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[摘 要]本文总结了三种拓扑结构逆变器的原理，分析了中高压大功率关键技术，叙述了逆变器几种重要的PWM控制方式，最后对比国内外逆变器产品的差异，对多电平数的变频器的研究和应用具有很好的指导意义。
[关键词]三电平，逆变器，大功率
中图分类号：TM464 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）15-0164-01
1 前言
1980年日本长冈科技大学的A.Nabae等人首次提出的三电平逆变器，为高压大容量电压型逆变器研制开辟了新思路，实现中高压领域的变频调压重大突破。在此基础上，经过多年的研究，发展出3种主要的拓扑结构：二极管钳位型多电平逆变器、飞跨电容型多电平逆变器和级联型多电平逆变器。
2 三种拓扑结构逆变器的原理
1）二极管箝位型三电平逆变器又称NPC（Neutral—Point—C1amped）是三电平逆变器拓扑结构中发展最早，也是目前应用最普遍的一种拓扑结构。电路中每一相由4个功率器件串联构成，对4个功率管按一定的开关逻辑进行驱动输出所需要的电平数，合成相应的正弦波形。NPC 三电平逆变器能够很好的解决电力电子开关器件耐压不够高的问题。器件承受的关断电压就是直流回路电压的一半，三电平拓扑使得相同耐压水平的开关器件，可以应用于中高压的大容量变频器；由于没有两电平逆变器中两个串联器件的同时导通和同时关断问题，对器件的动态性能要求低，器件受到的电压应力小，系统的可靠性有所提高；三电平输出电压电平数增多，各级电平间的幅值变化降低，低的dv/dt对外围电路的干扰减小，对电机的冲击小，在开关频率附近的谐波幅值也小；由于三电平逆变器输出为三电平阶梯波，形状更接近正弦。在同样的开关频率下，开关损耗小，效率高，这正适应高压大容量逆变器由于开关损耗及器件的问题开关性能关频率不能太高的要求；可以控制无功功率流。
2）飞跨电容型多电平逆变器也叫做电容钳位型多电平逆变器（FCML），是由法国学者 T.A.Meynard 和H.Foch 于1992 年首先提出的。飞跨电容型多电平逆变器采用悬浮电容代替二极管对功率开关进行直接钳位，不存在二极管钳位型逆变器中主、从功率开关的阻断电压不均衡和钳位二极管反向电压难以快速恢复的问题。飞跨电容型多电平逆变器的显著优点是逆变器电平数容易扩展，逆变器的控制也非常灵活，而且只需要一个独立的直流电源，整流侧的设计非常简单。当整流侧应用类似的结构时，逆变器还可以四象限运行。飞跨电容型多电平逆变器最大的问题是需要大量的钳位电容以及在运行过程中必须严格控制悬浮电容电压的平衡以保证逆变器的运行安全。对于电容电压平衡的问题，可用输出相同电压时采用不同的开关组合对电容进行充放电来解决，但是因电容太多，如何选择开关组合将非常复杂，并要求较高的频率。
3）级联型多电平逆变器。同上述两种拓扑结构逆变器相比，在功能方面，基于独立直流电源的级联型多电平逆变器能达到相同的效果。其基本原则是将彼此互相独立的直流电源合成一个预期的电压。它的不同之处在于，新型的逆变器可以省去钳位二极管或电压平衡电容。互相彼此独立的直流电源 （SDCS）与一个单相全桥逆变器相连，通过变换开关器件 S1～S4 的各种组合状态，将产生的不同电平的电压通过全桥逆变器的输出电压串联起来，合成最终所需要得到的输出电压波形。
3 中高压大功率关键技术
综合以上所述，在中高压大功率场合下，主要采用以下几种方法来解决的应用难题：
1）功率器件串并聯技术。功率器件串并连技术，可以达到提高电压等级和电流等级的效果，从而使低压小容量的功率器件用于高压大功率环境中得到可能。这种方式采取的结构简单，其最大的不足之处在于：为了保证功率器件之间的电压电流一致性，额外增设动、静态均压电路和均流电路；功率器件采用串并方式技术之后，对驱动电路的要求也会有更高的要求；而输出波形质量却没有得到有效的改善。因此，其应用范围已经逐渐减小。
2）高—低—高方式。或是称为降压，普通变频升压方式，这种方式是通过在输入侧采取变压器降压，中间环节还是沿用传统的低压等级变频器技术进行变频之后，再使用变压器提升输出电压的等级，它的好处是可以直接应用现有的低压变频技术得到较好的效果，在价格方面占有比较大的优势，不足之处是系统效率低、装置体积、重量庞大，中间环节电流过大的难题也不能很好的得到解决。
