关注新能源——光伏并网系统的两种三电平拓扑
发布时间：2019-08-28
来源：罗姆半导体社区 (https://rohm.eefocus.com)
标签：光伏系统逆变器太阳能新能源
分享到：
两种拓扑的基本介绍
在工业领域中，我们经常接触到两电平逆变部分的电路拓扑，例如工业变频器、伺服驱动器和不间断电源等。然而，在光伏、风电和中高压变频器等领域，三电平电路拓扑相对较为普遍，尽管仍然存在着使用两电平拓扑的情况。下面我们将先介绍这两种三电平电路拓扑的基本原理。
首先，我们将介绍NPC1三电平电路，也被称为I型三电平电路。该逆变拓扑结构如下所示：
NPC1三电平电路拓扑
可以清楚地看到，每个相位都采用了这种拓扑结构，形状很像字母"I"。目前，许多半导体厂商提供了相应的NPC1模块，同时在设计过程中也可以使用三个两电平模块来搭建三电平逆变器。
第二种三电平拓扑是NPC2，也称为T型三电平电路。逆变拓扑结构如下所示：
NPC2三电平电路拓扑
同样可以看到，每个相位的拓扑结构也非常形象，类似字母"T"的形状。接下来，我们将通过所需功率半导体数量和驱动电源数量来比较这两种拓扑结构的差异。
①所需功率器件数量
根据上述图示，NPC1拓扑结构中每个相位需要4个IGBT和6个二极管，因此三相总共需要12个IGBT和18个二极管；而NPC2拓扑结构中每个相位需要4个IGBT和4个二极管，所以三相总共需要12个IGBT和12个二极管。相比于NPC1，NPC2减少了每相桥臂的2个钳位二极管，从而略微降低了成本，在不增加控制难度的前提下。
②所需的驱动电源数量
为了实现对IGBT的良好开关控制，驱动电路必须具备两个功能：一是实现控制电路与被驱动IGBT之间的隔离；二是提供适当的门极驱动脉冲。
NPC1三电平拓扑结构中，12个IGBT需要12个驱动电路。为了防止上、下桥臂之间通过开关电源短路，每个桥臂的IGBT驱动电路需要使用相互隔离的直流电源供电，并将驱动电源地与该IGBT的发射极相连。另外，下桥臂的T4、T8和T12共享一个发射极，因此这三个IGBT只需要一路驱动电源。因此，NPC1三电平拓扑至少需要10个相互隔离的驱动电源。
NPC2三电平拓扑结构中，每个相位的桥臂由两个内部管共享集电极串联并连接到中点。由于T2和T1共享发射极，可以共用一路驱动电源；T3、T7和T11的发射极通过中点连接，也可以共用一路驱动电源；T4、T8和T12共享发射极，同样可以共用一路驱动电源。因此，NPC2三电平拓扑只需要5个相互隔离的驱动电源。从数量上来看，NPC2所需的驱动电源比NPC1少，从而减小了损耗和体积。
换流过程和损耗分析
下图显示了三电平逆变器的电压和电流波形：
为了方便分析，我们以A相作为例进行讨论。V0表示输出电压的基波分量。在稳态时，三电平逆变器的P、0、N分别对应A点的电压为：+Vdc/2、0、-Vdc/2；负载电流IA根据逆变器注入负载的方向，为正或为负。
当输出功率因数不等于1时，我们假设在感性负载情况下电流滞后电压θ角。为了分析，我们将一个调制周期内的输出电压和电流根据过零点的情况分为四个区域。在这里，我们只分析正向调制电压周期(V0＞0)且负载电流IA＜0的工作模式，其他工作模式也是类似的。
为便于分析，假定V0＞0且IA＜0，并以0到P状态和P到0状态为例，分析其中开关损耗的换流过程。
NPC1拓扑的换流过程
①从0到P状态
下图展示了NPC1拓扑在从0到P状态的换流过程：
换流之前 换流时刻 换流之后
