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1、三电平逆变器的关键技术及其应用 The Key Technology and Application of Three-level Inverter 康 劲 松康 劲 松 同 济 大 学同 济 大 学 主 要 内 容主 要 内 容 ?0.概述0.概述 ?1.三电平逆变器的拓扑结构1.三电平逆变器的拓扑结构 ?2.三电平逆变器的控制策略2.三电平逆变器的控制策略 ?3.三电平逆变器中点电压不平衡问题3.三电平逆变器中点电压不平衡问题 ?4.三电平逆变器设计的关键技术4.三电平逆变器设计的关键技术 0. 概述概述 ? 多电平（设为多电平（设为N电平）逆变器与传统的两电平逆变器相比， 在相同条件下具
2、有以下优点： 电平）逆变器与传统的两电平逆变器相比， 在相同条件下具有以下优点： ? 可产生可产生2N1层阶梯型输出电压，保证有更为接近正弦的波 形，谐波含量减小； 层阶梯型输出电压，保证有更为接近正弦的波 形，谐波含量减小； ? 开关器件每次开关时电压变化率开关器件每次开关时电压变化率dv/dt小，为两电平逆变器 的 小，为两电平逆变器 的1/（N1），器件的开关应力减小；电流变化率），器件的开关应力减小；电流变化率di/dt也 相应减小 也 相应减小, 电机的转矩脉动和电磁噪音降低，电磁干扰 （ 电机的转矩脉动和电磁噪音降低，电磁干扰 （EMI）问题大大减轻；）问题大大减轻； ? 效率高，
3、在同样谐波含量时，多电平逆变器开关频率大大降 低，开关损耗明显减少； 效率高，在同样谐波含量时，多电平逆变器开关频率大大降 低，开关损耗明显减少； ? 适用于高压、大功率应用场合。适用于高压、大功率应用场合。 0. 概述-在变频调速中的应用概述-在变频调速中的应用 轧钢系统轧钢系统 水泥制造业水泥制造业 0. 概述-在变频调速中的应用概述-在变频调速中的应用 高炉鼓风机高炉鼓风机 造纸业造纸业 0. 概述-在轨道交通中的应用概述-在轨道交通中的应用 中国中国CRH2（和谐号）动车组（和谐号）动车组 日本新干线高速列车日本新干线高速列车 0. 概述-在电力系统中的应用概述-在电力系统中的应用 静
4、止无功功率补偿器静止无功功率补偿器 综合潮流控制器综合潮流控制器 0. 概述-在电力系统中的应用概述-在电力系统中的应用 直流输电直流输电 新能源并网新能源并网 1. 三电平逆变器的拓扑结构三电平逆变器的拓扑结构 首先是德国学者Holtz于 1977年首次提出，德文为 Dreipunktshaltung,直译为中文 为三点式电路； 其主电路采用常规的两电平 电路结构，在每相桥臂中点与直 流侧电源中点用一对反并联的功 率器件辅助中点箝位，从而逆变 器的每相交流输出电压有三种电 平。 日本学者Nabae 1980年提出新 的结构形式： 中点采用二极管箝位而两个功 率主管串联的方案，即中点箝位式 三
5、电平逆变器（Neutral Point Clamped Three-level Inverter）。 1. 三电平逆变器的拓扑结构三电平逆变器的拓扑结构 中点箝位式主要有三种拓扑， ?二极管箝位型 ?电容箝位型 ?混合箝位型 1.1 二极管箝位型二极管箝位型 ?直流母线电压被两个串联电容 C1，C2分成2个电平。 ?当开关S1和S2同时导通时，输出 端a对中点电位o的电平为Udc/2； ?当开关S2和S3同时导通时，输出 端a对中点电位o的电平为0; ?当开关S3和S4同时导通时，输出 端a对中点电位o的电平为-Udc/2。 1.2 电容箝位型电容箝位型 ?三电平逆变器单臂电路中S1S4为 功
6、率开关器件，C1为箝位电容，C2、 C3为直流分压电容。 ?当开关管S1、S2导通时，逆变器输 出端相对于中间直流回路中性点o的电 压为Udc/2； ?开关管S3、S4导通时，逆变器输出 为-Udc/2； ?开关管S1、S3或者S2、S4同时导通 时，逆变器输出都为0。 1.3 混合箝位型混合箝位型 ? 与二极管箝位型结构相比，它 在每个桥臂的箝位二极管后增加 了一个箝位电容； ?由于增加了一个箝位电容，T2 和T3不能同时导通； ?三种电平Udc/2、0和-Udc/2中 的0电平可以通过两种开关方式得 到，即一种方式是当T2和T4同时 导通且T1和T3截止，另一种是当 T1和T3同时导通且T
