逆变三电平“1”字型和“T”字型电路的比较分析

摘要：本文主要是现有的三电平研究的基础上，对”1”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

如图1，2所示的两种三电平电路图，为了区分这两种电路，根据四个开关管在线路图中的的排列方式，我们将前者成为1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。

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。

波形图假设正负bus相等，且各个元件均假设为理想元件。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。

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）。

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。

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。

三，两种电路的比较

1，开关管耐压规格的比较：

从图3，图4两个波形图中可以看出，理论上1字型电路开关管的最大电压为1Vbus；T字型电路Q1,Q4开关管的反向电压最大2Vbus。

因此，看起来，从开关管耐压角度，1字型要优于T字型。

然而在实际上，对于1字型电路，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，1字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。
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&turnoff  Loss_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&turnoff  Loss_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。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&turnoff  Loss_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&turnoff  Loss_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。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。

负bus续流状

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。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_Q2T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。中点续流iL<0状态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。

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。