一种新型的无变压器级联型多电平变换器拓扑

Tsinghua University Beijing 100084 China）
Abstract Cascaded H-bridge multilevel inverter is widely used in high-voltage high-power motor drivers. The biggest shortage is the use of multi-winding transformer which is bulk, complex and expensive. In order to eliminate the multi-winding transformer of the traditional cascaded H-bridge inverter, a novel transformerless cascaded multilevel converter is proposed in this paper. It’s derived from the generalized multilevel inverter topology and consists of a number of cascaded basic cells. All the dc capacitors are floating and the separated dc sources are not needed, so the multi-winding transformer is no more needed. Due to its high modularity, it can be easily extended to higher levels. By comparing it with existing main multilevel topologies, the new topology needs fewer components while producing the same number of output voltage levels, so it is more suitable for converters with a high number of voltage levels. By taking a five-level new topology as example, the operating principle and voltage balancing method of the proposed topology are presented. The validity of the proposed topology and control method is verified by simulation and experimental results.
2011 年 8 月 第 26 卷第 8 期
电工技术学报
TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY
Vol.26 No. 8 Aug. 2011
一种新型的无变压器级联型多电平变换器拓扑
王 奎 郑泽东 李永东
（清华大学电机系电力系统及发电设备控制和仿真国家重点实验室 北京 100084）
(M−1)×2
0
0
0
(M−1)×(M−2)
(M−1)×(M−2)
0
0
0
0
(M−1)×(M−2)/2
0
(M−1)×(M−2)/2
0
0
(M−1)/2
0
新拓扑 (M−1)×2
2M−4 0
2M−3 0
由表 1 可以看出，各种拓扑结构使用的主开关 管数量相同，只是钳位器件种类、数量不同。二极 管钳位、电容钳位以及通用多电平拓扑使用的钳位 器件（二极管、电容或开关管）都随着电平数 M 呈 二次方快速增长，结构变得非常复杂，不适合更高 电平的需求。H 桥级联型结构虽然使用的器件最少， 但需要特殊制造多绕组移相隔离变压器，当电平数 增多时变压器二次绕组也增多，不仅制造困难，而 且也增加了系统的体积和成本。新拓扑结构同时使 用了钳位开关管以及钳位电容，但数量和 M 成正 比，而且结构模块化，易于扩展，增加一个电平只 需增加两个基本单元级联即可，既保留了 H 桥级联 多电平变换器固有的优势，而且还省去了移相变压 器，因此非常适合于电平数极多的场合。
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电工技术学报
2011 年 8 月
H 桥级联式结构占有绝对的优势，不仅可以采用大 量低电压等级的器件实现高压的输出，而且具有结 构模块化强、使用器件最少、可靠性高、输入功率 因数高、输出不需使用滤波器等优点。其不足之处 是需要使用移相隔离变压器，而且电平数越多，需 要的变压器二次绕组也越多。而多绕组移相变压器 体积大，制造困难，成本也很高。
