一种单相半桥五电平逆变器及其应用电路

摘要

一种单相半桥五电平逆变器包括：八个开关管和四个钳位二极管；每个开关管反联二极管；第一开关管连接直流正引出端和第一节点；第二开关管连接第一、二节点；第三开关管连接第二、三节点；第四开关管连接第五开关管和第三节点；第五开关管连接第四开关管和第二引出端；第六开关管连接第三节点和第四节点；第七开关管连接第四、五节点；第八开关管连接第五节点和直流负引出端；第一引出端与第一节点之间、第四节点与第一引出端之间、第三引出端与第二节点之间，以及第五节点与第三引出端之间均串联钳位二极管。本发明提供单相半桥五电平逆变器及应用电路，使用半导体数目减少。

权利要求

1.一种单相半桥五电平逆变器，其特征在于，具有交流引出端、直流正引出端、直流负引出端、第一引出端、第二引出端和第三引出端，所述单相半桥五电平逆变器包括：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、第七开关管和第八开关管；以及第一钳位二极管、第二钳位二极管、第三钳位二极管和第四钳位二极管；每个所述开关管反向并联一个二极管；

所述第一开关管的第一端连接直流正引出端，第一开关管的第二端连接第一节点；

所述第二开关管的第一端连接第一节点，第二开关管的第二端连接第二节点；

所述第三开关管的第一端连接第二节点，第三开关管的第二端连接第三节点即交流引出端；

所述第四开关管的第一端连接所述第五开关管的第一端，第四开关管的第二端连接第三节点；

所述第五开关管的第一端连接所述第四开关管的第一端，第五开关管的第二端连接第二引出端；

所述第六开关管的第一端连接第三节点，第六开关管的第二端连接第四节点；

所述第七开关管的第一端连接第四节点，第七开关管的第二端连接第五节点；

所述第八开关管的第一端连接第五节点，第八开关管的第二端连接直流负引出端；

所述第一引出端与第一节点之间串联第一钳位二极管；

所述第四节点与第一引出端之间串联第二钳位二极管；

所述第三引出端与第二节点之间串联第三钳位二极管；

所述第五节点与第三引出端之间串联第四钳位二极管。

2.根据权利要求1所述的单相半桥五电平逆变器，其特征在于，所述第一开关管、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、第七开关管和第八开关管均为IGBT管，所述第一端为集电极，所述第二端为发射极。

3.根据权利要求1或2所述的单相半桥五电平逆变器，其特征在于，还包括第一电感、第二电感和第五电容；

所述第三节点通过依次串联的第一电感、第五电容和第二电感连接第二引出端。

4.根据权利要求1所述的单相半桥五电平逆变器，其特征在于，所述单相半桥五电平逆变器对应的五个电平工作模态分别为：第一模态：第一、二、三、四开关管导通，其余开关管均截止；

第二模态：第二、三、四、六开关管导通，其余开关管均截止；

第三模态：第三、四、五、六开关管导通，其余开关管均截止；

第四模态：第三、五、六、七开关管导通，其余开关管均截止；

第五模态：第五、六、七、八开关管导通，其余开关管均截止。

5.根据权利要求4所述的单相半桥五电平逆变器，其特征在于，所述第一开关管的导通时序信号由正弦波和第一三角波进行比较产生，在所述正弦波大于第一三角波时所述第一开关管导通，反之截止；