7、2和T4截止。 f C f L d C d C 1.4 二极管箝位型三电平逆变系统二极管箝位型三电平逆变系统 1.5 级联式的多电平逆变系统级联式的多电平逆变系统 =20 =0 +=20 d C 2. 三电平逆变器的控制策略三电平逆变器的控制策略 三电平逆变器的控制策略主要是PWM控制技术。所 谓PWM技术，就是利用半导体器件的开通和关断，把直 流电压变成一定形状的电压脉冲序列，以实现变频、变 压并有效地控制和消除谐波的一种技术 。目前，常用的 PWM控制策略有： ?单脉冲控制方式 ?多载波控制方式 ?空间电压矢量（SVPWM）控制方式 2.1 单脉冲控制方式单脉冲控制方式 ?单脉冲控制时，也
8、称为方波 控制 ?三电平逆变器U相输出电压 如右图所示： 波形这里控制角指逆变器 U相中主管T1、T4的控制角 改变的大小，即可控制方 波的宽度，从而改变逆变器的 输出电压。 2.1 单脉冲控制方式单脉冲控制方式 AB u AB i 仿真波形实际波形 2.2 多载波控制方式多载波控制方式 1 载波重叠法 VU / 2/ dc U 2/ dc U st/ st/ 载波层叠法是由两组频率 和幅值相同的三角载波上下层 叠，且两组载波对称分布于统 一调制波的正负半波。 假设三个电平从高到低依 次为p、o和n，当调制波的正 半波大于上层载波时，输出电 平为p；而调制波的负半波幅 值小于下层载波时，输出电
9、平 为n，其他情况输出o电平。 2.2 多载波控制方式多载波控制方式 -1500 -1000 -500 0 500 1000 1500 t/s 0.090.10.110.120.130.140.15 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 t/s -1500 -1000 -500 0 500 1000 1500 t/s 0.090.10.110.120.130.140.15 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 t/s （a）m=0.6 （b）m=0.8 2.2 多载波控制方式多载波控制方式 2 载波移相法 st/ st/ VU / 2/ dc U 2/ dc U 载波移相PWM法是
10、和 层叠法PWM相同，也是两 组频率和幅值都相同的三角 波在参考轴上下层叠。 但是上层载波和下层载 波的相位不同，图中是上层 载波和下层载波的相位相差 180时，输出的开关波形 。 2.2 多载波控制方式多载波控制方式 -1500 -1000 -500 0 500 1000 1500 0.1550.160.1650.170.1750.180.1850.190.1950.20.205 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 -1500 -1000 -500 0 500 1000 1500 0.1550.160.1650.170.1750.180.1850.190.1950.20.205 -8
11、 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 （a）m=0.6 （b）m=0.8 2.2 多载波控制方式多载波控制方式 3 零序电压注入载波PWM法 2 )min(),max( 0 cbacba uuuuuu U + = 在三相正弦调制波中注 入了零序分量，零序分量及 合成的调制波由下式决定： 2.2 多载波控制方式多载波控制方式 -1500 -1000 -500 0 500 1000 1500 0.130.140.150.160.170.18 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 -1500 -1000 -500 0 500 1000 1500 0.130.140.150.160.170.1
