一种升降压低应力开关电容多电平逆变器
阅读说明：本技术 一种升降压低应力开关电容多电平逆变器 (Multi-level inverter of low-stress switch capacitor for lifting voltage ) 是由 姜川 吕广强 郭晨阳 王文超 于 2021-07-01 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种升降压低应力开关电容多电平逆变器,该逆变器可以工作在升压和降压两种模式,且可以使所有开关器件的电压应力均小于输入电压；逆变器包括前级开关电容单元、可扩展开关电容单元和后级开关电容单元；其中可扩展开关电容单元的数量可以为零,或者多个；本发明集升压与降压变换于一身,扩大了系统输入电压范围,提高了逆变系统的灵活性,可独立应用于感性负载。(The invention discloses a buck-boost low-stress switched capacitor multi-level inverter which can work in a boost mode and a buck mode and can enable the voltage stress of all switching devices to be smaller than input voltage; the inverter comprises a preceding stage switch capacitor unit, an expandable switch capacitor unit and a subsequent stage switch capacitor unit; wherein the number of the expandable switched capacitor units can be zero or more; the invention integrates the voltage boosting and voltage reducing conversion, enlarges the input voltage range of the system, improves the flexibility of the inversion system, and can be independently applied to inductive loads.)
技术领域
本发明属于多电平逆变器领域，具体涉及一种升降压低应力开关电容多电平逆变器。
背景技术
高频化是未来电力电子发展的方向之一。高频交流配电系统(high-frequency acpower distribution system，HFAC PDS)因具有高可靠性、效率高、体积小等优点，已被广泛应用于航空航天、计算机通信等领域。在电动汽车领域，与传统集成式电源和分布式电源相比，HFAC PDS具有传输效率高、制造成本低、节约车载空间的优点；在微电网领域应用HFAC PDS，可更加有效地集成分布式可再生能源……随着新材料半导体器件、电力电子技术、控制技术和信息通讯技术的发展，HFAC PDS将作为重要配电方式之一广泛应用于各个领域。
HFAC PDS由高频电源侧、高频传输线和负载侧组成。高频电源侧是将直流电压源通过逆变器输出高频交流电压，接到高频交流电压母线上。负载侧根据需求配置成AC/DC转换器或AC/AC变频器供给相对应的负载，且具有功率因数校正功能。在HFAC PDS中电源侧的高频逆变器有很多种实现方式，在中等功率场合一般采用多电平逆变器。传统的多电平逆变器包括二极管箝位型、飞跨电容型和级联H桥型，但它们的结构复杂、功率器件数量多、电压应力高，而开关电容逆变器很好地解决了这个问题，在输出相同电平的情况下开关电容逆变器使用的功率器件数量和电容数量远远小于传统的多电平逆变器。在开关电容逆变器的研究中大多拓扑只能完成升压或者降压其中一个功能，这样限制了输入直流电压源(例如光伏发电、储能电池)的范围，降低了系统的灵活性。因此对可升降压的开关电容逆变器的研究具有重要意义。
发明内容
本发明的目的是在开关电容逆变器的基础上，为了提升输入直流电压的范围，使更多的直流电源都能通过逆变器接到高频交流电压母线上，且所有开关管的电压应力不超过直流电源电压，提出了一种升降压低应力开关电容多电平逆变器，在直流电源电压低于高频交流电压母线电压峰值时逆变器工作在升压模式，在直流电源电压高于高频交流电压母线电压峰值时逆变器工作在降压模式。
实现本发明的技术解决方案为：一种升降压低电压应力开关电容多电平逆变器拓扑结构，包括前级开关电容单元和后级开关电容单元；
