高性能电机驱动：拓扑技术

本文主要介绍感应电机驱动技术的现状及发展趋势，包括两电平、多电平的电压源型逆变器、电流源型逆变器和直接交交变流器的拓扑技术、调制方法和电机控制与估计技术。

电机负荷约占全社会用电的60%，其功率小到低于1W，大到几十MW不等。驱动控制系统需要满足的技术要求包括：

1高转换效率

2宽运行范围，包括角速度、转矩、加速度、角度、线性位置

3当控制或干扰信号变化时，能够快速消除误差

4在非满负荷运行时，电机拥有最大的能效比

5可靠，操作简便

电力电子技术为交流电机在高性能驱动系统中替代直流电机铺平了道路。现代电力电子技术起源于美国GE公司1958年研发成功的可控硅整流器，即晶闸管。此后，半导体结构、材料、工艺的提升显著地推动了大功率、高性能电力电子器件的大规模应用。今天，最常用的电力电子器件是金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET和绝缘栅极双极性晶体管IGBT，在更高功率场合使用最多的则是集成门极换流晶闸管IGCT。如今，更耐高压、高频、高温的宽禁带SiC器件正在逐步走向市场。随着器件技术的进步，电力电子技术获得了飞速的发展。



本文对高性能交流驱动技术中的电路拓扑进行综述，重点介绍了两电平以及多电平的电压源型变频器、电流源型变频器和直接交交变频器

A 电压源型逆变器VSI

电压源型逆变器（Voltage Source Inverter，VSI）是技术最成熟，工业界最常用的拓扑。下图是最简单、最基础的两电平电压源型逆变器（2L-VSI）。



2L-VSI包括一个直流侧大电容或者电压源、三个桥臂。每个桥臂包含2个功率开关管，且其门极信号互补，产生两种电平，如下图所示。



功率开关管的驱动信号由调制策略产生，以合成期望输出的基波电压。由于需要滤除输出电压中的高频谐波以产生近似正弦的电流，因此VSI常用于感性负载供电，如电机。当然也可以根据实际需要，增加额外的输出滤波器。

当调制度最大时，变流器的最大输出电压取决于直流侧电压。为了高效地驱动大功率负载，直流侧需要高电压。但直流侧电压受晶体管阻断电压的限制，不可能任意大。例如，工业驱动中常使用的低压IGBT一般只提供690V的输出电压。为了突破器件的容量限制，学者们发明了电压源型多电平变流器。虽然多电平变流器的拓扑结构、调制方法和控制策略比2L-VSI更加复杂，但多电平变流器可以提高波形质量、可靠性、能量密度、整体性能及效率。例如二极管钳位型三电平逆变器（3L-NPC），如下图所示。



3L-NPC的直流电压均衡地分布在两个电容器上。闭合上桥臂的两个开关管，单相输出就连接到了正极母线；闭合中间的两个开关管，单相输出就连接到了中性点；闭合下桥臂的两个开关管，单相输出就连接到了负极母线。3L-NPC的桥臂输出波形如下如所示：



与2L-VSL相比，每个晶体管只需要承受一半的直流侧电压，因此使用同样的开关器件就能显著提升变流器容量了。3L-NPC中的开关管一般是高压的IGBT和IGCT。

NPC有两个公认的技术难题：一是硬件和工况的不对称会导致电容电压的不平衡；二是NPC内外侧开关管的损耗不均衡。电容电压不平衡问题的解决方法以改进调制策略为主，这类策略基本上能够有效解决这一问题。但内外侧开关管损耗不均衡是3L-NPC的固有缺陷，很难从控制策略上有效解决，因此以改进三电平拓扑为主，如有源中点钳位型三电平（3L-ANPC）。3L-ANPC采用可控开关取代钳位二极管，设计合适的开关组合就能均衡开关损耗。NPC还可将直流侧分为更多个电容，输出更多电平。每一部分的直流电压都可以通过扩展开关器件和钳位二极管连接到负载。随着功率的增加，多电平变流器的优点在于：更好的波形质量、更小的dv/dt以及更少的电磁干扰。但当NPC超过3电平时，新的问题出现了。从拓扑看，与主开关相比，钳位二极管需要更高的阻断电压，因此需要使用不同的钳位二极管或采用几个钳位二极管串联。另外，各个开关管出力不均衡的问题就更严重了。最终，由于器件数量的显著增加，系统可靠性降低了。这些技术瓶颈限制了更多电平NPC的工业应用，目前只有3L-NPC获得了广泛应用。

