在上一篇（ANPC拓撲調製策略特點及損耗分析（上））中，我們討論了ANPC的基本原理、換流路徑以及調製策略。本文則透過PLECS模擬工具，分析在不同調製方式與運作條件下，ANPC各位置晶片的開關狀態與損耗分布情形。
ANPC-PWM1設計實例
由於不同特性和規格的晶片其靜態和動態參數各不相同，選用相同規格的晶片有助於分析損耗分布。因此，本次選擇Econodual3半橋模組FF900R12ME7來構建ANPC拓撲，並先採用ANPC-PWM1演算法進行調製。如下圖所示，以典型2.5MW PCS工況為例，獲得相應的損耗數據。
表1 2.5MW儲能變流器模擬運行工況
圖1 ANPC-PWM1損耗分布情況
從上圖可以看出，不同工作狀態下器件的整體損耗分布情況：
- 在逆變運作條件下，損耗主要集中在T1/T4、T2/T3以及D5/D6。
- 在無功工況下，損耗分布於各個元件，損耗占比由大到小依序為T5/T6、T1/T4、D2/D3、T2/T3、D5/D6、D1/D4。
- 在整流運作狀態下，損耗主要集中在T5/T6、D2/D3，以及D1/D4。
將損耗進一步細分為導通損耗和開關損耗，可以得到圖2中器件的具體損耗情況。
圖2 ANPC-PWM1導通損耗與開關損耗占比
- 在逆變運作條件下，T1/T4由於高頻切換，開關損耗所佔比例較大；T2/T3則分別在正半週和負半週導通，僅有導通損耗；D5/D6的導通損耗大於反向恢復損耗。
- 在純無功工況下，由於包含逆變和整流過程，各個元件都會產生損耗，T1/T4 和 T5/T6 都有導通損耗和開關損耗，其中 T5/T6 的損耗相對最大。T2/T3 主要是導通損耗，D1/D4 和 D5/D6 的導通損耗相較於反向恢復損耗佔比較大，D2/D3 只有導通損耗，沒有反向恢復過程。
- 在整流工況下，D1/D4 主要以導通損耗為主，反向恢復時也會產生損耗；D2/D3 僅有導通損耗，T5/T6 在整流時進行開關動作，同時存在導通損耗和開關損耗。
根據模擬結果可得知，ANPC-PWM1調變策略對各個位置晶片的面積需求，如下圖三所示：
圖3 ANPC-PWM1調變策略對晶片面積的需求
在實際應用中，不同的調製比和功率因數都會對晶片的損耗分布產生影響。較高的調製比會增加正電平或負電平路徑上晶片的損耗，而較低的調製比則會增加零電平路徑上晶片的損耗。不同的系統功率因數對應不同電壓與電流的重疊區域，也會影響導通路徑上的損耗持續時間，因此損耗分布也會呈現出有別於典型工況的結果。
以下以典型的功率因數PF=1、PF=0和PF=-1，以及不同的調製比為例，對比分析各項因素對損耗分布的影響。在模擬過程中，保持其他直流側參數不變，並固定輸出電流，只改變功率因數和調製比進行模擬。
圖4 PF=1時，ANPC-PWM1在不同調製比下的損耗分佈
圖4顯示在PF=1的情況下，不同調製比下的損耗分佈。可以看出，當調製比降低時，T1/T4的導通時間縮短，因此相對應的導通損耗也隨之降低，而開關損耗則基本持平；至於T2/T3，由於調製比降低後電流路徑轉移至零電平迴路，T2/T3仍然會產生導通損耗，因此與較高調製比時的導通損耗差異不大；而D5/D6因為導通時間變長，導通損耗有所增加。
圖5 PF=-1時，ANPC-PWM1在不同調製比下的損耗分布
圖5顯示在PF=-1的情況下，不同調製比下的損耗分布。損耗主要集中在D1/D4、D2/D3以及T5/T6上。當調製比降低時，零電平路徑T5/T6的導通損耗上升，而D1/D4的導通損耗則降低。D2/D3的損耗均為導通損耗，且D2/D3的導通損耗保持不變。
圖6 PF=0時，ANPC-PWM1在不同調製比下的損耗分佈
圖6顯示在PF=0的情況下，不同調製比下的損耗分布。在純無功運作條件下，調製比降低後，T2/T3和D2/D3的損耗沒有變化，但由於導通時間的變化，T1/T4和D1/D4晶片上的損耗會轉移到T5/T6和D5/D6晶片上。
ANPC-PWM2設計實例
如同上一篇文章所提到，ANPC2調製策略的開關邏輯與ANPC-PWM1有所不同，T2/T3需要進行高頻開關動作，因此其損耗占比較大。F3L3MR12W3M1H模組是基於ANPC-PWM2設計，用於高效率的215kW PCS，其中高頻開關M2/M3採用SiC晶片，四個工頻開關T1/T4/T5/T6則使用IGBT晶片。表2為215kW PCS運作條件下的模擬參數，根據F3L3MR12W3M1H_H11得到的損耗數據如圖7所示。
表2 215kW儲能變流器模擬運行工況
圖7 ANPC-PWM2在不同工作模式下的損耗分布
根據模擬結果可以看出，在ANPC-PWM2調製中，高頻SiC晶片在各種工作模式下的損耗比例遠高於IGBT晶片，模組的大部分損耗都集中在SiC晶片上。其中，SiC晶片的性能、散熱以及晶片可靠性等綜合因素，決定了系統性能的優劣以及長期運行的可靠性。
圖8 ANPC-PWM2調變策略對晶片面積的需求
圖8顯示了ANPC-PWM2調變演算法所需的晶片面積占比。在相應的模組中，根據損耗分布來配置合理的晶片面積，能夠均衡各個晶片的溫升，進而獲得最佳的輸出能力與效率。
總結
本文結合PLECS模擬，與大家一同探討不同ANPC調變策略的特點，分析晶片的損耗分布，以及在不同工作模式和調變比下晶片損耗分布的變化。透過模擬數據，可以更深入理解ANPC調變策略的特性與差異。