所述前级开关电容单元包括直流电源Vin、开关管S1～S3、开关管S5～S7、二极管D1、电容C1；所述后级开关电容单元包括开关管S4、开关管S8～S11、二极管D2、电容C2；
所述直流电源Vin的正极接开关管S3的漏极；开关管S3的源极接二极管D1的正极；二极管D1的负极接开关管S1的漏极、开关管S5的漏极和后级开关电容单元中开关管S4的漏极；开关管S5的源极接开关管S6的漏极和电容C1的正极；开关管S6的源极接开关管S7的漏极和后级开关电容单元中开关管S9的漏极；开关管S7的源极接电容C1的负极、直流电源Vin的负极和开关管S2的源极；开关管S2的漏极接开关管S1的源极；
所述开关管S4的漏极接前级开关电容单元中二极管D1的负极；开关管S4的源极接二极管D2的正极；二极管D2的负极接开关管S8的漏极、开关管S10的漏极和电容C2的正极；开关管S10的源极接开关管S11的漏极；开关管S11的源极接电容C2的负极、开关管S9的源极；开关管S9的漏极和开关管S8的源极和前级开关电容单元中开关管S6的源极；
逆变器输出的正极接在后级开关电容单元中开关管S10的源极；逆变器输出的负极接在前级开关电容单元中开关管S1的源极。
进一步的，该升降压低电压应力开关电容多电平逆变器可设置升压模式和降压模式两种模式。
进一步的，在升压模式可输出±2Vin、±Vin、0五种电平：
开关管S2、开关管S6、开关管S9、开关管S10导通，其余开关管断开，电容C1处于放电状态，电容C2处于放电状态，输出电平2Vin；
开关管S2、开关管S3、开关管S4、开关管S5、开关管S7、开关管S9、开关管S10导通，其余开关管断开，电容C1处于充电状态，电容C2处于充电状态，输出电平Vin；
开关管S1、开关管S3、开关管S4、开关管S5、开关管S7、开关管S9、开关管S10导通，其余开关管断开，电容C1处于充电状态，电容C2处于充电状态，输出电平0；
开关管S1、开关管S3、开关管S4、开关管S5、开关管S7、开关管S9、开关管S11导通，其余开关管断开，电容C1处于充电状态，电容C2处于充电状态，输出电平-Vin；
开关管S1、开关管S5、开关管S7、开关管S8、开关管S11导通，其余开关管断开，电容C1处于放电状态，电容C2处于放电状态，输出电平-2Vin。
进一步的，在降压模式可输出±Vin、0五种电平：
开关管S2、开关管S3、开关管S4、开关管S6、开关管S9、开关管S10导通，其余开关管断开，电容C1处于充电状态，电容C2处于充电状态，输出电平Vin；
开关管S2、开关管S6、开关管S9、开关管S11导通，其余开关管断开，电容C1处于放电状态，输出电平
开关管S1、开关管S3、开关管S4、开关管S6、开关管S9、开关管S10导通，其余开关管断开，电容C1处于充电状态，电容C2处于充电状态，输出电平0；
开关管S1、开关管S5、开关管S6、开关管S8、开关管S11导通，其余开关管断开，电容C2处于放电状态，输出电平
开关管S1、开关管S5、开关管S7、开关管S8、开关管S11导通，其余开关管断开，电容C1处于放电状态，电容C2处于放电状态，输出电平-Vin。
一种升降压低电压应力开关电容多电平逆变器拓扑结构，包括前级开关电容单元、可扩展开关电容单元和后级开关电容单元；
前级开关电容单元包括直流电源Vin、开关管S1～S3、开关管S5～S7、二极管D1、电容C1；直流电源Vin的正极接开关管S3的漏极；开关管S3的源极接二极管D1的正极；二极管D1的负极接开关管S1的漏极、开关管S5的漏极和第一个可扩展开关电容单元中开关管Sa.1的漏极；开关管S5的源极接开关管S6的漏极和电容C1的正极；开关管S6的源极接开关管S7的漏极和第一个可扩展开关电容单元中开关管Sd.1的漏极；开关管S7的源极接电容C1的负极、直流电源Vin的负极和开关管S2的源极；开关管S2的漏极接开关管S1的源极；
第i个可扩展开关电容单元包括开关管Sa.i、开关管Sb.i、开关管Sc.i、开关管Sd.i、开关管Se.i、开关管Sf.i、二极管Da.i、电容Ca.i，i＝1，2，…，n；开关管Sa.i的漏极接上一个可扩展开关电容单元中二极管Da.(i-1)的负极；开关管Sa.i的源极接二极管Da.i的正极，二极管Da.i的负极接开关管Sb.i的漏极和开关管Sc.i的漏极；开关管Sc.i的源极接电容Ca.i的正极和开关管Se.i的漏极；开关管Se.i的源极接开关管Sf.i的漏极、下一个可扩展开关电容单元中开关管Sb(i+1)的源极和开关管Sd.(i+1)的漏极；开关管Sf.i的源极接电容Ca.i的负极、开关管Sd.i的源极；开关管Sd.i的漏极和开关管Sb.i的源极接上一个可扩展开关电容单元中开关管Se.(i-1)的源极和开关管Sf.(i-1)的漏极；
