多电平逆变器设备和操作方法
【专利摘要】一种逆变器，包括第一升压装置、第二升压装置、耦合到所述第一升压装置的第一转换级，其中，配置所述第一转换级，使得：当直流电源处的电压大于所述逆变器的输出端处的电压的瞬时值时，形成第一三电平导电路径，以及当所述逆变器的所述输出端处的所述电压的所述瞬时值大于所述直流电源处的所述电压时，形成第一五电平导电路径。
【专利说明】多电平逆变器设备和操作方法
[0001 ]相关申请案的交叉参考
[0002]本申请要求2014年3月17日由傅电波递交的发明名称为“多电平逆变器设备和操作方法(Multilevel Inverter Device and Operating Method)” 的第14/217,013号美国非临时专利申请案的在先申请优先权，该在先申请的全部内容以引入的方式并入本文本中。
技术领域
[0003]本发明涉及一种多电平逆变器设备和方法，在具体实施例中，涉及一种五电平逆变器。
【背景技术】
[0004]可再生能量源包括太阳能、风能、潮汐能等。太阳能转换系统可包括多个串联或并联的太阳能面板。根据时间、位置、太阳跟踪能力等因素，太阳能面板的输出可生成可变直流电压。为了调节太阳能面板的输出，可将太阳能面板的输出耦合到直流/直流转换器，从而在直流/直流转换器的输出端处得到调节后的输出电压。此外，太阳能面板可通过电池充电控制装置与备用电池系统连接。在白天，备用电池通过太阳能面板的输出充电。当电力设施发生故障或太阳能面板是离网发电系统时，备用电池为耦合到太阳能面板的负载提供电力。
[0005]由于多数的应用可设计为在120伏特交流电下运行，所以使用太阳能逆变器来将光伏模块的可变直流输出转换为120伏特的交流电源。可使用多个多电平逆变器拓扑结构来实现高功率和从太阳能到市电的高效转换。具体而言，可使用一系列功率半导体开关将多个低压直流电源转换为高功率交流输出通过合成阶梯电压波形来实现高功率交流输出。
[0006]按照拓扑结构差异，多电平逆变器可分为三大类，即二极管钳位多电平逆变器、飞跨电容多电平逆变器和级联H桥多电平逆变器。另外，多电平逆变器可采用不同的脉冲宽度调制(pulse width modulat1n，PWM)技术，诸如正弦PWM(sinusoidal PWM，SPWM)、选择性谐波消除PWM、空间矢量调制等。多电平逆变器是中高功率应用的常见电源拓扑结构，诸如可再生能源源的电网接口、柔性交流输电系统、中压电机驱动系统等。
[0007]二极管钳位多电平逆变器通常指三电平中点钳位(neutral point clamped,NCP)逆变器。三电平NCP逆变器需要将两个串联的电容耦合在输入直流总线之间。将每个电容充到相同电势。此外，三电平NCP逆变器可包括四个开关元件和两个钳位二极管。钳位二极管有助于将开关元件上的电压应力减少到一个电容电压电平。
[0008]NCP逆变器使用阶梯波形来生成交流输出。这种阶梯波形类似于需要的正弦波形。因此，NCP逆变器的输出电压可带有低总谐波失真(total harmonic distort1n,THD)。此夕卜，阶梯波形可降低电压应力，因此，可提高NCP逆变器的电磁兼容性(electromagneticcompatibility,EMC)性能。此外，为达到同样的THD，NCP逆变器可在更低的开关频率下运行。这种更低的开关有助于减少开关损耗，从而实现高效的功率转换系统。
【发明内容】
[0009]本发明的优选实施例提供了一种太阳能应用中的多电平逆变器装置，从而大体上解决或克服了这些和其它问题并大体上实现了技术优点。
[0010]根据一实施例，一种方法包括检测通过耦合到逆变器的直流电源的电压，其中，所述逆变器包括:第一升压装置，具有与所述直流电源的第一端子耦合的输入端;第二升压装置，具有与所述直流电源的第二端子耦合的输入端;第一转换级，包括第一三电平导电路径和第一五电平导电路径;第二转换级，包括第二三电平导电路径和第二五电平导电路径；以及续流网络，耦合在输出滤波器的输入端与接地线之间。
[0011]所述方法还包括:在所述输出滤波器的输出端处的电压的前半周期，当所述直流电源的所述第一端子处的电压大于所述输出滤波器的所述输出端处的所述电压的瞬时值时，启用所述第一三电平导电路径;在所述前半周期，当所述输出滤波器的所述输出端处的所述电压的所述瞬时值大于所述直流电源的所述第一端子处的所述电压时，启用所述第一五电平导电路径;在所述输出滤波器的所述输出端处的所述电压的后半周期，当所述输出滤波器的所述输出端处的所述电压的所述瞬时值大于所述直流电源的所述第二端子处的所述电压时，启用所述第二三电平导电路径；以及在所述后半周期，当所述直流电源的所述第二端子处的所述电压大于所述输出滤波器的所述输出端处的所述电压的所述瞬时值时，启用所述第二五电平导电路径。
