一種高頻集中的三電平ANPC逆變器發(fā)波方法及設(shè)計

史興領(lǐng)

摘 要：傳統(tǒng)的三電平有源中點(diǎn)鉗位（ANPC）逆變器，利用冗余的兩種零電平電流路徑，可實現(xiàn)開關(guān)損耗的均布。由于各開關(guān)管都存在高頻動作，若系統(tǒng)朝著更高頻化的方向發(fā)展，則所有開關(guān)管都需要選用開關(guān)速度快的管子，來降低開關(guān)損耗，但系統(tǒng)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?fù)渲械钠渲袃蓚€管子，其余開關(guān)管都為工頻動作，如此，只需將高頻動作的管子選取為開關(guān)速度更快的器件即可，有效降低了系統(tǒng)的成本。

關(guān)鍵詞：三電平 ANPC 電流路徑

1 引言

三電平逆變器的電壓應(yīng)力低，輸出諧波少，適于中高壓場合下應(yīng)用。其中，三電平二極管中點(diǎn)鉗位（NPC）逆變器結(jié)構(gòu)簡單，應(yīng)用最為廣泛[1]，但NPC拓?fù)涞牧汶娖铰窂絾我?，?nèi)外管開關(guān)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(guān)器件替換NPC拓?fù)渲械你Q位二極管，使得零電平路徑可自由選擇[3]?；谠撍枷?，文獻(xiàn)[4]提出一種控制策略，通過采集開關(guān)管溫度作為反饋，并選擇相應(yīng)的零電平回路，降低溫度高的開關(guān)管的損耗，間接實現(xiàn)損耗的均布。文獻(xiàn)[5]采用類似單極倍頻發(fā)波的方法，在一個載波周期內(nèi)同時使用兩種零電平路徑，實現(xiàn)內(nèi)外管的開關(guān)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(tǒng)的ANPC發(fā)波方式，所有開關(guān)管都存在高頻動作，而當(dāng)系統(tǒng)朝著更高頻化的方向發(fā)展時，開關(guān)器件IGBT難以適應(yīng)[6]，開關(guān)損耗會大大提高，因此，需考慮使用開關(guān)速度更快的MOSFET或SiC MOSFET，降低開關(guān)損耗，但系統(tǒng)成本也將相應(yīng)提高。

本文在傳統(tǒng)ANPC發(fā)波的基礎(chǔ)上提出一種高頻集中的發(fā)波方法，利用特定零電平路徑將高頻動作集中到ANPC每相拓?fù)渲械钠渲袃蓚€管子，其余開關(guān)管都為工頻動作，即僅在調(diào)制波正負(fù)換向的時候動作。在開關(guān)管選型時，只有參與高頻動作的兩個管子需要選用開關(guān)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(tǒng)成本的降低。實驗部分根據(jù)高頻集中發(fā)波的特點(diǎn)，進(jìn)行開關(guān)管的選取并設(shè)計了一臺7.5KW三電平ANPC樣機(jī)，驗證了所提方法的有效性。

2 高頻集中的三電平ANPC發(fā)波方法

與傳統(tǒng)的三電平ANPC發(fā)波方法相比，當(dāng)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(guān)管均為工頻動作，這種高頻集中的發(fā)波方法，如圖1和圖2所示。

圖1中，a相調(diào)制波ma>0，僅Va2、Va3存在高頻動作，以單位功率因數(shù)并網(wǎng)運(yùn)行為例，開關(guān)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?yōu)?，Ga3由1變?yōu)?，Va2承受關(guān)斷損耗，Va3二極管承受開通損耗;t2時刻，Ga2由1變?yōu)?，Ga3由0變?yōu)?，Va2承受開通損耗，Va3二極管承受反向恢復(fù)損耗。圖2中，a相調(diào)制波ma<0，高頻動作管仍為Va2、Va3，開關(guān)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?yōu)?，Ga3由1變?yōu)?，Va2二極管承受開通損耗，Va3承受關(guān)斷損耗;t2時刻，Ga2由1變?yōu)?，Ga3由0變?yōu)?，Va2二極管承受反向恢復(fù)損耗，Va3承受開通損耗。綜上，Va1、Va4、Va5、Va6只在調(diào)制波正負(fù)切換的時候動作，為工頻動作;Va2、Va3始終為高頻動作，開關(guān)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(fā)波方法的有效性，設(shè)計一臺7.5KW三電平ANPC逆變器樣機(jī)。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(guān)速度快，開關(guān)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(chǔ)上，系統(tǒng)的開關(guān)頻率可進(jìn)一步提升，本文選取為50KHz。為進(jìn)一步降低濾波電感的感值和體積，并網(wǎng)濾波器采取LCL結(jié)構(gòu)，見圖3。

以單位功率因數(shù)逆變運(yùn)行為例，圖3為采用高頻集中的發(fā)波方法的相關(guān)實驗波形。其中，藍(lán)色波形uao為a相逆變器側(cè)輸出電壓，在一個工頻周期內(nèi)呈現(xiàn)三電平的特點(diǎn)，與傳統(tǒng)發(fā)波方式波形一致;綠色波形ia為網(wǎng)側(cè)a相電流，正弦度良好，高頻含量較低，無諧振發(fā)生，證明樣機(jī)的相關(guān)參數(shù)設(shè)計較為合理;紫色波形ea為a相電網(wǎng)電壓，ia與ea相位基本一致，實現(xiàn)了單位功率因數(shù)逆變運(yùn)行。b、c相的實驗波形與之相似，這里不再敘述。

4 結(jié)語

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

參考文獻(xiàn)：

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

[2]於靜.低開關(guān)頻率有源中點(diǎn)鉗位三電平整流器控制策略研究[D].徐州：中國礦業(yè)大學(xué)，2017.

[3]馬大俊. 三電平ANPC逆變器中點(diǎn)電壓和損耗分布平衡的研究[D]. 合肥：安徽大學(xué)，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(shù)，2016，50（9）：4-6.

[5]張興.新能源發(fā)電變流技術(shù)[M]. 機(jī)械工業(yè)出版社，2018.

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