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。

关控制在交流侧产生三电平相电压，经过滤波电路之后得到正弦波。

一.NPC和ANPC的拓扑概要分析

图1 NPC中性点箝位逆变器

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额定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对较低，所以在NPC拓扑中，对于800V-1000V的总线电压，可以使用650V-700V等级的器件，相比1200V器件可以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, 拓扑不仅可以产生较小畸变的输出电压，同时可以最小化开关器件的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。虽然控制上比较复杂，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，它非常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。

图2 ANPC有源中性点箝位逆变器

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，使得系统可以得到更一致的损耗分布，使得热管理更容易，开关的导通电压可以减小，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。

二.ANPC三电平逆变器的基本工作原理

图3 ANPC的三相逆变器拓扑架构图

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。

图4 ANPC的单相逆变器桥臂

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。

图5 ANPC正半周期工作的状态分析

接下来，我们分析一下电路在正半周期内的工作情况。

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只承受一半的总线电压，因此无需保持Q6接通实现电压平衡。

图6 ANPC负半周期工作的状态分析

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，Q3一直保持开启。

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。

以上就是ANPC的单独一相在整个周期的工作情况。

三．ANPC拓扑的开关应力和损耗情况分析

根据上述原理分析，主功率器件只需要一半的总线电压的应力，所以1000V的直流总线电压下，可以使用650V-700V的功率器件。

其中由于拓扑运行需要，Q2和Q3为慢速开关，运行在100Hz工频，所以可以选择普通的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，所以选择宽禁带器件，可以提升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，需要根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以忽略。Q2,Q3的开关频率非常低，仅仅作为半周期的常通开关，所以其开关损耗可以忽略。

总结，以上简要分析NPC及ANPC拓扑的基本工作原理。

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