第九开关管导通，所述第一开关管、所述第二开关管、所述第三开关管、所述第四开关管、所述第五开关管、所述第六开关管、所述第七开关管、所述第八开关管和所述第十开关管关断；

所述逆变器处于所述第十四工作模态时，所述第八开关管和所述第九开关管导通，所述第一开关管、所述第二开关管、所述第三开关管、所述第四开关管、所述第五开关管、所述第六开关管、所述第七开关管和所述第十开关管关断；

所述逆变器处于所述第十五工作模态时，所述第三开关管和所述第九开关管导通，所述第一开关管、所述第二开关管、所述第四开关管、所述第五开关管、所述第六开关管、所述第七开关管、所述第八开关管和所述第十开关管关断；

所述逆变器处于所述第十六工作模态时，所述第二开关管、所述第三开关管和所述第九开关管导通，所述第一开关管、所述第四开关管、所述第五开关管、所述第六开关管、所述第七开关管、所述第八开关管和所述第十开关管关断。

优选地，所述逆变器的所述第一交流输出端和所述第二交流输出端并联在交流电网的两端，所述交流电网的两端还并联滤波电容。

优选地，所述逆变器的所述第一交流输出端和所述第二交流输出端并联在变压器的原边，所述变压器的副边并联交流电网。

优选地，所述第一直流升压电路包括第三电感、第九二极管和第十一开关管；

所述第三电感的第一端为所述第一直流升压电路的第一输入端；所述第三电感的第二端连接所述第十一开关管的第一端和所述第九二极管的正极；

所述第十一开关管的第二端为所述第一直流升压电路的第一输出端和第二输入端；

所述第九二极管的负极为所述第一直流升压电路的第二输出端。

优选地，所述第二直流升压电路包括第四电感、第十二极管和第十二开关管；

所述第四电感的第一端为所述第二直流升压电路的第一输入端；所述第四电感的第二端连接所述第十二开关管的第二端和所述第十二极管的负极；

所述第十二开关管的第一端为所述第二直流升压电路的第一输出端和第二输入端；

所述第十二极管的正极为所述第二直流升压电路的第二输出端。

通过上述技术方案可知，本发明实施例提供的七电平逆变器包括两个直流升压电路、十个开关管、八个二极管、四个电容单元和两个电感，在有功模式和无功模式时均能实现七电平输出，因此相比于五电平逆变器，效率更高，从而减少了输出电压和电流的谐波含量。

附图说明

图1为现有的一种五电平逆变器的电路图；

图2为本发明提供的七电平逆变器的具体实施例的电路图；

图3为图2所示的实施例连接变压器的电路图；

图4为图2所示的实施例一种可选的电路图；

图5为图2所示的实施例一种可选的电路图；

图6为图2所示的实施例一种可选的电路图；

图7ａ为图2所示的逆变器的第一工作模态的电路导通图；

图7ｂ为图2所示的逆变器的第二工作模态的电路导通图；

图7ｃ为图2所示的逆变器的第三工作模态的电路导通图；

图7ｄ为图2所示的逆变器的第四工作模态的电路导通图；

图7ｅ为图2所示的逆变器的第五工作模态的电路导通图；

图7ｆ为图2所示的逆变器的第六工作模态的电路导通图；

图7ｇ为图2所示的逆变器的第七工作模态的电路导通图；

图7ｈ为图2所示的逆变器的第八工作模态的电路导通图；

图8为图2所示的逆变器输出的周期信号；

图9ａ为图2所示的逆变器的第九工作模态的电路导通图；

图9ｂ为图2所示的逆变器的第十工作模态的电路导通图；

图9ｃ为图2所示的逆变器的第十一工作模态的电路导通图；

图9ｄ为图2所示的逆变器的第十二工作模态的电路导通图；

图9ｅ为图2所示的逆变器的第十三工作模态的电路导通图；

图9ｆ为图2所示的逆变器的第十四工作模态的电路导通图；

图9ｇ为图2所示的逆变器的第十五工作模态的电路导通图；

图9ｈ为图2所示的逆变器的第十六工作模态的电路导通图。

具体实施方式

图l为现有技术中提供的二极管嵌位型的五电平逆变器拓扑。然而，相对于图1所示的五电平逆变器，如何进一步提高逆变器的效率，从而减少输出电压和电流的谐波含量，是目前人们比较关心的问题。

本发明实施例提供了一种七电平逆变器，相对于五电平逆变器，进一步提高逆变器的效率，从而进一步减少输出电压和电流的谐波含量。

此外，在图1中，二极管ＤＢ1、ＤＢ2、ＤＢ3、ＤＢ4、ＤＢ5和ＤＢ6均为嵌位式二极管，其作用是为电流提供通路和保护电容不被短路。例如，二极管ＤＢ1用于将开关管Ｔｌ下端的电位嵌位于电容Ｃｌ的下端；二极管ＤＢ2用于将开关管Ｔ5下端的电位嵌位于电容Ｃｌ的下端；其他二极管ＤＢ3、ＤＢ4、ＤＢ5和ＤＢ6类似，在此不再赘述。

