高壓變頻器
發(fā)布時間：2009-09-22 來源：揚(yáng)子工具集團(tuán) 瀏覽次數(shù):40520GTO-PWM 式電流源型變頻器采用GTO 作為逆變部分功率器件，見圖5。GTO 可以通
過門極進(jìn)行關(guān)斷，所以它不象晶閘管那樣需要用于強(qiáng)迫關(guān)斷的換流電路，可使主電路
結(jié)構(gòu)簡化。對于額定電壓為交流6KV 的變頻器，逆變器側(cè)可采用每三個6000V 的GTO
串聯(lián)，作為一個開關(guān)使用，一共由18 個GTO 組成，GTO 串聯(lián)時，同樣存在穩(wěn)態(tài)和動態(tài)
均壓問題。
圖5 GTO-PWM 式電流源型變頻器
GTO 是在晶閘管基礎(chǔ)上發(fā)展起來的全控型電力電子器件，目前的電壓電流等級可
達(dá)6000V，6000A。GTO 開關(guān)速度較低，損耗大，需要龐大的緩沖電路和門極驅(qū)動電
路，增加系統(tǒng)的復(fù)雜性和成本，使其應(yīng)用受到限制。GTO 中數(shù)千只獨(dú)立的開關(guān)單元做
在一個硅片上，由于開關(guān)不均勻，需要緩沖電路來維持工作，以限制器件承受的
dv/dt，緩沖電路一般采用RCD 型結(jié)構(gòu)，二極管和電容必須有與GTO 相同的耐壓等級，
二極管要求用快恢復(fù)二極管。緩沖電路的損耗產(chǎn)生熱量，影響器件的可靠運(yùn)行，并且
影響變頻器的效率。為了降低損耗，也有采取能量回饋型緩沖電路的方案，通過
DC/DC 變換電路把緩沖電容中儲存的能量返回到中間直流環(huán)節(jié)，但增加了裝置的復(fù)雜
性。GTO 的開關(guān)頻率較低，一般在幾百赫茲，比如300HZ。
以6000V，3000A(最大可關(guān)斷陽極電流值)的GTO 為例，通態(tài)平均電流為1030A，
通態(tài)壓降3.5V，門極開通觸發(fā)電流1A，通態(tài)陽極電流上升率400A/us(f=200HZ 條件
下)，滯后時間2.5us，上升時間5us，存儲時間25us，下降時間3us，最小通態(tài)維持
時間100us，最小斷態(tài)維持時間100us，開通每脈沖能耗2.5Ws，關(guān)斷每脈沖能耗
16Ws。GTO 的門極驅(qū)動，除了需要晶閘管一樣的導(dǎo)通觸發(fā)脈沖外，還需要提供相當(dāng)大
的的反向關(guān)斷電流，上述GTO 的門極峰值關(guān)斷電流就達(dá)900A，所以GTO 的門極驅(qū)動峰
值功率非常大。
與輸出濾波器換相式電流源型變頻器相比，GTO-PWM 式電流源型變頻器輸出濾波
電容的容量可以大大降低，但不能省去。因?yàn)殡姍C(jī)可近看作漏電感再加一個旋轉(zhuǎn)反電
勢組成。電流源型變頻器的輸出電流幅值是由整流電路的電流環(huán)決定的。在換流過程
中，由于流過電機(jī)電感的電流不能突變，所以必須有電容緩沖變頻器輸出電流和電機(jī)
繞組電流的差值。電容容量的選擇取決于換流過程中允許產(chǎn)生尖峰電壓的大小。由于
輸出電容的容量比起輸出濾波器換相式電流源型變頻器大大下降了,電容的濾波效果也
跟著下降，輸出電流波形的質(zhì)量也會下降。電機(jī)電流質(zhì)量的提高可以通過GTO 采用諧
波消除的電流PWM 開關(guān)模式來實(shí)現(xiàn)。在低頻時，輸出電流每個周期內(nèi)相應(yīng)的PWM 波形
個數(shù)較多，諧波消除會比較有效。但是，由于受到GTO 開關(guān)頻率的限制，高速時諧波
消除效果大大下降，圖6 為該變頻器滿載時輸出電壓電流波形。若整流電路也采用
GTO 作電流PWM 控制，可以得到較低的輸入諧波電流和較高的輸入功率因數(shù)，當(dāng)然系
統(tǒng)的復(fù)雜性和成本也會相應(yīng)增加，一般很少采用。
圖6 GTO-PWM 電流源型變頻器輸出波形
