多电平变换器拓扑结构综述及展望

李永东　徐杰彦　杨涵棣　程志江　石坤宏　许烈

摘 要：多电平变换器具有输出谐波小、dv/dt小、器件电压应力小等优点，广泛应用于电力系统、电力传动等高压大容量电能变换场合。该文对多电平拓扑结构进行分析总结，为构造满足不同应用场合、不同特点的多电平变换器提供思路。文章首先从基本单元分析法出发，得出了多电平电路的具体实现方式，然后系统地介绍几种典型多电平变换器的拓扑结构和工作原理，再分别从不同的拓扑结构出发，回顾国内外最新研究进展，分析多电平拓扑结构的发展趋势，并且指出多电平变换器在新拓扑结构、软开关技术上的重要发展方向，为多电平拓扑结构的发展提供了新思路。

关键词：多电平变换器;高压大容量;电能变换;基本单元分析法;拓扑结构;软开关

DOI：10.15938/j.emc.2020.09.001

中图分类号：TM 464

文献标志码：A

文章编号：1007-449X（2020）09-0001-12

Overview and prospect of multilevel converter topology

LI Yong-dong1， XU Jie-yan2， YANG Han-di3， CHENG Zhi-jiang3， SHI Kun-hong3， XU Lie1

（1. Advanced Electric Power Transformation and Research Center， Tsinghua University， Beijing 100084， China; 2.State Grid Integrated Energy Planning and D&R Institute， Beijing 100052， China; 3.Engineering Research Center of Ministry of Education for Renewable Energy Generation and Grid Connection Technology， Xinjiang University， Urumqi 830047， China）

Abstract：

The multilevel converter has advantages of small output harmonics， small dv/dt and small voltage stress of the device. It is widely used in power system， power transmission and other high voltage large capacity power conversion occasions. The multilevel topology structure were analyzed and summarized， and ideas for constructing multilevel converters that meet different applications and different characteristics were provided. The basic unit analysis method was proposed and the implementation of multilevel circuits was derived. The topology and working principle of several typical multilevel converters was systematically introduced. Different topologies were proposed，the latest research progress was reviewed at home and abroad，the development trend of multilevel topology was analyzed and the important development direction of the multilevel converter was pointed out in the new topology and soft switching technology， which provides a new idea for development of the multilevel topology.

Keywords：multilevel converter; high voltage large capacity; power conversion; basic element analysis; topology structure; soft switch

0 引 言

世界性的能源危機和环境问题，引起了世界各国对节能技术的广泛关注，多电平变换器在电力传动、新能源发电等高压、大容量领域的应用[1-5]，对于我国降低单位产值能耗具有重大意义[6]。另一方面，随着非线性设备在电力系统中大量使用，交流电网中的无功和谐波污染日益严重，多电平逆变器具有输出电能质量好、输出电压高、功率因数可调等优点，被广泛应用于电力系统中的有源滤波和无功补偿中，可以有效地提高电能的生产、传输和利用效率，保障电器设备和电网的安全可靠运行。

多电平变换器可以通过多个直流电源和电力电子器件经过特定的拓扑变换，控制不同的直流电源串联输出，在变换电路不同开关状态下，就可以在输出端得到不同幅值的多电平输出，相对于传统的两电平逆变器具有以下优点[7-10]：

1）单个开关器件承受的电压应力更小，可以实现更高等级的电压输出和功率输出;

2）具有更小的dv/dt，更好的谐波性能，使逆变器产生的电磁干扰得到改善，同时减少了并网滤波器的体积，并且随着电平数的扩展，上述效果更为显著;

3）功率开关管的开关损耗减少，系统效率提升;

