CN101800478A

CN101800478A - 级联型功率变换装置及供电系统

Info

Publication number: CN101800478A
Application number: CN200910239036A
Authority: CN
Inventors: 李涛; 宋凌锋; 雷兴华
Original assignee: Emerson Network Power Co Ltd
Current assignee: Vertiv Tech Co Ltd
Priority date: 2009-12-25
Filing date: 2009-12-25
Publication date: 2010-08-11

Abstract

本发明涉及一种级联型功率变换装置及供电系统，该级联型功率变换装置，包括变压器和至少一组功率单元组件；变压器激励出至少一组副边绕组，一组功率单元组件包括一个功率单元或依次串接的多个功率单元，一组副边绕组对应为一个功率单元供电，一个功率单元包括顺次连接的PWM整流电路和逆变电路。每个功率单元都采用了PWM整流电路，使得变压器网侧输入的电压、电流谐波得到较好控制，输入功率因数可控，能实现单位功率因数整流；由于功率单元都采用了可控整流，因此级联方案的中的变压器可以采用不移相的副边绕组结构，结构简单，变压器网侧的电流及电压谐波特性仍然较好；当开关器件或者其驱动电路故障时，功率单元直流部分不会发生短路，系统可靠性高。

Description

级联型功率变换装置及供电系统

技术领域

本发明涉及功率变换装置，更具体地说，涉及一种级联型功率变换装置及供电系统。

背景技术

随着电力电子技术的发展，中、高压变频调速装置在工业生产中的应用越来越广泛，并在实现变频调速功能的同时，在节能降耗、提高生产效率方面取得了良好效果。目前，多电平和级联型逆变器传动系统是中、高压变频调速装置的两种主要拓扑结构。其中，级联型逆变器拓扑主要是通过在功率单元中采用低压开关器件，然后将功率单元串连的形式来满足中、高压系统的要求。这种拓扑的特点在于其输出波形接近正弦，逆变器产生的电压dv/dt小，通常不需要输出滤波器，谐波损耗相对较小。

已有文献提出的级联方案变频调速装置中，每个功率单元由二极管整流器、直流滤波电路和单相逆变器构成，输入侧则采用了具有数个副边绕组的移相变压器，每个副边绕组为一个功率单元供电，副边绕组的电角度分布采用了移相方式，以降低由二极管整流引入的输入电流谐波，输出侧通过将功率单元的单相逆变器直接串联来构成输出相电压。这种方案的缺点在于网侧移相变压器结构复杂，成本较高，且系统的功率因数较低且不可控制，输入电流谐波仍相对较大。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的功率变换装置的功率因数较低且不可控制，输入电流谐波仍相对较大缺陷，提供一种级联型功率变换装置及供电系统。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种级联型功率变换装置，其包括变压器和至少一组功率单元组件；所述变压器激励出至少一组副边绕组，一组功率单元组件包括一个功率单元或依次串接的多个功率单元，一组副边绕组对应为一个功率单元供电，其特征在于，一个功率单元包括顺次连接的PWM整流电路和逆变电路。

在本发明所述的级联型功率变换装置中，所述PWM整流电路是三相三电平整流电路或单相三电平整流电路。

在本发明所述的级联型功率变换装置中，所述PWM整流电路中的所有开关器件的耐压等级小于整流输出的直流母线电压。

在本发明所述的级联型功率变换装置中，所述逆变电路是单相两电平逆变电路或单相三电平逆变电路。

在本发明所述的级联型功率变换装置中，在所述PWM整流电路和逆变电路之间还连接有滤波电路。

根据本发明的另一个方面，提供一种供电系统，其包括供电电源、变压器和至少一组功率单元组件，所述变压器的原边绕组与所述供电电源相连接且激励出至少一组副边绕组，一组功率单元组件包括一个功率单元或依次串接的多个功率单元，一组副边绕组对应为一个功率单元供电，一个功率单元包括顺次连接的PWM整流电路和逆变电路。