所述第二开关管的导通时序信号由所述正弦波和第二三角波进行比较产生，在所述正弦波大于第二三角波时第二开关管导通，反之截止；

所述第三开关管的导通时序信号由所述正弦波的反向波和第一三角波进行比较产生，所述正弦波的反向波小于第一三角波时第三开关管导通，反之截止；

所述第四开关管的导通时序由所述正弦波的反向波与第二三角波进行比较，所述正弦波的反向波小于第二三角波时第四开关管导通，反之截止；

所述第五开关管的导通时序信号由所述正弦波与第二三角波进行比较，所述正弦波小于第二三角波时第五开关管导通，反之截止；

第六开关管的导通时序信号由所述正弦波和第一三角波进行比较产生，所述正弦波小于第一三角波时第六开关管导通，反之截止；

第七开关管的导通时序信号由所述正弦波的反向波和第二三角波进行比较产生，所述正弦波的反向波大于第二三角波时第三开关管导通，反之截止；

第八开关管的导通时序信号由所述正弦波的反向波和第一三角波进行比较产生，所述正弦波的反向波大于第一三角波时第八开关管导通，反之截止；

所述第一三角波、第二三角波具有相同的频率和相同的幅值，且所述第一三角波的波谷值等于第二三角波的波峰值。

6.一种权利要求1至5任一项所述单相半桥五电平逆变器的应用电路，其特征在于，所述应用电路为单相全桥五电平拓扑电路，具体包括两个所述单相半桥五电平逆变器，分别是第一单相半桥五电平逆变器和第二单相半桥五电平逆变器；

第一单相半桥五电平逆变器和第二单相半桥五电平逆变器中的第一开关管的第一端连接在一起均连接直流电源的正端；

第一单相半桥五电平逆变器和第二单相半桥五电平逆变器中的第八开关管的第二端连接在一起均连接直流电源的负端；

第一单相半桥五电平逆变器和第二单相半桥五电平逆变器的第一钳位二极管的正端连接在一起且连接第一电容和第二电容的公共端；第一单相半桥五电平逆变器和第二单相半桥五电平逆变器的第三钳位二极管的正端连接在一起且连接第三电容和第四电容的公共端；第一单相半桥五电平逆变器和第二单相半桥五电平逆变器的第五开关管的第二端连接在一起且连接第二电容和第三电容的公共端。

7.一种权利要求1至5任一项所述单相半桥五电平逆变器的应用电路，其特征在于，所述应用电路为三相三线五电平拓扑电路，具体包括三个所述单相半桥五电平逆变器，分别是第一单相半桥五电平逆变器、第二单相半桥五电平逆变器和第三单相半桥五电平逆变器；

所述第一、二、三单相半桥五电平逆变器中的第一开关管的第一端连接在一起均连接直流电源的正端；

所述第一、二、三单相半桥五电平逆变器中的第八开关管的第二端连接在一起均连接直流电源的负端；

所述第一、二、三单相半桥五电平逆变器的第一钳位二极管的正端连接在一起且连接第一电容和第二电容的公共端；第一单相半桥五电平逆变器和第二单相半桥五电平逆变器的第三钳位二极管的正端连接在一起且连接第三电容和第四电容的公共端；第一单相半桥五电平逆变器和第二单相半桥五电平逆变器的第五开关管的第二端连接在一起且连接第二电容和第三电容的公共端。

8.一种权利要求1至5任一项所述单相半桥五电平逆变器的应用电路，其特征在于，所述应用电路为三相四线五电平拓扑电路，具体包括四个所述单相半桥五电平逆变器，分别是第一单相半桥五电平逆变器、第二单相半桥五电平逆变器、第三单相半桥五电平逆变器和第四单相半桥五电平逆变器；

所述第一、二、三、四单相半桥五电平逆变器中的第一开关管的第一端连接在一起均连接直流电源的正端；

所述第一、二、三、四单相半桥五电平逆变器中的第八开关管的第二端连接在一起均连接直流电源的负端；

所述第一、二、三、四单相半桥五电平逆变器的第一钳位二极管的正端连接在一起且连接第一电容和第二电容的公共端；第一单相半桥五电平逆变器和第二单相半桥五电平逆变器的第三钳位二极管的正端连接在一起且连接第三电容和第四电容的公共端；第一单相半桥五电平逆变器和第二单相半桥五电平逆变器的第五开关管的第二端连接在一起且连接第二电容和第三电容的公共端。

说明书

一种单相半桥五电平逆变器及其应用电路

技术领域

[0001] 本发明涉及电力电子技术领域，特别涉及一种单相半桥五电平逆变器及其应用电路。

背景技术

[0002] 中压大容量场合，多电平逆变器得到广泛的应用，目前的五电平逆变器主要是二极管箝位型和飞跨电容型结构。下面分别予以介绍。

[0003] 参见图1a，该图为现有技术中提供的二极管箝位型的五电平逆变器拓扑图。

[0004] 图1a所示的是半桥五电平逆变器的拓扑结构。二极管用于为各个开关管进行电压箝位。例如，第一二极管DB1用于将开关管T1下端的电位箝位于第一电容C1的下端；第二二极管DB2用于将开关管T5下端的电位箝位于第一电容C1的下端。其他二极管DB3、DB4、DB5和DB6类似，在此不再赘述。

