ANPC拓撲調制策略特點及損耗分析 (上)
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ANPC（Active Neutral Point Clamped）拓撲即有源中點鉗位技術，是基于NPC型三電平拓撲改進而來，最早提出是用來克服NPC三電平拓撲損耗分布不均勻和中點電位問題。從結構上看，ANPC是將NPC1的鉗位二極管替換為IGBT與二極管反并聯鉗位的結構，與NPC1一樣可以實現三電平輸出以降低諧波，且器件耐壓和NPC1相同。通過增加兩個IGBT，新增兩條零電平換流路徑，有益于改善損耗分布，具有更多的控制策略。ANPC拓撲目前廣泛應用在風電變流器，光伏發電，電池儲能等領域。
三相NPC1逆變器
三相ANPC逆變器
圖1 NPC1和ANPC的拓撲對比
以下我們從換流路徑，調制策略和芯片損耗分布等方面進行介紹，結合仿真以分析ANPC在實際案例中的損耗情況以及對于半導體器件的要求。
換流路徑
由于ANPC拓撲拓展了兩條新的零電平電流路徑，可以通過采用不同的調制策略優化各個管子損耗分布以提升效率，NPC1的零電平路徑如下圖2，分別為D5→T2(0+)和T3→D6(0-)。ANPC額外增加了兩條新的路徑，分別為T6→D3(0+)和 D2→T5(0-),其他正電平和負電平電流路徑未發生變化。
圖2 NPC1和ANPC的零電平換流路徑
基于新增的換流路徑，定義電流流出橋臂為正，以電壓電流分為四個象限進行分析：
V＞0，I＞0，T1→T2可換流到T6→D3或D5→T2
V＜0，I＜0，T3→T4可換流到T3→D6或D2→T5
V＞0，I＜0，D1→D2可換流到D2→T5或T3→D6
V＜0，I＞0，D3→D4可換流到T6→D3或D5→T2
ANPC調制策略
通過選擇不同的電流路徑對應不同的調制策略，較常見的調制策略有ANPC-PWM1,ANPC-PWM2以及零電平雙續流調制策略ANPC-PWM100等。
ANPC-PWM1
圖3 ANPC-PWM1調制策略
圖3為ANPC-PWM1的換流路徑和各位置芯片的驅動波形，以正半周換流為例進行分析，當處于逆變狀態時(V＞0，I＞0)從正電平輸出切換至零電平時，有兩個電流路徑可供選擇，當選擇以D5/T2為換流路徑，即保持T2開通狀態不變，T1此時和T5進行互補開通構成正半周的不同電平換流，此時T3/T4/T6均為關閉狀態；
當處于整流狀態時(V＞0，I＜0)，正電平至零電平的切換路徑為D1/D2至D2/T5，仍然是T1與T5進行互補開通。負半軸的兩個象限的換流路徑同理，常通器件為T3，T4與T6進行換流。
圖4 ANPC-PWM1調制策略對芯片面積的需求
這種調制策略和NPC1換流路徑類似，通常稱為ANPC-PWM1調制方式，主要特點是:
1. 換流路徑最小，尖峰電壓可以得到更好的抑制。
2. T1/T4, T5/T6均是半周期高頻切換；T2/T3則是常通或常閉，半周期進行一次切換，產生的損耗為大多為導通損耗。ANPC-PWM1,T2/T3只有導通損耗，適用于對無功輸出能力要求高的場景，例如SVG和高低壓穿越的場景。
功率器件廠家會結合ANPC-PWM1的調制策略,針對各個位置的器件開通特性進行組合，英飛凌具有廣泛的芯片類型和開發經驗，可以使用高速芯片作為需要高頻開關T1/T4/T5/T6，使用低飽和壓降的芯片用來做低頻開關T2/T3，通過最適配的芯片組合，進一步提升模塊的效率。
ANPC-PWM2
圖5 ANPC-PWM2調制策略
圖5為ANPC-PWM2的換流路徑和各個芯片的驅動波形，同樣以正半周換流為例進行分析，當處于逆變狀態時(V＞0，I＞0)，當從正電平輸出切換至零電平時，此時選擇以T6/D3為換流通路，在正半周時T1和T6時刻保持常通，此時需關閉T2且開通T3，T1此時和T6/D3構成正半周的不同電平換流，此時T4/T5均為關閉狀態；
當處于整流狀態時(V＞0，I＜0)，正電平至零電平的切換路徑為D1/D2至T3/D6，仍然是T2與T3進行互補開通。負半軸的兩個象限的換流路徑同理，常通管切換為T4和T5，T4與D2/T5進行換流。
圖6 ANPC-PWM2調制策略對芯片面積的需求
這種調制策略和APNC-PWM1呈現不同特點，稱為ANPC-PWM2調制方式，特點是:
1. 換流路徑較大，相較于ANPC1-PWM1會增加較大的換流回路雜感，IGBT關斷尖峰電壓需要重點進行關注。
2. 在ANPC-PWM2中，僅有T2和T3是全周期高頻切換，剩余位置的芯片均是半周期常通或常關狀態，且半周期進行一次切換，產生的損耗基本為導通損耗。
另外在輸出正電平T1/T2開通和輸出負電平T3/T4開通時，相對應的T5/T6鉗位二極管開通可以均衡T3/T4以及T1/T2兩端電壓，將母線電壓均衡分布在兩個管子上。
同樣根據此調制策略的特點，可以在三電平模塊中將T2/T3配置為高頻SiC芯片，其余芯片以飽和壓降小的芯片為主，以達到高效的目的。
ANPC-PWM100
圖7 ANPC-PWM100調制策略
除了ANPC-PWM1和ANPC-PWM2調制策略外，通過合理利用零電平續流路徑，可以進一步降低ANPC整體損耗。
例如在ANPC-PWM1中將新增零電平路徑T6/D3和D2/T5共同作為零電平路徑進行換流。例如在正電平和零電平換流時，在T1關閉后，先后打開D5/T2和T6/D3進行零電平續流，此時一個周期內部分芯片半周期高頻切換，T5和T6整個周期高頻切換，相當于兩條路徑共同分擔零電平時刻通過的電流，并聯分流以降低導通損耗。
通過合理的切換冗余零電壓狀態即可調節開關器件的損耗分布，從而可以針對性的提高逆變器的容量和器件的開關頻率。另外，雙續流ANPC調制的損耗改善效果和逆變器實際運行時的調制系數以及功率因數相關，不同的工作模式下結果不同，后續會通過仿真分析ANPC不同的調制模式下的損耗分布情況。
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