CN2011800095627A 单相多电平逆变器 1-26

(10)申请公布号 CN 102763316 A (43)申请公布日 2012.10.31 CN 102763316 A *CN102763316A* (21)申请号 201180009562.7 (22)申请日 2011.02.15 61/304,538 2010.02.15 US H02M 7/483(2006.01) H02M 7/49(2006.01) (71)申请人 西门子公司 地址 美国新泽西州 (72)发明人 Y. 薛 M. 曼雷卡 (74)专利代理机构 北京市柳沈律师事务所 11105 代理人 谢强 (54) 发明名称 单相多电平逆变器 (57) 摘要 本发明描述了系统及方法， 其利用缩减拓扑 结构提供具有多个电平的多电平逆变器。对于单 相系统， 实施方式提供一种使用双向开关互连的 全桥拓扑结构。 (30)优先权数据 (85)PCT申请进入国家阶段日 2012.08.15 (86)PCT申请的申请数据 PCT/US2011/024864 2011.02.15 (87)PCT申请的公布数据 WO2011/100738 EN 2011.08.18 (51)Int.Cl. 权利要求书 3 页 说明书 8 页 附图 14 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 3 页 说明书 8 页 附图 14 页 1/3 页 2 1. 一种单相逆变器拓扑方法， 包括 ： 选择期望的逆变器输出电平的数量 m， 这里 m 5， 其为整奇数 ； 确定等同直流源的数量 n， 这里 串联方式联结所述 n 个直流源， 其中， 源串联具有限定正极节点 P 的第一直流源、 以及 限定负极节点 N 的最后直流源 ； 限定所述源串联中各直流源之间的一个或多个源串联节点， 其中， 在限定正极节点 P 的第一直流源之后的源串联节点是第一源串联节点， 而在限定负极节点 N 的最后直流源之 前的源串联节点是最后源串联节点 ； 确定单向受控开关的数量 ucs ； 装配一个或更多个逆变器单元， 其中， 一个逆变器单元包括六个单向受控开关， 而商数 确定所选择的逆变器输出电平数量 m 所需要的逆变器单元数量 ； 将各逆变器单元的四个单向受控开关布置为两个双向受控开关 ； 对于各逆变器单元， 将两个双向受控开关联结起来形成一个单元串联节点， 并且将各 双向受控开关的另一端子与一个单向受控开关的发射极端子联结， 形成两个单元节点 ； 联结一个单元的单元串联节点与第一源串联节点， 并且联结所述单元的两个单向受控 开关的集电极端子与所述节点 P ； 对于其余各逆变器单元， 联结单元串联节点与随后源串联节点， 并且联结各单向受控 开关的集电极端子与先前逆变器单元的各自单元节点 ； 以及 联结两个剩余单向受控开关各自的发射极端子与所述节点 N， 并且联结各集电极端子 与最后逆变器单元的各自单元节点。 2.根据权利要求1所述的方法， 其中， 双向受控开关包括发射极-发射极联结在一起的 两个单向受控开关。 3. 根据权利要求 1 所述的方法， 进一步包括从一个逆变器单元中差动方式跨接两个单 元节点的两个串联双向受控开关输出交流。 4. 根据权利要求 1 所述的方法， 进一步包括从各单元节点位于不同逆变器单元中的两 个单元节点输出交流， 所述得到的交流差动方式跨接两个双向受控开关， 其中， 一个或更多 个直流源可以置于所述两个双向受控开关之间。 5. 根据权利要求 1 所述的方法， 其中， 确定单向受控开关的数量 ucs， 包括 ： 对于缩减拓扑结构 ： 如果 m=5， ucs=2（m-1) ； 如果 m=7， 11,15,19， 23,.，以及 如果 m=9,13,17， 21,25,.， ucs= 6. 