三電平電路原理及常見的電路拓撲分析

隨著對逆變器的功率密度、效率、輸出波形質(zhì)量等性能要求逐漸增加，中點鉗位型(Neutral Point Clamped，NPC)的三電平拓撲逆變器已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，典型的三電平拓撲有二極管型NPC(NPC1)、Conergy NPC(NPC2)、有源NPC(ANPC)，如下圖所示。

相對于傳統(tǒng)的兩電平逆變器，三電平逆變器有以下優(yōu)點：

1. 輸出波形的諧波成分少：三電平逆變器相對兩電平逆變器，增加了一個零電平通路，相電壓可輸出三個電平，即+Vdc/2、0、-Vdc/2，根據(jù)下圖可以看到三電平逆變器輸出的電壓波形更加接近正弦波，具有更低的THD。
   

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2. 損耗減小，開關(guān)頻率提升，系統(tǒng)成本降低：如NPC1拓撲中開關(guān)器件的電壓可減小為原來的一半，器件開關(guān)損耗大幅降低，因此可提高開關(guān)頻率減小輸出濾波器的體積和成本，如果在功率等級不變的情況下，可通過提高母線電壓減小輸出端的電流，減少輸出線纜的成本。

3. 器件可靠性提升：在同樣電壓等級的系統(tǒng)中，三電平拓撲中器件承受的阻斷電壓降低，器件的可靠性得以提升。

4. 改善電磁干擾EMI：由于開關(guān)過程中器件的dv/dt大幅降低，系統(tǒng)電磁干擾得到改善。

當然三電平拓撲也存在一些劣勢，例如器件成本增加、控制算法復(fù)雜度提升、損耗分布不均衡和中點電位波動等問題，但由于三電平拓撲的獨特優(yōu)勢，在光伏、儲能、UPS、APF等眾多場合得以廣泛使用，下面就常見的三電平拓撲進行介紹。

NPC1

1.1. 電流路徑

上圖中藍綠色線條為導(dǎo)通電流路徑，紫色線條為對應(yīng)的零電平換流路徑，功率因數(shù)為+1對應(yīng)①和②兩種模態(tài)，功率因數(shù)為-1對應(yīng)③和④兩種模態(tài)；

1.2. 損耗分布

以F3L225R12W3H3器件(NPC1)在100kW PCS的仿真為例，仿真條件為Vdc=1000V，Vac=380V，F(xiàn)sw=16kHz，F(xiàn)out=50Hz，在逆變工況時，NPC1的損耗主要集中在T1/T4管，包括導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗；T2/T3為常開狀態(tài)，損耗主要為導(dǎo)通損耗；D5/D6在換流時導(dǎo)通，其損耗包括導(dǎo)通損耗和反向恢復(fù)損耗。

在整流工況下，損耗主要集中在D1/D4管和T2/T3管，D1/D4存在導(dǎo)通損耗和反向恢復(fù)損耗，T2/T3在換流時產(chǎn)生導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗，而D2/D3和D5/D6僅存在導(dǎo)通損耗。

NPC2

在NPC2拓撲中，用一對共射極或共集電極的IGBT和反并聯(lián)二極管代替NPC1二極管鉗位的功能，減少了兩個二極管器件，其中T1/T4管承受全母線電壓，T2/T3管承受半母線電壓。

2.1. 電流路徑

NPC2的工作模態(tài)和NPC1類似，在逆變工況下，正半周期時，T2保持常開狀態(tài)，T1和D3換流；負半周期時，T3保持常開狀態(tài)，T4和D2換流。在整流工況下，正半周期時，T2仍保持常開狀態(tài)，由D1換流至T3/D2；負半周期時，由D4換流至T2/D3。

2.2. 損耗分布

以F3L500R12W3H7器件(NPC2)在100kW PCS的仿真為例，仿真條件為Vdc=1000V，Vac=380V，F(xiàn)sw=16kHz，F(xiàn)out=50Hz，在NPC2拓撲中T1/T4為高壓器件，開關(guān)損耗較大些，但由于電流路徑上的開關(guān)器件數(shù)量減少，導(dǎo)通損耗更小，因此NPC2拓撲在中低開關(guān)頻率的系統(tǒng)中效率更優(yōu)。而NPC1拓撲中電流路徑上的器件數(shù)量增加，會產(chǎn)生更大的導(dǎo)通損耗，但每個器件只承受半母線電壓，開關(guān)損耗大幅降低，因此在高頻時更有優(yōu)勢。

以Irms=150A，Vdc=730V，PF=1，M=1的工況為例進行仿真，使用相同電流等級，不同耐壓的模塊組成兩電平、NPC1和NPC2拓撲，各拓撲產(chǎn)生的總損耗隨開關(guān)頻率變化的曲線如上圖所示，可以看到兩電平拓撲僅在低頻時總損耗較小，NPC1和NPC2拓撲的總損耗在16kHz時存在交叉點，交叉點前NPC2拓撲整體損耗低于NPC1拓撲，效率更優(yōu)，在交叉點后NPC1拓撲的總損耗的上升速率低于NPC2拓撲，高頻下NPC1拓撲的效率更優(yōu)，值得注意的是交叉點的頻率也隨應(yīng)用工況和具體器件特性不同而略有差異。

ANPC

將NPC1中的鉗位二極管更換為IGBT和反并聯(lián)二極管就形成了ANPC拓撲，其拓展了兩條零電平換流路徑，通過對零電平換流路徑的選擇和控制可以實現(xiàn)更均衡的損耗分布和更小的換流回路雜感。

3.1. 電流路徑

ANPC在每個模態(tài)時的零電平換流有多條路徑可供選擇，根據(jù)調(diào)制算法的不同分為ANPC-1和ANPC-2以及ANPC-1-00等，三種調(diào)制算法的狀態(tài)表如下所示。

可以看出在ANPC-1中，采用短換流回路進行換流，T2和T3以輸出電壓基波分量的頻率進行開關(guān)動作，其余均以開關(guān)頻率進行開關(guān)動作(表中以深灰色標記)。

在ANPC-2中，采用長換流回路進行換流，T2和T3以開關(guān)頻率進行開關(guān)動作，其余均以輸出電壓基波分量的頻率進行開關(guān)動作。

ANPC-1-00是在ANPC-1的基礎(chǔ)上增加了‘0’狀態(tài)，此時0+和0-充當P至0和N至0轉(zhuǎn)換時的中間切換態(tài)，ANPC-1-00調(diào)制算法通過兩條并聯(lián)的換流路徑減小了零電平時的導(dǎo)通損耗，以上不同的調(diào)制算法會產(chǎn)生不同的損耗分布。

本文主要和大家討論了三電平逆變器拓撲的優(yōu)勢、常見三電平拓撲的換流路徑、損耗分布，后續(xù)會針對三電平的雙脈沖測試、阻斷態(tài)均壓問題、調(diào)制策略等內(nèi)容和大家討論，敬請期待。

（作者：Hou Henry，來源：英飛凌工業(yè)半導(dǎo)體）