光伏组串逆变器需要ANPC 3L拓扑吗？它是最佳选择吗？

首先给出标题的答案：未必。

ANPC 3L，英文全称叫Active Neutral Point Clamped Three Level；中文全称叫有源中性点钳位三电平。这个拓扑是在经典的NPC 3L的基础上演变而来的，即在NPC拓扑中的钳位二极管D5和D6上分别并联一个主动开关器件T5和T6，如图1所示。

近期，该拓扑在1500V光伏组串逆变器上引起了较多的关注，个别逆变器厂商已将其产品化。那么，这个拓扑的优势是什么？它是1500V光伏组串逆变器的最佳选择吗？本文试图回答这些问题。

图1 NPC和ANPC拓扑

ANPC的优势

ANPC拓扑由于在钳位回路上增加了两个主动开关器件T5和T6，使其在零电位的电流通路由NPC拓扑的单一通路变为两条可选择的通路，如图2所示（以电流流出逆变器为例）。

图2 零电位电流通路（电流流出）

正是由于这两条零电位电流通路的存在，使得ANPC的PWM控制方法变得更加灵活。

采用高频/低频（HF/LF）的控制方式，可使得T1/D1，T4/D4，T5/D5，T6/D6工作在开关频率；而T2/D2，T3/D3工作在基波频率。

采用低频/高频（LF/HF）的控制方式，可使得T1/D1，T4/D4，T5/D5，T6/D6工作在基波频率；而T2/D2，T3/D3工作在开关频率。

优势1：器件损耗更加平衡

NPC 3L存在开关器件损耗不平衡的问题。以逆变工况为例（功率因数为1），T1管在电压、电流正半周内一直存在高占空比的导通损耗和开关损耗，而T2管只存在连续导通损耗，这就导致T1管的损耗比T2管的大。

假设功率模块在设计时各开关器件的热均衡度较好，即T1管和T2管有相同的热阻，那么T1管的结温会明显高于T2管，这也就限制了逆变器的输出电流和功率的能力。

实际上，当年德国学者Thomas **Brückner****在2000年初提出ANPC拓扑的主要目的也就是要解决NPC损耗不平衡的问题 。**上文已经提到，ANPC存在高频/低频（HF/LF）和低频/高频（LF/HF）两种控制方式。以逆变工况为例，高频/低频（HF/LF）控制方式下，T1管的损耗最大，对应的结温也最高（和NPC的情况一致）；

而在低频/高频（LF/HF）控制方式下，T1管处于连续导通状态，不存在开关损耗，但T2管存在高占空比的导通损耗和开关损耗，这样最高的损耗就会转移到T2管上，其结温也最高。

Thomas Brückner当年的思路是通过器件的结温模型实时分析各器件的结温，再经过结温判断逻辑来切换两种控制方法，从而最大程度上平衡各器件的结温，使得逆变器能输出更大的电流和功率。

但这种思路存在控制复杂、软件计算量大的问题，同时ANPC要多使用两个主动开关器件（对应的驱动也多两个），因此，当年ANPC拓扑并没有引起太多的兴趣，只有ABB公司在其少部分中压变频产品上将其产品化 。

今天，ANPC拓扑又重出江湖，出现在光伏组串逆变器的应用中。 然而，损耗平衡的优势并不是光伏组串逆变使用ANPC的主要原因。 随着IGBT芯片技术的快速发展，各种针对不同应用场景的芯片也陆续被开发出来，如针对1500V光伏组串逆变器市场，英飞凌基于最新Micro-Pattern Trench (MPT)晶圆设计开发了950V S7、L7芯片 。

这些芯片有着不同的导通和开关特性，能更好地配合ANPC 3L拓扑对不同位置芯片特性的要求，从而可以降低逆变器的损耗、提高效率，这就是光伏组串逆变使用ANPC的主要原因。

优势2：全工况短换流回路

对于NPC拓扑，在零电位时电流流出有一条通路，电流流进是另外一条通路，这就会导致电流换流回路的大小不一致，有短换流回路和长换流回路两种。以逆变工况为例，在正阻态负载情况下（即功率因数为1），换流发生在T1和D5之间，如图3左图所示，为短换流回路。

