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(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)損耗的均布。由于各開(kāi)關(guān)管都存在高頻動(dòng)作，若系統(tǒng)朝著更高頻化的方向發(fā)展，則所有開(kāi)關(guān)管都需要選用開(kāi)關(guān)速度快的管子，來(lái)降低開(kāi)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(dòng)作集中到ANPC每相拓?fù)渲械钠渲袃蓚€(gè)管子，其余開(kāi)關(guān)管都為工頻動(dòng)作，如此，只需將高頻動(dòng)作的管子選取為開(kāi)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(chǎng)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(jiǎn)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(kāi)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(gè)有源開(kāi)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(guò)采集開(kāi)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(kāi)關(guān)管的損耗，間接實(shí)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(gè)載波周期內(nèi)同時(shí)使用兩種零電平路徑，實(shí)現(xiàn)內(nèi)外管的開(kāi)關(guān)損耗自均布，實(shí)時(shí)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(kāi)關(guān)管都存在高頻動(dòng)作，而當(dāng)系統(tǒng)朝著更高頻化的方向發(fā)展時(shí)，開(kāi)關(guān)器件IGBT難以適應(yīng)[6]，開(kāi)關(guān)損耗會(huì)大大提高，因此，需考慮使用開(kāi)關(guān)速度更快的MOSFET或SiC MOSFET，降低開(kāi)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(dòng)作集中到ANPC每相拓?fù)渲械钠渲袃蓚€(gè)管子，其余開(kāi)關(guān)管都為工頻動(dòng)作，即僅在調(diào)制波正負(fù)換向的時(shí)候動(dòng)作。在開(kāi)關(guān)管選型時(shí)，只有參與高頻動(dòng)作的兩個(gè)管子需要選用開(kāi)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(shí)驗(yàn)部分根據(jù)高頻集中發(fā)波的特點(diǎn)，進(jìn)行開(kāi)關(guān)管的選取并設(shè)計(jì)了一臺(tái)7.5KW三電平ANPC樣機(jī)，驗(yàn)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(shí)，高頻動(dòng)作將集中到每相的兩個(gè)管子，其余開(kāi)關(guān)管均為工頻動(dòng)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(dòng)作，以單位功率因數(shù)并網(wǎng)運(yùn)行為例，開(kāi)關(guān)損耗情況如下：Ga1、Ga6一直為0，Ga4、Ga5一直為1;t1時(shí)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(kāi)通損耗;t2時(shí)刻，Ga2由1變?yōu)?，Ga3由0變?yōu)?，Va2承受開(kāi)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(dòng)作管仍為Va2、Va3，開(kāi)關(guān)損耗情況如下：Ga1、Ga6一直為1，Ga4、Ga5一直為0;t1時(shí)刻，Ga2由0變?yōu)?，Ga3由1變?yōu)?，Va2二極管承受開(kāi)通損耗，Va3承受關(guān)斷損耗;t2時(shí)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(kāi)通損耗。綜上，Va1、Va4、Va5、Va6只在調(diào)制波正負(fù)切換的時(shí)候動(dòng)作，為工頻動(dòng)作;Va2、Va3始終為高頻動(dòng)作，開(kāi)關(guān)損耗也集中在這兩個(gè)管子處。其他相的情況與之相似，這里不再敘述。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證本文發(fā)波方法的有效性，設(shè)計(jì)一臺(tái)7.5KW三電平ANPC逆變器樣機(jī)。每相僅Vk2、Vk3（k=a、b、c）高頻動(dòng)作，其余管均為工頻動(dòng)作，因此可將Vk2、Vk3選為開(kāi)關(guān)速度快，開(kāi)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(dòng)作管選為SiC MOSFET的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)的開(kāi)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(jiàn)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(shí)驗(yàn)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(gè)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(wú)諧振發(fā)生，證明樣機(jī)的相關(guān)參數(shù)設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)了單位功率因數(shù)逆變運(yùn)行。b、c相的實(shí)驗(yàn)波形與之相似，這里不再敘述。

4 結(jié)語(yǔ)

本文以三電平ANPC逆變器為對(duì)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(dòng)作的開(kāi)關(guān)管位置集中，在更高頻化的應(yīng)用場(chǎng)合有利于降低系統(tǒng)成本。本文設(shè)計(jì)了一臺(tái)7.5KW樣機(jī)，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了所提方法的有效性。

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