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。這個拓撲是在經典的NPC 3L的基礎上演變而來的，即在NPC拓撲中的鉗位二極管D5和D6上分別并聯一個主動開關器件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注，個別逆變器廠商已將其產品化。那么，這個拓撲的優勢是什么？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的優勢

ANPC拓撲由于在鉗位回路上增加了兩個主動開關器件T5和T6，使其在零電位的電流通路由NPC拓撲的單一通路變為兩條可選擇的通路，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工作在開關頻率。

優勢1：器件損耗更加平衡

NPC 3L存在開關器件損耗不平衡的問題。以逆變工況為例（功率因數為1），T1管在電壓、電流正半周內一直存在高占空比的導通損耗和開關損耗，而T2管只存在連續導通損耗，這就導致T1管的損耗比T2管的大。

假設功率模塊在設計時各開關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，對應的結溫也最高（和NPC的情況一致）；

而在低頻/高頻（LF/HF）控制方式下，T1管處于連續導通狀態，不存在開關損耗，但T2管存在高占空比的導通損耗和開關損耗，這樣最高的損耗就會轉移到T2管上，其結溫也最高。

Thomas Brückner當年的思路是通過器件的結溫模型實時分析各器件的結溫，再經過結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雜、軟件計算量大的問題，同時ANPC要多使用兩個主動開關器件（對應的驅動也多兩個），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品上將其產品化 。

今天，ANPC拓撲又重出江湖，出現在光伏組串逆變器的應用中。 然而，損耗平衡的優勢并不是光伏組串逆變使用ANPC的主要原因。 隨著IGBT芯片技術的快速發展，各種針對不同應用場景的芯片也陸續被開發出來，如針對1500V光伏組串逆變器市場，英飛凌基于最新Micro-Pattern Trench (MPT)晶圓設計開發了950V S7、L7芯片 。

這些芯片有著不同的導通和開關特性，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，在正阻態負載情況下（即功率因數為1），換流發生在T1和D5之間，如圖3左圖所示，為短換流回路。

但對于功率因數不為1的情況下，如光伏逆變器通常會有功率因數0.8（超前和滯后）的要求，這時就會出現一定的無功功率。以電壓為正，電流為負為例，換流發生在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，換流發生在T1和D5之間，對應圖4左圖，為短換流回路。在需要無功功率的情況下，換流發生在D1和T5之間，對應圖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設計時，想必很多工程師都碰到過內管T2/T3過壓的煩惱，這正是因為在無功或負阻性（功率因數為-1）負載下NPC拓撲無法避免長換流回路，導致回路寄生電感較大，回路中的開關器件在關斷時產生較大的電壓尖峰。

當然我們的工程師都已經練就了一身好本領來處理這個過壓問題。常規招式就是增大關斷電阻，或者采用電壓有源鉗位；一些非常規招式包括但不限于驅動分級關斷，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：減小開關損耗

相同的芯片在不同的開關回路中其開關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。結論是寄生電感小的回路可以通過優化門極電阻提高開關速度，從而降低開關損耗。

優勢3：全功率因素范圍內效率更高

對于NPC拓撲，在逆變工況下（功率因數為1），承載電流的開關器件T1/T4（俗稱外管）以開關頻率工作；而T2/T3（俗稱內管）以基波頻率工作。這種工況下，為了降低開關器件的損耗，外管可選擇低開關損耗的芯片，如前面提到的950V S7芯片；

內管可選擇低導通損耗的芯片，如950V L7芯片。但在整流工況下（功率因數為-1），這個情況就會發生變化，T1/T4管只存在開關動作，但不承載電流；而承載電流的T2/T3管以開關頻率在工作，應該選擇低開關損耗的S7芯片。這種矛盾就會導致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）控制在開關頻率工作，而將內管控制在基波頻率工作。 因此各開關器件可以選擇一種固定特性的芯片：外管選低開關損耗的S7芯片；內管選為低導通損耗的L7芯片，來保持整個功率因素范圍內的高效運行。

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，而將內管控制在開關頻率工作。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，而開關頻率要求較高的應用場景，內管可采用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的三個主要優勢。那么這些優勢都能體現在光伏組串逆變器的應用中嗎？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用要求：

要求1：高效發電

將光伏電池板轉化的電能高效輸入電網是光伏逆變器最主要的任務。這里的關鍵詞是高效和發電，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單一的逆變工況進行優化，所以ANPC能做到的，NPC也能做到。

要求2：功率因數可調范圍

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。長換流回路發生在圖5區域1和區域3，即電壓和電流反向的區域。但在這兩個區域內，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）是對接入公共電網光伏逆變器的強制要求，要求在電網發生短時電壓跌落故障時逆變器不能脫網，同時具備滿發額定電流的無功來支撐電網電壓的快速恢復，其電壓、電流幅值及相位關系如圖6所示。

圖6 低電壓穿越時電壓、電流相位關系

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： 在區域1和區域3中電壓、電流反向，同時最大電流發生在電壓最低時（對應調制度為0）。對應到拓撲上，即：

對于NPC拓撲而言，存在長換流回路，而且內管T2/T3需要關斷額定電流，這就存在器件過壓的風險。同時，一個調制周期內器件導通的時間發生了變化，T2/T3需要長時間導通和開關額定電流，這就導致內管損耗很大，結溫很高，測試中需重點關注。

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。但由于一個調制周期內器件導通的時間發生了變化，T5/T6管需要長時間導通和開關額定電流，其損耗和結溫都很高。因此光伏應用中ANPC拓撲不能對T5/T6管的芯片電流降額。

惡劣工況2： 在區域2和區域4中電壓、電流同向，同時最大電流發生在電壓最低時（對應調制度為0）。對應到拓撲上，即：

對于NPC和ANPC都會存在鉗位二極管D5/D6管在一個調制周期內需要長時間導通和開關（反向恢復）額定電流，其損耗和結溫都很高，在測試中也應該予以關注。

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，在夜間逆變器不發電的時候，將其當作無功補償裝置SVG使用，其對應的電壓、電流幅值及相位關系如圖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工況中調制電壓為正常電網電壓（調制度接近1），同時作為輔助功能，一般不需要額定電流滿發無功，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優化了逆變工況下的芯片特性，就無法同時優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器件，同時多出兩路驅動和控制電路，其硬件成本會高于NPC拓撲。

可靠性

同樣，開關器件數量越多，面臨的失效點也會增多。可靠性上ANPC應該略差。

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器件的同時，也會多出4個門極驅動輔助端子，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。

控制復雜性

ANPC有6個主動開關器件，相對于NPC多出2個，其控制的復雜性也會增加，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用中NPC和ANPC拓撲的優劣勢對比如下：

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！