关于中、高压变频器的一些知识

摘要：中、高压变频器主电路不像低压变频器那样，至今还没有统一的拓扑结构，它们从功率开关器件，到整流器和逆变器都有多种形式，介绍了这些方面的知识，以供选用时进行分析比较。关键词：高压变频器；集成门极换相晶闸管；三电平；多重化；PWM整流器

在低压变频调速完全成熟、并获得广泛应用之后，现在不少厂家对中、高压电机采用变频调速正在跃跃欲试，犹如十多年前开始推广应用低压变频调速的情势一样（在电气传动领域，将2.3～10kV习惯上称作高压，而与电网电压相比，只能算作中压）。然而不像是低压变频器，无论哪种产品，它们的主电路形式基本相同，而中、高压变频器则到目前为止，还没有近乎统一的拓扑结构。为此，本文就目前中、高压变频器的有关知识作些阐述和介绍，以供选用时进行分析比较。 1功率开关器件

中、高压变频器首先依赖于高电压、大电流的电力电子器件。目前应用于中、高压变频器的电力电子器件主要有下列几种。

11GTO

门极可关断（GTO）晶闸管是目前能承受电压最高和流过电流最大的全控型（亦称自关断）器件。它能由门极控制导通和关断，具有电流密度大、管压降低、导通损耗小、dv/dt耐量高等突出优点，目前已达6kV/6kA的生产水平，最适合大功率应用。但是GTO有不足之处，那就是门极为电流控制，驱动电路复杂，驱动功率大（关断增益β=3～5）；关断过程中内部成百甚至上千个GTO元胞不均匀性引起阴极电流收缩（挤流）效应，必须限制dv/dt。为此需要缓冲电路（亦称吸收电路），而缓冲电路既增大体积、重量、成本，又徒然增加损耗。另外，“拖尾”电流使关断损耗大，因而开关频率低。

12IGBT

绝缘栅双极晶体管（IGBT）是后起之秀，它是一种复合型全控器件，具有MOSFET（输入阻抗高、开关速度快）和GTR（耐压高、电流密度大）二者的优点。栅极为电压控制，驱动功率小；开关损耗小，工作频率高；没有二次击穿，不需缓冲电路；是目前中等功率电力电子装置中的主流器件。除低压IGBT（1700V/1200A）外，已开发出高压IGBT，可达3.3kV/1.2kA或4.5kV/0.9kA的水平。IGBT的不足之处是，高压IGBT内阻大，因而导通损耗大；低压IGBT用于高压需多个串联。

13IGCT和SGCT

在GTO的基础上，近年开发出一种门极换流晶闸管（GCT），它采用了一些新技术，如：穿透型阳极，使电荷存储时间和拖尾电流减小，制约了二次击穿，可无缓冲器运行；加N缓冲层，使硅片厚度以及通态

(d)输出电流

(a)电压型

(b)电流型

(c)输出电压

图1交直交单相逆变器主电路及其输出波形

损耗和开关损耗减少；特殊的环状门极，使器件开通时间缩短且串、并联容易。因此，GCT除有GTO高电压、大电流、低导通压降的优点，又改善了其开通和关断性能，使工作频率有所提高。

为了尽快（例如1μs内）将器件关断，要求在门极PN不致击穿的－20V下能获得快于4000A/μs的变化率，以使阳极电流全部经门极极快泄流（即关断增益为1），必须采用低电感触发电路（例如门极电路最大电?lt;5nH）。为此，将这种门极电路配以MOSFET强驱动与GCT功率组件集成在一起，构成集成门极换流晶闸管（IGCT）。其改进形式之一则称为对称门极换流晶闸管（SGCT）。两者具有相似的特性。IGCT还可将续流二极管做在同一芯片上集成逆导型，可使装置中器件数量减少。

表1为GTO、IGCT、IGBT一些能数的比较。可以看出，在1kHz以下，IGCT有一定优点；在较高工作频率下，高压IGBT更具优势。

表1GTO、IGCT、IGBT参数比较器件GTOIGCTIGBT
通态压降/V3.21.93.4
门极驱动功率/W80151.5
存储时间/μs201～3.40.9
尾部电流时间/μs1500.70.15
工作频率/kHz0.5120
除上述三种器件外，现在还在开发一些新器件，例如新型大功率IGBT模块——“注入增强栅极晶体管”（IEGT），它兼有IGBT和GTO二者优点，即开关特性相当于IGBT，工作频率高，栅极驱动功率小（比GTO小二个数量级）；而由于电子发射区注入增强，使器件的饱和压降进一步减小；功率相同时，缓冲电路的容量为GTO的1/10，安全工作区宽。现已有4.5kV/1kA的器件，可望在高频下获得应用。

