基于單級功率變換模塊的級聯(lián)式變流器制造技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)基于單級功率變換模塊的級聯(lián)式變流器，提供了多種由若干個功率變換模塊級聯(lián)組成的主功率電路，還提供了基于單級功率變換模塊的級聯(lián)式變流器構(gòu)成的三相星接、角接和雙星接變流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。其優(yōu)點在于：可以使用低耐壓的功率開關(guān)管完成高電壓下的大功率整流變換，且電路中電氣隔離采用高頻變壓器，不需使用工頻移相變壓器。采用一級功率變換電路完成AC/DC和DC/DC兩級變換，并具有功率因數(shù)校正功能，實現(xiàn)了單位功率因數(shù)整流，簡化了主功率電路結(jié)構(gòu)，減少了開關(guān)器件數(shù)量和電路損耗，提高了系統(tǒng)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(yīng)用領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價值。

【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】
基于單級功率變換模塊的級聯(lián)式變流器
本專利技術(shù)涉及變流器，特別涉及一種基于單級功率變換模塊的級聯(lián)式變流器。
技術(shù)介紹
隨著科學(xué)技術(shù)與工業(yè)現(xiàn)代化的迅猛發(fā)展和對節(jié)約能源的要求進(jìn)一步提高，應(yīng)用于大功率場合的中高壓電力電子變流器在解決能源節(jié)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（MultilevelPowerConverter）在高電壓大功率變頻調(diào)速、有源電力濾波裝置、高壓直流（HVDC）輸電系統(tǒng)和電力系統(tǒng)無功補償?shù)阮I(lǐng)域已得到成功的應(yīng)用。多電平功率變流器在許多實際工業(yè)應(yīng)用中需要具有電氣隔離功能，這種電氣隔離功能傳統(tǒng)的方式是采用體積龐大接線復(fù)雜的工頻變壓器來完成，這使其在許多工業(yè)場合的應(yīng)用受到了限制。因而，取消傳統(tǒng)的大功率多電平變流器電路中的工頻變壓器，設(shè)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(guān)電源采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(yōu)點，使其在諸多的工業(yè)應(yīng)用場合占據(jù)了絕對的主導(dǎo)地位。高頻開關(guān)電源通常采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。對于高性能的高頻開關(guān)電源，其AC/DC整流級還應(yīng)具有功率因數(shù)校正功能，實現(xiàn)單位功率因數(shù)整流。高頻開關(guān)電源也可以采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。由于只用一級變換就可以實現(xiàn)AC/DC單位功率因數(shù)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(jié)構(gòu)，簡化電路的控制和調(diào)制方法，這些優(yōu)點都使得單級變換的高頻開關(guān)電源具有很好的應(yīng)用前景。本專利技術(shù)涉及已知技術(shù)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管整流橋、開關(guān)器件、快恢復(fù)二極管、升壓電感、隔離高頻變壓器及其原邊濾波電容以及輸出直流電容和負(fù)載。參照圖3，第二種功率變換模塊包括單相二極管整流橋、開關(guān)器件、快恢復(fù)二極管、升壓電感、隔離高頻變壓器及其原邊濾波電容以及輸出濾波電感、輸出直流電容和負(fù)載。參照圖5，第三種功率變換模塊包括單相二極管整流橋、開關(guān)器件、快恢復(fù)二極管、升壓電感、隔離高頻變壓器及其原邊濾波電容、原邊輔助電感以及輸出直流電容和負(fù)載。參照圖7，第四種功率變換模塊包括一個單相二極管整流橋、一個由開關(guān)器件構(gòu)成的H橋、快恢復(fù)二極管、升壓電感、隔離高頻變壓器及其原邊濾波電容以及輸出濾波電感、輸出直流電容和負(fù)載。