1 引言
为实现对高压大功率交流电动机变频调速,人们提出了多种拓扑形式,比较适用并以产品化的有交-交变频、单元串联多电平、三电平, 但高压变频技术是建立在电力电子器件制造工艺改进和制造水平提高的基础上, 尤其是高电压大容量gto、igbt、igct器件的开发成功，促进电压型pwm变频调速传动技术得以迅速发展, 以使得高压变频技术性能日益完善。本文对高压变频技术及市场的发展作以阐述。

2 器件与结构
2.1主流器件
高压变频技术发展至今，其主回路拓扑结构是随着电力电子器件的创新开发而不断发展的，早期产品的scr器件也随着电力电子器件的不断创新在高压变频领域已处于逐步淘汰的趋势。而gto具有高电压、大电流的发展潜力，但驱动(关门)电路复杂，影响可靠性，j3结特性很软，耐压很低的p-n结，若gto未处于导通状态就连续对g-k所在的j3结施加强的负门极脉冲是很危险的，因此在应用中gto状态识别和逻辑保护是十分重要的。用内部mos结构关断的gto，因工艺复杂，目前未能实现大功率化，而为实现可关断mos结构的gto，开发研制出把mos结构置于gto外面来协助关断的igct。igct适用于大电流(1000a以上)、低频率(1000hz以下)的应用，由于其从研制生产到应用的一系列技术受到专利的保护，在推广应用和器件竞争中未能完全取代gto，igbt，它的作为第三代电力电子器件，因其工作电压较低，在多电平级联式变频装置中有其广阔的发展前景。iegt是最为崭新的电力电子器件，其吸取了igbt和gto两者的优点，称为“注入增强栅晶体管”，它是在沟槽型igbt基础上，把部分沟道同p区相联使发射极区注入增强，使得iegt具有高电压大电流和高的工作频率，使其更适合于高电压大功率、高频率的变频装置。
目前，应用在高压大功率变频领域的电力电子器件，形成gto、igct、igbt、iegt相互竞争不断创新的技术市场，在大功率(1000kw)，低频率(1000hz)的传动领域，如电力牵引机车领域gto、igct有着独特的优势，而在高载波频率、高斩波频率下igbt、iegt有着广阔的发展前景，在现阶段高压大功率变频领域将由这四种电力电子器件构成主流器件。

2.2 主流结构
目前就高压大功率变频器的主流结构为高-高方式及其派生的形式，高-高大功率变频器按其中间直流环节的储能元件的不同，可分为电压源型和电流源型。
(1) 电压源型高-高变频器
电压源型高-高变频器由整流器和变频器两部分组成，在变频器的直流侧并有大电容，用来缓冲无功功率，当输出电压高于普通pwm电压源型变频器时，采用三电平pwm方式，可以避免器件串联的动态均压问题，同时降低输出谐波和dv/dt，三电平pwm方式整流电路采用二极管，变频部分功率器件采用gto、igbt或igct。每个桥臂虽由4个功率器件串联，但是不存在同时导通和关断以及由此引起的动态均压问题。由于输出相电压电平数增加到了3个，每个电平的幅值下降，且提高了谐波消除算法的自由度，可使输出波形比二电平pwm变频器有了较大的提高，输出dv/dt也有所减少，若输入也采用对称的pwm结构，可以做到系统功率因数可调，输入谐波也很低，且可四象限运行。但为减少输出谐波和转矩脉动，希望有较高的开关频率，但会导致变频器损耗增加，效率下降。三电平变频器输出若不设滤波器，一般需要特殊电动机，若使用普通电动机应降额应用。
(2) 电流源型高-高变频器
电流源型变频器的优点是，电能可以回馈到电网由其结构决定构成的交流调速系统可实现四象限运行。由于输入侧采用桥式晶闸管整流电路，输入电流的谐波较低，功率因数低，且随着系统转速的下降而降低。另外，电流源型变频器还会产生较大的共模电压，若不采用输入变压器，其共模电压会影响电动机的绝缘，装置的输出电流谐波也较高，会引起电动机的额外发热和转矩脉动，从而影响系统的动态指标。由于驱动功率、均压电路等固定损耗较大，系统效率会随着负载的降低而下降。采用gto作为逆变部分功率器件，可以通过pwm开关模式来实现消除谐波电流，但系统受到gto开关频率上限的限制，一般控制在几百hz左右，若整流电路采用gto作电流pwm控制，可以得到较低的输入电流谐波和较高的输出功率因数，而会使系统结构复杂和成本增加。
电流源型的发展稍晚于电压源型，在主回路方面电流源型与电压源型比较有三方面差别:
l 变频器的直流侧采用大电感l作为滤波元件，即直流电路具有较大的阻抗，由于l的作用，三相整流桥交流侧的输入电流为120°方波的交流电流，同样三相变频桥交流侧输出电流为120°方波的交流电流。由于l的作用，能有效的抑制故障电流的上升率实现较理想的保护特性。
l 没有与逆变桥反向并联的反馈二极管桥，这里整流桥和逆变桥的电流方向始终不变，传动系统能量的再生可以通过整流桥和逆变桥的直流电压同时反向，将能量返送交流电网，因此可快速实现四象限运行，适用于频繁加减速和频繁启动的负载场合。
l 逆变桥依靠逆变桥内的电容器和负载电感的谐振来换流, 逆变桥内没有电感, 简化了主回路的设计和制作。

