具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

如图1所示，所述具有升压能力的三相三电平双输出逆变器由两个电容、两个直流升压单元、18个开关模块和两组三相负载连接构成，通过对开关模块施加合理的驱动信号，该具有升压能力的三相三电平双输出逆变器可输出两组幅值、频率皆可调的三相交流电压。两个电容分别为：电容C₁～C₂；18个开关模块分别为：开关模块A1～A4、开关模块B1～B4、开关模块C1～C4、开关模块O1～O6；逆变器的两组输出分别定义为逆变级1和逆变级2，逆变级1所带的三相负载为Z_A1、Z_B1、Z_C1，逆变级2所带的三相负载为Z_A2、Z_B2、Z_C2。

本发明的具有升压能力的三相三电平双输出逆变器的调制方法

1)直流升压过程，称为直流模式

直流模式分为直流模式1和直流模式2；直流模式1为直流升压单元T1工作于有效的工作状态，对电容C₁进行充电，使其电压升高；直流模式2为直流升压单元T2工作于有效的工作状态，对电容C₂进行充电，使其电压升高。

下面以直流模式1为例，对其工作原理进行说明，直流模式2同理。直流模式1包括8个工作状态，分别为工作状态1、工作状态2、工作状态3、工作状态4、工作状态5、工作状态6、工作状态7和工作状态8，分别如图2、图3、图4、图5、图6、图7、图8和图9所示。

直流模式1的工作状态1：给开关模块A1、B1和C1施加驱动信号，在直流升压单元T1中存在3个回路，分别为回路1、回路2和回路3。回路1电流流过的路径为开关模块A1的S_A1、二极管D_1A和电感L₁；回路2电流流过的路径为开关模块B1的S_B1、二极管D_1B和电感L₁；回路3电流流过的路径为开关模块C1的S_C1、二极管D_1C和电感L₁，3个回路电流如图2中虚线所示。此时，直流升压单元T1不对电容C₁放电，电容C₁维持自身电压不变。

直流模式1的工作状态2：给开关模块A1、B1和C2施加驱动信号，由于二极管D_1C承受反向电压而关断，因此在直流升压单元T1中存在2个回路，分别为回路1和回路2。回路1电流流过的路径为开关模块A1的S_A1、二极管D_1A和电感L₁；回路2电流流过的路径为开关模块B1的S_B1、二极管D_1B和电感L₁，2个回路电流如图3中虚线所示。此时，直流升压单元T1不对电容C₁放电，电容C₁维持自身电压不变。

直流模式1的工作状态3：给开关模块A1、B2和C1施加驱动信号，由于二极管D_1B承受反向电压而关断，因此在直流升压单元T1中存在2个回路，分别为回路1和回路2。回路1电流流过的路径为开关模块A1的S_A1、二极管D_1A和电感L₁；回路2电流流过的路径为开关模块C1的S_C1、二极管D_1C和电感L₁，2个回路电流如图4中虚线所示。此时，直流升压单元T1不对电容C₁放电，电容C₁维持自身电压不变。

直流模式1的工作状态4：给开关模块A2、B1和C1施加驱动信号，由于二极管D_1A承受反向电压而关断，因此在直流升压单元T1中存在2个回路，分别为回路1和回路2。回路1电流流过的路径为开关模块B1的S_B1、二极管D_1B和电感L₁；回路2电流流过的路径为开关模块C1的S_C1、二极管D_1C和电感L₁，2个回路电流如图5中虚线所示。此时，直流升压单元T1不对电容C₁放电，电容C₁维持自身电压不变。

直流模式1的工作状态5：给开关模块A1、B2和C2施加驱动信号，由于二极管D_1B和二极管D_1C承受反向电压而关断，因此在直流升压单元T1中存在一个回路，为回路1。回路1电流流过的路径为开关模块A1的S_A1、二极管D_1A和电感L₁，如图6中虚线所示。此时，直流升压单元T1不对电容C₁放电，电容C₁维持自身电压不变。

直流模式1的工作状态6：给开关模块A2、B1和C2施加驱动信号，由于二极管D_1A和二极管D_1C承受反向电压而关断，因此在直流升压单元T1中存在一个回路，为回路1。回路1电流流过的路径为开关模块B1的S_B1、二极管D_1B和电感L₁，如图7中虚线所示。此时，直流升压单元T1不对电容C₁放电，电容C₁维持自身电压不变。

直流模式1的工作状态7：给开关模块A2、B2和C1施加驱动信号，由于二极管D_1A和二极管D_1B承受反向电压而关断，因此在直流升压单元T1中存在一个回路，为回路1。回路1电流流过的路径为开关模块C1的S_C1、二极管D_1C和电感L₁，如图8中虚线所示。此时，直流升压单元T1不对电容C₁放电，电容C₁维持自身电压不变。

