專利名稱：一種級(jí)聯(lián)裝置的功率單元的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及級(jí)聯(lián)裝置的一種功率單元，尤其涉及一種可控制直流電壓和實(shí)現(xiàn) 高功率因數(shù)整流的功率單元。本發(fā)明屬于電力電子技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
在大功率變流的應(yīng)用場(chǎng)合，人們希望大功率、耐壓高的電力電子裝置能夠工 作在盡可能高的開關(guān)頻率下，以更好的濾除諧波，提高輸出波形的質(zhì)量。但太高 的開關(guān)頻率會(huì)導(dǎo)致大的開關(guān)損耗，故難以將PWM技術(shù)應(yīng)用于傳統(tǒng)大容量變流器來 達(dá)到改善其性能的目的。因此，人們通過對(duì)大功率變流器的電路拓?fù)浜涂刂撇呗?兩方面進(jìn)行研究，力圖在提高電力電子變流裝置容量的同時(shí)改善其變流的性能。 一個(gè)好的電路拓?fù)湓倥浜陷^佳的控制策略往往能提高大功率變流器系統(tǒng)的性價(jià) 比。在所研究的這些拓?fù)渲校?jí)聯(lián)型多電平變流器通過多個(gè)功率單元的級(jí)聯(lián)能夠 直接輸出高壓(無需連接變壓器)、提高整個(gè)變流器的等效開關(guān)頻率，因而在大 功率場(chǎng)合中受到越來越多的重視。同時(shí)，它還具有所需元器件少、開關(guān)負(fù)荷平衡、 易實(shí)現(xiàn)直流側(cè)均壓、有利于模塊化等優(yōu)點(diǎn)。但是現(xiàn)有級(jí)聯(lián)型多電平變流器的實(shí)現(xiàn) 和運(yùn)用存在著技術(shù)難點(diǎn)，即直流電壓的平衡控制，諸如變壓器制作引起的電壓不 對(duì)稱、電容電壓的波動(dòng)等，這些都會(huì)影響裝置的整體性能。
級(jí)聯(lián)型變流裝置的直流電壓控制，主要分兩類(1)半自勵(lì)方式；(2)他勵(lì) 方式。半自勵(lì)方式通過合適的算法控制可控性絕緣柵雙極晶體管(Insulated-Gate Bipolar Transistor, IGBT)的導(dǎo)通角，實(shí)時(shí)補(bǔ)償電容器的電壓跌落，主 電路簡(jiǎn)單，無外加的控制電路和功率器件，但控制復(fù)雜，各功率單元的電容器電 壓平衡控制難。他勵(lì)方式雖然增加成本，占用更大空間，但采用與逆變電路分開 的供電電源，可避免上電時(shí)的電流沖擊，同時(shí)可解決電容器電壓平衡問題，故該 方式還是一種比較好的方案。
級(jí)聯(lián)型變流裝置他勵(lì)式功率單元主電路拓?fù)渲饕?(1)多脈沖移相變壓器加三相全波整流橋，如圖1所示。功率單元直流電 壓激勵(lì)采用三相橋式不控整流方式，而逆變器采用IGBT單相橋式可控輸出。整
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流變壓器是延邊移相多重化變壓器，同相上下相鄰繞組之間相互移相60° /N， 構(gòu)成移相多重化整流電路，以達(dá)到降低輸入諧波電流的目的。
(2)普通多繞組變壓器加三相橋式高功率因數(shù)Boost型PWM整流器，如圖 2所示。功率單元直流電壓激勵(lì)采用三相橋式Boost型P麗整流方式，而逆變器 是采用IGBT單相全橋可控輸出，整流變壓器是普通接線多繞組的，次級(jí)繞組之 間是相同的接線方式。此結(jié)構(gòu)在合適的算法下可實(shí)現(xiàn)高功率因數(shù)的輸入，同時(shí)可 對(duì)直流環(huán)節(jié)的電壓進(jìn)行控制。