4）采用模块化设计的多电平变换器更方便维修，具有更好的容错性能。

目前在所有的多电平拓扑结构中，常见的拓扑结构主要分为3种[11-12]，即二极管箝位型（neutral point clamped，NPC）、飞跨电容型（flying capacitor，FC）和H桥级联型（cascaded H-bridge，CHB）。这三种基本拓扑结构各具特点[13]，但也存在相应的不足，例如：二极管箝位型拓扑结构内外管损耗不均[14]，飞跨电容型拓扑结构电容电压控制困难[15]等。为了克服这些拓扑结构存在的问题，一些新型拓扑结构被相继提出，例如混合型拓扑结构，开关电容型拓扑结构等。对拓扑结构进行归纳总结有利于了解多电平变换器的发展趋势，为提出新拓扑结构创造条件。

因为直接AC/AC多电平变换器拓扑结构单一，电流源型多电平变换器应用较少，本文主要研究电压源型多电平变换器拓扑结构，首先通过基本单元分析法，总结多电平电路的电平获取方法及其实现原理，同时结合国内外多电平拓扑结构的基本单元及发展特点，为发现新的多电平基本单元和设计新的多电平拓扑结构提供新思路，并为多电平变换器拓扑结构在软开关技术上的创新指明方向。

1 多电平基本单元结构

1.1 基本单元结构

实现多电平的电路有很多，利用基本单元分析法[6]，从电路原理的角度出发，要得到多电平输出电压，应具备以下两个条件：

1）在输入端具有基本的直流电平;

2）由有源和无源开关器件构成的基本变换单元，通过不同的开关态，实现不同的多电平输出。

输入端的基本直流电平，主要通过以下几种方式获得：

1）采用多个电容直接对直流母线进行分压，如图1（a）所示;

2）采用悬浮电容，选择开关器件的不同开关状态，实现直流母线电容和悬浮电容不同的级联方式， 如图1（b）所示;

3）采用多个独立的直流电源， 如图1（c）所示。

基本变换单元的结构须满足以下几个基本特征：

1）基本变换单元必须可控并且具有有源器件，可以通过不同的开关状态组合，合成要求的输出电平;

2）基本变换单元能保证能量的双向流通。

根据任何一个电力电子电路都是由任意开关器件与电压源串联，节点连接电流源的原则，以及上述多电平电路的电平获取方法，可得出图2（a）所示的电力电子电路基本单元结构，进而得到一种半桥基本单元。如图2（b）所示，该基本单元结构由电容、可控开关管和反并联二极管构成，开关管S1和S2工作在互补状态，反并联二极管为电流提供了双向通路，在输出端VO可以得到0和E两种不同的电平。通过基本单元的级联可以实现不同结构的多电平电路。

1.2 二极管箝位型拓扑结构

二极管箝位型多电平拓扑结构[16]首先由Nabea A、Akagi等学者于20世纪80年代首次提出。如图3（a）所示，三电平二极管箝位型拓扑结构由2个电容C1、C2，4个开关管S1、S2、S3、S4和2个箝位二极管D1、D2组成，该拓扑结构的基本单元可由半桥基本单元，及其简化的基本单元构成，如图3（b）所示。该拓扑结构半桥基本单元的开关管S2、S3存在同时导通的情况，因箝位二极管把该基本单元的输入直流电平箝位为0，不存在不同直流电平之间短路问题。该拓扑结构采用二极管对相应开关管进行电压箝位，同时保证电流双向流通。每次桥臂只需动作一对开关管，实现多电平输出。在三电平拓扑结构中，每个开关管承受的电压应力一致，但对电平数进行扩展时，存在箝位二极管承受的反压不同，越靠近内侧开关管导通时间越长，以及母线电容均压的问题，难以适用于可靠性要求较高的场合。

文献[17]对二极管箝位型拓扑结构的二极管连接方式进行调整，改进的拓扑结构实现了箝位二极管之间多级电压箝位，解决了二极管受压不均的问题。文献[18] 提出一种T型多电平拓扑结构，如图4（a）所示，采用2个反串联的开关管来代替原有的箝位二极管，实现中性点电压箝位，相比于二极管箝位型拓扑结构，减少了箝位二极管的使用，但开关管的串联会带来静态、动态均压的问题。在此基础上，文献[19]对T拓扑结构进一步改进，如图4（b）所示，采用逆阻型开关器件并联来代替双向开关，減小损耗。