3 变频器的拓扑结构
为实现高压大功率变频调速,人们提出了多种拓扑形式,比较适用并已产品化的有,单元串联多电平、三电平，但高压变频技术是建立在电力电子器件制造工艺改进和制造水平提高的基础上，尤其是高电压大容量gto、igbt、igct器件的开发成功，促进电压型pwm变频调速传动技术得以迅速发展，以使得高压变频技术性能日益完善。本文对高压变频技术的几种拓扑形式作如下阐述。

3.1 单元串联多电平直接高压方式
单元串联直接高压方式虽然具有损耗小、无降压升压变压器等特点，但由于其产生大量的高次谐波，在应用中受到一定的限制，而功率单元串联多电平形式，由于它在谐波、效率和功率因数等方面的优势，在不要求四象限运行的负载下有着较广泛的应用前景，特别是国内，由于风机、水泵类的负载较多，此种结构形式由于其完美无谐波和高效率而有着广阔的应用市场。但是也需要在应用中进一步在以下几个方面加以完善:
l 移相变压器设计比较复杂，成本高;
l 由于单元多，要求较高的控制技术;
l 电机难以实现四象限运行。

3.2 三电平变频器主电路
1977年德国学者holtz提出三电平变频器主电路及其方案，这是一种常规二电平电路，其中每相桥臂中带一对开关管，以辅助中点箝位。后来，日本nabae于1981年继续发展，将这些辅助开关管变成为一对二极管，分别与上下桥臂串联的主管中点相连，以辅助中点箝位。该电路比前者更易于控制，且主管关断时仅承受直流母线一半的电压，因此更为实用。自80年代以来，这种方法被广泛应用于变频器及大功率高压供电的交流调速领域。现在对三电平pwm变频的研究，不仅在理论分析、控制技术方面，而且在系统设计和工程应用等方面都取得很大的成功。日本三菱公司已研制出容量80mw的变频器，应用于轧钢的三电平双pwm整流/变频调速系统，以适用于四象限运行及动态性能要求较高的场合。三电平变频方式是今后变流技术发展的一种主要趋势。三电平控制方式具有以下特点:
(1) 现有的半导体器件不太高的耐压等级限制了普通二电平变频器系统的电压等级和容量，尽管人们采用多器件串联的形式，但存在静态、动态均压的问题。采用三电平拓扑能有效的解决电力电子器件耐压不高的问题,由于每一个主管承受的关断电压仅为直流侧电压的一半,因此它适用于高电压大功率的电动机调速;
(2) 三电平拓扑单个桥能输出三种电平(+ud/2、0和-ud/2、)，线(相)电压有更多的阶梯来模拟正弦波，使得输出波形失真度减少，因此谐波大为减少;
(3) 多级电压阶梯波减少了dv/dt, 减小对电机绕组绝缘的冲击，对电动机绝缘要求也有所降低;将普通三相电动机做一些绝缘加固处理就可以应用于变频调速系统;
(4) 三电平pwm方法把组谐波分布带移至二倍频开关频率的频带区,利用电机绕组电感能较好的抑制高次谐波对电机的影响。在同样的谐波含量下开关频率下降一半，同时带来开关损耗也降低一半，故允许用较低的调制比以提高整个系统的效率。
(5) 三电平拓扑形式能产生3×3×3=27种空间电压矢量,较两电平的矢量数大大增加,矢量的增多带来谐波消除算法的自由度,可得到很好的输出波形。
(6) 在同样的开关频率及控制方式下，三电平变流器输出电压谐波大大小于二电平变频器，故应用gto作为开关元件是非常适合的，从而降低了系统的制造成本。
