CN109768722B

CN109768722B - 一种共直流侧电容的多电平变换器

Info

Publication number: CN109768722B
Application number: CN201910144615.4A
Authority: CN
Inventors: 郑琼林; 薛尧; 原露恬; 杨晓峰; 孙湖
Original assignee: Beijing Yifei Shengjing Technology Co ltd; Beijing Jiaotong University
Current assignee: Beijing Yifei Shengjing Technology Co ltd; Beijing Jiaotong University
Priority date: 2019-02-27
Filing date: 2019-02-27
Publication date: 2020-10-20
Anticipated expiration: 2039-02-27
Also published as: CN109768722A

Abstract

本发明涉及一种共直流侧电容的新型多电平变换器，输出2k+j(k为正整数，j＝1或2)电平时，其共直流侧电容由均压电容(2k+j‑1)个串联组成；其任一桥臂由带反并联二极管的可控功率器件构成的开关2(2k+j‑1)个串联组成；所述均压电容之间的节点有2k层，自两端向中间分别引出正向和反向各k条开关支路，所述支路另一端连接到桥臂开关之间节点自两端向中间的对应层上，其中第i条支路由i个开关串联组成(i＝1,2……k)。当j＝1时，正向与反向的第k条支路有共同连接点，其开关可仅保留反并联二极管；或将这两条支路串联，两端分别连接到共直流侧电容与桥臂的中点。本发明减少了多电平变换器所用器件的数量，降低了系统的体积与复杂程度。在多相平衡系统中，本发明所需的电容量明显减小。

Description

一种共直流侧电容的多电平变换器

技术领域

本发明涉及一种共直流侧电容的多电平变换器拓扑，属于电力电子变换器技术领域。

背景技术

受限于现有可控功率器件的耐受电压等级，传统的两电平变换器在中高压等级的应用场合中需要采用开关串联的方式，存在开关动态和静态均压的问题，并且其输出波形畸变率高，需要较大体积的滤波器。

与两电平变换器相比，多电平变换器能够在实现更高等级输出电压的同时，减少输出波形的谐波含量，有效降低滤波器的体积及绝缘等级，十分适用于高压大功率场合。

而现有的多电平拓扑中，二极管钳位型及电容钳位型拓扑的钳位器件数量会随着电平数增多而急剧增加，造成结构复杂化，可靠性降低；级联H桥拓扑需要由大量独立电源供电，变相增加了装置体积；模块化多电平拓扑采用了大量开关及浮地电容，其控制复杂度和造价成本都较高。这些缺点，使得目前多电平变换器的推广应用受到了一定的限制。

发明内容

本发明的目的：提供一种多电平变换器拓扑结构，大幅减少钳位二极管及钳位电容的数量，使多电平变换器拓扑结构得到简化，从而有效降低系统装置体积与复杂程度。

为了达到上述目的，本发明的技术方案如下：

一种共直流侧电容的多电平变换器拓扑结构，当输出(2k+1)(k为正整数)电平时，该多电平变换器拓扑结构包括共直流侧电容、变换桥臂和单向可控开关电路。

共直流侧电容由C_H1、C_H2……C_H(k-1)、C_Hk及C_Lk、C_L(k-1)……C_L2、C_L1共2k个均压电容串联组成；电容C_Hk和C_Lk之间的节点为O点，电容C_H1和C_H2之间的节点为O_H1点，电容C_H2和C_H3之间的节点为O_H2点，依此类推，直到电容C_Hk和O点之间的节点为O_Hk点；电容C_L1和C_L2之间的节点为O_L1点，电容C_L2和C_L3之间的节点为O_L2点，依此类推，直到电容C_Lk和O点之间的节点为O_Lk点；

变换桥臂由T_H1、T_H2……T_H(k-1)、T_Hk、T_H(k+1)……T_H(2k-1)、T_H2k及T_L2k、T_L(2k-1)……T_L(k+1)、T_Lk、T_L(k-1)……T_L2、T_L1共4k个带反并联二极管的可控功率器件构成的开关串联组成；开关T_H2k和T_L2k之间的节点为A点，开关T_H1和T_H2之间的节点为A_H1点，开关T_H2和T_H3之间的节点为A_H2点，依此类推，直到开关T_Hk和T_H(k+1)之间的节点为A_Hk点；开关T_L1和T_L2之间的节点为A_L1点，开关T_L2和T_L3之间的节点为A_L2点，依此类推，直到开关T_Lk和T_L(k+1)之间的节点为A_Lk点；

