工业三相整流变换拓扑性能对比（二）：ANPC架构工作原理概述

三、ANPC架构工作原理3.1 换流通道三电平有源中点钳位ANPC是三电平二极管钳位DNPC的衍生拓扑。与DNPC相比 ANPC将DNPC的无源中点钳位二极管替换为可控有源开关从而形成了两条可自由切换的零电平续流回路。通过选择这两条零电平续流回路的自由选择ANPC拓扑较传统DNPC具有一定损耗分配的自由度从而减缓了内管与外管的功耗分布不平衡程度。也可主动选择短换流通道以减小换流回路的寄生电感从而可以选择更高的开关速度以达到降低开关损耗的目的。如下图开关状态输出电压P110001Vdc/2OU10100100OL21010010N001110-Vdc/21当P↔OU1状态切换时S1/S5/S6动作S2全导通导通损耗S1/S5承担着所有开关损耗并有部分导通损耗由于电流不留过S6因此S6没有损耗。2当P↔OL2状态切换时S2/S3动作因此S2/S3承担开关损耗与部分导通损耗同时由于S3导通时电流是流过D3二极管的导通损耗要低于IGBT因此可以认为S3没有导通损耗S1/S6全导通因此S1/S6没有开关损耗仅部分导通损耗。综上两种切换方式的动作开关分别是S1/S4、S2/S3因此开关损耗是基本一致的而两者S1的导通损耗没有变化方式1的内管导通损耗要高于方式2的。因此从本质上说对于内管而言内管增加了部分开关损耗降低了部分导通损耗。至于能否实现功耗的均衡只能说多种零电平特性为功率器件的损耗均衡控制提供了优化空间特别是在开关频率较低时内管功耗的改善效果还是比较明显的。另外上述主要描述的是功率因数为1的情况对于功率因数为0的情况由于电压、电流的相位不同对IGBT的损耗的影响也是不同的。该内容会在后续系列文章详细分析。3.2 封波时序为了保证ANPC拓扑在封波过程中的可靠性通常需要按照先断外管再断内管最后关断钳位管的时序来进行封波操作。当然在具体操作时可根据当前所处的输出电位简化操作即如输入0电平可省去关断外管操作。3.3 S5/S6的作用值得注意的是在输出P电平的时候同步导通S6相同的是在输出N电平的时候同步导通S5。以S6为例说明如下钳位下桥臂S3/S4的中点电位均分电压应力如没有S6则S3/S4靠其内阻均压杂散电容、米勒耦合等小型会产生电位浮动从而导致不均压可能性为 P↔ OL2 长换流提供预准备通路使得在整个动作中只需要做两个动作即可而P↔ OU1短换流中并不流过S6因此在短换流中动作S6对动作逻辑与开关损耗并没有影响。3.4 Si/SiC混合SiC器件的开关频率高、开关损耗小能够显著地提高电力电子装置的性能。然而相对于Si器件 SiC器件的价格相对昂贵。如果将SiC器件与Si器件混合使用构建SiC Si器件混合型多电平电路将必须工作于很高开关频率的器件改成用SiC模块从而能在更低成本下实现与全SiC器件电路相同的性能。开关状态输出电压P1100011O1010010O-0101100N001110-1如上表如果仅使用长换流通道高频动作的开关仅有S2/S3两个管子其余四个开关只需要1个周期内动作2次因此只需要S2/S3两个管子采用SiC而其余四个管子采用Si即可。3.5 其他最后由于在短换流通道时ANPC需要动作三个IGBT因此其死区与双脉冲试验均有需要注意的地方