基于混合型開(kāi)關(guān)的通用變流器制造技術(shù)

本實(shí)用新型專(zhuān)利技術(shù)提出一種原創(chuàng)的基于混合型開(kāi)關(guān)的通用變流器。該變流器線(xiàn)路僅用少量全控開(kāi)關(guān)，其余為普通晶閘管，適合于構(gòu)成一系列幾乎無(wú)蓄能環(huán)節(jié)的嶄新開(kāi)關(guān)電源變流器。本實(shí)用新型專(zhuān)利技術(shù)派生的系列裝置有：電網(wǎng)無(wú)功補(bǔ)償器、有源電力濾波器、正弦逆變器、準(zhǔn)方波逆變器、四象限工作的交－直流變頻器、雙向交－直－交正弦波變頻器、功率因數(shù)近于１且諧波含量近于零的可控整流器等，可以廣泛應(yīng)用于電動(dòng)汽車(chē)電源、變頻調(diào)速、電力牽引、不停電電源、新能源變流器、電化學(xué)電源、中頻電源、電力系統(tǒng)電能質(zhì)量改善等諸多領(lǐng)域。比較常規(guī)技術(shù)的裝置，利用本實(shí)用新型專(zhuān)利技術(shù)技術(shù)的裝置具有電氣性能卓越、材料成本顯著降低、體積與重量大為減小、諧波幾乎消除等巨大優(yōu)勢(shì)，具有很高的應(yīng)用推廣價(jià)值。（*該技術(shù)在2017年保護(hù)過(guò)期，可自由使用*）

