三电平ANPC变换器PWM调制策略及损耗分析

许 骁

（安徽理工大学，安徽淮南232001）

三电平ANPC变换器PWM调制策略及损耗分析

许 骁

（安徽理工大学，安徽淮南232001）

文章通过对三电平ANPC变换器拓扑结构及工作原理的分析，得出了其在状态切换时的两种换流方式，交替使用不同的换流方式可以使三电平ANPC变换器具有较好的功率器件损耗平衡能力，从而克服了传统三电平NPC开关损耗不均匀的缺点。根据所采用的换流方式不同给出了三种PWM脉冲生成方式，并通过Matlab仿真验证了各种PWM调制策略的正确性以及其功率器件损耗平衡能力。

三电平ANPC；PWM脉宽调制；损耗平衡

多电平变换技术由于其产生的电能质量高、较高的电压容量、较好的电磁兼容和较低的开关损耗等优点，无论是在科研领域还是电力工业应用方面都获得了极大地关注。为了实现更好的性能，在将近三十年的发展历程中，许多多电平变换技术相继提出，比如多级转换的开发技术、多电平中点箝位型（NPC）变换技术以及飞跨电容型多电平变换器结构。其中中点电压箝位型变换器已被广泛应用于大功率工业场合，显示出了较强的优势，其商业价值已被市场所证实。近年来，围绕中点箝位三电平变换器研制和性能提升的报道层出不穷，使三电平NPC变换器的性能逐步走向完善。但是NPC三电平变换器在运行过程中功率器件的损耗不平衡，部分器件损耗过大，发热严重。这在很大程度上限制了三电平变换器的容量和功率器件开关频率的提升。

针对三电平NPC变换器的上述缺点，德国学者T.Bruckner于21世纪初首次提出了有源箝位（ANPC）三电平变换器拓扑结构。其采用开关器件取代了传统NPC拓扑中的箝位二极管，从而产生了冗余零电压状态输出。在换流过程中通过合理使用冗余的零电压状态可实现功率器件的损耗平衡。根据这一原理，也出现了多种损耗控制方法，譬如结温计算反馈控制等，本文主要旨在通过对三电平ANPC变换器进行合理的PWM调制来实现功率器件损耗的相对平衡，并与三电平NPC下的损耗分布作比较。

1.三电平ANPC变换器工作原理

三电平ANPC拓扑结构如图1所示。和NPC三电平拓扑相比，ANPC拓扑采用IGBT模块代替了原有的箝位二极管。

图1 三电平ANPC变换器主电路拓扑

1.1 开关状态

与传统的三电平NPC变换器相比较，有源箝位型变换器具有更多的开关状态来实现相电压的零电平输出。其开关状态如表1所示。

在三电平NPC变换器中，零状态时的电流通路由相电流的方向决定，且开关管Tx2和Tx3在零状态时一直处于开通状态。而在三电平ANPC中，只要开通开关管Tx5和Tx2，不论相电流是何种方向，其电流通路总为上通路，同理，只要开通开关管Tx6和Tx3，其相电流通路总为下通路而不管电流是何种方向。而如果导通了上通路，开关管Tx4可以开通也可以关断，同理，当导通了下通路时，Tx1可以开通，也可以关断。即对应于OL2，OL1，OU1和OU2四种零状态。

表1 三电平ANPC开关状态表

当输出为P状态时，为了保证开关管Tx3和Tx4上分得的电压相同，应开通Tx6，同样，当输出为N时，Tx5应该导通。这样就可以省去内部开关上的平衡电阻。在零状态下的导通损耗可以通过选择不同的通路来控制。而输出P和N状态下的导通损耗不会受到影响。

1.2 状态转换及损耗分析

由上文分析可知，与零状态，和之间的转换决定了开关损耗的分布。而且所有的转换都在一个有源开关和一个二极管上进行。即使有多个开关动作，也只有一个有源开关和一个二极管存在基本的开关损耗。在转换过程中其它开关不会同时具有电压降和电流。

P状态和0状态在负载电流为正时有两种切换方式，方式1是P←→OU1，方式2是P←→OL2。两种切换方式如图2所示。

图2 P和0状态在负载电流为正时的切换方式

在方式1中，T1和T5存在开关切换，既有导通损耗，又有开关损耗，T2只有导通损耗。而在方式2中，T2和T3存在开关切换，既有导通损耗，又有开关损耗，T1和T6只有导通损耗。P状态和0状态在负载电流为负时也有两种切换方式，方式1是P←→OU1，方式2是P←→OL2。两种切换方式如图3所示。

