三电平电压源型高压变频器优化

若使用低压功率器件设计制造高压变频器，需要功率器件串联使用，这会使器件的数量增加，电路复杂，可靠性降低。为了避免或减少器件的串、并联使用，国际上很多大公司致力于开发高耐压、低损耗、高速度的功率器件。如西门子公司研制的高压IGBT，耐压可达6kV；ABB公司研制的IGCT，耐压达6.5kV，开关频率为10kHz，关断时间小于3μs，其功率密度大，可靠性高，非常适用于高压、大容量的变流装置。

人们在研制高耐压器件的同时，对变频器主电路结构的研究也有所突破，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du/dt，逆变器部分可以采用三电平方式，也称NPC（Neutral Point Clamped，中心点箝位）方式，三电平逆变器如图6-6所示。逆变部分功率器件可采用GTO、IGBT或IGCT，视电压及功率大小而定。根据目前IGCT及高压IGBT的耐压水平，目前三电平变频器产品的输出电压等级一般为2.2kV、3.3kV和4.16kV。

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目图6-6三电平逆变器主电路结构前做到3300V/1200A。3300V的IGBT组成三电平变频器，输出交流电压最高为2.3kV，若需要更高等级输出电压，必须采取器件直接串联，比如用两个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280ns，上升时间180ns，关断延迟时间1550ns，下降时间200ns，开通每脉冲损耗1400mJ，关断每脉冲损耗1300mJ。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1700A，反向恢复电荷710μC。(www.xing528.com)

集成门极换流晶闸管（Integrated Gate-Commutated Thyristor，IGCT）是在晶闸管技术的基础上，结合GTO和IGBT的技术开发的新型电力电子器件，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。主回路与IGBT三电平PWM相似，更适合高压、大容量的变流设备。与GTO相比，IGCT具有开关损耗低、门极控制方便、关断速度快、主回路连接简单等优点。

目前使用的IGCT最大容量约为6000V/4500A。用于三电平逆变器时，输出最高交流电压为4160V，如需要更高的输出电压，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/μs，导通延迟时间小于2μs，上升时间小于1μs，关断延迟时间小于6μs，下降时间小于1μs，最小通态维持时间10μs，最小断态维持时间10μs，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/μs，反向恢复电流小于780A。

三电平技术就是使用较低耐压的功率器件，直接应用于更高电压等级的主电路拓扑技术。所谓三电平是相对于通用变频器中常用的两电平方案而言。两电平方案中，每个桥臂的输出电位相对于直流中性点而言只有两种可能，即输出正电平（P）或输出负电平（N），而三电平电路由于其特殊的电路结构，除P、N两种电平输出外，还可以实现零电平（O）输出。相对于两电平电路结构而言，三电平电路可以使主开关器件的电压降低一半，由于输出多了一个电平，可以使du/dt降低一半，从而使输出电压谐波减小，电动机的轴电压和轴电流大大降低，所有这些优点，使其非常适用于高压变频调速技术。但是它同时也带来了一些问题，如中点电压平衡问题及控制算法复杂问题等，研究灵活简便的控制方法也因此成为三电平电路的一个发展方向。

现有的电力电子器件的耐压水平很适合三电平NPC电路，且电容电压的均衡问题也可以通过控制解决，因此三电平逆变器在大功率交流电动机调速的很多领域都得到应用。如果采用交流电动机的矢量控制理论和直接转矩控制理论，则可以很大程度地提高大功率交流电动机调速系统的性能和可靠性，可见，三电平拓扑结构与高压大电流IGBT和IGCT结合具有广阔的应用前景。