然而，要达到为电流提供通路和保护电容不被短路的目的，嵌位式二极管则需要阻断多倍电平电压，通常需要多个相同标称值的嵌位式二极管串联，但是基于嵌位式二极管的分散性以及杂散参数的影响，标称值相同的嵌位式二极管所能承受的压力也有所差别，这样串联起来可能引起有的嵌位式二极管两端过电压。因此，需要均压措施和很大的ＲＣ（相移电路）吸收电路，但是这样将导致逆变器中的电感和滤波电容的体积庞大，成本增加。

因此，在本发明实施例提供的七电平逆变器中，还进一步解决了逆变器中电感和滤波电容体积庞大的问题，从而节约了成本。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明实施例进行详细描述。

请参阅图2，本发明提供了七电平逆变器的第一实施例，在本实施例中，七电平逆变器包括：第一直流升压电路201、第二直流升压电路202和逆变电路203，逆变电路203包括：第一开关管Q_H1、第二开关管Q_H2、第三开关管Q_H3、第四开关管Q_H4、第五开关管Q_H5、第六开关管Q_H6、第七开关管Q_H7、第八开关管Q_H8、第九开关管Q_L1、第十开关管Q_L2、第一二极管D₁、第二二极管D₂、第三二极管D₃、第四二极管D₄、第五二极管D₅、第六二极管D₆、第七二极管D₇、第八二极管D₈、第一电容单元C₁、第二电容单元C₂、第三电容单元C₃、第四电容单元C₄、第一电感L₁和第二电感L₂。

第一直流升压电路201的第一输入端连接直流电源ＤＣ的正极、第二电容单元C₂的第一端、第一二极管D₁的正极、第九开关管Q_L1的第一端和第一支路的第一端。第一支路包括串联的第七开关管Q_H7和第五二极管D₅；其中，第五二极管D₅使得电流从第一支路的第二端流向第一端；第七开关管Q_H7的第一端连接第一支路的第一端，或者第七开关管Q_H7的第二端连接第一支路的第二端。

第一直流升压电路201的第二输入端连接第一直流升压电路201的第一输出端、第二直流升压电路202的第二输入端、第二直流升压电路202的第一输出端、第一电容单元C₁的第二端、第二电容单元C₂的第二端、第三电容单元C₃的第一端、第四电容单元C₄的第一端、第二二极管D₁的正极和第三二极管D₃的负极。

第一直流升压电路201的第二输出端连接第一电容单元C₁的第一端、第一开关管Q_H1的第一端和第七二极管D₇的负极。

第二直流升压电路202的第一输入端连接直流电源ＤＣ的负极、第三电容单元C₃的第二端、第四二极管D₄的负极、第十开关管Q_L2的第二端和第二支路的第一端；第二支路包括串联的第八开关管Q_H8和第六二极管D₆；其中，第六二极管D₆使得电流从第二支路的第一端流向第二端；第八开关管Q_H8的第一端连接第二支路的第一端，或者第八开关管Q_H8的第二端连接第二支路的第二端。

第二直流升压电路202的第二输出端连接第四电容单元C₄的第二端、第六开关管Q_H6的第二端和第八二极管D₈的正极。

第一开关管Q_H1的第二端连接第一二极管D₁的负极和第二开关管Q_H2的第一端。

第二开关管Q_H2的第二端连接第二二极管D₂的负极和第三开关管Q_H3的第一端。

第三开关管Q_H3的第二端连接第二支路的第二端、第八二极管D₈的负极和第一电感L₁的第一端。

第四开关管Q_H4的第一端连接第一支路的第二端、第七二极管D₇的正极和第二电感L₂的第一端。

第四开关管Q_H4的第二端连接第三二极管D₃的正极和第五开关管Q_H5的第一端。

第五开关管Q_H5的第二端连接第四二极管D₄的正极和第六开关管Q_H6的第一端。

第九开关管Q_L1的第二端连接第十开关管Q_L2的第一端。

第一电感L₁的第二端连接第二电感L₂的第二端，作为本实施例的七电平逆变器的第一交流输出端；第九开关管Q_L1的第二端作为本实施例的七电平逆变器的第二交流输出端。

通过上述技术方案可知，本实施例提供的七电平逆变器包括两个直流升压电路、十个开关管、八个二极管、四个电容单元和两个电感，在有功模式和无功模式时均能实现七电平输出，因此相比于五电平逆变器，效率更高，从而减少了输出电压和电流的谐波含量。

此外，本实施例提供的七电平逆变器还具有以下优点：

1、由于存在工频桥臂（即第九开关管Q_L1、第十开关管Q_L2构成的桥臂），因此本实施例的母线电压利用率更高，即同样的输出电压，所需的母线电压比图1所示的“1”型多电平方案低很多。

2、由于本实施例是七电平的逆变器，因此相比于图1所示的五电平逆变器，开关管的电压应力更小。

3、本实施例的七电平逆变器中，当第九开关管Q_L1导通时，第二交流输出端（即图2中的N点）连接第三电容单元C₃的第二端，当第十开关管Q_L2导通时，第二交流输出端（即图2中的N点）连接第二电容单元C₂的第一端，而第二交流输出端通常连接电网N线，而电网N线与大地电势相近，因此本实施例中的直流电源DC正极（或负极）相对于大地之间不会出现高频跳变电压，从而提高了逆变器的工作效率和可靠性。

