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近年來，能源緊張與環境惡化問題愈發嚴峻，清潔可再生能源的研發迫在眉睫。為了將新能源所發電能傳輸到電網或本地負載，而使功率變換器得到廣泛研究。其中，多電平逆變器由于能夠提供可靠高質量的輸出電壓，在直流電轉化為交流電方面有其獨特優勢。

傳統多電平逆變器主要分為二極管鉗位型、飛跨電容型及級聯H橋型。隨著輸出電平數的升高，二極管鉗位型和飛跨電容型拓撲結構中器件數量顯著增加，且二者均存在電容電壓不平衡的問題，需要輔助電路和復雜的控制算法來維持電容電壓平衡。級聯H橋型拓撲通過級聯H橋模塊提高其輸出電平，使用非對稱獨立直流電源可合成最佳輸出電平。但是，多個獨立直流電源的需求為逆變器設計帶來困難。

開關電容多電平逆變器利用電容與電源“串聯充電、并聯放電”的工作方式將電容作為儲能元件參與放電，可有效提高輸出電壓增益和輸出電平數量，且具有電容電壓自平衡、升壓能力強、功率密度大等優點，在近些年被廣泛研究。然而相關研究的拓撲開關管數量較高，不僅增大了控制難度，也增加了變換器的體積和成本。

為改善傳統多電平逆變器有源器件數量較多以及擴展結構復雜的問題，鄭州大學電氣工程學院、河南省電力電子與電能系統工程技術研究中心、河南省智能充電技術重點實驗室、卡迪夫大學工程學院的王要強、李娜、趙朝陽、陳天錦、梁軍，在2022年第18期《電工技術學報》上撰文，提出一種降低器件數量且可模塊化擴展的新型開關電容多電平逆變器。

圖1 多電平逆變器拓撲結構

圖2 模塊化擴展拓撲結構

該逆變器由分壓電容單元、開關電容單元和兩個半橋組成，使用1個直流電源、4個電容、8個開關管和2個二極管實現2倍電壓增益和九電平交流輸出電壓。逆變器通過2個半橋代替后端H橋轉換輸出電壓極性，可以有效降低開關管總電壓應力；在逆變器的模塊化擴展結構中，電容逐級充電的工作方式進一步提高了電壓增益和輸出電平數。

圖3 實驗平臺

與近年來提出的開關電容多電平逆變器的比較結果表明，研究人員所提出的拓撲結構在輸出電平數升高之后，在功率器件數量方面有明顯優勢，這有利于降低變換器成本、提高變換器功率密度。實驗模型驗證結果表明，逆變器在穩態和動態條件下都具有良好的工作性能。

本文編自2022年第18期《電工技術學報》，論文標題為“一種新型多電平逆變器及其模塊化分析”。本課題得到國家自然科學基金項目、河南省高等學校青年骨干教師項目和河南省重點研發與推廣專項項目的支持。