12、8 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 （a）m=0.6 （b）m=0.8 2.2 多载波控制方式多载波控制方式 4 改进零序电压注入多载波PWM法 改进零序电压注入多载 波PWM法是为了改善低调制 度下输出电压的谐波特性， 基于控制自由度组合思想对 零序电压注入PWM法进行了 改进，即对两个载波增加竖 直方向上的偏移量，使之产 生交叠 。 2.2 多载波控制方式多载波控制方式 -1500 -1000 -500 0 500 1000 1500 0.1450.150.1550.160.1650.170.1750.180.1850.190.195 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8
13、 -1500 -1000 -500 0 500 1000 1500 0.1450.150.1550.160.1650.170.1750.180.1850.190.195 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 （a）m=0.6 （b）m=0.8 2.2 多载波控制方式多载波控制方式 00.10.20.30.40.50.60.70.80.91 0 50 100 150 调 制 比 m 线电压畸变率THD（%） PD调 制 法 PS调 制 法 加 入 三 次 谐 波 的 PD调 制 法 改 进 三 次 谐 波 的 PD调 制 法 各种多载波调制法电压畸变率 2.3 SVPWM控制技术控制技术
14、? 逆变器的控制指令是控 制系统给出的参考空间电 压矢量 ?以一定角频率在空间旋 转，当转到某个小扇区 时，系统选择该小扇区中 最近的3个基本空间电压矢 量进行合成，算出相应主 开关管的导通时间。 三电平电压空间矢量 2.3 SVPWM控制技术控制技术 st / Vuab/Vuan/ Vuu cC / )( 21 3. 三电平逆变器的中点电位平衡问题三电平逆变器的中点电位平衡问题 ?三电平逆变器有四类电压空间矢量： 零矢量由于三相电位相等，对中点电位不产生影响； 大矢量对应的开关状态使三相输出和正负母线相连， 不影响中点电压。 中矢量和小矢量的开关状态对应至少有一相输出和零 母线相连，并且形成
15、电流回路，从而导致电容的充放 电，使得中点电压发生波动。 ?中点电压平衡问题，是指在三电平逆变器中，存在着由于直流分压电容 充放电不均衡造成的中点电压不平衡问题； ?中点电压的增减取决于开关模式的选择、负载电流方向、脉冲持续时间 及所选择的电容等。 3.1 中点电位偏移问题中点电位偏移问题 中小矢量作用时，流向中点的电流情况： 3.1 中点电位偏移问题中点电位偏移问题 ? 中矢量引入的电流不会造成中点电位偏 移，但会造成其上下波动，且交轴分量 比直轴分量产生更大的低频纹波； ? 小矢量电流的无功分量在一个周期内为 零，不会引起中点电位偏移，有功分量 在一个周期内不为零，会造成中点电位 偏移。
16、? 中点电压控制的一条思路，即通过控制 中点电流来控制中点电压 o o o i o i o o o o o i 3.1 中点电位偏移问题中点电位偏移问题 ? 假设中点电压发生偏移Udc/4时，有 效空间电压矢量增加到24个，如右 图所示。 ? 零矢量和大矢量不会发生变化； ? 中矢量个数不变，但方向和幅值发生 改变，在扇区、中矢量顺时 针偏离了角，而在扇区、 中矢量逆时针偏离了角； ? 小矢量增加了6个，其方向不变，但 幅值发生了改变，p型矢量幅值减小 了一半，而n型矢量幅值增加了一 半。 3.2 抑制中点电位偏移抑制中点电位偏移SVPWM ?抑制中点电位偏移的控 制技术是利用空间矢量 的冗余