參照圖9，第五種功率變換模塊包括兩個單相二極管整流橋、一個由開關(guān)器件構(gòu)成的H橋、快恢復(fù)二極管、升壓電感、隔離高頻變壓器及其原邊濾波電容和電感以及輸出直流電容和負(fù)載。大功率級聯(lián)全控型（IGBT）H橋電力電子變流器在大功率場合的應(yīng)用得到廣泛的關(guān)注和研究，其優(yōu)點是可以應(yīng)用低耐壓的電力電子開關(guān)器件完成高壓大功率的功率變換并使交流側(cè)具有較高的功率因數(shù)和較小的諧波。但是該種類變流器的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)所需要的開關(guān)器件較多，主電路工作過程中的損耗較大，針對所有開關(guān)器件的控制電路以及控制方法的設(shè)計也很復(fù)雜，且不容易實現(xiàn)單級功率變換的功能。所以如何簡化大功率級聯(lián)全控型（IGBT）H橋電力電子變流器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，減少開關(guān)器件的使用數(shù)量，簡化電路的控制和調(diào)制方法并能夠很好地工作在高壓大功率應(yīng)用場合，這是本領(lǐng)域當(dāng)前的重要課題。
技術(shù)實現(xiàn)思路
本專利技術(shù)的目的是針對目前應(yīng)用的大功率級聯(lián)電力電子變流器的上述問題，提供一種基于單級功率變換模塊的級聯(lián)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(guān)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，并具有功率因數(shù)校正功能，實現(xiàn)單位功率因數(shù)整流，其主功率電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡單，系統(tǒng)的工作效率高，體積小，重量輕，成本低。為達(dá)到上述目的，本專利技術(shù)提供的一種基于單級功率變換模塊的級聯(lián)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，單級功率變換模塊采用第一模塊單元，所述第一模塊單元包括單相二極管整流橋、開關(guān)器件、快恢復(fù)二極管、升壓電感、隔離高頻變壓器及其原邊濾波電容以及輸出直流電容和負(fù)載，所述主功率電路包括高頻濾波器和N個級聯(lián)的所述第一模塊單元，其中各個所述單相二極管整流橋的第二個輸入端與下一個所述單相二極管整流橋的第一個輸入端依次相連，級聯(lián)起來的所述單相二極管整流橋剩余的兩個交流輸入端，即第一個所述單相二極管整流橋的第一個交流輸入端與第N個所述單相二極管整流橋的第二個交流輸入端經(jīng)所述高頻濾波器串聯(lián)接入交流電網(wǎng)，其中，N為正整數(shù)。本專利技術(shù)提供的第二種基于單級功率變換模塊的級聯(lián)式變流器，其中所述單級功率變換模塊替換采用第二模塊單元，所述第二模塊單元包括單相二極管整流橋、開關(guān)器件、快恢復(fù)二極管、升壓電感、隔離高頻變壓器及其原邊濾波電容以及輸出濾波電感、輸出直流電容和負(fù)載。本專利技術(shù)提供的第三種基于單級功率變換模塊的級聯(lián)式變流器，其中所述單級功率變換模塊替換采用第三模塊單元，所述第三模塊單元包括單相二極管整流橋、開關(guān)器件和快恢復(fù)二極管、升壓電感、隔離高頻變壓器及其原邊濾波電容、輔助電感以及輸出直流電容和負(fù)載。本專利技術(shù)提供的第四種基于單級功率變換模塊的級聯(lián)式變流器，其中所述單級功率變換模塊替換采用第四模塊單元，所述第四模塊單元包括一個單相二極管整流橋、一個由開關(guān)器件構(gòu)成的H橋、快恢復(fù)二極管、升壓電感、隔離高頻變壓器及其原邊濾波電容以及輸出濾波電感、輸出直流電容和負(fù)載，其中，二極管整流橋直流輸出側(cè)經(jīng)兩并聯(lián)二極管與由全控型器件組成的H橋交流側(cè)相連，H橋直流側(cè)并聯(lián)一儲能電容，H橋交流側(cè)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(jīng)二極管全波整流電路和輸出濾波電感后與輸出直流電容和負(fù)載相連。