[0012]根据另一实施例，一种方法包括提供一种耦合到直流电源的逆变器，其中，所述逆变器包括:第一升压装置，具有耦合到所述直流电源的第一端子的输入端;第二升压装置，具有耦合到所述直流电源的第二端子的输入端;第一转换级，包括第一三电平导电路径和第一五电平导电路径，所述第一三电平导电路径耦合到所述直流电源的所述第一端子，所述第一五电平导电路径耦合到所述直流电源的所述第一端子与所述第一升压装置的输出端;第二转换级，包括第二三电平导电路径和第二五电平导电路径，所述第二三电平导电路径耦合到所述直流电源的所述第二端子，所述第二五电平导电路径耦合到所述直流电源的所述第二端子和所述第二升压装置的输出端；以及续流网络，耦合在输出滤波器的输入端与接地线之间；所述方法还包括:当通过所述直流电源的电压大于所述输出滤波器的输出端处的电压的峰-峰值时，启动多个继电器来旁路所述第一升压装置和所述第二升压装置。
[0013]根据又一实施例，一种逆变器设备包括:第一升压装置，具有耦合到直流电源的第一端子的输入端;第二升压装置，具有耦合到所述直流电源的第二端子的输入端;第一转换级，耦合到输出滤波器的输入端和所述第一升压装置，其中，配置所述第一转换级，使得:当所述直流电源的所述第一端子处的电压大于所述输出滤波器的输出端处的电压的瞬时值时，将第一三电平导电路径耦合在所述直流电源的所述第一端子与所述输出滤波器的所述输入端之间，以及当所述输出滤波器的所述输出端处的所述电压的所述瞬时值大于所述直流电源的所述第一端子处的所述电压时，将第一五电平导电路径耦合到所述直流电源的所述第一端子和所述第一升压装置的输出端;第二转换级，耦合到所述输出滤波器的所述输入端；以及续流装置，耦合在所述输出滤波器的所述输入端与接地线之间。
[0014]本发明实施例的优点为:使用包括三电平逆变器结构和五电平逆变器结构的混合逆变器来生成阶梯波形。这种混合逆变器有助于提高多电平逆变器的效率和可靠性并为其节约成本。
[0015]上述内容已相当广泛地概述了本发明的特征和技术优点，以便可更好地理解下文对本发明的详细描述。下文将描述本发明的附加特征和优点，这些构成本发明权利要求的主题。本领域技术人员应理解，所公开的概念和具体实施例可易于用作用于执行与本发明的目的相同的其它结构或过程的修改或设计的基础。本领域技术人员还应认识到，这类等效构造并不脱离所附权利要求中阐述的本发明的精神和范围。
【附图说明】
[0016]为了更完整地理解本发明及其优点，现在参考下文结合附图进行的描述，其中:
[0017]图1示出了根据本发明各个实施例的多电平逆变器的框图；
[0018]图2示出了根据本发明各个实施例的图1所示的多电平逆变器的示意图；
[0019]图3示出了根据本发明各个实施例的图2所示多电平逆变器的各种信号的时序图；
[0020]图4示出了根据本发明各个实施例的图2所示多电平逆变器的三电平逆变器操作模式的系统配置的示意图；
[0021]图5示出了根据本发明各个实施例的图4所示多电平逆变器的各种信号的时序图；
[0022]图6示出了根据本发明各个实施例的图2所示多电平逆变器的五电平操作模式的系统配置的不意图；
[0023]图7示出了根据本发明各个实施例的图6所示多电平逆变器的各种信号的时序图；
[0024]图8示出了根据本发明各个实施例的图2所示多电平逆变器的另一系统配置的示意图。
[0025]除非另有指示，否则不同图中的对应标号和符号通常指代对应部分。绘制各图是为了清楚地说明实施例的相关方面，因此未必是按比例绘制的。
【具体实施方式】
[0026]下文将详细论述当前优选实施例的制作和使用。然而，应了解，本发明提供可在各种具体上下文中体现的许多适用的发明性概念。所论述的具体实施例仅仅说明用以实施和使用本发明的具体方式，而不限制本发明的范围。
[0027]本发明将参考具体上下文中的优选实施例进行描述，该具体上下文即五电平逆变器。然而，本发明也可应用于各种功率转换器，包括多电平整流器、多电平逆变器、多电平交流到交流转换器等。此外，本发明也可应用于各种三相多电平逆变器。
[0028]图1示出了根据本发明各个实施例的多电平逆变器的框图。多电平逆变器100包括:直流电源PVl、耦合在直流电源PVl的第一端子与接地线之间的第一升压装置112、耦合在直流电源PVl的第二端子与接地线之间的第二升压装置114、续流装置106、第一转换级102和第二转换级104。
[0029]图1所示的直流电源PVl可实现为太阳能面板。更具体地，在一些实施例中，尽管图1示出了单个直流电源PVl，但是直流电源PVl可包括多个串联、并联或以它们的任意组合等连接的太阳能面板。两个输入电容CI和C2串联连接。如图1所示，将串联连接的输入电容CI和C2耦合到直流电源PVl的输出端子。在一些实施例中，输入电容Cl和C2的公共节点按图1所示连接到接地线。
[0030]多电平逆变器100包括五个电压电平(例如，V1、-Vl、V2、_V2和接地线)。直流电源PVl的第一端子的输出电压为VI。直流电源PVl的第二端子的输出电压为-VI。将第一升压装置112和第二升压装置114分别耦合到直流电源PVl的第一端子和第二端子。此外，第一升压装置112和第二升压装置114将直流电源PVl的第一端子和第二端子的输出电压Vl和-Vl分别转换为V2和-V2，如图1所示。
