逆变器件与变频器的发展

    (1)起步始于SCR。20世纪60年代，大功率晶闸管(SCR)首先亮相，变频调速也因此而得到了实施，出现了希望。

    晶闸管VT在直流电路中的工作情形如图1-18所示，当门极G与阴极K之间加入正电压信号UG时，VT导通，如图a所示。

    图1-18    晶闸管在直流电路中

   a)门极加正信号b）撤销门极信号c）门极加脉冲信号

    当门极与阴极之间撤销UG时，VT将继续保持导通状态，如图b所示。故晶闸管在直流电路中，一旦导通之后，是不能自行关断的。所以，只要在门极与阴极之间加入一个脉冲信号uG，则VT即可保持导通状态，如图c所示，uG称为触发脉冲电压。

    由晶闸管构成的逆变桥如图1-19所示，UD是直流回路的电压，设平均值为UD=513V。

    如上述，晶闸管在直流电路中不具有自行关断的能力。要想关断已经导通的晶闸管，必须令晶闸管的阳极和阴极之间的电压为0，或加入反向电压。

    图1-19a的大致工作情形如下：

    假设晶闸管VT1已经处于导通状态，这时，A1点的电位与直流正端（P端）相同，而如果VT3和VT5都处于截止状态的话，则B1点和C1点都是0电位。如要关断VT1，必须令VT3或VT5导通，现假设VT3导通。在VT3导通的瞬间，B1点的电位突然上升513V，由于电容器C13两端的电压是不能跃变的，故A1点的电位也同时上升513V，使VT1的阴极电位高于阳极电位，从而迫使VT1截止。

    图1-19    晶闸管逆变电路

   a)逆变电路；b）输出电压波形；c）电动机电流波形

    由于晶闸管逆变桥是由同一侧的晶闸管相互关断的，所以，输出的电压波是矩形波，如图b所示；而电动机的电流波形则如图c所示。

    晶闸管变频器中，用于相互关断的电容器要求电压较高、容量也较大，故价格昂贵。并且在不同的负载电流下，晶闸管的关断条件也并不一致，影响了工作的可靠性。除此以外，输出电压和电流具有很大的谐波成分。所以，晶闸管虽然使变频调速成为了可能，实现了近百年来人们对于变频调速的企盼，但并未达到普及推广的阶段。

   (2)普及归功GTR(BJT)。20世纪70年代，电力晶体管问世，把变频调速推向了实用阶段，于20世纪80年代初开始逐渐推广。

    电力晶体管实际上是由两个或多个晶体管复合而成的复合晶体管（达林顿管），如图1-20所示，也称为大功率晶体管(GTR)或双极晶体管(BJT)。

    图1-20    电力晶体管的内部电路

   a)复合晶体管b）双管模块

    由于在变频器内，开关器件主要用于逆变桥，故常把两个GTR集成到一起，做成双管模块如图b所示，也有把六个GTR集成到一起，做成六管模块的。

    又因为在变频器中，各逆变管旁边总要反并联一个二极管，所以，模块中的GTR旁边，都已经把反并联的二极管也集成进去了。

    就基本工作状态而言，电力晶体管和普通晶体管是一样的，也有三种状态：放大状态、截止状态和饱和导通状态。

   GTR变频器的逆变电路如图1-21a所示，其主要特点有：

   1)输出电压。可以采用脉宽调制方式，故输出电压为幅值等于直流电压的强脉冲序列，如图b所示。

   2)载波频率。由于GTR的开通和关断时间较长，故允许的载波频率较低，大部分变频器的上限载波频率约为1.2~1. 5kHz。

   3)电流波形。因为载波频率较低，故电流的高次谐波成分较大，如图c所示。这些高次谐波电流将在硅钢片中形成涡流，使硅钢片相互间因产生电磁力而振动，并产生噪声。又因为载波频率处于人耳对声音较为敏感的区域，故电动机的电磁噪声较强。

    图1-21    GTR变频器的主要特点

   a)逆变电路b）电压波形c）电流波形

   4)输出转矩。因为电流中高次谐波的成分较大，故在50Hz时，电动机轴上的输出转矩与工频运行时相比，略有减小。

   (3)提高全靠IGBT。20世纪80年代末，绝缘栅双极型晶体管(IGBT)的开发成功，使变频器在许多方面得到了较大的提高。

    绝缘栅双极型晶体管(IGBT)是场效应晶体管(MOSFET)和电力晶体管(GTR)相结合的产物。其主体部分与GTR相同，也有集电极(C)和发射极(E)，而控制极的结构却与场效应晶体管相同，是绝缘栅结构，也称为栅极(G)，如图1-22a所示。其工作特点如下：

   1)控制部分。控制信号为电压信号uGE，栅极与发射极之间的输入阻抗很大，故信号电流与驱动功率（控制功耗）都很小。

   2)主体部分。因为与GTR相同，额定电压与电流容易做得较大，故在中小容量的变频器中，IGBT已经完全取代了GTR。

    以IGBT为逆变器件的逆变电路与GTR的逆变电路基本相同，如图1-22b所示。其主要特点如下：

    图1-22    ICBT的基本特点

   a)结构特点b）逆变电路c）电压和电流波形

   1)载波频率高。大多数变频器的载波频率可在3~15kHz的范围内任意可调，其电压波形如图c的上部所示。

   2)电流波形大为改善。载波频率高的结果是电流的谐波成分减小，电流波形十分接近于正弦波，如图c的下部所示，故电磁噪声减小，而电动机的转矩则增大。

   3)瞬间停电可以不停机。这是因为，IGBT的栅极电流极小，停电后，栅极控制电压衰减较慢，IGBT管不会立即进入放大状态。故在瞬间停电或变频器因误动作而跳闸后，允许自动重合闸，而可以不必跳闸，从而增强了对常见故障的自处理能力。

    图1-23    IGBT模块

   a)双管模块b）六管模块

    可以说，IGBT管为变频调速的迅速普及和进一步提高奠定了基础。

    变频器所用的IGBT管，通常已经制作成各种模块，如图1-23所示。图a是双管模块，图b是六管模块。