晶閘管目前工業(yè)應(yīng)用的最高電壓為8000V左右，當(dāng)電網(wǎng)電壓較高時，可采用晶閘管串聯(lián)的辦法。比如，當(dāng)電網(wǎng)電壓為交流4160V時，需要2個耐壓為5KV的晶閘管串聯(lián)，才能滿足5900V峰值電壓時的耐壓要求?？紤]到器件串聯(lián)時的均壓問題和器件耐壓使用安全裕量，在工業(yè)應(yīng)用中，一般使用到器件額定電壓的50-60。晶閘管串聯(lián)存在靜態(tài)均壓和動態(tài)均壓問題。均壓電阻會消耗一部分功率，影響系統(tǒng)的效率。晶閘管的通態(tài)壓降一般較低，門極觸發(fā)電路比較簡單，驅(qū)動功率較低。以6500V，4200A的晶閘管為例，通態(tài)壓降可做到1.73V，門極觸發(fā)電流僅需400mA，觸發(fā)功率僅為3W，該晶閘管的斷態(tài)電壓臨界上升率達(dá)2000V/us，通態(tài)電流臨界上升率達(dá)250A/us(連續(xù))。
由于電源側(cè)采用三相橋式晶閘管整流電路，輸入電流的諧波成份較大，為了降低諧波，可采取多重化，有的還必須加輸入濾波裝置。電流源型變頻器輸入功率因數(shù)一般較低，且會隨著轉(zhuǎn)速的下降而降低，通常要附加功率因數(shù)補(bǔ)償裝置。另外，電流源型變頻器還會產(chǎn)生較大的共模電壓，當(dāng)沒有輸入變壓器時，共模電壓會施加到電機(jī)定子繞組中心點(diǎn)和地之間，影響電機(jī)絕緣。電流源型變頻器的輸出電流諧波較高，會引起電機(jī)的額外發(fā)熱和轉(zhuǎn)矩脈動，必要時也可采取輸出12脈沖方式或設(shè)置輸出濾波器，當(dāng)然系統(tǒng)的復(fù)雜性和成本也會增加。由于均壓電路等固定損耗較大，以及輸入功率因數(shù)較低，導(dǎo)致無功電流較大等原因，系統(tǒng)效率會隨著負(fù)載的降低而降低。
電流源型變頻器種類較多，主要有串聯(lián)二極管式，輸出濾波器換相式，負(fù)載換相式和GTO-PWM式等。其中，前三種電流源型變頻器的逆變功率器件都采用晶閘管，輸出采用120°導(dǎo)通方式。GTO-PWM式電流源型變頻器采用GTO作為功率器件，逆變器一般采取電流PWM控制方式。在系統(tǒng)控制上，電流源型變頻器在一般應(yīng)用時采取電壓-頻率協(xié)調(diào)控制。與電壓源型變頻器可以直接控制輸出電壓不同，電流源型變頻器的輸出電壓是由輸出電流及負(fù)載決定的，所以為了實(shí)現(xiàn)電壓頻率協(xié)調(diào)控制，必須設(shè)置電壓環(huán)以實(shí)現(xiàn)輸出電壓的閉環(huán)控制。高性能時，通常采取磁場定向矢量控制，采用常見的轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)，通過速度和磁通閉環(huán)調(diào)節(jié)器分別得到定子電流的轉(zhuǎn)矩分量和勵磁分量，經(jīng)過極坐標(biāo)變換，得到定子電流幅值和負(fù)載角，定子電流的幅值作為電流環(huán)的給定值，控制晶閘管整流電路實(shí)現(xiàn)定子電流的閉環(huán)控制，負(fù)載角和同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的位置角迭加在一起，用于逆變側(cè)晶閘管的觸發(fā)脈沖分配。
圖1是串聯(lián)二極管式電流源型變頻器的逆變電路結(jié)構(gòu)圖。圖中C13，C35，C51和C46，C62，C24是換相電容器，利用換相電容和電機(jī)電感之間的諧振實(shí)現(xiàn)晶閘管的強(qiáng)迫換流，二極管VD1-VD6在換流過程中隔離電機(jī)反電勢，使它不影響換相電容的放電過程。變頻器運(yùn)行與電機(jī)參數(shù)(主要是漏感)的關(guān)系較大，換相電容的容量要與電機(jī)電感和負(fù)載電流相匹配。在實(shí)際應(yīng)用中，通常要根據(jù)所帶電機(jī)的不同，相應(yīng)地配置換相電容的數(shù)量。
