GTO-PWM 式電流源型變頻器采用GTO 作為逆變部分功率器件谢市，見圖5盔憨。GTO 可以通
過門極進行關斷疏咐，所以它不象晶閘管那樣需要用于強迫關斷的換流電路砰声，可使主電路
結構簡化哲虾。對于額定電壓為交流6KV 的變頻器摩钙，逆變器側可采用每三個6000V 的GTO
串聯(lián)筑凫，作為一個開關使用虐块，一共由18 個GTO 組成响禽，GTO 串聯(lián)時徒爹，同樣存在穩(wěn)態(tài)和動態(tài)
均壓問題。
圖5 GTO-PWM 式電流源型變頻器
GTO 是在晶閘管基礎上發(fā)展起來的全控型電力電子器件芋类，目前的電壓電流等級可
達6000V隆嗅，6000A。GTO 開關速度較低侯繁，損耗大胖喳，需要龐大的緩沖電路和門極驅動電
路，增加系統(tǒng)的復雜性和成本贮竟，使其應用受到限制丽焊。GTO 中數(shù)千只獨立的開關單元做
在一個硅片上，由于開關不均勻咕别，需要緩沖電路來維持工作技健，以限制器件承受的
dv/dt，緩沖電路一般采用RCD 型結構惰拱，二極管和電容必須有與GTO 相同的耐壓等級雌贱，
二極管要求用快恢復二極管。緩沖電路的損耗產(chǎn)生熱量搜栽，影響器件的可靠運行爸桨，并且
影響變頻器的效率。為了降低損耗贱供，也有采取能量回饋型緩沖電路的方案评梁，通過
DC/DC 變換電路把緩沖電容中儲存的能量返回到中間直流環(huán)節(jié)，但增加了裝置的復雜
性虏淤。GTO 的開關頻率較低纹茫，一般在幾百赫茲，比如300HZ舶惕。
以6000V，3000A(最大可關斷陽極電流值)的GTO 為例，通態(tài)平均電流為1030A饶几，
通態(tài)壓降3.5V价秉，門極開通觸發(fā)電流1A，通態(tài)陽極電流上升率400A/us(f=200HZ 條件
下)暮态，滯后時間2.5us鹦赎，上升時間5us，存儲時間25us误堡，下降時間3us古话，最小通態(tài)維持
時間100us，最小斷態(tài)維持時間100us锁施，開通每脈沖能耗2.5Ws陪踩，關斷每脈沖能耗
16Ws。GTO 的門極驅動悉抵，除了需要晶閘管一樣的導通觸發(fā)脈沖外肩狂，還需要提供相當大
的的反向關斷電流，上述GTO 的門極峰值關斷電流就達900A姥饰，所以GTO 的門極驅動峰
值功率非常大傻谁。
與輸出濾波器換相式電流源型變頻器相比，GTO-PWM 式電流源型變頻器輸出濾波
電容的容量可以大大降低列粪，但不能省去审磁。因為電機可近看作漏電感再加一個旋轉反電
勢組成。電流源型變頻器的輸出電流幅值是由整流電路的電流環(huán)決定的岂座。在換流過程
中态蒂，由于流過電機電感的電流不能突變，所以必須有電容緩沖變頻器輸出電流和電機
繞組電流的差值厘乱。電容容量的選擇取決于換流過程中允許產(chǎn)生尖峰電壓的大小雅跺。由于
輸出電容的容量比起輸出濾波器換相式電流源型變頻器大大下降了,電容的濾波效果也
跟著下降，輸出電流波形的質量也會下降潭女。電機電流質量的提高可以通過GTO 采用諧
波消除的電流PWM 開關模式來實現(xiàn)枕篡。在低頻時，輸出電流每個周期內相應的PWM 波形

個數(shù)較多捍秃，諧波消除會比較有效生香。但是，由于受到GTO 開關頻率的限制印洒，高速時諧波
消除效果大大下降藐病，圖6 為該變頻器滿載時輸出電壓電流波形。若整流電路也采用
GTO 作電流PWM 控制瞒谱，可以得到較低的輸入諧波電流和較高的輸入功率因數(shù)赏庙，當然系
統(tǒng)的復雜性和成本也會相應增加栋昙，一般很少采用。
圖6 GTO-PWM 電流源型變頻器輸出波形
2 三電平PWM 電壓源型變頻器
