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三电平拓扑损耗计算书.pdf

损耗计算

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本文件规定了三电平拓扑电路的功率器件损耗计算原理和方法。本文件适用于三电平拓扑电路的功率器件损耗计算。

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三电平损耗研究

1 适用范围

本文件规定了三电平拓扑电路的功率器件损耗计算原理和方法。

本文件适用于三电平拓扑电路的功率器件损耗计算。

2 损耗关系

IGBT 模块由 IGBT 和续流二极管 FWD 组成，各自发生的损耗合计为 IGBT 模块整体损耗；

同时，IGBT 的损耗又分为通态损耗和开关损耗，损耗关系图谱如图 1 所示。

图 1 IGBT模块损耗关系图

3 三电平拓扑损耗计算

目前，针对 IGBT 模块的三电平拓扑有很多，最常见的两种拓扑结构如图 1 和图 2 所示，为

了区分这两种电路，根据四个 IGBT 开关管在线路图中的的排列方式，将前者称为“I”字形，

后者称为“T”字形。不论是三电平“I”字形或三电平“T”字形拓扑，其常用的调制方法有

SPWM（正弦波脉宽调制）和 SVPWM（空间矢量脉宽调制），以下是对两种拓扑及两种调制方

式下的损耗计算方法进行分析。

IGBT总损耗

total

IGBT损耗

IGBT

通态损耗

con_T

开关损耗

sw_T

开通损耗

关断损耗

off

FWD损耗

FWD

稳态损耗

con_D

反向恢复

损耗

rec_D

共 19 页第 2 页

（a）“I”字形（b）“T”字形

图 2 两种常见的三电平拓扑结构

3.1 “I”字形三电平拓扑损耗计算

3.1.1 SPWM调制逆变状态损耗计算

3.1.1.1 SPWM 逆变换流状态分析

三电平拓扑结构在采用 SPWM 调制方式时，调制电压 u 与电流 i 都是正弦波，其表达式如

公式（1）所示，相应的瞬时电压与瞬时电流关系如图 3 所示。







sin

uU t

iI t





















公式（

）

图 3 电压电流关系曲线

根据错误!未找到引用源。的电压和电流过零点的情况可将一个调制周期分为四个区域。

a) 区域①：变流器工作在 0～π-φ 区域，电压 u 为正，电流 i 流出，桥臂输出电平状态在“+”

和“0”之间切换，参与换流的器件有 T1、T2、D5，电流流通回路，如图 4（a）所示。

b) 区域②：变流器工作在 π-φ～π 区域，电压 u 为负，电流 i 流出，桥臂输出电平状态在“0”

和“-”之间切换，参与换流的器件有和 T2、D3、D4、D5，电流流通回路如图 4（b）

共 19 页第 3 页

所示。

c) 区域③：变流器工作在 π～2π-φ 区域，电压 u 为负，电流 i 流入，桥臂输出电平状态在

“-”和“0”之间切换，参与换流的器件有 T3、T4、D6，电流流通回路如图 4（c）所

示。

d) 区域④：变流器工作在 2π-φ～2π 区域，电压 u 为正，电流 i 流入，桥臂输出电平状态在

“0”和“ +”之间切换，参与换流的器件有 T3、D1、D2、D6，电流流通回路如图 4（d）

所示。

(a) (b) (c) (d)

图 4 调制与换流通路关系

3.1.1.2 SPWM 逆变状态损耗分析

通过前节分析可以总结出单相桥臂上所有器件的工作情况以及电流流通回路。对于损耗计

算来说，电流向外流与电流向内流是两种对偶的情形，损耗也具有对偶性，所以只需分析其中

的一种电流流向即可。以电流流出为准，其不同开关状态下的损耗分析如下：

a) 当 i>0 且 u>0，即 PWM 脉冲在“+”和“0”之间切换，此时，开关管的工作顺序为

1100-0100（死区状态）-0110-0100（死区状态）-1100，对应的工作状态如图 5 所示。其

中，参与工作的器件有 T1、T2、D5；当开关状态为 1100 时，钳位二极管 D5 发生反向

恢复，电流路径为 T1-D5-C1（小换流回路）。

(a) (b) (c) (d) (e)

图 5 “+”、“0”切换时的状态损耗

共 19 页第 4 页

b) 当 i>0 且 u<0，即 PWM 脉冲在“-”和“0”之间切换，此时，开关管的工作顺序为

0011-0010（死区状态）-0110-0010（死区状态）-0011，对应的工作状态如图 6 所示。其

中，参与工作的器件有 T2、D3、D4、D5；当开关状态为 0110 时，续流二极管 D4 发生

反向恢复，电流路径为 D5-T2-T3-D4-C2（大换流回路）。

(a) (b) (c) (d) (e)

图 6 “-”、“0”切换时的状态损耗

通过以上分析可以直观的看出整个换流过程中各个开关状态的器件损耗情况，总结如表所

示。

表 1 状态与损耗关系

状态 i>0 且 u>0 i>0 且 u<0

损耗 1100 0100 0110 0100 1100 0011 0010 0110 0010 0011

T1 T1 T2

con

T1 T2 T2 D5 T2 D5 T2 D5 T1 T2 D3 D4 D3 D4 T2 D5 D3 D4 D3 D4

off

T1 T2

rec

D5 D5 D4

综上可知，只需算出 T1、T2、D3、D4、D5 对应的损耗即可知整个桥臂的损耗。

3.1.1.3 SPWM 逆变占空比分析

要精确的计算出三电平拓扑的损耗，除了知道开关过程中那些器件产生了损耗，而且还要

知道损耗发生的频率与损耗维持的时间，即器件的开关频率与载波占空比。器件的开关频率即

为载波频率，而占空比需要详细计算。

根据 SPWM 的调制原理，如图 7 所示，可求出各器件一个载波周期内各管的导通占空比。

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