深度

本文聊一聊NPC中性点钳位型三电平拓扑结构的原理以及结构特点

        NPC（Neutral Point Clamped）三电平拓扑结构是一种应用最为广泛的多电平拓扑结构。NPC拓扑结构最早由日本长冈科技大学学者南波江章（Akira Nabae ）在80年的IAS年会上提出，并于90年代初在高压变频器上得到实际工业应用。近年来随着电力电子技术在电力行业的发展，NPC三电平技术开始越来越多的应用到各个领域，包括光伏逆变器、风电变流器、高压变频器、UPS、APF/SVG、高频电源等都有着广泛的应用。NPC拓扑最常用的有两种结构，就是我们常说的“I”字型（也称NPC1）和“T”字型（也称NPC2、MNPC、TNPC、NPP等）。另外ANPC也是一种NPC1的改进型，这些年随着器件的发展，ANPC也开始有一些适合的应用。本文主要介绍前两种结构，从结构特点、回路分析、调制方式、损耗计算等几个方面来分析这两种NPC拓扑结构。

        三电平拓扑结构的思想来源于一种多级可控直流源的思想，如下图 （1）所示。通过对不同等级电源的切入来实现多电平的控制。二极管钳位型NPC三电平拓扑结构正是通过引入两个钳位二极管来实现多级电压的控制。具体的对比实现过程，请参考下面的短视频。

图1 多级可控直流源示意图

​

基于二极管钳位的两级可控电源的实现（1.1M）

 所谓三电平是指当桥臂开关的时候可以输出的电压的数量为三个。相对于传统的两电平，在交流输出端多出来一个中点电位。下面两个短视频分别展示了两电平和三电平的电位变化过程（仅作为电平变化示意，不代表开关过程）。

两电平电位动态变化过程（0,2M）

三电平电位动态变化过程（0,5M）

        三电平结构较之两电平结构在相同母线电压的情况下开关直流电压只有两电平的一半带来了有很多优点，主要包括如下几点。

更好的输出波形

由于三电平桥臂在换流过程中，每次电平的变化都是从正或者负先到中点电位，多出一个台阶如上面视频里展示的一样。折算成相电压，波形变化的台阶也会更加平顺接近于正弦波，如图（2）所示。从图中可以明显看出三电平的波形要比两电平平顺得多。从数据上看，根据Mathcad计算（调制度为1），两电平输出的电压谐波THD（Total Harmonic Distortion）一般在50%左右，而在相同开关频率的情况下，三电平的谐波THD仅为26%左右。降低接近一一半左右，这对降低对电网的谐波注入也有很大的帮助。

图 2 两电平和三电平电压对比图

改善电磁干扰（EMI）问题

三电平结构中，IGBT开关器件的开关电压降低一半。这样在开关过程中IGBT的电压变化率（dv/dt）要降低许多。电压变化率（dv/dt）是电力电子系统电磁干扰的主要来源。电压变化率（dv/dt）的降低就意味着系统电磁干扰（EMI）的降低和改善；同时在变频器应用领域也可以降低轴电流，有效的改善变频器对电机寿命的影响。

损耗降低，更高效率，开关频率提高

在开关过程中，IGBT开通关断的直流电压降低会使芯片的开关损耗降低许多。根据经验值，直流电压和开关损耗的关系如下式。

计算可得当开关直流电压变为50%的时候，损耗会降低为原来的40%左右。损耗的降低意味着更高的效率，和开关频率。开关频率的提高对LC滤波的设计有很大帮助，可以减小电抗器尺寸和体积，以及更加可靠的谐振点设计。

        任何事情都是有两面性的，有优点，就必然也能指出缺点。三电平拓扑结构的缺点还是很明显的，主要有以下几点。

结构复杂

这一点还是很明显的，两电平系统单个桥臂需要两个IGBT和两个DIODE。而三电平系统除此之外，至少还需要额外的两个IGBT和两个二极管，所需要的器件数量增加一倍以上。近些年随着芯片技术以及封装技术的发展，结构复杂已不再是要考虑的问题。特别是中小功率应用领域，一体封装的IGBT三电平模块得到越来越多的应用。