单向可控开关电路由上下各k条单向可控开关支路构成。节点O_Hi和节点A_Hi之间有一正向的单向可控开关支路，每条支路由i个开关同向串联组成，使得开关中二极管电流从节点O_Hi流向节点A_Hi；节点O_Li和节点A_Li之间有一反向的单向可控开关支路，每条支路由i个开关同向串联组成，使得开关中二极管电流从节点A_Li流向节点O_Li，其中i＝1，2……k；

当输出(2k+2)(k为正整数)电平时，该多电平变换器拓扑结构包括共直流侧电容、变换桥臂和单向可控开关电路。

共直流侧电容由C_H1、C_H2……C_H(k-1)、C_Hk、C_(k+1)及C_Lk、C_L(k-1)……C_L2、C_L1共(2k+1)个均压电容串联组成；电容C_L1的负极为O点，电容C_H1和C_H2之间的节点为O_H1点，电容C_H2和C_H3之间的节点为O_H2点，依此类推，直到电容C_Hk和C_(k+1)之间的节点为O_Hk点；电容C_L1和C_L2之间的节点为O_L1点，电容C_L2和C_L3之间的节点为O_L2点，依此类推，直到电容C_Lk和C_(k+1)之间的节点为O_Lk点；

变换桥臂由T_H1、T_H2……T_Hk、T_H(k+1)……T_H2k、T_H(2k+1)及T_L(2k+1)、T_L2k……T_L(k+1)、T_Lk……T_L2、T_L1共(4k+2)个带反并联二极管的可控功率器件构成的开关串联组成；开关T_H(2k+1)和T_L(2k+1)之间的节点为A点，开关T_H1和T_H2之间的节点为A_H1点，开关T_H2和T_H3之间的节点为A_H2点，依此类推，直到开关T_Hk和T_H(k+1)之间的节点为A_Hk点；开关T_L1和T_L2之间的节点为A_L1点，开关T_L2和T_L3之间的节点为A_L2点，依此类推，直到开关T_Lk和T_L(k+1)之间的节点为A_Lk点；

当输出(2k+1)电平时，单向可控开关电路中上桥臂的第k条支路与下桥臂的第k条支路有共同节点(即共直流侧电容的中点O点)，仅保留这两条钳位支路的反并联二极管D_Hkk……D_Hk1和D_Lk1……D_Lkk，二极管D_Hkk……D_Hk1和D_Lk1……D_Lkk依次同向串联连接，二极管D_Hkk的阴极接于T_Hk和T_H(k+1)之间的节点A_Hk，二极管D_Lkk的阳极接于T_Lk和T_L(k+1)之间的节点A_Lk，二极管D_Hk1和D_Lk1之间的引出线与共直流侧电容的中点O点连接，得到输出(2k+1)电平时的第二种方式；

将单向可控开关电路中上桥臂的第k条支路与下桥臂的第k条支路串联，串联后的第k条支路由k个双向可控开关T_B1……T_B(k-1)、T_Bk串联组成，双向可控开关T_B1一端与T_B2连接，另一端与共直流侧电容的中点O连接；双向可控开关T_Bk一端与T_B(k-1)连接，另一端与节点A连接，得到输出(2k+1)电平时的第三种方式。

每个双向可控开关T_Bi可以通过两个反向串联连接的开关T_Bi1和T_Bi2构成或者其他可实现双向开关功能的半导体器件及其拓扑电路实现。

当构成多相(如p相)变换器时，由共用的直流侧串联电容、p个相同的变换桥臂以及连接共直流侧电容和变换桥臂的各支路构成，每个桥臂上引出的各支路在共直流侧电容上的不同连接节点也共用，得到p个交流侧节点，p个交流侧节点与p相负载相连接构成p相电路。

