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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(shù)的不斷發(fā)展和市場的不斷擴(kuò)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)便應(yīng)運(yùn)而生。眾所周知，與傳統(tǒng)兩電平結(jié)構(gòu)相比，三電平結(jié)構(gòu)除了使單個(gè)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(chǔ)上，對”I”字型和”T”字型電路的波形了進(jìn)行分析，并在波形分析的基礎(chǔ)上，對開關(guān)管的規(guī)格選取，損耗等方面進(jìn)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://awcss.com/bl/239.html
一、三電平電路示意圖
目前針對IGBT模塊三電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有很多種，最常見的兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為三電平“I”型和三電平“T”型，接下來會對這兩種結(jié)構(gòu)從不同方面進(jìn)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(gè)IGBT開關(guān)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?yàn)榫哂辛酥悬c(diǎn)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。
I型與T型損耗有所差異，在功率因數(shù)接近1時(shí)，開關(guān)頻率增大（>16KHz）,三電平I型（600V）損耗更低，效率更高；而開關(guān)頻率減少時(shí)（<16KHz），三電平T型（1200V）損耗更低，效率更高。所以在設(shè)計(jì)逆變器系統(tǒng)的時(shí)候，應(yīng)根據(jù)不同的開關(guān)頻率去選擇一種效率高的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
5.換流路徑不同
在T型拓?fù)渲校夤芘c內(nèi)管之間的轉(zhuǎn)換路徑均為一致；而在I型拓?fù)渲�，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?fù)鋾r(shí)，必須要注意其雜散電感與電壓尖峰的問題。
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(gè)IGBT開關(guān)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?yàn)榫哂辛酥悬c(diǎn)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(jìn)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(shè)正負(fù)bus相等，且各個(gè)元件均假設(shè)為理想元件。
2.驅(qū)動(dòng)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(dòng)信號波形，驅(qū)動(dòng)信號的具體控制方式來自于參考文獻(xiàn)[1][2]，如圖中所示，其中Q1,Q3一組PWM（有死區(qū)時(shí)間），Q2,Q4 一組PWM（有死區(qū)時(shí)間）,另外Q1，Q4之間也含死區(qū)時(shí)間。
3.波形圖中假設(shè)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(biāo)識）。
4.VL表示電感與開關(guān)管相連點(diǎn)的電壓，波形圖中可以看出，兩種電路此點(diǎn)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(guān)管耐壓規(guī)格的比較：
三電平I型電路中，4個(gè)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(shí)，I型4個(gè)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(guān)損耗及導(dǎo)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(shí)際上，對于I型電路，當(dāng)兩個(gè)開關(guān)管的電壓串聯(lián)承受2倍BUS電壓時(shí)，由于元件本身的差異，兩個(gè)開關(guān)管承受的的電壓不可能完全相同，因此，為了保證開關(guān)管的安全工作，I型電路中開關(guān)管也應(yīng)按照承受2倍BUS電壓去設(shè)計(jì)。所以，從實(shí)際角度出發(fā)，在開關(guān)耐壓的選擇上，1字型電路并沒有太大優(yōu)勢。
三電平I型電路中，4個(gè)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(shí)，I型4個(gè)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(guān)損耗及導(dǎo)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(shí)際上，對于I型電路，當(dāng)兩個(gè)開關(guān)管的電壓串聯(lián)承受2倍BUS電壓時(shí)，由于元件本身的差異，兩個(gè)開關(guān)管承受的的電壓不可能完全相同，因此，為了保證開關(guān)管的安全工作，I型電路中開關(guān)管也應(yīng)按照承受2倍BUS電壓去設(shè)計(jì)。所以，從實(shí)際角度出發(fā)，在開關(guān)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(gè)開關(guān)管，及二極管開關(guān)和導(dǎo)通損耗。
因?yàn)閾p耗與電流的流通路徑密切相關(guān)，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(gè)Q2的導(dǎo)通損耗。
ii.負(fù)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(fù)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(fù)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(gè)Q3的導(dǎo)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(gè)Q2的導(dǎo)通損耗。
iv.負(fù)bus續(xù)流狀態(tài)
A, 1字型電路中，電流方向由負(fù)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(fù)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(gè)Q3的導(dǎo)通損耗。
v.中點(diǎn)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(diǎn)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(jié)論：通過以上比較可以看出，除了中點(diǎn)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖中，很容易可以看出T型電路要比1字型電路少兩個(gè)Diode，這對于減少空間有好處。
4.控制時(shí)序不同
三電平I型需先關(guān)斷外管Q1/Q4,再關(guān)斷內(nèi)管Q2/Q3,防止母線電壓加在外管上導(dǎo)致?lián)p壞；而T型則無時(shí)序上的要求。另外，對于I型拓?fù)洌隍?qū)動(dòng)設(shè)計(jì)時(shí)需要有4個(gè)獨(dú)立電源；而對于T型共發(fā)射極拓?fù)洌恍枰?個(gè)獨(dú)立電源。4.控制時(shí)序不同
I型與T型損耗有所差異，在功率因數(shù)接近1時(shí)，開關(guān)頻率增大（>16KHz）,三電平I型（600V）損耗更低，效率更高；而開關(guān)頻率減少時(shí)（<16KHz），三電平T型（1200V）損耗更低，效率更高。所以在設(shè)計(jì)逆變器系統(tǒng)的時(shí)候，應(yīng)根據(jù)不同的開關(guān)頻率去選擇一種效率高的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
5.換流路徑不同
在T型拓?fù)渲校夤芘c內(nèi)管之間的轉(zhuǎn)換路徑均為一致；而在I型拓?fù)渲�，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?fù)鋾r(shí)，必須要注意其雜散電感與電壓尖峰的問題。
四，結(jié)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(shí)際應(yīng)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(gè)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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