基於單級功率變換模塊的級聯式變流器的製作方法

2023-10-29 14:43:17

專利名稱：基於單級功率變換模塊的級聯式變流器的製作方法
技術領域：
本發明涉及變流器，特別涉及一種基於單級功率變換模塊的級聯式變流器。
背景技術：
隨著科學技術與工業現代化的迅猛發展和對節約能源的要求進一步提高，應用於大功率場合的中高壓電力電子變流器在解決能源節約的問題上起著越來越重要的作用。近年來，多電平功率變流器(Multilevel Power Converter)在高電壓大功率變頻調速、有源電力濾波裝置、高壓直流(HVDC)輸電系統和電力系統無功補償等領域已得到成功的應用。多電平功率變流器在許多實際工業應用中需要具有電氣隔離功能，這種電氣隔離功能傳統的方式是採用體積龐大接線複雜的工頻變壓器來完成，這使其在許多工業場合的應用受到了限制。因而，取消傳統的大功率多電平變流器電路中的工頻變壓器，設計無工頻變壓器的多電平變流器電路，將會帶來革命性的變革。目前，高頻開關電源採用高頻變壓器完成功率的隔離傳輸，其所具有的體積小，重量輕，功率密度高等一系列優點，使其在諸多的工業應用場合佔據了絕對的主導地位。高頻開關電源通常採用兩個功率變換級完成交流到直流的隔離變換，即AC/DC整流級和DC/DC高頻隔離變換級。對於高性能的高頻開關電源，其AC/DC整流級還應具有功率因數校正功能，實現單位功率因數整流。高頻開關電源也可以採用一個功率變換級完成交流到直流的隔離變換，即所謂的單級功率變換。由於只用一級變換就可以實現AC/DC單位功率因數整流和DC/DC隔離變換兩級變換的功能，故可極大地簡化電路結構，簡化電路的控制和調製方法，這些優點都使得單級變換的高頻開關電源具有很好的應用前景。本發明涉及已知技術中的單級功率變換模塊主要有以下幾種

參照圖1，第一種功率變換模塊包括單相二極體整流橋、開關器件和快恢復二極體、隔離高頻變壓器和原邊濾波電容以及輸出直流電容和負載。參照圖3，第二種功率變換模塊包括單相二極體整流橋、開關器件和快恢復二極體、隔離高頻變壓器和原邊濾波電容以及輸出濾波電感、輸出直流電容和負載。參照圖5，第三種功率變換模塊包括單相二極體整流橋、開關器件和快恢復二極體、隔離高頻變壓器和原邊濾波電容、原邊輔助電感以及輸出直流電容和負載。參照圖7，第四種功率變換模塊包括一個單相二極體整流橋、一個由開關器件構成的H橋、快恢復二極體、隔離高頻變壓器和原邊濾波電容以及輸出濾波電感、輸出直流電容和負載。參照圖9，第五種功率變換模塊包括兩個單相二極體整流橋、一個由開關器件構成的H橋、快恢復二極體、隔離高頻變壓器、原邊濾波電容和電感以及輸出直流電容和負載。由於大功率級聯全控型(IGBT) H橋電力電子變流器在大功率場合的應用得到廣泛的關注和研究，其優點是可以應用低耐壓的電力電子開關器件完成高壓大功率的功率變換並使交流側具有較高的功率因數和較小的諧波。但是該種類變流器的主電路拓撲結構所需要的開關器件較多，主電路工作過程中的損耗較大，針對所有開關器件的控制電路以及控制方法的設計也很複雜，且不容易實現單級功率變換的功能。所以如何簡化大功率級聯全控型(IGBT) H橋電力電子變流器的拓撲結構，減少開關器件的使用數量，簡化電路的控制和調製方法並能夠很好地工作在高壓大功率應用場合，這是本領域當前的重要課題。

發明內容
