“T”型NPC的效率怎么會比“I”型NPC的效率高呢？

網上查找三電平相關的資料，特別是兩種三電平結構的差異，經常能看到這樣的一個結論。那就是，當開關頻率小于16kHz的時候，“T”型NPC的效率比“I”型NPC的效率高；當開關頻率高于16kHz的時候，“I”型NPC的效率會更高。

作者表示，怎么會有這么回事？那就先算一下試試。正好我前段時間做了個軟件，可以計算兩電平和三電平的損耗，計算使用的芯片類型可以自由配置。下面各配置一個“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兩電平的模塊。

先配置一個“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“T”型的模塊，采用如下芯片：

T1&T4：IGC99T120T8RQ

T2&T3：IGC30T65U8V

D1&D4：SIDC53D120H8

D2&D3：SIDC26D65C8

下面我們計算一下，在不同開關頻率下兩個三電平模塊以及兩電平模塊的表現。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，功率因數為1）：

圖 1 功率因數為1的時候效率對比圖

從上圖中可以看出，在頻率較高的時候，“I”型三電平效率會高于“T”型三電平；在低頻段“T”型三電平的效率會更高一些。分界點大約在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，對于兩電平結構，效率要明顯低得多。不過這些計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的芯片類型調換一下，效率就會降低很多，甚至在頻率較高的時候仍然效率低于“T”型。那么下面，我們從結合器件來分析一下兩種三電平結構和兩電平拓撲結構的損耗特征和區別。

02

損耗分析

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

下圖左側是IGBT的輸出特性曲線決定了器件的導通損耗，對于導通損耗由于器件的特性，兩個650V的IGBT串聯的飽和壓降一般是遠大于單個1200V器件的；右側是IGBT的開關損耗特性曲線，決定了器件的開關損耗。一般的，開關損耗與IGBT兩端電壓相關，開關電壓降低一半，開關損耗也至少降低一半。同等電壓情況下，低壓IGBT的開關損耗也是低于高壓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基本事實前提：

1，兩個低壓器件串聯的飽和壓降高于一個高壓器件；

2，同等條件下低壓器件的開關損耗小于高壓器件；

3，母線電壓降低一半，器件的開關損耗至少降低一半。

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，但主要是兩種，即為電壓電流同相位的逆變狀態和電壓電流反相位的整流狀態，如下圖所示。下面我們分別討論純逆變狀態和純整流狀態的效率特性。

圖 3 電壓電流的關系

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逆變狀態損耗分析

三電平逆變狀態的電壓和電流的實際波形如下圖4。每相橋臂輸出兩種狀態，正電壓和零電壓。同時每個正脈沖電壓分別伴隨著一個開通和一個關斷過程。兩電平逆變狀態則輸出正電壓和負電壓。同時每個正脈沖電壓分別伴隨著一個開通和一個關斷過程。電流與電壓同相位。