采用双pwm的三电平结构，整流侧也采用与逆变桥一样的三电平结构，很容易实现四象限运行，pwm整流器输入侧电流波形即使在开关频率较低时也能保证一定输出波形的正弦度，能作到功率因数为1，谐波电流小。另外还可以向电网输出超前无功，校正电网功率因数，在同样的开关频率及控制方式下，它的谐波电流总畸变thdi要大大小于二电平变频器。
目前，国内外对三电平整流/变频器研究的焦点主要集中在以下几个方面:
l 优化开关矢量, 限制开关频率, 减小输出量的谐波，考虑最小导通脉冲宽度限制, 减小它对系统的影响;
l 在高压大功率场合，实现四象限运行，提高功率因数，降低谐波对电网的污染;
l 控制中点电位，限制中点电位浮动的范围，避免系统工作异常及发生电位漂移过多而击穿开关器件。
目前中点电位的控制，主要采用的方法有电流迟滞比较法，它类似于普通两电平的迟滞电流比较，通过检测负载电流的变化，调整开关脉宽，该方法获得比较好的负载变化的动态响应。另外智能控制算法也得到了一定的应用，现代控制算法由于受到微处理器的限制，其应用的实例还比较少，用得较多的还是各种pid算法，尤其是各种智能pid。实际应用中，优化空间电压矢量法还是用得较多的一种，该方法以电动机内部旋转的磁通矢量为控制对象，通过选择不同扇形区的矢量来合成主磁通，它比较直观、明确、易于实现。但由于三电平拓扑能产生27个电压矢量，较普通二电平结构复杂，关键问题要通过不同矢量的选取来保证中点电位在允许的波动范围之内，还要考虑矢量选择对中点电位的影响，因同一种电压输出有不同的开关模式，不同的开关状态的组合对箝位电容的充放电过程有完全不同的影响，由此可以通过选择不同的开关过程来调整中点电位。另外，还要考虑开关损耗，特别是零矢量的选取。这就是优化空间电压矢量的基本原理，也是在现有三电平高压大功率变频器中应用得较多的一种控制方法。

4 国内高压变频调速技术动态
4.1功率单元串联多电平
国际上具有生产研制新型大功率高压变频装置能力的均是各大知名电气公司,在我国目前应用的产品有美国罗宾康(robicon)公司和日本东芝公司等，并有国际各大电气公司抢占我国高压变频器市场的趋势。我国于1996年经国家科委、北京市科委批准由北京凯琦北方电气有限公司承担的“无电网污染高压大功率变频器”产品的研制，经过二年的研究，成功开发出具有独立知识产权的“无电网污染高电压大功率变频器”。并于1998年6月月通过国家科委、国家经贸委、北京市科委组织的技术鉴定。该变频装置具有高功率因数、高效率、无谐波污染、无需专用电机等优点, 在技术上已达到国际先进水平，填补了国内这一领域的空白, 其三相系统主电路结构如图1所示。

图1 三相系统主电路结构图

由电网引入的三相高压交流电经移相变压器，由其付边每相的5个二次线圈将电压移相12°供给5个功率单元，各功率单元如图2所示，即为常规交-直-交电压型变频器，输入侧为三相全桥二极不控整流，中间为电容滤波环节，输出侧为igbt单相逆变桥形式。即在a、b两点之间得到pwm波形，5个功率单元相叠加即可输出高电压正弦波给交流感应电动机。每个功率单元承受电压为690v，5个单元串联后相电压为3450v，对应线电压为6000v。该装置在系统设计上采用了多项先进技术如下:

图2 大功率逆变器单元主回路结构图

(1) 曲折变压器移相技术。变频整流侧通过曲折变压器移相，实现的30脉冲整流,从理论上29次以下的谐波电流都可以消除,使装置的谐波抑制能力大大加强。因内整流桥采用二极管不控整流，任何负载下输入电压与输入电流的相移接近于0，这种关系通过变压器折合到一次侧，使电网侧电压与电流之间几乎无相移，因此功率因数很高。
(2) 采用igbt作为主回路的开关器件,提供了较高的开关频率,以减小电流和转矩的脉动。
(3) 全数字化光纤控制技术的应用,控制柔性和可靠性大大提高。
(4) 多级pwm输出波形生成技术,单元逆变桥输出pwm波形和以及5级移相叠加后得到的变频器输出电压呈现电平台阶形逐级错开的理想状态，实现了高质量的功率输出，大大减少了输出电压的dv/dt脉动对电机绕组的冲击，在这种pwm控制方法下，以较小的器件开关损耗实现了较高的电机运行性能。
(5) 功率单元标准模块化，igbt驱动电路智能化,并在功率单元回路设计中,应用了功率母线技术。系统有着完善的检测及保护功能，并具有与pc机现场总线的标准接口，采用键盘操作和大屏幕液晶汉显界面。

4.2 功率单元串联及多电平方式
在高-高变频器的主回路结构中，采用若干个低压pwm变频功率单元串联的方式实现直接高压，电网电压经过二次绕组多重化的隔离变压器降压后给功率单元供电，单相变频功率单元输出端串联起来，实现变压变频的高压输出，直供高压电动机。单元串联的数量决定输出电压的等级，不存在着器件的均压问题，逆变器部分采用多电平移相式pwm技术, 同一相的功率单元输出相同的基波电压, 但串联各单元的5对载波(每对含正反向信号)之间互相错开36°，实现多电平pwm，每个功率单元的igbt开关频率为600hz，若每相5个功率单元串联时，等效的输出相电压开关频率为6khz，且有11个不同的电平功率单元采用低的开关频率，可以降低开关的损耗，提高变频器效率，此种结构的变频器可适用于任何普通的高压电动机，且不必降额使用。虽然采用这种主电路拓扑结构会使器件的数量增加，但由于驱动功率下降，开关频率较低且不必采用均压电路，使系统在效率方面仍有较大的优势，一般可达97%，由于采用模块化结构，所有功率单元可以互换，维修也比较方便。由于采用二极管整流电路，所以能量不能回馈电网，不能实现四象限运行，其应用领域受到一定的限制。

4.3 功率母线技术
在电力电子技术及应用装置向高频化发展的今天, 系统中特别是连接线的寄生参数产生巨大的电应力, 已成为威胁电力电子装置可靠性的重要因素，从直流储能电容至变频器的器件之间的直流母线上的寄生电感在通常的硬开关变频器中, 由于瞬时切换时的过电压, 会使器件过热，甚至有时使变频器失控并超过器件的额定安全工作区而损坏，限制了开关工作频率的提高。功率母线按其结构可分为以下几种:
(1) 电缆绞线
电缆绞线是最常用的传统功率母线，价廉、简易，但在igbt变频器中，由于电缆线的自感大与园截面导线相比，扁平母线的自感只有园导线的1/3~1/2，而所占的体积只有它的1/10~1/2。
(2) 印刷电路板
印刷电路板母线主要用于小电流变频器，但当母线直流电流达到150a时，要求电路板的复铜层很厚，造价太高，另外用来连接多层导线板的穿孔不但占据较大的空间，而且会影响整机的可靠性。
(3) 裸铜板母线(平面并行母线)
这是一种工业上广泛应用的igbt模块馈电系统的传统母线形式，其缺点是在于并行母线的互感较大。
(4) 支架式母线
如果将正直流母线铜板放置在负直流母线板的上方，中间用一层薄绝缘材料隔开的方法来制作母线，由于磁场的相互抵消，可以限度地降低互感，但其工艺复杂，不宜规模化生产，由于上述几种功率母线都存在着不同的缺点，因此制约大功率变频器体积的小型化的进程，为此开发研制出迭层功率母线。
(5) 迭层功率母线
基于电磁理论，把连线做成扁平截面，在同样截面下做得越薄越宽，它的寄生电感越小，相邻导线内流过相反的电流，其磁场抵消，可使寄生电感减小，这就促使萌生迭层功率母线的思路。所谓迭层功率母线是以又薄又宽的铜排形式迭放在一起，各层之间用很薄的高绝缘强度的材料热压成一体，整个母线极之间的距离均匀一致，以减少互感，各层铜排都在所需要的端子位置处同其他层可靠绝缘地引出，使所具有不同电位的端子表露在同一平面上，以便于把主电路中的所有器件与之相连。这种整体的迭层功率母线结构，可承受数百公斤的切应力，其导电极之间可承受数千伏的电压。使用迭层功率母线将igbt和整流管等模块、散热器、电容器及栅极驱动电路组合在一起，迭层功率母线与器件之间的连接是用不同的端子和插接件等来完成的，以使相连接时的接触表面与母线之间的接触电阻非常小，也使得寄生电感成数量级的减小，从而使ldi/dt过电压应力降至，保证电力电子装置工作在状态下。