2輸出濾波器換相式電流源型變頻器
輸出濾波器換相式電流源型變頻器利用輸出濾波器對晶閘管進(jìn)行換相，組成結(jié)構(gòu)如圖2所示。濾波器大概在50轉(zhuǎn)速時提供電機(jī)所需的全部勵磁電流。
在這點(diǎn)以上，負(fù)載(包括電機(jī)和濾波器)維持超前的功率因數(shù)。所以逆變器的晶閘管可以實(shí)現(xiàn)自然換流，濾波器的容量基本和變頻器容量相當(dāng)，除了龐大的濾波電容外，濾波器還必須串聯(lián)一定量的電感，以防止產(chǎn)生過大的di/dt，影響晶閘管的安全。由于濾波器容量較大，足以讓電機(jī)自激發(fā)電，所以在濾波器輸出和電機(jī)之間必須附加一個接觸器，以防止變頻器跳閘或自由停車時，電機(jī)自激發(fā)電。龐大的濾波器的優(yōu)點(diǎn)是對輸出120°方波電流起到了很好的濾波作用，所以速度較高時，電機(jī)電流波形有所改善。當(dāng)輸出頻率降低時，濾波器的濾波作用下降，電機(jī)電流波形的質(zhì)量也有所下降。在變頻調(diào)速過程中，由于輸出電壓隨著頻率的上升正比上升，電容的阻抗與頻率成反比關(guān)系，所以，隨著輸出頻率的上升，流入濾波器的基波電流幅值按照頻率的平方關(guān)系上升，直到額定值。因此，這種變頻器運(yùn)行的最高頻率一般不會超過額定頻率的1.1倍，否則，當(dāng)頻率過高時，變頻器無法提供濾波電容所需的無功電流。
圖2輸出濾波器換向式電流源型變頻器
在起動和低速時，由于輸出電壓較低，濾波電容基本上起不到換相作用，一般采取電流斷續(xù)換相法。每當(dāng)逆變側(cè)晶閘管要換相時，設(shè)法使流入到逆變器的直流電流下降到零，使逆變側(cè)晶閘管暫時關(guān)斷，然后給換向后應(yīng)該導(dǎo)通的晶閘管加上觸發(fā)脈沖。重新恢復(fù)直流電流時，電流將根據(jù)觸發(fā)順序流入新導(dǎo)通的晶閘管，從而實(shí)現(xiàn)從一相到另一相的換相。斷流的辦法很多，其中一種方法是在直流環(huán)節(jié)設(shè)置一直流電流旁路電路，當(dāng)要關(guān)斷逆變側(cè)晶閘管時，直流環(huán)節(jié)電流被此電路所旁路，而不會流過逆變側(cè)晶閘管，晶閘管自然關(guān)斷。當(dāng)下一對晶閘管需要導(dǎo)通時，再切斷旁路電路，恢復(fù)直流電流繼續(xù)流向逆變器(圖2)。此輔助斷流電路要能承受全部直流環(huán)節(jié)電壓，并能通過全部直流電流，時間大約幾百微秒，以保證晶閘管恢復(fù)阻斷。高壓晶閘管要求較高的阻斷電壓，帶來的負(fù)面影響是需要較長的關(guān)斷時間，因此，輔助斷流電路需要相當(dāng)?shù)娜萘俊．?dāng)然，輔助斷流電路不是設(shè)計(jì)成為連續(xù)運(yùn)行的，只是在起動和低速時工作，使速度達(dá)到一定值，讓濾波電容能正常工作，變頻器要求能在兩種模式之間自動切換。另一種方法是封鎖電源，或讓電源側(cè)整流入逆變狀態(tài)，直流環(huán)節(jié)電流迅速衰減，以達(dá)到短時間內(nèi)斷流的目的。觸發(fā)新的晶閘管時再讓電源恢復(fù)。直流回路的平波電抗器對電流斷續(xù)換相是十分不利的，因此必須在電抗器兩端并聯(lián)一個續(xù)流晶閘管，當(dāng)電流衰減時，觸發(fā)此晶閘管使之導(dǎo)通，使電抗器的能量得以釋放，以便不影響逆變器的斷流(圖3)。
輸出濾波器換相式電流源型變頻器在一些調(diào)速范圍不大(比如60-100)的場合還是應(yīng)用比較成功的。
3負(fù)載換相式電流源型變頻器（LCI）
負(fù)載換相式電流源型變頻器(LCI：LoadCommutatedInverter)，負(fù)載為