2 三電平PWM 電壓源型變頻器
在PWM 電壓源型變頻器中，當(dāng)輸出電壓較高時，為了避免器件串聯(lián)引起的動態(tài)均
壓問題，同時降低輸出諧波和dv/dt，逆變器部分可以采用三電平方式，也稱
NPC(Netural Point Clamped 中心點(diǎn)箝位)方式，如圖7。逆變部分功率器件可采用
GTO，IGBT 或IGCT。
圖7 三電平逆變器主電路結(jié)構(gòu)
IGBT 廣泛應(yīng)用在各種電壓源型PWM 變頻器中，具有開關(guān)快，損耗小，緩沖及門極
驅(qū)動電路簡單等優(yōu)點(diǎn)，但電壓電流等級受到導(dǎo)通壓降限制。IGBT 目前做到3300V，
1200A。3300V 的IGBT 組成三電平變頻器，輸出交流電壓最高為2.3KV，若要求更高等
級輸出電壓，必須采取器件直接串聯(lián)，比如用2 個3300V 的IGBT 串聯(lián)作為一個開關(guān)使
用，一共使用24 個3300V 的IGBT，組成三電平變頻器，可做成4160V 輸出電壓等級
的變頻器。器件直接串聯(lián)就帶來穩(wěn)態(tài)和動態(tài)的均壓問題，這樣就失去了三電平變頻器
本身不存在動態(tài)均壓問題的優(yōu)點(diǎn)，所以一般很少采用。
以3300V，1200A 的IGBT 模塊為例，其飽和壓降為3.4V 左右，開通延遲時間
370ns，上升時間250ns，關(guān)斷延遲時間1550ns，下降時間200ns，開通每脈沖損耗
2880mWs，關(guān)斷每脈沖損耗1530mWs。集成在模塊內(nèi)的反并聯(lián)續(xù)流二極管，正向壓降
2.8V，峰值反向恢復(fù)電流1320A，反向恢復(fù)電荷740uAs。
集成門極換流晶閘管IGCT(integrated gate-commutated thyristor)是由
GCT(gate commutated turn-off thyristor)和其門極控制電路集中成一體化的組件。
GCT 是在GTO 基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新器件，它保留了GTO 高電壓，大電流，低導(dǎo)通壓降
的優(yōu)點(diǎn)，又改善了其開關(guān)性能。GCT 采用了緩沖層設(shè)計(jì)，它使器件的通態(tài)和開關(guān)損耗
可減少到原來的1/2-1/2.5，但緩沖層會導(dǎo)致關(guān)斷時不能盡快抽走器件在通態(tài)時存儲
的電荷，常規(guī)的GTO 采用陽極短路技術(shù)，為存儲電荷的抽走提供一條通路，但陽極短
路和緩沖層的結(jié)合會導(dǎo)致極高的觸發(fā)電流和維持電流。GCT 取消陽極短路，而將陽極
做成可穿透型，這樣，電荷存儲時間減少至1/20，后沿拖尾電流減小20 倍。同時還
能在同樣阻斷電壓條件下，減少芯片厚度30%，使得導(dǎo)通壓降進(jìn)一步降低。GTO 有兩個
穩(wěn)定工作狀態(tài)“通”和“斷”，在它們之間(開斷過程中)是不穩(wěn)定狀態(tài)。GCT 采用一
種新的低電感的驅(qū)動電路，在門極−20V 偏置情況下，可獲得4000A/us 電流變化率，
使得在大約1us 時間內(nèi)，陽極電壓開始上升前，將全部陽極電流經(jīng)門極流出，不通過
陰極，晶閘管的p−n−p−n 四層結(jié)構(gòu)暫時變?yōu)閜−n−p 晶體管的三層結(jié)構(gòu)，有了穩(wěn)定的中
間狀態(tài)，一致性好，據(jù)稱可以無緩沖電路運(yùn)行。由于GCT 硅片厚度減少，允許在同一
GCT 片上做出高效的反并聯(lián)續(xù)流二極管。GCT 的門極關(guān)斷峰值電流非常大，驅(qū)動電路需
要相當(dāng)容量的MOSFET 和相當(dāng)數(shù)量的電解電容及其它元件組成，電路非常復(fù)雜，要求很
