李永東（1962-）

男，清華大學電機工程系教授，博士生導師。長期從事高性能，大容量，全數字化交流電機控制系統的理論和應用研究，近年來完成了多個高壓大容量電機調速控制系統的研究項目，申請了三項發明專利，主持過多項基金項目和十幾項其他項目的研究，發表了150多篇論文。出版了兩部專著《交流電機數字控制系統》、《大容量多電平變換器》，2003年獲中達學者榮譽稱號。現任中國電力電子學會副理事長，中國電工技術學會電控裝置及系統專委會副主任委員，中國自動化學會電氣自動化專委會副主任委員。

摘要：當多電平變換器在工業生產中已經得到了廣泛應用。從多電平變換器產生至今，已經有近三十年的歷史。在這期間產生了大量的多電平拓撲結構，比如最常使用的二極管箝位型，電容箝位型，H橋級聯型結構等。本文對多電平發展的歷程進行了回顧，并分析了多電平結構之間的聯系，為進一步研究和探討多電平拓撲打下基礎。

1 引言

    傳統的兩電平變換器無法滿足中高電壓等級（3kV，6kV，10kV甚至更高）的應用場合對功率變換提出要求。采用器件的串并聯可以用兩電平直接實現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，同時開通或關斷串聯的多個器件，會帶來開關器件的動態均壓等問題，嚴重影響系統的可靠性。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現高壓大容量功率變換。但是變壓器的引入，使得系統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，共模電壓問題，電壓諧波以及電磁干擾問題在高壓應用場合下被放大，影響了系統性能，嚴重的時候還會損壞設備。相比較而言，多電平（Multilevel）電壓型變換器能夠在實現更高等級電壓的同時，改善輸出電壓電流諧波性能，其產生和應用也就成為了一種必然趨勢。

    多電平變換器從產生至今已經有近三十年的發展歷史了。在這其中，產生了大量的拓撲結構，經過長時間的研究和實踐檢驗，有些已經被徹底地淘汰，有些只有研究和學術價值，只有很少一些被應用到生產實際中。研究多電平拓撲的目的是為了實現多電平的輸出電壓，以使變換器能夠應用于更高等級的電壓場合，提高輸出電壓的諧波性能。研究各種拓撲的特點，分析和明晰各種拓撲之間的聯系和區別，對于進一步研究拓撲具有重要意義。本文對多電平變換器拓撲的發展做了一個回顧和討論，下面從基本拓撲開始。

2 基本拓撲

(1) 三極單元變換器

    實現多電平的最簡單直接的想法就是構造一個多級直流電壓源串聯，且每級都有可控的獨立輸出通路的拓撲結構，如圖1（a）所示。正確選擇各個開關的通斷狀態，使得在任意時刻只有某一級電壓的電路導通，其他各級的電路關斷，就可以輸出相應等級的電壓。這樣的思想在文獻[1]中就已經被提出來。但是受當時開關器件發展水平的限制，文章中采用反并聯的晶閘管來實現這個開關的功能，晶閘管不能關斷的缺點造成了不同等級電壓通路之間的換流過程極其復雜，大大增加了控制的難度。

                         
 
                       （a）多電平                         （b）三電平

                     圖1   多級電壓源串聯思想構成多電平拓撲結構

    最先應用的多電平變換器是三電平拓撲結構。文獻[2]給出了一個最初的三電平結構，如圖1（b）所示。可以看到和普通兩電平變換器不同的是由二極管和三級管組成的兩個單向回路構成了0電平的輸出通路，實現了三電平的電壓輸出。隨著電力電子器件的發展，當IGBT等器件被發明并應用到實際中后，考慮到各個半導體開關管承受壓降的統一性并適當的調整各開關管的位置，最終得到比較實用的拓撲如圖2（a）所示，被稱為層疊換流單元（Stacked commutation cells）或者三極單元（Three-pole cells）。因為最外側的兩個開關管有可能承受2E的電壓，因此采用兩個管子串聯來保證每個管子承受反向關斷電壓為E。另外，在中間支路上用兩個反串聯的IGBT及其各自的反并聯二極管就完全能夠實現圖2中0電平輸出支路的功能。各對開關管的導通規律如圖2（b）所示。在相電壓為-E~0之間，S₂，S₁始終導通，S₁，S₂始終關斷，S₃和S₃切換，S₃導通時輸出為-E，S₃導通時為0。在相電壓為0~E之間時，S₂，S₃始終導通，S₂，S₃始終關斷，S₁和S₁切換，S₁導通時輸出為E，S₁導通時為0。這樣最外側支路的兩個管子中，一個管子（S₁/S₃）只在半個周期中處于頻繁切換狀態，而另一個管子（S₂/S₂）每個基波周期只開關一次，大大減小了損耗；同時這種導通方式也避免了串聯器件同時開通和關斷帶來的均壓問題。不過由于換流問題和控制的復雜性，這種拓撲方式除了三電平之外，實際應用中并沒有向更高電平發展。
                     
