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NPC和ANPC三電平逆變器拓撲基本工作原理,更低的開關(guān)損耗

欄目:電源知識 發(fā)布時間:2023-05-18

  三電平逆變器是儲能系統(tǒng)或者光儲系統(tǒng)的基本工作拓撲,在這些應用中應用廣泛,本文主要從基本工作原理及器件選型上進行討論。

  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的拓撲概要分析

  上圖1中描述了NPC的拓撲,這個是一個多電平拓撲,這個拓撲中所有開關(guān)都是額定電壓設(shè)在一半的總線電壓,器件的電壓應力比較低,因此功率器件開關(guān)損耗也相對較低,所以在NPC拓撲中,對于800V-1000V的總線電壓,可以使用650V-700V等級的器件,相比1200V器件可以達到更低的開關(guān)損耗。



  NPC拓撲的輸出電流紋波較小,這會優(yōu)化輸出濾波電感的大小,用較小的電感維持相應的THD, 拓撲不僅可以產(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電壓應力,從而減小EMI.

  這個拓撲提供了功率的雙向傳輸,當開關(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。雖然控制上比較復雜,但是此拓撲改善了功率密度和效率等特性。作為一個雙向DC/AC拓撲,它非常適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)。

  相對于NPC拓撲而言,如上圖2所示,ANPC逆變器是一個NPC逆變器的改善版本,NPC拓撲中的二極管在這個拓撲中變?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)的導通電壓可以減小,改善了效率和功率密度。ANPC拓撲的其余部分和NPC基本一致,后面我們會以ANPC拓撲為例,簡述其基本工作原理。

  二.ANPC三電平逆變器的基本工作原理

  上述圖3為ANPC三電平三相逆變器的拓撲架構(gòu)簡圖,為了更進一步的簡化分析,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,此處不詳細分析。

  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。

  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。

  負半周期工作情況如圖6所示。類似于正半周期,在負半周期內(nèi)工作時,作為慢管工作在100Hz,Q3一直保持開啟。

  在導通激磁階段,Q3,Q4導通,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拓撲的開關(guān)應力和損耗情況分析

  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。

  其中由于拓撲運行需要,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。

  除去平衡電壓應力的開關(guān)管,同一時刻有兩個開關(guān)器件導通(包含一個快管和一個慢管),所以對于導通損耗而言,需要根據(jù)相應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)體二極管導通,其存在正向壓降和反向恢復損耗,而寬禁帶器件的反向恢復損耗可以忽略。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拓撲的基本工作原理。

  文章來源:NPC和ANPC三電平逆變器拓撲基本工作原理分析