6.2 三电平PWM电压源型变频器 在PWM电压源型变频器中，当输出电压较高时，为了避免器件串联引起的动态均压问题，同时降低输出谐波和dv/dt，逆变器部分可以采用三电平方式，也称NPC(Netural Point Clamped中心点箝位)方式，如图6-7。逆变部分功率器件 可采用GTO，IGBT或IGCT。
图6-7 三电平逆变器主电路结构 IGBT广泛应用在各种电压源型PWM变频器中，具有开关快，损耗小，缓冲及门极驱动电路简单等优点，但电压电流等级受到导通压降限制。IGBT目前做到3300V，1200A。3300V的IGBT组成三电平变频器，输出交流电压最高为2.3KV，若要求更高等级输出电压，必须采取器件直接串联，比如用2个3300V的IGBT串联作为一个开关使用，一共使用24个3300V的IGBT，组成三电平变频器，可做成4160V输出电压等级的变频器。器件直接串联就带来稳态和动态的均压问题，这样就失去了三电平变频器本身不存在动态均压问题的优点，所以一般很少采用。 以3300V，1200A的IGBT模块为例，其饱和压降为3.4V左右，开通延迟时间370ns，上升时间250ns，关断延迟时间1550ns，下降时间200ns，开通每脉冲损耗2880mWs，关断每脉冲损耗1530mWs。集成在模块内的反并联续流二极管，正向压降2.8V，峰值反向恢复电流1320A，反向恢复电荷740uAs。 集成门极换流晶闸管IGCT(integrated gate-commutated thyristor)是由 GCT(gate commutated turn-off thyristor)和其门极控制电路集中成一体化的组件。 GCT是在GTO基础上发展起来的新器件，它保留了GTO高电压，大电流，低导通压降的优点，又改善了其开关性能。GCT采用了缓冲层设计，它使器件的通态和开关损耗可减少到原来的1/2-1/2.5，但缓冲层会导致关断时不能尽快抽走器件 在通态时存储的电荷，常规的GTO采用阳极短路技术，为存储电荷的抽走提供一条通路，但阳极短路和缓冲层的结合会导致极高的触发电流和维持电流。GCT取消阳极短路，而将阳极做成可穿透型，这样，电荷存储时间减少至1/20，后沿拖尾电流减小20倍。同时还能在同样阻断电压条件下，减少芯片厚度30%，使得导通压降进一步降低。GTO有两个稳定工作状态“通”和“断”，在它们之间(开断过程中)是不稳定状态。GCT采用一种新的低电感的驱动电路，在门极-20V偏置情况下，可获得4000A/us电流变化率，使得在大约1us时间内，阳极电压开始上升前，将全部阳极电流经门极流出，不通过阴极，晶闸管的p-n-p-n四层结构暂时变为p-n-p晶体管的三层结构，有了稳定的中间状态，一致性好，据称可以无缓冲电路运行。由于GCT硅片厚度减少，允许在同一GCT片上做出高效的反并联续流二极管。GCT的门极关断峰值电流非常大，驱动电路需要相当容量的MOSFET和相当数量的电解电容及其它元件组成，电路非常复杂，要求很高，所以一般由GCT生产厂家把门极触发及状态监视电路和GCT管芯，甚至反并联续流二极管做成一个整体，成为IGCT，通过光纤输入触发信号，输出工作状态信号。 IGCT作为一种新的电力电子器件，刚刚开始工业应用，其实际性能如何，还有待于现场应用的考验。 目前IGCT最大容量为：反向阻断型：4500V，4000A，逆导型：5500V，1800A。用于三电平逆变器时，输出最高交流电压为4160V，如要求更高的输出电压，比如6KV交流输出，只能采取器件直接串联。 以5500V，1800A(最大可关断阳极电流值)的逆导型IGCT为例，通态平均电流为700A，通态压降为3V，通态阳极电流上升率530A/us，导通延迟时间小于2us，上升时间小于1us，关断延迟时间小于6us，下降时间小于1us，最小通态维持时间10us，最小断态维持时间10us，导通每脉冲能耗小于1J，关断每脉冲能耗小于10J。内部集成的反并联续流二极管(快恢复二极管)，通态平均电流290A，通态压降5.2V，反向恢复电流变化率小于530A/us，反向恢复电流小于780A。 与普通的二电平PWM变频器相比，由于输出相电压电平数由2个增加到3个，线电压电平数则由3个增加到5个，每个电平幅值相对降低，由整个直流母线电压变为一半的直流母线电压，在同等开关频率的前提下，可使输出波形质量有较大的改善，输出dv/dt也相应下降。与二电平变频器相比，在相同输出电压条件下，这种结构还可使功率器件所需耐压降低一半。为了减少输出谐波，希望有较高的开关频率，但受到器件开关过程的限制，还会导致变频器损耗增加，效率下降，所以功率器件开关频率一般为几百赫兹。三电平变频器若不设置输出滤波器，一般需采用特殊电机，或普通电机降额使用。 若输入也采用对称的三电平PWM整流结构，可以做到输入功率因数可调，输入谐波很低，且可四象限运行，系统具有较高的动态性能，当然成本和复杂性也大大增加了。