本專利技術(shù)提供的第五種基于單級功率變換模塊的級聯(lián)式變流器，其中所述單級功率變換模塊替換采用第五模塊單元，所述第五模塊單元包括兩個單相二極管整流橋、一個由開關(guān)器件構(gòu)成的H橋、快恢復(fù)二極管、升壓電感、隔離高頻變壓器及其原邊濾波電容和電感以及輸出直流電容和負(fù)載。為達(dá)到上述目的，本專利技術(shù)提供的采用基于單級功率變換模塊的級聯(lián)式變流器構(gòu)成的三相星接變流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，包括構(gòu)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高頻濾波器和三個所述基于單級功率變換模塊的級聯(lián)式變流器，其中所述基于單級功率變換模塊的級聯(lián)式變流器中N個級聯(lián)的模塊單元所剩余的交流輸入端共六個，N為正整數(shù),位于每相的三個交流輸入端構(gòu)成一組接線端，而位于每相的另三個交流輸入端構(gòu)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高頻濾波器之一串聯(lián)接入三相電網(wǎng)，構(gòu)成星形連接。為達(dá)到上述目的，本專利技術(shù)提供的采用基于單級功率變換模塊的級聯(lián)式變流器構(gòu)成的三相角接變流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，包括構(gòu)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高頻濾波器和三個所述基于單級功率變換模塊的級聯(lián)式變流器，其中所述基于單級功率變換模塊的級聯(lián)式變流器中N個級聯(lián)的模塊單元所剩余的交流輸入端共六個，N為正整數(shù),位于每相的三個交流輸入端構(gòu)成一組接線端，而位于每相的另三個交流輸入端構(gòu)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(wǎng)中的下一相輸入端，構(gòu)成角形連接。為達(dá)到上述目的，本專利技術(shù)提供的采用本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點】
一種基于單級功率變換模塊的級聯(lián)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，所述單級功率變換模塊采用第一模塊單元（A），所述第一模塊單元（A）包括單相二極管整流橋、開關(guān)器件、快恢復(fù)二極管、升壓電感、隔離高頻變壓器和原邊濾波電容以及輸出直流電容和負(fù)載，其特征在于：所述主功率電路包括高頻濾波器和N個級聯(lián)的所述第一模塊單元（A），其中各個所述單相二極管整流橋的第二個交流輸入端與下一個所述單相二極管整流橋的第一個交流輸入端依次相連，級聯(lián)起來的所述單相二極管整流橋剩余的兩個交流輸入端，即第一個所述單相二極管整流橋的第一個交流輸入端與第N個所述單相二極管整流橋的第二個交流輸入端經(jīng)所述高頻濾波器串聯(lián)接入交流電網(wǎng)，其中，N為正整數(shù)。

【技術(shù)特征摘要】
2013.01.15 CN 201310014661.51.一種基于單級功率變換模塊的級聯(lián)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，所述單級功率變換模塊采用第一模塊單元(A)，所述第一模塊單元(A)包括單相二極管整流橋、開關(guān)管S、快恢復(fù)二極管D1、快恢復(fù)二極管D2、快恢復(fù)二極管D3、升壓電感Ls、隔離高頻變壓器T和原邊濾波電容Cin以及輸出直流電容Co和輸出負(fù)載Ro，其特征在于：所述主功率電路包括高頻濾波器和N個級聯(lián)的所述第一模塊單元(A)，其中各個所述單相二極管整流橋的第二個交流輸入端與下一個所述單相二極管整流橋的第一個交流輸入端依次相連，級聯(lián)起來的所述單相二極管整流橋剩余的兩個交流輸入端，即第一個所述單相二極管整流橋的第一個交流輸入端與第N個所述單相二極管整流橋的第二個交流輸入端經(jīng)所述高頻濾波器串聯(lián)接入交流電網(wǎng)，其中，N為正整數(shù)；第一模塊單元(A)的具體連接關(guān)系：交流輸入電壓與單相二極管整流橋的交流輸入端相連，單相二極管整流橋的正輸出端與升壓電感Ls的一端相連，升壓電感Ls的另一端與快恢復(fù)二極管D2的陽極相連，快恢復(fù)二極管D2的陰極與開