IGBT广泛应用于“I”字型三电平环流场景的详解

1、三电平简介：NPC（Neutral Point Clamped）三电平拓扑结构是一种应用最为广泛的多电平拓扑结构。NPC拓扑结构最早由日本长冈科技大学学者南波江章（Akira Nabae ）在80年的IAS年会上提出，并于90年代初在高压变频器上得到实际工业应用。

近年来随着电力电子技术在电力行业的发展，NPC三电平技术开始越来越多的应用到各个领域，包括光伏逆变器、风电变流器、高压变频器、UPS、APF/SVG、高频电源等都有着广泛的应用。NPC拓扑最常用的有两种结构，就是我们常说的“I”字型（也称NPC1）和“T”字型（也称NPC2）。原理图如下：

2、三电平优缺点

三电平电路具有以下优点：

①单个器件承受的电压较低，可以用在较高电压场合。

②相对于两电平，产生的电平数量较多，多电平叠加后更相似于正弦波，谐波含量小。

③电磁干扰问题减轻，三电平逆变器器件一次动作的dv/dt仅为传统两电平的二分之一。

④开关损耗显著降低，效率提高。

三电平电路的主要缺点为：

①需要较多的开关期间；

②控制算法复杂；

③功率损耗不平衡问题。

3、NPC1 三电平结构换流工作原理

①正电压，负电流（V>0，I<0）

这种情况下，电压为正，电流为负，从交流端流入拓扑，当输出正脉冲的时候，电流通过二极管流向正端；当输出零脉冲的时候，电流通过T3以及二极管流入中性点。

如上图所示，对于NPC1型三电平结构，T1和T3进行开关状态切换。T3打开后，电流由T3和D6流向中性点实现换流，同时D1反向恢复；T3关断后，电流由二极管D1、D2进行续流。

②正电压，正电流（V>0，I>0）

这种情况下，电压为正，电流为正，从交流端流出拓扑，当输出正脉冲的时候，电流通过IGBT（NPC1:T1&T2）流向交流端；当输出零脉冲的时候，电流通过T2以及二极管流到交流端。

如上图所示，对于NPC1型三电平结构，T1和T3进行开关状态切换。T1关断后，电流由T2和D5流向交流端实现续流；T1打开后，电流由T1、T2进行换流，同时D5反向恢复。

③负电压，正电流（V<0，I>0）

这种情况下，电压为负，电流为正，从交流端流出拓扑，当输出负脉冲的时候，电流由负端通过二极管流出；当输出零脉冲的时候，电流通过T2以及二极管流到交流端。

如上图所示，对于NPC1型三电平结构，T2和T4进行开关状态切换。T2打开后，电流由T2和D5流向交流端实现换流，同时D4反向恢复；T2关断后，电流由二极管 D3、D4进行续流。

④负电压，负电流（V<0，I<0）

这种情况下，电压为负，电流为负，从交流端流入拓扑，当输出负脉冲的时候，电流通过IGBT流向负端；当输出零脉冲的时候，电流通过T3以及二极管流到中性点。

如上图所示，对于NPC1型三电平结构，T2和T4进行开关状态切换。T4关断后，电流由T3和D6流向中性点实现续流；T4打开后，电流由T3、T4进行换流，同时D6反向恢复。

对上面的换流过程总结可以得到输出正电压、中点电压、负电压以及加上全部关断的时候的高阻状态总共四个主要开关状态。