后级开关电容单元包括开关管S4、开关管S8～S11、二极管D2、电容C2；开关管S4的漏极接最后一个可扩展开关电容单元中二极管Da.n的负极；开关管S4的源极接二极管D2的正极；二极管D2的负极接开关管S8的漏极、开关管S10的漏极和电容C2的正极；开关管S10的源极接开关管S11的漏极；开关管S11的源极接电容C2的负极、开关管S9的源极；开关管S9的漏极和开关管S8的源极和最后一个可扩展开关电容单元中开关管Se.n的源极；
逆变器输出的正极接在后级开关电容单元中开关管S10的源极；逆变器输出的负极接在前级开关电容单元中开关管S1的源极。
进一步的该升降压低电压应力开关电容多电平逆变器可设置升压模式和降压模式两种模式。
进一步的该升降压低电压应力开关电容多电平逆变器的升压模式具体如下；
升压模式可输出±(n+2)Vin、±(n+1)Vin、…、±Vin、0共2n+5种电平：n为可扩展开关电容单元数量；
开关管S2、开关管S6、开关管S9、开关管S10、开关管Sd.i、开关管Se.i导通，其余开关管断开，电容C1、电容C2、电容Ca.i处于放电状态，输出电平(n+2)Vin，i＝1，2，…，n；
开关管S2、开关管S6、开关管S9、开关管S11、开关管Sd.i、开关管Se.i导通，其余开关管断开，电容C1、电容Ca.i处于放电状态，输出电平(n+1)Vin；
设k＝0，1，2，…，n-2，开关管S2、开关管S6、开关管S9、开关管S11、开关管Sd.i、开关管Se.i、开关管Sf.i导通，其余开关管断开，电容C1、电容Ca.i处于放电状态，输出电平(n-k)Vin；其中，Se.i、Ca.i中的i＝1，2，…，n-k-1，Sf.i中的i＝n-k，n-k+1，…，n；
开关管S2、开关管S3、开关管S4、开关管S5、开关管S7、开关管S9、开关管S10、开关管Sa.i、开关管Sc.i、开关管Sd.i、开关管Sf.i导通，i＝1，2，…，n，其余开关管断开，电容C1、电容C2、电容Ca.i处于充电状态，输出电平Vin；
开关管S1、开关管S3、开关管S4、开关管S5、开关管S7、开关管S9、开关管S10、开关管Sa.i、开关管Sc.i、开关管Sd.i、开关管Sf.i导通，i＝1，2，…，n，其余开关管断开，电容C1、电容C2、电容Ca.i处于充电状态，输出电平0；
开关管S1、开关管S3、开关管S4、开关管S5、开关管S7、开关管S9、开关管S11、开关管Sa.i、开关管Sc.i、开关管Sd.i、开关管Sf.i导通，i＝1，2，…，n，其余开关管断开，电容C1、电容C2、电容Ca.i处于充电状态，输出电平-Vin；
设k＝0，1，2，…，n-2，开关管S1、开关管S5、开关管S7、开关管S9、开关管S11、开关管Sb.i、开关管Sc.i、开关管Sd.i、开关管Sf.i导通，其余开关管断开，电容C1、电容Ca.i处于放电状态，输出电平-(n-k)Vin；其中，开关管Sb.i、开关管Sc.i、电容Ca.i中的i＝1，2，…，n-k-1，开关管Sd.i中的i＝n-k，n-k+1，…，n；开关管Sf.i中的i＝1，2，…，n；
开关管S1、开关管S5、开关管S7、开关管S9、开关管S11、开关管Sb.i、开关管Sc.i、开关管Sf.i导通，i＝1，2，…，n，其余开关管断开，电容C1、电容Ca.i处于放电状态，输出电平-(n+1)Vin；
开关管S1、开关管S5、开关管S7、开关管S8、开关管S11、开关管Sb.i、开关管Sc.i、开关管Sf.i导通，i＝1，2，…，n，其余开关管断开，电容C1、电容C2、电容Ca.i处于放电状态，输出电平-(n+2)Vin。
进一步的，该升降压低电压应力开关电容多电平逆变器的降压模式具体如下；
在降压模式可输出±Vin、…、0共2n+5种电平：
开关管S2、开关管S3、开关管S4、开关管S6、开关管S9、开关管S10、开关管Sa.i、开关管Sd.i、开关管Se.i导通，其余开关管断开，电容C1、电容C2、电容Ca.i处于充电状态，输出电平Vin；i＝1，2，…，n；
开关管S2、开关管S6、开关管S9、开关管S11、开关管Sd.i、开关管Se.i导通，其余开关管断开，电容C1、电容Ca.i处于充电状态，输出电平i＝1，2，…，n；i＝1，2，…，n；
设k＝0，1，2，…，n-2，开关管S2、开关管S6、开关管S9、开关管S11、开关管Sd.i、开关管Se.i、开关管Sf.i导通，其余开关管断开，电容C1、电容Ca.i处于放电状态，输出电平其中，开关管Sd.i中i＝1，2，…，n；开关管Se.i中i＝1，2，…，n-k-1；开关管Sf.i中i＝n-k，n-k+1，…，n；电容Ca.i中i＝1，2，…，n-k-1；
