三电平逆变器拓扑

为什么三电平逆变器的谐波含量比两电平逆变器的少?

英飞凌工程师解释了三电平逆变器相较于两电平逆变器在谐波含量较少的原因，通过分析逆变器的拓扑结构、工作原理以及损耗分布，揭示了三电平逆变器在输出波形质量、系统效率和器件可靠性方面的优势。

三电平逆变器输出的电压波形更加接近正弦波，具有更低的总谐波失真（THD），这是由于其额外的零电平通路，使得相电压可输出三个电平，从而减少了谐波成分。在损耗方面，三电平逆变器通过降低器件的阻断电压，提高了系统成本效率，尤其是在高频工况下，三电平逆变器的效率更优。

通过分析不同三电平拓扑结构（如NPC1、NPC2和ANPC）的工作模态和损耗分布，可以看到三电平逆变器的损耗主要集中在高压器件上，但每个器件承受的电压减少，从而降低了开关损耗。此外，三电平逆变器还能够改善电磁干扰（EMI），由于器件的dv/dt大幅降低，系统EMI得到改善。

尽管三电平拓扑存在一些劣势，如器件成本增加、控制算法复杂度提升、损耗分布不均衡和中点电位波动等问题，但其独特的优势在光伏、储能、UPS、APF等众多应用场合中得以广泛使用。通过优化调制策略和损耗分布，三电平逆变器的性能得到了进一步提升。

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三电平电路的介绍

三电平逆变器：1拓扑为在两个电力电子开关器件串联的基础上，中性点加一对箝位二极管的三电平逆变器，又称为中性点箝位型（Neutral Point Clamped，简称NPC）三电平逆变器，所示即为三相三电平NPC逆变器拓扑结构，由两个直流分压电容C1=C2、三相逆变电路组成。负载为三相感应电机。

T型三电平逆变器工作原理

单相拓扑设计以4个IGBT、4个二极管、两个电容C1,C2和一个电感L为基础。假设C1和C2电压差相等，均为Vdc。通过二进制表示四个IGBT的状态，如T1,T2,T3,T4为1、1、0、0，则转换为开关状态C。T型三电平逆变器稳定模态包括C、6、3三种。模态C输出电压Vdc，模态6输出0电压，模态3输出-Vdc。考虑死区后，存在4、2两种状态，死区状态4和死区状态2输出高阻。T型三电平的电压转换流程为Vdc->0->-Vdc->0->Vdc，其切换状态在图2中表示，**为死区状态切换，蓝色为稳态。

T型三电平拓扑中的IGBT控制转换逻辑图在图2中编写。特别注意，拓扑中所有开关状态的循环切换是关键。输出Vdc到0状态变化瞬态，开关状态从C（1100）到状态4（0100）时，IGBT的C-E电压与输出电压的关系以及电流路径在图中显示。关断过程中T1管的Vce两端产生尖峰电压（换流引起）。从4状态到6状态、2状态到6状态、6状态到4状态、4状态到C状态的切换过程，IGBT的C-E电压与输出电压的关系以及电流路径同样在图中给出。小结，IGBT部分在关断时产生电压尖峰，T1和T4管的风险较低，T2和T3管的风险较高。二极管部分在反向恢复时产生峰值功率，D1和D4管的功率较小，D2和D3管的功率较大，需要特别关注。

逆变器中提到的两电平逆变器,三电平逆变器中的电平是什么

在逆变器中，电平概念指的是用于信号传输或能量转换的电压级别。两电平逆变器设计简洁，仅提供两种电压级别：高或低，适用于低成本应用。相比之下，三电平逆变器提供三种电压级别，通过引入电压中点，实现更精细的电压控制，如图所示。

三电平逆变器相比两电平逆变器，在系统层面拥有显著优势：

1. **损耗减少、开关频率提升、成本降低**：例如在NPC1拓扑中，开关器件的电压降低至原来的一半，大幅降低了器件的开关损耗。提升开关频率后，可以减小输出滤波器的体积和成本。在功率等级不变的情况下，通过提高母线电压，可以减小输出端电流，降低输出线缆成本。

2. **器件可靠性提升**：在相同电压等级的系统中，三电平拓扑中的器件承受的阻断电压更低，从而提升了器件的可靠性。

3. **改善电磁干扰（EMI）**：三电平逆变器在开关过程中的dv/dt显著降低，有效改善了系统的电磁干扰。

尽管三电平逆变器存在器件成本增加、控制算法复杂度提升、损耗分布不均和中点电位波动等挑战，但其独特优势使得其在光伏、储能、UPS、APF等众多应用领域得到了广泛使用。下面将详细介绍常见的三电平拓扑：

- **NPC1拓扑**：通过优化电流路径和零电平换流机制，实现了损耗分布的优化和EMI的改善。在逆变工况中，NPC1的损耗主要集中在T1/T4管，而在整流工况中，主要损耗集中在T2/T3管和D5/D6管。仿真结果显示，在高频系统中，NPC1拓扑效率更优。

