In terms of low-voltage (<1.5 kV) and high-power (>10 kW) industry applications, power converters without any flying capacitors are preferred to ensure high efficiency, high power density, and light weight. As for these requirements, this article proposes a four-level hybrid neutral point clamped (4L-HNPC) converter and a four-level hybrid active neutral point clamped (4L-HANPC) converter. Compared with the existing three-level and four-level converters, the proposed 4L-HNPC and 4L-HANPC converters show higher efficiency or more even loss distribution. Compared with five-level converters, the proposed converters show higher power density and lower weight due to the absence of flying capacitors. To solve the dc-link capacitor imbalance issue, this article proposes a variable-reference voltage-balancing control method that aims at controlling the middle capacitor voltage at 1/3 of the dc-link voltage via a proportional–integral (PI) regulator. Meanwhile, the other two capacitor voltages are automatically balanced. Compared with the existing voltage-balancing control methods, the proposed variable-reference voltage-balancing control method is more suitable for digital implementation as only one triangular carrier is used. Both simulation and experimental studies have been carried out to verify the proposed four-level converter topologies and variable-reference voltage-balancing control method.

中文翻译：

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四电平混合中性点钳位转换器

在低压（<1.5 kV）和大功率（> 10 kW）行业应用方面，首选不带飞跨电容的电源转换器，以确保高效率、高功率密度和轻量化。针对这些要求，本文提出了四电平混合中性点钳位（4L-HNPC）转换器和四电平混合有源中性点钳位（4L-HANPC）转换器。与现有的三电平和四电平转换器相比，所提出的 4L-HNPC 和 4L-HANPC 转换器显示出更高的效率或更均匀的损耗分布。与五电平转换器相比，由于没有飞跨电容器，所提出的转换器显示出更高的功率密度和更低的重量。为了解决直流链路电容器不平衡问题，本文提出了一种可变参考电压平衡控制方法，旨在通过比例积分 (PI) 调节器将中间电容器电压控制在直流母线电压的 1/3。同时，另外两个电容电压自动平衡。与现有的电压平衡控制方法相比，所提出的可变参考电压平衡控制方法更适合数字化实现，因为只使用了一个三角载波。已经进行了仿真和实验研究，以验证所提出的四电平转换器拓扑结构和可变参考电压平衡控制方法。与现有的电压平衡控制方法相比，所提出的可变参考电压平衡控制方法更适合数字化实现，因为只使用了一个三角载波。已经进行了仿真和实验研究，以验证所提出的四电平转换器拓扑结构和可变参考电压平衡控制方法。与现有的电压平衡控制方法相比，所提出的可变参考电压平衡控制方法更适合数字化实现，因为只使用了一个三角载波。已经进行了仿真和实验研究，以验证所提出的四电平转换器拓扑结构和可变参考电压平衡控制方法。