一种多电平输出逆变电路系统及供电电路

技术领域

本发明实施例涉及逆变电路技术领域，尤其涉及一种多电平输出逆变电路系统及供电电路。

背景技术

传统逆变器电路是一种将直流电转换成交流电的电路，也是一种将直流能量转换为交流能量的电路。

基于传统逆变电路通常需要前级直流升压电路首先将发电单元的低压直流电转换成高压直流电，然后再逆变成工业应用需要的交流电，这不但增加了成本和系统复杂性，还降低了系统效率。为此，基于开关电容的单级升压型逆变电路成为了近年的研究热点。

然而，现有的开关电容多电平逆变电路需要较多的开关管，特别是当输出电平数较多时，需要的元件数量会非常多。此外，由于输出电压是由电容器和直流输入电源串联产生的，而现有的电容器受限于电路结构，其两端电压多是等于直流输入电源电压，所以需要大量的电容器来实现高增益输出，导致电路结构复杂，成本较高。

发明内容

本发明提供一种多电平输出逆变电路系统及供电电路，以实现该逆变电路系统具有输出电平数多，开关数量少且输出增益高的特点，使逆变电路系统结构简单可靠，还能够降低成本。

第一方面，本发明实施例提供了一种多电平输出逆变电路系统，包括第一级逆变模块和第二级逆变模块；

所述第一级逆变模块的第一端与直流电压源的正极电连接，所述第一级逆变模块的第二端与直流电压源的负极电连接，所述第一级逆变模块的第三端与第二级逆变模块的第一端电连接，所述第一级逆变模块的第四端与第二级逆变模块的第二端连接，所述第一级逆变模块用于将所述直流电压源的电压进行逆变成第一级输出电压，并输出至所述第二级逆变模块；其中，所述直流电压源的电压为V

所述第一级逆变模块通过控制所述第一级逆变模块中的开关管的导通和关断对所述第一级逆变模块中电容器进行充电，并通过所述开关管的导通和关断控制所述第一级逆变模块中电容器与所述直流电压源串联或构成回路；

所述第二级逆变模块的第三端和第四端为逆变电路的输出端，所述第二级逆变模块中包括n个开关电容单元，n大于等于1；所述第二级逆变模块用于将所述第一级输出电压逆变为第二级输出电压，从所述第二级逆变模块的第三端和第四端输出；其中，所述第二级输出电压包括多种输出电平。

进一步的，所述第一级逆变模块包括第一二极管和第二二极管、第一开关和第二开关、第三开关和第四开关、第一电容和第二电容；

所述第一开关和所述第二开关串联于所述第一级逆变模块的第一端和第二端之间，所述第一开关的第一端连接所述第一级逆变模块的第一端，所述第一开关的第二端连接所述第二开关的第一端，所述第二开关的第二端连接所述第一级逆变模块的第二端；所述第三开关和所述第四开关串联于所述第一级逆变模块的第一端和第二端之间，所述第三开关的第一端连接所述第一级逆变模块的第一端，所述第三开关的第二端连接所述第四开关的第一端，所述第四开关的第二端连接所述第一级逆变模块的第二端；

所述第一二极管的正极与所述第一级逆变模块的第一端连接，所述第一二极管的负极与所述第一级逆变模块的第三端连接；所述第二二极管的负极与所述第一级逆变模块的第一端连接，所述第二二极管的正极与所述第一级逆变模块的第四端连接；

所述第一电容的第一端与所述第一级逆变模块的第三端连接，所述第一电容的第二端与所述第一开关的第二端连接；所述第二电容的第一端与所述第一级逆变模块的第三端连接，所述第二电容的第二端与所述第三开关的第一端连接。

进一步的，所述第一开关和所述第二开关交替导通，所述第三开关和所述第四开关交替导通，用于为所述第一电容和所述第二电容充电，以及将释放所述第一电容和所述第二电容中的电荷，使所述第一级逆变模块将所述直流电压源的电压进行逆变成第一级输出电压。

进一步的，所述第二逆变模块包括5个一级开关，4个二级开关以及第三电容；

第一一级开关的输入端作为所述第二级逆变模块的第一端，与所述第一级逆变模块的第三端连接，所述第一一级开关的输出端分别与所述开关电容单元的第一端和第五一级开关的输出端电连接；

第二一级开关的输出端作为所述第二级逆变模块的第二端，与所述第一级逆变模块的第四端电连接，所述第二一级开关的输入端分别与第三一级开关的输出端和第四一级开关的输入端连接；