文献[20]提出一种五电平H桥二极管箝位型（H-bridge NPC，HNPC）拓扑结构，如图5所示。采用2个二极管箝位型拓扑结构级联，其结构与H桥相似，提高了系统等效开关频率，变换器输出谐波畸变率更小，整体效率更高。

为解决传统NPC型拓扑结构存在的器件损耗不均，受压不均的问题，并且达到提高变换器容量的目的，文献[21]首先提出有源中点箝位型（active neutral point clamped，ANPC）拓扑结构，在NPC型拓扑结构的基础上进行改进，采用开关管代替原来NPC的箝位二极管。如图6为五电平ANPC型拓扑结构，该拓扑结构由2个母线电容、1个悬浮电容和多个开关管组成，悬浮电容电压为母线电容电压的一半。悬浮电容的引入，使变换器的冗余开关数量增多，在电容均压上有更大优势，但也使得控制的复杂程度。

为进一步减少功率器件，增加变换器输出电平数，文献[22] 对比分析五电平ANPC拓扑结构和CHB拓扑结构，将种拓扑结构结合，提出一种混合级联型拓扑结构，如图7（a）所示，采用H桥对ANPC变换器进行电平反转，使得变换器能输出九电平，实现电平数的翻倍。文献[23]在ANPC拓扑结构的直流母线端多引入了1个母线电容进行分压，为逆变器多引入了1个中性点，如图7（b）所示。这种结构通过最优零序电压注入法和载波移相调制方式，实现母线电容和悬浮电容的电压均衡。

文献[24]在ANPC拓扑结构的基础上，提出一种双重化有源中点箝位型（duo active neutral point clamped，DANPC）拓扑结构，如图8所示。这种结构在直流母线电容的另一侧并联低频半桥基本单元，在相同的电平数下相比ANPC变换器减少了一半的高频开关，并且降低电容的受压等级。

文献[25]总结了近几年的混合型ANPC拓扑结构，并在此基础上提出一种七电平带升压的ANPC（7L-Boost-ANPC）拓扑结构，如图9所示。相比于传统的多电平变换器，具有升压结构，对母线电压要求更低，可以实现更多电平输出，同时减少了开关管和电容的使用。

1.3 飞跨电容型拓扑结构

电容箝位型拓扑结构[26]由T.A.Myenadr和H.Foch于1992年PESC会议上首次提出。如图10所示，三电平电容箝位型拓扑结构相比三电平二极管箝位型拓扑结构，采用悬浮电容代替箝位二极管，其主要作用是把开关管的电压限制在箝位电容上，通过不同的开关状态实现多电平输出。利用基本单元分析法，该拓扑结构由半桥基本单元和飞跨电容单元组成。对比于二极管箝位型拓扑结构，不存在二极管均压问题，开关选择更加灵活，电平数更易扩展，对于n级的电容箝位型拓扑结构需要n-1个直流分压电容和（n-1）（n-2）/2个悬浮电容，在电平数较多的情况下，需要大量的悬浮电容，虽然可以控制不同的开关状态对悬浮电容电压进行均衡，但主电路悬浮电容过多，合理地选择开关状态变得非常困难。

为解决飞跨电容型拓扑结构电容电压控制困难的问题，文献[27]结合电容箝位型拓扑与二极管箝位型拓扑结构的特点，提出了具有电容电压自均衡的拓扑结构，如图11所示，在悬浮电容电压低于直流母线电容电压时，直流母线电容会对悬浮电容进行充电，直到两者之间电压均衡，使中性点电压波动更小。文献[28]采用半桥单元级联，提出一种电容电压自均衡的通用型拓扑结构，如图12所示，在每级中，相邻开关管互锁，只要有一个开关状态确定，同级的剩余开关状态也随之确定，邻级之间的电容通过并联实现电压自均衡，但扩展所需的开关管数量和电容数量随电平数的增加成倍上升。

