多電平逆變器的案例
低壓MOS在多電平逆變器上的應(yīng)用-REASUNOS瑞森半導(dǎo)體
一、前言
多電平逆變器，是一種新型逆變器。常規(guī)逆變器，在單橋臂上采用單個(gè)開(kāi)關(guān)器件。多電平逆變器在單橋臂上包含多個(gè)串聯(lián)開(kāi)關(guān)器件，能夠精細(xì)地控制輸出電壓。將逆變輸出的正弦波進(jìn)行微分，微分?jǐn)?shù)量越多，越接近正弦波。常見(jiàn)的多電平逆變器有三、五、七電平等。其功率開(kāi)關(guān)元件工作在較低的頻率上，使功率元件的開(kāi)關(guān)損耗減小，產(chǎn)生的電磁干擾較小，逆變器效率更高。缺點(diǎn)是需要用到更多數(shù)量的功率開(kāi)關(guān)元件，對(duì)驅(qū)動(dòng)調(diào)制以及測(cè)試驗(yàn)證的技術(shù)要求更高。
電平逆變器的應(yīng)用推薦低壓MOS系列，產(chǎn)品穩(wěn)定，性能可靠，滿(mǎn)足惡劣環(huán)境工況下使用
二、多電平逆變器工作原理
橋式電路常見(jiàn)于普通二電平逆變器電路的一部分。通過(guò)上下兩個(gè)橋臂組成，實(shí)際應(yīng)用中根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景不同，分為單相和三相。MOS管Q1和Q2位于電壓源和地線(xiàn)之間，通過(guò)控制Q1和Q2的通斷，由中點(diǎn)輸出所需電壓。（見(jiàn)圖1）
二電平逆變器工作波形如圖所示，輸出電壓有兩個(gè)電平，當(dāng)Q1導(dǎo)通，Q2關(guān)斷時(shí)為U（電壓源電壓），當(dāng)Q1關(guān)斷，Q2導(dǎo)通時(shí)為0（接地電壓）。（見(jiàn)圖2）
二電平逆變器的拓?fù)渚€(xiàn)路
二電平逆變器每個(gè)橋臂中只有一個(gè)開(kāi)關(guān)器件，而多電平逆變器每個(gè)橋臂中有多個(gè)開(kāi)關(guān)器件串聯(lián)而成。（見(jiàn)圖3）
工作周期分別為Q1和Q2導(dǎo)通，Q2和Q3導(dǎo)通，Q3和Q4導(dǎo)通。輸出電壓有三個(gè)電平，Q1和Q2導(dǎo)通時(shí)為U，Q2和Q3導(dǎo)通時(shí)為U/2，Q3和Q4導(dǎo)通時(shí)為0。（見(jiàn)圖4）
多電平逆變器的拓?fù)渚€(xiàn)路
假如以上兩個(gè)逆變器的電壓源電壓都是U時(shí)，理論上二電平逆變器的輸出電壓振幅是U，因?yàn)檩敵鲭妷簽閁和0，每個(gè)器件上施加的電壓也是U。而三電平逆變器的輸出電壓振幅是U/2，因?yàn)檩敵鲭妷簽閁、U/2和0，那么施加到每個(gè)器件的電壓也是U/2。
展開(kāi) 深度解讀丨高功率密度集成電驅(qū)動(dòng)技術(shù)
逆變器拓?fù)? 逆變器用于電力牽引驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，為電機(jī)供電。有多種類(lèi)型的逆變器拓?fù)淇晒┻x擇；其中，電動(dòng)汽車(chē)制造商采用了兩電平電壓源逆變器（VSI），由于設(shè)計(jì)更簡(jiǎn)單、魯棒性和易于控制。兩電平逆變器開(kāi)關(guān)必須阻斷全直流母線(xiàn)電壓；因此，與多電平轉(zhuǎn)換器相比，開(kāi)關(guān)損耗更高。輸出支路電壓在零和全直流電壓之間擺動(dòng)；因此 dv/dt 也更高。該逆變器可替換為多電平逆變器，以實(shí)現(xiàn)低損耗和低 dv/dt。三級(jí)中性點(diǎn)鉗位 (NPC) 可以成為降低 dv/dt 的更高頻率工作的潛在方案，如圖 6(b) 所示。
為了增加冗余，還可以使用開(kāi)式繞組配置。這種逆變器拓?fù)洳捎秒p兩電平逆變器，可以實(shí)現(xiàn)三電平輸出電壓，如圖6（a）所示。雙逆變器也可以在開(kāi)路或短路故障下以降低的功率運(yùn)行。然而，上述逆變器將使用比傳統(tǒng)兩電平逆變器更多的開(kāi)關(guān)，并且將需要更多的柵極驅(qū)動(dòng)器?？刂茝?fù)雜性也會(huì)增加?？偟膩?lái)說(shuō)，這些方法可能無(wú)助于實(shí)現(xiàn)成本和功率密度目標(biāo)。
