首先給出標題的答案：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鉗位三電平。這個拓撲是在經(jīng)典的NPC 3L的基礎(chǔ)上演變而來的，即在NPC拓撲中的鉗位二極管D5和D6上分別并聯(lián)一個主動開關(guān)器件T5和T6，如圖1所示。

近期，該拓撲在1500V光伏組串逆變器上引起了較多的關(guān)注，個別逆變器廠商已將其產(chǎn)品化。那么，這個拓撲的優(yōu)勢是什么？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拓撲

ANPC的優(yōu)勢

ANPC拓撲由于在鉗位回路上增加了兩個主動開關(guān)器件T5和T6，使其在零電位的電流通路由NPC拓撲的單一通路變?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)計時各開關(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。

實際上，當年德國學(xué)者Thomas **Brückner****在2000年初提出ANPC拓撲的主要目的也就是要解決NPC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轉(zhuǎn)移到T2管上，其結(jié)溫也最高。

Thomas Brückner當年的思路是通過器件的結(jié)溫模型實時分析各器件的結(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、軟件計算量大的問題，同時ANPC要多使用兩個主動開關(guān)器件（對應(yīng)的驅(qū)動也多兩個），因此，當年ANPC拓撲并沒有引起太多的興趣，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拓撲又重出江湖，出現(xiàn)在光伏組串逆變器的應(yīng)用中。 然而，損耗平衡的優(yōu)勢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，各種針對不同應(yīng)用場景的芯片也陸續(xù)被開發(fā)出來，如針對1500V光伏組串逆變器市場，英飛凌基于最新Micro-Pattern Trench (MPT)晶圓設(shè)計開發(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拓撲對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2：全工況短換流回路

對于NPC拓撲，在零電位時電流流出有一條通路，電流流進是另外一條通路，這就會導(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。

但對于功率因數(shù)不為1的情況下，如光伏逆變器通常會有功率因數(shù)0.8（超前和滯后）的要求，這時就會出現(xiàn)一定的無功功率。以電壓為正，電流為負為例，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拓撲換流回路

而對于ANPC拓撲，在零電位時電流流出有兩條通路，電流流進也有兩條通路，利用這個電流通路的冗余性， 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，對應(yīng)圖4右圖，同樣為短換流回路。

圖4 ANPC拓撲換流回路

那么短換流回路有什么好處？

好處1：降低過壓風險

在NPC 3L設(shè)計時，想必很多工程師都碰到過內(nèi)管T2/T3過壓的煩惱，這正是因為在無功或負阻性（功率因數(shù)為-1）負載下NPC拓撲無法避免長換流回路，導(dǎo)致回路寄生電感較大，回路中的開關(guān)器件在關(guān)斷時產(chǎn)生較大的電壓尖峰。

當然我們的工程師都已經(jīng)練就了一身好本領(lǐng)來處理這個過壓問題。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)動分級關(guān)斷，過壓吸收電路。但這些招式的背后都會或多或少付出一些負面代價。

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。 對這個問題的解釋，我們之前的一篇文章《寄生電感對IGBT特性的影響》中已有詳細的分析。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3：全功率因素范圍內(nèi)效率更高

對于NPC拓撲，在逆變工況下（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），這個情況就會發(fā)生變化，T1/T4管只存在開關(guān)動作，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。這種矛盾就會導(dǎo)致NPC拓撲T2/T3管無法采用一種芯片來滿足不同工況下高效的要求。

但對于ANPC拓撲，無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，來保持整個功率因素范圍內(nèi)的高效運行。

當然，對于ANPC拓撲，也可以采用低頻/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較小，而開關(guān)頻率要求較高的應(yīng)用場景，內(nèi)管可采用SiC MOSFET**。**

ANPC是光伏組串逆變器的最佳選擇嗎？

前面我們從拓撲角度講了ANPC的三個主要優(yōu)勢。那么這些優(yōu)勢都能體現(xiàn)在光伏組串逆變器的應(yīng)用中嗎？回答這個問題之前，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為是功率因素為1的工況。在這種單一工況下，NPC拓撲也沒有長換流回路，同時芯片特性也可根據(jù)單一的逆變工況進行優(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險大、開關(guān)損耗高的劣勢也會得到弱化，只能說略差于ANPC拓撲。

圖5 功率因素0.8時電壓、電流相位關(guān)系

要求3：低電壓穿越能力

低電壓穿越（LVRT）是對接入公共電網(wǎng)光伏逆變器的強制要求，要求在電網(wǎng)發(fā)生短時電壓跌落故障時逆變器不能脫網(wǎng)，同時具備滿發(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，同時最大電流發(fā)生在電壓最低時（對應(yīng)調(diào)制度為0）。對應(yīng)到拓撲上，即：

對于NPC拓撲而言，存在長換流回路，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險。同時，一個調(diào)制周期內(nèi)器件導(dǎo)通的時間發(fā)生了變化，T2/T3需要長時間導(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，測試中需重點關(guān)注。

對于ANPC拓撲而言，高頻/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險。但由于一個調(diào)制周期內(nèi)器件導(dǎo)通的時間發(fā)生了變化，T5/T6管需要長時間導(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拓撲不能對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，同時最大電流發(fā)生在電壓最低時（對應(yīng)調(diào)制度為0）。對應(yīng)到拓撲上，即：

對于NPC和ANPC都會存在鉗位二極管D5/D6管在一個調(diào)制周期內(nèi)需要長時間導(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輔助功能，在夜間逆變器不發(fā)電的時候，將其當作無功補償裝置SVG使用，其對應(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

對于NPC和ANPC拓撲，上面LVRT中提到的問題同樣會存在SVG運行工況中，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高于LVRT。

但是SVG是一個連續(xù)運行的工況，從損耗或效率角度，NPC會差于ANPC拓撲，原因在于NPC優(yōu)化了逆變工況下的芯片特性，就無法同時優(yōu)化無功負載下的特性。

以上是從功能和性能方面對NPC和ANPC兩種拓撲做了對比分析。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拓撲要多使用兩個主動開關(guān)器件，同時多出兩路驅(qū)動和控制電路，其硬件成本會高于NPC拓撲。

可靠性

同樣，開關(guān)器件數(shù)量越多，面臨的失效點也會增多?？煽啃陨螦NPC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拓撲多出兩個主動開關(guān)器件的同時，也會多出4個門極驅(qū)動輔助端子，這些都會占用DBC的面積，因此相同封裝下，ANPC芯片電流能力會低于NPC。

控制復(fù)雜性

ANPC有6個主動開關(guān)器件，相對于NPC多出2個，其控制的復(fù)雜性也會增加，同時在短路保護時需要考慮的因素更多。

綜上，對光伏組串逆變器應(yīng)用中NPC和ANPC拓撲的優(yōu)劣勢對比如下：

最后，回到這篇文章的標題：光伏組串逆變器需要ANPC拓撲嗎？答案是未必。因為無論從實用性還是性價比，NPC拓撲都是一個不錯的選擇！