一种提高直流电压利用率的多电平逆变器及电能变换设备

摘要

本公开提出了一种提高直流电压利用率的多电平逆变器及电能变换设备，本公开将半桥电路单元L1、三电平二极管钳位型逆变器单元L2和H桥电路单元L3混合连接，使得直流电压的利用率超过1，提高了直流电压利用率，实现了采用较少的开关器件，提高了系统的功率密度和波形质量。进一步的，通过复用H桥电路单元进行更多电平的拓展，根据通过设置多个级联的H桥电路单元组，通过增加H桥电路模块的数量，提高了端口输出电平的数量，采用本公开的多电平逆变器的电能变换设备，输出的电平数可以灵活调整，同时输出波形质量更高，设备的制造成本更低。

权利要求

1.一种提高直流电压利用率的多电平逆变器，其特征是：包括直流电源、半桥电路单元、三电平二极管中点钳位型逆变器电路单元和级联单元；半桥电路单元和三电平二极管中点钳位型逆变器电路单元并联在直流电源的两端，三电平二极管中点钳位型逆变器电路单元的输出端连接级联单元的输入端，级联单元的输出端为逆变器输出端；

级联单元的开关管和二极管采用SiC功率器件，半桥电路单元和三电平二极管中点钳位型逆变器电路单元的开关管和二极管采用Si功率器件；

级联单元组L3’中，每一个级联单元与相邻的级联单元共用同一个桥臂，最后一个级联单元cell N的输出端为多电平逆变器的输出端；其中，cell 1和cell 2上面的开关管是背向串联的，cell 2，cell 3，cell 4… cell N‑1上面的开关管是同向串联的：即cell 1里面的开关管S5的集电极和cell 2里面的开关管S7的集电极连接，而cell 2里面的开关管S7的发射极和cell 3里面的开关管S1'的集电极连接，cell 3里面的开关管S1'的发射极和cell 

4里面的开关管S2'的集电极连接，以此类推，最终cell N‑1里面的开关管S2N‑6'的发射极和cell N里面的开关管S2N‑5'的集电极连接，通过控制多电平逆变器不同的开关状态，可以输出M＝6N‑1个电压电平数，需要的开关管的数量为(M+19)/3，需要的飞跨电容的数量为(M‑5)/9；

三电平二极管中点钳位型逆变器电路单元包括依次连接的电容器分压电路、二极管钳位电路和开关管电路，所述电容器分压电路并联在直流电源两端，开关管电路的输出端连接级联单元的输入端；

所述开关管电路包括依次串联连接的第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管，二极管钳位电路包括两个串联连接的第十一二极管和第十二二极管，第十一二极管的阳极连接第十二二极管的阴极，两个二极管连接的连接点连接电容器分压电路的中性点，第十一二极管的阴极连接第一开关管和第二开关管连接点，第十二二极管的阳极连接第三开关管和第四开关管连接点，第二开关管和第三开关管之间的连接点为开关管电路的输出端；

电容器分压电路包括串联的第一电容器和第二电容器，所述第一电容器和第二电容器的电容值相等，第一电容器和第二电容器串联后并联在直流电源两端，第一电容器和第二电容器的连接点为中性点；

级联单元包括两个桥臂和一个飞跨电容器，飞跨电容器Cf并联在两个桥臂两端，每个桥臂包括串联连接的两个二极管，两个桥臂方向并联，两个桥臂包括前桥臂和后桥臂，前桥臂的两个二极管的连接点为级联单元的输入端，后桥臂的两个二极管的连接点为级联单元的输出端；