 
                 （a）三極單元                              （b）導通規律

                          圖2   三極單元結構及導通規律

(2) 二極管箝位型多電平變換器

    與此同時，另外一種結構中點箝位型（Neutral-Point-Clamped : NPC） 也被提出來[2, 3]，這也成為現在使用最為廣泛的一種三電平結構。NPC可以看成是三極單元的一種特殊的實現方式[4]，三極單元中實現雙向電流通路功能的支路（S₁，D_S1，S₃，D_S3）被如圖3（a）所示的兩個內部開關管（ S₂，S₁）和兩個箝位二極管（D_N1，D_N2）構成的兩個電流單相支路所代替，節省了所需的開關器件，簡化了結構。

                                  圖3   中點箝位型三電平拓撲

    同時，NPC很容易進一步向多電平推廣，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撲。
                                     
                          （a）五電平拓撲一                 （b）五電平拓撲二

                            圖4   二極管箝位式多電平拓撲

    二極管箝位型多電平結構也有其難以解決的問題[5, 6]：

    ① 隨著電平數增加，為了保證箝位二極管能夠承受相同的反向電壓，箝位二極管的數目按照電平數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，母線上各個電容的電壓很難控制平衡。

    ③ 內外管的開關應力（Switching stress）或者說損耗的不平衡。根據其導通關系可以看到內管比外管導通時間長，因此承受了更大的開關應力。變換器設計時需要考慮開關管的最大開關應力來決定系統的容量，不利于開關管的充分利用。三極單元拓撲也存在這個問題。

    ④ 二極管箝位型變換器中箝位二極管只能保證兩個最外面的開關管被可靠箝位，其承受管壓降不會超過E，而內部的開關管并沒有被直接箝位[5]，因為線路雜散電感的影響，這些管子可能會承受大于E的靜態電壓，這顯然對系統安全性是不利的。例如圖3（a）中，S₁和S₂能夠由箝位二極管保證其在關斷時不會承受大于E的電壓，但是S₂和S₁在關斷的時候就可能會承受大于E的電壓，此時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管的承受電壓壓不平衡的問題，[7]利用增加的箝位電容構成了混合箝位拓撲，有利于解決NPC拓撲中內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撲提供了一個新的思路。單純采用電容箝位的思想最早出現在[8]中（圖6（a））。在此基礎上，Meynard[4, 9, 10]將其拓展到多電平領域（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   混合箝位型拓撲

                                              （a）三電平

                                            （b）五電平

                                   圖6   電容箝位型拓撲

    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狀態不只一種，雖然增加了復雜程度，但更多的冗余開關狀態也使得其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，保證一個周期內每個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，開關管之間開關應力不同以及耐壓不平衡的問題。但是隨著電平數增加，箝位電容的數量也大大增加。大量電容的引入增加了系統的成本和體積，而頻繁的充放電使得電容的壽命減小，進而影響整個系統的壽命和可靠性。在實際系統中，電容的故障率要遠遠大于開關管的故障率。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頻率成反比，NPC具有較大優勢。而在更高電平的變換器上，因為二極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用到實際當中。

(4) 有源中點箝位型變換器

    為了進一步解決NPC中非直接箝位和開關應力不同的問題，[11, 12]提出了有源中點箝位型變換器（Active NPC：ANPC）如圖7所示結構。相比NPC，三電平的ANPC結構用帶反并聯二極管的IGBT來代替原來的箝位二極管，多用了兩個開關管。而在實際NPC系統中，出于器件特性一致性的考慮，一般用IGBT中寄生的反并聯二極管來做箝位二極管。有源中點箝位結構正是利用了這個特點，把原來沒用的IGBT開關管利用起來，和反并聯二極管一起可以保證可靠的箝位。另外，我們知道在NPC中，內外管的損耗不平衡，兩個內管比外管的開關和導通損耗要多。ANPC增加的兩個可控器件可以增加零電平時候的電流通路，根據需要選擇合適的電流通路可以把原來內管上的損耗一定程度上分散到箝位開關管上，盡可能平衡各管之間的損耗。[11, 12]經過分析可以得到，采用ANPC的結構可以比傳統的NPC方w法提高20%的系統容量或者85%的開關頻率，這對于實際應用是很誘人的。當然這也是以半導體器件的增加和控制的復雜作為代價的。和ANPC的想法類似，為了平衡各管之間的開關應力，[13] 結合了NPC和Three-pole cell，也給出了一種新的三電平結構，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   有源中點箝位三電平拓撲 