4、本实施例的逆变器由于前级增加了直流升压电路，使得电压输入范围变宽。并且结构简单，器件较少，调制策略简单，无复杂的逻辑电路。

在本实施例中，第一支路包括串联的第七开关管Q_H7和第五二极管D₅；其中，第五二极管D₅使得电流从第一支路的第二端流向第一端。此时，可以如图2所示，即第七开关管Q_H7的第一端连接第一支路的第一端，第七开关管Q_H7的第二端连接第五二极管D₅的负极，第五二极管D₅的正极连接第一支路的第二端。或者也可以将图2中的第七开关管Q_H7和第五二极管D₅的位置互换，此时第五二极管D₅的负极连接第一支路的第一端，第五二极管D₅的正极连接第七开关管Q_H7的第一端，第七开关管Q_H7的第二端连接第一支路的第二端。

而第二支路包括串联的第八开关管Q_H8和第六二极管D₆；其中，第六二极管D₆使得电流从第二支路的第一端流向第二端。此时，可以如图2所示，即第八开关管Q_H8的第一端连接第二支路的第一端，第八开关管Q_H8的第二端连接第六二极管D₆的正极，第六二极管D₆的负极连接第二支路的第二端。或者也可以将图2中的第八开关管Q_H8和第六二极管D₆的位置互换，此时，第六二极管D₆的正极连接第二支路的第一端，第六二极管D₆的负极连接第八开关管Q_H8的第一端，第八开关管Q_H8的第二端连接第二支路的第二端。

如图2所示，在本实施例中，逆变器的两个输出端（即第一交流输出端和第二交流输出端）之间可以连接有交流电网u_g。也就是说，第一交流输出端和第二交流输出端并联在交流电网u_g的两端，此时交流电网u_g的两端还并联滤波电容C₀。

为了解决可能产生的工频漏电流问题，本发明实施例中的逆变器可以如图3所示，第一交流输出端和第二交流输出端并联在变压器T₀的原边，而变压器T₀的副边并联交流电网u_g，此时交流电网u_g可以并联滤波电容C₀。

本实施例中的逆变器可以用于光伏发电等领域，因此直流电源ＤＣ可以为ＰＶ（Ｐｈｏｔｏ Ｖｏｌｔａｉｃｓ，光伏）电源等。需要说明的是，图2中以一个直流电源ＤＣ为例，实际上，本发明实施例的逆变器可以连接有多个直流电源，例如图4所示，直流电源包括两个串联的直流电源ＤＣ1和直流电源ＤＣ2，此时，直流电源ＤＣ1和直流电源ＤＣ2的公共端连接第二电容单元C₂和第三电容单元C₃的公共端。

在本实施例中，第一电容单元C₁、第二电容单元C₂、第三电容单元C₃和第四电容单元C₄均可以为电容组成的单元。每个电容单元所包括的电容的数量不受限定。需要说明的是，本实施例中的第一电容单元C₁可以由第二电容单元C₂和第五电容单元组成，其中第五电容单元连接在第二电容单元C₂的第一端和第一开关管Q_H1的第一端之间。而第四电容单元C₄也可以由第三电容单元C₃和第六电容单元组成，其中第六电容单元连接在第三电容单元C₃的第二端和第六开关管Q_H6的第二端之间。例如图5所示，第一电容单元包括第二电容单元C₂和第五电容单元C₅，第四电容单元包括第六电容单元C₃和第八电容单元C₆。

本实施例的第一直流升压电路201和第二直流升压电路202的可以为任何形式的直流升压电路，例如ＢＯＯＳＴ电路等，本发明实施例对此不做限定。例如图6所示，第一直流升压电路201可以包括第三电感L_b1、第九二极管D_b1和第十一开关管Q_b1；其中，第三电感L_b1的第一端为第一直流升压电路201的第一输入端，第三电感L_b1的第二端连接第十一开关管Q_b1的第一端和第九二极管D_b1的正极，第十一开关管Q_b1的第二端为第一直流升压电路201的第一输出端和第二输入端，第九二极管D_b1的负极为第一直流升压电路201的第二输出端。第二直流升压电路202可以包括第四电感L_b2、第十二极管D_b2和第十二开关管Q_b2。其中，第四电感L_b2的第一端为第二直流升压电路202的第一输入端；第四电感L_b2的第二端连接第十二开关管Q_b2的第二端和第十二极管D_b2的负极；第十二开关管Q_b2的第一端为第二直流升压电路202的第一输出端和第二输入端；第十二极管D_b2的正极为第二直流升压电路202的第二输出端。

本实施例的第一二极管D₁、第二二极管D₂、第三二极管D₃、第四二极管D₄、第五二极管D₅、第六二极管D₆、第七二极管D₇和第八二极管D₈可以为碳化硅二极管、快恢复二极管等。

