CN101030733A - 一种轻型单元级联式多电平功率变换器 - Google Patents

Abstract

一种轻型单元级联式多电平功率变换器，包括输出变压器、轻型单元、中央控制系统和泵电源。轻型单元由单元功率电路、单元电源和单元控制系统组成，单元功率电路通过端子a、b、c连接多输出变压器的一组副绕组，通过端子y1、y2输出，与同相的其它轻型单元相级连；单元功率电路有五种结构，每种结构因采用功率器件的不同又有多种结构形式。轻型单元输入侧的电流波形接近正弦。中央控制系统、轻型单元的单元控制系统和功率器件驱动电源由泵电源提供电能，泵电源输出高频方波交流电，经高压绝缘电缆穿过各轻型单元和控制系统，各轻型单元及控制系统分别通过相互之间绝缘的磁环耦合取得多路隔离电源，向控制电路和功率器件驱动电路提供低压直流电源。

Description

一种轻型单元级联式多电平功率变换器

技术领域

本发明涉及一种开关型功率变换装置，特别涉及轻型单元级联式多电平功率变换器。

背景技术

功率变换器是进行电功率变换的装置，表征为电压或电流的幅值、频率、相位的变换。具备此功能的设备包括变压器、旋转变流机组、功率放大器和开关型功率变换器等。单元级联式多电平功率变换器属于开关型功率变换器的一种。

单元级联式多电平功率变换器拓扑结构如图1所示，由多输出变压器、功率单元和中央控制系统组成。

如图1所示，多输出变压器原边接至电网，副边绕组(3相为一组)数量等于功率单元数。如果输出m相，每相由n个功率单元级联而成，则功率单元数为nxm个。中央控制系统一般通过光纤与各功率单元控制系统交换信号(故障监测信号、PWM控制信号)。

图2为功率单元拓扑结构，可称为常规功率单元，由三相二极管整流桥、直流大容量电容C和H桥逆变电路组成。同一输出相的各功率单元输出侧级联以形成多电平输出电压，各单元输入侧分别与多输出变压器的一组绕组连接。这种结构中直流侧采用大容量直流电容，一般为电解电容。各功率单元的单元控制系统与功率器件驱动电路的电源一般从功率单元的直流侧取得。

常规功率单元由于使用大容量直流电容使其输入侧谐波很大，通过多输出变压器的副绕组移相设计来降低网侧谐波。由于每相由多个功率单元级联在输出侧获得较低的电压变化率，并采用PWM控制技术降低输出侧谐波。与器件串联结构和筘位式结构相比，单元级联式结构可靠性高。在国内外有众多厂商生产并在高压电机调速中获得大量应用。

但是其不足之处有：

在各单元模块中的大容量直流电解电容是整个装置的薄弱环节，其寿命一般不超过8年；

每个功率单元由于大容量电容的采用产生大量谐波，需要设计多路输出绕组的输入变压器，并且使各绕组保持一定的角度，以降低谐波，增加了输入变压器设计复杂性；

各功率单元控制系统与功率器件驱动电源电路复杂，在主电路加电时各单元控制系统处于失电状态，会降低整个装置的可靠性。

中国专利01115364.4中，每输出相由矩阵变换单元和H桥逆变单元级联而成，显著减小了直流电容容量，但是H桥逆变单元直流电源的获得仍然依赖大容量电解电容。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提出一种功率变换器，只使用小容量的金属化薄膜电容，如MKP电容，并可简化多输出变压器设计，以提高装置寿命和可靠性并降低成本费用，同时具有较小的输入电流谐波、较高的功率因数和很小的输出电压变化率和输出电流谐波。

本发明轻型单元级联式多电平功率变换器采用了轻型功率单元结构，简称为轻型单元，与常规功率单元拓扑结构比较，显著减小无功元件容量，减小设备体积和成本。

本发明轻型单元级联式功率变换器包括多输出变压器、轻型单元、中央控制系统和泵电源。

多输出变压器原边接至电网，副边绕组(3相为一组)数量等于轻型单元数。如果输出m相，每相由n个轻型单元级联而成，则轻型单元数为nxm个。所有轻型单元的输入侧由于接至多输出变压器的不同副边绕组，所以相互绝缘。中央控制系统一般通过光纤与各轻型单元的单元控制系统交换信号：故障监测信号、PWM控制信号。中央控制系统、各轻型单元的单元控制系统和功率器件驱动电源由一个独立的泵电源提供电能。

