三电平有源层叠中点钳位式变换器拓扑分析

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（中国矿业大学 信息与电气工程学院，江苏 徐州 221008）

1 引言

三电平变换器从产生至今已经有近30年的发展历史，其间产生了大量的拓扑结构。三电平拓扑可以实现多电平输出，使变换器能够应用于更高电压等级的场合，提高输出电压的谐波性能。1977年德国学者Holtz提出三电平逆变器主电路及其方案。1980年日本长冈科技大学的Nable A.等人在此基础上继续发展［1］，将辅助钳位的开关管用一对二极管替代，分别与上、下桥臂串联的主开关管中点相连，以辅助中点钳位，单相的二极管中点钳位式（NPC）转换器拓扑结构如图1所示。

变换器随着其容量的不断提升，功率器件的损耗也急剧增加，散热问题已成为大功率三电平变频器研发过程中的关键问题之一。功率器件的温度都受其导通损耗（conduction losses）和开关损耗（switching losses）的共同影响。目前，国内学者对于三电平变频器的损耗计算和分析已有较多的研究［2－4］。

图1 三电平二极管中点钳位式单相拓扑Fig.1 Single－phase three－level diode NPC

常用的二极管中点钳位式三电平（3L－NPC）变换器的缺点之一就是同一桥臂内外管的损耗分布不平均［2］。一些衍生的新的拓扑结构，比如三电平有源 NPC（three－level active NPC）、三电平层叠式 NPC（three－level stacked NPC）［5－6］。采用ANPC或者SNPC的结构可以比传统的NPC提高20%的系统容量或者85%的开关频率，这对于实际应用很有价值［7］。衍生的拓扑可以提供比常用的二极管钳位式拓扑更多的零电平的电流回路，通过对零电平的分配，也能够有效地平衡各管之间的损耗。

在3L－ANPC和3L－SNPC 的基础上，文献［8］提出了一种新的衍生拓扑结构，两个IGBT替代二极管进行钳位，并有2个附加的可控开关与钳位二极管反向平行连接。……