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高压变频器教程(二) |
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在起动和低速时，电机反电势很小，不足以保证安全换相，因此，一般也采取电
流断续换相法。
LCI 的一个主要缺点就是转矩过载能量不强。过载能力不强是因为换相造成的，
为了保证利用反电势换相的安全，要设置一定的换相提前角，比如空载换相提前角设
为 60°，这样一来就导致平均转矩下降且转矩脉动增加。
1.2 GTO－PWM 式电流源型变频器
GTO-PWM 式电流源型变频器采用 GTO 作为逆变部分功率器件，见图 5。GTO 可以通
过门极进行关断，所以它不象晶闸管那样需要用于**关断的换流电路，可使主电路
结构简化。对于额定电压为交流 6KV 的变频器，逆变器侧可采用每三个 6000V 的 GTO
串联，作为一个开关使用，一共由 18 个 GTO 组成，GTO 串联时，同样存在稳态和动态
均压问题。
图 5 GTO-PWM 式电流源型变频器
GTO 是在晶闸管基础上发展起来的全控型电力电子器件，目前的电压电流等级可
达 6000V，6000A。GTO 开关速度较低，损耗大，需要庞大的缓冲电路和门极驱动电
路，增加系统的复杂性和成本，使其应用受到限制。GTO 中数千只独立的开关单元做
在一个硅片上，由于开关不均匀，需要缓冲电路来维持工作，以限制器件承受的
dv/dt，缓冲电路一般采用 RCD 型结构，二极管和电容必须有与 GTO 相同的耐压等级，
二极管要求用快恢复二极管。缓冲电路的损耗产生热量，影响器件的可靠运行，并且
影响变频器的效率。为了降低损耗，也有采取能量回馈型缓冲电路的方案，通过
DC/DC 变换电路把缓冲电容中储存的能量返回到中间直流环节，但增加了装置的复杂
性。GTO 的开关频率较低，一般在几百赫兹，比如 300HZ。
以 6000V，3000A(最大可关断阳极电流值)的 GTO 为例，通态平均电流为 1030A，
通态压降 3.5V，门极开通触发电流 1A，通态阳极电流上升率 400A/us(f=200HZ 条件
下)，滞后时间 2.5us，上升时间 5us，存储时间 25us，下降时间 3us，最小通态维持
时间 100us，最小断态维持时间 100us，开通每脉冲能耗 2.5Ws，关断每脉冲能耗
16Ws。GTO 的门极驱动，除了需要晶闸管一样的导通触发脉冲外，还需要提供相当大
的的反向关断电流，上述 GTO 的门极峰值关断电流就达 900A，所以 GTO 的门极驱动峰
值功率非常大。
与输出滤波器换相式电流源型变频器相比，GTO-PWM 式电流源型变频器输出滤波
电容的容量可以大大降低，但不能省去。因为电机可近看作漏电感再加一个旋转反电
势组成。电流源型变频器的输出电流幅值是由整流电路的电流环决定的。在换流过程
中，由于流过电机电感的电流不能突变，所以必须有电容缓冲变频器输出电流和电机
绕组电流的差值。电容容量的选择取决于换流过程中允许产生尖峰电压的大小。由于
输出电容的容量比起输出滤波器换相式电流源型变频器大大下降了,电容的滤波效果也
跟着下降，输出电流波形的质量也会下降。电机电流质量的提高可以通过 GTO 采用谐
波消除的电流 PWM 开关模式来实现。在低频时，输出电流每个周期内相应的 PWM 波形
个数较多，谐波消除会比较有效。但是，由于受到 GTO 开关频率的限制，高速时谐波
消除效果大大下降，图 6 为该变频器满载时输出电压电流波形。若整流电路也采用
GTO 作电流 PWM 控制，可以得到较低的输入谐波电流和较高的输入功率因数，当然系
统的复杂性和成本也会相应增加，一般很少采用。
图 6 GTO-PWM 电流源型变频器输出波形
2 三电平 PWM 电压源型变频器
在 PWM 电压源型变频器中，当输出电压较高时，为了避免器件串联引起的动态均
压问题，同时降低输出谐波和 dv/dt，逆变器部分可以采用三电平方式，也称
NPC(Netural Point Clamped 中心点箝位)方式，如图 7。逆变部分功率器件可采用
GTO，IGBT 或 IGCT。
图 7 三电平逆变器主电路结构
