CRH3动车组牵引逆变器设计及其PWM控制算法分析

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第一章 绪论

本章作为引言，主要介绍了动车组概念及组成，逆变技术的发展过程及现状，最后简要归纳了本课题的研究任务并对文章安排做了简要介。

1.1 动车组

1.1.1 动车组概念及组成

“动车组”这个词流行之前，同样的事物也被称做“列车组”、“机车组”等， “动车组”其实是个非常简单的概念。动车组是按动力分布方式而命名的，其实就是动力分散式列车。动力集中式列车的牵引力是机头产生，动力集中于一侧。具有牵引力的动车与无动力的拖车再加上机头，三者组合称为动车的组合，简称动车组。把动力装置分散安装在每节车厢上，使其既具有牵引动力，又可以载客，这样的客车车辆便叫做动车。而动车组就是几节自带动力的车辆加几节不带动力的车辆编成一组，就是动车组。带动力的车辆叫动车，不带动力的车辆叫拖车。

此外有“狭义动车组”一说，英文名为“MU”，全称“Multiple Units”，意为“单元式组合列车”。“单元”是这种列车中最突出和最核心的概念。“单元”指若干车辆以特定方式连挂以实现特定功能的编组。而当这样的编组中一节车也不能再缩减时，称做“最小单元”。某些情况下，单元内会有可以摘除冗余车辆，但多数情况下单元就是最小单元。最小单元一旦被拆散，该单元用以实现的功能将消失，或者不再完整。在比较罕见的情况下，单节车也可以成为单元。为方便进一步描述，可以按照以下方式划分单元：

1. 制动单元 。2. 自走单元。3. 随走单元。4. 运营单元 。5. 特殊单元 动车组的组成，有多种方式：

①由两节或两节以上的动车联挂组成。

②一节动车和一节或数节无动力的附挂车组成，尾部附挂车的末端设有驾驶台。

③两端为动车，中间连接一节或数节无动力的附挂车。

④两端为动车，中间连接多节附挂车，但与动车相邻的附挂车中靠近动车的转向架是驱动转向架，另一动车组列车[1]转向架为无动力的关节式转向架，其他附挂车的转向架均为无动力的关节式转向架。关节式转向架的支承方式是相邻的两节附挂车的端部共同支承在一个转向架上。

⑤两节动车为一单元，每单元有一个受电弓和司机室，每列动车组由一个单

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元或数个单元组成。

⑥两节动车为一单元，每单元有一个受电弓，动车组两端的单元有司机室，每列动车组可以有多个中间单元，也可没有中间单元。

⑦两节动车为一单元，每单元有一个受电弓，用多个单元作为中间部分，两端挂接设有驾驶台的无动力附挂车。

⑧一节动车和一节附挂车为一单元，由数个单元组成，但两端均为动车。 ⑨两端各为2～3节附挂车，最外端为设有驾驶台的附挂车，中间为5节动车。

上述组成方式中，所有车轴均为驱动轴的全动轴动车组的优点是：粘着性能好；驱动装置平均分摊给各轴，每根动轴的功率可小些,因而轴重轻,有利于高速运行和线路维修保养；转向架形式单一，零部件互换性高；个别驱动装置发生故障时对整列动车组的功率无重大影响。缺点是制造和修理费用较高，功率损耗和噪声都较大。

此外按照动拖比又可以分为（有动力的车轴所承载的车重与无动力的车轴所承载的车重之比称为动拖比。）：列车动拖比小于1:3为动力集中；小于1:1但不小于1:3为弱动力分散；等于和大于1:1为强动力分散。当列车编组中，动力车全部车轴均有动力、每节动力车轴数与非动力车轴数相同且轴重接近的情况下，可以用动力车数量与非动力车节数之比粗略计算动拖比。 这是最常见的动车组分类方式。

1.1.2 国外动车组

频繁的脱轨事故使得动车列车编组只能很小，这大大扼杀了动车编组灵活的优势。一项来自新型电力机车的技术──重联──砸碎了动车发展的枷锁。重联，指用特定手段将兼容机车的联系在一起，由一个司机室操纵。最常见的手段是用一组重联电缆连接多台同系列机车的操控系统或动力系统。动车由电力机车发展而来，产生于电力机车的重联技术也很快用于动车列车。动车列车与无动力车厢混编的列车可以由一个司机全面操控了。从此，动车组诞生了。

时间：1903年7月8日。

地点：德国柏林。

编组：动车+无动力车厢+动车+动车+无动力车厢+动车。

这种无动力车厢不会隔断动车之间的联系，因为它也安装了重联线。与动车相对，这种专门为动车组准备的无动力车厢叫从车，中文翻译为拖车──尽管

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有时候它是被夹着走或者推着走。二战结束，内燃机车也能重联了，内燃动车组出现。 60年代，日本决心新建高速客运铁路网，于是有了世界上首列运营用高速动车组──新干线-0系。 70年代，法国试制了燃气轮机高速动车组──TGV-0。 80年代，高速铁路网在欧洲延伸，风驰电掣的各系TGV以300公里每小时的速度成为法国人的骄傲。然而在大多数场合，动车组担负的都是市内、市郊、城际通勤任务。大多数轻轨、地铁以及国外大多数城际列车都是动车组。高速列车在动车组中只占很小比例。 引用一份来自网络的统计， 世界各国/地区的铁路系统中，使用动车/动车组最大的为日本，占87%；荷兰、英国次之，分别占83%和61%；法国、德国又次之，分别占22%和12%。

