高壓變頻器基礎(chǔ)教程

高壓變頻器基礎(chǔ)教程高壓變頻器基礎(chǔ)教程高壓變頻器基礎(chǔ)教程資料僅供參考文件編號：2022年4月高壓變頻器基礎(chǔ)教程版本號：A修改號：1頁次：1.0審核：批準(zhǔn):發(fā)布日期：高壓變頻器基礎(chǔ)教程作者:上海艾帕電力電子有限公司竺偉前言隨著電氣傳動(dòng)技術(shù)，尤其是變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展，作為大容量傳動(dòng)的高壓變頻調(diào)速技術(shù)也得到了廣泛的應(yīng)用。高壓電機(jī)利用高壓變頻器可以實(shí)現(xiàn)無級調(diào)速，滿足生產(chǎn)工藝過程對電機(jī)調(diào)速控制的要求，以提高產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量，又可大幅度節(jié)約能源，降低生產(chǎn)成本。近年來，各種高壓變頻器不斷出現(xiàn)，高壓變頻器到目前為止還沒有像低壓變頻器那樣近乎統(tǒng)一的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。根據(jù)高壓組成方式可分為直接高壓型和高-低-高型，根據(jù)有無中間直流環(huán)節(jié)來分，可以分為交-交變頻器和交-直-交變頻器，在交-直-交變頻器中，按中間直流濾波環(huán)節(jié)的不同，可分為電壓源型和電流源型。高-低-高型變頻器采用變壓器實(shí)行輸入降壓，輸出升壓的方式，其實(shí)質(zhì)上還是低壓變頻器，只不過從電網(wǎng)和電機(jī)兩端來看是高壓的，是受到功率器件電壓等級技術(shù)條件的限制而采取的變通辦法，需要輸入，輸出變壓器，存在中間低壓環(huán)節(jié)電流大，效率低下，可靠性下降，占地面積大等缺點(diǎn)，只用于一些小容量高壓電機(jī)的簡單調(diào)速。常規(guī)的交-交變頻器由于受到輸出最高頻率的限制，只用在一些低速，大容量的特殊場合。直接高壓交-直-交變頻器直接高壓輸出，無需輸出變壓器，效率高，輸出頻率范圍寬，應(yīng)用較為廣泛。我們將對目前使用較為廣泛的幾種直接高壓輸出交-直-交型變頻器及其派生方案進(jìn)行分析，指出各自的優(yōu)缺點(diǎn)。評價(jià)高壓變頻器的指標(biāo)主要有：成本，可靠性，對電網(wǎng)的諧波污染，輸入功率因數(shù)，輸出諧波，dv/dt，共模電壓，系統(tǒng)效率，能否四象限運(yùn)行等。順便指出，我們習(xí)慣稱作的高壓變頻器，實(shí)際上電壓一般為，國內(nèi)主要為3KV，6KV和10KV，和電網(wǎng)電壓相比，只能算作中壓，故國外常成為MediumVoltageDrive。高壓變頻器正向著高可靠性，低成本，高輸入功率因數(shù)，高效率，低輸入輸出諧波，低共模電壓，低dv/dt等方向發(fā)展。電流源型變頻器技術(shù)成熟，且可四象限運(yùn)行，但由于高壓時(shí)器件串聯(lián)的均壓問題，輸入諧波對電網(wǎng)的影響和輸出諧波對電機(jī)的影響等問題，使其應(yīng)用受到限制。對風(fēng)機(jī)和水泵等一般不要求四象限運(yùn)行的設(shè)備，單元串聯(lián)多電平PWM電壓源型變頻器在輸入，輸出諧波，效率和輸入功率因數(shù)等方面有明顯的優(yōu)勢，具有較大的應(yīng)用前景。對于軋機(jī)，卷揚(yáng)機(jī)等要求四象限運(yùn)行和動(dòng)態(tài)性能較高的場合，雙PWM結(jié)構(gòu)的三電平電壓源型變頻器會(huì)得到廣泛的應(yīng)用。一、電流源型變頻器電流源型變頻器(CSI：CurrentSourceInverter)采用大電感作為中間直流濾波環(huán)節(jié)。整流電路一般采用晶閘管作為功率器件，少數(shù)也有采用GTO的，主要目的是采取電流PWM控制，以改善輸入電流波形。逆變部分一般采用晶閘管或GTO作為功率器件。由于存在著大的平波電抗器和快速電流調(diào)節(jié)器，所以過電流保護(hù)比較容易。當(dāng)逆變側(cè)出現(xiàn)短路等故障時(shí)，由于電抗器存在，電流不會(huì)突變，而電流調(diào)節(jié)器則會(huì)迅速響應(yīng)，使整流電路晶閘管的觸發(fā)角迅速后移，電流能控制在安全范圍內(nèi)。為了對接地短路也實(shí)現(xiàn)保護(hù)，通常把濾波電抗器分為兩半，上下直流母線各串一半。電流源型變頻器的一大優(yōu)點(diǎn)是能量可以回饋電網(wǎng)，系統(tǒng)可以四象限運(yùn)行。雖然直流環(huán)節(jié)電流的方向不能改變，但整流電壓可以反向(當(dāng)整流電路工作在有源逆變狀態(tài)時(shí))，能量可以回饋到電網(wǎng)。