基于基本单元串—并（并—串）思想生成多电平变换器拓扑

何湘宁  陈阿莲  吴洪洋  浙江大学电力电子研究所（杭州 310027）

摘  要：本文提出了多电平变换器基本构成单元的概念，并从这一概念出发，提出了基于基本构成单元串—并 （并—串）思想生成多电平变换器拓扑的方法。以此方法得到的大量多电平变换器拓扑，不仅涵盖了已有的三种基本多电平电路拓扑，而且得到一些新的拓扑结构，从而将多电平变换器拓扑统一在基本构成单元的概念之内。这一概念也为多电平变换器新拓扑的生成提供了指导原则。

关键词： 多电平变换器  基本单元  拓扑

Construct Multilevel Converter Topologies Based on Series-parallel

and Parallel-series Connection of Basic Cells

Abstract: A new research clew to construct multilevel converter topologies is proposed in this paper, which is based on the concept of basic cells and their series-parallel and parallel-series connections. A series of multilevel converter topologies are deduced from the clew, which include the existing three topologies and many new topologies. This paper provides a new direction for construction multilevel converter topologies.

Keywords: multilevel converter  basic cell  topology

1  引  言

多电平变换器作为一种适用于高压、大功率变换的电力电子电路拓扑，自上世纪80年代初被提出之后，引起了学术界和工业界的广泛关注，至今，已形成了二极管箝位型，飞跨电容型，级联型三种基本的电路拓扑结构。在这一领域的研究当中，从多电平概念提出之初，研究者们就一直致力于其基本电路拓扑结构的研究，希望能找到多电平变换器的统一拓扑，从而使多电平变换器拓扑结构的研究更加系统化[1][2][3][4]。本文基于这一研究目的，在广泛阅读和分析已有研究成果的基础上，得出结论认为，试图找到涵盖所有多电平变换器拓扑结构的统一电路拓扑是不切实际的，因而转变研究思路，提出了基于基本构成单元的多电平变换器拓扑结构形成的新思路和方法，从而将多电平变换器拓扑结构的研究统一在基本构成单元的范畴之内。根据这一研究思路，不仅可以得到已有的三种基本多电平变换器拓扑，而且可以推导得到一系列新的拓扑结构，从而为多电平变换器拓扑结构的研究提供了一个新的指导原则。

2  多电平变换器基本构成单元的提出

从电路原理的角度，为得到输出的多电平，至少必须满足以下两个基本条件。第一、需要基本电平；第二、需要相应的由有源和无源器件组成的基本单元，将基本电平合成，实现多电平输出。对于前者，即基本电平的构成，只能有以下几种方法实现：1、直流母线电压进行电容分压；2、悬浮电容构成电压源；3、独立电压源。很显然，这几种方法，已在现有的多电平变换器拓扑中得到了应用，其中1对应于二极管箝位型，2对应于电容箝位型，3对应于级联型。对于第二个条件，即能将基本电平合成，实现多电平输出的电路单元，它的构成应该具备几个基本特性。首先，它必须是可控的，只有这样才能在适当的时刻，被触发导通，按要求合成输出电平，因此它必须包含有源器件；其次，为了保证单元中能量流动的连续性和能量流动的双向性，必须有无源器件和对应的有源器件成对出现，它们的导通方向应相反。将基本电平和电路单元相结合，就可构成多电平变换器的基本单元，从上述的基本特性来看，似乎这一基本单元的要求并不高，如图1所示的普通两电平变换器的桥臂，就能满足它的要求。但这样得到的基本单元只能实现两电平的输出，为了得到多电平的输出电压，自然的思路就是将它们串联或并联，得到如图2和图3所示的单元。对于前者，在两个输出端之间，可以得到四种电平的输出电压，V1-V2，V1-V3，V2-V3，0；对于后者，实际上就是一个普通的全桥电路，如果采用单极性调制，在它的输出端，可以得到三个电平，V1-V2，0，V2-V1。