在PWM 電壓源型變頻器中鸯乃，當輸出電壓較高時鲸阻，為了避免器件串聯(lián)引起的動態(tài)均
壓問題，同時降低輸出諧波和dv/dt缨睡，逆變器部分可以采用三電平方式鸟悴，也稱
NPC(Netural Point Clamped 中心點箝位)方式，如圖7奖年。逆變部分功率器件可采用
GTO细诸，IGBT 或IGCT。
圖7 三電平逆變器主電路結構
IGBT 廣泛應用在各種電壓源型PWM 變頻器中陋守，具有開關快震贵，損耗小，緩沖及門極
驅動電路簡單等優(yōu)點嗅义，但電壓電流等級受到導通壓降限制屏歹。IGBT 目前做到3300V，
1200A之碗。3300V 的IGBT 組成三電平變頻器蝙眶，輸出交流電壓最高為2.3KV，若要求更高等
級輸出電壓褪那，必須采取器件直接串聯(lián)牵深，比如用2 個3300V 的IGBT 串聯(lián)作為一個開關使
用，一共使用24 個3300V 的IGBT喷围，組成三電平變頻器粉越，可做成4160V 輸出電壓等級

的變頻器。器件直接串聯(lián)就帶來穩(wěn)態(tài)和動態(tài)的均壓問題码杆，這樣就失去了三電平變頻器
本身不存在動態(tài)均壓問題的優(yōu)點薄罕，所以一般很少采用。
以3300V磁应，1200A 的IGBT 模塊為例妆崇，其飽和壓降為3.4V 左右，開通延遲時間
370ns部糠，上升時間250ns猜休，關斷延遲時間1550ns，下降時間200ns提甚，開通每脈沖損耗
2880mWs飞灰，關斷每脈沖損耗1530mWs。集成在模塊內的反并聯(lián)續(xù)流二極管褪储，正向壓降
2.8V卵渴，峰值反向恢復電流1320A慧域，反向恢復電荷740uAs。
集成門極換流晶閘管IGCT(integrated gate-commutated thyristor)是由
GCT(gate commutated turn-off thyristor)和其門極控制電路集中成一體化的組件奖恰。
GCT 是在GTO 基礎上發(fā)展起來的新器件吊趾，它保留了GTO 高電壓宛裕，大電流瑟啃，低導通壓降
的優(yōu)點，又改善了其開關性能揩尸。GCT 采用了緩沖層設計蛹屿，它使器件的通態(tài)和開關損耗
可減少到原來的1/2-1/2.5，但緩沖層會導致關斷時不能盡快抽走器件在通態(tài)時存儲
的電荷岩榆，常規(guī)的GTO 采用陽極短路技術错负，為存儲電荷的抽走提供一條通路，但陽極短
路和緩沖層的結合會導致極高的觸發(fā)電流和維持電流勇边。GCT 取消陽極短路犹撒，而將陽極
做成可穿透型，這樣畴垃，電荷存儲時間減少至1/20栈站，后沿拖尾電流減小20 倍。同時還
能在同樣阻斷電壓條件下鲫畸，減少芯片厚度30%歇刺，使得導通壓降進一步降低。GTO 有兩個
穩(wěn)定工作狀態(tài)“通”和“斷”霜宙，在它們之間(開斷過程中)是不穩(wěn)定狀態(tài)章慌。GCT 采用一
種新的低電感的驅動電路，在門極−20V 偏置情況下堕武，可獲得4000A/us 電流變化率恳繁，
使得在大約1us 時間內，陽極電壓開始上升前夫泛，將全部陽極電流經(jīng)門極流出擎骄，不通過
陰極，晶閘管的p−n−p−n 四層結構暫時變?yōu)閜−n−p 晶體管的三層結構什箭，有了穩(wěn)定的中
間狀態(tài)棋捷，一致性好，據(jù)稱可以無緩沖電路運行最仑。由于GCT 硅片厚度減少藐俺，允許在同一
GCT 片上做出高效的反并聯(lián)續(xù)流二極管。GCT 的門極關斷峰值電流非常大泥彤，驅動電路需
要相當容量的MOSFET 和相當數(shù)量的電解電容及其它元件組成欲芹，電路非常復雜卿啡，要求很