半桥电路单元包括两个依次串联连接的第九开关管和第十开关管，第九开关管的集电极或源极连接直流电源的正极，第十开关管的发射极或漏极连接直流电源的负极；

三电平二极管中点钳位型逆变器电路单元中，第一开关管和第三开关管的控制信号互补，第二开关管和第四开关管的控制信号互补；

半桥电路单元的两个开关管的控制信号互补，级联单元中，S5和S6互补，S7和S8互补，S’1和S’2互补，以此类推，S’2N‑5和S’2N‑4互补。

说明书

一种提高直流电压利用率的多电平逆变器及电能变换设备

技术领域

[0001] 本公开涉及相关技术领域，具体的说，是涉及一种高直流电压利用率的多电平逆变器及电能变换设备。

背景技术

[0002] 本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，并不必然构成在先技术。

[0003] 近十年来，多电平逆变器在新能源发电、工业和学术领域得到了广泛的关注，特别是在中高压和大功率应用领域，如1500V光伏发电和工业电机驱动领域。多电平逆变器不仅
可以增加输出电压电平数量和优化总谐波含量，而且与二电平逆变器相比，电压电平数量
的增加可以减小滤波器的尺寸，并降低电磁干扰，还可以使开关器件在中高压工况下具有
较低的电压应力，从而降低开关损耗，提高效率。

[0004] 发明人发现，随着电压等级的增加，运行效率、经济成本和可靠性等成为制约传统逆变器发展的重要因素，而且直流电压利用率一直得不到实质的提升，限制了其能量转换
率。例如，二极管中点钳位型逆变器需要大量的二极管，飞跨电容型逆变器需要大量的电容
器，并且存在电容电压平衡控制困难的问题，这些均增加了硬件成本，降低了系统的可靠
性，且直流电压利用率较低。虽然级联H桥多电平逆变器比较容易实现更高的电压等级和电
平数量，但是随着电压等级的提升，级联的单元数目会大量增加，开关器件和电压源的数量
随之增加。

[0005] 为了解决这些问题，各种优化型的多电平逆变器拓扑结构得到了大力发展，在传统的多电平逆变器拓扑的基础上进行大量的改进，或者混合多种逆变器拓扑形成新的拓
扑，从而研究出结构简单、功率密度高、逆变效率高以及直流电压利用率高的多电平逆变
器。因此，设计一种能减少开关器件数量的具有高直流电压利用率的N电平逆变器极具现实
意义。

发明内容

[0006] 本公开为了解决上述问题，提出了一种高直流电压利用率的多电平逆变器及电能变换设备，可扩展输出电平数的高性能单相N电平逆变器，提高逆变器的直流电压利用率，
且在输出相同电平数的情况下使用更少的开关器件数量，大大降低设备的制造成本。

[0007] 为了实现上述目的，本公开采用如下技术方案：

[0008] 本公开的第一方面提供一种提高直流电压利用率的多电平逆变器，可以实现十一个电平的输出，包括直流电源、半桥电路单元、三电平二极管中点钳位型逆变器电路单元和
级联单元；半桥电路单元和三电平二极管中点钳位型逆变器电路单元并联在直流电源的两
端，三电平二极管中点钳位型逆变器电路单元的输出端连接级联单元的输入端，级联单元
的输出端为逆变器输出端。

[0009] 本公开的第二方面一种提高直流电压利用率的多电平逆变器，可以实现超过十一个电平的输出，包括直流电源、半桥电路单元、三电平二极管中点钳位型逆变器电路单元和
多个级联的级联单元组；多个级联的级联单元组中，每一个级联单元与相邻的H桥

[0010] 电路单元共用同一个桥臂，最后一个级联单元的输出端为多电平逆变器的输出端；

[0011] 半桥电路单元和三电平二极管中点钳位型逆变器电路单元并联在直流电源的两端，三电平二极管中点钳位型逆变器电路单元的输出端连接级联单元组的输入端。

[0012] 本公开的第一方面提供一种电能变换设备，所述电能变换设备内部电路可以采用本公开第一方面所述的一种提高直流电压利用率的多电平逆变器的电路结构，或者所述电
能变换设备内部电路采用本公开第二方面所述的一种提高直流电压利用率的多电平逆变
器的电路结构；所述电能变换设备为储能变流器、光伏逆变器或者无功补偿装置。

[0013] 与现有技术相比，本公开的有益效果为：

[0014] (1)本公开将半桥电路单元L1、三电平二极管钳位型逆变器单元L2和级联单元L3混合连接，使得直流电压的利用率超过1，提高了直流电压利用率，采用较少的开关器件，实
现了多电平的输出，同时提高了系统的功率密度和波形质量。