1964年10月，日本先于其他国家开通了世界第一条高速铁路--东海道新干线(东京--新大阪的高速客运专线)，最高运行时速为210公里。20世纪80年代运行于东京--博多线路上的列车由0系换成100系电动车组。100系电动车组由12辆动车和4辆拖车(其中双层客车两辆)组成，拖车加装了涡流制动，最高时速为230公里。1992年，东日本公司开始开发超高速电动车组，取名为STAR21型电动车组，创意为21世纪用的时速350公里高级豪华列车。

法国高速铁路线上采用的电动车组在牵引动力上的布置与日本不同。日本是动力分散式，而法国是动力集中式，只在列车两端的头车(或与头车相临的客车的一端)装有牵引动力装置。法国第一条铁路线(巴黎东南新干线)于1972年动工，1983年投入运用。运用TGV-PSE电动车组，最高运行时速为270公里。在巴黎东南新干线通车后，法国继续扩大高速铁路线，1990年大西洋新干线(巴黎--勒芒、图尔)正式通车，采用TGV-A电动车组，最高运行时速为300公里。

德国1962年德国研制的“莱茵金子”号客车的构造时速已达160公里，1974年ET403型电动车组的最高运行时速为160公里，1977年提高到时速200公里。1989年，德国开始正式制造第一代ICE高速列车，并于1990年投入使用。在今年8月1日，德国第三代动力分散型高速列车ICE3，正式投入法兰克福--科隆新型高速铁路线的商业运营，最高时速达到300公里。

1.1.3中国动车组

抚顺电铁客车：抚顺电铁是中国最大的地方性准轨电气化铁路网，修建于伪满时期。抚顺电铁客车早期运营编组为M+T+T+T+T+M，属于弱动力分散列车。目前正在运行的主型电铁客车均类似国铁的30/31型客车，头车前脸类似DF4D。由近年，部分列车被重新涂装，前脸安装了“和谐号”三个大字。2009年7月1

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日，抚顺电铁停运。动车组NC3内燃动车组：NC3内燃动车组于1962年从匈牙利进口8组，交付原北京内燃机务段使用，担当北京到天津的客运任务；到1975年5月全部调到兰州铁路局。 1987年全部报废。 和谐号动车组：中国铁路第六次大提速上线运行的动车组名称为“和谐号”。原名CRH系列，CRH 是China Railway High-speed（中国铁路高速）的缩写，目前有CRH1～CRH5几种型号。这些型号分别从日本、德国、法国等国引进先进技术，并消化吸收及国产化，成为“具有我国自主知识产权”的动车组产品系列。

CRH1，庞巴迪-四方-鲍尔（BSP）生产，原型是庞巴迪为瑞典AB提供的Regina。编组形式：2(2M+1T)+(1M+1T)，2M1T为一个单元，其中一个单元减少动车一节，Mc + Tp + M + M +T + M + Tp + Mc。CRH1总功率5300kW，轴功率265kW，共20轴，每个动车4个动轴。 CRH2，南车四方（联合日本财团）生产，原型日本新干线E2-1000。编组形式为，4M+4T，8节编组，基本上是Mc+T+Mc+Tp+M+Tp+M+Tc。 CRH3，北车唐山机车厂（联合西门子）生产，原型ICE3。编组形式为，8M0T。轴功率550kW，全车共16根动轴，平均分布于8辆车上，每车两台转向架，每台转向架均有一根动轴。CRH5，北车长春客车厂（联合阿尔斯通）生产，原型阿尔斯通为芬兰国铁提供的SM3型。编组形式为，(3M+1T)+(2M+2T)，8节编组，基本可以确定分两个单元，Mc+M+Tp+M+T+Tp+M+Mc.

1.2逆变技术的发展过程及现状

1.2.1逆变器的发展过程

1948年，美国西屋电公司（Westinghouse）用汞弧整流器制成了3000Hz的感应加热用逆变器.

1947年，第一只晶体管诞生，固态电力电子学随之诞生。1956年，第一晶闸管问世，标志着电力电子学的诞生，并开始进入传统发展时期。在这个时侯逆变器（逆变）继整流器（顺变）之后开始发展。

首先出现的是SCR电压型变器，1961年，W. McMurray与B. D. Bedford提出了改进型强迫换向式逆变器为当时SCR逆变器的发展奠定了基础。1962年，

A. KerNick提出了“谐波中消除法”，即后来常用的“多重叠加法”，标志着正弦波逆变器的诞生。 1963F.G.Turnbull提出了“消除特定谐波法”，为

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后来的优化PWM法奠定了基础，实现特定的优化目标，如谐波最小、效率最优、转距脉动最小等。20世纪70年代后期，可关断晶闸管GTO、电力晶体管GTR及其模块相继实用化。