但对于功率因数不为1的情况下，如光伏逆变器通常会有功率因数0.8（超前和滞后）的要求，这时就会出现一定的无功功率。以电压为正，电流为负为例，换流发生在D1，D2，T3，D6之间，如图3右图所示，形成长换流回路。

图3 NPC拓扑换流回路

而对于ANPC拓扑，在零电位时电流流出有两条通路，电流流进也有两条通路，利用这个电流通路的冗余性， 采用高频/低频（HF/LF）的控制方式，可以把所有的换流都控制为短换流回路。 比如，功率因素为1的情况下，换流发生在T1和D5之间，对应图4左图，为短换流回路。在需要无功功率的情况下，换流发生在D1和T5之间，对应图4右图，同样为短换流回路。

图4 ANPC拓扑换流回路

那么短换流回路有什么好处？

好处1：降低过压风险

在NPC 3L设计时，想必很多工程师都碰到过内管T2/T3过压的烦恼，这正是因为在无功或负阻性（功率因数为-1）负载下NPC拓扑无法避免长换流回路，导致回路寄生电感较大，回路中的开关器件在关断时产生较大的电压尖峰。

当然我们的工程师都已经练就了一身好本领来处理这个过压问题。常规招式就是增大关断电阻，或者采用电压有源钳位；一些非常规招式包括但不限于驱动分级关断，过压吸收电路。但这些招式的背后都会或多或少付出一些负面代价。

好处2：减小开关损耗

相同的芯片在不同的开关回路中其开关特性和损耗是不一样的。 对这个问题的解释，我们之前的一篇文章《寄生电感对IGBT特性的影响》中已有详细的分析。结论是寄生电感小的回路可以通过优化门极电阻提高开关速度，从而降低开关损耗。

优势3：全功率因素范围内效率更高

对于NPC拓扑，在逆变工况下（功率因数为1），承载电流的开关器件T1/T4（俗称外管）以开关频率工作；而T2/T3（俗称内管）以基波频率工作。这种工况下，为了降低开关器件的损耗，外管可选择低开关损耗的芯片，如前面提到的950V S7芯片；

内管可选择低导通损耗的芯片，如950V L7芯片。但在整流工况下（功率因数为-1），这个情况就会发生变化，T1/T4管只存在开关动作，但不承载电流；而承载电流的T2/T3管以开关频率在工作，应该选择低开关损耗的S7芯片。这种矛盾就会导致NPC拓扑T2/T3管无法采用一种芯片来满足不同工况下高效的要求。

但对于ANPC拓扑，无论是逆变还是整流工况，都可以采用高频/低频（HF/LF）的控制方式，将外管器件（包括T5/T6）控制在开关频率工作，而将内管控制在基波频率工作。 因此各开关器件可以选择一种固定特性的芯片：外管选低开关损耗的S7芯片；内管选为低导通损耗的L7芯片，来保持整个功率因素范围内的高效运行。

当然，对于ANPC拓扑，也可以采用低频/高频（LF/HF）的控制方式，将外管控制在基波频率工作，而将内管控制在开关频率工作。这种控制方式下，所有的换流回路都是长换流。因此比较适合功率相对较小，而开关频率要求较高的应用场景，内管可采用SiC MOSFET**。**

ANPC是光伏组串逆变器的最佳选择吗？

前面我们从拓扑角度讲了ANPC的三个主要优势。那么这些优势都能体现在光伏组串逆变器的应用中吗？回答这个问题之前，我们先看一下光伏组串逆变器的一些应用要求：

要求1：高效发电

将光伏电池板转化的电能高效输入电网是光伏逆变器最主要的任务。这里的关键词是高效和发电，翻译成对逆变器的需求就是低损耗和逆变工况。前面已经提到，逆变工况可以粗略认为是功率因素为1的工况。在这种单一工况下，NPC拓扑也没有长换流回路，同时芯片特性也可根据单一的逆变工况进行优化，所以ANPC能做到的，NPC也能做到。