在本实施例中，第一开关管Q_H1、第二开关管Q_H2、第三开关管Q_H3、第四开关管Q_H4、第五开关管Q_H5、第六开关管Q_H6、第七开关管Q_H7、第八开关管Q_H8、第九开关管Q_L1和第十开关管Q_L2均可以为任何形式的开关管，例如ＩＧＢＴ、ＪＦＥＴ、ＭＯＳ管等。并且每个开关管的器件本身可以并联反向二极管。若每个开关管都并联反向二极管，则第一开关管Q_H1导通时，电流从第一开关管Q_H1的第一端流向第二端，也就是说，第一开关管Q_H1并联的反向二极管的正极连接第一开关管Q_H1的第二端，负极连接第一开关管Q_H1的第一端。第二开关管Q_H2导通时，电流从第二开关管Q_H2的第一端流向第二端，第三开关管Q_H3导通时，电流从第三开关管Q_H3的第一端流向第二端，第四开关管Q_H4导通时，电流从第四开关管Q_H4的第一端流向第二端，第五开关管Q_H5导通时，电流从第五开关管Q_H5的第一端流向第二端，第六开关管Q_H6导通时，电流从第六开关管Q_H6的第一端流向第二端，第七开关管Q_H7导通时，电流从第七开关管Q_H7的第二端流向第一端，第八开关管Q_H8导通时，电流从第八开关管Q_H8的第一端流向第二端，第九开关管Q_L1导通时，电流从第九开关管Q_L1的第一端流向第二端，第十开关管Q_L2导通时，电流从第十开关管Q_L2的第一端流向第二端。

在本实施例中，第一开关管Q_H1、第二开关管Q_H2、第三开关管Q_H3、第四开关管Q_H4、第五开关管Q_H5、第六开关管Q_H6、第七开关管Q_H7和第八开关管Q_H8可以为高频开关管，因此在逆变器工作时，第一开关管Q_H1、第二开关管Q_H2、第三开关管Q_H3、第四开关管Q_H4、第五开关管Q_H5、第六开关管Q_H6、第七开关管Q_H7和第八开关管Q_H8高频开关动作，第九开关管Q_L1和第十开关管Q_L2可以为低频开关管，即工频开关管，因此在逆变器工作时，第九开关管Q_L1和第十开关管Q_L2低频开关动作。本发明中所说的高频一般指大于1ｋｈｚ的频率，而低频一般指的是低于1ｋｈｚ的频率（一般为工频，例如50ｈｚ）。

需要说明的是，本发明实施例提供的逆变器，不但可以应用于需求有功功率的场合，也可以应用于同时需求无功功率和有功功率的场合。并且，当第一开关管Q_H1、第二开关管Q_H2、第三开关管Q_H3、第四开关管Q_H4、第五开关管Q_H5、第六开关管Q_H6、第七开关管Q_H7和第八开关管Q_H8为高频开关管，并且第九开关管Q_L1和第十开关管Q_L2为低频开关管时，本实施例中的逆变器，无功工作状态和有功工作状态的电路分开，并且在无功模式时，电流不经过高频开关管的反并联二极管，实现了高频管的无功分离，使得本实施例的拓扑具有较强的无功能力。

下面结合附图对本实施例的有功和无功工作状态进行说明。在说明过程中，以图5所示的第一电容单元包括第二电容单元C₂和第五电容单元C₅，第四电容单元包括第六电容单元C₃和第八电容单元C₆的情况为例。

如图7ａ－7ｈ所示，本实施例中的逆变器具有八种有功工作模态，分别为第一工作模态、第二工作模态、第三工作模态、第四工作模态、第五工作模态、第六工作模态、第七工作模态和第八工作模态。

如图7ａ所示，本实施例的逆变器处于第一工作模态时，所述逆变器输出正3电平。此时，第一开关管Q_H1、第二开关管Q_H2、第三开关管Q_H3和第十开关管Q_L2导通，第四开关管Q_H4、第五开关管Q_H5、第六开关管Q_H6、第七开关管Q_H7、第八开关管Q_H8和第九开关管Q_L1关断。电流依次流经：第一开关管Q_H1→第二开关管Q_H2→第三开关管Q_H3→第一电感L₁→交流电网u_g→第十开关管Q_L2→第三电容单元C₃→第一电容单元。

如图7ｂ所示，本实施例的逆变器处于第二工作模态时，所述逆变器输出正2电平。此时，第二开关管Q_H2、第三开关管Q_H3和第十开关管Q_L2导通，第一开关管Q_H1、第四开关管Q_H4、第五开关管Q_H5、第六开关管Q_H6、第七开关管Q_H7、第八开关管Q_H8和第九开关管Q_L1关断。电流依次流经：第一二极管D₁→第二开关管Q_H2→第三开关管Q_H3→第一电感L₁→交流电网u_g→第十开关管Q_L2→第三电容单元C₃→第二电容单元C₂。

如图7ｃ所示，本实施例的逆变器处于第三工作模态时，所述逆变器输出正1电平。此时，第三开关管Q_H3和第十开关管Q_L2导通，第一开关管Q_H1、第二开关管Q_H2、第四开关管Q_H4、第五开关管Q_H5、第六开关管Q_H6、第七开关管Q_H7、第八开关管Q_H8和第九开关管Q_L1关断。电流依次流经：第二二极管D₂→第三开关管Q_H3→第一电感L₁→交流电网u_g→第十开关管Q_L2→第三电容单元C₃。