同步電機(jī)，變頻器工作原理與輸出濾波器換相式電流源型變頻器有些類似，組成結(jié)構(gòu)見圖3。
晶閘管的關(guān)斷主要靠同步電機(jī)定子交流反電勢自然完成，不需要強(qiáng)迫換相，逆變器晶閘管的換流與整流橋晶閘管的換流極其相似。變頻器的輸出頻率一般不是獨(dú)立調(diào)節(jié)的，而是依靠轉(zhuǎn)子位置檢測器得到的轉(zhuǎn)子位置信號按一定順序周期性地觸發(fā)逆變器中相應(yīng)的晶閘管，LCI這種“自控式”功能，保證變頻器的輸出頻率和電機(jī)轉(zhuǎn)速始終保持同步，不存在失步和振蕩現(xiàn)象。同步電機(jī)在整個調(diào)速范圍內(nèi)都必須提供超前的功率因數(shù)，以保證逆變器晶閘管的正常換相。電機(jī)必須有足夠的漏電感，以限制晶閘管的di/dt，電機(jī)也要能夠承受變頻器輸出的諧波電流，除了需要特殊的同步電機(jī)之外，LCI應(yīng)用是較為成功的。尤其是在一些超大容量的傳動系統(tǒng)中，因?yàn)長CI無須強(qiáng)迫換流電路，結(jié)構(gòu)簡單，在大容量時只有晶閘管能夠提供所需的電壓和電流耐量，從電機(jī)角度來說，同步電機(jī)在大容量時，相對異步電機(jī)也有不少優(yōu)勢?，F(xiàn)在，隨著大容量自關(guān)斷器件的應(yīng)用越來越廣泛，LCI應(yīng)用逐漸減少。
變頻器輸出電流波形和輸入電流波形極為相似，呈120°方波狀，輸出電流中含有豐富的諧波成分，諧波電流會產(chǎn)生電機(jī)的附加發(fā)熱，也會產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩脈動。圖4為該變頻的輸出電壓，電流和轉(zhuǎn)矩。
在起動和低速時，電機(jī)反電勢很小，不足以保證安全換相，因此，一般也采取電流斷續(xù)換相法。
GTO是在晶閘管基礎(chǔ)上發(fā)展起來的全控型電力電子器件，目前的電壓電流等級可達(dá)6000V，6000A。GTO開關(guān)速度較低，損耗大，需要龐大的緩沖電路和門極驅(qū)動電路，增加系統(tǒng)的復(fù)雜性和成本，使其應(yīng)用受到限制。GTO中數(shù)千只獨(dú)立的開關(guān)單元做在一個硅片上，由于開關(guān)不均勻，需要緩沖電路來維持工作，以限制器件承受的dv/dt，緩沖電路一般采用RCD型結(jié)構(gòu)，二極管和電容必須有與GTO相同的耐壓等級，二極管要求用快恢復(fù)二極管。緩沖電路的損耗產(chǎn)生熱量，影響器件的可靠運(yùn)行，并且影響變頻器的效率。為了降低損耗，也有采取能量回饋型緩沖電路的方案，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(fù)雜性。GTO的開關(guān)頻率較低，一般在幾百赫茲，比如300HZ。
以6000V，3000A(最大可關(guān)斷陽極電流值)的GTO為例，通態(tài)平均電流為1030A，通態(tài)壓降3.5V，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)，滯后時間2.5us，上升時間5us，存儲時間25us，下降時間3us，最小通態(tài)維持時間100us，最小斷態(tài)維持時間100us，開通每脈沖能耗2.5Ws，關(guān)斷每脈沖能耗16Ws。GTO的門極驅(qū)動，除了需要晶閘管一樣的導(dǎo)通觸發(fā)脈沖外，還需要提供相當(dāng)大的的反向關(guān)斷電流，上述GTO的門極峰值關(guān)斷電流就達(dá)900A，所以GTO的門極驅(qū)動峰值功率非常大。
圖7三電平逆變器主電路結(jié)構(gòu)
