陳濤 吳浩偉 徐正喜

（武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究院， 武漢市 430064）

1 引言

變頻調(diào)速是公認(rèn)的電動(dòng)機(jī)最理想和最有前途的調(diào)速方案，具有優(yōu)異的調(diào)速和起、制動(dòng)性能以及高效、顯著的節(jié)電效果。目前我國工業(yè)風(fēng)機(jī)、泵和壓縮機(jī)等電動(dòng)機(jī)類負(fù)載的總裝機(jī)容量達(dá)1.1～1.6億 kW，其用電量占全國總用電量的約30%～40%[1]，且大多是采用恒頻運(yùn)行的方式，在當(dāng)今世界能源問題的日益突出的條件下，采用變頻器對電機(jī)變頻調(diào)速不僅有近期節(jié)能降耗的直接經(jīng)濟(jì)效益，更有著長遠(yuǎn)的社會(huì)效益。

自20世紀(jì)80年代，交流660 V電機(jī)開始被引入我國以來，其在鋼鐵、石油、化工、化纖、紡織、市政、造紙等各大行業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用，為了滿足此類電機(jī)負(fù)載的傳動(dòng)和控制要求，需要配套使用直流1000 V中壓變頻器，因此，DC1000 V通用變頻器有著巨大的市場需求，是電氣傳動(dòng)領(lǐng)域各大公司的關(guān)注重點(diǎn)之一。

目前常見的通用變頻器逆變技術(shù)方案有基于三相橋式的傳統(tǒng)兩電平逆變電路和基于二極管鉗位的三電平逆變電路[1]。傳統(tǒng)的兩電平變頻器雖然具有簡單可靠、控制成熟的優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)也存在輸出諧波含量大、PWM電壓dv/dt高、共模電壓高等問題，并且需要選用中高壓IGBT以承受1000 V直流電壓。針對這些問題，性能更優(yōu)異的三電平逆變器成為業(yè)內(nèi)最受青睞的解決方案。本文通過三電平技術(shù)與傳統(tǒng)兩電平技術(shù)的比較分析，闡述了三電平逆變電路的技術(shù)特點(diǎn)，并結(jié)合當(dāng)前電力電子器件的發(fā)展?fàn)顩r，詳細(xì)地介紹了在DC1000 V下，不同功率等級(jí)的三電平和兩電平逆變電路設(shè)計(jì)對比，最后從工程設(shè)計(jì)的角度給出了選擇建議。

2 基于二極管鉗位的三電平逆變技術(shù)方案介紹

上世紀(jì)八十年代，日本學(xué)者Nabae提出了基于二極管鉗位的三電平逆變電路[2]，其典型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，整個(gè)逆變電路每個(gè)橋臂由4個(gè)IGBT和6個(gè)二極管構(gòu)成。雖然三電平電路在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上相對更為復(fù)雜，但相對于傳統(tǒng)逆變電路只能輸出高、低兩個(gè)電平，這種新穎的逆變電路可以通過上、下管的開通輸出高、低電平，通過中間二極管的鉗位作用輸出零電平，總共三個(gè)電平狀態(tài)，因此被成為三電平逆變電路。由于三電平逆變電路具有一些優(yōu)異的變換性能和適應(yīng)于高壓、大功率變換的特性，自誕生之日起便受到行業(yè)內(nèi)廣泛的關(guān)注和研究[3,4]。

圖1 NPC三電平典型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖2 兩電平逆變器輸出PWM波形

三電平逆變器的基本原理是利用多個(gè)電平合成階梯波以逼近正弦輸出電壓，由于較兩電平逆變器多了一個(gè)輸出電平，其輸出的PWM波更接近與正弦波形。圖2和圖3為1 kHz同等開關(guān)頻率下，兩電平和三電平逆變器輸出的PWM波形對比，可以直觀地分辨出三電平輸出PWM波形更接近于正弦，諧波含量更少。

圖3 三電平逆變器輸出PWM波形

3 三電平逆變電路的優(yōu)缺點(diǎn)分析

相對于兩電平逆變器，三電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在以下方面具有明顯的優(yōu)勢：1）三電平逆變器單個(gè)器件承受的電應(yīng)力是直流電壓的一半，因而能夠采用低耐壓、低損耗的開關(guān)管運(yùn)用于更高的直流電壓下，可以減小開關(guān)損耗，提升系統(tǒng)效率，減小設(shè)備體積；2）三電平逆變電路輸出諧波分量少，共模電壓較低，對電機(jī)軸電流和絕緣的危害較?。?）逆變器最容易發(fā)生的嚴(yán)重故障是同一橋臂的上下管直通，而三電平電路中每個(gè)支路包含4個(gè)開關(guān)器件，其發(fā)生直通故障的概率低于兩電平逆變器，工作可靠性更高；4）三電平逆變電路中單個(gè)開關(guān)管動(dòng)作對應(yīng)輸出電平的變化量只有兩電平的一半，因此逆變橋輸出電壓的dv/dt大為減小，產(chǎn)生的電磁擾動(dòng)下降，有利于整個(gè)設(shè)備降低電磁噪聲水平。

