ANPC（有源中點鉗位，Active Neutral Point Clamped）拓撲是一種基於NPC型三電平拓撲所改良的技術，最早提出是為了解決NPC三電平拓撲中損耗分布不均與中點電位的問題。從結構上來看，ANPC是將NPC1的鉗位二極體替換為IGBT與二極體反向並聯的鉗位結構，和NPC1一樣能實現三電平輸出以降低諧波，且元件耐壓與NPC1相同。透過增加兩個IGBT，新增了兩條零電平換流路徑，有助於改善損耗分布，並具備更多的控制策略。ANPC拓撲目前已廣泛應用於風力發電變流器、太陽能發電、電池儲能等領域。
圖1 NPC1與ANPC的拓撲比較
以下我們將從換流路徑、調製策略以及晶片損耗分布等方面進行介紹，並結合模擬分析ANPC在實際案例中的損耗情況，以及對半導體元件的要求。
換流路徑
由於ANPC拓撲結構擴展了兩條新的零電平電流路徑，可以透過採用不同的調變策略來優化各個元件的損耗分佈，以提升效率。NPC1的零電平路徑如圖2所示，分別為D5→T2（0+）和T3→D6（0-）。ANPC額外增加了兩條新的路徑，分別為T6→D3（0+）和D2→T5（0-），其他正電平和負電平的電流路徑則未發生變化。
圖2 NPC1和ANPC的零電平換流路徑
基於新增的換流路徑，定義電流流出橋臂為正，並以電壓與電流分為四個象限進行分析：
- V＞0，I＞0，T1→T2可以換流到T6→D3或D5→T2
- V＜0，I＜0，T3→T4可以換流到T3→D6或D2→T5
- V＞0，I＜0，D1→D2可換流到D2→T5或T3→D6
- V＜0，I＞0，D3→D4可以換流到T6→D3或D5→T2
ANPC調製策略
透過選擇不同的電流路徑來對應不同的調製策略，較常見的調製策略有 ANPC-PWM1、ANPC-PWM2，以及零電平雙續流調製策略 ANPC-PWM100 等。
//ANPC-PWM1
圖3 ANPC-PWM1調變策略
圖3顯示了ANPC-PWM1的換流路徑以及各位置晶片的驅動波形。以正半週換流為例進行分析，當處於逆變狀態時（V＞0，I＞0），從正電平輸出切換至零電平時，有兩條電流路徑可供選擇。當選擇以D5/T2為換流路徑，即保持T2持續導通，T1則與T5進行互補導通，構成正半週不同電平的換流，此時T3、T4及T6皆為關閉狀態；當處於整流狀態時（V＞0，I＜0），正電平至零電平的切換路徑為D1/D2至D2/T5，依然是T1與T5進行互補導通。負半軸兩個象限的換流路徑同理，常導通元件為T3，T4與T6進行換流。
圖4 ANPC-PWM1調制策略對晶片面積的需求
這種調製策略和NPC1換流路徑類似，通常稱為ANPC-PWM1調製方式，主要特點是：
- 換流路徑最短，尖峰電壓可以得到更好的抑制。
- T1/T4、T5/T6 都是以半週期進行高頻切換；T2/T3 則是常開或常閉，於半週期切換一次，所產生的損耗大多為導通損耗。ANPC-PWM1 中，T2/T3 只有導通損耗，適用於對無功輸出能力要求較高的場景，例如 SVG 以及高低壓穿越等應用。
功率元件廠商會結合ANPC-PWM1的調制策略，針對各個位置的元件開通特性進行搭配。英飛凌擁有多樣化的晶片類型及豐富的開發經驗，可以選用高速晶片作為需要高頻切換的T1/T4/T5/T6，並以低飽和壓降的晶片用於低頻切換的T2/T3。透過最適合的晶片組合，能進一步提升模組的效率。
//ANPC-PWM2
圖5 ANPC-PWM2調變策略
圖5顯示了ANPC-PWM2的換流路徑以及各個晶片的驅動波形，同樣以正半週換流為例進行分析。當處於逆變狀態時（V＞0，I＞0），從正電平輸出切換至零電平時，選擇以T6/D3作為換流通路。在正半週時，T1和T6保持持續導通，此時需要關閉T2並開啟T3，T1與T6/D3構成正半週不同電平的換流，此時T4和T5皆為關閉狀態；當處於整流狀態時（V＞0，I＜0），正電平至零電平的切換路徑為D1/D2至T3/D6，依然是T2與T3互補導通。負半軸的兩個象限換流路徑亦同理，持續導通的元件切換為T4和T5，T4與D2/T5進行換流。
圖6 ANPC-PWM2調變策略對晶片面積的需求
這種調製策略與 APNC-PWM1 呈現出不同的特點，被稱為 ANPC-PWM2 調製方式，其特點為：
- 換流路徑較大，相較於ANPC1-PWM1會增加較大的換流回路雜散電感，IGBT關斷時的尖峰電壓需要特別注意。
- 在ANPC-PWM2中，只有T2和T3是全週期高頻切換，其餘位置的晶片都是半週期常通或常關狀態，並且每半週期切換一次，所產生的損耗基本上都是導通損耗。
另外，當輸出正電位時T1/T2導通，以及輸出負電位時T3/T4導通，相對應的T5/T6箝位二極體也會導通，這樣可以平衡T3/T4和T1/T2兩端的電壓，讓母線電壓平均分佈在兩個元件上。
同樣根據這種調制策略的特點，可以在三電平模組中將T2/T3配置為高頻SiC晶片，其餘晶片則以飽和壓降較小的晶片為主，以達到高效率的目的。
//ANPC-PWM100
圖7 ANPC-PWM100調變策略
除了ANPC-PWM1和ANPC-PWM2調制策略之外，透過合理運用零電位續流路徑，還可以進一步降低ANPC的整體損耗。
例如，在ANPC-PWM1中會新增零電平路徑T6/D3，並將D2/T5與T6/D3共同作為零電平路徑進行換流。以正電平和零電平換流為例，在T1關閉後，會依序打開D5/T2和T6/D3來進行零電平續流。此時，在一個週期內，部分晶片會在半週期內進行高頻切換，而T5和T6則在整個週期內進行高頻切換，相當於兩條路徑共同分擔零電平時刻所通過的電流，並以並聯分流的方式降低導通損耗。
透過合理切換冗餘零電壓狀態，可以調整開關元件的損耗分布，進而有針對性地提升逆變器的容量與元件的開關頻率。此外，雙續流ANPC調製的損耗改善效果會受到逆變器實際運行時的調製係數以及功率因數的影響，不同的工作模式下結果也會有所不同。後續將透過模擬分析ANPC在不同調製模式下的損耗分布情形。
下篇將詳細分析如何透過PLECS仿真工具來分析在不同調變方式和運作條件下，ANPC各個位置的晶片開關狀態及損耗分布情形。