这样就构成了多电平变换器的电路拓扑结构，并且可通过增加共直流侧电容及变换桥臂开关的数目、单向可控开关支路的数目，来提高变换器的电平数。

拓扑结构中各支路同向串联的相同器件，均可用一个或若干个相同器件串联替代，只要使得串联器件替换前后的耐压水平保持不变即可，所述器件包括开关、二极管及双向可控开关等；所述开关包括输出(2k+1)电平拓扑结构、输出(2k+2)电平拓扑结构以及输出(2k+1)电平时的第二种拓扑结构中，变换桥臂上点A_Hk到点A之间的开关、点A_Lk到点A之间的开关以及每条单向可控开关支路中的i个串联开关，输出(2k+1)电平时的第三种拓扑结构中，变换桥臂上点A_H(k-1)到点A之间的开关、点A_L(k-1)到点A之间的开关以及单向可控开关支路中的i个串联开关；所述二极管指的是输出(2k+1)电平时的第二种拓扑结构中点A_Hk到点O之间的二极管、点O到点A_Lk之间的二极管；所述双向可控开关指的是输出(2k+1)电平时的第三种拓扑结构中点O到点A之间的双向可控开关。

变换桥臂和单向可控开关电路包含的开关采用带反并联二极管的IGBT或其他带反并联二极管的可控半导体器件(如MOSFET、GTO、GTR、IGCT等)构成；双向可控开关采用带反并联二极管的IGBT或其他带反并联二极管的可控半导体器件反向串联而成，也可采用其他可实现双向开关功能的半导体器件及其拓扑电路实现；

该变换器拓扑结构中每个开关可由单个开关器件构成或由多个开关器件串并联构成；共直流侧电容的每个电容，可由单个电容器构成或由多个电容器串并联构成。

本发明具有以下有益效果：

本发明通过单向可控开关电路连接共直流侧电容和变换桥臂，从而实现任意电平输出，且减少了变换器钳位器件的数量，使多电平变换器的拓扑结构得到简化，有效降低了系统装置的体积与复杂程度。当应用于三相或多相平衡系统中时，本发明所需的电容量明显减小。

附图说明

本发明有如下附图：

图1为本发明提出的七电平变换器拓扑图；

图2为本发明提出的九电平变换器拓扑图；

图3为本发明提出的(2k+1)(k为正整数)电平变换器拓扑图；

图4为本发明提出的三相七电平变换器拓扑图；

图5为本发明提出的六电平变换器拓扑图；

图6为本发明提出的八电平变换器拓扑图；

图7为本发明提出的(2k+2)(k为正整数)电平变换器拓扑图；

图8为本发明提出的三相六电平变换器拓扑图；

图9(a)为本发明提出的第二种七电平变换器拓扑图；

图9(b)为本发明提出的第二种(2k+1)(k为正整数)电平变换器拓扑图；

图10为本发明提出的第二种三相七电平变换器拓扑图；

图11(a)为本发明提出的第三种七电平变换器拓扑图；

图11(b)为本发明提出的第三种(2k+1)(k为正整数)电平变换器拓扑图；

图12为本发明提出的第三种三相七电平变换器拓扑图；

图13为可适用于本发明的双向可控开关示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步详细说明。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。对本领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

图1为本发明提出的七电平变换器拓扑图。共直流侧电容由C_H1、C_H2、C_H3及C_L3、C_L2、C_L1共6个均压电容串联组成；电容C_H3和C_L3中间的节点为O点，电容C_H1和C_H2之间的节点为O_H1点，电容C_H2和C_H3之间的节点为O_H2点，电容C_H3和O点之间的节点为O_H3点；电容C_L1和C_L2之间的节点为O_L1点，电容C_L2和C_L3之间的节点为O_L2点，电容C_L3和O点之间的节点为O_L3点；

