关注新能源——光伏并网系统的两种三电平拓扑

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两种拓扑的基本介绍
类似工业变频器,伺服,UPS等,我们常见的逆变部分的电路拓扑都是两电平的那种,很少会提及到三电平的电路拓扑。但是像光伏、风电和中高压变频器等,三电平相对来讲就比较普遍了,当然也不乏两电平的拓扑。下面我们先来看看两种三电平电路拓扑的基本电路图:

 

首先,NPC1三电平,我们也称之为I字型三电平,逆变的拓扑结构如下:

 

 

每一相的拓扑为:

 

 

是不是很形象,I型三电平,目前很多半导体厂商都有相应的NPC1模块,也有设计过程中用三个两电平搭建三电平。

 

第二种,NPC2我们也称之为T型三电平,逆变的拓扑结构如下:

 

 

每一相的拓扑也很形象,T型三电平:

 

 

我们从所需功率半导体数量和所需驱动电源数量来聊聊这两种拓扑。

 

①所需功率器件数量

从上图来看,NPC1拓扑每相需要4只IGBT和6只二极管,三相总共需要12只IGBT和18只二极管;而NPC2拓扑每相需要4只IGBT和4只二极管,三相总共需要12只IGBT和12只二极管,在不增加控制难度的前提下,每相桥臂减少了2只钳位二极管,成本上略有降低。

 

②所需的驱动电源数量

要实现对IGBT较好的开关控制,驱动电路必须具备两种功能:一是实现控制电路和被驱动IGBT的隔离;二是提供合适的门极驱动脉冲。

 

如上图,NPC1三电平中12只IGBT需要12路驱动电路,为了防止上、下桥臂通过开关电源短路,每个桥臂的IGBT驱动电路需要采用相互隔离的直流电源供电,并且驱动电源的地和该IGBT的发射极相连;而下桥臂的T4\T8\T12是共发射极的,所以这三只IGBT的驱动电源共地,因而只需要一路驱动电源。因此,NPC1三电平至少需要10路相互隔离的驱动电源。

 

NPC2三电平拓扑中,每相桥臂由两只内管共集电极串联后与中点相连,由于T2与T1共发射极,可共用一路驱动电源;T3、T7和T11的发射极通过中点相连,也可共用一路驱动电源;T4、T8、T12共发射极也可共用一路驱动电源。所以,NPC2三电平拓扑只需5路相互隔离的驱动电源。从数量上看,NPC2比NPC1所需的驱动电源数量少,损耗和体积也就相应的减小了。


换流过程和损耗分析
下图是三电平逆变器的电压和电流波形图:

 

 

这里为了方便,我们以其中A相为例进行分析。V0为输出电压的基波分量。稳态时,三电平的P、0、N分别对应A点的电压为:+Vdc/2、0、-Vdc/2;负载电流IA由逆变器注入负载方向为正,反之为负。

 

当输出功率因数不为1时,假设感性负载时电流滞后电压θ角,将一个调制周期内的输出电压、电流根据过零点的情况划分为四个区域。我们这里仅分析在调制电压的正版周期(V0>0)且负载电流IA<0时的工作模式,其他工作模式是类似的。

 

为了便于分析,假定V0>0且IA<0时,并以0到P状态和P到0状态为例,分析其换流过程中的开关损耗。

 

NPC1拓扑的换流过程

①从0到P状态

下图为NPC1拓扑中从0到P状态的换流过程:

 

          换流前                  换流时                       换流后

 

换流前:在t0时刻之前,T3导通T1关断,电流IA经T3、D14流入电容中点0,电路处于IA<0,VA=0;

换流时:在t0~t1时间段,T3关断且T1尚未导通前,由感性负载作用,电流直接通过D2、D1流向P点;

换流后:在t1~t2时间段,T3关断T1导通后,电流IA经D2、D1流向P点,输出电压被二极管D2、D1钳位到正母线电压,电路处于IA<0,VA=Vdc/2。

 