3）功率单元串并联多重化技术。多重化技术简单的来说，功率单元的每一相通过串联的这种组合方式，将多绕组隔离变压器供电的低压PWM功率单元的相互叠加，得到高压输出。此种方式的最大优势在于采用功率单元的低压逆变器的技术能力达到市场的需求，价格低廉，对于相同结构和参数的模块化集成和冗余设计技术成熟，输入输出波形完美，谐波小，效率高；不足之处在于：在高压场合的环境下，所需要的功率单元和功率器件的数量比较多，整个装置外形也会变得比较庞大，在整个功能的实用性的角度出发，缺少能量回馈、四象限运行、无法制动的功能，将它的应用范围得到很大的限制。
4）多电平技术。通过改变桥臂上功率开关器件的开关的导通组合方式和对直流侧的分压，多电平逆变器实现多电平阶梯波输出电压，从而促使输出的波形更加接近正弦波。
4 逆变器PWM控制方式
脉宽调制（PWM）技术起源于通信领域，由德国人A.shnoung在1964年把它应用于DC—AC的逆变控制领域，此举给交流变频调速系统的快速运用起到了很大的作用。变频调速系统的核心技术是PWM控制，以后的任何控制算法基本上是从PWM控制方式衍生而实现的。随着时间的推移，目前已经产生了了几种比较成熟的PWM控制方式。
（1） 正弦波PWM（SPWM）：采用正弦波形作为信号波，它的脉冲宽度通过正弦波和三角载波叠加合成而来，此种方式通俗易懂，所以被广泛采用。但它的缺点在于输出的电压比输入电压小，最大线性输出线电压的幅值只有输入电压的倍，且效率比较低。 （2） 快速电流跟踪PWM技术，电流控制型的电压源逆变器最通用的采用的PWM控制技术，通常方式是采取滞环电流控制，以指令电流为指令，三相电流快速跟随变化。这种逆变器的硬件结构不复杂，电流控制响应快，保留着电压和电流控制型逆变器的双重优势，大多情况下应用于PMSM伺服系统和异步电动机矢量变换控制系统。
（3） 磁链跟踪控制PWM技术：逆将变器和电动机看作一个整体，采取交流电动机理想的圆形磁场作为参考标准，通过逆变器在不同开关模式下所产生的实际磁链矢量跟踪基准磁链圆，通过最终的跟踪结果来选取逆变器的开关模式，生产PWM波。因为通过对空间矢量的选择，完成了对磁链的轨迹的还原，这种方式也称为电压空间矢量法。
（4） 直接转矩的智能控制PWM技术。普通所说的直接转矩PWM技术从根本上不能辨别转矩、磁链的较大的偏差和细微的偏差，这将造成在电机启动期间对系统的延迟影响。若采取智能控制中的模糊控制的方法，采取确定定子磁链空间位置，使用一系列偏差的正大、正小等模糊语言，使用模糊规则推断逆变器的开关模式，系统性能得到提高。
（5） 双PWM控制技术。当前电压型逆变器采用“交一直一交”技术，对电网的污染比较大。最新双PWM变频器的整流和逆变两部分都采用PWM技术，从而使得整个变频器不需要添加其它的附加电路即可就使得输入侧的电流为正弦波的状态，系统的功率因数也接近于等于1，减少了对电网侧的污染程度，并实现了四象限运行。
5 国内为变频器产品差异
当前生产中，中高压变频与低压变频相比，其技术的成熟程度没有达到预期水平，归根到底的原因各厂家依据目前存在不的电压耐量生产相对应的功率元件，根据中高压的要求，根据不同的主电路拓扑结构，生产了相对应的变频器产品，各产品在性能上虽存在些许差异，总体上来说都能较好的解决目前所存在的问题。在国际上享有比较好的口碑的变频器产品如下：美国洛宾康（ROBINCON）的完美无谐波变频器，美国洛克威尔（ROCKWELL） Power Flex 7000系列变频器、德国西门子公司的SIMOVERT MV中压变频器；瑞典ABB公司的ACSl000系列变频器，日本三菱、富士公司生产的完美无谐波变频器以及意大利ANSALDO公司生产SILCOVERT—TH变频器等。
与国外相比，国内的起步比较晚，其产品在性能和技术方面国产的大功率高压变频器的前景不明朗，产业规模和技术成熟程度还无法与国外产品相提并论。国内的多电平逆变器还是使用传统的单元串联形式的“罗宾康”结构，最大的优点是控制简单，模块化结构方式也比较容易维护。
总的来说，在多电平逆变器的范畴中，三电平逆变器属于最基本的逆变器，所以在谐波含量、开关频率、功率器件承受的开关应力等性能方面比不上多电平数的逆变器，不过三电平逆变器与多电平逆变器相比有一个最大的优点：主电路结构较为简洁，采取的功率器件相对少，控制方法也比较简单，但可靠性能比较高，它更容易實现产品化生产，随着技术的不断完善和成熟，性能和可靠性也在一步一步的提高，为多电平数的变频器的研究和应用打下了牢实的基础。