为提高变换器效率，降低成本，实现更多电平输出，文献[29]结合了传统电容箝位型拓扑结构和半桥基本单元，提出一种六电平混合型拓扑结构，如图13所示，并且指出在高功率因数的情况下，变换器整体效率会更高，但存在母线电容电压和悬浮电容电压的不一致，造成开关管承受电压应力不一致的问题。

为进一步减少开关管、悬浮电容使用数量，提高系统效率，降低整体成本，文献[30]提出了一种新型双重化飞跨电容型（double flying capacitor，DFC）拓扑结构，如图14（a）所示。在传统的电容箝位型拓扑结构上增加2个低频开关，使开关管和悬浮电容数量减少了一半，输出的电平数提高了一倍，THD显著降低。文献[31]把DFC当作基本单元，通过DFC级联对电平数进行扩展，并且提出相应的调制方法，使流过电容电流的均方根值减少，悬浮电容电压波动更小。文献[32]以减少悬浮电容为目的，在DFC拓扑结构上进一步改进，提出了一种改进的双重化飞跨电容型（improved double flying capacitor，IDFC）拓扑结构，如图14（b）所示。在原本的DFC拓扑结构上，再引入1对低频开关和1个直流电源，使开关管数量和悬浮电容数量再次减少近一倍，相对于FC拓扑结构，减少了近4倍的开关管和悬浮电容，进一步减少变换器的体积和成本。文献[33]提出与IDFC相似的四重化飞跨电容型（quadruple flying capacitor，QFC）拓扑结构，如图14（c）所示。相较于IDFC，改变了低频开关管的连接方式，减少了低频开关管的箝位电容电压。

1.4 H桥级联型拓扑结构

飞跨电容型拓扑结构和二极管箝位型拓扑结构需要大量的悬浮电容、箝位二极管，造成电容电压均压困难、器件受压不均等问题。相对于前两种拓扑结构，H桥级联型拓扑结构更加适用于中、高压场合。H桥级联型拓扑结构首先由P.Hammond等学者于1988年提出[34]。此结构由单个H桥基本单元串联组成，每个H桥基本单元拥有单独的直流电压源，不存在均压问题。如图15所示，H桥基本单元由2个半桥基本单元组成，通过控制开关管的导通状态可以实现-E，0，E三种电平的输出。H桥级联型拓扑结构相对于其他多电平变换器具有单元承受电压应力小、冗余开关状态多、控制方式灵活、易于封装、电平数容易扩展等优势，但缺点是需要多个独立电源或者多绕组移相变压器，体积大，成本高。

模块化多电平变换器[35]（modular multilevel converter，MMC）于2003年被A. Lesnicar和R.Marquardt首先提出，采用電压等级较低的开关管和电容并连构成子模块，再通过子模块级联组成。如图16所示，该拓扑结构可以有效地解决电压等级对开关管的限制问题;除此之外，模块化设计使电平数的扩展极其容易，具有优良的输出特性、较好的故障恢复能力。MMC的独特优势，使其在中、高压大容量领域中得到快速发展。文献[36]在MMC拓扑上引入第4个桥臂与并网端中性点连接，对零序电压进行直接控制，实现三相桥臂功率的分配，使变换器拥有输出电流平滑，功率损耗小，谐波性能好等优点。

为了进一步减少MMC开关损耗，文献[37] 提出一种带桥臂切换的多电平变换器（alternate arm multilevel converter，AAMC），如图17所示。在MMC的上、下桥臂分别串联IGBT管，每半个周期控制上、下桥臂交替投入，实现桥臂软开关，降低了损耗，同时使变换器具有直流阻断能力。

为提高能源利用率，文献[38]把电池储能技术引入MMC拓扑结构中，采用电池组代替子模块的电容，实现了直流端、交流端、电池组之间的能量相互流通，达到能源消纳目的，但储能电池会在使用过程中老化，并且容易受到温度影响，造成电池之间容量衰退程度、内阻老化程度不一致，限制了变换器的容量。

