三電平ANPC變換器PWM調制策略及損耗分析

許 驍

（安徽理工大學，安徽淮南232001）

三電平ANPC變換器PWM調制策略及損耗分析

許 驍

（安徽理工大學，安徽淮南232001）

文章通過對三電平ANPC變換器拓撲結構及工作原理的分析，得出了其在狀態(tài)切換時的兩種換流方式，交替使用不同的換流方式可以使三電平ANPC變換器具有較好的功率器件損耗平衡能力，從而克服了傳統(tǒng)三電平NPC開關損耗不均勻的缺點。根據(jù)所采用的換流方式不同給出了三種PWM脈沖生成方式，并通過Matlab仿真驗證了各種PWM調制策略的正確性以及其功率器件損耗平衡能力。

三電平ANPC；PWM脈寬調制；損耗平衡

多電平變換技術由于其產(chǎn)生的電能質量高、較高的電壓容量、較好的電磁兼容和較低的開關損耗等優(yōu)點，無論是在科研領域還是電力工業(yè)應用方面都獲得了極大地關注。為了實現(xiàn)更好的性能，在將近三十年的發(fā)展歷程中，許多多電平變換技術相繼提出，比如多級轉換的開發(fā)技術、多電平中點箝位型（NPC）變換技術以及飛跨電容型多電平變換器結構。其中中點電壓箝位型變換器已被廣泛應用于大功率工業(yè)場合，顯示出了較強的優(yōu)勢，其商業(yè)價值已被市場所證實。近年來，圍繞中點箝位三電平變換器研制和性能提升的報道層出不窮，使三電平NPC變換器的性能逐步走向完善。但是NPC三電平變換器在運行過程中功率器件的損耗不平衡，部分器件損耗過大，發(fā)熱嚴重。這在很大程度上限制了三電平變換器的容量和功率器件開關頻率的提升。

針對三電平NPC變換器的上述缺點，德國學者T.Bruckner于21世紀初首次提出了有源箝位（ANPC）三電平變換器拓撲結構。其采用開關器件取代了傳統(tǒng)NPC拓撲中的箝位二極管，從而產(chǎn)生了冗余零電壓狀態(tài)輸出。在換流過程中通過合理使用冗余的零電壓狀態(tài)可實現(xiàn)功率器件的損耗平衡。根據(jù)這一原理，也出現(xiàn)了多種損耗控制方法，譬如結溫計算反饋控制等，本文主要旨在通過對三電平ANPC變換器進行合理的PWM調制來實現(xiàn)功率器件損耗的相對平衡，并與三電平NPC下的損耗分布作比較。

1.三電平ANPC變換器工作原理

三電平ANPC拓撲結構如圖1所示。和NPC三電平拓撲相比，ANPC拓撲采用IGBT模塊代替了原有的箝位二極管。

圖1 三電平ANPC變換器主電路拓撲

1.1 開關狀態(tài)

與傳統(tǒng)的三電平NPC變換器相比較，有源箝位型變換器具有更多的開關狀態(tài)來實現(xiàn)相電壓的零電平輸出。其開關狀態(tài)如表1所示。

在三電平NPC變換器中，零狀態(tài)時的電流通路由相電流的方向決定，且開關管Tx2和Tx3在零狀態(tài)時一直處于開通狀態(tài)。而在三電平ANPC中，只要開通開關管Tx5和Tx2，不論相電流是何種方向，其電流通路總為上通路，同理，只要開通開關管Tx6和Tx3，其相電流通路總為下通路而不管電流是何種方向。而如果導通了上通路，開關管Tx4可以開通也可以關斷，同理，當導通了下通路時，Tx1可以開通，也可以關斷。即對應于OL2，OL1，OU1和OU2四種零狀態(tài)。

表1 三電平ANPC開關狀態(tài)表

當輸出為P狀態(tài)時，為了保證開關管Tx3和Tx4上分得的電壓相同，應開通Tx6，同樣，當輸出為N時，Tx5應該導通。這樣就可以省去內部開關上的平衡電阻。在零狀態(tài)下的導通損耗可以通過選擇不同的通路來控制。而輸出P和N狀態(tài)下的導通損耗不會受到影響。

1.2 狀態(tài)轉換及損耗分析

由上文分析可知，與零狀態(tài)，和之間的轉換決定了開關損耗的分布。而且所有的轉換都在一個有源開關和一個二極管上進行。即使有多個開關動作，也只有一個有源開關和一個二極管存在基本的開關損耗。在轉換過程中其它開關不會同時具有電壓降和電流。

