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李永東（1962-）

男，清華大學(xué)電機(jī)工程系教授，博士生導(dǎo)師。長(zhǎng)期從事高性能，大容量，全數(shù)字化交流電機(jī)控制系統(tǒng)的理論和應(yīng)用研究，近年來完成了多個(gè)高壓大容量電機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)的研究項(xiàng)目，申請(qǐng)了三項(xiàng)發(fā)明專利，主持過多項(xiàng)基金項(xiàng)目和十幾項(xiàng)其他項(xiàng)目的研究，發(fā)表了150多篇論文。出版了兩部專著《交流電機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)》、《大容量多電平變換器》，2003年獲中達(dá)學(xué)者榮譽(yù)稱號(hào)。現(xiàn)任中國(guó)電力電子學(xué)會(huì)副理事長(zhǎng)，中國(guó)電工技術(shù)學(xué)會(huì)電控裝置及系統(tǒng)專委會(huì)副主任委員，中國(guó)自動(dòng)化學(xué)會(huì)電氣自動(dòng)化專委會(huì)副主任委員。

摘要：當(dāng)多電平變換器在工業(yè)生產(chǎn)中已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用。從多電平變換器產(chǎn)生至今，已經(jīng)有近三十年的歷史。在這期間產(chǎn)生了大量的多電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，比如最常使用的二極管箝位型，電容箝位型，H橋級(jí)聯(lián)型結(jié)構(gòu)等。本文對(duì)多電平發(fā)展的歷程進(jìn)行了回顧，并分析了多電平結(jié)構(gòu)之間的聯(lián)系，為進(jìn)一步研究和探討多電平拓?fù)浯蛳禄A(chǔ)。

1 引言

    傳統(tǒng)的兩電平變換器無法滿足中高電壓等級(jí)（3kV，6kV，10kV甚至更高）的應(yīng)用場(chǎng)合對(duì)功率變換提出要求。采用器件的串并聯(lián)可以用兩電平直接實(shí)現(xiàn)高電壓大電流功率逆變電路，但是由于不能保證器件的完全一致性，同時(shí)開通或關(guān)斷串聯(lián)的多個(gè)器件，會(huì)帶來開關(guān)器件的動(dòng)態(tài)均壓等問題，嚴(yán)重影響系統(tǒng)的可靠性。采用降壓-普通變頻-升壓的方法，或者采用變壓器耦合的多脈沖逆變器也可以實(shí)現(xiàn)高壓大容量功率變換。但是變壓器的引入，使得系統(tǒng)無論在體積上還是成本上都大大增加。除此之外，兩電平原有的dv/dt問題，共模電壓?jiǎn)栴}，電壓諧波以及電磁干擾問題在高壓應(yīng)用場(chǎng)合下被放大，影響了系統(tǒng)性能，嚴(yán)重的時(shí)候還會(huì)損壞設(shè)備。相比較而言，多電平（Multilevel）電壓型變換器能夠在實(shí)現(xiàn)更高等級(jí)電壓的同時(shí)，改善輸出電壓電流諧波性能，其產(chǎn)生和應(yīng)用也就成為了一種必然趨勢(shì)。

    多電平變換器從產(chǎn)生至今已經(jīng)有近三十年的發(fā)展歷史了。在這其中，產(chǎn)生了大量的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的研究和實(shí)踐檢驗(yàn)，有些已經(jīng)被徹底地淘汰，有些只有研究和學(xué)術(shù)價(jià)值，只有很少一些被應(yīng)用到生產(chǎn)實(shí)際中。研究多電平拓?fù)涞哪康氖菫榱藢?shí)現(xiàn)多電平的輸出電壓，以使變換器能夠應(yīng)用于更高等級(jí)的電壓場(chǎng)合，提高輸出電壓的諧波性能。研究各種拓?fù)涞奶攸c(diǎn)，分析和明晰各種拓?fù)渲g的聯(lián)系和區(qū)別，對(duì)于進(jìn)一步研究拓?fù)渚哂兄匾饬x。本文對(duì)多電平變換器拓?fù)涞陌l(fā)展做了一個(gè)回顧和討論，下面從基本拓?fù)溟_始。