IGBT 广泛应用在各种电压源型 PWM 变频器中，具有开关快，损耗小，缓冲及门极
驱动电路简单等优点，但电压电流等级受到导通压降限制。IGBT 目前做到 3300V，
1200A。3300V 的 IGBT 组成三电平变频器，输出交流电压最高为 2.3KV，若要求更高等
级输出电压，必须采取器件直接串联，比如用 2 个 3300V 的 IGBT 串联作为一个开关使
用，一共使用 24 个 3300V 的 IGBT，组成三电平变频器，可做成 4160V 输出电压等级
的变频器。器件直接串联就带来稳态和动态的均压问题，这样就失去了三电平变频器
本身不存在动态均压问题的优点，所以一般很少采用。
以 3300V，1200A 的 IGBT 模块为例，其饱和压降为 3.4V 左右，开通延迟时间
370ns，上升时间 250ns，关断延迟时间 1550ns，下降时间 200ns，开通每脉冲损耗
2880mWs，关断每脉冲损耗 1530mWs。集成在模块内的反并联续流二极管，正向压降
2.8V，峰值反向恢复电流 1320A，反向恢复电荷 740uAs。
集成门极换流晶闸管 IGCT(integrated gate-commutated thyristor)是由
GCT(gate commutated turn-off thyristor)和其门极控制电路集中成一体化的组件。
GCT 是在 GTO 基础上发展起来的新器件，它保留了 GTO 高电压，大电流，低导通压降
的优点，又改善了其开关性能。GCT 采用了缓冲层设计，它使器件的通态和开关损耗
可减少到原来的 1/2-1/2.5，但缓冲层会导致关断时不能尽快抽走器件在通态时存储
的电荷，常规的 GTO 采用阳极短路技术，为存储电荷的抽走提供一条通路，但阳极短
路和缓冲层的结合会导致极高的触发电流和维持电流。GCT 取消阳极短路，而将阳极
做成可穿透型，这样，电荷存储时间减少至 1/20，后沿拖尾电流减小 20 倍。同时还
能在同样阻断电压条件下，减少芯片厚度 30%，使得导通压降进一步降低。GTO 有两个
稳定工作状态“通”和“断”，在它们之间(开断过程中)是不稳定状态。GCT 采用一
种新的低电感的驱动电路，在门极−20V 偏置情况下，可获得 4000A/us 电流变化率，
使得在大约 1us 时间内，阳极电压开始上升前，将全部阳极电流经门极流出，不通过
阴极，晶闸管的 p−n−p−n 四层结构暂时变为 p−n−p 晶体管的三层结构，有了稳定的中
间状态，一致性好，据称可以无缓冲电路运行。由于 GCT 硅片厚度减少，允许在同一
GCT 片上做出高效的反并联续流二极管。GCT 的门极关断峰值电流非常大，驱动电路需
要相当容量的 MOSFET 和相当数量的电解电容及其它元件组成，电路非常复杂，要求很
高，所以一般由 GCT 生产厂家把门极触发及状态**电路和 GCT 管芯，甚至反并联续
流二极管做成一个整体，成为 IGCT，通过光纤输入触发信号，输出工作状态信号。
IGCT 作为一种新的电力电子器件，刚刚开始工业应用，其实际性能如何，还有待于现
场应用的**。
目前 IGCT 最大容量为：反向阻断型：4500V，4000A，逆导型：5500V，1800A。
用于三电平逆变器时，输出最高交流电压为 4160V，如要求更高的输出电压，比如 6KV
交流输出，只能采取器件直接串联。
以 5500V，1800A(最大可关断阳极电流值)的逆导型 IGCT 为例，通态平均电流为
700A，通态压降为 3V，通态阳极电流上升率 530A/us，导通延迟时间小于 2us，上升
时间小于 1us，关断延迟时间小于 6us，下降时间小于 1us，最小通态维持时间 10us，
最小断态维持时间 10us，导通每脉冲能耗小于 1J，关断每脉冲能耗小于 10J。内部集
成的反并联续流二极管(快恢复二极管)，通态平均电流 290A，通态压降 5.2V，反向恢
复电流变化率小于 530A/us，反向恢复电流小于 780A。
文章源地址：http://www.bp7.cn/bbs/viewthread.php?tid=60&extra=page%3D1
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