在本发明所述的供电系统中，所述PWM整流电路是三相三电平整流电路或单相三电平整流电路。

在本发明所述的供电系统中，所述PWM整流电路中的所有开关器件的耐压等级小于整流输出的直流母线电压。

在本发明所述的供电系统中，所述逆变电路是单相两电平逆变电路或单相三电平逆变电路。

在本发明所述的供电系统中，在所述PWM整流电路和逆变电路之间还连接有滤波电路。

实施本发明的级联型功率变换装置及供电系统，具有以下有益效果：每个功率单元都采用了PWM整流电路，使得变压器网侧输入的电压、电流谐波得到较好控制，输入功率因数可控，能实现单位功率因数整流；由于功率单元都采用了可控整流，因此级联方案的中的变压器可以采用不移相的副边绕组结构，结构简单，变压器网侧的电流及电压谐波特性仍然较好；当开关器件或者其驱动电路故障时，功率单元直流部分不会发生短路，系统可靠性高。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明供电系统一实施例的电路框图；

图2是图1中功率单元的第一实施例的电路原理图；

图3是图1中功率单元的第二实施例的电路原理图；

图4是图1中功率单元的第三实施例的电路原理图；

图5是图1中功率单元的第四实施例的电路原理图；

图6是本发明供电系统另一实施例的电路框图；

图7是图6中功率单元的第一实施例的电路原理框图。

具体实施方式

如图1和6所示是本发明的供电系统的两个实施例，该供电系统可为外部负载进行供电，在图1和6的实施例中，该外部负载为电动机Motor，如图1所示该供电系统主要包括三个部分，即供电电源1、变压器12和至少一组功率单元组件141，其中，变压器12和功率单元组件141组成功率变换装置，其中，变压器12的原边绕组11连接到供电电源1，而变压器12可激励出至少一组副边绕组13。图1中一组副边绕组13和图6中一组副边绕组23的区别在于，图1的一组副边绕组13输出的是三相电源，而图6的一组副边绕组23输出的是两相电源。一组功率单元组件141包括一个功率单元1411或依次串接的多个功率单元1411，如图1所示一组副边绕组13对应与一个功率单元1411连接，为该功率单元1411供电；同理，图6所示的一组副边绕组23也对应为一个功率单元1411供电。

一组功率单元组件141对应输出一相电源，由此，可以理解的，当输出两相电源为外部负载供电时，该电源系统包括并联连接的两组功率单元组件141。如图1和6所示的实施例中，该电源系统包括三组并联连接的功率单元组件141，从而为外部负载提供三相电源。如图2～5及图7所示，一个功率单元1411包括顺次连接的PWM整流电路51和逆变电路52。由于采用了PWM整流电路5 1，使得变压器网侧输入的电压、电流谐波得到较好控制，输入功率因数可控，能实现单位功率因数整流。PWM整流电路51的每个桥臂支路由开关器件和二极管组成，且开关器件的耐压等级可以小于整流输出的直流母线电压。另外，当开关器件或者其驱动电路故障时，功率模块直流部分不会发生短路，系统可靠性高。在一优选实施例中，该PWM整流电路51可以是三相三电平整流电路或单相三电平整流电路。同理，逆变电路52可以是单相两电平逆变电路或单相三电平逆变电路。优选的，在PWM整流电路51和逆变电路52之间还连接有滤波电路531。

图2是图1中功率单元1411的第一实施例。该PWM整流电路51是三相三电平整流电路，其每相桥臂支路结构相同，以其第一相桥臂支路为例，该相桥臂支路包括一个开关管Q11及与其反向并联二级管D11，该二极管D11作为保护二极管，如图2所示的实施例中，该开关管Q11为IGBT，但也可以是其他开关器件，如MOSFET、GTO、IEGT、IGCT等，在具体应用时，也可去除二级管D11，在该相桥臂支路中还包括六个二极管，即二极管100、二极管103～二极管106、及二极管115。如图1和2所示，二极管103和104串联支路的中点54作为该相桥臂支路的输入端，连接到变压器12的一组副边绕组13的一相输出绕组，如图2所示，在PWM整流电路51和逆变电路52之间的滤波电路531由直流滤波电容151和直流滤波电容152串联连接而成，并且直流滤波电容151和直流滤波电容152的连接中点53为该滤波电路531的输入端。第一相桥臂支路的二极管105和二极管106的连接中点55作为该相桥臂支路的输出端，以连接到滤波电路531的输入端，即串联电容的中点53。在该第一相桥臂支路中，根据相电流的极性，通过控制开关管Q11的开通和关断，该相桥臂支路的输出端55可以输出三个电平，分别是正、负直流母线电压和中点53的电压。采用一定的调制方式，即可以控制PWM整流电路的功率因数和输入电流谐波，并保持电容中点53的电位为直流电压的一半。由于采用三电平整流，整流部分的输入电压和电流谐波会优于两电平整流电路。如图2所示，第二相桥臂支路由开关管Q12、二极管D12、二极管101、二极管107～二极管110、及二极管116构成。第三相桥臂支路由开关管Q13、二极管D13、二极管102、二极管111二极管114、及二极管117构成。逆变电路52由开关管Q14～开关管Q17及分别与每个开关管反向并联二级管D14～D17构成了单相逆变电路，此处也可以采用单相三电平逆变电路。开关管Q16和开关管Q17的连接节点和开关管Q14和开关管Q15的连接节点为该逆变电路52的输出端15。在该实施例中，功率单元1411中开关管Q11～Q13及反向并联的二级管D11～D13的耐压等级可以小于直流母线电压。