2 基本拓?fù)?BR>
(1) 三極單元變換器

    實(shí)現(xiàn)多電平的最簡(jiǎn)單直接的想法就是構(gòu)造一個(gè)多級(jí)直流電壓源串聯(lián)，且每級(jí)都有可控的獨(dú)立輸出通路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖1（a）所示。正確選擇各個(gè)開關(guān)的通斷狀態(tài)，使得在任意時(shí)刻只有某一級(jí)電壓的電路導(dǎo)通，其他各級(jí)的電路關(guān)斷，就可以輸出相應(yīng)等級(jí)的電壓。這樣的思想在文獻(xiàn)[1]中就已經(jīng)被提出來。但是受當(dāng)時(shí)開關(guān)器件發(fā)展水平的限制，文章中采用反并聯(lián)的晶閘管來實(shí)現(xiàn)這個(gè)開關(guān)的功能，晶閘管不能關(guān)斷的缺點(diǎn)造成了不同等級(jí)電壓通路之間的換流過程極其復(fù)雜，大大增加了控制的難度。

                         
 
                       （a）多電平                         （b）三電平

                     圖1   多級(jí)電壓源串聯(lián)思想構(gòu)成多電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

    最先應(yīng)用的多電平變換器是三電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。文獻(xiàn)[2]給出了一個(gè)最初的三電平結(jié)構(gòu)，如圖1（b）所示?？梢钥吹胶推胀▋呻娖阶儞Q器不同的是由二極管和三級(jí)管組成的兩個(gè)單向回路構(gòu)成了0電平的輸出通路，實(shí)現(xiàn)了三電平的電壓輸出。隨著電力電子器件的發(fā)展，當(dāng)IGBT等器件被發(fā)明并應(yīng)用到實(shí)際中后，考慮到各個(gè)半導(dǎo)體開關(guān)管承受壓降的統(tǒng)一性并適當(dāng)?shù)恼{(diào)整各開關(guān)管的位置，最終得到比較實(shí)用的拓?fù)淙鐖D2（a）所示，被稱為層疊換流單元（Stacked commutation cells）或者三極單元（Three-pole cells）。因?yàn)樽钔鈧?cè)的兩個(gè)開關(guān)管有可能承受2E的電壓，因此采用兩個(gè)管子串聯(lián)來保證每個(gè)管子承受反向關(guān)斷電壓為E。另外，在中間支路上用兩個(gè)反串聯(lián)的IGBT及其各自的反并聯(lián)二極管就完全能夠?qū)崿F(xiàn)圖2中0電平輸出支路的功能。各對(duì)開關(guān)管的導(dǎo)通規(guī)律如圖2（b）所示。在相電壓為-E~0之間，S₂，S₁始終導(dǎo)通，S₁，S₂始終關(guān)斷，S₃和S₃切換，S₃導(dǎo)通時(shí)輸出為-E，S₃導(dǎo)通時(shí)為0。在相電壓為0~E之間時(shí)，S₂，S₃始終導(dǎo)通，S₂，S₃始終關(guān)斷，S₁和S₁切換，S₁導(dǎo)通時(shí)輸出為E，S₁導(dǎo)通時(shí)為0。這樣最外側(cè)支路的兩個(gè)管子中，一個(gè)管子（S₁/S₃）只在半個(gè)周期中處于頻繁切換狀態(tài)，而另一個(gè)管子（S₂/S₂）每個(gè)基波周期只開關(guān)一次，大大減小了損耗；同時(shí)這種導(dǎo)通方式也避免了串聯(lián)器件同時(shí)開通和關(guān)斷帶來的均壓?jiǎn)栴}。不過由于換流問題和控制的復(fù)雜性，這種拓?fù)浞绞匠巳娖街?，?shí)際應(yīng)用中并沒有向更高電平發(fā)展。
                     