图3 P和0状态在负载电流为负时的切换方式

在方式1中，D1和T5存在开关切换，既有导通损耗，又有开关损耗，D2只有导通损耗。而在方式2中，D2和T3存在开关切换，既有导通损耗，又有开关损耗，D1和D6只有导通损耗。同理，N和0状态之间的切换与之类似。三电平ANPC变换器开关损耗分布如表2所示。

表2 三电平ANPC变换器开关损耗分布

2.PWM调制策略及仿真验证

第一种SPWM调制方式如图4所示，它采用采用换流方式1进行脉宽调制，当参考调制电压为正时，采用P←→OU1换流方式；当参考电压为负时，采用N←→OL1换流方式。开关器件T1、T4、T5、T6以开关频率在动作，而T2、T3以调制电压频率在工作。

图4 PWM调制策略1

对三电平ANPC变换器在PWM调制策略1下进行仿真分析，采用、的阻感性负载，调制度为1，仿真参数如表3所示，后面的仿真条件都与此相同。仿真波形如图5所示。

表3 PWM调制策略仿真电气参数

通过仿真验证了PWM调制策略1的可行性。并且可以直观的看出，开关器件T2在参考电压为正时一直处于导通状态，以调制电压频率工作，而T1和T5在参考电压为正时存在开关切换，以开关频率工作。

图5 PWM调制策略1下的仿真波形

第二种SPWM调制方式如图6所示，它采用换流方式2进行脉宽调制，当参考调制电压为正时，采用P←→OL2换流方式；当参考电压为负时，采用N←→OU2换流方式。开关器件T2、T3以开关频率在动作，而T1、T4、T5、T6以调制电压频率在工作。其仿真结果如图7所示。

图6 PWM调制策略2

图7 PWM调制策略2下的仿真波形

图8 PWM调制策略3

通过仿真验证了PWM调制策略2的可行性。并由波形可以直观的看出T2管工作在开关频率状态，而T1和T5工作在调制电压频率状态。值得注意的是在参考电压为正时T1电流波形有为零的状态，这与T1在参考电压为正时一直导通并不冲突，因为T1电流为0不是由T1关断引起的。

图9 PWM调制策略3下的仿真波形

第三种SPWM调制方式如图8所示，它在一个开关周期内将P状态和N状态分成两半，两边分别采用不同的O状态，使功率器件的损耗比较均匀。在一个周期内大多数开关器件都在工作，也说明了此方法中各功率器件的损耗更加平均。其仿真结果如图9所示。

观察PWM调制策略3下输出电压的波形可以发现，其输出电压的频率是开关频率的两倍，因此PWM调制策略3也被称为自然倍频PWM方法。而开关器件T1、T2、T5都工作在开关频率状态。同样注意T1管的电流波形，与其开关频率并不矛盾。

3.开关损耗比较与分析

为了验证三电平ANPC变换器的损耗平衡能力，分别计算了3L-NPC变换器和3L-ANPC变换器在PWM调制策略3下的各开关损耗，如表4所示。其3L-NPC变换器和3L-ANPC变换器电气参数都如表3所示。用柱状分布图表示如图10所示。

表4 两种变换器的损耗计算

从以上两种变换器的损耗分布比较分析可以看出，ANPC三电平变频器中功率器件的最大损耗明显低于NPC中的最大损耗，且功率器件的损耗分布更加均匀，但总损耗并不会减少。

4.总结

本文首先介绍了三电平ANPC的拓扑结构及工作原理，并着重分析了与0状态之间的两种环流方式，得出了其能实现损耗平衡的可能性。进而介绍了三种PWM调制策略，并通过Matlab仿真得到了验证。尤其是第三种调制策略通过交替使用两种环流方式，从而具有功率器件损耗平衡能力。最后通过计算3L-NPC变换器和3LANPC变换器下的损耗及分布，证明了三电平ANPC在损耗平衡方面的优势。

TM 464

：A

：1671-752X（2013）04-0075-04

2013-10-14

许骁（1994-），男，安徽黄山人，安徽理工大学学生。