高，所以一般由GCT 生產(chǎn)廠家把門極觸發(fā)及狀態(tài)監(jiān)視電路和GCT 管芯，甚至反并聯(lián)續(xù)
流二極管做成一個整體，成為IGCT，通過光纖輸入觸發(fā)信號，輸出工作狀態(tài)信號。
IGCT 作為一種新的電力電子器件，剛剛開始工業(yè)應(yīng)用，其實(shí)際性能如何，還有待于現(xiàn)
場應(yīng)用的考驗(yàn)。
目前IGCT 最大容量為：反向阻斷型：4500V，4000A，逆導(dǎo)型：5500V，1800A。
用于三電平逆變器時，輸出最高交流電壓為4160V，如要求更高的輸出電壓，比如6KV
交流輸出，只能采取器件直接串聯(lián)。
以5500V，1800A(最大可關(guān)斷陽極電流值)的逆導(dǎo)型IGCT 為例，通態(tài)平均電流為
700A，通態(tài)壓降為3V，通態(tài)陽極電流上升率530A/us，導(dǎo)通延遲時間小于2us，上升
時間小于1us，關(guān)斷延遲時間小于6us，下降時間小于1us，最小通態(tài)維持時間10us，
最小斷態(tài)維持時間10us，導(dǎo)通每脈沖能耗小于1J，關(guān)斷每脈沖能耗小于10J。內(nèi)部集
成的反并聯(lián)續(xù)流二極管(快恢復(fù)二極管)，通態(tài)平均電流290A，通態(tài)壓降5.2V，反向恢
復(fù)電流變化率小于530A/us，反向恢復(fù)電流小于780A。
與普通的二電平PWM 變頻器相比，由于輸出相電壓電平數(shù)由2 個增加到3 個，線
電壓電平數(shù)則由3 個增加到5 個，每個電平幅值相對降低，由整個直流母線電壓變?yōu)?br />
一半的直流母線電壓，在同等開關(guān)頻率的前提下，可使輸出波形質(zhì)量有較大的改善，
輸出dv/dt 也相應(yīng)下降。與二電平變頻器相比，在相同輸出電壓條件下，這種結(jié)構(gòu)還
可使功率器件所需耐壓降低一半。為了減少輸出諧波，希望有較高的開關(guān)頻率，但受
到器件開關(guān)過程的限制，還會導(dǎo)致變頻器損耗增加，效率下降，所以功率器件開關(guān)頻
率一般為幾百赫茲。三電平變頻器若不設(shè)置輸出濾波器，一般需采用特殊電機(jī)，或普
通電機(jī)降額使用。
若輸入也采用對稱的三電平PWM 整流結(jié)構(gòu)，可以做到輸入功率因數(shù)可調(diào)，輸入諧
波很低，且可四象限運(yùn)行，系統(tǒng)具有較高的動態(tài)性能，當(dāng)然成本和復(fù)雜性也大大增加
了。
2.1 三電平變頻器原理
圖8 為三電平逆變器一相的基本結(jié)構(gòu)，V1-V4 代表一相橋臂中的4 個功率
開關(guān)，DF1-DF4 為反并聯(lián)的續(xù)流二極管，DC1，DC2 為箝位二極管，所有的二
極管要求有與功率開關(guān)相同的耐壓等級。Ed 為一組電容二端電壓，C 為中心點(diǎn)。
圖8 三電平基本結(jié)構(gòu)
對于每相橋臂通過控制功率器件V1-V4 的開通，關(guān)斷，在橋臂輸出點(diǎn)可獲得
三種不同電平+Ed，0，-Ed，見表1。
表1 三電平變頻器器每相輸出電壓組合表
V1 V2 V3 V4 輸出電壓 狀態(tài)代號
ON ON OFF OFF +Ed P
OFF ON ON OFF 0 C
OFF OFF ON ON -Ed N
由表1 看出，功率開關(guān)V1 和V3 狀態(tài)是互反的，V2 與V4 也是互反。同時
規(guī)定，輸出電壓只能是+Ed 到0，0 到-Ed，或相反地變化，不允許在+Ed 和-Ed
之間直接變化。所以不存在二個器件同時導(dǎo)通或同時關(guān)斷，也就不存在動態(tài)均壓問
題。
對于由三個橋臂組成的三相逆變器，根據(jù)三相橋臂U，V，W 的不同開關(guān)組合，最
終可得到三電平變頻器的33=27 種開關(guān)模式，見表2。
