与传统的两电平结构相比，三电平结构不仅能将单个IGBT的阻断电压减半，而且还具有谐波更低、损耗更小、效率更高等优点。本文主要基于现有的三电平电路研究，分析了“I”形和“T”形电路的波形，进而探讨了开关规格和损耗的选择，最终选定了一种合适的三电平电路。
三电平电路原理图
目前， IGBT模块有多种三电平拓扑结构，其中最常见的两种是三电平“I”型和三电平“T”型。以下章节将从不同角度分析这两种结构。如图1和图2所示，为了区分这两种电路，我们根据电路图中四个IGBT开关的排列方式，将前者称为“I”型，后者称为“T”型。与普通的半桥电路相比，三电平电路由于能够在电路中点保持电流连续，因此在降低输出纹波和损耗方面具有显著优势。
图1. 三电平“I”形电路原理图
图2. 三电平“T”形电路的原理图
对两个电路进行波形分析
为了比较两种电路的损耗和规格，本文绘制了两种电路的波形，如图 3 和图 4 所示。下面是对波形图的部分解释。
- 波形图假设正负母线电压相等，所有元件均为理想元件。
- 为了便于比较，分析两个电路时均采用相同的驱动信号波形。驱动信号的具体控制方法参考了相关文献，如图所示。具体而言， Q1 和 Q3采用脉宽调制 (PWM) 控制（包含死区时间）， Q2 和 Q4也采用脉宽调制 (PWM) 控制（包含死区时间）。此外，Q1 和 Q4 之间也存在死区时间。
- 波形图假设电感电流 IL 相同，并涵盖各种电流状态（如下图所示）。
- VL 表示电感器与开关晶体管连接点的电压。从波形图中可以看出，两个电路在该点的电压相同。
- VL 的高电平值为 Vbus 的 1 倍，其他电平值均以此比率为基准。
图 3：I 形三电平电路的波形分析
图4， T形三电平电路波形
两个电路的比较
1. 开关管额定电压规格比较：
在三电平I型电路中，四个IGBT承受相同的电压，而T型电路中的Q1和Q4管则承受两倍的电压。例如，如果直流母线电压为600V，则I型电路中四个IGBT的阻断电压为600V/650V，而T型电路中Q1和Q4管的阻断电压为1200V。与600V/650V的IGBT芯片相比，1200V的IGBT芯片具有更高的开关损耗和导通损耗，导致更高的发热量，并且需要更多的硅芯片。因此，硅芯片的成本也会增加。
然而，在实际应用中，对于I型电路，当两个开关晶体管两端的电压是母线电压的两倍时，由于元件本身的特性差异，它们所承受的电压不可能完全相同。因此，为了确保开关晶体管的安全运行，I型电路的设计也应能承受两倍的母线电压。由此可见，从实际应用角度来看，I型电路在开关电压额定值选择方面并没有显著优势。
2. 损失比较
此处的损耗主要指四个开关管的损耗以及二极管的开关损耗和导通损耗。由于损耗与电流路径密切相关，因此根据电流路径将其分为六种状态，并在图3和图4中用不同颜色表示。请参考图3和图4。
- 在母线供电状态下，A型和I型电路中，电流由+BUS经由Q1和Q2提供。损耗包括Loss_Q1_on&tur_off、Loss_Q1_On和Loss_Q2_On。在T型电路中，电流由+BUS经由Q1提供。损耗包括Loss_Q1_on&tur_off和Loss_Q1_On 。比较：在此状态下，波形图显示Loss_Q1_on&tur_off损耗相似，但与T型电路相比，I型电路由于Q2的存在而存在额外的导通损耗。
- 在负极母线电源的A状态下，I型电路中电流从电感器经Q3和Q4流向负极母线。损耗包括Q4导通与关断损耗、Q3导通损耗和Q4导通损耗。在B型和T型电路中，电流从电感器经Q4流向负极母线。损耗包括Q4导通与关断损耗和Q4导通损耗。比较：在此状态下，与T型电路相比，I型电路中Q3的导通损耗更大。
- 在正极母线连续电流状态下，A型和I型电路中，电流从电感器经Q1二极管和Q2二极管流向正极母线。损耗包括Q1二极管导通-关断-导通损耗和Q2二极管导通-关断-导通损耗。在T型电路中，电流从电感器经Q1二极管流向正极母线。损耗包括Q1二极管导通-关断-导通损耗。在此状态下，与T型电路相比，I型电路由于Q2二极管的导通损耗而额外增加。
- 在负极母线电流持续流动的状态下，I 形电路中电流从负极母线流经二极管 Q1 和 Q2 到达电感。损耗包括二极管 Q3 导通-关断-导通损耗和二极管 Q4 导通-关断-导通损耗。在 T 形电路中，电流从负极母线流经二极管 Q1 到达电感。损耗包括二极管 Q4 导通-关断-导通损耗。与 T 形电路相比，I 形电路由于以下原因存在额外的导通损耗： Q3.
- 在状态 A 下，中点续流电流 iL 大于 0，在 D1 和 Q2 接地的电路中，电流从 GND 流经 D1 和 Q2 到达电感。损耗包括 Loss_D1 和 Loss_Q2。在 T 型连接的电路中，电流从 GND 流经二极管 Q2 和 Q3 到达电感。损耗包括 Loss_Q2 和 Loss_Q3。二极管比较：在此状态下，两种电路的损耗相似。
- 当中点续流电流IL小于0时，在A型和I型电路中，电流从电感器经Q3和D2流向地。损耗包括Loss_Q3和Loss_D2。在B型和T型电路中，电流从电感器经Q3和二极管Q2流向地。损耗包括Loss_Q2和Loss_Q3diode。在此状态下，两种电路的损耗相近。
结论：从以上比较可以看出，除了中点换向状态外，T 型电路在其他状态下的损耗均优于 I 型电路。
3. 组件数量比较
从拓扑图中很容易看出，T 型电路比 1 字符电路少两个二极管，这有利于减少空间占用。
4. 控制时机的不同
在三电平 I 型拓扑结构中，必须先关断外部晶体管 Q1 和 Q4，然后再关断内部晶体管Q2 和 Q3，以防止总线电压施加到外部晶体管上造成损坏。而 T 型拓扑结构则没有这样的时序要求。此外，I 型拓扑结构的驱动设计需要四个独立的电源；而 T 型共射极拓扑结构仅需三个独立的电源。
I型和T型逆变器的损耗存在差异。当功率因数接近1时，较高的开关频率（>16kHz）可使三电平I型逆变器（600V）的损耗降低，效率提高。相反，当开关频率降低（<16kHz）时，三电平T型逆变器（1200V）则表现出更低的损耗和更高的效率。因此，在设计逆变器系统时，必须根据具体的开关频率要求选择高效的拓扑结构。
5. 不同的交换路径
在T型拓扑结构中，外管和内管之间的转换路径是一致的；而在I型拓扑结构中，转换路径则不同，分为短转换路径和长转换路径。因此，在使用分立模块构建三电平I型拓扑结构时，必须注意杂散电感和电压尖峰问题。
结论
本文分析表明，理论上，I型三电平电路的耐压性能优于T型电路。然而，从实际应用角度来看，两者差异甚微。在损耗方面，T型电路优于I型电路。此外，T型电路比I型电路少用两个二极管。因此，基于以上分析，T型电路在降低损耗和缩小空间占用方面更具优势。