本发明的泵电源模块以独立交流或直流电源为电源，输出高频方波交流电，经过高压绝缘电缆穿过各轻型单元和控制系统，各单元及单元控制系统分别通过多个相互之间绝缘的磁环耦合取得多路隔离电源，向控制电路和功率器件驱动电路提供稳定的低压直流电源。高压电缆也穿过中央控制系统电路上设置的磁环，并通过耦合方式取得电能。高压电缆和耦合取能磁环保证了处于不同电位的轻型单元主功率电路、轻型单元控制系统、中央控制系统和泵电源之间的绝缘。

本发明设计了5种轻型单元结构，分别称为I型至V型单元功率电路。

I型单元功率电路由六个双向开关构成矩阵式结构，每个双向开关又由两个单向开关反串联构成。这种结构属于交交直接变换，没有明显的直流环节，也不存在直流电容。

II型单元功率电路至V型单元功率电路都包括整流模块、直流侧和逆变模块三部分。这四种单元功率电路的逆变模块结构相同，都由一个H桥构成。II型单元功率电路和IV型单元功率电路的直流侧使用一只小容量的薄膜电容，而III型单元功率电路和V型单元功率电路的直流侧不使用电容。这四种单元功率电路的整流模块都采用三相桥式结构，只是每个桥臂的器件构成有差别。II型单元功率电路采用二极管整流，III型单元功率电路的整流模块采用逆导型器件，如逆导晶闸管、IGBT，IV型单元功率电路的整流模块采用全控器件，如IGBT，V型单元功率电路的整流模块采用双向开关。

I型单元功率电路、III型单元功率电路和V型单元功率电路在输入侧需设置LC滤波器，由电抗和电容组成。IV型单元功率电路的输入侧设置电抗器L作为滤波器，II型单元功率电路在输入侧可以不设滤波器而直接与交流电源相连。

采用II型和III型轻型单元功率电路时，虽然与采用常规功率单元相比谐波含量显著降低，但是仍然具有较高的低次谐波，设计多输出变压器时必须根据输出绕组数量使输出绕组依次错开一定角度，以降低变压器输入侧的谐波。当采用I型、IV型和V型单元功率电路时，可以保证每个轻型单元输入侧的电流波形接近正弦，设计多输出变压器时可以不用考虑副边绕组之间的相位关系，也减小了变压器的谐波损耗和绝缘冲击，从而简化了变压器设计。

本发明的5种轻型单元功率电路中，由于构成的功率器件数量、类型不同，甚至器件的连接方式的变化，导致每个单元所需独立电源数量和控制信号数量也不尽相同。以I型单元功率电路为例，当功率器件采用C型连接时需要6路独立控制信号，而采用A型和B型连接时需要12路独立控制信号，当功率器件采用A型和C型连接时需要6路隔离的驱动电源，而采用B型连接时则需要5路隔离的驱动电源，另外还需要一路隔离的单元控制系统电源。

本发明的轻型单元级联式多电平功率变换器，由于设计了独立的泵电源电路，简化了控制系统及功率器件驱动电源结构，并提高可靠性。由于采用了轻型单元，减小输入侧谐波、提高功率因数，而输出侧具有正弦电流波形和较低的电压变化率。本发明设计了五种轻型单元功率电路，通过改变器件可以形成多种结构，实际应用时根据器件供应情况进行选择，具有广阔的市场前景。

附图说明

图1为单元级联式多电平功率变换器拓扑结构示意图；

图2为常规功率单元拓扑结构示意图；

图3为轻型单元级联式多电平功率变换器拓扑结构示意图；

图4为多输出移相变压器示意图；

图5为泵电源结构示意图；

图6为一路磁环耦合取能电源电路示意图；

图7为中央控制系统结构框图；

图8为轻型单元总体结构示意图；

图9为轻型单元控制系统结构框图；

图10为I型单元功率电路拓扑结构示意图；

图11为II型单元功率电路拓扑结构示意图；

图12为III型单元功率电路拓扑结构示意图；

图13为IV型单元功率电路拓扑结构示意图；

图14为V型单元功率电路拓扑结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施方式，进一步说明本发明。