與之相對應(yīng)的是，三電平逆變電路也存在以下缺點(diǎn)：1）對于一個(gè)三相變頻器而言，需要12個(gè)IGBT和18二極管，其逆變電路結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，對控制技術(shù)要求更高；2）由于開關(guān)器件多，電流的流徑情況復(fù)雜，緩沖電路較難設(shè)計(jì)；3）采用兩個(gè)電容串聯(lián)來產(chǎn)生三個(gè)電平，由于器件本身特性的不一致和變換過程中時(shí)中點(diǎn)電位參與能量的傳輸，直流側(cè)兩個(gè)電容的電壓并不能完全相等，必須采用中點(diǎn)電壓控制策略，否則可能導(dǎo)致一側(cè)的開關(guān)器件過壓擊穿；4）每個(gè)開關(guān)狀態(tài)下，輸出電流要流過兩個(gè)半導(dǎo)體器件，其通態(tài)損耗大于采用相同器件的兩電平逆變器，若開關(guān)頻率較低，其整體損耗可能大于傳統(tǒng)兩電平逆變器。

三電平逆變器誕生至今已有20余年，其在開關(guān)管控制和中點(diǎn)電位控制上已經(jīng)形成了一套較為完善的控制方法。并且隨著當(dāng)前DSP芯片的運(yùn)算能力越來越強(qiáng)、新算法的不斷出現(xiàn)，三電平在SVPWM控制和中點(diǎn)電壓上均有完善、成熟的控制方案。此外，通過復(fù)合母排技術(shù)的運(yùn)用，逆變器線路雜散電感能得到有效控制，功率單元部分基本上可以不需要緩沖電路。因此，三電平電路的不足并不會(huì)困擾其實(shí)際應(yīng)用。

在工程設(shè)計(jì)中，主要從性能、體積、成本、通用性等角度，根據(jù)不同的設(shè)計(jì)目標(biāo)和要求，在三電平和兩電平兩種逆變方案間進(jìn)行選擇。

4 基于開關(guān)器件技術(shù)水平的逆變拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)選擇

IGBT是變頻器中的核心器件，IGBT器件的性能與規(guī)格往往決定了變頻器主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的選擇和整個(gè)設(shè)備技術(shù)性能的高低。

目前，國外主流IGBT生產(chǎn)廠家均有集成化的三電平IGBT模塊。這些模塊通常將一個(gè)三電平橋臂所需的4個(gè)IGBT和6個(gè)二極管集成在一個(gè)封裝內(nèi)，只需要三個(gè)模塊就可組成三相逆變器單元，具有雜散電感低、工作可靠性高的優(yōu)點(diǎn)。受工藝和散熱的限制，目前此類模塊的功率等級(jí)一般較小，IGBT主流生產(chǎn)廠家——Infineon公司推出的最大容量的三電平模塊僅為650 V 75 A[5]。

對于DC1000 V直流輸入電壓的變頻器而言，兩電平逆變需要選擇1700 V等級(jí)IGBT，三電平逆變模塊則只有650 V電壓等級(jí)可選。對于30 kW及以下的中小功率容量變頻器，其輸出電流峰值約75 A（cosφ=0.85），可采用Infineon公司三個(gè)F3L75R07W2E3三電平模塊構(gòu)成三電平方案，或者一個(gè)FS75R17KE3模塊構(gòu)成兩電平方案。上述的兩個(gè)IGBT模塊同為Infineon公司第三代IGBT，其基本性能對比如表1所示。

表1 三電平與兩電平IGBT性能對比

雖然測試基準(zhǔn)電壓存在不同，但三電平模塊由于采用的是600 V等級(jí)IGBT內(nèi)核，其單管通態(tài)壓降更低、開關(guān)速度更快、開關(guān)損耗更小，只是需要IGBT模塊的數(shù)量更多。直接從表格數(shù)據(jù)上看，兩電平只需要采用一個(gè)模塊即可，而三電平需要三個(gè)IGBT模塊，最后三電平功率單元的總體尺寸會(huì)稍大一些。

