能源安全是关系国家经济社会发展的全局性、战略性问题。2021年总书记在山东调研时强调“石油能源建设对我们国家意义重大”，明确要求“能源的饭碗必须端在自己手里”；今年在海南调研时进一步指出“要用我们自己的装备开发油气资源，保障国家能源安全”。 作为油气开发主力军，必须主动承担保障国家能源安全的重任，补强能源技术装备短板，增强高端油气装备自主可控能力。
全球范围内的油田运营商都面临严峻的环境监管压力，废物排放、噪声等都会造成严重污染。页岩气作为一种清洁能源，已成为全球非常规油气开发的新宠，并深刻影响着全球能源市场格局与民生。不合格地区对氮氧化物、一氧化碳、甲烷及其他排放物的管控更为严格。必须强调改善这些状况，并同时降低总成本，提高效率。U.S. Well Service （简称USWS）公司2016年推出了一项环保压裂技术Clean Fleet with Whisper，是首个全电驱动、可移动的水力压裂设备，100%由天然气提供能源，在节约成本的同时解决了环境监管的问题。与北美相比，中国页岩气开采条件要复杂得多，要破解当前天然气市场的供需困局，需要加快推进改革。
相对于传统柴油驱动压裂装备，电驱压裂装备具有显著的经济效益和卓越的环保性，并可实现全自动数字化控制，实现排量精准控制，对现场压裂条件具有更大的自适应柔性，更便于实现自动化和智能化。目前采用变频传动技术实现小体积、大功率和国产化压裂装备已经成为行业共识，成为压裂装备的主要发展方向，并成为各装备厂家竞争的关键。但目前国产压裂变频传动及控制系统特别是变频器本身相对国外产品在可靠性和适应性方面仍然存在不少差距，有必要进行深入研究，促进电驱压裂装备的进一步降低成本和提高国产化率。
针对石油行业压裂领域变频电驱系统，以7000型一拖二方案为例，多电平串联H桥（Cascaded H-bridge，CHB）逆变器是国产中高压变频传动系统的主流拓扑结构，CHB逆变器通常在功率单元中采用低压IGBT作为开关器件，其中一组H桥功率单元如图3所示，把这些功率单元串联起来满足高压需求，从而与其它多电平逆变器需要采用高压IGBT或GCT相比，成本显著降低。
图 CHB功率单元
图 CHB逆变串联6600V传动系统
CHB 逆变器的每个功率单元，由三相二极管整流器、直流电容和单相H桥逆变器组成。每个功率单元的输出电压为 650V（基波电压有效值)，这样就可以采用低压器件，尽管采用低压器件，功率单元之间以及单元对地之间必须达到中高压等级的绝缘水平。IGBT小功率驱动可以做在一起，大功率需要单独的驱动板。DSP是控制核心，还有外部IO，内部信号采集，处理，驱动信号缓冲，驱动信号隔离，放大，才能到IGBT的GE极。光纤隔离传输驱动信号。IGBT通断频率要高，但dv/dt就是通断速度要低，有一定矛盾，只有速度足够快，频率才能足够高。加吸收电路或者IGBT采取软关断，吸收电路是把有可能产生的10kv/us吸收，软关断是指降低开关的关断速度，人为造成关断拖尾，好处是减小dv/dt，坏处是加大了IGBT损耗，所以要细致调整关断时间。IGBT驱动电路关断IGBT时在GE处施加负电压（开通施加正电压），在微型电容处串微型电阻，这样GE电压下降就会变慢， 从而减小dv/dt。
变频驱动系统从电路拓扑结构上而言，目前ABB的三电平（9电平）结构因控制算法灵活、结构简单、功率器件少而本质可靠性高，且已由宏华与宝石7000样机验证过，此电路结构的变频器较为广泛。杰瑞与四机采用的共变压器、共直流母线方案在低压变频器中较为常见，但沿用到压裂大功率工况中时整流环节出现故障的风险高，尤其是两台泵同时大功率作业时变压器损坏后两台泵均无法工作，电路可靠性不如三电平结构。从散热方式而言，风冷对终端用户的维护性能好，但是针对新疆高温多风沙的环境，变频房的抗风沙环节必需考虑，川渝地区可不用考虑。
ABB公司IGCT(集成门极换流型晶闸管)是专为高压变频器市场研制开发的。ACS 5000的功率范围达36000 kVA，输出电压有 6.0 kV，6.6 kV 和 6.9 kV。适用于平方关系的转矩负载和恒转矩负载。根据不同的功率范围，ACS5000 变频器有空冷和水冷两种型式，7 MVA及以下为空冷，7MVA以上为水冷。其拓扑结构如下。
IGCT的门极电路里，包含了大量的IC和电阻电容，尤其是有大量的电解电容，为了提供大的关断电流而设计，使其有一定的寿命限制；而且，这种电容是不可更换的，必须连着整个器件一起更换，造成维护成本增大。
如果器件出现故障，对于IGBT构成的系统，一般更换驱动电路或IGBT即可，价格在1500元以内，而且常规电压的IGBT及其驱动电路在内地市场代理商林立，一般都有现货；而对于IGCT构成的系统，必须更换整个IGCT，更换一次一般在20000元以上，其国内代理商只有少数几家，由于占用资金大，一般没有现货，所以一旦出现故障，维修周期长、费用高，而且由于器件复杂，对维修的技术人员要求很高，过了保修期以后往往受制于人。
在电路设计上，IGBT只需要很小而比较简单的缓冲电路，有时甚至可以省略缓冲电路；IGCT除了要有电压缓冲电路外，还必须有电流缓冲电路，以抑制关断时的二次击穿，比IGBT复杂。目前的IGBT和IGCT开、关损耗都差不多，构成的变频器，效率也差别不大。