开关管S2、开关管S6、开关管S9、开关管S11、开关管Sd.i、开关管Sf.i导通，其余开关管断开，电容C1处于放电状态，输出电平i＝1，2，…，n；
开关管S1、开关管S3、开关管S4、开关管S6、开关管S9、开关管S10、开关管Sa.i、开关管Sd.i、开关管Se.i导通，其余开关管断开，电容C1、电容C2、电容Ca.i处于充电状态，输出电平0；i＝1，2，…，n；
开关管S1、开关管S5、开关管S7、开关管S9、开关管S11、开关管Sd.i、开关管Sf.i导通，其余开关管断开，电容C1处于放电状态，输出电平i＝1，2，…，n；
设k＝0，1，2，…，n-2，开关管S1、开关管S5、开关管S7、开关管S9、开关管S11、开关管Sb.i、开关管Sc.i开关管Sd.i、开关管Sf.i导通，其余开关管断开，电容C1、电容Ca.i处于放电状态，输出电平开关管Sb.i中i＝1，2，…，n-k-1；开关管Sc.i中i＝1，2，…，n-k-1；开关管Sd.i中i＝n-k，n-k+1，…，n；开关管Sf.i中i＝1，2，…，n；电容Ca.i中i＝1，2，…，n-k-1；
开关管S1、开关管S5、开关管S7、开关管S9、开关管S11、开关管Sb.i、开关管Sc.i、开关管Sf.i导通，其余开关管断开，电容C1、电容Ca.i处于放电状态，输出电平其中开关管Sf.i、电容Ca.i中的i＝1，2，…，n；
开关管S1、开关管S5、开关管S7、开关管S8、开关管S11、开关管Sb.i、开关管Sc.i、开关管Sf.i导通，其余开关管断开，电容C1、电容C2、电容Ca.i处于放电状态，输出电平-Vin；其中开关管Sf.i、电容Ca.i中的i＝1，2，…，n。
与现有技术相比，本发明的显著优点为：该逆变器可以实现升压或降压；且升压和降压模式可以在线切换，满足不同电压等级输入时输出电压相同，且所有开关管的电压应力不超过输入电压。
附图说明
图1为本发明实施例中的升降压低应力开关电容多电平逆变器示意图。
图2为当可扩展开关电容单元数量n＝0时该升降压低应力开关电容多电平逆变器拓扑结构图。
图3为调制方法原理图。
图4(a)～图4(k)为可扩展开关电容单元数量n＝0时该逆变器升压模式仿真中开关管S1～S11的电压波形图。
图5为可扩展开关电容单元数量n＝0时该逆变器升压模式仿真中输出电压波形图。
图6为可扩展开关电容单元数量n＝0时该逆变器升压模式仿真中输出电流波形图。
图7为可扩展开关电容单元数量n＝0时该逆变器降压模式仿真中输出电压波形图。
图8为可扩展开关电容单元数量n＝0时该逆变器降压模式仿真中输出电流波形图。
具体实施方式
如图1所示，一种升降压低应力开关电容多电平逆变器，包括前级开关电容单元、可扩展开关电容单元和后级开关电容逆变单元。
前级开关电容单元包括直流电源Vin、开关管S1～S3、开关管S5～S7、二极管D1、电容C1；直流电源Vin的正极接开关管S3的漏极；开关管S3的源极接二极管D1的正极；二极管D1的负极接开关管S1的漏极、开关管S5的漏极和第一个可扩展开关电容单元中开关管Sa.1的漏极；开关管S5的源极接开关管S6的漏极和电容C1的正极；开关管S6的源极接开关管S7的漏极和第一个可扩展开关电容单元中开关管Sd.1的漏极；开关管S7的源极接电容C1的负极、直流电源Vin的负极和开关管S2的源极；开关管S2的漏极接开关管S1的源极；
可扩展开关电容单元包括开关管Sa.i、开关管Sb.i、开关管Sc.i、开关管Sd.i、开关管Se.i、开关管Sf.i、二极管Da.i、电容Ca.i，i＝1，2，…，n；开关管Sa.i的漏极接上一个可扩展开关电容单元中二极管Da.(i-1)的负极；开关管Sa.i的源极接二极管Da.i的正极，二极管Da.i的负极接开关管Sb.i的漏极和开关管Sc.i的漏极；开关管Sc.i的源极接电容Ca.i的正极和开关管Se.i的漏极；开关管Se.i的源极接开关管Sf.i的漏极、下一个可扩展开关电容单元中开关管Sb(i+1)的源极和开关管Sd.(i+1)的漏极；开关管Sf.i的源极接电容Ca.i的负极、开关管Sd.i的源极；开关管Sd.i的漏极和开关管Sb.i的源极接上一个可扩展开关电容单元中开关管Se.(i-1)的源极和开关管Sf.(i-1)的漏极；
后级开关电容单元包括开关管S4、开关管S8～S11、二极管D2、电容C2；开关管S4的漏极接最后一个可扩展开关电容单元中二极管Da.n的负极；开关管S4的源极接二极管D2的正极；二极管D2的负极接开关管S8的漏极、开关管S10的漏极和电容C2的正极；开关管S10的源极接开关管S11的漏极；开关管S11的源极接电容C2的负极、开关管S9的源极；开关管S9的漏极和开关管S8的源极和最后一个可扩展开关电容单元中开关管Se.n的源极；
