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IGBT模塊三電平逆變器“I”字型和“T”字型電路的比較分析

摘要：隨著太陽能、UPS技術的不斷發(fā)展和市場的不斷擴大，對逆變器效率的要求也越來越被制造商所重視，因此三電平的拓撲結構便應運而生。眾所周知，與傳統(tǒng)兩電平結構相比，三電平結構除了使單個IGBT阻斷電壓減半之外，還具有諧波小、損耗低、效率高等優(yōu)勢。本文主要是現(xiàn)有的三電平研究的基礎上，對”I”字型和”T”字型電路的波形了進行分析，并在波形分析的基礎上，對開關管的規(guī)格選取，損耗等方面進行了分析和比較，最終選取一種適合的三電平電路。文章來源：http://www.golfballtracker.com/bl/239.html

一、三電平電路示意圖

目前針對IGBT模塊三電平拓撲結構有很多種，最常見的兩種拓撲結構為三電平“I”型和三電平“T”型，接下來會對這兩種結構從不同方面進行分析。
如圖1，2所示的兩種三電平電路圖，為了區(qū)分這兩種電路，根據(jù)四個IGBT開關管在線路圖中的的排列方式，我們將前者成為I字型，后者稱為T字型。
三電平電路與普通的半橋電路相比，因為具有了中點續(xù)流的能力，所以對改善輸出紋波，降低損耗都有很好的效果。

圖1. 三電平“1“字形電路示意圖

圖2. 三電平“T“字形電路示意圖

二、兩種電路的波形分析

為了對兩種電路的損耗和規(guī)格進行比較，本文描繪了兩種電路的波形，如圖3、圖4所示。

以下是對波形圖的部分說明。

1.波形圖假設正負bus相等，且各個元件均假設為理想元件。

2.驅(qū)動信號的方式

對兩種電路，為分析方便本文選擇相同的驅(qū)動信號波形，驅(qū)動信號的具體控制方式來自于參考文獻[1][2]，如圖中所示，其中Q1,Q3一組PWM（有死區(qū)時間），Q2,Q4 一組PWM（有死區(qū)時間）,另外Q1，Q4之間也含死區(qū)時間。

3.波形圖中假設電感電流iL相同，且涵蓋了所有電流狀態(tài)的幾種情況（參考下文，圖中也有標識）。

4.VL表示電感與開關管相連點的電壓，波形圖中可以看出，兩種電路此點電壓波形是相同的。

5.VL的高電平值都為1倍Vbus，其他電平數(shù)值按高度比例以此為參考。

圖3， 1字型三電平電路波形分析

圖4，T字型三電平電路波形

三，兩種電路的比較

1，開關管耐壓規(guī)格的比較：
三電平I型電路中，4個IGBT管均承受相同的電壓，而T型Q1&Q4管承受兩倍的電壓。比如，若直流母線為600V時，I型4個IGBT管阻斷電壓為600V/650V, 而T型Q1&Q4管為1200V. 1200V的IGBT芯片比600V/650V芯片有更大的開關損耗及導通損耗，這意味著芯片的發(fā)熱更大，需要更多的硅芯片。而硅芯片的增加，成本也必然隨之增加。
然而在實際上，對于I型電路，當兩個開關管的電壓串聯(lián)承受2倍BUS電壓時，由于元件本身的差異，兩個開關管承受的的電壓不可能完全相同，因此，為了保證開關管的安全工作，I型電路中開關管也應按照承受2倍BUS電壓去設計。所以，從實際角度出發(fā)，在開關耐壓的選擇上，1字型電路并沒有太大優(yōu)勢。

2，損耗的比較

這里的損耗主要是指，四個開關管，及二極管開關和導通損耗。

因為損耗與電流的流通路徑密切相關，所以按照電流的流經(jīng)路徑，分成六種狀態(tài)，按照不同的顏色，已表示在圖3、4中，請參考。

i.正bus供電狀態(tài)，

A, 1字型電路中，電流由+BUS,經(jīng)Q1,Q2供電。

其損耗包括Loss_Q1_turnon&turnoff Loss_Q1_On Loss_Q2_On

B, T字型電路中，電流由+BUS經(jīng)Q1供電

其損耗包括Loss_Q1_turnon&turnoff Loss_Q1_On

比較：此狀態(tài)下，通過波形圖中可以看出Loss_Q1_turnon&turnoff相差不多，但1字型電路比T字型電路多一個Q2的導通損耗。

ii.負bus供電狀態(tài)