為了達(dá)到美國(guó)能源部 2025 年 100kW/L 的目標(biāo)，采取了不同的方法。不是直接研究逆變器的損耗和體積減小，而是考慮一種減小 DCbus 電容器體積的方法來(lái)優(yōu)化逆變器體積。標(biāo)準(zhǔn)電壓源逆變器 (VSI) 在直流鏈路中會(huì)產(chǎn)生較大的紋波電流，因此需要一個(gè)較大的直流母線(xiàn)濾波電容器，該電容器可能占逆變器體積的 20%。在文獻(xiàn)中提出了分段逆變器，它可以顯著降低直流母線(xiàn)紋波電流和電容。將傳統(tǒng) VSI 的驅(qū)動(dòng)器更改為分段牽引驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的過(guò)程如圖 7 所示。功率模塊中的逆變器開(kāi)關(guān)和電機(jī)中的定子繞組分為兩組開(kāi)關(guān)（在圖中以紅色和藍(lán)色表示）圖）和繞組（a1，b1，c1）和（a2，b2，c2）。
展開(kāi) 三相中大功率UPS電源的五大新技術(shù)
高頻機(jī)一般配置40-64只電池，為取消變壓器，保證逆變器可以直接逆變出220V/380V交流電，高頻機(jī)在整流器后增加了一個(gè)IGBT的DC/DC升壓環(huán)節(jié)，使得逆變器前端的直流母線(xiàn)電壓達(dá)到800V，這樣逆變器功率器件的承壓為800V，需要選用1200-1500V耐壓值的IGBT才能滿(mǎn)足要求。
通過(guò)研究場(chǎng)效應(yīng)管和IGBT等功率器件的失效率曲線(xiàn)，發(fā)現(xiàn)1500V耐壓值的功率器件其失效率數(shù)倍于800V耐壓值的功率器件。這樣，研發(fā)人員意識(shí)到降低功率器件的承壓、選擇低耐壓值的功率器件可以提高逆變器的可用性。用戶(hù)體驗(yàn)實(shí)踐也證明工頻機(jī)逆變器比兩電平高頻機(jī)的逆變器可用性高。
因此為改善高頻機(jī)在可用性方面的不足，業(yè)內(nèi)研發(fā)了三電平四電平逆變器。
三電平逆變器功率器件的承壓為400V，低于工頻機(jī)。
四電平逆變器功率器件的承壓為266V，更是遠(yuǎn)低于工頻機(jī)的432V。
施耐德電氣公司于2010年獲得了四電平逆變器技術(shù)的專(zhuān)利。該技術(shù)的運(yùn)用，不但提高了逆變器的可用性，還提高了UPS效率，達(dá)到96.5%。
那么是否五電平六電平逆變器的可用性會(huì)更高呢，答案不是這樣的，因?yàn)?em>電平數(shù)越多，逆變器需要的功率器件的數(shù)量就越多，使得逆變器出故障的可能性增多。因此，需要在功率器件的耐壓值和數(shù)量上找到合理的平衡。施耐德電氣的實(shí)踐證明運(yùn)行在全球范圍內(nèi)的數(shù)萬(wàn)臺(tái)四電平逆變器可用性?xún)?yōu)于傳統(tǒng)的工頻機(jī)
3.新型物理架構(gòu)的大功率并機(jī)系統(tǒng)
大型及超大型數(shù)據(jù)中心及半導(dǎo)體行業(yè)的用戶(hù)，經(jīng)常會(huì)搭建功率為1500KW及以上的UPS系統(tǒng)，這就需要采用多臺(tái)UPS并聯(lián)的系統(tǒng)架構(gòu)。
并機(jī)系統(tǒng)的電氣架構(gòu)大家都知道有兩種，多臺(tái)UPS直接并機(jī)，和公用靜態(tài)旁路的多臺(tái)UPS并機(jī)。所有廠家都公認(rèn)：公用大功率靜態(tài)旁路的多臺(tái)UPS并機(jī)系統(tǒng)可用性更高，但成本較貴。
而從物理架構(gòu)的角度出發(fā)，并機(jī)系統(tǒng)目前也發(fā)展出有兩種模式。
展開(kāi) 干貨 | 電源變換類(lèi)型分析
常規(guī)逆變電路拓?fù)?常規(guī)逆變電路拓?fù)淇煞譃閱蜗喟霕颉?單相橋式、 三相橋式電路等， 根據(jù)直流側(cè)電源性質(zhì)，又可將其分為電壓源型逆變電路（VSTI） 和電流源型逆變電路（CSTI）。單相逆變電路的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單， 使用器件少， 常用于幾 KW 以下的小功率逆變電源。三相橋式逆變電源應(yīng)用較多。