采用三電平模塊的最主要問題在于，650 V電壓等級(jí)下IGBT模塊用于直流1000 V下電壓裕量過小。雖然對于小功率設(shè)備而言，由于工作電流較小，IGBT關(guān)斷尖峰電壓問題并不嚴(yán)重，但對于1000 V直流母線電壓而言，三電平電路中單個(gè)IGBT至少承受500 V電壓，電壓裕量僅為1.3。過低電壓裕量使得設(shè)備在實(shí)際運(yùn)行中承受各類突發(fā)風(fēng)險(xiǎn)的能力下降，并且三電平在實(shí)際運(yùn)行中還存在中性點(diǎn)電壓波動(dòng)的問題，使得單管的電壓裕量進(jìn)一步降低，因此其實(shí)際工作的可靠性難以得到保證。

當(dāng)然，對于小功率變頻器也可以采用普通IGBT器件搭建三電平逆變電路，但此時(shí)需要6個(gè)1200 V IGBT雙管模塊和3個(gè)二極管雙管模塊，整個(gè)功率單元的成本和尺寸都明顯增加，對于競爭激烈、利潤微薄的小功率變頻器而言經(jīng)濟(jì)性不佳，設(shè)備體積也不具競爭力。

對于容量大于30 kW的中大功率變頻器而言，若要選擇三電平逆變電路，此時(shí)只能通過普通IGBT器件搭建三電平功率單元。對于三電平結(jié)構(gòu)而言，選擇1200 V等級(jí)IGBT即可，而兩電平結(jié)構(gòu)同樣需要選擇1700 V等級(jí)IGBT。選擇同為Infineon公司第四代IGBT的FF150R12MT4和FS150R17PE4，其基本性能對比如表2所示。

表2 三電平與兩電平IGBT性能對比

從對比數(shù)據(jù)可以看到，采用三電平電路后，IGBT無論是開關(guān)速度、開關(guān)損耗，還是電壓裕度，各方面指標(biāo)都要有優(yōu)于兩電平，但由于要采用6個(gè)模塊，直觀上看功率單元所需的尺寸更大一些。

實(shí)際上，對于幾十kW功率等級(jí)下的變頻器而言，一般采用強(qiáng)迫風(fēng)冷的散熱方式，整個(gè)功率單元的大小主要取決于散熱器的大小。由于三電平逆變電路輸出電壓的諧波含量更小，可以運(yùn)行在更低的開關(guān)頻率下，因此其開關(guān)損耗小，并且功率越大這種效率優(yōu)勢越明顯，所需的散熱器尺寸越小，因此三電平方案反而會(huì)更有優(yōu)勢，最后整機(jī)的實(shí)際尺寸可能更小。此外，隨著設(shè)備功率增大，開關(guān)器件的成本所占設(shè)備整體價(jià)格的比重下降，客戶對設(shè)備性能的關(guān)注卻在提升，因此，如果為了得到更好整體性能，三電平逆變電路是更佳選擇。

5 結(jié)束語

基于目前IGBT器件的實(shí)際狀況，三電平IGBT模塊的耐壓較低、電流較小，直流1000 V下小功率通用變頻器若選擇三電平IGBT模塊，則其電壓裕量過小，可靠性不高；如果采用普通IGBT模塊組成三電平電路則經(jīng)濟(jì)性不高、設(shè)備尺寸較大?？傮w而言，成熟、可靠的兩電平方案是其首選。

對于直流1000 V電壓下，30 kW以上的通用變頻器，三電平的逆變方案在性能、效率等方面有較明顯的優(yōu)勢，并且電壓越高、功率等級(jí)越大，這種優(yōu)勢越為明顯。根據(jù)目前高壓IGBT的技術(shù)水平，雖然兩電平電路也能滿足設(shè)計(jì)需求，但為了獲得更高的性能指標(biāo)和更好的輸出波形，應(yīng)優(yōu)先考慮三電平電路方案。

[1] 中國電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能項(xiàng)目組. 中國電機(jī)系統(tǒng)能源效率與市場潛力分析. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2001.11

[2] A. Nabae, I. Takahashi, H. Akagi. A new neutral-point-clamped PWM inverter. IEEE trans. ind.Application, sept/oct.1981 vol.IA-17: 518-523.

[3] Loveridge, David. Medium voltage three-level, NPC inverters and their application as paper machine wet end drives. Tappi Process Control, Electrical and Information Conference, 2000:55-67.

[4] Bernet, Steffen. Recent developments of high power converters for industry and traction applications. IEEE Transactions on Power Electronics, Nov, 2000, vol.15（6）: 1102-1117.

[5] F3L75R07W2E3 datasheet. Infineon IGBT Datasheet.rev:2.0,2010.