作者：
石祥花 謝少軍
南京航空航天大學自動化學院
本文原文刊登于《南京航空航天大學學報》。
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三電平在1500V光伏，UPS，APF等系統中有廣泛應用。在三個半橋IGBT模塊構成的三電平功率單元中，ANPC等新穎三電平結構可以避免無功換流路徑跨三個模塊的問題，也可以合理分配器件損耗。
文章詳細闡述各種三電平及其調制方式下的開關時序和換流過程分析，給出了三電平中功率開關的損耗計算方法，分析了各種三電平的損耗在各器件中的分布。結論是合理地選取NPC型拓撲及其調制策略，不僅可以改善傳統3L-NPC拓撲內外管損耗不均衡的缺點，而且不影響系統效率。
引言
隨著能源緊缺及環境污染，新能源的利用成為趨勢。其中，光伏發電簡單、經濟、環保，隨著光伏發電技術的發展，其規模不斷增大，因此需要研究高性能大容量的光伏并網逆變器，而高效率是高效能的重要因素之一。追求高效率，通常采用單級式、非隔離的光伏并網逆變器；追求大容量，由于光伏板串聯數目較多，這要求適用于高輸入電壓場合，因此三電平半橋逆變器成為目前的研究熱點。三電平半橋結構主要有以下幾種：二極管箝位式[1]、飛跨電容式[2]、級聯三電平式[3]。其中，二極管箝位式是最早提出的一種三電平變流器拓撲，其耐壓等級高；開關損耗小、效率高；開關動作時dv/dt小，引起的電磁干擾??；輸出電壓波形為三電平，諧波含量少，所需的濾波電感量小，有利于降低系統成本和功率損耗。但是，該拓撲存在內外管損耗不均勻問題，使得變換器散熱設計困難，容量受限，因此在大容量的功率變換器中，不僅要關注高效率，還要考慮損耗分布均衡問題。
基于傳統3L-NPC的缺陷，衍生出一系列NPC型拓撲，如3L-ANPC[4] (3L-Active NPC)、3L-SNPC[5][6](3L-Stacked NPC)及3L-ASNPC[7] (3L-Active Stacked NPC)。文獻[4]對3L-ANPC拓撲所采用的調制策略，可實現并聯零電平續流路徑；文獻[5]對3L-SNPC提出了倍頻SPWM調制策略，使得橋臂輸出電壓實現倍頻，而文獻[6]中又提出了一種新型SPWM調制策略，該策略可實現并聯的零電平續流路徑；文獻[7]對3L-ASNPC提出了倍頻SPWM調制策略等。由于衍生的NPC型拓撲可控器件增多，使得其調制策略多樣化。而文獻[4]、[5]、[6]、[7]僅僅是結合某一種或幾種調制策略對相應的NPC型拓撲進行了分析，沒有全面分析采用不同調制策略時零電平續流路徑的配置方式對變換器損耗分布的影響。
由于NPC型拓撲種類較多，同時具有多種調制策略，有必要對NPC型三電平拓撲及其調制策略進行全面的對比分析，以明晰其特點。本文主要根據對零電平續流路徑進行不同的配置，總結其可行的調制策略，并對各拓撲在不同調制策略下進行損耗分析，比較其損耗分布均衡情況，最后通過實驗進行效率測試，為優化選取NPC的拓撲及其制策略提供參考。
NPC型三電平半橋逆變器調制策略
NPC型三電平半橋拓撲主要有4種形式，如圖1所示，分別為3L-NPC、3L-ANPC、3L-SNPC及3L-ASNPC。3L-NPC拓撲由于可控器件較少，調制策略比較單一。衍生的NPC型拓撲，可控器件增多，使得調制策略多樣化。
圖1 NPC型三電平半橋拓撲
1新型NPC型三電平半橋拓撲特點
以3L-ANPC為例，正向電流續流路徑有P1和P2；負向電流續流路徑有N1和N2，如圖2所示，分別具有2條正負向的續流路徑。類似的，3L-SNPC同樣分別具有2條正負向的續流路徑，3L-ASNPC分別具有3條正負向的續流路徑。由于新型NPC型半橋拓撲零電平續流路徑增多，為調制策略多樣化提供條件。
圖2 3L-ANPC 型三電平半橋拓撲續流路徑
2新型SPWM調制策略
當存在多條零點續流路徑時，可并聯續流，也可交替續流。根據零電平續流路徑配置特點，可以得到4種SPWM調制策略，其特點如表1所示。
表1 4種SPWA調制特點
對應的，圖3給出了3L-ANPC半橋拓撲的4種SPWM調制策略邏輯圖。
圖3 3L-ANPC半橋拓撲4種SPWM調制策略邏輯圖
以3L-ANPC的4種調制策略為例，分析其工作特點，如表2所示。
