本节以 DNPC 拓扑为参照,对TNPC拓扑展开对比分析如下:

4.1 器件数量与指标不同
TNPC与DNPC相比,单桥臂功率器件数量更少,TNPC仅需4个IGBT,每个IGBT配套一个续流二极管。DNPC则是同样需要4个IGBT以及各自的续流二极管,此外还有2个钳位二极管。DNPC所需器件数量更多。
然而,TNPC的两个开关管(S1、S4)需承受整个直流电压,高承压一方面对该器件的额定电压指标要求更高,另一方面带来了更高的导通损耗和开关损耗。从而S1和S4的开关损耗与导通损耗会远远高于S2/S3,器件发热差距明显,不利于散热。
相对的,DNPC所有IGBT都只需要承受直流电压的一半。然而,由于器件参数的离散可能会导致出串联器件分压不均,存在瞬时过压的风险。因此,一1200V的IGBT的应用场景为例,工程上常选用2个650V的IGBT串联使用,预留电压裕量。
基于这两种拓扑器件分压的特性,需根据IGBT的装配形式选型:若采用集成多管功率模块,由于内部芯片的特性一致性更高,串联均压效果浩,可优先选用DNPC。而若采用分立单管搭建主回路,器件参数离散度更高,串联均压难度高,更适合选用TNPC拓扑,规避串联不均压带来的器件损坏风险。
4.2 封波时序
无论是ANPC还是DNPC,两者对封波时序都有要求,即先断外管,再断内管。而TNPC对封波时序要求不高,同时封波并不会造成功率器件的损坏。因此,对于故障的响应也能更快一下。
由于一般情况下,DSP的内部PWM模块只能配置成周期死区,无法实现在故障瞬间分时封波延时。因此,在DNPC架构下,工程上多使用CPLD硬件逻辑捕获故障信息,实现分时封波时序。而TNPC则可直接利用DSP自带的PWM模块即可实现封波逻辑,无需额外配置CPLD。
这使得相较于DNPC,TNPC在成本上还是有一定优势的。
4.3 驱动电源
DNPC拓扑每相各有4个功率开关,且其驱动电位各不相同,因此DNPC的单桥臂需要四个隔离电源,三相则共需12个隔离电源。
相对而言,DNPC拓扑的两个横管(S2/ S3)是共发射极的,因此可共用同一驱动电源。因此DNPC的单桥臂只需要三个隔离电源,三相则共需9个隔离驱动电源。
同时,TNPC的两只横管并不会在同一时间内高频斩波,因此无需对驱动电源的容量进行扩容。
4.4 换流通道
在TNPC拓扑结构中,内外管之间的换流通道唯一,其换流通道的长度是固定的。而DNPC则存在长短两种换流通路,尤其是SVG等应用工况下,长短两种换流通道会在一个工频周期内交替出现。
因此,针对DNPC的双脉冲试验,仅靠一种工况的测试波形时无法完整覆盖两类换流路径的,因此测试流程更为繁琐。
4.5 Si/SiC混合
在T型三电平电路中,由于S1、S4的电压应力为整个直流母线电压,使得S1、S4上的开关损耗远大于S2、S3。因此,若S1、S4采用SiC MOSFET,能够有效降低开关损耗。同时,由于SiC体二极管的反向恢复损耗极小,因此,二极管的反向恢复损耗也得到了明显的降低。