所述第三一级开关的输入端与所述开关电容单元的第三端连接；

所述第四一级开关的输出端分别与第三电容的第二端和第二二级开关的输出端连接；

所述第五一级开关的输入端分别与所述开关电容单元的第二端和第一二级开关的输入端连接；

所述第一二级开关的输出端与所述第二二级开关的输入端连接；

第三二级开关的输入端与所述第一级逆变模块的第三端连接，所述第三二级开关的输出端与第四二级开关的输入端连接；

所述第四二级开关的输出端与所述第一级逆变模块的第四端连接；

所述第三电容的第一端与所述开关电容单元的第四端连接；

所述第一二级开关的输出端与所述第二二级开关的输入端之间的接线作为所述第二级逆变模块的第三端，所述第三二级开关的输出端与第四二级开关的输入端之间的接线作为所述第二级逆变模块的第四端。

进一步的，所述第二级逆变模块中n个所述开关电容单元之间串联；

前一个开关电容单元的第三端与后一个开关电容单元的第一端电连接，前一个开关电容单元的第四端与后一个开关电容单元的第二端电连接。

进一步的，所述第二级逆变模块中第n个所述开关电容单元包括第2n+4一级开关、第2n+5一级开关和第n+3电容；

所述第2n+4一级开关的输入端作为所述开关电容单元的第一端，所述第2n+4一级开关的输出端和所述第2n+5一级开关的输入端作为所述开关电容单元的第三端；

所述第2n+5一级开关的输出端和第n+3电容的第二端作为所述开关电容单元的第四端；

所述第n+3电容的第一端作为所述开关电容单元的第二端。

进一步的，所述第2n+5一级开关为双向全控开关，由两个反向串联的IGBT或MOSFET构成。

进一步的，所述系统通过控制所述一级开关和所述二级开关的关断和导通，控制所述第三电容和所述第n+3电容的充电和放电。

进一步的，所述多电平输出逆变电路系统通过正弦调制波控制所述一级开关和所述二级开关的关断和导通，以使所述第二级逆变模块的输出为交流电。

第二方面，本发明实施例还提供了一种供电电路，包括上述多电平输出逆变电路系统。

本发明通过一种多电平输出逆变电路系统，包括第一级逆变模块和第二级逆变模块，通过第一级逆变模块将直流电压源的电压进行逆变成多种电平的第一级输出电压，并传输出至第二级逆变模块，使第二级逆变模块将第一级输出电压进一步逆变为第二级输出电压，其中，第二级逆变模块中包括n个开关电容单元，第二级输出电压包括6n+13种输出电平，以实现该逆变电路系统具有输出电平数多且输出增益高的特点，并使逆变电路系统的结构简单可靠，还能够有效降低系统成本。

附图说明

图1是现有技术中的开关电容多电平逆变器的电路结构示意图。

图2为本发明实施例提供的一种多电平输出逆变电路系统的结构示意图。

图3为本发明实施例提供的另一种多电平输出逆变电路系统的结构示意图。

图4为本发明实施例中第一级逆变模块的第一种工作状态示意图。

图5为本发明实施例中第一级逆变模块的第二种工作状态示意图。

图6为本发明实施例中第一级逆变模块的第三种工作状态示意图。

图7为本发明实施例中第一级逆变模块的第四种工作状态示意图。

图8是本发明实施例提供的另一种多电平输出逆变电路系统的结构示意图。

图9是为本发明实施例中第二级逆变模块中电容器的充电示意图。

图10是为本发明实施例中第二级逆变模块中电容器的放电示意图。

图11为本发明实施例中多电平输出逆变电路系统的仿真波形示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

图1是相关技术中的开关电容多电平逆变器的电路结构示意图，如图1所示，该电路由n个串并联开关电容单元和一个全桥逆变电路构成，每个开关电容单元由三个开关管和一个电容器构成，全桥逆变电路包括四个开关管、一个电感和一个电容构成，由n个串并联开关电容单元构成的电路可将直流电压源的电压转换成产生n+1种不同的直流电平，再经全桥电路逆变后，整个电路可输出v

基于上述问题，本发明实施例提供了一种多电平输出逆变电路系统及供电电路，以实现该逆变电路系统具有输出电平数多，开关数量少且输出增益高的特点，使逆变电路系统结构简单可靠，还能够降低成本。

图2为本发明实施例提供的一种多电平输出逆变电路系统的结构示意图，如图2所示，多电平输出逆变电路系统包括第一级逆变模块110和第二级逆变模块120；

第一级逆变模块110的第一端与直流电压源的正极电连接，第一级逆变模块110的第二端与直流电压源的负极电连接，第一级逆变模块110的第三端与第二级逆变模块120的第一端电连接，第一级逆变模块110的第四端与第二级逆变模块120的第二端连接，第一级逆变模块110用于将直流电压源的电压逆变成第一级输出电压，并输出至第二级逆变模块120；其中，直流电压源的电压为V

第一级逆变模块110可以通过控制第一级逆变模块110中的开关管的导通和关断对第一级逆变模块110中电容器进行充电，并通过开关管的导通和关断控制第一级逆变模块110中电容器与直流电压源V