類似于3L-ANPC的分析，3L-SNPC與3L-ASNPC同樣具有以上4種特點的調制策略。3L-SNPC的4種調制策略與3L-ANPC完全一致，其區別在于，開關管S1c和S3在3L-ANPC拓撲中處于箝位管位置，而在3L-SNPC拓撲中處于中間管位置。由于3L-ASNPC可控器件較多，若采用普通SPWM調制，開關器件利用率過低，因此主要給出以下3種調制策略，如圖4所示。
表2 3L-ANPC在4種SPWM調制下工作特點
圖 4 3L-ASNPC半橋拓撲3種SPWM調制策略邏輯圖
NPC型三電平半橋拓撲損耗分析
新型3L-NPC拓撲種類多樣，又具有多種調制策略，本文以損耗分析為基礎，比較其損耗分布情況。
1損耗計算模型
IGBT損耗計算模型
IGBT的數據手冊中給出的是導通壓降與其導通電流的關系曲線。采用直線擬合方式，可得到其導通壓降的表達式：
則IGBT的導通損耗為：
根據IGBT的數據手冊，可以得到典型狀態下的開關特性各參數值，一般可認為在特定的電壓和電流范圍內有E∝Vcc且E∝Ic，其中E指Eon或Eoff。因此IGBT的開關損耗近似為：
其中，VCE(ton)與VCE(toff)分別指IGBT開通與關斷時刻的耐壓，VCE與IC分別為數據手冊上Eon和Eoff的測試條件。
二極管損耗計算模型
二極管的數據手冊中給出的是正向壓降與其導通電流的曲線。采用直線擬合的方式，可得到其導通壓降的表達式：
則二極管的導通損耗為：
二極管的反向恢復損耗一般表達式為：
其中，Qrr為反向恢復電荷，VR為其所承受的反偏電壓。由于Qrr與If及dif/dt均有關，這里簡單的認為Qrr∝If，則二極管的反向恢復損耗為：
其中，If為數據手冊中Qrr的測試條件。
2NPC型三電平半橋逆變器損耗計算
NPC型三電平半橋逆變器的橋臂輸出電壓等效占空比D與輸出電流瞬時值io表達式為：
其中，Vin為輸入電壓，Vo為輸出電壓有效值，Po為輸出功率。
以3L-ANPC為例，采用PF-SPWM調制策略，在PF=1條件下各器件的電流分配關系如表3所示，其中所有開關器件選用IGBT，二極管選用快恢復二極管。
表3 3L-ANPC在PF-SPWM調制下各器件的電流分配關系
由表3、式(8)和式(9)可得，3L-ANPC在PF-SPWM調制下，各開關器件損耗為：
（1）外管S1/S3c
其中，VCE(ton)=VCE(toff)=Vin/2。
（2）內管S2/S2c
其中，VR=Vin/2。
（3）箝位管S3/S1c
其中，VR=Vin/2。
3NPC型三電平半橋逆變器損耗分布對比
為了確保損耗對比的合理性，本文采用3L-ASNPC拓撲研制了NPC型拓撲的統一實驗平臺，其技術參數如表4所示。在Vin(min)及Vo(min)條件下，分別對各NPC型三電平半橋逆變器在不同調制策略下進行開關器件損耗分布分析。
表4 NPC型三電平半橋逆變器技術參數
傳統3L-NPC開關器件損耗分布于調制比和功率有很大關系，一旦電路容量、調制比及 功率因數確定后，其損耗分布也隨之確定。圖5給出了5kW傳統 3L-NPC在普通SPWM調制下的損耗分布圖，可以看出，3L-NPC的內外管損耗不均衡，隨著調制比、開關頻率及容 量的加大，二者的差距將更加明顯。然而，傳統3L-NPC調制策略單一，損耗分布無法優化，因此在大容量應用場合，其散熱設計比較困難。
圖5 5kW 3L-NPC半橋逆變器各開關器件損耗分布
圖6給出了在不同調制策略下，5kW衍生NPC型三電平半橋逆變器各開關器件損耗分布?？梢钥闯觯?/p>
① 3種衍生的NPC型拓撲在4種調制策略下總損耗基本一致，占總容量的2.265%~2.275%左右；
② 3L-ANPC拓撲的開關器件損耗差異較大；
③ 在PF=1時，3L-SNPC與3L-ASNPC拓撲損耗分布一致，在DF-SPWM及PFDF-SPWM調制策略下，內外管損耗分布較為均衡。
因此，合理地選取NPC型拓撲及其調制策略，不僅可以改善傳統3L-NPC拓撲內外管損耗不均衡的缺點，而且不影響系統效率。
圖6 在不同調制策略下，5kW衍生NPC型三電平半橋逆變器各開關器件損耗分布
另外，當等效開關頻率改變時，由于開關損耗將同比例增長，各NPC型拓撲在不同調制策略下，其開關器件總損耗依然是基本一致的。
【致謝】感謝謝少軍老師為本公眾號供稿！
參考文獻
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