[0005] 由于箝位二极管需要阻断多倍电平电压，通常需要多个相同标称值的二极管串联，如图1b所示，二极管DB21、DB22和DB23串联相当于图1a中的二极管DB2。DB21、DB22和DB23这三个二极管串联起来共同承受图1a中DB2承受的电压。由于二极管的分散性以及杂散参数的影响，标称值相同的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二极管两端过电压。因此，需要均压措施和很大的RC吸收电路，但是这样将导致系统体积庞大，成本增加。

[0006] 因此，为了解决图1b存在的问题，提出了一种改进措施，如图1c所示。这种拓扑所用的开关管数量和图1a所用的一样，该拓扑可以将每个二极管电压箝位在单电平电压之内，如图1c所示，所有的二极管没有两个串联的情况。在电平数较多的逆变器中，有较大的优越性。但是这种电路的缺点是，箝位二极管的数量太多。

[0007] 参见图2，该图为现有技术中提供的飞跨电容型五电平逆变器拓扑图。

[0008] 图2所示的拓扑中的电容可以起到均压的作用，但是缺点是运用的电容数目较多。

[0009] 综上所述，现有技术中的两种五电平逆变器拓扑均使用较多的半导体器件，造成体积较大，损耗较多，效率较低。

发明内容

[0010] 本发明要解决的技术问题是提供一种单相半桥五电平逆变器及其应用电路，使用的半导体数目减少，损耗小，成本低。

[0011] 本发明提供一种单相半桥五电平逆变器，具有交流引出端、直流正引出端、直流负引出端、第一引出端、第二引出端和第三引出端，所述单相半桥五电平逆变器包括：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、第七开关管和第八开关管；以及第一钳位二极管、第二钳位二极管、第三钳位二极管和第四钳位二极管；每个所述开关管反向并联一个二极管；

[0012] 所述第一开关管的第一端连接直流正引出端，第一开关管的第二端连接第一节点；

[0013] 所述第二开关管的第一端连接第一节点，第二开关管的第二端连接第二节点；

[0014] 所述第三开关管的第一端连接第二节点，第三开关管的第二端连接第三节点即交流引出端；

[0015] 所述第四开关管的第一端连接所述第五开关管的第一端，第四开关管的第二端连接第三节点；

[0016] 所述第五开关管的第一端连接所述第四开关管的第一端，第五开关管的第二端连接第二引出端；

[0017] 所述第六开关管的第一端连接第三节点，第六开关管的第二端连接第四节点；

[0018] 所述第七开关管的第一端连接第四节点，第七开关管的第二端连接第五节点；

[0019] 所述第八开关管的第一端连接第五节点，第八开关管的第二端连接直流负引出端；

[0020] 所述第一引出端与第一节点之间串联第一钳位二极管；

[0021] 所述第四节点与第一引出端之间串联第二钳位二极管；

[0022] 所述第三引出端与第二节点之间串联第三钳位二极管；

[0023] 所述第五节点与第三引出端之间串联第四钳位二极管。

[0024] 优选地，所述第一开关管、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、第七开关管和第八开关管均为IGBT管，所述第一端为集电极，所述第二端为发射极。