高，所以一般由GCT 生產(chǎn)廠家把門極觸發(fā)及狀態(tài)監(jiān)視電路和GCT 管芯菱父，甚至反并聯(lián)續(xù)
流二極管做成一個整體颈娜，成為IGCT，通過光纖輸入觸發(fā)信號浙宜，輸出工作狀態(tài)信號官辽。
IGCT 作為一種新的電力電子器件，剛剛開始工業(yè)應用粟瞬，其實際性能如何同仆，還有待于現(xiàn)
場應用的考驗。
目前IGCT 最大容量為：反向阻斷型：4500V裙品，4000A俗批，逆導型：5500V，1800A斩憾。
用于三電平逆變器時式亥，輸出最高交流電壓為4160V，如要求更高的輸出電壓淳习，比如6KV
交流輸出纸藕，只能采取器件直接串聯(lián)。
以5500V馆梦，1800A(最大可關斷陽極電流值)的逆導型IGCT 為例蕾胶，通態(tài)平均電流為
700A，通態(tài)壓降為3V桐继，通態(tài)陽極電流上升率530A/us刘耀，導通延遲時間小于2us，上升
時間小于1us蚤弃，關斷延遲時間小于6us召藻，下降時間小于1us，最小通態(tài)維持時間10us偿尘，
最小斷態(tài)維持時間10us忆某，導通每脈沖能耗小于1J，關斷每脈沖能耗小于10J阔蛉。內部集
成的反并聯(lián)續(xù)流二極管(快恢復二極管)弃舒，通態(tài)平均電流290A，通態(tài)壓降5.2V状原，反向恢
復電流變化率小于530A/us聋呢，反向恢復電流小于780A。
與普通的二電平PWM 變頻器相比颠区，由于輸出相電壓電平數(shù)由2 個增加到3 個削锰，線
電壓電平數(shù)則由3 個增加到5 個通铲，每個電平幅值相對降低，由整個直流母線電壓變?yōu)?br /> 一半的直流母線電壓器贩，在同等開關頻率的前提下颅夺，可使輸出波形質量有較大的改善，
輸出dv/dt 也相應下降蛹稍。與二電平變頻器相比吧黄，在相同輸出電壓條件下，這種結構還
可使功率器件所需耐壓降低一半队乔。為了減少輸出諧波隅贫，希望有較高的開關頻率，但受
到器件開關過程的限制拾肚，還會導致變頻器損耗增加，效率下降所惶，所以功率器件開關頻

率一般為幾百赫茲奶匆。三電平變頻器若不設置輸出濾波器，一般需采用特殊電機桦溃，或普
通電機降額使用晕围。
若輸入也采用對稱的三電平PWM 整流結構，可以做到輸入功率因數(shù)可調呐相，輸入諧
波很低黑寻，且可四象限運行，系統(tǒng)具有較高的動態(tài)性能汞小，當然成本和復雜性也大大增加
了晶恨。
2.1 三電平變頻器原理
圖8 為三電平逆變器一相的基本結構，V1-V4 代表一相橋臂中的4 個功率
開關蛛挚，DF1-DF4 為反并聯(lián)的續(xù)流二極管抗斤，DC1，DC2 為箝位二極管丈咐，所有的二
極管要求有與功率開關相同的耐壓等級瑞眼。Ed 為一組電容二端電壓，C 為中心點棵逊。
圖8 三電平基本結構
對于每相橋臂通過控制功率器件V1-V4 的開通伤疙，關斷，在橋臂輸出點可獲得
三種不同電平+Ed辆影，0徒像，-Ed，見表1秸歧。
表1 三電平變頻器器每相輸出電壓組合表
V1 V2 V3 V4 輸出電壓 狀態(tài)代號
ON ON OFF OFF +Ed P
OFF ON ON OFF 0 C
OFF OFF ON ON -Ed N
由表1 看出厨姚，功率開關V1 和V3 狀態(tài)是互反的衅澈，V2 與V4 也是互反。同時
規(guī)定谬墙，輸出電壓只能是+Ed 到0今布，0 到-Ed，或相反地變化育另，不允許在+Ed 和-Ed
之間直接變化掩半。所以不存在二個器件同時導通或同時關斷，也就不存在動態(tài)均壓問
題衷谋。