第二级逆变模块120的第三端和第四端为逆变电路的输出端，第二级逆变模块120中包括n个开关电容单元，n大于等于1；第二级逆变模块120用于将第一级输出电压逆变为第二级输出电压，从第二级逆变模块120的第三端和第四端输出；其中，第二级输出电压包括多种输出电平。

具体的，第一级逆变模块110可以通过控制第一级逆变模块110中的开关管的导通和关断对第一级逆变模块110中电容器进行充电，并通过开关管的导通和关断控制第一级逆变模块110中电容器与直流电压源V

本实施例的技术方案，通过一种多电平输出逆变电路系统，包括第一级逆变模块和第二级逆变模块，通过第一级逆变模块将直流电压源的电压进行逆变成多种电平的第一级输出电压，并传输出至第二级逆变模块，使第二级逆变模块将第一级输出电压进一步逆变为第二级输出电压，其中，第二级逆变模块中包括n个开关电容单元，第二级输出电压包括6n+13种输出电平，以实现该逆变电路系统具有输出电平数多且输出增益高的特点，使逆变电路系统的结构简单可靠，还能够有效降低系统成本。

图3为本发明实施例提供的另一种多电平输出逆变电路系统的结构示意图，本实施例以上述实施例为基础，对多电平输出逆变电路系统进一步优化，如图3所示，第一级逆变模块110包括第一二极管D

第一开关T

第一二极管D

第一电容C

具体的，第一开关T

进一步的，第一开关T

具体的，图4为本发明实施例中第一级逆变模块的第一种工作状态示意图，图5为本发明实施例中第一级逆变模块的第二种工作状态示意图，图6为本发明实施例中第一级逆变模块的第三种工作状态示意图，图7为本发明实施例中第一级逆变模块的第四种工作状态示意图。参考图4所示，当第二开关T

进一步的，继续参考图3，第二逆变模块120包括5个一级开关S

第一一级开关S

第二一级开关S

第三一级开关S

第四一级开关S

第五一级开关S

第一二级开关Q

第三二级开关Q

第四二级开关Q

第三电容C3的第一端与开关电容单元121的第四端连接；

第一二级开关Q

具体的，通过控制第二逆变模块120中一级开关和二级开关的导通和关断，从而使第三电容C

进一步的，图8是本发明实施例提供的另一种多电平输出逆变电路系统的结构示意图，如图8所示，第二级逆变模块120中n个开关电容单元121之间串联；

前一个开关电容单元121的第三端与后一个开关电容单元121的第一端电连接，前一个开关电容单元121的第四端与后一个开关电容单元121的第二端电连接。

具体的，第一个开关电容单元121的第一端与第一一级开关S

进一步的，参考图8，第二级逆变模块120中第n个开关电容单元121包括第2n+4一级开关S

第2n+4一级开关S

第2n+5一级开关S

第n+3电容C

具体的，当n为1时，开关电容单元121的数量为1个，开关电容单元121包括第6一级开关S

可选的，如图8所示，第2n+5一级开关为双向全控开关，由两个反向串联的IGBT或MOSFET构成。

具体的，通过使用两个反向串联的IGBT或MOSFET构成第2n+5一级开关可以有效防止开关电容单元121中第n+3电容的过充或者过放电，使开关电容单元121的输出更稳定。

进一步的，通过控制一级开关和二级开关的关断和导通，控制第三电容C

具体的，当开关电容单元121的数量为n个，第一级逆变模块110输出的第一级输出电压V

进一步的，多电平输出逆变电路系统通过正弦调制波控制一级开关的关断和导通，以使第二级逆变模块120的输出为交流电。

具体的，通过控制正弦调制波的频率可以控制交流电的频率。示例性，图11为本发明实施例中多电平输出逆变电路系统的仿真波形示意图，如图11所示，当开关电容单元121的数量为1个时，多电平输出逆变电路系统可输出十九个电平，在仿真软件上搭建仿真模型，设置所有开关的都是理想的，电容器C

本实施例的技术方案，通过一种多电平输出逆变电路系统，包括第一级逆变模块和第二级逆变模块，通过第一级逆变模块将直流电压源的电压进行逆变成多种电平的第一级输出电压，并传输出至第二级逆变模块。通过第二级逆变模块中的n个开关电容单元将第一级输出电压进一步逆变为第二级输出电压，开关电容单元仅包括两个开关管和一个电容，即可实现第二级输出电压具有6n+13种输出电平，该逆变电路系统具有开关管数量较少，且具有输出电平数多且输出增益高的特点，另外，本发明的多电平输出逆变电路系统的结构简单可靠，还能够有效降低系统的制造成本。

进一步的，本发明实施例还提供一种供电电路，包括上述实施例中的多电平输出逆变电路系统。通过该供电电路将光伏发电单元的低压直流电逆变成工业应用需要的交流电，为工业生产提供供电支持。该供电电路具有输出电平数多的特点，供电电路的结构简单可靠，能够有效降低成本。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。