[0031]第一升压装置112和第二升压装置114可通过使用升压直流/直流转换器等升压电路来实现。升压直流/直流转换器由输入电感器、低侧开关和阻塞二极管组成。升压直流/直流转换器的详细配置将在下文结合图2进行描述。
[0032]应注意，尽管图1示出了具有两个升压装置(例如，第一升压装置112和第二升压装置114)的多电平逆变器100，但是多电平逆变器100可包括任何数量的升压装置。限制本文示出的升压装置的数量仅仅是为了清楚地示出各个实施例的本发明各个方面。升压装置的任何具体数目对本发明并不构成限制。本领域普通技术人员将认识到许多变化、替换和修改。例如，可采用额外的升压装置来实现具有额外电压电平(例如，切断电平逆变器)的输出阶梯波形。
[0033]多电平逆变器100还可包括由电感器Lo和电容Co组成的输出滤波器，以及多个开关Ql和Q2。如图1所示，输出滤波器的输入端耦合到开关Ql和Q2的公共节点。尽管图1示出开关Ql和Q2可分别耦合到V2和-V2，但是开关Ql和Q2可分别通过第一转换级102和第二转换级104耦合到Vl和-VI。第一转换级102和第二转换级104的详细操作原理将在下文结合图3至图8详细描述。
[0034]根据一实施例，开关(例如，开关Ql和Q2)可为绝缘栅双极型晶体管(insulatedgate bipolar transistor，IGBT)设备。或者，开关元件可为任何可控开关，如金属氧化物半导体场效应管(metal oxide semiconductor field-effect transistor，M0SFET)设备、集成门极换向晶闸管(integrated gate commutated thyristor，IGCT)设备、可关断晶闸管(gate turn-off thyristor，GT0)设备、娃控整流器(silicon controlled rectifier,SCR)设备、结棚.型场效应管(junct1n gate field-effect transistor，JFET)设备，MOS控制晶闸管(M0S controlled thyristor，MCT)设备等。
[0035]续流装置106可耦合在输出滤波器的输入端与接地线之间。在一些实施例中，在开关关闭后，第一续流线路可向流入开关(例如，开关Ql)的电流的提供导电路径。续流装置106的详细结构将在下文结合图2进行描述。
[0036]第一转换级102和第二转换级104可包括多个开关。配置每个开关，使得通过使用开关的不同组合在滤波器的输入端处生成阶梯波形。在一些实施例中，可启用转换级的一部分。转换级充当三电平逆变器结构。在可替代实施例中，根据直流电源PVI的输出端处的电压，可激活转换级的另一部分。转换级可包括三电平逆变器结构和五电平逆变器结构。第一转换级102和第二转换级104的详细操作将在下文结合图2至图8进行描述。
[0037]图2示出了根据本发明各个实施例的图1所示的多电平逆变器的示意图。多电平逆变器100包括第一升压装置112，其生成的输出电压V2比来自直流电源PVl的输入电压Vl高。此外，第二升压装置114用于生成负电压-V2。
[0038]第一升压装置112和第二升压装置114都实施为升压直流/直流转换器。为简单起见，下文仅详细描述第一升压装置112。
[0039]如图2所示，第一升压装置112由输入电感器L1、低侧开关Q11、阻塞二极管Dl和输出电容C3组成。控制器(未示出)可控制低侧开关Ql I的开启占空比，从而调节通过输出电容C3的输出电压V2。升压直流/直流转换器的详细操作原理在本领域是公知的，因此不再详细论述，以避免不必要的重复。
[0040]应注意，升压直流/直流转换器仅为实现第一升压装置112和第二升压装置114的示例。其它升压拓扑结构也在本发明的考虑范围之内。升压直流/直流转换器仅仅是从直流电源生成更高电压(例如，VI)的一种方式。可将其它以及可替代实施例升压拓扑结构(例如使用开关电容电压倍压器)和其它电路(例如，电荷栗电压倍压器等)用于此功能。
[0041 ] 第一转换级102包括开关Q15、Q17和Q19，继电器RLl和RL3以及二极管D5。在输出交流波形Vo的前半周期激活第一转换级102。第二转换级104包括开关Q16、Q18和Q20，继电器RL2和RL4以及二极管D6。在输出交流波形Vo的后半周期激活第二转换级104。
[0042]通过配置第一转换级102的开关，第一转换级102可作为三电平逆变器结构或五电平逆变器结构。具体地，当输出电压Vo的峰值电压大于Vl时，第一转换级102可根据Vl的电压进入三电平逆变器操作模式或五电平逆变器操作模式。更具体地，在一个完整周期中，当Vl大于Vo的瞬时值时，第一转换级102可进入三电平逆变器操作模式。否则，第一转换级102可进入五电平逆变器操作模式。
