高压变频器
发布时间：2009-09-22 来源：扬子工具集团 浏览次数:24976GTO-PWM 式电流源型变频器采用GTO 作为逆变部分功率器件，见图5。GTO 可以通
过门极进行关断，所以它不象晶闸管那样需要用于强迫关断的换流电路，可使主电路
结构简化。对于额定电压为交流6KV 的变频器，逆变器侧可采用每三个6000V 的GTO
串联，作为一个开关使用，一共由18 个GTO 组成，GTO 串联时，同样存在稳态和动态
均压问题。
图5 GTO-PWM 式电流源型变频器
GTO 是在晶闸管基础上发展起来的全控型电力电子器件，目前的电压电流等级可
达6000V，6000A。GTO 开关速度较低，损耗大，需要庞大的缓冲电路和门极驱动电
路，增加系统的复杂性和成本，使其应用受到限制。GTO 中数千只独立的开关单元做
在一个硅片上，由于开关不均匀，需要缓冲电路来维持工作，以限制器件承受的
dv/dt，缓冲电路一般采用RCD 型结构，二极管和电容必须有与GTO 相同的耐压等级，
二极管要求用快恢复二极管。缓冲电路的损耗产生热量，影响器件的可靠运行，并且
影响变频器的效率。为了降低损耗，也有采取能量回馈型缓冲电路的方案，通过
DC/DC 变换电路把缓冲电容中储存的能量返回到中间直流环节，但增加了装置的复杂
性。GTO 的开关频率较低，一般在几百赫兹，比如300HZ。
以6000V，3000A(最大可关断阳极电流值)的GTO 为例，通态平均电流为1030A，
通态压降3.5V，门极开通触发电流1A，通态阳极电流上升率400A/us(f=200HZ 条件
下)，滞后时间2.5us，上升时间5us，存储时间25us，下降时间3us，最小通态维持
时间100us，最小断态维持时间100us，开通每脉冲能耗2.5Ws，关断每脉冲能耗
16Ws。GTO 的门极驱动，除了需要晶闸管一样的导通触发脉冲外，还需要提供相当大
的的反向关断电流，上述GTO 的门极峰值关断电流就达900A，所以GTO 的门极驱动峰
值功率非常大。
与输出滤波器换相式电流源型变频器相比，GTO-PWM 式电流源型变频器输出滤波
电容的容量可以大大降低，但不能省去。因为电机可近看作漏电感再加一个旋转反电
势组成。电流源型变频器的输出电流幅值是由整流电路的电流环决定的。在换流过程
中，由于流过电机电感的电流不能突变，所以必须有电容缓冲变频器输出电流和电机
绕组电流的差值。电容容量的选择取决于换流过程中允许产生尖峰电压的大小。由于
输出电容的容量比起输出滤波器换相式电流源型变频器大大下降了,电容的滤波效果也
跟着下降，输出电流波形的质量也会下降。电机电流质量的提高可以通过GTO 采用谐
波消除的电流PWM 开关模式来实现。在低频时，输出电流每个周期内相应的PWM 波形
个数较多，谐波消除会比较有效。但是，由于受到GTO 开关频率的限制，高速时谐波
消除效果大大下降，图6 为该变频器满载时输出电压电流波形。若整流电路也采用
GTO 作电流PWM 控制，可以得到较低的输入谐波电流和较高的输入功率因数，当然系
统的复杂性和成本也会相应增加，一般很少采用。
图6 GTO-PWM 电流源型变频器输出波形
2 三电平PWM 电压源型变频器
在PWM 电压源型变频器中，当输出电压较高时，为了避免器件串联引起的动态均
压问题，同时降低输出谐波和dv/dt，逆变器部分可以采用三电平方式，也称
NPC(Netural Point Clamped 中心点箝位)方式，如图7。逆变部分功率器件可采用
GTO，IGBT 或IGCT。
图7 三电平逆变器主电路结构
IGBT 广泛应用在各种电压源型PWM 变频器中，具有开关快，损耗小，缓冲及门极
驱动电路简单等优点，但电压电流等级受到导通压降限制。IGBT 目前做到3300V，
1200A。3300V 的IGBT 组成三电平变频器，输出交流电压最高为2.3KV，若要求更高等
级输出电压，必须采取器件直接串联，比如用2 个3300V 的IGBT 串联作为一个开关使
用，一共使用24 个3300V 的IGBT，组成三电平变频器，可做成4160V 输出电压等级
的变频器。器件直接串联就带来稳态和动态的均压问题，这样就失去了三电平变频器
