目前針對(duì)
IGBT模塊三電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有很多種，最常見(jiàn)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(lái)會(huì)對(duì)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(kāi)關(guān)管在線(xiàn)路圖中的的排列方式，我們將前者成為I字型，后者稱(chēng)為T(mén)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(duì)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(duì)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(duì)波形圖的部分說(shuō)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(hào)的方式
對(duì)兩種電路，為分析方便本文選擇相同的驅(qū)動(dòng)信號(hào)波形，驅(qū)動(dòng)信號(hào)的具體控制方式來(lái)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(shí)）。
4.VL表示電感與開(kāi)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(kāi)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(xiàn)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(kāi)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(duì)于I型電路，當(dāng)兩個(gè)開(kāi)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(kāi)關(guān)管承受的的電壓不可能完全相同，因此，為了保證開(kāi)關(guān)管的安全工作，I型電路中開(kāi)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(kāi)關(guān)耐壓的選擇上，1字型電路并沒(méi)有太大優(yōu)勢(shì)。
2，損耗的比較
這里的損耗主要是指，四個(gè)開(kāi)關(guān)管，及二極管開(kāi)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(qǐng)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(guò)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(guò)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(duì)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(xiàn)電壓加在外管上導(dǎo)致?lián)p壞；而T型則無(wú)時(shí)序上的要求。另外，對(duì)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(duì)于T型共發(fā)射極拓?fù)洌恍枰?個(gè)獨(dú)立電源。
I型與T型損耗有所差異，在功率因數(shù)接近1時(shí)，開(kāi)關(guān)頻率增大（>16KHz）,三電平I型（600V）損耗更低，效率更高；而開(kāi)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(kāi)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�，外管與內(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(zhǎng)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(wèn)題。
四，結(jié)論：
通過(guò)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(huì)比較有利。
