關(guān)鍵詞：有源軟開關(guān)；多電平逆變器；拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

1引言

多電平變換技術(shù)由于具有諸如減少了器件的電壓應(yīng)力，勿須器件串聯(lián)而無均壓問題，減少了輸出電壓的諧波含量，減少了由于dv/dt和di/dt所造成的電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)，因此受到了更多關(guān)注，它的出現(xiàn)為高壓大功率變換器的研制開辟了一條新思路。經(jīng)過多年的研究和發(fā)展，多電平變換器主要有三種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：

1）二極管箝位式(Diode?Clamped)；

2）電容箝位式(Flying?Capacitors)；

3）具有獨(dú)立直流電源的級聯(lián)式逆變器

(Cascaded?InverterswithSeparatedDCSources)[1][2]。

多電平變換技術(shù)已經(jīng)成為電力電子領(lǐng)域中高壓大功率變換方面最活躍的分支[3]。多電平變換器主要應(yīng)用在高壓大功率場合，其開關(guān)器件所承受的電壓應(yīng)力和電流應(yīng)力都比較大，因此，隨著開關(guān)頻率的上升，多電平變換器由于硬開關(guān)造成的開關(guān)損耗相當(dāng)可觀，使電路的效率大大降低，處理功率的能力大幅度下降；同時，多電平變換器由于工作在硬開關(guān)狀態(tài)下造成的過高的dv/dt和di/dt將會產(chǎn)生更為嚴(yán)重的電磁干擾。為了解決多電平變換器高頻化和由硬開關(guān)所引起的諸多問題，近年來，把有源軟開關(guān)技術(shù)應(yīng)用到多電平變換器的文獻(xiàn)屢有報道，并取得了較好的效果。本文將對見諸于文獻(xiàn)的多電平變換器的各種有源軟開關(guān)技術(shù)進(jìn)行分析和比較，并指出各自的優(yōu)缺點(diǎn)以及應(yīng)用前景。

2二極管箝位型多電平逆變器的有源軟開

關(guān)技術(shù)

經(jīng)過研究者們多年的努力，已提出了二電平逆變器的的多種有源軟開關(guān)拓?fù)洌饕性谥绷鳝h(huán)節(jié)諧振型逆變器和極諧振型逆變器。到目前為止，有關(guān)多電平逆變器的有源軟開關(guān)技術(shù)的研究也主要是把直流環(huán)節(jié)諧振型逆變器和極諧振型逆變器兩種軟開關(guān)拓?fù)渫卣沟蕉嚯娖诫娐分小?/P>

2.1模塊化箝位型直流環(huán)節(jié)三電平軟開關(guān)逆變器[4][5]

模塊化箝位型直流環(huán)節(jié)三電平軟開關(guān)逆變器的結(jié)構(gòu)如圖1所示。Cr1和Cr2是諧振電容，Lr1和Lr2是

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圖1模塊化箝位型直流環(huán)節(jié)三電平軟開關(guān)逆變器

圖2模塊化箝位型直流環(huán)節(jié)三電平軟開關(guān)變換

模塊的控制邏輯框圖

諧振電感。諧振電容、諧振電感和輔助開關(guān)組成了直流環(huán)節(jié)的軟開關(guān)變換模塊。Cr1=Cr2、Lr1=Lr2，所以兩個準(zhǔn)諧振槽路在直流環(huán)節(jié)上組成了一個鏡像對稱的模塊，如圖中虛線部分所示。

