中压变频主流技术发展动向（1）

摘要：文中介绍中压变频的主流技术，阐述了中压变频的主流器件及主流结构，就功率母线在中压变频器中的应用，探讨了应用于中压变频器的功率母线发展的方向。

   关键词：主流器件  主流结构  功率母线

1主流器件

   中压变频技术发展至今，在其主回路拓扑结构是随着电力电子器件的创新开发而不断发展的，早期产品的SCR器件也随着电力电子器件的不断创新在中压变频领域已处于逐步淘汰的趋势。而GTO具有高电压、大电流的发展潜力，但驱动（关门）电路复杂，影响可靠性，J₃结特性很软，耐压很低的P—N结，若GO未处于导通状态就连续对G—K所在的J₃结施加强的负门极脉冲是很危险的，因此在应用中GTO状态识别和逻辑保护是十分重要的。因内部MOS结构关断的GTO，因工艺复杂，目前未能实现大功率化，而为实现可关断MOS结构的GTO，开发研制出把MOS结构置于GTO外面来协助关断的IGCT。IGCT适用于大电流（1000A以上）、低频率（1000Hz 以下）的应用，由于其从研制生产到应用的一系列技术受到专利的保护，在推广应用和器件竞争中未能完全取代GTO，IGBT作为第三代电力电子器件，因其工作电压较低，在多电平级联式变频装置中有其广阔的发展前景。其作为主回路器件的中压变频装置具有改善输出电流波形，减少谐波对电网的污染及减少系统和电动机的电应力。IEGT是最为崭新的电力电子器件，其吸取了IGBT和GTO两者的优点，称为“注入增强栅晶体管”，它是在沟槽型IGBT基础上，把部分沟道同P区相联使发射极区注入增强，使得IEGT具有高电压大电流和高的工作频率，使其更适合于高电压大功率、高频率的变频装置。

   目前，应用在中压大功率变频领域的电力电子器件，以形成GTO、IGCT、OGBT、IEGT相互竞争不断创新的技术市场，在大功率（1000KW），低频率（1000H z）的传动领域，如电力牵引机车领域GTO、IGCT有着独特的优势，而在高载波频率、高斩波频率下IGBT、IEGT有着广阔的发展前景，在现阶段中压大功率变频领域将由这四种电力电子器件构成其主流器件。

2主流结构

   目前就中压大功率变频器的主流结构为中—中方式及其派生的形式，中—中大功率变频器按其中间直流环节的储能元件的不同，可分为电压源型和电流源型。

2.1.电压源型中—中变频器

   电压源型中—中变频器由整流器和逆变器两部分组成，在逆变器的直流侧并有大电容，用来缓冲无功功率，当输出电压高于普通PWM电压源型变频器时，采用三电平PWM方式，可以避免器件串联的动态均压问题，同时降低输出谐波和du/dt，三电平PWM方式整流电路采用二极管，逆变部分功率器件采用GTO、IGBT或IGCT。每个桥臂虽由4个功率器件串联，但是不存在同时导通和关断以及由此引起的动态均压问题。由于输出相电压电平数增加到了3个，每个电平的幅值下降，且提高了谐波消除算法的自由度，可使输出波形比二电平PWM变频器有了较大的提高，输出du/dt也有所减少，若输入也采用对称的PWM结构，可以做到系统功率因数可调，输入谐波也很低，且可四象限运行。但为减少输出谐波和转距脉动，希望有较高的开关频率，但会导致变频器损耗增加，效率下降。三电平变频器输出若不设滤波器，一般需要特殊电动机，若使用普通电动机应降额应用。

2.2.电流源型中—中变频器

   电流源型变频器的最大优点是，电能可以回馈到电网由其结构决定由其构成的交流调速系统可实现四象限运行。由于输入侧采用桥式晶闸管整流电路，输入电流的谐波较低，功率因数低，且随着系统转速的下降而降低，另外，电流源型变频器还会产生较大的共模电压，若不采用输入变压器，其共模电压会影响电动机的绝缘，装置的输出电流谐波也较高，会引起电动机的额外发热和转矩脉动，从而影响系统的动态指标。由于驱动功率、均压电路等固定损耗较大系统效率会随着负载的降低而下降。采用GTO作为逆变部分功率器件，可以通过PWM开关模式来实现消除谐波电流，但系统受到GTO开关频率上限的限制，一般控制在几百Hz左右，若整流电路采用GTO作电流PWM控制，可以得到较低的输入电流谐波和较高的输出功率因数，而会使系统结构复杂和成本增加。

电流源型的发展稍晚于电压源型，在主回路方面电流源型与电压源型比较有三大差别：

2.2.1逆变器的直流侧采用大电感L作为滤波元件，即直流电路具有较大的阻抗，由于L的作用，三相整流桥交流侧的输入电流为120^O方波的交流电流，同样三相逆变桥交流侧输出电流为120^O方波的交流电流。由于L的作用，能有效的抑制故障电流的上升率实现较理想的保护特性。

    2.2.2.没有与逆变桥反向并联的反馈二极管桥，这里整流桥和逆变桥的电流方向始终不变，传动系统能量的再生可以通过整流桥和逆变桥的直流电压同时反号，将能量返送交流电网，因此可快速实现四象限运行，适用于频繁加减速和频繁启动的负载场合。

2.2.3.逆变桥依靠逆变桥内的电容器和负载电感的谐振来换流，逆变桥内没有电感，简化了主回路的设计和制作。