[0043]在三电平逆变器操作模式下，关闭Ql和Q19，开启Q13、Q17和Q15，关闭RLl和RL3，二极管D5正向偏置。在前半周期，开启的Q13、Q17和Q15形成三电平逆变器结构。另一方面，在五电平逆变器操作模式下，关闭Q17，开启Q1、Q15、Q13和Q19，二极管D5正向偏置，关闭RLl和RL3，激活第一升压装置112。在前半周期，开启的Q1、Q13、Q15和Q19形成五电平逆变器结构。
[0044]同样地，通过配置第二转换级104的开关，第二转换级104可作为三电平逆变器结构或五电平逆变器结构。更具体地，在后半周期，当Vo的瞬时值大于-Vl时，第二转换级104可进入三电平逆变器操作模式。否则，第二转换级104可进入五电平逆变器操作模式。
[0045]在三电平逆变器操作模式下，关闭Q2和Q20，开启Q14、Q18和Q16，关闭RL2和RL4，二极管D6正向偏置。在后半周期，开启的Q14、Q18和Q16形成三电平逆变器结构。另一方面，在五电平逆变器操作模式下，关闭Q18，开启Q2、Q16、Q14和Q20，二极管D6正向偏置，关闭RL2和RL4，激活第二升压装置114。在后半周期，开启的Q2、Q16、Q14和Q20形成五电平逆变器结构。
[0046]根据一实施例，为了改善多电平逆变器100的开关损耗，开关Q17、Q18、Q19和Q20可实现为M0SFET。或者，开关Q17、Q18、Q19和Q20可实现为其它合适的设备，例如IGBT和/或其它。
[0047]续流装置106可包括开关Q13和Q14，以及二极管D3和D4。如图2所示，二极管D3和开关Q13可形成连接在输出滤波器的输入端与接地线之间的第一续流线路。在一些实施例中，在关闭Ql后，第一续流线路可向流入开关Ql的电流提供导电路径。
[0048]同样地，二极管D4和开关Q14可形成连接在输出滤波器的输入端与接地线之间的第二续流线路。在一些实施例中，在关闭Q2后，第二续流线路可向流入开关Q2的电流提供导电路径。
[0049]应注意，上述续流装置106的示意图仅为示例性结构，并非意在限制当前实施例。本领域普通技术人员将认识到许多变化、替换和修改。例如，二极管D3和D4可分别替换为两个开关。此外，尽管图2示出开关Q13和Q14可实施为IGBT晶体管，但是开关Q13和Q14可为任何可控开关，如MOSFET设备、IGCT设备、GTO设备、SCR设备、JFET设备、MCT设备、它们的任何组合和/或其它。
[0050]包含继电器RL1、RL2、RL3和RL4是为了提供一种附加操作模式。具体地，当输入电压(例如，VI)比Vo的峰值电压高时，可通过开启继电器RL1、RL2、RL3和RL4来旁路第一升压装置112和第二升压装置114。这样，可降低多电平逆变器100的总功率损耗。
[0051]图3示出了根据本发明各个实施例的图2所示多电平逆变器的各种信号的时序图。Vo为图2所示输出滤波器的输出端处的电压波形。如图2所示，输出滤波器由输出电感器Lo和输出电容Co组成。输出滤波器帮助过滤多电平PWM电压(输出滤波器的输入端处的电压)以获得如图3所示的正弦波形。
[0052]根据正弦波形Vo，时序图可分为两部分，即前半周期和后半周期。前半周期从tO开始到t3结束。后半周期从t3开始到t6结束。此外，可根据Vl和Vo之间的关系将前半周期分为三个部分。更具体地，第一部分从tO开始到tl结束。在第一部分中，Vl大于Vo的瞬时值。第二部分从tl开始到t2结束。在第二部分中，Vo的瞬时值大于VI。第三部分从t2开始到t3结束。在第三部分中，V1大于Vo的瞬时值。
[0053]在整个描述中，可替代地，在前半周期的第一部分和第三部分期间的操作模式可称为前半周期的三电平逆变器操作模式。同样地，可替代地，在前半周期的第二部分期间的操作模式可称为前半周期的五电平逆变器操作模式。
[0054]同样地，根据Vl和Vo之间的关系，可将后半周期分为三个部分。更具体地，后半周期的第一部分从t3开始到t4结束。在后半周期的第一部分中，Vo的瞬时值大于-VI。后半周期的第二部分从t4开始到t5结束。在第二部分中，-Vl大于Vo的瞬时值。后半周期的第三部分从t5开始到t6结束。在第三部分中，Vo的瞬时值大于-Vl。
[0055]在整个描述中，可替代地，在后半周期的第一部分和第三部分期间的操作模式可称为后半周期的三电平逆变器操作模式。可替代地，在后半周期的第二部分期间的操作模式可称为后半周期的五电平逆变器操作模式。各部分的详细操作原理将在下文结合图4至图7进行描述。
[0056]图4示出了根据本发明各个实施例的图2所示多电平逆变器的三电平逆变器操作模式的系统配置的示意图。在前半周期中，当直流电源的第一端子处的电压大于Vo的瞬时值时，多电平逆变器100进入三电平逆变器操作模式。启用第一导电路径，如图4中箭头402和404所示。
