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          三電平電路原理及常見的電路拓撲分析

          作者: 時間:2024-01-15 來源:英飛凌 收藏

          隨著對逆變器的功率密度、效率、輸出波形質(zhì)量等性能要求逐漸增加,中點鉗位型(Neutral Point Clamped,NPC)的三電平拓撲逆變器已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用,典型的三電平拓撲有二極管型NPC(NPC1)、Conergy NPC(NPC2)、有源NPC(ANPC),如下圖所示。

          本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/202401/454809.htm


          三電平電路原理及常見的電路拓撲分析



          相對于傳統(tǒng)的兩電平逆變器,三電平逆變器有以下優(yōu)點:


          1. 輸出波形的諧波成分少:三電平逆變器相對兩電平逆變器,增加了一個零電平通路,相電壓可輸出三個電平,即+Vdc/2、0、-Vdc/2,根據(jù)下圖可以看到三電平逆變器輸出的電壓波形更加接近正弦波,具有更低的THD。



          三電平電路原理及常見的電路拓撲分析


          2. 損耗減小,開關(guān)頻率提升,系統(tǒng)成本降低:如NPC1拓撲中開關(guān)器件的電壓可減小為原來的一半,器件開關(guān)損耗大幅降低,因此可提高開關(guān)頻率減小輸出濾波器的體積和成本,如果在功率等級不變的情況下,可通過提高母線電壓減小輸出端的電流,減少輸出線纜的成本。


          3. 器件可靠性提升:在同樣電壓等級的系統(tǒng)中,三電平拓撲中器件承受的阻斷電壓降低,器件的可靠性得以提升。


          4. 改善電磁干擾EMI:由于開關(guān)過程中器件的dv/dt大幅降低,系統(tǒng)電磁干擾得到改善。


          當(dāng)然三電平拓撲也存在一些劣勢,例如器件成本增加、控制算法復(fù)雜度提升、損耗分布不均衡和中點電位波動等問題,但由于三電平拓撲的獨特優(yōu)勢,在光伏、儲能、UPS、APF等眾多場合得以廣泛使用,下面就常見的三電平拓撲進行介紹。


          NPC1


          1.1. 電流路徑



          三電平電路原理及常見的電路拓撲分析



          三電平電路原理及常見的電路拓撲分析


          上圖中藍綠色線條為導(dǎo)通電流路徑,紫色線條為對應(yīng)的零電平換流路徑,功率因數(shù)為+1對應(yīng)①和②兩種模態(tài),功率因數(shù)為-1對應(yīng)③和④兩種模態(tài);


          1.2. 損耗分布



          三電平電路原理及常見的電路拓撲分析


          以F3L225R12W3H3器件(NPC1)在100kW PCS的仿真為例,仿真條件為Vdc=1000V,Vac=380V,F(xiàn)sw=16kHz,F(xiàn)out=50Hz,在逆變工況時,NPC1的損耗主要集中在T1/T4管,包括導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗;T2/T3為常開狀態(tài),損耗主要為導(dǎo)通損耗;D5/D6在換流時導(dǎo)通,其損耗包括導(dǎo)通損耗和反向恢復(fù)損耗。


          在整流工況下,損耗主要集中在D1/D4管和T2/T3管,D1/D4存在導(dǎo)通損耗和反向恢復(fù)損耗,T2/T3在換流時產(chǎn)生導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗,而D2/D3和D5/D6僅存在導(dǎo)通損耗。


          NPC2


          在NPC2拓撲中,用一對共射極或共集電極的IGBT和反并聯(lián)二極管代替NPC1二極管鉗位的功能,減少了兩個二極管器件,其中T1/T4管承受全母線電壓,T2/T3管承受半母線電壓。


          2.1. 電流路徑


          三電平電路原理及常見的電路拓撲分析


          三電平電路原理及常見的電路拓撲分析


          NPC2的工作模態(tài)和NPC1類似,在逆變工況下,正半周期時,T2保持常開狀態(tài),T1和D3換流;負半周期時,T3保持常開狀態(tài),T4和D2換流。在整流工況下,正半周期時,T2仍保持常開狀態(tài),由D1換流至T3/D2;負半周期時,由D4換流至T2/D3。


