大功率变流器的拓扑结构与器件选择

— 5— 2004年第2期 2004年3月10日 机 车 电 传 动 ELECTRICDRIVEFORLOCOMOTIVES № 2, 2004 Mar.10, 2004 大功率变流器的拓扑结构与器件选择 于 飞，张晓锋，李槐树，叶志浩 (海军工程大学 电气工程系，湖北 武汉 430033) 综 述 与 评 论 作者简介：于 飞（1975-）， 男，1998年本科毕业于海军 工程大学电气工程系，2001 年获海军工程大学电力系 统及其自动化专业硕士学 位，现为博士研究生，主要 研究方向为电力系统自动 化及舰船电力推进技术； 摘 要：详细阐述了IGCT、ETO、IEGT等新型器件的技术特点和应用前景以及矩阵式变 流器、多点式变流器和多相逆变器等高性能、大功率变流器的结构、特性与应用状况，提出了 适用于电力推进的大功率变流器的选择 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 。 关键词：大功率变流器；拓朴结构；ETO；IEGT；多相逆变器，多点式变流器 中图分类号：TM46 文献标识码：A 文章编号：1000-128X(2004)02-0005-04 收稿日期：2003-07-01；收修改稿日期：2003-11-11 Topological structure and device selection for high-power converter YU Fei, ZHANG Xiao-feng, LI Huai-shu, YE Zhi-hao (Dept. of Electrical Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan, Hubei 430033, China) Abstract: Technical characteristics and application previews of new devices as IGCT, ETO and IEGT are detailed. Also discussed are the structures, performances and applications of high performance power converters like matrix converter, multilevel converter and multi-phase inverter etc. Optional schemes are pro- posed for high power converters. Key words: high-power converter ； topological structure ； ETO； IEGT； multi-phase inverter； multilevel converter 张晓峰（1963-）， 男，1982年 毕业于海军工程大学电气 工程系，1996年获清华大学 电机专业博士学位，教授， 博士生导师，研究方向为电 力系统自动化及舰艇电力 推进技术。 0 引言 随着电力电子技术和交流调速技术的飞跃发展， 船舶的电力推进用变流器由于其显著的优点正在引 起广泛的注意。在电力推进技术中要求推进电动机输 出数十兆瓦的推进功率，同时能够适应各种不同的工 况，这对供电的变流器及其电力电子器件的容量和性 能提出了较高的要求。 在目前应用较为广泛的大功率电力电子器件中， 晶闸管是半控型器件，可关断晶闸管（GTO）的开关性 能不好，驱动困难。而绝缘栅双极晶体管(IGBT)虽然 各种性能指标相对比较好，但是以其目前的容量还不 能满足兆瓦级电力推进的需要。在这种情况下，一些 新的高性能大功率器件值得注意。另一方面，基于常 规器件的三相交交或交直交变流器所能提供的输出 电压或功率等级也很难与高压、大功率推进电机相匹 配，因此采用适当形式的拓扑结构来提升变流器的容 量是十分必要的。