图3是图1中功率单元1411的第二实施例，该实施例与图2的实施例的不同点在于，逆变电路52的具体构成不同，该逆变电路52采用单相三电平拓扑结构，此时PWM整流电路和逆变电路的所有开关器件的耐压等级均可以小于直流母线电压，并且能够使得PWM整流电路和逆变电路的电压和电流谐波都较两电平方案更小。该单相三电平逆变电路52由开关管Q34～开关管Q41及分别与每个开关管反向并联的二极管D34～二极管D41构成，另外还设置箝位二极管318～箝位二极管321构成了中点筘位。另外，也可以采用飞跨电容式的三电平逆变电路实现该方案。开关管Q36和开关管Q38的连接节点和开关管Q37和开关管Q39的连接节点为该逆变电路52的输出端15。对于PWM整流电路51，其中，第一相桥臂支路由开关管Q31、二极管D31、二极管300、二极管303～二极管306、及二极管315构成，二极管303和二极管304的连接中点为第一相桥臂支路的输入端，二极管305和二极管306的连接中点65为该第一相桥臂支路的输出端。第二相桥臂支路由开关管Q32、二极管D32、二极管301、二极管307～二极管310、及二极管316构成。第三相桥臂支路由开关管Q33、二极管D33、二极管302、二极管311～二极管314、及二极管317构成。滤波电路531由串联连接的直流滤波电容351和直流滤波电容352构成，两者的连接中点63为该滤波电路531的输入端，同时也作为该滤波电路531的中间输出端。

图4是图1中功率单元1411的第三实施例，在该实施例中PWM整流电路51与图2中PWM整流电路51的连接关系不同，但其控制原理是一样的。其中，第一相桥臂支路主要由开关管43 1、二极管D41、二极管400、二极管403～二极管406、及二极管415构成，二极管403和二极管404的连接中点74为第一相桥臂支路的输入端，二极管405和二极管406的连接中点75为该第一相桥臂支路的输出端。第二相桥臂支路由开关管Q42、二极管D42、二极管401、二极管407～二极管410、及二极管416构成，二极管407和二极管409的连接中点76作为该第二相桥臂支路的输入端，二极管408和二极管410的连接中点77作为该第二相桥臂支路的输出端。第三相桥臂支路由开关管Q43、二极管D43、二极管402、二极管411～二极管414、及二极管417构成，二极管411和二极管412的连接中点78作为该第三相桥臂支路的输入端，而二极管413和二极管414的连接中点79作为该相桥臂支路的输出端。滤波电路531由串联连接的直流滤波电容451和直流滤波电容452构成，两者的连接中点73为该滤波电路531的输入端。逆变电路52由开关管Q44～开关管Q47及分别与每个开关管反向并联的二极管D44～二极管D47构成，开关管Q44和开关管Q45的连接节点和开关管Q46和开关管Q47的连接节点为该逆变电路52的输出端15。