- **NPC2拓扑**：相较于NPC1，NPC2减少了二极管的数量，采用共射极或共集电极的IGBT和反并联二极管取代钳位二极管，从而降低了损耗，提高了中低开关频率下的系统效率。仿真表明，当电流等级和耐压相同，NPC2拓扑在中低开关频率下的总损耗低于NPC1拓扑。

- **ANPC拓扑**：通过替换钳位二极管为IGBT和反并联二极管，ANPC拓扑进一步优化了损耗分布，通过选择不同的零电平换流路径，实现了更均衡的损耗控制。ANPC的调制算法（ANPC-1、ANPC-2和ANPC-1-00）分别针对不同的损耗特性进行了优化。

英飞凌提供了丰富多样的功率器件，包括OptiMOS™、CoolMOS™、CoolSiC™ MOSFET以及IGBT，满足家用、商用到电站级大型项目的太阳能逆变器设计需求。此外，英飞凌的Easy 1B/2B模块和集成型产品如EiceDRIVER™栅极驱动器IC和XMC™控制器，提供了高集成度和功能性集成解决方案。

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三电平SVPWM基本理论（1）

一、三电平基本原理

三电平逆变器主要由T型NPC、二极管箝位型（I型NPC）和飞跨电容型（FC NPC）三种拓扑结构组成。

二、二极管箝位型分析

以A相为例，分析其工作原理。

1）Q1与Q3、Q2与Q4分别互补导通，形成电流流向负载或逆变器。

2）在Q1、Q2同时导通，Q3、Q4同时关断时，电流从逆变器流向负载，此时A点电位等于DC+，相当于Udc/2。

3）Q3、Q4同时导通，Q1、Q2同时关断时，电流从负载流向逆变器，此时A点电位等于DC-，相当于-Udc/2。

4）通过D1、Q2或D2、Q3导通，电流可以分别从逆变器流向负载或负载流向逆变器，此时A点电位等于中点电位O，相当于0。

三、开关状态与输出电压的关系

任意相可投入三个电平，通过开关函数定义电平状态，即相对于O点的电平。

四、电平定义与切换模式

对于任意相，电平状态有三种切换模式，形成对应的电平状态表达式。

五、输出线电压计算

任意相输出电压可通过线电压的计算公式得出，公式包含线电压与电平状态的矩阵关系。

六、负载相电压计算

在三相平衡条件下，根据负载相电压的计算公式，可以得出负载相电压与线电压之间的关系。

为什么光伏逆变器中t型三电平方案多

三电平T型NPC架构的流行原因：

1）拓扑结构包含四个IGBT模块、四个二极管以及两个电容器C1和C2。在假设正负母线电压相等且均为Vdc的情况下，该结构得以实现。

2）通过将T1、T2、T3、T4的状态用1和0来表示，其中1代表导通，0代表关断。这种表示方法使得T型三电平电路的状态得以明确。

3）采用16状态的调制策略，有效避免了开关频率的过高问题，从而降低了开关损耗，提高了整体电路的效率。

4）相较于其他类型的逆变器，T型三电平逆变器在输出电压质量和功率密度方面表现更优，这使得它在光伏领域得到了广泛的应用。

三电平逆变有什么优势?

英飞凌工程师为您解答：三电平逆变器拓扑的优势

随着对逆变器的功率密度、效率、输出波形质量等性能要求的提升，中点钳位型三电平拓扑逆变器已经广泛应用于光伏、储能、UPS、APF等场合。典型的三电平拓扑有二极管型NPC、Conergy NPC、有源NPC。

相比于传统的两电平逆变器，三电平逆变器具有以下优势：

损耗减小，开关频率提升，系统成本降低：如NPC1拓扑中开关器件的电压可减小为原来的一半，大幅降低器件开关损耗，可通过提高母线电压减小输出端的电流，减少输出线缆成本。

器件可靠性提升：在同样电压等级的系统中，三电平拓扑中器件承受的阻断电压降低，提升器件的可靠性。

改善电磁干扰EMI：由于开关过程中器件的dv/dt大幅降低，系统电磁干扰得到改善。

当然，三电平拓扑也存在一些劣势，如器件成本增加、控制算法复杂度提升、损耗分布不均衡和中点电位波动等问题。但得益于其独特优势，三电平拓扑在众多场合得到广泛使用。

常见三电平拓扑介绍

NPC 1

电流路径：蓝绿色线条为导通电流路径，紫色线条为对应的零电平换流路径。功率因数为+1对应①和②两种模态，功率因数为-1对应③和④两种模态。

损耗分布：以F3L225R12W3H3器件为例，在逆变工况时，NPC1的损耗主要集中在T1/T4管，包括导通损耗和开关损耗；在整流工况下，损耗主要集中在D1/D4管和T2/T3管。

