一种高压输出的多电平逆变电路

摘要

本发明实施例涉及一种高压输出的多电平逆变电路，包括低压直流电源、至少五个半桥单元、至少四个电容单元和输出端，半桥单元包括两个串联连接的开关元件；五个半桥单元分别为第一半桥单元、第二半桥单元、第三半桥单元、第四半桥单元和第五半桥单元；四个电容单元分别为第一电容单元、第二电容单元、第三电容单元和第四电容单元。该高压输出的多电平逆变电路将一个低压直流电源输出的电压通过五个半桥单元上开关元件的导通或截止转换成多电平交流电的电压的高压交流电从输出端输出，使得采用一个电源输入实现了多电平交流电的输出，并且该高压输出的多电平逆变电路的电路结构简单。

权利要求

1.一种高压输出的多电平逆变电路，其特征在于，包括低压直流电源、至少五个半桥单元、至少四个电容单元和输出端；

所述半桥单元包括两个串联连接的开关元件，且两个所述开关元件连接的节点为第一串联节点；

每个所述电容单元包括电容器和与所述电容器串联连接的二极管，且所述电容器与所述二极管连接的节点为第二串联节点；

其中，五个所述半桥单元分别为第一半桥单元、第二半桥单元、第三半桥单元、第四半桥单元和第五半桥单元；四个所述电容单元分别为第一电容单元、第二电容单元、第三电容单元和第四电容单元；

所述第一半桥单元的第一串联节点与所述第一电容单元连接，所述第一电容单元还与所述低压直流电源的负极连接；

所述第二半桥单元的第一串联节点与所述第二电容单元连接，所述第二电容单元还与所述低压直流电源的正极连接；

所述第三半桥单元的第一串联节点分别与所述第三电容单元和所述第四电容单元连接，所述第三电容单元还与所述第一电容单元连接，所述第四电容单元还与所述第二电容单元连接；

所述输出端的第一端与所述第四半桥单元的第一串联节点连接，所述输出端的第二端与所述第五半桥单元的第一串联节点连接；

所述第四半桥单元的第一端与所述第四电容单元的第二串联节点连接，所述第四半桥单元的第二端与所述第三电容单元的第二串联节点连接；

所述第一半桥单元包括第一开关元件和第二开关元件；所述第二半桥单元包括第三开关元件和第四开关元件；所述第三半桥单元包括第五开关元件和第六开关元件；所述第四半桥单元包括第七开关元件和第八开关元件；所述第五半桥单元包括第九开关元件和第十开关元件；

所述第一电容单元包括第一电容器和第一二极管；所述第二电容单元包括第二电容器和第二二极管；所述第三电容单元包括第三电容器和第三二极管；所述第四电容单元包括第四电容器和第四二极管；其中，

所述第一开关元件的第一端、所述第三开关元件的第一端和所述第一二极管的阴极分别与所述低压直流电源的负极连接；

所述第二开关元件的第二端、所述第四开关元件的第二端和所述第二二极管的阳极分别与所述低压直流电源的正极连接；

所述第一开关元件的第二端和所述第二开关元件的第一端分别与所述第一电容器的第二端连接；

所述第三开关元件的第二端和所述第四开关元件的第一端分别与所述第二电容器的第一端连接；

所述第一电容器的第一端、所述第一二极管的阳极、所述第五开关元件的第一端和所述第三二极管的阴极分别与所述第九开关元件的第一端连接；

所述第二电容器的第二端、所述第二二极管的阴极、所述第六开关元件的第二端和所述第四二极管的阳极分别与所述第十开关元件的第二端连接；

所述第五开关元件的第二端和所述第六开关元件的第一端分别与所述第三电容器的第二端和所述第四电容器的第一端连接；

所述第三电容器的第二端和所述第三二极管的阳极分别与所述第七开关元件的第一端连接；

所述第四电容器的第二端和所述第四二极管的阴极分别与所述第八开关元件的第二端连接；

所述第七开关元件的第二端与所述第八开关元件的第一端分别与所述输出端的第一端连接，所述第九开关元件的第二端与所述第十开关元件的第一端分别与所述输出端的第二端连接

若开通所述第一开关元件、所述第四开关元件、所述第五开关元件、所述第八开关元件和所述第十开关元件，其他的所述开关元件全部关断，所述第一电容器和所述第二电容器分别与所述低压直流电源串联，所述低压直流电源通过所述第四二极管给所述第四电容器充电，所述输出端输出的电压为0；

若开通所述第一开关元件、所述第四开关元件、所述第六开关元件、所述第七开关元件和所述第九开关元件，其他的所述开关元件全部关断，所述第一电容器和所述第二电容器分别与所述低压直流电源串联，所述低压直流电源通过所述第三二极管给所述第三电容器充电，所述输出端输出的电压为0。

2.根据权利要求1所述的高压输出的多电平逆变电路，其特征在于，所述低压直流电源输出的电压为Vdc，若开通所述第一开关元件和所述第三开关元件，并且开通所述第五开关元件、所述第八开关元件和所述第十开关元件；或者并且开通所述第六开关元件、所述第七开关元件和所述第九开关元件，其他的所述开关元件全部关断，所述输出端输出的电压为Vdc或‑Vdc；

若开通所述第二开关元件和所述第四开关元件，并且开通所述第五开关元件、所述第八开关元件和所述第十开关元件；或者并且开通所述第六开关元件、所述第七开关元件和所述第九开关元件，其他的所述开关元件全部关断，所述输出端输出的电压为Vdc或‑Vdc。