20世纪80年代以来，电力电子技术与微电子技术相结合，产生了各高频化的全控开关器件，并得到了迅速发展，如功率场效应管Power MOSFE绝缘门晶体管IGT或IGBT、静电感应晶体管SIT、静电感应晶闸管SITH、场晶闸管MCT，以及MOS晶体管MGT等。这就使电力电子技术由传统发展时进入到高频化时期。在这个时期，具有小型化和高性能特点的新型逆变技术层不穷，特别是脉宽调制波形改善技术得到了飞速的发展。1964年，由A. Schonung和H. Stemmler提出的把通信系统调制技术应用到变技术中的正弦波脉宽调制技术（Sinusoda-PWM，SPWM），由于当时开关器的速度慢而未得到及时推广，直到1975年才由Bristol大学的S .R .Bowes等人将SPWM技术正式应用到逆变技术达到了一个新的高度。此后，各种不同的PWM技术相继出现，如注入三次谐波的PWM、空间向量调制SPM、随机PWM、流滞环PWM等，成为高速开关器件逆变器的主导控制方式。至此，正弦波逆技术的发展已经基本完善。

一般认为，逆变技术的发展可以分成如下三个阶段：

1956-1980年为传统发展阶段，这个阶段的特点是，开关器件以低速器件为主，逆变器的开关频率较低，输出电压波形改善以多重叠加法为主，体积重量大，逆变效率较低，正弦波逆变技术开始出现；

1981-2000年为高频化新技术阶段，这个阶段的特点是，开关器件以高速为主，逆变器的开关频率较高，波形改善以PWM为主，体积重量小，逆变率高，正弦波逆变技术的发展日趋完善；

2000年至今为高效低污染阶段，这个阶段的特点是以逆变器的综合性能为主，低速与高速开关器件并用，多重叠加法与PWM法并用，不再偏向追求高开关器件与高开关频率，高效环保的逆变技术开始出现。

1.2.2国内外对逆变器的研究现状

在当今的PWM逆变器中，输出变压器和交流滤波器的体积重量占主要分。为了减小输出变压器和交流滤波器的体积重量、提高逆变器的功率密度，频化仍然是主要发展方向之一，如提高SPWM逆变器的开关频率、采用交流动用变频器的内高频环（High Frequency Link）等。提高SPWM逆变器开关频可以减小交流滤波器的体积重量，内高频环可以减小变压器的体积重量。但逆器的高频化也

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存在一些问题，如使开关损耗增加、电磁干扰增大。此外，导体集肤效应与邻近效应，电容的ESR及磁元件的寄生参数等问题都需要解决，中最主要的就是开关损耗和电磁干扰问题。解决这些问题最有效的办法有两一个是提高开关器件的速度，二是用谐振或准谐振的方式使逆变器的开关工作软开关状态。这就促使人们对谐振的研究产生了兴趣。

1970年，F. C. Schwarz出了电流谐振技术；1975年，N .O. SOKAL提出了电压谐振技术，这两项技术都用LC与开关器件共同组成一个串联或者并联谐振回路，利用回路在一个开关期中的全谐振使器件工作在零电流转换（并联谐振）或者零电压转换，软开关状态，从而把开关损耗减小到零。这就是最早的软开关方式。这种方虽然有效，但是它不能按照PWM方式工作。20世纪80年代初，美国弗吉尼电子技术中心（VPEC）对谐振技术进行了改进，提出了准谐振变换技术，即LC回路在一个开关周期中的全谐振改成半谐振或者部分谐振，这才使得软开技术与PWM技术的结合成为可能。由此掀起了一场准谐振变换器热，并DC/DC变换器中普遍使用。在此基础上，美国威斯康星（Wisconsin）大学

D.M.Divan教授于1986年提出了直流谐振环软开关逆变技术；次年，O.D.Patter和D.M.Divan教授又提出了伪谐振支路（Pseudo-Resonant Pole）软开关技术，到了电力电子学界的普遍关注。此后，掀起了全球性研究软开关逆变技的热潮。软开关逆变技术研究的最终目的，是实现PWM软开关技术，也就是将软关技术引进到PWM逆变器中，使它既能保持原来PWM调制的优点，又能实软开关工作。为此，必须把LC与开关器件组成一个谐振网络，使PWM逆变只有在开关转换过程中才产生谐振，实现软开关转换，平时则不谐振。

1.3本文主要内容及结构安排

交流传动是电力牵引的发展方向，CRH3动车组牵引逆变器是机车牵引的核心装置，本文中主要完成三电平电压源型逆变器的设计。PWM控制技术是逆变器控制的灵魂，对其综合分析变得相当重要。

本文通过对大量资料的学习及经过导师的指导，对文章的结构安排大致如下:

