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关于T字型和1字型三电平电路分析

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    发表于 2022-2-17 09:11 | 只看该作者 回帖奖励 |倒序浏览 |阅读模式

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    x
    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。
    # e3 ^5 I3 m2 v5 j4 c
    % 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

    + i0 k9 ^: j' G. l  n+ L/ C
  • TA的每日心情
    开心
    2022-1-29 15:03
  • 签到天数: 1 天

    [LV.1]初来乍到

    2#
    发表于 2022-2-17 09:51 | 只看该作者
    T型电路在减少损耗比较有利
  • TA的每日心情
    开心
    2022-1-24 15:10
  • 签到天数: 1 天

    [LV.1]初来乍到

    3#
    发表于 2022-2-17 10:34 | 只看该作者
    不错,可以多学习学习
  • TA的每日心情
    开心
    2022-1-24 15:10
  • 签到天数: 1 天

    [LV.1]初来乍到

    4#
    发表于 2022-2-17 15:33 | 只看该作者
    三电平电路比普通电路的中点续流能力强,也能降低损耗
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