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高压变频器基础教程[第5讲]——二、三电平PWM电压源型变频器

北极星电力网技术频道    作者:佚名   2008/5/30 17:33:15   

 关键词:  pwm 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(NeturalPointClamped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(integratedgate-commutatedthyristor)是由GCT(gatecommutatedturn-offthyristor)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。


来源:中国电力技术资讯
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