多电平逆变器的研究现状综述

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近年来，多电平逆变器作为一种新型的功率电子变换结构在大功率、高电压应用场合取得了越来越广泛地应用。多电平电压源型逆变器适用于大功率、高电压场合的根本原因在于其特有的拓扑结构。目前，有三种基本的多电平逆变器拓扑结构：66236

①二极管钳位型(NPC)

②飞跨电容型(FLC)

③ 级联型(MMC)

1.二极管钳位型

二极管钳位型的三电平逆变器在电机驱动应用方面已经引起了人们极大的兴趣。但是，对于五电平以上的二极管钳位型逆变器，考虑到直流侧电容电压平衡及需要大量的钳位二极管，基于可靠性及复杂性这些原因，限制了它的应用。

2.飞跨电容型

对于飞跨电容型多电平逆变器，其优点就是有较多的输出电平组合，从而可以对调制策略进行优化，来平衡电容器的电压。缺点就是当逆变器的电平数增加时，需要大量的储存电容器，在封装上变得困难，同时，逆变器的控制变得复杂，对于真正的功率流动，开关频率及开关损耗都非常高。论文网

3.级联型

级联型多电平逆变器没有直流侧电压不平衡的问题，但是，需要额外的独立直流电源。由于其采用H桥作为基本功率单元，具有模块化布局与封装的优点，在高电压驱动方面取得了较好的应用。

三种拓扑方式所共有的优点是：

①电平数越高，输出电压谐波含量越低；

②器件开关频率低，开关损耗小；

③器件应力小，无需动态均压[2]。

三种拓扑方式各自的缺点是：

二极管箝位型需要大量的箝位二极管；飞跨电容型需要大量的箝位电容，而且这两种电路还存在直流侧分压电容电压不均衡问题；对于第三种级联型而言，它不需要前二种电路所需的大量箝位二极管和箝位电容，易于封装；基于传统的2电平低压小容量全桥变换器的结构单元，结构简单，技术成熟，易于模块化；每个单元由一路直流电源单独供电，所以不存在电容电压不平衡问题，但这一点也是这种电路的缺点昕在，因为产生多路的独立直流电源往往是困难的。

由此可见，图1所示的三种基本拓扑结构均有相应的优缺点。因此对多电平逆变器的拓扑结构进行研究，应从简化结构、模块化的角度出发，在现有的多电平拓扑结构的基础上，构造出新的多电平拓扑结构。理想的多电平逆变器拓扑结构应具有以下特征：①电平易于扩展。②尽量少的独立直流电源。③没有电压平衡问题。④模块化结构。因此，对于特定的应用场合，我们可以研究不同拓扑的基本单元之问，以级联的方式所构成的多电平结构，来解决现有拓扑结构存在的问题，同时，对组合拓扑结构的调制策略进行研究。

多电平逆变器通用组合拓扑结构

对于多电平逆变器组合拓扑结构的构成形式，从所采用的调制策略及拓扑结构的优劣比较出发，我们概括了单相N电平逆变器K单元级联的通用拓扑结构形式。

可以看出通用拓扑结构形式的基本元素为M电平全桥单元，具有模块化的特点；同时，在通用拓扑结构形式中，有几个可以控制的自由度，如：全桥模块单元的类型、全桥模块单元的电平数、模块间直流侧电压的比例关系等。对这些自由度的选择(改变某一个自由度或几个自由度相互结合)，将会导致不同的组合拓扑结构的产生。混合拓扑结构均可以认为是通用组合拓扑结构的特例。