 
                 （a）三極單元                              （b）導(dǎo)通規(guī)律

                          圖2   三極單元結(jié)構(gòu)及導(dǎo)通規(guī)律

(2) 二極管箝位型多電平變換器

    與此同時(shí)，另外一種結(jié)構(gòu)中點(diǎn)箝位型（Neutral-Point-Clamped : NPC） 也被提出來[2, 3]，這也成為現(xiàn)在使用最為廣泛的一種三電平結(jié)構(gòu)。NPC可以看成是三極單元的一種特殊的實(shí)現(xiàn)方式[4]，三極單元中實(shí)現(xiàn)雙向電流通路功能的支路（S₁，D_S1，S₃，D_S3）被如圖3（a）所示的兩個(gè)內(nèi)部開關(guān)管（ S₂，S₁）和兩個(gè)箝位二極管（D_N1，D_N2）構(gòu)成的兩個(gè)電流單相支路所代替，節(jié)省了所需的開關(guān)器件，簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)。

                                  圖3   中點(diǎn)箝位型三電平拓?fù)?BR>
    同時(shí)，NPC很容易進(jìn)一步向多電平推廣，形成了二極管箝位型多電平變換器（Diode Clamped Multilevel Converter：DCMC）。其根據(jù)二極管連接方式的不同，可以分為兩種，圖4給出了五電平情況下的兩種拓?fù)洹?BR>                                     
                          （a）五電平拓?fù)湟?nbsp;                （b）五電平拓?fù)涠?BR>
                            圖4   二極管箝位式多電平拓?fù)?BR>
    二極管箝位型多電平結(jié)構(gòu)也有其難以解決的問題[5, 6]：

    ① 隨著電平數(shù)增加，為了保證箝位二極管能夠承受相同的反向電壓，箝位二極管的數(shù)目按照電平數(shù)目的二次方快速增加。

    ② 二極管箝位型變換器如果采用單一直流電源供電，母線上各個(gè)電容的電壓很難控制平衡。

    ③ 內(nèi)外管的開關(guān)應(yīng)力（Switching stress）或者說損耗的不平衡。根據(jù)其導(dǎo)通關(guān)系可以看到內(nèi)管比外管導(dǎo)通時(shí)間長(zhǎng)，因此承受了更大的開關(guān)應(yīng)力。變換器設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮開關(guān)管的最大開關(guān)應(yīng)力來決定系統(tǒng)的容量，不利于開關(guān)管的充分利用。三極單元拓?fù)湟泊嬖谶@個(gè)問題。

    ④ 二極管箝位型變換器中箝位二極管只能保證兩個(gè)最外面的開關(guān)管被可靠箝位，其承受管壓降不會(huì)超過E，而內(nèi)部的開關(guān)管并沒有被直接箝位[5]，因?yàn)榫€路雜散電感的影響，這些管子可能會(huì)承受大于E的靜態(tài)電壓，這顯然對(duì)系統(tǒng)安全性是不利的。例如圖3（a）中，S₁和S₂能夠由箝位二極管保證其在關(guān)斷時(shí)不會(huì)承受大于E的電壓，但是S₂和S₁在關(guān)斷的時(shí)候就可能會(huì)承受大于E的電壓，此時(shí)箝位二極管不能夠起到箝位作用。雖然采用阻抗輔助箝位可以緩解二極管箝位型電路中管壓降不平衡的問題[5]，但是這并不能根本解決這一問題。

(3) 電容箝位型多電平變換器

    為了解決不能可靠箝位造成的開關(guān)管的承受電壓壓不平衡的問題，[7]利用增加的箝位電容構(gòu)成了混合箝位拓?fù)洌欣诮鉀QNPC拓?fù)渲袃?nèi)管不能可靠箝位以及直流母線電容平衡的問題，如圖5所示。利用電容作為箝位器件箝位電容的引入給多電平拓?fù)涮峁┝艘粋€(gè)新的思路。單純采用電容箝位的思想最早出現(xiàn)在[8]中（圖6（a））。在此基礎(chǔ)上，Meynard[4, 9, 10]將其拓展到多電平領(lǐng)域（圖6（b））。電容箝位型多電平變換器（Flying capacitor multilevel converter）也稱為Multicell 或者Imbricated cells。