[0057]开启的Ql 3、Ql 5和Ql 7形成第一导电路径。Ql 5親合在输出滤波器的输入端与直流电源PVl的第一端子之间。Q13和Q17串联连接，并耦合在输出滤波器的输入端与直流电源PVl的第一端子之间。电流通过两个电流路径从直流电源PVl的第一端子流到输出滤波器。第一电流路径包括Q15。第二电流路径包括Q17和Q13。如图4所示，这两个电流路径并联连接。此外，第二电流路径的Q17可帮助Q15实现零电压开关。零电压开关过程将在下文结合图5进行描述。
[0058]在后半周期，当Vo的瞬时值大于直流电源PVl的第二端子处的电压(例如，-VI)时，多电平逆变器100进入三电平逆变器操作模式。启用第二导电路径，如图4中箭头406和408所示。
[0059]第二导电路径由Q16、Q14和Q18组成。Q16耦合在输出滤波器的输入端与直流电源PVl的第二端子之间。Ql 4和Q18串联连接，并耦合在输出滤波器的输入端与直流电源PVI的第二端子之间。第二导电路径的工作原理类似于上述第一导电路径的工作原理，因此在此不作详细描述，以避免重复。
[0060]图5示出了根据本发明各个实施例的图4所示多电平逆变器的各种信号的时序图。如上文结合图4描述的，在t O到11的时间间隔、12到13的时间间隔、13到14的时间间隔和15到t6的时间间隔内，多电平逆变器100进入三电平逆变器操作模式。在这四个时间间隔内的栅极驱动信号是相似的。为简单起见，下文将仅详细描述tO到tl的时间间隔内的栅极信号。[0061 ] 在tO到tl的时间间隔内，在t7开启Q15之前，在tO开启Q17。如图5所示，在这个时间间隔内，Q13始终开启。因此，开启的Q17和Q13串联连接以形成如图4所示的零电压开关辅助电路。在t8，当关闭Q15时，开启Q17和Q13，使得通过Q15的电压约等于零。总之，这样的零电压开关辅助电路有助于Q15实现零电压开关。同样地，Q15能够在t9和tlO实现零电压开关。
[0062]应注意，在t7至t8的时间间隔内，可关闭开关Q17，而非保持Q17。更具体地，Ql7可在Q15已实现零电压开启转换之后关闭，在t8关闭Q15之前开启。还应注意，在后半周期，Q18能够帮助Q16实现零电压开关。Q16的零电压开关转换类似于Q15的零电压开关转换，因此在此不再进一步详细论述，以避免重复。
[0063]图6示出了根据本发明各个实施例的图2所示多电平逆变器的五电平操作模式的系统配置的示意图。在前半周期，当Vo的瞬时值大于直流电源PVl的第一端子处的电压(例如，VI)时，多电平逆变器进入五电平逆变器操作模式。启用两个导电路径，如图6中箭头602、603 和604所示。
[0064]第一导电路径由Ql5形成。如图6所不，Ql 5親合在输出滤波器的输入端与直流电源PVl的第一端子之间。第二导电路径包括Q1、Q13和Q1LQ13和Q19串联连接，并耦合在输出滤波器的输入端与第一升压装置112的输出端之间C3Qlf禹合在输出滤波器的输入端与第一升压装置112的输出端之间。电流可通过Q15从直流电源PVl的第一端子(Vl)流向输出滤波器。或者，电流通过开启的Ql、Q17和Q13从第一升压装置112的输出端流向输出滤波器。
[0065]应注意，当有电流流经第二导电路径时，二极管D5可阻止电流流经Q15。还应注意，第二电流路径的Q19可帮助Ql实现零电压开关。Ql的零电压开关过程将在下文结合图7进行描述。
[0066]在后半周期，当直流电源PVl的第二端子处的电压(例如，-VI)大于Vo的瞬时值时，多电平逆变器100进入五电平逆变器操作模式。开启两个导电路径，如图6中箭头606、607和608所示。
[O O6 7 ]第一导电路径由Q16形成。Q16親合在输出滤波器的输入端与直流电源P VI的第二端子(-V1)之间。第二导电路径包括Q2、Q14和Q20。如图6所示，Q14和Q20串联连接，并耦合在输出滤波器的输入端与第二升压装置114的输出端之间。Q11禹合在输出滤波器的输入端与第二升压装置114的输出端之间。后半周期中的导电路径的工作原理类似于前半周期中的，因此在此不作详细描述。
[0068]图7示出了根据本发明各个实施例的图6所示多电平逆变器的各种信号的时序图。如上文结合图6描述的，在tl至t2的时间间隔和t4到t5的时间间隔内，多电平逆变器系统进入五电平逆变器操作模式。这两个时间间隔内的栅极驱动信号是相似的。为简单起见，下文将仅详细描述tl到t2的时间间隔内的栅极信号。
[0069]在tl至t2的时间间隔内，在til开启Ql之前，在tl开启Q19。如图7所示，在这个时间间隔内，Q13始终开启。因此，开启的Q17和Q13串联连接以形成零电压开关辅助电路。在tl2，当Ql关闭时，Q19和Q13仍然开启，使得通过Ql的电压约等于零。在tl3可关闭Q19。总之，Q19有助于Ql实现零电压开关。