调制算法复杂

相比于两电平系统单个桥臂两个IGBT，三电平NPC拓扑要控制单个桥臂四个IGBT，显然控制方法会复杂很多。如图（3）所示，两电平矢量控制仅仅有8个矢量，而三电平适量控制则有27个矢量。对于NPC1型拓扑而言，两个IGBT串联还涉及到开关时序的问题。特别是在短路关断的时候，需要控制两个串联管子先后关断。这都给系统控制和可靠性带来了挑战。

图 3 两电平和三电平空间矢量图

中点平衡控制

电流可以从正端和中性点流出，电流的流出会引起电容电压的变化。电压变化不同就会在串联电容之间引起电位不平衡问题。中点电位的波动不平衡会导致谐波增加，输出低频谐波电流以及器件两端电压变化，特别是会导致IGBT关断过压余量不足，影响器件工作的可靠性。

损耗不均衡

NPC较两电平多了一些IGBT和DIODE，这些器件在整个工作周期有不同的导通开关次序，因此有着不同的损耗。这会导致有的器件结温过高，成为整个模块输出功率的瓶颈。如下图（3）和图（4）所示，为NPC1型的模块和NPC2型的模块配置同样规格的IGBT和DIODE，在功率因数为1，调制度为1的时候的损耗分布和结温大小示意图。可以看出在两种结构中，T1管都是结温最高的器件，同时，占据了大部分的损耗。同样当功率因数为-1的时候损耗会主要分布在二极管上。

这样在设计模块的时候，往往需要根据实际的应用特点来选择合适的芯片规格，给模块设计带来更多的挑战。

图 4 NPC1的损耗分布和结温

图 5 NPC2的损耗分布和结温

长换流回路问题

         相对于两电平增加了一个电平，自然而然换流回路也就不一样了。对于三电平系统，会存在一个长换流回路，如图（5）所示。从图中可以看出，T3在关断的时候，电流经过D1，D2续流，电流路径由绿色换成棕色。这时，换流回路较长，杂散电感会比较大，导致T3的关断尖峰过大。

图 6 NPC1 长环流回路

        NPC三电平相对于两电平拓扑要多出一倍的开关器件，因此开关模式也会更加复杂。但是，其基本原理通过上面的动画中可以看出是类似的。输出状态总共有三个（以NPC2为例），包括：

        1、T1开通的时候输出为“正电平”；

        2、T2或T3开通的时候输出为“零电平”；

        3、T4开通的时候输出为“负电平”。

        对于VSI（Voltage Source Inverter）系统来讲，我们能直接控制的只是电压。通过对开关器件的控制，我们可以实现对等效电压的控制。而电流实际上是间接控制的。电流和电压一般对应了四种状态如下图，包括：正电压，正电流；正电压、负电流；负电压、正电流；负电压、负电流。下面我们逐一分析每种状态下的电流回路。

图 7 四种换流状态

       1、正电压，负电流（V>0，I0，I0，I>0）

        这种情况下，电压为正，电流为正，从交流端流出拓扑，当输出正脉冲的时候，电流通过IGBT（NPC1:T1&T2；NPC2:T1）流向交流端；当输出零脉冲的时候，电流通过T2以及二极管流到交流端。 

   图 9 NPC1和NPC2的换流过程（V>0，I>0）

        如上图所示，对于NPC1型三电平结构，T1和T3进行开关状态切换。T1关断后，电流由T2和D5流向交流端实现续流；T1打开后，电流由T1、T2进行换流，同时D5反向恢复。

        对于NPC2型三电平结构，同样T1和T3进行开关状态切换。T1关断后，电流由T2和D2流向交流端实现续流；T1打开后，电流由T1进行换流，同时D2反向恢复。

 3、负电压，正电流（V0）

        这种情况下，电压为负，电流为正，从交流端流出拓扑，当输出负脉冲的时候，电流由负端通过二极管流出；当输出零脉冲的时候，电流通过T2以及二极管流到交流端。   

   图 10 NPC1和NPC2的换流过程（V0）

        如上图所示，对于NPC1型三电平结构，T2和T4进行开关状态切换。T2打开后，电流由T2和D5流向交流端实现换流，同时D4反向恢复；T2关断后，电流由二极管 D3、D4进行续流。

        对于NPC2型三电平结构，同样T2和T4进行开关状态切换。T2打开后，电流由T2和D2流向交流端实现换流，同时D4反向恢复；T2关断后，电流由二极管 D4进行换流。

        4、负电压，负电流（V