换流之前：在t0时刻之前，T3处于导通状态，T1处于关断状态，此时电流IA通过T3和D14流向电容器中点0，电路中的IA＜0，VA=0；
换流时刻：在t0到t1时间段内，T3关断且T1尚未导通，由于感性负载作用，电流直接通过D2和D1流入P点；
换流之后：在t1到t2时间段内，T3关断且T1导通，电流IA经过D2和D1流入P点，输出电压被二极管D2和D1钳位到正母线电压，此时电路中的IA＜0，VA=Vdc/2。
在这个过程中，负载电流在T3、D14和D2、D1之间进行换流。相对应的开关损耗分别为Loss_T3、Loss_D14、Loss_D2、Loss_D1。
②从P到0状态
下图呈现了NPC1拓扑在从P到0状态的换流过程：
换流之前 换流时刻 换流之后
换流之前：在t1到t2时间段内，T1导通且T3关断，此时电流IA通过D2和D1流入P点，电路中的IA＜0，VA=Vdc/2；
换流时刻：在t2到t3时间段内，T1关断且T3尚未导通，电流仍然通过D2和D1流入P点；
换流之后：在t3到t4时间段内，T1关断且T3导通，电流IA经过T3和D14流入电容器中点0，此时电路中的IA＜0，VA=0。
在这个过程中，负载电流在D2、D1和T3、D14之间进行换流。相对应的开关损耗分别为Loss_D2、Loss_D1、Loss_T3、Loss_D14。
NPC2拓扑的换流过程
①从0到P状态
下图展示了NPC2拓扑在从0到P状态的换流过程：
换流之前 换流时刻 换流之后
换流之前：在t0时刻之前，T3处于导通状态，T1处于关断状态，此时电流IA经过D2和T3流入电容器中点0，电路中的IA＜0，VA=0；
换流时刻：在t0到t1时间段内，T3关断且T1尚未导通，电流直接通过D1流入P点；
换流之后：在t1到t2和t3到t4时间段内，T3关断且T1导通，电流IA经过D1流入P点，此时电路中的IA＜0，VA=Vdc/2。
在这个过程中，负载电流在T3、D2和D1之间进行换流。相对应的开关损耗分别为Loss_T3、Loss_D2、Loss_D1。
②从P到0状态
下图展示了NPC2拓扑在从P到0状态的换流过程：
换流之前 换流时刻 换流之后
换流之前：在t1到t2时间段内，T1导通且T3关断，此时电流IA经过D1流入电容器中点P，电路中的IA＜0，VA=Vdc/2；
换流时刻：在t2到t3时间段内，T1关断且T3尚未导通，电流仍然通过D1流向P点；
换流之后：在t3到t4时间段内，T1关断且T3导通，电流IA经过D2和T3流入电容器中点0，此时电路中的IA＜0，VA=0。
在这个过程中，负载电流在D2和D1、T3之间进行换流。相对应的开关损耗分别为Loss_D2、Loss_D1、Loss_T3。
从上面的过程我们可以观察到，在V0＞0且IA＜0的情况下，无论是从0到P状态还是从P到0状态，NPC2拓扑都会比NPC1拓扑少一个二极管的开关损耗。类似地，当V0＞0且IA＞0时也是如此。
电压应力和损耗分析
NPC1三电平的电压应力和损耗分析
下图展示了NPC1拓扑在V0＞0且IA＜0时各个开关所承受的电压应力：
图中以VA=Vdc/2作为基准，其他电压应力按比例显示，VA和IA表示A相输出的电压和电流。
㈠ 在t0时刻之前
T3导通，T1、T2、T4关断，电流通过T3和D14流向中点0，此时VA=0，即处于0状态；T1、T2、D1、D2、D13承受的电压均为Vdc/4，T4、D4承受的电压为Vdc/2，由于T3、D14导通，所以不承受电压应力，D3也不承受。
㈡ 在t0~t1、t1~t2、t2~t3和t4~t5时间段