[0015] (2)本公开复用级联单元进行更多电平数的拓展，根据通过设置多个级联的级联单元组，实现更多电平数输出。对逆变器的后端电路结构进行拓展，其中半桥电路单元L1和
三电平二极管中点钳位型逆变器电路单元L2部分不变，拓展的只是级联单元，通过增加H桥
电路模块，从而增加了更多的飞跨电容器，进而提高了端口输出电平的数量，通过控制多电
平逆变器不同的开关状态，可以输出6N‑1个电压电平数，N为级联的级联单元数量。

[0016] (3)采用本公开的逆变器的电能处理设备，输出的电平数可以调整，输出波形质量更高，设备的制造成本更低。

附图说明

[0017] 构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的限定。

[0018] 图1是本公开实施例1的多电平逆变器的电路拓扑图；

[0019] 图2是本公开实施例1的多电平逆变器的第一种开关状态的电路图；

[0020] 图3是本公开实施例1的多电平逆变器的第二种开关状态的电路图；

[0021] 图4是本公开实施例1的多电平逆变器的第三种开关状态的电路图；

[0022] 图5是本公开实施例1的多电平逆变器的第四种开关状态的电路图；

[0023] 图6是本公开实施例1的多电平逆变器的第五种开关状态的电路图；

[0024] 图7是本公开实施例1的多电平逆变器的第六种开关状态的电路图；

[0025] 图8是本公开实施例1的多电平逆变器的第七种开关状态的电路图；

[0026] 图9是本公开实施例1的多电平逆变器的第八种开关状态的电路图；

[0027] 图10是本公开实施例1的多电平逆变器的第九种开关状态的电路图；

[0028] 图11是本公开实施例1的多电平逆变器的第十种开关状态的电路图；

[0029] 图12是本公开实施例1的多电平逆变器的第十一种开关状态的电路图；

[0030] 图13是本公开实施例1的多电平逆变器的第十二种开关状态的电路图；

[0031] 图14是本公开实施例1的多电平逆变器的第十三种开关状态的电路图；

[0032] 图15是本公开实施例1的多电平逆变器的第十四种开关状态的电路图；

[0033] 图16是本公开实施例1的多电平逆变器的第十五种开关状态的电路图；

[0034] 图17是本公开实施例1的多电平逆变器的第十六种开关状态的电路图；

[0035] 图18是本公开实施例2的多电平逆变器的电路拓扑图。具体实施方式：

[0036] 下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。

[0037] 应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常
理解的相同含义。

[0038] 需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式
也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包
括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。需要说明的是，在不冲突
的情况下，本公开中的各个实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将结合附图对实
施例进行详细描述。

[0039] 本实施例提供的多电平逆变器的最低电平数为十一电平逆变器，故以下逆变器的具体实施方式以十一电平逆变器为实施例进行说明，电平数大于十一的N电平逆变器的工
作原理类似。

[0040] 实施例1

[0041] 在一个或多个实施方式中公开的技术方案中，如图1所示，一种提高直流电压利用率的多电平逆变器，输出的电平数不大于十一个，包括直流电源、半桥电路单元L1、三电平
二极管中点钳位型逆变器电路单元L2和级联单元L3；半桥电路单元L1和三电平二极管中点
钳位型逆变器电路单元L2并联在直流电源的两端，三电平二极管中点钳位型逆变器电路单
元L2的输出端连接级联单元L3的输入端，级联单元L3的输出端为逆变器输出端。

[0042] 本实施例将半桥电路单元L1、三电平二极管钳位型逆变器单元L2和级联单元L3混合连接，使得直流电压的利用率超过1，提高了直流电压利用率，实现了采用较少的开关器
件，提高了系统的功率密度和波形质量。

[0043] 可选的，直流电源可以是任意装置提供的直流源，可以是光伏发电装置，也可以是电池储能装置、开关电源、整流器输出端等直流源。为便于描述设定直流电源的输出电压为
4E。