3.根据权利要求1所述的高压输出的多电平逆变电路，其特征在于，所述低压直流电源输出的电压为Vdc，若开通所述第二开关元件和所述第三开关元件，并且开通所述第五开关元件、所述第八开关元件和所述第十开关元件；或者并且开通所述第六开关元件、所述第七开关元件和所述第九开关元件，其他的所述开关元件全部关断，所述输出端输出的电压为

2Vdc或‑2Vdc；

若开通所述第一开关元件和所述第四开关元件，并且开通所述第五开关元件、所述第八开关元件和所述第九开关元件；或者并且开通所述第六开关元件、所述第七开关元件和所述第十开关元件，其他的所述开关元件全部关断，所述输出端输出的电压为3Vdc或‑3Vdc；

若开通所述第二开关元件和所述第三开关元件，并且开通所述第六开关元件、所述第八开关元件和所述第九开关元件；或者并且开通所述第五开关元件、所述第七开关元件和所述第十开关元件，其他的所述开关元件全部关断，所述输出端输出的电压为4Vdc或‑4Vdc。

4.根据权利要求1所述的高压输出的多电平逆变电路，其特征在于，所述低压直流电源输出的电压为Vdc，若开通所述第一开关元件和所述第三开关元件，并且开通所述第六开关元件、所述第八开关元件和所述第九开关元件；或者并且开通所述第五开关元件、所述第七开关元件和所述第十开关元件，其他的所述开关元件全部关断，所述输出端输出的电压为

5Vdc或‑5Vdc；

若开通所述第二开关元件和所述第四开关元件，并且开通所述第六开关元件、所述第八开关元件和所述第九开关元件；或者并且开通所述第五开关元件、所述第七开关元件和所述第十开关元件，其他的所述开关元件全部关断，所述输出端输出的电压为5Vdc或‑5Vdc。

5.根据权利要求1所述的高压输出的多电平逆变电路，其特征在于，所述低压直流电源输出的电压为Vdc，若开通所述第一开关元件和所述第四开关元件，并且开通所述第六开关元件、所述第八开关元件和所述第九开关元件；或者并且开通所述第五开关元件、所述第七开关元件和所述第十开关元件，其他的所述开关元件全部关断，所述输出端输出的电压为

6Vdc或‑6Vdc。

6.根据权利要求1所述的高压输出的多电平逆变电路，其特征在于，两个所述开关元件形成一对互补导通的所述半桥单元。

7.根据权利要求1所述的高压输出的多电平逆变电路，其特征在于，五个所述半桥单元中的开关元件均选用N沟道MOSFET或P沟道MOSFET或IGBT器件，其中：当所述开关元件均选用N沟道MOSFET时，所述N沟道MOSFET的源极作为所述开关元件的第一端，所述N沟道MOSFET的漏极作为所述开关元件的第二端，所述N沟道MOSFET的栅极作为所述开关元件的控制端；

当所述开关元件均选用P沟道MOSFET时，所述P沟道MOSFET的漏极作为所述开关元件的第一端，所述P沟道MOSFET的源极为所述开关元件的第二端，所述P沟道MOSFET的栅极作为所述开关元件的控制端；

当所述开关元件均选用IGBT器件时，所述IGBT器件的发射极作为所述开关元件的第一端，所述IGBT器件的集电极作为所述开关元件的第二端，所述IGBT器件的基极作为所述开关元件的控制端。

8.根据权利要求7所述的高压输出的多电平逆变电路，其特征在于，各所述开关元件的控制端均与控制器连接，所述控制器用于控制各所述开关元件的导通或关断，以实现多电平交流电的输出。

说明书

一种高压输出的多电平逆变电路

技术领域

[0001] 本发明涉及电力电子逆变电路技术领域，尤其涉及一种高压输出的多电平逆变电路。

背景技术

[0002] 随着社会的发展，人们对不可再生资源的需求越来越多，不可以再生资源是可以被使用完的，由此石油、煤炭等化石不可再生能源被人们使用，变得越来越少。因此，目前能
源危机和能源污染步步逼近，获取新型能源已经变得十分迫切，以风能和太阳能为代表的
分布式发电技术以及以电池和超级电容为代表的分布式储能技术越来越受到世界各国的
高度重视。这些新兴能源和新技术的发展和应用高度依赖于电力电子逆变装置的性能。现
有电力电子逆变装置大部分是采用两电平逆变电路实现的，而两电平逆变电路本身具有谐
波含量高和效率低等缺陷。

[0003] 随着电力电子技术的高速发展，目前的电力电子逆变装置大部分是采用多电平逆变电路实现电源的转换，多电平逆变电路的优点包括输出电压谐波含量少、器件电压应力
低、电磁干扰少和效率较高等。而典型的多电平逆变电路包括二极管钳位型、电容钳位型和
H桥级联型。其中二极管钳位型和电容钳位型在多电平逆变电路中存在电路钳位复杂且不
具备自主升压的问题，而H桥级联型的多电平逆变电路需要多个独立的直流电源，使得多电
平逆变电路电路复杂。

[0004] 因此，针对上述情况，如何设计出电路结构简单、输入电源数量少且具备自主升压能力的多电平逆变电路成为本领域技术人员亟待解决的重要技术问题。

发明内容

[0005] 本发明实施例提供了一种高压输出的多电平逆变电路，用于解决现有多电平逆变电路的需要多个输入直流电源且不会自动升压的技术问题。

[0006] 为了实现上述目的，本发明实施例提供如下技术方案：

[0007] 一种高压输出的多电平逆变电路，包括低压直流电源、至少五个半桥单元、至少四个电容单元和输出端；

[0008] 所述半桥单元包括两个串联连接的开关元件，且两个所述开关元件连接的节点为第一串联节点；

[0009] 每个所述电容单元包括电容器和与所述电容器串联连接的二极管，且所述电容器与所述二极管连接的节点为第二串联节点；

[0010] 其中，五个所述半桥单元分别为第一半桥单元、第二半桥单元、第三半桥单元、第四半桥单元和第五半桥单元；四个所述电容单元分别为第一电容单元、第二电容单元、第三
电容单元和第四电容单元；