在開關(guān)切換期間，箝位開關(guān)S1′和S2′處于關(guān)斷狀態(tài)，把逆變器的母線電壓從直流環(huán)節(jié)中釋放出來，以使P點(diǎn)和M點(diǎn)的電壓通過諧振降到零，為軟開關(guān)的實(shí)現(xiàn)提供條件。此時，三電平逆變器的主開關(guān)器件在零電壓條件下可實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)操作。當(dāng)開關(guān)完成切換后，通過開通箝位開關(guān)S1′和S2′，結(jié)束諧振過程，把直流環(huán)節(jié)的電壓加到母線的正極和負(fù)極之間。因?yàn)樯喜恐C振槽路和下部諧振槽路是鏡像對稱的，所以它們的工作原理是相同的。但是，在實(shí)際的系統(tǒng)中，上部諧振槽路的變換電流Io1和下部諧振槽路變換電流Io2由于中點(diǎn)電流IN的作用而可能不相等，所以逆變器的正極母線電壓和負(fù)極母線電壓諧振到中點(diǎn)電壓所需要的時間可能不相等，這樣會影響零電壓的開關(guān)條件。為了保證實(shí)現(xiàn)零電壓的條件，需要用同步邏輯來同步上部諧振槽路和下部諧振槽路。為了以適當(dāng)?shù)拇涡蛴|發(fā)上部諧振槽路和下部諧振槽路的諧振，定義觸發(fā)上部諧振槽路和觸發(fā)下部諧振槽路之間的延遲時間為td，它正比于中點(diǎn)電流IN，td==。中點(diǎn)電流的方向決定哪個諧振槽路的諧振過程被延遲觸發(fā)，如圖1所示，如果中點(diǎn)電流是正極性，即IN>0，上部諧振槽路的諧振過程被延遲td后再觸發(fā)，否則，下部諧振槽路的諧振過程將被延遲td后觸發(fā)。

圖2是諧振槽路的簡化控制邏輯框圖，軟開關(guān)變換模塊從逆變器的控制器接受PWM模式。當(dāng)PWM模式有變化時，檢測電路將產(chǎn)生一個信號來觸發(fā)零電壓變換過程。同步電路用來保證上部諧振槽路和下部諧振槽路同時達(dá)到零電壓。一旦零電壓條件建立了，主開關(guān)則可以在零電壓下開關(guān)，PWM重新安排模塊緊接著發(fā)出新的PWM模式到門極電路。

該電路的優(yōu)點(diǎn)是：

1）模塊化設(shè)計(jì)。輔助變換電路中所用的元器件較少。

2）主開關(guān)器件所承受的電壓和電流應(yīng)力和硬開關(guān)逆變器所承受的電壓和電流應(yīng)力相等。

3）逆變器的主開關(guān)器件和輔助電路的箝位開關(guān)是零電壓開通；輔助電路中的輔助開關(guān)是零電流關(guān)斷。 該電路的缺點(diǎn)是：

由于中點(diǎn)電流的影響，逆變器的正極母線電壓和負(fù)極母線電壓諧振到中點(diǎn)電壓所需要的時間可能不相等，需要外加控制邏輯來使兩者同步，增加了電路的復(fù)雜性，降低了電路的可靠性。

2.2二極管箝位型多電平逆變器的輔助諧振變換

極軟開關(guān)拓?fù)?/P>

在高壓大功率應(yīng)用場合，提出了各種各樣的軟開關(guān)拓?fù)洌渲校o助諧振變換極電路(auxiliaryresonantcommutatedpoleinverter)是較為成功的一種。近年來的文獻(xiàn)表明把輔助諧振變換極的拓?fù)鋽U(kuò)展到二極管箝位多電平逆變器中去，理論上是可行的，圖3、圖4概括了已經(jīng)提出的三電平逆變器的輔助諧振變換極軟開關(guān)拓?fù)鋄6][7][8][9][10]。

文獻(xiàn)[8]提出了圖3所示的電路，該電路的輔助諧振變換電路由輔助開關(guān)Saux1和Saux2、諧振電感Laux、關(guān)斷吸收電容C1、C2和C3組成。輔助開關(guān)Saux1幫助主開關(guān)Sa1和Sa1′在軟開關(guān)條件下完成變換，輔助開關(guān)Saux2幫助主開關(guān)Sa2和Sa2′在軟開關(guān)條件下完成變換。C1作為開關(guān)Sa1的關(guān)斷吸收電容，C2作為開關(guān)Sa2′的關(guān)斷吸收電容，C3作為內(nèi)部開關(guān)管Sa2和Sa1′和箝位二極管Da和Da′的關(guān)斷吸收電容。

該電路的優(yōu)點(diǎn)是：

1）所需附加元器件的數(shù)量最少；

2）可實(shí)現(xiàn)主開關(guān)管的零電壓開關(guān)和輔助開關(guān)管的零電流開關(guān)。

該電路的缺點(diǎn)是：

多電平逆變器有源軟開關(guān)技術(shù)的研究

圖4輔助諧振變換極三電平逆變器[9]