第一章绪论大致介绍了动车组及逆变技术的相关背景知识；第二章主要完成了对CRH3动车组牵引逆变器主电路设计，即完成了三电平电压源型逆变器的设计；

第三章主要完成对逆变主电路的MATIAB仿真；第四章主要介绍PWM逆变器控制技术，对其的控制算法进行了系统分析；最后对全文进行了总结。

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第二章 CRH3动车组牵引逆变器设计

牵引逆变器可以分成为电压源型逆变器和电流源型逆变器两种，为同步电机供电的大多采用电流源型逆变器，为异步电动机供电的大多采用电压源型逆变器，我国交流传动电力机车和高速动车组全部采用电压源型逆变器。列车工作在牵引状态时作为逆变器，将直流电转变成电压频率变化的三相交流电供给牵引电动机；列车处于再生制动时牵引电动机作为发电机运行，牵引逆变器工作于整流状态，将三相交流电转变成直流电，再由四相限整流器回馈电网。根据输出电压电平数的不同，电压源型牵引逆变器又分为两电平式和三电平式两种拓扑结构。CRH3型动车组多采用三电平式电压源型牵引逆变器。

2.1电压源型逆变器和电流源型逆变器

2.1.1电压源型逆变器和电流源型逆变器的比较

在交-直-交变压变频器中，按照中间直流环节直流电源性质的不同，逆变器可以分为电压源型逆变器和电流源型逆变器两种，两种类型的实质区别在于直流环节采用怎样的滤波器。

图2-1 电压源型逆变器和电流源型逆变器拓扑结构图

从电路的结构上看，CSI和VSI有一定的对偶关系，这首先体现在二者的直流环节上。CSI的直流环节串有大电感，直流环节电流不能突变，呈现电流源特性。在电机拖动中应用的CSI通常采用电流闭环的可控整流器，维持直流环节电流的稳定。而对于VSI，采用更简单的不可控整流器就能获得稳定的直流电压源。相比较而言，这是CSI应用的一个弱点。但在滤波器环节却相差较大。

两类逆变器在主电路上虽然只是滤波环节的不同，但在性能上却来了明显的差异，主要表现在以下方面[]

（1）无功能量的缓冲。

在调速系统中，逆变器的负载是异步电动机，属感性负载。在中间直流环

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节与负载电动机之间，除了有功功率的传送外，还存在着无功功率的交换。滤波器出滤波外，还起着对无功功率的缓冲作用，使他不致影响到交流电网。

（2）能量的回馈。

用电流源型逆变器给异步电动机供电的电流源型变压变频调速系统有一个显著的特征，就是容易实现能量的回馈，从而便于四相限运行，适用于需要回馈制动和经常正反转的机械。

（3）动态响应。

正由于交-直-交电流源型变压变频调速系统的直流电压极性可以迅速改变，所以动态响应比较快。

（4）应运场合。

电压源型逆变器属恒压源，电压控制响应慢，不一波动，适于做多台电动机同步运行时的供电电源。而电流源型逆变器则可以满足快速起制动和可逆运行的要求。

2.1.2 电压源型牵引逆变器特点

理想的逆变器，从直流变到交流的功率总是一定的，没有脉动，直流电压波形和电流波形中也不应该产生脉动。但在逆变器的实际电路中，因为逆变器的脉动数等有限制，因而逆变器功率P是脉动的。当逆变器的逆变功率P的脉动波形由直流电流来体现时，就称之为电压源型逆变器，其直流电源即为恒压源。电压源型逆变器的特点是：

（1）逆变器直流电源侧有较大的直流滤波电容；

（2）当负载功率因数变化时，交流输出电压的波形不变，即交流输出电压的波形与负载无关。交流输出电压的波形，通过逆变开关的动作被直流电源电容dc上的电压钳位成方波；

（3）在逆变器中，与逆变开关并联有反馈二极管，交流电压与负载无关，是方波；

（4）输出电流的相位随着负载功率因数的变化而变化，换流是在同桥臂开关管之间进行的；

（5）可以通过控制输出电压的幅值和波形来控制其输出电压。

2.2三电平电压源型牵引逆变器主电路设计

2.2.1 CRH3技术参数

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CRH3型动车组多采用三电平式电压源型牵引逆变器。CRH3型动车组为8辆编组的动力分散交流传动电动车组，4动4拖，其中相邻的两辆动车为一个基本动力单元，每个动力单元具有独立的牵引传动系统，，主要由1台主变压器、2台牵引变流器和8台牵引电机等组成。牵引变压器原边额定电压为单相交流25 kV／50 Hz，副边为l 550 V／50 Hz。牵引变流器输入侧为四象限脉冲整流器(4QC)，2个4QC并联为一个共同的DC连接供电，中间电容区部分存储能量，输出平滑的直流电压。输出端为一个PWM逆变器，将DC连接电压转换成牵引系统所要求的变压变频I相电源驱动4个并联的异步牵引电机。列车工作在牵引状态时作为逆变器，将直流电转变成电压频率变化的三相交流电供给牵引电动机；列车处于再生制动时牵引电动机作为发电机运行，牵引逆变器工作于整流状态，将三相交流电转变成直流电，再由四相限整流器回馈电网。