[0044] 在一些实施例中，三电平二极管中点钳位型逆变器电路单元L2包括依次连接的电容器分压电路、二极管钳位电路和开关管电路，所述电容器分压电路并联在直流电源两端，
开关管电路的输出端为三电平二极管中点钳位型逆变器电路单元L2的输出端。

[0045] 可以理解的，三电平二极管钳位型逆变器电路单元L2在换流过程中，其电路中的每个功率半导体器件所承受的电压均为直流电源的一半，有助于逆变器电压等级和功率等
级的提高，在元器件的选择方面也会留有更大的余地。

[0046] 可选的，所述开关管电路包括依次串联连接的第一开关管S1、第二开关管S2、第三开关管S3和第四开关管S4，二极管钳位电路包括两个串联连接的第十一二极管D11和第十二
二极管D12，第十一二极管D11的阳极连接第十二二极管D12的阴极，两个二极管连接的连接点
连接电容器分压电路的中性点，第十一二极管D11的阴极连接第一开关管S1和第二开关管S2
连接点，第十二二极管D12的阳极连接第三开关管S3和第四开关管S4连接点，第二开关管S2和
第三开关管S3之间的连接点为开关管电路的输出端。

[0047] 如图1所示，第十一二极管D1和第十二二极管D12的阴极连接，其连接点与电容器分压电路的中性点连接。

[0048] 可选的，开关管电路的开关管均为绝缘栅门极晶闸管IGBT，所述绝缘栅门极晶闸管IGBT均反向并联二极管。

[0049] 本实施例中，如图1所示，第一开关管S1反向并联第一二极管D1，第二开关管S2反向并联第二二极管D2，第三开关管S3反向并联第三二极管D3，第四开关管S4反向并联第四二极
管D4。

[0050] 作为一种可以实现的结构，所述电容器分压电路包括串联的第一电容器C1和第二电容器C2，所述第一电容器C1和第二电容器C2的电容值相等，第一电容器C1和第二电容器C2
串联后并联在直流电源两端，第一电容器C1和第二电容器C2的连接点为中性点。

[0051] 本实施例中第一电容器C1和第二电容器C2的电压都是2E，两个电容器的连接点称为中性点，经过此点的电流可以引起上下两个电容器的充放电。

[0052] 作为一种可以实现的结构，在一些实施例中，半桥电路单元L1包括两个依次串联连接的第九开关管S9和第十开关管S10，第九开关管S9的集电极或源极连接直流电源的正
极，第十开关管S10的发射极或漏极连接直流电源的负极。

[0053] 在另一些实施例中，级联单元L3包括两个桥臂和一个飞跨电容器Cf，飞跨电容器Cf并联在两个桥臂两端，每个桥臂包括串联连接的两个二极管，两个桥臂方向并联。

[0054] 可选的，所述两个桥臂分别为前桥臂和后桥臂，前桥臂和后桥臂反向并联，前桥臂包括串联连接的第五开关管S5和第六开关管S6，第五开关管S5和第六开关管S6的连接点连
接三电平二极管中点钳位型逆变器电路单元L2的输出端，后桥臂包括串联连接的第七开关
管S7和第八开关管S8，第七开关管S7和第八开关管S8的连接点为逆变器的输出端。

[0055] 飞跨电容器Cf作为逆变器多电平输出的重要组成部分，用于一直保持电压的稳定。

[0056] 进一步的，为了降低逆变器系统的开关损耗，提高逆变效率，级联单元L3的开关管和二极管可以采用SiC功率器件，半桥电路单元L1和三电平二极管中点钳位型逆变器电路
单元L2的开关管和二极管可以采用Si功率器件。

[0057] 级联单元采用SiC器件，可以提高输出波形质量，降低了损耗，减小了滤波器的体积。

[0058] 作为进一步地改进，第一开关管S1和第三开关管S3的控制信号互补，第二开关管S2和第四开关管S4的控制信号互补；或/和，第九开关管S9和第十开关管S10的控制信号互补；
或/和，级联单元L3同一个桥臂上的开关管的控制信号互补。两个控制信号互补为当其中一
个控制信号为高电平，另一个控制信号为低电平，二者交替出现高电平。

