智能电网的发展和可再生能源的使用对能源提出了更高的“质量”要求，例如减少谐波，以及平衡电网中有功和无功功率的可能性，因此静态补偿器（STATCOM）应用过的。简而言之，它们由动态提供无功功率支持的电力电子设备组成，有助于在负载或发电波动期间稳定电压水平。通常，它们位于高压侧（30 kV 至 150 kV 及以上），并通过使用直流母线背靠背连接受控整流器和逆变器而制成。
　　由于电子开关的特性有限，经典桥式整流器和两电平逆变器不适合处理高电压。直到几十年前，才使用同步旋转电机。然而，基于“多电平转换器”的原理，开发了新颖的开关转换器拓扑，其中交流电压是由几个较小的发电机的总和生成的（事实上，我们处理的是电容器，无论它们在所使用的拓扑中如何连接） ）。由于三相系统中用于 AC/DC 和 DC/AC 转换的拓扑结构相同，因此当仅开关模式不同以管理不同的能量流时，我们可以更笼统地称为“转换器”而不是逆变器或整流器。
　　成本的降低和材料技术（即 SiC/GaN IGBT 和MOSFET）的改进使得这些转换器对于电压约为 1 kV 的应用也很有趣，例如电动汽车 (EV) 中的牵引（实际上 800 V）或电池充电器。

　　直观地说，使用更多的串联开关可以减少每个设备上的电压应力，并且通过多个步骤合成电压可以减少谐波，但由于电路和控制的复杂性增加，因此需要考虑一些缺点。

　　为了理解这个概念，我们将了解什么是多电平转换器，重点关注早实现的拓扑之一（可能仍然主要用于经济高效且电压不那么高的应用）：中性点钳位多电平逆变器。为了简单起见，下文中仅提及逆变方式，无需研究如何进行控制来实现整流。
　　让我们检查一下连接到 Vdc 值直流母线电压的逆变器的典型支路。在图 1 中，它展示了从一系列电容器开始生成多个电压电平的理论原理，通过提供对每个电容器的端子（称为节点）的访问。串联电容器作为逆变器的储能系统，同时也提供多个连接节点。许多拓扑用于将节点连接到输出，每种拓扑都有优点和缺点。
　　　图 1：两电平和六电平逆变器

　　每个电容器在其端子上具有相同的电压，由以下等式表示：

　　从高压到电动汽车应用的电源转换器：NPC 多电平逆变器分析
　　其中n表示级数，或者另一方面，表示与直流母线相关的逆变器可用的各个节点。因此，设计用于n级的反相器通常需要n -1 个电容器。
　　中性点钳位多电平逆变器 (NPCMLI) 通过串联半导体开关并使用钳位二极管关闭从请求节点到输出的路径来生成多电平电压波形。图 2 显示了 5 级 NPCMLI 的一条腿。
　　　图 2：5 级 NPCMLI 腿
　　可以根据电路中的级数 (m)、电容器 (n)、开关 (l) 和钳位二极管 (j) 建立关键关系：
　　n=m-1
　　l=2(m-1)
　　j=(m-1)(m-2)
　　不难理解，随着级数的增加，电路的复杂度随着开关和二极管的数量而迅速增加。对于大量级别，已经开发了其他拓扑。
　　到目前为止，我们将分析三电平 NPCMLI，要么是为了简单起见，要么是因为它是逆变器相对于两电平逆变器的次改进。
　　图 3 显示了一个三级 NPCMLI 综合控制电路的方案。
　　我们将次了解多电平输出是如何产生的，然后我们将解释如何驱动电路以获得所需的电压。
　　　图 3：具有 PWM 控制的三电平 NPCMLI

　　将系列中从底部到顶部的四个开关命名为 S1..S4。通过利用二极管“打开”其中两个串联，我们可以将该相连接到所需的节点，如图 4 所示（红色为电流路径）。

　　
　　图 4：三电平 NPCMLI 中的相电压

　　下表总结了基于开关状态的相电压合成。请注意，对于输出电压的每次变化，只有两个开关改变其状态。

　　从高压到电动汽车应用的电源转换器：NPC 多电平逆变器分析
　　对于两电平逆变器，因为我们会在负载上产生正弦电压，所以我们可以使用 PWM 技术，对于载波信号的每个周期，获得与所需正弦值（调制信号）成比例的平均值。

　　为了实现这一结果，存在许多方法。简单的方法是通过将调制正弦波与更多载波进行比较，每个载波对应一个电压间隔。对于三电平转换器的情况，我们有两个间隔，因此只需要两个三角波：一个从 0 到 1/2，另一个从 1/2 到 1。调制信号是正弦波，偏置为 1/2，幅度为 ma (调幅指数）。每次将正弦波与两个载波进行比较，并且对于每个电平，输出电压值计算如下：

　　从高压到电动汽车应用的电源转换器：NPC 多电平逆变器分析
　　其中，“m”为调制信号，“c 1 ”和“c 2 ”为载波，step为函数，当括号中的差值为正时，其值为“1”，否则为“0”。
　　通过使用像上面这样的查找表，可以确定每个开关的栅极信号。
　　通过使用PLEXIM 的电力电子系统仿真平台PLECS，我们可以确定相电压和线电压。正如预期的那样，相电压发生变化，在 0 和 Vdc/2 之间的调制正弦波的一半周期内使用三电平 PMW 调制，在 V dc /2 和 V dc之间的另一半周期内使用三电平 PMW 调制，如图 5 所示。
　　　图 5：相电压
　　与传统的两电平逆变器相比，我们观察到线电压更接近正弦波形。这表明，即使没有严格的证据，这些系统中的谐波含量也会减少。通过增加电压电平的数量，我们可以实现更的正弦波近似。因此，线路滤波器的设计变得更加简单，因为需要减轻的谐波更少。
　　使用更多电压电平的另一个优点是施加到每个开关的电压低于总电压。因此，开关期间的 dV/dt 会降低，这不仅会降低开关上的应力，还会限度地降低开关损耗和电磁干扰 (EMI)。
　　除了提到的好处之外，还有一些挑战需要考虑。随着级数的增加，电路变得更加复杂并且元件成本更高。此外，先进的控制策略是必要的，这会使系统的设计和实现进一步复杂化。