摘 要

电力电子技术的革新为逆变器的进步提供了极大的动力，以IGBT为开关器件的全控型电压逆变器在不间断电源、高频感应加热、高压直流输电、变频驱动器等领域被广泛应用。但是传统的两电平逆变电路固有的缺点是得IGBT在高压变流领域的应用受到了限制，并且传统的两电平逆变器的输出电压波形的谐波含量较高，使线路损耗增大，波形畸变率增加。

在近几年受到广泛应用的三电平逆变电路可以很好地解决以上两电平逆变器的诸多缺点。这种新式的多电平逆变器通过增加开关器件的方式使得输出电压的波形多电平化、多脉动化，使得输出的波形更加接近正弦波。并且通过每个桥臂开关管的串联，降低了每个开关器件的关断电压，使得IGBT在高压变流领域的应用成为了可能。

本文首先介绍了当下三电平逆变器拓扑结构主要几种类型的优缺点，分析二极管钳位三电平逆变电路的工作原理；其次介绍了三电平逆变电路的控制方式，并且分析了IGBT的动态工作状态，应用日本富士公司的EXB系列驱动芯片设计了一种IGBT的驱动电路拓扑；最后分别对传统两点平逆变电路和二极管钳位三电平逆变电路进行Simulink仿真，比较二者的不同和各自的应用范围。

关键词：三电平逆变器；IGBT；驱动电路；EXB

Abstract

The reform of power electronic technology stimulates the evolution process of the inverter. The voltage inverter with the full-controlled switching device IGBT is widely used in the fields of uninterruptible power supply (UPS), high frequency induction heating, high voltage DC transmission, variable frequency drives etc. But the shortcomings inherent of the traditional two-level inverter circuits restricts the application of IGBTs in the area of high-voltage current transformation, and for the higher harmonic wave contents of the traditional two-level inverter output voltage waveform, the line loss and waveform distortion rate increased.

In recent years, a wide range of application of three-level inverter can be a good solution to the problems of the two-level inverter. This new type of multi-level inverter makes the output voltage waveform more pulses by the way of increasing the number of the switching device, so that the output waveform is more close to the sine wave. And for the series connection of the IGBTs in each bridge arm, the turn-off voltage of each switch reduced, which makes the application of IGBTs in the field of high voltage possible.

In the thesis, it first introduces the three currently main types of the three-level inverter topology and their advantages and disadvantages, and analyzes the diode clamp three-level inverter circuit working principle; Secondly, it introduces the control method of the three-level inverter circuit; Thirdly an analysis of the IGBT dynamic state is demonstrated with applications of the Japanese Fuji company EXB series driving chip to design a kind of an IGBT drive circuit topology; Finally, respectively, to simulate two-level inverter circuit and diode clamp three-level inverter circuit by Simulink simulation, analyzing the differences and their scope of applications.

Key Words: three-level inverter；IGBT；Driver circuit；EXB series IC

目录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 选题研究背景及意义 1

1.2 三电平逆变器的分类 1

1.2.1 二极管钳位三电平逆变电路 2

1.2.2 飞跨电容钳位逆变电路 2

1.2.3 具有独立直流电源的级联型逆变电路 3

1.3 主要研究内容 3

第二章 三电平逆变电路的工作原理及控制方式 5

2.1 三电平逆变电路的结构及工作原理 5

2.2 三电平逆变电路的控制方式 8

2.2.1三角波层叠法 8

2.2.2空间电压矢量PWM调制方法 8

第三章 SPWM控制技术及实现方式 9

3.1 SPWM控制理论 9

3.1.1 相电压控制方式 9

3.1.2 线电压控制方式 10

3.2 三电平逆变电路的SPWM控制策略 10

第四章 IGBT动态特性及驱动电路的设计 12

4.1 IGBT动态特性及其主要参数 12

4.1.1 IGBT的动态特性 12

4.1.2 IGBT的主要参数及选型 14

4.2 IGBT驱动技术 15

4.2.1 驱动电路的基本性能 15

4.2.2 IGBT的驱动电路 17

4.3 IGBT驱动电路的设计 18

4.3.1 选题参数计算 18

4.3.2 驱动电路的设计 19

第五章MATLAB建模与仿真 21

5.1 选题参数计算 21

5.1.1 直流侧中点电容的计算 21

5.1.2 钳位二极管规格 22

5.2 逆变电路的建模与仿真 22

5.2.1 两电平逆变电路的建模与仿真 22

5.2.2 二极管钳位三电平逆变电路建模与仿真 25

5.3 本章小结 31

第六章 总结与展望 32

参考文献 34

附录A 35

致谢 36

第一章 绪论

1.1 选题研究背景及意义

逆变器是电力电子行业中的一个重要领域，在实际生活中，被蓄电池储存起来的电量都是以直流电的形式向外输出，而大部分的负载却是交流负载，这时就需要用到逆变器。现在的交流电机调速大部分都采用变频调速控制，仅仅采用工频的交流电显然不能满足变频的要求。这时也可以采用整流器将工频的交流电先整流为直流电，经滤波后到后级的逆变环节便可以将输出电压频率改变为任意值。再者，现在的电力系统大都采用交流电网进行电能的传输，交流传输固有的缺点如谐波损害，无功功率的存在使得发电机和变压器容量的增大等迫使人们想到通过直流电的方式进行电力传输，这时就需要用到高压逆变器。工业上对铁块等导磁材料进行加热时同样可以用到逆变器，应用变频技术可以使得逆变器的输出电压高达几兆赫兹，这就是高频感应加热方式。可见逆变器的应用在生活当中无处不在，对逆变器的研究也自然成为当代工业的热门学科。

在早期人们发明了两电平逆变电路及其拓扑结构，以桥式逆变为例，它是通过控制开关器件的开通和关断来控制直流侧电压源的通断，从而使得输出电压为一系列的等幅不等宽的电压窄脉冲，根据面积等效原理来逼近想要的输出波形。当然还有其他的调控方式，例如方波逆变。但由于方波逆变的输出谐波含量太高，并且高频全控型器件的产生使得方波逆变逐渐被脉宽调制所取代。但是由于两电平逆变电路的结构和全控器件的耐高压问题使得两电平逆变电路在高电压逆变方面的应用的受到了限制。这时人们又发明了多电平逆变电路，使得逆变器的输出电平变多，这样输出的电压波形的脉动变多，通过合理的控制方法便可以使输出电压更加接近正弦波，从而降低了谐波含量。并且通过开关器件相互串联的方法也使得了IGBT在高电压逆变的领域得以应用。现在大部分使用的是三电平的逆变电路，控制方式也逐渐趋进成熟。多电平逆变的另一个好处就是使开关器件的开关频率大大降低，这样既减少了开关损耗，也减少了器件开通时的电压过冲。当下的三电平逆变电路主要有三种：二极管钳位逆变电路、飞跨电容钳位逆变电路和具有独立直流电源的级联型逆变电路。下面对其结构加以介绍。