21世紀變頻調速技術展望

21世紀變頻調速技術展望１前言現(xiàn)代變頻技術是交流電動機控制的核心技術，而變頻技術的核心是功率變換器件和微電子控制技術。電力電子和微電子技術的發(fā)展，推動了變頻技術的發(fā)展，反過來變頻技術的發(fā)展又對電力電子變換器件提出了新要求。２０世紀是電力電子變頻技術由誕生到發(fā)展的一個全盛時代。２０世紀３０年代應用機械旋轉式變頻機組，將工頻電源變換成低于工頻以下的電源，功率變換器件是原動機發(fā)電機機組，存在效率低、損耗大、噪聲大、體積大等問題。６０年代

ＳＣＲ(晶閘管)問世，７０年代晶閘管變頻器開始逐步取代變頻機組，進入了電力電子變頻技術時代，使變頻技術有了新發(fā)展。但由于晶閘管換向是靠外界電源自然換向或被強迫換向的，只能控制導通而不能直接控制關斷，因此需要復雜的換向電路和電壓、電流保護回路，控制復雜，開關頻率低，目前主要用于交交變頻器。

８０年代自關斷器件大功率雙極性晶體管

ＧＴＲ的問世，出現(xiàn)了高性能

ＧＴＲ變頻器，曾經紅過一陣，其性能大大優(yōu)于晶閘管變頻器，很快就在工業(yè)領域得到推廣應用。但由于ＧＴＲ、

ＧＴＯ(可關斷晶閘管

Ｇａｔｅ

Ｔｕｒｎ

Ｏｆｆ)為電流控制器件、存在驅動功率大、開關頻率不高、并聯(lián)困難等問題，影響實現(xiàn)大容量化及高頻低損耗。

用戶的高頻化要求推進了功率器件柵極的ＭＯＳ化，９０年代

ＭＯＳ場控型

ＩＧＢＴ(絕緣柵晶體管

Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ

Ｇａｔｅ

Ｂｉｐｏｌａｒ

Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ)廣泛用作變頻器的功率變換器件。它具有開關頻率高、并聯(lián)容易，容易實現(xiàn)高壓大容量化、控制方便的特點，所以一登場就體現(xiàn)了強大生命力，很快取代了

ＧＴＲ，其應用從通用變頻器(ＩＮＶ)、不間斷電源(ＵＰＳ)、數值控制(ＮＣ)、伺服(ＳＶ)、機器人，以至擴大到家用電器、辦公自動化、醫(yī)療器械、太陽能發(fā)電等所有領域。

ＩＧＢＴ變頻器已成為９０年代變頻調速技術的主流，在未來２１世紀相當長的一段時間內仍將是電氣傳動領域的主導變頻器。在２１世紀ＩＧＢＴ智能化模塊ＩＧＢＴ，ＩＰＭ及智能化變頻器將會有很大的發(fā)展。功率器件及變頻器的智能化是將功率變換、驅動、檢測、控制、保護等功能集成化，實現(xiàn)高效節(jié)能、多功能、高性能、高附加值化。

同時將研究開發(fā)新電力電子器件ＩＧＣＴ(集成門極強驅動晶閘管ＩｎｔｅｇｒａｔｅｄＧａｔｅＣｏｍｍｕｔａｔｅｄＴｈｙｒｉｓｔｏｒ)、ＭＣＴ(ＭＯＳ控制晶閘管ＭＯＳＣｏｎｔｒｏｌｌｅｄＴｈｙｒｉｓｔｏｒ)、ＩＥＧＴ(集成發(fā)射式門極晶閘管ＩｎｔｅｇｒａｔｅｄＥｍｉｔＧａｔｅＴｈｙｒｉｓｔｏｒ)、ＧａＡｓ(砷化嫁)、ＳｉＣ(碳化硅復合器件)、ＳＩＴＨ(靜電感應晶閘管ＳｔａｔｉｃＩｎｄｕｃｔＴｈｙｒｉｓｔｏｒ)、光控ＩＧＢＴ及超導功率器件等新功能功率變換器。

現(xiàn)在變頻裝置幾乎已實現(xiàn)了數字化控制，但控制技術的微電子數字化仍是今后的發(fā)展趨勢。變頻裝置的數字化技術是從８０年代中期開始逐步發(fā)展到１６位、３２位微處理器，目前普遍采用ＤＳＰ(Ｄｉｇｉｔａｌ

