NPC三电平逆变器拓扑结构详解

NPC三电平逆变器拓扑自从20世纪80年代初提出以来，得到了很大的发展，并在拓扑结构上出现了多个分支，主要包括：I型NPC三电平拓扑、有源NPC（ANPC）三电平拓扑和T型NPC三电平拓扑，其各单相拓扑结构如图4-74所示。当然，三电平逆变器除了NPC拓扑结构外，还包括飞跨电容式拓扑结构和级联式拓扑结构，这些结构在光伏并网逆变器设计中的应用较为少见，这里不予介绍。以下简要介绍I型NPC三电平拓扑、有源NPC（ANPC）三电平拓扑和T型NPC三电平拓扑的基本工作原理。

图4-74 常见的NPC三电平拓扑

a）Ⅰ型NPC三电平拓扑 b）ANPC三电平拓扑 c）T型NPC三电平拓扑

1.I型NPC三电平拓扑

I型NPC三电平拓扑的基本工作原理为：当处于正半周期时，在有源供电状态下，VI₁、VI₂同时导通，在续流状态下VI₂、VI₃同时导通；当处于负半周期时，在有源供电状态下，VI₃、VI₄同时导通，在续流状态下VI₂、VI₃同时导通。I型NPC三电平拓扑的开关管VI₂和VI₃不承担开关损耗，而开关管VI₁和VI₄承担了几乎所有的开关损耗。因此，在开关频率较高时，即使通态损耗的差异不大，VI₂、VI₃与VI₁、VI₄的总功率损耗也会出现明显的不平衡。I型NPC三电平拓扑的损耗分布不平衡，开关管的发热不均衡，使得散热系统优化设计比较困难，影响了系统的稳定性和可靠性。

2.ANPC三电平拓扑

为了解决I型NPC三电平拓扑功率损耗分布不均的问题，参考文献[42]提出一种ANPC三电平拓扑，如图4-74所示。与I型NPC三电平拓扑相比，ANPC三电平拓扑增加了两个可控开关管，获得了更多的零续流状态，有效提高了系统的控制自由度，使得开关管的功率损耗更加均匀。以正半周期为例分析ANPC三电平拓扑的基本工作原理：此时存在两种正向续流状态，从续流状态1向有源状态换流时，VI₁、VI₆导通，VI₅关断，VI₁承担开通损耗；从有源状态向续流状态2换流时，VI₃导通，VI₂关断，VI₂承担关断损耗，在续流状态2下，电流通过VI₃、VI₆续流；从续流状态2向有源状态换流时，VI₂导通、VI₃关断，VI₂承担开通损耗；最后，从有源状态向续流状态1换流，VI₅导通，VI₁、VI₆关断，VI₁承担关断损耗，在续流状态1下，电流通过VI₂、VI₅续流。由上述一个开关周期的换流过程可以看出，内管和外管各自承担了一半的开关损耗。不过ANPC三电平拓扑比I型NPC三电平拓扑多出2个全控开关管，增加了系统的体积和成本；另外ANPC三电平拓扑的开关状态比较多，控制较为复杂。

3.T型NPC三电平拓扑(www.xing528.com)

T型NPC三电平拓扑是一种改进型的NPC结构，使用两个串联的背靠背IGBT来实现双向开关，从而将输出钳位至直流侧中性点，其基本工作原理为：当处于正半周期时，在有源状态下开关管VI₁导通，在续流状态下开关管VI₂和VI₃同时导通；当处于负半周期时，在有源状态下开关管VI₄导通，在续流状态下开关管VI₂和VI₃同时导通。T型NPC三电平拓扑的优势在于^[43-45]：

1）仅采用4个IGBT和4个二极管，不仅少于ANPC三电平拓扑（采用了6个IGBT和6个二极管），而且少于I型NPC三电平拓扑（采用了4个IGBT和6个二极管）。

2）续流状态的通态损耗由开关管VI₂和VI₃承担，而同时开关损耗全部由开关管VI₁和VI₄承担，上下桥臂的功率损耗相对均衡。

图4-75 三种NPC三电平拓扑的效率对比

3）开关状态与I型NPC三电平拓扑类似，适用于I型NPC三电平拓扑的调制策略，均可应用到T型NPC三电平拓扑中。

4）图4-75所示为三种NPC三电平拓扑结构在相同工况下的效率对比，可以看出，T型NPC三电平拓扑具有最高的效率。

综上所述，可以看出，T型NPC三电平拓扑的能量转换效率最高，硬件成本最低，而且功率损耗比较均匀，调制策略简单易行；不过T型NPC三电平拓扑的耐压等级只有I型NPC和ANPC三电平拓扑的一半，不适合电压等级高的并网场合。由于光伏并网逆变器系统一般属于低压系统，因此T型NPC三电平拓扑在中小功率等级的光伏逆变器中已成为主要的拓扑结构。