A为逆变器输出的正极，接在后级开关电容单元中开关管S10的源极；B为逆变器输出的负极，接在所述前级开关电容单元中开关管S1的源极。
该升降压低电压应力开关电容多电平逆变器可以设置升压模式和降压模式两种模式；
该升降压低电压应力开关电容多电平逆变器的升压模式具体如下；
当可扩展开关电容单元数量n＝0时，即逆变器只有前级开关电容单元和后级开关电容单元，在升压模式可输出±2Vin、±Vin、0五种电平：
开关管S2、开关管S6、开关管S9、开关管S10导通，其余开关管断开，电容C1处于放电状态，电容C2处于放电状态，输出电平2Vin；
开关管S2、开关管S3、开关管S4、开关管S5、开关管S7、开关管S9、开关管S10导通，其余开关管断开，电容C1处于充电状态，电容C2处于充电状态，输出电平Vin；
开关管S1、开关管S3、开关管S4、开关管S5、开关管S7、开关管S9、开关管S10导通，其余开关管断开，电容C1处于充电状态，电容C2处于充电状态，输出电平0；
开关管S1、开关管S3、开关管S4、开关管S5、开关管S7、开关管S9、开关管S11导通，其余开关管断开，电容C1处于充电状态，电容C2处于充电状态，输出电平-Vin；
开关管S1、开关管S5、开关管S7、开关管S8、开关管S11导通，其余开关管断开，电容C1处于放电状态，电容C2处于放电状态，输出电平-2Vin；
当可扩展开关电容单元数量n＞0时，升压模式可输出±(n+2)Vin、±(n+1)Vin、…、±Vin、0共2n+5种电平：
开关管S2、开关管S6、开关管S9、开关管S10、开关管Sd.i、开关管Se.i(i＝1，2，…，n)导通，其余开关管断开，电容C1、电容C2、电容Ca.i(i＝1，2，…，n)处于放电状态，输出电平(n+2)Vin；
开关管S2、开关管S6、开关管S9、开关管S11、开关管Sd.i、开关管Se.i(i＝1，2，…，n)导通，其余开关管断开，电容C1、电容Ca.i(i＝1，2，…，n)处于放电状态，输出电平(n+1)Vin；
设k＝0，1，2，…，n-2，开关管S2、开关管S6、开关管S9、开关管S11、开关管Sd.i(i＝1，2，…，n)、开关管Se.i(i＝1，2，…，n-k-1)、开关管Sf.i(i＝n-k，n-k+1，…，n)导通，其余开关管断开，电容C1、电容Ca.i(i＝1，2，…，n-k-1)处于放电状态，输出电平(n-k)Vin；
开关管S2、开关管S3、开关管S4、开关管S5、开关管S7、开关管S9、开关管S10、开关管Sa.i、开关管Sc.i、开关管Sd.i、开关管Sf.i(i＝1，2，…，n)导通，其余开关管断开，电容C1、电容C2、电容Ca.i(i＝1，2，…，n)处于充电状态，输出电平Vin；
开关管S1、开关管S3、开关管S4、开关管S5、开关管S7、开关管S9、开关管S10、开关管Sa.i、开关管Sc.i、开关管Sd.i、开关管Sf.i(i＝1，2，…，n)导通，其余开关管断开，电容C1、电容C2、电容Ca.i(i＝1，2，…，n)处于充电状态，输出电平0；
开关管S1、开关管S3、开关管S4、开关管S5、开关管S7、开关管S9、开关管S11、开关管Sa.i、开关管Sc.i、开关管Sd.i、开关管Sf.i(i＝1，2，…，n)导通，其余开关管断开，电容C1、电容C2、电容Ca.i(i＝1，2，…，n)处于充电状态，输出电平-Vin；
设k＝0，1，2，…，n-2，开关管S1、开关管S5、开关管S7、开关管S9、开关管S11、开关管Sb.i(i＝1，2，…，n-k-1)、开关管Sc.i(i＝1，2，…，n-k-1)、开关管Sd.i(i＝n-k，n-k+1，…，n)、开关管Sf.i(i＝1，2，…，n)导通，其余开关管断开，电容C1、电容Ca.i(i＝1，2，…，n-k-1)处于放电状态，输出电平-(n-k)Vin；
开关管S1、开关管S5、开关管S7、开关管S9、开关管S11、开关管Sb.i、开关管Sc.i、开关管Sf.i(i＝1，2，…，n)导通，其余开关管断开，电容C1、电容Ca.i(i＝1，2，…，n)处于放电状态，输出电平-(n+1)Vin；
开关管S1、开关管S5、开关管S7、开关管S8、开关管S11、开关管Sb.i、开关管Sc.i、开关管Sf.i(i＝1，2，…，n)导通，其余开关管断开，电容C1、电容C2、电容Ca.i(i＝1，2，…，n)处于放电状态，输出电平-(n+2)Vin；
该升降压低电压应力开关电容多电平逆变器的降压模式具体如下；
当可扩展开关电容单元数量n＝0时，即逆变器只有前级开关电容单元和后级开关电容单元，在降压模式可输出±Vin、0五种电平：
开关管S2、开关管S3、开关管S4、开关管S6、开关管S9、开关管S10导通，其余开关管断开，电容C1处于充电状态，电容C2处于充电状态，输出电平Vin；
