T型三电平与二极管箝位型三电平导通损耗的对比

杨 超，刘 跃

(贵州大学电气工程学院，贵州 贵阳 550025)

0 引言

电力电子技术自20世纪50年代产生以来，经过大约半个世纪的发展，电力电子装置已经应用到了生产和生活的各个领域之中。自从上世纪80年代多电平逆变器的概念提出以后，迅速引起了世界各国学者和研发公司的注意［1］。经过不断的探索和实践，时至今日，多电平变换器拓扑结构已经是中高压，大功率领域内主回路的主要选择，其中从功能和实用的角度出发，选择较多的结构是由南波长江在1980年提出二极管钳位三电平(NPC)和近几年开发的 T型三电平，两者的拓扑结构如图1所示［2-6］。

NPC和T型三电平在平时的工作中产生的损耗主要由三部分构成:开通损耗、关断损耗和导通损耗。如果对器件开关特性进行优化，那么开通关断损耗占的比例就会大大减小，导通损耗就会成为主要的功率损耗源。因此，有必要对两种结构的导通损耗进行讨论和比较。

图1 两种拓扑结构示意图

1 两种拓扑的器件工作情况分析

要想对两种拓扑的导通损耗进行计算，首先要对两种拓扑的工作情况进行充分的了解。下面将对两种拓扑结构的工作情况进行分析［7］。

1.1 NPC结构工作情况分析

NPC结构在稳定工作时有三种运行状态，分别对应的输出电压为+E/2，0，-E/2，将其标记为1，0和-1状态。其运行状态如图2所示。

图2 NPC工作情况示意图

从图中可以看出NPC在运行过程中开关信号遵循Sa1和Sa3信号互补，Sa2和Sa4信号互补，上桥臂和下桥臂的开关管不能同时开通的原则，开关组合不存在冗余。

1.2 T型结构的工作情况分析

T型结构在运行过程中也有三种状态，输出电压分别为 +E/2，0，-E/2，将其标记为1，0和 -1状态。但是其开关状态可以有两种形式。

方法一:在输出电压为+E/2时只开通Ta1管，其他开关管关闭;在输出电压为0时开通Ta2和Ta3管，其他开关管关闭;在输出电压为-E/2时只开通Ta4管，其他开关管关闭。其工作状况如图3所示。

图3 采用方法一时T型结构的工作示意图

从图3中我们不难看出，方法一虽然表面上看似可行，但是这种方法在状态转换的时候Ta3和Ta4管的开关顺序是由电流方向所决定的。例如由1状态向0状态转换时，假设电流方向为流出方向，在关闭Ta1管的同时必须先开通Ta2管，然后再开通Ta3管;当电流方向为流入方向时，在关闭Ta1管的同时必须先开通Ta3管，然后再开通Ta2管。因此对信号的控制比较复杂，通常情况下都不采用这种方法。

方法二:采用类似于NPC的控制方法。开关信号遵循Ta1和Ta3信号互补，Ta2和Ta4信号互补，上桥臂和下桥臂的开关管不能同时开通的原则，开关组合不存在冗余。其工作状况如图4所示。

图4 采用方法二时T型结构的工作示意图

从图4当中可以看出采用Ta1，Ta3互补，Ta2，Ta4互补有两个好处:一是形成互补关系在控制比较方便;二是能够防止在输出电平状态之间切换的时候，开关器件的不正常开启引起直流电容短路。例如输出状态为1时，Ta1开通的同时Ta3要是提前开通，将会引起上直流电容短路。

从图3和图4中我们可以将NPC和T型拓扑工作时的开关状态总结如表1所示。

表1 NPC与T型拓扑开关状态表

在以上分析的基础上，对两种拓扑进行仿真，仿真参数参照实验室7.5 kW的三电平逆变器，如表2所示。

表2 NPC与T型拓扑仿真参数设置表

理想情况下，在直流母线电容，直流母线电容和负载都相同时，采用相同的控制策略，虽然两者的结构不同，但是输出电流是相同的。也就是说在直流母线电容，直流母线电容和负载都相同时，在同一时刻，在电流通路上的IGBT上的电流是同样大小的。

2 导通损耗计算

2.1 器件导通情况分析

在进行导通损耗计算之前，我们首先需要对两种拓扑的器件导通情况进行分析。在前面的分析当中我们已经得到在直流母线电容，直流母线电容和负载都相同且采用相同的控制策略时，虽然两者的结构不同，但是输出电流是相同的结论。在这个结论下，我们可以画出两种拓扑调制电压u(t)和输出电流i(t)的关系曲线，如图5所示，其中θ代表u(t)与i(t)之间的相位差。

