近年来，能源紧张与环境恶化问题愈发严峻，清洁可再生能源的研发迫在眉睫。为了将新能源所发电能传输到电网或本地负载，而使功率变换器得到广泛研究。其中，多电平逆变器由于能够提供可靠高质量的输出电压，在直流电转化为交流电方面有其独特优势。

传统多电平逆变器主要分为二极管钳位型、飞跨电容型及级联H桥型。随着输出电平数的升高，二极管钳位型和飞跨电容型拓扑结构中器件数量显著增加，且二者均存在电容电压不平衡的问题，需要辅助电路和复杂的控制算法来维持电容电压平衡。级联H桥型拓扑通过级联H桥模块提高其输出电平，使用非对称独立直流电源可合成最佳输出电平。但是，多个独立直流电源的需求为逆变器设计带来困难。

开关电容多电平逆变器利用电容与电源“串联充电、并联放电”的工作方式将电容作为储能元件参与放电，可有效提高输出电压增益和输出电平数量，且具有电容电压自平衡、升压能力强、功率密度大等优点，在近些年被广泛研究。然而相关研究的拓扑开关管数量较高，不仅增大了控制难度，也增加了变换器的体积和成本。

为改善传统多电平逆变器有源器件数量较多以及扩展结构复杂的问题，郑州大学电气工程学院、河南省电力电子与电能系统工程技术研究中心、河南省智能充电技术重点实验室、卡迪夫大学工程学院的王要强、李娜、赵朝阳、陈天锦、梁军，在2022年第18期《电工技术学报》上撰文，提出一种降低器件数量且可模块化扩展的新型开关电容多电平逆变器。

图1 多电平逆变器拓扑结构

图2 模块化扩展拓扑结构

该逆变器由分压电容单元、开关电容单元和两个半桥组成，使用1个直流电源、4个电容、8个开关管和2个二极管实现2倍电压增益和九电平交流输出电压。逆变器通过2个半桥代替后端H桥转换输出电压极性，可以有效降低开关管总电压应力；在逆变器的模块化扩展结构中，电容逐级充电的工作方式进一步提高了电压增益和输出电平数。

图3 实验平台

与近年来提出的开关电容多电平逆变器的比较结果表明，研究人员所提出的拓扑结构在输出电平数升高之后，在功率器件数量方面有明显优势，这有利于降低变换器成本、提高变换器功率密度。实验模型验证结果表明，逆变器在稳态和动态条件下都具有良好的工作性能。

本文编自2022年第18期《电工技术学报》，论文标题为“一种新型多电平逆变器及其模块化分析”。本课题得到国家自然科学基金项目、河南省高等学校青年骨干教师项目和河南省重点研发与推广专项项目的支持。