本發明的目的是針對目前應用的大功率級聯電力電子變流器的上述問題，提供一種基於單級功率變換模塊的級聯式變流器，這種變流器無需使用工頻移相變壓器，可以使用低耐壓的功率開關管在高電壓下完成大功率高頻隔離變換，可以使用一級功率變換電路完成AC/DC和DC/DC兩級變換功能，並具有功率因數校正功能，實現單位功率因數整流，其主功率電路的拓撲結構簡單,系統的工作效率高,體積小,重量輕,成本低。為達到上述目的，本發明提供的一種基於單級功率變換模塊的級聯式變流器，包括主功率電路，所述主功率電路包括單級功率變換模塊，單級功率變換模塊採用第一模塊單元，所述第一模塊單元包括單相二極體整流橋、開關器件和快恢復二極體、隔離高頻變壓器和原邊濾波電容以及輸出直流電容和負載，所述主功率電路包括輸入電感和N個級聯的所述第一模塊單元，其中各個所述單相二極體整流橋的第二個輸入端與下一個所述單相二極體整流橋的第一個輸入端依次相連，級聯起來的所述單相二極體整流橋剩餘的兩個交流輸入端，即第一個所述單相二極體整流橋的第一個交流輸入端與第N個所述單相二極體整流橋的第二個交流輸入端經所述輸入電感串聯接入交流電網，其中，N為正整數。本發明提供的第二種基於單級功率變換模塊的級聯式變流器，其中所述單級功率變換模塊替換採用第二模塊單元，所述第二模塊單元包括單相二極體整流橋、開關器件和快恢復二極體、隔離高頻變壓器和原邊濾波電容以及輸出濾波電感、輸出直流電容和負載。本發明提供的第三種基於單級功率變換模塊的級聯式變流器，其中所述單級功率變換模塊替換採用第三模塊單元，所述第三模塊單元包括單相二極體整流橋、開關器件和快恢復二極體、隔離高頻變壓器和原邊濾波電容、輔助電感以及輸出直流電容和負載。本發明提供的第四種基於單級功率變換模塊的級聯式變流器，其中所述單級功率變換模塊替換採用第四模塊單元，所述第四模塊單元包括一個單相二極體整流橋、一個由開關器件構成的H橋、快恢復二極體、隔離高頻變壓器和原邊濾波電容以及輸出濾波電感、輸出直流電容和負載，其中，二極體整流橋直流輸出側經兩並聯二極體與由全控型器件組成的H橋交流側相連，H橋直流側並聯一儲能電容，H橋交流側輸出端接至隔離高頻變壓器原邊，隔離高頻變壓器副邊輸出經二極體全波整流電路和輸出濾波電感後與輸出直流電容和負載相連。本發明提供的第五種基於單級功率變換模塊的級聯式變流器，其中所述單級功率變換模塊替換採用第五模塊單元，所述第五模塊單元包括兩個單相二極體整流橋、一個由開關器件構成的H橋、快恢復二極體、隔離高頻變壓器、原邊濾波電容和電感以及輸出直流電容和負載。為達到上述目的，本發明提供的採用基於單級功率變換模塊的級聯式變流器構成的三相星接變流器拓撲結構，包括構成星接變流器的三相主功率電路，所述三相主功率電路包括三個電感和三個所述基於單級功率變換模塊的級聯式變流器，其中所述基於單級功率變換模塊的級聯式變流器中N個級聯的模塊單元所剩餘的交流輸入端共六個，N為正整數，位於每相的三個交流輸入端構成一組接線端，而位於每相的另三個交流輸入端構成另一組接線端，其中一組接線端接到一個公共的中性點上，另一組接線端分別與三個電感之一串聯接入三相電網，構成星形連接。為達到上述目的，本發明提供的採用基於單級功率變換模塊的級聯式變流器構成的三相角接變流器拓撲結構，包括構成角接變流器的三相主功率電路，所述三相主功率電路包括三個電感和三個所述基於單級功率變換模塊的級聯式變流器，其中所述基於單級功率變換模塊的級聯式變流器中N個級聯的模塊單元所剩餘的交流輸入端共六個，N為正整數，位於每相的三個交流輸入端構成一組接線端，而位於每相的另三個交流輸入端構成另一組接線端，其中一組接線端接到一個公共的中性點上，另一組接線端依次連接至三相電網中的下一相輸入端，構成角形連接。