直流模式1的工作状态8：给开关模块A2、B2和C2施加驱动信号，在直流升压单元T1中存在3个回路，分别为回路1、回路2和回路3。回路1电流流过的路径为电容C₁、开关模块O1的S_O1、开关模块O2的D_O2、开关模块A2的D_A2、二极管D_1A和电感L₁；回路2电流流过的路径为电容C₁、开关模块O3的S_O3、开关模块O4的D_O4、开关模块B2的D_B2、二极管D_1B和电感L₁；回路3电流流过的路径为电容C₁、开关模块O5的S_O5、开关模块O6的D_O6、开关模块C2的D_C2、二极管D_1C和电感L₁，3个回路电流如图9中虚线所示。此时，直流升压单元T1对电容C₁放电，电容C₁电压升高。

根据以上分析可得出结论：当开关模块A1、开关模块B1、开关模块C1都不导通时，直流升压单元T1对电容C₁放电，电容C₁电压升高；同理，当开关模块A4、开关模块B4、开关模块C4都不导通时，直流升压单元T2对电容C₂放电，电容C₂电压升高。

2)逆变过程，称为交流模式；

交流模式分为交流模式1和交流模式2，交流模式1为逆变级1工作于有效的工作状态，交流模式2为逆变级2工作于有效的工作状态；交流模式下，把电容C₁、电容C₂上的直流电压变换为两组三相交流电压。

当逆变级1处于有效工作状态时，使每一相的开关模块X4(X∈{A，B，C})导通；当逆变级2处于有效的工作状态时，使每一相的开关模块X1(X∈{A，B，C})导通。当逆变器工作于交流模式1时，其包括3个工作状态，分别为：工作状态1、工作状态2和工作状态3，分别如图10、图11和图12所示；当逆变器工作于交流模式2时，也包括3个工作状态，分别为：工作状态1、工作状态2和工作状态3，分别如图13、图14和图15所示。下面以A相为例，对各工作状态的原理进行说明，B、C两相同理。

交流模式1的工作状态1：给开关模块A1施加驱动信号，当电流从逆变器流向负载时，电流流过的路径为开关模块A1的S_A1和负载Z_A1，如图10中点虚线所示。此时，负载Z_A1连接至直流母线正极端P_bus，其电位为当电流从负载流向逆变器时，电流流过的路径为负载Z_A1和开关模块A1的D_A1，如图10中长虚线所示，此时负载Z_A1的电位仍为

交流模式1的工作状态2：给开关模块A2、O1和O2施加驱动信号，当电流从逆变器流向负载时，电流流过的路径为开关模块O1的S_O1、开关模块O2的D_O2、开关模块A2的D_A2和负载Z_A1，如图11中点虚线所示。此时，负载Z_A1连接至直流中性点O_bus，其电位为0；当电流从负载流向逆变器时，电流流过的路径为负载Z_A1、开关模块A2的S_A2、开关模块O2的S_O2和开关模块O1的D_O1，如图11中长虚线所示，此时负载Z_A1的电位仍为0。

交流模式1的工作状态3：给开关模块A2、A3和A4施加驱动信号，当电流从逆变器流向负载时，电流流过的路径为开关模块A4的D_A4、开关模块A3的D_A3、开关模块A2的D_A2和负载Z_A1，如图12中点虚线所示。此时，负载Z_A1连接至直流母线负极端N_bus，其电位为当电流从负载流向逆变器时，电流流过的路径为负载Z_A1、开关模块A2的S_A2、开关模块A3的S_A3和开关模块A4的S_A4，如图12中长虚线所示，此时负载Z_A1的电位仍为

交流模式2的工作状态1：给开关模块A1、A2和A3施加驱动信号，当电流从逆变器流向负载时，电流流过的路径为开关模块A1的S_A1、开关模块A2的S_A2、开关模块A3的S_A3和负载Z_A2，如图13中点虚线所示。此时，负载Z_A2连接至直流母线正极端P_bus，其电位为当电流从负载流向逆变器时，电流流过的路径为负载Z_A2、开关模块A3的D_A3、开关模块A2的D_A2和开关模块A1的D_A1，如图13中长虚线所示，此时负载Z_A2的电位仍为

交流模式2的工作状态2：给开关模块A3、O1和O2施加驱动信号，当电流从逆变器流向负载时，电流流过的路径为开关模块O1的S_O1、开关模块O2的D_O2、开关模块A3的S_A3和负载Z_A2，如图14中点虚线所示。此时，负载Z_A2连接至直流中性点O_bus，其电位为0；当电流从负载流向逆变器时，电流流过的路径为负载Z_A2、开关模块A3的D_A3、开关模块O2的S_O2和开关模块O1的D_O1，如图14中长虚线所示，此时负载Z_A2的电位仍为0。

交流模式2的工作状态3：给开关模块A4施加驱动信号，当电流从逆变器流向负载时，电流流过的路径为开关模块A4的D_A4和负载Z_A2，如图15中点虚线所示。此时，负载Z_A2连接至直流母线负极端N_bus，其电位为当电流从负载流向逆变器时，电流流过的路径为负载Z_A2和开关模块A4的S_A4，如图15中长虚线所示，此时负载Z_A2的电位仍为