表2 三電平變頻器輸出狀態(tài)表
PPP PPN PPC PCN PCC PNN PCP PNC PNP
CCC CPN CPC CCN CPP CNN CCP CNC CNP
NNN NPN NPC NCN NPP NCC NCP NNC NNP
采用中心點(diǎn)箝位方式使輸出增加了一個電平，輸出電壓的臺階降低了一半，而且
很重要的一點(diǎn)是增加了輸出PWM 控制的自由度，使輸出波形質(zhì)量在同等開關(guān)頻率條件
下有較大的提高。
圖9 為一三電平變頻器主電路結(jié)構(gòu)圖。
圖9 三電平變頻器
整流電路采用12 脈沖二極管整流結(jié)構(gòu)。逆變部分功率器件可以采用IGCT，反并
聯(lián)續(xù)流二極管集成在IGCT 中。由于受到器件開關(guān)損耗，尤其是關(guān)斷損耗的限制，IGCT
的開關(guān)頻率為600HZ 左右。直流環(huán)節(jié)用二組電容分壓，得到中心點(diǎn)。直流環(huán)節(jié)還有
di/dt 限制電路，共模電抗器，保護(hù)用IGCT 等。di/dt 限制電路主要由di/dt 限制電
抗器，與之反并聯(lián)的續(xù)流二極管和電阻組成，因?yàn)镮GCT 器件本身不能控制di/dt，所
以必須通過外加di/dt 限制電路，使逆變器IGCT 反并聯(lián)續(xù)流二極管的反向恢復(fù)控制在
安全運(yùn)行范圍內(nèi)，同時該電路也用于限制短路時的電流上升率。共模電抗器一般在變
壓器與變頻器分開安置，且變壓器副邊和整流橋輸入之間電纜較長時采用，當(dāng)變壓器
和變頻器一起放置時，可以省去。其作用主要是承擔(dān)共模電壓和限制高頻漏電流，因
為當(dāng)輸出設(shè)置濾波器時，由于濾波電容的低阻抗，電機(jī)承受的共模電壓極小，共模電
壓由輸入變壓器和逆變器共同承擔(dān)，當(dāng)變壓器與變頻器之間電纜較長，線路分布電容
較大，容抗下降，導(dǎo)致變壓器承受的共模電壓下降，逆變器必須承受較高的共模電
壓，影響功率器件安全，共模電抗器就是設(shè)計(jì)用來承受共模電壓的。另外高頻的共模
電壓還會通過輸出濾波電容，變壓器分布電容，電纜分布電容形成通路，產(chǎn)生高頻漏
電流，影響器件安全，共模電抗器也起到抑制高頻漏電流的作用。保護(hù)用IGCT 的作用
是當(dāng)逆變器發(fā)生短路等故障時，切斷短路電流，起到相當(dāng)于快熔的作用。由于逆變電
路采用IGCT 作為功率器件，而IGCT 本身不象IGBT 那樣存在過電流退飽和效應(yīng)，可以
通過檢測集電極電壓上升來進(jìn)行短路檢測，并通過門極關(guān)斷進(jìn)行保護(hù)，所以必須通過
霍爾電流傳感器，檢測到過電流，然后通過串聯(lián)在上下直流母線的二個保護(hù)用IGCT 進(jìn)
行關(guān)斷。由于直流環(huán)節(jié)存在共模電抗器和di/dt 限制電抗器，導(dǎo)致整流橋輸出和濾波
電容之間存在較大阻抗，這樣電網(wǎng)的浪涌電壓要通過整流橋形成浪涌電流，再通過濾
波電容吸收的效果大大降低，為了保護(hù)整流二極管免受浪涌電壓的影響，在整流橋輸
出并聯(lián)了阻容吸收電路。箝位二極管保證了橋臂中最外側(cè)的兩個IGCT 承受的電壓不會
超過一半的直流母線電壓，確切地說，應(yīng)該是對應(yīng)側(cè)濾波電容的電壓，所以最外側(cè)的
兩個IGCT 不存在過壓問題。內(nèi)側(cè)的兩個器件仍要并聯(lián)電阻，以防止產(chǎn)生過壓。因?yàn)樵?br />
同側(cè)二個器件同時處于阻斷狀態(tài)時，內(nèi)側(cè)的器件承受的電壓可能超過一半的直流母線
電壓，具體電壓取決于同側(cè)二個器件的漏電流匹配關(guān)系。
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