摘 要：本文闡述了目前變頻器應(yīng)用中常用的幾種模塊，如IGCT、IEGT、GTO、IGBT。通過計(jì)算分析比較，得出IGBT是目前性價(jià)比較好的器件。 關(guān)鍵詞：IGBT模塊 計(jì)算 分析 [b]1、概述 [/b] 由于我國元器件工業(yè)落后，還不能生產(chǎn)高壓IGBT，西方國家仍對(duì)中國實(shí)行技術(shù)封鎖。比如6500V IGBT仍不向中國出口，且不論其價(jià)格不菲。在直接串聯(lián)技術(shù)選用什么樣的功率開關(guān)器件對(duì)決定變頻器的性價(jià)比至關(guān)重要。 目前可選的器件有好幾種，如IGCT、IEGT、GTO、IGBT，而IGBT則又分為1700V，3300V，6500V。而各器件廠家都宣稱自己的器件最好。到底選哪一種器件，其性價(jià)比較好，讓我們進(jìn)行一些具體比較，比較的依據(jù)為各廠家產(chǎn)品樣本所列的技術(shù)參數(shù)。 [b]2、幾種常用的功率器件 [/b] 變頻器向前發(fā)展，一直是隨著電力電子器件的發(fā)展而發(fā)展。只要電力電子器件有了新的飛躍，變頻器就一定有個(gè)新飛躍，必定有新的變頻器出現(xiàn)。在20世紀(jì)50年代出現(xiàn)了硅晶閘管（SCR）；60年代出現(xiàn)可關(guān)斷晶閘管（GTO晶閘管）；70年代出現(xiàn)了高功率晶體管（GTR）和功率場效應(yīng)管（MOSFET）；80年代相繼出現(xiàn)了絕緣柵雙極功率晶體管（IGBT）以及門控晶閘管（IGCT）和電力加強(qiáng)注入型絕緣柵極晶體管（IEGT），90年代出現(xiàn)智能功率模塊（IPM）。由于這些元器件的出現(xiàn)，相應(yīng)出現(xiàn)了以這些逆變器件為主的變頻器，反過來，變頻器要求逆變器件有個(gè)理想的靜態(tài)特性：在阻斷狀態(tài)時(shí)，能承受高電壓；在導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，能大電流通過和低的導(dǎo)通壓降，損耗小，發(fā)熱量??；在開關(guān)狀態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)，具有短的開、關(guān)時(shí)間，即開關(guān)頻率高，而且能承受高的du/dt；全控功能，壽命長、結(jié)構(gòu)緊湊、體積小等特點(diǎn)，當(dāng)然還要求成本低。上述這些電力電子器件有些是滿足部分要求，有些是逐步向這個(gè)方向發(fā)展，達(dá)到完善的要求，特別是中（高）壓變頻器更需要耐壓高的元器件。 3、模塊選擇分析 3.1 相關(guān)定義及公式 我們以設(shè)計(jì)一臺(tái)中壓變頻器為例，直流工作電壓為3600V，。設(shè)電機(jī)功率因數(shù)為0.8，載波頻率為3kHz，輸出頻率為50Hz，采用下列公式分別用不同功率開關(guān)器件構(gòu)成變頻器的一個(gè)開關(guān)組件的指標(biāo)進(jìn)行估算。以400A的峰值電流Icp計(jì)算，采用下列估算公式： 1、穩(wěn)定功耗 2、開關(guān)功耗 3、總功耗 3.2 IGBT模塊計(jì)算分析 首先以1700V、3300V、6500V的IGBT進(jìn)行比較。為使中壓變頻器達(dá)到3600V的工作電壓，需用4只1 700V的管子串聯(lián)，或者需2只3300V的管子串聯(lián)，6500V的管子不串聯(lián)。 （1）用4只1700V管子串聯(lián)，型號(hào)為FZ400R17E3，其相關(guān)技術(shù)數(shù)據(jù)如下： Uce（sat）=2.4V Esw（on） =150mJ Esw（off）=125mJ Pss=0.1425Î400Î2.4Î4=547.2W Psw=955.4Î（Esw（on）+Esw（off）Î4=955.4Î（0.15+0.125）Î4=1050W 則P c1=Pss+Psw=547.2+1050=1597W （2）用2只3300V IGBT串聯(lián)，型號(hào)為FF400R33KF2，其相關(guān)技術(shù)數(shù)據(jù)如下： Uce（sat）=2.8V Esw（on）=960Mj Esw（off ）=510mJ 則Psw=955.4Î（Esw（on）+Esw（off））Î2 =955.4Î（0.91+0.51）Î2=2808W Pss=0.1425Î400Î2.8Î2=319W Pc2=Pss+Psw=319+2808=3127W （3）用1只6500V的IGBT，型號(hào)為FZ400R65KF1，其相關(guān)技術(shù)數(shù)據(jù)如下： Uce（sat）=3.9V Esw（on）=4J Esw（off ）=2.3J 則 Pss=0.1425Î400Î3.9=222W Psw=955.4Î（4+2.3）=6019W Pc3=Pss+Psw=222+6019=6241W 3.3 IEGT模塊計(jì)算分析 將IEGT與1700V IGBT進(jìn)行比較，其他條件不變。IEGT我們選擇ST750GXH21型號(hào)，其相關(guān)技術(shù)數(shù)據(jù)如下： Icp=750A Uce=4.5V Ucc=2400V Esw（on）=2.5J Esw（off ）=3J 則 Pss=0.1425ÎIcpÎUce（sat）=0.1425Î750Î4.5=481W Psw=955.4Î（Esw（on）+ Esw（off））=955.4Î（2.5+3）=5255W P c4=Pss+Psw=481+5255=5736W 因其工作電壓Ucc=2700V，則用3只FZ400R17E3串聯(lián)后兩串再并聯(lián)。 計(jì)算后功耗為：Pc5=2396W 4 結(jié)論 IGCT的情況比6500V IGBT或IEGT效果更差，這里不再對(duì)IGCT進(jìn)行比較。 現(xiàn)在將上述計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，在完成完全相同的任務(wù)時(shí)，以1700V的IGBT器件為基準(zhǔn)，不同電壓等級(jí)的器件消耗的功率之比率如下： 1700V IGBT Pc1/Pc1=1597÷1597=1 3300V IGBT Pc2/Pc1=3127÷1597=2 6500V IGBT Pc3/Pc1=6241÷1597=3.9 4500V IEGT Pc4/Pc5=5736÷2396=2.39 從上述計(jì)算中，可以看出，6KV、10KV高壓變頻器用1700V的IGBT串聯(lián)，有特別明顯的優(yōu)勢(shì)： 1、在相同的損耗下，低壓IGBT可以獲得更高的開關(guān)頻率，從而獲得更好的輸出電壓波形。反之，其他器件開關(guān)損耗大了，散熱成了大問題，解決辦法只有降低開關(guān)頻率，這必然帶來波形變差，性能下降。 2、1700V IGBT逆變?cè)?000年至今已經(jīng)在中國鋼鐵、電力、石油石化、煤礦、水泥建材等行業(yè)大量使用，運(yùn)行調(diào)試經(jīng)驗(yàn)豐富，生產(chǎn)技術(shù)成熟，質(zhì)量可靠，貨源充分。 3、隨著市場成熟，價(jià)格對(duì)比更是巨大。 注：作者為佳靈公司總裁吳加林先生，本文首發(fā)在《變頻器世界》2004年第5期