本文将介绍一些新型大功率器件如 IGCT、ETO、MTO、IEGT等的结构、特性与应用状况， 同时对高压大功率变流器的拓扑结构及其相关问题 进行分析。 1 新型大功率电力电子器件 1.1集成门极换流晶闸管(IGCT) IGCT是ABB公司专门针对中压大功率变流器而 设计的一种新型开关器件。它的全称是集成门极换流 晶闸管(Integrated Gate-Commutated Thyristor)，其主器 件称为GCT，是在GTO技术的基础上经过一些技术改 良后形成的新型器件，把GCT和门极驱动电路集成， 称为IGCT[1]。IGCT目前的容量已经达到6kV/6kA。 GCT主要特点是在GTO技术的基础上采用了硬 机 车 电 传 动 2004年 — 6— 驱动的概念，实现了单位关断增益[1]，这大大加快了 关断过程，同时也减小了关断损耗。同时IGCT由于采 用了独特的缓冲层和透明阳极技术，把晶闸管和晶体 管两类器件的优点结合成一体，因此在导通期间具有 晶闸管的特性，传导电流大，通态损耗低，而在关断 时和阻断时具有晶体管的特性，开关频率高，无需 dv/dt缓冲器。另外，GCT与门极驱动器集成，简化了控 制设计，也降低了故障率[1]。 IGCT已经在许多方面取得了成功。ABB公司开发 的IGCT在风机、水泵、无功补偿和轧机方面已有大量 应用。第1个大功率IGCT逆变器应用在德国不来梅的 一个100MVA电网电能变换装备上，于1996年中期投 入运行，运行12个月情况非常好。该电网中有300多 个IGCT，只有1个因为发光二极管的接触问题而出现 故障。另外在布列门、慕尼黑已有几套130MVA的铁 路牵引变相变频电源投入运行，性能良好、运行可靠。 1.2发射极关断晶闸管ETO ETO[ Emitter Turn-Off (ETO) thyristor]由美国乔治 那技术学院的电力电子中心研制成。目前的最大额定 值可以达到6kV/4kA（ETO4060），是世界上容量最大 的MOS控制型电力电子器件。 ETO由GTO和MOSFET混合而成。这种结构可以 帮助GTO实现硬驱动的工作条件[2]，其结构原理图与 电气符号见图2。它通过一对MOSFET来控制GTO的 通断，其中一个MOSFET QE充当发射极开关与GTO串 联，另一个MOSFET QG充当门极开关与GTO的门极相 连。 图1 IGCT的等效电路 图2 ETO的等效电路 在ETO关断时，发射极开关QE关断，门极开关QG 导通，GTO的阴极电流几乎在其阳极电压上升之前就 全部经过门极旁路，这样就实现了所谓的单位增益关 断，它会使存储时间大大降低，大约只有1μs的时间， 远低于GTO的20μs。另外，这种特殊的结构使ETO的 关断变成类似于PNP晶体管关断的过程，这样可以促 使电流在GTO中均匀分布，因此可以实现无缓冲关 断。值得注意的是，这种关断过程由电压控制，所以 ETO的门极驱动电路可以做得很紧凑，并且消耗的功 率很小。在ETO导通时发射极开关QE导通，门极开关 QG关断，同时向GTO的门极注入很强的电流触发脉 冲，其导通过程与GTO的导通基本类似。 在总体性能上ETO兼有GTO和IGBT二者的优 点[3] ：（1）GTO的高压、大电流和低的正向压降；（2） IGBT的电压型控制、低的门极驱动功率（是同功率 GTO的1/10）以及高的开关速度（5kHz）；（3）具有宽 的反向偏置安全工作区（RBSOA）和无缓冲关断能力。 由于其优越的性能，美国政府已经决定把ETO应 用在包括海军电力推进、综合全电力系统、先进的能 量存储装置、灵活的兆瓦级电机控制装置以及其他电 能变换装置等军用设施上[4]。 1.3MOS关断晶闸管(MTO) MTO (MOS Turn Off Thyristor)是一种混合器件。与 IGCT和ETO类似，MTO也是电压控制型器件。 MTO的换流风格源于MCT[4]，其器件的3个结中 的J3结通过辅助MOSFET开关短接。