首先給出標(biāo)題的答案：未必。

ANPC 3L，英文全稱叫Active Neutral Point Clamped Three Level；中文全稱叫有源中性點(diǎn)鉗位三電平。這個(gè)拓?fù)涫窃诮?jīng)典的NPC 3L的基礎(chǔ)上演變而來的，即在NPC拓?fù)渲械你Q位二極管D5和D6上分別并聯(lián)一個(gè)主動(dòng)開關(guān)器件T5和T6，如圖1所示。

近期，該拓?fù)湓?500V光伏組串逆變器上引起了較多的關(guān)注，個(gè)別逆變器廠商已將其產(chǎn)品化。那么，這個(gè)拓?fù)涞膬?yōu)勢(shì)是什么？它是1500V光伏組串逆變器的最佳選擇嗎？本文試圖回答這些問題。

圖1 NPC和ANPC拓?fù)?/p>

ANPC的優(yōu)勢(shì)

ANPC拓?fù)溆捎谠阢Q位回路上增加了兩個(gè)主動(dòng)開關(guān)器件T5和T6，使其在零電位的電流通路由NPC拓?fù)涞膯我煌纷優(yōu)閮蓷l可選擇的通路，如圖2所示（以電流流出逆變器為例）。

圖2 零電位電流通路（電流流出）

正是由于這兩條零電位電流通路的存在，使得ANPC的PWM控制方法變得更加靈活。

采用高頻/低頻（HF/LF）的控制方式，可使得T1/D1，T4/D4，T5/D5，T6/D6工作在開關(guān)頻率；而T2/D2，T3/D3工作在基波頻率。

采用低頻/高頻（LF/HF）的控制方式，可使得T1/D1，T4/D4，T5/D5，T6/D6工作在基波頻率；而T2/D2，T3/D3工作在開關(guān)頻率。

優(yōu)勢(shì)1：器件損耗更加平衡

NPC 3L存在開關(guān)器件損耗不平衡的問題。以逆變工況為例（功率因數(shù)為1），T1管在電壓、電流正半周內(nèi)一直存在高占空比的導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗，而T2管只存在連續(xù)導(dǎo)通損耗，這就導(dǎo)致T1管的損耗比T2管的大。

假設(shè)功率模塊在設(shè)計(jì)時(shí)各開關(guān)器件的熱均衡度較好，即T1管和T2管有相同的熱阻，那么T1管的結(jié)溫會(huì)明顯高于T2管，這也就限制了逆變器的輸出電流和功率的能力。

實(shí)際上，當(dāng)年德國學(xué)者Thomas **Brückner****在2000年初提出ANPC拓?fù)涞闹饕康囊簿褪且鉀QNPC損耗不平衡的問題 。**上文已經(jīng)提到，ANPC存在高頻/低頻（HF/LF）和低頻/高頻（LF/HF）兩種控制方式。以逆變工況為例，高頻/低頻（HF/LF）控制方式下，T1管的損耗最大，對(duì)應(yīng)的結(jié)溫也最高（和NPC的情況一致）；

而在低頻/高頻（LF/HF）控制方式下，T1管處于連續(xù)導(dǎo)通狀態(tài)，不存在開關(guān)損耗，但T2管存在高占空比的導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗，這樣最高的損耗就會(huì)轉(zhuǎn)移到T2管上，其結(jié)溫也最高。

Thomas Brückner當(dāng)年的思路是通過器件的結(jié)溫模型實(shí)時(shí)分析各器件的結(jié)溫，再經(jīng)過結(jié)溫判斷邏輯來切換兩種控制方法，從而最大程度上平衡各器件的結(jié)溫，使得逆變器能輸出更大的電流和功率。

但這種思路存在控制復(fù)雜、軟件計(jì)算量大的問題，同時(shí)ANPC要多使用兩個(gè)主動(dòng)開關(guān)器件（對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)也多兩個(gè)），因此，當(dāng)年ANPC拓?fù)洳]有引起太多的興趣，只有ABB公司在其少部分中壓變頻產(chǎn)品上將其產(chǎn)品化 。

今天，ANPC拓?fù)溆种爻鼋霈F(xiàn)在光伏組串逆變器的應(yīng)用中。 然而，損耗平衡的優(yōu)勢(shì)并不是光伏組串逆變使用ANPC的主要原因。 隨著IGBT芯片技術(shù)的快速發(fā)展，各種針對(duì)不同應(yīng)用場(chǎng)景的芯片也陸續(xù)被開發(fā)出來，如針對(duì)1500V光伏組串逆變器市場(chǎng)，英飛凌基于最新Micro-Pattern Trench (MPT)晶圓設(shè)計(jì)開發(fā)了950V S7、L7芯片 。