                            圖8   二極管箝位和三極單元結合的新拓撲

3 衍生拓撲

    上面給出的四種基本拓撲，除了根據自身的特點往更高電平拓展之外，還可以通過適當的組合和變形，生成新的拓撲。

(1) 層疊式多單元變換器

    在一定程度上，圖2（a）所示的三級單元拓撲可以認為是兩個兩電平的拓撲層疊而成。借鑒了這一思想，層疊式多單元變換器（Stacked Multicell Converter：SMC）正是結合電容箝位型和多極開關單元兩種多電平拓撲思想的產物[4]。圖9給出了一個SMC的結構圖[14]。對于這樣一個n*p的層疊式多單元變換器（n代表單元數，p代表堆疊數），可以看成是p個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p-pole cell連接得到。相比較而言，與其認為是Multicell的層疊，不如理解為Multi-pole cell的串連擴展來得更為簡單直接。在輸出同樣電平數目的時候，SMC在不損失Multicell的動靜態性能情況下，能夠大大減少箝位電容的數目和容量，對降低系統的成本和復雜程度，提高系統的可靠性都有很大優勢。

                               圖9   3*2層疊式變換器拓撲 

    如圖10（a）所示一個3*2的 SMC結構的發展，就可以認為是三個三極單元通過電容串連而成。其標準的調制策略是按照一個三極單元的調制方法，按照360/p的相移分配到各個單元里去。又因為NPC可以看成是三極單元的一種特殊方式，所以NPC也可以結合到SMC中，作為最后一級接到拓撲當中，如圖10（b）所示。

                                      （a）形式一 

                                       （b）形式二 

                               圖10   層疊式變換器拓撲的擴展

(2) 有源中點箝位型多電平變換器

    和NPC類似，有源中點箝位（ANPC）的結構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二極管的開關管即可。不過如果把有源中點箝位型和電容箝位型結合起來就可以得到一些新的拓撲結構。根據這一思想，[15]提出了一種新的有源中點箝位型多電平變換器（ANPC Multilevel Converter）。加入箝位電容之后，能夠很好的對級聯器件實現箝位功能，輸出更多電平。如圖11（a）所示就是一個這種ANPC的五電平結構，其中三個單元（圖中虛框所示）都可以看成是電容箝位的三電平結構，然后按照ANPC的結構組合起來構成一個五電平的新拓撲結構。進一步省去電容還可以得到如圖11（b）和（c）的兩種結構[15, 16]。省去的箝位電容會對其電容電壓平衡性造成一定的影響，但通過適當控制仍然是可以穩定運行的。根據前面分析，圖11（a）中，斷開處可以按照電容箝位型的方式繼續擴展到更高電平，圖12給出一個七電平的例子。需要注意的是，有源中點箝位型和層疊式多電平只能實現奇數電平的輸出，而二極管箝位型和電容箝位型則沒有這個限制。

                                               （a）

                                               （b）

                                               （c）

                              圖11   有源中點箝位型多電平拓撲 

                              圖12   ANPC拓撲的七電平擴展

(3) 通用多電平拓撲結構

    從前面的敘述中我們可以看到，不同的拓撲結構為了實現一定的電平數目，其在外側的主開關管的分布是一致的，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器件不同。二極管，可控開關管以及電容都可以單獨或者組合之后被選擇作為輔助器件。有學者在[17]中提出一種通用多電平拓撲結構，其基本單元是兩電平拓撲結構(P2 Cell)，最外層的主開關管和反并聯二極管用于產生期望的電壓，其余的則用于箝位和平衡電容電壓所用。在這個結構中，二極管，可控開關管和電容這三種箝位器件同時被使用，可以認為是最復雜同時也是最全面的一種結構。如圖13給出了一個五電平的通用拓撲結構。通用多電平拓撲采用了大量的箝位開關管，二極管和電容，通過特定開關模式可以實現電容電壓的自平衡，這是前述拓撲所沒有的優點。

