關(guān)于中、高壓變頻器的一些知識-模擬電子
摘要：中、高壓變頻器主電路不像低壓變頻器那樣，至今還沒有統(tǒng)一的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，它們從功率開關(guān)器件，到整流器和逆變器都有多種形式，介紹了這些方面的知識，以供選用時進(jìn)行分析比較。關(guān)鍵詞：高壓變頻器；集成門極換相晶閘管；三電平；多重化；PWM整流器
在低壓變頻調(diào)速完全成熟、并獲得廣泛應(yīng)用之后，現(xiàn)在不少廠家對中、高壓電機(jī)采用變頻調(diào)速正在躍躍欲試，猶如十多年前開始推廣應(yīng)用低壓變頻調(diào)速的情勢一樣（在電氣傳動領(lǐng)域，將2.3～10kV習(xí)慣上稱作高壓，而與電網(wǎng)電壓相比，只能算作中壓）。然而不像是低壓變頻器，無論哪種產(chǎn)品，它們的主電路形式基本相同，而中、高壓變頻器則到目前為止，還沒有近乎統(tǒng)一的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。為此，本文就目前中、高壓變頻器的有關(guān)知識作些闡述和介紹，以供選用時進(jìn)行分析比較。 1功率開關(guān)器件
中、高壓變頻器首先依賴于高電壓、大電流的電力電子器件。目前應(yīng)用于中、高壓變頻器的電力電子器件主要有下列幾種。
11GTO門極可關(guān)斷（GTO）晶閘管是目前能承受電壓最高和流過電流最大的全控型（亦稱自關(guān)斷）器件。它能由門極控制導(dǎo)通和關(guān)斷，具有電流密度大、管壓降低、導(dǎo)通損耗小、dv/dt耐量高等突出優(yōu)點(diǎn)，目前已達(dá)6kV/6kA的生產(chǎn)水平，最適合大功率應(yīng)用。但是GTO有不足之處，那就是門極為電流控制，驅(qū)動電路復(fù)雜，驅(qū)動功率大（關(guān)斷增益β=3～5）；關(guān)斷過程中內(nèi)部成百甚至上千個GTO元胞不均勻性引起陰極電流收縮（擠流）效應(yīng)，必須限制dv/dt。為此需要緩沖電路（亦稱吸收電路），而緩沖電路既增大體積、重量、成本，又徒然增加損耗。另外，“拖尾”電流使關(guān)斷損耗大，因而開關(guān)頻率低。
12IGBT絕緣柵雙極晶體管（IGBT）是后起之秀，它是一種復(fù)合型全控器件，具有MOSFET（輸入阻抗高、開關(guān)速度快）和GTR（耐壓高、電流密度大）二者的優(yōu)點(diǎn)。柵極為電壓控制，驅(qū)動功率?。婚_關(guān)損耗小，工作頻率高；沒有二次擊穿，不需緩沖電路；是目前中等功率電力電子裝置中的主流器件。除低壓IGBT（1700V/1200A）外，已開發(fā)出高壓IGBT，可達(dá)3.3kV/1.2kA或4.5kV/0.9kA的水平。IGBT的不足之處是，高壓IGBT內(nèi)阻大，因而導(dǎo)通損耗大；低壓IGBT用于高壓需多個串聯(lián)。
13IGCT和SGCT
在GTO的基礎(chǔ)上，近年開發(fā)出一種門極換流晶閘管（GCT），它采用了一些新技術(shù)，如：穿透型陽極，使電荷存儲時間和拖尾電流減小，制約了二次擊穿，可無緩沖器運(yùn)行；加N緩沖層，使硅片厚度以及通態(tài)
(d)輸出電流
(a)電壓型(b)電流型
(c)輸出電壓
圖1交直交單相逆變器主電路及其輸出波形
損耗和開關(guān)損耗減少；特殊的環(huán)狀門極，使器件開通時間縮短且串、并聯(lián)容易。因此，GCT除有GTO高電壓、大電流、低導(dǎo)通壓降的優(yōu)點(diǎn)，又改善了其開通和關(guān)斷性能，使工作頻率有所提高。
為了盡快（例如1μs內(nèi)）將器件關(guān)斷，要求在門極PN不致?lián)舸┑模?0V下能獲得快于4000A/μs的變化率，以使陽極電流全部經(jīng)門極極快泄流（即關(guān)斷增益為1），必須采用低電感觸發(fā)電路（例如門極電路最大電lt;5nH）。為此，將這種門極電路配以MOSFET強(qiáng)驅(qū)動與GCT功率組件集成在一起，構(gòu)成集成門極換流晶閘管（IGCT）。其改進(jìn)形式之一則稱為對稱門極換流晶閘管（SGCT）。兩者具有相似的特性。IGCT還可將續(xù)流二極管做在同一芯片上集成逆導(dǎo)型，可使裝置中器件數(shù)量減少。
表1為GTO、IGCT、IGBT一些能數(shù)的比較?？梢钥闯觯?kHz以下，IGCT有一定優(yōu)點(diǎn)；在較高工作頻率下，高壓IGBT更具優(yōu)勢。
表1GTO、IGCT、IGBT參數(shù)比較器件GTOIGCTIGBT
通態(tài)壓降/V3.21.93.4
門極驅(qū)動功率/W80151.5
存儲時間/μs201～3.40.9
尾部電流時間/μs1500.70.15
工作頻率/kHz0.5120
除上述三種器件外，現(xiàn)在還在開發(fā)一些新器件，例如新型大功率IGBT模塊——“注入增強(qiáng)柵極晶體管”（IEGT），它兼有IGBT和GTO二者優(yōu)點(diǎn)，即開關(guān)特性相當(dāng)于IGBT，工作頻率高，柵極驅(qū)動功率小（比GTO小二個數(shù)量級）；而由于電子發(fā)射區(qū)注入增強(qiáng)，使器件的飽和壓降進(jìn)一步減小；功率相同時，緩沖電路的容量為GTO的1/10，安全工作區(qū)寬。現(xiàn)已有4.5kV/1kA的器件，可望在高頻下獲得應(yīng)用。
2逆變器主電路
21逆變器的兩種型式
交直交變頻器依據(jù)直流電路濾波及緩沖無功能量所采用的元件不同而分為電壓（源）型（VSI）和電流（源）型（CSI）。前者采用電容濾波〔見圖1（a）〕，直流電路的電壓波形比較平直，輸出阻抗小，電壓不易突變；交流輸出為方波電壓或方波電壓序列，電流經(jīng)過電動機(jī)繞組的濾波后接近于正弦波。后者采用電感濾波〔見圖1(b)〕，直流電路的電流波形比較平直，輸出阻抗大，電流不易突變；交流輸出為方波電流，電壓由輸出電流及負(fù)載決定。
電壓型變頻器直流電路由于存在有極性的大電容，不允許直流電壓反向，整流器因其單向?qū)щ娦?，電流也不能反向，無法通過它回饋能量，電動機(jī)如欲再生制動，必須另外反并聯(lián)一套相控整流器，如圖2(a）和圖2(b）所示，所以適用于風(fēng)機(jī)、水泵等不可逆?zhèn)鲃?。電流型變頻器直流電路接的是大電感，雖電流方向不變，但允許電壓反向，可以通過觸發(fā)控制角α和β改變逆變器和可控整流器的電壓極性來回饋能量，電動機(jī)能方便地實(shí)現(xiàn)再生制動，如圖2（c)和圖2(d)所示，
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