在此过程中负载电流在T3、D14和D2、D1之间换流。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

下图为NPC1拓扑中从P到0状态的换流过程:

 

          换流前                  换流时                       换流后

 

换流前:在t1~t2时间段,T1导通T3关断,电流IA经D2和D1流向P点,电路处于IA<0,VA=Vdc/2;

换流时:在t2~t3时间段,T1关断且T3尚未导通前,电流还是继续通过D2和D1流向P点;

换流后:在t3~t4时间段,T1关断T3导通后,电流IA经T3、D14流入到电容中点0,电路处于IA<0,VA=0。

 

在此过程中,负载电流在D2、D1和T3、D14之间换流。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

下图为NPC2拓扑中从0到P状态的换流过程:

 

         换流前                  换流时                       换流后

 

换流前:在t0时刻之前,T3导通T1关断,电流IA经D2、T3流入电容中点0,电路处于IA<0,VA=0;

换流时:在t0~t1时间段,T3关断且T1尚未导通前,电流直接通过D1流向P点;

换流后:在t1~t2和t3~t4时间段,T3关断T1导通后,电流IA经D1流向P点,电路处于IA<0,VA=Vdc/2。

 

在此过程中负载电流在T3、D2和D1之间换流。对应的开关损耗分别为Loss_T3、Loss_D2、Loss_D1。

 

②从P到0状态

下图为NPC2拓扑中从P到0状态的换流过程:

 

         换流前                  换流时                       换流后

 

换流前:在t1~t2时刻段,T1导通T3关断,电流IA经D1流入电容中点P,电路处于IA<0,VA=Vdc/2;

换流时:在t2~t3时间段,T1关断且T3尚未导通前,电流还是继续通过D1流向P点;

换流后:在t3~t4时间段,T1关断T3导通后,电流IA经D2和T3流入电容中点0,电路处于IA<0,VA=0。

 

在此过程中负载电流在D2和D1、T3之间换流。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看到,在V0>0且IA<0时,无论是从0到P状态还是从P到0状态,NPC2拓扑均会比NPC1拓扑少一个二极管的开关损耗。类似的,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

下图是NPC1拓扑在V0>0且IA<0时各个管子所承受电压应力的示意图:

 

 

图中以VA=Vdc/2为基准,其他电压应力按照高度比例以此为参考,VA和IA分别表示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,故不承受电压应力,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,这四个时间段电流都是通过D2和D1流向P点,输出电压被二极管钳位在正母线电压,此时VA=Vdc/2,即P状态。

 

㈢ 在t3~t4时间段

T2、T3导通,T2导通但没电流流过,电流通过T3和D14流入中点0,此时VA=0,即0状态。

 

对于NPC1拓扑,在V0>0且IA<0时,T1导通时间较长,并且开关状态频繁切换,功率损耗最大,而T2一直处于导通状态,只有导通损耗。同理分析其他情况,可以得出:两个外观T1、T4几乎承担所有的开关损耗,所以在开关频率较高时,两个外管的总损耗会很大,这样T1、T4的芯片结温就较高。

 

NPC2三电平的电压应力和损耗分析

下图是NPC2拓扑在V0>0且IA<0时各个管子所承受电压应力的示意图:

 

 

同样的,也可以和NPC1一样,分为三个状态:

㈠t0时刻前和t3~t4时间段;㈡t0~t1时间段;㈢t1~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,开关状态均由T1承担,续流状态由D2、T3承担。其他情况以此类推。可以得出:尚、下桥臂之间总的损耗比较均衡,发热也就较为均衡,有利于系统的稳定运行。另外,在有源供电状态时,只有一只管子(T1或者T4导通),所以导通损耗较低,使得总损耗更低、效率更高。

关于光伏系统逆变器的两种拓扑就聊到这里,今天的内容希望对大家有所帮助,谢谢~

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今天小R来与大家来聊聊光伏并网系统的两种三电平拓扑——NPC1和NPC2~内容见解独到,推荐收藏!

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