晶閘管目前工業(yè)應(yīng)用的最高電壓為8000V左右，當(dāng)電網(wǎng)電壓較高時(shí)，可采用晶閘管串聯(lián)的辦法。比如，當(dāng)電網(wǎng)電壓為交流4160V時(shí)，需要2個(gè)耐壓為5KV的晶閘管串聯(lián)，才能滿足5900V峰值電壓時(shí)的耐壓要求?？紤]到器件串聯(lián)時(shí)的均壓問題和器件耐壓使用安全裕量，在工業(yè)應(yīng)用中，一般使用到器件額定電壓的50-60%。晶閘管串聯(lián)存在靜態(tài)均壓和動(dòng)態(tài)均壓問題。均壓電阻會(huì)消耗一部分功率，影響系統(tǒng)的效率。晶閘管的通態(tài)壓降一般較低，門極觸發(fā)電路比較簡單，驅(qū)動(dòng)功率較低。以6500V，4200A的晶閘管為例，通態(tài)壓降可做到，門極觸發(fā)電流僅需400mA，觸發(fā)功率僅為3W，該晶閘管的斷態(tài)電壓臨界上升率達(dá)2000V/us，通態(tài)電流臨界上升率達(dá)250A/us(連續(xù))。由于電源側(cè)采用三相橋式晶閘管整流電路，輸入電流的諧波成份較大，為了降低諧波，可采取多重化，有的還必須加輸入濾波裝置。電流源型變頻器輸入功率因數(shù)一般較低，且會(huì)隨著轉(zhuǎn)速的下降而降低，通常要附加功率因數(shù)補(bǔ)償裝置。另外，電流源型變頻器還會(huì)產(chǎn)生較大的共模電壓，當(dāng)沒有輸入變壓器時(shí)，共模電壓會(huì)施加到電機(jī)定子繞組中心點(diǎn)和地之間，影響電機(jī)絕緣。電流源型變頻器的輸出電流諧波較高，會(huì)引起電機(jī)的額外發(fā)熱和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，必要時(shí)也可采取輸出12脈沖方式或設(shè)置輸出濾波器，當(dāng)然系統(tǒng)的復(fù)雜性和成本也會(huì)增加。由于均壓電路等固定損耗較大，以及輸入功率因數(shù)較低，導(dǎo)致無功電流較大等原因，系統(tǒng)效率會(huì)隨著負(fù)載的降低而降低。電流源型變頻器種類較多，主要有串聯(lián)二極管式，輸出濾波器換相式，負(fù)載換相式和GTO-PWM式等。其中，前三種電流源型變頻器的逆變功率器件都采用晶閘管，輸出采用120°導(dǎo)通方式。GTO-PWM式電流源型變頻器采用GTO作為功率器件，逆變器一般采取電流PWM控制方式。在系統(tǒng)控制上，電流源型變頻器在一般應(yīng)用時(shí)采取電壓-頻率協(xié)調(diào)控制。與電壓源型變頻器可以直接控制輸出電壓不同，電流源型變頻器的輸出電壓是由輸出電流及負(fù)載決定的，所以為了實(shí)現(xiàn)電壓頻率協(xié)調(diào)控制，必須設(shè)置電壓環(huán)以實(shí)現(xiàn)輸出電壓的閉環(huán)控制。高性能時(shí)，通常采取磁場定向矢量控制，采用常見的轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)，通過速度和磁通閉環(huán)調(diào)節(jié)器分別得到定子電流的轉(zhuǎn)矩分量和勵(lì)磁分量，經(jīng)過極坐標(biāo)變換，得到定子電流幅值和負(fù)載角，定子電流的幅值作為電流環(huán)的給定值，控制晶閘管整流電路實(shí)現(xiàn)定子電流的閉環(huán)控制，負(fù)載角和同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的位置角迭加在一起，用于逆變側(cè)晶閘管的觸發(fā)脈沖分配。電流源型變頻器對電網(wǎng)電壓的波動(dòng)較為敏感，一般電網(wǎng)電壓下降15%，變頻器就會(huì)跳閘停機(jī)。晶閘管電流源型變頻器（一）1串聯(lián)二極管式電流源型變頻器圖1是串聯(lián)二極管式電流源型變頻器的逆變電路結(jié)構(gòu)圖。圖中C13，C35，C51和C46，C62，C24是換相電容器，利用換相電容和電機(jī)電感之間的諧振實(shí)現(xiàn)晶閘管的強(qiáng)迫換流，二極管VD1-VD6在換流過程中隔離電機(jī)反電勢，使它不影響換相電容的放電過程。變頻器運(yùn)行與電機(jī)參數(shù)(主要是漏感)的關(guān)系較大，換相電容的容量要與電機(jī)電感和負(fù)載電流相匹配。在實(shí)際應(yīng)用中，通常要根據(jù)所帶電機(jī)的不同，相應(yīng)地配置換相電容的數(shù)量。2輸出濾波器換相式電流源型變頻器輸出濾波器換相式電流源型變頻器利用輸出濾波器對晶閘管進(jìn)行換相，組成結(jié)構(gòu)如圖2所示。濾波器大概在50%轉(zhuǎn)速時(shí)提供電機(jī)所需的全部勵(lì)磁電流，在這點(diǎn)以上，負(fù)載(包括電機(jī)和濾波器)維持超前的功率因數(shù)。