根据权利要求 1 所述的方法， 其中， 确定单向受控开关的数量 ucs， 包括 ： 对于完全拓扑结构 ： 如果 m 5， ucs=2(m-1)+(m-5)。 7. 根据权利要求 1 所述的方法， 其中， 单向受控开关是一种带有反向并联二极管跨接 权 利 要 求 书 CN 102763316 A 2 2/3 页 3 其开关结的功率半导体。 8. 根据权利要求 7 所述的方法， 其中， 所述功率半导体是一种绝缘栅双极晶体管 （IGBT） 。 9. 根据权利要求 1 所述的方法， 其中， 直流源是电容器。 10. 根据权利要求 1 所述的方法， 其中， 直流源是直流电源。 11. 根据权利要求 1 所述的方法， 其中， 直流源是电池。 12. 一种单相逆变器拓扑方法， 包括 ： 选择期望的逆变器输出电平的数量m， 这里m5， 其为整奇数 ； 确定等同直流源的数量 n， 这里 串联方式联结所述n个直流源， 其中， 所述源串联具有限定正极节点P的第一直流源以 及限定负极节点 N 的最后直流源 ； 限定源串联中各直流源之间的一个或多个源串联节点， 其中， 在限定正极节点 P 的第 一直流源之后的源串联节点是第一源串联节点， 而在限定负极节点 N 的最后直流源之前的 源串联节点是最后源串联节点 ； 确定单向受控开关的数量 ucs; 装配一个或更多个逆变器单元， 其中， 一个逆变器单元包括六个单向受控开关， 而商数 确定所选择的逆变器输出电平数量 m 所需要的逆变器单元的数量 ； 将各逆变器单元的四个单向受控开关布置为两个双向受控开关 ； 对于各逆变器单元， 将两个双向受控开关联结起来形成单元串联节点， 并且将各双向 受控开关的另一端子与一个单向受控开关的发射极端子联结， 形成两个单元节点 ； 联结第一逆变器单元的单元串联节点与所述最后源串联节点， 以及联结两个剩余单向 受控开关各自的发射极端子与所述节点 N， 并且联结各集电极端子与第一逆变器单元的各 自单元节点 ； 对于其余各逆变器单元， 联结单元串联节点与先前源串联节点， 并且联结各单元节点 与随后逆变器单元的单向受控开关的集电极端子 ； 以及 对于所述最后逆变器单元， 联结所述最后单元的两个单向受控开关的集电极端子与所 述节点 P。 13.根据权利要求12所述的方法， 其中， 一个双向受控开关包括发射极-发射极联结在 一起的两个单向受控开关。 14. 根据权利要求 12 所述的方法， 进一步包括从一个逆变器单元中差动方式跨接两个 单元节点的两个串联双向受控开关输出交流。 15. 根据权利要求 12 所述的方法， 进一步包括从各单元节点处于不同逆变器单元中的 两个单元节点输出交流， 所述得到的交流差动方式跨接两个双向受控开关， 其中， 一个或更 多个直流源可以置于所述两个双向受控开关之间。 16. 根据权利要求 12 所述的方法， 其中， 确定单向受控开关的数量 ucs， 包括 ： 对于缩减拓扑结构 ： 如果 m=5， ucs=2（m-1) ； 权 利 要 求 书 CN 102763316 A 3 3/3 页 4 如果 m=7,11,15,19,23,.， ucs=以及 如果 m=9,13,17,21,25、 .， 17. 根据权利要求 12 所述的方法， 其中， 确定单向受控开关的数量 ucs， 包括 ： 对于完全拓扑结构 ： 如果 m 5， ucs=2(m-1)+(m-5)。 18. 根据权利要求 12 所述的方法， 其中， 单向受控开关是一种带有反向并联二极管跨 接其开关结的功率半导体。 19. 根据权利要求 18 所述的方法， 其中， 所述功率半导体是一种绝缘栅双极晶体管 （IGBT） 。 20. 根据权利要求 12 所述的方法， 其中， 直流源是电容器。 21. 根据权利要求 12 所述的方法， 其中， 直流源是直流电源。 