[0025] 优选地，还包括第一电感、第二电感和第五电容；

[0026] 所述第三节点通过依次串联的第一电感、第五电容和第二电感连接第二引出端。

[0027] 优选地，所述单相半桥五电平逆变器对应的五个电平工作模态分别为：

[0028] 第一模态：第一、二、三、四开关管导通，其余开关管均截止；

[0029] 第二模态：第二、三、四、六开关管导通，其余开关管均截止；

[0030] 第三模态：第三、四、五、六开关管导通，其余开关管均截止；

[0031] 第四模态：第三、五、六、七开关管导通，其余开关管均截止；

[0032] 第五模态：第五、六、七、八开关管导通，其余开关管均截止。

[0033] 优选地，所述第一开关管的导通时序信号由正弦波和第一三角波进行比较产生，在所述正弦波大于第一三角波时所述第一开关管导通，反之截止；

[0034] 所述第二开关管的导通时序信号由所述正弦波和第二三角波进行比较产生，在所述正弦波大于第二三角波时第二开关管导通，反之截止；

[0035] 所述第三开关管的导通时序信号由所述正弦波的反向波和第一三角波进行比较产生，所述正弦波的反向波小于第一三角波时第三开关管导通，反之截止；

[0036] 所述第四开关管的导通时序由所述正弦波的反向波与第二三角波进行比较，所述正弦波的反向波小于第二三角波时第四开关管导通，反之截止；

[0037] 所述第五开关管的导通时序信号由所述正弦波与第二三角波进行比较，所述正弦波小于第二三角波时第五开关管导通，反之截止；

[0038] 第六开关管的导通时序信号由所述正弦波和第一三角波进行比较产生，所述正弦波小于第一三角波时第六开关管导通，反之截止；

[0039] 第七开关管的导通时序信号由所述正弦波的反向波和第二三角波进行比较产生，所述正弦波的反向波大于第二三角波时第三开关管导通，反之截止；

[0040] 第八开关管的导通时序信号由所述正弦波的反向波和第一三角波进行比较产生，所述正弦波的反向波大于第一三角波时第八开关管导通，反之截止；

[0041] 所述第一三角波、第二三角波具有相同的频率和相同的幅值，且所述第一三角波的波谷值等于第二三角波的波峰值。

[0042] 本发明还提供一种单相半桥五电平逆变器的应用电路，所述应用电路为单相全桥五电平拓扑电路，具体包括两个所述单相半桥五电平逆变器，分别是第一单相半桥五电平逆变器和第二单相半桥五电平逆变器；

[0043] 第一单相半桥五电平逆变器和第二单相半桥五电平逆变器中的第一开关管的第一端连接在一起均连接所述直流电源的正端；

[0044] 第一单相半桥五电平逆变器和第二单相半桥五电平逆变器中的第八开关管的第二端连接在一起均连接所述直流电源的负端；

[0045] 第一单相半桥五电平逆变器和第二单相半桥五电平逆变器的第一钳位二极管的正端连接在一起且连接所述第一电容和第二电容的公共端；第一单相半桥五电平逆变器和第二单相半桥五电平逆变器的第三钳位二极管的正端连接在一起且连接第三电容和第四电容的公共端；第一单相半桥五电平逆变器和第二单相半桥五电平逆变器的第五开关管的第二端连接在一起且连接第二电容和第三电容的公共端。

[0046] 本发明还提供一种单相半桥五电平逆变器的应用电路，所述应用电路为三相三线五电平拓扑电路，具体包括三个所述单相半桥五电平逆变器，分别是第一单相半桥五电平逆变器、第二单相半桥五电平逆变器和第三单相半桥五电平逆变器；

[0047] 所述第一、二、三单相半桥五电平逆变器中的第一开关管的第一端连接在一起均连接所述直流电源的正端；

[0048] 所述第一、二、三单相半桥五电平逆变器中的第八开关管的第二端连接在一起均连接所述直流电源的负端；

[0049] 所述第一、二、三单相半桥五电平逆变器的第一钳位二极管的正端连接在一起且连接第一电容和第二电容的公共端；第一单相半桥五电平逆变器和第二单相半桥五电平逆变器的第三钳位二极管的正端连接在一起且连接第三电容和第四电容的公共端；第一单相半桥五电平逆变器和第二单相半桥五电平逆变器的第五开关管的第二端连接在一起且连接第二电容和第三电容的公共端。

[0050] 本发明还提供一种单相半桥五电平逆变器的应用电路，所述应用电路为三相四线五电平拓扑电路，具体包括四个所述单相半桥五电平逆变器，分别是第一单相半桥五电平逆变器、第二单相半桥五电平逆变器、第三单相半桥五电平逆变器和第四单相半桥五电平逆变器；

[0051] 所述第一、二、三、四单相半桥五电平逆变器中的第一开关管的第一端连接在一起均连接所述直流电源的正端；

[0052] 所述第一、二、三、四单相半桥五电平逆变器中的第八开关管的第二端连接在一起均连接所述直流电源的负端；

[0053] 所述第一、二、三、四单相半桥五电平逆变器的第一钳位二极管的正端连接在一起且连接第一电容和第二电容的公共端；第一单相半桥五电平逆变器和第二单相半桥五电平逆变器的第三钳位二极管的正端连接在一起且连接第三电容和第四电容的公共端；第一单相半桥五电平逆变器和第二单相半桥五电平逆变器的第五开关管的第二端连接在一起且连接第二电容和第三电容的公共端。