圖8三電平基本結(jié)構(gòu) 由表1看出，功率開關(guān)V1和V3狀態(tài)是互反的，V2與V4也是互反。同時規(guī)定，輸出電壓只能是 Ed到0，0到-Ed，或相反地變化，不允許在 Ed和-Ed之間直接變化。所以不存在二個器件同時導(dǎo)通或同時關(guān)斷，也就不存在動態(tài)均壓問題。 采用中心點(diǎn)箝位方式使輸出增加了一個電平，輸出電壓的臺階降低了一半，而且很重要的一點(diǎn)是增加了輸出PWM控制的自由度，使輸出波形質(zhì)量在同等開關(guān)頻率條件下有較大的提高。 圖9三電平變頻器 圖10三電平變頻器輸出電壓和濾波后電壓
以3300V，1200A的IGBT模塊為例，其飽和壓降為3.4V左右，開通延遲時間370ns，上升時間250ns，關(guān)斷延遲時間1550ns，下降時間200ns，開通每脈沖損耗2880mWs，關(guān)斷每脈沖損耗1530mWs。集成在模塊內(nèi)的反并聯(lián)續(xù)流二極管，正向壓降2.8V，峰值反向恢復(fù)電流1320A，反向恢復(fù)電荷740uAs。
集成門極換流晶閘管IGCT(integratedgate-commutatedthyristor)是由GCT(gatecommutatedturn-offthyristor)和其門極控制電路集中成一體化的組件。
GCT是在GTO基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新器件，它保留了GTO高電壓，大電流，低導(dǎo)通壓降的優(yōu)點(diǎn)，又改善了其開關(guān)性能。GCT采用了緩沖層設(shè)計(jì)，它使器件的通態(tài)和開關(guān)損耗可減少到原來的1/2-1/2.5，但緩沖層會導(dǎo)致關(guān)斷時不能盡快抽走器件在通態(tài)時存儲的電荷，常規(guī)的GTO采用陽極短路技術(shù)，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(jié)合會導(dǎo)致極高的觸發(fā)電流和維持電流。GCT取消陽極短路，而將陽極做成可穿透型，這樣，電荷存儲時間減少至1/20，后沿拖尾電流減小20倍。同時還能在同樣阻斷電壓條件下，減少芯片厚度30，使得導(dǎo)通壓降進(jìn)一步降低。GTO有兩個穩(wěn)定工作狀態(tài)“通”和“斷”，在它們之間(開斷過程中)是不穩(wěn)定狀態(tài)。GCT采用一種新的低電感的驅(qū)動電路，在門極?20V偏置情況下，可獲得4000A/us電流變化率，使得在大約1us時間內(nèi)，陽極電壓開始上升前，將全部陽極電流經(jīng)門極流出，不通過陰極，晶閘管的p?n?p?n四層結(jié)構(gòu)暫時變?yōu)閜?n?p晶體管的三層結(jié)構(gòu)，有了穩(wěn)定的中間狀態(tài)，一致性好，據(jù)稱可以無緩沖電路運(yùn)行。由于GCT硅片厚度減少，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(guān)斷峰值電流非常大，驅(qū)動電路需要相當(dāng)容量的MOSFET和相當(dāng)數(shù)量的電解電容及其它元件組成，電路非常復(fù)雜，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，甚至反并聯(lián)續(xù)流二極管做成一個整體，成為IGCT，通過光纖輸入觸發(fā)信號，輸出工作狀態(tài)信號。
IGCT作為一種新的電力電子器件，剛剛開始工業(yè)應(yīng)用，其實(shí)際性能如何，還有待于現(xiàn)場應(yīng)用的考驗(yàn)。
目前IGCT最大容量為：反向阻斷型：4500V，4000A，逆導(dǎo)型：5500V，1800A。用于三電平逆變器時，輸出最高交流電壓為4160V，如要求更高的輸出電壓，比如6KV交流輸出，只能采取器件直接串聯(lián)。
