NPC和ANPC三電平逆變器拓?fù)浠竟ぷ髟恚偷拈_關(guān)損耗

　　上圖1中描述了NPC的拓?fù)?，這個(gè)是一個(gè)多電平拓?fù)?，這個(gè)拓?fù)渲兴虚_關(guān)都是額定電壓設(shè)在一半的總線電壓，器件的電壓應(yīng)力比較低，因此功率器件開關(guān)損耗也相對(duì)較低，所以在NPC拓?fù)渲?，?duì)于800V-1000V的總線電壓，可以使用650V-700V等級(jí)的器件，相比1200V器件可以達(dá)到更低的開關(guān)損耗。

　　NPC拓?fù)涞妮敵鲭娏骷y波較小，這會(huì)優(yōu)化輸出濾波電感的大小，用較小的電感維持相應(yīng)的THD, 拓?fù)洳粌H可以產(chǎn)生較小畸變的輸出電壓，同時(shí)可以最小化開關(guān)器件的dv/dt電壓應(yīng)力，從而減小EMI.

　　這個(gè)拓?fù)涮峁┝斯β实碾p向傳輸，當(dāng)開關(guān)頻率高于50kHz時(shí)是更好的選擇，因?yàn)槠涞偷拈_關(guān)損耗和較高的效率。雖然控制上比較復(fù)雜，但是此拓?fù)涓纳屏斯β拭芏群托实忍匦?。作為一個(gè)雙向DC/AC拓?fù)?，它非常適合儲(chǔ)能逆變器及光儲(chǔ)系統(tǒng)中的逆變部分。

　　除了上述優(yōu)勢(shì)之外，其缺點(diǎn)也顯而易見，比如開關(guān)器件較多，同時(shí)對(duì)應(yīng)的門級(jí)驅(qū)動(dòng)器也較多。由于使用了功率二極管，所以其熱分布不均勻，熱管理也是一個(gè)挑戰(zhàn)。

　　相對(duì)于NPC拓?fù)涠?，如上圖2所示，ANPC逆變器是一個(gè)NPC逆變器的改善版本，NPC拓?fù)渲械亩O管在這個(gè)拓?fù)渲凶優(yōu)榱擞性撮_關(guān)。這樣的變化，使得系統(tǒng)可以得到更一致的損耗分布，使得熱管理更容易，開關(guān)的導(dǎo)通電壓可以減小，改善了效率和功率密度。ANPC拓?fù)涞钠溆嗖糠趾蚇PC基本一致，后面我們會(huì)以ANPC拓?fù)錇槔?，?jiǎn)述其基本工作原理。

　　二.ANPC三電平逆變器的基本工作原理

　　上述圖3為ANPC三電平三相逆變器的拓?fù)浼軜?gòu)簡(jiǎn)圖，為了更進(jìn)一步的簡(jiǎn)化分析，我們分離出單獨(dú)的一相電路，如下圖4所示。另外兩相電路的運(yùn)行原理類似，此處不詳細(xì)分析。

　　總體而言，每一相有6個(gè)開關(guān)器件，其中Q1,Q5,Q2在正半周期內(nèi)為閉合狀態(tài)，Q4,Q6,Q3在電路負(fù)半周期為閉合狀態(tài)。Q2,Q3為慢速開關(guān)，在每一個(gè)正弦半周期內(nèi)，將電感連接到Q1,Q5,或者Q4,Q6的高頻開關(guān)對(duì)，每一個(gè)快速開關(guān)對(duì)，在工作的半個(gè)周期內(nèi)以同步降壓模式運(yùn)行。

　　接下來，我們分析一下電路在正半周期內(nèi)的工作情況。

　　其中，作為慢速開關(guān)，工作在100Hz，Q2在整個(gè)半周期內(nèi)保持開啟狀態(tài)，Q1主開關(guān)閉合時(shí)，電路處于激磁狀態(tài)，建立從V+總線電壓到電感的電流路徑。此狀態(tài)下，由于Q1和Q2都打開，則Q3,Q4承受全部的總線電壓，為避免器件之間不均勻，保持Q6開啟，Q3和Q4的中點(diǎn)連接到中性點(diǎn)，二者平均分配電壓。

　　Q1, Q6在正負(fù)半周期之間的死區(qū)時(shí)間內(nèi)關(guān)閉，電感流過Q5,Q2續(xù)流, 連續(xù)模式下，Q5為同步二級(jí)管，電感器節(jié)點(diǎn)連接到中性點(diǎn)。在此狀態(tài)下，續(xù)流時(shí)Q3, Q4只承受一半的總線電壓，因此無需保持Q6接通實(shí)現(xiàn)電壓平衡。

　　負(fù)半周期工作情況如圖6所示。類似于正半周期，在負(fù)半周期內(nèi)工作時(shí)，作為慢管工作在100Hz，Q3一直保持開啟。

　　在導(dǎo)通激磁階段，Q3,Q4導(dǎo)通，電感器連接到V-,Q5在該狀態(tài)下開啟，以便平衡Q1,Q2之間的電壓應(yīng)力。在主開關(guān)Q4關(guān)斷續(xù)流狀態(tài)下，Q6, Q3維持電感電流，電感器開關(guān)節(jié)點(diǎn)連接到中性點(diǎn)。

　　以上就是ANPC的單獨(dú)一相在整個(gè)周期的工作情況。

　　三.ANPC拓?fù)涞拈_關(guān)應(yīng)力和損耗情況分析

　　根據(jù)上述原理分析，主功率器件只需要一半的總線電壓的應(yīng)力，所以1000V的直流總線電壓下，可以使用650V-700V的功率器件。

　　其中由于拓?fù)溥\(yùn)行需要，Q2和Q3為慢速開關(guān)，運(yùn)行在100Hz工頻，所以可以選擇普通的Si的功率MOSFET即可。而Q1, Q5及Q4,Q6都是運(yùn)行于高頻的功率器件，所以選擇寬禁帶器件，可以提升開關(guān)頻率及功率密度。

　　除去平衡電壓應(yīng)力的開關(guān)管，同一時(shí)刻有兩個(gè)開關(guān)器件導(dǎo)通(包含一個(gè)快管和一個(gè)慢管)，所以對(duì)于導(dǎo)通損耗而言，需要根據(jù)相應(yīng)允許的功耗去選擇功率器件Rdson。

　　對(duì)于開關(guān)損耗而言，Q1,Q4為控制的主開關(guān)對(duì)應(yīng)于每一個(gè)半周期，因此會(huì)出現(xiàn)開關(guān)損耗。Q5,Q6為續(xù)流同步開關(guān)，因此會(huì)有零電壓開關(guān)狀態(tài)，在死區(qū)時(shí)間內(nèi)體二極管導(dǎo)通，其存在正向壓降和反向恢復(fù)損耗，而寬禁帶器件的反向恢復(fù)損耗可以忽略。Q2,Q3的開關(guān)頻率非常低，僅僅作為半周期的常通開關(guān)，所以其開關(guān)損耗可以忽略。

　　總結(jié)，以上簡(jiǎn)要分析NPC及ANPC拓?fù)涞幕竟ぷ髟怼?/span>

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