22. 根据权利要求 12 所述的方法， 其中， 直流源是电池。 权 利 要 求 书 CN 102763316 A 4 1/8 页 5 单相多电平逆变器 0001 对相关申请的交叉引用 0002 本申请要求以在2010年2月15日提交的美国临时申请No.61/304,538的优先权， 该申请的全部内容在此以引用方式并入本文。 技术领域 0003 本发明一般地涉及直流 - 交流逆变器， 具体而言， 本发明涉及用于具有缩减拓扑 结构的多电平逆变器的方法及系统。 背景技术 0004 当今， 电力工业已经复兴并且进入了利用可再生能的新时代， 并且， 在高效发电、 输电、 以及配电中， 多电平功率变换器可能承担着重要角色。 0005 根据单一功率半导体器件不能满足有关中压功率变换器所需的电压要求的认 识， 浮现出多电平功率变换器。多电平功率变换在有关中压交流驱动、 柔性交流输电系统 （FACTS） 装置、 中压直流 （MVDC） 输电、 以及高压直流 （HVDC） 输电系统等应用的电力工程领 域快速发展。尽管当今高功率半导体技术已经达到 6.5kV 和 2.5kA 额定功率， 但用成熟中 功率半导体技术构建的多电平功率变换器也提出了竞争性的可选择解决方案， 由于其呈现 更低畸变和更好谐波消除的同步波形、 较小的和共模电压、 以及低开关频率操作的能力， 并且利用具有较低额定电压的半导体器件获得更高的电压， 这种解决方案具有胜过常规 2 电平变换器的许多优点。 0006 拓扑结构而言， 多电平结构可能视为由多个离散直流电压源实现的交流电压合成 器。需要多个等同直流源 （equal DC source） 。多电平逆变器以离散电压电平提供交流输 出波形。越多梯级 （step） 或电平产生越平滑的正弦波形， 并且减小输出滤波量。实际上， 考虑变换器的复杂性和滤波器需求折衷选择电平的数量。通过优化梯级的高度和角度， 可 能消除一定的较低次谐波。另外， 通过在各电平使用脉冲宽度调制 （PWM） 技术， 可能减少谐 波频谱。 0007 关于电力公司和电机驱动应用已经提出并研究了大量多电平逆变器拓扑结构。 图 1A 和图 1B 示出了现有技术半桥及全桥二极管箝位或中性点箝位 （NPC）逆变器。图 2A 和图 2B 示出了现有技术半桥及全桥电容箝位或飞跨电容逆变器 （flying-capacitor inverter） 。图 3 示出了现有技术级联 H 桥式逆变器， 其具有单独直流供电以及节点 A 与 B 处的交流输出。图 4 示出了以不带单独直流源的级联双端子模块取代 H 桥结构以形成模块 结构的现有技术拓扑结构。 0008 二极管箝位多电平变换器是最广泛使用的逆变器拓扑结构。然而， 这种拓扑结构 对于实现 5 电平以上逆变器是麻烦的。 0009 需用一种允许大于 5 个电平的缩减逆变器拓扑结构。 说 明 书 CN 102763316 A 5 2/8 页 6 发明内容 0010 本发明人发现希望的是具有这样的方法及系统， 其利用缩减拓扑结构提供具有多 个电平的多电平逆变器。对于单相系统， 实施方式提供一种使用单向和双向受控开关互连 的全桥拓扑结构。由于差动方式获得交流输出， 直流源的需要量可能减半。 0011 实施方式提供了一类单相多电平逆变器拓扑结构， 其使用带有双向互连的全桥方 法 （full-bridge approach） 。与二极管箝位或飞跨电动多电平拓扑结构相比， 要求的分 隔 - 干线 （split-rail） 直流输入较少， 而且， 通过去除冗余开关状态， 可能降低所需功率开 关数量。采用不对称直流源， 在所提出的通用化多电平结构中， 可能增加输出电平的数量。 0012 本发明的一方面提供一种用于单相逆变器拓扑结构的方法。 