1.2.3 电压自平衡式多电平变频器拓扑
2000年美国密执根大学的彭方正博士提出了一种电压自平衡的多电平拓扑，它不需要借助附加的电路来抑制直流侧电容的电压偏移问题，从理论上实现了一个真正的有实际应用价值的多电平结构，传统的二极管箝位式和电容箝位式电路拓扑也可以由它简化和发展而来。
高压大容量多电平电路的一个技术难点就是中点电压的控制问题。对于三电平及以上电平数的拓扑，如果中点电压控制的不好，是不能有效地应用于大容量的电能变换场合的。对于以上几种拓扑结构，电压高于三电平时，或者是需要隔离的直流电源，或者是需要增加一个复杂的电路结构来帮助维持中点电压的平衡。这种新的拓扑结构具有电压自平衡的功能，对于各种逆变器控制策略和负载情况，都能有效地控制中点电压。
图4即为这种新型的自平衡多电平结构单相的拓扑，它是由基本的两电平单元组成的。因为基本的单元是一个两电平的单相电路(a two-level phaseleg)，所以由它组成的多电平结构又叫做P2多级逆变器。
这种可电压自平衡的P2多电平拓扑的特点是：
1)系统的电能损耗反比于电容量和开关频率，提高开关频率和加入一些特定的开关状态可以大大减小损耗，提高系统效率;
2)相比一般的二极管箝位和电容箝位式拓扑，该系统各级的中点电压都能得到很好的控制;
3)对一个M级电平的P2逆变器系统，所需的开关器件/ 二极管数目为M(M-1)，需要的电容器数量为M(M-1)/2;
4)计算简单，器件应力可达到最小化。
对图4的系统进行简化和变形，可以得到传统的二极管箝位和电容箝位式多电平拓扑，以及一些其他的改进拓扑。去掉图4所有的箝位开关，可以得到二极管-电容箝位的多电平系统，如图5 所示;而去掉箝位开关和二极管，则得到电容箝位式的多电平系统，如图6 所示;去掉箝位开关和电容，可得到二极管箝位式拓扑，如图7所示;再对调二极管的连接，可得到一种改进的背对背的二极管箝位式系统，如图8所示。
这种通用的多电平拓扑的应用还包括开关电容DC-DC 变换器和倍压电路;此外，结合其他电路的使用还可实现双向的DC-DC 变换。也可以用三电平单元代替两电平单元来实现多电平变频器。
1.2.4 层叠式多单元结构(SMC)
SMC结构如图9所示，这种结构也能实现高压、多电平输出[12][13]。这种结构相比一般电容箝位型结构有一定的优势，可以使用更少个数和更小体积的电容，减少了装置的体积，尤其在大于三电平以上高压输出的应用中。
SMC拓扑结构是基于跨接电容和开关组成的基本换流单元的一个混合结构。图10为两层叠两单元变换器的结构。这种结构相当于把两个电容箝位型单元叠加起来，图中S21a、S21b和S21为互补开关，不能同时开通，同样其他开关也有类似的互补开关对。上层和下层采用类似电容箝位型的开关方法，就可以实现多电平的输出。
但是，这个结构也有一些缺点：为了满足最底层和顶层一方开通时的耐压要求，拓扑中外侧功率开关都是两管直接串联，带来了开通和关断同步问题，而且由于不是总工作在上述的两个状态，从另一个角度说，浪费了功率器件的耐压容量，而且当需要进一步升压，层叠数超过两层时，开关数量会大大增加，电容也会增多;同时，这类拓扑的控制方法也比较复杂，其优越性也不明显。
1.2.5 带分离直流电源的串联型多电平逆变器
对于带分离直流电源的串联型多电平逆变器，要获得更多电平只须将每相所串联的单元逆变桥数目同等增加即可，如图11所示。其特点是：
1)直流侧采用电压相同但相互隔离的直流电源，不存在电压均衡问题，无须二极管或电容箝位，易于进行调速控制;
2)因每个H 桥都采用单相控制，直流电容在任一时刻都有交流电流通过，因此需要用较大容量的直流电容;
3)控制方法相对简单，因每一级结构的相同性，可分别对每一级进行PWM 控制，然后进行波形重组;
4)对相同电平数而言，串联型结构所需器件数目最少;
5)一般二极管箝位式、电容悬浮式限于7或9电平，串联型结构因无二极管和电容的限制，电平数可较大，适合更高电压，谐波含量更少;
6)由于每一级逆变桥构造相同，给模块化设计和制造带来方便，且装配简单，系统可靠性高。另外，某一级逆变桥出现故障时，就被旁路掉，剩余模块可不间断供电，以尽量减少生产损失。
因这种结构较容易采用低压的功率开关器件，实现多级电压串联，获得高电压、大容量，因此具有较大的实用性。当然，这种结构的不足之处在于需要很多隔离的直流电源，应用受到一定限制。
目前，国际上很多著名的电气公司包括罗宾康、东芝、ANSLADO、三菱都已经具有同类的产品，可以用在大容量电机调速、无功补偿等一些行业。国内也有产品问世，可用于拖动风机、水泵等调速系统中。
1.2.6 三相逆变器串联式结构
1999年E.Cengelci 等人提出了一种新型的变压器耦合式单元串联高压变频结构。其主要思想是用变压器将三个由IGBT或IGCT构成的常规逆变器单元的输出叠加起来，实现更高压的输出，并且这三个常规逆变器可采用同一种控制方式，电路结构和控制方法都大大简化。其拓扑如图12所示。
这种三相逆变器串联式逆变器结构的优点是：
1)以三个常规的逆变器为核心构成高压变频器，每个逆变器可采用常规PWM调制方法;
2)三个常规的逆变器平衡运行，各分担总输出功率的1/3;
3)整个变频器输出可等效为7 电平PWM，谐波小且dv/dt低;
4)输出变压器的容量只需总容量的1/3;
5)18脉冲输入，网侧无谐波且功率因数高。
由于三相逆变器串联式结构的三个逆变器电压、电流和功率完全对称，三个逆变器可采用完全相同的控制规律，但是相当于两电平的高压变频器，dv/dt 太大。因此可以采用将三个逆变器的PWM 信号相互错开1/3周期的办法，对SPWM来说就是三个逆变器各自采用一个三角波，相位互差120°，相当于一个线电压为7电平的高频变压器。电机线电压PWM波形与变压器绕组如图13、图14所示。
综上所述，二极管箝位式和电容箝位式由于存在均压问题，比较适合应用于无功调节，而在有功传递，如电机调速方面控制较难，需要实施额外的算法。电压自平衡的P2多电平系统不需要大量的变压器，结构紧凑，功率因数高，无电磁干扰，损耗低，在多电平逆变器实现的领域上引起了广泛的关注和应用。在输入变压器成本允许的前提下，串联型结构以较低耐压器件实现高压大容量，由于电平数可以很多，网侧和输出侧谐波很低，若采用四象限整流，并与现代电机控制理论结合，高性能四象限大容量交流电机变频调速将成为可能，其在交流传动领域的应用将很乐观。三相逆变器串联式可以保证均衡利用功率和变转矩负载条件的运行，并且对电网谐波污染小，可很好地用于中压(2 300～4 160 V)的交流
电机调速驱动系统。
2 PWM 控制技术
大功率逆变器电路拓扑结构不断更新的同时，与之相应的PWM控制技术也得到了飞速的发展。各国学者不仅对传统的PWM进行革新，也不断地提出一些全新的控制策略。