                                   圖5   混合箝位型拓?fù)?/STRONG>

                                              （a）三電平

                                            （b）五電平

                                   圖6   電容箝位型拓?fù)?BR>
    與二極管箝位型多電平不同的是，電容箝位型多電平的箝位器件由二極管換成了電容。這些電容除了箝位作用以外，其本身所具有的電壓輸出能力使得輸出某一電平電壓的開關(guān)狀態(tài)不只一種，雖然增加了復(fù)雜程度，但更多的冗余開關(guān)狀態(tài)也使得其PWM和電壓控制更加靈活。為了維持這些箝位電容的電壓，一般采用載波移相PWM的方法，保證一個(gè)周期內(nèi)每個(gè)箝位電容的輸出和輸入能量相等。電容箝位型變換器不存在母線電容電壓平衡問題，開關(guān)管之間開關(guān)應(yīng)力不同以及耐壓不平衡的問題。但是隨著電平數(shù)增加，箝位電容的數(shù)量也大大增加。大量電容的引入增加了系統(tǒng)的成本和體積，而頻繁的充放電使得電容的壽命減小，進(jìn)而影響整個(gè)系統(tǒng)的壽命和可靠性。在實(shí)際系統(tǒng)中，電容的故障率要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于開關(guān)管的故障率。相比較而言，在三電平變換器中，尤其在中低電壓下，由于所需箝位電容的大小和開關(guān)頻率成反比，NPC具有較大優(yōu)勢(shì)。而在更高電平的變換器上，因?yàn)槎O管箝位型存在著母線電容電壓平衡問題和非直接箝位等問題，電容箝位型更有可能應(yīng)用到實(shí)際當(dāng)中。

(4) 有源中點(diǎn)箝位型變換器

    為了進(jìn)一步解決NPC中非直接箝位和開關(guān)應(yīng)力不同的問題，[11, 12]提出了有源中點(diǎn)箝位型變換器（Active NPC：ANPC）如圖7所示結(jié)構(gòu)。相比NPC，三電平的ANPC結(jié)構(gòu)用帶反并聯(lián)二極管的IGBT來代替原來的箝位二極管，多用了兩個(gè)開關(guān)管。而在實(shí)際NPC系統(tǒng)中，出于器件特性一致性的考慮，一般用IGBT中寄生的反并聯(lián)二極管來做箝位二極管。有源中點(diǎn)箝位結(jié)構(gòu)正是利用了這個(gè)特點(diǎn)，把原來沒用的IGBT開關(guān)管利用起來，和反并聯(lián)二極管一起可以保證可靠的箝位。另外，我們知道在NPC中，內(nèi)外管的損耗不平衡，兩個(gè)內(nèi)管比外管的開關(guān)和導(dǎo)通損耗要多。ANPC增加的兩個(gè)可控器件可以增加零電平時(shí)候的電流通路，根據(jù)需要選擇合適的電流通路可以把原來內(nèi)管上的損耗一定程度上分散到箝位開關(guān)管上，盡可能平衡各管之間的損耗。[11, 12]經(jīng)過分析可以得到，采用ANPC的結(jié)構(gòu)可以比傳統(tǒng)的NPC方w法提高20%的系統(tǒng)容量或者85%的開關(guān)頻率，這對(duì)于實(shí)際應(yīng)用是很誘人的。當(dāng)然這也是以半導(dǎo)體器件的增加和控制的復(fù)雜作為代價(jià)的。和ANPC的想法類似，為了平衡各管之間的開關(guān)應(yīng)力，[13] 結(jié)合了NPC和Three-pole cell，也給出了一種新的三電平結(jié)構(gòu)，如圖8所示。它通過增加電流通路，也能夠有效地平衡各管之間的損耗。

                               圖7   有源中點(diǎn)箝位三電平拓?fù)?/STRONG> 

                            圖8   二極管箝位和三極單元結(jié)合的新拓?fù)?/STRONG>

3 衍生拓?fù)?BR>
    上面給出的四種基本拓?fù)?，除了根?jù)自身的特點(diǎn)往更高電平拓展之外，還可以通過適當(dāng)?shù)慕M合和變形，生成新的拓?fù)洹?BR>
(1) 層疊式多單元變換器

