4.3 数字滤波技术 ............................................... - 39 - 4.4 三相逆变器控制系统的主程序设计 ............................. - 42 -
5 三电平三相逆变器的仿真研究
5.1 三电平逆变器主电路 ......................................... - 44 - 5.2 三电平三相逆变器建模 ....................................... - 45 - 5.3 三电平三相逆变器输出特性的仿真分析 ......................... - 46 -
6 总结与展望 ................................................ - 48 - 致 谢 ............................................................. 49 参 考 文 献 ...................................................... 50
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1 绪论
在当今工业自动化社会中，电能起着十分重要的作用，人均消耗的电能量已成为衡量一个国家实力的重要指标。为了高质量，有效地使用电能，生产的总电能中，越来越多的电能必须经过电力电子技术[1]实行能量变换后，再用于民用、工业、军事诸领域的需要。因为，它在节能减排、节省原材料、改善工作条件、提高产量和降低成本等方面都有着十分显著的成效，所以，电力电子技术无论对改造传统工业（如电力、机械、轻纺等），还是对发展高技术产业（如航天、通信、机器人等）及能源的高效利用均至关重要，从而迅速地发展成为了一个独立的技术、学科领域和当今任何高科术系统中不可缺少的关键技术之一。它的应用领域几乎遍布国民经济的每一个角落，它已经显示出，对一个国家工业和经济的发展起着重要的作用。毫无疑问，在这个新世纪里，电力电子技术将成为重要关键技术之一。近几年来，世界上经济高度发达的国家，尽管其经济总体的增长速度较慢，但这些国家中的电力电子技术的发展[2]仍一直保持着每年增长百分之十几的高速度。
逆变，是对电能进行控制和变换的一种基本形式。现代逆变技术是包括了现代电力电子开关器件的应用、频率和相位调制技术、现代功率变换技术、数字信号处理技术、PWM技术、数字和模拟电子技术、开关电源技术和控制技术等的一门综合性技术。逆变技术已被广泛地用于工业、民用或军事领域的各种能量变换系统之中。
1.1 电力电子开关器件的发展
从电力电子发展的历史上看，电力电子开关器件对其起着的里程碑式的作用。每一代新的电力电子开关器件出现，都会带来一场电力电子技术的革命。因为电力电子开关器件堪称现代电力电子装置的心脏；尽管它的价值一般不会超过整台装置价值的20～35％，但是，它在装置中对总价值以及重量和技术性能却起着关键的作用。因此，研究新型电力电子器件及其相关新型半导体材料，一直是该领域最为活跃的主要课题之一。一个理想的功率器件，应当具有以下理想的静态和动态特性：在阻断状态能承受高电压；在导通状态具有低导通压降和高电流密度；在开关状态，转换时具有短的开通和关断时间，能承受高的di/dt和du/dt，并且具有全控功能。
自50年代硅晶闸管问世以后，为达到上述理想目标，功率半导体器件的研究工作者做出了不懈的努力，并已取得了非常显著的成就。60年代后期，可关断晶闸管GTO实现了门极可关断功能，并使斩波工作频率达到了lkHz以上。70年代中
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期，随着高功率晶体管和功率MOSFET的问世，功率器件实现了场控功能，促使高频化成为了可能。80年代，绝缘门极双极型晶体管IGBT问世，它集合了功率MOSFET和双极型功率晶体管两者的功能。IGBT的迅速发展，又激励了人们对MOSFET门控晶闸管的研究，它是综合功率MOSFET和晶闸管两者功能的功率器件。