[0011] 所述第一半桥单元的第一串联节点与所述第一电容单元连接，所述第一电容单元还与所述低压直流电源的负极连接；

[0012] 所述第二半桥单元的第一串联节点与所述第二电容单元连接，所述第二电容单元还与所述低压直流电源的正极连接；

[0013] 所述第三半桥单元的第一串联节点分别与所述第三电容单元和所述第四电容单元连接，所述第三电容单元还与所述第一电容单元连接，所述第四电容单元还与所述第二
电容单元连接；

[0014] 所述输出端的第一端与所述第四半桥单元的第一串联节点连接，所述输出端的第二端与所述第五半桥单元的第一串联节点连接；

[0015] 所述第四半桥单元的第一端与所述第四电容单元的第二串联节点连接，所述第四半桥单元的第二端与所述第三电容单元的第二串联节点连接。

[0016] 优选地，所述第一半桥单元包括第一开关元件和第二开关元件；所述第二半桥单元包括第三开关元件和第四开关元件；所述第三半桥单元包括第五开关元件和第六开关元
件；所述第四半桥单元包括第七开关元件和第八开关元件；所述第五半桥单元包括第九开
关元件和第十开关元件；

[0017] 所述第一电容单元包括第一电容器和第一二极管；所述第二电容单元包括第二电容器和第二二极管；所述第三电容单元包括第三电容器和第三二极管；所述第四电容单元
包括第四电容器和第四二极管；其中，

[0018] 所述第一开关元件的第一端、所述第三开关元件的第一端和所述第一二极管的阴极分别与所述低压直流电源的负极连接；

[0019] 所述第二开关元件的第二端、所述第四开关元件的第二端和所述第二二极管的阳极分别与所述低压直流电源的正极连接；

[0020] 所述第一开关元件的第二端和所述第二开关元件的第一端分别与所述第一电容器的第二端连接；

[0021] 所述第三开关元件的第二端和所述第四开关元件的第一端分别与所述第二电容器的第一端连接；

[0022] 所述第一电容器的第一端、所述第一二极管的阳极、所述第五开关元件的第一端和所述第三二极管的阴极分别与所述第九开关元件的第一端连接；

[0023] 所述第二电容器的第二端、所述第二二极管的阴极、所述第六开关元件的第二端和所述第四二极管的阳极分别与所述第十开关元件的第二端连接；

[0024] 所述第五开关元件的第二端和所述第六开关元件的第一端分别与所述第三电容器的第二端和所述第四电容器的第一端连接；

[0025] 所述第三电容器的第二端和所述第三二极管的阳极分别与所述第七开关元件的第一端连接；

[0026] 所述第四电容器的第二端和所述第四二极管的阴极分别与所述第八开关元件的第二端连接；

[0027] 所述第七开关元件的第二端与所述第八开关元件的第一端分别与所述输出端的第一端连接，所述第九开关元件的第二端与所述第十开关元件的第一端分别与所述输出端
的第二端连接。

[0028] 优选地，若开通所述第一开关元件、所述第四开关元件、所述第五开关元件、所述第八开关元件和所述第十开关元件，其他的所述开关元件全部关断，所述第一电容器和所
述第二电容器分别与所述低压直流电源串联，所述低压直流电源通过所述第四二极管给所
述第四电容器充电，所述输出端输出的电压为0；

[0029] 若开通所述第一开关元件、所述第四开关元件、所述第六开关元件、所述第七开关元件和所述第九开关元件，其他的所述开关元件全部关断，所述第一电容器和所述第二电
容器分别与所述低压直流电源串联，所述低压直流电源通过所述第三二极管给所述第三电
容器充电，所述输出端输出的电压为0。

[0030] 优选地，所述低压直流电源输出的电压为Vdc，若开通所述第一开关元件和所述第三开关元件，并且开通所述第五开关元件、所述第八开关元件和所述第十开关元件；或者并
且开通所述第六开关元件、所述第七开关元件和所述第九开关元件，其他的所述开关元件
全部关断，所述输出端输出的电压为Vdc或‑Vdc；

[0031] 若开通所述第二开关元件和所述第四开关元件，并且开通所述第五开关元件、所述第八开关元件和所述第十开关元件；或者并且开通者所述第六开关元件、所述第七开关
元件和所述第九开关元件，其他的所述开关元件全部关断，所述输出端输出的电压为Vdc或‑
Vdc。

[0032] 优选地，所述低压直流电源输出的电压为Vdc，若开通所述第二开关元件和所述第三开关元件，并且开通所述第五开关元件、所述第八开关元件和所述第十开关元件；或者并
且开通所述第六开关元件、所述第七开关元件和所述第九开关元件，其他的所述开关元件
全部关断，所述输出端输出的电压为2Vdc或‑2Vdc；

[0033] 若开通所述第一开关元件和所述第四开关元件，并且开通所述第五开关元件、所述第八开关元件和所述第九开关元件；或者并且开通所述第六开关元件、所述第七开关元
件和所述第十开关元件，其他的所述开关元件全部关断，所述输出端输出的电压为3Vdc或‑
3Vdc；