圖3輔助諧振變換極三電平逆變器[8]

圖5輔助諧振變換極三電平逆變器[10]

1）輔助開關(guān)所承受的阻斷電壓是0.75Udc，阻斷電壓的數(shù)值較高。

2）流過吸收電容C3的電流有效值是流過吸收電容C1和C2的電流有效值的1.4倍。

3）內(nèi)部開關(guān)管Sa2和Sa1′和箝位二極管Da和Da′在關(guān)斷時，其能量是間接地被電容C3吸收，這樣會造成較大的雜散電感，將導(dǎo)致軟變換期間的寄生震蕩。 為了克服圖3電路存在的缺點(diǎn)，文獻(xiàn)[9]和文獻(xiàn)[10]分別提出了圖4和圖5所示的電路。

圖4所示電路的輔助諧振變換電路由輔助開關(guān)Saux1和Saux2、諧振電感Laux1和Laux2、關(guān)斷吸收電容C1、C2、C3、C4組成。當(dāng)開關(guān)管Sa2導(dǎo)通和Sa2′關(guān)斷時，輔助開關(guān)Saux1幫助主開關(guān)Sa1和Sa1′在軟開關(guān)條件下完成變換，使輸出電壓交替連接到正極母線和中點(diǎn)；當(dāng)開關(guān)管Sa1導(dǎo)通和Sa1′關(guān)斷時，輔助開關(guān)Saux2幫助主開關(guān)Sa2和Sa2′在軟開關(guān)條件下完成變換，使輸出電壓交替連接到負(fù)極母線和中點(diǎn)。C1作為開關(guān)管Sa1的關(guān)斷吸收電容，C2作為開關(guān)管Sa2和箝位二極管Da的關(guān)斷吸收電容，C3作為開關(guān)管Sa1′和箝位二極管Da′的關(guān)斷吸收電容，C4作為開關(guān)管Sa2′的關(guān)斷吸收電容。

該電路的優(yōu)點(diǎn)是：

1）輔助開關(guān)所承受的阻斷電壓減小到0.5Udc。

2）可實(shí)現(xiàn)主開關(guān)管的零電壓開關(guān)和輔助開關(guān)管的零電流開關(guān)。

3）箝位二極管關(guān)斷時的能量直接被吸收電容所吸收，減少了雜散電感，也減少了關(guān)斷時因二極管的反向恢復(fù)特性造成的損耗。

該電路的缺點(diǎn)是：

1）用了兩個諧振電感，電路的元器件數(shù)量較多。

2）對于軟開關(guān)變換來說，當(dāng)一個開關(guān)周期內(nèi)的平均輸出電壓和平均輸出電流的乘積(即平均輸出功率)大于零時，吸收元器件的布置是最優(yōu)的，因?yàn)榇藭r，變換出現(xiàn)在被直接吸收的器件Sa1和Da之間以及Sa2′和Da′之間；當(dāng)一個開關(guān)周期內(nèi)的平均輸出功率小于零時，變換出現(xiàn)在被間接吸收的內(nèi)部開關(guān)管Sa2或Sa1′上，此時會造成較大的雜散電感，將導(dǎo)致軟變換期間的寄生震蕩。

為了克服圖4所示電路的缺點(diǎn)，使吸收元器件的布置是最優(yōu)的，文獻(xiàn)[10]提出了圖5所示的軟開關(guān)拓?fù)洹Ｔ撾娐返妮o助諧振變換電路由輔助開關(guān)Saux1和Saux2、諧振電感Laux1和Laux2、Sa與Da、Da′與Sa′所組成的有源箝位開關(guān)及關(guān)斷吸收電容C1、C2、C3、C4組成。但是該電路中吸收電容的布置與圖4所示電路中吸收電容的布置不同，每個主開關(guān)器件都并聯(lián)有一個直接吸收電容。這樣的結(jié)構(gòu)使雜散電感減少到最小，并減少了由于平均輸出功率小于零的變換所帶來的損耗。然而，該電路需要有源箝位開關(guān)來控制在軟開關(guān)變換時吸收電容的充電過程。有源箝位開關(guān)的積極作用是在低速和高轉(zhuǎn)矩操作時，提高靜態(tài)電壓的平衡和開關(guān)器件之間的損耗平衡。