這些芯片有著不同的導(dǎo)通和開關(guān)特性，能更好地配合ANPC 3L拓?fù)鋵?duì)不同位置芯片特性的要求，從而可以降低逆變器的損耗、提高效率，這就是光伏組串逆變使用ANPC的主要原因。

優(yōu)勢(shì)2：全工況短換流回路

對(duì)于NPC拓?fù)洌诹汶娢粫r(shí)電流流出有一條通路，電流流進(jìn)是另外一條通路，這就會(huì)導(dǎo)致電流換流回路的大小不一致，有短換流回路和長換流回路兩種。以逆變工況為例，在正阻態(tài)負(fù)載情況下（即功率因數(shù)為1），換流發(fā)生在T1和D5之間，如圖3左圖所示，為短換流回路。

但對(duì)于功率因數(shù)不為1的情況下，如光伏逆變器通常會(huì)有功率因數(shù)0.8（超前和滯后）的要求，這時(shí)就會(huì)出現(xiàn)一定的無功功率。以電壓為正，電流為負(fù)為例，換流發(fā)生在D1，D2，T3，D6之間，如圖3右圖所示，形成長換流回路。

圖3 NPC拓?fù)鋼Q流回路

而對(duì)于ANPC拓?fù)洌诹汶娢粫r(shí)電流流出有兩條通路，電流流進(jìn)也有兩條通路，利用這個(gè)電流通路的冗余性， 采用高頻/低頻（HF/LF）的控制方式，可以把所有的換流都控制為短換流回路。 比如，功率因素為1的情況下，換流發(fā)生在T1和D5之間，對(duì)應(yīng)圖4左圖，為短換流回路。在需要無功功率的情況下，換流發(fā)生在D1和T5之間，對(duì)應(yīng)圖4右圖，同樣為短換流回路。

圖4 ANPC拓?fù)鋼Q流回路

那么短換流回路有什么好處？

好處1：降低過壓風(fēng)險(xiǎn)

在NPC 3L設(shè)計(jì)時(shí)，想必很多工程師都碰到過內(nèi)管T2/T3過壓的煩惱，這正是因?yàn)樵跓o功或負(fù)阻性（功率因數(shù)為-1）負(fù)載下NPC拓?fù)錈o法避免長換流回路，導(dǎo)致回路寄生電感較大，回路中的開關(guān)器件在關(guān)斷時(shí)產(chǎn)生較大的電壓尖峰。

當(dāng)然我們的工程師都已經(jīng)練就了一身好本領(lǐng)來處理這個(gè)過壓?jiǎn)栴}。常規(guī)招式就是增大關(guān)斷電阻，或者采用電壓有源鉗位；一些非常規(guī)招式包括但不限于驅(qū)動(dòng)分級(jí)關(guān)斷，過壓吸收電路。但這些招式的背后都會(huì)或多或少付出一些負(fù)面代價(jià)。

好處2：減小開關(guān)損耗

相同的芯片在不同的開關(guān)回路中其開關(guān)特性和損耗是不一樣的。 對(duì)這個(gè)問題的解釋，我們之前的一篇文章《寄生電感對(duì)IGBT特性的影響》中已有詳細(xì)的分析。結(jié)論是寄生電感小的回路可以通過優(yōu)化門極電阻提高開關(guān)速度，從而降低開關(guān)損耗。

優(yōu)勢(shì)3：全功率因素范圍內(nèi)效率更高

對(duì)于NPC拓?fù)洌谀孀児r下（功率因數(shù)為1），承載電流的開關(guān)器件T1/T4（俗稱外管）以開關(guān)頻率工作；而T2/T3（俗稱內(nèi)管）以基波頻率工作。這種工況下，為了降低開關(guān)器件的損耗，外管可選擇低開關(guān)損耗的芯片，如前面提到的950V S7芯片；