为近一步减少开关器件和电池的使用，提升变换器整体效率，降低成本，文献[39]提出一种混合级联型多电平变换器（hybrid cascaded multilevel converter，HCMC）。如图18（a）所示，该拓扑结构由半桥基本单元和H桥基本单元级联构成，半桥基本单元产生正弦半波，H桥进行基波反转，实现交流多电平输出。相较于储能型MMC变换器减少了近一半的开关管和储能电池，并且H桥工作在基频和软开关状态，开关损耗小。文献[40]把三电平FC拓扑结构作为基本单元替换MMC拓扑结构的半桥基本单元，并且提出了一种通用、简化、低成本的调制算法，进一步提高了变换器效率。文献[41]采用同样的方法，將FC型拓扑结构与H桥并联作为基本单元，通过基本单元级联，提出混合多单元变换器（hybrid multicell converter，HMC），具有HCMC拓扑结构相似的效果，如图18（b）所示。

文献[42]提出一种具有电容电压自均衡功能的新型二极管箝位型模块化多电平变换器（diode clamped modular multilevel converter，DCMMC），在相邻子模块间串联低功率二极管和电感，实现相邻子模块电容电压自排序，减少了控制的复杂度，如图19所示。 在MMC拓扑结构的半桥基本单元的电容侧，加入电感和箝位二极管，当半桥基本单元的开关管Sn关闭并且电容Cn的电压大于电容Cn-1的电压时，电容Cn就会通过二极管给电容Cn-1充电，直到电容电压平衡，实现电容电压的自排序，使电容电压均衡控制策略上得到简化。

1.5 开关电容型多电平拓扑结构

开关电容型拓扑结构首先由文献[43]提出，具有输出电压灵活调节与电容电压自平衡的优点，如图20所示。开关电容基本单元由2个电容C1、C2和3个开关管S1、S2、S3级联构成。当开关管S1和S3关断，S2导通，电容C1和电容C2形成串联结构，基本单元模块输出电压为2E; 当开关管S1和S3导通，S2关断，电容C1和电容C2形成并联结构，基本单元模块输出电压为E，此时，电容C1和电容C2之间存在闭合回路，电压高的电容会对电压低的电容充电，最终达到稳态，实现电容电压自均衡。

文献[44]在此基础上进一步研究，提出一种升压型带开关电容的多电平拓扑结构，如图21所示。该拓扑结构可以实现九电平输出，并且具有电容电压自均衡效果，减少了元器件的使用，使变换器效率更高，成本更低。

为解决开关管受压不均的问题，文献[45]对拓扑结构进行改进，调整了开关器件位置，使开关管承受的电压应力一致，提高了变换器可靠性，如图22所示。文献[46]对开关电容型拓扑结构进行拓展，简化了开关电容基本单元，通过基本单元级联，再并联H桥，实现基波反转，减少了开关管的使用，实现更多电平输出，如图23所示。文献[47]把开关电容基本单元通过电容并联，实现了所有电容电压的自均衡，解决了级联存在的电容均压问题，如图24所示。

1.6 多电平拓扑结构在工业中的应用

在工业应用中，使用较多的拓扑结构为NPC、FC、CHB，其中NPC和FC拓扑结构不能采用模块化结构，单个开关管承受电压等级高，常用IGBT或IGCT作为开关器件，而CHB型拓扑结构采用模块化级联的方式，单个子模块承受电压应力较低，常采用MOFET，SiC，IGBT作为开关器件。这3种拓扑结构衍生的拓扑结构，在工业上应用较少，大部分停留在实验阶段。

NPC拓扑结构常用于背靠背结构，使用器件少，但电平数较多时，中性点电位平衡困难，不易扩展，普遍适用于低中压、小容量场合;以此衍生的ANPC拓扑结构控制策略更加复杂，大多用于小容量场合;FC拓扑结构调制策略丰富、输出电能质量高，但维持悬浮电容电压平衡时，需要较高的开关频率， 耗损较大，控制策略复杂，适用于小容量场合，工业应用较少;CHB拓扑结构具有电平数易扩展，模块化程度高，需要开关器件少，通过子模块级联可实现更高的电压和容量，常用于中高压、大容量场合。