基于模块化功率单元的变流器能产生更多数量的电平，例如级联H桥型CHB、飞跨电容型FC。CHB逆变器是一个高度模块化的变流器，由若干个标准的单相H桥逆变器单元级联而成，功率单元由已经量产的、简单可靠的、经济实惠的低压功率器件构成，如下图所示。



可靠性是多电平变流器的共性问题。但CHB逆变器可以采用容错控制来提高系统可靠性和实用性，因此CHB是获得广泛应用的主流多电平拓扑。此外，CHB的优势是可用低压模块驱动中压负载。虽然功率单元的开关频率很低，但负载的等效开关频率却很高，显著减小了开关损耗，获得了更小的dv/dt。以7L-CHB为例，变流器输出的电压波形如下图所示。



CHB逆变器中的每个功率单元都需要独立的直流电源，这些直流电源可以是光伏电池板、蓄电池，也可以是接在多绕组变压器副边的二极管整流器。使用光伏电池、蓄电池时，CHB的良好扩展性使得光伏发电、储能系统可以直接接入中压电网。多绕组变压器带不控整流器的供电方案已经成为了电机驱动应用的标准拓扑，多绕组变压器既能提供隔离作用，还能消除二极管整流所产生的低次谐波。电流谐波的消除是通过变压器副边绕组的相移实现的，这就导致了变压器结构的复杂性，特别是功率单元很多的时候。同时多绕组变压器降低了CHB的灵活拓展性。此外，直流侧需要大电容，以确保电路的故障穿越能力，但同时也增大了电路体积，电容以及保证直流侧充放电安全的附加电路占据了系统至少一半的体积。

此外，“多绕组变压器带不控整流器”这一流行方案也不能实现再生发电运行（二极管整流器的固有缺陷）。下坡的传送带，液化天然气涡轮机，这些设备在运行的大部分时间里，负荷需要回馈发电。为了实现再生发电运行，可以用可控整流替代其中的二极管整流。可控整流方案能够精确地控制直流电压、有功功率、正弦电流，实现功率的双向流动，其缺点是需要感性的输入滤波器和相应的冷却系统，同时可控整流导致了损耗增加、可靠性降低。

此外，也有一些其它的基于级联方法的多电平拓扑正在研究之中，如混合CHB变流器。混合CHB使用较少的功率单元就能输出更明显多的电平数。例如使用三个直流侧电压不同的功率单元，就能产生27个电平输出(常规CHB变流器只能输出9个电平)。但这要求每个功率单元使用不同的功率器件，且需要通过适当的控制策略来避免低压单元的再生发电运行。此外，也可以将不同拓扑类型的功率单元进行混合，目前的研究工作以H桥逆变器与3L-NPC变流器混合级联为主，比混合CHB更加复杂了，因此目前的研究工作还不多。

飞跨电容型（FC）变流器是另一种典型的多电平拓扑，如下图所示的五电平FC（5L-FC）。



通过开关管将负载电机的相线连接在直流母线正极、负极或者悬浮电容器上，此时FC变流器即可输出多个电平的电压。输出电压的电平数量取决于悬浮电容器的数量及不同直流电压之间的关系。以5L-FC为例，变流器输出的电压波形如下图所示。



FC与CHB一样，也是模块化拓扑，每个功率单元由一个直流电容和两个互补的器件组成。与CHB相反，FC中的悬浮电容不会增加变流器的额定功率，只是降低了变流器输出波形的谐波分量，减小了dv/dt。对CHB来说，模块化可以减少功率电路的替换成本，降低装置的维护成本，并且可以使用故障功率单元冗余控制策略。显然，FC变流器也有混合多电平方案，例如把5L-FC中的Vdc/2和Vdc/4直流电压变为3/7Vdc和Vdc/7，这样就可以产生8种电平了。而混合CHB中，电平数的增加是以牺牲变流器的模块化特性和灵活扩展性为代价的。