变换桥臂由T_H1、T_H2……T_H5、T_H6及T_L6、T_L5……T_L2、T_L1共12个带反并联二极管的可控功率器件构成的开关串联组成；开关T_H6和T_L6中间的节点为A点，开关T_H1和T_H2之间的节点为A_H1点，开关T_H2和T_H3之间的节点为A_H2点，开关T_H3和T_H4之间的节点为A_H3点；开关T_L1和T_L2之间的节点为A_L1点，开关T_L2和T_L3之间的节点为A_L2点，开关T_L3和T_L4之间的节点为A_L3点；

单向可控开关电路由上下各3条单向可控开关支路构成。节点O_H1和节点A_H1之间有一正向的单向可控开关支路，由开关T_H11组成；节点O_H2和节点A_H2之间有一正向的单向可控开关支路，由开关T_H21、T_H22同向串联组成；节点O_H3和节点A_H3之间有一正向的单向可控开关支路，由开关T_H31、T_H32、T_H33同向串联组成；这三条单向可控开关支路上开关中二极管中的电流从节点O_Hi流向节点A_Hi。节点O_L1和节点A_L1之间有一反向的单向可控开关支路，由开关T_L11组成；节点O_L2和节点A_L2之间有一反向的单向可控开关支路，由开关T_L21、T_L22同向串联组成；节点O_L3和节点A_L3之间有一反向的单向可控开关支路，由开关T_L31、T_L32、T_L33同向串联组成；这三条单向可控开关支路上开关中二极管中的电流从节点A_Li流向节点O_Li。

将上述七电平电路做进一步的扩展，可得到图2，为九电平变换器拓扑图。与图1相比可以看出，在原来七电平电路的基础上，共直流侧电容在电容C_H3和C_L3之间自上而下依次增加电容C_H4和C_L4，变换桥臂开关在开关T_H6和T_L6之间自上而下依次增加开关T_H7、T_H8和T_L8、T_L7，并且在节点O_H4和节点A_H4之间增加一条新的正向的单向可控开关支路，新的支路由四个开关T_H41、T_H42、T_H43和T_H44同向串联组成，使得T_H41、T_H42、T_H43和T_H44中二极管中的电流从节点O_H4流向节点A_H4；在节点O_L4和节点A_L4之间增加一条新的反向的单向可控开关支路，新的支路由四个开关T_L41、T_L42、T_L43和T_L44同向串联组成，使得T_L41、T_L42、T_L43和T_L44中二极管中的电流从节点A_L4流向节点O_L4。

根据从七电平到九电平相同的扩展方式，可以得到图3为(2k+1)(k为正整数)电平变换器拓扑图。

单向可控开关电路由上下各k条单向可控开关支路构成。节点O_Hi和节点A_Hi之间有一正向的单向可控开关支路，每条支路由i个开关同向串联组成，使得开关中二极管电流从节点O_Hi流向节点A_Hi；节点O_Li和节点A_Li之间有一反向的单向可控开关支路，每条支路由i个开关同向串联组成，使得开关中二极管电流从节点A_Li流向节点O_Li。

图4为三相七电平变换器拓扑图。根据上述七电平变换器拓扑的单相电路，三相七电平变换器拓扑由共用的直流侧串联电容、三个相同的变换桥臂以及连接共直流侧电容和变换桥臂的单向可控开关电路构成，每个桥臂上引出的各单向可控开关支路在共直流侧电容上的不同连接节点也共用，得到三个交流侧节点A、B、C，三个交流侧节点A、B、C与三相负载相连接构成三相电路。

图5为本发明提出的六电平变换器拓扑图。共直流侧电容由C_H1、C_H2、C₃及C_L2、C_L1共5个均压电容串联组成；电容C_L1的负极为O点，电容C_H1和C_H2之间的节点为O_H1点，电容C_H2和C_H3之间的节点为O_H2点；电容C_L1和C_L2之间的节点为O_L1点，电容C_L2和C_L3之间的节点为O_L2点；

变换桥臂由T_H1、T_H2……T_H4、T_H5及T_L5、T_L4……T_L2、T_L1共10个带反并联二极管的可控功率器件构成的开关串联组成；开关T_H5和T_L5之间的节点为A点，开关T_H1和T_H2之间的节点为A_H1点，开关T_H2和T_H3之间的节点为A_H2点；开关T_L1和T_L2之间的节点为A_L1点，开关T_L2和T_L3之间的节点为A_L2点；

