1.1.2 功率变换装置

对于交流电机控制系统，其功率变换装置性能提升离不开电力电子器件和电能变换技术的发展。迄今为止，电力电子器件经历了不控器件、半控器件、自关断能力器件和复合型场控器件以及集成功率模块等发展历程。交流电机控制系统常用的功率变换拓扑包括交-交变换器和交-直-交变换器两种，通过采用先进脉宽调制技术，可实现交流电机高性能控制。

1.电力电子器件

目前，已问世的电力电子器件分类如图1-6所示，主要包括不控器件，如二极管（Diode），半控器件，如晶闸管（Thyristor），自关断能力器件，如功率晶体管（Giant Transistor，GTR）、门极关断晶闸管（Gate Turn-Off Thyristor，GTO），复合型场控器件，如功率场效应晶体管（Metal-Oxide Semiconductor Field Effect Transistor，MOSFET）和绝缘栅双极晶体管（Insulate-Gate Bipolar Transistor，IGBT）以及集成功率模块（Integrated Power Module，IPM）。

图1-6 电力电子器件类别

二极管作为应用最为广泛的电力电子器件，可构成不控整流电路，为功率变换装置提供直流供电电压，也可与功率开关器件反并联，为功率变换装置提供续流回路。晶闸管具有高电压、大电流等特性，在高压直流输电和大容量无功补偿器中有一定的应用。但晶闸管的关断条件受限于输入电压及负荷换流状态，只能在较低的开关频率范围内使用。GTR和GTO属于电流控制型电力电子器件，存在控制电路复杂和工作频率较低等问题。MOSFET和IGBT为电压控制型电力电子器件，采用电压信号来控制器件的开通和关断，具有控制方便、控制功率小和工作频率高等特点。作为高性能的全控型功率开关器件，电压型控制器件在开关速度和可靠性方面都有很大程度上的提高，具有较好的综合性能，在功率变换装置中应用广泛。IPM不但能实现功率输出，还含有驱动电路、保护电路，具有过电流、短路、负压、过电压保护等功能。用户只需提供信号给IPM，就可实现复杂的外围电路功能。

目前，具有更高功率等级、更高耐温和更高频率的新型电力电子器件，如碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）等宽禁带器件还有待于进一步的开发和应用考验。

2.电能变换技术

电力电子器件是交流电机控制系统功率变换装置的核心，其在一定程度上决定了功率变换装置的发展方向。目前，交流电机控制系统常用的功率变换装置包括交-交变换器和交-直-交变换器，如图1-7所示。

图1-7 功率变换装置

交-交变换器存在输出频率低、网侧谐波成分较大等缺点，在交流电机控制系统应用中，多被控制性能更优的交-直-交变换器取代。交-直-交变换器是交流电机控制系统的主流电路，常用的交-直-交变换器分为大电感平波电流源型和电容储能电压源型两类变换器。

电力电子器件性能的不断提升使得功率变换装置不断革新，推出了多种多电平变换电路拓扑、零电流零电压功率开关谐振电路以及清洁电能变换拓扑，不断推进了交流电机控制系统的发展。一种二极管钳位型三电平变换电路如图1-8所示。

图1-8 二极管钳位型三电平变换电路

其由两个容值相等的储能电容C₁和C₂、12个功率开关器件及6个钳位二极管组成。两个储能电容的中点为多电平变换电路的中性点，当功率开关器件VT₁₁和VT₁₂同时导通时，每相输出电压为U_dc/2；当功率开关器件VT₄₁和VT₄₂同时导通时，每相输出电压为-U_dc/2；当功率开关器件VT₁₂和VT₄₁同时导通时，每相输出电压为0。该电路每相输出电压有U_dc/2、0和-U_dc/2三个状态，也被称为三电平变换电路。多电平变换电路拓扑通过将低压、小电流的功率开关器件串联或并联，实现功率变换装置高电压和大电流输出，而且具有多个电平的输出，谐波含量较小，非常适合在中大容量交流电机控制领域应用。

随着功率开关器件的功率等级越来越高，功率开关器件承受的电压应力和电流应力都比较大，而且在高频交流电机控制系统中，功率开关器件开关损耗在系统总损耗中的占比较大，造成系统运行效率降低。同时，过高的du/dt、di/dt还会造成严重的电磁干扰。

20世纪80年代，研究者提出了“软开关（Soft Switching）”的概念，发展至今已相当成熟。一种二极管钳位型三电平变换器的软开关电路如图1-9所示，该软开关电路的一个桥臂具有两对功率开关器件，需要两组吸收单元与直流母线正负端相连。两组吸收单元均有吸收电感、吸收电容、能量回馈电感和若干二极管构成，其中L_s1、C_s1及VD_s11、VD_s12构成无源吸收电路，VD_r1和L_r1串联构成能量回馈支路，上述电子器件构成了第一个吸收单元；L_s2、C_s2及VD_s21、VD_s22构成无源吸收电路，VD_r2和L_r2串联构成能量回馈支路，上述电子器件构成了第二个吸收单元。两个吸收单元的中点连接到两个容值相等的储能电容的中点，以适应功率开关器件的换流。两组吸收单元的自举电容C_b1和C_b2的作用是构造一个电压源。应用于交流电机控制系统中的软开关技术可显著降低功率开关器件的开关损耗，提高系统运行效率，而且还减小了功率变换装置的电磁干扰。

图1-9 一种二极管钳位型三电平变换器的软开关电路

二极管不控整流电路具有结构简单、可靠性高等优点，在交-直-交变换器整流环节中应用广泛。但该整流电路导致电网侧电流发生畸变，造成电网的“污染”。研究者以复合型场控器件替代不控器件二极管，并采用PWM技术控制电网侧电流，实现了交-直-交变换器单位功率因数运行。PWM整流电路可实现能量的双向流动，是一种真正的“绿色电能变换”。图1-10所示为一种常用的三相电压源型PWM整流电路，由六个功率开关器件组成三相桥臂，交流侧采用无中线的三相对称连接方式。该可控整流电路只需六个功率开关器件，成本较低，控制策略灵活，适合于电网三相平衡系统。

图1-10 三相电压源型PWM整流电路

PWM整流电路具有能量双向流动的特点，非常适合应用于四象限运行的交流电机控制系统。PWM整流电路不仅可使交流电机制动时向电网反馈能量，实现能量回收，还能使直流侧获得稳定直流电压。同时PWM整流电路采用适当的控制策略，可减小直流侧电容容值，提高系统可靠性，降低系统成本。