如何实现具有同步整流的混合有源中性点钳位（ANPC）逆变器拓扑

具有电池存储的光伏装置越来越受欢迎，这是由于需要更具弹性的能源基础设施来满足需求波动。与只需要支持0.8至1功率因数范围的传统太阳能逆变器不同，支持电网电池充电的双向逆变器也需要以-1的功率因数运行。有源中性点钳位（ANPC）逆变器拓扑结构在这种双向操作方面的优势已经得到充分证明，领先的光伏逆变器制造商已经将其纳入其解决方案中。

随着每千瓦时价格的上涨，设备制造商正在寻求进一步提高其解决方案的效率，同时最大限度地减少对其设计所需的系统级修改。为此，他们转向碳化硅元件，以利用其更高的功率密度和比标准硅元件更低的欧姆损耗。

***图1. *在二极管和MOSFET沟道的I-V特越点之前，同步整流可显著节省传导损耗。图片由 Bodo 的动力系统提供 [PDF]

* 图2. 比较外部开关调制和内部开关调制在拓扑结构（左和右）和成本（中间）方面。图片由 Bodo 的动力系统提供 [PDF]*

在本文中，我们将介绍如何使用同步整流（SR）优化ANPC逆变器拓扑的功率效率和成本。我们提供有关选择最佳ANPC拓扑的见解，以充分利用日益流行的SiC MOSFET的功能。最后，我们提出了模拟，将模块损耗和效率与其他方法进行比较。

什么是同步整流？

但首先，什么是同步整流，它在提高当前整流效率方面起什么作用？同步整流是一种通过用MOSFET的阻性通道代替二极管PN结压降来降低续流路径中传导损耗的方法。

图1显示了二极管以及MOSFET沟道在25 °C和125 °C时的导通损耗。 传导损耗节省由红色箭头指示的曲线之间的面积给出。在达到两种I-V特性的交越点之前，同步整流可显著节省传导损耗。

注意交越点的温度依赖性：虽然二极管上的正向电压随着温度的升高而降低，但MOSFET在导通状态Rds（on）的电阻增加，交越点向二极管移动。

ANPC一瞥

有源中性点钳位逆变器拓扑将直流链路电压转换为可变频率的交流电压。与半桥或六桥相比，ANPC拓扑在输出端提供额外的电压电平，不仅可以跳到DC+和DC-，还可以跳到零。它主要用于高效三相光伏逆变器和具有双向运行要求的应用，例如电池存储。在大多数标准应用中，元件的阻断电压为 950 V 或 1200 V，可实现超过 1500 V 的 DC-Link 电压。这使得ANPC逆变器成为1500 V应用的完美匹配。

三电平ANPC拓扑具有6个有源开关（IGBT或MOSFET）和4至6个二极管，通常使用两种主要调制技术之一：外部和内部开关调制。在外部开关调制的情况下，连接到直流母线的四个开关以所需的扼流圈频率（通常> 16 kHz）进行开关，而另外两个开关以线路频率（50-60 Hz）进行开关。在内部开关调制中，情况正好相反，连接到直流母线的四个开关以线路频率切换，另外两个以所需的扼流圈频率切换。

虽然这两种方案在功率效率方面不相上下，但它们在其他关键因素方面有所不同，即简单性和成本。由于只有SiC MOSFET才能提供高频开关所需的开关速度，因此外部开关调制需要它们位于四个位置，与只需要两个位置的内部开关调制相比，成本显著增加。此外，实现外部开关调制的同步整流（正负正弦周期使用不同的开关对）需要更复杂的脉宽调制（PWM）方案。

同时，内部开关调制对所有操作模式使用相同的开关对。内部开关调制作为混合电路实现，在两个位置使用四个硅绝缘栅双极晶体管 （IGBT） 和 SiC MOSFET，是最具成本效益的解决方案，为使用 SiC MOSFET 和同步整流的应用提供最佳拓扑。

具有内部开关调制的ANPC

具有内部开关调制的ANPC拓扑的最佳实现取决于最终应用的特定设计约束。下图表示拓扑的两种变体。第一种使用MOSFET的导电通道作为续流二极管，正如我们所看到的，这是同步整流的基础。第二个去耦高边和低边开关，并联一个额外的续流碳化硅肖特基势垒二极管（SBD），与MOSFET体二极管并联。

* 图3. 将内部开关调制与同步整流（左）与使用额外的续流 SiC SBD 并联到 MOSFET 体二极管（右）进行比较。图片由 Bodo 的动力系统提供 [PDF]*

成本敏感型应用通常更喜欢第一种变体，它使用更少的组件，并且由于SiC含量最小化，提供最低的模块成本。请注意，由于MOSFET体二极管的高正向电压，这里必须进行同步整流。这种拓扑结构的一个例子是 LR88 系列的 Vincotech ANPC 逆变器模块。