該電路的優(yōu)點(diǎn)是：

1）使雜散電感減少到最小，大大減小了發(fā)生寄生震蕩的幾率。

2）可實(shí)現(xiàn)主開關(guān)管的零電壓開關(guān)和輔助開關(guān)管的零電流開關(guān)。

3）在低速和高轉(zhuǎn)矩操作時，提高了靜態(tài)電壓的平衡和開關(guān)器件之間的損耗平衡。 該電路的缺點(diǎn)是：增加了兩個有源箝位開關(guān)管，采用了兩個諧振電感，使電路中元器件的數(shù)量增多，增加了電路的復(fù)雜性，降低了電路的可靠性。

在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中，上述三種電路還存在著以下問題：

1）中點(diǎn)穩(wěn)定性問題。由于三電平輔助諧振變換極軟開關(guān)拓?fù)涞闹绷鳝h(huán)節(jié)有四個電容，這樣就存在兩個中點(diǎn)(1和2)。ARCP變換期間，兩個中點(diǎn)的充電平衡由輔助電流iaux1和iaux2的方向、大小和持續(xù)時間來

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圖6電容箝位型三電平逆變器的輔助諧振變換極軟開關(guān)拓?fù)?/P>

圖7電容箝位型三電平逆變器的輔助諧振變換極軟開關(guān)拓?fù)?/P>

決定。只有當(dāng)輸出電流和輸出電壓之間的相移在±90°附近時，即負(fù)載是純無功負(fù)載時，對于輔助電流iaux1和iaux2來說，它們分別流入中點(diǎn)1和中點(diǎn)2的電流的安秒值在一個輸出周期內(nèi)才相等。在其它情況下，中點(diǎn)將會產(chǎn)生偏移。因此在二極管箝位型三電平輔助諧振變換極逆變器中，由于存在兩個相互獨(dú)立的中點(diǎn)，充電平衡所帶來的中點(diǎn)穩(wěn)定的問題是不可避免的。

2）輔助開關(guān)的反并二極管關(guān)斷時由于其反向恢復(fù)特性在輔助開關(guān)兩端將造成過電壓，雖然各種各樣的減少過電壓的方案被提出，但是都大大增加了電路的復(fù)雜性。 表1概括和比較了上面三種三電平輔助諧振變換極軟開關(guān)拓?fù)涞脑骷?shù)特性。

表1三種電路拓?fù)湓骷?shù)的比較比較參數(shù)圖3圖4圖5
輔助開關(guān)數(shù)量121212
阻斷電壓0.75Udc0.5Udc0.5Udc
峰值電流相對值100％100％100％
箝位開關(guān)箝位二極管/箝位開關(guān)6/06/06/6
阻斷電壓0.5Udc0.5Udc0.5Udc
吸收電容數(shù)量91212
電壓應(yīng)力0.5Udc0.5Udc0.5Udc
RMS電流相對值6×100％3×141％12×100％12×100％
諧振電感數(shù)量366
RMS電流相對值100％70.7％70.7％
2.3二極管箝位型N電平輔助諧振變換極軟開關(guān)

拓?fù)涞挠懻?/P>

文獻(xiàn)[6][10]把二極管箝位型三電平輔助諧振變換極軟開關(guān)拓?fù)涞母拍顢U(kuò)展到N電平逆變器。顯然，N電平輔助諧振變換極軟開關(guān)拓?fù)淙匀淮嬖谥悬c(diǎn)穩(wěn)定的問題；而且，附加元器件的數(shù)量也大為增加；系統(tǒng)的可靠性，控制的復(fù)雜性也阻礙了把N電平輔助諧振變換極軟開關(guān)拓?fù)鋺?yīng)用到工業(yè)中去。需要強(qiáng)調(diào)的是，N電平輔助諧振變換極軟開關(guān)拓?fù)渲悬c(diǎn)穩(wěn)定性問題不是由于元器件參數(shù)的波動或寄生參數(shù)的影響而造成的，而是因?yàn)殡娐吠負(fù)浔旧淼娜秉c(diǎn)而造成的。不難得出，N電平輔助諧振變換極軟開關(guān)的中點(diǎn)穩(wěn)定性問題和拓?fù)涞膹?fù)雜性使該電路拓?fù)鋺?yīng)用到實(shí)際的工業(yè)系統(tǒng)中去的可能性很小。