开关管S2、开关管S6、开关管S9、开关管S11导通，其余开关管断开，电容C1处于放电状态，输出电平
开关管S1、开关管S3、开关管S4、开关管S6、开关管S9、开关管S10导通，其余开关管断开，电容C1处于充电状态，电容C2处于充电状态，输出电平0；
开关管S1、开关管S5、开关管S6、开关管S8、开关管S11导通，其余开关管断开，电容C2处于放电状态，输出电平
开关管S1、开关管S5、开关管S7、开关管S8、开关管S11导通，其余开关管断开，电容C1处于放电状态，电容C2处于放电状态，输出电平-Vin；
当可扩展开关电容单元数量n＞0时，在降压模式可输出±Vin、…、0共2n+5种电平：
开关管S2、开关管S3、开关管S4、开关管S6、开关管S9、开关管S10、开关管Sa.i、开关管Sd.i、开关管Se.i(i＝1，2，…，n)导通，其余开关管断开，电容C1、电容C2、电容Ca.i(i＝1，2，…，n)处于充电状态，输出电平Vin；
开关管S2、开关管S6、开关管S9、开关管S11、开关管Sd.i、开关管Se.i(i＝1，2，…，n)导通，其余开关管断开，电容C1、电容Ca.i(i＝1，2，…，n)处于充电状态，输出电平
设k＝0，1，2，…，n-2，开关管S2、开关管S6、开关管S9、开关管S11、开关管Sd.i(i＝1，2，…，n)、开关管Se.i(i＝1，2，…，n-k-1)、开关管Sf.i(i＝n-k，n-k+1，…，n)导通，其余开关管断开，电容C1、电容Ca.i(i＝1，2，…，n-k-1)处于放电状态，输出电平
开关管S2、开关管S6、开关管S9、开关管S11、开关管Sd.i、开关管Sf.i(i＝1，2，…，n)导通，其余开关管断开，电容C1处于放电状态，输出电平
开关管S1、开关管S3、开关管S4、开关管S6、开关管S9、开关管S10、开关管Sa.i、开关管Sd.i、开关管Se.i(i＝1，2，…，n)导通，其余开关管断开，电容C1、电容C2、电容Ca.i(i＝1，2，…，n)处于充电状态，输出电平0；
开关管S1、开关管S5、开关管S7、开关管S9、开关管S11、开关管Sd.i、开关管Sf.i(i＝1，2，…，n)导通，其余开关管断开，电容C1处于放电状态，输出电平
设k＝0，1，2，…，n-2，开关管S1、开关管S5、开关管S7、开关管S9、开关管S11、开关管Sb.i(i＝1，2，…，n-k-1)、开关管Sc.i(i＝1，2，…，n-k-1)、开关管Sd.i(i＝n-k，n-k+1，…，n)、开关管Sf.i(i＝1，2，…，n)导通，其余开关管断开，电容C1、电容Ca.i(i＝1，2，…，n-k-1)处于放电状态，输出电平
开关管S1、开关管S5、开关管S7、开关管S9、开关管S11、开关管Sb.i、开关管Sc.i、开关管Sf.i(i＝1，2，…，n)导通，其余开关管断开，电容C1、电容Ca.i(i＝1，2，…，n)处于放电状态，输出电平
开关管S1、开关管S5、开关管S7、开关管S8、开关管S11、开关管Sb.i、开关管Sc.i、开关管Sf.i(i＝1，2，…，n)导通，其余开关管断开，电容C1、电容C2、电容Ca.i(i＝1，2，…，n)处于放电状态，输出电平-Vin；
上述单级式低电压应力开关电容式多电平逆变器拓扑结构的电平调制方法，包括：输入正弦调制波Aref与多个相同幅值、相同频率、相同相位的三角载波比较后，产生的信号进行逻辑组合后作为开关管的驱动信号。
升压模式可输出±(n+2)Vin、±(n+1)Vin、…、±Vin、0共2n+5种电平；输入正弦调制波为ur，幅值为Aref；三角载波为ui(i＝0，1，…，2n+4)，幅值为Ac且等于Vin，三角载波的个数为2n+4，调制比
调制比M的取值范围为0≤M≤1；
基础三角载波的相位与输入正弦调制波相等，初始值为0，其余三角载波根据基础三角载波的上下平移得到；
当可扩展开关电容单元数量n＝0时，三角载波的个数为4，从下到上分别为u1、u2、u3、u4；u3为基础三角载波；将u3向上平移Ac得到u4；将u3向下平移Ac得到u2；将u3向下平移2Ac得到u1；
输入正弦调制波ur满足u4<ur时，逆变器输出电平2Vin；输入正弦调制波ur满足u3<ur<u4时，逆变器输出电平Vin；输入正弦调制波ur满足u2<ur<u3时，逆变器输出电平0；输入正弦调制波ur满足u1<ur<u2时，逆变器输出电平-Vin；输入正弦调制波ur满足ur<u1时，逆变器输出电平-2Vin；
当可扩展开关电容单元数量n＞0时，三角载波的个数为2n+4，从下到上分别为u1，u2，…u2n+4；un+3为基础三角载波；将un+3向上平移mAc(m＝1，2，…，n+1)得到un+3+m；将u3向下平移mAc(m＝1，2，n+2)得到un+3-m；
