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(jìn)了交流變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展。近年來，具有驅(qū)動(dòng)電路和保護(hù)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(dòng)簡(jiǎn)單、保護(hù)容易、不用緩沖電路和開關(guān)頻率高等特點(diǎn)，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(jí)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(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(guó)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(guó)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(rèn)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(jié)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(yīng)各種負(fù)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(yīng)用選型實(shí)例說明中壓變頻器的方案選擇與應(yīng)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(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(jì)80年代可關(guān)斷晶閘管GTO的商品化促進(jìn)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(qiáng)迫換流電路，簡(jiǎn)化了在交流電力機(jī)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(jī)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(fù)雜的緩沖電路和門極觸發(fā)電路，用門極負(fù)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(fù)脈沖電流，其門極觸發(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(dǎo)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(shí)間為10μs，關(guān)斷時(shí)間約需20μs。

硬驅(qū)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(yīng)，縮短關(guān)斷時(shí)間，利用增加負(fù)門極電流上升率，在1μs內(nèi)使負(fù)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(fù)阻斷。將GTO外配MOSFET組成的門極驅(qū)動(dòng)器組合成IGCT，實(shí)現(xiàn)了場(chǎng)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的最高水平為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。

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(shù)gi=99％)

隨著關(guān)斷能力和載流能力的提高，高壓IGBT以其自保護(hù)功能強(qiáng)，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(zhuǎn)換磁場(chǎng)定向控制原理，即優(yōu)化的空間矢量和脈寬調(diào)制模式，應(yīng)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(shè)計(jì)上充分考慮了各種負(fù)載情況，能適應(yīng)風(fēng)機(jī)、泵類，擠壓機(jī)，提升機(jī)，皮帶機(jī)，活塞式壓縮機(jī)，卷取機(jī)，開卷機(jī)等各種應(yīng)用。應(yīng)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(jié)構(gòu)，將中間直流電路的正極電位或負(fù)極電位接到電機(jī)上去。為滿足變頻器容量和輸出電壓等級(jí)的需求，并降低諧波及dv/dt，出現(xiàn)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(fù)極電位及中點(diǎn)電位送到電機(jī)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。西門子公司采用高壓IGBT、三電平技術(shù)開發(fā)成功MV系列中壓變頻器，其逆變器電路在3300V、4160V等級(jí)僅需12或24個(gè)器件，無須緩沖電路，結(jié)構(gòu)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(duì)各種傳動(dòng)應(yīng)用提供全面的解決方案，為滿足再生制動(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。