如何實現具有同步整流的混合有源中性點鉗位（ANPC）逆變器拓撲

具有電池存儲的光伏裝置越來越受歡迎，這是由于需要更具彈性的能源基礎設施來滿足需求波動。與只需要支持0.8至1功率因數范圍的傳統太陽能逆變器不同，支持電網電池充電的雙向逆變器也需要以-1的功率因數運行。有源中性點鉗位（ANPC）逆變器拓撲結構在這種雙向操作方面的優勢已經得到充分證明，領先的光伏逆變器制造商已經將其納入其解決方案中。

隨著每千瓦時價格的上漲，設備制造商正在尋求進一步提高其解決方案的效率，同時最大限度地減少對其設計所需的系統級修改。為此，他們轉向碳化硅元件，以利用其更高的功率密度和比標準硅元件更低的歐姆損耗。

***圖1. *在二極管和MOSFET溝道的I-V特越點之前，同步整流可顯著節省傳導損耗。圖片由 Bodo 的動力系統提供 [PDF]

* 圖2. 比較外部開關調制和內部開關調制在拓撲結構（左和右）和成本（中間）方面。圖片由 Bodo 的動力系統提供 [PDF]*

在本文中，我們將介紹如何使用同步整流（SR）優化ANPC逆變器拓撲的功率效率和成本。我們提供有關選擇最佳ANPC拓撲的見解，以充分利用日益流行的SiC MOSFET的功能。最后，我們提出了模擬，將模塊損耗和效率與其他方法進行比較。

什么是同步整流？

但首先，什么是同步整流，它在提高當前整流效率方面起什么作用？同步整流是一種通過用MOSFET的阻性通道代替二極管PN結壓降來降低續流路徑中傳導損耗的方法。

圖1顯示了二極管以及MOSFET溝道在25 °C和125 °C時的導通損耗。 傳導損耗節省由紅色箭頭指示的曲線之間的面積給出。在達到兩種I-V特性的交越點之前，同步整流可顯著節省傳導損耗。

注意交越點的溫度依賴性：雖然二極管上的正向電壓隨著溫度的升高而降低，但MOSFET在導通狀態Rds（on）的電阻增加，交越點向二極管移動。

ANPC一瞥

有源中性點鉗位逆變器拓撲將直流鏈路電壓轉換為可變頻率的交流電壓。與半橋或六橋相比，ANPC拓撲在輸出端提供額外的電壓電平，不僅可以跳到DC+和DC-，還可以跳到零。它主要用于高效三相光伏逆變器和具有雙向運行要求的應用，例如電池存儲。在大多數標準應用中，元件的阻斷電壓為 950 V 或 1200 V，可實現超過 1500 V 的 DC-Link 電壓。這使得ANPC逆變器成為1500 V應用的完美匹配。

三電平ANPC拓撲具有6個有源開關（IGBT或MOSFET）和4至6個二極管，通常使用兩種主要調制技術之一：外部和內部開關調制。在外部開關調制的情況下，連接到直流母線的四個開關以所需的扼流圈頻率（通常> 16 kHz）進行開關，而另外兩個開關以線路頻率（50-60 Hz）進行開關。在內部開關調制中，情況正好相反，連接到直流母線的四個開關以線路頻率切換，另外兩個以所需的扼流圈頻率切換。

雖然這兩種方案在功率效率方面不相上下，但它們在其他關鍵因素方面有所不同，即簡單性和成本。由于只有SiC MOSFET才能提供高頻開關所需的開關速度，因此外部開關調制需要它們位于四個位置，與只需要兩個位置的內部開關調制相比，成本顯著增加。此外，實現外部開關調制的同步整流（正負正弦周期使用不同的開關對）需要更復雜的脈寬調制（PWM）方案。

同時，內部開關調制對所有操作模式使用相同的開關對。內部開關調制作為混合電路實現，在兩個位置使用四個硅絕緣柵雙極晶體管 （IGBT） 和 SiC MOSFET，是最具成本效益的解決方案，為使用 SiC MOSFET 和同步整流的應用提供最佳拓撲。

具有內部開關調制的ANPC

具有內部開關調制的ANPC拓撲的最佳實現取決于最終應用的特定設計約束。下圖表示拓撲的兩種變體。第一種使用MOSFET的導電通道作為續流二極管，正如我們所看到的，這是同步整流的基礎。第二個去耦高邊和低邊開關，并聯一個額外的續流碳化硅肖特基勢壘二極管（SBD），與MOSFET體二極管并聯。

* 圖3. 將內部開關調制與同步整流（左）與使用額外的續流 SiC SBD 并聯到 MOSFET 體二極管（右）進行比較。圖片由 Bodo 的動力系統提供 [PDF]*