如图7ｄ所示，本实施例的逆变器处于第四工作模态时，所述逆变器输出正0电平。此时，第八开关管Q_H8和第十开关管Q_L2导通，第一开关管Q_H1、第二开关管Q_H2、第三开关管Q_H3、第四开关管Q_H4、第五开关管Q_H5、第六开关管Q_H6、第七开关管Q_H7和第九开关管Q_L1关断。电流依次流经：第二支路→第一电感L₁→交流电网u_g→第十开关管Q_L2。

如图7ｅ所示，本实施例的逆变器处于第五工作模态时，所述逆变器输出负3电平。此时，第四开关管Q_H4、第五开关管Q_H5、第六开关管Q_H6和第九开关管Q_L1导通，第一开关管Q_H1、第二开关管Q_H2、第三开关管Q_H3、第七开关管Q_H7、第八开关管Q_H8和第十开关管Q_L2关断。电流依次流经：第九开关管Q_L1→交流电网u_g→第二电感L₂→第四开关管Q_H4→第五开关管Q_H5→第六开关管Q_H6→第四电容单元→第二电容单元C₂。

如图7ｆ所示，本实施例的逆变器处于第六工作模态时，所述逆变器输出负2电平。此时，第四开关管Q_H4、第五开关管Q_H5和第九开关管Q_L1导通，第一开关管Q_H1、第二开关管Q_H2、第三开关管Q_H3、第六开关管Q_H6、第七开关管Q_H7、第八开关管Q_H8和第十开关管Q_L2关断。电流依次流经：第九开关管Q_L1→交流电网u_g→第二电感L₂→第四开关管Q_H4→第五开关管Q_H5→第四二极管D₄→第三电容单元C₃→第二电容单元C₂。

如图7ｇ所示，本实施例的逆变器处于第七工作模态时，所述逆变器输出负1电平。此时，第四开关管Q_H4和第九开关管Q_L1导通，第一开关管Q_H1、第二开关管Q_H2、第三开关管Q_H3、第五开关管Q_H5、第六开关管Q_H6、第七开关管Q_H7、第八开关管Q_H8和第十开关管Q_L2关断。电流依次流经：第九开关管Q_L1→交流电网u_g→第二电感L₂→第四开关管Q_H4→第三二极管D₃→第二电容单元C₂。

如图7ｈ所示，本实施例的逆变器处于第八工作模态时，所述逆变器输出负0电平。此时，第七开关管Q_H7和第九开关管Q_L1导通，第一开关管Q_H1、第二开关管Q_H2、第三开关管Q_H3、第四开关管Q_H4、第五开关管Q_H5、第六开关管Q_H6、第八开关管Q_H8和第十开关管Q_L2关断。电流依次流经：第九开关管Q_L1→交流电网u_g→第二电感L₂→第一支路。

需要说明的是，在逆变器处于上述八个有功工作模态时，第一直流升压电路201和第二直流升压电路202可以是一直处于工作状态，或者第一直流升压电路201至少在第一工作模态时处于工作状态，第二直流升压电路202至少在第五工作模态时处于工作状态。

在上述八种有功工作模态下，逆变器可以输出周期性的信号。例如图8所示，逆变器输出的周期信号在一个周期内分为第一时段Ｔ1、第二时段Ｔ2、第三时段Ｔ3、第四时段Ｔ4、第五时段Ｔ5、第六时段Ｔ6、第七时段Ｔ7、第八时段Ｔ8、第九时段Ｔ9和第十时段Ｔ10；其中，在第一时段Ｔ1、第二时段Ｔ2、第三时段Ｔ3、第四时段Ｔ4和第五时段Ｔ5，逆变器输出正电压，在第六时段Ｔ6、第七时段Ｔ7、第八时段Ｔ8、第九时段Ｔ9和第十时段Ｔ10，逆变器输出负电压。

在第一时段Ｔ1和第五时段Ｔ5，逆变器交替处于第三工作模态和第四工作模态。此时逆变器交替输出正1和正0电平。

在第二时段Ｔ2和第四时段Ｔ4，逆变器交替处于第二工作模态和第三工作模态。此时逆变器交替输出正1和正2电平。

在第三时段Ｔ3，逆变器交替处于第一工作模态和第二工作模态。此时逆变器交替输出正2和正3电平。

在第六时段Ｔ6和第十时段Ｔ10，逆变器交替处于第七工作模态和第八工作模态。此时逆变器交替输出负1和负0电平。

在第七时段Ｔ7和第九时段Ｔ9，逆变器交替处于第六工作模态和第七工作模态。此时逆变器交替输出负1和负2电平。

在第八时段Ｔ8，逆变器交替处于第五工作模态和第六工作模态。此时逆变器交替输出负2和负3电平。

如图9ａ－9ｈ所示，本实施例中的逆变器具有八种无功工作模态，分别为第九工作模态、第十工作模态、第十一工作模态、第十二工作模态、第十三工作模态、第十四工作模态、第十五工作模态和第十六工作模态。