单向可控开关电路由上下各2条单向可控开关支路构成。节点O_H1和节点A_H1之间有一正向的单向可控开关支路，由开关T_H11组成；节点O_H2和节点A_H2之间有一正向的单向可控开关支路，由开关T_H21、T_H22同向串联组成；这两条单向可控开关支路上开关中二极管中的电流从节点O_Hi流向节点A_Hi。节点O_L1和节点A_L1之间有一反向的单向可控开关支路，由开关T_L11组成；节点O_L2和节点A_L2之间有一反向的单向可控开关支路，由开关T_L21、T_L22同向串联组成；这两条单向可控开关支路上开关中二极管中的电流从节点A_Li流向节点O_Li。

将上述六电平电路做进一步的扩展，可得到图6八电平变换器拓扑图。与图5相比可以看出，共直流侧电容由C_H1、C_H2、C_H3、C₄及C_L3、C_L2、C_L1共7个均压电容串联组成；变换桥臂开关在开关T_H5和T_L5之间自上而下依次增加开关T_H6、T_H7和T_L7、T_L6，并且在节点O_H3和节点A_H3之间增加一条新的正向的单向可控开关支路，新的支路由三个开关T_H31、T_H32和T_H33串联组成，使得T_H31、T_H32和T_H33中二极管中的电流从节点O_H3流向节点A_H3；在节点O_L3和节点A_L3之间增加一条新的反向的单向可控开关支路，新的支路由三个开关T_L31、T_L32和T_L33串联组成，使得T_L31、T_L32和T_L33中二极管中的电流从节点A_L3流向节点O_L3。

根据从六电平到八电平相同的扩展方式，可以得到图7为(2k+2)电平变换器拓扑图。共直流侧电容由C_H1、C_H2……C_H(k-1)、C_Hk、C_(k+1)及C_Lk、C_L(k-1)……C_L2、C_L1共(2k+1)个均压电容串联组成；电容C_L1的负极为O点，电容C_H1和C_H2之间的节点为O_H1点，电容C_H2和C_H3之间的节点为O_H2点，依此类推，直到电容C_Hk和C_(k+1)之间的节点为O_Hk点；电容C_L1和C_L2之间的节点为O_L1点，电容C_L2和C_L3之间的节点为O_L2点，依此类推，直到电容C_Lk和C_(k+1)之间的节点为O_Lk点；

单向可控开关电路由上下各k条单向可控开关支路构成。节点O_Hi和节点A_Hi之间有一正向的单向可控开关支路，每条支路由i个开关同向串联组成，使得开关中二极管电流从节点O_Hi流向节点A_Hi；节点O_Li和节点A_Li之间有一反向的单向可控开关支路，每条支路由i个开关同向串联组成，使得开关中二极管电流从节点A_Li流向节点O_Li；

图8为三相六电平变换器拓扑图。根据上述六电平变换器拓扑的单相电路，三相六电平变换器拓扑由共用的直流侧串联电容、三个相同的变换桥臂以及连接共直流侧电容和变换桥臂的单向可控开关电路构成，每个桥臂上引出的各单向可控开关支路在共直流侧电容上的不同连接节点也共用，得到三个交流侧节点A、B、C，三个交流侧节点A、B、C与三相负载相连接构成三相电路。

在图1提出的七电平变换器拓扑图中，单向可控开关电路中上桥臂的第3条支路与下桥臂的第3条支路有共同节点(即共直流侧电容的中点O点)，仅保留这两条钳位支路的反并联二极管，构成如图9(a)所示的第二种七电平变换器拓扑图。其中二极管D_H33的阴极接于T_H3与T_H4之间的节点A_H3，二极管D_L33的阳极接于T_L3与T_L4之间的节点A_L3，二极管D_H31和D_L31之间的引出线与共直流侧电容的中点O点连接。