[0070]应注意，在til至tl2的时间间隔内，可关闭开关Q19，而非保持Q19。更具体地，Q19可在Ql已实现零电压开启转换后关闭，在tl2关闭Ql之前再次开启。还应注意，Q20能够帮助Q2在后半周期实现零电压开关。Q2的零电压开关转换类似于Ql的零电压开关转换，因此在此不再进一步详细论述，以避免重复。
[0071]图8示出了根据本发明各个实施例的图2所示多电平逆变器的另一系统配置的示意图。当通过直流电源PVl的电压大于Vo的峰-峰值时，可旁路第一升压装置112和第二升压装置114。如箭头802和804所示，在前半周期，能量通过Ql和Q15传送到输出滤波器。更具体地，开启的继电器RLl和RL3创建了两个并联连接的导电路径。在后半周期，如箭头806和808所示，能量通过Q2和Q16传送到输出滤波器。具有继电器RLl、RL2，RL3和RL4的一个有利特征是:可通过关闭第一升压装置112和第二升压装置114来降低功率损耗。因此，可以提高多电平逆变器100的效率和可靠性。
[0072]第一三电平导电路径由親合在输出滤波器的输入端与直流电源的第一端子之间的Q15，以及串联连接并耦合在输出滤波器的输入端和直流电源的第一端子之间的Q13和Q17形成。第一五电平导电路径由親合在输出滤波器的输入端与直流电源的第一端子之间的Q15，耦合在第一升压装置的输出端与输出滤波器的输入端之间的Q1，以及串联连接并耦合在第一升压装置的输出端与输出滤波器的输入端之间的Ql 3和Q19形成。第二三电平导电路径由耦合在输出滤波器的输入端与直流电源的第二端子之间的Q16，以及串联连接并耦合在输出滤波器的输入端与直流电源的第二端子之间的Q14和Q18形成。第二五电平导电路径由親合在输出滤波器的输入端与直流电源的第二端子之间的Q16，親合第二升压装置的输出端与输出滤波器的输入端之间的Q2，以及串联连接并耦合在第二升压装置的输出端与输出滤波器的输入端之间的Ql 4和Q20形成。
[O O7 3 ]第一三电平导电路径由親合在输出滤波器的输入端与直流电源的第一端子之间的第一开关，以及串联连接并耦合在输出滤波器的输入端与直流电源的第一端子之间的第二开关和第三开关形成。第一五电平导电路径由親合在输出滤波器的输入端与直流电源的第一端子之间的第一开关，耦合在第一升压装置的输出端与输出滤波器的输入端之间的第四开关，以及串联连接并耦合在第一升压装置的输出端与输出滤波器的输入端之间的第二开关和第五开关形成。第二三电平导电路径由耦合在输出滤波器的输入端与直流电源的第二端子之间的第六开关，以及串联连接并耦合在输出滤波器的输入端与直流电源的第二端子之间的第七开关和第八开关形成。第二五电平导电路径由親合在输出滤波器的输入端与直流电源的第二端子之间的第六开关，耦合在第二升压装置的输出端与输出滤波器的输入端之间的第九开关，以及串联连接并耦合在第二升压装置的输出端与输出滤波器的输入端之间的第七开关和第十开关形成。
[O O7 4 ]第一三电平导电路径由親合在直流电源的第一端子与输出滤波器的输入端之间的Q15，以及续流装置的Q13形成，其中Q15和Q13并联连接。第一五电平导电路径由Q15，耦合在第一升压装置的输出端与输出滤波器的输入端之间的Ql，以及续流装置的Q13形成。第二三电平导电路径由耦合在直流电源的第二端子与输出滤波器的输入端之间的Q16，以及续流装置的Q14形成，其中Q14和Q16并联连接。第二五电平导电路径由Q16，耦合在第二升压装置的输出端与输出滤波器的输入端之间的Q2，以及续流装置的Q14形成。
[O O7 5 ]第一三电平导电路径由親合在直流电源的第一端子与输出滤波器的输入端之间的第一开关，以及续流装置的第二开关形成，其中第一开关和第二开关并联连接。第一五电平导电路径由第一开关，耦合在第一升压装置的输出端与输出滤波器的输入端之间的第三开关，以及续流装置的第二开关形成。第二三电平导电路径由耦合在直流电源的第二端子与输出滤波器的输入端之间的第四开关，以及续流装置的第五开关形成，其中第五开关和第四开关并联连接。第二五电平导电路径由第四开关，耦合在第二升压装置的输出端与输出滤波器的输入端之间的第六开关，以及续流装置的第五开关形成。
[0076]第一三电平导电路径还包括与续流装置的Q13串联连接的Q17，其中在开启Q15前开启Q17。第一五电平导电路径还包括与续流装置的Q13串联连接的Q19，其中在开启Ql之前开启Q19。第二三电平导电路径还包括与续流装置的Q14串联连接的Q18，其中在开启Q16之前开启Q18。第二五电平导电路径还包括与续流装置的Q14串联连接的Q20，其中在开启Q2之前开启Q20。
[0077]第一三电平导电路径还包括与续流装置的第二开关串联连接的第七开关，其中在开启第一开关之前开启第七开关。第一五电平导电路径还包括与续流装置的第二开关串联连接的第八开关，其中在开启第三开关之前开启第八开关。第二三电平导电路径还包括与续流装置的第五开关串联连接的第九开关，其中在开启第四开关之前开启第九开关。第二五电平导电路径还包括与续流装置的第五开关串联连接的第十开关，其中在开启第六开关之前开启第十开关。