编组方式：8辆编组，可两编组连挂运行；

动力配置：8M+0T 车；

牵引功率：800kw；

车体型式：大型中空型铝合金车体；

转向架：H型无摇枕、转臂式定位、空气弹簧；

轴重：≤17t 受流电压制式：AC25kV，50Hz；

制动方式：直通式电空制动+两生制动；

辅助供电制式：3相440V 80Hz，DC110V。

CRH3牵引变流器为电压源型逆变器，主要2个四象限斩波器 (4QC)，一个带有串联谐振电路的中间电压电路，过电压限阻 (MUB)和一个脉冲宽度调制变换器 (PWMI)组成。牵引变流器交流输入的线路断路器 (NTS)是由 TCU控制的并且连接牵引变流器与变压器次级。牵引变流器的中间电路必须在线路断路器接通之前预先充电。如果牵引变流器出现故障，可以通过断开线路断路器，通过线路接触器把牵引变流器与主变压器隔离。牵引变流器模块化设计为了实现四象限运行，输入端使用两个桥臂模块，电机侧逆变器为了脉宽调制运行，使用 3个桥臂模块。主要技术参数：

额定输入功率／kW 2× 1 430

额定输入电压／V 2× 1AC 1 550

额定输入频率／Hz 50

额定输出功率／MW 2．37

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额定输出电压范围／V 3 AC 0—2800

额定输出频率范围／Hz 0～200

2.2.2逆变电路IGBT的选择

逆变电路的作用是在控制电路的作用下，将直流电路输出的直流电源转换成频率和电压都可以任意调节的交流电源。逆变电路的输出就是变频器的输出，所以逆变电路是变频器的核心电路之一，起着非常重要的作用。 最常见的逆变电路结构形式是利用六个功率开关器件（GTR、IGBT、GTO等）组成的三相桥式逆变电路，有规律的控制逆变器中功率开关器件的导通与关断，可以得到任意频率的三相交流输出。

逆变电路中都设置有续流电路。续流电路的功能是当频率下降时，异步电动机的同步转速也随之下降。为异步电动机的再生电能反馈至直流电路提供通道。在逆变过程中，寄生电感释放能量提供通道。另外，当位于同一桥臂上的两个开关，同时处于开通状态时将会出现短路现象，并烧毁换流器件。所以在实际的通用变频器中还设有缓冲电路等各种相应的辅助电路，以保证电路的正常工作和在发生意外情况时，对换流器件进行保护 .

在逆变器中，我们选择的开关器件为IGBT。绝缘栅双极型晶体管IGBT是由MOSFET和双极型晶体管复合而成的一种器件，其输入极为MOSFET，输出极为PNP晶体管，因此，可以把其看作是MOS输入的达林顿管。它融和了这两种器件的优点，既具有MOSFET器件驱动简单和快速的优点，又具有双极型器件容量大的优点，因而，在现代电力电子技术中得到了越来越广泛的应用。由图2一2可知，若在IGBT的栅极和发射极之间加上驱动正电压，则MOSFET导通，这样PNP晶体管的集电极与基极之间成低阻状态而使得晶体管导通;若IGBT的栅极和发射极之间电压为OV，则MOSFET截止，切断PNP晶体管基极电流的供给，使得晶体管截止。

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根据电路的电流电压参数选定逆变电路中使用EUPEC公司的IGBT模块：FS400R12KF4 （400A/1200V/6U）型号的IGBT。FS400R12KF4 是欧派克超大功率IGBT，采用HIM 190mm封装形式，6单元的IGBT模块。

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2.2.3IGBT缓冲电路设计

电力电子器件工作于高频开关状态 开关过程中电压电流变化率极大，容易造成过电压 ，过电流并增大开关损耗缓冲电路是器件安全运行的重要环节，其作用主要是减小开关过程应力即抑制电压变化率、电流变化率，改变器件的开关轨迹 ，使器件工作于安全工作区内避免过电压 、过电流损坏 ，减小器件的开关损耗 。

IGBT关断过程是开关管最易损坏的时间，要使基极反向电流要大，以便使存储时间减少。但基极反向电流过大可能导致基---发结击穿，使IGBT损坏。有二个方法可防止这种情况的发生：一是在集电极--发射极电压V处于低值时，关断IGBT；二是IGBT关断时，集电极电压上升的同时，较快地减少集电极电流。两种方法择一即可，在这里采用第二种方法，即在单臂IGBT上并联RCD缓冲电路，同时并联一个电容C组成缓冲电路，如右所示。其工作原路是：当IGBT1关断时，电容C1通过二极管D7被充电到（Vc VD7）。这样集电极电流有了分路，集电极电流能较快地减小。当IGBT1导通时，C1通过电阻R1和IGBT1放电，此缓冲回路可抑制开关浪涌电压。

图2-3 缓冲电路

缓冲电路的基本设计方法如下:

缓冲电容可由下式求得:

ICICVCE(tr tf)2 12（2-4） CVCE 2式中:

-----IGBT最大集电极电流（A） ------IGBT的最大集电极—发射极电压（V）;

