三相逆变器最大占空比



无刷电机控制（九）SVPWM之三相逆变器

SVPWM之三相逆变器

三相逆变器在无刷电机控制系统中扮演着至关重要的角色，它负责将直流电转换为交流电，以驱动无刷电机的三相线圈。以下是对三相逆变器及其在无刷电机控制中的应用的详细解析。

一、三相电压型逆变器结构

三相电压型逆变器的基本结构如图1所示。该逆变器由六个功率开关管（VT1-VT6）组成，这些开关管通常由IGBT（绝缘栅双极型晶体管）或MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管）等器件实现。这些开关管通过六路PWM（脉冲宽度调制）信号进行控制，以实现逆变器的正常工作。

在逆变器中，VT1和VT4、VT2和VT5、VT3和VT6分别组成三组桥臂。当某一桥臂的上方开关管（如VT1）导通时，下方开关管（如VT4）关断；反之亦然。通过控制这六个开关管的导通和关断，逆变器可以输出三相电压ua、ub和uc。在FOC（磁场定向控制）算法的控制下，这三相电压呈现为正弦波的形式，从而实现从直流到交流的变换。

二、三相逆变器的工作原理

三相逆变器的工作原理基于PWM调制技术。通过调整PWM信号的占空比，可以控制逆变器输出电压的幅值和相位。在SVPWM（空间矢量脉宽调制）算法中，将逆变器的输出电压看作一个空间矢量，通过控制该矢量的方向和大小，可以实现对无刷电机定子磁链的精确控制。

具体来说，SVPWM算法将逆变器的输出电压空间划分为六个扇区，每个扇区对应一个特定的开关状态组合。在每个扇区内，通过调整两个相邻开关状态的作用时间，可以合成出所需的输出电压矢量。这种调制方式不仅提高了电压利用率，还降低了谐波含量，从而提高了无刷电机的运行性能。

三、三相逆变器的硬件实现

三相逆变器的硬件实现通常包括光耦芯片、驱动芯片、升压电路和大功率NMOS管等组件。这些组件共同构成了逆变器的核心电路，实现了对功率开关管的精确控制。

光耦芯片：用于隔离控制信号和功率电路，防止高压电路对控制电路的干扰。驱动芯片：用于放大控制信号，以驱动大功率NMOS管的导通和关断。升压电路：用于提高直流母线电压，以满足无刷电机对高压输入的需求。大功率NMOS管：作为逆变器的功率开关管，承受高压和大电流，实现直流到交流的变换。

以正点原子ATK-PD6010B无刷驱动板为例，其硬件结构如图2所示。该驱动板采用了上述组件，实现了对三相逆变器的精确控制。通过调整PWM信号的占空比和频率，可以实现对无刷电机转速和转矩的精确调节。

四、总结

三相逆变器是无刷电机控制系统中的关键组件之一。它通过PWM调制技术将直流电转换为交流电，以驱动无刷电机的三相线圈。在SVPWM算法的控制下，逆变器可以实现对无刷电机定子磁链的精确控制，从而提高电机的运行性能。硬件实现方面，三相逆变器通常由光耦芯片、驱动芯片、升压电路和大功率NMOS管等组件构成，这些组件共同实现了对功率开关管的精确控制。通过对这些组件的合理设计和优化，可以进一步提高无刷电机控制系统的性能和可靠性。

T型三电平并网控制之一(发波及换流过程分析)

T型三电平并网控制之一：发波及换流过程分析

T型三电平拓扑是三相逆变器拓扑中使用广泛的一种结构，其发波及换流过程是实现高效并网控制的关键。以下是对T型三电平发波及换流过程的详细分析：

一、T型三电平拓扑结构

T型三电平拓扑由12个开关管组成，每相（A、B、C）有4个开关管（如A1~A4），通过L+RC构成输出滤波电路。C1和C2是母线电容，两电容值相等，两电容之间的中点O为零电位参考点。在O点与每相桥臂输出端之间增加了两个反串联的带续流二极管的开关管。这种结构使得输出电压有三种电平：0、udc/2、-udc/2，逆变器有三种状态：0、P、N，分别表示桥臂输出端连接到直流侧中点、母线正端和母线负端。