[0054] 与现有技术相比，本发明具有以下优点：

[0055] 本发明实施例所述单相半桥五电平逆变器包括八个开关管和四个钳位二极管，即可以起到连接多个电平到输出电压的作用。相比于二极管钳位型拓扑，采用了两个开关管(第四、五开关管)的自带反并联二极管取代了两个钳位二极管，达到减少钳位二极管的目的。因此，本发明实施例所述单相半桥五电平逆变器可以实现减少现有箝位二极管的数量，实现整个逆变器中的半导体器件减少，损耗小，体积小，进而降低成本的效果。

附图说明

[0056] 图1a是现有技术中提供的二极管箝位型的五电平逆变器拓扑图；

[0057] 图1b是现有技术中提供的另一种二极管箝位型的五电平逆变器拓扑图；

[0058] 图1c是现有技术中提供的又一种二极管箝位型的五电平逆变器拓扑图；

[0059] 图2是现有技术中提供的飞跨电容型五电平逆变器拓扑图；

[0060] 图3是本发明实施例所述单相半桥五电平逆变器拓扑图；

[0061] 图4是本发明实施例所述单相半桥五电平逆变器处于第一模态对应的拓扑图；

[0062] 图5是本发明实施例所述单相半桥五电平逆变器处于第二模态对应的拓扑图；

[0063] 图6是本发明实施例所述单相半桥五电平逆变器处于第三模态对应的拓扑图；

[0064] 图7是本发明实施例所述单相半桥五电平逆变器处于第四模态对应的拓扑图；

[0065] 图8是本发明实施例所述单相半桥五电平逆变器处于第五模态对应的拓扑图；

[0066] 图9是本发明实施例所述单相半桥五电平逆变器中八个开关的导通时序图；

[0067] 图10是本发明实施例所述提供的单相半桥五电平逆变器拓扑单元等效图；

[0068] 图11是本发明实施例所述单相全桥五电平逆变器拓扑图；

[0069] 图12是本发明实施例所述三相三线制五电平逆变器拓扑图；

[0070] 图13是本发明实施例所述三相四线制五电平逆变器拓扑图。

具体实施方式

[0071] 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的具体实施方式做详细的说明。

[0072] 参见图3和图10，图3为本发明实施例所述单相半桥五电平逆变器拓扑图，图10是本发明实施例所述提供的单相半桥五电平逆变器拓扑单元等效图。

[0073] 图3中的单相半桥五电平逆变器等效后的拓扑单元示意图如图10所示。

[0074] 本发明实施例所述单相半桥五电平逆变器具有AC(交流)引出端(即图3中的节点a)、DC+(直流正)引出端、DC-(直流负)引出端、第一引出端M1、第二引出端M2(即图3中的节点n)和第三引出端M3。

[0075] 本发明实施例所述单相半桥五电平逆变器，包括：第一开关管T1、第二开关管T2、第三开关管T3、第四开关管T4、第五开关管T5、第六开关管T6、第七开关管T7和第八开关管T8。

[0076] 本发明实施例所述单相半桥五电平逆变器还包括：第一钳位二极管DF1、第二钳位二极管DF2、第三钳位二极管DF3和第四钳位二极管DF4。

[0077] 第一开关管T1、第二开关管T2、第三开关管T3、第四开关管T4、第五开关管T5、第六开关管T6、第七开关管T7和第八开关管T8分别反向并联第一二极管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。

[0078] 直流电源的正端通过依次串联的第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3和第四电容C4连接直流电源的负端DC-。

[0079] 将图3中的单相半桥五电平逆变器中的第三节点a定义为拓扑单元的AC引出端，第一开关管T1的第一端定义为拓扑单元的DC+引出端，第八开关管T8的第二端定义为拓扑单元的DC-引出端，第一钳位二极管DF1的正端定义为拓扑单元的M1引出端，第三钳位二极管DF3的正端定义为拓扑单元的M3引出端，第五开关管T5的第二端定义为拓扑单元的M2引出端。