內(nèi)管可選擇低導(dǎo)通損耗的芯片，如950V L7芯片。但在整流工況下（功率因數(shù)為-1），這個(gè)情況就會(huì)發(fā)生變化，T1/T4管只存在開關(guān)動(dòng)作，但不承載電流；而承載電流的T2/T3管以開關(guān)頻率在工作，應(yīng)該選擇低開關(guān)損耗的S7芯片。這種矛盾就會(huì)導(dǎo)致NPC拓?fù)銽2/T3管無法采用一種芯片來滿足不同工況下高效的要求。

但對(duì)于ANPC拓?fù)洌瑹o論是逆變還是整流工況，都可以采用高頻/低頻（HF/LF）的控制方式，將外管器件（包括T5/T6）控制在開關(guān)頻率工作，而將內(nèi)管控制在基波頻率工作。 因此各開關(guān)器件可以選擇一種固定特性的芯片：外管選低開關(guān)損耗的S7芯片；內(nèi)管選為低導(dǎo)通損耗的L7芯片，來保持整個(gè)功率因素范圍內(nèi)的高效運(yùn)行。

當(dāng)然，對(duì)于ANPC拓?fù)洌部梢圆捎玫皖l/高頻（LF/HF）的控制方式，將外管控制在基波頻率工作，而將內(nèi)管控制在開關(guān)頻率工作。這種控制方式下，所有的換流回路都是長換流。因此比較適合功率相對(duì)較小，而開關(guān)頻率要求較高的應(yīng)用場(chǎng)景，內(nèi)管可采用SiC MOSFET**。**

ANPC是光伏組串逆變器的最佳選擇嗎？

前面我們從拓?fù)浣嵌戎v了ANPC的三個(gè)主要優(yōu)勢(shì)。那么這些優(yōu)勢(shì)都能體現(xiàn)在光伏組串逆變器的應(yīng)用中嗎？回答這個(gè)問題之前，我們先看一下光伏組串逆變器的一些應(yīng)用要求：

要求1：高效發(fā)電

將光伏電池板轉(zhuǎn)化的電能高效輸入電網(wǎng)是光伏逆變器最主要的任務(wù)。這里的關(guān)鍵詞是高效和發(fā)電，翻譯成對(duì)逆變器的需求就是低損耗和逆變工況。前面已經(jīng)提到，逆變工況可以粗略認(rèn)為是功率因素為1的工況。在這種單一工況下，NPC拓?fù)湟矝]有長換流回路，同時(shí)芯片特性也可根據(jù)單一的逆變工況進(jìn)行優(yōu)化，所以ANPC能做到的，NPC也能做到。

要求2：功率因數(shù)可調(diào)范圍

光伏逆變器通常對(duì)功率因素有0.8超前~0.8滯后的要求，在這種情況下，NPC的長換流回路就無法避免。長換流回路發(fā)生在圖5區(qū)域1和區(qū)域3，即電壓和電流反向的區(qū)域。但在這兩個(gè)區(qū)域內(nèi)，電流的最大值只有額定電流的60%，因此NPC長換流回來帶來的過壓風(fēng)險(xiǎn)大、開關(guān)損耗高的劣勢(shì)也會(huì)得到弱化，只能說略差于ANPC拓?fù)洹?/p>

圖5 功率因素0.8時(shí)電壓、電流相位關(guān)系

要求3：低電壓穿越能力

低電壓穿越（LVRT）是對(duì)接入公共電網(wǎng)光伏逆變器的強(qiáng)制要求，要求在電網(wǎng)發(fā)生短時(shí)電壓跌落故障時(shí)逆變器不能脫網(wǎng)，同時(shí)具備滿發(fā)額定電流的無功來支撐電網(wǎng)電壓的快速恢復(fù)，其電壓、電流幅值及相位關(guān)系如圖6所示。

圖6 低電壓穿越時(shí)電壓、電流相位關(guān)系

從圖6中可以看出低電壓穿越情況下存在兩個(gè)惡劣的工況：

惡劣工況1： 在區(qū)域1和區(qū)域3中電壓、電流反向，同時(shí)最大電流發(fā)生在電壓最低時(shí)（對(duì)應(yīng)調(diào)制度為0）。對(duì)應(yīng)到拓?fù)渖希矗?/p>

對(duì)于NPC拓?fù)涠裕嬖陂L換流回路，而且內(nèi)管T2/T3需要關(guān)斷額定電流，這就存在器件過壓的風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，一個(gè)調(diào)制周期內(nèi)器件導(dǎo)通的時(shí)間發(fā)生了變化，T2/T3需要長時(shí)間導(dǎo)通和開關(guān)額定電流，這就導(dǎo)致內(nèi)管損耗很大，結(jié)溫很高，測(cè)試中需重點(diǎn)關(guān)注。

