[发明专利]一种双T型四电平逆变单元及其应用电路和调制方法

权利要求书

1.一种共集电极双T型四电平逆变单元构成的单相四电平逆变电路的调制方法，其特征在于，共集电极双T型四电平逆变单元构成的单相四电平逆变电路主要包括一个所述共集电极双T型四电平逆变单元、开关管S_II7、开关管S_II8和电阻R；

单相四电平逆变电路结构主要如下所示：

共集电极双T型四电平逆变单元的电路结构如下：

电源U_in2正极所在的一端记为G端，负极所在的一端记为H端；

所述G端依次串联电容C_II1、电容C_II2和电容C_II3后串联所述H端；

所述G端串联电容C_II1后连接开关管S_II1的集电极；所述开关管S_II1的基极悬空；所述开关管S_II1的发射极串联开关管S_II2的集电极；所述开关管S_II1的发射极串联开关管S_II3的发射极；

所述开关管S_II2的基极悬空；所述开关管S_II2的发射极串联电容C_II3与电容C_II2相连的一端；

所述开关管S_II3的基极悬空；所述开关管S_II3的集电极串联开关管S_II4的集电极；

所述开关管S_II4的基极悬空；所述开关管S_II4的发射极串联开关管S_II5的发射极；所述开关管S_II4的发射极串联开关管S_II6的集电极；

所述开关管S_II1、所述开关管S_II2、所述开关管S_II3和所述开关管S_II4构成一个T型网络；

所述开关管S_II5的发射极串联开关管S_II6的集电极；所述开关管S_II5的基极悬空；所述开关管S_II5的集电极串联电容C_II1；所述开关管S_II5的集电极串联G端；

所述开关管S_II6的基极悬空；所述开关管S_II6的发射极串联电容C_II3；所述开关管S_II6的发射极串联H端；

所述开关管S_II3、所述开关管S_II4、所述开关管S_II5和所述开关管S_II6构成一个T型网络

所述共集电极双T型四电平逆变单元的所述开关管S_II5集电极串联所述开关管S_II7的集电极；

所述开关管S_II7的基极悬空；所述开关管S_II7的发射极串联开关管S_II8的集电极；所述开关管S_II7的集电极串联所述共集电极双T型四电平逆变单元的电容C_II1；所述开关管S_II7的集电极串联所述共集电极双T型四电平逆变单元的G端；

所述开关管S_II8的基极悬空；所述开关管S_II8的发射极串联所述共集电极双T型四电平逆变单元的电容C_II3；所述开关管S_II8的发射极串联所述共集电极双T型四电平逆变单元的H端；

所述共集电极双T型四电平逆变单元中所述开关管S_II4发射极、所述开关管S_II5发射极和所述开关管S_II6集电极交汇的一点记为J端；

所述J端串联电阻R的一端；所述电阻R的另一端串联所述开关管S_II7的发射极；所述电阻R的另一端串联所述开关管S_II8的集电极；

共集电极双T型四电平逆变单元构成的单相四电平逆变电路的调制方法主要有两种；

第一种调制方法主要包括以下步骤：

1）在逆变控制模块设定开关组合状态和输出电压；

所述单相四电平逆变电路的开关管有8个工作模式；“1”代表闭合此开关；“0”代表关断此开关；

第一工作模式为：所述开关管S_II1、所述开关管S_II2、所述开关管S_II3、所述开关管S_II4、所述开关管S_II5、所述开关管S_II6、所述开关管S_II7和所述开关管S_II8的开关状态为00001001；第一工作模式下所述单相四电平逆变电路的输出电压为U_in；

第二工作模式为：所述开关管S_II1、所述开关管S_II2、所述开关管S_II3、所述开关管S_II4、所述开关管S_II5、所述开关管S_II6、所述开关管S_II7和所述开关管S_II8的开关状态为10110001；第二工作模式下所述单相四电平逆变电路的输出电压为2/3 U_in；