[0059] 同一个桥臂上的开关管的控制信号互补为：第五开关管S5和第六开关管S6的控制信号互补，第七开关管S7和第八开关管S8的控制信号互补。

[0060] 通过控制信号的任意组合可以使得逆变器输出不同的电平信号，本实施例中，控制上述十个开关管S1‑S10的开关状态，可以令A点输出+5E，+4E，+3E，+2E，+E，0，‑E，‑2E，‑
3E，‑4E，‑5E共十一个电平。

[0061] 本实施的逆变器相对于传统的多电平逆变器，在仅需要10个开关管的前提下，使得最终的端口输出电平数量达到了十一电平，大大的减少了开关管的数量。以下介绍逆变
器的控制方式和十一种开关状态，不同的开关状态如下表1所示，其中用逻辑1代表开关管
开通，逻辑0代表开关管关断，u0代表输出电平等级，io代表输出电流。

[0062] 表1

[0063]

[0064]

[0065] 如表1所示，通过控制开关管S1‑S10的导通和关断来实现不同的输出电压电平等级，输出电压等级在3E、E、‑E和‑3E下均具有冗余的开关状态。而在不同的开关状态下，飞跨
电容的充放电状态也是不一样的。图2到图17为十一电平逆变器的16种开关状态，下面分别
对每一种状态进行说明。

[0066] (1)第一种开关状态

[0067] 如图2所示，第一种开关状态下端口输出电压为+5E，此时第一开关管S1导通，第二开关管S2导通，第三开关管S3关断，第四开关管S4关断，第五开关管S5关断，第六开关管S6导
通，第七开关管S7导通，第八开关管S8关断，开关管S9关断，开关管S10导通。电流的流向如图2
所示，当电流为正时，飞跨电容器Cf放电，当电流为负时，飞跨电容器Cf充电。

[0068] (2)第二种开关状态

[0069] 如图3所示，第二种开关状态下端口输出电压为+4E，此时第一开关管S1导通，第二开关管S2导通，第三开关管S3关断，第四开关管S4关断，第五开关管S5导通，第六开关管S6关
断，第七开关管S7导通，第八开关管S8关断，第九开关管S9关断，第十开关管S10导通。电流的
流向如图3所示，此时电流通路不经过飞跨电容器，因此不会对其充放电。

[0070] (3)第三种开关状态

[0071] 如图4所示，第三种开关状态下端口输出电压为+3E，第一开关管S1导通，第二开关管S2导通，第三开关管S3关断，第四开关管S4关断，第五开关管S5导通，第六开关管S6关断，第
七开关管S7关断，第八开关管S8导通，第九开关管S9关断，第十开关管S10导通。电流的流向如
图4所示，当电流方向为正时，飞跨电容器Cf充电；电流方向为负时，飞跨电容器Cf放电。

[0072] (4)第四种开关状态

[0073] 如图5所示，第四种开关状态下端口输出电压也是+3E，第三种开关状态和第四种开关状态互相冗余，即两种开关状态输出的电平是一样的，但是经过的电流路径是不一样
的。此时第一开关管S1关断，第二开关管S2导通，第三开关管S3导通，第四开关管S4关断，第
五开关管S5关断，第六开关管S6导通，第七开关管S7导通，第八开关管S8关断，第九开关管S9
关断，第十开关管S10导通。电流的流向如图5所示，当电流方向为正时，飞跨电容器Cf放电；
电流方向为负时，飞跨电容器Cf充电。

[0074] (5)第五种开关状态

[0075] 如图6所示，第五种开关状态下端口输出电压是+2E，此时第一开关管S1关断，第二开关管S2导通，第三开关管S3导通，第四开关管S4关断，第五开关管S5导通，第六开关管S6关
断，第七开关管S7导通，第八开关管S8关断，第九开关管S9关断，第十开关管S10导通。电流的
流向如图6所示，此时电流通路不经过飞跨电容器，因此不会对其充放电。

