改进级联多电平变换器：2-H/3-H拓扑分析

"一种改进的级联型多电平变换器拓扑" 级联型多电平变换器是一种电力电子变换技术，它通过级联多个基本的功率转换单元，如H-桥，来生成多电平的输出电压。这种拓扑结构在高压大功率应用中非常常见，因为它可以提供更接近正弦波形的输出，减少谐波含量，提高系统效率。传统的级联型多电平变换器通常由相同类型的H-桥单元组成，每个单元连接到相同的直流电源。 本文提出了一种改进的级联型多电平变换器，其创新之处在于允许使用不同类型的H-桥单元，如两电平、二极管箝位型或电容箝位型的任意电平，并且每个单元可以连接到不同的独立直流电压源。这种设计能够减少所需的开关器件数量和独立电压源，从而简化电路布局，降低系统成本。 以两电平H-桥（2-H）和飞跨电容型三电平H-桥（3-H）级联构成的拓扑为例，作者进行了深入的分析和仿真验证。2-H桥单元能提供两种电压水平（正负），而3-H桥单元由于引入了飞跨电容，能够提供三个电压水平（正、零、负）。当这两种单元结合使用时，可以在保持电平数的同时减少所需开关元件的数量，同时通过优化直流电压源的配置，可以进一步提升变换器的性能。 引言部分指出，在多电平变换器的三种基本拓扑中——级联型、二极管箝位型和飞跨电容型，级联型因其需要最少的器件、易于模块化和便于实施软开关技术而受到青睐。传统的级联型三电平变换器通常由两个两电平H-桥单元级联，但为了增加输出电平数和提高输出电压质量，学者们不断探索新的拓扑结构。 文中提到的混合型多电平变换器和“通用级联型变换器拓扑”是之前的研究成果，它们尝试通过不同单元的组合和电压配置来增加电平数并降低成本。然而，这些方法可能无法涵盖所有以飞跨电容型H-桥为基础的级联拓扑。本文提出的方案则弥补了这一不足，能够更灵活地构建多种电平的变换器。 2-H/3-H级联型拓扑的工作原理依赖于最大扩展原则，即通过适当选择每个单元的直流电压，使得整个系统的电平数达到最大。这个原则确保了在不同单元组合下，变换器仍能提供理想的电压电平分布。 通过分析和仿真，作者证明了2-H/3-H级联型拓扑的有效性和优势，尤其是在减少元器件数量和降低成本方面。这种改进的级联型多电平变换器拓扑为电力电子变换器的设计提供了新的思路，有望在实际应用中得到广泛采纳，特别是在需要高效、高电压等级和低谐波的场合，例如风电变流器、光伏逆变器以及高压直流输电系统等领域。