第三工作模式为：所述开关管S_II1、所述开关管S_II2、所述开关管S_II3、所述开关管S_II4、所述开关管S_II5、所述开关管S_II6、所述开关管S_II7和所述开关管S_II8的开关状态为01110001；第三工作模式下所述单相四电平逆变电路的输出电压为1/3 U_in；

第四工作模式为：所述开关管S_II1、所述开关管S_II2、所述开关管S_II3、所述开关管S_II4、所述开关管S_II5、所述开关管S_II6、所述开关管S_II7和所述开关管S_II8的开关状态为00000101；第四工作模式下所述单相四电平逆变电路的输出电压为0；

第五工作模式为：所述开关管S_II1、所述开关管S_II2、所述开关管S_II3、所述开关管S_II4、所述开关管S_II5、所述开关管S_II6、所述开关管S_II7和所述开关管S_II8的开关状态为00001010；第五工作模式下所述单相四电平逆变电路的输出电压为0；

第六工作模式为：所述开关管S_II1、所述开关管S_II2、所述开关管S_II3、所述开关管S_II4、所述开关管S_II5、所述开关管S_II6、所述开关管S_II7和所述开关管S_II8的开关状态为10110010；第六工作模式下所述单相四电平逆变电路的输出电压为-1/3 U_in；

第七工作模式为：所述开关管S_II1、所述开关管S_II2、所述开关管S_II3、所述开关管S_II4、所述开关管S_II5、所述开关管S_II6、所述开关管S_II7和所述开关管S_II8的开关状态为01110010；第七工作模式下所述单相四电平逆变电路的输出电压为-2/3 U_in；

第八工作模式为：所述开关管S_II1、所述开关管S_II2、所述开关管S_II3、所述开关管S_II4、所述开关管S_II5、所述开关管S_II6、所述开关管S_II7和所述开关管S_II8的开关状态为00000110；第八工作模式下所述单相四电平逆变电路的输出电压为-U_in；

2）逆变控制模块根据上位机给定的载波频率，产生载波频率为f_c、幅值为V_C且恒定的三层三角载波C（t）；第一层三角载波记为C₁（t）、第二层三角载波记为C₂（t）；第三层三角载波记为C₃（t）；

3）逆变控制模块根据上位机给定的所述单相四电平逆变电路输出侧电压幅值和频率要求，产生恒定的调制波m₁（t），调制频率为f_m；

（1）

4）逆变控制模块利用调制波同相层叠方法，将步骤3）得到的调制波和三角载波进行比较，产生八个开关信号；主要判断方法如下：

当调制波m（t）大于0时，产生开关信号A；当调制波m（t）小于0时，产生开关信号；

当调制波m₁（t）大于或等于所述第三层三角载波C₃（t）时，产生开关信号B；当调制波m₁（t）小于所述第三层三角载波C₃（t）时，产生开关信号；

当调制波m₁（t）大于或等于所述第二层三角载波C₂（t）时，产生开关信号C；当调制波m₁（t）小于所述第二层三角载波C₂（t）时，产生开关信号；

当调制波m₁（t）大于或等于所述第一层三角载波C₁（t）时，产生开关信号D；当调制波m₁（t）小于所述第一层三角载波C₁（t）时，产生开关信号；

5）根据步骤4）中得到的开关信号选定开关管的工作模式；判断开关管S_II1、开关管S_II2、开关管S_II3、开关管S_II4、开关管S_II5、开关管S_II6、开关管S_II7和开关管S_II8的开关状态的方法如下式所示：

（2）

6）根据公式（2），所述逆变控制模块将所述开关管的开关信号发送给各开关管并驱动开关管的开通和关断；

7）重复执行步骤4）至步骤6），保证稳定的波形输出；

第二种调制方法主要包括以下步骤：

1）在逆变控制模块设定开关组合状态和输出电压；

所述单相四电平逆变电路的开关管有8个工作模式；“1”代表闭合此开关；“0”代表关断此开关；

第一工作模式为：所述开关管S_II1、所述开关管S_II2、所述开关管S_II3、所述开关管S_II4、所述开关管S_II5、所述开关管S_II6、所述开关管S_II7和所述开关管S_II8的开关状态为00001001；第一工作模式下所述单相四电平逆变电路的输出电压为U_in；