二、发波控制

根据T型三电平拓扑的特点，可以对4个开关管进行发波控制。以A相为例，当开关管A1导通，A2、A3、A4同时关断时，输出端A相对于直流侧零电位参考点O点的电平为udc/2；当开关管A2、A3同时导通，A1、A4同时关断时，输出端A相对于O点的电平为0；当开关管A4导通，A1、A2、A3同时关断时，输出端A相对于O点的电平为-udc/2。这种控制方式使得逆变器能够输出三种电平，从而提高了输出电压的谐波性能。

三、换流过程分析

整流过程

电网正半周：此时，开关管A2恒通，A4恒断，A1和A3按占空比开通。当A3开通时，电流流向是电网正极→电感LA→A2二极管→A3→电网负极，电感LA储能，相当于BOOST电路的电感储能阶段。当A3关断时，电流流向是电网正极→电感LA→A1二极管→正母线电容C3→电网负极，电感LA释放能量，给正母线电容C3充电。

电网负半周：此时，开关管A3恒通，A1恒断，A2和A4按占空比开通。当A2开通时，电流流向是电网正极→A3反并联二极管→A2→电感LA→电网负极，电感LA储能。当A2关断时，电流流向是电网正极→负母线电容C4→A4二极管→电感LA→电网负极，电感LA释放能量，给负母线电容C4充电。

逆变过程

逆变正半周：此时，开关管A2恒通，A4恒断，A1和A3按占空比开通。当A1开通时，电流流向是正母线电容C3→A1→电感LA→电网正极，电感LA储能，逆变电压U1是上正下负。当A1关断时，电流流向是电感LA→电网正极→电网负极→A3二极管→A2→电感LA，电感LA释放能量，此时相当于BUCK电感电流续流阶段。

逆变负半周：此时，开关管A3恒通，A1恒断，A2和A4按占空比开通。当A4开通时，电流流向是负母线电容C4→电网正极→电网负极→电感LA→A4→C4负极，电感LA储能，逆变电压U1是上负下正。当A4关断时，电流流向是电感LA→A2二极管→A3→电网正极→电网负极→电感LA，电感LA释放能量。

四、结论

T型三电平拓扑结构通过精确的发波控制和换流过程分析，实现了能量的高效双向流动。在整流过程中，T型三电平主回路相当于一个典型的BOOST电路；在逆变过程中，则相当于一个典型的BUCK电路。这种结构不仅提高了输出电压的谐波性能，还使得逆变器在并网控制中具有更高的效率和稳定性。

以下是相关展示：

这些直观地展示了T型三电平拓扑的结构、发波控制以及换流过程中的电流流向，有助于深入理解T型三电平并网控制的原理。

逆变器的功率范围是多大的

大功率逆变器MPPT最大功率跟踪范围是420-850V,也就是说直流电压420V的时候输出功率达到100%。

简单讲：峰值电压（DC420V）转换成和交流电有效电压，乘以转换系数获得（AC270V），该系数与输出侧电压调压范围及脉宽输出占空比有关。 

270的调压范围（-10%至10%）那么：直流侧DC420V时的输出电压最高值为AC297V；获得AC297V交流电有效值，直流电压(交流电峰值电压)为297*1.414=420V；反过来计算就可以得到AC270V;其过程是：DC420V直流电经开光关（IGBT、IPM等），进行PWM（脉宽调制）控制，再通过滤波后得到交流电的。 

浅谈光伏逆变器最大功率点追踪MPPT与电流采集

浅谈光伏逆变器最大功率点追踪MPPT与电流采集

光伏逆变器作为光伏发电系统的核心组件，不仅负责将光伏阵列产生的直流电转换为安全平稳的工频交流电，还承担着确保光伏组件在最大功率点工作的重任，以最大化发电效率。本文将从最大功率点追踪（MPPT）技术和电流采集两个方面进行浅谈。

一、最大功率点追踪（MPPT）

光伏组件的最大功率点

光伏组件的输出特性是非线性的，存在一个特定的工作点，即最大功率点（Pmax），在该点光伏组件的电压（Ump）与电流（Imp）的乘积达到最大值。为了使光伏组件的发电效率最大化，逆变器需要具备MPPT功能，使组件始终工作在最大功率点。

MPPT技术原理

MPPT功能通常通过控制电路发出PWM信号对DC/DC变换过程进行调节来实现。其基本原理是通过调节负载阻抗（或等效地，通过DC-DC变流器调节光伏组串的等效负载阻抗），使光伏组件的输出功率达到最大。在实际应用中，由于负载阻抗往往是不受控的，因此通过在光伏组串与负载之间添加DC-DC变流器来调节等效负载阻抗，从而实现MPPT。

