“T”型NPC的效率怎么会比“I”型NPC的效率高呢？

网上查找三电平相关的资料，特别是两种三电平结构的差异，经常能看到这样的一个结论。那就是，当开关频率小于16kHz的时候，“T”型NPC的效率比“I”型NPC的效率高；当开关频率高于16kHz的时候，“I”型NPC的效率会更高。

作者表示，怎么会有这么回事？那就先算一下试试。正好我前段时间做了个软件，可以计算两电平和三电平的损耗，计算使用的芯片类型可以自由配置。下面各配置一个“T”型和“I”型的300A的模块。顺便也基于“T”型模块的竖管来配置一个两电平的模块。

先配置一个“I”型的模块，采用以下芯片：

T1&T4：IGC30T65U8S

T2&T3：IGC30T65U8V

D1-D6：SIDC26D65C8

再配置一个“T”型的模块，采用如下芯片：

T1&T4：IGC99T120T8RQ

T2&T3：IGC30T65U8V

D1&D4：SIDC53D120H8

D2&D3：SIDC26D65C8

下面我们计算一下，在不同开关频率下两个三电平模块以及两电平模块的表现。并绘制不同频率下的效率曲线如下图1（输出电流：200A；交流电压：400V；直流母线电压：850V；工频，功率因数为1）：

图 1 功率因数为1的时候效率对比图

从上图中可以看出，在频率较高的时候，“I”型三电平效率会高于“T”型三电平；在低频段“T”型三电平的效率会更高一些。分界点大约在6kHz左右。这样看，不用大于16kHz，“I”型的效率就比“T”型的高咯。同时，对于两电平结构，效率要明显低得多。不过这些计算受到器件的影响极大。比如上面 “I”型三电平的IGBT如果T1&T4和T2&T3的芯片类型调换一下，效率就会降低很多，甚至在频率较高的时候仍然效率低于“T”型。那么下面，我们从结合器件来分析一下两种三电平结构和两电平拓扑结构的损耗特征和区别。

02

损耗分析

我们谈损耗首先是要基于半导体器件的，碳化硅的东西我还没有细致的研究，这里主要针对硅基的IGBT来讲。当我们讨论IGBT模块的损耗的时候，需要关注的主要是输出特征曲线和开关损耗曲线，如下图1 所示（以英飞凌FF1400R12IP4为例）。

下图左侧是IGBT的输出特性曲线决定了器件的导通损耗，对于导通损耗由于器件的特性，两个650V的IGBT串联的饱和压降一般是远大于单个1200V器件的；右侧是IGBT的开关损耗特性曲线，决定了器件的开关损耗。一般的，开关损耗与IGBT两端电压相关，开关电压降低一半，开关损耗也至少降低一半。同等电压情况下，低压IGBT的开关损耗也是低于高压IGBT的。对于DIODE也是类似的曲线以及相同的特性，就不再列出。因此，下面的讨论基于以下三个基本事实前提：

1，两个低压器件串联的饱和压降高于一个高压器件；

2，同等条件下低压器件的开关损耗小于高压器件；

3，母线电压降低一半，器件的开关损耗至少降低一半。

图 2 模块的输出特性曲线和损耗特性曲线

对于逆变器来讲，电压电流总共有四种状态，但主要是两种，即为电压电流同相位的逆变状态和电压电流反相位的整流状态，如下图所示。下面我们分别讨论纯逆变状态和纯整流状态的效率特性。

图 3 电压电流的关系

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逆变状态损耗分析

三电平逆变状态的电压和电流的实际波形如下图4。每相桥臂输出两种状态，正电压和零电压。同时每个正脉冲电压分别伴随着一个开通和一个关断过程。两电平逆变状态则输出正电压和负电压。同时每个正脉冲电压分别伴随着一个开通和一个关断过程。电流与电压同相位。

