现代多电平逆变器拓扑

５／２００６６综述・评论现代多电平逆变器拓扑彭方正１，２，钱照明　１，罗吉盖斯３，赖泽生４（１．　浙江大学，浙江　杭州　３１００２７；２．　密西根州立大学，美国；３．　圣玛利亚州立理工大学，智利；４．　维吉利亚州立理工大学，　美国）摘要　：近年来对中压大功率逆变器的需求日益增加，多电平逆变器已引起人们极大的兴趣。

文章对当前水平的各种多电平逆变器的拓扑，如：二极管箝位逆变器、电容器箝位逆变器、级联多电平逆变器、通用多电平拓扑、复合电平混合多电平拓扑、不对称混合多电平拓扑及软开关多电平逆变器等的工作原理作了简要的综述。

关键词：多电平；变流器；逆变器；拓扑中图分类号：ＴＭ４６文献标识码：Ａ文章编号：１６７１－８４１０（２００６）０５－０００６－０６Ｎｏｖｅｌ　Ｍｕｌｔｉｌｅｖｅｌ　Ｉｎｖｅｒｔｅｒ　ＴｏｐｏｌｏｇｉｅｓＰＥＮＧ　Ｆａｎｇ－ｚｈｅｎｇ　１，　２，　ＱＩＡＮ　Ｚｈａｏ－ｍｉｎｇ１，　Ｊｏｓé Ｒｏｄｒíｇｕｅｚ３，　Ｊｉｈ－Ｓｈｅｎｇ　Ｌａｉ４（１．　Ｚｈｅｊｉａｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｈａｎｇｚｈｏｕ，Ｚｈｅｊｉａｎｇ　３１００２７，Ｃｈｉｎａ；　２．Ｍｉｃｈｉｇａｎ　Ｓｔａｔｅ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，　Ｅａｓｔ　Ｌａｎｓｉｎｇ，　ＭＩ，　ＵＳＡ；　３．Ｕｎｉｖｅｒｓｉｄａｄ　Ｔéｃｎｉｃａ　ＦｅｄｅｒｉｃｏＳａｎｔａ　Ｍａｒíａ　Ｉｎｓｔｉｔｕｃｉóｎ，　Ｖａｌｐａｒａíｓｏ，　Ｃｈｉｌｅ； ４．Ｖｉｒｇｉｎｉａ　Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ａｎｄ　Ｓｔａｔｅ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，　Ｂｌａｃｋｓｂｕｒｇ，　ＶＡ，　ＵＳＡ）Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ｄｕｅ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｇｒｅａｔ　ｄｅｍａｎｄ　ｏｆ　ｍｅｄｉｕｍ－ｖｏｌｔａｇｅ　ｈｉｇｈ－ｐｏｗｅｒ　ｉｎｖｅｒｔｅｒ，　ｔｈｅ　ｍｕｌｔｉｌｅｖｅｌ　ｉｎｖｅｒｔｅｒ　ｈａｓ　ｄｒａｗｎ　ｔｒｅｍｅｎｄｏｕｓｉｎｔｅｒｅｓｔ　ｅｖｅｒ　ｓｉｎｃｅ．　Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｐｒｅｓｅｎｔｓ　ａ　ｄｅｔａｉｌｅｄ　ｒｅｖｉｅｗ　ｆｏｒ　ｓｔａｔｅ－ｏｆ－ｔｈｅ－ａｒｔ　ｔｏｐｏｌｏｇｉｅｓ　ｏｆ　ｍｕｌｔｉｌｅｖｅｌ　ｉｎｖｅｒｔｅｒ，　ｓｕｃｈ　ａｓ　ｄｉｏｄｅ－ｃｌａｍｐｅｄｉｎｖｅｒｔｅｒ， ｃａｐａｃｉｔｏｒ－ｃｌａｍｐｅｄ　ｉｎｖｅｒｔｅｒ， ｃａｓｃａｄｅｄ　ｍｕｌｔｉ－ｃｅｌｌ　ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ，　ｇｅｎｅｒａｌｉｚｅｄ　ｍｕｌｔｉｌｅｖｅｌ　ｃｅｌｌｓ， ｍｉｘｅｄ－ｌｅｖｅｌ　ｈｙｂｒｉｄ　ｍｕｌｔｉｌｅｖｅｌ　ｃｅｌｌｓ，ａｓｙｍｍｅｔｒｉｃ　ｈｙｂｒｉｄ　ｍｕｌｔｉｌｅｖｅｌ　ｃｅｌｌｓ　ａｎｄ　ｓｏｆｔ－ｓｗｉｔｃｈｅｄ　ｍｕｌｔｉｌｅｖｅｌ　ｃｏｎｖｅｒｔｅｒｓ　ｅｔｃ．Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：　ｍｕｌｔｉｌｅｖｅｌ；　ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ；　ｉｎｖｅｒｔｅｒ；　ｔｏｐｏｌｏｇｙ收稿日期：２００６－０５－２０作者简介：彭方正（１９６３－），男，博士，教授，ＩＥＥＥ电力电子学刊编委，ＩＥＥＥ工业应用学会工业变换器委员会委员，研究方向：电力系统电力电子技术（包括：无功补偿、有源电力滤波、电力调节器、灵活交流输电等），高性能特大功率变换技术（包括：特大功率高电压交流调速系统等）；钱照明（１９３９－），男，浙江大学电气工程学院教授，博士生导师，目前主要研究领域：电力电子应用技术，电力电子系统电磁兼容及电力电子系统集成等。