另一方面，具有对重新导通敏感的SiC MOSFET的应用更适合第二种变体，该变体使用续流SiC SBD，但由于额外的SiC组件，模块成本更高。虽然使用此拓扑不需要同步整流，但它可用于进一步提高效率。这种拓扑结构的一个例子是LC59/69系列Vincotech ANPC逆变器模块。

具有同步整流的ANPC的PWM模式

当实现具有同步整流的ANPC时，基本的PWM模式和占空比定义与传统ANPC相对应。不同之处在于将续流时间分为三个阶段。以下部分以正线路电压和电流为例显示了续流阶段。

时间	T13门	T14门	评论
t0	上	关闭	励磁，电感电流增加
t1	关闭	关闭	通过 T14 体二极管续流
t2	关闭	上	通过 T14 通道续流
t3	关闭	关闭	通过 T14 体二极管续流
t4=t0	上	上

***图4. *具有同步整流的ANPC的PWM模式。图片由 Bodo 的动力系统提供 [PDF]

t1-t2：电流流过MOSFET体二极管（T14）。

此阶段可确保适当的换向，并避免在 T13 关闭和 T14 开启期间发生交叉传导。通过完美的驱动信号匹配，理论上可以将这个时间优化为零。

t2-t3：MOSFET导通，电流流过导电通道。 应尽可能长时间地进行此阶段，以最大程度地提高效率。

t3-t4：MOSFET 关断，电流流过体二极管。 最后阶段可确保适当的换向，并避免在T14关闭和T13开启期间发生交叉传导。通过完美的驱动信号匹配，理论上可以将这个时间优化为零。

比较效率

为了将ANPC与同步整流的效率与使用体二极管的实现和使用SiC SBD的实现进行比较，我们首先确定了仿真的边界条件。

为此，我们使用Vincotech flowANPC S3功率模块评估了SiC MOSFET的典型I-V特性，该模块使用内部开关调制，无需续流二极管与SiC MOSFET体二极管并联。

* 图5. SiC MOSFET 在结温 Tj 为 150 °C 时的典型 I-V 特性。 图片由 Bodo 的动力系统提供 [PDF]*

同步整流在第三象限（Q3）进行。在此阶段，MOSFET沟道完全导通，栅源电压（VGS）高于14 V。MOSFET 沟道压降低于其体二极管的压降。

图6. 将ANPC的功率和成本效率与（i）SR，（ii）MOSFET的体二极管和（iii）额外的SiC SBD进行比较。 仿真条件：Vdc=1350V，Vac=460V，cosphi=0.8，fsw=16kHz，Rg=4R，Ths=80°C。 *图片由Bodo的电力系统提供 [PDF]*

在结温 Tj 为 150 °C 且电流为 -250 A 时，MOSFET 沟道压降 V DS （SR），为-2.5 V，而体二极管压降为-5 V。

将采用同步整流的ANPC效率与使用体二极管和另一种使用SiC SBD的方案（如图5所示）进行比较，发现具有同步整流的ANPC在整个功率范围内提供最高的效率。它还表明，ANPC从高输出功率下的同步整流中受益最大，从而减少了损耗并提高了效率。在较低的输出功率下，由于续流电流低，同步整流的优势较小。

如图所示，用于续流的额外SiC SBD几乎与SR的效率相当，但模块的成本增加了18%。正如预期的那样，由于正向电压较高，使用SiC MOSFET的体二极管在高电流下续流是一个糟糕的选择。

提高电源应用的效率

在本文中，我们介绍了适用于新兴应用的最佳ANPC逆变器拓扑，例如光伏逆变器和电池存储解决方案。特别是，我们看到具有内部开关调制的ANPC由于其较低的SiC含量，因此比具有外部开关调制的拓扑更具成本效益。

摒弃碳化硅SBD续流二极管，使用碳化硅MOSFET反向传导通道可带来更多好处。其中包括减少所需组件的数量，释放DCB上的空间，以及在不损失性能的情况下进一步降低模块成本。事实上，具有同步整流的ANPC比具有SiC SBD的ANPC具有更高的效率，并且在大多数情况下，不需要更改系统架构，包括栅极驱动电路甚至微控制器。

最后，Vincotech flowANPC S3功率模块提供的具有同步整流功能的ANPC在性价比方面排名第一，使其成为各种电力电子应用的理想解决方案。在 vincotech.com 了解有关APNC逆变器拓扑的更多信息，并探索我们针对光伏、电池存储和不间断电源（UPS）应用需求量身定制的全系列逆变器模块。