但上述兩種拓?fù)浯嬖谥y以克服缺陷拓?fù)?l)無法直接控制直流環(huán)節(jié)的
電壓，而且整流變壓器的制造復(fù)雜，難以克服制作引起的電壓不對(duì)稱問題；拓?fù)?(2)的整流橋采用六個(gè)全控器件IGBT，不但使得成本上升，同時(shí)也增加了測(cè)量 和控制的難度。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有級(jí)聯(lián)裝置的功率單元實(shí)現(xiàn)方案的不足， 提出一種運(yùn)用于級(jí)聯(lián)裝置，可對(duì)直流環(huán)節(jié)的電壓進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)高功率因數(shù)整流， 整流變壓器制作簡(jiǎn)單，濾波電容器組容量要求低的新型功率單元。
技術(shù)方案本發(fā)明的級(jí)聯(lián)裝置的功率單元，包括以下組成六個(gè)整流二極管 即第一整流二極管、第二整流二極管、第三整流二極管、第四整流二極管(D4)、 第五整流二極管、第六整流二極管組成三相不可控整流橋，其輸入端分別通過第 一電感、第二電感、第三電感連接到熔斷器上，而熔斷器則直接連接到三相變壓 器二次側(cè)的三相輸出端Ua、 Ub、 Uc。整流橋輸出端則連接到第一升壓功率管、 第二升壓功率管組成的升壓半橋上；升壓半橋的正、負(fù)極分別通過第一限流二極 管、第二限流二極管連接到第一濾波電容、第二濾波電容、第三濾波電容、第四 濾波電容組成的濾波電容器組的正、負(fù)極上，每個(gè)濾波電容都分別并聯(lián)有均壓電 阻，升壓橋兩個(gè)絕緣柵雙極晶體管IGBT即第一 IGBT、第二 IGBT的公共點(diǎn)和濾 波電容器組的中性點(diǎn)即整個(gè)電容器組容量的1/2位置處連接在一起，并由此點(diǎn)引 出中性線連到諧波電流注入電路的中性點(diǎn)上；四個(gè)絕緣柵雙極晶體管IGBT即第 三IGBT、第四IGBT、第五IGBT、第六IGBT組成逆變H橋，其輸入連接在濾波 電容器組的正、負(fù)極上，輸出端接有四個(gè)二極管即第一二極管、第二二極管、第 三二極管、第四二極管和晶閘管組成的旁路電路；在旁路電路中第一二極管、第
二二極管、第三二極管、第四二極管組成旁路整流橋，此整流橋的輸入端與逆變 H橋的輸出相連，輸出的正、負(fù)極分別連在晶閘管的正、負(fù)極上。 有益效果
(1) 可以對(duì)級(jí)聯(lián)裝置直流環(huán)節(jié)的電壓進(jìn)行控制，提升其直流電壓穩(wěn)定性；
(2) 某個(gè)功率單元故障時(shí)即被旁路掉，可通過增加其它功率單元的電壓輸 出來保證整個(gè)級(jí)聯(lián)裝置的電壓穩(wěn)定性；
(3) 直流環(huán)節(jié)采用升壓電路，可以擴(kuò)寬交流輸出電壓幅值的范圍，同時(shí)減 小直流環(huán)節(jié)的電流，降低損耗；
(4) 諧波電流注入電路為注入零序電流提供了通道，可以實(shí)現(xiàn)級(jí)聯(lián)裝置的 高功率因數(shù)整流和輸入電流的正弦化；
(5) 直流環(huán)節(jié)電壓穩(wěn)定，對(duì)濾波電容器組的容量要求較低，可節(jié)省成本；
(6) 整流變壓器制作簡(jiǎn)單，可大大減輕變壓器的不對(duì)稱問題，同時(shí)也降低 了裝置成本；
(7) 結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，器件較少，控制較方便。


圖1多脈沖移相變壓器加三相全波整流橋的級(jí)聯(lián)功率單元示意圖，