對(duì)于ANPC拓?fù)涠裕哳l/低頻（HF/LF）控制方式下，不存在長換流回路，也就不要過多考慮器件過壓風(fēng)險(xiǎn)。但由于一個(gè)調(diào)制周期內(nèi)器件導(dǎo)通的時(shí)間發(fā)生了變化，T5/T6管需要長時(shí)間導(dǎo)通和開關(guān)額定電流，其損耗和結(jié)溫都很高。因此光伏應(yīng)用中ANPC拓?fù)洳荒軐?duì)T5/T6管的芯片電流降額。

惡劣工況2： 在區(qū)域2和區(qū)域4中電壓、電流同向，同時(shí)最大電流發(fā)生在電壓最低時(shí)（對(duì)應(yīng)調(diào)制度為0）。對(duì)應(yīng)到拓?fù)渖希矗?/p>

對(duì)于NPC和ANPC都會(huì)存在鉗位二極管D5/D6管在一個(gè)調(diào)制周期內(nèi)需要長時(shí)間導(dǎo)通和開關(guān)（反向恢復(fù)）額定電流，其損耗和結(jié)溫都很高，在測(cè)試中也應(yīng)該予以關(guān)注。

要求4：夜間SVG功能

為了充分利用光伏逆變器的硬件電路，現(xiàn)在一些廠家也提供逆變器的一項(xiàng)輔助功能，在夜間逆變器不發(fā)電的時(shí)候，將其當(dāng)作無功補(bǔ)償裝置SVG使用，其對(duì)應(yīng)的電壓、電流幅值及相位關(guān)系如圖7所示，圖中假定最大無功電流為額定電流的60%。

圖7 SVG工況下電壓、電流相位關(guān)系

對(duì)于NPC和ANPC拓?fù)洌厦鍸VRT中提到的問題同樣會(huì)存在SVG運(yùn)行工況中，只不過SVG工況中調(diào)制電壓為正常電網(wǎng)電壓（調(diào)制度接近1），同時(shí)作為輔助功能，一般不需要額定電流滿發(fā)無功，所以其面臨的惡劣工況不會(huì)高于LVRT。

但是SVG是一個(gè)連續(xù)運(yùn)行的工況，從損耗或效率角度，NPC會(huì)差于ANPC拓?fù)洌蛟谟贜PC優(yōu)化了逆變工況下的芯片特性，就無法同時(shí)優(yōu)化無功負(fù)載下的特性。

以上是從功能和性能方面對(duì)NPC和ANPC兩種拓?fù)渥隽藢?duì)比分析。除此之外，我們還應(yīng)該考慮以下一些因素：

成本

相比于NPC，ANPC拓?fù)湟嗍褂脙蓚€(gè)主動(dòng)開關(guān)器件，同時(shí)多出兩路驅(qū)動(dòng)和控制電路，其硬件成本會(huì)高于NPC拓?fù)洹?/p>

可靠性

同樣，開關(guān)器件數(shù)量越多，面臨的失效點(diǎn)也會(huì)增多。可靠性上ANPC應(yīng)該略差。

芯片電流能力

在相同的模塊封裝中，放置芯片的DBC的面積是一定的。ANPC拓?fù)涠喑鰞蓚€(gè)主動(dòng)開關(guān)器件的同時(shí)，也會(huì)多出4個(gè)門極驅(qū)動(dòng)輔助端子，這些都會(huì)占用DBC的面積，因此相同封裝下，ANPC芯片電流能力會(huì)低于NPC。

控制復(fù)雜性

ANPC有6個(gè)主動(dòng)開關(guān)器件，相對(duì)于NPC多出2個(gè)，其控制的復(fù)雜性也會(huì)增加，同時(shí)在短路保護(hù)時(shí)需要考慮的因素更多。

綜上，對(duì)光伏組串逆變器應(yīng)用中NPC和ANPC拓?fù)涞膬?yōu)劣勢(shì)對(duì)比如下：

最后，回到這篇文章的標(biāo)題：光伏組串逆變器需要ANPC拓?fù)鋯幔看鸢甘俏幢亍?strong>因?yàn)闊o論從實(shí)用性還是性價(jià)比，NPC拓?fù)涠际且粋€(gè)不錯(cuò)的選擇！