    在一定程度上，圖2（a）所示的三級(jí)單元拓?fù)淇梢哉J(rèn)為是兩個(gè)兩電平的拓?fù)鋵盈B而成。借鑒了這一思想，層疊式多單元變換器（Stacked Multicell Converter：SMC）正是結(jié)合電容箝位型和多極開關(guān)單元兩種多電平拓?fù)渌枷氲漠a(chǎn)物[4]。圖9給出了一個(gè)SMC的結(jié)構(gòu)圖[14]。對(duì)于這樣一個(gè)n*p的層疊式多單元變換器（n代表單元數(shù)，p代表堆疊數(shù)），可以看成是p個(gè)n單元的Multicell（電容箝位型）層疊而成。另一方面，它也可以看成n個(gè)p-pole cell連接得到。相比較而言，與其認(rèn)為是Multicell的層疊，不如理解為Multi-pole cell的串連擴(kuò)展來得更為簡(jiǎn)單直接。在輸出同樣電平數(shù)目的時(shí)候，SMC在不損失Multicell的動(dòng)靜態(tài)性能情況下，能夠大大減少箝位電容的數(shù)目和容量，對(duì)降低系統(tǒng)的成本和復(fù)雜程度，提高系統(tǒng)的可靠性都有很大優(yōu)勢(shì)。

                               圖9   3*2層疊式變換器拓?fù)?/STRONG> 

    如圖10（a）所示一個(gè)3*2的 SMC結(jié)構(gòu)的發(fā)展，就可以認(rèn)為是三個(gè)三極單元通過電容串連而成。其標(biāo)準(zhǔn)的調(diào)制策略是按照一個(gè)三極單元的調(diào)制方法，按照360/p的相移分配到各個(gè)單元里去。又因?yàn)镹PC可以看成是三極單元的一種特殊方式，所以NPC也可以結(jié)合到SMC中，作為最后一級(jí)接到拓?fù)洚?dāng)中，如圖10（b）所示。

                                      （a）形式一 

                                       （b）形式二 

                               圖10   層疊式變換器拓?fù)涞臄U(kuò)展

(2) 有源中點(diǎn)箝位型多電平變換器

    和NPC類似，有源中點(diǎn)箝位（ANPC）的結(jié)構(gòu)也很容易推廣到多電平，只是把圖6中的箝位二極管換成帶反并聯(lián)二極管的開關(guān)管即可。不過如果把有源中點(diǎn)箝位型和電容箝位型結(jié)合起來就可以得到一些新的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。根據(jù)這一思想，[15]提出了一種新的有源中點(diǎn)箝位型多電平變換器（ANPC Multilevel Converter）。加入箝位電容之后，能夠很好的對(duì)級(jí)聯(lián)器件實(shí)現(xiàn)箝位功能，輸出更多電平。如圖11（a）所示就是一個(gè)這種ANPC的五電平結(jié)構(gòu)，其中三個(gè)單元（圖中虛框所示）都可以看成是電容箝位的三電平結(jié)構(gòu)，然后按照ANPC的結(jié)構(gòu)組合起來構(gòu)成一個(gè)五電平的新拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。進(jìn)一步省去電容還可以得到如圖11（b）和（c）的兩種結(jié)構(gòu)[15, 16]。省去的箝位電容會(huì)對(duì)其電容電壓平衡性造成一定的影響，但通過適當(dāng)控制仍然是可以穩(wěn)定運(yùn)行的。根據(jù)前面分析，圖11（a）中，斷開處可以按照電容箝位型的方式繼續(xù)擴(kuò)展到更高電平，圖12給出一個(gè)七電平的例子。需要注意的是，有源中點(diǎn)箝位型和層疊式多電平只能實(shí)現(xiàn)奇數(shù)電平的輸出，而二極管箝位型和電容箝位型則沒有這個(gè)限制。

                                               （a）

                                               （b）

                                               （c）

                              圖11   有源中點(diǎn)箝位型多電平拓?fù)?nbsp;