本身不存在动态均压问题的优点，所以一般很少采用。
以3300V，1200A 的IGBT 模块为例，其饱和压降为3.4V 左右，开通延迟时间
370ns，上升时间250ns，关断延迟时间1550ns，下降时间200ns，开通每脉冲损耗
2880mWs，关断每脉冲损耗1530mWs。集成在模块内的反并联续流二极管，正向压降
2.8V，峰值反向恢复电流1320A，反向恢复电荷740uAs。
集成门极换流晶闸管IGCT(integrated gate-commutated thyristor)是由
GCT(gate commutated turn-off thyristor)和其门极控制电路集中成一体化的组件。
GCT 是在GTO 基础上发展起来的新器件，它保留了GTO 高电压，大电流，低导通压降
的优点，又改善了其开关性能。GCT 采用了缓冲层设计，它使器件的通态和开关损耗
可减少到原来的1/2-1/2.5，但缓冲层会导致关断时不能尽快抽走器件在通态时存储
的电荷，常规的GTO 采用阳极短路技术，为存储电荷的抽走提供一条通路，但阳极短
路和缓冲层的结合会导致极高的触发电流和维持电流。GCT 取消阳极短路，而将阳极
做成可穿透型，这样，电荷存储时间减少至1/20，后沿拖尾电流减小20 倍。同时还
能在同样阻断电压条件下，减少芯片厚度30%，使得导通压降进一步降低。GTO 有两个
稳定工作状态“通”和“断”，在它们之间(开断过程中)是不稳定状态。GCT 采用一
种新的低电感的驱动电路，在门极−20V 偏置情况下，可获得4000A/us 电流变化率，
使得在大约1us 时间内，阳极电压开始上升前，将全部阳极电流经门极流出，不通过
阴极，晶闸管的p−n−p−n 四层结构暂时变为p−n−p 晶体管的三层结构，有了稳定的中
间状态，一致性好，据称可以无缓冲电路运行。由于GCT 硅片厚度减少，允许在同一
GCT 片上做出高效的反并联续流二极管。GCT 的门极关断峰值电流非常大，驱动电路需
要相当容量的MOSFET 和相当数量的电解电容及其它元件组成，电路非常复杂，要求很
高，所以一般由GCT 生产厂家把门极触发及状态监视电路和GCT 管芯，甚至反并联续
流二极管做成一个整体，成为IGCT，通过光纤输入触发信号，输出工作状态信号。
IGCT 作为一种新的电力电子器件，刚刚开始工业应用，其实际性能如何，还有待于现
场应用的考验。
目前IGCT 最大容量为：反向阻断型：4500V，4000A，逆导型：5500V，1800A。
用于三电平逆变器时，输出最高交流电压为4160V，如要求更高的输出电压，比如6KV
交流输出，只能采取器件直接串联。
以5500V，1800A(最大可关断阳极电流值)的逆导型IGCT 为例，通态平均电流为
700A，通态压降为3V，通态阳极电流上升率530A/us，导通延迟时间小于2us，上升
时间小于1us，关断延迟时间小于6us，下降时间小于1us，最小通态维持时间10us，
最小断态维持时间10us，导通每脉冲能耗小于1J，关断每脉冲能耗小于10J。内部集
成的反并联续流二极管(快恢复二极管)，通态平均电流290A，通态压降5.2V，反向恢
复电流变化率小于530A/us，反向恢复电流小于780A。
与普通的二电平PWM 变频器相比，由于输出相电压电平数由2 个增加到3 个，线
电压电平数则由3 个增加到5 个，每个电平幅值相对降低，由整个直流母线电压变为
一半的直流母线电压，在同等开关频率的前提下，可使输出波形质量有较大的改善，
输出dv/dt 也相应下降。与二电平变频器相比，在相同输出电压条件下，这种结构还
可使功率器件所需耐压降低一半。为了减少输出谐波，希望有较高的开关频率，但受
到器件开关过程的限制，还会导致变频器损耗增加，效率下降，所以功率器件开关频
率一般为几百赫兹。三电平变频器若不设置输出滤波器，一般需采用特殊电机，或普
通电机降额使用。
若输入也采用对称的三电平PWM 整流结构，可以做到输入功率因数可调，输入谐
波很低，且可四象限运行，系统具有较高的动态性能，当然成本和复杂性也大大增加
了。
2.1 三电平变频器原理
图8 为三电平逆变器一相的基本结构，V1-V4 代表一相桥臂中的4 个功率
