高壓IGBT變頻器及應用

     1 前言

     電力電子技術、微電子技術與控制理論的結合，有力地促進了交流變頻調速技術的發展。近年來，具有驅動電路和保護功能的

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、驅動簡單、保護容易、不用緩沖電

路和開關頻率高等特點，鑒于此，開發高電壓、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

置成為人們關注的焦點。中壓變頻器的研發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，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)、三電平技術開

發的SIMOVERTMV系列中壓變頻器已在國內廣泛用于有色、冶金、電力、建材、自來水、石油化工等行業并得到用戶的認可，本文就第

四代IGBT的優異性能，與GTO、IGCT等電力電子器件進行了比較，結合MV系列中壓變頻器的特點論述了采用三電平技術獲得優良的輸

出電壓特性，采用模塊化技術以適應各種負載的需求，介紹了三電平有源前端（AFE）技術提供的四象限傳動方案，并提供眾多應用

選型實例說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

     電力電子器件的發展經歷了晶閘管(SCR)、可關斷晶閘管(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年代可關斷晶閘管GTO的商品化促進了交流調速技術的發展，與SCR相比其屬于自關斷器件，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，屬于較小的功率范圍。GTO開關頻率較低，需要結構復雜的緩沖電路和門

極觸發電路，用門極負電流脈沖關斷GTO，其值接近其陽極電流的1/3，如關斷3000A/4000V的GTO，需750A的門極負脈沖電流，其門極

觸發電路需要多個MOSFET并聯的低電感電路，而同樣的高壓IGBT僅需5A的導通和關斷電流。GTO的工作頻率低于500Hz，以

1500A/4500V的GTO為例，其開通時間為10μs，關斷時間約需20μs。

     硬驅動GTO(IGCT)是關斷增益為1的GTO，GTO制造工藝上是由多個小的GTO單元并聯而成的，為解決關斷GTO時非均勻關斷和陰極

電流收縮效應，縮短關斷時間，利用增加負門極電流上升率，在1μs內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組成的門極驅動器組合成IGCT，實現了場控晶閘管的功能，IGCT使用過程中要求開通和關斷過程盡可

能短，目前IGCT的****水平為4000A/6000V，IGCT關斷過程中仍需要di/dt緩沖器以防過電壓，IGCT以GTO為基礎，其工作頻率應在

1kHz以下。

     隨著關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用前景。西門子公司從1988年開

始研制和應用低壓IGBT，在高壓IGBT的開發上也處于****地位，以目前用于MV系列的1200A/3300VIGBT為例，其柵極發射極電壓僅為

15V，觸發功率低，關斷損耗小，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