高压IGBT变频器及应用

1前言

电力电子技术、微电子技术与控制理论的结合，有力地促进了交流变频调速技术的发展。近年来，具有驱动电路和保护功能的智能IGBT的应用使得变频器结构更加紧凑且可靠。与其它电力电子器件相比，IGBT具有高可靠性、驱动简单、保护容易、不用缓冲电路和开关频率高等特点，鉴于此，开发高电压、大电流、频率高的高压IGBT并将其应用到变频调速器中以获得输出电压等级更高的装置成为人们关注的焦点。中压变频器的研发与电力电子器件如高压IGBT、GTO、IGCT等器件研制水平和应用水平密切相关，随着高电压、大电流IGBT的面世，给中压变频器注入了新的活力，德国西门子公司采用高压IGBT(600A～1200A/3300V～6500V)、三电平技术开发的SIMOVERTMV系列中压变频器已在国内广泛用于有色、冶金、电力、建材、自来水、石油化工等行业并得到用户的认可，本文就第四代IGBT的优异性能，与GTO、IGCT等电力电子器件进行了比较，结合MV系列中压变频器的特点论述了采用三电平技术获得优良的输出电压特性，采用模块化技术以适应各种负载的需求，介绍了三电平有源前端（AFE）技术提供的四象限传动方案，并提供众多应用选型实例说明中压变频器的方案选择与应用效果。

2中压变频器用电力电子器件的比较

电力电子器件的发展经历了晶闸管(SCR)、可关断晶闸管(GTO)、大功率晶体管(GTR)、绝缘栅晶体管(IGBT)等阶段，目前，常压变频器基本上采用IGBT组成逆变电路，中压变频器中由于电路结构的不同，交—直—交变频器中逆变电路基本上由高压IGBT、GTO、IGCT等组成，单元串联多电平变频器和中—低—中变频器型多采用低压IGBT构成。

20世纪80年代可关断晶闸管GTO的商品化促进了交流调速技术的发展，与SCR相比其属于自关断器件，由于取消了强迫换流电路，简化了在交流电力机车中大量采用的逆变器电路，目前GTO的容量为6000A/6000V，在电力机车调速中大多采用（3000～4000）A/4500V，中压变频器功率范围多在（300～3500）kW以内，属于较小的功率范围。GTO开关频率较低，需要结构复杂的缓冲电路和门极触发电路，用门极负电流脉冲关断GTO，其值接近其阳极电流的1/3，如关断3000A/4000V的GTO，需750A的门极负脉冲电流，其门极触发电路需要多个MOSFET并联的低电感电路，而同样的高压IGBT仅需5A的导通和关断电流。GTO的工作频率低于500Hz，以1500A/4500V的GTO为例，其开通时间为10μs，关断时间约需20μs。

硬驱动GTO(IGCT)是关断增益为1的GTO，GTO制造工艺上是由多个小的GTO单元并联而成的，为解决关断GTO时非均匀关断和阴极电流收缩效应，缩短关断时间，利用增加负门极电流上升率，在1μs内使负门极电流上升到阳极电流的幅值而使GTO的门极－阴极迅速恢复阻断。将GTO外配MOSFET组成的门极驱动器组合成IGCT，实现了场控晶闸管的功能，IGCT使用过程中要求开通和关断过程尽可能短，目前IGCT的最高水平为4000A/6000V，IGCT关断过程中仍需要di/dt缓冲器以防过电压，IGCT以GTO为基础，其工作频率应在1kHz以下。

图112脉波二极管整流输入采用高压IGBT的三电平MV装置

图2MV输出电压和输出电流波形(典型的基波电流系数gi=99％)

随着关断能力和载流能力的提高，高压IGBT以其自保护功能强，无需吸收电路而具有广阔的应用前景。西门子公司从1988年开始研制和应用低压IGBT，在高压IGBT的开发上也处于领先地位，以目前用于MV系列的1200A/3300VIGBT为例，其栅极发射极电压仅为15V，触发功率低，关断损耗小，di/dt、dv/dt都得到了有效控制，目前高压IGBT的研制水平为(600～1200)A/6500V，其工作频率为（18～20）kHz。

3高压IGBT中压变频器的特点

SIMOVERTMV系列中压变频器采用了实践证明具有优秀性能的矢量转换磁场定向控制原理，即优化的空间矢量和脉宽调制模式，应用高压IGBT和三电平技术而获得了优良的输出电压特性。在设计上充分考虑了各种负载情况，能适应风机、泵类，挤压机，提升机，皮带机，活塞式压缩机，卷取机，开卷机等各种应用。应用模块化技术优化传动装置，可采用12或24脉波二极管整流器，或输入端采用有源前端都可以获得高动态性能、高可靠性和最佳的性能价格比。

目前1500kVA以下电压源型变频器基本上采用二电平电路结构，将中间直流电路的正极电位或负极电位接到电机上去。为满足变频器容量和输出电压等级的需求，并降低谐波及dv/dt，出现了采用GTO或高压IGBT的三电平变频器，将中间直流电路正极电位、负极电位及中点电位送到电机上去。与二电平变频器相比，其输出波形谐波较小，降低了损耗，同时使功率器件耐压降低一半。西门子公司采用高压IGBT、三电平技术开发成功MV系列中压变频器，其逆变器电路在3300V、4160V等级仅需12或24个器件，无须缓冲电路，结构紧凑，提高了可靠性和整体效率。其主电路如图1所示，其输出电压、电流波形如图2所示。

MV系列变频器采用模块化技术，对各种传动应用提供全面的解决方案，为满足再生制动，提供了有源前端技术，即从电网向AFE输入正弦波交流电，经整流后输出直流电压，并保持所要求的电压值，滤波电路保证从电网汲取及反馈回电网的只有正弦波电压或电流。