          2.2. 損耗分布



          三電平電路原理及常見的電路拓撲分析


          以F3L500R12W3H7器件(NPC2)在100kW PCS的仿真為例,仿真條件為Vdc=1000V,Vac=380V,F(xiàn)sw=16kHz,F(xiàn)out=50Hz,在NPC2拓撲中T1/T4為高壓器件,開關(guān)損耗較大些,但由于電流路徑上的開關(guān)器件數(shù)量減少,導(dǎo)通損耗更小,因此NPC2拓撲在中低開關(guān)頻率的系統(tǒng)中效率更優(yōu)。而NPC1拓撲中電流路徑上的器件數(shù)量增加,會產(chǎn)生更大的導(dǎo)通損耗,但每個器件只承受半母線電壓,開關(guān)損耗大幅降低,因此在高頻時更有優(yōu)勢。



          三電平電路原理及常見的電路拓撲分析


          以Irms=150A,Vdc=730V,PF=1,M=1的工況為例進行仿真,使用相同電流等級,不同耐壓的模塊組成兩電平、NPC1和NPC2拓撲,各拓撲產(chǎn)生的總損耗隨開關(guān)頻率變化的曲線如上圖所示,可以看到兩電平拓撲僅在低頻時總損耗較小,NPC1和NPC2拓撲的總損耗在16kHz時存在交叉點,交叉點前NPC2拓撲整體損耗低于NPC1拓撲,效率更優(yōu),在交叉點后NPC1拓撲的總損耗的上升速率低于NPC2拓撲,高頻下NPC1拓撲的效率更優(yōu),值得注意的是交叉點的頻率也隨應(yīng)用工況和具體器件特性不同而略有差異。


          ANPC


          將NPC1中的鉗位二極管更換為IGBT和反并聯(lián)二極管就形成了ANPC拓撲,其拓展了兩條零電平換流路徑,通過對零電平換流路徑的選擇和控制可以實現(xiàn)更均衡的損耗分布和更小的換流回路雜感。


          3.1. 電流路徑


          三電平電路原理及常見的電路拓撲分析


          三電平電路原理及常見的電路拓撲分析


          ANPC在每個模態(tài)時的零電平換流有多條路徑可供選擇,根據(jù)調(diào)制算法的不同分為ANPC-1和ANPC-2以及ANPC-1-00等,三種調(diào)制算法的狀態(tài)表如下所示。



          三電平電路原理及常見的電路拓撲分析


          可以看出在ANPC-1中,采用短換流回路進行換流,T2和T3以輸出電壓基波分量的頻率進行開關(guān)動作,其余均以開關(guān)頻率進行開關(guān)動作(表中以深灰色標記)。



          三電平電路原理及常見的電路拓撲分析


          在ANPC-2中,采用長換流回路進行換流,T2和T3以開關(guān)頻率進行開關(guān)動作,其余均以輸出電壓基波分量的頻率進行開關(guān)動作。



          三電平電路原理及常見的電路拓撲分析


          ANPC-1-00是在ANPC-1的基礎(chǔ)上增加了‘0’狀態(tài),此時0+和0-充當(dāng)P至0和N至0轉(zhuǎn)換時的中間切換態(tài),ANPC-1-00調(diào)制算法通過兩條并聯(lián)的換流路徑減小了零電平時的導(dǎo)通損耗,以上不同的調(diào)制算法會產(chǎn)生不同的損耗分布。


          本文主要和大家討論了三電平逆變器拓撲的優(yōu)勢、常見三電平拓撲的換流路徑、損耗分布,后續(xù)會針對三電平的雙脈沖測試、阻斷態(tài)均壓問題、調(diào)制策略等內(nèi)容和大家討論,敬請期待。

          (作者:Hou Henry,來源:工業(yè)半導(dǎo)體)



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