A, 1字型電路中，電流方向由電感,經(jīng)Q3,Q4至負bus。

其損耗包括Loss_Q4_turnon&turnoff Loss_Q3_On Loss_Q4_On

B, T字型電路中，電流方向由電感,經(jīng)Q4至負bus

其損耗包括Loss_Q4_turnon&turnoff Loss_Q4_On

比較：此狀態(tài)下，1字型電路比T字型電路多一個Q3的導通損耗。

iii.正BUS續(xù)流狀態(tài)

A, 1字型電路中，電流方向由電感經(jīng)Q1diode,Q2diode至正bus。

其損耗包括 Loss_Q1diode_turnon&turnoff&on

Loss_Q2diode__turnon&turnoff&on

B, T字型電路中，電流方向由電感經(jīng)Q1diode至正bus。

其損耗包括 Loss_Q1diode_turnon&turnoff&on

比較：此狀態(tài)下，1字型電路比T字型電路多一個Q2的導通損耗。

iv.負bus續(xù)流狀態(tài)

A, 1字型電路中，電流方向由負bus經(jīng)Q1diode,Q2diode至電感。

其損耗包括 Loss_Q3diode_turnon&turnoff&on

Loss_Q4diode__turnon&turnoff&on

B, T字型電路中，電流方向由負bus經(jīng)Q1diode至電感。

其損耗包括 Loss_Q4diode_turnon&turnoff&on

比較：此狀態(tài)下，一字型電路比T字型電路多一個Q3的導通損耗。

v.中點續(xù)流iL>0狀態(tài)

A，1字型電路中，電流由GND，經(jīng)D1，Q2至電感。

其損耗包括Loss_D1 Loss_Q2

B，T字型電路中，電流由GND，經(jīng)Q2，Q3diode至電感。

其損耗包括Loss_Q2 Loss_Q3diode

比較：此狀態(tài)下，兩種電路損耗接近。

vi.中點續(xù)流iL<0狀態(tài)

A，1字型電路中，電流由電感，經(jīng)Q3，D2至GND。

其損耗包括Loss_Q3 Loss_D2

B, T字型電路中，電流由電感，經(jīng)Q3，Q2diode至GND。

其損耗包括Loss_Q2 Loss_Q3diode

比較：此狀態(tài)下，兩種電路損耗接近。

結論：通過以上比較可以看出，除了中點續(xù)流狀態(tài)，其他狀態(tài)下T型電路的損耗都優(yōu)于1字型電路。

3，元件數(shù)量的比較

從拓撲結構圖中，很容易可以看出T型電路要比1字型電路少兩個Diode，這對于減少空間有好處。
4.控制時序不同

三電平I型需先關斷外管Q1/Q4,再關斷內(nèi)管Q2/Q3,防止母線電壓加在外管上導致?lián)p壞；而T型則無時序上的要求。另外，對于I型拓撲，在驅(qū)動設計時需要有4個獨立電源；而對于T型共發(fā)射極拓撲，只需要3個獨立電源。
I型與T型損耗有所差異，在功率因數(shù)接近1時，開關頻率增大（>16KHz）,三電平I型（600V）損耗更低，效率更高；而開關頻率減少時（<16KHz），三電平T型（1200V）損耗更低，效率更高。所以在設計逆變器系統(tǒng)的時候，應根據(jù)不同的開關頻率去選擇一種效率高的拓撲結構。
5.換流路徑不同
在T型拓撲中，外管與內(nèi)管之間的轉(zhuǎn)換路徑均為一致；而在I型拓撲中，換流路徑有所不同，分為短換流路徑與長換流路徑，所以用分立模塊做三電平I型拓撲時，必須要注意其雜散電感與電壓尖峰的問題。

四，結論：

通過本文的分析可以看出，T字型和1字型三電平電路比較，耐壓方面理論上1字型電路優(yōu)于T字型電路，然而從實際應用角度分析，二者相差不大；損耗方面，T字型要優(yōu)于1字型；元件數(shù)量方面，T字型少兩個Diode。

因此，按照本文的分析，在較小損耗和減小空間方面，T字型電路會比較有利。

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