根据本发明这方面的 方法包括 ： 选择期望的逆变器输出电平的数量 m， 这里 m 5， 其为整奇数 ； 确定等同直流源 的数量n， 这里串联方式联结n个直流源， 其中， 源串联具有限定正极节点P的第一 直流电源、 以及限定负极节点 N 的最后直流源 ； 限定源串联中各直流源之间的一个或多个 源串联节点， 其中， 在限定正极节点 P 的第一直流源之后的源串联节点是第一源串联节点， 而在限定负极节点 N 的最后直流源之前的源串联节点是最后源串联节点 ； 确定单向受控开 关的数量 ucs ； 装配一个或更多个逆变器单元， 其中， 一个逆变器单元包括六个单向受控开 关， 而商数确定所选择的逆变器输出电平数量 m 所需要的逆变器单元数量 ； 将各逆变器 单元的四个单向受控开关布置为两个双向受控开关 ； 对于各逆变器单元， 将两个双向受控 开关联结起来， 形成一个单元串联节点， 并且将各双向受控开关的另一端子与一个单向受 控开关的发射极端子联结， 形成两个单元节点 ； 联结一个单元的单元串联节点与第一源串 联节点， 并且联结该单元的两个单向受控开关的集电极端子与节点 P ； 对于其余各逆变器 单元， 联结单元串联节点与随后源串联节点， 并且联结各单向受控开关的集电极端子与先 前逆变器单元的各自单元节点 ； 以及， 联结两个剩余单向受控开关各自的发射极端子与节 点 N， 并且， 联结各集电极端子与最后逆变器单元的各自单元节点。 0013 本发明的另一方面是一种单向逆变器拓扑方法。根据本发明这方面的方法包括 ： 选择期望的逆变器输出电平的数量 m， 这里 m 5， 其为整奇数 ； 确定等同直流源的数量 n， 这里串联方式联结 n 个直流源， 其中， 源串联具有限定正极节点 P 的第一直流源 以及限定负极节点 N 的最后直流源 ； 限定源串联中各直流源之间的一个或多个源串联节 点， 其中， 在限定正极节点 P 的第一直流源之后的源串联节点是第一源串联节点， 而在限定 负极节点 N 的最后直流源之前的源串联节点是最后源串联节点 ； 确定单向受控开关的数量 ucs ； 装配一个或更多个逆变器单元， 其中， 一个逆变器单元包括六个单向受控开关， 而商数 确定所选择的逆变器输出电平数量 m 所需要的逆变器单元的数量 ； 将各逆变器单元的 四个单向受控开关布置为两个双向受控开关 ； 对于各逆变器单元， 将两个双向受控开关联 结起来形成单元串联节点， 并且将各双向受控开关的另一端子与一个单向受控开关的发射 极端子联结， 形成两个单元节点 ； 联结第一逆变器单元的单元串联节点与最后源串联节点， 以及， 联结两个剩余单向受控开关各自的发射极端子与节点 N， 并且联结各集电极端子与第 一逆变器单元的各自单元节点 ； 对于其余各逆变器单元， 联结单元串联节点与先前源串联 说 明 书 CN 102763316 A 6 3/8 页 7 节点， 并且联结各单元节点与随后逆变器单元的单向受控开关的集电极端子 ； 以及， 对于最 后逆变器单元， 联结最后单元的两个单向受控开关的集电极端子与节点 P。 0014 在附图和下文说明中阐明了本发明的一种或更多实施方式的细节。 根据描述及附 图以及根据权利要求， 本发明的其他特点、 目的、 以及优点将更为明了。 附图说明 0015 图 1A 是一种现有技术半桥二极管箝位式 5 电平逆变器拓扑结构 ； 0016 图 1B 是一种现有技术全桥二极管箝位式 5 电平逆变器拓扑结构 ； 0017 图 2A 是一种现有技术半桥飞跨电容式 5 电平逆变器拓扑结构 ； 0018 图 2B 是一种现有技术全桥飞跨电容式 5 电平逆变器拓扑结构 ； 0019 图 3 是一种现有技术级联 H 桥式 5 电平逆变器拓扑结构 ； 0020 图 4 是一种现有技术模块式 5 电平逆变器拓扑结构 ； 0021 图 5A 是一种具有完全数量功率半导体开关的示范 5 电平逆变器拓扑结构 ； 0022 图 5B 是一种具有缩减数量功率半导体开关的示范 5 电平逆变器拓扑结构 ； 0023 图 6A 是示出图 5A 中完全拓扑结构 5 电平逆变器所用功率开关的表格 ； 0024 图 6B 是示出图 5B 中缩减拓扑结构 5 电平逆变器所用功率开关的表格 ； 0025 图 7 是关于图 5B 中缩减拓扑结构 5 电平逆变器的功率开关以及 VAB输出的示范曲 线 ； 0026 图 8 是关于图 5B 中缩减拓扑结构 5 电平逆变器在轻负载下的电容电压以及 Vac 输出的示范曲线 ； 0027 图 9 是关于图 5B 中缩减拓扑结构 5 电平逆变器在重负载下的电容电压以及 Vac 输出的示范曲线 ； 0028 图 10A 是一种示范 7 电平逆变器， 其具有来自完全 （左） 以及缩减 （右） 拓扑结构中 最后逆变器单元的交流输出 ； 0029 图 10B 是一种示范 7 电平逆变器， 其具有来自完全 （左） 以及缩减 （右） 拓扑结构中 第一逆变器单元的交流输出 ； 0030 图 11 是一种示范 9 电平逆变器， 其具有来自完全 （左） 以及缩减 （右） 拓扑结构中 第二逆变器单元的交流输出 ； 0031 图 12 是示出图 10B 中 7 电平完全 （左） 以及缩减 （右） 拓扑结构所用功率开关的表 格 ； 0032 图 13 是比较完全及缩减实施方式拓扑结构与现有技术所用开关器件数量的表 格 ； 0033 图 14 是比较本实施方式与现有技术之间零部件数量的表格 ； 0034 图 15 是一种多电平逆变器拓扑方法 ； 0035 图 16 是一种示范逆变器级联拓扑结构 ； 以及 0036 图 17 是一种两级级联 5 电平逆变器的示范输出曲线。 具体实施方式 0037 下面， 参照附图说明本发明的实施方式， 所有附图中相同附图标记代表相同元件。 说 明 书 CN 102763316 A 7 4/8 页 8 在具体说明本发明的实施方式之前， 应当理解， 本发明并不将其应用局限于下文描述中所 提出或附图中所图示的示例的细节。本发明能有其他实施方式， 并且能在不同应用中以及 以不同方式实行或者实现。此外， 应当理解， 这里所使用的措辞以及术语是出于说明的目 的， 而不应视为限制。 “包括” 、“包含” 、 或者 “具有” 及其变体在这里的使用意指包括其后所 列项及其等效项以及补充项。 0038 术语 “连接” 、“联结” 广义使用， 并且包括直接以及间接连接及联结二者。此外，“连 接” 以及 “联结” 并不限制于物理或机械连接或联结。 0039 应当注意到， 本发明并不局限于所描述的或者图中所暗示的任何特定软件语言。 本领域的普通技术人员应当理解多种软件语言可以用来实现本发明。还应当理解， 一些构 成部件或零件 （item） 图示或者描述成它们似乎是硬件构成部件， 如本领域内通常实践的那 样。 然而， 本领域内的普通技术人员， 以及基于本具体说明的阅读， 将会理解， 在至少一种实 施例中， 本方法以及系统中的构成部件可以以软件或硬件实现。 0040 本发明的实施方式提供方法、 系统框架、 以及一种存储计算机可读指令的计算机 可用介质， 其提供使用缩减拓扑结构的具有多个电平的多电平逆变器。本发明可以配置为 软件， 如确实地包含在程序存储装置上的应用程序。用于执行的应用代码可能驻留在本领 域技术人员周知的多个不同类型的计算机可读介质上。 0041 图 5A 示出一种 5 电平单相逆变器拓扑结构， 其具有在差动输出接点 A 与 B 之间 得到的交流。5 电平逆变器包括 ： 四个单向受控开关 S1、 S2、 S3、 S4； 两个双向受控开关 S5、 S6； 以及串联的两个直流源典型的单向受控开关包括功率半导体， 诸如绝缘栅双 极晶体管 （IGBTs） ， 带有跨接其发射极 - 集电极结的反向并联二极管。