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三电平逆变器的原理及应用知识分享

2019年11月02日 文章来源:网络整理 热度:175℃ 作者:刘英

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:

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。

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图1. 三电平“1“字形电路示意图

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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。

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图3, 1字型三电平电路波形分析及原理小视频

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图4,T字型三电平电路波形

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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iL16KHz),三电平I型(600V)损耗更低,效率更高;而开关频率减少时(

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