FC变流器仅需要一个直流电源支撑所有的功率单元。因此，无需多绕组变压器，单元数量可以根据设计容量灵活增加。与NPC拓扑一样，FC变流器也需要控制电容电压。

为了使用更少的器件产生更多的电平数量，学者们提出了混合多电平的思路，并且已经提出了若干典型的混合多电平变流器。例如，用单相多电平的NPC、ANPC、FC来替代单相H桥逆变器作为CHB的功率单元，或者上述功率单元的混合。最近，有学者提出了模块化多电平变流器MMC，并被大量地研究和应用。MMC的功率单元以半桥逆变器为主，也需要悬浮电容。MMC无需隔离的直流电源，因为每个单元都有悬浮的直流电容。MMC的模块数非常庞大（>200），可以产生非常小的dv/dt以及很高的等效开关频率。同理，MMC也需要电容电压均衡控制策略。此外，MMC还需有效的控制策略来减小变流器内部流动的环流。环流是MMC的一大特点。

B 电流源型逆变器CSI

电流源型逆变器（Current Source Inverter，CSI）通常需要可控整流器在直流侧提供稳定的电流，如下图所示。



CSI中的可控整流器通常是晶闸管整流，直流母线需要大电感，以减少负载的共模电压。CSI的电力电子开关管一般是IGCTs。CSI的输出电流为PWM波，不能直接应用在电机这种感性负载上，如下图所示。



因此，CSI必须使用电容滤波器来限制di/dt，以产生平滑连续的输出电压，如下图所示。



电流源型逆变器广泛应用于中压驱动，具备能量回馈能力。当需要高质量输入电流波形时，可使用背靠背结构的CSI（Current-source back-to-back converter），如下图所示。



背靠背型CSI的整流器输入电流为PWM波形，因此输入侧需要LC滤波器进行滤波。

C 直接交交变流器

直接交交变流器没有中间储能环节，直接将能量从输入侧传递到输出侧，其最大优势是体积小，但控制也很复杂。

周波变流器Cycloconverter属于典型的直接交交变流器，广泛应用于磨机等大功率负荷的供电，如下图所示。



周波变流器的每相均由晶闸管双向变流器组成，通过正弦信号控制产生可变化的直流电压。变流器输入侧通过移相变压器进行供电，以消除输入电流中的低次谐波，如下图所示。



周波变流器常用于驱动低频率的大功率负载。

矩阵变流器（Matrix Converter，MC）是另一种典型的直接交交变流器，包括直接矩阵变流器（Direct MC，DMC）、间接矩阵变流器（Indirect MC，IMC）两种形式。

DMC由9个双向开关组成，输入端通过LC滤波器来提高输入电流质量，输出直接接感性负载，如下图所示。



DMC的波形图如下图所示。



矩阵变流器最主要的优势就是体积小，非常适合在汽车、飞机等领域应用。

此外，也有学者在DMC的基础上进行改进，IMC是其中最受关注的改进拓扑。IMC由一个双向的三相整流器，一个虚拟的直流电压和一个三相逆变器组成，如下图所示。



如果将双向开关看成两个器件，那么IMC的开关管数量与DMC一样，但二者的开关状态数不同，并且IMC的原理更容易分析和理解。稀疏矩阵变流器（Sparse MC，SMC）在IMC结构的基础上进一步减少开关管数量，同时可以实现相同的功能和性能，如下图所示。



结语

基于电力电子电路驱动的高性能交流电机控制技术属于现代高新科技，对于电机系统的节能和提高电机运行性能具有非常显著的技术性能和经济性能。本文回顾了电机驱动系统拓扑技术的当前状态和未来发展趋势，包括两电平和多电平电压源型变流器、电流源型变流器、直接交交变流器等。