图 4 两电平相电压电流

三种拓扑结构换流状态对应高电压的输出如下图 5 所示。下面根据下图来分析该过程对应各个拓扑的损耗特征。

图 5 正电压脉冲对应电流路径

导通损耗

“I”型三电平：

T1和T2产生导通损耗，两个低压器件，饱和压降较大，损耗较大。

“T”型三电平：

T1产生导通损耗，一个高压器件，饱和压降较小，损耗较小。

两电平：

T1产生导通损耗，一个高压器件，饱和压降较小，损耗较小。

开关损耗

“I”型三电平：

T1产生开关损耗，低压器件，半电压开关，损耗较小。

“T”型三电平：

T1产生开关损耗，高压器件，半电压开关，损耗一般。

两电平：

T1产生开关损耗，高压器件，全母线电压开关，损耗较大。

三种拓扑结构续流状态对应低电压的输出如下图 6所示。下面根据下图同样来分析该过程对应各个拓扑的损耗特征。

图 6 低电压脉冲对应电流路径

导通损耗

“I”型三电平：

T2和D5产生导通损耗，两个低压器件，饱和压降较大，损耗较大。

“T”型三电平：

T2和D2产生导通损耗，两个低压器件，饱和压降较大，损耗较大。

两电平：

D4产生导通损耗，一个高压器件，饱和压降较小，损耗较小。

开关损耗

“I”型三电平：

D5产生反向恢复损耗，低压器件，半电压开关，损耗较小。

“T”型三电平：

D2产生反向恢复损耗，低压器件，半电压开关，损耗较小。

两电平：

D4产生反向恢复损耗，高压器件，全母线电压开关，损耗较大。

对于“I”型三电平结构，低压器件在半电压情况下产生的损耗较小。主要是T1和D5以及负半周期对应的T4和D6作为主要开关管。减小和优化他们的开关损耗有助于提高系统效率。T2管在逆变周期几乎没有开关过程，因此设计低饱和压降的管子有利于提高系统效率。对于整个拓扑而言，由于所有的导通回路都有两个器件串联，因此导通损耗较大；所有的开关器件都是低压器件，且在半电压情况下开关，损耗较小。所以，“I”型拓扑在逆变周期，在较高的频率段应用比较有优势。

对于“T”型三电平结构，T1为高压器件，开关损耗比两电平小，但是比“I”型的要大。续流阶段的二极管反向恢复损耗和“I”型类似，但是相对于两电平是低压器件且半电压反向恢复，损耗要小得多。T1和D2以及负半周期对应的T4和D3作为主要开关管采用低损耗二极管有助于提高系统效率。同样，T2在逆变周期也几乎没有开关过程，因此低饱和压降的管子有利于提高系统效率。对于整个拓扑而言，比“I”型拓扑有低导通损耗的优势，仅在开关损耗上差一点。

而相对于两电平，“T”型结构导通损耗在高调制度的时候几乎和两电平没有差别，而开关损耗要低得多。总的来讲，“T”型三电平和两电平结构相似，损耗却可以很大的优化可以取代两电平结构。

04

整流状态损耗分析

三电平逆变状态的电压和电流的实际波形如下图7。每相桥臂输出两种状态，正电压和零电压。同时每个正脉冲电压分别伴随着一个开通和一个关断过程。两电平逆变状态则输出正电压和负电压。同时每个正脉冲电压分别伴随着一个开通和一个关断过程。电流与电压相位完全相反。

图 7 三电平相电压电流

三种拓扑结构续流状态对应高电压的输出如下图 8 所示。下面根据下图来分析该过程对应各个拓扑的损耗特征。

图 8 正电压脉冲对应电流路径

导通损耗

“I”型三电平：

D1和D2产生导通损耗，两个低压器件，饱和压降较大，损耗较大。

“T”型三电平：

D1产生导通损耗，一个高压器件，饱和压降较小，损耗较小。

两电平：

D1产生导通损耗，一个高压器件，饱和压降较小，损耗较小。

开关损耗

“I”型三电平：

D1产生反向恢复损耗，低压器件，半电压开关，损耗较小。

“T”型三电平：

D1产生反向恢复损耗，高压器件，半电压开关，损耗一般。

两电平：

D1产生反向恢复损耗，高压器件，全母线电压开关，损耗较大。

三种拓扑结构换流状态对应低电压的输出如下图 9所示。下面根据下图同样来分析该过程对应各个拓扑的损耗特征。

图 9 低电压脉冲对应电流路径

导通损耗

“I”型三电平：

T3和D6产生导通损耗，两个低压器件，饱和压降较大，损耗较大。

“T”型三电平：

T3和D3产生导通损耗，两个低压器件，饱和压降较大，损耗较大。

两电平：

T4产生导通损耗，一个高压器件，饱和压降较小，损耗较小。

开关损耗

“I”型三电平：

T3产生开关损耗，低压器件，半电压开关，损耗较小。

“T”型三电平：

T3产生开关损耗，低压器件，半电压开关，损耗较小。

两电平：

T4产生开关损耗，高压器件，全母线电压开关，损耗较大。

对于整流周期可以看出和逆变周期的特征是类似的。需要注意的是，在整流周期，对于“I”型和“T”型三电平，T3和负半周期对应的T2管变成了主要开关管。需要使用低开关损耗的器件来降低损耗优化系统效率。

04

总结

对于“I”型和“T”型两种三电平结构，会存在一个频率点，二者效率相同。这主要是由半导体特性决定的，而不单单是拓扑的特性，也不会是一个固定值。由于半导体器件的特性也决定了“I”型的导通损耗偏高，而开关损耗偏小。“T”型导通损耗相对小一些，但是开关损耗也相对大一些。

“T”型相对于两电平，导通损耗会高一些，而开关损耗却要低很多。另外，在较高的调制度情况下，"T"型三电平结构也有较小的导通损耗，因此三电平的优势较为明显。