“T”型NPC的效率怎么會(huì)比“I”型NPC的效率高呢？

網(wǎng)上查找三電平相關(guān)的資料，特別是兩種三電平結(jié)構(gòu)的差異，經(jīng)常能看到這樣的一個(gè)結(jié)論。那就是，當(dāng)開關(guān)頻率小于16kHz的時(shí)候，“T”型NPC的效率比“I”型NPC的效率高；當(dāng)開關(guān)頻率高于16kHz的時(shí)候，“I”型NPC的效率會(huì)更高。

作者表示，怎么會(huì)有這么回事？那就先算一下試試。正好我前段時(shí)間做了個(gè)軟件，可以計(jì)算兩電平和三電平的損耗，計(jì)算使用的芯片類型可以自由配置。下面各配置一個(gè)“T”型和“I”型的300A的模塊。順便也基于“T”型模塊的豎管來配置一個(gè)兩電平的模塊。

先配置一個(gè)“I”型的模塊，采用以下芯片：

T1&T4：IGC30T65U8S

T2&T3：IGC30T65U8V

D1-D6：SIDC26D65C8

再配置一個(gè)“T”型的模塊，采用如下芯片：

T1&T4：IGC99T120T8RQ

T2&T3：IGC30T65U8V

D1&D4：SIDC53D120H8

D2&D3：SIDC26D65C8

下面我們計(jì)算一下，在不同開關(guān)頻率下兩個(gè)三電平模塊以及兩電平模塊的表現(xiàn)。并繪制不同頻率下的效率曲線如下圖1（輸出電流：200A；交流電壓：400V；直流母線電壓：850V；工頻，功率因數(shù)為1）：

圖 1 功率因數(shù)為1的時(shí)候效率對比圖

從上圖中可以看出，在頻率較高的時(shí)候，“I”型三電平效率會(huì)高于“T”型三電平；在低頻段“T”型三電平的效率會(huì)更高一些。分界點(diǎn)大約在6kHz左右。這樣看，不用大于16kHz，“I”型的效率就比“T”型的高咯。同時(shí)，對于兩電平結(jié)構(gòu)，效率要明顯低得多。不過這些計(jì)算受到器件的影響極大。比如上面 “I”型三電平的IGBT如果T1&T4和T2&T3的芯片類型調(diào)換一下，效率就會(huì)降低很多，甚至在頻率較高的時(shí)候仍然效率低于“T”型。那么下面，我們從結(jié)合器件來分析一下兩種三電平結(jié)構(gòu)和兩電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的損耗特征和區(qū)別。

02

損耗分析

我們談?chuàng)p耗首先是要基于半導(dǎo)體器件的，碳化硅的東西我還沒有細(xì)致的研究，這里主要針對硅基的IGBT來講。當(dāng)我們討論IGBT模塊的損耗的時(shí)候，需要關(guān)注的主要是輸出特征曲線和開關(guān)損耗曲線，如下圖1 所示（以英飛凌FF1400R12IP4為例）。

下圖左側(cè)是IGBT的輸出特性曲線決定了器件的導(dǎo)通損耗，對于導(dǎo)通損耗由于器件的特性，兩個(gè)650V的IGBT串聯(lián)的飽和壓降一般是遠(yuǎn)大于單個(gè)1200V器件的；右側(cè)是IGBT的開關(guān)損耗特性曲線，決定了器件的開關(guān)損耗。一般的，開關(guān)損耗與IGBT兩端電壓相關(guān)，開關(guān)電壓降低一半，開關(guān)損耗也至少降低一半。同等電壓情況下，低壓IGBT的開關(guān)損耗也是低于高壓IGBT的。對于DIODE也是類似的曲線以及相同的特性，就不再列出。因此，下面的討論基于以下三個(gè)基本事實(shí)前提：

1，兩個(gè)低壓器件串聯(lián)的飽和壓降高于一個(gè)高壓器件；

2，同等條件下低壓器件的開關(guān)損耗小于高壓器件；

3，母線電壓降低一半，器件的開關(guān)損耗至少降低一半。

圖 2 模塊的輸出特性曲線和損耗特性曲線

對于逆變器來講，電壓電流總共有四種狀態(tài)，但主要是兩種，即為電壓電流同相位的逆變狀態(tài)和電壓電流反相位的整流狀態(tài)，如下圖所示。下面我們分別討論純逆變狀態(tài)和純整流狀態(tài)的效率特性。