输入正弦调制波ur满足u2n+4<ur时，逆变器输出电平(n+2)Vin；输入正弦调制波ur满足ui<ur<ui+1(i＝n+3，n+4，…，2n+3)时，逆变器输出电平(i-n-2)Vin；输入正弦调制波ur满足un+2<ur<un+3时，逆变器输出电平0；输入正弦调制波ur满足ui<ur<ui+1(i＝1，2，3，…，n+1)时，逆变器输出电平-(-i+n+2)Vin；输入正弦调制波ur满足ur<u1时，逆变器输出电平-(n+2)Vin；
降压模式可输出降压模式可输出±Vin、…、0共2n+5种电平；输入正弦调制波为ur，幅值为Aref；三角载波为ui(i＝0，1，…，2n+4)，幅值为Ac且等于三角载波的个数为2n+4，调制比
调制比M的取值范围为0≤M≤1；
基础三角载波的相位与输入正弦调制波相等，初始值为0，其余三角载波根据基础三角载波的上下平移得到；
当可扩展开关电容单元数量n＝0时，三角载波的个数为4，从下到上分别为u1、u2、u3、u4；u3为基础三角载波；将u3向上平移Ac得到u4；将u3向下平移Ac得到u2；将u3向下平移2Ac得到u1；
输入正弦调制波ur满足u4<ur时，逆变器输出电平Vin；输入正弦调制波ur满足u3<ur<u4时，逆变器输出电平输入正弦调制波ur满足u2<ur<u3时，逆变器输出电平0；输入正弦调制波ur满足u1<ur<u2时，逆变器输出电平输入正弦调制波ur满足ur<u1时，逆变器输出电平-Vin；
当可扩展开关电容单元数量n＞0时，三角载波的个数为2n+4，从下到上分别为u1，u2，…u2n+4；un+3为基础三角载波；将un+3向上平移mAc(m＝1，2，…，n+1)得到un+3+m；将u3向下平移mAc(m＝1，2，n+2)得到un+3-m；
输入正弦调制波为ur满足u2n+4<ur时，逆变器输出电平Vin；输入正弦调制波为ur满足ui<ur<ui+1(i＝n+3，n+4，…，2n+3)时，逆变器输出电平输入正弦调制波为ur满足un+2<ur<un+3时，逆变器输出电平0；输入正弦调制波为ur满足ui<ur<ui+1(i＝1，2，3，…，n+1)时，逆变器输出电平输入正弦调制波为ur满足ur<u1时，逆变器输出电平-Vin。
下面以可扩展开关电容单元数量n＝0即输出电平为5电平时为例对本发明技术方案进行详细说明。但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。n＞0时与此同理。
图2为可扩展开关电容单元数量n＝0时的电路结构。前级开关电容单元包括直流电源Vin、开关管S1～S3、开关管S5～S7、二极管D1、电容C1；直流电源Vin的正极接开关管S3的漏极；开关管S3的源极接二极管D1的正极；二极管D1的负极接开关管S1的漏极、开关管S5的漏极和开关管S4的漏极；开关管S5的源极接开关管S6的漏极和电容C1的正极；开关管S6的源极接开关管S7的漏极；开关管S7的源极接电容C1的负极、直流电源Vin的负极和开关管S2的源极；开关管S2的漏极接开关管S1的源极；
后级开关电容单元包括开关管S4、开关管S8～S11、二极管D2、电容C2；开关管S4的源极接二极管D2的正极；二极管D2的负极接开关管S8的漏极、开关管S10的漏极和电容C2的正极；开关管S10的源极接开关管S11的漏极；开关管S11的源极接电容C2的负极、开关管S9的源极；开关管S9的漏极和开关管S8的源极和开关管S6的源极；
A为逆变器输出的正极，接在后级开关电容单元中开关管S10的源极；B为逆变器输出的负极，接在前级开关电容单元中开关管S1的源极。
该逆变器的升压模式可输出±2Vin、±Vin、0五种电平，具体如下：
开关管S2、开关管S6、开关管S9、开关管S10导通，其余开关管断开，电容C1处于放电状态，电容C2处于放电状态，输出电平2Vin；
开关管S2、开关管S3、开关管S4、开关管S5、开关管S7、开关管S9、开关管S10导通，其余开关管断开，电容C1处于充电状态，电容C2处于充电状态，输出电平Vin；
开关管S1、开关管S3、开关管S4、开关管S5、开关管S7、开关管S9、开关管S10导通，其余开关管断开，电容C1处于充电状态，电容C2处于充电状态，输出电平0；
开关管S1、开关管S3、开关管S4、开关管S5、开关管S7、开关管S9、开关管S11导通，其余开关管断开，电容C1处于充电状态，电容C2处于充电状态，输出电平-Vin；
开关管S1、开关管S5、开关管S7、开关管S8、开关管S11导通，其余开关管断开，电容C1处于放电状态，电容C2处于放电状态，输出电平-2Vin；