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】

本技術(shù)屬于大功率整流、逆變和變頻調(diào)速設(shè)備。技術(shù)背景三相交流與直流變換、交流與交流的變換，是大功率電力技術(shù)最基本的內(nèi)容。交/直流變 換的相關(guān)裝置主要包含整流器和逆變器兩類(lèi)。前者是將交流變成直流，后者是將直流變成交 流。交/交變換通常是經(jīng)過(guò)兩個(gè)交/直變換，即交一直一交變換；也有用交/交直接變換，如矩 陣變換，但未推廣；又如循環(huán)變流器，諧波含量較大，功率因數(shù)和工作頻率都較低。交/直三相變流器的基本形式為六個(gè)器件(代表六個(gè)橋臂)組成的圖la的形式。圖la中 的六個(gè)開(kāi)關(guān)(KA、 Kb、 Kc、 Kx、 Ky、 Kz)代表六個(gè)橋臂，a、 b、 c是三相交流端，P、 N分 別是直流正、負(fù)端。更多相的交/直變流器形式類(lèi)同，橋臂數(shù)量為相數(shù)的兩倍。若交流系統(tǒng)有 中線(xiàn)o，則還可增加兩個(gè)橋臂(K0n、 K0p)，如圖Ib。目前組成變流器的器件，主要是半控器件(晶閘管)和全控器件(功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管一 功率MOSFET、絕緣柵雙級(jí)型晶體管——IGBT、集成門(mén)極換流品閘管——IGCT等，以IGBT 為代表)，不可控的二極管只能做成普通整流器。由晶閘管或全控器件組成的常規(guī)交/直變流器，有電壓型與電流型兩類(lèi)， 一般以直流側(cè)的 運(yùn)行工況來(lái)區(qū)分命名，分別如圖2a與圖2b所示。通常，電流型變流器中往往在直流側(cè)串接 輸入/出電感Ll，交流側(cè)并接電容C1;電壓型變流器的直流側(cè)并接電容C2，而交流側(cè)串接輸 入/出電感L2。電壓型變流器適合于采用逆導(dǎo)型全控型器件，電流型變流器適合于采用逆阻型 全控型器件。應(yīng)用全控型開(kāi)關(guān)的變流器還可以實(shí)現(xiàn)臺(tái)階波型控制(例如SHE，即特殊開(kāi)關(guān)角消諧法)、 脈沖頻率調(diào)制(PFM)等常見(jiàn)開(kāi)關(guān)控制調(diào)節(jié)方式。這些方法有些可以用于正弦波電路,有些可 以用于需要矩型波工作的線(xiàn)路,如永磁無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)、準(zhǔn)方波電機(jī)驅(qū)動(dòng)、電子變壓器等。全控型器件組成的變流器性能通常優(yōu)于晶閘管變流器，但其使用的器件較多，價(jià)格不菲。 難以滿(mǎn)足變流裝置能同時(shí)集高性能與低成本于一體的要求，并且在高壓大功率裝置方面更具 有優(yōu)勢(shì)。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
本技術(shù)的目的是通過(guò)器件線(xiàn)路的合理設(shè)計(jì)，達(dá)到或接近全控器件的性能，具有高壓 大功率方面的優(yōu)勢(shì)。相對(duì)全控器件來(lái)說(shuō)是要大幅度降低生產(chǎn)成本，能顯著拓寬市場(chǎng)前景。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本技術(shù)提出一種采用混合型開(kāi)關(guān)器件的電流型交/直變流器，包括 直流側(cè)和交流側(cè)，有晶閘管橋和輔助開(kāi)關(guān)。本專(zhuān)利技術(shù)在變流器中采用混合型開(kāi)關(guān)，即常規(guī)電流 型交/直變流器中的變流橋?yàn)榫чl管橋BR，并在變流器設(shè)置輔助開(kāi)關(guān)輔助關(guān)斷BR。屬于這個(gè) 總的專(zhuān)利技術(shù)思路下的本專(zhuān)利技術(shù)有以下8種相互關(guān)聯(lián)的技術(shù)方案方案I.參見(jiàn)圖3a、圖3b。在直流側(cè)設(shè)置一全控開(kāi)關(guān)K1與晶閘管橋BR和電感L1串聯(lián)， 另設(shè)置全控開(kāi)關(guān)或晶閘管或二極管K2給Ll作續(xù)流用；K2與Ll并聯(lián)，或一端接Ll與Kl 的連接點(diǎn)、另一端接BR不同L1與K1相連的直流端；K1在開(kāi)關(guān)周期L1的大部分時(shí)間保持 導(dǎo)通狀態(tài)，用于輔助關(guān)斷BR的關(guān)斷時(shí)間略長(zhǎng)于BR橋臂恢復(fù)正向阻斷所需時(shí)間，K2與K1 互補(bǔ)導(dǎo)通與關(guān)斷。方案II.參見(jiàn)圖4a。用混合型直流開(kāi)關(guān)Ks取代方案I中的Kl， Ks與BR禾nLl串聯(lián)， Ks由全控開(kāi)關(guān)K3、全控開(kāi)關(guān)K4與晶閘管K5構(gòu)成，其中K4與K5串聯(lián)后與K3并聯(lián)，Ks 的導(dǎo)通任務(wù)由K4、 K5承擔(dān)，Ks的阻斷電壓由K5承擔(dān)，K3與K4起到輔助關(guān)斷K5的作用， 當(dāng)需要關(guān)斷Ks時(shí)先導(dǎo)通K3， K4與K3互補(bǔ)導(dǎo)通與關(guān)斷，通過(guò)K4來(lái)切斷K5電流使之關(guān)斷， K4的關(guān)斷時(shí)間略長(zhǎng)于K5恢復(fù)正向阻斷所需時(shí)間。方案III.參見(jiàn)圖4b。用混合型直流開(kāi)關(guān)Ks取代方案I中的Kl， Ks與BR禾卩Ll串聯(lián)， Ks由全控開(kāi)關(guān)K3、低壓輔助電源AU與晶閘管K5構(gòu)成，其中K3與AU串聯(lián)后與K5并聯(lián)， Ks的導(dǎo)通任務(wù)由K5承擔(dān)，K3與AU起到輔助關(guān)斷K5的作用；當(dāng)需要關(guān)斷Ks時(shí)先導(dǎo)通K3， K3的導(dǎo)通時(shí)間略長(zhǎng)于K5恢復(fù)正向阻斷所需時(shí)間，然后再關(guān)斷K3，使Ks整體呈現(xiàn)斷態(tài)。