第二工作模式为：所述开关管S_II1、所述开关管S_II2、所述开关管S_II3、所述开关管S_II4、所述开关管S_II5、所述开关管S_II6、所述开关管S_II7和所述开关管S_II8的开关状态为10110001；第二工作模式下所述单相四电平逆变电路的输出电压为2/3 U_in；

第三工作模式为：所述开关管S_II1、所述开关管S_II2、所述开关管S_II3、所述开关管S_II4、所述开关管S_II5、所述开关管S_II6、所述开关管S_II7和所述开关管S_II8的开关状态为01110001；第三工作模式下所述单相四电平逆变电路的输出电压为1/3 U_in；

第四工作模式为：所述开关管S_II1、所述开关管S_II2、所述开关管S_II3、所述开关管S_II4、所述开关管S_II5、所述开关管S_II6、所述开关管S_II7和所述开关管S_II8的开关状态为00000101；第四工作模式下所述单相四电平逆变电路的输出电压为0；

第五工作模式为：所述开关管S_II1、所述开关管S_II2、所述开关管S_II3、所述开关管S_II4、所述开关管S_II5、所述开关管S_II6、所述开关管S_II7和所述开关管S_II8的开关状态为00001010；第五工作模式下所述单相四电平逆变电路的输出电压为0；

第六工作模式为：所述开关管S_II1、所述开关管S_II2、所述开关管S_II3、所述开关管S_II4、所述开关管S_II5、所述开关管S_II6、所述开关管S_II7和所述开关管S_II8的开关状态为10110010；第六工作模式下所述单相四电平逆变电路的输出电压为-1/3 U_in；

第七工作模式为：所述开关管S_II1、所述开关管S_II2、所述开关管S_II3、所述开关管S_II4、所述开关管S_II5、所述开关管S_II6、所述开关管S_II7和所述开关管S_II8的开关状态为01110010；第七工作模式下所述单相四电平逆变电路的输出电压为-2/3 U_in；

第八工作模式为：所述开关管S_II1、所述开关管S_II2、所述开关管S_II3、所述开关管S_II4、所述开关管S_II5、所述开关管S_II6、所述开关管S_II7和所述开关管S_II8的开关状态为00000110；第八工作模式下所述单相四电平逆变电路的输出电压为-U_in；

2）逆变控制模块根据上位机给定的载波频率，产生所述第一层三角载波C₁（t）；

3）逆变控制模块根据上位机给定的所述单相四电平逆变电路输出侧电压幅值和频率要求，产生频率均为f_m且恒定的调制波m（t）、m₁（t）、调制波m₂（t）和调制波m₃（t）；

（3）

4）逆变控制模块利用调制波同相层叠方法，将步骤3）得到的调制波m（t）、调制波m₁（t）、调制波m₂（t）和调制波m₃（t）分别和所述第一层三角载波C₁（t）进行比较，产生八个开关信号；主要判断方法如下：

当调制波m（t）大于0时，产生开关信号A；当调制波m（t）小于0时，产生开关信号；

当调制波m₁（t）大于或等于所述第一层三角载波C₁（t）时，产生开关信号D；当调制波m₁（t）小于所述第一层三角载波C₁（t）时，产生开关信号；

当调制波m₂（t）大于或等于所述第一层三角载波C₁（t）时，产生开关信号C；当调制波m₂（t）小于所述第一层三角载波C₁（t）时，产生开关信号；

当调制波m₃（t）大于或等于所述第一层三角载波C₁（t）时，产生开关信号B；当调制波m₃（t）小于所述第一层三角载波C₁（t）时，产生开关信号；

5）根据步骤4）中得到的开关信号选定开关管的工作模式；判断开关管S_II1、开关管S_II2、开关管S_II3、开关管S_II4、开关管S_II5、开关管S_II6、开关管S_II7和开关管S_II8的开关状态的方法如下式所示：