以5500V，1800A(最大可關(guān)斷陽極電流值)的逆導(dǎo)型IGCT為例，通態(tài)平均電流為700A，通態(tài)壓降為3V，通態(tài)陽極電流上升率530A/us，導(dǎo)通延遲時間小于2us，上升時間小于1us，關(guān)斷延遲時間小于6us，下降時間小于1us，最小通態(tài)維持時間10us，最小斷態(tài)維持時間10us，導(dǎo)通每脈沖能耗小于1J，關(guān)斷每脈沖能耗小于10J。內(nèi)部集成的反并聯(lián)續(xù)流二極管(快恢復(fù)二極管)，通態(tài)平均電流290A，通態(tài)壓降5.2V，反向恢復(fù)電流變化率小于530A/us，反向恢復(fù)電流小于780A。
與普通的二電平PWM變頻器相比，由于輸出相電壓電平數(shù)由2個增加到3個，線電壓電平數(shù)則由3個增加到5個，每個電平幅值相對降低，由整個直流母線電壓變?yōu)橐话氲闹绷髂妇€電壓，在同等開關(guān)頻率的前提下，可使輸出波形質(zhì)量有較大的改善，輸出dv/dt也相應(yīng)下降。與二電平變頻器相比，在相同輸出電壓條件下，這種結(jié)構(gòu)還可使功率器件所需耐壓降低一半。為了減少輸出諧波，希望有較高的開關(guān)頻率，但受到器件開關(guān)過程的限制，還會導(dǎo)致變頻器損耗增加，效率下降，所以功率器件開關(guān)頻率一般為幾百赫茲。三電平變頻器若不設(shè)置輸出濾波器，一般需采用特殊電機(jī)，或普通電機(jī)降額使用。
若輸入也采用對稱的三電平PWM整流結(jié)構(gòu)，可以做到輸入功率因數(shù)可調(diào)，輸入諧波很低，且可四象限運(yùn)行，系統(tǒng)具有較高的動態(tài)性能，當(dāng)然成本和復(fù)雜性也大大增加了。 圖8為三電平逆變器一相的基本結(jié)構(gòu)，V1-V4代表一相橋臂中的4個功率開關(guān)，DF1-DF4為反并聯(lián)的續(xù)流二極管，DC1，DC2為箝位二極管，所有的二極管要求有與功率開關(guān)相同的耐壓等級。Ed為一組電容二端電壓，C為中心點(diǎn)。
對于由三個橋臂組成的三相逆變器，根據(jù)三相橋臂U，V，W的不同開關(guān)組合，最終可得到三電平變頻器的33=27種開關(guān)模式，見表2。
圖9為一三電平變頻器主電路結(jié)構(gòu)圖。
如果不加輸出濾波器，三電平變頻器輸出時電機(jī)電流總諧波失真可以達(dá)到17左右，會引起電機(jī)諧波發(fā)熱，轉(zhuǎn)矩脈動。輸出電壓跳變臺階為一半直流母線電壓，dv/dt也較大，會影響電機(jī)絕緣，所以一般需配特殊電機(jī)。若要使用普通電機(jī)，必須附加輸出濾波器。輸出濾波器有dv/dt濾波器和正弦波濾波器二種，dv/dt濾波器容量較小，只對電壓變化率起抑制作用，使電機(jī)絕緣不受dv/dt的影響，對電機(jī)運(yùn)行動態(tài)性能的影響較小，如果系統(tǒng)動態(tài)性能要求較高時，適合采用，而且成本較低。正弦波濾波器容量較大，輸出電壓波形可大大改善，接近正弦波，由于濾波器的阻抗較低，而且濾波器中點(diǎn)接地，使電機(jī)承受的共模電壓很小，電機(jī)絕緣不受影響。正弦波濾波器的滯后作用會影響系統(tǒng)的動態(tài)相應(yīng)，同時由于濾波器對輸出電壓的衰減作用，也會限制變頻器的最低運(yùn)行頻率。由于濾波器采取低通設(shè)計(jì)，還限制了變頻器的輸出上限頻率。濾波器在滿載時的損耗會降低變頻系統(tǒng)效率0.5左右。
圖10為三電平變頻器輸出電壓和經(jīng)濾波器后輸出至電機(jī)的電壓波形。圖11a和11b分別顯示了未經(jīng)濾波和經(jīng)濾波后電壓的諧波分布圖。濾波前，輸出總電壓諧波失真為29，經(jīng)過濾波后，可降低到4左右，電機(jī)的電流諧波失真可從17降低到2左右。 a)變頻器輸出電壓諧波b)濾波后電壓諧波