方案IV.參見(jiàn)圖4c。用混合型直流開(kāi)關(guān)Ks取代方案I中的Kl， Ks與BR和Ll串聯(lián)， Ks由晶閘管K5、脈沖電源Up、升壓脈沖變壓器T、晶閘管K6構(gòu)成，其中T的高壓繞組與 晶閘管K6串聯(lián)后與K5并聯(lián)，Ks的導(dǎo)通任務(wù)由K5承擔(dān)，Up通過(guò)T起到輔助關(guān)斷K5的作 用；當(dāng)需要關(guān)斷Ks時(shí)，Up發(fā)正向脈沖，使本來(lái)流經(jīng)K5的電流改流到K6使K5關(guān)斷，然后 Up發(fā)反向脈沖來(lái)關(guān)斷K6使Ks整體呈現(xiàn)斷態(tài)。方案V.參見(jiàn)圖5。在直流側(cè)設(shè)置一混合型開(kāi)關(guān)電路Kp與晶閘管橋BR并聯(lián)，Kp用于輔 助關(guān)斷BR， Kp由晶閘管橋BRa與全控開(kāi)關(guān)K7、 K8、低壓輔助電源AU1、 AU2組成，Kp 的交流側(cè)端口即是BRa的交流側(cè)端口， Kp的直流側(cè)端口由BRa的兩個(gè)直流側(cè)端口分別串聯(lián) 上K7、 AU1與K8、 AU2后形成，K7、 K8在開(kāi)關(guān)周期的大部分時(shí)間不導(dǎo)通，需要關(guān)斷BR時(shí)K7或K8導(dǎo)通，將BR器件電流引入到BRa中，使BR器件實(shí)現(xiàn)輔助關(guān)斷，K7、 K8的導(dǎo) 通時(shí)間略長(zhǎng)于BR器件恢復(fù)正向阻斷所需時(shí)間，然后再關(guān)斷K7或K8使Kp整體呈現(xiàn)斷態(tài)。VI. 參見(jiàn)圖6。用兩個(gè)脈沖電源Up、兩個(gè)升壓脈沖變壓器T分別取代方案V中Kp的K7、 AU1與K8、 AU2。 BRa開(kāi)關(guān)周期的大部分時(shí)間不導(dǎo)通，當(dāng)需要關(guān)斷BR相應(yīng)支路時(shí)，Up先 是輸出正脈沖使BR需要換流的器件電流轉(zhuǎn)移到BRa的相應(yīng)支路上，并維持一段時(shí)間使BR 相應(yīng)支路恢復(fù)正向阻斷，然后Up輸出負(fù)脈沖，經(jīng)過(guò)T升壓后幅度略高于三相線(xiàn)電壓峰值， 使BRa的相應(yīng)支路關(guān)斷并恢復(fù)正向阻斷。VII. 參見(jiàn)圖7。在直流側(cè)設(shè)置一混合型開(kāi)關(guān)電路Kp與晶閘管橋BR并聯(lián)，Kp用于輔助 關(guān)斷BR， Kp由晶閘管橋BRa與晶閘管K9、 K10、全控開(kāi)關(guān)Kll、低壓輔助電源AU組成， Kp的交流側(cè)端口即是BRa的交流側(cè)端口， Kll、 AU相互串聯(lián)后與BRa直流端并聯(lián)，其中 BRa的直流端極性同AU相反，并聯(lián)后的兩端分別串聯(lián)上K9、 K10后形成Kp的兩個(gè)端口 ， 與BR端口極性相反地并聯(lián)；K9、 K10、 Kll在開(kāi)關(guān)周期的大部分時(shí)間不導(dǎo)通，需要關(guān)斷BR 相應(yīng)支路時(shí)導(dǎo)通K9或K10，并導(dǎo)通Kll，將BR器件電流引入到BRa中，使BR器件實(shí)現(xiàn)輔 助關(guān)斷，K9、 KIO、 Kll的導(dǎo)通時(shí)間略長(zhǎng)于BR器件恢復(fù)正向阻斷所需時(shí)間，然后再關(guān)斷Kll 使Kp整體呈現(xiàn)斷態(tài)。VIII. 參見(jiàn)圖8。用脈沖電源Up、升壓脈沖變壓器T取代方案VII中AU，用晶閘管K12 取代全控開(kāi)關(guān)Kll， T的低壓繞組接Up，需要關(guān)斷BR相應(yīng)支路時(shí)導(dǎo)通K8或K9，并Up發(fā) 出正脈沖使BR需要換流的器件電流轉(zhuǎn)移到BRa的相應(yīng)支路上，并維持一段時(shí)間使BR相應(yīng) 支路恢復(fù)正向阻斷，然后Up輸出負(fù)脈沖，經(jīng)過(guò)T升壓后幅度略高于三相線(xiàn)電壓峰值，使BRa 的相應(yīng)支路關(guān)斷并恢復(fù)正向阻斷，使Kp整體呈現(xiàn)斷態(tài)。由上述技術(shù)派生出了 2個(gè)從屬的技術(shù)方案。一是參見(jiàn)圖9a、圖9b。本技術(shù)的方案I或II或III或IV中K2與LI并聯(lián)的變流器， 在Kl或Ks與LI的連接點(diǎn)與BR (不同Kl或Ks與LI相連接的一個(gè))直流端之間增加一個(gè) 全控開(kāi)關(guān)或晶閘管或二極管Kdc，在輔助換流的閑置時(shí)間段，利用Kl或Ks與Kdc、 Ll執(zhí)行 DC/DC高本文檔來(lái)自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種基于混合型開(kāi)關(guān)的通用變流器，包括直流側(cè)和交流側(cè)，有晶閘管橋和輔助開(kāi)關(guān)，其特征是在直流側(cè)設(shè)置一全控開(kāi)關(guān)Ｋ１與晶閘管橋ＢＲ和電感Ｌ１串聯(lián)，另設(shè)置全控開(kāi)關(guān)或晶閘管或二極管Ｋ２給Ｌ１作續(xù)流用；Ｋ２與Ｌ１并聯(lián)，或一端接Ｌ１與Ｋ１的連接點(diǎn)、另一端接ＢＲ不同Ｌ１與Ｋ１相連的直流端；Ｋ１在開(kāi)關(guān)周期Ｌ１的大部分時(shí)間保持導(dǎo)通狀態(tài)，用于輔助關(guān)斷ＢＲ的關(guān)斷時(shí)間略長(zhǎng)于ＢＲ橋臂恢復(fù)正向阻斷所需時(shí)間，Ｋ２與Ｋ１互補(bǔ)導(dǎo)通與關(guān)斷。

【技術(shù)特征摘要】

【專(zhuān)利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：呂征宇，汪槱生，
申請(qǐng)(專(zhuān)利權(quán))人：呂征宇，汪槱生，
類(lèi)型：實(shí)用新型
國(guó)別省市：86[中國(guó)|杭州]