軟開(kāi)關(guān)逆變電路拓?fù)?逆變電源為得到更好的交流輸出波形， 將會(huì)提高全控型電力電子器件的開(kāi)關(guān)頻率， 同時(shí)，開(kāi)關(guān)損耗也會(huì)隨之增加， 電路效率嚴(yán)重下降， 電磁干擾也增大了， 所以簡(jiǎn)單的提高開(kāi)關(guān)頻率是不行的。 針對(duì)這些問(wèn)題出現(xiàn)了軟開(kāi)關(guān)技術(shù)， 它是以諧振為主的輔助換流手段， 解決了電路中的開(kāi)關(guān)損耗和開(kāi)關(guān)噪聲問(wèn)題， 使開(kāi)關(guān)頻率可以大幅度提高。 軟開(kāi)關(guān)技術(shù)總的來(lái)說(shuō)可以分為零電壓（ZVS） 和零電流(ZCS) 兩類(lèi)， 按照其出現(xiàn)的先后， 可以將其分為準(zhǔn)諧振、 零開(kāi)關(guān) PWM和 PWM 三大類(lèi)。每一類(lèi)都包括拓?fù)浜捅姸嗟呐缮負(fù)洹?三電平或多電平逆變電路拓?fù)?多電平逆變器的思想最早由日本 Nabae 于 20 世紀(jì) 80 年代初提出的。其基本原理是通過(guò)多個(gè)直流電平來(lái)合成逼近正弦輸出的階梯波電壓。 其優(yōu)點(diǎn)是減小逆變器輸出諧波， 降低了開(kāi)關(guān)管電壓應(yīng)力。 多電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)種類(lèi)較多， 但是大致可分為： 二極管鉗位型， 飛跨電容性和獨(dú)立直流電源級(jí)聯(lián)多電平這三種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。 這三種多電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)各有優(yōu)點(diǎn)， 其中應(yīng)用最廣泛的是二極管鉗位型多電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
全波整流和半波整流（AC/DC轉(zhuǎn)換）將AC（交流電壓）轉(zhuǎn)換為DC（直流電壓）的整流方式有全波整流和半波整流。兩種情況都利用了二極管的電流正向流通特性來(lái)進(jìn)行整流。
全波整流是通過(guò)二極管橋式電路結(jié)構(gòu)將輸入電壓的負(fù)電壓成分轉(zhuǎn)換為正電壓后整流成直流電壓（脈沖電壓）。
展開(kāi) 
電力電子技術(shù)的作用與發(fā)展簡(jiǎn)史
從電力電子變換器輸入和輸出的交直流關(guān)系來(lái)說(shuō).通常有四種形式∶AC/DC（交流到直流）——整流，DC/AC（直流到交流）——逆變，DC/DC （直流到直流）——斬波，AC/AC（交流到交流）——交流調(diào)壓或周波變換。
AC/DC，交流到直流的整流技術(shù)。整流器的發(fā)展經(jīng)歷四個(gè)階段，對(duì)應(yīng)四種形式;二極管不控整流、晶閘管等器件的相控整流器、1989年發(fā)明的二極管不控整流加升壓斬波器、PWM整流器。后兩種整流器能改善交流側(cè)的電流波形質(zhì)量，理論上可以達(dá)到正弦波形。
DC/AC，直流到交流的逆變技術(shù)。根據(jù)逆變器直流側(cè)的儲(chǔ)能元件是電容器還是電抗器，分為電壓型逆變器和電流型逆變器兩種。電壓型逆變器的發(fā)展分為;方波/六階梯波逆變器、PWM逆變器、1987年發(fā)明的整流和逆變器均采用PWM控制的雙 PWM逆變器、1987年發(fā)明的多電平 PWM逆變器、諧振直流環(huán)或交流環(huán)逆變器等。
根據(jù)產(chǎn)生 PWM 的方式不同，PWM逆變器分為正弦 PWM、指定諧波消除 PWM、電流滯環(huán)控制（也稱(chēng)邊帶控制）PWM、三角調(diào)制 PWM、隨機(jī)諧波頻譜PWM、空間電壓矢量 PWM等。諧振直流環(huán)逆變器有1989年Divan發(fā)明的有源電壓鉗位直流環(huán)諧振逆變器和 1990年Bose發(fā)明的電流初始化直流環(huán)讓皆振逆變器等，諧振交流環(huán)逆變器有1990年 Lipo 發(fā)明的直流環(huán)節(jié)高頻諧振交流換向逆變器和 Donker發(fā)明的輔助諧振換向極逆變器等。
電流型逆變器的發(fā)展分為∶同步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電流型逆變器LCI、感應(yīng)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電流型逆變器 ASCI、電流型 PWM 逆變器、1985年 Hombu 發(fā)明的整流和逆變都是電流型 PWM控制方式的雙 PWM電流型逆變器 感應(yīng)加熱用的由流型并聯(lián)諧振逆變器、1981年 Schwarz發(fā)明的串聯(lián)諧振交流環(huán)電流型整流-逆變器系統(tǒng)。
展開(kāi) 