[0034] 若开通所述第二开关元件和所述第三开关元件，并且开通所述第六开关元件、所述第八开关元件和所述第九开关元件；或者并且开通所述第五开关元件、所述第七开关元
件和所述第十开关元件，其他的所述开关元件全部关断，所述输出端输出的电压为4Vdc或‑
4Vdc。

[0035] 优选地，所述低压直流电源输出的电压为Vdc，若开通所述第一开关元件和所述第三开关元件，并且开通所述第六开关元件、所述第八开关元件和所述第九开关元件；或者并
且开通所述第五开关元件、所述第七开关元件和所述第十开关元件，其他的所述开关元件
全部关断，所述输出端输出的电压为5Vdc或‑5Vdc；

[0036] 若开通所述第二开关元件和所述第四开关元件，并且开通所述第六开关元件、所述第八开关元件和所述第九开关元件；或者并且开通所述第五开关元件、所述第七开关元
件和所述第十开关元件，其他的所述开关元件全部关断，所述输出端输出的电压为5Vdc或‑
5Vdc。

[0037] 优选地，所述低压直流电源输出的电压为Vdc，若开通所述第一开关元件和所述第四开关元件，并且开通所述第六开关元件、所述第八开关元件和所述第九开关元件；或者并
且开通所述第五开关元件、所述第七开关元件和所述第十开关元件，其他的所述开关元件
全部关断，所述输出端输出的电压为6Vdc或‑6Vdc。

[0038] 优选地，两个所述开关元件形成一对互补导通的所述半桥单元。

[0039] 优选地，五个所述半桥单元中的开关元件均选用N沟道MOSFET或P沟道MOSFET或IGBT器件，其中：

[0040] 当各所述开关元件均选用N沟道MOSFET时，所述N沟道MOSFET的源极作为各所述开关元件的第一端，所述N沟道MOSFET的漏极作为各所述开关元件的第二端，所述N沟道
MOSFET的栅极作为各所述开关元件的控制端；

[0041] 当各所述开关元件均选用P沟道MOSFET时，所述P沟道MOSFET的漏极作为各所述开关元件的第一端，所述P沟道MOSFET的源极作为各所述开关元件的第二端，所述P沟道
MOSFET的栅极作为各所述开关元件的控制端；

[0042] 当各所述开关元件均选用IGBT器件时，所述IGBT器件的发射极作为各所述开关元件的第一端，所述IGBT器件的集电极作为各所述开关元件的第二端，所述IGBT器件的基极
作为各所述开关元件的控制端。

[0043] 优选地，各所述开关元件的控制端均与控制器连接，所述控制器用于控制各所述开关元件的导通或关断，以实现多电平交流电的输出。

[0044] 从以上技术方案可以看出，本发明实施例具有以下优点：该高压输出的多电平逆变电路将一个低压直流电源输出的电压通过五个半桥单元上开关元件的导通或截止转换
成多电平交流电的电压的高压交流电从输出端输出，使得采用一个电源输入实现了多电平
交流电的输出，并且该高压输出的多电平逆变电路的电路结构简单，解决了现有多电平逆
变电路的需要多个输入直流电源且不会自动升压的技术问题。

附图说明

[0045] 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性的前提下，还可
以根据这些附图获得其它的附图。

[0046] 图1为本发明实施例所述的高压输出的多电平逆变电路的框架示意图。

[0047] 图2为本发明实施例所述的高压输出的多电平逆变电路的电路图。

[0048] 图3为本发明实施例所述的高压输出的多电平逆变电路输出端输出电压为0的电路图。

[0049] 图4为本发明实施例所述的高压输出的多电平逆变电路输出端输出电压为输入电压的电路图。

[0050] 图5为本发明实施例所述的高压输出的多电平逆变电路输出端输出电压为负输入电压的电路图。

[0051] 图6为本发明实施例所述的高压输出的多电平逆变电路输出端输出电压为两倍输入电压的电路图。

[0052] 图7为本发明实施例所述的高压输出的多电平逆变电路输出端输出电压为负两倍输入电压的电路图。

[0053] 图8为本发明实施例所述的高压输出的多电平逆变电路输出端输出电压为三倍输入电压的电路图。

[0054] 图9为本发明实施例所述的高压输出的多电平逆变电路输出端输出电压为负三倍输入电压的电路图。

[0055] 图10为本发明实施例所述的高压输出的多电平逆变电路输出端输出电压为四倍输入电压的电路图。

[0056] 图11为本发明实施例所述的高压输出的多电平逆变电路输出端输出电压为负四倍输入电压的电路图。

[0057] 图12为本发明实施例所述的高压输出的多电平逆变电路输出端输出电压为五倍输入电压的电路图。

[0058] 图13为本发明实施例所述的高压输出的多电平逆变电路输出端输出电压为负五倍输入电压的电路图。

[0059] 图14为本发明实施例所述的高压输出的多电平逆变电路输出端输出电压为六倍输入电压的电路图。

[0060] 图15为本发明实施例所述的高压输出的多电平逆变电路输出端输出电压为负六倍输入电压的电路图。

[0061] 图16为本发明实施例所述的高压输出的多电平逆变电路的开关逻辑表。

具体实施方式

[0062] 为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，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，下面所描述
的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域
普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护
的范围。