开关，DF1-DF4 为反并联的续流二极管，DC1，DC2 为箝位二极管，所有的二
极管要求有与功率开关相同的耐压等级。Ed 为一组电容二端电压，C 为中心点。
图8 三电平基本结构
对于每相桥臂通过控制功率器件V1-V4 的开通，关断，在桥臂输出点可获得
三种不同电平+Ed，0，-Ed，见表1。
表1 三电平变频器器每相输出电压组合表
V1 V2 V3 V4 输出电压 状态代号
ON ON OFF OFF +Ed P
OFF ON ON OFF 0 C
OFF OFF ON ON -Ed N
由表1 看出，功率开关V1 和V3 状态是互反的，V2 与V4 也是互反。同时
规定，输出电压只能是+Ed 到0，0 到-Ed，或相反地变化，不允许在+Ed 和-Ed
之间直接变化。所以不存在二个器件同时导通或同时关断，也就不存在动态均压问
题。
对于由三个桥臂组成的三相逆变器，根据三相桥臂U，V，W 的不同开关组合，最
终可得到三电平变频器的33=27 种开关模式，见表2。
表2 三电平变频器输出状态表
PPP PPN PPC PCN PCC PNN PCP PNC PNP
CCC CPN CPC CCN CPP CNN CCP CNC CNP
NNN NPN NPC NCN NPP NCC NCP NNC NNP
采用中心点箝位方式使输出增加了一个电平，输出电压的台阶降低了一半，而且
很重要的一点是增加了输出PWM 控制的自由度，使输出波形质量在同等开关频率条件
下有较大的提高。
图9 为一三电平变频器主电路结构图。
图9 三电平变频器
整流电路采用12 脉冲二极管整流结构。逆变部分功率器件可以采用IGCT，反并
联续流二极管集成在IGCT 中。由于受到器件开关损耗，尤其是关断损耗的限制，IGCT
的开关频率为600HZ 左右。直流环节用二组电容分压，得到中心点。直流环节还有
di/dt 限制电路，共模电抗器，保护用IGCT 等。di/dt 限制电路主要由di/dt 限制电
抗器，与之反并联的续流二极管和电阻组成，因为IGCT 器件本身不能控制di/dt，所
以必须通过外加di/dt 限制电路，使逆变器IGCT 反并联续流二极管的反向恢复控制在
安全运行范围内，同时该电路也用于限制短路时的电流上升率。共模电抗器一般在变
压器与变频器分开安置，且变压器副边和整流桥输入之间电缆较长时采用，当变压器
和变频器一起放置时，可以省去。其作用主要是承担共模电压和限制高频漏电流，因
为当输出设置滤波器时，由于滤波电容的低阻抗，电机承受的共模电压极小，共模电
压由输入变压器和逆变器共同承担，当变压器与变频器之间电缆较长，线路分布电容
较大，容抗下降，导致变压器承受的共模电压下降，逆变器必须承受较高的共模电
压，影响功率器件安全，共模电抗器就是设计用来承受共模电压的。另外高频的共模
电压还会通过输出滤波电容，变压器分布电容，电缆分布电容形成通路，产生高频漏
电流，影响器件安全，共模电抗器也起到抑制高频漏电流的作用。保护用IGCT 的作用
是当逆变器发生短路等故障时，切断短路电流，起到相当于快熔的作用。由于逆变电
路采用IGCT 作为功率器件，而IGCT 本身不象IGBT 那样存在过电流退饱和效应，可以
通过检测集电极电压上升来进行短路检测，并通过门极关断进行保护，所以必须通过
霍尔电流传感器，检测到过电流，然后通过串联在上下直流母线的二个保护用IGCT 进
行关断。由于直流环节存在共模电抗器和di/dt 限制电抗器，导致整流桥输出和滤波
电容之间存在较大阻抗，这样电网的浪涌电压要通过整流桥形成浪涌电流，再通过滤
波电容吸收的效果大大降低，为了保护整流二极管免受浪涌电压的影响，在整流桥输
出并联了阻容吸收电路。箝位二极管保证了桥臂中最外侧的两个IGCT 承受的电压不会
超过一半的直流母线电压，确切地说，应该是对应侧滤波电容的电压，所以最外侧的
两个IGCT 不存在过压问题。内侧的两个器件仍要并联电阻，以防止产生过压。因为在
同侧二个器件同时处于阻断状态时，内侧的器件承受的电压可能超过一半的直流母线
电压，具体电压取决于同侧二个器件的漏电流匹配关系。
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