论优势，主要是IGCT的耐压目前比IGBT的耐压高，应用于高压变频器的话使得器件减少。IGCT以前的优点是电流大，方便串联应用，4500V/4000A很平常，IGCT缺点是开关频率不能太高，波形没有IGBT好，损耗大，谐波大，对算法要求更高，价格贵。
2022年5月30日，德国慕尼黑讯Infineon Technologies Bipolar GmbH & Co. KG推出具有内部续流二极管(FWD)、采用陶瓷平板封装的全新压接式IGBT(PPI)，进一步壮大其高功率Prime Switch系列的产品阵容。该PPI专为输配电应用而设计，是大电流模块化多电平转换器(MMC)、中压驱动器、直流电网断路器、风电变流器和牵引系统的理想选择。
Prime Switch Press Pack IGBT
PPI的封装是密封的，专为承受因系统引起的失效事件而设计。于是，除了具备“故障时短路(short-on-fail)”的功能外，PPI还具有极其坚固的封装。为了覆盖更广泛的应用领域和功率范围，英飞凌凭借内部芯片子单元和封装的创新设计，打造出了具有不同电流值和拓扑结构的理想产品组合。Prime Switch IGBT的阻断电压为4.5kV，不带有FWD的型号电流为3000 A，带有FWD的型号为 2000 A。英飞凌为3000A PPI提供了具有4种不同封装直径的外部续流二极管，分别为：D1600U45X122、D2700U45X122、D3900U45X172和D4600U45X172。通过与高度可靠的压接式技术相结合，这种投入实际应用超过40年的领先的高压IGBT芯片沟槽技术，可为客户的超高功率应用提供卓越的高性能解决方案。此外，这些器件在降低高功率应用的损耗和成本、提高可靠性方面，开辟了新的机会。英飞凌通过这些采用陶瓷盘封装的IGBT系列，对高功率IGBT产品组合进行了升级。
优势：
- 故障时短路的能力
- 密封防爆封装
- 双面冷却
- 出色的电源循环能力
中国电机工程学会在株洲组织召开了“直流电网用4500V/5000A IGCT-Plus关键技术与器件研制”项目技术鉴定会。由清华大学和株洲中车时代电气股份有限公司(以下简称“中车时代电气”)研制的直流电网用4500V/5000A IGCT-Plus器件顺利通过评审，标志着新一代国产化大容量IGCT器件从技术研发、工艺制造、测试验证转入工程应用阶段。由清华大学能源互联网研究院直流研究中心和中车时代电气半导体事业部组成的项目团队历时多年产学研联合攻关，建立了GCT芯片紧凑型物理机理模型，提出了参数优化及性能调控方法，改进了关键制备工艺，提出了新型门极驱动方案，率先成功研制了新一代直流电网用IGCT-Plus器件。该器件关断电流5000A，直流连续电流可达3000A，10ms浪涌电流能力35kA，di/dt耐受能力500Hz 5000A/us，具有黑启动和过电流保护功能，可实现直流电网低成本、高效率、高可靠的能量变换。目前该国产器件的发展现状是：①基于国产自主化4500V/5000A IGCT器件，结合有源三电平中点钳位拓扑结构(ANPC)，已完成交流额定电压3.3kV、额定功率功率10MW大容量变流器(变频器)开发及试验验证；②基于国产自主化4500V/5000A IGCT器件，结合有源三电平中点钳位拓扑结构(ANPC)，突破器件直串技术，正在开发交流额定电压6kV、额定功率功率10MW大容量变流器(变频器)，此基于器件直串三电平变流器为国内首创。
在石油行业大功率高压变频电驱装备亟待提升国产化率的行业背景下，国产IGCT产业化进程势必助力保障国家能源安全，增强高端油气装备自主可控能力，落实绿色低碳发展战略部署，加快装备电动化转型，打造压裂作业提质增效“升级版”，推进装备智能化发展。
压裂用国产高压变频装置电气控制需要满足能量转化效率高、移运性能轻量化、系统集成性优异，散热良好，通讯便捷等实际功能，实现进口设备原有功能平替，引入远程控制和监测，切实提升国产变频控制系统自动化水平。急需解决高压变频装置的功率器件因具有耐压上限而在选取使用上受到诸多限制，耐压性能高的器件成本较高，其阈值未必适应压裂设备的现场要求，而耐压性能较低的功率器件，需进行串联或级联等组合达到耐压要求，但功率开关器件使用数量大会导致功率器件存在均压问题，且控制策略较为复杂的问题；以及国产变频传动控制系统轻量化、集成模块化设计技术问题，大功率高压变频驱动传动系统往往体量较大，运输不便，散热性能等方面都有待提升，控制系统拓扑架构直接影响国产变频器面临的这个关键问题。通过国产变频器设计方案的系统优化和模拟，进行集成模块化设计研究，提高系统功率，降低整体重量。
无论是国内还是海外市场，压裂设备系统电动化都是大趋势，电驱压裂撬的渗透率会逐步提升，区别点在于极限渗透率以及渗透速度（接受程度）； 美国的极限渗透率及渗透速度可能会高于国内，这一点从电驱钻机替代机械钻机就可以看到，无论是接受程度还是推广速度，美国均显著高于国内，主要由于美国和中国油气行业驱动逻辑不同；压裂设备行业火爆，将会较快推进电代油进程，国内压裂设备需求火爆，传统压裂设备紧缺的情况下，自然推升电驱压裂的拓展，而北美市场由于设备存量大，平均使用寿命高，未来几年处于更新高峰期，也会催生不小的设备需求，都为电驱压裂提升渗透率提供良好沃土。