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          IGBT模块三电平逆变器“I”字型和“T”字型电路的比较分析

          摘要: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.minaco-uk.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。
          三电平“1“字形电路示意图
          图1. 三电平“1“字形电路示意图
          三电平“T“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。
          1字型三电平电路波形分析
          图3, 1字型三电平电路波形分析
          T字型三电平电路波形
          图4,T字型三电平电路波形
          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&turnoff Loss_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&turnoff Loss_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&turnoff Loss_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&turnoff Loss_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。

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