VCE

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tr--------最大的集电极电压上升时间;

tf---------最大的集电极电压下降时间。 解得电容C的算术表达式为： C1 IC(tr tf)VCE 用美国CDE无感电容0.47μF1200V 。

电路中的电阻R1的要求是使将IGBT在关断信号到来之前，将缓冲电容所积蓄的电荷放净，其阻不易过大，如果R1太大，导致放电时间过长。但R1太小，在器件导通时，R1C1放电电流过大、过快，可能危及器件的安全，也可能引起震荡，IGBT开通时的集电极电流初始值将会增大。据上述,IGBT1关断时C充电,IGBT1开通时,充电的C1经R1和IGBT1放电，电容器两端的电压为：

vc VCe tONRC （2-5）

tON

RC为了承担IGBT1关断时全部的充电电压，选RC值使e=1，从而vc VC。

同样，选择RC，使电容在每次导通时间tON中，可放完电。假设3倍时间常数可以放完，则：

3RC=tON （tON=0.7μs）

R tON

3C=0.7 10 6 63 0.33 10=0.71Ω[6] （2-6）

2缓冲电阻产生的损耗P(R) s12C1VCEf= 0.33 10 6 12002 50=11.88W 21

电阻选用 R=1.0Ω，P(R)=16W的无感电阻。 s缓冲电路中二极管的选用：缓冲二极管过渡时正向电压降减小是关断时尖峰电压产生的主要原因只一。另外，缓冲二极管逆向恢复时间直接影响到缓冲吸收电路的开关损耗，因此，应该选择过渡正向电压低，逆向恢复时间短，理想恢复特性较软的二极管，缓冲吸收回路也应直接连接到IGBT相应的端子上。选择超快恢复二极管，这里选择的二极管型号为MUR8100.

2.2.4 IGBT驱动电路设计

驱动电路是将主控电路中CPU产生的六个PWM信号，经光电隔离和放大后，作为逆变电路的换流器件（逆变模块）提供驱动信号。 对驱动电路的各种

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要求，因换流器件的不同而异。有些品牌、型号的变频器直接采用专用驱动模块。但是，大部分的变频器采用驱动电路。从修理的角度考虑，这里介绍较典型的驱动电路。图2.4是较常见的驱动电路。驱动电路由隔离放大电路、驱动放大电路和驱动电路电源组成。三个上桥臂驱动电路是三个独立驱动电源电路，三个下桥臂驱动电路是一个公共的驱动电源电路。

图2.4驱动电路

IGBT常用的驱动模块有TLP250，以及EXB841/840系列的驱动模块。但在动车组的研制过程中发现，由于车载逆变器常常工作在大功率或超大功率的状态中，而处在这种状态下的IGBT瞬时驱动电流大，要求可靠性要高，使得传统的驱动电路已经不能满足其使用要求，经过研究分析，选用瑞士CONCEPT公司生产的用于驱动和保护IGBT或功率MOSFET的专用集成驱动模块2SD315A作为FF800R12KF4（800A/1200V/2U）型号 IGBT的驱动器件。该驱动器集成了智能驱动、自检、状态反馈、DC/AC电源及控制部分与功率部分完全隔离等功能于一体。此外，具有完善的对于电源、电流的状态监测从而实现对于模块以及功率开关管的保护；该驱动模块分为接口单元、电气隔离、驱动单元等几个部分，每个驱动通道都把控制回路和主功率回路进行了电气隔离。

IGBT的驱动要求与其静态和动态特性密切相关，即栅极的正偏压、负偏压和栅极电阻的大小，对IGBT的通态电压、开关时间、开关损耗、承受短路能力、开关管C、E极间电压的变换率等都有不同程度的影响。其开关作用是通过加正向栅极电压形成沟道，给PNP晶体管提供基极电流，使IGBT导通。反之，加反向栅极电压消除沟道，流过反向基极电流，使IGBT关断。根据这样的特性，针对它的驱

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动电路应该满足：

IGBT是电压型驱动，具有2.5～5V的阈值电压，有一个容性输入阻抗，因此，IGBT对栅极电荷非常敏感，需要有一条低阻抗值的放电回路，即驱动电路与IGBT的连线要尽量短。

用内阻小的驱动源对栅极电容充放电，以保证栅极控制电压Vge有足够陡的前后沿，使IGBT的开关损耗尽量小。另外，IGBT开通后，栅极驱动源应能够提供足够的功率使IGBT处于饱和状态，否则IGBT容易遭到损坏。

当驱动电平+Vge增大时，IGBT通态压降和开关损耗均下降，但负载短路时的Ic增大，IGBT能承受短路电流的时间减小，对其安全不利。

在关断过程中，为尽快抽取PNP管的存储电荷，须施加一负偏Vge，但它受IGBT的G、E间最大反向耐压限制。

IGBT的栅极驱动电路应简单实用，最好自身带有对IGBT的保护功能，有较强的抗干扰能力。由于IGBT在电力电子设备中多用于高压场合，故驱动电路与控制电路在电位上应严格隔离。

IGBT驱动电路的关键是驱动保护电路设计，良好的驱动电路必须保证IGBT的开关损耗量尽可能小。在IGBT承受短路电流时，如能实现可靠关断，则可以保护IGBT。

2.2.5 保护电路及开关电源电路

当逆变器出现异常时，为了使逆变器因异常造成的损失减少到最小，甚至减少到零。每个品牌的逆变器都很重视保护功能。 形成了逆变器保护电路的多样性和复杂性。有常规的检测保护电路，软件综合保护功能。有些逆变器的驱动电路模块、智能功率模块、整流逆变组合模块等，内部都具有保护功能。 而较