MPPT控制器一般采用两种控制方法：电压控制法和直接控制法。电压控制法通过比较参考电压信号（由MPPT算法生成）与当前采集的电压信号，将结果传递给PI控制器，得到DC-DC占空比，进而生成PWM控制DC-DC。而直接控制法则直接通过MPPT算法生成占空比，继而生成PWM，无需设计PI控制器，实现难度和成本较低。

二、电流采集

电流检测的重要性

MPPT控制的精度不仅受内部算法性能影响，还依赖于逆变器检测回路中的传感器对于各输入输出电流电压的采集精度。因此，电流采集在MPPT过程中起着至关重要的作用。

电流传感器

逆变器检测回路中的电流传感器通常采用高精度闭环磁通门电流传感器或开环霍尔传感器。这些传感器能够精确采集电流信号，为MPPT算法提供准确的数据输入。例如，巨磁智能技术有限公司自主研发的高精度闭环磁通门电流传感器，检测精度达到千分之七，检测线性度达到千分之一，可为光伏逆变器MPPT电路设计提供高精度的电流数据采集。

电流检测方案

为了满足逆变器组串端与交流输出端的电流检测需求，通常采用多种传感器组合的方案。例如，巨磁智能技术有限公司提供的开环霍尔电流传感器ME、MG系列以及漏电流传感器RCMU101SN系列，能够满足逆变器在不同应用场景下的电流检测需求，为光伏逆变器设计打造极具性价比的电流检测整体方案。

总结

光伏逆变器的最大功率点追踪（MPPT）技术和电流采集是实现高效光伏发电的关键环节。通过精确调节负载阻抗或等效负载阻抗，MPPT技术能够使光伏组件始终工作在最大功率点，从而最大化发电效率。而高精度的电流采集则为MPPT算法提供了准确的数据输入，确保了MPPT控制的精度和稳定性。在实际应用中，应选择合适的电流传感器和检测方案，以满足光伏逆变器在不同应用场景下的需求。

基于第七代IGBT技术三电平逆变器拓扑架构的技术优势

基于第七代IGBT技术三电平逆变器拓扑架构的技术优势主要体现在以下几个方面：

一、更高的功率密度和效率

第七代IGBT技术通过采用新的芯片设计，使得芯片尺寸在所有电流等级中平均缩小了25%。这一改进使得在现有模块外壳中能够提供更高的标称电流，从而获得更高的电流密度。同时，新的IGBT技术还降低了饱和电压Vce(sat)约20%，这有助于减少传导损耗，提高逆变器的整体效率。此外，新型950V IGBT特别适用于高开关频率，并具有优化的Vce(sat)，非常适合在高达1500V直流的三电平拓扑中使用，进一步提升了功率密度和效率。

二、更高的工作温度和过载能力

第七代IGBTs的另一个重要新特性是能够在更高的结温下工作。最大结温保持在Tj,max=175℃，允许连续运行结温最高可达Tj,op=150℃。此外，IGBT还可以在175℃的短期运行条件下（保持20%占空比）长达1分钟，这使得逆变器无需额外的设计储备即可覆盖110％的一分钟过载。这种更高的工作温度和过载能力提高了逆变器的可靠性和稳定性。

三、灵活的拓扑结构和开关模式

三电平拓扑结构本身具有多种优势，如降低输出电压谐波、减小开关损耗等。结合第七代IGBT技术，可以实现更加灵活的拓扑结构和开关模式。例如，在有源中性点钳位（ANPC）拓扑中，可以通过高频/低频（HF/LF）和低频/高频（LF/HF）两种开关模式来优化性能。这两种开关模式在输入和输出级的操作方式上不同，可以根据应用需求进行选择。此外，ANPC拓扑还具有更高的自由度，但需要额外的驱动电路。相比之下，中性点钳位（NPC）拓扑则更为简单，但在某些应用场景下可能不如ANPC拓扑高效。

四、优化的换流路径和相位支路设计

在不同的开关模式下，换流路径会有所不同。通过优化换流路径和相位支路设计，可以进一步降低损耗并提高性能。例如，在ANPC低频/高频模式下，输入级以低开关频率开关，而输出级则以高频开关。这种设计可以减小换流路径的面积，从而降低换流电感。同时，通过将形成换流路径的元件位于同一模块中，可以进一步降低换流电感并提高性能。