如图9ａ所示，本实施例的逆变器处于第九工作模态时，所述逆变器输出正3电平。此时，第十开关管Q_L2导通，第一开关管Q_H1、第二开关管Q_H2、第三开关管Q_H3、第四开关管Q_H4、第五开关管Q_H5、第六开关管Q_H6、第七开关管Q_H7、第八开关管Q_H8和第九开关管Q_L1关断，电流依次流经：第七二极管D₇→第一电容单元→第三电容单元C₃→第十开关管Q_L2→交流电网u_g→第二电感L₂。

如图9ｂ所示，本实施例的逆变器处于第十工作模态时，所述逆变器输出正2电平。此时，第七开关管Q_H7和第十开关管Q_L2导通，第一开关管Q_H1、第二开关管Q_H2、第三开关管Q_H3、第四开关管Q_H4、第五开关管Q_H5、第六开关管Q_H6、第八开关管Q_H8和第九开关管Q_L1关断。电流依次流经：第一支路→第二电容单元C₂→第三电容单元C₃→第十开关管Q_L2→交流电网u_g→第二电感L₂。

如图9ｃ所示，本实施例的逆变器处于第十一工作模态时，所述逆变器输出正1电平。此时，第四开关管Q_H4和第十开关管Q_L2导通，第一开关管Q_H1、第二开关管Q_H2、第三开关管Q_H3、第五开关管Q_H5、第六开关管Q_H6、第七开关管Q_H7、第八开关管Q_H8和第九开关管Q_L1关断。电流依次流经：第四开关管Q_H4→第三二极管D₃→第三电容单元C₃→第十开关管Q_L2→交流电网u_g→第二电感L₂。

如图9ｄ所示，本实施例的逆变器处于第十二工作模态时，所述逆变器输出正0电平。此时，第四开关管Q_H4、第五开关管Q_H5和第十开关管Q_L2导通，第一开关管Q_H1、第二开关管Q_H2、第三开关管Q_H3、第六开关管Q_H6、第七开关管Q_H7、第八开关管Q_H8和第九开关管Q_L1关断。电流依次流经：第四开关管Q_H4→第五开关管Q_H5→第四二极管D₄→第十开关管Q_L2→交流电网u_g→第二电感L₂。

如图9ｅ所示，本实施例的逆变器处于第十三工作模态时，所述逆变器输出负3电平。此时，第九开关管Q_L1导通，第一开关管Q_H1、第二开关管Q_H2、第三开关管Q_H3、第四开关管Q_H4、第五开关管Q_H5、第六开关管Q_H6、第七开关管Q_H7、第八开关管Q_H8和第十开关管Q_L2关断。电流依次流经：第八二极管D₈→第一电感L₁→交流电网u_g→第九开关管Q_L1→第二电容单元C₂→第四电容单元。

如图9ｆ所示，本实施例的逆变器处于第十四工作模态时，所述逆变器输出负2电平。此时，第八开关管Q_H8和第九开关管Q_L1导通，第一开关管Q_H1、第二开关管Q_H2、第三开关管Q_H3、第四开关管Q_H4、第五开关管Q_H5、第六开关管Q_H6、第七开关管Q_H7和第十开关管Q_L2关断。电流依次流经：第二支路→第一电感L₁→交流电网u_g→第九开关管Q_L1→第二电容单元C₂→第三电容单元C₃。

如图9ｇ所示，本实施例的逆变器处于第十五工作模态时，所述逆变器输出负1电平。此时，第三开关管Q_H3和第九开关管Q_L1导通，第一开关管Q_H1、第二开关管Q_H2、第四开关管Q_H4、第五开关管Q_H5、第六开关管Q_H6、第七开关管Q_H7、第八开关管Q_H8和第十开关管Q_L2关断。电流依次流经：第二二极管D₂→第三开关管Q_H3→第一电感L₁→交流电网u_g→第九开关管Q_L1→第二电容单元C₂。

如图9ｈ所示，本实施例的逆变器处于第十六工作模态时，所述逆变器输出负0电平。此时，第二开关管Q_H2、第三开关管Q_H3和第九开关管Q_L1导通，第一开关管Q_H1、第四开关管Q_H4、第五开关管Q_H5、第六开关管Q_H6、第七开关管Q_H7、第八开关管Q_H8和第十开关管Q_L2关断。电流依次流经：第一二极管D₁→第二开关管Q_H2→第三开关管Q_H3→第一电感L₁→交流电网u_g→第九开关管Q_L1。

需要说明的是，在逆变器处于上述八个无功工作模态时，第一直流升压电路201和第二直流升压电路202可以是一直处于工作状态，或者第一直流升压电路201至少在第九工作模态时处于工作状态，第二直流升压电路202至少在第十三工作模态时处于工作状态。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种七电平逆变器，其特征在于，所述逆变器包括：第一直流升压电路、第二直流升压电路、第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、第五开关管、第六开关管、第七开关管、第八开关管、第九开关管、第十开关管、第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管、第五二极管、第六二极管、第七二极管、第八二极管、第一电容单元、第二电容单元、第三电容单元、第四电容单元、第一电感和第二电感；

