三电平逆变器的关键技术及其应用

三电平逆变器的关键技术及其应用TheKeyTechnologyandApplicationofThree-levelInverter康劲松同济大学主要内容¾0.概述¾1.三电平逆变器的拓扑结构¾2.三电平逆变器的控制策略¾3.三电平逆变器中点电压不平衡问题¾4.三电平逆变器设计的关键技术0.概述¾多电平（设为N电平）逆变器与传统的两电平逆变器相比，在相同条件下具有以下优点：¾可产生2N－1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；¾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1/（N－1），器件的开关应力减小；电流变化率di/dt也相应减小,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；¾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；¾适用于高压、大功率应用场合。0.概述-在变频调速中的应用轧钢系统水泥制造业0.概述-在变频调速中的应用高炉鼓风机造纸业0.概述-在轨道交通中的应用中国CRH2（和谐号）动车组日本新干线高速列车0.概述-在电力系统中的应用静止无功功率补偿器综合潮流控制器0.概述-在电力系统中的应用直流输电新能源并网1.三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Nabae1980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，即中点箝位式三电平逆变器（NeutralPointClampedThree-levelInverter）。1.三电平逆变器的拓扑结构中点箝位式主要有三种拓扑，¾二极管箝位型¾电容箝位型¾混合箝位型1.1二极管箝位型¾直流母线电压被两个串联电容C1，C2分成2个电平。¾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；¾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;¾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¾三电平逆变器单臂电路中S1～S4为功率开关器件，C1为箝位电容，C2、C3为直流分压电容。¾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；¾开关管S3、S4导通时，逆变器输出为-Udc/2；¾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¾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；¾由于增加了一个箝位电容，T2和T3不能同时导通；¾三种电平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T2和T4截止。fCfLdCdC1.4二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°−=20δ°=0δ°+=20δdC2.三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：¾单脉冲控制方式¾多载波控制方式¾空间电压矢量（SVPWM）控制方式2.1单脉冲控制方式¾单脉冲控制时，也称为方波控制¾三电平逆变器U相输出电压如右图所示：波形这里控制角α指逆变器U相中主管T1、T4的控制角改变α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ABuABi仿真波形实际波形2.2多载波控制方式1载波重叠法VU/2/dcU2/dcU−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，输出电平为n，其他情况输出o电平。2.2多载波控制方式-1500-1000-500050010001500t/s0.090.10.110.120.130.140.15-4-3-2-101234t/s-1500-1000-500050010001500t/s0.090.10.110.120.130.140.15-8-6-4-202468t/s（a）m=0.6（b）m=0.82.2多载波控制方式2载波移相法st/st/VU/2/dcU2/dcU−载波移相PWM法是和层叠法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-1500-1000-5000500100015000.1550.160.1650.170.1750.180.1850.190.1950.20.205-8-6-4-202468-1500-1000-5000500100015000.1550.160.1650.170.1750.180.1850.190.1950.20.205-8-6-4-202468（a）m=0.6（b）m=0.82.2多载波控制方式3零序电压注入载波PWM法2)min(),,max(0cbacbauuuuuuU+++=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-1500-1000-5000500100015000.130.140.150.160.170.18-8-6-4-202468-1500-1000-5000500100015000.130.140.150.160.170.18-8-6-4-202468（a）m=0.6（b）m=0.82.2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-1500-1000-5000500100015000.1450.150.1550.160.1650.170.1750.180.1850.190.195-8-6-4-202468-1500-1000-5000500100015000.1450.150.1550.160.1650.170.1750.180.1850.190.195-8-6-4-202468（a）m=0.6（b）m=0.82.2多载波控制方式00.10.20.30.40.50.60.70.80.91050100150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2.3SVPWM控制技术¾逆变器的控制指令是控制系统给出的参考空间电压矢量¾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2.3SVPWM控制技术st/Vuab/Vuan/VuucC/)(21−3.三电平逆变器的中点电位平衡问题¾三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，并且形成电流回路，从而导致电容的充放电，使得中点电压发生波动。¾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；¾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¾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；¾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。¾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oo′oioio′oo′ooi3.1中点电位偏移问题¾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。¾零矢量和大矢量不会发生变化；¾中矢量个数不变，但方向和幅值发生改变，在扇区Ⅱ、Ⅳ、Ⅵ中矢量顺时针偏离了ξ角，而在扇区Ⅰ、Ⅲ、Ⅴ中矢量逆时针偏离了ξ角；¾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。ξβα3.2抑制中点电位偏移SVPWM¾抑制中点电位偏移的控制技术是利用空间矢量的冗余性来合成开关矢量的方法来抑制中点电位偏移。¾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SVPWMst/Vuab/Vuan/VuucC/)(21−VUC/st/3.2抑制中点电位偏移SVPWM3.2抑制中点电位偏移SVPWMi1i30i4.三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。结合我们实际开发三电平逆变器的经验，介绍以下几方面的关键技术：¾相模块设计¾叠层母排设计¾吸收电路设计¾驱动电路设计¾控制系统的设计¾散热设计OACPNGARGBGALdCdCdCdCdCdCdCdCdCdCdCdC4.1相模块设计——模块选择SEMiX3模块GARGARGALGALGBGB+-NACPO9功率模块平行摆放，占用空间最小；9仅需要两组层叠母排，结构简单；9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——器件布局4.1相模块设计——器件布局4.2叠层母排的设计—杂散电感vCE(t)iC(t)VCCIO0tt10tpv(t)iCvCE()∫⋅=t2t1vswitchdttpEt2CECvvip⋅=VCE,IC,Pv,Eswitch的关系vCE(t),iC(t)VCCIO0tvGE(t)VGE,IoVGE(th)0tVGG+VGG-开通(通过续流二极管换流)0tvCE(t),iC(t)VCCIOvGE(t)VGE,IoVGE(th)0VGG+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—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压降4.2叠层母排的设计—IGBT开通和关断波形4.2叠层母排的设计——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。¾高的可靠性和安全性。¾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。¾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。¾无错误的安装，通常比电缆更容易散热冷却，更小的温升。¾更少的总体成本。优点：4.2叠层母排的设计——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—叠层母排不同设计比较独立电容式开发成本低，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。CsCsCsL2L24.3吸收电路设计——常用吸收电路O1C2C1aT2aT3aT4aT1aD2aDPN1D2D3D4D1R2R3RAU1SC2SC3SC4SC12C34C电容CS1、CS2和CS3、CS4分别与电容C12、C34联接成三角型。CS1、CS2和CS