Keywords：Multilevel converter, transformerless topology, basic cell, cascaded，floating capacitor
1 引言
在高压大容量变频调速领域，多电平变换器由 于在提高电压等级和减小输出谐波上的巨大优势， 获得了越来越广泛的应用。虽然各种新拓扑结构层
2 新拓扑结构
在 文 献 [4] 中 彭 方 正 教 授 提 出 了 一 种 多 电 平 逆 变器的通用拓扑结构，现有的多电平拓扑结构（如 二极管钳位式，电容钳位式等）都能够从中派生而 来，这给新拓扑结构的研究提供了一条重要的思路。
遵循一定的规律和原则对通用拓扑进行简化可以得 到许多新的拓扑[5, 9]。文献[10]中也介绍了一种基于 基本单元串−并（并−串）思想生成多电平变换器拓 扑的方法，现有的多电平拓扑包括通用拓扑结构都 可以通过基本单元先并后串或者先串后并的方法得 到。本文提出的新型级联型多电平变换器拓扑正是 由通用拓扑结构派生而来。如图 1 所示，图 1a 为五 电平通用拓扑结构，只保留最外侧的基本单元（图 中阴影部分）便可得到图 1b 所示新拓扑一，但该拓 扑存在一些问题：第 2 级的两个基本单元由于电容 直接串联并且内侧两个开关管和第 1 级的电容并 联，因此输出不独立，内侧两个开关管不能同时导 通。如果将第 2 级的两个单元拆分，使其互相独立， 可选择的开关状态更多，由此得到图 1c 所示新拓扑 二。图 1b 的第一级和第二级还可以直接简化成二极 管钳位型或电容钳位型三电平结构，如图 1d 和图 1e 所示。从另外一个角度看，图 1d 和图 1e 相当 于将图 1c 的中间基本单元由两电平结构扩展成三 电平结构，这样在输出同样电平数的情况下使用 元件更少。本文主要对新拓扑二展开研究，结果 具有一定的通用性。其 M 电平桥臂结构如图 2 所 示。
电容电压相同均为 VC，直流母线电压为 udc。定义 每个基本单元的开关函数为
s
=
⎧1 ⎨⎩0
上管导通 下管导通
为保证在每个开关时刻桥臂内部串联电容电压
与母线电压相等，须满足
udc = upp1 + up1n1 + un1n
（1）
式中，upp1，up1n1，un1n 分别为上桥臂、中间单元和 下桥臂两端电压。
摘要 H 桥级联多电平逆变器在高压大容量变频调速领域得到了广泛的应用，其最大的不足 之处是必须使用庞大、复杂而昂贵的多绕组移相隔离变压器。为了省去传统 H 桥级联多电平变换 器中的多绕组移相变压器，提出了一种新型的无变压器级联型多电平变换器拓扑结构。该拓扑由 通用拓扑结构派生而来，全部由基本单元级联而成，不需要大量独立直流电源，省去了多绕组移 相隔离变压器，具有模块性强、结构简单、易于扩展等优点。和现有的主要多电平拓扑结构相比， 随着电平数的增多，使用元件较少，更适合于五电平及以上多电平使用。以五电平拓扑为例进行 了研究，分析了其工作原理和悬浮电容电压平衡控制方法，仿真和实验结果验证了其可行性。
器件类型 主开关管 钳位开关管 钳位二极管 钳位电容 变压器二次侧
表 多电平结构每相所需器件数目比较（电平数为 M） Tab. Devices required in different topologies (M-level)
二极管钳位
电容钳位
H 桥级联
通用拓扑
(M−1)×2
(M−1)×2
(M−1)×2
对于上桥臂的基本单元，开关函数为 1 时电容
旁路；对于下桥臂的基本单元，开关函数为 1 时电
容接入。因此有
M −2
M −2
∑ ∑ (M −1)VC = (1− sUi )VC + VC + sLiVC
i =1
i =1
（2）
可以得到
M −2
M −2
∑ ∑ sUi =
sLi
i =1
i =1
i = 1, 2,", M − 2 （3）
国家 863 高新技术基金资助项目（2007AA05Z264）。 收稿日期 2010-02-23 改稿日期 2010-05-13
出不穷，但目前在工业上应用最多的多电平拓扑结 构还是二极管钳位式和 H 桥级联式结构[1-2]。二极 管钳位式三电平结构在中压变频调速领域应用广 泛，但受限于器件耐压等级，输出电压不能进一步 提高。若采用更高电平的话，则存在电容电压难以 平衡的问题。虽然采用背靠背结构或者增加外部均 压电路能够控制电容电压的平衡[3-5]，但结构复杂， 钳位二极管数量也急剧增加。在高压变频调速领域，
式中，sUi，sLi 分别为上、下桥臂基本单元开关函数。 由式（3）可以看出，在任意时刻上桥臂开关函
图 1 通用多电平拓扑及其演化 Fig.1 Generalized multilevel inverter topology and derived topologies
第 26 卷第 8 期
王 奎等 一种新型的无变压器级联型多电平变换器拓扑
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图 2 新拓扑 M 电平桥臂结构 Fig.2 M-level phase leg of the novel topology