[0076] (6)第六种开关状态

[0077] 如图7所示，第六种开关状态下端口输出电压是+E，此时第一开关管S1关断，第二开关管S2导通，第三开关管S3导通，第四开关管S4关断，第五开关管S5导通，第六开关管S6关
断，第七开关管S7关断，第八开关管S8导通，第九开关管S9关断，第十开关管S10导通。电流的
流向如图7所示，当电流方向为正时，飞跨电容器Cf充电；电流方向为负时，飞跨电容器Cf放
电。

[0078] (7)第七种开关状态

[0079] 如图8所示，第七种开关状态下端口输出电压也是+E，第七种开关状态和第六种开关状态互相冗余，此时第一开关管S1关断，第二开关管S2关断，第三开关管S3导通，第四开关
管S4导通，第五开关管S5关断，第六开关管S6导通，第七开关管S7导通，第八开关管S8关断，第
九开关管S9关断，第十开关管S10导通。电流的流向如图8所示，当电流方向为正时，飞跨电容
器Cf放电；电流方向为负时，飞跨电容器Cf充电。

[0080] (8)第八种开关状态

[0081] 如图9所示，第八种开关状态下端口输出电压是+0，此时第一开关管S1关断，第二开关管S2关断，第三开关管S3导通，第四开关管S4导通，第五开关管S5关断，第六开关管S6导
通，第七开关管S7关断，第八开关管S8导通，第九开关管S9关断，第十开关管S10导通。电流的
流向如图9所示，此时电流路径不经过飞跨电容器，因此不会对其充放电。

[0082] (9)第九种开关状态

[0083] 如图10所示，第九种开关状态下端口输出电压是‑0，此时第一开关管S1导通，第二开关管S2导通，第三开关管S3关断，第四开关管S4关断，第五开关管S5导通，第六开关管S6关
断，第七开关管S7导通，第八开关管S8关断，第九开关管S9导通，第十开关管S10关断。电流的
流向如图10所示，此时电流路径不经过飞跨电容器，因此不会对其充放电。

[0084] (10)第十种开关状态

[0085] 如图11所示，第十种开关状态下端口输出电压是‑E，此时第一开关管S1导通，第二开关管S2导通，第三开关管S3关断，第四开关管S4关断，第五开关管S5导通，第六开关管S6关
断，第七开关管S7关断，第八开关管S8导通，第九开关管S9导通，第十开关管S10关断。电流的
流向如图11所示，当电流方向为正时，飞跨电容器Cf充电；电流方向为负时，飞跨电容器Cf放
电。

[0086] (11)第十一种开关状态

[0087] 如图12所示，第十一种开关状态下端口输出电压也是‑E，第十一种开关状态和第十种开关状态互相冗余，此时第一开关管S1关断，第二开关管S2导通，第三开关管S3导通，第
四开关管S4关断，第五开关管S5关断，第六开关管S6导通，第七开关管S7导通，第八开关管S8
关断，第九开关管S9导通，第十开关管S10关断。电流的流向如图12所示，当电流方向为正时，
飞跨电容器Cf放电；电流方向为负时，飞跨电容器Cf充电。

[0088] (12)第十二种开关状态

[0089] 如图13所示，第十二种开关状态下端口输出电压也是‑2E，此时第一开关管S1关断，第二开关管S2导通，第三开关管S3导通，第四开关管S4关断，第五开关管S5关断，第六开
关管S6导通，第七开关管S7关断，第八开关管S8导通，第九开关管S9导通，第十开关管S10关
断。电流的流向如图13所示，此时电流路径不经过飞跨电容器，因此不会对其充放电。

[0090] (13)第十三种开关状态

[0091] 如图14所示，第十三种开关状态下端口输出电压是‑3E，此时第一开关管S1关断，第二开关管S2导通，第三开关管S3导通，第四开关管S4关断，第五开关管S5导通，第六开关管
S6关断，第七开关管S7关断，第八开关管S8导通，第九开关管S9导通，第十开关管S10关断。电
流的流向如图14所示，当电流方向为正时，飞跨电容器Cf充电；电流方向为负时，飞跨电容
器Cf放电。