IGBT 是一种三端功 率半导体器件， 具有用于控制输入 （栅极） 的绝缘场效应晶体管 （FET） 以及作为开关的双极 功率晶体管 （集电极 - 发射极） 。功率半导体器件还可能是金属氧化物半导体场效应晶体管 （MOSFETs） 、 集成门极换流晶闸管 （IGCTs） 、 门极可关断晶闸管 （GTOs） 、 或者其它类型。IGBT 发射极等效于 MODEFET 源极、 或者 IGCT 或 GTO 阳极。IGBT 集电极等效于 MOSFET 漏极或者 IGCT 或 GTO 阴极。对于本披露， 单向受控开关被视为二端 （集电极 - 发射极） 器件。对于单 向受控开关 S1、 S2、 S3、 S4， 反向并联二极管的阳极与发射极联结。双向受控开关可能通过将 两个单向受控开关的发射极联结在一起形成。两个直流源可以是两个分立直流电 源或者两个电容 （C1、 C2） ， 它们将跨接在节点 P 与 N 之间的一个公共直流电源 （V） 分隔成串 联的两个分立直流电源。单向及双向受控开关的总数 （6 个） 与现有技术 5 电平拓扑结构中 所使用的相同。由于差动方式 （differentially） 得到 0Vac， 并且不是通过箝位至中性， 中 性地节点 O 可能灵活地布置。 0042 为了避免短路直流母线或两个直流源对开关控制方案强加下列约束 ： 0043 S1 和 S3 不能同时接通 ； 0044 S1 和 S5 不能同时接通 ； 0045 S3 和 S5 不能同时接通 ； 0046 S2 和 S4 不能同时接通 ； 0047 S2 和 S6 不能同时接通 ； 以及 说 明 书 CN 102763316 A 8 5/8 页 9 0048 S4 和 S6 不能同时接通。 0049 在这些开关约束下， 由输出节点 A 与 B 之间的差动电压合成 5 电平交流输出波形。 为了方便， 将两个直流源之间的串联源节点接地。使用四个单向受控开关 S1、 S2、 S3、 S4和两个双向受控开关 S5、 S6可能开关输出节点 A 与 B， 以与正极 P、 公共 O、 以及负极 N 直流节点 （电势） 连接。 0050 图 6A 示出一种表格， 其列出了在输出节点 A 与 B 处产生 5 电平正弦波 （VAB） 的开 关 Sn状态的全部组合。在任何时候， 都要求只有两个开关闭合以输出特定电压电平。逐周 期可能交替冗余开关选择， 以平衡直流源电压分享及利用。 0051 图 5B 示出一种使用四个单向 （S1、 S2、 S3、 S4） 和一个双向 （S6） 受控开关的 5 电平逆 变器拓扑结构。在从完全拓扑结构 （图 5A） 中去掉一个双向受控开关 S5的情况下， 仍然达 到所要求的输出电压电平。图 6B 示出的表格中列出了开关 Sn状态的全部组合。 0052 在正半周期间， 使节点 A 箝位至节点 P（S1接通、 S3断开） ， 并且在节点 P、 O 或 N 之间开关节点 B， 以分别得到 0V、以及 +V。在负半周期间， 使节点 A 箝位至节点 N （S1断开、 S3接通） ， 并且在节点N、 O或P之中开关节点B， 以分别得到0V、以及-V。 图 7 示出了有关图 5B 所示缩减拓扑结构 5 电平逆变器一个周期内的开关导电状态 S1、 S2、 S3、 S4、 S6以及所得到的输出交流 （VAB） 。 0053 建立本实施例的 MATLAB/Simulink 模型， 以仿真基本操作原理。在最低频率开关 模式下 （接近于基频 60Hz） ， 图 8 和图 9 描绘构造为电容 C1、 C2（节点 P 与 N 之间有一个公共 直流电源 （V） ） 的直流源在不同交流负载条件下它们的电压 VC1、 VC2（上面曲线） 以 及所产生的观察到的交流波形 （下面曲线） 。 