图3为本发明的轻型单元级联式功率变换器。由多输出变压器、轻型单元、中央控制系统和泵电源组成。如图3所示，假定该功率变换器输出m相，每相由n个轻型单元级联而成，即共有nxm个轻型单元。多输出变压器原边由A、B、C端子接高压电源，副边绕组每三相为一组，标记为a、b、c。由于轻型单元数为nxm个，则副边绕组组数也是nxm组，设轻型单元和相应变压器副绕组编号为11、12、……、nm，则三相副绕组通过11abc、12abc、……、nmabc等端子连接至相应轻型单元输入端a、b、c，如图4和图7所示。

图5为本发明中泵电源的一种电路实现。如图5所示，功率回路电源取自交流电源，由四只二极管D1-D4构成整流桥，输出由C1、C3稳压并分压，和开关管V1、V2构成半桥逆变器，输出端子O1、O2连接高压电缆穿过每个轻型单元上设置的多个磁环，每个磁环上绕制多匝线圈形成耦合取能电路，为各自轻型单元控制系统和每只功率器件驱动电路提供电源。高压电缆也穿过中央控制系统中设置的磁环，并通过耦合方式向中央控制系统提供电源。图5所示的电路工作于稳流方式，所以在功率输出电路中串入电流互感器CT1，CT1副边输出经D5、D6整流，经R5变为电压信号，形成电流反馈信号IF，输入脉宽调制芯片U1的1脚。若要求电路工作于稳压方式时，需要从功率输出端取电压反馈信号UF代替IF，UF经电压互感器PT1、二极管D7和D8整流后经电阻R7输出产生。泵电源输出的高频方波交流电的电压和电流幅值由以脉宽调制芯片U1为核心的控制电路进行调节。由RP1确定反馈比较基准，并由R2、C4组成频率补偿，R1、C2确定输出电压频率，R6确定死区，C5控制系统软启动，U1经11、14脚输出驱动信号，经高频变压器T1的两组反极性副绕组中，第一绕组经R3限流后由G1、S1端子接至V1栅极和源极，第二绕组经R4限流后由G2、S2端接至V2栅极和源极，驱动两只开关管交替工作。

图6为一路磁环耦合取能电源电路示意图。如图6所示，磁环穿过高压电缆，磁环上绕制线圈作输出绕组，匝数由功率电路输入电源、输出电源等因素决定，线圈输出经D1、D2整流，C1滤波，形成12V电源，经IC1降压稳压、C2滤波后又可得到5V电源，供轻型单元控制系统使用，R1、R2、Q1、D3构成假负载电路，避免电源开路。

图7为本发明的中央控制系统结构框图，由人机接口电路接收外部输入的命令，信号检测电路负责量测主电路的电压、电流、负载电机转速等信号，由电源接口连接磁环耦合取能电路向中央控制系统供电，光纤接口通过光纤连接所有轻型单元的单元控制系统，以DSP芯片为核心连接上述外围电路构成整个功率变换器的控制系统。

图8为本发明的轻型单元总体结构示意图。轻型单元由单元功率电路、单元电源和单元控制系统组成。单元功率电路通过端子a、b、c连接多输出变压器的一组副绕组，通过端子y1、y2输出，与同相的其它轻型单元相级连。单元电源提供每个轻型单元所需的功率器件驱动电源和单元控制系统电源，根据轻型单元结构的不同所需电源电压和电源路数也不相同，只需按图6改变IC1等相关器件的型号即可输出其它电压的电源。

图9为本发明的轻型单元控制系统结构框图，由光纤接口、电源接口、FPGA及外围控制电路、信号检测电路和功率器件驱动与保护电路组成。由光纤接口连接光纤，接收中央控制系统发来的PWM控制信号，并向中央控制系统上传检测或故障保护信号。电源接口连接单元电源部分产生的多路电源，供单元控制系统对多级电压和电压隔离的需求。功率器件驱动与保护电路和构成轻型单元的功率器件及器件的连接方式有关，如果轻型单元采用IGBT，需要配置IGBT驱动与保护电路，如果轻型单元中使用了SCR，需要配置SCR的驱动电路。以FPGA芯片构成单元控制系统的核心，实施轻型单元控制。

组成图8所示轻型单元的单元功率电路通过端子a、b、c连接多输出变压器的一组副绕组，通过端子y1、y2输出，与同相的其它轻型单元相级连。单元功率电路有5种结构，每种结构由于采用功率器件以及器件连接方式的不同，又可分为如图10至图14所示的5种形式，分别称为I型至V型单元功率电路。当轻型单元采用II型和III型单元功率电路时，由于每个轻型单元的输入仍然含有丰富的低次谐波，多输出变压器的副绕组需要根据副绕组数量依次移相一定角度，设计相邻绕组移相角度为60/n度时，消谐波效果最好，如图4所示。当采用I型、Ⅳ型和V型单元功率电路时，可以保证每个轻型单元输入侧的电流波形接近正弦，设计多输出变压器时可不必考虑副边绕组之间的相位关系，比如副绕组都可以设计为Y型或△型接线。