成本敏感型應用通常更喜歡第一種變體，它使用更少的組件，并且由于SiC含量最小化，提供最低的模塊成本。請注意，由于MOSFET體二極管的高正向電壓，這里必須進行同步整流。這種拓撲結構的一個例子是 LR88 系列的 Vincotech ANPC 逆變器模塊。

另一方面，具有對重新導通敏感的SiC MOSFET的應用更適合第二種變體，該變體使用續流SiC SBD，但由于額外的SiC組件，模塊成本更高。雖然使用此拓撲不需要同步整流，但它可用于進一步提高效率。這種拓撲結構的一個例子是LC59/69系列Vincotech ANPC逆變器模塊。

具有同步整流的ANPC的PWM模式

當實現具有同步整流的ANPC時，基本的PWM模式和占空比定義與傳統ANPC相對應。不同之處在于將續流時間分為三個階段。以下部分以正線路電壓和電流為例顯示了續流階段。

***圖4. *具有同步整流的ANPC的PWM模式。圖片由 Bodo 的動力系統提供 [PDF]

t1-t2：電流流過MOSFET體二極管（T14）。

此階段可確保適當的換向，并避免在 T13 關閉和 T14 開啟期間發生交叉傳導。通過完美的驅動信號匹配，理論上可以將這個時間優化為零。

t2-t3：MOSFET導通，電流流過導電通道。 應盡可能長時間地進行此階段，以最大程度地提高效率。

t3-t4：MOSFET 關斷，電流流過體二極管。 最后階段可確保適當的換向，并避免在T14關閉和T13開啟期間發生交叉傳導。通過完美的驅動信號匹配，理論上可以將這個時間優化為零。

比較效率

為了將ANPC與同步整流的效率與使用體二極管的實現和使用SiC SBD的實現進行比較，我們首先確定了仿真的邊界條件。

為此，我們使用Vincotech flowANPC S3功率模塊評估了SiC MOSFET的典型I-V特性，該模塊使用內部開關調制，無需續流二極管與SiC MOSFET體二極管并聯。

* 圖5. SiC MOSFET 在結溫 Tj 為 150 °C 時的典型 I-V 特性。 圖片由 Bodo 的動力系統提供 [PDF]*

同步整流在第三象限（Q3）進行。在此階段，MOSFET溝道完全導通，柵源電壓（VGS）高于14 V。MOSFET 溝道壓降低于其體二極管的壓降。

圖6. 將ANPC的功率和成本效率與（i）SR，（ii）MOSFET的體二極管和（iii）額外的SiC SBD進行比較。 仿真條件：Vdc=1350V，Vac=460V，cosphi=0.8，fsw=16kHz，Rg=4R，Ths=80°C。 *圖片由Bodo的電力系統提供 [PDF]*

在結溫 Tj 為 150 °C 且電流為 -250 A 時，MOSFET 溝道壓降 V DS （SR），為-2.5 V，而體二極管壓降為-5 V。

將采用同步整流的ANPC效率與使用體二極管和另一種使用SiC SBD的方案（如圖5所示）進行比較，發現具有同步整流的ANPC在整個功率范圍內提供最高的效率。它還表明，ANPC從高輸出功率下的同步整流中受益最大，從而減少了損耗并提高了效率。在較低的輸出功率下，由于續流電流低，同步整流的優勢較小。

如圖所示，用于續流的額外SiC SBD幾乎與SR的效率相當，但模塊的成本增加了18%。正如預期的那樣，由于正向電壓較高，使用SiC MOSFET的體二極管在高電流下續流是一個糟糕的選擇。

提高電源應用的效率

在本文中，我們介紹了適用于新興應用的最佳ANPC逆變器拓撲，例如光伏逆變器和電池存儲解決方案。特別是，我們看到具有內部開關調制的ANPC由于其較低的SiC含量，因此比具有外部開關調制的拓撲更具成本效益。

摒棄碳化硅SBD續流二極管，使用碳化硅MOSFET反向傳導通道可帶來更多好處。其中包括減少所需組件的數量，釋放DCB上的空間，以及在不損失性能的情況下進一步降低模塊成本。事實上，具有同步整流的ANPC比具有SiC SBD的ANPC具有更高的效率，并且在大多數情況下，不需要更改系統架構，包括柵極驅動電路甚至微控制器。

最后，Vincotech flowANPC S3功率模塊提供的具有同步整流功能的ANPC在性價比方面排名第一，使其成為各種電力電子應用的理想解決方案。在 vincotech.com 了解有關APNC逆變器拓撲的更多信息，并探索我們針對光伏、電池存儲和不間斷電源（UPS）應用需求量身定制的全系列逆變器模塊。