圖 4 兩電平相電壓電流

三種拓撲結構換流狀態對應高電壓的輸出如下圖 5 所示。下面根據下圖來分析該過程對應各個拓撲的損耗特征。

圖 5 正電壓脈沖對應電流路徑

導通損耗

“I”型三電平：

T1和T2產生導通損耗，兩個低壓器件，飽和壓降較大，損耗較大。

“T”型三電平：

T1產生導通損耗，一個高壓器件，飽和壓降較小，損耗較小。

兩電平：

T1產生導通損耗，一個高壓器件，飽和壓降較小，損耗較小。

開關損耗

“I”型三電平：

T1產生開關損耗，低壓器件，半電壓開關，損耗較小。

“T”型三電平：

T1產生開關損耗，高壓器件，半電壓開關，損耗一般。

兩電平：

T1產生開關損耗，高壓器件，全母線電壓開關，損耗較大。

三種拓撲結構續流狀態對應低電壓的輸出如下圖 6所示。下面根據下圖同樣來分析該過程對應各個拓撲的損耗特征。

圖 6 低電壓脈沖對應電流路徑

導通損耗

“I”型三電平：

T2和D5產生導通損耗，兩個低壓器件，飽和壓降較大，損耗較大。

“T”型三電平：

T2和D2產生導通損耗，兩個低壓器件，飽和壓降較大，損耗較大。

兩電平：

D4產生導通損耗，一個高壓器件，飽和壓降較小，損耗較小。

開關損耗

“I”型三電平：

D5產生反向恢復損耗，低壓器件，半電壓開關，損耗較小。

“T”型三電平：

D2產生反向恢復損耗，低壓器件，半電壓開關，損耗較小。

兩電平：

D4產生反向恢復損耗，高壓器件，全母線電壓開關，損耗較大。

對于“I”型三電平結構，低壓器件在半電壓情況下產生的損耗較小。主要是T1和D5以及負半周期對應的T4和D6作為主要開關管。減小和優化他們的開關損耗有助于提高系統效率。T2管在逆變周期幾乎沒有開關過程，因此設計低飽和壓降的管子有利于提高系統效率。對于整個拓撲而言，由于所有的導通回路都有兩個器件串聯，因此導通損耗較大；所有的開關器件都是低壓器件，且在半電壓情況下開關，損耗較小。所以，“I”型拓撲在逆變周期，在較高的頻率段應用比較有優勢。

對于“T”型三電平結構，T1為高壓器件，開關損耗比兩電平小，但是比“I”型的要大。續流階段的二極管反向恢復損耗和“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，損耗要小得多。T1和D2以及負半周期對應的T4和D3作為主要開關管采用低損耗二極管有助于提高系統效率。同樣，T2在逆變周期也幾乎沒有開關過程，因此低飽和壓降的管子有利于提高系統效率。對于整個拓撲而言，比“I”型拓撲有低導通損耗的優勢，僅在開關損耗上差一點。

而相對于兩電平，“T”型結構導通損耗在高調制度的時候幾乎和兩電平沒有差別，而開關損耗要低得多?？偟膩碇v，“T”型三電平和兩電平結構相似，損耗卻可以很大的優化可以取代兩電平結構。

04

整流狀態損耗分析

三電平逆變狀態的電壓和電流的實際波形如下圖7。每相橋臂輸出兩種狀態，正電壓和零電壓。同時每個正脈沖電壓分別伴隨著一個開通和一個關斷過程。兩電平逆變狀態則輸出正電壓和負電壓。同時每個正脈沖電壓分別伴隨著一個開通和一個關斷過程。電流與電壓相位完全相反。

圖 7 三電平相電壓電流

三種拓撲結構續流狀態對應高電壓的輸出如下圖 8 所示。下面根據下圖來分析該過程對應各個拓撲的損耗特征。

圖 8 正電壓脈沖對應電流路徑

導通損耗

“I”型三電平：

D1和D2產生導通損耗，兩個低壓器件，飽和壓降較大，損耗較大。

“T”型三電平：

D1產生導通損耗，一個高壓器件，飽和壓降較小，損耗較小。

兩電平：

D1產生導通損耗，一個高壓器件，飽和壓降較小，損耗較小。

開關損耗

“I”型三電平：

D1產生反向恢復損耗，低壓器件，半電壓開關，損耗較小。

“T”型三電平：

D1產生反向恢復損耗，高壓器件，半電壓開關，損耗一般。

兩電平：

D1產生反向恢復損耗，高壓器件，全母線電壓開關，損耗較大。

三種拓撲結構換流狀態對應低電壓的輸出如下圖 9所示。下面根據下圖同樣來分析該過程對應各個拓撲的損耗特征。

圖 9 低電壓脈沖對應電流路徑

導通損耗

“I”型三電平：

T3和D6產生導通損耗，兩個低壓器件，飽和壓降較大，損耗較大。

“T”型三電平：

T3和D3產生導通損耗，兩個低壓器件，飽和壓降較大，損耗較大。

兩電平：

T4產生導通損耗，一個高壓器件，飽和壓降較小，損耗較小。

開關損耗

“I”型三電平：

T3產生開關損耗，低壓器件，半電壓開關，損耗較小。

“T”型三電平：

T3產生開關損耗，低壓器件，半電壓開關，損耗較小。

兩電平：

T4產生開關損耗，高壓器件，全母線電壓開關，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和負半周期對應的T2管變成了主要開關管。需要使用低開關損耗的器件來降低損耗優化系統效率。

04

總結

對于“I”型和“T”型兩種三電平結構，會存在一個頻率點，二者效率相同。這主要是由半導體特性決定的，而不單單是拓撲的特性，也不會是一個固定值。由于半導體器件的特性也決定了“I”型的導通損耗偏高，而開關損耗偏小?！癟”型導通損耗相對小一些，但是開關損耗也相對大一些。

“T”型相對于兩電平，導通損耗會高一些，而開關損耗卻要低很多。另外，在較高的調制度情況下，"T"型三電平結構也有較小的導通損耗，因此三電平的優勢較為明顯。