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。 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。
图1. 三电平“1“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。 图3, 1字型三电平电路波形分析及原理小视频 图4,T字型三电平电路波形 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:
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iL<> 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(<>
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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