现在多电平变换器生产商主要为：ABB、Siemens、GE等。表1为NPC、FC、CHB拓扑结构及其衍生的拓扑结构在工业上的应用;表2为各个拓扑结构输出五电平时，使用的元器件数量及控制复杂程度。

2 多电平拓扑结构发展方向

2.1 新拓扑结构

采用基本单元分析法可以透过复杂的表面看本质，有利于发现新的基本单元结构，提出新的拓扑结构。实质上，大部分多电平拓扑结构都是由基本单元的级联构成，例如：MMC拓扑结构，通用型拓扑结构等，通过替换或增加不同的基本单元可以得到不同的拓扑结构。文献[11]采用开关电容基本单元代替ANPC拓扑结构的飞跨电容基本单元，如图25所示，得到新的拓扑结构，保留了开关电容基本单元的电容电压自均衡特点，同时增加了变换器的输出电平数，减少了控制的复杂度。

通过替换不同的基本单元或者增加新的基本单元，能简单、快捷地获得新的拓扑结构，而且不同的基本单元具有不同的输出特点和控制特点，可根据不同的设计需求，构建满足不同场合的拓扑结构。

2.2 软开关技术

多电平变换器随着电平数的增加，使用的开关管也会随之增加，开关损耗成为不可避免的问题，采用软开关技术可以提升变换器的整体效率，降低损耗，是多电平拓扑结构发展的重要方向。文献[48]给出了2种开关电容谐振单元，分别为开关电容谐振单元和开关电感谐振单元，如图26所示，指出可以运用谐振单元的对偶性特性进行相互转换。一般谐振单元多用于DC/DC变换电路，并且在开关电容型谐振单元中较为常见，在多电平变换器上的应用有待普及。

文献[49]提出一种基于软开关技术的模块化多电平变换器，如图27所示，可以实现零电压关断，并且对输出端多电平电压波形影响较小。文献[50]提出一种带开关电容谐振单元的四电平降压型软开关DC/DC变换器，如图28所示，所有的开关管和二极管都可以实现零电流关断，提高了变换器整体效率。

3 结 论

1）本文的基本单元分析法是获取基本单元的具体方法，可分别从多电平电路原理、电平获取方式、多电平电路特征，得到具有不同特性的基本单元，构建满足不同场合、不同需求的多电平拓扑结构。

2）分别从4种不同的拓扑结构出发，总结了常见的几种基本单元结构，并指出了国内外多电平拓扑结构在输出的电平数量、器件使用数量、器件受压等级等方面的发展趋勢。

3）多电平拓扑结构在软开关上的新思路，分别从DC/DC变换器和多电平变换器两方面进行举例说明，为新拓扑的研究提供了方向。

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（編辑：刘素菊）

收稿日期： 2020-04-17

基金项目：国家自然科学基金（51677106）;国家电网有限公司科技项目（SGJNSJ00JZJS1900080）

作者简介：李永东（1962—），男，博士，教授，博士生导师，研究方向为高性能、大容量交流电机控制系统和应用，交流电机矢量控制和直接转矩控制理论及其数字化实现，高压大容量变换器及其在节能、高铁牵引和船舶推进、多电飞机中的应用等;

徐杰彦（1973—），男，硕士，研究方向为电力需求侧管理及综合能源服务;

杨涵棣（1995—），男，硕士研究生，研究方向为多电平变换器、电力电子设备及其控制;

程志江（1977—），男，副教授，研究方向为可再生能源发电系统、微电网及储能控制系统;

石坤宏（1996—），男，硕士研究生，研究方向为无线能量传输、电力电子设备及其控制;

许 烈（1980—），男，博士，副教授，研究方向为电力电子技术。

通信作者：杨涵棣