[0078]虽然已详细地描述了本发明的实施例及其优点，但是应理解，可以在不脱离如所附权利要求书所界定的本发明的精神和范围的情况下对本发明做出各种改变、替代和更改。
[0079]此外，本发明的范围并不局限于说明书中的过程、机器、制造、物质组分、构件、方法和步骤的具体实施例。所属领域的一般技术人员可从本发明中轻易地了解，可根据本发明使用现有的或即将开发出的，具有与本文所描述的相应实施例实质相同的功能，或能够取得与实施例实质相同的结果的过程、机器、制造、物质组分、构件、方法或步骤。相应地，所附权利要求范围包括这些流程，机器，制造，物质组分，构件，方法，及步骤。
【主权项】
1.一种方法，其特征在于，包括: 检测通过耦合到逆变器的直流电源的电压，其中，所述逆变器包括: 第一升压装置，具有耦合到所述直流电源的第一端子的输入端； 第二升压装置，具有耦合到所述直流电源的第二端子的输入端； 第一转换级，包括第一三电平导电路径和第一五电平导电路径； 第二转换级，包括第二三电平导电路径和第二五电平导电路径；以及 续流网络，耦合在输出滤波器的输入端与接地线之间； 在所述输出滤波器的输出端处的电压的前半周期，当所述直流电源的所述第一端子处的电压大于所述输出滤波器的所述输出端处的所述电压的瞬时值时，启用所述第一三电平导电路径； 在所述前半周期，当所述输出滤波器的所述输出端处的所述电压的所述瞬时值大于所述直流电源的所述第一端子处的所述电压时，启用所述第一五电平导电路径； 在所述输出滤波器的所述输出端处的所述电压的后半周期，当所述输出滤波器的所述输出端处的所述电压的所述瞬时值大于所述直流电源的所述第二端子处的所述电压时，启用所述第二三电平导电路径；以及 在所述后半周期，当所述直流电源的所述第二端子处的所述电压大于所述输出滤波器的所述输出端处的所述电压的所述瞬时值时，启用所述第二五电平导电路径。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于: 所述第一三电平导电路径由耦合在所述输出滤波器的所述输入端与所述直流电源的所述第一端子之间的第一开关，以及串联连接并耦合在所述输出滤波器的所述输入端与所述直流电源的所述第一端子之间的第二开关和第三开关形成； 所述第一五电平导电路径由耦合在所述输出滤波器的所述输入端与所述直流电源的所述第一端子之间的所述第一开关、耦合在所述第一升压装置的输出端与所述输出滤波器的所述输入端之间的第四开关，以及串联连接并耦合在所述第一升压装置的所述输出端与所述输出滤波器的所述输入端之间的所述第二开关和第五开关形成； 所述第二三电平导电路径由耦合在所述输出滤波器的所述输入端与所述直流电源的所述第二端子之间的第六开关，以及串联连接并耦合在所述输出滤波器的所述输入端与所述直流电源的所述第二端子之间的第七开关和第八开关形成；以及 所述第二五电平导电路径由耦合在所述输出滤波器的所述输入端与所述直流电源的所述第二端子之间的所述第六开关、耦合在所述第二升压装置的输出端与所述输出滤波器的所述输入端之间的第九开关，以及串联连接并耦合在所述第二升压装置的所述输出端与所述输出滤波器的所述输入端之间的所述第七开关和第十开关形成。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，还包括: 在开启所述第一开关之前开启所述第三开关； 在关闭所述第三开关之前关闭所述第一开关； 在开启所述第六开关之前开启所述第八开关；以及 在关闭所述第八开关之前关闭所述第六开关。4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，还包括: 在开启所述第一开关之前开启所述第三开关； 在所述第一开关开启之后关闭所述第三开关； 在关闭所述第一开关之前开启所述第三开关； 在所述第三开关开启之后关闭所述第一开关；以及 关闭所述第三开关。5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，还包括: 在开启所述第六开关前开启所述第八开关； 在所述第六开关开启之后关闭所述第八开关； 在关闭所述第六开关之前开启所述第八开关； 在所述第八开关开启之后关闭所述第六开关；以及 关闭所述第八开关。6.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，还包括: 在开启所述第四开关之前开启所述第五开关； 在关闭所述第五开关之前关闭所述第四开关； 在开启所述第九开关之前开启所述第十开关；以及 在关闭所述第十开关之前关闭所述第九开关。7.根据权利要求1至6中的任意一项所述的方法，其特征在于，还包括: 检测所述输出滤波器的所述输出端处的所述电压的峰-峰值； 比较所述峰-峰电压和通过所述直流电源的电压；以及 当通过所述直流电源的所述电压大于所述输出滤波器的所述输出端处的所述电压的所述峰-峰值时，开启第一继电器、第二继电器、第三继电器和第四继电器以旁路所述第一升压装置和所述第二升压装置。