这种换流过程相 当于把4层结构的晶闸管转换成3层结构的晶体管 （晶体管通过普通的基极电压就可以实现换流），另 外，J2结空间电荷区中的存储电荷通过短路的 MOSFET排出。这2种情况都不需要外部电路，换流过 程完全在MTO内部完成。MTO和IGCT的相似点在于 它们都以晶体管的方式换流，但IGCT通过快速换流 实现这种效果，而MTO则借助短路开关的直接作用。 MTO的功率可以达到GTO及IGCT的水平，预期可 以达到10kV/2kA。目前已经出现的型号为SDM170HK 的MTO的额定值为：阻断电压4500V，额定电流 500A，额定频率2kHz，门极160A电流控制导通，门 极2 +15V电压控制关断。 1.4电子注入增强型门极晶体管（IEGT） IEGT(Injection Enhanced Gate Transistor)是东芝公 图3 MTO的结构与电气符号 — 7— 第2期 于 飞，张晓峰，李槐树，叶志浩：大功率变流器的拓朴结构与器件选择 图4 IEGT的物理结构 图6矩阵式变流器的电路结构 （a）矩阵式变流器拓朴结构；（b）双向开关的基本构成 图5串联多重化变流器的基本结构 （a）串联多重化变流器拓朴结构； （b）基本功率单元 司于1993年开发出的新一代电力电子器件。 与上述3种器件不同的是，IEGT是在IGBT技术的基 础上发展而来的，其基本结构见图4。与IGBT结构相比， 最大的区别是它的门极宽度较大、N-基区接近栅极侧 的横向电阻值较高，这种结构使IEGT实现了其特有的 “电子注入增强效应”，因而能够在提高正向阻断电压的 同时仍然保持优良的开关特性。主要表现为di/dt承受能 力增强，关断速度快，安全工作区域较宽，另外门极驱 动控制简单，驱动功率也低得多（比GTO低2个数量级）。 IEGT目前的容量已经达到4.5kV/3kA，其优越性 能使它非常适合在各种大功率变流器中使用，凡是使 用GTO的地方，几乎都可以用IEGT来代替，例如电子 开关、STATCOM、有源滤波器(APF)、电机驱动等。 1.5其他新型大功率器件 除了上述几种器件之外，谐振门极换流晶闸管[6] （RGCT——Resonant Gate Commutated Thyristor）、高压IGBT (HVIGBT——High Voltage IGBT)、快速关断器件[4] （FTO）等也都是在GTO和IGBT的基础上发展起来的 新型大功率器件。这些器件的出现为大功率电力推进 的实现创造了良好的基础。 2 大功率变流器的拓扑结构 除了直接利用高压大功率的电力电子器件外，采 用适当的拓扑结构也可以有效地提高变流器的容量， 同时还可以改善变流器输出波形的质量。 2.1串联多重化变流器 串联多重化变流器的拓扑结构见图5（a）。该技术 的主要思想是通过一个多重隔离变压器给各个功率 单元供电，隔离变压器二次线圈的输出电压互相存在 一个相位差，因此可以较好地消除各单元产生的输入 谐波[7]。每个功率单元的输入为三相，采用二极管不 可控整流，输出部分是单相H桥脉宽调制逆变器[见 图5（b）]。每个 功率单元的输 出电压可以得 到+1，0，-1这3 个电平状态。如 果每相有3个功 率单元串联，通 过控制后在每 相的输出中就 可以得到7种电 平(±3,±2,±1, 0)，由此组成的 输出波形不用 P W M控制就已 十分接近正弦 波。这种变流器 每个功率单元 的输入电压是 低压，因此可以采用价钱低的低压功率器件。每相串 联的单元数取决于变流器要求的输出电压。每个功率 单元的结构完全相同，便于模块化设计和制造。 串联多重化的主要缺点是采用的器件比较多，而 且采用了比较笨重的变压器，造成整个系统的体积比 较大。但是考虑整个系统的成本和工作性能等因素， 串联多重化变流器在大功率领域中仍有发展前途。 2.2矩阵式变流器 矩阵变流器的概念最初于70年代末提出，它的典型 结构见图6（a）。