高壓IGBT變頻器及應(yīng)用
1 前言
電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)與控制理論的結(jié)合,有力地促進(jìn)了交流變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展。近年來(lái),具有驅(qū)動(dòng)電路和保護(hù)功能的
智能IGBT的應(yīng)用使得變頻器結(jié)構(gòu)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(qū)動(dòng)簡(jiǎn)單、保護(hù)容易、不用緩沖電
路和開關(guān)頻率高等特點(diǎn),鑒于此,開發(fā)高電壓、大電流、頻率高的高壓IGBT并將其應(yīng)用到變頻調(diào)速器中以獲得輸出電壓等級(jí)更高的裝
置成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。中壓變頻器的研發(fā)與電力電子器件如高壓IGBT、GTO、IGCT等器件研制水平和應(yīng)用水平密切相關(guān),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(guó)西門子公司采用高壓IGBT(600A~1200A/3300V~6500V)、三電平技術(shù)開
發(fā)的SIMOVERTMV系列中壓變頻器已在國(guó)內(nèi)廣泛用于有色、冶金、電力、建材、自來(lái)水、石油化工等行業(yè)并得到用戶的認(rèn)可,本文就第
四代IGBT的優(yōu)異性能,與GTO、IGCT等電力電子器件進(jìn)行了比較,結(jié)合MV系列中壓變頻器的特點(diǎn)論述了采用三電平技術(shù)獲得優(yōu)良的輸
出電壓特性,采用模塊化技術(shù)以適應(yīng)各種負(fù)載的需求,介紹了三電平有源前端(AFE)技術(shù)提供的四象限傳動(dòng)方案,并提供眾多應(yīng)用
選型實(shí)例說(shuō)明中壓變頻器的方案選擇與應(yīng)用效果。
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中壓變頻器用電力電子器件的比較
電力電子器件的發(fā)展經(jīng)歷了晶閘管(SCR)、可關(guān)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(jié)構(gòu)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(lián)多電平變頻器和中—低—中變頻器型多采用低壓IGBT構(gòu)成。
20世紀(jì)80年代可關(guān)斷晶閘管GTO的商品化促進(jìn)了交流調(diào)速技術(shù)的發(fā)展,與SCR相比其屬于自關(guān)斷器件,由于取消了強(qiáng)迫換流電路
,簡(jiǎn)化了在交流電力機(jī)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(jī)車調(diào)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(nèi),屬于較小的功率范圍。GTO開關(guān)頻率較低,需要結(jié)構(gòu)復(fù)雜的緩沖電路和門
極觸發(fā)電路,用門極負(fù)電流脈沖關(guān)斷GTO,其值接近其陽(yáng)極電流的1/3,如關(guān)斷3000A/4000V的GTO,需750A的門極負(fù)脈沖電流,其門極
觸發(fā)電路需要多個(gè)MOSFET并聯(lián)的低電感電路,而同樣的高壓IGBT僅需5A的導(dǎo)通和關(guān)斷電流。GTO的工作頻率低于500Hz,以
1500A/4500V的GTO為例,其開通時(shí)間為10μs,關(guān)斷時(shí)間約需20μs。
硬驅(qū)動(dòng)GTO(IGCT)是關(guān)斷增益為1的GTO,GTO制造工藝上是由多個(gè)小的GTO單元并聯(lián)而成的,為解決關(guān)斷GTO時(shí)非均勻關(guān)斷和陰極
電流收縮效應(yīng),縮短關(guān)斷時(shí)間,利用增加負(fù)門極電流上升率,在1μs內(nèi)使負(fù)門極電流上升到陽(yáng)極電流的幅值而使GTO的門極-陰極迅
速恢復(fù)阻斷。將GTO外配MOSFET組成的門極驅(qū)動(dòng)器組合成IGCT,實(shí)現(xiàn)了場(chǎng)控晶閘管的功能,IGCT使用過(guò)程中要求開通和關(guān)斷過(guò)程盡可
能短,目前IGCT的****水平為4000A/6000V,IGCT關(guān)斷過(guò)程中仍需要di/dt緩沖器以防過(guò)電壓,IGCT以GTO為基礎(chǔ),其工作頻率應(yīng)在
1kHz以下。
隨著關(guān)斷能力和載流能力的提高,高壓IGBT以其自保護(hù)功能強(qiáng),無(wú)需吸收電路而具有廣闊的應(yīng)用前景。西門子公司從1988年開
始研制和應(yīng)用低壓IGBT,在高壓IGBT的開發(fā)上也處于****地位,以目前用于MV系列的1200A/3300VIGBT為例,其柵極發(fā)射極電壓僅為
15V,觸發(fā)功率低,關(guān)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
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