8.一种逆变器设备，其特征在于，包括: 第一升压装置，具有耦合到直流电源的第一端子的输入端； 第二升压装置，具有耦合到所述直流电源的第二端子的输入端； 第一转换级，耦合到输出滤波器的输入端和所述第一升压装置，其中，配置所述第一转换级，使得: 当所述直流电源的所述第一端子处的电压大于所述输出滤波器的输出端处的电压的瞬时值时，将第一三电平导电路径耦合在所述直流电源的所述第一端子与所述输出滤波器的所述输入端之间；以及 当所述输出滤波器的所述输出端处的所述电压的所述瞬时值大于所述直流电源的所述第一端子处的所述电压时，将第一五电平导电路径耦合到所述直流电源的所述第一端子和所述第一升压装置的输出端； 第二转换级，耦合到所述输出滤波器的所述输入端；以及 续流装置，耦合在所述输出滤波器的所述输入端与接地线之间。9.根据权利要求8所述的设备，其特征在于，配置所述第二转换级，使得: 当所述输出滤波器的所述输入端处的所述电压的所述瞬时值大于所述直流电源的所述第二端子处的电压时，将第二三电平导电路径耦合在所述直流电源的所述第二端子与所述输出滤波器的所述输入端之间；以及 当所述直流电源的所述第二端子处的所述电压大于所述输出滤波器的所述输出端处的所述电压的所述瞬时值时，将第二五电平导电路径耦合到所述直流电源的所述第二端子和所述第二升压装置的输出端。10.根据权利要求9所述的设备，其特征在于: 所述第一三电平导电路径由耦合在所述直流电源的所述第一端子与所述输出滤波器的所述输入端之间的第一开关，以及所述续流装置的第二开关形成，所述第一开关和所述第二开关并联连接； 所述第一五电平导电路径由所述第一开关、耦合在所述第一升压装置的所述输出端与所述输出滤波器的所述输入端之间的第三开关，以及所述续流装置的所述第二开关形成； 所述第二三电平导电路径由耦合在所述直流电源的所述第二端子与所述输出滤波器的所述输入端之间的第四开关，以及所述续流装置的第五开关形成，所述第五开关和所述第四开关并联连接;以及 所述第二五电平导电路径由所述第四开关、耦合在所述第二升压装置的所述输出端与所述输出滤波器的所述输入端之间的第六开关，以及所述续流装置的所述第五开关形成。11.根据权利要求10所述的设备，其特征在于: 所述第一三电平导电路径还包括与所述续流装置的所述第二开关串联连接的第七开关，其中在开启所述第一开关之前开启所述第七开关； 所述第一五电平导电路径还包括与所述续流装置的所述第二开关串联连接的第八开关，其中在开启所述第三开关之前开启所述第八开关； 所述第二三电平导电路径还包括与所述续流装置的所述第五开关串联连接的第九开关，其中在开启所述第四开关之前开启所述第九开关；以及 所述第二五电平导电路径还包括与所述续流装置的所述第五开关串联连接的第十开关，其中在开启所述第六开关之前开启所述第十开关。12.根据权利要求8至11中的任意一项所述的设备，其特征在于: 配置所述第一转换级和所述第二转换级，使得:当通过所述直流电源的电压大于所述输出滤波器的所述输出端处的所述电压的峰-峰值时，旁路所述第一升压装置和所述第二升压装置。13.根据权利要求8至12中的任意一项所述的设备，其特征在于: 所述第一升压装置包括第一输入电感器、第一低侧开关和第一阻塞二极管；以及 所述第二升压装置包括第二输入电感器、第二低侧开关和第二阻塞二极管。14.根据权利要求8至13中的任意一项所述的设备，其特征在于，当所述直流电源的所述第一端子处的电压大于所述输出滤波器的所述输出端处的所述电压的瞬时值时，在所述输出滤波器的所述输出端处的所述电压的前半周期启用所述第一三电平导电路径； 当所述输出滤波器的所述输出端处的所述电压的瞬时值大于所述直流电源的所述第二端子处的所述电压时，在所述输出滤波器的所述输出端处的所述电压的后半周期启用所述第二三电平导电路径。15.根据权利要求14所述的设备，其特征在于，在所述前半周期，当所述输出滤波器的所述输出端处的所述电压的所述瞬时值大于所述直流电源的所述第一端子处的所述电压时，启用所述第一五电平导电路径；以及在所述后半周期，当所述直流电源的所述第二端子处的所述电压大于所述输出滤波器的所述输出端处的所述电压的所述瞬时值时，启用所述第二五电平导电路径。
【文档编号】H02M7/483GK106031010SQ201580009695
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2015年3月10日
【发明人】傅电波
【申请人】华为技术有限公司
文档序号 :
【 10654747 】
技术研发人员：傅电波
技术所有人：华为技术有限公司
备 注：该技术已申请专利，仅供学习研究，如用于商业用途，请联系技术所有人。
声 明 ：此信息收集于网络，如果你是此专利的发明人不想本网站收录此信息请联系我们，我们会在第一时间删除
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