圖2普通多繞組變壓器加三相橋式高功率因數(shù)Boost型PB1整流器的級(jí)聯(lián)功率
單元示意圖， 圖3本發(fā)明的級(jí)聯(lián)功率單元示意圖， 圖4 a相電壓處于正半周時(shí)電路工作示意圖， 圖5 a相電壓處于負(fù)半周時(shí)電路工作示意圖， 圖6三相整流輸入電壓波形示意圖， 圖7諧波電流注入電路具體實(shí)施方案一示意圖， 圖8諧波電流注入電路具體實(shí)施方案二示意圖。
具體實(shí)施方案
本發(fā)明的功率單元直流電壓激勵(lì)采用三相橋式不控整流方式，直流側(cè)增加兩 個(gè)可控功率管IGBT以及兩個(gè)快速二極管，由此組成直流升壓斬波電路，可以控 制直流環(huán)節(jié)的電壓及擴(kuò)寬交流輸出電壓幅值的范圍。逆變器采用IGBT單相全橋
可控輸出，并在其輸出端加入了故障旁路電路。整流變壓器為普通接線多繞組型， 各個(gè)次級(jí)繞組接線方式相同。升壓半橋IGBT的公共點(diǎn)、濾波電容器組的中性點(diǎn) 與諧波電流注入電路的中性點(diǎn)相連，可為注入零序電流提供通道，使輸入電流最 大程度跟蹤輸入電壓波形，實(shí)現(xiàn)高功率因數(shù)整流。
如圖3所示，Ua、 Ub、 Uc為三相交流電壓輸入端，Nl、 N2、 N分別為升壓半 橋IGBT的公共點(diǎn)、濾波電容器組的中性點(diǎn)、諧波電流注入電路的中性點(diǎn)，F(xiàn)a、 Fb、 Fc為熔斷器，La、 Lb、 Lc為輸入升壓電感，D1 D6為整流二極管，G1~G2 為升壓功率管(使用IGBT)， D7~D8為快速二極管，C廣C4為濾波電容，R廣R4 為均壓電阻，Q1 Q4為逆變功率管(使用IGBT)， 二極管D9 D12及晶閘管K組成 故障旁路電路。
其連接關(guān)系是六個(gè)二極管D1 D6組成三相不可控整流橋，其輸入端通過電 感連接到熔斷器Fa、 Fb、 Fc上，而熔斷器則直接連接到三相整流變壓器的二次 側(cè)，輸出則連接到兩個(gè)升壓功率管G1 G2組成的雙開關(guān)升壓半橋上。升壓半橋的 正、負(fù)極分別通過二極管D7、 D8連接到濾波電容C1 C4組成的濾波電容器組(或 采用耐壓值足夠高的混合電容器組)的正、負(fù)極上。均壓電阻R1 R4分別并聯(lián)到 濾波電容C1 C4上，以防止電容器電壓不平衡。升壓半橋的正、負(fù)極分別與D7 的正極、D8的負(fù)極相連。升壓橋兩個(gè)IGBT-G廣G2的公共點(diǎn)Nl和濾波電容器組 的中性點(diǎn)N2 (整個(gè)電容器組容量的1/2位置處)連接在一起，并由此點(diǎn)引出中 性線連到諧波電流注入電路的中性點(diǎn)N上。四個(gè)IGBT-Q廣Q4組成逆變H橋，其 輸入連接在濾波電容器組的正、負(fù)極上，輸出端還接有四個(gè)二極管D9 D12和晶 閘管K組成的旁路電路。在旁路電路中D9 D12組成旁路整流橋，此整流橋的輸 入端與逆變H橋的輸出相連，輸出的正、負(fù)極分別與晶閘管K的正、負(fù)極相連。 一旦功率單元發(fā)生故障，即導(dǎo)通晶閘管K將該單元旁路掉。
以a相為例，對(duì)本發(fā)明的電路進(jìn)行直流電壓升壓和直流電壓控制的實(shí)施方案 說明如下(b相、c相的升壓和電壓控制原理相同)
當(dāng)a相電壓處于正半周時(shí)二極管Dl導(dǎo)通，D4關(guān)斷，由于開關(guān)頻率相對(duì)于工 頻很高，電路工作原理圖可簡(jiǎn)化為如圖4所示，此電路即為升壓斬波電路(Boost Copper)。當(dāng)G1處于通態(tài)時(shí)，電源Ua向電感La充電；當(dāng)Gl處于斷態(tài)時(shí)Ua和 La共同向Cl和C2充電，這樣輸出電壓的幅值就高于了 Ua的幅值。
