我们聊了关于光伏并网系统的几个关键性问题，提到接下来会聊聊光伏逆变器的三电平拓扑，那么今天我们就来聊聊光伏并网系统的两种三电平拓扑——NPC1和NPC2~内容较长，建议收藏！
两种拓扑的基本介绍
类似工业变频器，伺服，UPS等，我们常见的逆变部分的电路拓扑都是两电平的那种，很少会提及到三电平的电路拓扑。但是像光伏、风电和中高压变频器等，三电平相对来讲就比较普遍了，当然也不乏两电平的拓扑。下面我们先来看看两种三电平电路拓扑的基本电路图：
首先，NPC1三电平，我们也称之为I字型三电平，逆变的拓扑结构如下：
每一相的拓扑为：
是不是很形象，I型三电平，目前很多半导体厂商都有相应的NPC1模块，也有设计过程中用三个两电平搭建三电平。
第二种，NPC2我们也称之为T型三电平，逆变的拓扑结构如下：
每一相的拓扑也很形象，T型三电平：
我们从所需功率半导体数量和所需驱动电源数量来聊聊这两种拓扑。
①所需功率器件数量
从上图来看，NPC1拓扑每相需要4只IGBT和6只二极管，三相总共需要12只IGBT和18只二极管；而NPC2拓扑每相需要4只IGBT和4只二极管，三相总共需要12只IGBT和12只二极管，在不增加控制难度的前提下，每相桥臂减少了2只钳位二极管，成本上略有降低。
②所需的驱动电源数量
要实现对IGBT较好的开关控制，驱动电路必须具备两种功能：一是实现控制电路和被驱动IGBT的隔离；二是提供合适的门极驱动脉冲。
如上图，NPC1三电平中12只IGBT需要12路驱动电路，为了防止上、下桥臂通过开关电源短路，每个桥臂的IGBT驱动电路需要采用相互隔离的直流电源供电，并且驱动电源的地和该IGBT的发射极相连；而下桥臂的T4\T8\T12是共发射极的，所以这三只IGBT的驱动电源共地，因而只需要一路驱动电源。因此，NPC1三电平至少需要10路相互隔离的驱动电源。
NPC2三电平拓扑中，每相桥臂由两只内管共集电极串联后与中点相连，由于T2与T1共发射极，可共用一路驱动电源；T3、T7和T11的发射极通过中点相连，也可共用一路驱动电源；T4、T8、T12共发射极也可共用一路驱动电源。所以，NPC2三电平拓扑只需5路相互隔离的驱动电源。从数量上看，NPC2比NPC1所需的驱动电源数量少，损耗和体积也就相应的减小了。
换流过程和损耗分析
下图是三电平逆变器的电压和电流波形图：
这里为了方便，我们以其中A相为例进行分析。V0为输出电压的基波分量。稳态时，三电平的P、0、N分别对应A点的电压为：+Vdc/2、0、-Vdc/2；负载电流IA由逆变器注入负载方向为正，反之为负。
当输出功率因数不为1时，假设感性负载时电流滞后电压θ角，将一个调制周期内的输出电压、电流根据过零点的情况划分为四个区域。我们这里仅分析在调制电压的正版周期(V0＞0)且负载电流IA＜0时的工作模式，其他工作模式是类似的。
为了便于分析，假定V0＞0且IA＜0时，并以0到P状态和P到0状态为例，分析其换流过程中的开关损耗。
NPC1拓扑的换流过程
①从0到P状态
下图为NPC1拓扑中从0到P状态的换流过程：
换流前 换流时 换流后
换流前：在t0时刻之前，T3导通T1关断，电流IA经T3、D14流入电容中点0，电路处于IA＜0，VA=0；
换流时：在t0~t1时间段，T3关断且T1尚未导通前，由感性负载作用，电流直接通过D2、D1流向P点；
换流后：在t1~t2时间段，T3关断T1导通后，电流IA经D2、D1流向P点，输出电压被二极管D2、D1钳位到正母线电压，电路处于IA＜0，VA=Vdc/2。
在此过程中负载电流在T3、D14和D2、D1之间换流。对应的开关损耗分别为Loss_T3、Loss_D14、Loss_D2、Loss_D1。
②从P到0状态
下图为NPC1拓扑中从P到0状态的换流过程：
换流前 换流时 换流后
换流前：在t1~t2时间段，T1导通T3关断，电流IA经D2和D1流向P点，电路处于IA＜0，VA=Vdc/2；
换流时：在t2~t3时间段，T1关断且T3尚未导通前，电流还是继续通过D2和D1流向P点；
换流后：在t3~t4时间段，T1关断T3导通后，电流IA经T3、D14流入到电容中点0，电路处于IA＜0，VA=0。
