關于中、高壓變頻器的一些知識

摘要：中、高壓變頻器主電路不像低壓變頻器那樣，至今還沒有統一的拓撲結構，它們從功率開關器件，到整流器和逆變器都有多種形式，介紹了這些方面的知識，以供選用時進行分析比較。關鍵詞：高壓變頻器；集成門極換相晶閘管；三電平；多重化；PWM整流器

在低壓變頻調速完全成熟、并獲得廣泛應用之后，現在不少廠家對中、高壓電機采用變頻調速正在躍躍欲試，猶如十多年前開始推廣應用低壓變頻調速的情勢一樣（在電氣傳動領域，將2.3～10kV習慣上稱作高壓，而與電網電壓相比，只能算作中壓）。然而不像是低壓變頻器，無論哪種產品，它們的主電路形式基本相同，而中、高壓變頻器則到目前為止，還沒有近乎統一的拓撲結構。為此，本文就目前中、高壓變頻器的有關知識作些闡述和介紹，以供選用時進行分析比較。 1功率開關器件

中、高壓變頻器首先依賴于高電壓、大電流的電力電子器件。目前應用于中、高壓變頻器的電力電子器件主要有下列幾種。

11GTO

門極可關斷（GTO）晶閘管是目前能承受電壓最高和流過電流最大的全控型（亦稱自關斷）器件。它能由門極控制導通和關斷，具有電流密度大、管壓降低、導通損耗小、dv/dt耐量高等突出優點，目前已達6kV/6kA的生產水平，最適合大功率應用。但是GTO有不足之處，那就是門極為電流控制，驅動電路復雜，驅動功率大（關斷增益β=3～5）；關斷過程中內部成百甚至上千個GTO元胞不均勻性引起陰極電流收縮（擠流）效應，必須限制dv/dt。為此需要緩沖電路（亦稱吸收電路），而緩沖電路既增大體積、重量、成本，又徒然增加損耗。另外，“拖尾”電流使關斷損耗大，因而開關頻率低。

12IGBT

絕緣柵雙極晶體管（IGBT）是后起之秀，它是一種復合型全控器件，具有MOSFET（輸入阻抗高、開關速度快）和GTR（耐壓高、電流密度大）二者的優點。柵極為電壓控制，驅動功率??；開關損耗小，工作頻率高；沒有二次擊穿，不需緩沖電路；是目前中等功率電力電子裝置中的主流器件。除低壓IGBT（1700V/1200A）外，已開發出高壓IGBT，可達3.3kV/1.2kA或4.5kV/0.9kA的水平。IGBT的不足之處是，高壓IGBT內阻大，因而導通損耗大；低壓IGBT用于高壓需多個串聯。

13IGCT和SGCT

在GTO的基礎上，近年開發出一種門極換流晶閘管（GCT），它采用了一些新技術，如：穿透型陽極，使電荷存儲時間和拖尾電流減小，制約了二次擊穿，可無緩沖器運行；加N緩沖層，使硅片厚度以及通態

(d)輸出電流

(a)電壓型

(b)電流型

(c)輸出電壓

圖1交直交單相逆變器主電路及其輸出波形

損耗和開關損耗減少；特殊的環狀門極，使器件開通時間縮短且串、并聯容易。因此，GCT除有GTO高電壓、大電流、低導通壓降的優點，又改善了其開通和關斷性能，使工作頻率有所提高。

為了盡快（例如1μs內）將器件關斷，要求在門極PN不致擊穿的－20V下能獲得快于4000A/μs的變化率，以使陽極電流全部經門極極快泄流（即關斷增益為1），必須采用低電感觸發電路（例如門極電路最大電?lt;5nH）。為此，將這種門極電路配以MOSFET強驅動與GCT功率組件集成在一起，構成集成門極換流晶閘管（IGCT）。其改進形式之一則稱為對稱門極換流晶閘管（SGCT）。兩者具有相似的特性。IGCT還可將續流二極管做在同一芯片上集成逆導型，可使裝置中器件數量減少。

表1為GTO、IGCT、IGBT一些能數的比較?？梢钥闯?，在1kHz以下，IGCT有一定優點；在較高工作頻率下，高壓IGBT更具優勢。

表1GTO、IGCT、IGBT參數比較器件GTOIGCTIGBT
通態壓降/V3.21.93.4
門極驅動功率/W80151.5
存儲時間/μs201～3.40.9
尾部電流時間/μs1500.70.15
工作頻率/kHz0.5120
除上述三種器件外，現在還在開發一些新器件，例如新型大功率IGBT模塊——“注入增強柵極晶體管”（IEGT），它兼有IGBT和GTO二者優點，即開關特性相當于IGBT，工作頻率高，柵極驅動功率?。ū菺TO小二個數量級）；而由于電子發射區注入增強，使器件的飽和壓降進一步減??；功率相同時，緩沖電路的容量為GTO的1/10，安全工作區寬?，F已有4.5kV/1kA的器件，可望在高頻下獲得應用。

2逆變器主電路

21逆變器的兩種型式

交直交變頻器依據直流電路濾波及緩沖無功能量所采用的元件不同而分為電壓（源）型（VSI）和電流（源）型（CSI）。前者采用電容濾波〔見圖1（a）〕，直流電路的電壓波形比較平直，輸出阻抗小，電壓不易突變；交流輸出為方波電壓或方波電壓序列，電流經過電動機繞組的濾波后接近于正弦波。后者采用電感濾波〔見圖1(b)〕，直流電路的電流波形比較平直，輸出阻抗大，電流不易突變；交流輸出為方波電流，電壓由輸出電流及負載決定。