                             圖13   五電平通用多電平拓撲

4 通用拓撲和其他拓撲之間的關系

    通用拓撲同時使用了二極管，可控開關管和電容作為輔助箝位器件，可以認為是其他拓撲的一種高度概括。前面所述的基本拓撲及其衍生結構都可以通過一定的簡化從通用拓撲中得到。以圖13所示的五電平通用拓撲為例，如果保留輔助箝位的二極管和電容，省去所有輔助箝位開關管，通用拓撲就簡化成混合箝位型拓撲。在此基礎上如果去掉所有的箝位電容，則退化成二極管箝位型拓撲；如果保留箝位電容，而省去所有的箝位二極管，則退化成電容箝位型拓撲。這些從圖14中可以很容易得看出來。

              圖14   通用拓撲簡化為混合箝位型、二極管箝位型和電容箝位型拓撲

    除此之外，通過適當的簡化，通用拓撲還可以退化為SMC和ANPC等結構。如圖15（a）所示，五電平的通用拓撲經過簡化可以退化為一個2*2的SMC結構。只是在最后一級我們采用的是NPC的結構。根據前面的討論我們知道，NPC可以認為是Three-pole cell的一種變形，因此這也并不影響我們理解通用拓撲和SMC之間的聯系。同樣的，如圖15（b）所示，通用拓撲經過簡化也可以退化成ANPC的結構。

                                    （a）形式一

                                    （b）形式二

                 圖15   通用拓撲簡化為層疊型和ANPC型拓撲

    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，現有的多電平拓撲和通用拓撲之間存在著緊密的聯系，通用拓撲通過適當的簡化可以退化成這些常用的拓撲結構。圖16以圖表的形式對這些關系做了一個總結。在通用拓撲的簡化過程中，有哪些需要遵守的規律呢？我們總結出以下幾點：

    ① 通用拓撲兩側主開關管必須全部保留。

    ② 通用拓撲的輔助箝位開關管、二極管和電容要對稱地從兩側成對省略。簡化后的拓撲具有很好的對稱性，并具有可擴展性。

    ③ 如果要使簡化后的拓撲具有輸出所有電平的能力，通用拓撲中實現每個電平的多個電流雙向通路至少有一個被保留。

    ④ 出于實際應用的角度，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的箝位電容。因為箝位電容本身造成了體積增大，成本增加，影響系統壽命和可靠性的問題。

    ⑤ 對于簡化后拓撲中每個箝位電容，為了保證其電壓能夠有效的控制穩定，在輸出特定電平，特定電流情況下，存在對箝位電容電壓沒有影響的開關狀態或者存在對箝位電容電壓影響相反的開關狀態。

    前文所述的從通用拓撲退化到各種已有拓撲都符合這些規律。這不但對于我們理解拓撲之間的關系有重要作用，對我們通過簡化通用拓撲，提出新的拓撲結構也有很重要的指導意義。

                        圖16   通用拓撲和已有拓撲之間的關系

    進一步的，我們還可以通過對通用多電平拓撲結構化簡得到如圖17的結構，如果我們對簡化后的兩個電容都單獨供電，這就是我們所熟知的H橋級聯型拓撲。這個結構早在上個世紀的七十年代中就已經被提出[18]，后來結合了PWM的控制策略，作為一種成熟可靠的多電平拓撲結構得到了廣泛應用。可以看到，圖17右邊所示的兩個H橋級聯和左邊的通用拓撲一樣能夠輸出五電平。所不同的是，級聯結構是每級獨立供電，而不像前面我們所敘述的眾多拓撲結構是通過母線統一供電的。雖然級聯型拓撲和我們前面所敘述的眾多拓撲的構造思想有很大差別，但是，對于H橋級聯型拓撲以及其他的級聯型拓撲，例如三電平級聯，或者是混合級聯結構都可以從通用拓撲中找到其痕跡。因為歸根到底，所有的拓撲都是從基本開關單元發展而來的。

                              圖17   通用拓撲和H橋拓撲之間的關系

5 結論

    本文從多電平基本拓撲入手，探討了多電平拓撲結構從產生以來的發展過程，并重點分析了通用拓撲結構和其他多電平拓撲結構之間的關系，最終得到所有的多電平拓撲結構都可以從通用拓撲簡化（退化）而來的結論，并且對通用多電平拓撲進行簡化的規律進行了歸納總結。這不但有利于我們了解現有拓撲之間的關系，也為我們進一步進行多電平拓撲研究打下了基礎。


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