NPC 2

电流路径：在NPC2拓扑中，用一对共射极或共集电极的IGBT和反并联二极管代替NPC1二极管钳位的功能，T1/T4管承受全母线电压，T2/T3管承受半母线电压。

损耗分布：在NPC2拓扑中T1/T4为高压器件，开关损耗较大，但由于电流路径上的开关器件数量减少，导通损耗更小，因此NPC2拓扑在中低开关频率的系统中效率更优。

ANPC

电流路径：ANPC拓扑通过拓展两条零电平换流路径，通过对零电平换流路径的选择和控制可以实现更均衡的损耗分布和更小的换流回路杂感。不同调制算法会产生不同的损耗分布。

英飞凌提供的产品

英飞凌提供适用于不同逆变器设计需求的功率器件，包括家用、商用和电站级逆变器。产品包含OptiMOS™、CoolMOS™、CoolSiC™ MOSFET、IGBT、Easy 1B/2B模块、功能性集成型产品EiceDRIVER™栅极驱动器IC和XMC™控制器等。

三电平Easy 1B/2B模块

Easy B系列模块提供600V、650V和1200V电压以及6A至200A电流。模块涵盖PIM和三相两电平全桥配置，以及桥式整流器、半桥、H桥式、三电平全桥和三电平单相模块。模块采用灵活网格引脚与新型IGBT芯片技术相结合，易于集成PIM配置，并采用新型TRENCHSTOP™ IGBT7技术，在Easy 1B封装中集成25A PIM。

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双向PCS储能变流器（一）基于I型NPC三电平逆变器拓扑的单级式PCS MATLAB/Simulink仿真实现

在电网系统中，电力负荷周期性变化，峰谷差大，为满足高峰负荷需求，电网公司需投资大量输配电设备，导致设备利用率低，整体负荷率下降。分布式发电和智能电网的大规模应用推动了储能技术的发展，储能系统可平抑可再生能源发电并网功率波动，缓解高峰负荷需求，起到“削峰填谷”作用，维持微电网功率平衡，改善电能质量，提高电网设备利用率，减少电网建设投资，降低运营成本。能量转换系统（PCS），即储能变流器，作为储能载体与电网的接口装置，起着能量双向交换的重要作用。

PCS电路拓扑分为单级式和双级式两种。单级式PCS仅含有一个双向DC/AC变流器，电路拓扑结构和控制简单，效率较高，但储能单元容量选择不够灵活，电池需要串并联成高压大电流电池组后，才能接入直流母线。

双级式PCS拓扑相对于单级式拓扑多了一个前级的双向DC/DC变流器。双级式电路拓扑结构直流侧接入电池电压范围较宽，电池组配置更加灵活，但由于多了一个双向DC/DC环节，结构和控制系统较复杂，系统效率降低。

不管是单级式PCS还是双级式PCS，都需要双向DC/AC变流器。双向DC/AC变流器可以采用两电平或三电平变流器拓扑结构。相比于两电平变流器，三电平变流器具有以下优点：

（1）桥臂上单个功率开关管承受的电压仅为直流母线电压的一半，降低了器件耐压等级的要求，从技术和经济方面都是可实现的，同时避免了器件串联时的动态均压问题，保证了系统的稳定性和可靠性；

（2）在相同调制频率下，每个开关管的开关频率是两电平的一半，交流侧电流谐波含量低，直流电压纹波小，器件损耗和应力小，电磁干扰小，减小了旋转用电设备的振荡，提高了系统的性能。

下文展示了一个50kW双向单级式PCS的MATLAB/Simulink仿真案例，主电路原理如下图，双向DC/AC变流器采用I型二极管中点钳位(Neutral Point Clamped, NPC)三电平逆变器，实现DC/AC逆变并网和AC/DC整流能量双向流动的功能。

三相电网电压3AC380V，频率50Hz，直流电压DC800V，储能变流器开关频率10kHz。AC/DC变换时负载功率50kW，DC/AC变换时并网功率P=50kW，Q=25kVar。

电压外环采用PI控制器，PQ控制时计算dq电流参考值。电流内环采用PI控制器，dq电流解耦，电网电压前馈。采用三电平SVPWM空间矢量调制。含中点电位平衡控制。含锁相环（基于单同步旋转坐标系的锁相环SRF-PLL）。控制算法框图如下图。

0-0.5s储能变流器工作在整流AC/DC模式，控制整流输出电压为DC800V，直流负载50kW，单位功率因数运行。0.5-1s储能变流器工作在逆变并网DC/AC模式，采用有功功率无功功率PQ控制，P为50kW，Q为25kVar。仿真结果如下。

基于I型二极管中点钳位(Neutral Point Clamped, NPC)三电平逆变器的双向单级式PCS的MATLAB/Simulink仿真案例，实现了DC/AC逆变并网和AC/DC整流能量双向流动的功能，具备中点电位平衡功能，上电容电压与下电容电压稳态偏差在±5V以内，同时具有较低的电流畸变率，电流THD<1%。

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