關(guān)管S的漏極相連，開關(guān)管S的源極與單相二極管整流橋的負(fù)輸出端相連；升壓電感Ls的另一端也與快恢復(fù)二極管D1的陽極相連，快恢復(fù)二極管D1的陰極與原邊濾波電容Cin的一端相連，原邊濾波電容Cin的另一端與開關(guān)管S的源極相連；快恢復(fù)二極管D1的陰極也與隔離高頻變壓器T原邊的一端相連，隔離高頻變壓器T原邊的另一端與開關(guān)管S的漏極相連；隔離高頻變壓器T副邊的異名端與快恢復(fù)二極管D3的陽極相連，快恢復(fù)二極管D3的陰極與輸出直流電容Co的正端相連，輸出直流電容Co的負(fù)端與隔離高頻變壓器T同名端相連，輸出負(fù)載Ro并聯(lián)在輸出直流電容Co兩端；或者所述單級功率變換模塊替換采用第二模塊單元(B)，所述第二模塊單元(B)包括單相二極管整流橋、開關(guān)管S和快恢復(fù)二極管D1、D2、D3、D4、Ds、升壓電感Ls、隔離高頻變壓器T及其原邊濾波電容Cin以及輸出濾波電感Lm、輸出直流電容Co和輸出負(fù)載Ro；第二模塊單元(B)的具體連接關(guān)系：交流輸入電壓與單相二極管整流橋的交流輸入端相連，單相二極管整流橋的正輸出端與升壓電感Ls的一端相連，升壓電感Ls的另一端與快恢復(fù)二極管D4的陽極相連，快恢復(fù)二極管D4的陰極與開關(guān)管S的漏極相連，開關(guān)管S的源極與單相二極管整流橋的負(fù)輸出端相連；升壓電感Ls的另一端也與快恢復(fù)二極管D1的陽極相連，快恢復(fù)二極管D1的陰極與原邊濾波電容Cin的一端相連，原邊濾波電容Cin的另一端與開關(guān)管S的源極相連；快恢復(fù)二極管D1的陰極也與隔離高頻變壓器T原邊的一端相連，隔離高頻變壓器T原邊的另一端與開關(guān)管S的漏極相連；快恢復(fù)二極管D1的陰極也與隔離高頻變壓器T復(fù)位繞組的異名端相連，復(fù)位繞組的同名端與快恢復(fù)二極管Ds的陰極相連，快恢復(fù)二極管Ds的陽極與開關(guān)管S的源極相連；隔離高頻變壓器T副邊的同名端與快恢復(fù)二極管D2的陽極相連，快恢復(fù)二極管D2的陰極與快恢復(fù)二極管D3的陰極相連，快恢復(fù)二極管D3的陽極與隔離高頻變壓器T副邊的異名端相連；快恢復(fù)二極管D2的陰極也與輸出濾波電感Lm的一端相連，輸出濾波電感Lm的另一端與輸出直流電容Co的正端相連，輸出直流電容Co的負(fù)端與隔離高頻變壓器T異名端相連，輸出負(fù)載Ro并聯(lián)在輸出直流電容Co兩端；或者所述單級功率變換模塊替換采用第三模塊單元(C)，所述第三模塊單元(C)包括單相二極管整流橋、開關(guān)管S和快恢復(fù)二極管D1、D2、D3、升壓電感Ls、隔離高頻變壓器T及其原邊濾波電容Cin、輔助電感Lr以及輸出直流電容Co和輸出負(fù)載Ro；第三模塊單元(B)的具體連接關(guān)系：交流輸入電壓與單相二極管整流橋的交流輸入端相連，單相二極管整流橋的正輸出端與升壓電感Ls的一端相連，升壓電感Ls的另一端與快恢復(fù)二極管Ds的陽極相連，快恢復(fù)二極管Ds的陰極與輔助電感Lr的一端相連，輔助電感Lr的另一端與開關(guān)管S的漏極相連，開關(guān)管S的源極與單相二極管整流橋的負(fù)輸出端相連；升壓電感Ls的另一端也與快恢復(fù)二極管D1的陽極相連，快恢復(fù)二極管D1的陰極與原邊濾波電容Cin的一端相連，原邊濾波電容Cin的另一端與開關(guān)管S的源極相連；快恢復(fù)二極管D1的陰極也與隔離高頻變壓器T原邊的一端相連，隔離高頻變壓器T原邊的另一端與開關(guān)管S的漏極相連；隔離高頻變壓器T副邊的異名端與快恢復(fù)二極管D2的陽極相連，快恢復(fù)二極管D2的陰極與輸出直流電容Co的正端相連，輸出直流電容Co的負(fù)端與隔離高頻變壓器T副邊的同名端相連，輸出負(fù)載Ro并聯(lián)在輸出直流電容Co兩端。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于單級功率變換模塊的級聯(lián)式變流器，其特征在于：其中所述單級功率變換模塊替換采用第四模塊單元(D)，所述第四模塊單元(D)包括一個單相二極管整流橋、一個由開關(guān)管S1～S4構(gòu)成的H橋、快恢復(fù)二極管D1、D2、D3、D...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：王聰，程紅，王暢，王俊，崔義森，沙廣林，蔡瑩瑩，張國澎，
申請(專利權(quán))人：中國礦業(yè)大學(xué)北京，
類型：發(fā)明
國別省市：