[0063] 本申请实施例提供了一种高压输出的多电平逆变电路，用于解决现有多电平逆变电路的需要多个输入直流电源且不会自动升压的技术问题。

[0064] 如图1所示，图1为本发明实施例所述的高压输出的多电平逆变电路的框架示意图。

[0065] 本发明实施例提供了一种高压输出的多电平逆变电路，包括低压直流电源V、至少五个半桥单元、至少四个电容单元和输出端Uo；半桥单元包括两个串联连接的开关元件，且
两个开关元件连接的节点为第一串联节点；每个电容单元包括电容器和与电容器串联连接
的二极管，且电容器与二极管连接的节点为第二串联节点。其中，五个半桥单元分别为第一
半桥单元11、第二半桥单元12、第三半桥单元13、第四半桥单元14和第五半桥单元15；四个
电容单元分别为第一电容单元21、第二电容单元22、第三电容单元23和第四电容单元24。

[0066] 第一半桥单元11的第一串联节点与第一电容单元21连接，第一电容单元21还与低压直流电源V的负极连接；第二半桥单元12的第一串联节点与第二电容单元22连接，第二电
容单元22还与低压直流电源V的正极连接；第三半桥单元13的第一串联节点分别与第三电
容单元23和第四电容单元24连接，第三电容单元23还与第一电容单元21连接，第四电容单
元24还与第二电容单元22连接；输出端Uo的第一端与第四半桥单元24的第一串联节点连
接，输出端Uo的第二端与第五半桥单元15的第一串联节点连接；第四半桥单元14的第一端
与第四电容单元24的第二串联节点连接，第四半桥单元14的第二端与第三电容单元23的第
二串联节点连接。

[0067] 需要说明的是，电容器可以优选选用电解电容器。开关元件可以为IGBT器件，也可以为MOSFET元件。其中，输出端Uo用于与负载连接。低压直流电源V输出的电压为Vdc。具体
地，五个半桥单元中的开关元件均可以选用N沟道MOSFET，也可以选用P沟道MOSFET，也可以
选用IGBT器件，当开关元件均选用N沟道MOSFET时，N沟道MOSFET的源极作为开关元件的第
一端，N沟道MOSFET的漏极作为开关元件的第二端，N沟道MOSFET的栅极作为开关元件的控
制端；当开关元件均选用P沟道MOSFET时，P沟道MOSFET的漏极作为开关元件的第一端，P沟
道MOSFET的源极作为开关元件的第二端，P沟道MOSFET的栅极作为开关元件的控制端；当开
关元件均选用IGBT器件时，IGBT器件的发射极作为开关元件的第一端，IGBT器件的集电极
作为开关元件的第二端，IGBT器件的基极作为开关元件的控制端。各开关元件的控制端均
与控制器连接，控制器用于控制各开关元件的导通或关断，以实现多电平交流电的输出。

[0068] 本发明实施例中的高压输出的多电平逆变电路将一个低压直流电源输出的电压通过五个半桥单元上开关元件的导通或截止转换成多电平交流电的电压的高压交流电从
输出端输出，使得采用一个电源输入实现了多电平交流电的输出，并且该高压输出的多电
平逆变电路的电路结构简单，解决了现有多电平逆变电路的需要多个输入直流电源且不会
自动升压的技术问题。

[0069] 需要说明的是，多电平交流电的电压是指输出电压不但极性可以在正负之间变化，而且输出电压可以按阶梯的形式逐个电平递增然后递减，使得输出电压波形逼近正弦
波形。

[0070] 如图2所示，图2为本发明实施例所述的高压输出的多电平逆变电路的电路图。

[0071] 本发明实施例提供的高压输出的多电平逆变电路中，第一半桥单元11包括第一开关元件S1和第二开关元件S2；第二半桥单元12包括第三开关元件S3和第四开关元件S4；第
三半桥单元13包括第五开关元件S5和第六开关元件S6；第四半桥单元14包括第七开关元件
S7和第八开关元件S8；第五半桥单元15包括第九开关元件S9和第十开关元件S10。第一电容
单元21包括第一电容器C1和第一二极管D1；第二电容单元22包括第二电容器C2和第二二极
管D2；第三电容单元23包括第三电容器C3和第三二极管D3；第四电容单元24包括第四电容
器C4和第四二极管D4。

[0072] 第一开关元件S1的第一端、第三开关元件S3的第一端和第一二极管D1的阴极分别与低压直流电源V的负极连接；第二开关元件S2的第二端、第四开关元件S4的第二端和第二
二极管D2的阳极分别与低压直流电源V的正极连接；第一开关元件S1的第二端和第二开关
元件S2的第一端分别与第一电容器C1的第二端连接；第三开关元件S3的第二端和第四开关
元件S4的第一端分别与第二电容器C2的第一端连接；第一电容器C1的第一端、第一二极管
D1的阳极、第五开关元件S5的第一端和第三二极管D3的阴极分别与第九开关元件S9的第一
端连接；第二电容器C2的第二端、第二二极管D2的阴极、第六开关元件S6的第二端和第四二
极管D4的阳极分别与第十开关元件D10的第二端连接；第五开关元件S5的第二端和第六开
关元件S6的第一端分别与第三电容器C3的第二端和第四电容器C4的第一端连接；第三电容
器C3的第二端和第三二极管D3的阳极分别与第七开关元件S7的第一端连接；第四电容器C4
的第二端和第四二极管D4的阴极分别与第八开关元件S8的第二端连接；第七开关元件S7的
第二端与第八开关元件S8的第一端分别与输出端Uo的第一端连接，第九开关元件S9的第二
端与第十开关元件S10的第一端分别与输出端Uo的第二端连接。