图1多电平变换器的基本单元       图2基本单元的串联                图3 基本单元的并联

3  由基本单元得到的多电平变换器拓扑

在得到基本单元后，为了获得到更多的电平，可以采用基本单元串—并和并—串的联接方式进行扩展。

3.1  基本单元串—并得到的多电平变换器拓扑

将多电平变换器基本单元分别串联，得到若干个电平数递减的部分，再将这些部分并联，从而得到如图4所示的多电平变换器拓扑。对于该拓扑，在文献[4]中曾被提出和研究，并总结出这种电路的诸多优点，例如，现有的二极管箝位型多电平变换器，电容箝位型多电平变换器，都可以从中推导得到；在该电路中去除某些元件可以得到一些新的多电平变换器拓扑，这些新拓扑基本上仍属于二极管箝位型和电容箝位型的变形电路；电容电压具有自平衡能力等。文中将这一拓扑称为“通用的多电平变换器拓扑”，但是，这一“通用”拓扑有很多局限性，无法从中导出已存在的另一类多电平电路拓扑——级联型多电平变换器拓扑，而利用本文的思想可以很容易得到级联型多电平变换器拓扑（见下文）。本文提出的多电平变换器基本构成单元思想可进一步拓展，覆盖文献[5]-[8]中提出的各种拓扑结构，同时多电平变换器基本单元还可以用三（或三以上）电平桥臂构成，分别采用二极管箝位型和电容箝位型三电平变换器桥臂作为基本单元，仍然采用先串后并的方法，可得到图5、6的多电平变换器拓扑。更多的多电平变换器电路拓扑的生成，还可以通过组合两电平桥臂基本构成单元和三电平桥臂基本构成单元得到，如文献[9]中的电路拓扑就是这一思路的典型应用，在这个电路中，由三电平桥臂构成三相三电平主电路，而中点箝位由一个两电平桥臂基本单元实现，根据需要将不同电平的中点电压，连接到三相三电平桥臂的中点，从而用较少的直流母线分压电平，得到了更多电平的输出电压。

3.2  基本单元并—串得到的多电平变换器拓扑

将任意电平的基本单元并联形成多个全桥单元，再将这些全桥单元串联，可得到任意电平的级联型多电平变换器。由于级联型多电平变换器易于模块化的结构特点，所以本文提出的基本单元的思想在其中更能充分地体现出来。图7即为由两电平桥臂作为基本单元构成的级联型五电平变换器。 为了增加输出电压的电平数和提高波形质量，可以对每个全桥单元使用不同的直流电压。典型的情况是按照二进制取值（V，2V，4V，… 2n-1V），这样可以在输出端得到2n+1个电平的阶梯波[10], 从而用少量的级联单元实现尽可能多的电平数，降低了系统成本。另外，不同模块可以采用不同耐压和功率等级的功率器件，如IGBT，GTO等，这样，一方面不同模块可以根据所采用器件的不同，每个模块设定不同的开关频率，另一方面，可以根据器件不同的耐压等级，每个模块采用不同电压的独立电压源，从而可以充分利用功率器件，并以较少的模块实现较多的电平输出。基于这一思想的多电平变换器已有相关文献进行了研究，文献[11]将其称为混合型级联多电平变换器。同时多电平变换器基本单元也可以用三（或三以上）电平桥臂构成，分别采用二极管箝位型和电容箝位型三电平变换器桥臂作为基本单元，采用先并后串的方法，可得到图8、9的多电平变换器拓扑。文献[12]将由任意电平的二极管箝位型全桥单元相串联所构成的拓扑称为“通用级联型变换器拓扑”，并以图10所示的电路进行了研究。通过分析文章作者认为，由于该电路中下面的模块由二极管箝位的三电平桥臂构成，所以在一定应用场合，必须以减少输出的电平数作为代价来保证中点电位平衡。从本文的思路出发，可以很容易得到图11的电路，即用两电平桥臂和电容箝位型的三电平桥臂作为基本单元，此时可以得到最大电平数的输出。根据最大扩展原则[13]，当Vdc2=6 Vdc1时，该电路可输出15电平的阶梯波。所以文献[12]的“通用”级联型变换器拓扑存在很大的局限性，它不能包括所有以电容箝位型作为基本单元的级联型电路。

图4  基于两电平桥臂和基本单元                    图7  基于两电平桥臂和基本单元 串—并思想的多电平变换器拓扑                    并—串思想的多电平变换器拓扑