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典型的过流检测保护电路主要由电流取样、信号隔离放大、信号放大输出三部分组成。

开关电源电路向操作面板、主控板、驱动电路及风机等电路提供低压电源。常见的由如富士G11型开关电源电路，它的直流高压P端加到高频脉冲变压器初级端，开关调整管串接脉冲变压器另一个初级端后，再接到直流高压N端。开关管周期性地导通、截止，使初级直流电压换成矩形波。由脉冲变压器耦合到次级，再经整流滤波后，获得相应的直流输出电压。它又对输出电压取样比较，去控制脉冲调宽电路，以改变脉冲宽度的方式，使输出电压稳定。

2.3三电平牵引逆变器的结构与工作原理 主电路是交一直一交电压源型，采用不可控的二极管整流桥，大电容滤波，采用大功率晶体管IGBT作为输出SPWM波形的开关器件。目前的大功率开关器件都是以集成的大功率场效应管IGBT为主流，另外系统中设置了保护电路，包括过压、过流的保护等。

该主电路由二极管三相整流桥向电压型逆变器提供恒定的直流电压，变频器的变压、变频均在逆变器内进行。逆变器由六只IGBT管组成三相桥式逆变电路，并辅以吸收电路构成。平波电容器C起中间能量存储作用，使逆变器与交流电网去耦，并可以向电机提供无功功率。由于二极管整流器不能为异步电机的再生制动提供反向电流的途径，所以一般都用电阻吸收制动能量。制动时，异步电机进入发电状态，首先通过IGBT两端并联的续流二极管D向电容C充电，当中间直流回路电压升高到一定限制值时，通过电压限制电路将电机释放的动能消耗在制动电阻R上。

三相交流负载需要三相逆变器，在三相逆变电路中，应用最广的是三相桥式逆变电路。采用IGBT作为可控元件的电压型三相逆变电路如图2-6所示，可以看出电路由三个半桥组成。

电压型三相逆变桥的基本工作方式与单相逆变桥相同，也是

即每个桥臂的导电角度为

始导电的时间依次相差18001800导电方式，0，同一相(同一半桥)上下两个臂交替导电，各相开180。这样，在任一瞬间，将有三个桥臂同时导通。可能

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是上面一个臂，下面两个臂，也可能是上面两个臂下面一个臂同时导通。因为每次换流都是在同一相上下两个桥臂之间进行的，因此，也被称为纵向换流。

图2-5 单相桥式PWM逆变电路

图2-6三电平式牵引逆变器主电路

用T记为周期，只要注意三相之间互隔T／3(T是周期)就可以了，即B相比A相滞后T／3，C相又比B相滞后T／3。逆变器上有6个IGBT原件和6个续流二极管D，分布在三条桥壁上组成逆变电路，IGBT在这里作为开关元件，是由一个正弦波参考信号UR与一个三角波载频信号Uc相比较产生的脉冲控制其通断的。设交流器

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U相桥臂，在UR0的一个周期内，当UR0 Uc时，产生脉冲Ug0，开通IGBT1，即得UON UO（以电机星点为“0”点）；当UR0 Uc时，产生脉冲Ux0，开通IGBT4，得UON UO，这样就产生了一组在±U0间交变的矩形电压波。由于载频信号

U0等腰三角波的两腰为线性变化，它与光滑的正弦参考波相比较，得到的脉冲

宽度也是正弦变化的，用此脉冲开通IGBT1、IGBT4输出的电压无疑是按正弦变

化的矩形波，等效于正弦波。在UR0的正半波，由于Ug0宽度远大于Ux0的宽度，所以此时U相桥输出电压为正值，等效于正弦波正值部分，在UR0的负半波，输

出电压刚好相反，等效于正弦波负值部分。可见，输出电压的频率由UR0的频率决定，改变UR0的周期就能使输出电压频率获得改变。在保证UR0的幅值小于U0幅值的前提下，当增大UR0的幅值时，Ug0在UR0的正半波，Ux0在UR0的负半波分别增宽，则U相输出电压值增加，因此，仅改变UR0的幅值就能改变输出电压

的数值。所以，该变流器具有调频调压的特性。将U相桥输出电压加到牵引电机U相绕组上，当IGBT1导通时，电源正极接U相绕组，则该绕组电流I0上升，当IGBT1截止时，由于感性负载电流不能突断，必要经D4由电源负极续流，此时电压为

负，I0下降。如此循环，形成一带有锯齿的正弦波电流。至于V相，W相桥臂输出

电压，电流与U相相同，只在时间上相差120度，这样就行成了三相对称的交变电压和电流。

下面来分析电压型三相桥式逆变电路的工作波形。

UAO 对于A相输出来说，当桥臂l导通时，12Ud （2-7）

通， UA0 12Ud 当

（2-8） 桥臂4导

因此，UA0的波形是幅值为Ud的矩形波。B，C两相的情况和A相类似，UBO,UCO21

的波形形状和UAO相同，只是相位依次相差120。三相逆变电路输出电压波形如0

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图示：

图2-7三相逆变电路输出电压波形

2.4 本章小结

通过对大量资料的学习，本章主要完成了对CRH3动车组牵引逆变器的设计，即三电平式电压源型牵逆变器的设计。概述了电压源型牵引逆变器特点，并且对电压源型逆变器和电流源型逆变器进行了比较；对逆变电路IGBT的选择，完成了IGBT驱动电路及缓冲电路设计；