3電容箝位型多電平逆變器的有源軟開關(guān)技術(shù)

迄今為止，有關(guān)電容箝位型多電平逆變器的有源軟開關(guān)技術(shù)的研究非常有限。文獻(xiàn)[7]和文獻(xiàn)[11]把輔助諧振變換極軟開關(guān)的概念引入到電容箝位型多電平逆變器當(dāng)中。

3.1電容箝位型三電平逆變器的輔助諧振變換極軟

開關(guān)拓?fù)?/P>

文獻(xiàn)[11]提出的電容箝位型三電平逆變器的輔助諧振變換極軟開關(guān)拓?fù)淙鐖D6所示。

該電路的輔助開關(guān)接在直流母線的正極和負(fù)極之間，諧振電感Laux和電容C1、C2、C3、C4組成諧振路徑。該電路有個致命的弱點(diǎn)，即輔助開關(guān)所承受的阻斷電壓等于Udc，這就使該電路失去了實(shí)際應(yīng)用的意義。

文獻(xiàn)[7]提出了另外一種電容箝位型三電平逆變器的輔助諧振變換極軟開關(guān)拓?fù)淙鐖D7所示。一個輔助開關(guān)連接在輸出端（經(jīng)Laux2）和箝位電容的中點(diǎn)，另外一個輔助開關(guān)連接在箝位電容的中點(diǎn)（經(jīng)Laux1）和直流環(huán)節(jié)的中點(diǎn)。該電路的輔助開關(guān)所承受的阻斷電壓僅為Udc/4。和二極管箝位型三電平逆變器的輔助諧振變換極軟開關(guān)拓?fù)湎啾龋穗娐返膬蓚€中點(diǎn)(1和2)的電壓是穩(wěn)定的。箝位電容的中點(diǎn)由輔助電流來決定，每隔一個開關(guān)周期輔助電流交替改變方向，并不受功率因數(shù)的影響。該電路采用了硬開關(guān)電容箝位型三電平逆變器中為穩(wěn)定箝位電容電壓所采用的方法，即交替利用三電平變換器的兩個可能的零狀態(tài)，使箝位電容的中點(diǎn)電壓趨于穩(wěn)定。此外，輸出電流每隔180°，輔助電流iaux1和iaux2的方向改變一次，用來平衡由于調(diào)制策略和功率因數(shù)造成的輸出電流的不對稱。由于在三相系統(tǒng)中，輸出電流是三相對稱的，因此直流環(huán)節(jié)中點(diǎn)可以按照傳統(tǒng)的兩電平輔助諧振變換極電壓源型逆變器的中點(diǎn)穩(wěn)定的方式來趨于穩(wěn)定。

但是，該電路存在以下缺點(diǎn)：

多電平逆變器有源軟開關(guān)技術(shù)的研究

圖8電容箝位型N電平逆變器的輔助諧振變換極軟開關(guān)拓?fù)?/P>

1）和二極管箝位型三電平逆變器的輔助諧振變換極軟開關(guān)拓?fù)湟粯樱o助開關(guān)的反并二極管關(guān)斷時由于其反向恢復(fù)特性在輔助開關(guān)兩端將造成過電壓。 2）對寄生電感參數(shù)很靈敏，處理不好，會引起寄生震蕩。

3.2電容箝位型N電平輔助諧振變換極軟開關(guān)拓

撲的討論

文獻(xiàn)[7]把電容箝位型三電平逆變器的輔助諧振變換極軟開關(guān)拓?fù)渫卣沟搅穗娙蒹槲恍蚇電平逆變器中，如圖8所示。所有輔助開關(guān)的阻斷電壓都相等，都等于Udc/〔2(N－1)〕。表2是N電平輔助諧振變換極軟開關(guān)的主要特性。