Ｓｉｇｎａｌ

Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ)高速數字信號處理器。隨著

ＩＧＢＴ等器件的高壓大容量，中、高壓大容量的變頻裝置也將會廣泛應用到各個領域。

２變頻裝置應用的電力電子器件發(fā)展狀況用于變頻裝置的代表性電力電子器件有ＩＧＢＴ、ＧＴＯ、ＳＣＲ、二極管等。２．１電力電子器件的發(fā)展電力電子器件發(fā)展狀況表略。６０年代晶閘管的出現(xiàn)開創(chuàng)了電力電子器件時代，晶閘管隨著直流傳動調速系統(tǒng)的發(fā)展而得到了發(fā)展。７０年代末ＧＴＲ和

ＧＴＯ電流控制型自關斷器件的出現(xiàn)，進入了第二代電力電子時代，自關斷器件和

ＰＷＭ控制技術相結合使變頻技術得到了很大發(fā)展。８０年代初開始應用于

ＰＷＭ(Ｐｕｌｓｅ

Ｗｉｄｔｈ

Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ)變頻器的直流電源，８０年代末應用于交交變頻器。９０年代末出現(xiàn)的高開關頻率低損耗的

ＭＯＳ電壓控制型ＩＧＢＴ及ＩＧＢＴ－ＩＰＭ模塊，使電力電子器件進入了第三代。ＩＧＢＴ仍將成為２１世紀初變頻裝置的主導功率變換器件。高頻化低損耗和高耐壓大容量器件是今后的研究開發(fā)方向。隨著新材料新功能等新概念功率器件的開發(fā)，在２１世紀將進入新一代電力電子時代。

２．２電力電子器件的現(xiàn)狀和動向

２．２．１晶閘管ＳＣＲＳＣＲ自１９６０年被發(fā)明以來，已經歷了近四十年的歷史。因其具有高成熟技術、高壓大容量、高可靠性、價格低廉等優(yōu)點，所以至今仍在直流傳動裝置，交交變頻裝置中廣泛應用，特別在高電壓和大電流領域使用更廣泛。目前大直徑芯片３英寸１５００Ａ／４５００Ｖ，４英寸２５００Ａ／６０００Ｖ，６英寸４０００Ａ／８０００Ｖ元件已實用化，我國３英寸元件技術己成熟，４英寸元件在研制中。今后將發(fā)展光控晶閘管，提高過電壓保護功能和降低功耗。由于晶閘管為電流控制，關斷不可控、開關頻率低、用于變頻裝置中輔助電路復雜，所以將逐步被ＩＧＢＴ、ＧＴＯ、ＭＣＴ等自關斷器件所取代。２．２．２可關斷晶閘管ＧＴＯ大容量ＧＴＯ是由數個小容量ＧＴＯ并聯(lián)組成。ＧＴＯ大容量化、低阻尼化的關鍵技術是提高各小容量單元的開關動作能力和各單元的均流技術。降低損耗的關鍵技術是改善開關動作損耗。目前３英寸３０００Ａ／４５００Ｖ，４英寸４０００Ａ／４５００Ｖ，６英寸６０００Ａ／６０００Ｖ己被實用化，國內尚無可以實用的ＧＴＯ元件。由于ＧＴＯ為電流控制型自關斷器件，存在電流驅動功率大，一般門極控制電流為主電流的４０％，驅動回路復雜、并聯(lián)困難、可靠性差、開關效率不高、開關損耗大、阻尼電路復雜。再加上目前尚沒有和驅動電路相匹配的功率變換器件，使用戶應用不方便。這是ＧＴＯ得不到廣泛應用的主要原因，也是今后的研究開發(fā)課題。ＧＴＯ目前主要在機車牽引驅動中應用較多，今后將逐步被ＩＧＢＴ、ＭＣＴ取代。２．２．３絕緣柵晶體管ＩＧＢＴＩＧＢＴ是采用

ＭＯＳＦＥＴ作輸入級，

ＧＴＲ作輸出級，集成在同一芯片上的復合器件，為場控型電壓驅動器件。它開關頻率高、芯片的電流密度大、元件并聯(lián)容易、容易實現(xiàn)耐高壓大容量化，在９０年代中期己被廣泛用于變頻裝置，替代ＳＣＲ、

ＧＴＲ、ＧＴＯ，占變頻裝置功率變換器件的主導地位。目前第三代

ＩＧＢＴ容量為１８００Ａ／２５００Ｖ，模塊１２００Ａ／１７００Ｖ，己被實用化。ＩＧＢＴ今后的發(fā)展動向：開發(fā)第四代

ＩＧＢＴ—ＩＧＢＴ－ＰＩＭ；增加并聯(lián)數以增大容量?鴉開發(fā)適用中、高電壓領域的２５００Ａ／３３００Ｖ和１２００Ａ／１７００Ｖ模塊；開發(fā)大功率平板型反向導通