17、性来合成开关矢 量的方法来抑制中点电 位偏移。 ?这些合成开关矢量是由 特定空间矢量按照一定 的方式合成，方向固 定、大小可调 。合成 后的矢量图如右图所示 3.2 抑制中点电位偏移抑制中点电位偏移SVPWM st / Vuab/ Vuan/Vuu cC / )( 21 VUC/ st / 3.2 抑制中点电位偏移抑制中点电位偏移SVPWM 3.2 抑制中点电位偏移抑制中点电位偏移SVPWM i1 i3 0 i 4. 三电平逆变器设计的关键技术三电平逆变器设计的关键技术 大功率三电平逆变器设计时，需要综合考虑电 路设计、结构设计、散热设计、电磁兼容性等机、 电、热、磁等及其耦合影响。结合我们实
18、际开发三 电平逆变器的经验，介绍以下几方面的关键技术： ?相模块设计 ?叠层母排设计 ?吸收电路设计 ?驱动电路设计 ?控制系统的设计 ?散热设计 O AC P N GAR GB GAL d C d C d C d C d C d C d C d C d C d C d C d C 4.1 相模块设计相模块设计模块选择模块选择 SEMiX 3模块 GARGAR GAL GAL GBGB +- N AC P O ?功率模块平行摆 放，占用空间最小； ?仅需要两组层叠母 排，结构简单； ?内侧IGBT发热量最 大，位于散热器中 央，利于散热。 4.1 相模块设计相模块设计器件布局器件布局 4.1
19、相模块设计相模块设计器件布局器件布局 4.2叠层母排的设计叠层母排的设计杂散电感杂散电感 vCE(t) iC(t) VCC IO 0 t t1 0 t pv(t) iC vCE ( ) = t 2 t 1 v s w i t c h d t t p E t2 C E C v v i p = VCE, IC, Pv, Eswitch的关系的关系 vCE(t), iC(t) VCC IO 0 t vGE(t) VGE, Io VGE(th) 0 t VGG+ VGG- 开通 (通过续流二极管换流) 0 t vCE(t), iC(t) VCC IO vGE(t) VGE, Io VGE(th) 0
20、VGG+ VGG- t 关断 (带感性负载时,换流到续流回路) 由杂散电感引 起的尖峰电压 由杂散电感引 起的压降 4.2 叠层母排的设计叠层母排的设计杂散电感的影响杂散电感的影响 由杂散电感引起的尖峰电压由杂散电感引起的尖峰电压 由杂散电感引起的压降由杂散电感引起的压降 4.2叠层母排的设计叠层母排的设计IGBT开通和关断波形开通和关断波形 4.2 叠层母排的设计叠层母排的设计叠层母排叠层母排 叠层母排结构是指将多层铜板叠放在一起，层 与层间使用绝缘导热材料制成的薄膜隔离，并粘合 封装到一起的一种直流电容和功率器件连接结构。 这种结构可以非常有效的降低回路的杂散电感。 ? 高的可靠性和安全性
21、。 ? 模块式结构，简洁紧凑的设计，节省内部空间，便于 安装和现场服务。 ? 增加分布电容，更低的电感(特别是对IGBT的应用，降 低由于电压击穿而引起的电器元件损坏概率)；以更低 的电压降实现高电流承载能力。 ? 无错误的安装，通常比电缆更容易散热冷却，更小的 温升。 ? 更少的总体成本。 优点： 4.2 叠层母排的设计叠层母排的设计叠层母排叠层母排 - + - + - + - + -+-+ IGBT模块 电容 低电感的方案 -+ -+-+ -+ -+-+ IGBT模块 电容 + +- - + + 典型的方案 4.2叠层母排的设计叠层母排的设计叠层母排不同设计比较叠层母排不同设计比较 独立电
22、容式 开发成本低，适用于 小功率场合。 整体式RCD 二极管抑制谐振发 生，适用于中小功率 场合。 交叉型RCD大电流应用场合。 Cs Cs Cs L2 L2 4.3 吸收电路设计吸收电路设计常用吸收电路常用吸收电路 O 1 C 2 C 1a T 2a T 3a T 4a T 1a D 2a D P N 1 D 2 D 3 D 4 D 1 R 2 R 3 R A U 1S C 2S C 3S C 4S C 12 C 34 C 电容CS1、CS2和CS3、CS4 分别与电容C12、C34联接 成三角型。 CS1、CS2和CS3、CS4是 吸收电容； C12、C34是箝位电容。 4.3 吸收电路设