自从硅晶闸管SCR的问世以来，其功率容量已提高了近3000倍。现在已有很多国家已能够稳定生产8000V/4000A的晶闸管。其中日本公司已经能够稳定生产8000V/4000A和6000V/6000A的光触发晶闸管LTT。近十几年来，自关断器件的飞速发展使晶闸管的应用领域有所缩小，但是它在高电压、大电流的特性及在高压直流HVDC、大功率直流电源、静止无功补偿SVC及超大功率和高压变频调速应用方面仍然占有十分重要的地位。预计在今后若干年内，晶闸管仍将在高电压、大电流应用场合得到继续发展。
1982年，日立公司首先研制成功2500V、1000A的GTO。许多生产商可提供额定开关功率达36MVA（6000V，6000A）高压大电流GTO。为了折衷它的导通和关断特性，传统GTO的典型关断增量仅为3-5。GTO关断期间的不均匀性引起的“挤流效应”使GTO关断期间du/dt必须限制在500-1000V/μs。为此，人们不得不使用体积大、笨重、昂贵的吸收电路。它的其他缺点是门极驱动电路较复杂和要求较大的驱动功率。但是，高的导通电流密度、高的阻断电压、阻断状态下高的du/dt耐量和有可能在内部集成一个反并联二极管这些突出的优点，仍使人们对GTO感兴趣。到目前为止，传统的GTO是在高压（VBR＞3300V）、大功率（0.5-20MVA）牵引、工业和电力逆变器中应用最为普遍的门控功率半导体器件。目前，GTO的最高研究水平为6000V/6000A以及9000V/10000A。这种GTO采用了大直径均匀结技术和全压接式结构，通过少子寿命控制技术折衷了GTO导通电压与关断损耗两者之间的矛盾。由于GTO具有门极全控功能，它正在许多应用领域逐步取代SCR。为了满足电力系统对lGVA以上的三相逆变功率电压源的需要，近期很有可能开发出10000A、12000V的GTO，并有可能解决30多个高压GTO串联的技术，可望使电力电子技术在电力系统中的应用再上一个台阶。
IGCT可以较低的成本，紧凑、可靠、高效率地用于0.3-10MVA变流器，而不需要串联或并联。如用串联，逆变器功率可扩展到100MVA而用于电力设备。虽然高功率IGBT模块具有一些优良的特性，如能实现di/dt和dv/dt的有源控制、有源箝位，易于实现短路电流保护和有源保护等，但是，高的导通损耗、低的硅有效面积利用率、损坏后造成开路以及无长期可靠运行数据等缺点，使高功率IGBT模块在高功率低频变流器中的实际应用受到限制。因此可以认为，在大功率MCT问世以前，IGCT将成为高功率高电压低频变流器，特别是在电力工业应用领域中的优选大功率器件。
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MOS控制晶闸管MCT充分利用晶闸管良好的通态特性及MOS管的开通和关断特性，可望具有优良的自关断动态特性和非常低的通态电压降，并易于得到高的耐压，成为将来在电力装置和电力系统中最有发展前途的大功率器件。目前世界上虽有十几家公司在积极开展对MCT的研究，但是仍然处于研制阶段，其中只有美国HARRIS公司可生产100A、1000V的MCT，离实际应用尚有相当大的距离。大功率MCT的真正问世可能还需要相当长的时间。
1.2 功率变换技术的发展
功率变换技术是现代逆变系统中最重要的技术。功率变换技术不单纯是逆变电路的设计，更不是控制系统的电路设计技术，它是逆变控制系统的主电路和控制电路成套设计的基础，决定着逆变器的性能。功率变换技术研究的目标主要是：节约能源，提高效率，同时减小变换器的大小和减轻变换器的重量，降低谐波失真和成本；而在电机传动[3-4]应用中，有时还要求高的精度，快速响应，宽的输出电压、电流或频率的调节范围等。
功率变换技术的发展大致可分为三个阶段：第一阶段，是应用二极管和晶闸管的不控或半控强迫换流技术；第二阶段，主要是应用自关断器件，例如GTO、BJT、功率MOSFET、IGBT等和普遍采用PWM控制技术；第三阶段，是以采用软开关、无损缓冲电路、功率因数校正、消除谐波和考虑电磁兼容为特征。