[0073] 需要说明的是，第一开关元元件S1与第二开关元件S2构成一对互补导通的半桥单元，第三开关元件S3与第四开关元件S4构成一对互补导通的半桥单元，第五开关元件S5与
第六开关元件S6构成一对互补导通的半桥单元，第七开关元件S7与第八开关元件S8构成一
对互补导通的半桥单元，第八开开关元件S9与第十开关元件S10构成一对互补导通的半桥
单元。第一电容器C1与第二电容器C2的电容值一样且它们的额定电压都等于低压直流电源
的电压值Vdc，第三电容器C3与第四电容器C4的电容值一样且它们的额定电压都等于低压直
流电源电压值Vdc的三倍，即是第三电容器C3与第四电容器C4的额定电压值为3Vdc。该高压
输出的多电平逆变电路通过第一半桥单元11、第二半桥单元12、第三半桥单元13、第四半桥
单元14和第五半桥单元15上均导通任意一个开关元件，使得输出端Uo输出交流电压，该高
压输出的多电平逆变电路在工作过程中输出多电平交流电时，整个电路是在各种不同状态
间有序切换的第一半桥单元11、第二半桥单元12、第三半桥单元13、第四半桥单元14和第五
半桥单元15上均导通任意一个开关元件，实现一个低压直流电源的电压Vdc转换成含有0、±
Vdc、±2Vdc、±3Vdc、±4Vdc、±5Vdc和±6Vdc共13中不同电平的高压交流电在输出端端Uo输
出。

[0074] 如图3所示，图3为本发明实施例所述的高压输出的多电平逆变电路输出端输出电压为0的电路图。

[0075] 本发明实施例的一个实施例中，开通第一开关元件S1、第四开关元件S4、第五开关元件S5、第八开关元件S8和第十开关元件S10，其他的开关元件全部关断，第一电容器C1和
第二电容器C2分别与低压直流电源V串联，低压直流电源V通过第四二极管D2给第四电容器
C4充电，输出端Uo输出的电压为0。开通第一开关元件S1、第四开关元件S4、第六开关元件
S6、第七开关元件S7和第九开关元件S9，其他的开关元件全部关断，第一电容器C1和第二电
容器C2分别与低压直流电源V串联，低压直流电源V通过第三二极管D3给第三电容器C3充
电，输出端Uo输出的电压为0。

[0076] 需要说明的是，开通第一开关元件S1、第四开关元件S4、第五开关元件S5、第八开关元件S8和第十开关元件S10，其他的开关元件全部关断，第一电容器C1和第二电容器C2分
别与低压直流电源V串联，低压直流电源V通过第四二极管D4给第四电容器C4充电，同时，由
于第四二极管D4、第八开关元件S8和和第十开关元件S10导通，输出端Uo输出的电压为0。开
通第一开关元件S1、第四开关元件S4、第六开关元件S6、第七开关元件S7和第九开关元件
S9，其他的开关元件全部关断，第一电容器C1和第二电容器C2分别与低压直流电源V串联，
低压直流电源V通过第三二极管D3给第三电容器C3充电，同时，由于第三二极管D3、第七开
关元件S7和和第九开关元件S9导通，输出端Uo输出的电压为0。

[0077] 如图4和图5所示，图4为本发明实施例所述的高压输出的多电平逆变电路输出端输出电压为输入电压的电路图，图5为本发明实施例所述的高压输出的多电平逆变电路输
出端输出电压为负输入电压的电路图。

[0078] 本发明实施例的一个实施例中，低压直流电源V输出的电压为Vdc，若开通第一开关元件S1和第三开关元件S3，并且开通第五开关元件S5、第八开关元件S8和第十开关元件
S10；或者并且开通第六开关元件S6、第七开关元件S7和第九开关元件S9，其他的开关元件
全部关断，输出端Uo输出的电压为Vdc或‑Vdc；

[0079] 若开通第二开关元件S2和第四开关元件S4，并且开通第五开关元件S5、第八开关元件S8和第十开关元件S10；或者并且开通者第六开关元件S6、第七开关元件S7和第九开关
元件S9，其他的开关元件全部关断，输出端Uo输出的电压为Vdc或‑Vdc。

[0080] 需要说明的是，低压直流电源V输出的电压为Vdc，如图4所示，若开通第一开关元件S1、第三开关元件S3、第五开关元件S5、第八开关元件S8和第十开关元件S10，其他的开关元
件全部关断，低压直流电源V通过第二二极管D2给第二电容器C2充电，第一电容器C1和第二
电容器C2通过第一开关元件S1和第三开关元件S3串联后再通过第五开关元件S5与第四电
容器C4反向串联连接，并通过第八开关元件S8和第十开关元件S10从输出端Uo输出的电压/
电平为+Vdc；若开通第二开关元件S2、第四开关元件S4、第五开关元件S5、第八开关元件S8和
第十开关元件S10，其他的开关元件全部关断，低压直流电源V通过第一二极管D1给第一电
容器C1充电，第一电容器C1和第二电容器C2通过第二开关元件S2和第四开关元件S4串联后
再通过第五开关元件S5与第四电容器C4反向串联连接，并通过第八开关元件S8和第十开关
元件S10从输出端Uo输出的电压/电平为+Vdc。如图5所示，若开通第一开关元件S1、第三开关
元件S3、第六开关元件S6、第七开关元件S7和第九开关元件S9，其他的开关元件全部关断，
低压直流电源V通过第二二极管D2给第二电容器C2充电，第一电容器C1和第二电容器C2通
过第一开关元件S1和第三开关元件S3串联后再通过第六开关元件S6与第三电容器C3反向
串联连接，并通过第七开关元件S7和第九开关元件S9从输出端Uo输出的电压/电平为‑Vdc；
若开通第二开关元件S2、第四开关元件S4、第六开关元件S6、第七开关元件S7和第九开关元
件S9，其他的开关元件全部关断，低压直流电源V通过第一二极管D1给第一电容器C1充电，
第一电容器C1和第二电容器C2通过第二开关元件S2和第四开关元件S4串联后再通过第六
开关元件S6与第三电容器C3反向串联连接，并通过第七开关元件S7和第九开关元件S9从输
出端Uo输出的电压/电平为‑Vdc。