所述第一直流升压电路的第一输入端连接直流电源的正极、所述第二电容单元的第一端、所述第一二极管的正极、所述第九开关管的第一端和第一支路的第一端；所述第一支路包括串联的所述第七开关管和所述第五二极管；其中，所述第五二极管使得电流从所述第一支路的第二端流向第一端；所述第七开关管的第一端连接所述第一支路的第一端，或者所述第七开关管的第二端连接所述第一支路的第二端；

所述第一直流升压电路的第二输入端连接所述第一直流升压电路的第一输出端、所述第二直流升压电路的第二输入端、所述第二直流升压电路的第一输出端、所述第一电容单元的第二端、所述第二电容单元的第二端、所述第三电容单元的第一端、所述第四电容单元的第一端、所述第二二极管的正极和所述第三二极管的负极；

所述第一直流升压电路的第二输出端连接所述第一电容单元的第一端、所述第一开关管的第一端和所述第七二极管的负极；

所述第二直流升压电路的第一输入端连接所述直流电源的负极、所述第三电容单元的第二端、所述第四二极管的负极、所述第十开关管的第二端和第二支路的第一端；所述第二支路包括串联的所述第八开关管和所述第六二极管；其中，所述第六二极管使得电流从所述第二支路的第一端流向第二端；所述第八开关管的第一端连接所述第二支路的第一端，或者所述第八开关管的第二端连接所述第二支路的第二端；

所述第二直流升压电路的第二输出端连接所述第四电容单元的第二端、所述第六开关管的第二端和所述第八二极管的正极；

所述第一开关管的第二端连接所述第一二极管的负极和所述第二开关管的第一端；

所述第二开关管的第二端连接所述第二二极管的负极和所述第三开关管的第一端；

所述第三开关管的第二端连接所述第二支路的第二端、所述第八二极管的负极和所述第一电感的第一端；

所述第四开关管的第一端连接所述第一支路的第二端、所述第七二极管的正极和所述第二电感的第一端；

所述第四开关管的第二端连接所述第三二极管的正极和所述第五开关管的第一端；

所述第五开关管的第二端连接所述第四二极管的正极和所述第六开关管的第一端；

所述第九开关管的第二端连接所述第十开关管的第一端；

所述第一电感的第二端连接所述第二电感的第二端，作为所述逆变器的第一交流输出端；所述第九开关管的第二端作为所述逆变器的第二交流输出端。

2.根据权利要求1所述的逆变器，其特征在于，所述第一开关管导通时，电流从所述第一开关管的第一端流向第二端；所述第二开关管导通时，电流从所述第二开关管的第一端流向第二端；所述第三开关管导通时，电流从所述第三开关管的第一端流向第二端；所述第四开关管导通时，电流从所述第四开关管的第一端流向第二端；所述第五开关管导通时，电流从所述第五开关管的第一端流向第二端；所述第六开关管导通时，电流从所述第六开关管的第一端流向第二端；所述第七开关管导通时，电流从所述第七开关管的第二端流向第一端；所述第八开关管导通时，电流从所述第六开关管的第一端流向第二端；所述第九开关管导通时，电流从所述第六开关管的第一端流向第二端；所述第十开关管导通时，电流从所述第六开关管的第一端流向第二端。

3.根据权利要求1所述的逆变器，其特征在于，所述逆变器具有八种有功工作模态，分别为第一工作模态、第二工作模态、第三工作模态、第四工作模态、第五工作模态、第六工作模态、第七工作模态和第八工作模态；

所述逆变器处于所述第一工作模态时，所述第一开关管、所述第二开关管、所述第三开关管和所述第十开关管导通，所述第四开关管、所述第五开关管、所述第六开关管、所述第七开关管、所述第八开关管和所述第九开关管关断；

所述逆变器处于所述第二工作模态时，所述第二开关管、所述第三开关管和所述第十开关管导通，所述第一开关管、所述第四开关管、所述第五开关管、所述第六开关管、所述第七开关管、所述第八开关管和所述第九开关管关断；

所述逆变器处于所述第三工作模态时，所述第三开关管和所述第十开关管导通，所述第一开关管、所述第二开关管、所述第四开关管、所述第五开关管、所述第六开关管、所述第七开关管、所述第八开关管和所述第九开关管关断；

所述逆变器处于所述第四工作模态时，所述第八开关管和所述第十开关管导通，所述第一开关管、所述第二开关管、所述第三开关管、所述第四开关管、所述第五开关管、所述第六开关管、所述第七开关管和所述第九开关管关断；

所述逆变器处于所述第五工作模态时，所述第四开关管、所述第五开关管、所述第六开关管和所述第九开关管导通，所述第一开关管、所述第二开关管、所述第三开关管、所述第七开关管、所述第八开关管和所述第十开关管关断；

所述逆变器处于所述第六工作模态时，所述第四开关管、所述第五开关管和所述第九开关管导通，所述第一开关管、所述第二开关管、所述第三开关管、所述第六开关管、所述第七开关管、所述第八开关管和所述第十开关管关断；