[关键词]三电平，逆变器，大功率
中图分类号：TM464 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）15-0164-01
1 前言
1980年日本长冈科技大学的A.Nabae等人首次提出的三电平逆变器，为高压大容量电压型逆变器研制开辟了新思路，实现中高压领域的变频调压重大突破。在此基础上，经过多年的研究，发展出3种主要的拓扑结构：二极管钳位型多电平逆变器、飞跨电容型多电平逆变器和级联型多电平逆变器。
2 三种拓扑结构逆变器的原理
1）二极管箝位型三电平逆变器又称NPC（Neutral—Point—C1amped）是三电平逆变器拓扑结构中发展最早，也是目前应用最普遍的一种拓扑结构。电路中每一相由4个功率器件串联构成，对4个功率管按一定的开关逻辑进行驱动输出所需要的电平数，合成相应的正弦波形。NPC 三电平逆变器能够很好的解决电力电子开关器件耐压不够高的问题。器件承受的关断电压就是直流回路电压的一半，三电平拓扑使得相同耐压水平的开关器件，可以应用于中高压的大容量变频器；由于没有两电平逆变器中两个串联器件的同时导通和同时关断问题，对器件的动态性能要求低，器件受到的电压应力小，系统的可靠性有所提高；三电平输出电压电平数增多，各级电平间的幅值变化降低，低的dv/dt对外围电路的干扰减小，对电机的冲击小，在开关频率附近的谐波幅值也小；由于三电平逆变器输出为三电平阶梯波，形状更接近正弦。在同样的开关频率下，开关损耗小，效率高，这正适应高压大容量逆变器由于开关损耗及器件的问题开关性能关频率不能太高的要求；可以控制无功功率流。
2）飞跨电容型多电平逆变器也叫做电容钳位型多电平逆变器（FCML），是由法国学者 T.A.Meynard 和H.Foch 于1992 年首先提出的。飞跨电容型多电平逆变器采用悬浮电容代替二极管对功率开关进行直接钳位，不存在二极管钳位型逆变器中主、从功率开关的阻断电压不均衡和钳位二极管反向电压难以快速恢复的问题。飞跨电容型多电平逆变器的显著优点是逆变器电平数容易扩展，逆变器的控制也非常灵活，而且只需要一个独立的直流电源，整流侧的设计非常简单。当整流侧应用类似的结构时，逆变器还可以四象限运行。飞跨电容型多电平逆变器最大的问题是需要大量的钳位电容以及在运行过程中必须严格控制悬浮电容电压的平衡以保证逆变器的运行安全。对于电容电压平衡的问题，可用输出相同电压时采用不同的开关组合对电容进行充放电来解决，但是因电容太多，如何选择开关组合将非常复杂，并要求较高的频率。
3）级联型多电平逆变器。同上述两种拓扑结构逆变器相比，在功能方面，基于独立直流电源的级联型多电平逆变器能达到相同的效果。其基本原则是将彼此互相独立的直流电源合成一个预期的电压。它的不同之处在于，新型的逆变器可以省去钳位二极管或电压平衡电容。互相彼此独立的直流电源 （SDCS）与一个单相全桥逆变器相连，通过变换开关器件 S1～S4 的各种组合状态，将产生的不同电平的电压通过全桥逆变器的输出电压串联起来，合成最终所需要得到的输出电压波形。
3 中高压大功率关键技术
综合以上所述，在中高压大功率场合下，主要采用以下几种方法来解决的应用难题：
1）功率器件串并聯技术。功率器件串并连技术，可以达到提高电压等级和电流等级的效果，从而使低压小容量的功率器件用于高压大功率环境中得到可能。这种方式采取的结构简单，其最大的不足之处在于：为了保证功率器件之间的电压电流一致性，额外增设动、静态均压电路和均流电路；功率器件采用串并方式技术之后，对驱动电路的要求也会有更高的要求；而输出波形质量却没有得到有效的改善。因此，其应用范围已经逐渐减小。
2）高—低—高方式。或是称为降压，普通变频升压方式，这种方式是通过在输入侧采取变压器降压，中间环节还是沿用传统的低压等级变频器技术进行变频之后，再使用变压器提升输出电压的等级，它的好处是可以直接应用现有的低压变频技术得到较好的效果，在价格方面占有比较大的优势，不足之处是系统效率低、装置体积、重量庞大，中间环节电流过大的难题也不能很好的得到解决。