在图5当中我们可以看到，在一个调制周期内，调制电压与输出电流的关系可以分为四个部分:(一)u(t)＞0，i(t)＜0;(二)u(t)＞0，i(t)＞0;(三)u(t)＜0，i(t)＞0;(四)u(t)＜0，i(t)＜0。由于u(t)和i(t)正负半波的对称性，我们只需要对(一)和(二)两个部分进行分析即可。在此需要说明的是在下面的分析过程中只对导通损耗进行分析，忽略了开关器件的开关损耗。

2.1.1 NPC结构器件导通情况分析

在调制电压u(t)大于0时，NPC拓扑结构的工作情况分别如图6，图7所示。

图5 两种结构在相同参数设置的条件下的输出电流与调制电压关系示意图

图6 当i(t)＜0时，NPC拓扑结构的工作情况

从图6和图7可以看出:在i(t)＜0时，输出状态为1时导通的器件D1和D2，输出状态为0时，导通的器件为Sa3和D6;在i(t)＞0时，输出状态为1时导通的器件Sa1和Sa2，输出状态为0时，导通的器件为Sa2和D5。

2.1.2 T型结构器件导通情况分析

在调制电压u(t)大于0时，NPC拓扑结构的工作情况分别如图8，图9所示。

从图8和图9可以看出:在i(t)＜0时，输出状态为1时导通的器件TD1，输出状态为0时，导通的器件为Ta3和TD2;在i(t)＞0时，输出状态为1时导通的器件Ta1，输出状态为0时，导通的器件为Ta2 和 TD3。

图7 当i(t)＞0时，NPC拓扑结构的工作情况

图8 当i(t)＜0时，T型拓扑结构的工作情况

图9 当i(t)＞0时，T型拓扑结构的工作情况

根据上面的分析，将NPC和T型结构在u(t)＞0时的开关器件的导通状况总结在下面的表格之中。

表3 NPC与T型拓扑器件导通情况表

2.2 导通损耗计算公式的推导

在多电平逆变器的应用中，最常用的开关器件是IGBT和快速恢复二极管(FWD)。它们的静态特性曲线都可以在厂家的产品手册中直接查到。在IGBT和FWD的静态特性曲线中，Ic和Vce的关系都不是一次曲线，但是在实际的计算过程中，我们通常将其视为一次曲线来进行计算，其示意图如图10所示。

图10 导通损耗近似计算原理图

其中，Vds表示IGBT或者FWD的导通阀值，通常情况下取0.6 V，Vce(sat)表示集电极—发射极饱和电压，Ice(sat)表示当Vce等于Vce(sat)时IGBT上流过的电流，VF1表示FWD的正向电压，表示当VF等于VF1时FWD的正向电流。以上这些参数均可在产品手册上找到。

根据计算原理图，将IGBT的静态特性定义为下面的形式:

同样，FWD的静态特性也可以定义为下面的形式:

以IGBT为例，在载波频率趋于无穷大时，设负载电流为i(t)=Imsin(ωt+θ)，则该管的导通损耗E为:

式中τ为占空比，T为调制周期时间。

3 两种结构导通损耗的比较

从前面的分析可以看出在器件选定的情况下，两种结构的导通损耗与调制比M，输出功率因数角θ和输出电流Im有关。为了更深入地对两种结构的导通损耗进行对比，下面将在不同的工作条件下对两种结构的导通损耗进行分析。在仿真中为保证两种结构在器件使用上的公平性，假设两种结构都采用分立器件进行搭建，其中T型结构的Ta1和Ta2采用三菱公司的1200V/600A的管子，型号为CM600HU-24F，其余管子均采用三菱公司的600V/600A的管子，型号为CM600HU-12F。

(1)调制比对导通损耗的影响

图11是在功率因素角θ为π/3，电流Im为300 A时两种结构随着调制比增大导通损耗的变化情况。从图中可以看出T型结构和NPC结构的导通损耗与调制比M成反比，而T型结构的导通损耗比NPC结构小。

图11 不同的调制下两种结构的导通损耗变化情况

(2)功率因数角对导通损耗的影响

图12是在调制比M为0.8，电流Im为300 A时两种结构随着功率因素角θ增大导通损耗的变化情况。从图中可以看出T型结构和NPC结构的导通损耗随着功率因素θ的增加而增加，T型结构的导通损耗比NPC结构的损耗要小。

图12 不同的功率因数角下两种结构的导通损耗变化情况

(3)输出电流对导通损耗的影响

图13是在调制比M为0.8，功率因素角θ为π/3时两种结构随着输出电流Im增大导通损耗的变化情况。从图中可以看出T型结构和NPC结构的导通损耗随着Im的增加而增加，T型结构的导通损耗比NPC结构的损耗要小。

图13 不同的输出电流下两种结构的导通损耗变化情况

4 小结

本文对NPC结构和T型结构的工作原理进行了分析，在此基础上得到两者的调制电压和输出电流的关系，从而推导出两种结构的开关器件的导通损耗计算公式，最后给出了在不同的工作条件下两种结构的导通损耗变化情况。

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