圖 3 電壓電流的關(guān)系

03

逆變狀態(tài)損耗分析

三電平逆變狀態(tài)的電壓和電流的實(shí)際波形如下圖4。每相橋臂輸出兩種狀態(tài)，正電壓和零電壓。同時(shí)每個(gè)正脈沖電壓分別伴隨著一個(gè)開通和一個(gè)關(guān)斷過程。兩電平逆變狀態(tài)則輸出正電壓和負(fù)電壓。同時(shí)每個(gè)正脈沖電壓分別伴隨著一個(gè)開通和一個(gè)關(guān)斷過程。電流與電壓同相位。

圖 4 兩電平相電壓電流

三種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)換流狀態(tài)對應(yīng)高電壓的輸出如下圖 5 所示。下面根據(jù)下圖來分析該過程對應(yīng)各個(gè)拓?fù)涞膿p耗特征。

圖 5 正電壓脈沖對應(yīng)電流路徑

導(dǎo)通損耗

“I”型三電平：

T1和T2產(chǎn)生導(dǎo)通損耗，兩個(gè)低壓器件，飽和壓降較大，損耗較大。

“T”型三電平：

T1產(chǎn)生導(dǎo)通損耗，一個(gè)高壓器件，飽和壓降較小，損耗較小。

兩電平：

T1產(chǎn)生導(dǎo)通損耗，一個(gè)高壓器件，飽和壓降較小，損耗較小。

開關(guān)損耗

“I”型三電平：

T1產(chǎn)生開關(guān)損耗，低壓器件，半電壓開關(guān)，損耗較小。

“T”型三電平：

T1產(chǎn)生開關(guān)損耗，高壓器件，半電壓開關(guān)，損耗一般。

兩電平：

T1產(chǎn)生開關(guān)損耗，高壓器件，全母線電壓開關(guān)，損耗較大。

三種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)續(xù)流狀態(tài)對應(yīng)低電壓的輸出如下圖 6所示。下面根據(jù)下圖同樣來分析該過程對應(yīng)各個(gè)拓?fù)涞膿p耗特征。

圖 6 低電壓脈沖對應(yīng)電流路徑

導(dǎo)通損耗

“I”型三電平：

T2和D5產(chǎn)生導(dǎo)通損耗，兩個(gè)低壓器件，飽和壓降較大，損耗較大。

“T”型三電平：

T2和D2產(chǎn)生導(dǎo)通損耗，兩個(gè)低壓器件，飽和壓降較大，損耗較大。

兩電平：

D4產(chǎn)生導(dǎo)通損耗，一個(gè)高壓器件，飽和壓降較小，損耗較小。

開關(guān)損耗

“I”型三電平：

D5產(chǎn)生反向恢復(fù)損耗，低壓器件，半電壓開關(guān)，損耗較小。

“T”型三電平：

D2產(chǎn)生反向恢復(fù)損耗，低壓器件，半電壓開關(guān)，損耗較小。

兩電平：

D4產(chǎn)生反向恢復(fù)損耗，高壓器件，全母線電壓開關(guān)，損耗較大。

對于“I”型三電平結(jié)構(gòu)，低壓器件在半電壓情況下產(chǎn)生的損耗較小。主要是T1和D5以及負(fù)半周期對應(yīng)的T4和D6作為主要開關(guān)管。減小和優(yōu)化他們的開關(guān)損耗有助于提高系統(tǒng)效率。T2管在逆變周期幾乎沒有開關(guān)過程，因此設(shè)計(jì)低飽和壓降的管子有利于提高系統(tǒng)效率。對于整個(gè)拓?fù)涠?，由于所有的?dǎo)通回路都有兩個(gè)器件串聯(lián)，因此導(dǎo)通損耗較大；所有的開關(guān)器件都是低壓器件，且在半電壓情況下開關(guān)，損耗較小。所以，“I”型拓?fù)湓谀孀冎芷?，在較高的頻率段應(yīng)用比較有優(yōu)勢。

對于“T”型三電平結(jié)構(gòu)，T1為高壓器件，開關(guān)損耗比兩電平小，但是比“I”型的要大。續(xù)流階段的二極管反向恢復(fù)損耗和“I”型類似，但是相對于兩電平是低壓器件且半電壓反向恢復(fù)，損耗要小得多。T1和D2以及負(fù)半周期對應(yīng)的T4和D3作為主要開關(guān)管采用低損耗二極管有助于提高系統(tǒng)效率。同樣，T2在逆變周期也幾乎沒有開關(guān)過程，因此低飽和壓降的管子有利于提高系統(tǒng)效率。對于整個(gè)拓?fù)涠裕取癐”型拓?fù)溆械蛯?dǎo)通損耗的優(yōu)勢，僅在開關(guān)損耗上差一點(diǎn)。