5 变频技术创新与市场
5.1 产学研与技术创新
目前国内应用的高压大功率变频装置,大部分为引进产品,而国内在这一领域中,近年来也作了一些研究工作，早期研制成功的国产大功率高压变频装置，大多数装置采用的是交-交变频方式，因其在制造成本上、可靠性及推广应用都失去市场竞争能力，而由凯琦新北方电气有限公司、北京利德华技术有限公司研制的“无电网污染高电压大功率变频器”其技术性能具备世界先进水平，其面临的是开发出系列产品进入市场推广应用，但其均为单元串联多电平方式，而三电平方式还处于起步阶段。为此需要在产业政策、资金、政府导向上给予扶植，以使这一技术创新产品尽快的转化为生产力。以推动我国传统工业实现从粗放型到集约型的转变。目前国内该项技术正面临着机遇和挑战并存，1995年美国总统科技顾问委员会提交的咨询报告中，列举6项关系到国民经济发展和国家长久安全的国家关键技术(材料、制造业、信息和通信、生物技术、航空和运输、能源和环境)，除了生物技术一项外，都与电力电子技术有关。因此电力电子技术研究和产品开发是21世纪的朝阳产业，国内具有大规模生产能力的大中型企业超过数百家，研究单位在这一领域的水平也处于世界前沿，而我国各大高校更是集结了一大批具有掌握该项技术先进水平的学者，若能把产学研有机结合起来就可走出有中国特色的技术创新之路。如把凯琦北方电气有限公司的该项技术嫁接到有着巨大生产能力的国有大中型电气制造企业中去，并迅速扩大生产规模，形成巨大的生产力，?亟纬赏贫窬梅⒄剐碌亩Α４蛹际醮葱碌淖橹呦虿蹈锩谖夜纬梢缘缌Φ缱蛹际跷】蒲У母呖萍疾返纳础?BR>技术创新的全过程包括三个阶段，他们联系在一起形成自我强化循环，首先是一个可行的创新思想，其次是它的实际应用，再次是它在市场上推广。当这一创新技术的推广应用反过来又推动产生新的创新思想，这一过程就是技术创新的循环。因为新的技术不仅是各种创造性新思想的产品，而且是各种创造性新思想的力量源泉。所以这一循环的第二阶段和第三阶段(应用和推广)是技术创新产生巨大生产力的必然之路，只有加速这两个阶段，才能使技术创新形成巨大的生产力，推动我国工业领域进行一次技术革命。

5.2 国内高压大功率变频器市场展望
我国的发电量50%~60%用于交流电动机将电能转变为机械能,而电动机容量在315kw以上的异步电机额定电压一般为高压(3~10kv),这部分电动机占电动机总装机容量的比例约在40%~50%。由于我国高压变频技术仍没有形成产业化，落后于发达国家，因此这部分电动机在负载工况变化时，缺少经济可靠的调速手段，每天都在浪费大量的电能，因此国内潜在着巨大的高压大功率变频器市场。世界上各大知名的电气公司，如西门子、abb、ab、aeg、东芝等，都在这一领域展开激烈的竞争，投入大量的人力、物力和财力，开发研制高性能的产品，以抢占我国高压大功率变频器的市场。国家计委预计在今后的十五年内，我国变频器总需求的投资额在500亿以上，而其中60%~70%是高压大功率变频器。我们如果不能在这场竞争中研制开发出自己的创新产品，并形成产业化生产规模，并加大推广应用力度，那么我们将把国内几百亿的高压大功率变频器市场让给国外各大电气公司，其结果是由国外各大电气公司垄断我国高压大功率变频器技术及市场，那时我国在这一领域的技术和产品将是“万国型”。因此研制国产高压大功率变频器，就必须走产学研联合创新之路，才能形成产业化的规模。而要从技术创新走向产业成功的路，并没有一个固定模式和规律让我们去遵循，而是需要在市场经济的竞争中穿插、协调，把人的智慧、技术、和社会的资金及产品在市场上的推广应用的网络有机的结合，形成技术创新、推广应用、网络服务，以此推动国产高压大功率变频器走向市场，并占领市场形成全新的规模化的朝阳产业。