ＩＧＢＴ以及光控ＩＧＢＴ；高頻低損耗化。

２．２．４絕緣功率模塊ＩＰＭ(ＩｎｓｕｌａｔｅｄＰｏｗｅｒＭｏｄｕｌｅ)電力電子器件的智能化是發(fā)展方向。智能化器件是將功率變換、驅動、檢測、保護、故障診斷等功能集成在一塊芯片上，構成一臺變頻器，也叫做單片變頻器。它具有元件數量少，更加小型輕量化，性能價格比高，不易損壞，安全可靠，不需對靜電采取對策，應用方便等特點。小容量

ＩＰＭ主要適用于家用電器、汽車驅動、辦公設備、醫(yī)療機械等領域。目前ＩＰＭ容量為１０００Ａ／１２００Ｖ，今后將發(fā)展

ＩＰＭ的并聯(lián)技術和封裝技術，實現(xiàn)高壓大容量化，擴大應用泛圍。

２．２．５ＭＣＴＭＣＴ為ＭＯＳ控制晶閘管的復合器件，實現(xiàn)了耐高壓大容量。但目前尚沒有應用實例，以后它在大容量應用領域將取代ＧＴＯ。２．２．６ＩＥＧＴ、ＩＧＣＴ、ＩＧＴＴ等復合器件這些器件將在２１世紀得到發(fā)展，在近幾年中在實用化方ｔｕｉ面不會有太大的進展。２．２．７概念電力電子器件２１世紀將會出現(xiàn)用Ｓｉ以外材料制成的新型功率變換器件，如ＳｉＣ、ＧａＡｓ、超導功率器件、光能功率器件。隨著新理論新材料新機理功率變換器件的問世，將會使功率變換器件進入新時代。２．２．８變頻技術對電力電子功率變換器件的要求靜止變頻技術的多功能高性能化在一定意義上說直接取決于功率變換器件的性能。從提高變頻裝置的性能出發(fā)提出以下要求：