图5  基于二极管箝位型三电平桥臂和基本单元            图8  基于二极管箝位型三电平桥臂和基本单元

串—并思想的多电平变换器拓扑                        并—串思想的多电平变换器拓扑

图6  基于电容箝位型三电平桥臂和基本单元           图9  基于电容箝位型三电平桥臂和基本单元

串—并思想的多电平变换器拓扑                     并—串思想的多电平变换器拓扑

图10  基于两电平桥臂、二极管箝位型三电平桥臂        图11  基于两电平桥臂、电容箝位型三电平桥臂

和基本单元并—串思想的多电平变换器拓扑              和基本单元并—串思想的多电平变换器拓扑

图12  基于两电平基本单元和PWM调制多重化的多电平拓扑

另外，多电平变换器基本单元还可以和PWM调制多重化技术相结合，如图12所示，电路的每一相，由两个两电平桥臂基本单元并联构成，两桥臂的中点，以一个电抗连接，输出端A（B，C）从电抗的中点引出，其电压VA（B，C）=（VA1+VA2）/2，因为相对于N点，A1，A2点的电位可以是V1，0，V2，如果两个桥臂的相位不同，在A点可以得到V1，(V1-V2)/2，0，(V2-V1)/2，V2五个电平，也实现了多电平的功能。

4  结  论

本文针对多电平变换器研究中的热点问题——多电平变换器统一拓扑问题，提出了一种基于基本构成单元的多电平变换器拓扑生成方法的新思路，并据此给出了一系列多电平变换器的拓扑，这些拓扑，不仅涵盖了已有的三种多电平变换器基本拓扑，而且包括许多新的新拓扑，进一步地，通过适当地增减电路元件，可以派生出更多的多电平变换器新拓扑，从而体现了基本单元思想较之于统一拓扑结构研究思想在多电平变换器拓扑结构研究中的优越性和指导作用。当然，本文的研究工作仅是一个开端，今后将在具体的生成方法，各种新拓扑的仿真和实验验证及其性能优化方面，进行进一步的深入研究。

参考文献：

[1] P.M. Bhagwat et al, Generalized Structure of a Multilevel PWM Inverter, IEEE Trans. on Industry Application, Vol. 19, No.6, pp1057-1069, 1983

[2] Nam S Choi et al, A General Circuit Topology of Multilevel Inverter, IEEE Proceeding of PESC'91, pp96-103

[3] Pradeep M. Bhagwat et al, Generalized Structure of a Multilevel PWM Inverter, IEEE Trans. Industry Applications, Vol.IA-19, No. 6, 1993, pp1057-1069

[4] F. Z. Peng et al, A Generalized Multilevel Inverter Topology with Self Voltage Balancing, IEEE Proceeding of IAS'00, CDROM

[5] Madhav Manjrekar et al, Advanced Topologies and Modulation Strategies for Multilevel Inverters, IEEE proceeding of PESC'96, pp. 1013-1018

[6] Dong-Ho Lee et al, New Cascade Switch Multilevel PWM Converters, IEEE Proceeding of PESC'99, pp. 329-334

[7] Xiaoming Yuan et al, A New Diode Clamping Multilevel Inverter, IEEE Proceeding of PESC'99, pp. 495-501

[8] V.G.Agelidis et al, Low-Distortion Variable-level PWM Technique, IEE Trans. on Electrical Application. , Vol. 145, No.2, 1998, pp. 73-78

[9] J.Renes Pinheiro et al, Wide load Range Three-level ZVS-PWM dc-to dc Converter, IEEE PESC'93, pp. 171-177

[10] Richard Lund et al, Control Strategies for a Hybrid Seven-level Inverter, Proceeding of EPE’99, CDROM

[11] K.R.M.N. Ratnayake et al, Novel Hybrid Five Level Inverter, IEE Proceeding of IPEC'2000, pp. 2025-2028

[12] Keith Corzine and Yakov Familiant, A New Cascaded Multilevel H-Bridge Drive, IEEE Trans. on Power Electronics, Vol. 17, No.1, Jan. 2002, pp.125-131

[13] K.A. Crozine and S.D. Sudhoff, High State Count Power Converters: An Alternative Direction In Power Electronics Technology, SAE Trans., J. Aerosp., pp. 124–135, 1998

作者简介：

何湘宁  男，1961年生，博士，教授，博导，IEE Fellow, IEEE Senior Member，电力电子研究所所长，从事电力电子技术及其工业应用方面的研究和工程设计工作，在国内外发表论文130余篇。

陈阿莲  女，1976年生，浙江大学电气学院博士生，从事电力电子技术及其工业应用的研究。