0054 交替使用两个零电压状态， 以平衡电容电压 VC1、 VC2。图 8 （上面曲线） 示出， 当电容 C1和 C2足够大 （2000F、 400V 直流） 且交流负载不重 （10 电阻与 1mH 电感串联） 时， 输出 （下面曲线） VAB波形 （阶梯线） 将是奇对称和镜像对称， 其消除了直流分量和所有偶次谐波。 为了抵消一定的低次谐波， 选择 5 电平逆变器的各电平用的适当角度， 以满足 ： 0055 0056 其中， 1和 2是关于不同电压电平的弧度角 （图 7， VAB与 t 的关系） ， 而 n 是所 要抵消的谐波次数。 0057 在各逆变器输出电平处， 增加开关脉冲或者使用脉冲宽度调制 （PWM） 技术可能控 制输出电压幅值， 以及， 进一步抑制低次谐波频谱， 并且减小输出滤波器 （电感及电容） 大 小。 0058 通过增加分隔 - 干线直流源以及逆变器单元 （单向及双向受控开关） ， 实施方式是 可伸缩的， 并允许增加逆变器输出电平的数量。 0059 图 10A 和图 10B（左） 示出了具有完全拓扑结构的 7 电平逆变器， 其具有 ： 三个等 同直流源 （C） ； 六个单向受控开关 S1、 S2、 S3、 S4、 S5、 S6； 以及四个双向受控开关 S7、 S8、 S9、 S10。 交流输出可以要么在最后逆变器单元之间 （单元节点 A 与 B 之间， 图 10A） 要么在第一逆变 说 明 书 CN 102763316 A 9 6/8 页 10 器单元之间 （单元节点 A 与 B 之间， 图 10B） 得到。 0060 对于 7 电平逆变器完全拓扑结构， 存在冗余状态来实现一种特定电压电平。例如， 存在四个选择来得到零电压， 三个选择来得到或两个选择用于或以 及一个选择用于 +V 或 -V 电压电平。通过牺牲单个开关的电压应力 （voltage stress） ， 可 以减少开关的数量， 并产生相同输出。图 10A 和图 10B（右） 示出了单向受控开关总数从六 个减少四个、 以及双向受控开关数量从四个减少至两个。 0061 图 11 示出了关于 9 电平逆变器的类似缩减。图 12 示出的表格中列出了关于图 10B 所示的完全以及缩减 7 电平逆变器拓扑结构的开关状态的全部组合。 0062 对于更多电平逆变器， 缩减拓扑结构的开关不是唯一的。然而， 对于期望的 m 电平 逆变器而言， 所需要半导体开关的最小数量是唯一的。 实施方式提供了一种方法， 以得到期 望多电平逆变器输出所用的直流源的数量、 以及单向和双向受控开关的数量。 0063 图13示出的表格比较不同逆变器电平以及其所需要的开关器件数量。 例如， 13电 平逆变器将需要六个分隔 - 干线直流源。对于完全拓扑结构方案， 各直流源都有用。对于 缩减拓扑结构方案， 省略了与一些直流源的连接。对于 13 电平逆变器， 开关元件最多减少 12 个， 达到 20 个的最小数量。 0064 图 14 是比较本多电平实施方式拓扑结构与现有技术多电平逆变器拓扑结构所使 用电子元件数量的表格。图 13 示出完全拓扑结构实施方式就开关数量而言并不令人满意， 而缩减拓扑结构实施方式提供了开关数量的实质性减少。对于缩减拓扑结构， 不同半导体 开关的反向阻断电压可能是不对称的， 因为一些开关比其他开关跨接更高的直流电压。另 外， 使用较少的分隔 - 干线直流源， 与相同电平常规拓扑结构相比， 开关的电压应力更高。 0065 图 15 示出了实现完全以及缩减多电平逆变器拓扑结构实施方式所用的方法。选 择期望的逆变器输出电平的数量m， 这里， m5， 其为整奇数 （步骤1501） 。 基于输出电平m， 确定串联直流源的数量n， 这里，直流源n可以是n个等同的分立直流源、 或者分隔 一个公共直流电源的 n 个等同电容 （步骤 1503） 。 