高壓IGBT變頻器及應(yīng)用
1 前言
電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)與控制理論的結(jié)合，有力地促進了交流變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展。近年來，具有驅(qū)動電路和保護功能的
智能IGBT的應(yīng)用使得變頻器結(jié)構(gòu)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(qū)動簡單、保護容易、不用緩沖電
路和開關(guān)頻率高等特點，鑒于此，開發(fā)高電壓、大電流、頻率高的高壓IGBT并將其應(yīng)用到變頻調(diào)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。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(yīng)用水平密切相關(guān)，隨著高電
壓、大電流IGBT的面世，給中壓變頻器注入了新的活力，德國西門子公司采用高壓IGBT(600A～1200A/3300V～6500V)、三電平技術(shù)開
發(fā)的SIMOVERTMV系列中壓變頻器已在國內(nèi)廣泛用于有色、冶金、電力、建材、自來水、石油化工等行業(yè)并得到用戶的認可，本文就第
四代IGBT的優(yōu)異性能，與GTO、IGCT等電力電子器件進行了比較，結(jié)合MV系列中壓變頻器的特點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(yīng)各種負載的需求，介紹了三電平有源前端（AFE）技術(shù)提供的四象限傳動方案，并提供眾多應(yīng)用
選型實例說明中壓變頻器的方案選擇與應(yīng)用效果。
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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(jié)構(gòu)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(gòu)成。
20世紀80年代可關(guān)斷晶閘管GTO的商品化促進了交流調(diào)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
，簡化了在交流電力機車中大量采用的逆變器電路，目前GTO的容量為6000A/6000V，在電力機車調(diào)速中大多采用（3000～4000）
A/4500V，中壓變頻器功率范圍多在（300～3500）kW以內(nèi)，屬于較小的功率范圍。GTO開關(guān)頻率較低，需要結(jié)構(gòu)復雜的緩沖電路和門
極觸發(fā)電路，用門極負電流脈沖關(guān)斷GTO，其值接近其陽極電流的1/3，如關(guān)斷3000A/4000V的GTO，需750A的門極負脈沖電流，其門極
觸發(fā)電路需要多個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，其開通時間為10μs，關(guān)斷時間約需20μs。
硬驅(qū)動GTO(IGCT)是關(guān)斷增益為1的GTO，GTO制造工藝上是由多個小的GTO單元并聯(lián)而成的，為解決關(guān)斷GTO時非均勻關(guān)斷和陰極
電流收縮效應(yīng)，縮短關(guān)斷時間，利用增加負門極電流上升率，在1μs內(nèi)使負門極電流上升到陽極電流的幅值而使GTO的門極－陰極迅
速恢復阻斷。將GTO外配MOSFET組成的門極驅(qū)動器組合成IGCT，實現(xiàn)了場控晶閘管的功能，IGCT使用過程中要求開通和關(guān)斷過程盡可
能短，目前IGCT的****水平為4000A/6000V，IGCT關(guān)斷過程中仍需要di/dt緩沖器以防過電壓，IGCT以GTO為基礎(chǔ)，其工作頻率應(yīng)在
1kHz以下。
隨著關(guān)斷能力和載流能力的提高，高壓IGBT以其自保護功能強，無需吸收電路而具有廣闊的應(yīng)用前景。西門子公司從1988年開
始研制和應(yīng)用低壓IGBT，在高壓IGBT的開發(fā)上也處于****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
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