而相對于兩電平，“T”型結(jié)構(gòu)導(dǎo)通損耗在高調(diào)制度的時(shí)候幾乎和兩電平?jīng)]有差別，而開關(guān)損耗要低得多?？偟膩碇v，“T”型三電平和兩電平結(jié)構(gòu)相似，損耗卻可以很大的優(yōu)化可以取代兩電平結(jié)構(gòu)。

04

整流狀態(tài)損耗分析

三電平逆變狀態(tài)的電壓和電流的實(shí)際波形如下圖7。每相橋臂輸出兩種狀態(tài)，正電壓和零電壓。同時(shí)每個(gè)正脈沖電壓分別伴隨著一個(gè)開通和一個(gè)關(guān)斷過程。兩電平逆變狀態(tài)則輸出正電壓和負(fù)電壓。同時(shí)每個(gè)正脈沖電壓分別伴隨著一個(gè)開通和一個(gè)關(guān)斷過程。電流與電壓相位完全相反。

圖 7 三電平相電壓電流

三種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)續(xù)流狀態(tài)對應(yīng)高電壓的輸出如下圖 8 所示。下面根據(jù)下圖來分析該過程對應(yīng)各個(gè)拓?fù)涞膿p耗特征。

圖 8 正電壓脈沖對應(yīng)電流路徑

導(dǎo)通損耗

“I”型三電平：

D1和D2產(chǎn)生導(dǎo)通損耗，兩個(gè)低壓器件，飽和壓降較大，損耗較大。

“T”型三電平：

D1產(chǎn)生導(dǎo)通損耗，一個(gè)高壓器件，飽和壓降較小，損耗較小。

兩電平：

D1產(chǎn)生導(dǎo)通損耗，一個(gè)高壓器件，飽和壓降較小，損耗較小。

開關(guān)損耗

“I”型三電平：

D1產(chǎn)生反向恢復(fù)損耗，低壓器件，半電壓開關(guān)，損耗較小。

“T”型三電平：

D1產(chǎn)生反向恢復(fù)損耗，高壓器件，半電壓開關(guān)，損耗一般。

兩電平：

D1產(chǎn)生反向恢復(fù)損耗，高壓器件，全母線電壓開關(guān)，損耗較大。

三種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)換流狀態(tài)對應(yīng)低電壓的輸出如下圖 9所示。下面根據(jù)下圖同樣來分析該過程對應(yīng)各個(gè)拓?fù)涞膿p耗特征。

圖 9 低電壓脈沖對應(yīng)電流路徑

導(dǎo)通損耗

“I”型三電平：

T3和D6產(chǎn)生導(dǎo)通損耗，兩個(gè)低壓器件，飽和壓降較大，損耗較大。

“T”型三電平：

T3和D3產(chǎn)生導(dǎo)通損耗，兩個(gè)低壓器件，飽和壓降較大，損耗較大。

兩電平：

T4產(chǎn)生導(dǎo)通損耗，一個(gè)高壓器件，飽和壓降較小，損耗較小。

開關(guān)損耗

“I”型三電平：

T3產(chǎn)生開關(guān)損耗，低壓器件，半電壓開關(guān)，損耗較小。

“T”型三電平：

T3產(chǎn)生開關(guān)損耗，低壓器件，半電壓開關(guān)，損耗較小。

兩電平：

T4產(chǎn)生開關(guān)損耗，高壓器件，全母線電壓開關(guān)，損耗較大。

對于整流周期可以看出和逆變周期的特征是類似的。需要注意的是，在整流周期，對于“I”型和“T”型三電平，T3和負(fù)半周期對應(yīng)的T2管變成了主要開關(guān)管。需要使用低開關(guān)損耗的器件來降低損耗優(yōu)化系統(tǒng)效率。

04

總結(jié)

對于“I”型和“T”型兩種三電平結(jié)構(gòu)，會(huì)存在一個(gè)頻率點(diǎn)，二者效率相同。這主要是由半導(dǎo)體特性決定的，而不單單是拓?fù)涞奶匦裕膊粫?huì)是一個(gè)固定值。由于半導(dǎo)體器件的特性也決定了“I”型的導(dǎo)通損耗偏高，而開關(guān)損耗偏小。“T”型導(dǎo)通損耗相對小一些，但是開關(guān)損耗也相對大一些。

“T”型相對于兩電平，導(dǎo)通損耗會(huì)高一些，而開關(guān)損耗卻要低很多。另外，在較高的調(diào)制度情況下，"T"型三電平結(jié)構(gòu)也有較小的導(dǎo)通損耗，因此三電平的優(yōu)勢較為明顯。