图10为本发明的I型单元功率电路拓扑结构，也可称作矩阵型单元功率电路。该单元功率电路由6只双向全控式开关组成，每只双向开关又由单向开关组合而成。单向开关采用IGBT、MOSFET、GTR或其它全控型功率器件，再与之反并联一只二极管。单向开关的组合方式有A、B、C三种方式。方式A称为共射极方式，即两只功率器件的射极或称源极连在一起。方式B称为共集极方式，即两只功率器件的集电极或称漏极连在一起。方式C为桥式结构，4只二极管构成整流桥，内嵌一只全控型功率器件。I型单元功率电路的三相输入侧设置LC滤波器，每相包括一只电抗器L和一只电容器C，电容器采用小容量的金属薄膜电容。然后连接六只双向开关构成的矩阵式结构，形成两相输出，由y1、y1连接其它轻型单元。

图11至图14为本发明的II型至V型单元功率电路拓扑结构，都具有整流桥、直流侧、逆变桥三部分，即采用交-直-交结构。四种单元功率电路的逆变桥结构相同，都是由全控型功率器件以H桥方式连接，形成两相输出，由y1、y1连接其它轻型单元。下面对四种结构的整流桥和直流侧的组成方式进行描述。

图11为本发明的II型单元功率电路拓扑结构，也可称作单PWM小直流电容单元功率电路。II型单元功率电路整流桥由6只二极管构成，直流侧采用小容量的金属薄膜电容C。

图12为本发明的III型单元功率电路拓扑结构，也可称作单PWM无直流电容单元功率电路。III型单元功率电路的三相输入侧设置LC滤波器，每相包括一只电抗器L和一只电容器C，电容器采用小容量的金属薄膜电容。该结构无直流电容，整流桥每个桥臂有A、B两种构成方式。方式A采用IGBT、MOSFET等全控型功率器件，每只器件再反并联一只二极管。方式B采用半控型功率器件，如晶闸管，每只半控型功率器件再反并联一只二极管，也可直接采用逆导晶闸管。

图13为本发明的IV型单元功率电路拓扑结构，也可称作双PWM小直流电容单元功率电路。IV型单元功率电路的三相输入侧设置电抗器L作为滤波器，整流桥采用逆导全控型器件构成三相桥式整流器，直流侧使用小容量金属薄膜电容C。

图14为本发明的V型单元功率电路拓扑结构，也可称作双PWM无直流电容单元功率电路。V型单元功率电路的三相输入侧设置LC滤波器，每相包括一只电抗器L和一只电容器C，电容器采用小容量的金属薄膜电容。该结构无直流电容，整流桥每个桥臂由双向开关构成。双向开关除了可以采用I型单元功率电路的A、B、C三种组合方式外，还可以采用第四种方式，即图14中D所示的结构。D所示结构可以由两只普通晶闸管反并联构成，也可以采用一只双向晶闸管。

本发明轻型单元级联式功率变换器设计了独立的泵电源电路，产生高频方波交流电，通过高压电缆穿过所有轻型单元和控制系统，各轻型单元的单元控制系统和功率器件驱动电源以及中央控制系统通过耦合方式从泵电源取能。

本发明的五种单元功率电路显著减小无功元件容量，并减小各轻型单元交流输入侧的电流谐波和提高功率因数。

Claims (8)

1、一种轻型单元级联式多电平功率变换器，包括多输出变压器、中央控制系统和泵电源，中央控制系统通过光纤与各轻型单元的单元控制系统交换信号：故障监测信号、PWM控制信号，其特征在于还包括nxm个轻型单元及独立的泵电源；多输出变压器原边由A、B、C端子接高压电源，nxm组副边绕组通过11abc、12abc、......、nmabc等端子连接至相应轻型单元输入端a、b、c；轻型单元由单元功率电路、单元电源和单元控制系统组成，单元功率电路通过端子a、b、c连接多输出变压器的一组副绕组，通过端子y1、y2输出，与同相的其它轻型单元相级连；单元功率电路有I型、II型、III型、IV型及V型五种结构；中央控制系统、各轻型单元的单元控制系统和功率器件驱动电源由泵电源提供电能，泵电源输出高频方波交流电，经过高压绝缘电缆穿过各轻型单元和控制系统，各轻型单元及控制系统分别通过多个相互之间绝缘的磁环耦合取得多路隔离电源，向控制电路和功率器件驱动电路提供稳定的低压直流电源。