                              圖12   ANPC拓?fù)涞钠唠娖綌U(kuò)展

(3) 通用多電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

    從前面的敘述中我們可以看到，不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為了實(shí)現(xiàn)一定的電平數(shù)目，其在外側(cè)的主開關(guān)管的分布是一致的，所不同的是用于箝位和中間電平輸出的方式不同，也就是我們所說的輔助開關(guān)器件不同。二極管，可控開關(guān)管以及電容都可以單獨(dú)或者組合之后被選擇作為輔助器件。有學(xué)者在[17]中提出一種通用多電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其基本單元是兩電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)(P2 Cell)，最外層的主開關(guān)管和反并聯(lián)二極管用于產(chǎn)生期望的電壓，其余的則用于箝位和平衡電容電壓所用。在這個(gè)結(jié)構(gòu)中，二極管，可控開關(guān)管和電容這三種箝位器件同時(shí)被使用，可以認(rèn)為是最復(fù)雜同時(shí)也是最全面的一種結(jié)構(gòu)。如圖13給出了一個(gè)五電平的通用拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。通用多電平拓?fù)洳捎昧舜罅康捏槲婚_關(guān)管，二極管和電容，通過特定開關(guān)模式可以實(shí)現(xiàn)電容電壓的自平衡，這是前述拓?fù)渌鶝]有的優(yōu)點(diǎn)。

                             圖13   五電平通用多電平拓?fù)?BR>
4 通用拓?fù)浜推渌負(fù)渲g的關(guān)系

    通用拓?fù)渫瑫r(shí)使用了二極管，可控開關(guān)管和電容作為輔助箝位器件，可以認(rèn)為是其他拓?fù)涞囊环N高度概括。前面所述的基本拓?fù)浼捌溲苌Y(jié)構(gòu)都可以通過一定的簡(jiǎn)化從通用拓?fù)渲械玫?。以圖13所示的五電平通用拓?fù)錇槔绻Ａ糨o助箝位的二極管和電容，省去所有輔助箝位開關(guān)管，通用拓?fù)渚秃?jiǎn)化成混合箝位型拓?fù)洹Ｔ诖嘶A(chǔ)上如果去掉所有的箝位電容，則退化成二極管箝位型拓?fù)洌蝗绻Ａ趔槲浑娙?，而省去所有的箝位二極管，則退化成電容箝位型拓?fù)洹＿@些從圖14中可以很容易得看出來。

              圖14   通用拓?fù)浜?jiǎn)化為混合箝位型、二極管箝位型和電容箝位型拓?fù)?BR>
    除此之外，通過適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化，通用拓?fù)溥€可以退化為SMC和ANPC等結(jié)構(gòu)。如圖15（a）所示，五電平的通用拓?fù)浣?jīng)過簡(jiǎn)化可以退化為一個(gè)2*2的SMC結(jié)構(gòu)。只是在最后一級(jí)我們采用的是NPC的結(jié)構(gòu)。根據(jù)前面的討論我們知道，NPC可以認(rèn)為是Three-pole cell的一種變形，因此這也并不影響我們理解通用拓?fù)浜蚐MC之間的聯(lián)系。同樣的，如圖15（b）所示，通用拓?fù)浣?jīng)過簡(jiǎn)化也可以退化成ANPC的結(jié)構(gòu)。

                                    （a）形式一

                                    （b）形式二

                 圖15   通用拓?fù)浜?jiǎn)化為層疊型和ANPC型拓?fù)?BR>
    這里我們只給出了五電平的例子，而其它電平的情況也可以類似得到。從上面的敘述可以看出，現(xiàn)有的多電平拓?fù)浜屯ㄓ猛負(fù)渲g存在著緊密的聯(lián)系，通用拓?fù)渫ㄟ^適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化可以退化成這些常用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。圖16以圖表的形式對(duì)這些關(guān)系做了一個(gè)總結(jié)。在通用拓?fù)涞暮?jiǎn)化過程中，有哪些需要遵守的規(guī)律呢？我們總結(jié)出以下幾點(diǎn)：

