三相逆变器系列（一）：看懂三相全桥拓扑

三相逆变器系列（一）：看懂三相全桥拓扑

本文是"三相逆变器：从六个开关到电机与电网控制"系列的第 1 篇。系列面向已经具备 MCU、PWM、ADC 和中断基础，但尚未系统学习电力电子的嵌入式工程师。

这个系列要讲什么？

三相逆变器看起来像"六个 MOSFET 加几路 PWM"，但真正掌握它，需要把四件事连起来：

1. 功率拓扑：六个开关如何连接，电流如何流动；
2. 调制方法：如何把离散开关变成近似正弦的三相电压；
3. 坐标变换：如何把三相交流量变成便于控制的直流量；
4. 闭环控制：如何实现电流控制、电压控制、并网和电机 FOC。

后续文章将依次介绍三相逆变原理、SPWM、Clarke/Park 变换、dq 坐标系、SVPWM、电流闭环、电压闭环、PLL、并网控制、FOC，以及 STM32/DSP 上的数字实现。

阅读前提

读者最好已经了解：

• 基本电路定律和复数/正弦量；
• PWM 占空比、定时器和中断；
• ADC 采样和定点/浮点计算；
• C 语言和基本嵌入式调试。

不要求事先学过电机学或电力电子。涉及的数学会从定义开始给出。

安全提示：文中公式用于理解和仿真。高压直流母线和电机功率级具有致命危险，实际硬件必须具备隔离、预充电、母线放电、硬件过流关断、栅极驱动保护和合规的实验条件。

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一、为什么需要三相逆变器？

电池、整流器和光伏系统提供的是直流电，而电机、电网和许多工业负载需要三相交流电。三相逆变器完成的任务可以写成：

\\text{直流电压} \\rightarrow \\text{三相交流电压}

最常见的形式是"两电平三相电压型逆变器"（Two-Level Three-Phase Voltage Source Inverter，2L-VSI）。

二、三相全桥由什么组成？

它由三个半桥组成，每个半桥负责一相：

                 DC+
                  |
          ┌───────┼───────┬───────┐
          │       │       │       │
         QAH     QBH     QCH   上桥臂开关
          │       │       │
          A       B       C       三相输出
          │       │       │
         QAL     QBL     QCL   下桥臂开关
          │       │       │       │
          └───────┼───────┴───────┘
                  |
                 DC-

每个桥臂有上、下两个功率开关，所以三相全桥共有六个开关。器件可以使用 MOSFET、IGBT、SiC MOSFET 或 GaN 器件。由于负载通常带电感，每个器件还必须考虑反并联二极管的续流路径。

三、一个桥臂如何输出电压？

以 A 相为例：

        DC+
         |
        QAH
         |
         A
         |
        QAL
         |
        DC-

理想状态下，上管开通、下管关断时，A 点接近 DC+；下管开通、上管关断时，A 点接近 DC−。

设直流母线电压为 (V_{dc})，直流中点为 N，定义：

S_a=1\\quad\\text{表示上管导通}

S_a=0\\quad\\text{表示下管导通}

那么桥臂电压为：

v_{aN}=\\left(2S_a-1\\right)\\frac{V_{dc}}{2}

也就是说，一个桥臂只能输出两个理想电平：+Vdc/2 或 −Vdc/2。B、C 两相使用完全相同的关系式。

四、为什么必须设置死区？

上下管不能同时导通。否则直流母线会被直接短接，这种故障称为桥臂直通（shoot-through）。

实际控制时需要在互补 PWM 之间插入死区：

上管关断 → 等待死区 → 下管导通
下管关断 → 等待死区 → 上管导通

死区太短，存在直通风险；死区太长，则会产生输出电压误差和电流畸变。工程取值必须依据功率器件和栅极驱动器的关断特性确定。

五、三相全桥有八种开关状态

三个桥臂分别有 0、1 两种状态，因此总数是：

2\^3=8

状态写作 ((S_a,S_b,S_c))：

000  001  010  011  100  101  110  111

000 和 111 是两个零状态；其余六个状态产生六种不同的有功电压状态。后续学习空间矢量时，会看到这六个状态对应六个方向。

这里最重要的认识是：

逆变器不是直接产生连续的正弦电压，而是在有限个离散开关状态之间高速切换。

SPWM 和 SVPWM 的任务，就是安排这些状态的持续时间，使负载得到期望的平均电压。

六、桥臂电压、线电压与相电压

三者不能混为一谈。

桥臂电压例如 (v_{aN})，表示 A 点相对于直流中点 N 的电压。

线电压例如：

v_{ab}=v_{aN}-v_{bN}

负载相电压则是 A 点相对于负载中性点 n 的电压：

v_{an}=v_{aN}-v_{nN}

当负载中性点悬浮时，n 点电位会变化。理想三相三线系统中：

v_{nN}=\\frac{v_{aN}+v_{bN}+v_{cN}}{3}

因此，负载相电压通常不等于单个桥臂电压。

一个数值例子

若 (V_{dc}=400\text{ V})，开关状态为 100，则：

v_{aN}=+200\\text{ V},\\quad v_{bN}=-200\\text{ V},\\quad v_{cN}=-200\\text{ V}

线电压为：

v_{ab}=400\\text{ V},\\quad v_{bc}=0,\\quad v_{ca}=-400\\text{ V}

七、为什么电流相对平滑？

电机绕组和并网电感都具有电感。电感关系式为：

v=L\\frac{di}{dt}

因此开关产生的电压可以快速跳变，而电流不能瞬间跳变。开关关断后，电流会经由其他开关或反并联二极管续流。

可以把系统记成一句话：

逆变器切换电压，电感平滑电流。

这为下一步的电流闭环控制奠定了基础。

八、它如何映射到 STM32 或 DSP？

典型 MCU 外设分工如下：

功率级功能	MCU 功能
三个桥臂	三个互补 PWM 通道
防止上下管直通	定时器死区配置
过流快速关断	Break 输入/硬件比较器
采样电机或电网电流	ADC 同步触发
更新三相占空比	定时器更新事件或 DMA
发生故障时停机	硬件关断优先

STM32 常用 TIM1 或 TIM8 产生三相互补 PWM。中心对齐模式便于在 PWM 中点采样，降低开关噪声对 ADC 的影响，也便于对称更新占空比。

九、本篇总结

• 三相全桥由三个半桥和六个功率开关组成；
• 单个桥臂只有两个理想输出电平；
• 三个桥臂共有八种开关状态；
• 上下管必须互补，并且要插入死区；
• 需要区分桥臂电压、线电压和负载相电压；
• 电感负载保证电流连续，并通过开关或二极管续流；
• MCU 不只是输出 PWM，还必须负责同步采样和硬件保护。

十、下一篇预告：三相逆变原理

本篇解决了"六个开关怎样连接、每种状态产生什么电压"。下一篇将进一步解决：

怎样选择和安排这些开关状态，合成所需要的三相交流电压？

这会自然引出电压平均值、三相正弦参考波以及 SPWM 的基本思想。

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如果你能回答下面三个问题，就已经掌握了本篇的核心：

1. 状态 110 时，三个桥臂电压分别是多少？
2. 死区时间解决了什么问题？
3. 为什么电感电流不会随着 PWM 电压瞬间跳变？