當(dāng)a相電壓處于負(fù)半周時(shí)二極管D4導(dǎo)通，Dl關(guān)斷，電路工作原理圖可簡(jiǎn)化為圖5示，此電路仍為升壓斬波電路。其工作過程同a相電壓處于正半周時(shí)類似， 輸出電壓的幅值也高于Ua的幅值。
由以上的兩個(gè)過程可知，電路相當(dāng)于對(duì)直流電壓進(jìn)行了升壓(相對(duì)于僅用二 極管進(jìn)行整流而言)。對(duì)G1、 G2的通斷占空比進(jìn)行調(diào)節(jié)，即可以控制電感La充 電的時(shí)間，最終達(dá)到控制直流電壓的目的。
直流電壓得到控制的直接好處即是使裝置的整體性能得到了提升，改善了輸 出波形的質(zhì)量。而且在某個(gè)功率單元故障被旁路掉后，可通過增加其它功率單元 的電壓輸出來保證整個(gè)級(jí)聯(lián)裝置的電壓穩(wěn)定性。另一方面，使直流環(huán)節(jié)的電壓更 加穩(wěn)定，降低了對(duì)濾波的要求，所以濾波電容器組的容量也可相應(yīng)降低，以節(jié)省 成本。
本發(fā)明的電路實(shí)現(xiàn)高功率因數(shù)整流(即功率因數(shù)校正整流)的控制原理如下
根據(jù)三相三線制中三相電流瞬時(shí)和為零，可知3個(gè)相電流共有2個(gè)自由度， 即在某個(gè)時(shí)刻，控制其中的兩個(gè)相電流，另外的那相電流就等同控制了。這種控 制方法就是通過開關(guān)Gl和G2分別控制正向電壓最大相和負(fù)向電壓最大相的電流 來實(shí)現(xiàn)的，即控制G1和G2的通斷就可以控制三相的瞬時(shí)電流，使其跟蹤各相電 壓，以達(dá)到提高功率因數(shù)的目的。
三相整流輸入電壓波形示意圖如圖6所示，仍以a相為例。紐-;r/6 ;r/2時(shí)， a相電壓達(dá)到正向最大值，即進(jìn)入圖4所示的工作過程，此時(shí)即可以通過控制G1 的通斷使輸入a相電流波形跟蹤a相電壓波形。在此時(shí)間段考慮其它兩相的電流 情況W二;r/6 ;r/2時(shí)，b相電壓達(dá)到負(fù)向最大值，即進(jìn)入圖5所示的工作過 程，此時(shí)即可以通過控制G2的通斷使輸入b相電流波形跟蹤b相電壓波形，根 據(jù)三相電流瞬時(shí)和為零可知c相電流自動(dòng)跟蹤c相電壓波形；而在時(shí)間段 紐-;r/2 5;r/6時(shí)，c相電壓達(dá)到負(fù)向最大值，進(jìn)入圖5所示的工作過程，此時(shí) 即可以通過控制G2的通斷使輸入c相電流波形跟蹤c相電壓波形，根據(jù)三相電 流瞬時(shí)和為零可知b相電流自動(dòng)跟蹤b相電壓波形。類似的，在其他時(shí)間段，三 相電流也可按照這種方法得到控制。
由于輸入電流為近似正弦，降低了輸入到交流電網(wǎng)的諧波電流?？杀苊鈧鹘y(tǒng)
級(jí)聯(lián)裝置輸入變壓器釆用多重化的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，而采用普通接線多繞組變壓器，其
次級(jí)繞組的接線方式相同，這樣簡(jiǎn)化了整流變壓器的制作，節(jié)約了成本。
注入零序電流的原因如圖6所示，當(dāng)僅采用三相整流橋整流時(shí)，各相電流波
形為正弦波的、雙、/^部分(即實(shí)線部分)。要實(shí)現(xiàn)輸入電流的正弦化則必須注 入電流^，即圖6中的虛線部分。經(jīng)頻譜分析可知z'^這部分諧波電流分布在 3次的奇數(shù)倍工頻頻率上，也即諧波電流只包含零序電流?；谶@個(gè)原因，本發(fā) 明采用了諧波電流注入電路，其中性點(diǎn)連接到升壓半橋IGBT公共點(diǎn)N1、濾波 電容器組的中性點(diǎn)N2上，這樣可以為零序電流提供通路。而這部份諧波電流只 能在本發(fā)明功率單元的內(nèi)部流通(通過整流環(huán)節(jié)、直流環(huán)節(jié)和諧波電流注入環(huán)節(jié) 形成諧波電流回路)，不會(huì)流入交流電源側(cè)，故最終可達(dá)到注入z'^實(shí)現(xiàn)相電流正