為達到上述目的，本發明提供的採用基於單級功率變換模塊的級聯式變流器構成的三相雙星接變流器拓撲結構，包括構成雙星接變流器的三相主功率電路，所述三相主功率電路包括三個輸入電感、六個橋臂電感和六個所述基於單級功率變換模塊的級聯式變流器，六個基於單級功率變換模塊的級聯式變流器構成對接的兩組星形連接，即在每組星形連接中，所述基於單級功率變換模塊的級聯式變流器中N個級聯的模塊單元所剩餘的交流輸入端共六個，N為正整數，位於每相的三個所述交流輸入端構成一組接線端，而位於每相的另三個所述交流輸入端構成另一組接線端，所述一組接線端接到一個公共的中性點上，所述另一組接線端分別與所述橋臂電感之一的一端相連，而位於每相橋臂上的兩個所述橋臂電感的另一端相互對接，並分別經三個所述輸入電感之一接至三相電網輸入端，同時，第一組星形連接中的公共中性點和第二組星形連接中的公共中性點分別與所述直流電容的兩端相連，構成雙星形連接。本發明提供的基於單級功率變換模塊的級聯式變流器的優點和積極效果在於由於將傳統的單級功率變換電路作為一個基本的模塊，採用了若干個功率變換模塊級聯起來構成級聯式變流器，故可以使用低耐壓的功率開關管完成高電壓下的大功率整流變換，且由於電路中的電氣隔離是採用高頻變壓器實現的，因此不需要使用龐大、笨重、接線複雜的工頻移相變壓器。使用一級電路變換完成AC/DC和DC/DC兩級變換，並具有功率因數校正功能，實現了單位功率因數整流，簡化了主功率電路的拓撲結構，大大減少了開關器件的數量，進而減少了電路工作中的損耗，提高了系統的工作效率，體積小，重量輕，成本低。級聯式變流器還具有模塊化設計以及電路結構簡單的優點，在大功率電力電子變壓器、大功率中高壓交-直-交變頻器等應用領域具有重要的應用價值。下面將結合實例參照附圖進行詳細說明。


圖1是本發明基於單級功率變換模塊的級聯式變流器中第一模塊單元的電路圖；圖2是本發明基於單級功率變換模塊的級聯式變流器的第一種電路拓撲結構圖；圖3是本發明基於單級功率變換模塊的級聯式變流器中第二模塊單元的電路圖；圖4是本發明基於單級功率變換模塊的級聯式變流器的第二種電路拓撲結構圖；圖5是本發明基於單級功率變換模塊的級聯式變流器中第三模塊單元的電路圖；圖6是本發明基於單級功率變換模塊的級聯式變流器的第三種電路拓撲結構圖7是本發明基於單級功率變換模塊的級聯式變流器中第四模塊單元的電路圖；圖8是本發明基於單級功率變換模塊的級聯式變流器的第四種電路拓撲結構圖；圖9是本發明基於單級功率變換模塊的級聯式變流器中第五模塊單元的電路圖；圖10是本發明基於單級功率變換模塊的級聯式變流器的第五種電路拓撲結構圖；圖11是本發明採用基於單級功率變換模塊的級聯式變流器構成的三相星接變流器拓撲結構圖；圖12是本發明採用基於單級功率變換模塊的級聯式變流器構成的三相角接變流器拓撲結構圖；圖13是本發明採用基於單級功率變換模塊的級聯式變流器構成的三相雙星接變流器拓撲結構圖。
具體實施例方式在本發明基於單級功率變換模塊的級聯式變流器的實例中，基於單級功率變換模塊的級聯式變流器是由若干個功率變換模塊級聯而組成一個整體的電路拓撲。參照圖1和圖2，第一種基於單級功率變換模塊的級聯式變流器中，第一模塊單元A包括單相二極體整流橋、開關器件和快恢復二極體、隔離高頻變壓器和原邊濾波電容以及輸出直流電容和負載。主功率電路包括輸入電感和N個級聯的第一模塊單元A，其中，N為正整數。其中各個單相二極體整流橋的第二個交流輸入端與下一個單相二極體整流橋的第一個交流輸入端依次相連，級聯起來的單相二極體整流橋剩餘的兩個交流輸入端，即第一個單相二極體整流橋的第一個交流輸入端與第N個單相二極體整流橋的第二個交流輸入端經輸入電感串聯接入交流電網。