所以逆變器的晶閘管可以實(shí)現(xiàn)自然換流，濾波器的容量基本和變頻器容量相當(dāng)，除了龐大的濾波電容外，濾波器還必須串聯(lián)一定量的電感，以防止產(chǎn)生過大的di/dt，影響晶閘管的安全。由于濾波器容量較大，足以讓電機(jī)自激發(fā)電，所以在濾波器輸出和電機(jī)之間必須附加一個(gè)接觸器，以防止變頻器跳閘或自由停車時(shí)，電機(jī)自激發(fā)電。龐大的濾波器的優(yōu)點(diǎn)是對輸出120°方波電流起到了很好的濾波作用，所以速度較高時(shí)，電機(jī)電流波形有所改善。當(dāng)輸出頻率降低時(shí)，濾波器的濾波作用下降，電機(jī)電流波形的質(zhì)量也有所下降。在變頻調(diào)速過程中，由于輸出電壓隨著頻率的上升正比上升，電容的阻抗與頻率成反比關(guān)系，所以，隨著輸出頻率的上升，流入濾波器的基波電流幅值按照頻率的平方關(guān)系上升，直到額定值。因此，這種變頻器運(yùn)行的最高頻率一般不會(huì)超過額定頻率的倍，否則，當(dāng)頻率過高時(shí)，變頻器無法提供濾波電容所需的無功電流。圖2輸出濾波器換向式電流源型變頻器在起動(dòng)和低速時(shí)，由于輸出電壓較低，濾波電容基本上起不到換相作用，一般采取電流斷續(xù)換相法。每當(dāng)逆變側(cè)晶閘管要換相時(shí)，設(shè)法使流入到逆變器的直流電流下降到零，使逆變側(cè)晶閘管暫時(shí)關(guān)斷，然后給換向后應(yīng)該導(dǎo)通的晶閘管加上觸發(fā)脈沖。重新恢復(fù)直流電流時(shí)，電流將根據(jù)觸發(fā)順序流入新導(dǎo)通的晶閘管，從而實(shí)現(xiàn)從一相到另一相的換相。斷流的辦法很多，其中一種方法是在直流環(huán)節(jié)設(shè)置一直流電流旁路電路，當(dāng)要關(guān)斷逆變側(cè)晶閘管時(shí)，直流環(huán)節(jié)電流被此電路所旁路，而不會(huì)流過逆變側(cè)晶閘管，晶閘管自然關(guān)斷。當(dāng)下一對晶閘管需要導(dǎo)通時(shí)，再切斷旁路電路，恢復(fù)直流電流繼續(xù)流向逆變器(圖2)。此輔助斷流電路要能承受全部直流環(huán)節(jié)電壓，并能通過全部直流電流，時(shí)間大約幾百微秒，以保證晶閘管恢復(fù)阻斷。高壓晶閘管要求較高的阻斷電壓，帶來的負(fù)面影響是需要較長的關(guān)斷時(shí)間，因此，輔助斷流電路需要相當(dāng)?shù)娜萘?。?dāng)然，輔助斷流電路不是設(shè)計(jì)成為連續(xù)運(yùn)行的，只是在起動(dòng)和低速時(shí)工作，使速度達(dá)到一定值，讓濾波電容能正常工作，變頻器要求能在兩種模式之間自動(dòng)切換。另一種方法是封鎖電源，或讓電源側(cè)整流入逆變狀態(tài)，直流環(huán)節(jié)電流迅速衰減，以達(dá)到短時(shí)間內(nèi)斷流的目的。觸發(fā)新的晶閘管時(shí)再讓電源恢復(fù)。直流回路的平波電抗器對電流斷續(xù)換相是十分不利的，因此必須在電抗器兩端并聯(lián)一個(gè)續(xù)流晶閘管，當(dāng)電流衰減時(shí)，觸發(fā)此晶閘管使之導(dǎo)通，使電抗器的能量得以釋放，以便不影響逆變器的斷流(圖3)。輸出濾波器換相式電流源型變頻器在一些調(diào)速范圍不大(比如60-100%)的場合還是應(yīng)用比較成功的。3負(fù)載換相式電流源型變頻器（LCI）負(fù)載換相式電流源型變頻器(LCI：LoadCommutatedInverter)，負(fù)載為同步電機(jī)，變頻器工作原理與輸出濾波器換相式電流源型變頻器有些類似，組成結(jié)構(gòu)見圖3。晶閘管的關(guān)斷主要靠同步電機(jī)定子交流反電勢自然完成，不需要強(qiáng)迫換相，逆變器晶閘管的換流與整流橋晶閘管的換流極其相似。變頻器的輸出頻率一般不是獨(dú)立調(diào)節(jié)的，而是依靠轉(zhuǎn)子位置檢測器得到的轉(zhuǎn)子位置信號按一定順序周期性地觸發(fā)逆變器中相應(yīng)的晶閘管，LCI這種“自控式”功能，保證變頻器的輸出頻率和電機(jī)轉(zhuǎn)速始終保持同步，不存在失步和振蕩現(xiàn)象。同步電機(jī)在整個(gè)調(diào)速范圍內(nèi)都必須提供超前的功率因數(shù)，以保證逆變器晶閘管的正常換相。電機(jī)必須有足夠的漏電感，以限制晶閘管的di/dt，電機(jī)也要能夠承受變頻器輸出的諧波電流，除了需要特殊的同步電機(jī)之外，LCI應(yīng)用是較為成功的。尤其是在一些超大容量的傳動(dòng)系統(tǒng)中，因?yàn)長CI無須強(qiáng)迫換流電路，結(jié)構(gòu)簡單，在大容量時(shí)只有晶閘管能夠提供所需的電壓和電流耐量，從電機(jī)角度來說，同步電機(jī)在大容量時(shí)，相對異步電機(jī)也有不少優(yōu)勢。