表1对上述分析进行了总结，列出了开关模块状态与输出电平的关系。在表1中，“ON”表示开关模块处于导通状态，“OFF”表示开关模块处于关断状态，“-”表示开关模块不允许的工作状态；“P”表示输出为的工作状态，“O”表示输出为0的工作状态，“N”表示输出为的工作状态。

本发明一种具有升压能力的三相三电平双输出逆变器的18个开关模块的绝缘栅双极晶体管也可以采用其它的全控型电力半导体功率器件。本发明所涉及的元器件均为市售产品。

表1 具有升压能力的三相三电平双输出逆变器中开关模块状态与输出电平的关系(以A相为例)

3)采用载波PWM调制；

对于所述具有升压能力的三相三电平双输出逆变器，采用载波PWM调制进行说明。载波为两组频率和相位相同，幅值是1的三角波上下层叠，上下三角载波分别用v_car1和v_car2表示，如图16所示；逆变级1的三相调制波用v_a1 ^*、v_b1 ^*、v_c1 ^*表示，逆变级2的三相调制波用v_a2 ^*、v_b2 ^*、v_c2 ^*表示，分别如式(1)和式(2)所示：

其中，m₁和m₂分别为逆变级1和逆变级2的调制度；ω₁和ω₂分别为逆变级1和逆变级2输出电压的角频率。

如图17所示，定义逆变级1的调制波的外包络线v₁和逆变级2的调制波的外包络线v₂，分别如式(3)和式(4)所示：

v₁＝max{v_a1 ^*，v_b1 ^*，v_c1 ^*} (3)

v₂＝min{v_a2 ^*，v_b2 ^*，v_c2 ^*} (4)

其中，max表示取最大值，min表示取最小值。

以图16中的v_a1 ^*和v_a2 ^*为例说明载波PWM的调制方法(图16中三角载波频率约为正弦调制波频率的6倍，实际调制中该倍数很大)。当v_a1 ^*≥v_car1时，逆变级1的A相输出P状态，即输出电位；当v_car2≤v_a1 ^*<v_car1时，逆变级1的A相输出O状态，即输出0电位；当v_a1 ^*<v_car2时，逆变级1的A相输出N状态，即输出电位。当v_a2 ^*≥v_car1时，逆变级2的A相输出P状态，即输出电位；当v_car2≤v_a2 ^*<v_car1时，逆变级2的A相输出O状态，即输出0电位；当v_a2 ^*<v_car2时，逆变级2的A相输出N状态，即输出电位。通过以上分析并结合表1可进一步得出开关模块A1～A4、开关模块O1和开关模块O2的驱动信号。B、C两相同理。

值得注意的是，受具有升压能力的三相三电平双输出逆变器结构的限制，为避免产生表1中无效的工作状态使输出波形产生畸变，逆变级1和逆变级2的调制波应满足的关系如式(5)所示。

如图17所示，用逆变级1的调制波的外包络线v₁与上三角载波v_car1比较，在v₁上部分的阴影区域满足v₁<v_car1，逆变级1的A相、B相、C相均不输出P状态，即开关模块A1、开关模块B1、开关模块C1都不导通。此时，直流升压单元T1对电容C₁放电，电容C₁电压升高；用逆变级2的调制波的外包络线v₂与下三角载波v_car2比较，在v₂下部分的阴影区域满足v₂≥v_car2，逆变级2的A相、B相、C相均不输出N状态，即开关模块A4、开关模块B4、开关模块C4都不导通。此时，直流升压单元T2对电容C₂放电，电容C₂电压升高。

为了验证所述具有升压能力的三相三电平双输出逆变器的可行性和载波PWM的调制方法的有效性，通过MATLAB/Simulink进行仿真验证。第一组仿真参数如下：载波频率为10kHz；两个直流电压源电压均为15V；逆变级1的调制度为0.7，频率为100Hz；逆变级2的调制度为0.7，频率为100Hz；逆变级1的三相负载电阻为10Ω，电感5mH；逆变级2的三相负载电阻为10Ω，电感为5mH。第二组仿真参数如下：载波频率为10kHz；两个直流电压源电压均为15V；逆变级1的调制度为0.5，频率为120Hz；逆变级2的调制度为0.5，频率为100Hz；逆变级1的三相负载电阻为10Ω，电感5mH；逆变级2的三相负载电阻为10Ω，电感为5mH。当电路运行至稳态后，在第一组仿真参数下，图18为电容C₁的电压波形图、图19为电容C₂的电压波形图、图20逆变级1的三相输出电流波形图、图21为逆变级2的三相输出电流波形图、图22为逆变级1的输出线电压u_AB1波形图、图23为逆变级2的输出线电压u_AB2波形图；在第二组仿真参数下，图24为电容C₁的电压波形图、图25为电容C₂的电压波形图、图26逆变级1的三相输出电流波形图、图27为逆变级2的三相输出电流波形图、图28为逆变级1的输出线电压u_AB1波形图、图29为逆变级2的输出线电压u_AB2波形图。

尽管上面结合附图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述具体实施方式是示意性的，而非限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离发明宗旨的情况下，还能够做出其它形式，这些均属于本发明的保护之内。