多电平逆变器开关器件.docx

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1、多电平逆变器开关器件可控硅整流器件(Silicon Controlled Rectifier, SCR)即晶闸管，是一种四层三端半导体器件。自1957年美国通用电气公司首批普通晶闸管问世以来，以晶闸管为代表的第一代电力电子器件在电力系统中的应用得到了飞速发展，形成了电力电子技术。晶闸管具有耐受高电压、大电流的特性，在高压直流输电(HVDC)、静止无功补偿(SVC)等领域有着较为广泛的应用。但是由于晶闸管本身没有关断能力，属半控型器件，应用中往往需要配备强迫换流电路，增大了变流装置的成本、体积和功耗，且工作频率和效率较低，限制了其进一步的应用。20世纪70年代后期以来，以可关断晶闸管(GT0)、

2、绝缘栅极型晶体管(IGBT)等为代表的第二代全控型电力电子器件不断问世，得到迅速发展，大大提高了开关控制的灵活性，在功率、频率等方面得到不断的飞跃。全控型电力电子器件的出现，推动了新型电力电子拓扑结构的发展。与此同时，一系列优秀的控制策略也应运而生，近一步丰富和完善了电力电子技术。随着半导体技术的发展，以集成门极换流晶闸管(IGCT)为代表的现代电力电子器件向着大功率、易驱动、高功率密度、高频化和模块化方向飞速发展，并得到广泛应用。GT0是SCR的派生器件，两者的结构和工作原理大同小异。它不仅具有与SCR一样的通过门极正电压控制主回路导通的能力，而且还能通过门极负电压时，实现主回路的关断。目前

3、，GT0模块已能达到9kV/10kA耐受水平,以GTO串联等技术为代表的籍以实现大功率GTO模块的技术目前成为了该领域的研究热点。但是传统GTO器件存在的开关频率低（约500Hz）、输出电压谐波特性差、大功率模块杂散特性差、开关过程损耗大以及缓冲电路成本较高等固有缺陷，限制了GTO的应用。IGBT是将功率MOSFET和双极性功率晶体管组合而成的复合型功率器件,既具有MOSFET管通断速度快、输入阻抗高、驱动功率小和驱动电路简单等优点，又具有大功率双极性晶体管容量大和阻断电压高的优点，是当前应用最为广泛的高频PWM开关器件。目前已经实用化的IGBT单管最大工作电压可达到6.5kV,最大电流可达3

4、.6kA,因此IGBT推动了多电平大功率拓扑结构的飞跃发展，是目前高频电力电子技术应用的一种比较理想的基础元件。1993年日本东芝公司在IGBT的基础上发展了一种新的大功率器件，电子注入增强门极晶体管（IEGT）,目前已进入实用阶段。IGCT是ABB公司为了改善传统GTO的开关性能，将一种特殊结构的GTO和特殊的外围MOS开关电路组合而成的一种开关器件。具有开关频率高、损耗小、易用于串联等优点，但是由于IGCT的开通过程与传统的GTO相似，仍必须限制其开通时刻的电流上升率，同时，为减缓关断时IGCT的关断过电压，需要采用电压缓冲吸收电路。目前，最大阻断电压为10kV的IGCT进入工程实用阶段。

5、以上是现代高压大功率级联式多电平技术中主要采用的四种开关器件,其中IGBT主要用作各种H桥及SPWM直流电源级联式多电平逆变器的控制开关，是应用最为普遍的一种开关器件：GTO主要用作不同开关器件单相全桥逆变器、混合级联式多电平逆变器中的低频高压H桥的开关器件；IGCT主要用于钳位式三电平逆变器。二、级联式多电平逆变器级联式多电平逆变器能很好的解决钳位式多电平逆变器中直流电容均压的问题，采用具有独立直流源基本逆变单元级联而成的一种串联结构形式，每个级联单元采用独立直流电源，所以主开关器件耐压就限定在各自的直流侧电压上，不会因为开关状态的转换使得主开关管受压不均造成器件损坏，且避免了大量钳位二极管

6、或电容的使用，一般而言级联逆变单元多采用H桥式结构。级联型多电平变流器可采用技术比较成熟的低压小容量模块串联的模式，容易扩展、容易提高电平数、有效降低单模块开关器件工作频率、提高效率减小损耗、减少元器件数量节约成本、回避了直流侧电压均压的问题、各模块可独立控制,算法相对简单。采用这一结构的代价是,在有功功率交换的场合，所需独立的直流源数随着输出波形电平数增加而增加。三、混合级联多电平逆变器不同开关器件、不同直流电压的H桥单元级联叠加而成的混合级联多电平逆变器可在一定程度上解决级联多电平逆变器直流电压源数量过多的问题。一般采用低频高耐压的大功率器件（如GTO）的H桥和高频低耐压的中功率开关器件（如IGBT）的H桥混合串联，低频高耐压器件的H桥主要用于提高系统容量和系统的输出电压，而高频低耐压器件的H桥通过提高输出电压的电平数来改善输出电压的波形和调节电压，兼顾提高功率单元容量和改善输出电压波形的优点。