０前言近年来，工业界开始使用功率达到兆瓦级的设备。

众所周知，兆瓦级可控的变流装置通常接到中压电网，而将单个的功率半导体开关直接应用到中压电网（２．３ｋＶ，３．３　ｋＶ，４．１６　ｋＶ或６．９　ｋＶ）显然是比较困难的。

为了适应高电压等级工作的需要，出现了一系列多电平逆变器［１－３］。

多电平逆变器通常包含一组功率半导体器件和电容器电压源，通过诸个开关切换，使电容器上诸个电压互相叠加，输出高电压，而功率半导体器件只需承受较低的电压，在逆变器的输出端产生阶梯波形高电压。

图１示出具有不同电平数的逆变器的一相支臂的原理示意图。

图中功率半导体器件的动作用一个具有多个位置的理想开关来表示。

相对于电容器负端，一个二电平逆变器产生具有２个电平值的输出电压（图１（ａ）），三电平逆变器则产生３个电平的输出电压（图１（ｂ）），　ｎ电平逆变器则产生ｎ个电平的输出电压（图１（ｃ））。

　假设ｍ是相对于逆变器负端的相电压的阶梯数，那么负载两相间电压的阶梯数ｋ则可以表示为：５／２００６７现代多电平逆变器拓扑ｋ＝２ｍ＋１ ………………………………………（１）三相负载星型接法的相电压的阶梯数ｐ可以表示为：ｐ＝２ｋ－１ ………………………………………　（２）鼓风机、送风机、压缩机等。