表2電容箝位型N電平逆變器的輔助諧振

變換極軟開關(guān)的主要特性主開關(guān)輔助開關(guān)
數(shù)量3×2(N－1)3×(N－1)
阻斷電壓Udc/(N－1)Udc/〔2×（N－1)〕
軟開關(guān)類型零電壓開關(guān)零電流開關(guān)
電容箝位型N電平逆變器的輔助諧振變換極軟開關(guān)拓?fù)淠壳爸皇窃诶碚撋献髁艘恍┨接懀悬c(diǎn)平衡問題需要作進(jìn)一步的研究，應(yīng)用到實(shí)際當(dāng)中，還有很多工作要做。

4結(jié)語

所謂多電平逆變器的有源軟開關(guān)技術(shù)，是在多電平逆變器原有的主電路結(jié)構(gòu)中，附加一些輔助的有源開關(guān)器件和電感，電容，通過適當(dāng)?shù)臋z測和時序控制，軟化功率器件的開關(guān)過程，實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)的功能。目前，關(guān)于多電平逆變器軟開關(guān)技術(shù)的研究，多集中在有源軟開關(guān)方面，得到了一些多電平逆變器有源軟開關(guān)電路拓?fù)洹囊陨系姆治觯梢钥闯鲞@些電路拓?fù)涞膿Q流過程相對簡單；但是所有的多電平有源軟開關(guān)拓?fù)洌技由狭擞性摧o助開關(guān)及相應(yīng)的檢測和控制電路，由于多電平變換器自身拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制已經(jīng)相當(dāng)復(fù)雜，再加上有源輔助開關(guān)及相應(yīng)的檢測和控制電路，使系統(tǒng)的復(fù)雜性增加，從而降低了系統(tǒng)的可靠性。因此，在可靠性要求較高的場合，多電平逆變器有源軟開關(guān)技術(shù)的應(yīng)用還有一定的困難，還有很多工作要做。 與有源軟開關(guān)技術(shù)相比，無源軟開關(guān)技術(shù)不需要有源輔助開關(guān)及相應(yīng)的檢測和控制電路，所以在電路的復(fù)雜性和可靠性方面具有很大的優(yōu)勢，目前，有關(guān)多電平逆變器的無源軟開關(guān)技術(shù)的研究很少，因此，把無源軟開關(guān)技術(shù)應(yīng)用到多電平逆變器中，是多電平逆變器軟開關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的一個值得關(guān)注的方向。 參考文獻(xiàn)

[1]Jih?ShengLa,FengZhengPeng.MultilevelConverters

—ANewBreedofPowerConverters[J].IEEETrans.onIndustryApplications,1996,32(3):509－517.

[2]A.Nabae,I.TakahashiandH.Akagi.ANewNeutral?Point?

ClampedPWMInverter[J].IEEETrans.onIndustrialApplications,1981,17(5):518～523.

[3]R.Teodorescu,F.Blaabjerg,J.K.Pedersen.Multilevel

Converters—ASurvey[C].Proc.ofEPE'1999:7～10.

[4]JieChangetal.Modular,PinchedDC?LinkandSoft

CommutatedThree?levelInverter[C].IEEEProc.ofPESC'1999:1065～1070.

[5]JunHu,JieChang,PengF.Zetal.Modulardesignof

Soft?SwitchingCircuitforTwo?LevelandThree?levelInverters[C].ProceedingsofPIEMC2000,1:143～146.

[6]XiaomingYuanetal.Evaluationofsoftswitchingtechniques

fortheneutral?point?clamped(NPC)inverter[C].IEEEProc.PESC'1999.

[7]RalphTeichmannetal.ComparisonofMultilevelARCP

Topologies[C].Proc.ofIPEC'2000:2035～2040.

[8]JungG.Choetal.ThreeLevelAuxiliaryResonantCommutated

PoleInverterforHighPowerApplications[C].IEEEProc.ofPESC'1996:1019～1026.

[9]XiaomingYuan,G.Orglmeister,I.Barbi.ARCPIResonant

SnubberfortheNeutralPointClamped(NPC)Inverter[C].

Conf.Rec.IEEE?IAS,1999.

[10]R.Teichmann,S.Bernet.AMultilevelARCPVoltage

SourceConverterTopology[C].Conf.Rec.IEEE?IECON,1999.

[11]F.R.Dijkhuizen,J.L.Duarteetal.MultilevelConverter

withAuxiliaryResonantCommutatedPole[C].Conf.Rec.

IEEE－IAS,1998:1440～1446.