現(xiàn)在，隨著大容量自關(guān)斷器件的應(yīng)用越來越廣泛，LCI應(yīng)用逐漸減少。變頻器輸出電流波形和輸入電流波形極為相似，呈120°方波狀，輸出電流中含有豐富的諧波成分，諧波電流會(huì)產(chǎn)生電機(jī)的附加發(fā)熱，也會(huì)產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。圖4為該變頻的輸出電壓，電流和轉(zhuǎn)矩。在起動(dòng)和低速時(shí)，電機(jī)反電勢很小，不足以保證安全換相，因此，一般也采取電流斷續(xù)換相法。LCI的一個(gè)主要缺點(diǎn)就是轉(zhuǎn)矩過載能量不強(qiáng)。過載能力不強(qiáng)是因?yàn)閾Q相造成的，為了保證利用反電勢換相的安全，要設(shè)置一定的換相提前角，比如空載換相提前角設(shè)為60°，這樣一來就導(dǎo)致平均轉(zhuǎn)矩下降且轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)增加。GTO－PWM式電流源型變頻器（二）GTO-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(gè)6000V的GTO串聯(lián)，作為一個(gè)開關(guān)使用，一共由18個(gè)GTO組成，GTO串聯(lián)時(shí)，同樣存在穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)均壓問題。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(dòng)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(gè)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(chǔ)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，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(shí)間，上升時(shí)間5us，存儲(chǔ)時(shí)間25us，下降時(shí)間3us，最小通態(tài)維持時(shí)間100us，最小斷態(tài)維持時(shí)間100us，開通每脈沖能耗，關(guān)斷每脈沖能耗16Ws。GTO的門極驅(qū)動(dòng)，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(dòng)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(gè)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(huì)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(shí)，輸出電流每個(gè)周期內(nèi)相應(yīng)的PWM波形個(gè)數(shù)較多，諧波消除會(huì)比較有效。但是，由于受到GTO開關(guān)頻率的限制，高速時(shí)諧波消除效果大大下降，圖6為該變頻器滿載時(shí)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(huì)相應(yīng)增加，一般很少采用。二、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(shí)，為了避免器件串聯(lián)引起的動(dòng)態(tài)均壓問題，同時(shí)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(NeturalPointClamped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(dòng)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，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(gè)3300V的IGBT串聯(lián)作為一個(gè)開關(guān)使用，一共使用24個(gè)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(dòng)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(dòng)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，其飽和壓降為左右，開通延遲時(shí)間370ns，上升時(shí)間250ns，關(guān)斷延遲時(shí)間1550