根据从七电平变换器拓扑到第二种七电平变换器拓扑的扩展方式，可以得到从(2k+1)电平变换器拓扑到第二种(2k+1)电平变换器拓扑的扩展方式，图9(b)为第二种(2k+1)电平变换器拓扑图。二极管D_Hkk的阴极接于T_Hk和T_H(k+1)之间的节点A_Hk，二极管D_Lkk的阳极接于T_Lk和T_L(k+1)之间的节点A_Lk，二极管D_Hk1和D_Lk1之间的引出线与共直流侧电容的中点O点连接。

根据从单相七电平变换器拓扑到三相七电平变换器拓扑的扩展方式，可以得到第二种单相七电平变换器拓扑到第二种三相七电平变换器拓扑的扩展方式，图10为第二种三相七电平变换器拓扑图。三个交流侧节点A、B、C与三相负载相连接构成三相电路。

在图1提出的七电平变换器拓扑图中，将单向可控开关电路中上桥臂的第3条支路与下桥臂的第3条支路串联起来，一端连接到A点，另一端连接到O点，方向相反的两个开关串联组成一个双向可控开关，构成如图11(a)所示的第三种七电平变换器拓扑图。其中双向可控开关T_B1一端与T_B2连接，另一端与节点O连接；双向可控开关T_B3一端与T_B2连接，另一端与节点A连接。

根据从七电平变换器拓扑到第三种七电平变换器拓扑的扩展方式，可以得到从(2k+1)电平变换器拓扑到第三种(2k+1)电平变换器拓扑的扩展方式，图11(b)为第三种(2k+1)电平变换器拓扑图。双向可控开关T_B1一端与T_B2连接，另一端与节点O连接；双向可控开关T_Bk一端与T_B(k-1)连接，另一端与节点A连接。

根据从单相七电平变换器拓扑到三相七电平变换器拓扑的扩展方式，可以得到第三种单相七电平变换器拓扑到第三种三相七电平变换器拓扑的扩展方式，图12为第二种三相七电平变换器拓扑图。三个交流侧节点A、B、C与三相负载相连接构成三相电路。

图13为可适用于本发明的双向可控开关示意图。每个双向可控开关T_Bi可以通过两个反向串联连接的开关T_Bi1和T_Bi2构成或者其他可实现双向开关功能的半导体器件及其拓扑电路实现。

可通过增加共直流侧电容以及变换桥臂上开关数目、单向可控开关支路数目，来提高变换器的电平数。

以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出：本发明并不局限于上述特定实施方式，本技术领域的技术人员在权利要求的范围内还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims

1.一种共直流侧电容的多电平变换器拓扑结构，其特征在于：当输出2k+1电平时，k为≥3的正整数，该多电平变换器拓扑结构包括共直流侧电容、变换桥臂和单向可控开关电路；

单向可控开关电路由上下各k条单向可控开关支路构成，节点O_Hi和节点A_Hi之间有一正向的单向可控开关支路，每条支路由i个开关同向串联组成，使得开关中二极管电流从节点O_Hi流向节点A_Hi；节点O_Li和节点A_Li之间有一反向的单向可控开关支路，每条支路由i个开关同向串联组成，使得开关中二极管电流从节点A_Li流向节点O_Li，其中i＝1，2……k；

当输出2k+2电平时，k为≥2的正整数，该多电平变换器拓扑结构包括共直流侧电容、变换桥臂和单向可控开关电路；

共直流侧电容由C_H1、C_H2……C_H(k-1)、C_Hk、C_(k+1)及C_Lk、C_L(k-1)……C_L2、C_L1共2k+1个均压电容串联组成；电容C_L1的负极为O点，电容C_H1和C_H2之间的节点为O_H1点，电容C_H2和C_H3之间的节点为O_H2点，依此类推，直到电容C_Hk和C_(k+1)之间的节点为O_Hk点；电容C_L1和C_L2之间的节点为O_L1点，电容C_L2和C_L3之间的节点为O_L2点，依此类推，直到电容C_Lk和C_(k+1)之间的节点为O_Lk点；