[0080] 所述拓扑单元的M1引出端连接图3中的第一电容C1和第二电容C2的公共端；拓扑单元的M2引出端连接图3中的第二电容C2和第三电容C3的公共端；拓扑单元的M3引出端连接图3中的第三电容C3和第四电容C4的公共端。

[0081] 第一开关管T1的第一端连接DC+引出端(第一电容C1的第一端)，第一开关管T1的第二端连接第一节点m1。

[0082] 第二开关管T2的第一端连接第一节点m1，第二开关管T2的第二端连接第二节点m2。

[0083] 第三开关管T3的第一端连接第二节点m2，第三开关管T3的第二端连接第三节点a。

[0084] 所述第四开关管T4的第一端连接所述第五开关管T5的第一端，第四开关管T4的第二端连接第三节点a(AC引出端)。

[0085] 所述第五开关管T5的第一端连接所述第四开关管T4的第一端，第五开关管T5的第二端连接第二引出端M2。

[0086] 第六开关管T6的第一端连接第三节点a，第六开关管T6的第二端连接第四节点m4。

[0087] 第七开关管T7的第一端连接第四节点m4，第七开关管T7的第二端连接第五节点m5。

[0088] 第八开关管T8的第一端连接第五节点m5，第八开关管T8的第二端连接直流电源的负端——DC-引出端(第四电容C4的第二端)。

[0089] 第一引出端M1(第一电容C1的第二端(即第一电容C1和第二电容C2的公共端)与第一节点m1之间串联第一钳位二极管DF1。

[0090] 第四节点m4与第一引出端M1之间串联第二钳位二极管DF2。

[0091] 第三引出端M3(电容C3的第二端，即第三电容C3和第四电容C4的公共端)与第三节点a之间串联第三钳位二极管DF3。

[0092] 第五节点m5与第三引出端M3之间串联第四钳位二极管DF4。

[0093] 本发明实施例所述单相半桥五电平逆变器包括八个开关管和四个钳位二极管，即可以起到钳位单电平电压的作用。相比于二极管钳位型拓扑，采用了两个开关管(第四、五开关管)的自带反并联二极管取代了两个钳位二极管，达到减少钳位二极管的目的。因此，本发明实施例所述单相半桥五电平逆变器可以实现减少现有箝位二极管的数量，实现整个逆变器中的半导体器件较少，损耗较小，体积小，进而降低成本的有益效果。

[0094] 需要说明的是，优选地，以上八个开关管——第一开关管T1、第二开关管T2、第三开关管T3、第四开关管T4、第五开关管T5、第六开关管T6、第七开关管T7和第八开关管T8均为IGBT管，所述第一端为集电极，第二端为发射极。可以理解的是，以上八个开关管也可以选择其他类型的开关管。

[0095] 需要说明的是，所述单相半桥五电平逆变器，还可以包括第一电感L1、第二电感L2和第五电容C。

[0096] 所述第三节点a通过依次串联的第一电感L1、第五电容C和第二电感L2连接第二引出端M2，即节点n。

[0097] 为了清楚地说明本发明实施例所述单相半桥五电平逆变器工作的五个工作模态，下面结合附图来对五种工作模态进行详细分析。

[0098] 参见图4，该图为本发明实施例所述单相半桥五电平逆变器处于第一模态对应的拓扑图。

[0099] 第一模态：第一、二、三、四开关管T1、T2、T3、T3导通，其余开关管均截止(即第五、六、七、八开关管T5、T6、T7、T8均截止)。导通的开关管在图4中以粗实线示出，不导通的开关管在图4中以细实线示出。

[0100] 当第三节点a流出电流时，电流的路径为：第一开关管T1—第二开关管T2-第三开关管T3-第一电感L1-电网VG-第二电感L2-第二电容C2-第一电容C1-第一开关管T1。

[0101] 当第三节点a有电流流进时，电流的路径为：第三二极管D3-第二二极管D2-第一二极管D1-第一电容C1-第二电容C2-第二电感L2-电网VG-第一电感L1-第三电容D3。

[0102] 参见图5，该图为本发明实施例所述单相半桥五电平逆变器处于第二模态对应的拓扑图。

[0103] 第二模态：第二、三、四、六开关管T2、T3、T4、T6导通，其余开关管均截止(即第一、五、七、八开关管T1、T5、T6、T8均截止)。导通的开关管在图5中以粗实线示出，不导通的开关管在图5中以细实线示出。