23、计吸收电路设计三角形吸收电路三角形吸收电路 (a) 换流过程中电容 CS1的电压波形 (b) 换流过程中电容 CS2的电压波形 4.3 吸收电路设计吸收电路设计三角形吸收电路三角形吸收电路 (c) 换流过程中电容 C12的电压波形 (d) T1管关断电压波形 4.3 吸收电路设计吸收电路设计三角形吸收电路三角形吸收电路 4.4 驱动电路驱动电路 驱动电路是主电路和控制电路的接口，影响着电力电子 器件开关时间、开关损耗，对装置的效率、可靠性和安全性 起着重要作用。 IGBT是属于电压驱动型器件，其驱动电路的基本要求可 归纳为： ?提供适当的正向和反向栅级输出电压，使IGBT能可靠地开 通和关断。
24、 正栅极电压要使IGBT处于饱和工作，并使通态损耗减少 至最小，同时也限制了短路电流和功率应力。 关断时，为保证IGBT集电极和发射极间出现dv/dt噪音时 保持关断，栅极需加反向偏压，同时还可减少关断损耗。 ? 提供足够大的瞬时功率或瞬时电流，能使IGBT及时迅速建 立栅控电场而导通。IGBT开关要消耗来自栅极电源的功 率，该功耗与正负偏压和开关频率相关。 ? 具有灵敏的短路或过流保护能力。在IGBT处于负载短路或 过流状态时，能在容许时间内逐渐降低栅极电压来抑制故 障电流，避免出现过大的di/dt引起过高的电压尖峰。 ? 尽可能小的输入输出延迟时间，减少器件的开关损耗，以 提高效率。 ?
25、足够高的输入输出电气隔离性能，使信号电路与栅极驱动 电路绝缘。 4.4 驱动电路驱动电路 4.4 驱动电路驱动电路 SKHI10/17是SEMIKRON一种 大功率IGBT的驱动电路，它 可以驱动1700V IGBT。该驱 动电路主要包括： ?供电欠压检测 ?变压器隔离 ?内部隔离电源 ?软短路关断 ?监测短路保护 4.4 驱动电路驱动电路 4.4 驱动电路驱动电路驱动电压和电流波形驱动电压和电流波形 G i GE u G i GE u （a）IGBT开通时（b）IGBT关断时 F240 LF2407A F2812 F28335 4.5 控制系统控制系统CPU的选择的选择 TMS320F240
26、TMS320LF2407ATMS320F2812TMS320F28335 CPU16位 C24x16位 C24x32位 C28x32位 C28x 主频(MHz)20 40150150 RAM1 KB5 KB36 KB68 KB Flash32 KB64 KB256 KB512 KB OTP ROM2 KB2 KB EMIF(数据线宽)16-Bit16-Bit16-Bit32/16-Bit DMA6-Ch PWM12-Ch16-Ch16-Ch18-Ch 捕获/正交编码4/26/46/26/2 ADC通道/位数16-Ch 10-Bit 16-Ch 10-Bit16-Ch 12-Bit16-Ch 1
27、2-Bit ADC转换时间6.1 us 500 ns80 ns80 ns McBSP12 UART1 SCI1 SCI2 SCI3 SCI SPI3111 CAN112 I2C1 定时器3个16位GP,1个WD4位16位GP,1个WD3个32位GP,1个WD3个32位CPU,1个WD GPIO28415688 内核供电5 V3.3 V1.9 V1.9 V IO电压 5 V3.3 V3.3 V3.3 V 总结 ?三电平变换器与传统两电平变换器相比具有许多优 势，主要可以应用于高压大容量交流电机变频调 速、轨道交通车辆和电能质量综合治理等领域。 ?三电平逆变器的控制策略主要有单脉冲控制、多载 波控制和SVPWM控制等，和交流电机构成调速系 统，通常采用矢量控制技术和直接转矩控制技术。 ?三电平逆变器的中点电位平衡问题，是影响逆变器 可靠性的关键因素之一。 ?三电平逆变器的设计和开发中，需要考虑机、电、 热、磁及其相互的耦合。 感谢大家的倾听， 欢迎专家的指正！ 感谢大家的倾听， 欢迎专家的指正！