三电平逆变器的原理及应用知识分享

IGBT模块三电平逆变器“I”字型和“T”字型电路的比较分析

随着太阳能、UPS技术的不断发展和市场的不断扩大，对逆变器效率的要求也越来越被制造商所重视，因此三电平的拓扑结构便应运而生。众所周知，与传统两电平结构相比，三电平结构除了使单个IGBT阻断电压减半之外，还具有谐波小、损耗低、效率高等优势。本文主要是现有的三电平研究的基础上，对”I”字型和”T”字型电路的波形了进行分析，并在波形分析的基础上，对开关管的规格选取，损耗等方面进行了分析和比较，最终选取一种适合的三电平电路。文章来源：http://www.igbt8.com/bl/239.html

一、三电平电路示意图

目前针对IGBT模块三电平拓扑结构有很多种，最常见的两种拓扑结构为三电平“I”型和三电平“T”型，接下来会对这两种结构从不同方面进行分析。       如图1，2所示的两种三电平电路图，为了区分这两种电路，根据四个IGBT开关管在线路图中的的排列方式，我们将前者成为I字型，后者称为T字型。       三电平电路与普通的半桥电路相比，因为具有了中点续流的能力，所以对改善输出纹波，降低损耗都有很好的效果。

图1. 三电平“1“字形电路示意图

图2. 三电平“T“字形电路示意图

二、两种电路的波形分析

为了对两种电路的损耗和规格进行比较，本文描绘了两种电路的波形，如图3、图4所示。

以下是对波形图的部分说明。

1.波形图假设正负bus相等，且各个元件均假设为理想元件。

2.驱动信号的方式

对两种电路，为分析方便本文选择相同的驱动信号波形，驱动信号的具体控制方式来自于参考文献[1][2]，如图中所示，其中Q1,Q3一组PWM（有死区时间），Q2,Q4 一组PWM（有死区时间）,另外Q1，Q4之间也含死区时间。

3.波形图中假设电感电流iL相同，且涵盖了所有电流状态的几种情况（参考下文，图中也有标识）。

4.VL表示电感与开关管相连点的电压，波形图中可以看出，两种电路此点电压波形是相同的。

5.VL的高电平值都为1倍Vbus，其他电平数值按高度比例以此为参考。

图3， 1字型三电平电路波形分析及原理小视频

图4，T字型三电平电路波形

三电平逆变器输出波形图

三，两种电路的比较

1，开关管耐压规格的比较：三电平I型电路中，4个IGBT管均承受相同的电压，而T型Q1&Q4管承受两倍的电压。比如，若直流母线为600V时，I型4个IGBT管阻断电压为600V/650V, 而T型Q1&Q4管为1200V.1200V的IGBT芯片比600V/650V芯片有更大的开关损耗及导通损耗，这意味着芯片的发热更大，需要更多的硅芯片。而硅芯片的增加，成本也必然随之增加。然而在实际上，对于I型电路，当两个开关管的电压串联承受2倍BUS电压时，由于元件本身的差异，两个开关管承受的的电压不可能完全相同，因此，为了保证开关管的安全工作，I型电路中开关管也应按照承受2倍BUS电压去设计。所以，从实际角度出发，在开关耐压的选择上，1字型电路并没有太大优势。

2，损耗的比较

这里的损耗主要是指，四个开关管，及二极管开关和导通损耗。

因为损耗与电流的流通路径密切相关，所以按照电流的流经路径，分成六种状态，按照不同的颜色，已表示在图3、4中，请参考。

i.正bus供电状态，

A, 1字型电路中，电流由+BUS,经Q1,Q2供电。

其损耗包括Loss_Q1_turnon&turnoffLoss_Q1_On Loss_Q2_On

B, T字型电路中，电流由+BUS经Q1供电

其损耗包括Loss_Q1_turnon&turnoffLoss_Q1_On

比较：此状态下，通过波形图中可以看出Loss_Q1_turnon&turnoff相差不多，但1字型电路比T字型电路多一个Q2的导通损耗。

ii.负bus供电状态

A, 1字型电路中，电流方向由电感,经Q3,Q4至负bus。

其损耗包括Loss_Q4_turnon&turnoffLoss_Q3_On Loss_Q4_On

B, T字型电路中，电流方向由电感,经Q4至负bus

其损耗包括Loss_Q4_turnon&turnoffLoss_Q4_On

比较：此状态下，1字型电路比T字型电路多一个Q3的导通损耗。

iii.正BUS续流状态

A, 1字型电路中，电流方向由电感经Q1diode,Q2diode至正bus。

其损耗包括Loss_Q1diode_turnon&turnoff&on

Loss_Q2diode__turnon&turnoff&on

B, T字型电路中，电流方向由电感经Q1diode至正bus。

其损耗包括Loss_Q1diode_turnon&turnoff&on

比较：此状态下，1字型电路比T字型电路多一个Q2的导通损耗。

iv.负bus续流状态

A, 1字型电路中，电流方向由负bus经Q1diode,Q2diode至电感。

其损耗包括Loss_Q3diode_turnon&turnoff&on

Loss_Q4diode__turnon&turnoff&on

B, T字型电路中，电流方向由负bus经Q1diode至电感。

其损耗包括Loss_Q4diode_turnon&turnoff&on

比较：此状态下，一字型电路比T字型电路多一个Q3的导通损耗。

v.中点续流iL>0状态

A，1字型电路中，电流由GND，经D1，Q2至电感。

其损耗包括Loss_D1 Loss_Q2

B，T字型电路中，电流由GND，经Q2，Q3diode至电感。

其损耗包括Loss_Q2 Loss_Q3diode

比较：此状态下，两种电路损耗接近。

vi.中点续流iL<0状态

A，1字型电路中，电流由电感，经Q3，D2至GND。

其损耗包括Loss_Q3 Loss_D2

B, T字型电路中，电流由电感，经Q3，Q2diode至GND。

其损耗包括Loss_Q2 Loss_Q3diode

比较：此状态下，两种电路损耗接近。

结论：通过以上比较可以看出，除了中点续流状态，其他状态下T型电路的损耗都优于1字型电路。

3，元件数量的比较

从拓扑结构图中，很容易可以看出T型电路要比1字型电路少两个Diode，这对于减少空间有好处。4.控制时序不同

三电平I型需先关断外管Q1/Q4,再关断内管Q2/Q3,防止母线电压加在外管上导致损坏；而T型则无时序上的要求。另外，对于I型拓扑，在驱动设计时需要有4个独立电源；而对于T型共发射极拓扑，只需要3个独立电源。 I型与T型损耗有所差异，在功率因数接近1时，开关频率增大（>16KHz）,三电平I型（600V）损耗更低，效率更高；而开关频率减少时（<16KHz），三电平T型（1200V）损耗更低，效率更高。所以在设计逆变器系统的时候，应根据不同的开关频率去选择一种效率高的拓扑结构。5.换流路径不同      在T型拓扑中，外管与内管之间的转换路径均为一致；而在I型拓扑中，换流路径有所不同，分为短换流路径与长换流路径，所以用分立模块做三电平I型拓扑时，必须要注意其杂散电感与电压尖峰的问题。

四，结论：

通过本文的分析可以看出，T字型和1字型三电平电路比较，耐压方面理论上1字型电路优于T字型电路，然而从实际应用角度分析，二者相差不大；损耗方面，T字型要优于1字型；元件数量方面，T字型少两个Diode。

因此，按照本文的分析，在较小损耗和减小空间方面，T字型电路会比较有利。