[0104] 当第三节点a流出电流时，电流的路径为：第一钳位二极管DF1-第二开关管T2-第三开关管T3-第一电感L1-电网VG-第二电感L2-第二电容C2-第一钳位二极管DF1。

[0105] 当第三节点a有电流流进时，电流的路径为：第六开关管T6-第二钳位二极管DF2-第二电容C2-第二电感L2-电网VG-第一电感L1-第六开关管T6。

[0106] 参见图6，该图为本发明实施例所述单相半桥五电平逆变器处于第三模态对应的拓扑图。

[0107] 第三模态：第三开关管T3、第四开关管T4和第五开关管T5以及第六开关管T6导通，其余开关管均截止((即第一、二、七、八开关管T1、T2、T7、T8均截止)。导通的开关管在图6中以粗实线示出，不导通的开关管在图6中以细实线示出。

[0108] 当第三节点a流出电流时，电流的路径为：第五二极管D5-第四开关管T4-第一电感L1-电网VG-第二电感L2-第五二极管D5。

[0109] 当第三节点a有电流流进时，电流的路径为：第五开关管T5——第四二极管D4-第二电感L2-电网VG-第一电感L1-第五开关管T5。

[0110] 参见图7，该图为本发明实施例所述单相半桥五电平逆变器处于第四模态对应的拓扑图。

[0111] 第四模态：第三开关管T3、第五开关管T5、第六开关管T6和第七开关管T7导通，其余开关管均截止(即第一、二、四、八开关管T1、T2、T4、T8均截止)。导通的开关管在图7中以粗实线示出，不导通的开关管在图7中以细实线示出。

[0112] 当第三节点a流出电流时，电流的路径为：第三钳位二极管DF3-第三开关管T3-第一电感L1-电网VG-第二电感L2-第三电容C3-第三钳位二极管DF3。

[0113] 当第三节点a有电流流进时，电流的路径为：第六开关管T6-第七开关管T7-第四钳位二极管DF4-第三电容C3-第二电感L2-电网VG-第一电感L1-第六开关管T6。

[0114] 参见图8，该图为本发明实施例所述单相半桥五电平逆变器处于第五模态对应的拓扑图。

[0115] 第五模态：第五开关管T5、第六开关管T6、第七开关管T7和第八开关管T8导通，其余开关管均截止(即第一、二、三、四、开关管T1、T2、T3、T4均截止)导通的开关管在图8中以粗实线示出，不导通的开关管在图8中以细实线示出。

[0116] 当第三节点a流出电流时，电流的路径为：第八二极管D8-第七二极管D7-第六二极管D6-第一电感L1-电网VG-第二电感L2-第三电容C3-第四电容C4-第八二极管D8。

[0117] 当第三节点a有电流流进时，电流的路径为：第六开关管T6-第七开关管T7-第八开关管T8-第四电容C4-第三电容C3-第二电感L2-电网VG-第一电感L1-第六开关管T6。

[0118] 参见图9，该图为本发明实施例所述单相半桥五电平逆变器中八个开关的导通时序图。

[0119] 图9中的导通时序信号S1至S8分别为第一至第八开关管T1至T8的驱动信号。第一至第八开关管T1至T8为IGBT管时，图9中的导通时序信号S1至S8分别为第一至第八开关管T1至T8的栅极驱动信号。

[0120] 当某个开关管的驱动信号为高电平时，该开关管导通。当某个开关管的驱动信号为低电平时，该开关管截止。

[0121] 图9中的Van是图3中第三节点a和节点n(第二电容C2和第三电容C3的公共点)之间的电压。

[0122] 图9中的波形包括两个三角波(分别是第一三角波A和第二三角波B)和一个正弦波Z。正弦波Z与上述两个三角波A、B进行比较产生导通时序信号S1-S8。

[0123] 所述第一三角波A、第二三角波B具有相同的频率和相同的幅值，且所述第一三角波A的波谷值等于第二三角波B的波峰值。

[0124] 所述第一开关管T1的导通时序信号S1由正弦波Z和第一三角波A进行比较产生，在所述正弦波Z大于第一三角波A时所述第一开关管T1导通，反之截止。

[0125] 所述第二开关管T2的导通时序信号S2由所述正弦波Z和第一三角波A、第二三角波B进行比较产生，在所述正弦波Z大于第二三角波B且小于第一三角波A时第二开关管T2导通，反之截止。

