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一,三电平电路示意图: S' H3 J8 z, o5 v
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。5 v, ~' D* ]: M
" o" c) i7 N8 R: O4 E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。9 z5 e' j) r& D5 x1 n0 O
# ?) I( s6 h g4 i
图1. 三电平“1“字形电路示意图8 w g& P! v/ G# [1 E1 C
3 U. Y8 [# Y# i/ J5 i
图2. 三电平“T“字形电路示意图! P$ E- v: M+ p# e
! {# M! ^3 E* a2 @# H
二,两种电路的波形分析
, P$ T; Q7 s9 f% }( E1 ?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。2 h% y- }+ h4 N8 }; A0 e
' A( X% M' w: Z2 s/ Y: q! ?以下是对波形图的部分说明。0 S7 b- q q0 s4 ?% v: Z7 p ~- P
/ T0 k# n7 R/ W; ]: m) K. j J
- 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。
$ f( m6 y- }, S * F: Z) C8 [8 }2 g
0 a8 Y" c( P6 Q) Y 图3, 1字型三电平电路波形分析9 G3 P/ S/ V/ [, ]7 h" F
( B1 G5 e, g( E! Z
图4,T字型三电平电路波形3 n' D0 o T6 y
2 V0 ?: j( n* D. W
三,两种电路的比较
) E( i- j: z0 @; G. n6 e9 x8 p( Q0 _1,开关管耐压规格的比较:0 ]" u9 n% l' u; W( G
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。- S3 h$ v) u% J$ s
, z6 L( w9 p; R# |8 V4 }因此,看起来,从开关管耐压角度,1字型要优于T字型。
9 S& y2 \8 d' }# Z) m5 v* t8 Z: i7 W- H' C
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。
: F2 P' d1 G. Z M# H" t% |. }+ |" j: n% T9 F, q: n) \
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。, k3 V% q' g" T9 ^
( G, |0 }4 d7 M8 V. J; X: V$ h: ~2 Z+ y2,损耗的比较6 x* F7 u6 ? g8 ~1 {% S- W
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。/ W3 x) j+ B' o
% n0 ^9 r7 _' t: H" v, f8 }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。
R' d; M: f7 d: \i.3 z. t$ E* D/ Q3 a4 ~" ]
正bus供电状态,
6 o8 T9 d: J+ d" [( {A, 1字型电路中,电流由+BUS,经Q1,Q2供电。9 i4 c6 l: O% n8 n$ b3 s8 _: T
其损耗包括Loss_Q1_turnon&turnoff Loss_Q1_On Loss_Q2_On
4 F5 d0 K1 ]7 ^B, T字型电路中,电流由+BUS经Q1供电
- V& F r# A* e% { p3 R其损耗包括Loss_Q1_turnon&turnoff Loss_Q1_On
! y' v6 s# F8 E& e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。
* I; ^- n3 N9 m& d& v( rii.) t4 X% y8 w3 x" k+ A/ i ]
负bus供电状态
/ V% b8 F( O, S9 l0 jA, 1字型电路中,电流方向由电感,经Q3,Q4至负bus。
; j7 F" f3 N* _! M7 r其损耗包括Loss_Q4_turnon&turnoff Loss_Q3_On Loss_Q4_On
( F! l- l! D' [' BB, T字型电路中,电流方向由电感,经Q4至负bus
4 |$ Y/ h/ G. z9 q% X7 @1 z9 D& l2 `+ C其损耗包括Loss_Q4_turnon&turnoff Loss_Q4_On- D* g- N# }: {! j$ z2 n8 \
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。
) s5 z+ R: E! g; ^ riii.
/ d H7 u# u. F8 J8 X正BUS续流状态: ]7 F4 e! {- U# U
A, 1字型电路中,电流方向由电感经Q1Diode,Q2diode至正bus。$ H) k, Z$ H' Q7 Y+ H2 z
其损耗包括 Loss_Q1diode_turnon&turnoff&on
* @; c- B- f/ a: GLoss_Q2diode__turnon&turnoff&on' `% P# t5 R8 p
B, T字型电路中,电流方向由电感经Q1diode至正bus。
) v3 t8 ]6 H5 a# t) x其损耗包括 Loss_Q1diode_turnon&turnoff&on
. l4 A$ F# ?, Q& ~: o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。
5 Y4 W/ l$ |1 L" H* s5 h% Div.( d) x) n4 ^8 B' Y
负bus续流状态( B8 A9 p, M, G; D
A, 1字型电路中,电流方向由负bus经Q1diode,Q2diode至电感。+ B$ Z% M; `% v
其损耗包括 Loss_Q3diode_turnon&turnoff&on
: ^% o' _ z8 E2 ^ f5 E4 gLoss_Q4diode__turnon&turnoff&on2 [- g8 h5 i/ V6 N/ \
B, T字型电路中,电流方向由负bus经Q1diode至电感。4 U7 a4 \: U& P2 {# q
其损耗包括 Loss_Q4diode_turnon&turnoff&on8 z! M: J+ L6 L
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。
! m# c: F2 p& c/ Cv.
1 T5 c/ b: I& f' K中点续流iL>0状态
$ j. a/ e5 _6 W' g& ]+ `2 a: t" ?: _( zA,1字型电路中,电流由GND,经D1,Q2至电感。
: ~+ q( p! K6 _+ |7 a( I' i% _% i5 ~1 r6 n其损耗包括Loss_D1 Loss_Q2
0 ~: e6 C% e# UB,2 j+ v6 s2 I- K; a% V% m- e
T字型电路中,电流由GND,经Q2,Q3diode至电感。2 C1 q' p7 c! T% M$ h7 R
其损耗包括Loss_Q2 Loss_Q3diode$ r& B, E1 `! j! D( g* E4 W% ?0 O Z
比较:此状态下,两种电路损耗接近。
- x& o9 V' Z) v7 H2 d$ {vi.9 Z4 a" p8 m ^; U
中点续流iL<0状态
2 x1 ]! e }# K4 ?' vA,1字型电路中,电流由电感,经Q3,D2至GND。
3 O+ F' s! e+ j- {& Q) y; W/ ]其损耗包括Loss_Q3 Loss_D2
- {% V% O3 V) Q0 V( LB, T字型电路中,电流由电感,经Q3,Q2diode至GND。
7 n, D) m% n6 m; ^) h其损耗包括Loss_Q2 Loss_Q3diode
* M* n1 S' J6 k4 C8 G比较:此状态下,两种电路损耗接近。
, c v5 Z) g, l& I- X: j4 V- e- q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。0 g3 M% d6 U% L+ o# x9 C
* l$ [3 j* [5 C+ G$ G1 r3,元件数量的比较, K4 @9 y, S! D
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。
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% K; t1 x: S: Q& s2 u! u5 e2 K四,结论:2 c$ x* c2 x; J) F+ |3 ^/ ]4 k
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。
5 S% d" ], a) {: Q1 v" O. p3 l1 V
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。# l: e# k4 ~9 Y6 I6 O
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