    ① 通用拓?fù)鋬蓚?cè)主開關(guān)管必須全部保留。

    ② 通用拓?fù)涞妮o助箝位開關(guān)管、二極管和電容要對(duì)稱地從兩側(cè)成對(duì)省略。簡(jiǎn)化后的拓?fù)渚哂泻芎玫膶?duì)稱性，并具有可擴(kuò)展性。

    ③ 如果要使簡(jiǎn)化后的拓?fù)渚哂休敵鏊须娖降哪芰?，通用拓?fù)渲袑?shí)現(xiàn)每個(gè)電平的多個(gè)電流雙向通路至少有一個(gè)被保留。

    ④ 出于實(shí)際應(yīng)用的角度，箝位電容要越少越好，尤其是盡可能的去掉靠近直流母線側(cè)的箝位電容。因?yàn)轶槲浑娙荼旧碓斐闪梭w積增大，成本增加，影響系統(tǒng)壽命和可靠性的問題。

    ⑤ 對(duì)于簡(jiǎn)化后拓?fù)渲忻總€(gè)箝位電容，為了保證其電壓能夠有效的控制穩(wěn)定，在輸出特定電平，特定電流情況下，存在對(duì)箝位電容電壓沒有影響的開關(guān)狀態(tài)或者存在對(duì)箝位電容電壓影響相反的開關(guān)狀態(tài)。

    前文所述的從通用拓?fù)渫嘶礁鞣N已有拓?fù)涠挤线@些規(guī)律。這不但對(duì)于我們理解拓?fù)渲g的關(guān)系有重要作用，對(duì)我們通過簡(jiǎn)化通用拓?fù)?，提出新的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也有很重要的指導(dǎo)意義。

                        圖16   通用拓?fù)浜鸵延型負(fù)渲g的關(guān)系

    進(jìn)一步的，我們還可以通過對(duì)通用多電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)化簡(jiǎn)得到如圖17的結(jié)構(gòu)，如果我們對(duì)簡(jiǎn)化后的兩個(gè)電容都單獨(dú)供電，這就是我們所熟知的H橋級(jí)聯(lián)型拓?fù)?。這個(gè)結(jié)構(gòu)早在上個(gè)世紀(jì)的七十年代中就已經(jīng)被提出[18]，后來結(jié)合了PWM的控制策略，作為一種成熟可靠的多電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)得到了廣泛應(yīng)用。可以看到，圖17右邊所示的兩個(gè)H橋級(jí)聯(lián)和左邊的通用拓?fù)湟粯幽軌蜉敵鑫咫娖?。所不同的是，?jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)是每級(jí)獨(dú)立供電，而不像前面我們所敘述的眾多拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是通過母線統(tǒng)一供電的。雖然級(jí)聯(lián)型拓?fù)浜臀覀兦懊嫠鶖⑹龅谋姸嗤負(fù)涞臉?gòu)造思想有很大差別，但是，對(duì)于H橋級(jí)聯(lián)型拓?fù)湟约捌渌募?jí)聯(lián)型拓?fù)洌缛娖郊?jí)聯(lián)，或者是混合級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)都可以從通用拓?fù)渲姓业狡浜圹E。因?yàn)闅w根到底，所有的拓?fù)涠际菑幕鹃_關(guān)單元發(fā)展而來的。

                              圖17   通用拓?fù)浜虷橋拓?fù)渲g的關(guān)系

5 結(jié)論

    本文從多電平基本拓?fù)淙胧?，探討了多電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)從產(chǎn)生以來的發(fā)展過程，并重點(diǎn)分析了通用拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和其他多電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)之間的關(guān)系，最終得到所有的多電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)都可以從通用拓?fù)浜?jiǎn)化（退化）而來的結(jié)論，并且對(duì)通用多電平拓?fù)溥M(jìn)行簡(jiǎn)化的規(guī)律進(jìn)行了歸納總結(jié)。這不但有利于我們了解現(xiàn)有拓?fù)渲g的關(guān)系，也為我們進(jìn)一步進(jìn)行多電平拓?fù)溲芯看蛳铝嘶A(chǔ)。


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