一种高频集中的三电平ANPC逆变器发波方法及设计

史兴领

摘 要：傳统的三电平有源中点钳位（ANPC）逆变器，利用冗余的两种零电平电流路径，可实现开关损耗的均布。由于各开关管都存在高频动作，若系统朝着更高频化的方向发展，则所有开关管都需要选用开关速度快的管子，来降低开关损耗，但系统的成本也将提升。本文选取特定的零电平路径，可将高频动作集中到ANPC每相拓扑中的其中两个管子，其余开关管都为工频动作，如此，只需将高频动作的管子选取为开关速度更快的器件即可，有效降低了系统的成本。

关键词：三电平 ANPC 电流路径

1 引言

三电平逆变器的电压应力低，输出谐波少，适于中高压场合下应用。其中，三电平二极管中点钳位（NPC）逆变器结构简单，应用最为广泛[1]，但NPC拓扑的零电平路径单一，内外管开关损耗分布不均[2]，加剧了管子老化程度的差异。

三电平ANPC逆变器使用两个有源开关器件替换NPC拓扑中的钳位二极管，使得零电平路径可自由选择[3]。基于该思想，文献[4]提出一种控制策略，通过采集开关管温度作为反馈，并选择相应的零电平回路，降低温度高的开关管的损耗，间接实现损耗的均布。文献[5]采用类似单极倍频发波的方法，在一个载波周期内同时使用两种零电平路径，实现内外管的开关损耗自均布，实时性较好。不管采用何种分配损耗的策略，传统的ANPC发波方式，所有开关管都存在高频动作，而当系统朝着更高频化的方向发展时，开关器件IGBT难以适应[6]，开关损耗会大大提高，因此，需考虑使用开关速度更快的MOSFET或SiC MOSFET，降低开关损耗，但系统成本也将相应提高。

本文在传统ANPC发波的基础上提出一种高频集中的发波方法，利用特定零电平路径将高频动作集中到ANPC每相拓扑中的其中两个管子，其余开关管都为工频动作，即仅在调制波正负换向的时候动作。在开关管选型时，只有参与高频动作的两个管子需要选用开关速度更快的MOSFET或SiC MOSFET，其余各管仍可采用成本较低的IGBT，这将有利于系统成本的降低。实验部分根据高频集中发波的特点，进行开关管的选取并设计了一台7.5KW三电平ANPC样机，验证了所提方法的有效性。

2 高频集中的三电平ANPC发波方法

与传统的三电平ANPC发波方法相比，当采取特定的零电平电流路径时，高频动作将集中到每相的两个管子，其余开关管均为工频动作，这种高频集中的发波方法，如图1和图2所示。

图1中，a相调制波ma>0，仅Va2、Va3存在高频动作，以单位功率因数并网运行为例，开关损耗情况如下：Ga1、Ga6一直为0，Ga4、Ga5一直为1;t1时刻，Ga2由0变为1，Ga3由1变为0，Va2承受关断损耗，Va3二极管承受开通损耗;t2时刻，Ga2由1变为0，Ga3由0变为1，Va2承受开通损耗，Va3二极管承受反向恢复损耗。图2中，a相调制波ma<0，高频动作管仍为Va2、Va3，开关损耗情况如下：Ga1、Ga6一直为1，Ga4、Ga5一直为0;t1时刻，Ga2由0变为1，Ga3由1变为0，Va2二极管承受开通损耗，Va3承受关断损耗;t2时刻，Ga2由1变为0，Ga3由0变为1，Va2二极管承受反向恢复损耗，Va3承受开通损耗。综上，Va1、Va4、Va5、Va6只在调制波正负切换的时候动作，为工频动作;Va2、Va3始终为高频动作，开关损耗也集中在这两个管子处。其他相的情况与之相似，这里不再叙述。

3 实验验证

为验证本文发波方法的有效性，设计一台7.5KW三电平ANPC逆变器样机。每相仅Vk2、Vk3（k=a、b、c）高频动作，其余管均为工频动作，因此可将Vk2、Vk3选为开关速度快，开关损耗小的SiC MOSFET，其余各管选为成本较低的IGBT。

另外，在将高频动作管选为SiC MOSFET的基础上，系统的开关频率可进一步提升，本文选取为50KHz。为进一步降低滤波电感的感值和体积，并网滤波器采取LCL结构，见图3。

以单位功率因数逆变运行为例，图3为采用高频集中的发波方法的相关实验波形。其中，蓝色波形uao为a相逆变器侧输出电压，在一个工频周期内呈现三电平的特点，与传统发波方式波形一致;绿色波形ia为网侧a相电流，正弦度良好，高频含量较低，无谐振发生，证明样机的相关参数设计较为合理;紫色波形ea为a相电网电压，ia与ea相位基本一致，实现了单位功率因数逆变运行。b、c相的实验波形与之相似，这里不再叙述。

4 结语

本文以三电平ANPC逆变器为对象，提出一种高频集中的发波方法，采取特定的零电平路径，使参与高频动作的开关管位置集中，在更高频化的应用场合有利于降低系统成本。本文设计了一台7.5KW样机，并通过实验验证了所提方法的有效性。

参考文献：

[1]赵起问，李俊杰，姜建国. 三电平NPC逆变器改进虚拟空间矢量调制策略[J]. 电力电子技术，2018，52（12）：75-78.

[2]於静.低开关频率有源中点钳位三电平整流器控制策略研究[D].徐州：中国矿业大学，2017.

[3]马大俊. 三电平ANPC逆变器中点电压和损耗分布平衡的研究[D]. 合肥：安徽大学，2017.

[4]张文娟，张志刚.基于SPWM的三电平ANPC逆变器损耗平衡控制方法[J].电力电子技术，2016，50（9）：4-6.

[5]张兴.新能源发电变流技术[M]. 机械工业出版社，2018.

[6]梁宝明，李丹，张颖辉. 提高IGBT并联型逆变器工作频率的一种方法[J]. 船电技术，2012，32（6）：62-64.