（4）

6）根据公式（4），所述逆变控制模块将所述开关管的开关信号发送给各开关管并驱动开关管的开通和关断；

7）重复执行步骤4）至步骤6），保证稳定的波形输出。

2.一种由共集电极双T型四电平逆变单元构成的三相双T型四电平逆变电路的调制方法，其特征在于，由共集电极双T型四电平逆变单元构成的三相双T型四电平逆变电路结构主要如下所示：

电源U_in3正极所在的一端记为K端，负极所在的一端记为L端；

所述K端依次串联电容C_III1、电容C_III2和电容C_III3后串联所述L端；

所述K端串联电容C_III1后连接开关管S_a3的集电极；所述开关管S_a3的基极悬空；所述开关管S_a3的发射极串联开关管S_a4的集电极；所述开关管S_a3的发射极串联开关管S_a2的发射极；

所述开关管S_a4的基极悬空；所述开关管S_a4的发射极串联电容C_III3与电容C_III2相连的一端；

所述开关管S_a2的基极悬空；所述开关管S_a2的集电极串联开关管S_a5的集电极；

所述开关管S_a3、所述开关管S_a4、所述开关管S_a2和所述开关管S_a5构成一个T型网络；

所述开关管S_a5的基极悬空；所述开关管S_a5的发射极串联开关管S_a1的发射极；所述开关管S_a5的发射极串联开关管S_a6的集电极；

所述开关管S_a1的发射极串联开关管S_a6的集电极；所述开关管S_a1的基极悬空；所述开关管S_a1的集电极串联电容C_III1；所述开关管S_a1的集电极串联K端；

所述开关管S_a6的基极悬空；所述开关管S_a6的发射极串联电容C_III3；所述开关管S_a6的发射极串联L端；

所述开关管S_a2、所述开关管S_a5、所述开关管S_a1和所述开关管S_a6构成一个T型网络；

电源U_in3、电容C_III1、电容C_III2、电容C_III3、开关管S_a1、开关管S_a2、开关管S_a3、开关管S_a4、开关管S_a5和开关管S_a6构成所述共集电极双T型四电平逆变单元I；

所述K端串联电容C_III1后连接开关管S_b3的集电极；所述开关管S_b3的基极悬空；所述开关管S_b3的发射极串联开关管S_b4的集电极；所述开关管S_b3的发射极串联开关管S_b2的发射极；

所述开关管S_b4的基极悬空；所述开关管S_b4的发射极串联电容C_III3与电容C_III2相连的一端；

所述开关管S_b2的基极悬空；所述开关管S_b2的集电极串联开关管S_b5的集电极；

所述开关管S_b3、所述开关管S_b4、所述开关管S_b2和所述开关管S_b5构成一个T型网络；

所述开关管S_b5的基极悬空；所述开关管S_b5的发射极串联开关管S_b1的发射极；所述开关管S_b5的发射极串联开关管S_b6的集电极；

所述开关管S_b1的发射极串联开关管S_b6的集电极；所述开关管S_b1的基极悬空；所述开关管S_b1的集电极串联电容C_III1；所述开关管S_b1的集电极串联K端；

所述开关管S_b6的基极悬空；所述开关管S_b6的发射极串联电容C_III3；所述开关管S_b6的发射极串联L端；

所述开关管S_b2、所述开关管S_b5、所述开关管S_b1和所述开关管S_b6构成一个T型网络；

电源U_in3、电容C_III1、电容C_III2、电容C_III3、开关管S_b1、开关管S_b2、开关管S_b3、开关管S_b4、开关管S_b5和开关管S_b6构成所述共集电极双T型四电平逆变单元II；

所述K端串联电容C_III1后连接开关管S_c3的集电极；所述开关管S_c3的基极悬空；所述开关管S_c3的发射极串联开关管S_c4的集电极；所述开关管S_c3的发射极串联开关管S_c2的发射极；

所述开关管S_c4的基极悬空；所述开关管S_c4的发射极串联电容C_III3与电容C_III2相连的一端；

所述开关管S_c2的基极悬空；所述开关管S_c2的集电极串联开关管S_c5的集电极；

所述开关管S_c3、所述开关管S_c4、所述开关管S_c2和所述开关管S_c5构成一个T型网络；

所述开关管S_c5的基极悬空；所述开关管S_c5的发射极串联开关管S_c1的发射极；所述开关管S_c5的发射极串联开关管S_c6的集电极；

所述开关管S_c1的发射极串联开关管S_c6的集电极；所述开关管S_c1的基极悬空；所述开关管S_c1的集电极串联电容C_III1；所述开关管S_c1的集电极串联K端；