[0092] (14)第十四种开关状态

[0093] 如图15所示，第十四种开关状态下端口输出电压也是‑3E，第十四种开关状态和第十三种开关状态互相冗余，此时第一开关管S1关断，第二开关管S2关断，第三开关管S3导通，
第四开关管S4导通，第五开关管S5关断，第六开关管S6导通，第七开关管S7导通，第八开关管
S8关断，第九开关管S9导通，第十开关管S10关断。电流的流向如图15所示，当电流方向为正
时，飞跨电容器Cf放电；电流方向为负时，飞跨电容器Cf充电。

[0094] (15)第十五种开关状态

[0095] 如图16所示，第十五种开关状态下端口输出电压是‑4E，此时第一开关管S1关断，第二开关管S2关断，第三开关管S3导通，第四开关管S4导通，第五开关管S5关断，第六开关管
S6导通，第七开关管S7关断，第八开关管S8导通，第九开关管S9导通，第十开关管S10关断。电
流的流向如图16所示，此时电流路径不经过飞跨电容器，因此不会对其充放电。

[0096] (16)第十六种开关状态

[0097] 如图17所示，第十六种开关状态下端口输出电压是‑5E，此时第一开关管S1关断，第二开关管S2关断，第三开关管S3导通，第四开关管S4导通，第五开关管S5导通，第六开关管
S6关断，第七开关管S7关断，第八开关管S8导通，第九开关管S9导通，第十开关管S10关断。电
流的流向如图17所示，当电流方向为正时，飞跨电容器Cf充电；电流方向为负时，飞跨电容
器Cf放电。

[0098] 如表1和开关状态图2‑17所示，提出来的单相多电平逆变器的输出相电压基波幅值为5/4Vdc，它的直流电压利用率h如下式所示：

[0099]

[0100] 比如，直流输入电压为1200V时，最终输出交流相电压基波幅值为1500V，直流电压利用率明显提高。

[0101] 可见，本实施例的十一电平逆变器特殊的拓扑混合方式，提高了逆变器的直流电压利用率，超过了1，使得该逆变器系统在能量转换上具有明显的优势；相对于传统的多电
平逆变器，在仅需要10个开关管的前提下，使得最终的端口输出电平数量达到了十一电平，
大大的减少了开关管的数量。

[0102] 实施例2

[0103] 本实施例为根据实施例1的拓扑结构，增加级联单元的数量，进行电路的结构的拓扑实现输出电平数量增加。

[0104] 本实施例提供一种提高直流电压利用率的多电平逆变器，输出的电平数大于十一个，包括直流电源、半桥电路单元L1、三电平二极管中点钳位型逆变器电路单元L2和多个级
联的级联单元组L3'；多个级联的级联单元组L3'中，每一个级联单元与相邻的级联单元共
用同一个桥臂，最后一个级联单元的输出端为多电平逆变器的输出端；级联单元组L3’中，
每一个级联单元与相邻的级联单元共用同一个桥臂，最后一个级联单元cell N的输出端为
多电平逆变器的输出端；其中，cell 1和cell 2上面的开关管是背向串联的，cell 2，cell 
3，cell 4，，，cell N‑1上面的开关管是同向串联的，而cell N‑1和cell N上面的开关管是
背向串联的：即cell 1里面的开关管S5的集电极和cell 2里面的开关管S7的集电极连接，
而cell 2里面的开关管S7的发射极和cell 3里面的开关管S1'的集电极连接，cell 3里面
的开关管S1'的发射极和cell 4里面的开关管S2'的集电极连接，以此类推，最终cell N‑1
里面的开关管S2N‑6'的发射极和cell N里面的开关管S2N‑5'的集电极连接，通过控制多电
平逆变器不同的开关状态，可以输出M＝6N‑1个电压电平数，需要的开关管的数量为(M+
19)/3，需要的飞跨电容的数量为(M‑5)/9。

[0105] 半桥电路单元L1和三电平二极管中点钳位型逆变器电路单元L2并联在直流电源两端的，三电平二极管中点钳位型逆变器电路单元L2的输出端连接级联单元组L3'的输入
端，级联单元组L3'的输出端为逆变器输出端。

