通过搭载150V MOSFET的多电平逆变器来提高效率

一般的逆变器（2电平逆变器）采用一个开关器件，相比之下，多电平逆变器开关电路包含多个串联开关器件，能够精细地控制输出电压。

图1显示桥式电路的框图，它是普通2电平逆变器电路的一部分。（逆变器电路由多个这部分组成，其数量具体取决于受控电机。控制3相电机的3相逆变器由三个桥式电路组成。）本图中，两个开关器件（图中使用MOSFET）Q₁和Q₂位于电压源和地线之间，通过控制Q₁和Q₂的导通／关断，由中点输出所需电压。（电压源和中点之间以及中点和接地之间一个MOSFET所在的部分称为“桥臂”。）
2电平逆变器工作波形如图2所示，输出电压有两个电平，当Q₁ 导通，Q₂关断时为E（电压源电压），当Q₁关断，Q₂导通时为0（接地电压）。

2电平逆变器每个桥臂中有一个开关器件，而多电平逆变器每个桥臂中有多个开关器件。通过控制每个开关器件，由中点输出所需电压。我们以图3所示为例说明3电平逆变器工作原理，这种逆变器每个桥臂中有2个开关器件。
图4显示3电平逆变器工作波形示例。三个重复周期分别为Q₁和Q₂导通，Q₂和Q₃导通，Q₃和Q₄导通。输出电压有三个电平，Q₁和Q₂导通时为E，Q₂和Q₃导通时为E/2，Q₃和Q₄导通时为0。这样，3电平逆变器的优点是输出电压分辨率倍半交替，因此可以精细地控制输出电压。

现在，我们考虑当两个电压源电压都是E时，输出电压振幅和施加的到2电平逆变器或3电平逆变器每个开关器件的电压。2电平逆变器的输出电压振幅是E，因为输出电压为E和0，每个器件上施加的电压也是E。而3电平逆变器的输出电压振幅是E/2，因为输出电压为E、E/2和0，那么施加到每个器件的电压也是E/2。因此，对于3电平逆变器，每个开关器件上施加的电压变为2电平逆变器的一半，可使用耐压减半的器件。通常，由于单位面积导通电阻增加，MOSFET等开关器件的开关功耗会随着耐压的增加进一步加重。因此，使用耐压较低的器件有助于减少多电平逆变器应用的功率损耗。 

最新推出的TPH9R00CQ5是一款150 V MOSFET，由于采用了最新的U-MOSX-H工艺优化单元结构，与上一代产品相比，降低开关功率损耗，并且导通电阻和电荷特性之间的平衡得到了很好的改善。这是一种高速二极管（HSD）型产品，其内部二极管速度通过寿命控制技术获得，除开关电源应用外，还适用于电机驱动时续流电流流过其内部二极管的逆变器应用。

下面看一下采用TPH9R00CQ5的多电平逆变器。假设逆变器输出为3相AC 200V至240V，则输入电压约为DC 400V。对于2电平逆变器，尽管施加到开关器件的稳态电压振幅为400V，考虑到开关操作时的浪涌电压，使用的耐压应达到600V以上。如果使用TPH9R00CQ5，5电平逆变器包含四个串联器件就足够了。

现在，我们从开关应用特性的角度，对2电平逆变器配置的开关器件与5电平逆变器使用的TPH9R00CQ5进行比较。如上所述，2电平逆变器开关器件的耐压需要达到600V以上，因此TK62N60W5（600V／DTMSOIV／HSD型）是适合2电平逆变器应用的，因为 TK62N60W5内置高速二极管以及耐压600V。采用TPH9R00CQ5的情况下，因为TPH9R00CQ5是应用于5电平逆变器，因此在将TPH9R00CQ5与TK62N60W5特性进行比较时，需要考虑4个器件的总特性。表1显示施加电流时影响导通损耗的导通电阻（R_DS(ON)）值，以及两个器件（TPH9R00CQ5和TK62N60W5）MOSFET导通／关断时，影响开关损耗的栅极电荷（Q_g）值。如表1所示，TPH9R00CQ5（共四个器件）导通电阻和栅极电荷值均小于TK62N60W5。这表明逆变器工作状态下，采用TPH9R00CQ5的5电平逆变器功率损耗小于采用TK62N60W5的2电平逆变器。