所述开关管S_c6的基极悬空；所述开关管S_c6的发射极串联电容C_III3；所述开关管S_c6的发射极串联L端；

所述开关管S_c2、所述开关管S_c5、所述开关管S_c1和所述开关管S_c6构成一个T型网络；

电源U_in3、电容C_III1、电容C_III2、电容C_III3、开关管S_c1、开关管S_c2、开关管S_c3、开关管S_c4、开关管S_c5和开关管S_c6构成所述共集电极双T型四电平逆变单元III；

三相双T型四电平逆变电路的调制方法，主要包括以下步骤：

1）在逆变控制模块设定开关组合状态和输出电平状态；

所述三相双T型四电平逆变电路的开关管有4个工作模式；“1”代表闭合此开关；“0”代表关断此开关；

第一工作模式为：所述开关管S_a1、所述开关管S_a2、所述开关管S_a3、所述开关管S_a4、所述开关管S_a5、所述开关管S_a6、所述开关管S_b1、所述开关管S_b2、所述开关管S_b3、所述开关管S_b4、所述开关管S_b5、所述开关管S_b6、所述开关管S_c1、所述开关管S_c2、所述开关管S_c3、所述开关管S_c4、所述开关管S_c5和所述开关管S_c6开关状态为101010101010101010；第一工作模式下三相双T型四电平逆变电路的输出电压为U_in；

第二工作模式为：所述开关管S_a1、所述开关管S_a2、所述开关管S_a3、所述开关管S_a4、所述开关管S_a5、所述开关管S_a6、所述开关管S_b1、所述开关管S_b2、所述开关管S_b3、所述开关管S_b4、所述开关管S_b5、所述开关管S_b6、所述开关管S_c1、所述开关管S_c2、所述开关管S_c3、所述开关管S_c4、所述开关管S_c5和所述开关管S_c6开关状态为011010011010011010；第二工作模式下三相双T型四电平逆变电路的输出电压为2/3U_in；

第三工作模式为：所述开关管S_a1、所述开关管S_a2、所述开关管S_a3、所述开关管S_a4、所述开关管S_a5、所述开关管S_a6、所述开关管S_b1、所述开关管S_b2、所述开关管S_b3、所述开关管S_b4、所述开关管S_b5、所述开关管S_b6、所述开关管S_c1、所述开关管S_c2、所述开关管S_c3、所述开关管S_c4、所述开关管S_c5和所述开关管S_c6开关状态为010110010110010110；第三工作模式下三相双T型四电平逆变电路的输出电压为1/3U_in；

第四工作模式为：所述开关管S_a1、所述开关管S_a2、所述开关管S_a3、所述开关管S_a4、所述开关管S_a5、所述开关管S_a6、所述开关管S_b1、所述开关管S_b2、所述开关管S_b3、所述开关管S_b4、所述开关管S_b5、所述开关管S_b6、所述开关管S_c1、所述开关管S_c2、所述开关管S_c3、所述开关管S_c4、所述开关管S_c5和所述开关管S_c6开关状态为010101010101010101；第四工作模式下三相双T型四电平逆变电路的输出电压为0；

2）逆变控制模块根据上位机给定的载波频率，产生载波频率为f_c、幅值为V_C且恒定的三层三角载波C（t）；第一层三角载波记为C₁（t）、第二层三角载波记为C₂（t）；第三层三角载波记为C₃（t）；

3）逆变控制模块根据上位机给定的三相四电平逆变电路输出侧电压幅值和频率要求，产生频率均为f_m且恒定的调制波m_a（t）、调制波m_b（t）和调制波m_c（t）；