·高載波頻率下的低開關損耗；·簡化阻尼電路設計，為防止短路時元件破壞，確保寬范圍反向偏壓安全動作區(qū)(陽ＳＯＡ)和短路安全動作區(qū)(ＳＣＳＯＡ)；·適應電磁感應ＥＭＩ(Ｅｌｅｃｔｒｏ，ＭａｇｎｅｔｉｃＩｎｔ—ｅｒｆｅｒｅｎｃｅ)規(guī)定的開發(fā)特性；·并聯(lián)容易，實現(xiàn)大容量化；·驅動電路簡單可靠，應用方便：·高性能、低成本；·超大規(guī)模集成電路化，實現(xiàn)功率變換、驅動、檢測、控制、保護一體化；·多功能智能化；·既導熱又絕緣、高耐壓、新材料、新工藝的封裝技術，接插技術直接焊接于印刷電路板。２．２．９常用電力電子變換器件的現(xiàn)狀和動向用表１說明變頻裝置常用電力電子器件的容量、２．２電力電子器件的現(xiàn)狀和動向２．２．１晶閘管ＳＣＲＳＣＲ自１９６０年被發(fā)明以來，已經歷了近四十年的歷史。因其具有高成熟技術、高壓大容量、高可靠性、價格低廉等優(yōu)點，所以至今仍在直流傳動裝置，交交變頻裝置中廣泛應用，特別在高電壓和大電流領域使用更廣泛。目前大直徑芯片３英寸１５００Ａ／４５００Ｖ，４英寸２５００Ａ／６０００Ｖ，６英寸４０００Ａ／８０００Ｖ元件已實用化，我國３英寸元件技術己成熟，４英寸元件在研制中。今后將發(fā)展光控晶閘管，提高過電壓保護功能和降低功耗。由于晶閘管為電流控制，關斷不可控、開關頻率低、用于變頻裝置中輔助電路復雜，所以將逐步被ＩＧＢＴ、ＧＴＯ、ＭＣＴ等自關斷器件所取代。２．２．２可關斷晶閘管ＧＴＯ大容量ＧＴＯ是由數個小容量ＧＴＯ并聯(lián)組成。ＧＴＯ大容量化、低阻尼化的關鍵技術是提高各小容量單元的開關動作能力和各單元的均流技術。降低損耗的關鍵技術是改善開關動作損耗。目前３英寸３０００Ａ／４５００Ｖ，４英寸４０００Ａ／４５００Ｖ，６英寸６０００Ａ／６０００Ｖ己被實用化，國內尚無可以實用的ＧＴＯ元件。由于ＧＴＯ為電流控制型自關斷器件，存在電流驅動功率大，一般門極控制電流為主電流的４０％，驅動回路復雜、并聯(lián)困難、可靠性差、開關效率不高、開關損耗大、阻尼電路復雜。再加上目前尚沒有和驅動電路相匹配的功率變換器件，使用戶應用不方便。這是ＧＴＯ得不到廣泛應用的主要原因，也是今后的研究開發(fā)課題。ＧＴＯ目前主要在機車牽引驅動中應用較多，今后將逐步被ＩＧＢＴ、ＭＣＴ取代。２．２．３絕緣柵晶體管ＩＧＢＴＩＧＢＴ是采用ＭＯＳＦＥＴ作輸入級，ＧＴＲ作輸出級，集成在同一芯片上的復合器件，為場控型電壓驅動器件。它開關頻率高、芯片的電流密度大、元件并聯(lián)容易、容易實現(xiàn)耐高壓大容量化，在９０年代中期己被廣泛用于變頻裝置，替代ＳＣＲ、ＧＴＲ、ＧＴＯ，占變頻裝置功率變換器件的主導地位。目前第三代ＩＧＢＴ容量為１８００Ａ／２５００Ｖ，模塊１２００Ａ／１７００Ｖ，己被實用化。ＩＧＢＴ今后的發(fā)展動向：開發(fā)第四代ＩＧＢＴ—ＩＧＢＴ－ＰＩＭ；增加并聯(lián)數以增大容量?鴉開發(fā)適用中、高電壓領域的２５００Ａ／３３００Ｖ和１２００Ａ／１７００Ｖ模塊；開發(fā)大功率平板型反向導通ＩＧＢＴ以及光控ＩＧＢＴ；高頻低損耗化。２．２．４絕緣功率模塊ＩＰＭ(ＩｎｓｕｌａｔｅｄＰｏｗｅｒＭｏｄｕｌｅ)電力電子器件的智能化是發(fā)展方向。智能化器件是將功率變換、驅動、檢測、保護、故障診斷等功能集成在一塊芯片上，構成一臺變頻器，也叫做單片變頻器。它具有元件數量少，更加小型輕量化，性能價格比高，不易損壞，安全可靠，不需對靜電采取對策，應用方便等特點。小容量

ＩＰＭ主要適用于家用電器、汽車驅動、辦公設備、醫(yī)療機械等領域。目前ＩＰＭ容量為１０００Ａ／１２００Ｖ，今后將發(fā)展

ＩＰＭ的并聯(lián)技術和封裝技術，實現(xiàn)高壓大容量化，擴大應用泛圍。圖

開關頻率、應用范圍的現(xiàn)狀和動向。３靜止變頻裝置的發(fā)展靜止變頻裝置經過２０多年的發(fā)展，己從第一代晶閘管變頻器為模擬系統(tǒng)

Ｖ／Ｆ控制、第二代晶體管變頻器為ＰＷＭ矢量控制發(fā)展到第三代ＩＧＢＴ變頻器為全數字化矢量控制。目前低壓變頻器技術己進入了成熟期，正在普遍推廣應用，己由開始以局部節(jié)能為目的而轉向全面替代直流電動機調速傳動的昌盛時期。

３．１靜止變頻器分類和特點靜止變頻器主要用于驅動各類交流電動機，目前應用最為廣泛的是電壓型ＰＷＭ變頻器和交交變頻器。典型靜止變頻器性能表略，介紹了幾種典型的靜止變頻器特點，其中ＩＭ為感應電機，ＳＭ為同步電機。３．１．１交交變頻器交交變頻器為直接變頻，靠電源自然換流無需換流電路。它具有效率高，耐過負荷能力大，輸出電壓、電流為正弦波，技術成熟，可靠，功率變換器件可用普通晶閘管的特點。目前軋機主機傳動已用６０００Ｖ／２５００Ａ晶閘管構成７２橋臂交交變頻器，可驅動１００００ｋＷ、６０００Ｖ感應電動機或同步電動機，裝置效率可達Ｏ．９９以上。交交變頻器控制方式可分為無環(huán)流控制和環(huán)流控制。無環(huán)流交交變頻器控制簡單，但其輸出頻率理論上最高為電源頻率的三分之一，使應用受到限制，而且正、反切換存在死區(qū)。