该逆变器升压模式调制方法为：输入正弦调制波与多个相同幅值、相同频率、相同相位的三角载波比较后，产生的信号进行逻辑组合后作为开关管的驱动信号。输入正弦调制波为ur，幅值为Aref；三角载波幅值为Ac且等于Vin；三角载波的个数为4，从下到上分别为u1、u2、u3、u4；调制比基础三角载波的相位与输入正弦调制波相等，初始值为0，其余三角载波根据基础三角载波的上下平移得到；u3为基础三角载波；将u3向上平移Ac得到u4；将u3向下平移Ac得到u2；将u3向下平移2Ac得到u1；
输入正弦调制波ur满足u4<ur时，逆变器输出电平2Vin；输入正弦调制波ur满足u3<ur<u4时，逆变器输出电平Vin；输入正弦调制波为ur满足u2<ur<u3时，逆变器输出电平0；输入正弦调制波为ur满足u1<ur<u2时，逆变器输出电平-Vin；输入正弦调制波为ur满足ur<u1时，逆变器输出电平-2Vin；图3中ua、ub、uc、ud为三角载波u4、u3、u2、u1与正弦调制波ur相交后得到的波形；开关管S1～S11的驱动信号均由ua、ub、uc、ud的逻辑组合信号产生，具体为：
S2＝ub；S6＝ua；S9＝ud；S10＝uc；
为了验证升降压低电压应力开关电容多电平逆变器的正确性和可行性，设计升降压低电压应力开关电容多电平逆变器仿真实验。以下结论通过MATLAB仿真得到。
本实例仿真参数为：输入电压Vin＝30V；电容C1＝C2＝2200μF；输出电压频率f0＝500Hz；负载为阻感性负载，R＝20Ω，L＝5mH；调制比M＝1；仿真波形图显示了两个输出电压周期的情况。
图4(a)～图4(k)为逆变器升压模式仿真中开关管S1～S11的电压波形图，所有开关管电压应力均小于输入电压，满足低电压应力要求。
图5为该逆变器升压模式仿真中输出电压波形图，输出为5电平，分别为60V、30V、0、-30V、-60V；图6为该逆变器升压模式仿真中输出电流波形图，近似为正弦波，与理论分析相符。
该逆变器在降压模式可输出±Vin、0五种电平，具体如下：
开关管S2、开关管S3、开关管S4、开关管S6、开关管S9、开关管S10导通，其余开关管断开，电容C1处于充电状态，电容C2处于充电状态，输出电平Vin；
开关管S2、开关管S6、开关管S9、开关管S11导通，其余开关管断开，电容C1处于放电状态，输出电平
开关管S1、开关管S3、开关管S4、开关管S6、开关管S9、开关管S10导通，其余开关管断开，电容C1处于充电状态，电容C2处于充电状态，输出电平0；
开关管S1、开关管S5、开关管S6、开关管S8、开关管S11导通，其余开关管断开，电容C2处于放电状态，输出电平
开关管S1、开关管S5、开关管S7、开关管S8、开关管S11导通，其余开关管断开，电容C1处于放电状态，电容C2处于放电状态，输出电平-Vin；
该逆变器降压模式调制方法为：输入正弦调制波与多个相同幅值、相同频率、相同相位的三角载波比较后，产生的信号进行逻辑组合后作为开关管的驱动信号。输入正弦调制波为ur，幅值为Aref；三角载波幅值为Ac且等于三角载波的个数为4，从下到上分别为u1、u2、u3、u4；，调制比基础三角载波的相位与输入正弦调制波相等，初始值为0，其余三角载波根据基础三角载波的上下平移得到；u3为基础三角载波；将u3向上平移Ac得到u4；将u3向下平移Ac得到u2；将u3向下平移2Ac得到u1；
输入正弦调制波ur满足u4<ur时，逆变器输出电平Vin；输入正弦调制波ur满足u3<ur<u4时，逆变器输出电平输入正弦调制波ur满足u2<ur<u3时，逆变器输出电平0；输入正弦调制波ur满足u1<ur<u2时，逆变器输出电平输入正弦调制波ur满足ur<u1时，逆变器输出电平-Vin；ua、ub、uc、ud为三角载波u4、u3、u2、u1与正弦调制波ur相交后得到的波形；开关管S1～S11的驱动信号均由ua、ub、uc、ud的逻辑组合信号产生，具体为：
S2＝ub，S6＝ud，S9＝uc，
进行逻辑组合是通过列真值表得到的，n>0时逻辑组合方法与n＝0相同，具体的根据实际调制波形确定。比如n＝0有4个调制波和载波相交，n＝1就有6个调制波和载波相交，产生的6个信号列写真值表，就得到驱动信号的表达式。
本实例仿真参数为：输入电压Vin＝30V；电容C1＝C2＝2200μF；输出电压频率f0＝500Hz；负载为阻感性负载，R＝20Ω，L＝5mH；调制比M＝1；
图7为该逆变器降压模式仿真中输出电压波形图，输出为5电平，分别为30V、15V、0、-15V、-30V；图8为该逆变器降压模式仿真中输出电流波形图，近似为正弦波，与理论分析相符。
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