弦化的目的。
諧波電流注入電路的兩個(gè)具體實(shí)施方案分別如圖7、圖8所示。圖7采用的 是Y-A型四芯柱三相變壓器(帶有中性線)，并將Y形側(cè)的繞組接入功率單元； 圖8則是直接將三組電容接成Y形，并引出三相端子f/a、 W、 t/c以及中性點(diǎn) N分別對(duì)應(yīng)接入功率單元。
權(quán)利要求
1. 一種級(jí)聯(lián)裝置的功率單元，其特征在于在該單元中，六個(gè)整流二極管即第一整流二極管(D1)、第二整流二極管(D2)、第三整流二極管(D3)、第四整流二極管(D4)、第五整流二極管(D5)、第六整流二極管(D6)組成三相不可控整流橋，其輸入端分別通過第一電感(La)、第二電感(Lb)、第三電感(Lc)對(duì)應(yīng)連接到熔斷器(Fa、Fb、Fc)上，而熔斷器則直接連接三相變壓器二次側(cè)的三相輸出端Ua、Ub、Uc；整流橋輸出端則連接到第一升壓功率管(G1)、第二升壓功率管(G2)組成的升壓半橋上；升壓半橋的正、負(fù)極分別通過第一限流二極管(D7)、第二限流二極管(D8)連接到第一濾波電容(C1)、第二濾波電容(C2)、第三濾波電容(C3)、第四濾波電容(C4)組成的濾波電容器組的正、負(fù)極上，每個(gè)濾波電容都分別并聯(lián)有均壓電阻(R1、R2、R3、R4)，升壓橋兩個(gè)絕緣柵雙極晶體管IGBT即第一IGBT(G1)、第二IGBT(G2)的公共點(diǎn)(N1)和濾波電容器組的中性點(diǎn)(N2)即整個(gè)電容器組容量的1/2位置處連接在一起，并由此點(diǎn)引出中性線連到諧波電流注入電路的中點(diǎn)(N)上；四個(gè)絕緣柵雙極晶體管IGBT即第三IGBT(Q1)、第四IGBT(Q2)、第五IGBT(Q3)、第六IGBT(Q4)組成逆變H橋，其輸入連接在濾波電容器組的正、負(fù)極上，輸出端接有四個(gè)二極管即第一二極管(D9)、第二二極管(D10)、第三二極管(D11)、第四二極管(D12)和晶閘管(K)組成的旁路電路；在旁路電路中第一二極管(D9)、第二二極管(D10)、第三二極管(D11)、第四二極管(D12)組成旁路整流橋，此整流橋的輸入端與逆變H橋的輸出相連，輸出的正、負(fù)極分別連在晶閘管(K)的正、負(fù)極上。
全文摘要
級(jí)聯(lián)裝置的新型功率單元包括直流電壓激勵(lì)部分、升壓斬波部分和逆變部分。功率單元的直流電壓激勵(lì)采用三相橋式不控整流方式，直流側(cè)增加兩個(gè)可控功率管IGBT以及兩個(gè)快速二極管，由此組成直流升壓斬波電路，可以控制直流環(huán)節(jié)的電壓及擴(kuò)寬交流輸出電壓幅值的范圍。逆變器采用IGBT單相全橋可控輸出，并在其輸出端加入了故障旁路電路。整流變壓器為普通接線多繞組型，各個(gè)次級(jí)繞組接線方式相同。升壓半橋、濾波電容器組的中性點(diǎn)與諧波電流注入電路的中性點(diǎn)相連，可為注入零序電流提供通道，以實(shí)現(xiàn)高功率因數(shù)整流和輸入電流的正弦化。
文檔編號(hào)H02M5/00GK101378227SQ200810156540
公開日2009年3月4日 申請(qǐng)日期2008年9月28日 優(yōu)先權(quán)日2008年9月28日
發(fā)明者倪喜軍, 儀 孫, 趙劍鋒, 鄭良廣, 閆安心 申請(qǐng)人:東南大學(xué)