高壓IGBT變頻器及應用

1前言

電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)與控制理論的結合，有力地促進(jìn)了交流變頻調速技術(shù)的發(fā)展。近年來(lái)，具有驅動(dòng)電路和保護功能的智能IGBT的應用使得變頻器結構更加緊湊且可靠。與其它電力電子器件相比，IGBT具有高可靠性、驅動(dòng)簡(jiǎn)單、保護容易、不用緩沖電路和開(kāi)關(guān)頻率高等特點(diǎn)，鑒于此，開(kāi)發(fā)高電壓、大電流、頻率高的高壓IGBT并將其應用到變頻調速器中以獲得輸出電壓等級更高的裝置成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。中壓變頻器的研發(fā)與電力電子器件如高壓IGBT、GTO、IGCT等器件研制水平和應用水平密切相關(guān)，隨著(zhù)高電壓、大電流IGBT的面世，給中壓變頻器注入了新的活力，德國西門(mén)子公司采用高壓IGBT(600A～1200A/3300V～6500V)、三電平技術(shù)開(kāi)發(fā)的SIMOVERTMV系列中壓變頻器已在國內廣泛用于有色、冶金、電力、建材、自來(lái)水、石油化工等行業(yè)并得到用戶(hù)的認可，本文就第四代IGBT的優(yōu)異性能，與GTO、IGCT等電力電子器件進(jìn)行了比較，結合MV系列中壓變頻器的特點(diǎn)論述了采用三電平技術(shù)獲得優(yōu)良的輸出電壓特性，采用模塊化技術(shù)以適應各種負載的需求，介紹了三電平有源前端（AFE）技術(shù)提供的四象限傳動(dòng)方案，并提供眾多應用選型實(shí)例說(shuō)明中壓變頻器的方案選擇與應用效果。

2中壓變頻器用電力電子器件的比較

電力電子器件的發(fā)展經(jīng)歷了晶閘管(SCR)、可關(guān)斷晶閘管(GTO)、大功率晶體管(GTR)、絕緣柵晶體管(IGBT)等階段，目前，常壓變頻器基本上采用IGBT組成逆變電路，中壓變頻器中由于電路結構的不同，交—直—交變頻器中逆變電路基本上由高壓IGBT、GTO、IGCT等組成，單元串聯(lián)多電平變頻器和中—低—中變頻器型多采用低壓IGBT構成。

20世紀80年代可關(guān)斷晶閘管GTO的商品化促進(jìn)了交流調速技術(shù)的發(fā)展，與SCR相比其屬于自關(guān)斷器件，由于取消了強迫換流電路，簡(jiǎn)化了在交流電力機車(chē)中大量采用的逆變器電路，目前GTO的容量為6000A/6000V，在電力機車(chē)調速中大多采用（3000～4000）A/4500V，中壓變頻器功率范圍多在（300～3500）kW以?xún)?，屬于較小的功率范圍。GTO開(kāi)關(guān)頻率較低，需要結構復雜的緩沖電路和門(mén)極觸發(fā)電路，用門(mén)極負電流脈沖關(guān)斷GTO，其值接近其陽(yáng)極電流的1/3，如關(guān)斷3000A/4000V的GTO，需750A的門(mén)極負脈沖電流，其門(mén)極觸發(fā)電路需要多個(gè)MOSFET并聯(lián)的低電感電路，而同樣的高壓IGBT僅需5A的導通和關(guān)斷電流。GTO的工作頻率低于500Hz，以1500A/4500V的GTO為例，其開(kāi)通時(shí)間為10μs，關(guān)斷時(shí)間約需20μs。

硬驅動(dòng)GTO(IGCT)是關(guān)斷增益為1的GTO，GTO制造工藝上是由多個(gè)小的GTO單元并聯(lián)而成的，為解決關(guān)斷GTO時(shí)非均勻關(guān)斷和陰極電流收縮效應，縮短關(guān)斷時(shí)間，利用增加負門(mén)極電流上升率，在1μs內使負門(mén)極電流上升到陽(yáng)極電流的幅值而使GTO的門(mén)極－陰極迅速恢復阻斷。將GTO外配MOSFET組成的門(mén)極驅動(dòng)器組合成IGCT，實(shí)現了場(chǎng)控晶閘管的功能，IGCT使用過(guò)程中要求開(kāi)通和關(guān)斷過(guò)程盡可能短，目前IGCT的最高水平為4000A/6000V，IGCT關(guān)斷過(guò)程中仍需要di/dt緩沖器以防過(guò)電壓，IGCT以GTO為基礎，其工作頻率應在1kHz以下。

圖112脈波二極管整流輸入采用高壓IGBT的三電平MV裝置

圖2MV輸出電壓和輸出電流波形(典型的基波電流系數gi=99％)

隨著(zhù)關(guān)斷能力和載流能力的提高，高壓IGBT以其自保護功能強，無(wú)需吸收電路而具有廣闊的應用前景。西門(mén)子公司從1988年開(kāi)始研制和應用低壓IGBT，在高壓IGBT的開(kāi)發(fā)上也處于領(lǐng)先地位，以目前用于MV系列的1200A/3300VIGBT為例，其柵極發(fā)射極電壓僅為15V，觸發(fā)功率低，關(guān)斷損耗小，di/dt、dv/dt都得到了有效控制，目前高壓IGBT的研制水平為(600～1200)A/6500V，其工作頻率為（18～20）kHz。

3高壓IGBT中壓變頻器的特點(diǎn)

SIMOVERTMV系列中壓變頻器采用了實(shí)踐證明具有優(yōu)秀性能的矢量轉換磁場(chǎng)定向控制原理，即優(yōu)化的空間矢量和脈寬調制模式，應用高壓IGBT和三電平技術(shù)而獲得了優(yōu)良的輸出電壓特性。在設計上充分考慮了各種負載情況，能適應風(fēng)機、泵類(lèi)，擠壓機，提升機，皮帶機，活塞式壓縮機，卷取機，開(kāi)卷機等各種應用。應用模塊化技術(shù)優(yōu)化傳動(dòng)裝置，可采用12或24脈波二極管整流器，或輸入端采用有源前端都可以獲得高動(dòng)態(tài)性能、高可靠性和最佳的性能價(jià)格比。

目前1500kVA以下電壓源型變頻器基本上采用二電平電路結構，將中間直流電路的正極電位或負極電位接到電機上去。為滿(mǎn)足變頻器容量和輸出電壓等級的需求，并降低諧波及dv/dt，出現了采用GTO或高壓IGBT的三電平變頻器，將中間直流電路正極電位、負極電位及中點(diǎn)電位送到電機上去。與二電平變頻器相比，其輸出波形諧波較小，降低了損耗，同時(shí)使功率器件耐壓降低一半。西門(mén)子公司采用高壓IGBT、三電平技術(shù)開(kāi)發(fā)成功MV系列中壓變頻器，其逆變器電路在3300V、4160V等級僅需12或24個(gè)器件，無(wú)須緩沖電路，結構緊湊，提高了可靠性和整體效率。其主電路如圖1所示，其輸出電壓、電流波形如圖2所示。

MV系列變頻器采用模塊化技術(shù)，對各種傳動(dòng)應用提供全面的解決方案，為滿(mǎn)足再生制動(dòng)，提供了有源前端技術(shù)，即從電網(wǎng)向AFE輸入正弦波交流電，經(jīng)整流后輸出直流電壓，并保持所要求的電壓值，濾波電路保證從電網(wǎng)汲取及反饋回電網(wǎng)的只有正弦波電壓或電流。