其中的每一个小单元代表一个双向的功 率开关。由于目前还没有这种双向器件，因此一般用几 个单向器件组合而成。图6（b）是其中的一种构成方法。 与传统的变频器相比，矩阵式变流器具有以下几 个显著的特点[8] ： （1）控制自由度大，输出电压可调，输出频率不 受输入频率的限制，理论上可谓任意值。 （2）可得到较理想的正弦输入电流和正弦输出电 压，波形失真度小。 （3）输入功率因数可以任意调节，可以超前、滞 后，可调至逼近于1，且与负载无关。 机 车 电 传 动 2004年 — 8— 图7三相二极管中点钳位式三电平变流器 图8 12相逆变器的电路结构示意图 图9 12相电动机在基频下的定子磁通轨迹 （4）由于采用双向开关，能量可以双向流动，尤 其适合于电机的四象限运行。 （5）无中间直流储能环节，结构紧凑，体积小。 其主要缺点是所用的功率开关较多，且必须是双 向开关，控制也比较复杂，必须采用高速处理器才能 实现[8]。目前这种变流器还处于实验室研究阶段，距 大功率实用阶段可能还有一段距离。 2.3多点式变流器 多点式变流器的思想最早是由Nabae于80年代初 提出的，目前已成为国内外研究的热点。 其基本结构有3种，分别是二极管中点钳 位式、飞跨电容式和级联式多点式逆变 器。3种结构的多点式变流器各有特点，很 多文献都对此进行了分析[9]。不管哪种形 式的多点式变流器，其共同特点都是采用 类似器件串联的方式来得到较高的输出电 压，但是不存在器件直接串联产生的均压 问题；同时因为输出电平数的增加使输出 谐波大大减小，而且电平数越多，变流器输出的电压 越高、波形的正弦度越好；另外，开关器件可以工作 在输出电压基频以下，可以减小开关损耗，避免大的 dv/dt所导致的各种问题。 多点式变流器的缺点是使用的元件数比较多，随 着电平数的增多，系统和控制的复杂性大大增加；另 外由于电容充放电不均衡引起的中性点电压不平衡 以及各个器件之间的电压或电流应力不均衡等问题 也都需要通过复杂的设计和控制来解决[10]。 但总的说来，多点式变流器的出现为大功率拖动 提供了一个非常好的解决方案。目前应用比较广泛的 是二极管中点钳位式多点式逆变器(见图7)，已有许 多相应的成熟产品出现。如［11］中提到将二极管钳 位五点式逆变器成功地用于22 MVA、7.46kV的大容 量异步电机的驱动，所采用的功率器件是ABB公司生 产的4.5 kV、3kA GTO。仿真和实验结果表明，该方案 在电机转速范围、动态响应时间和转矩脉动方面都达 到了令人满意的程度。 2.4多相逆变器 多相逆变器(见图8)主要对应于多相电机推进系统。 与多点式变流器通过提升电压来扩展容量不同的是，多 相逆变器通过类似于增加并联支路而增加电流的方式 来扩展容量。这对于增大电机电流提高输出转矩很有好 处；同时因为单相绕组中的电流并不大，易于避免大功 率电机系统中常出现的趋肤效应问题。多相逆变器中的 单相输出电压虽然并不能提高波形质量，但是多相综合 作用所形成的电压矢量却可以有效地减小谐波含量，因 此形成的定子磁通更加接近于圆形，从而获得平滑的输 出转矩；而且相数越多，效果越明显，这与多电平逆变 器通过增加电平数改善波形的效果是一样的。 图9是12相逆变器工作在基频下所得到电动机 的定子磁通轨迹，近似为一个正24边形，而相同情况 下三相系统的定子磁通轨迹为正六边形。相比之下12 相系统的定子磁通轨迹显然要好得多，通常只要较小 的PWM载波比就可以获得理想的磁通轨迹，因此多 相逆变器对于解决大功率器件开关速度比较慢的问 题也很有帮助。 多相逆变器另一个优点是多点式逆变器所没有 的，即多相逆变器可以提高系统的容错性，一相或者 几相出现故障系统仍然可以继续工作，对于多相“H 桥”式逆变器这种特点表现得尤为突出[12]。 