參照圖3和圖4，第二種基於單級功率變換模塊的級聯式變流器中，第二模塊單元B包括單相二極體整流橋、開關器件和快恢復二極體、隔離高頻變壓器和原邊濾波電容以及輸出濾波電感、輸出直流電容和負載，主功率電路包括輸入電感和N個級聯的第二模塊單元B，其中，N為正整數。其中各個單相二極體整流橋的第二個交流輸入端與下一個單相二極體整流橋的第一個交流輸入端依次相連，級聯起來的單相二極體整流橋剩餘的兩個交流輸入端，即第一個單相二極體整流橋的第一個交流輸入端與第N個單相二極體整流橋的第二個交流輸入端經輸入電感串聯接入交流電網。參照圖5和圖6，第三種基於單級功率變換模塊的級聯式變流器中，第三模塊單元C包括單相二極體整流橋、開關器件和快恢復二極體、隔離高頻變壓器和原邊濾波電容、原邊輔助電感以及輸出直流電容和負載，主功率電路包括輸入電感和N個級聯的第三模塊單元C，其中，N為正整數。其中各個單相二極體整流橋的第二個交流輸入端與下一個單相二極體整流橋的第一個交流輸入端依次相連，級聯起來的單相二極體整流橋剩餘的兩個交流輸入端，即第一個單相二極體整流橋的第一個交流輸入端與第N個單相二極體整流橋的第二個交流輸入端經輸入電感串聯接入交流電網。參照圖7和圖8，第四種基於單級功率變換模塊的級聯式變流器中，第四模塊單元D包括一個單相二極體整流橋、一個由開關器件構成的H橋、快恢復二極體、隔離高頻變壓器和原邊濾波電容以及輸出濾波電感、輸出直流電容和負載，其中，二極體整流橋直流輸出側經兩並聯二極體與由全控型器件組成的H橋交流側相連，H橋直流側並聯一儲能電容，H橋交流側輸出端接至隔離高頻變壓器原邊，隔離高頻變壓器副邊輸出經二極體全波整流電路和輸出濾波電感後與輸出直流電容和負載相連。主功率電路包括輸入電感和N個級聯的第四模塊單元D，其中，N為正整數。其中各個單相二極體整流橋的第二個交流輸入端與下一個單相二極體整流橋的第一個交流輸入端依次相連，級聯起來的單相二極體整流橋剩餘的兩個交流輸入端，即第一個單相二極體整流橋的第一個交流輸入端與第N個單相二極體整流橋的第二個交流輸入端經輸入電感串聯接入交流電網。參照圖9和圖10，第五種基於單級功率變換模塊的級聯式變流器中，第五模塊單元E包括兩個單相二極體整流橋、一個由開關器件構成的H橋、快恢復二極體、隔離高頻變壓器、原邊濾波電容和電感以及輸出直流電容和負載，主功率電路包括輸入電感和N個級聯的第五模塊單元E，其中，N為正整數。其中各個變壓器原邊的單相二極體整流橋的第二個交流輸入端與下一個變壓器原邊的單相二極體整流橋的第一個交流輸入端依次相連，級聯起來的變壓器原邊的單相二極體整流橋剩餘的兩個交流輸入端，即第一個變壓器原邊的單相二極體整流橋的第一個交流輸入端與第N個變壓器原邊的單相二極體整流橋的第二個交流輸入端經輸入電感串聯接入交流電網。參照圖11，本發明採用上述的基於單級功率變換模塊的級聯式變流器構成的三相星接變流器拓撲結構，包括構成星接變流器的三相主功率電路，三相主功率電路包括三個電感和三個基於單級功率變換模塊的級聯式變流器。其中基於單級功率變換模塊的級聯式變流器中N個級聯的模塊單元所剩餘的交流輸入端共六個，N為正整數。位於每相的三個交流輸入端構成一組接線端，而位於每相的另三個交流輸入端構成另一組接線端。其中一組接線端接到一個公共的中性點上，另一組接線端分別與三個電感之一串聯接入三相電網，構成星形連接。參照圖12，本發明採用上述的基於單級功率變換模塊的級聯式變流器構成的三相角接變流器拓撲結構，包括構成角接變流器的三相主功率電路，三相主功率電路包括三個電感和三個基於單級功率變換模塊的級聯式變流器。其中基於單級功率變換模塊的級聯式變流器中N個級聯的模塊單元所剩餘的交流輸入端共六個，N為正整數。