所述逆变器处于所述第七工作模态时，所述第四开关管和所述第九开关管导通，所述第一开关管、所述第二开关管、所述第三开关管、所述第五开关管、所述第六开关管、所述第七开关管、所述第八开关管和所述第十开关管关断；

所述逆变器处于所述第八工作模态时，所述第七开关管和所述第九开关管导通，所述第一开关管、所述第二开关管、所述第三开关管、所述第四开关管、所述第五开关管、所述第六开关管、所述第八开关管和所述第十开关管关断。

4.根据权利要求3所述的逆变器，其特征在于，所述逆变器输出的周期信号在一个周期内分为第一时段、第二时段、第三时段、第四时段、第五时段、第六时段、第七时段、第八时段、第九时段和第十时段；

在所述第一时段和所述第五时段，所述逆变器交替处于第三工作模态和第四工作模态；

在所述第二时段和所述第四时段，所述逆变器交替处于第二工作模态和第三工作模态；

在所述第三时段，所述逆变器交替处于第一工作模态和第二工作模态；

在所述第六时段和所述第十时段，所述逆变器交替处于第七工作模态和第八工作模态；

在所述第七时段和所述第九时段，所述逆变器交替处于第六工作模态和第七工作模态；

在所述第八时段，所述逆变器交替处于第五工作模态和第六工作模态。

5.根据权利要求1所述的逆变器，其特征在于，所述逆变器具有八种无功工作模态，分别为第九工作模态、第十工作模态、第十一工作模态、第十二工作模态、第十三工作模态、第十四工作模态、第十五工作模态和第十六工作模态；

所述逆变器处于所述第九工作模态时，所述第十开关管导通，所述第一开关管、所述第二开关管、所述第三开关管、所述第四开关管、所述第五开关管、所述第六开关管、所述第七开关管、所述第八开关管和所述第九开关管关断；

所述逆变器处于所述第十工作模态时，所述第七开关管和所述第十开关管导通，所述第一开关管、所述第二开关管、所述第三开关管、所述第四开关管、所述第五开关管、所述第六开关管、所述第八开关管和所述第九开关管关断；

所述逆变器处于所述第十一工作模态时，所述第四开关管和所述第十开关管导通，所述第一开关管、所述第二开关管、所述第三开关管、所述第七开关管、所述第五开关管、所述第六开关管、所述第八开关管和所述第九开关管关断；

所述逆变器处于所述第十二工作模态时，所述第四开关管、所述第五开关管和所述第十开关管导通，所述第一开关管、所述第二开关管、所述第三开关管、所述第七开关管、所述第六开关管、所述第八开关管和所述第九开关管关断；

所述逆变器处于所述第十三工作模态时，所述第九开关管导通，所述第一开关管、所述第二开关管、所述第三开关管、所述第四开关管、所述第五开关管、所述第六开关管、所述第七开关管、所述第八开关管和所述第十开关管关断；

所述逆变器处于所述第十四工作模态时，所述第八开关管和所述第九开关管导通，所述第一开关管、所述第二开关管、所述第三开关管、所述第四开关管、所述第五开关管、所述第六开关管、所述第七开关管和所述第十开关管关断；

所述逆变器处于所述第十五工作模态时，所述第三开关管和所述第九开关管导通，所述第一开关管、所述第二开关管、所述第四开关管、所述第五开关管、所述第六开关管、所述第七开关管、所述第八开关管和所述第十开关管关断；

所述逆变器处于所述第十六工作模态时，所述第二开关管、所述第三开关管和所述第九开关管导通，所述第一开关管、所述第四开关管、所述第五开关管、所述第六开关管、所述第七开关管、所述第八开关管和所述第十开关管关断。

6.根据权利要求1至5任意一项所述的逆变器，其特征在于，所述逆变器的所述第一交流输出端和所述第二交流输出端并联在交流电网的两端，所述交流电网的两端还并联滤波电容。

7.根据权利要求1至5任意一项所述的逆变器，其特征在于，所述逆变器的所述第一交流输出端和所述第二交流输出端并联在变压器的原边，所述变压器的副边并联交流电网。

8.根据权利要求1至5任意一项所述的逆变器，其特征在于，所述第一直流升压电路包括第三电感、第九二极管和第十一开关管；

所述第三电感的第一端为所述第一直流升压电路的第一输入端；所述第三电感的第二端连接所述第十一开关管的第一端和所述第九二极管的正极；

所述第十一开关管的第二端为所述第一直流升压电路的第一输出端和第二输入端；

所述第九二极管的负极为所述第一直流升压电路的第二输出端。

9.根据权利要求1至5任意一项所述的逆变器，其特征在于，所述第二直流升压电路包括第四电感、第十二极管和第十二开关管；

所述第四电感的第一端为所述第二直流升压电路的第一输入端；所述第四电感的第二端连接所述第十二开关管的第二端和所述第十二极管的负极；

所述第十二开关管的第一端为所述第二直流升压电路的第一输出端和第二输入端；

所述第十二极管的正极为所述第二直流升压电路的第二输出端。

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