基于多相逆变器的推进系统主要应用在军事领域 里，英国皇家海军的综合全电力推进（IFEP） 计划 项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载 、美 国海军的综合电力系统（IPS）计划以及德国的新一代 常规潜艇不约而同地都采用了这种多相推进方案[13]。 3 结论 各种新型大功率电力电子器件的 （下转第11页） — 11— 第2期 罗仁俊，刘连根： DF8BJ内燃机车交直交牵引传动系统 6 试验结果分析 DF8BJ型内燃机车于2002年4~8月在环行铁道 线进行了牵引性能试验。机车最大启动牵引力实测 值569.25kN，高于设计值560kN。粘着控制效果明 显，最大启动牵引力测试过程中，牵引力出现2次明 显的下降过程，但很快恢复为最大牵引力，牵引力 下降和恢复时间约为6.1 s。 对于牵引工况，柴油机额定转速1000r/min时， 实测牵引特性曲线略低于设计要求。这主要因为预期 的牵引特性曲线是根据正弦电源供电的电动机效率 计算得到的，而实际运用中电动机是由PWM电源供 电的，由于存在谐波损耗，PWM电源供电模式下电动 机效率要低于正弦电源供电模式。当机车速度大于最 大恒功速度时，为避免电动机颠覆，系统根据中间直 流电压和机车速度按一定规律降低功率运行。 对于制动工况，柴油机转速760r/min时，实测电 阻制动特性曲线符合设计曲线。电阻制动力最高为 285.4kN，高于设计值280kN；轮周制动功率最高为 3523.5 kW，也高于设计值3360kW。当机车速度低于 10km/h时，制动力按斜线下降，直至3km/h制动力降 为零。整个制动过程，系统工作稳定、无冲击和波动。 7 结束语 DF8BJ型内燃机车是国产首台完全拥有自主知识 产权的干线交流传动内燃机车，于2002年1月研制成 功，并于2002年8月完成安全评估试验和牵引性能试 验，2002年11月正式投入现场运用，并在郑州铁路局 组织的货物列车速度120km/h提速试验中担当牵引动 力，表现出优越的牵引性能和高可靠性。机车启动牵 引力和持续牵引力比传统的同功率等级的直流传动机 车分别提高了19.5%和20.6%。机车牵引性能试验和运 用情况表明，交直交传动系统满足机车整体设计要求。 参考文献： ［1］ 刘连根.内燃机车中间直流电压的选择与变流系统标准化设计[ J]． 机车电传动，2002，（2）． ［2］ 谢鸣皋.交流传动内燃机车同步主发电机与逆变器匹配关系的分 析[ J ].机车电传动，2001，（4）． ［3］黄济荣.电力牵引交流传动与控制 [M] .北京：机械工业出版社， 1998． ［4］刘连根.内燃机车交-直-交牵引传动系统[ J ]．变频器世界． 2001，（1）． ［5］唐松柏.DF8BJ0001号内燃机车检验报告[R ]．北京：北京铁道部产 品质量监督检验中心机车车辆检验站，2002. （上接第8页） 出现为电力推进的发展提供了更多的 选择余地。在这些器件中，综合各种性能指标来看， IGCT、ETO和IEGT的技术相对成熟些，也最有发展潜 力，相信在不久的将来会取得广泛的应用。 在器件容量一定的情况下，通过选择适宜的拓扑 结构可以有效地增加变流器的输出功率。在现有的各 种方案中，串联多重化技术以低压小功率器件实现了 高压大容量的输出，并较好地改善了输出电压的波 形，在大功率应用领域的应用前景较好，但是似乎并 不适合电力推进这类对系统体积要求比较高的场合。 矩阵式变流器虽然体积比较小，但是器件和控制的限 制使其在近期内难于实用化。多点式变流器通过提升 电压增大了容量，多相逆变器通过增加电流增大了容 量，同时它们对控制性能也起到了很好的改善作用， 如果与文中提到的新型大功率器件相结合，这两种结 构的变流器将是大功率变流器的理想选择方案。 参考文献： ［1］ P K Steimer, H E Gruning, J Werninger, E Carrol, S Klaka and S Linder. 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