要求2：功率因数可调范围

光伏逆变器通常对功率因素有0.8超前~0.8滞后的要求，在这种情况下，NPC的长换流回路就无法避免。长换流回路发生在图5区域1和区域3，即电压和电流反向的区域。但在这两个区域内，电流的最大值只有额定电流的60%，因此NPC长换流回来带来的过压风险大、开关损耗高的劣势也会得到弱化，只能说略差于ANPC拓扑。

图5 功率因素0.8时电压、电流相位关系

要求3：低电压穿越能力

低电压穿越（LVRT）是对接入公共电网光伏逆变器的强制要求，要求在电网发生短时电压跌落故障时逆变器不能脱网，同时具备满发额定电流的无功来支撑电网电压的快速恢复，其电压、电流幅值及相位关系如图6所示。

图6 低电压穿越时电压、电流相位关系

从图6中可以看出低电压穿越情况下存在两个恶劣的工况：

恶劣工况1： 在区域1和区域3中电压、电流反向，同时最大电流发生在电压最低时（对应调制度为0）。对应到拓扑上，即：

对于NPC拓扑而言，存在长换流回路，而且内管T2/T3需要关断额定电流，这就存在器件过压的风险。同时，一个调制周期内器件导通的时间发生了变化，T2/T3需要长时间导通和开关额定电流，这就导致内管损耗很大，结温很高，测试中需重点关注。

对于ANPC拓扑而言，高频/低频（HF/LF）控制方式下，不存在长换流回路，也就不要过多考虑器件过压风险。但由于一个调制周期内器件导通的时间发生了变化，T5/T6管需要长时间导通和开关额定电流，其损耗和结温都很高。因此光伏应用中ANPC拓扑不能对T5/T6管的芯片电流降额。

恶劣工况2： 在区域2和区域4中电压、电流同向，同时最大电流发生在电压最低时（对应调制度为0）。对应到拓扑上，即：

对于NPC和ANPC都会存在钳位二极管D5/D6管在一个调制周期内需要长时间导通和开关（反向恢复）额定电流，其损耗和结温都很高，在测试中也应该予以关注。

要求4：夜间SVG功能

为了充分利用光伏逆变器的硬件电路，现在一些厂家也提供逆变器的一项辅助功能，在夜间逆变器不发电的时候，将其当作无功补偿装置SVG使用，其对应的电压、电流幅值及相位关系如图7所示，图中假定最大无功电流为额定电流的60%。

图7 SVG工况下电压、电流相位关系

对于NPC和ANPC拓扑，上面LVRT中提到的问题同样会存在SVG运行工况中，只不过SVG工况中调制电压为正常电网电压（调制度接近1），同时作为辅助功能，一般不需要额定电流满发无功，所以其面临的恶劣工况不会高于LVRT。

但是SVG是一个连续运行的工况，从损耗或效率角度，NPC会差于ANPC拓扑，原因在于NPC优化了逆变工况下的芯片特性，就无法同时优化无功负载下的特性。

以上是从功能和性能方面对NPC和ANPC两种拓扑做了对比分析。除此之外，我们还应该考虑以下一些因素：

成本

相比于NPC，ANPC拓扑要多使用两个主动开关器件，同时多出两路驱动和控制电路，其硬件成本会高于NPC拓扑。

可靠性

同样，开关器件数量越多，面临的失效点也会增多。可靠性上ANPC应该略差。

芯片电流能力

在相同的模块封装中，放置芯片的DBC的面积是一定的。ANPC拓扑多出两个主动开关器件的同时，也会多出4个门极驱动辅助端子，这些都会占用DBC的面积，因此相同封装下，ANPC芯片电流能力会低于NPC。

控制复杂性

ANPC有6个主动开关器件，相对于NPC多出2个，其控制的复杂性也会增加，同时在短路保护时需要考虑的因素更多。

综上，对光伏组串逆变器应用中NPC和ANPC拓扑的优劣势对比如下：

最后，回到这篇文章的标题：光伏组串逆变器需要ANPC拓扑吗？答案是未必。因为无论从实用性还是性价比，NPC拓扑都是一个不错的选择！