在此过程中，负载电流在D2、D1和T3、D14之间换流。对应的开关损耗分别为Loss_D2、Loss_D1、Loss_T3、Loss_D14。
NPC2拓扑的换流过程
①从0到P状态
下图为NPC2拓扑中从0到P状态的换流过程：
换流前 换流时 换流后
换流前：在t0时刻之前，T3导通T1关断，电流IA经D2、T3流入电容中点0，电路处于IA＜0，VA=0；
换流时：在t0~t1时间段，T3关断且T1尚未导通前，电流直接通过D1流向P点；
换流后：在t1~t2和t3~t4时间段，T3关断T1导通后，电流IA经D1流向P点，电路处于IA＜0，VA=Vdc/2。
在此过程中负载电流在T3、D2和D1之间换流。对应的开关损耗分别为Loss_T3、Loss_D2、Loss_D1。
②从P到0状态
下图为NPC2拓扑中从P到0状态的换流过程：
换流前 换流时 换流后
换流前：在t1~t2时刻段，T1导通T3关断，电流IA经D1流入电容中点P，电路处于IA＜0，VA=Vdc/2；
换流时：在t2~t3时间段，T1关断且T3尚未导通前，电流还是继续通过D1流向P点；
换流后：在t3~t4时间段，T1关断T3导通后，电流IA经D2和T3流入电容中点0，电路处于IA＜0，VA=0。
在此过程中负载电流在D2和D1、T3之间换流。对应的开关损耗分别为Loss_D2、Loss_D1、Loss_T3。
从上面的过程我们可以看到，在V0＞0且IA＜0时，无论是从0到P状态还是从P到0状态，NPC2拓扑均会比NPC1拓扑少一个二极管的开关损耗。类似的，V0＞0且IA＞0时，也是如此。
电压应力和损耗分析
NPC1三电平的电压应力和损耗分析
下图是NPC1拓扑在V0＞0且IA＜0时各个管子所承受电压应力的示意图：
图中以VA=Vdc/2为基准，其他电压应力按照高度比例以此为参考，VA和IA分别表示A相输出的电压和电流。
㈠ 在t0时刻之前
T3导通，T1、T2、T4关断，电流通过T3和D14流向中点0，此时VA=0，即0状态；T1、T2、D1、D2、D13承受的电压均为Vdc/4，T4、D4承受的电压为Vdc/2，由于T3、D14导通，故不承受电压应力，D3也不承受。
㈡ 在t0~t1、t1~t2、t2~t3和t4~t5时间段
其中t0~t1时间段，T1、T2、T3、T4均处于关断状态；t1~t2时间段，T1、T2同时导通；t2~t3时间段，T2导通，T1关断且T3尚未导通；t4~t5时间段，T3关断T2导通，这四个时间段电流都是通过D2和D1流向P点，输出电压被二极管钳位在正母线电压，此时VA=Vdc/2，即P状态。
㈢ 在t3~t4时间段
T2、T3导通，T2导通但没电流流过，电流通过T3和D14流入中点0，此时VA=0，即0状态。
对于NPC1拓扑，在V0＞0且IA＜0时，T1导通时间较长，并且开关状态频繁切换，功率损耗最大，而T2一直处于导通状态，只有导通损耗。同理分析其他情况，可以得出：两个外观T1、T4几乎承担所有的开关损耗，所以在开关频率较高时，两个外管的总损耗会很大，这样T1、T4的芯片结温就较高。
NPC2三电平的电压应力和损耗分析
下图是NPC2拓扑在V0＞0且IA＜0时各个管子所承受电压应力的示意图：
同样的，也可以和NPC1一样，分为三个状态：
㈠t0时刻前和t3~t4时间段；㈡t0~t1时间段；㈢t1~t2、t2~t3、t4~t5时间段。
这里就不再赘述，每个状态下的电压应力见下表：
状态功率管电压应力
㈠VT1、VT4、VD1、VD4
Vdc/2
VT2、VT3、VD2、VD30
㈡VT4、VD4Vdc
VT2、VD2、VT3、VD3Vdc/4
VT1、VD10
㈢VT4、VD4Vdc
VT3、VD3Vdc/2
VT1、VD1、VT2、VD20
对于NPC2拓扑，在V0＞0且IA＜0时，开关状态均由T1承担，续流状态由D2、T3承担。其他情况以此类推。可以得出：尚、下桥臂之间总的损耗比较均衡，发热也就较为均衡，有利于系统的稳定运行。另外，在有源供电状态时，只有一只管子(T1或者T4导通)，所以导通损耗较低，使得总损耗更低、效率更高。
好了，关于光伏系统逆变器的两种拓扑就聊到这里，更多内容后续跟进。今天的内容依旧希望你们能够喜欢~
上一篇：投资太阳能光伏项目的好处是什么? 下一篇：太阳能光伏电池是如何发电的?