ANPC拓扑的调制策略特点说明

ANPC(Active Neutral Point Clamped)拓扑即有源中点钳位技术,是基于DNPC型三电平拓扑改进而来。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。正是利用这两个零电平续流回路,ANPC克服了DNCP三电平拓扑损耗不平衡与换流通道不可控的问题。

一、DNPC的换流通道

在DNPC中存在两套不同的换流回路,如上左图,电压与电流同相时的换流通道是短换流,换流只在桥臂的上半区或下半区内部完成,回路面积小,杂散电感低。而如上右图,电压与电流不同相时的换流通道是长换流,此时电流要跨过上、下半桥臂,路径要经过钳位二极管,回路长,杂散电感大,电压尖峰更严重。

因此,整流工况下以长换流通道为主,逆变工况则主要工作在短换流通道;而在 SVG 这类四象限运行的设备中,长短两种换流通道会交替出现。长换流回路杂散电感大,同样的 di/dt 下会产生更大的关断电压尖峰,是硬件设计、Rg 选取、吸收电路设计的重点关注工况。

相较而言,TNPC 拓扑换流通路长度基本固定,ANPC 拓扑还可对换流通道做自定义配置,这也是TNPC、ANPC相较于DNPC的优势之一。

二、ANPC的短换流回路模式

|------|----------|----------|----------|----------|----------|----------|-------|
| 开关状态 | S x1 | S x2 | S x3 | S x4 | S x5 | S x6 | 输出电压 |
| P | 1 | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | Vdc/2 |
| OU1 | 0 | 1 | 0 | 0 | 1 | 0 | 0 |

在ANPC的短换流回路模式,T2、T3仅仅工频动作,以导通损耗为主,几乎无开关损耗,可以选用慢速、低饱和压降的IGBT;T1、T4、T5、T6则必须采用高速器件。

ANPC的短换流回路模式,其高频换流回路路径短,寄生杂散电感低,大电流高 di/dt 工况下,关断电压尖峰小,开关振荡弱,器件瞬态电压应力低,重载、额定工况可靠性高。

三、ANPC的长换流回路模式

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|------|----------------------------------------------------------------------------|----------------------------------------------------------------------------|----------------------------------------------------------------------------|----------------------------------------------------------------------------|----------------------------------------------------------------------------|----------------------------------------------------------------------------|-------|
| 开关状态 | | | | | | | 输出电压 |
| P | 1 | 1 | 0 | 0 | 0 | 1 | Vdc/2 |
| OL2 | 1 | 0 | 1 | 0 | 0 | 1 | 0 |

在ANPC的长换流回路模式,仅有T2和T3是全周期高频切换,剩余位置的芯片均是半周期常通或常关状态,且半周期进行一次切换,产生的损耗基本为导通损耗。

另外在输出正电平T1/T2开通和输出负电平T3/T4开通时,相对应的T5/T6钳位二极管开通可以均衡T3/T4以及T1/T2两端电压,将母线电压均衡分布在两个管子上。

同样根据此调制策略的特点,可以在三电平模块中将T2/T3配置为高频SiC芯片,其余芯片以饱和压降小的芯片为主,以达到高效的目的。

长换流模式尤其固有缺陷:大电流下杂散电感会带来很高关断尖峰与振荡;同样的短换流模式的开关损耗集中在外管,外管温升压力大。因此,两者经常以一种相互补充的方式运行。

一方面,长换流模式的高频开关转移至内侧 T2/T3,开关损耗在内侧器件,能够和短环流模式配合做混合调制,实现各器件损耗、温升均衡,避免部分器件长期热过载,延缓器件老化。

此外,在中小电流工况,di/dt 幅值较低,长回路带来的电压尖峰被抑制,此时可以充分发挥外管慢速器件的效率优势。

四、ANPC的双续流回路模式

除了ANPC的长短两种换流模式之外,通过合理利用零电平续流路径,还可以进一步降低ANPC整体损耗。

例如在ANPC的短换流模式种中将新增零电平路径T6/D3和D2/T5共同作为零电平路径进行换流。例如在正电平和零电平换流时,在T1关闭后,先后打开D5/T2和T6/D3进行零电平续流,此时一个周期内部分芯片半周期高频切换,T5和T6整个周期高频切换,相当于两条路径共同分担零电平时刻通过的电流,并联分流以降低导通损耗。

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