2、按照权利要求1所述的轻型单元级联式多电平功率变换器，其特征在于I型单元功率电路由6只双向全控式开关组成，每只双向开关又由单向开关组合而成；单向开关采用IGBT、MOSFET、GTR或其它全控型功率器件，再与之反并联一只二极管；单向开关有共射极方式A、共集极方式B和桥式结构C三种组合方式，共射极方式A的两只功率器件的射极或称源极连在一起，共集极方式B的两只功率器件的集电极或称漏极连在一起，桥式结构C中，4只二极管构成整流桥，内嵌一只全控型功率器件；I型单元功率电路的三相输入侧设置LC滤波器，每相包括一只电抗器L和一只电容器C，电容器采用小容量的金属薄膜电容，然后连接六只双向开关构成的矩阵式结构，形成两相输出，由y1、y1连接其它轻型单元。

3、按照权利要求1所述的轻型单元级联式多电平功率变换器，其特征在于II型单元功率电路整流桥由6只二极管构成，直流侧采用小容量的金属薄膜电容C。

4、按照权利要求1所述的轻型单元级联式多电平功率变换器，其特征在于III型单元功率电路的三相输入侧设置LC滤波器，每相包括一只电抗器L和一只电容器C，电容器采用小容量的金属薄膜电容；整流桥每个桥臂有A、B两种构成方式，方式A采用IGBT、MOSFET等全控型功率器件，每只器件再反并联一只二极管，方式B采用半控型功率器件，每只半控型功率器件再反并联一只二极管。

5、按照权利要求1所述的轻型单元级联式多电平功率变换器，其特征在于IV型单元功率电路的三相输入侧设置电抗器L作为滤波器，整流桥采用逆导全控型器件构成三相桥式整流器，直流侧使用小容量金属薄膜电容C。

6、按照权利要求1所述的轻型单元级联式多电平功率变换器，其特征在于V型单元功率电路的三相输入侧设置LC滤波器，每相包括一只电抗器L和一只电容器C，电容器采用小容量的金属薄膜电容；整流桥每个桥臂由双向开关构成，双向开关采用I型单元功率电路的A、B、C三种组合方式或由两只普通晶闸管反并联构成，也可采用一只双向晶闸管组成。

7、按照权利要求1所述的轻型单元级联式多电平功率变换器，其特征在于泵电源电路中，功率回路电源取自交流电源，四只二极管D1-D4构成整流桥，输出由C1、C3稳压并分压，和开关管V1、V2构成半桥逆变器，输出端子O1、O2连接高压电缆穿过每个轻型单元上设置的多个磁环，每个磁环上绕制多匝线圈形成耦合取能电路；高压电缆穿过中央控制系统中设置的磁环，并通过耦合方式向中央控制系统提供电源；电路工作于稳流方式时，在功率输出电路中串入电流互感器CT1，CT1副边输出经D5、D6整流，经R5变为电压信号，形成电流反馈信号IF，输入脉宽调制芯片U1的1脚；若电路工作于稳压方式时，从功率输出端取电压反馈信号UF代替IF，UF经电压互感器PT1、二极管D7和D8整流后经电阻R7输出产生；泵电源输出的高频方波交流电的电压和电流幅值由以脉宽调制芯片U1为核心的控制电路进行调节，由RP1确定反馈比较基准，并由R2、C4组成频率补偿，R1、C2确定输出电压频率，R6确定死区，C5控制系统软启动，U1经11、14脚输出驱动信号，经高频变压器T1的两组反极性副绕组中，第一绕组经R3限流后由G1、S1端子接至V1栅极和源极，第二绕组经R4限流后由G2、S2端接至V2栅极和源极，驱动两只开关管交替工作。

8、按照权利要求7所述的泵电源电路，其特征在于中央控制系统中设置的磁环穿过高压电缆，磁环上绕制线圈作输出绕组，匝数由功率电路输入电源、输出电源等因素决定，线圈输出经D1、D2整流，C1滤波，形成12V电源，经IC1降压稳压、C2滤波后又可得到5V电源，供轻型单元控制系统使用，R1、R2、Q1、D3构成假负载电路，避免电源开路。

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