干货｜NPC和ANPC三电平逆变器拓扑基本工作原理分析

  三电平逆变器是储能系统或者光储系统的基本工作拓扑，在这些应用中应用广泛，本文主要从基本工作原理及器件选型上进行讨论。

  上图1中描述了NPC的拓扑，这个是一个多电平拓扑，这个拓扑中所有开关都是标称电压设在一半的总线电压，器件的电压应力比较低，因此功率器件开关损耗也相比来说较低，所以在NPC拓扑中，对于800V-1000V的总线V器件能够达到更低的开关损耗。

  NPC拓扑的输出电流纹波较小，这会优化输出滤波电感的大小，用较小的电感维持相应的THD, 拓扑不但可以产生较小畸变的输出电压，同时能最小化开关器件的dv/dt电压应力，从而减小EMI.

  这个拓扑提供了功率的双向传输，当开关频率高于50kHz时是更好的选择，因为其低的开关损耗和较高的效率。虽然控制上很复杂，但是此拓扑改善了功率密度和效率等特性。作为一个双向DC/AC拓扑，它很适合储能逆变器及光储系统中的逆变部分。

  除了上述优势之外，其缺点也显而易见，比如开关器件较多，同时对应的门级驱动器也较多。由于使用了功率二极管，所以其热分布不均匀，热管理也是一个挑战。

  相对于NPC拓扑而言，如上图2所示，ANPC逆变器是一个NPC逆变器的改善版本，NPC拓扑中的二极管在这个拓扑中变为了有源开关。这样的变化，使得系统能得到更一致的损耗分布，使得热管理更容易，开关的导通电压能减小，改善了效率和功率密度。ANPC拓扑的其余部分和NPC基本一致，后面我们会以ANPC拓扑为例，简述其基本工作原理。

  上述图3为ANPC三电平三相逆变器的拓扑架构简图，为了更进一步的简化分析，我们分离出单独的一相电路，如下图4所示。另外两相电路的运行原理类似，此处不详细分析。

  总体而言，每一相有6个开关器件，其中Q1,Q5,Q2在正半周期内为闭合状态，Q4,Q6,Q3在电路负半周期为闭合状态。Q2,Q3为慢速开关，在每一个正弦半周期内，将电感连接到Q1,Q5,或者Q4,Q6的高频开关对，每一个快速开关对，在工作的半个周期内以同步降压模式运行。

  其中，作为慢速开关，工作在100Hz，Q2在整个半周期内保持开启状态，Q1主开关闭合时，电路处于激磁状态，建立从V+总线电压到电感的电流路径。此状态下，由于Q1和Q2都打开，则Q3,Q4承受全部的总线电压，为避免器件之间不均匀，保持Q6开启，Q3和Q4的中点连接到中性点，二者平均分配电压。

  Q1, Q6在正负半周期之间的死区时间内关闭，电感流过Q5,Q2续流, 连续模式下，Q5为同步二级管，电感器节点连接到中性点。在此状态下，续流时Q3, Q4只承受一半的总线接通实现电压平衡。

  负半周期工作情况如图6所示。类似于正半周期，在负半周期内工作时，作为慢管工作在100Hz，Q3从始至终保持开启。

  在导通激磁阶段，Q3,Q4导通，电感器连接到V-,Q5在该状态下开启，以便平衡Q1,Q2之间的电压应力。在主开关Q4关断续流状态下，Q6, Q3维持电感电流，电感器开关节点连接到中性点。

  其中由于拓扑运行需要，Q2和Q3为慢速开关，运行在100Hz工频，所以能选择普通的Si的功率MOSFET即可。而Q1, Q5及Q4,Q6都是运行于高频的功率器件，所以最终选择宽禁带器件，能提高开关频率及功率密度。

  除去平衡电压应力的开关管，同一时刻有两个开关器件导通（包含一个快管和一个慢管），所以对于导通损耗而言，应该要依据相应允许的功耗去选择功率器件Rdson。

  对于开关损耗而言，Q1,Q4为控制的主开关对应于每一个半周期，因此会出现开关损耗。Q5,Q6为续流同步开关，因此会有零电压开关状态，在死区时间内体二极管导通，其存在正向压降和反向恢复损耗，而宽禁带器件的反向恢复损耗可忽略。Q2,Q3的开关频率很低，仅仅作为半周期的常通开关，所以其开关损耗可忽略。