0066 将n个直流源串联方式联结起来 （其中直流源加在一起） ， 以及， 限定位于第一直流 源正极端的正极节点 P、 位于最后直流源负极端的负极节点 N、 以及位于第一直流源之后以 第一串联源节点开始的位于各直流源串联联结处的一个或更多个串联源节点 （步骤 1505、 1507） 。如果使用了 n 个电容， 则将一个公共直流电源 （V） 联结在节点 P 与 N 之间。 0067 根据所选择的输出电平数量 m， 取决于期望完全逆变器拓扑结构 （步骤 1509、 1513） 或者缩减逆变器拓扑结构 （步骤 1509、 1511） ， 确定单向受控开关的数量 ucs。图 13 示 出完全以及缩减逆变器拓扑结构单向受控开关需要量之间的关系。 根据单向受控开关的总 数 ucs， 装配逆变器单元。 0068 一个逆变器单元包括两个单向受控开关和两个双向受控开关。所以， 一个逆变器 单元需要六个单向受控开关。根据单向受控开关的总数 ucs， （商数） 确定关于所选择逆 变器输出电平数量 m 的逆变器单元的数量。单向受控开关的总数 ucs 之中， 两个双向受控 开关剩余 （余数）（步骤 1515） 。如上所述， 一个双向受控开关包括发射极 - 发射极联结在一 起的两个单向受控开关。 说 明 书 CN 102763316 A 10 7/8 页 11 0069 对于各逆变器单元， 将两个双向受控开关联结在一起， 并且其公共节点形成单元 串联节点。各双向受控开关的另一端子与一个单向受控开关的发射极端子联结， 形成两个 单元节点 （步骤 1517） 。所以， 各逆变器单元具有一个单元串联节点和两个单元节点。 0070 各逆变器单元串联节点与源串联节点联结。 第一源串联节点与一个单元的单元串 联节点联结， 而该单元的两个单向受控开关的集电极端子则与节点 P 联结 （步骤 1519） 。对 于其余各逆变器单元， 将一个单元的单元串联节点与随后源串联节点联结， 并且， 将各单向 受控开关的集电极端子与先前逆变器单元的各自单元节点联结 （步骤 1521） 。 0071 在全部逆变器单元与各自电源串联节点以及先前逆变器单元的单元节点联结之 后， 两个单向受控开关剩余。 0072 两个剩余单向受控开关各自的发射极端子与节点 N 联结， 并且将各集电极端子与 最后逆变器单元的各自单元节点联结 （步骤1523） 。 交流输出可以差动方式跨接一个逆变器 单元中的两个串联双向受控开关取得 （步骤 1525） ， 或者来自两个单元节点， 这里各单元节 点在不同逆变器单元中， 并且得到的交流差动方式跨接两个双向受控开关， 这里， 一个或更 多个直流源可以介于该两个双向受控开关之间 （步骤 1527） 。 0073 可选择地， 与其在第一源串联节点开始， 倒不如将最后源串联节点与第一单元的 单元串联节点联结， 并且将该单元的两个单向受控开关的发射极端子与节点 N 联结。对于 其余各逆变器单元， 将一个单元的单元串联节点与先前源串联节点联结， 并将各单向受控 开关的发射极端子与先前逆变器单元的各自单元节点联结。将两个剩余单向受控开关各 自的集电极端子与节点 P 联结， 并且将各发射极端子与最后逆变器单元的各自单元节点联 结。 0074 一个或更多个 m 电平逆变器可以级联起来以形成具有 m 以上电平的组合输出。图 16 示出以串联级联方式联结在一起的三个或更多个 5 电平逆变器 1、 逆变器 2、 逆变器 x。符号表示在拓扑结构中所使用的逆变器单向受控开关和双向受控开关。级联拓扑结构 限定了跨接整个级联的两个输出节点 AC和 BC。级联中所使用的各单独的逆变器 1、 逆变器 2、 逆变器 x 具有两个差动输出节点 Ax、 Bx。 0075 跨接两个级联的 5 电平 （m=5） 逆变器的输出产生 9 电平级联输出 （AC、 BC） 。如果再 级联另一