P狀態(tài)和0狀態(tài)在負載電流為正時有兩種切換方式，方式1是P←→OU1，方式2是P←→OL2。兩種切換方式如圖2所示。

圖2 P和0狀態(tài)在負載電流為正時的切換方式

在方式1中，T1和T5存在開關切換，既有導通損耗，又有開關損耗，T2只有導通損耗。而在方式2中，T2和T3存在開關切換，既有導通損耗，又有開關損耗，T1和T6只有導通損耗。P狀態(tài)和0狀態(tài)在負載電流為負時也有兩種切換方式，方式1是P←→OU1，方式2是P←→OL2。兩種切換方式如圖3所示。

圖3 P和0狀態(tài)在負載電流為負時的切換方式

在方式1中，D1和T5存在開關切換，既有導通損耗，又有開關損耗，D2只有導通損耗。而在方式2中，D2和T3存在開關切換，既有導通損耗，又有開關損耗，D1和D6只有導通損耗。同理，N和0狀態(tài)之間的切換與之類似。三電平ANPC變換器開關損耗分布如表2所示。

表2 三電平ANPC變換器開關損耗分布

2.PWM調制策略及仿真驗證

第一種SPWM調制方式如圖4所示，它采用采用換流方式1進行脈寬調制，當參考調制電壓為正時，采用P←→OU1換流方式；當參考電壓為負時，采用N←→OL1換流方式。開關器件T1、T4、T5、T6以開關頻率在動作，而T2、T3以調制電壓頻率在工作。

圖4 PWM調制策略1

對三電平ANPC變換器在PWM調制策略1下進行仿真分析，采用、的阻感性負載，調制度為1，仿真參數(shù)如表3所示，后面的仿真條件都與此相同。仿真波形如圖5所示。

表3 PWM調制策略仿真電氣參數(shù)

通過仿真驗證了PWM調制策略1的可行性。并且可以直觀的看出，開關器件T2在參考電壓為正時一直處于導通狀態(tài)，以調制電壓頻率工作，而T1和T5在參考電壓為正時存在開關切換，以開關頻率工作。

圖5 PWM調制策略1下的仿真波形

第二種SPWM調制方式如圖6所示，它采用換流方式2進行脈寬調制，當參考調制電壓為正時，采用P←→OL2換流方式；當參考電壓為負時，采用N←→OU2換流方式。開關器件T2、T3以開關頻率在動作，而T1、T4、T5、T6以調制電壓頻率在工作。其仿真結果如圖7所示。

圖6 PWM調制策略2

圖7 PWM調制策略2下的仿真波形

圖8 PWM調制策略3

通過仿真驗證了PWM調制策略2的可行性。并由波形可以直觀的看出T2管工作在開關頻率狀態(tài)，而T1和T5工作在調制電壓頻率狀態(tài)。值得注意的是在參考電壓為正時T1電流波形有為零的狀態(tài)，這與T1在參考電壓為正時一直導通并不沖突，因為T1電流為0不是由T1關斷引起的。

圖9 PWM調制策略3下的仿真波形

第三種SPWM調制方式如圖8所示，它在一個開關周期內將P狀態(tài)和N狀態(tài)分成兩半，兩邊分別采用不同的O狀態(tài)，使功率器件的損耗比較均勻。在一個周期內大多數(shù)開關器件都在工作，也說明了此方法中各功率器件的損耗更加平均。其仿真結果如圖9所示。

觀察PWM調制策略3下輸出電壓的波形可以發(fā)現(xiàn)，其輸出電壓的頻率是開關頻率的兩倍，因此PWM調制策略3也被稱為自然倍頻PWM方法。而開關器件T1、T2、T5都工作在開關頻率狀態(tài)。同樣注意T1管的電流波形，與其開關頻率并不矛盾。

3.開關損耗比較與分析

為了驗證三電平ANPC變換器的損耗平衡能力，分別計算了3L-NPC變換器和3L-ANPC變換器在PWM調制策略3下的各開關損耗，如表4所示。其3L-NPC變換器和3L-ANPC變換器電氣參數(shù)都如表3所示。用柱狀分布圖表示如圖10所示。

表4 兩種變換器的損耗計算

從以上兩種變換器的損耗分布比較分析可以看出，ANPC三電平變頻器中功率器件的最大損耗明顯低于NPC中的最大損耗，且功率器件的損耗分布更加均勻，但總損耗并不會減少。

4.總結

本文首先介紹了三電平ANPC的拓撲結構及工作原理，并著重分析了與0狀態(tài)之間的兩種環(huán)流方式，得出了其能實現(xiàn)損耗平衡的可能性。進而介紹了三種PWM調制策略，并通過Matlab仿真得到了驗證。尤其是第三種調制策略通過交替使用兩種環(huán)流方式，從而具有功率器件損耗平衡能力。最后通過計算3L-NPC變換器和3LANPC變換器下的損耗及分布，證明了三電平ANPC在損耗平衡方面的優(yōu)勢。

TM 464

：A

：1671-752X（2013）04-0075-04

2013-10-14

許驍（1994-），男，安徽黃山人，安徽理工大學學生。