五、广泛的应用场景和适应性

基于第七代IGBT技术的三电平逆变器拓扑架构具有广泛的应用场景和适应性。例如，在可再生能源领域，如光伏和风力发电系统中，三电平逆变器可以提高电能质量和效率，降低谐波含量，从而减少对电网的污染。此外，在储能系统、电动汽车充电站等应用场景中，三电平逆变器也表现出优异的性能。由于第七代IGBT技术具有更高的工作温度和过载能力，因此可以适应更加恶劣的工作环境，提高系统的可靠性和稳定性。

六、展示

以下是关于三电平拓扑架构和开关模式的展示：

这些展示了三电平拓扑架构的不同开关模式和换流路径，有助于更好地理解其工作原理和性能特点。

综上所述，基于第七代IGBT技术的三电平逆变器拓扑架构具有更高的功率密度和效率、更高的工作温度和过载能力、灵活的拓扑结构和开关模式、优化的换流路径和相位支路设计以及广泛的应用场景和适应性等优势。这些优势使得三电平逆变器在电力电子应用中具有更加重要的地位和作用。

Shunt相电流采样

Shunt相电流采样

Shunt相电流采样是通过使用分流电阻器（shunt resistors）来测量永磁同步电机相电流的一种方法。这种方法具有较高的经济性、线性度以及高带宽的特性，因此被广泛应用于电机控制系统中。

一、分流电阻器的布置方案

在三相逆变器中，分流电阻器的布置主要有三种方案：低边母线采样、三相下桥臂采样和三相相线采样。

低边母线采样

特点：单个直流链路分流器，在低成本、低功耗、矢量控制的风扇和泵中更为常见。

工作原理：每个PWM周期必须在两个不同的PWM开关状态下测量直流链路电流两次，以重建三相电流。

限制：该方法对于零相电压不起作用，因为所有三个PWM占空比都是50%，除非使用复杂的PWM补偿算法进行扩展。

三相下桥臂采样

适用场景：对应12~60V，功率不高于5kw的永磁同步发电机来说，这个布置方案是非常合适的。

特点：MCU不需要进行隔离并直接连接到电源负极。分流器可以放置在三相逆变器的两个或三个支路中。

限制：只能在低边MOS导通的情况下进行电流采样，因此在电机电压利用率较大，低边MOS导通时间很短的情况下，电流采样时不能保证电流是否稳定，导致电流采样精度降低。

三相相线采样

特点：采样精度最高，是主驱电机的相电流采样主流方法之一。

挑战：相线采样应用中最大的挑战是较大的共模电压，需要采样成本更高的差分放大电路。

二、分流器电流与相电流的关系

在不同的分流器布置方案中，分流器电流与相电流的关系有所不同。图2显示了每个布置方案的理想分流器电流与相电流在一个脉宽调制（PWM）周期内的关系。

低边母线采样：通过测量直流链路电流并结合PWM占空比来重建三相电流。三相下桥臂采样：在低边MOS导通时测量相电流，但由于导通时间短，可能导致采样精度降低。三相相线采样：直接测量相电流，采样精度最高，但受共模电压影响，需要差分放大电路。

三、采样时间的确定

为了获得准确的相电流信息，需要根据不同的分流器布置方案确定合适的采样时间。采样时间的选择应确保分流器电压信号能够稳定地转换为数字信号，供微控制器（MCU）处理。

低边母线采样：需要在两个不同的PWM开关状态下进行采样，以获取足够的电流信息来重建三相电流。三相下桥臂采样：应尽可能在低边MOS导通期间进行采样，但需要考虑导通时间短对采样精度的影响。三相相线采样：由于采样精度最高，可以在任何时刻进行采样，但需要注意共模电压对差分放大电路的影响。

四、展示

以下是三种分流器布置方案的示意图：

（注：以上展示了三种分流器布置方案以及分流器电流与相电流的关系。）

五、总结

Shunt相电流采样是一种经济、线性度高且带宽高的相电流测量方法。在永磁同步电机控制系统中，根据具体的应用场景和性能要求，可以选择合适的分流器布置方案。低边母线采样适用于低成本、低功耗的应用；三相下桥臂采样适用于中等功率范围的应用；而三相相线采样则具有最高的采样精度，适用于对性能要求较高的主驱电机应用。在选择采样时间时，需要确保分流器电压信号能够稳定地转换为数字信号，以供MCU处理。

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