ns，下降時(shí)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，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(integratedgate-commutatedthyristor)是由GCT(gatecommutatedturn-offthyristor)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/，但緩沖層會(huì)導(dǎo)致關(guān)斷時(shí)不能盡快抽走器件在通態(tài)時(shí)存儲(chǔ)的電荷，常規(guī)的GTO采用陽極短路技術(shù)，為存儲(chǔ)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(huì)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(chǔ)時(shí)間減少至1/20，后沿拖尾電流減小20倍。同時(shí)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(gè)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(dòng)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(shí)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pnpn四層結(jié)構(gòu)暫時(shí)變?yōu)閜np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(dòng)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(gè)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(shí)，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(shí)間小于2us，上升時(shí)間小于1us，關(guān)斷延遲時(shí)間小于6us，下降時(shí)間小于1us，最小通態(tài)維持時(shí)間10us，最小斷態(tài)維持時(shí)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，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(gè)增加到3個(gè)，線電壓電平數(shù)則由3個(gè)增加到5個(gè)，每個(gè)電平幅值相對降低，由整個(gè)直流母線電壓變?yōu)橐话氲闹绷髂妇€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(huì)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(dòng)態(tài)性能，當(dāng)然成本和復(fù)雜性也大大增加了。二、三電平變頻器原理（一）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(gè)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。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(shí)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(gè)器件同時(shí)導(dǎo)通或同時(shí)關(guān)斷，也就不存在動(dòng)態(tài)均壓問題。對于由三個(gè)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。采用中心點(diǎn)箝位方式使輸出增加了一個(gè)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(shí)該電路也用于限制短路時(shí)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(shí)采用，當(dāng)變壓器和變頻器一起放置時(shí)，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?yàn)楫?dāng)輸出設(shè)置濾波器時(shí)，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(huì)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(shí)，切斷短路電流，起到相當(dāng)于快