三相电压型逆变器的构成及原理

采用工频交流电网提供恒压恒频交流电时，永磁同步电动机调速系统无法实现调速，现在已经普遍采用变频技术对其进行调速。这就需要一个能够提供变压变频（Variable Voltage Variable Frequency，VVVF）的交流电源——逆变器。现代的逆变器基本上都是采用固态电力电子器件构成的静止式逆变器。

电力电子技术是电力学、电子学和控制理论三个学科交叉而形成的，它在能量的产生和使用之间建立了一个联系，它可以使不同的负载得到期望的最佳能量供给形式和最佳控制，同时保证了能量传递的高效率。它研究的内容非常广泛，主要包括电力电子器件、电力电子电路、控制集成电路以及由其组成的电力变换装置。电力电子变换装置的功率可以大到几百兆瓦甚至吉瓦，也可以小到几瓦甚至更小。

1904年出现的电子管能在真空中对电子流进行控制，并应用于通信和无线电，从而开启了电子技术用于电力领域的先河。20世纪30年代到50年代，水银整流器广泛用于电化学工业、电气化铁道直流变电所以及轧钢用直流电动机的传动，甚至用于直流输电。这一时期，各种整流电路、逆变电路、周波变流电路的理论已经发展成熟并广为应用。

1947年，贝尔实验室发明的晶体管引发了电子技术的一场革命。1956年，贝尔实验室发明了晶闸管，1957年美国通用电气公司生产出了第一只晶闸管，1958年晶闸管开始商业化，电能的变换和控制从旋转的变流机组和静止的离子变流器进入由固态电力电子器件构成的半导体变流器时代，这标志着电力电子技术的诞生。20世纪70年代后期，以门极可关断晶闸管（GTO）、电力晶体管（GTR）、功率场效应晶体管（Power MOSFET）为代表的全控型器件迅速发展。这些器件既可以控制开通，也可以控制关断，并且开关速度高于晶闸管。这种控制方式与数字电子技术和计算机技术相结合，进一步促进了电力电子技术的快速发展。20世纪80年代以后，人们利用复合工艺将各类器件的优势复合在一起，推出了一系列性能更加优越的器件，如绝缘栅双极型晶体管（IGBT）、集成门极换流晶闸管（IGCT）等。IGBT是MOSFET与GTR的复合，兼有MOSFET驱动功率小、开关速度快和GTR通态压降小、载流能力强的优点，性能优越，已成为现代电力电子技术主导器件之一。

电力电子器件品种繁多，通常按开关控制性能分为：

（1）不控型器件

这是无控制端口的两端器件，如功率二极管，不能用控制信号来控制其通断。

（2）半控型器件

这是有控制端口的三端器件，但其控制端在器件导通后即失去控制能力，必须借助辅助电路提供合适的电压和电流等条件才能关断此类器件。晶闸管及其大部分派生器件均属这一类。

（3）全控型器件

这也是有控制端口的三端器件，但其控制端具有控制器件导通和关断的双重功能，故称自关断器件。如GTO、GTR、MOSFET、IGBT等器件均属这一类。

各类器件的工作频率、容量的关系如图8-1所示。(www.xing528.com)

图8-1 不同类型器件的应用场合

应用在功率变换领域的电力电子器件与模拟电子技术中用于信号处理的半导体器件的工作原理是一致的。它们最大的不同是模拟电子技术中的器件工作在线性放大区域，对信号进行线性处理；而电力电子技术中的器件工作在开关状态，即在截止区和饱和区，这些器件代替了理想的开关，不允许工作在线性放大区内。如若工作在线性区域内，器件承受的电压和电流都很大，损耗会很大，很快就会烧坏。

目前，市场上较为常见的半导体器件厂商有：INFINEON、IXYS、MITSUBISHI、FUJI、ROHM、CREE、SEMIKRON、ABB、VISHAY、STMICROELECTRONICS、FAIR_- CHILD等等。

逆变器种类繁多，按照主开关器件来分，有晶闸管（Thyristor）、门极可关断晶闸管（Gate Turn Off Thyristor，GTO）、金属氧化物场效应晶体管（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor，MOSFET）、绝缘栅双极型晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）、集成门极换流晶闸管（Integrated Gate Commutation Thyristor，IGCT）等；按照输出电平数目来分，有两电平逆变器和多电平逆变器等；按照输出电压电流特性来分，有电流型逆变器（Current Source Inverter，CSI）、电压型逆变器（Voltage Source Inverter，VSI）以及近年来出现的Z源逆变器等。除非特别指出，本书中的电压型逆变器均指采用IGBT器件的两电平电压型逆变器。

图8-2给出了三相逆变器装置的整体结构示意图与构成该装置的各主要部件。它的输入为直流电，输出为三相交流电，装置的正面有与外部控制信号相连接的插座，底部安装有散热器。电动汽车驱动电动机用逆变器通常采用水冷，所以图中给出了进水孔（较低位置）、出水孔（较高位置）及水路示意图，水路需经过优化设计，从而对逆变器各主要发热部件进行有效散热。

图8-2 VSI装置结构示意图与构成装置的各主要部件

图8-3给出了PMSM变频调速系统中与电压型逆变器装置相关的典型电气部件及各种电气信号连接示意图。从图中可以看出，VSI的电路主要包括主电路、控制电路、检测电路、驱动电路等。主电路包括图8-3中R₁、K₁和K₂构成的预充电电路、功率母排、直流侧电容器C、三相桥式电路及其吸收电路、PMSM。图8-3中控制电路以高性能的数字信号处理器（DSP）为核心，它根据主电路的电压、电流、温度、电动机转速等信息，产生适当的PWM信号给驱动电路，并通过CAN、USB、JTAG等通信接口与外部进行通信，典型的数字信号处理器将在本书11章进行讲解。图8-3中的检测电路对VSI直流侧电压、交流侧电流（或电压）、装置的温度、电动机转子位置等信息进行测量，并转化为合适的信号输送给数字控制器。图8-3中的驱动电路将控制电路提供的PWM电压信号进行适当的放大处理后去控制半导体器件的可靠导通与可靠关断，并将开关器件的工作状态反馈给控制电路。

在电压型逆变器中，应用较多的电力电子器件是功率二极管、MOSFET、IGBT、IPM等器件，SiC材料器件也已经开始得到应用。下面将逐一介绍。