图5是图1中功率单元1411的第四实施例，在该实施例中PWM整流电路51与图4中PWM整流电路51的连接关系不同，但其控制原理是一样的。在该实施例中，将开关管反向串连构成的双向开关电路等效电路来构成三电平整流电路，例如，在该实施例中，由开关管Q51～开关管Q56及分别与每个开关管反向并联的保护二极管D51～保护二级管D56构成的双向开关电路取代图4中的由开关管Q41～开关管Q43等器件构成的桥式开关电路。图5中所示的一相开关器件反向串连电路中开关器件的位置可以互换，例如图5中开关管Q51、保护二极管D51与开关管Q52、保护二极管D52分别构成的IGBT模块位置可以互换，构成共集电极或者共发射极电路。另外，采用其他器件如MOSFET、GTO、IEGT、IGCT等构成类似拓扑的反向串连双向开关电路也是可行的。该PWM整流电路51中还包括二极管500～二极管502，及二极管515～二极管517。滤波电路531由串联连接的直流滤波电容551和直流滤波电容552构成，两者的连接中点83为该滤波电路531的输入端。逆变电路52由开关管Q57～开关管Q60及分别与每个开关管反向并联的二极管D57～二极管D60构成，开关管Q57和开关管Q58的连接节点和开关管Q59和开关管Q60的连接节点为该逆变电路52的输出端15。

图6是本发明供电系统另一实施例的电路框图，在该实施例中，变压器22的原边绕组21与供电电源1连接，同时变压器22激励出多组副边绕组23，没一组副边绕组23输出两相的供电电源。

如图7所示为图6中功率单元1411的一实施例，图7中每个功率单元1411的PWM整流电路51有两个桥臂支路，其中，第一相桥臂支路由开关管Q21、保护二极管D21、二极管200、二极管202～二极管205、及二极管210构成。第二相桥臂支路由开关管Q22、保护二极管D22、二极管201、二极管206～二极管209、及二极管211构成。每相桥臂支路与前述的三相整流方案相同。逆变电路52采用单相两电平逆变电路，该单相两电平逆变电路由开关管Q23～开关管Q26及分别与每个开关管并联的二极管D23～二极管D26组成，但逆变电路52也可以采用图3所示的由开关管Q34～开关管Q41及其反向并联的二极管D34～二极管D41和箝位二极管318～箝位二极管321组成的三电平逆变电路，同时也可以采用飞跨电容式的三电平逆变电路。

本发明是通过几个具体实施例进行说明的，本领域技术人员应当明白，在不脱离本发明范围的情况下，还可以对本发明进行各种变换及等同替代。另外，针对特定情形或具体情况，可以对本发明做各种修改，而不脱离本发明的范围。因此，本发明不局限于所公开的具体实施例，而应当包括落入本发明权利要求范围内的全部实施方式。

Claims

1.一种级联型功率变换装置，包括变压器和至少一组功率单元组件；所述变压器激励出至少一组副边绕组，一组功率单元组件包括一个功率单元或依次串接的多个功率单元，一组副边绕组对应为一个功率单元供电，其特征在于，一个功率单元包括顺次连接的PWM整流电路和逆变电路。

2.根据权利要求1所述的级联型功率变换装置，其特征在于，所述PWM整流电路是三相三电平整流电路或单相三电平整流电路。

3.根据权利要求1所述的级联型功率变换装置，其特征在于，所述PWM整流电路中的所有开关器件的耐压等级小于整流输出的直流母线电压。

4.根据权利要求1所述的级联型功率变换装置，其特征在于，所述逆变电路是单相两电平逆变电路或单相三电平逆变电路。

5.根据权利要求1～4任一所述的级联型功率变换装置，其特征在于，在所述PWM整流电路和逆变电路之间还连接有滤波电路。

6.一种供电系统，包括供电电源、变压器和至少一组功率单元组件，所述变压器的原边绕组与所述供电电源相连接且激励出至少一组副边绕组，一组功率单元组件包括一个功率单元或依次串接的多个功率单元，一组副边绕组对应为一个功率单元供电，其特征在于，一个功率单元包括顺次连接的PWM整流电路和逆变电路。

7.根据权利要求6所述的供电系统，其特征在于，所述PWM整流电路是三相三电平整流电路或单相三电平整流电路。

8.根据权利要求6所述的供电系统，其特征在于，所述PWM整流电路中的所有开关器件的耐压等级小于整流输出的直流母线电压。

9.根据权利要求6所述的供电系统，其特征在于，所述逆变电路是单相两电平逆变电路或单相三电平逆变电路。

10.根据权利要求6～9任一所述的供电系统，其特征在于，在所述PWM整流电路和逆变电路之间还连接有滤波电路。