上篇（ANPC拓?fù)湔{(diào)制策略特點(diǎn)及損耗分析 (上)）我們討論了ANPC的基本原理，換流路徑及調(diào)制策略，本文通過PLECS仿真工具來分析在不同的調(diào)制方式和工況下ANPC各位置芯片的開關(guān)狀態(tài)和損耗分布情況。

ANPC-PWM1設(shè)計(jì)實(shí)例

由于不同特性和規(guī)格的芯片各自靜態(tài)和動(dòng)態(tài)參數(shù)不同，使用相規(guī)格的芯片便于分析損耗分布，在這里選用Econodual3半橋模塊FF900R12ME7構(gòu)建ANPC拓?fù)?，先使用ANPC-PWM1算法進(jìn)行調(diào)制，如下圖以典型2.5MW PCS工況為例得到相應(yīng)的損耗數(shù)據(jù)。

表1 2.5MW儲能變流器仿真工況

圖1 ANPC-PWM1損耗分布情況

通過上圖可以看出不同工況下器件的整體損耗分布：

逆變工況下，損耗集中在T1/T4，T2/T3，D5/D6；

無功工況下，損耗分布在各個(gè)器件，損耗占比從大到小依次為T5/T6，T1/T4，D2/D3，T2/T3，D5/D6，D1/D4；

整流工況下，損耗集中在T5/T6，D2/D3，D1/D4；

將損耗進(jìn)一步細(xì)分為導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗，得到圖2器件具體的損耗情況。

圖2 ANPC-PWM1導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗占比

逆變工況下，T1/T4由于高頻切換，開關(guān)損耗占比更大；T2/T3正負(fù)半周期分別導(dǎo)通，僅有導(dǎo)通損耗；D5/D6導(dǎo)通損耗大于反向恢復(fù)損耗；

純無功工況下，由于包含逆變和整流過程，各個(gè)器件都有損耗產(chǎn)生，T1/T4和T5/T6均有導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗，T5/T6損耗相對最大。T2/T3主要為導(dǎo)通損耗，D1/D4和D5/D6的導(dǎo)通損耗相對反向恢復(fù)損耗占比更大，D2/D3僅有導(dǎo)通損耗，無反向恢復(fù)過程；

整流工況下，D1/D4主要以導(dǎo)通損耗為主，反向恢復(fù)時(shí)也產(chǎn)生損耗；D2/D3僅有導(dǎo)通損耗，T5/T6整流時(shí)進(jìn)行開關(guān)，同時(shí)存在導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗；

根據(jù)仿真結(jié)果可得ANPC-PWM1調(diào)制策略對各個(gè)位置芯片的面積需求，如下圖三所示：

圖3 ANPC-PWM1調(diào)制策略對芯片面積的需求

在實(shí)際應(yīng)用中不同的調(diào)制比和功率因數(shù)均會(huì)對芯片的損耗分布產(chǎn)生影響，較高的調(diào)制比會(huì)增加正電平或負(fù)電平路徑上芯片的損耗，較低的調(diào)制比會(huì)增加零電平路徑上芯片的損耗；不同的系統(tǒng)功率因數(shù)對應(yīng)不同電壓和電流的交疊區(qū)域，也會(huì)影響導(dǎo)通路徑上的損耗持續(xù)時(shí)間，損耗分布也呈現(xiàn)不同于典型工況的結(jié)果。

下面以典型的功率因數(shù)PF=1，PF=0和PF=-1以及不同調(diào)制比為例，對比分析各因素對損耗分布的影響。在仿真中保持其他直流側(cè)參數(shù)不變，固定輸出電流，僅改變功率因數(shù)和調(diào)制比進(jìn)行仿真。

圖4 PF=1時(shí)ANPC-PWM1在不同調(diào)制比下的損耗分布

圖4為在PF=1下不同調(diào)制比下的損耗分布?？梢娫谡{(diào)制比降低后，T1/T4導(dǎo)通時(shí)間縮短，因此對應(yīng)的導(dǎo)通損耗降低，開關(guān)損耗基本持平；T2/T3由于調(diào)制比降低后電流路徑轉(zhuǎn)移至零電平回路，T2/T3仍然會(huì)產(chǎn)生導(dǎo)通損耗，因此和較高調(diào)制比時(shí)的導(dǎo)通損耗區(qū)別不大；D5/D6因?qū)〞r(shí)間變長，導(dǎo)通損耗有所增加；

圖5 PF=-1時(shí)ANPC-PWM1在不同調(diào)制比下的損耗分布

圖5為PF=-1下不同調(diào)制比下的損耗分布，損耗集中在D1/D4，D2/D3和T5/T6上，調(diào)制比降低后，零電平路徑T5/T6的導(dǎo)通損耗上升， D1/D4導(dǎo)通損耗降低，D2/D3均為導(dǎo)通損耗，且D2/D3保持常通損耗沒有變化；

圖6 PF=0時(shí)ANPC-PWM1在不同調(diào)制比下的損耗分布

圖6為PF=0下不同調(diào)制比下的損耗分布，純無功工況下，調(diào)制比降低后T2/T3和D2/D3損耗沒有變化，但是由于導(dǎo)通時(shí)間變化，T1/T4和D1/D4芯片上的損耗會(huì)轉(zhuǎn)移到T5/T6和D5/D6芯片上。

ANPC-PWM2設(shè)計(jì)實(shí)例

如上篇文章提到，ANPC2調(diào)制策略的開關(guān)邏輯與ANPC-PWM1有所不同，T2/T3要進(jìn)行高頻開關(guān)動(dòng)作，損耗占比很大。F3L3MR12W3M1H模塊是基于ANPC-PWM2設(shè)計(jì)，用于高效率的215kw PCS，其中高頻開關(guān)M2/M3采用SiC芯片，四個(gè)工頻開關(guān)T1/T4/T5/T6使用IGBT芯片。表2是215kw PCS工況的仿真參數(shù)，基于F3L3MR12W3M1H_H11得到的損耗數(shù)據(jù)如圖7所示。

表2 215kW儲能變流器仿真工況

圖7 ANPC-PWM2在不同工作模式下的損耗分布

根據(jù)仿真結(jié)果可以看到，ANPC-PWM2調(diào)制中高頻SiC芯片在各個(gè)工作模式下的損耗占比遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于IGBT芯片，模塊的大部分損耗集中在SiC芯片上。其中SiC芯片的性能,散熱和芯片可靠性等綜合因素決定系統(tǒng)性能的優(yōu)劣和長期運(yùn)行可靠性。

圖8 ANPC-PWM2調(diào)制策略對芯片面積的需求

圖8為ANPC-PWM2調(diào)制算法所需的芯片面積占比，在對應(yīng)模塊中，根據(jù)損耗分布配置合理的芯片面積，均衡各個(gè)芯片的溫升，可以得到最佳的輸出能力和效率。

總結(jié)

本文結(jié)合PLECS仿真和大家一起探討了不同ANPC調(diào)制策略的特點(diǎn)，分析了芯片的損耗分布，以及在不同工作模式和調(diào)制比下芯片損耗分布的變化，可以通過仿真數(shù)據(jù)更好理解ANPC調(diào)制策略的特點(diǎn)和差異。