变换桥臂由T_H1、T_H2……T_Hk、T_H(k+1)……T_H2k、T_H(2k+1)及T_L(2k+1)、T_L2k……T_L(k+1)、T_Lk……T_L2、T_L1共4k+2个带反并联二极管的可控功率器件构成的开关串联组成；开关T_H(2k+1)和T_L(2k+1)之间的节点为A点，开关T_H1和T_H2之间的节点为A_H1点，开关T_H2和T_H3之间的节点为A_H2点，依此类推，直到开关T_Hk和T_H(k+1)之间的节点为A_Hk点；开关T_L1和T_L2之间的节点为A_L1点，开关T_L2和T_L3之间的节点为A_L2点，依此类推，直到开关T_Lk和T_L(k+1)之间的节点为A_Lk点；

单向可控开关电路由上下各k条单向可控开关支路构成，节点O_Hi和节点A_Hi之间有一正向的单向可控开关支路，每条支路由i个开关同向串联组成，使得开关中二极管电流从节点O_Hi流向节点A_Hi；节点O_Li和节点A_Li之间有一反向的单向可控开关支路，每条支路由i个开关同向串联组成，使得开关中二极管电流从节点A_Li流向节点O_Li，其中i＝1，2……k。

2.如权利要求1所述的共直流侧电容的多电平变换器拓扑结构，其特征在于：当输出2k+1电平时，单向可控开关电路中上桥臂的第k条支路与下桥臂的第k条支路有共同节点，所述共同节点为共直流侧电容的中点O点，仅保留这两条单向可控开关支路的反并联二极管D_Hkk……D_Hk1和D_Lk1……D_Lkk，二极管D_Hkk……D_Hk1和D_Lk1……D_Lkk依次同向串联连接，二极管D_Hkk的阴极接于T_Hk和T_H(k+1)之间的节点A_Hk，二极管D_Lkk的阳极接于T_Lk和T_L(k+1)之间的节点A_Lk，二极管D_Hk1和D_Lk1之间的引出线与共直流侧电容的中点O点连接，得到输出2k+1电平时的第二种共直流侧电容的多电平变换器拓扑结构。

3.如权利要求1所述的共直流侧电容的多电平变换器拓扑结构，其特征在于：当输出2k+1电平时，将单向可控开关电路中上桥臂的第k条支路与下桥臂的第k条支路串联，串联后的第k条支路由k个双向可控开关T_B1……T_B(k-1)、T_Bk串联组成，双向可控开关T_B1一端与T_B2连接，另一端与共直流侧电容的中点O连接；双向可控开关T_Bk一端与T_B(k-1)连接，另一端与节点A连接，得到输出2k+1电平时的第三种共直流侧电容的多电平变换器拓扑结构。

4.如权利要求3所述的共直流侧电容的多电平变换器拓扑结构，其特征在于：每个双向可控开关T_Bi通过两个反向串联连接的开关T_Bi1和T_Bi2构成或者其他可实现双向开关功能的半导体器件及其拓扑电路实现，其中i＝1、2……k。

5.如权利要求1或2或3所述的共直流侧电容的多电平变换器拓扑结构，其特征在于：当构成p相变换器时，多电平变换器的电路拓扑结构由共用的直流侧串联电容、p个相同的变换桥臂以及连接共直流侧电容和变换桥臂的各支路构成，每个桥臂上引出的各支路在共直流侧电容上的不同连接节点共用，得到p个交流侧节点，p个交流侧节点与p相负载相连接构成p相电路。

6.如权利要求1或2或3所述的共直流侧电容的多电平变换器拓扑结构，其特征在于：所述变换桥臂和单向可控开关电路包含的开关采用带反并联二极管的IGBT、MOSFET、GTO、GTR或IGCT。

7.如权利要求1或2或3所述的共直流侧电容的多电平变换器拓扑结构，其特征在于：所述变换器拓扑结构中每个开关由单个开关器件构成或由多个开关器件串并联构成；共直流侧电容的每个电容，由单个电容器构成或由多个电容器串并联构成。

8.如权利要求1或2或3所述的共直流侧电容的多电平变换器拓扑结构，其特征在于：拓扑结构中各支路同向串联的相同器件，均可用一个或若干个相同器件串联替代，只要使得串联器件替换前后的耐压水平保持不变即可。