[0106] 可实现的，如图18所示，多个级联的级联单元组L3'的结构为：级联单元组L3'内的级联单元除两端的桥臂，中间的每一个桥臂被两个相邻的级联单元共用，用于实现双向功
率交换和直流中点电流的双向导通和关断，每个桥臂之间并联连接一个飞跨电容，如图中
的电容Cf1、电容Cf2……电容CfN‑1为N‑1个飞跨电容，N‑1个飞跨电容分别与相邻的两个桥臂
构成N个级联单元，N≥2。

[0107] 可选的，其中半桥电路单元L1和三电平二极管中点钳位型逆变器电路单元L2的电路结构，可以与实施例1中的半桥电路单元L1和三电平二极管中点钳位型逆变器电路单元
L2结构相同。

[0108] 如图18所示，N个级联单元(n≥2)中的前桥臂、后桥臂以及飞跨电容器Cfn之间并联连接，第一个级联单元Cell#1：前桥臂包括串联连接的第五开关管S5和第六开关管S6，后桥
臂包括串联连接的第七开关管S7和第八开关管S8，第五开关管S5和第六开关管S6的连接点
与第二开关管S2和第三开关管S3的连接点连接，第七开关管S7的发射极(或漏极)与第2个电
容器Cf2的正极连接，第八开关管S8的集电极(或源极)与第2个电容器Cf2的负极连接，第N个
级联单元Cell#N的第2N‑4个开关管S'2N‑4和第2N‑5个开关管S'2N‑5的连接点为逆变器的输出
端。

[0109] 进一步的，所述的多电平逆变器的电路中的所有开关管，均反向并联二极管。如图18所示，从第一开关管S1到第n开关管Sn均反向并联二极管。

[0110] 进一步的，为了降低逆变器系统的开关损耗，提高了逆变效率，级联单元组L3'的开关管和二极管可以采用SiC功率器件，半桥电路单元L1和三电平二极管中点钳位型逆变
器电路单元L2的开关管和二极管可以采用Si功率器件。

[0111] 级联单元采用SiC器件，可以提高输出波形质量，降低了损耗，减小了滤波器的体积。

[0112] 作为进一步地改进，所述第一开关管S1和第三开关管S3的控制信号互补，第二开关管S2和第四开关管S4的控制信号互补；或/和，第九开关管S9和第十开关管S10的控制信号互
补；或/和，级联单元组L3'同一个桥臂上的开关管的控制信号互补。两个控制信号互补为当
其中一个控制信号为高电平，另一个控制信号为低电平，二者交替出现高电平。

[0113] 本实施例根据实施例1的电路结构进行拓展，其中半桥电路单元L1和三电平二极管中点钳位型逆变器电路单元L2部分不变，拓展的只是级联单元组L3，通过增加级联单元，
从而增加了更多的飞跨电容器，进而提高了端口输出电平的数量，其控制原理与十一电平
逆变器相同。通过控制多电平逆变器不同的开关状态，可以输出6N‑1个电压电平数，其中级
联单元级联数量为N。

[0114] 该多电平逆变器的级联单元级联数量为N时，可以输出任意电平0、±E/N、±2E/N、…±2E、±(3n‑1)E/N(N≥2)，其中，逆变器的输出电平数与复用的级联单元的数量之间
的关系为：n＝6N‑1，N为复用级联单元数量。

[0115] 本实施例提供一种提供较多电平输出数量的逆变器的拓扑结构，可以根据需要的电平数量设置对应的级联单元组L3'的级联个数，具有较强的拓展性和实用性。

[0116] 实施例3

[0117] 本实施例提供了一种多电平的交直流电能变换设备，设备内部电路可以采用实施例1或实施例2所述的一种提高直流电压利用率的多电平逆变器的电路结构。电能变换设备
内部电路中可以包含多个逆变器的设备，可以为光伏逆变器，储能变流器，无功补偿装置
(APF)，配电网中的逆变器的电路结构。而且实施例1和实施例2中的逆变器拓扑具备双向电
能交换功能，也可以应用到微电网中的双向接口变换器。

[0118] 以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修
改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

[0119] 上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不
需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。