能源短缺和环境污染是人类当前面临的主要问题。据统计，全球石油储量只够使用30至50年左右，我国剩余的石油、煤炭开采量不足世界的一半。并且，大量的石油和煤炭没有经过深加工就烧掉，不但能量利用率很低，还对环境造成严重污染。近年来，交流调速技术在风机、水泵等领域得到了一定程度的推广和应用，380V以下的变频器已大量使用。但是，在工业应用领域，大功率的传动机械、风机、水泵占主要地位,例如:钢铁工业的高炉鼓风机、炼钢制氧机、除尘风机等,石油化工生产用的压缩机,电力工业的给水泵、引风机,煤矿的排水泵和排风扇以及城市自来水厂的供水泵,等等。驱动电机都是400~40000kW ,3~10kV的大功率高压交流电动机。这些设备由于调速的手段的缺少，会大量地浪费电能，俗称“电老虎”。因此,开发高压多电平变换器并推广应用，对我国工业降低单产能耗具有重大意义。

在某些应用场合，传统的两电平电压源变换器拓扑，不能满足人们对高压、大功率的要求而且该拓扑往往采用功率开关器件的串并联方式，这就要求所有串并联的开关器件必须同时开通和关断，所有开关器件的开关特性要完全一致。而由于器件匹配的困难使开关器件的利用因数降低，使这种方案非常麻烦甚至很难实现。并且，以现有电力电子器件的工艺水平，其功率处理能力和开关频率之间是矛盾的，往往功率越大，开关频率越低。所以为了实现高频化和低EMI的大功率变换，在功率器件的水平没有突破的情况下，有效的手段是从电路拓扑和控制方法上加以改善。在过去的二十多年里，研究者进行了大量的研究和探索，提出了多种高压大功率变换的解决思路和方法，大致可分为5类：功率器件的串并联技术、逆变器并联技术、多重化技术、组合变换器相移SPWM技术、多电平变换器技术。

多电平变换器技术是一种通过改进变换器自身拓扑结构来实现高压大功率输出的新型变换器，它无需升降压变压器和均压电路。由于输出电压电平数的增加，使得输出波形具有好的谐波频谱，每个开关器件所承受的电压应力较小。多电平变换器技术已成为电力电子领域中，以高压大功率变换为研究对象的一个新的研究领域。多电平变换器之所以成为高压大功率变换研究的热点，是因为它具有以下的突出优点:每个功率器件仅承受1/(n-1)的母线电压(n指电平数),所以可以用低耐压的器件实现高压大功率输出，且无需动态均压电路。电平数的增加，改善了输出电压波形，减小了输出电压波形畸变(THD)，可以以较低的开关频率获得和高开关频率下两电平变换器相同的输出电压波形，因而开关损耗小，效率高。由于电平数的增加，在相同的直流母线电压下，与两电平变换器相比，du/dt 开关应力大为减少，在高压大电动机驱动中，有效防止电动机转子绕组绝缘击穿，同时改善了装置的EMI特性。无需输出变压器，大大地减小了系统的体积和损耗。

多电平逆变器是在1981年由Nabae等人提出的“中点钳位PWM逆变器”的基础上发展起来的，其后在高压大功率变频调速器方面得到了广泛应用。尽管Nabae等人未明确提出多电平逆变器的概念，但该逆交器电路本身就是二极管钳位型多电平逆变器的雏形。

从多电平变换器的概念提出至今，在短短30多年的时间里，已经形成了三类基本拓扑及一系列的改进拓扑。大致可以分为：二极管钳位型、飞跃电容型和独立直流电源级联多电平三种拓扑结构，其中二极管钳位型多电平拓扑结构运用最广泛。它能有效地提高换流系统的耐压、降低输出电压谐波和开关损耗，在电力系统的大功率应用中受到普遍的重视。与此相对应，多种多电平变换器的调制方法也被提出。在拓扑方面，改进的主要方向是器件数量的减小，解决电容电压的不平衡等;在调制方面，改进的主要方向是输出波形性能的优化和算法的简化及算法的通用性等。但是，在多电平变换器概念提出的最初几年，它并没有受到过多的关注，其原因在于多电平变换器电路拓扑非常特殊，无论对功率器件还是控制电路的要求都较高。因此直到20世纪80年代末，随着GTO、IGBT、IGCT等大功率可控器件容量等级的提高，以及以DSP为代表的控制芯片的迅速普及，多电平变换器的研究和应用才有了迅猛的发展。不仅在电路拓扑，PWM控制方法和软开关技术等方面形成了许多分支，而且应用领域从最初的DC-AC变换，如大功率电动机驱动，拓展到AC-DC变换，如电力系统无功补偿，再到AC-DC-AC变换，如超导储能，再到近期的DC-DC变换，如多电平PFC。电力系统中的无功补偿和高压直流输电以及高压大电动机变频调速是目前多电平变换器应用的主要领域。

近年来，工业较为发达的国家，尤其是德国、日本等极为重视节能技术的研究。这些国家，一方面在高性能大容量变换器的领域走在前列，另一方面，大力开拓调速技术市场，不断扩大应用范围，使电动机调速技术成为一个产业部门。大容量的逆变器已有打量产品投入到市场，应用于电力机车、船舶电力推进、轧钢等高性能系统中。大大降低单产能耗，并在相当程度上获得了产品质量、数量和环保效益。

与此同时，我国在电动机调速技术的研究和应用领域也有了一定程度的发展，但与发达国家相比还有一定差距。国内的调速装置大多数用于冶金、化工、石油等领域。但是，存在的主要问题是大多数装置采用可控硅AC-AC变频调速，制造成本高，装置复杂，对电网污染严重。我国目前应用的大功率变换装置大部分为引进产品，而我国在高压大功率变换器领域有相当大的市场和需求，因此近年来国内部分科研院所和一些公司在这一领域也做了一定的研究和开发。目前，多电平变换器技术在国内机遇和挑战并存，相信随着国家和众多研究机构、公司的关注，这一技术必将达到国际先进水平。

2. 研究的基本内容与方案

本设计要求设计三电平逆变器，控制电路采用DSP实现。采用DSP控制芯片设计输入DC48V，输出三相AC380V，频率50Hz的三电平逆变器，设计硬件电路并计算各器件的参数并选型，利用altium designer软件画出电路图，设计软件流程和主要程序。

逆变器是将直流电转换成交流电的电力电子装置，是电力电子设备中的常用的电能转换装置，广泛应用于各种电能转换中。两电平逆变器具有谐波大、功率因数低、功率等级低等缺点。为解决上述问题，可以采用三电平主电路结构的变换电路，并采用PWM控制技术，实现多电平逆变器，提高电能转换效率。本设计要求设计三电平逆变器，控制电路采用DSP实现。主要理论学习内容包括：熟练掌握三电平逆变器的工作原理；熟练掌握DSP的原理、结构和应用；熟悉掌握PWM控制方法原理及基本应用。

本设计的整体框架包括以下几部分：三相逆变主电路、DSP控制电路、驱动电路、电压检测电路、电流检测电路。三相逆变主电路将直流电AC转换为交流电AC，DSP控制电路采用PWM控制方法，通过驱动电路控制逆变主电路的IGBT开关管，以此来获得目标输出，电压AC380V，频率50Hz。另外，DSP控制电路通过电压、电流检测电路检测输出，保证输出电压恒定。