NPC和ANPC三電平逆變器拓撲基本工作原理，更低的開關(guān)損耗
三電平逆變器是儲能系統(tǒng)或者光儲系統(tǒng)的基本工作拓撲，在這些應(yīng)用中應(yīng)用廣泛，本文主要從基本工作原理及器件選型上進行討論。
關(guān)控制在交流側(cè)產(chǎn)生三電平相電壓，經(jīng)過濾波電路之后得到正弦波。
一.NPC和ANPC的拓撲概要分析
上圖1中描述了NPC的拓撲，這個是一個多電平拓撲，這個拓撲中所有開關(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)損耗也相對較低，所以在NPC拓撲中，對于800V-1000V的總線電壓，可以使用650V-700V等級的器件，相比1200V器件可以達到更低的開關(guān)損耗。
NPC拓撲的輸出電流紋波較小，這會優(yōu)化輸出濾波電感的大小，用較小的電感維持相應(yīng)的THD, 拓撲不僅可以產(chǎn)生較小畸變的輸出電壓，同時可以最小化開關(guān)器件的dv/dt電壓應(yīng)力，從而減小EMI.
這個拓撲提供了功率的雙向傳輸，當開關(guān)頻率高于50kHz時是更好的選擇，因為其低的開關(guān)損耗和較高的效率。雖然控制上比較復(fù)雜，但是此拓撲改善了功率密度和效率等特性。作為一個雙向DC/AC拓撲，它非常適合儲能逆變器及光儲系統(tǒng)中的逆變部分。
除了上述優(yōu)勢之外，其缺點也顯而易見，比如開關(guān)器件較多，同時對應(yīng)的門級驅(qū)動器也較多。由于使用了功率二極管，所以其熱分布不均勻，熱管理也是一個挑戰(zhàn)。
相對于NPC拓撲而言，如上圖2所示，ANPC逆變器是一個NPC逆變器的改善版本，NPC拓撲中的二極管在這個拓撲中變?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拓撲的其余部分和NPC基本一致，后面我們會以ANPC拓撲為例，簡述其基本工作原理。
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撲架構(gòu)簡圖，為了更進一步的簡化分析，我們分離出單獨的一相電路，如下圖4所示。另外兩相電路的運行原理類似，此處不詳細分析。
總體而言，每一相有6個開關(guān)器件，其中Q1,Q5,Q2在正半周期內(nèi)為閉合狀態(tài)，Q4,Q6,Q3在電路負半周期為閉合狀態(tài)。Q2,Q3為慢速開關(guān)，在每一個正弦半周期內(nèi)，將電感連接到Q1,Q5,或者Q4,Q6的高頻開關(guān)對，每一個快速開關(guān)對，在工作的半個周期內(nèi)以同步降壓模式運行。
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在整個半周期內(nèi)保持開啟狀態(tài)，Q1主開關(guān)閉合時，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的中點連接到中性點，二者平均分配電壓。
Q1, Q6在正負半周期之間的死區(qū)時間內(nèi)關(guān)閉，電感流過Q5,Q2續(xù)流, 連續(xù)模式下，Q5為同步二級管，電感器節(jié)點連接到中性點。在此狀態(tài)下，續(xù)流時Q3, Q4只承受一半的總線電壓，因此無需保持Q6接通實現(xiàn)電壓平衡。
負半周期工作情況如圖6所示。類似于正半周期，在負半周期內(nèi)工作時，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)點連接到中性點。
以上就是ANPC的單獨一相在整個周期的工作情況。
三.ANPC拓撲的開關(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。
其中由于拓撲運行需要，Q2和Q3為慢速開關(guān)，運行在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，同一時刻有兩個開關(guān)器件導(dǎo)通(包含一個快管和一個慢管)，所以對于導(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。
對于開關(guān)損耗而言，Q1,Q4為控制的主開關(guān)對應(yīng)于每一個半周期，因此會出現(xiàn)開關(guān)損耗。Q5,Q6為續(xù)流同步開關(guān)，因此會有零電壓開關(guān)狀態(tài)，在死區(qū)時間內(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)，以上簡要分析NPC及ANPC拓撲的基本工作原理。