DC1000V通用變頻器三電平和兩電平方案對比研究

陳濤 吳浩偉 徐正喜

（武漢第二船舶設計研究院， 武漢市 430064）

1 引言

變頻調速是公認的電動機最理想和最有前途的調速方案，具有優異的調速和起、制動性能以及高效、顯著的節電效果。目前我國工業風機、泵和壓縮機等電動機類負載的總裝機容量達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行的方式，在當今世界能源問題的日益突出的條件下，采用變頻器對電機變頻調速不僅有近期節能降耗的直接經濟效益，更有著長遠的社會效益。

自20世紀80年代，交流660 V電機開始被引入我國以來，其在鋼鐵、石油、化工、化纖、紡織、市政、造紙等各大行業中得到了廣泛的應用，為了滿足此類電機負載的傳動和控制要求，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，是電氣傳動領域各大公司的關注重點之一。

目前常見的通用變頻器逆變技術方案有基于三相橋式的傳統兩電平逆變電路和基于二極管鉗位的三電平逆變電路[1]。傳統的兩電平變頻器雖然具有簡單可靠、控制成熟的優點，但同時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，性能更優異的三電平逆變器成為業內最受青睞的解決方案。本文通過三電平技術與傳統兩電平技術的比較分析，闡述了三電平逆變電路的技術特點，并結合當前電力電子器件的發展狀況，詳細地介紹了在DC1000 V下，不同功率等級的三電平和兩電平逆變電路設計對比，最后從工程設計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方案介紹

上世紀八十年代，日本學者Nabae提出了基于二極管鉗位的三電平逆變電路[2]，其典型的拓撲結構如圖1所示，整個逆變電路每個橋臂由4個IGBT和6個二極管構成。雖然三電平電路在拓撲結構上相對更為復雜，但相對于傳統逆變電路只能輸出高、低兩個電平，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，總共三個電平狀態，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異的變換性能和適應于高壓、大功率變換的特性，自誕生之日起便受到行業內廣泛的關注和研究[3,4]。

圖1 NPC三電平典型拓撲結構

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缺點分析

相對于兩電平逆變器，三電平拓撲結構在以下方面具有明顯的優勢：1）三電平逆變器單個器件承受的電應力是直流電壓的一半，因而能夠采用低耐壓、低損耗的開關管運用于更高的直流電壓下，可以減小開關損耗，提升系統效率，減小設備體積；2）三電平逆變電路輸出諧波分量少，共模電壓較低，對電機軸電流和絕緣的危害較?。?）逆變器最容易發生的嚴重故障是同一橋臂的上下管直通，而三電平電路中每個支路包含4個開關器件，其發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開關管動作對應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，產生的電磁擾動下降，有利于整個設備降低電磁噪聲水平。

與之相對應的是，三電平逆變電路也存在以下缺點：1）對于一個三相變頻器而言，需要12個IGBT和18二極管，其逆變電路結構更為復雜，對控制技術要求更高；2）由于開關器件多，電流的流徑情況復雜，緩沖電路較難設計；3）采用兩個電容串聯來產生三個電平，由于器件本身特性的不一致和變換過程中時中點電位參與能量的傳輸，直流側兩個電容的電壓并不能完全相等，必須采用中點電壓控制策略，否則可能導致一側的開關器件過壓擊穿；4）每個開關狀態下，輸出電流要流過兩個半導體器件，其通態損耗大于采用相同器件的兩電平逆變器，若開關頻率較低，其整體損耗可能大于傳統兩電平逆變器。

三電平逆變器誕生至今已有20余年，其在開關管控制和中點電位控制上已經形成了一套較為完善的控制方法。并且隨著當前DSP芯片的運算能力越來越強、新算法的不斷出現，三電平在SVPWM控制和中點電壓上均有完善、成熟的控制方案。此外，通過復合母排技術的運用，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困擾其實際應用。

在工程設計中，主要從性能、體積、成本、通用性等角度，根據不同的設計目標和要求，在三電平和兩電平兩種逆變方案間進行選擇。

4 基于開關器件技術水平的逆變拓撲結構選擇

IGBT是變頻器中的核心器件，IGBT器件的性能與規格往往決定了變頻器主電路拓撲結構的選擇和整個設備技術性能的高低。

目前，國外主流IGBT生產廠家均有集成化的三電平IGBT模塊。這些模塊通常將一個三電平橋臂所需的4個IGBT和6個二極管集成在一個封裝內，只需要三個模塊就可組成三相逆變器單元，具有雜散電感低、工作可靠性高的優點。受工藝和散熱的限制，目前此類模塊的功率等級一般較小，IGBT主流生產廠家——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IGBT，三電平逆變模塊則只有650 V電壓等級可選。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F3L75R07W2E3三電平模塊構成三電平方案，或者一個FS75R17KE3模塊構成兩電平方案。上述的兩個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

雖然測試基準電壓存在不同，但三電平模塊由于采用的是600 V等級IGBT內核，其單管通態壓降更低、開關速度更快、開關損耗更小，只是需要IGBT模塊的數量更多。直接從表格數據上看，兩電平只需要采用一個模塊即可，而三電平需要三個IGBT模塊，最后三電平功率單元的總體尺寸會稍大一些。

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。雖然對于小功率設備而言，由于工作電流較小，IGBT關斷尖峰電壓問題并不嚴重，但對于1000 V直流母線電壓而言，三電平電路中單個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備在實際運行中承受各類突發風險的能力下降，并且三電平在實際運行中還存在中性點電壓波動的問題，使得單管的電壓裕量進一步降低，因此其實際工作的可靠性難以得到保證。

當然，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，但此時需要6個1200 V IGBT雙管模塊和3個二極管雙管模塊，整個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濟性不佳，設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，此時只能通過普通IGBT器件搭建三電平功率單元。對于三電平結構而言，選擇1200 V等級IGBT即可，而兩電平結構同樣需要選擇1700 V等級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

從對比數據可以看到，采用三電平電路后，IGBT無論是開關速度、開關損耗，還是電壓裕度，各方面指標都要有優于兩電平，但由于要采用6個模塊，直觀上看功率單元所需的尺寸更大一些。

實際上，對于幾十kW功率等級下的變頻器而言，一般采用強迫風冷的散熱方式，整個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，可以運行在更低的開關頻率下，因此其開關損耗小，并且功率越大這種效率優勢越明顯，所需的散熱器尺寸越小，因此三電平方案反而會更有優勢，最后整機的實際尺寸可能更小。此外，隨著設備功率增大，開關器件的成本所占設備整體價格的比重下降，客戶對設備性能的關注卻在提升，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 結束語

基于目前IGBT器件的實際狀況，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濟性不高、設備尺寸較大。總體而言，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勢，并且電壓越高、功率等級越大，這種優勢越為明顯。根據目前高壓IGBT的技術水平，雖然兩電平電路也能滿足設計需求，但為了獲得更高的性能指標和更好的輸出波形，應優先考慮三電平電路方案。

[1] 中國電機系統節能項目組. 中國電機系統能源效率與市場潛力分析. 北京：機械工業出版社，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.