[0081] 如图6和图7所示，图6为本发明实施例所述的高压输出的多电平逆变电路输出端输出电压为两倍输入电压的电路图，图7为本发明实施例所述的高压输出的多电平逆变电
路输出端输出电压为负两倍输入电压的电路图。

[0082] 本发明实施例的一个实施例中，低压直流电源V输出的电压为Vdc，若开通第二开关元件S2和第三开关元件S3，并且开通第五开关元件S5、第八开关元件S8和第十开关元件
S10；或者并且开通第六开关元件S6、第七开关元件S7和第九开关元件S9，其他的开关元件
全部关断，输出端Uo输出的电压/电平为2Vdc或‑2Vdc。

[0083] 需要说明的是，低压直流电源V输出的电压为Vdc，如图6所示，若开通第二开关元件S2、第三开关元件S3、第五开关元件S5、第八开关元件S8和第十开关元件S10，其他的开关元
件全部关断，低压直流电源V通过第一二极管D1和第二二极管D2分别给第一电容器C1和第
二电容器C2充电，同时通过第五开关元件S5与第四电容器C4反向串联连接，还通过第八开
关元件S8和第十开关元件S10从输出端Uo输出的电压/电平为2Vdc。如图7所示，若开通第二
开关元件S2、第三开关元件S3、第六开关元件S6、第七开关元件S7和第九开关元件S9，其他
的开关元件全部关断，低压直流电源V通过第一二极管D1和第二二极管D2分别给第一电容
器C1和第二电容器C2充电，同时通过第六开关元件S5与第三电容器C3反向串联连接，还通
过第七开关元件S7和第九开关元件S9从输出端Uo输出的电压/电平为‑2Vdc。

[0084] 如图8和图9所示，图8为本发明实施例所述的高压输出的多电平逆变电路输出端输出电压为三倍输入电压的电路图，图9为本发明实施例所述的高压输出的多电平逆变电
路输出端输出电压为负三倍输入电压的电路图。

[0085] 本发明实施例的一个实施例中，若开通第一开关元件S1和第四开关元件S4，并且开通第五开关元件S5、第八开关元件S8和第九开关元件S9；或者并且开通第六开关元件S6、
第七开关元件S7和第十开关元件S10，其他的开关元件全部关断，输出端Uo输出的电压/电
平为3Vdc或‑3Vdc。

[0086] 需要说明的是，低压直流电源V输出的电压为Vdc，如图8所示，若开通第一开关元件S1、第四开关元件S4、第五开关元件S5、第八开关元件S8和第九开关元件S9，其他的开关元
件全部关断，第一电容器C1和第二电容器C2分别与低压直流电源V串联后通过第四二极管
D4给第四电容器C4充电，同时第四电容器C4通过第五开关元件S5、第八开关元件S8和第九
开关元件S9从输出端Uo输出的电压/电平为3Vdc。如图9所示，若开通第一开关元件S1、第四
开关元件S4、第六开关元件S6、第七开关元件S7和第十开关元件S10，其他的开关元件全部
关断，第一电容器C1和第二电容器C2分别与低压直流电源V串联后通过第三二极管D3给第
三电容器C3充电，同时第三电容器C3通过第六开关元件S6、第七开关元件S7和第十开关元
件S10从输出端Uo输出的电压/电平为‑3Vdc。

[0087] 如图10和图11所示，图10为本发明实施例所述的高压输出的多电平逆变电路输出端输出电压为四倍输入电压的电路图，图11为本发明实施例所述的高压输出的多电平逆变
电路输出端输出电压为负四倍输入电压的电路图。

[0088] 本发明实施例的一个实施例中，若开通第二开关元件S2和第三开关元件S3，并且开通第六开关元件S6、第八开关元件S8和第九开关元件S9；或者并且开通第五开关元件S5、
第七开关元件S7和第十开关元件S10，其他的开关元件全部关断，输出端V输出的电压/电平
为4Vdc或‑4Vdc。

[0089] 需要说明的是，低压直流电源V输出的电压为Vdc，如图10所示，若开通第二开关元件S2、第三开关元件S3、第六开关元件S6、第八开关元件S8和第九开关元件S9，其他的开关
元件全部关断，低压直流电源V通过第一二极管D1和第二二极管D2分别给第一电容器C1和
第二电容器C2充电，同时还通过第六开关元件S6与第四电容器C4串联后通过第八开关元件
S8和第九开关元件S9从输出端Uo输出的电压/电平为4Vdc。如图11所示，若开通第二开关元
件S2、第三开关元件S3、第五开关元件S5、第七开关元件S7和第十开关元件S10，其他的开关
元件全部关断，低压直流电源V通过第一二极管D1和第二二极管D2分别给第一电容器C1和
第二电容器C2充电，同时通过第五开关元件S5与第三电容器C3串联后通过第七开关元件S7
和第十开关元件S10从输出端Uo输出的电压/电平为‑4Vdc。

[0090] 如图12和图13所示，图12为本发明实施例所述的高压输出的多电平逆变电路输出端输出电压为五倍输入电压的电路图，图13为本发明实施例所述的高压输出的多电平逆变
电路输出端输出电压为负五倍输入电压的电路图。