为之后的逆变器主电路仿真分析做好了准备。

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第三章 逆变器主电路仿真分析

3.1MATLAB简介

随着大功率全控型电力电子器件(如 GTO、IGBT、MOSFET、IGCT等)的开发成功和应用技术的不断成熟 ,近年来电能变换技术出现了突破性进展 ,各种新型逆变器已开始在各类直流电源、UPS、交流电机变频调速、高压直流输电系统等领域中得到应用 ,并使得有源电力滤波器(APF) 、静止无功发生器SVG)以及各种灵活交流输电系统(FACTS) 和配电系统 FACTS(DFACTS)中各种装置的研制成为可能。由于大功率电力电子装置的结构非常复杂 ,若直接对装置进行试验 ,代价高且费时费力 ，故在研制过程中需要借助计算机仿真技术 ，对装置的运行机理与特性、控制方法的有效性进行验证 ，以预测并解决问题 ，缩短研制时间。

在通用计算机仿真软件中，MATHWORKS公司的MATLAB软件使用最为方便。MATLAB能工作在多种平台上，它的SIMULINK工具箱是一种优秀的仿真软件，具有模块化、可重载、可封装、面向结构图编程、以及高度可视化等特点。SIMULINK最为显著的特点是，具有控制系统模型图形组态输入与仿真功能。即只需在图形窗口画出所需分析与设计的控制系统方框图，软件本身就能对模型系统进行线性化处理与仿真。这一特点使得一个非常复杂系统的仿真建模变得相当容易，为一般通用仿真软件所不具有的。目前，MATLAB己经成为在控制界最流的应用软件。 MATLAB/SIMULINK具有开放的编程环境，它允许用户开发自己所需的模型，通过成组封装扩充现有的模型库。要建立自己的模型，主要有如下三种方法:

1、用现有模型组合成新的自定义功能模型；

2、使用MATLAB FUNCTION模型调用MATLAB函数，构造形如y=f(x)的函数，其功能十分有限；

3、通过S-FUNCTION模板构造新功能模块，即通过MATLAB或C语言程序设计出可实现所需功能的新功能模块。

MATLAB 软件具有强大的数值计算功能 ,方便直观的SIMULINK 建模环境 ,其 PSB(电力系统模块库)中有丰富的各类电气元件模块 ,尤其是 MAT2LAB6.5 版的推出 ,PSB 中包括了常用的电力电子器件模型、三相桥电路模型、PWM 脉冲发生器模块、FFT(快速傅里叶变换)模块以及各种离散测量与控制算法模块 ,使复杂电力电子装置的建模与仿真成为可能。本文利用 MATLAB/ PSB 为一个三相三电平PWM(脉宽调制)逆变器建立系统仿真模型 ,并对其输出特性进行仿真分

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析。

3.2 PWM逆变器主电路仿真分析

3.2.1三电平电压型逆变器的基本原理

图3-1是一个三电平电压型单相桥逆变器原理电路。直流侧为储能电容；VT1～VT4 为主功率开关器件 GTO；各主功率开关器件旁反并联有续流二极管 ,为感性负载电流提供反馈能量至直流侧的无功通路；另外 ,接有中点钳位二极管.中点钳位二极管与续流二极管一起将输出端电位钳至直流电源中点电位。 这是一个三电平逆变器电路 ,通过控制VT1、VT2、VT3、VT4 的开通与关断 ,可以使桥臂中点输出有三个电平 ,即 + E/2、0、- E/2。多电平技术(如三电平、五电平、七电平)就是由使逆变器输出几个电平台阶合成阶梯波以逼近正弦波输出，这样可以有效地减少输出电压中的谐波含量，改善输出特性同时降低了功率开关器件的电压定额在各种应用中 ,对逆变器的输出特性有严格要求 ,除要求频率可变、电压可调外 ,还要求电压基波尽可能大 ,谐波含量尽可能小。上述的多电平结构就是改善逆变器输出特性的一种方法。改善逆变器输出特性更有效的方法是采用脉宽调制(PWM)技术。

PWM 型逆变器是使用自关断器件作高频通断的开关控制 ,将逆变器的台阶电压输出变为等幅不等宽的脉冲电压输出 ,并通过调制控制消除输出电压的较低次谐波 ,只剩幅值很小、易于抑制的较高次谐波。 PWM 有各种调制方法 ,按照输出电压脉冲宽度变化规律有等脉宽调制和正弦脉宽调制(SPWM)。SPWM 又有同步调制与异步调制 ,同步调制是使三角形载波频率随正弦调制波频率成比例变化 ,在任何输出频率下都保持每半个周期内的输出脉冲数不变。

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