對于由三個橋臂組成的三相逆變器溉谣，根據(jù)三相橋臂U，V榜寸，W 的不同開關組合胧含，最
終可得到三電平變頻器的33=27 種開關模式，見表2怠竞。
表2 三電平變頻器輸出狀態(tài)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
采用中心點箝位方式使輸出增加了一個電平费控，輸出電壓的臺階降低了一半，而且
很重要的一點是增加了輸出PWM 控制的自由度哨遭，使輸出波形質量在同等開關頻率條件
下有較大的提高咸培。
圖9 為一三電平變頻器主電路結構圖。
圖9 三電平變頻器
整流電路采用12 脈沖二極管整流結構骑跳。逆變部分功率器件可以采用IGCT疑跑，反并
聯(lián)續(xù)流二極管集成在IGCT 中。由于受到器件開關損耗炉抒，尤其是關斷損耗的限制奢讨，IGCT
的開關頻率為600HZ 左右。直流環(huán)節(jié)用二組電容分壓端礼，得到中心點禽笑。直流環(huán)節(jié)還有
di/dt 限制電路，共模電抗器蛤奥，保護用IGCT 等佳镜。di/dt 限制電路主要由di/dt 限制電
抗器，與之反并聯(lián)的續(xù)流二極管和電阻組成凡桥，因為IGCT 器件本身不能控制di/dt蟀伸，所
以必須通過外加di/dt 限制電路，使逆變器IGCT 反并聯(lián)續(xù)流二極管的反向恢復控制在
安全運行范圍內缅刽，同時該電路也用于限制短路時的電流上升率啊掏。共模電抗器一般在變
壓器與變頻器分開安置，且變壓器副邊和整流橋輸入之間電纜較長時采用，當變壓器
和變頻器一起放置時迟蜜，可以省去刹孔。其作用主要是承擔共模電壓和限制高頻漏電流，因
為當輸出設置濾波器時略匕，由于濾波電容的低阻抗缓贤，電機承受的共模電壓極小，共模電
壓由輸入變壓器和逆變器共同承擔熟督，當變壓器與變頻器之間電纜較長卿黍，線路分布電容
較大，容抗下降雨株，導致變壓器承受的共模電壓下降见拴，逆變器必須承受較高的共模電
壓，影響功率器件安全贫迫，共模電抗器就是設計用來承受共模電壓的馒毙。另外高頻的共模
電壓還會通過輸出濾波電容，變壓器分布電容芹蟹，電纜分布電容形成通路凳嘁，產(chǎn)生高頻漏
電流，影響器件安全绍绽，共模電抗器也起到抑制高頻漏電流的作用。保護用IGCT 的作用
是當逆變器發(fā)生短路等故障時经磅，切斷短路電流泌绣，起到相當于快熔的作用。由于逆變電
路采用IGCT 作為功率器件预厌，而IGCT 本身不象IGBT 那樣存在過電流退飽和效應阿迈，可以
通過檢測集電極電壓上升來進行短路檢測，并通過門極關斷進行保護轧叽，所以必須通過
霍爾電流傳感器苗沧，檢測到過電流，然后通過串聯(lián)在上下直流母線的二個保護用IGCT 進
行關斷炭晒。由于直流環(huán)節(jié)存在共模電抗器和di/dt 限制電抗器待逞，導致整流橋輸出和濾波
電容之間存在較大阻抗，這樣電網(wǎng)的浪涌電壓要通過整流橋形成浪涌電流网严，再通過濾

波電容吸收的效果大大降低识樱，為了保護整流二極管免受浪涌電壓的影響，在整流橋輸
出并聯(lián)了阻容吸收電路震束。箝位二極管保證了橋臂中最外側的兩個IGCT 承受的電壓不會
超過一半的直流母線電壓怜庸，確切地說，應該是對應側濾波電容的電壓姚转，所以最外側的
兩個IGCT 不存在過壓問題谋扼。內側的兩個器件仍要并聯(lián)電阻棒嚼，以防止產(chǎn)生過壓。因為在
同側二個器件同時處于阻斷狀態(tài)時咐准，內側的器件承受的電壓可能超過一半的直流母線
電壓啃掠，具體電壓取決于同側二個器件的漏電流匹配關系。
 

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