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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?fù)洌谶@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(jìn)行討論。
所謂的三電平是指逆變器的交流輸出端電壓相對于輸入直流電壓有三個電平，即正端1/2Vdc,負(fù)端-1/2Vdc,0三種電平電壓，輸入端直流側(cè)有兩個電容串聯(lián)，用以支撐并均衡直流側(cè)總線電壓，通過開關(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?fù)涓乓治?/span>
圖1 NPC中性點箝位逆變器
上圖1中描述了NPC的拓?fù)洌@個是一個多電平拓?fù)洌@個拓?fù)渲兴虚_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?fù)渲校瑢τ?/span>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(dá)到更低的開關(guān)損耗。
NPC拓?fù)涞妮敵鲭娏骷y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?fù)洳粌H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?fù)涮峁┝斯β实碾p向傳輸，當(dāng)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?fù)涓纳屏斯β拭芏群托实忍匦浴Ｗ鳛橐粋€雙向DC/AC拓?fù)洌浅＿m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)。
圖2 ANPC有源中性點箝位逆變器
相對于NPC拓?fù)涠裕缟蠄D2所示，ANPC逆變器是一個NPC逆變器的改善版本，NPC拓?fù)渲械亩O管在這個拓?fù)渲凶優(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?fù)涞钠溆嗖糠趾?/span>NPC基本一致，后面我們會以ANPC拓?fù)錇槔喪銎浠竟ぷ髟怼?/span>
二.ANPC三電平逆變器的基本工作原理
圖3 ANPC的三相逆變器拓?fù)浼軜?gòu)圖
上述圖3為ANPC三電平三相逆變器的拓?fù)浼軜?gòu)簡圖，為了更進(jìn)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(xì)分析。
圖4 ANPC的單相逆變器橋臂
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(fù)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。
圖5 ANPC正半周期工作的狀態(tài)分析
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(fù)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。
圖6 ANPC負(fù)半周期工作的狀態(tài)分析
負(fù)半周期工作情況如圖6所示。類似于正半周期，在負(fù)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?fù)涞拈_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?fù)溥\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?fù)涞幕竟ぷ髟怼?/span>
參考文獻(xiàn)：
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基于GaN的11kW雙向三相ANPC參考設(shè)計
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Power Topology Consideration for Solar String Inverters and Energy Storage Systems