[0091] 本发明实施例的一个实施例中，低压直流电源输出的电压为Vdc，若开通第一开关元件S1和第三开关元件S3，并且开通第六开关元件S6、第八开关元件S8和第九开关元件S9；
或者并且开通第五开关元件S5、第七开关元件S7和第十开关元件S10，其他的开关元件全部
关断，输出端Uo输出的电压为5Vdc或‑5Vdc；若开通第二开关元件S2和第四开关元件S4，并且
开通第六开关元件S6、第八开关元件S8和所述第九开关元件S9；或者并且开通第五开关元
件S5、第七开关元件S7和第十开关元件S10，其他的开关元件全部关断，输出端Uo输出的电
压为5Vdc或‑5Vdc。

[0092] 需要说明的是，如图12所示，若开通第一开关元件S1、第三开关元件S3、第六开关元件S6、第八开关元件S8和第九开关元件S9，其他的开关元件全部关断，低压直流电源V通
过第二二极管D2给第二电容器C2充电，第一电容器C1和第二电容器C2通过第一开关元件S1
和第三开关元件S3串联后再通过第六开关元件S6与第四电容器C4串联连接后并通过第八
开关元件S8和第九开关元件S9从输出端Uo输出的电压为5Vdc；若开通第二开关元件S2、第四
开关元件S4、第六开关元件S6、第八开关元件S8和第九开关元件S9，其他的开关元件全部关
断，低压直流电源V通过第一二极管D1给第一电容器C1充电，第一电容器C1和第二电容器C2
通过第二开关元件S2和第四开关元件S4串联后再通过第六开关元件S6与第四电容器C4串
联连接后并通过第八开关元件S8和第九开关元件S9从输出端Uo输出的电压为5Vdc。如图13
所示，若开通第一开关元件S1、第三开关元件S3、第五开关元件S5、第七开关元件S7和第十
开关元件S10，其他的开关元件全部关断，低压直流电源V通过第二二极管D2给第二电容器
C2充电，第一电容器C1和第二电容器C2通过第一开关元件S1和第三开关元件S3串联后再通
过第五开关元件S5与第三电容器C3串联连接后并通过第七开关元件S7和第十开关元件S10
从输出端Uo输出的电压为‑5Vdc；若开通第二开关元件S2、第四开关元件S4、第五开关元件
S5、第七开关元件S7和第十开关元件S10，其他的开关元件全部关断，低压直流电源V通过第
一二极管D1给第一电容器C1充电，第一电容器C1和第二电容器C2通过第二开关元件S2和第
四开关元件S4串联后再通过第五开关元件S5与第三电容器C3串联连接后并通过第七开关
元件S7和第十开关元件S10从输出端Uo输出的电压为‑5Vdc。

[0093] 如图14和图15所示，图14为本发明实施例所述的高压输出的多电平逆变电路输出端输出电压为六倍输入电压的电路图，图15为本发明实施例所述的高压输出的多电平逆变
电路输出端输出电压为负六倍输入电压的电路图。

[0094] 本发明实施例的一个实施例中，低压直流电源输出的电压为Vdc，若开通第一开关元件S1和第四开关元件S4，并且开通第六开关元件S6、第八开关元件S8和第九开关元件S9；
或者并且开通第五开关元件S5、第七开关元件S7和第十开关元件S10，其他的开关元件全部
关断，输出端Uo输出的电压为6Vdc或‑6Vdc。

[0095] 需要说明的是，如图14所示，若开通第一开关元件S1、第四开关元件S4、第六开关元件S6、第八开关元件S8和第九开关元件S9，其他的开关元件全部关断，第一电容器C1和第
二电容器C2分别与低压直流电源V串联后通过第三二极管D3给第三电容器C3充电，并第三
电容器C3与第四电容器C4串联后通过第八开关元件S8和第九开关元件S9从输出端Uo输出
的电压为6Vdc。如图15所示，若开通第一开关元件S1、第四开关元件S4、第五开关元件S5、第
七开关元件S7和第十开关元件S10，其他的开关元件全部关断，第一电容器C1和第二电容器
C2分别与低压直流电源V串联后通过第四二极管D4给第四电容器C4充电，并第三电容器C3
与第四电容器C4串联后通过第七开关元件S7和第十开关元件S10从输出端Uo输出的电压
为‑6Vdc。

[0096] 该高压输出的多电平逆变电路通过控制第一至第十开关元件的合理导通和关断，可将一个低压直流电源V的电压Vdc转换成含有0、±Vdc、±2Vdc、±3Vdc、±4Vdc、±5Vdcc和±
6Vdc共13中不同电平的高压交流电输出。如表1所示，

[0097] 表1为高压输出的多电平逆变电路的开关逻辑表

[0098]

[0099] 参考表1，该高压输出的多电平逆变电路的输出电压可以从‑6Vdc、‑5Vdc逐级增加到+6Vdc，然后再逐级减小到‑6Vdc，再往返增减实现多电平交流电的输出，因此，低压直流电
源的输出电压为Vdc，通过该高压输出的多电平逆变电路输出交流电的幅值为6Vdc，实现了
多电平交流电的输出。

[0100] 所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统，装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

[0101] 在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统，装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的
划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件
可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或
讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦
合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

[0102] 所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个
网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目
的。

[0103] 另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单
元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

[0104] 所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上
或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式
体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机
设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全
部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read‑Only 
Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程
序代码的介质。

[0105] 以上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前
述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些
修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。