（1）

调制波m_a（t）、调制波m_b（t）和调制波m_c（t）的调制比m为：

； （2）

4）逆变控制模块利用调制波同相层叠方法，将步骤3）得到的调制波m_a（t）分别和所述第一层三角载波C₁（t）、所述第二层三角载波C₂（t）和所述第三层三角载波C₃（t）进行比较，从而产生六个开关信号；主要判断方法如下：

当调制波m_a（t）大于或等于C₃（t）时，产生开关信号Ia；当调制波m_a（t）小于C₃（t）时，产生开关信号；

当调制波m_a（t）大于或等于C₂（t）时，产生开关信号Ib；当调制波m_a（t）小于C₂（t）时，产生开关信号；

当调制波m_a（t）大于或等于C₁（t）时，产生开关信号Ic；当调制波m_a（t）小于C₁（t）时，产生开关信号；

当调制波m_b（t）大于或等于C₃（t）时，产生开关信号IIa；当调制波m_b（t）小于C₃（t）时，产生开关信号；

当调制波m_b（t）大于或等于C₂（t）时，产生开关信号IIb；当调制波m_b（t）小于C₂（t）时，产生开关信号；

当调制波m_b（t）大于或等于C₁（t）时，产生开关信号IIc；当调制波m_b（t）小于C₁（t）时，产生开关信号；

当调制波m_c（t）大于或等于C₃（t）时，产生开关信号IIIa；当调制波m_c（t）小于C₃（t）时，产生开关信号；

当调制波m_c（t）大于或等于C₂（t）时，产生开关信号IIIb；当调制波m_c（t）小于C₂（t）时，产生开关信号；

当调制波m_c（t）大于或等于C₁（t）时，产生开关信号IIIc；当调制波m_c（t）小于C₁（t）时，产生开关信号；

5）根据步骤4）中得到的开关信号选定开关管的工作模式；判断所述开关管S_a1、所述开关管S_a2、所述开关管S_a3、所述开关管S_a4、所述开关管S_a5、所述开关管S_a6、所述开关管S_b1、所述开关管S_b2、所述开关管S_b3、所述开关管S_b4、所述开关管S_b5、所述开关管S_b6、所述开关管S_c1、所述开关管S_c2、所述开关管S_c3、所述开关管S_c4、所述开关管S_c5和所述开关管S_c6的开关状态的方法主要如下所示：

所述开关信号Ia控制所述开关管S_a1导通；所述开关信号控制所述开关管S_a1关断；

所述开关管S_a1和所述开关管S_a2开关状态相反；

所述开关信号Ib控制所述开关管S_a3导通；所述开关信号控制所述开关管S_a3关断；

所述开关管S_a3和所述开关管S_a4开关状态相反；

所述开关信号Ic控制所述开关管S_a5导通；所述开关信号控制所述开关管S_a5关断；

所述开关管S_a5和开关管S_a6开关状态相反；

所述开关信号IIa控制所述开关管S_b1导通；所述开关信号控制所述开关管S_b1关断；

所述开关管S_b1和所述开关管S_b2开关状态相反；

所述开关信号IIb控制所述开关管S_b3导通；所述开关信号控制所述开关管S_b3关断；

所述开关管S_b3和所述开关管S_b4开关状态相反；

所述开关信号IIc控制所述开关管S_b5导通；所述开关信号控制所述开关管S_b5关断；

所述开关管S_b5和开关管S_b6开关状态相反；

所述开关信号IIIa控制所述开关管S_c1导通；所述开关信号控制所述开关管S_c1关断；

所述开关管S_c1和所述开关管S_c2开关状态相反；

所述开关信号IIIb控制所述开关管S_a3导通；所述开关信号控制所述开关管S_c3关断；

所述开关管S_c3和所述开关管S_c4开关状态相反；

所述开关信号IIIc控制所述开关管S_c5导通；所述开关信号控制所述开关管S_c5关断；

所述开关管S_c5和开关管S_c6开关状态相反；

6）根据步骤4）产生的开关信号，逆变控制模块将开关信号发送给各开关管并根据步骤5）驱动开关管的开通和关断；

7）重复执行步骤4）至步骤6），保证稳定的波形输出。