至今，　多电平逆变器的拓扑主要有３类：二极管箝位式（中性点箝位）［４］、电容箝位式（浮置电容）［１，５，６］和级联多单元带分离直流电源式［１，７－９］。

本文将对之进行系统性综述，讨论已成熟的和正在发展的拓扑，并展望级联多电平技术的未来发展。

１基本的多电平逆变器拓扑１．１二极管箝位式逆变器图２（ａ）示出了一个三电平二极管箝位的逆变器拓扑。

在这个电路中，直流母线电压通过２个串联的大电容器Ｃ１和Ｃ２被分成３个电平。

两个电容器的中点ｎ被定义为中性点。

输出电压Ｖａｎ有３种状态：Ｖｄｃ／２、０和－Ｖｄｃ／２。

输出为Ｖｄｃ／２时，开关Ｓ１和Ｓ２闭合；输出为－Ｖｄｃ／２，则开关Ｓ１＇和Ｓ２＇闭合；输出为０电平，Ｓ２和Ｓ１＇闭合。

区别本电路与传统二电平逆变器的关键在于元件Ｄ１和Ｄ１＇。

这２个二极管将开关电压箝位至直流母线电压的一半。

当开关Ｓ１和Ｓ２闭合时，ａ和０点间的电压为Ｖｄｃ，即Ｖａｎ＝　Ｖｄｃ。

此时，Ｄ１＇平衡了开关Ｓ１＇和Ｓ２＇的电压分配，而Ｓ＇１阻断了加在Ｃ１上的电压，Ｓ２＇则阻断了加在Ｃ２上的电压。

输出电压Ｖａｎ为交流，而Ｖａｏ是直流电压，　二者之差为加在Ｃ２两端的电压，即Ｖｄｃ／２。

如果输出电压改为从ａ和０点间输出，则本电路变为一个直流变流器，可以有３种输出电平：Ｖｄｃ、Ｖｄｃ／２和０。

图２（ｂ）示出了一个五电平二极管箝位逆变器，其中直流母线由Ｃ１￣Ｃ４４个电容器和组成。

当直流母线电压为Ｖｄｃ时，加在每一个电容两端的电压则为Ｖｄｃ／４，通过箝位二极管的作用，每一个器件的电压将被限制在一个电容器电压的水平，即Ｖｄｃ／４。

为了解释阶梯形电压的合成原理，中性点ｎ被视８５／２００６现代多电平逆变器拓扑为输出相电压的参考点。

为了在ａ和ｎ点之间合成五电平的电压，有下列５种开关组合情况。

（１）当Ｖａｎ＝　Ｖｄｃ／２时，开关Ｓ１￣Ｓ４全部闭合；（２）当Ｖａｎ＝　Ｖｄｃ／４时，开关Ｓ２￣Ｓ４和开关Ｓ１＇闭合；（３）当Ｖａｎ＝０时，开关Ｓ３、Ｓ４和开关Ｓ１＇、Ｓ２＇闭合；（４）当Ｖａｎ＝－Ｖｄｃ／４时，开关Ｓ４和开关Ｓ１＇￣Ｓ３＇闭合；（５）当Ｖａｎ＝－Ｖｄｃ／２时，开关Ｓ１＇￣Ｓ４＇闭合。

每相有４个互补的开关对。

开关对是这样定义的：一个开关闭合时，另一个开关打开。

在这个例子中，４个互补的开关对是（Ｓ１、Ｓ１＇），（Ｓ２、Ｓ２＇），（Ｓ３、Ｓ３＇）和（Ｓ４、Ｓ４＇）。

尽管每一个有源开关器件仅需承受Ｖｄｃ／（ｍ－１）的电压，但为了阻止反向电压，几个箝位二极管必须具有不同的电压额定值。

以图２（ｂ）中Ｄ１＇为例，当开关Ｓ１＇￣Ｓ４＇闭合时，Ｄ１＇需要承受３个电容器上的电压，即３　Ｖｄｃ／４。

同样，Ｄ２和Ｄ２＇需要承受２　Ｖｄｃ／４，Ｄ３需要承受３　Ｖｄｃ／４。

假设每个二极管电压额定值均与有源开关器件的相同，每相需要的二极管数目为（ｍ－１）×（ｍ－２），这个数目将接近于ｍ的平方。

当ｍ足够大时，所需要的二极管太多，系统不实用，而且，如果逆变器工作于脉宽调制方式（ＰＷＭ），在高压大功率应用中，由于开关特性不一致且存在杂散参数，会使二极管两端产生过电压，因而需采取均压措施并需很大的ＲＣ吸收电路，导致系统体积庞大，成本增加，箝位二极管的反向恢复问题将变成主要的设计难题。