[0126] 所述第三开关管T3的导通时序信号S3由所述正弦波Z的反向波和第一三角波A进行比较产生，所述正弦波Z的反向波小于第一三角波A时第三开关管导通T3，反之截止。

[0127] 所述第四开关管T4的导通时序信号S4由所述正弦波Z的反向波与第二三角波B进行比较，所述正弦波Z的反向波小于第二三角波B时，第四开关管T4导通，反之截止。

[0128] 所述第五开关管T5的导通时序信号S5由所述正弦波Z与第二三角波B进行比较，所述正弦波Z小于第二三角波B时，第五开关管T5导通，反之截止。

[0129] 第六开关管T6的导通时序信号S6由所述正弦波和第一三角波A进行比较产生，所述正弦波Z小于第一三角波A时第六开关管T6导通，反之截止。

[0130] 第七开关管T7的导通时序信号S7由所述正弦波Z的反向波和第二三角波B进行比较产生，所述正弦波Z的反向波大于第二三角波B时第七开关管T7导通，反之截止。

[0131] 第八开关管T8的导通时序信号S8由所述正弦波Z的反向波和第一三角波A进行比较产生，所述正弦波Z的反向波大于第一三角波A时第八开关管T8导通，反之截止。

[0132] 以上实施例提供的均是单相半桥五电平逆变器，可以理解的是，由单相半桥五电平逆变器可以组成单相全桥、三相三线制以及三相四线制拓扑。下面分别予以介绍。

[0133] 参见图11，该图为本发明实施例所述单相全桥五电平逆变器拓扑图。

[0134] 单相全桥五电平逆变器包括两个所述单相半桥五电平逆变器，分别是第一单相半桥五电平逆变器和第二单相半桥五电平逆变器；将这两个单相半桥五电平逆变器等效为图10所示的拓扑单元。

[0135] 如图11所示，两个拓扑单元的DC+端连接在一起，然后连接直流电源的正端；DC-引出端连接在一起，然后连接直流电源的负端。

[0136] 两个拓扑单元的第一引出端M1连接在一起，然后连接第一电容C1和第二电容C2的公共端；两个拓扑单元的第二引出端M2连接在一起，然后连接第二电容C2和第三电容C3的公共端；两个拓扑单元的第三引出端M3连接在一起，然后连接第三电容C3和第四电容C4的公共端。

[0137] 两个拓扑单元的AC引出端均为交流电源输出端。

[0138] 参见图12，该图为本发明实施例所述三相三线制五电平逆变器拓扑图。

[0139] 图12与图11的区别是，包括三个图10所示的拓扑单元，即包括三个所述单相半桥五电平逆变器，分别是第一单相半桥五电平逆变器和第二单相半桥五电平逆变器以及第三单相半桥五电平逆变器。

[0140] 第一单相半桥五电平逆变器和第二单相半桥五电平逆变器以及第三单相半桥五电平逆变器的连接与图11中的两个单相半桥逆变器的连接方式相同，具体如图12所示，在此不再赘述。

[0141] 参见图13，该图为本发明实施例所述三相四线制五电平逆变器拓扑图。

[0142] 该图13与图11的区别是，包括四个图10所示的拓扑单元，即包括四个所述单相半桥五电平逆变器，分别是第一单相半桥五电平逆变器、第二单相半桥五电平逆变器和第三单相半桥五电平逆变器以及第四单相半桥五电平逆变器。

[0143] 这四个单相半桥逆变器——第一单相半桥五电平逆变器、第二单相半桥五电平逆变器和第三单相半桥五电平逆变器以及第四单相半桥五电平逆变器的连接与图11中的两个单相半桥逆变器的连接方式相同，具体如图13所示，在此不再赘述。

[0144] 需要说明的是，本发明实施例所述单相半桥五电平逆变器使用的半导体器件较少，造成的功耗较低，因此效率较高，可以理解的是，由该单相半桥五电平逆变器组成的单相全桥、三相三线制以及三相四线制五电平逆变器同样具有上述优点。

[0145] 以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。