2逆变器主电路

21逆变器的两种型式

交直交变频器依据直流电路滤波及缓冲无功能量所采用的元件不同而分为电压（源）型（VSI）和电流（源）型（CSI）。前者采用电容滤波〔见图1（a）〕，直流电路的电压波形比较平直，输出阻抗小，电压不易突变；交流输出为方波电压或方波电压序列，电流经过电动机绕组的滤波后接近于正弦波。后者采用电感滤波〔见图1(b)〕，直流电路的电流波形比较平直，输出阻抗大，电流不易突变；交流输出为方波电流，电压由输出电流及负载决定。

电压型变频器直流电路由于存在有极性的大电容，不允许直流电压反向，整流器因其单向导电性，电流也不能反向，无法通过它回馈能量，电动机如欲再生制动，必须另外反并联一套相控整流器，如图2(a）和图2(b）所示，所以适用于风机、水泵等不可逆传动。电流型变频器直流电路接的是大电感，虽电流方向不变，但允许电压反向，可以通过触发控制角α和β改变逆变器和可控整流器的电压极性来回馈能量，电动机能方便地实现再生制动，如图2（c)和图2(d)所示，所以适用于频繁起制动和可逆运行的场合。也正因为两者电压、电流方向的特点，电压型逆变器必须有续流二极管，将负载电动机的能量通过它回馈，而电流型逆变器则不需要续流二极管。

此外，电压型逆变器的输出动态阻抗小；对电力电子器件的耐压要求较低，但当负载出现短路或在变频器运行状态下投入负载，都易出现过电流，必须在极短的时间内施加保护措施。电流型逆变器的情况则相反，输出动态阻抗大；对器件的耐压要求较高，但因有大电感，可限制短路电流，易采取过流保护措施。不过，电流型变频器由于电源侧采用三相桥式晶闸管可

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图2电压型和电流型逆变器的电动和再生制动

(a)电压型电动(b)电压型再生制动

(c)电流型电动(d)电流型再生制动

(a)单相SPWM

(b)三相SPWM

图3SPWM波形

控整流电路，输入功率因数低，且随转速降低而降低；输入电流谐波大；还会产生较大的共模电压，施加到电动机定子绕组中心点和地之间，影响电动机绝缘。另外，对电网电压波动也较为敏感。

22减少谐波的方法

在交直交变频器的结构中，由于逆变器输出的是方波交流，其中必然包含各次谐波，见图1(c)和图1(d)。

谐波的存在，会产生转矩脉动，使电机运转不平稳；噪音加大；对电机绝缘有附加dv/dt、di/dt应力，影响寿命；谐波电流使电机发热，损耗增加，对一般电机不得不“降频”使用”；对输出电缆长度也有限制。如果安装谐波滤波器来抑制谐波对电网的影响，除增加设备外，还因滤波器的制造与电网参数有关，一旦参数有变，又得重新调谐，相当麻烦。为此，在中、高压变频器中不仅像和低压变频器一样，全采用脉宽调制（PWM）外，还普遍采用多重化联接，即将相同的几个逆变器输出矩形交流的相位错开，然后迭加成梯形波。例如，图3(a)和图3(b)为正弦脉宽调制（SPWM）的单相和三相波形。分别为单极式和双极式SPWM，图3(b)中的a）为三相调制波和三角波b)、c)、d)分别为A、B、C相电压，e)为线电压。图4(a)和图4(b)则示出一种二重化的电路和输出电压波形。它已不含11次以下的谐波。

23中、高压逆变器结构

除减小谐波外，为了承受高电压，在中、高压变频器中逆变器的主电路目前采用如下一些结构。 231桥臂器件直接串联

这种变频器的主电路如图5所示。这是电流型变频器（为了对接地短路也实现保护，把滤波电感分为两半），虚线框内为逆变器部分，功率开关器件采用GTO。这种电路简单、可靠，所用功率器件较少，但因各器件的动态电阻和极电容不同，存在稳态和动态均压问题，采取与器件并联R和RC的均压措施（图5中只示意一个器件的均压电路），会使电路复杂，损耗增加；同时，器件串联对驱动电路的要求也大大提高，要尽量做到串联器件同时导通和关断，否则，由于各器件通、断时间不一，承受电压不均，会导致器件损坏，甚至整个装置崩溃。GTO器件需加缓冲电路（图中示出一种典型的RCD电路）。

232三电平逆变器

三电平逆变器主电路如图6(a)所示。直流环节由电容C1、C2分成两个电压，属电压型逆变器。每相桥臂有四个功率开关器件（可采用GTO、IGBT或IGCT），每个均并有续流二极管。以A相为例，其中1、4为主管，2、3为辅管。辅管与二极管5、6一道钳制输出端电位等于中点0点电位（所以也称中心点钳位逆变器），通过控制功率器件1～4的开通、关断，在桥臂输出点可获得三种不同电平。例如，在2导通情况下，由1、3的交替通、断，A相电压可获得＋、0两种电平（或者说，2、4保持通、断不变，1、3由通、断→断、通时，A端电位由＋→0）；在3导通情况下，由2、4的交替通、断，A相可获得0、－两种电平（或者说，1、3保

(a)电路图

(b)输出电压波形图

图4逆变器电压叠加

图5逆变器桥臂器件直接串联的变频器主电路