3）功率单元串并联多重化技术。多重化技术简单的来说，功率单元的每一相通过串联的这种组合方式，将多绕组隔离变压器供电的低压PWM功率单元的相互叠加，得到高压输出。此种方式的最大优势在于采用功率单元的低压逆变器的技术能力达到市场的需求，价格低廉，对于相同结构和参数的模块化集成和冗余设计技术成熟，输入输出波形完美，谐波小，效率高；不足之处在于：在高压场合的环境下，所需要的功率单元和功率器件的数量比较多，整个装置外形也会变得比较庞大，在整个功能的实用性的角度出发，缺少能量回馈、四象限运行、无法制动的功能，将它的应用范围得到很大的限制。
4）多电平技术。通过改变桥臂上功率开关器件的开关的导通组合方式和对直流侧的分压，多电平逆变器实现多电平阶梯波输出电压，从而促使输出的波形更加接近正弦波。
4 逆变器PWM控制方式
脉宽调制（PWM）技术起源于通信领域，由德国人A.shnoung在1964年把它应用于DC—AC的逆变控制领域，此举给交流变频调速系统的快速运用起到了很大的作用。变频调速系统的核心技术是PWM控制，以后的任何控制算法基本上是从PWM控制方式衍生而实现的。随着时间的推移，目前已经产生了了几种比较成熟的PWM控制方式。
（1） 正弦波PWM（SPWM）：采用正弦波形作为信号波，它的脉冲宽度通过正弦波和三角载波叠加合成而来，此种方式通俗易懂，所以被广泛采用。但它的缺点在于输出的电压比输入电压小，最大线性输出线电压的幅值只有输入电压的倍，且效率比较低。 （2） 快速电流跟踪PWM技术，电流控制型的电压源逆变器最通用的采用的PWM控制技术，通常方式是采取滞环电流控制，以指令电流为指令，三相电流快速跟随变化。这种逆变器的硬件结构不复杂，电流控制响应快，保留着电压和电流控制型逆变器的双重优势，大多情况下应用于PMSM伺服系统和异步电动机矢量变换控制系统。
（3） 磁链跟踪控制PWM技术：逆将变器和电动机看作一个整体，采取交流电动机理想的圆形磁场作为参考标准，通过逆变器在不同开关模式下所产生的实际磁链矢量跟踪基准磁链圆，通过最终的跟踪结果来选取逆变器的开关模式，生产PWM波。因为通过对空间矢量的选择，完成了对磁链的轨迹的还原，这种方式也称为电压空间矢量法。
（4） 直接转矩的智能控制PWM技术。普通所说的直接转矩PWM技术从根本上不能辨别转矩、磁链的较大的偏差和细微的偏差，这将造成在电机启动期间对系统的延迟影响。若采取智能控制中的模糊控制的方法，采取确定定子磁链空间位置，使用一系列偏差的正大、正小等模糊语言，使用模糊规则推断逆变器的开关模式，系统性能得到提高。
（5） 双PWM控制技术。当前电压型逆变器采用“交一直一交”技术，对电网的污染比较大。最新双PWM变频器的整流和逆变两部分都采用PWM技术，从而使得整个变频器不需要添加其它的附加电路即可就使得输入侧的电流为正弦波的状态，系统的功率因数也接近于等于1，减少了对电网侧的污染程度，并实现了四象限运行。
5 国内为变频器产品差异
当前生产中，中高压变频与低压变频相比，其技术的成熟程度没有达到预期水平，归根到底的原因各厂家依据目前存在不的电压耐量生产相对应的功率元件，根据中高压的要求，根据不同的主电路拓扑结构，生产了相对应的变频器产品，各产品在性能上虽存在些许差异，总体上来说都能较好的解决目前所存在的问题。在国际上享有比较好的口碑的变频器产品如下：美国洛宾康（ROBINCON）的完美无谐波变频器，美国洛克威尔（ROCKWELL） Power Flex 7000系列变频器、德国西门子公司的SIMOVERT MV中压变频器；瑞典ABB公司的ACSl000系列变频器，日本三菱、富士公司生产的完美无谐波变频器以及意大利ANSALDO公司生产SILCOVERT—TH变频器等。
与国外相比，国内的起步比较晚，其产品在性能和技术方面国产的大功率高压变频器的前景不明朗，产业规模和技术成熟程度还无法与国外产品相提并论。国内的多电平逆变器还是使用传统的单元串联形式的“罗宾康”结构，最大的优点是控制简单，模块化结构方式也比较容易维护。
总的来说，在多电平逆变器的范畴中，三电平逆变器属于最基本的逆变器，所以在谐波含量、开关频率、功率器件承受的开关应力等性能方面比不上多电平数的逆变器，不过三电平逆变器与多电平逆变器相比有一个最大的优点：主电路结构较为简洁，采取的功率器件相对少，控制方法也比较简单，但可靠性能比较高，它更容易實现产品化生产，随着技术的不断完善和成熟，性能和可靠性也在一步一步的提高，为多电平数的变频器的研究和应用打下了牢实的基础。