其中t0~t1时间段，T1、T2、T3、T4均处于关断状态；t1~t2时间段，T1、T2同时导通；t2~t3时间段，T2导通，T1关断且T3尚未导通；t4~t5时间段，T3关断T2导通。在这四个时间段内，电流都通过D2和D1流向P点，输出电压被二极管钳位到正母线电压，此时VA=Vdc/2，即处于P状态。
㈢ 在t3~t4时间段
T2和T3导通，T2导通但没有电流通过，电流经过T3和D14流入中点0，此时VA=0，即处于0状态。
在NPC1拓扑中，当V0＞0且IA＜0时，T1的导通时间较长，并且开关状态频繁切换，导致功率损耗最大；而T2始终处于导通状态，只有导通损耗。类似地，对其他情况进行分析后可以得出：两个外观开关T1和T4几乎承担了所有的开关损耗。因此在开关频率较高时，这两个外部开关的总损耗会很大，导致T1和T4芯片的结温较高。
NPC2三电平的电压应力和损耗分析
下图展示了NPC2拓扑在V0＞0且IA＜0时各个开关所承受的电压应力：
与NPC1类似，我们将其分为三个状态：
㈠ t0时刻之前和t3~t4时间段；㈡ t0~t1时间段；㈢ t1~t2、t2~t3、t4~t5时间段。
这里就不再赘述，每个状态下的电压应力见下表：
对于NPC2拓扑，在V0＞0且IA＜0时，开关状态由T1承担，续流状态由D2和T3承担。其他情况也可以类似推导。可以得出：上桥臂和下桥臂之间的总损耗相对均衡，热量分布也较为平衡，有利于系统的稳定运行。此外，在有源供电状态下，只有一个开关(T1或T4)处于导通状态，从而使导通损耗较低，总体损耗更低、效率更高。
以上就是关于光伏系统逆变器两种不同拓扑的讨论内容。希望今天的内容对大家有所帮助，谢谢！
继续阅读
关注新能源——光伏并网系统的两种三电平拓扑
在工业领域中，我们经常接触到两电平逆变部分的电路拓扑，例如工业变频器、伺服驱动器和不间断电源等。然而，在光伏、风电和中高压变频器等领域，三电平电路拓扑相对较为普遍，尽管仍然存在着使用两电平拓扑的情况。下面我们将先介绍这两种三电平电路拓扑的基本原理。
ROHM电机控制和一体化分立器件解决方案
逆变器的控制技术与电机的发展一起在不断进步。从当初的异步电动机开始，到后来的永磁同步电机在家电方面得到应用，直到现在以磁阻电机为代表的内置式永磁同步电机在室内空调、冰箱、洗衣机等白色家电中成为主力电机，为节能做出了巨大贡献。想要提升节能效率，单靠电机是无法实现的，还需要与驱动相适应的矢量控制和使用了低功耗元器件的逆变器。
罗姆荣获纬湃科技2022年度最佳供应商奖
全球知名半导体制造商ROHM Co., Ltd.（以下简称“罗姆”）荣获全球先进驱动技术和电动化解决方案大型制造商Vitesco Technologies GmbH （以下简称“纬湃科技”）颁发的“2022年度最佳供应商奖”中的“合作伙伴关系（Partnering）”奖项。
新能源汽车续航能力与电池安全管理初探：为可持续出行保驾护航
随着环境保护意识的增强和汽车行业的不断发展，新能源汽车逐渐成为人们关注的焦点。然而，新能源汽车的续航能力和电池安全管理一直是人们关注的问题。本文将初探新能源汽车续航能力与电池安全管理的重要性，并探讨相关的解决方案。
一种用以提高SiC牵引逆变器的效率的逆变器
牵引逆变器是电动汽车 (EV) 中消耗电池电量的主要零部件，功率级别可达 150kW 或更高。牵引逆变器的效率和性能直接影响电动汽车单次充电后的行驶里程。因此，为了构建下一代牵引逆变器系统，业界广泛采用碳化硅 (SiC) 场效应晶体管 (FET) 来实现更高的可靠性、效率和功率密度。