電壓型變頻器直流電路由于存在有極性的大電容，不允許直流電壓反向，整流器因其單向導電性，電流也不能反向，無法通過它回饋能量，電動機如欲再生制動，必須另外反并聯一套相控整流器，如圖2(a）和圖2(b）所示，所以適用于風機、水泵等不可逆傳動。電流型變頻器直流電路接的是大電感，雖電流方向不變，但允許電壓反向，可以通過觸發控制角α和β改變逆變器和可控整流器的電壓極性來回饋能量，電動機能方便地實現再生制動，如圖2（c)和圖2(d)所示，所以適用于頻繁起制動和可逆運行的場合。也正因為兩者電壓、電流方向的特點，電壓型逆變器必須有續流二極管，將負載電動機的能量通過它回饋，而電流型逆變器則不需要續流二極管。

此外，電壓型逆變器的輸出動態阻抗??；對電力電子器件的耐壓要求較低，但當負載出現短路或在變頻器運行狀態下投入負載，都易出現過電流，必須在極短的時間內施加保護措施。電流型逆變器的情況則相反，輸出動態阻抗大；對器件的耐壓要求較高，但因有大電感，可限制短路電流，易采取過流保護措施。不過，電流型變頻器由于電源側采用三相橋式晶閘管可

關于中、高壓變頻器的一些知識

圖2電壓型和電流型逆變器的電動和再生制動

(a)電壓型電動(b)電壓型再生制動

(c)電流型電動(d)電流型再生制動

(a)單相SPWM

(b)三相SPWM

圖3SPWM波形

控整流電路，輸入功率因數低，且隨轉速降低而降低；輸入電流諧波大；還會產生較大的共模電壓，施加到電動機定子繞組中心點和地之間，影響電動機絕緣。另外，對電網電壓波動也較為敏感。

22減少諧波的方法

在交直交變頻器的結構中，由于逆變器輸出的是方波交流，其中必然包含各次諧波，見圖1(c)和圖1(d)。

諧波的存在，會產生轉矩脈動，使電機運轉不平穩；噪音加大；對電機絕緣有附加dv/dt、di/dt應力，影響壽命；諧波電流使電機發熱，損耗增加，對一般電機不得不“降頻”使用”；對輸出電纜長度也有限制。如果安裝諧波濾波器來抑制諧波對電網的影響，除增加設備外，還因濾波器的制造與電網參數有關，一旦參數有變，又得重新調諧，相當麻煩。為此，在中、高壓變頻器中不僅像和低壓變頻器一樣，全采用脈寬調制（PWM）外，還普遍采用多重化聯接，即將相同的幾個逆變器輸出矩形交流的相位錯開，然后迭加成梯形波。例如，圖3(a)和圖3(b)為正弦脈寬調制（SPWM）的單相和三相波形。分別為單極式和雙極式SPWM，圖3(b)中的a）為三相調制波和三角波b)、c)、d)分別為A、B、C相電壓，e)為線電壓。圖4(a)和圖4(b)則示出一種二重化的電路和輸出電壓波形。它已不含11次以下的諧波。

23中、高壓逆變器結構

除減小諧波外，為了承受高電壓，在中、高壓變頻器中逆變器的主電路目前采用如下一些結構。 231橋臂器件直接串聯

這種變頻器的主電路如圖5所示。這是電流型變頻器（為了對接地短路也實現保護，把濾波電感分為兩半），虛線框內為逆變器部分，功率開關器件采用GTO。這種電路簡單、可靠，所用功率器件較少，但因各器件的動態電阻和極電容不同，存在穩態和動態均壓問題，采取與器件并聯R和RC的均壓措施（圖5中只示意一個器件的均壓電路），會使電路復雜，損耗增加；同時，器件串聯對驅動電路的要求也大大提高，要盡量做到串聯器件同時導通和關斷，否則，由于各器件通、斷時間不一，承受電壓不均，會導致器件損壞，甚至整個裝置崩潰。GTO器件需加緩沖電路（圖中示出一種典型的RCD電路）。

232三電平逆變器

三電平逆變器主電路如圖6(a)所示。直流環節由電容C1、C2分成兩個電壓，屬電壓型逆變器。每相橋臂有四個功率開關器件（可采用GTO、IGBT或IGCT），每個均并有續流二極管。以A相為例，其中1、4為主管，2、3為輔管。輔管與二極管5、6一道鉗制輸出端電位等于中點0點電位（所以也稱中心點鉗位逆變器），通過控制功率器件1～4的開通、關斷，在橋臂輸出點可獲得三種不同電平。例如，在2導通情況下，由1、3的交替通、斷，A相電壓可獲得＋、0兩種電平（或者說，2、4保持通、斷不變，1、3由通、斷→斷、通時，A端電位由＋→0）；在3導通情況下，由2、4的交替通、斷，A相可獲得0、－兩種電平（或者說，1、3保

(a)電路圖

(b)輸出電壓波形圖

圖4逆變器電壓疊加

圖5逆變器橋臂器件直接串聯的變頻器主電路