为解决这一问题，文献［３７］提出了一种改进型拓扑（图３）。

这种拓扑所用的功率器件数量与传统拓扑的一样。

但由于箝位二极管位置的变化，该电路不仅能实现功率开关管的电压箝位，而且还能通过直接和间接的方式将箝位二极管的电压箝制在单电平电压之内。

该改进电路在电平数较多的情况下，具有较明显的优越性。

１．２　电容器箝位逆变器图４示出电容器箝位逆变器的一相臂的基本结构，过去称之为浮置电容器式逆变器［１，５，６］。

它利用几个独立的电容器将器件电压箝位于一个电容器上的电压水平。

图４（ａ）所示是ａ点和ｎ点之间３电平的输出电压，即Ｖａｎ＝　Ｖｄｃ／２、０或－Ｖｄｃ／２。

输出为Ｖｄｃ／２时，开关Ｓ１和Ｓ２闭合；输出为－Ｖｄｃ／２时，开关Ｓ１＇和Ｓ２＇闭合；对于０电平，不是开关对（Ｓ１和Ｓ１＇）闭合就是开关对（Ｓ２和Ｓ２＇）闭合。

箝位电容器Ｃ１在Ｓ１和Ｓ１＇闭合时充电，在Ｓ２和Ｓ２＇闭合时放电。

适当地选取０电平开关组合，Ｃ１上的电荷可以达到平衡。

图３改进的二极管箝位四电平５／２００６９现代多电平逆变器拓扑－Ｖｄｃ／２（下端Ｃ４上的电压）］；ｃ） Ｓ１、Ｓ３、Ｓ１＇、Ｓ３＇闭合　［Ｖａｎ＝　Ｖｄｃ／２（上端Ｃ４上的电压）－３Ｖｄｃ／４（Ｃ３上的电压）＋　Ｖｄｃ／２（Ｃ２上的电压）－Ｖｄｃ／４（Ｃ１上的电压）］；ｄ） Ｓ１、Ｓ４、Ｓ２＇、Ｓ３＇闭合［Ｖａｎ＝　Ｖｄｃ／２（上端Ｃ４上的电压）－３Ｖｄｃ／４（Ｃ３上的电压）＋Ｖｄｃ／４（Ｃ１上的电压）］；ｅ）　Ｓ２、Ｓ４、Ｓ２＇、Ｓ４＇闭合　［Ｖａｎ　＝３Ｖｄｃ／４（Ｃ３上的电压）－Ｖｄｃ／２（下端Ｃ４上的电压）＋Ｖｄｃ／４（Ｃ１上的电压）－Ｖｄｃ／２（下端的Ｃ４上的电压）］；ｆ）　Ｓ２、Ｓ３、Ｓ１＇、Ｓ４＇闭合［Ｖａｎ　＝３Ｖｄｃ／４（Ｃ３上的电压）－Ｖｄｃ／４（Ｃ１上的电压）－Ｖｄｃ／２（下端Ｃ４上的电压）］。

（４）当Ｖａｎ＝－Ｖｄｃ／４时，有３种开关组合：ａ） Ｓ１、Ｓ１＇、Ｓ２＇、　Ｓ３＇闭合［Ｖａｎ＝　Ｖｄｃ／２（上端Ｃ４上的电压）－３Ｖｄｃ／４（Ｃ３上的电压）］；ｂ） Ｓ４、Ｓ２＇、Ｓ３＇、Ｓ４＇闭合［Ｖａｎ＝Ｖｄｃ／４（Ｃ１上的电压）－Ｖｄｃ／２（下端Ｃ４上的电压）］；ｃ） Ｓ３、Ｓ１＇、Ｓ３＇、Ｓ４＇闭合　［Ｖａｎ＝Ｖｄｃ／２（Ｃ２上的电压）－Ｖｄｃ／４（Ｃ１上的电压）－Ｖｄｃ／２（下端Ｃ４上的电压）］。

（５）当Ｖａｎ＝－Ｖｄｃ／２时，闭合下端所有开关Ｓ１’￣　Ｓ４’。

在前面的叙述中，荷有正电压的电容器处于放电模式，荷有负电压的电容器则处于充电模式。

通过正确地选择电容器的组合，平衡电容器上的电荷是可能的。