位於每相的三個交流輸入端構成一組接線端，而位於每相的另三個交流輸入端構成另一組接線端。其中一組接線端接到一個公共的中性點上，另一組接線端依次連接至三相電網中的下一相輸入端，構成角形連接。參照圖13，本發明採用上述的基於單級功率變換模塊的級聯式變流器構成的三相雙星接變流器拓撲結構，包括構成雙星接變流器的三相主功率電路，三相主功率電路包括三個輸入電感、六個橋臂電感和六個基於單級功率變換模塊的級聯式變流器。六個基於單級功率變換模塊的級聯式變流器構成對接的兩組星形連接，即在每組星形連接中，基於單級功率變換模塊的級聯式變流器中N個級聯的模塊單元所剩餘的交流輸入端共六個，N為正整數。位於每相的三個交流輸入端構成一組接線端,而位於每相的另三個交流輸入端構成另一組接線端。一組接線端接到一個公共的中性點上，另一組接線端分別與橋臂電感之一的一端相連，而位於每相橋臂上的兩個所述橋臂電感的另一端相互對接，並分別經三個輸入電感之一接至三相電網輸入端。同時，第一組星形連接中的公共中性點和第二組星形連接中的公共中性點分別與直流電容的兩端相連，構成雙星形連接。
所描述的基於單級功率變換模塊的級聯式變流器應用電路，可以簡化應用於大功率場合的電力電子變流器的電路拓撲結構，通過適當的控制策略可以提高系統的工作效率，在大功率電力電子變壓器、大功率中高壓交-直-交變頻器等應用領域具有重要的應用價值。上面所述的實例僅僅是對本發明的優選實施方式進行描述，並非對本發明的構思和範圍進行限定，在不脫離本發明設計方案前提下，本領域中普通工程技術人員對本發明的技術方案做出的各種變型和改進，均應落入本發明的保護範圍，本發明請求保護的技術內容，已經全部記載在權利要求書中。
權利要求
1.一種基於單級功率變換模塊的級聯式變流器，包括主功率電路，所述主功率電路包括單級功率變換模塊，單級功率變換模塊採用第一模塊單元(A)，所述第一模塊單元(A)包括單相二極體整流橋、開關器件和快恢復二極體、隔離高頻變壓器和原邊濾波電容以及輸出直流電容和負載，所述主功率電路包括輸入電感和N個級聯的所述第一模塊單元(A)，其中各個所述單相二極體整流橋的第二個交流輸入端與下一個所述單相二極體整流橋的第一個交流輸入端依次相連，級聯起來的所述單相二極體整流橋剩餘的兩個交流輸入端，即第一個所述單相二極體整流橋的第一個交流輸入端與第N個所述單相二極體整流橋的第二個交流輸入端經所述輸入電感串聯接入交流電網，其中，N為正整數。
2.根據權利要求1所述的基於單級功率變換模塊的級聯式變流器，其特徵在於其中所述單級功率變換模塊替換採用第二模塊單元(B)，所述第二模塊單元(B)包括單相二極體整流橋、開關器件和快恢復二極體、隔離高頻變壓器和原邊濾波電容以及輸出濾波電感、 輸出直流電容和負載。
3.根據權利要求1所述的基於單級功率變換模塊的級聯式變流器，其特徵在於其中所述單級功率變換模塊替換採用第三模塊單元(C)，所述第三模塊單元(C)包括單相二極體整流橋、開關器件和快恢復二極體、隔離高頻變壓器和原邊濾波電容、輔助電感以及輸出直流電容和負載。
4.根據權利要求1所述的基於單級功率變換模塊的級聯式變流器，其特徵在於其中所述單級功率變換模塊替換採用第四模塊單元(D)，所述第四模塊單元(D)包括一個單相二極體整流橋、一個由開關器件構成的H橋、快恢復二極體、隔離高頻變壓器和原邊濾波電容以及輸出濾波電感、輸出直流電容和負載，其中，二極體整流橋直流輸出側經兩並聯二極體與由全控型器件組成的H橋交流側相連，H橋直流側並聯一儲能電容，H橋交流側輸出端接至隔離高頻變壓器原邊，隔離高頻變壓器副邊輸出經二極體全波整流電路和輸出濾波電感後與輸出直流電容和負載相連。