在逆变器发展的初期，由于电力电子开关器件是不能自关断的晶闸管，这样就需要在晶闸管导通阶段过后有一个反向电压来强迫关断晶闸管。这个反向电压的产生就需要利用负载谐振技术，也称RLC谐振技术。它是利用负载电阻和谐振电感电容组成的RLC电路，在谐振过程中进行功率变换。这种技术有些不利的因素。主要表现在第一，谐振使开关管的导通电流和关断电压增加，远高于电路中的固有值，这样就增加了开关管的电流电压定额，从而增加了成本。第二，负载谐振技术必须采用变频方式PFM工作，输出功率几乎与工作频率成正比。在负载变化较大时给输出滤波带来了一定的困难。
为了解决负载谐振技术的不足给逆变器带来的问题，随着GTO、BJT，功率 MOSFET、IGBT等自关断器件的相继出现，硬开关定频PWM变换技术[5]很快得到了发展。硬开关定频变换技术采用固定工作频率，调节开关管导通工作的占空比，即采用脉冲宽度调制PWM方式来调节或稳定输出。这种变换技术的开关管承受电路中固有的电压，电流也只是输出电流按变比折算过来的值，对开关器件的要求低。但这种技术也有其不足之处，主要表现在：第一，开关损耗大、高频工作的效率低，开关频率越高，开关损耗越大，所以不宜高频化。第二，由于硬开关PWM变换的开关管在关断过程中的电流电压变化很快，dv/dt和di/dt大，所以产生的电磁干扰EMI比较严重，给电磁兼容性EMC设计带来一定的困难。
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为了解决硬开关PWM技术遗留的问题，软开关技术应运而生。在逆变开关电路中采取一些措施，如改变电路结构和控制策略，使开关管在开通过程中其主开关极的电压为零（零电压开通），在关断过程中电流为零（零电流关断），则其开关过程中无开关损耗，零电压开通、零电流关断是最理想的软开关。如果开关器件在开通过程中端电压很小，在关断过程中电流也很小，则这种开关管的功耗也不大，称之为软开关。虽然一般的软开关不像零电流关断、零电压开通那样开关损耗为零，但也使逆变器高频化所引起的问题大为缓解。
软开关技术需要附加额外的开关元件、辅助电源、检测手段、控制策略等，或改变传统硬开关PWM的工作模式、电路结构，并且要求有足够大的谐振能量以满足零电压或零电流的开关条件。另外辅助电路本身也有功耗，而且还要求辅助开关驱动电路与主开关电路驱动电路隔离，辅助开关比主开关的开关时间更小等。可见软开关电路和其控制是十分复杂的，这势必提高了产品的成本，降低了产品的可靠性。为此，有必要寻找性价比更优越的方案来克服软开关技术存在的不足。其中，只用无源器件实现的吸收电路，因不需额外的辅助开关和相应的控制、检测和驱动电路，并且成本低、可靠性高、附加损耗小，而在工程中得到广泛的应用。吸收电路，有时也称为缓冲电路，其作用是抑制开关管的关断过电压、du/dt，开通过冲电流和di/dt，减小器件的开关损耗。传统的吸收电路中储能元件吸收的能量消耗在吸收电阻上，主开关管的开关损耗的降低是以额外吸收损耗的增加为代价的，故称为耗能式吸收电路。若吸收电路能够将其储能元件的能量回馈给电源或负载，或者能大幅度的降低额外吸收损耗，则称其为无损吸收电路。
由以上分析可知，软开关技术是采取“堵”的方法抑制 di/dt和du/dt，而吸收电路是采取“导”的方法先吸收di/dt和du/dt，然后将其反馈至其他地方，后者比前者在工程上更有发展前景。
1.3 本文的主要研究内容
本课题所研究的基于闭环控制的三相SVPWM逆变器系统，并且以DSP芯片为基础，形成了具有高速数据采集和实时数据处理功能的硬件控制平台，此平台上通过应用SVPWM算法和数字PID算法等数字处理技术，采用闭环控制，形成了具有良好人机交互界面和通信功能的全数字化SVPWM三相逆变器系统。该系统具有很好的动态性能和稳态性能，输出电压的大小、频率以及系统的开关频率均可调，因此可应用于不同的场合。另外该系统的主电路中应用了无损吸收电路，所以开关损耗小，开关频率可达20KHz以上，输出电压的谐波低，系统效率高。本文还对适用于高电压大功率的三电平逆变器作了初步的探讨。
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