一種高頻集中的三電平ANPC逆變器發波方法及設計

史興領

摘 要：傳統的三電平有源中點鉗位（ANPC）逆變器，利用冗余的兩種零電平電流路徑，可實現開關損耗的均布。由于各開關管都存在高頻動作，若系統朝著更高頻化的方向發展，則所有開關管都需要選用開關速度快的管子，來降低開關損耗，但系統的成本也將提升。本文選取特定的零電平路徑，可將高頻動作集中到ANPC每相拓撲中的其中兩個管子，其余開關管都為工頻動作，如此，只需將高頻動作的管子選取為開關速度更快的器件即可，有效降低了系統的成本。

關鍵詞：三電平 ANPC 電流路徑

1 引言

三電平逆變器的電壓應力低，輸出諧波少，適于中高壓場合下應用。其中，三電平二極管中點鉗位（NPC）逆變器結構簡單，應用最為廣泛[1]，但NPC拓撲的零電平路徑單一，內外管開關損耗分布不均[2]，加劇了管子老化程度的差異。

三電平ANPC逆變器使用兩個有源開關器件替換NPC拓撲中的鉗位二極管，使得零電平路徑可自由選擇[3]。基于該思想，文獻[4]提出一種控制策略，通過采集開關管溫度作為反饋，并選擇相應的零電平回路，降低溫度高的開關管的損耗，間接實現損耗的均布。文獻[5]采用類似單極倍頻發波的方法，在一個載波周期內同時使用兩種零電平路徑，實現內外管的開關損耗自均布，實時性較好。不管采用何種分配損耗的策略，傳統的ANPC發波方式，所有開關管都存在高頻動作，而當系統朝著更高頻化的方向發展時，開關器件IGBT難以適應[6]，開關損耗會大大提高，因此，需考慮使用開關速度更快的MOSFET或SiC MOSFET，降低開關損耗，但系統成本也將相應提高。

本文在傳統ANPC發波的基礎上提出一種高頻集中的發波方法，利用特定零電平路徑將高頻動作集中到ANPC每相拓撲中的其中兩個管子，其余開關管都為工頻動作，即僅在調制波正負換向的時候動作。在開關管選型時，只有參與高頻動作的兩個管子需要選用開關速度更快的MOSFET或SiC MOSFET，其余各管仍可采用成本較低的IGBT，這將有利于系統成本的降低。實驗部分根據高頻集中發波的特點，進行開關管的選取并設計了一臺7.5KW三電平ANPC樣機，驗證了所提方法的有效性。

2 高頻集中的三電平ANPC發波方法

與傳統的三電平ANPC發波方法相比，當采取特定的零電平電流路徑時，高頻動作將集中到每相的兩個管子，其余開關管均為工頻動作，這種高頻集中的發波方法，如圖1和圖2所示。

圖1中，a相調制波ma>0，僅Va2、Va3存在高頻動作，以單位功率因數并網運行為例，開關損耗情況如下：Ga1、Ga6一直為0，Ga4、Ga5一直為1;t1時刻，Ga2由0變為1，Ga3由1變為0，Va2承受關斷損耗，Va3二極管承受開通損耗;t2時刻，Ga2由1變為0，Ga3由0變為1，Va2承受開通損耗，Va3二極管承受反向恢復損耗。圖2中，a相調制波ma<0，高頻動作管仍為Va2、Va3，開關損耗情況如下：Ga1、Ga6一直為1，Ga4、Ga5一直為0;t1時刻，Ga2由0變為1，Ga3由1變為0，Va2二極管承受開通損耗，Va3承受關斷損耗;t2時刻，Ga2由1變為0，Ga3由0變為1，Va2二極管承受反向恢復損耗，Va3承受開通損耗。綜上，Va1、Va4、Va5、Va6只在調制波正負切換的時候動作，為工頻動作;Va2、Va3始終為高頻動作，開關損耗也集中在這兩個管子處。其他相的情況與之相似，這里不再敘述。

3 實驗驗證

為驗證本文發波方法的有效性，設計一臺7.5KW三電平ANPC逆變器樣機。每相僅Vk2、Vk3（k=a、b、c）高頻動作，其余管均為工頻動作，因此可將Vk2、Vk3選為開關速度快，開關損耗小的SiC MOSFET，其余各管選為成本較低的IGBT。

另外，在將高頻動作管選為SiC MOSFET的基礎上，系統的開關頻率可進一步提升，本文選取為50KHz。為進一步降低濾波電感的感值和體積，并網濾波器采取LCL結構，見圖3。

以單位功率因數逆變運行為例，圖3為采用高頻集中的發波方法的相關實驗波形。其中，藍色波形uao為a相逆變器側輸出電壓，在一個工頻周期內呈現三電平的特點，與傳統發波方式波形一致;綠色波形ia為網側a相電流，正弦度良好，高頻含量較低，無諧振發生，證明樣機的相關參數設計較為合理;紫色波形ea為a相電網電壓，ia與ea相位基本一致，實現了單位功率因數逆變運行。b、c相的實驗波形與之相似，這里不再敘述。

4 結語

本文以三電平ANPC逆變器為對象，提出一種高頻集中的發波方法，采取特定的零電平路徑，使參與高頻動作的開關管位置集中，在更高頻化的應用場合有利于降低系統成本。本文設計了一臺7.5KW樣機，并通過實驗驗證了所提方法的有效性。

參考文獻：

[1]趙起問，李俊杰，姜建國. 三電平NPC逆變器改進虛擬空間矢量調制策略[J]. 電力電子技術，2018，52（12）：75-78.

[2]於靜.低開關頻率有源中點鉗位三電平整流器控制策略研究[D].徐州：中國礦業大學，2017.

[3]馬大俊. 三電平ANPC逆變器中點電壓和損耗分布平衡的研究[D]. 合肥：安徽大學，2017.

[4]張文娟，張志剛.基于SPWM的三電平ANPC逆變器損耗平衡控制方法[J].電力電子技術，2016，50（9）：4-6.

[5]張興.新能源發電變流技術[M]. 機械工業出版社，2018.

[6]梁寶明，李丹，張穎輝. 提高IGBT并聯型逆變器工作頻率的一種方法[J]. 船電技術，2012，32（6）：62-64.