5.根據權利要求1所述的基於單級功率變換模塊的級聯式變流器，其特徵在於其中所述單級功率變換模塊替換採用第五模塊單元(E)，所述第五模塊單元(E)包括兩個單相二極體整流橋、一個由開關器件構成的H橋、快恢復二極體、隔離高頻變壓器、原邊濾波電容和電感以及輸出直流電容和負載。
6.採用權利要求1-5中任一所述的基於單級功率變換模塊的級聯式變流器構成的三相星接變流器拓撲結構，包括構成星接變流器的三相主功率電路，其特徵在於所述三相主功率電路包括三個電感和三個所述基於單級功率變換模塊的級聯式變流器，其中所述基於單級功率變換模塊的級聯式變流器中N個級聯的模塊單元所剩餘的交流輸入端共六個，N 為正整數，位於每相的三個交流輸入端構成一組接線端,而位於每相的另三個交流輸入端構成另一組接線端，其中一組接線端接到一個公共的中性點上，另一組接線端分別與三個電感之一串聯接入三相電網，構成星形連接。
7.採用權利要求1-5中任一所述的基於單級功率變換模塊的級聯式變流器構成的三相角接變流器拓撲結構，包括構成角接變流器的三相主功率電路，其特徵在於所述三相主功率電路包括三個電感和三個所述基於單級功率變換模塊的級聯式變流器，其中所述基於單級功率變換模塊的級聯式變流器中N個級聯的模塊單元所剩餘的交流輸入端共六個，N 為正整數，位於每相的三個交流輸入端構成一組接線端,而位於每相的另三個交流輸入端構成另一組接線端，其中一組接線端接到一個公共的中性點上，另一組接線端依次連接至三相電網中的下一相輸入端，構成角形連接。
8.採用權利要求1-5中任一所述的基於單級功率變換模塊的級聯式變流器構成的三相雙星接變流器拓撲結構，包括構成雙星接變流器的三相主功率電路，所述三相主功率電路包括三個輸入電感、六個橋臂電感和直流電容，其特徵在於所述三相主功率電路還包括六個所述基於單級功率變換模塊的級聯式變流器，六個基於單級功率變換模塊的級聯式變流器構成對接的兩組星形連接，即在每組星形連接中，所述基於單級功率變換模塊的級聯式變流器中N個級聯的模塊單元所剩餘的交流輸入端共六個，N為正整數，位於每相的三個所述交流輸入端構成一組接線端，而位於每相的另三個所述交流輸入端構成另一組接線端，所述一組接線端接到一個公共的中性點上，所述另一組接線端分別與所述橋臂電感之一的一端相連，而位於每相橋臂上的兩個所述橋臂電感的另一端相互對接，並分別經三個所述輸入電感之一接至三相電網輸入端，同時，第一組星形連接中的公共中性點和第二組星形連接中的公共中性點分別與所述直流電容的兩端相連，構成雙星形連接。
全文摘要
本發明基於單級功率變換模塊的級聯式變流器，提供了多種由若干個功率變換模塊級聯組成的主功率電路，還提供了基於單級功率變換模塊的級聯式變流器構成的三相星接、角接和雙星接變流器拓撲結構。其優點在於可以使用低耐壓的功率開關管完成高電壓下的大功率整流變換，且電路中電氣隔離採用高頻變壓器，不需使用工頻移相變壓器。採用一級功率變換電路完成AC/DC和DC/DC兩級變換，並具有功率因數校正功能，實現了單位功率因數整流，簡化了主功率電路結構，減少了開關器件數量和電路損耗，提高了系統工作效率，體積小，重量輕，成本低，在大功率電力電子變壓器，大功率中高壓交-直-交變頻器等應用領域具有重要的應用價值。
文檔編號H02M7/12GK103051219SQ20131001466
公開日2013年4月17日 申請日期2013年1月15日 優先權日2013年1月15日
發明者王聰, 程紅, 王暢, 王俊, 崔義森, 沙廣林, 蔡瑩瑩, 張國澎 申請人:中國礦業大學(北京)