CN101895204B - 高压变频器电路结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高压变频器电路结构，由高压整流单元、高压电容滤波单元和高压逆变单元所组成；所述的高压逆变单元用二极管钳位的多电平电路结构，由多个低压器件串联；所述的高压电容滤波单元由四组电容串联组成，串联后连接在高压整流单元的输出正负母线之间；所述的高压整流单元采用三相桥式二极管不控整流电路或者三相桥式可控整流电路。本发明采用低压功率器件来实现高压整流；采用低压功率模块和二极管钳位多电平电路结构组成一个等效的高压功率器件，实现了高压逆变，从而不需要输入变压器。通过逆变器主电路设置动态、静态均压措施，等效构成一个高压功率器件，从而提高了高压变频器的性能。
Description
技术领域
本发明涉及电力电子技术领域，特别是变频器。
背景技术
随着工业快速发展，对电力电子功率器件的电压等级越来越高，但高压功率器件目前受到技术等多方面的制约，只能考虑用低压的功率器件来实现高压的应用产品。
传统的高压变频器均采用变压器降压，再用低压的功率器件进行变换，经过串联得到高压输出，这种方式有很多缺点，输入降压变压器成本高，体积大，效率不高，更重要的是变压器是耗费大量铜材的器件，对于能源紧缺的今天是很不利于长远发展的。
发明内容
为克服现有高压变频器电路结构的不足，本发明设计了一种采用功率器件串联与二极管钳位多电平电路相结合的高压变频器电路结构。
为实现上述目的，本发明的电路结构采用以下两个技术方案：
技术方案一：
它由高压整流单元、高压电容滤波单元和高压逆变单元所组成；其特征在于：
所述的高压整流单元采用三相桥式二极管不控整流电路，每个桥臂用2-n个低压二极管串联而成，低压二极管用2000V以下的二极管。
所述的高压电容滤波单元由四组电容串联而成。
所述的高压逆变单元由三个单桥臂高压逆变电路共同构成，每个单桥臂高压逆变电路采用二极管钳位式多电平电路结构；每个单桥臂高压逆变电路由八个高压可控功率器件依次串联连接在正负母线之间；所述的高压可控功率器件是由多个2000V以下的低压功率器件串接而成，串联时，上一个低压功率器件的发射极接下一个低压功率器件的集电极，依此类推，并且在每个低压功率器件的集电极与发射极之间并联上一个电阻和一组串联的电阻电容器；八个高压可控功率器件串联结构是：上一个高压可控功率器件的发射极接下一个高压可控功率器件的集电极，并采用二极管钳位多电平电路结构组成一个等效的高压功率器件；其中第四个和第五个高压可控功率器件的接点作为输出电源某一相的输出点；钳位二极管共12个，其中第一至第六个二极管串联后，其负端接于第一高压可控功率器件的发射极与第二高压可控功率器件的集电极之间，其正端接于第七高压可控功率器件的发射极与第八高压可控功率器件的集电极之间；第七至第十个钳位二极管串联后，其负端接于第二高压可控功率器件的发射极与第三高压可控功率器件的集电极之间，正端接于第六高压可控功率器件的发射极与第七高压可控功率器件的集电极之间；第十一和第十二个钳位二极管串联后其负端接于第三高压可控功率器件的发射极与第四高压可控功率器件的集电极之间，正端接于第五高压可控功率器件的发射极与第六高压可控功率器件的集电极之间；三个单桥臂高压逆变电路连接时，每一相的第一和第二个钳位二极管的接点再相互连接，每一相的第三和第四个钳位二极管的接点再相互连接，每一相的第五和第六个钳位二极管的接点再相互连接。
高压整流单元、高压电容滤波单元和高压逆变单元的连接关系是：高压电容滤波单元连接在高压整流单元的输出正负母线之间；高压电容滤波单元的第一组和第二组电容的接点与高压逆变单元的每个单桥臂高压逆变电路的第一和第二个钳位二极管的接点依次连接；高压电容滤波单元的第二和第三组电容的接点与高压逆变单元的每个单桥臂高压逆变电路的第三和第四个钳位二极管的接点依次连接，高压电容滤波单元的第三和第四组电容的接点与高压逆变单元的每个单桥臂高压逆变电路的第五和第六个钳位二极管的接点依次连接。
技术方案二：
它由高压整流单元、高压电容滤波单元和高压逆变单元所组成；
所述的高压电容滤波单元和高压高压逆变单元电路结构与技术方案一相同，
所述的高压整流单元采用三相桥式可控整流电路，三相桥式可控整流电路的每个桥臂采用与技术方案一中的单桥臂高压逆变电路相同的电路结构，三个单桥臂高压逆变电路共同构成三相桥式可控整流电路。连接时，三相桥式可控整流电路和三相高压逆变电路组成背靠背的双PWM电路结构。所谓的背靠背指的是高压整流单元每个桥臂的第四高压可控功率器件和第五高压可控功率器件的接点作为输入电源某一相的输入点，而高压逆变单元每个桥臂的第四高压可控功率器件和第五高压可控功率器件的接点作为逆变某一相的输出点。
高压整流单元、高压电容滤波单元和高压逆变单元相互连接关系是：
高压整流单元的每一相的第一和第二钳位二极管的接点与高压电容滤波单元的第一和第二组电容的接点以及每个单桥臂高压逆变电路的第一和第二个钳位二极管的接点依次连接；
高压整流单元的每一相的第三和第四钳位二极管的接点与高压电容滤波单元的第二和第三组电容的接点以及每个单桥臂高压逆变电路的第三和第四个钳位二极管的接点依次连接；
高压整流单元1的每一相的第五和第六钳位二极管的接点与高压电容滤波单元的第三和第组组电容的接点以及每个单桥臂高压逆变电路的第五和第六个钳位二极管的接点依次连接；
本发明高压变频器电路结构的优点在于：采用2000V以下的低压功率器件来实现高压整流和高压逆变，从而不需要输入变压器。逆变器主电路采用二极管钳位的多电平电路结构，由多个低压器件串联，可以设置动态、静态均压措施，等效构成一个高压功率器件，从而提高了高压变频器的性能。
附图说明
图1是高压变频器的主电路结构框图；
图2是三相桥式二极管不控整流电路图；
图3是高压可控功率器件的电路图，图中的低压功率器件采用IGBT功率器件；
图4是由图3中的高压可控功率器件组成的单桥臂高压逆变电路图；
图5是单桥臂高压可控整流电路图；
图6是图2与图4结合构成的高压变频器整机电路结构图；
图7是图5与图4组成的高压变频器整机电路结构图。
图中：1-高压整流单元，2-高压电容滤波单元，3-高压逆变单元，C1～C4为第一至第四组电容，D1～D12为第一至第十二个钳位二极管，V1～V8为第一至第八高压可控功率器件；S1-Sn为第一至第n个IGBT功率器件。
具体实施方式
下面结合附图对本发明实施方式做具体说明。
如图1所示，本发明的电路结构由高压整流单元1，高压电容滤波单元2，高压逆变单元3所组成；三相高压交流电直接送入高压整流单元1进行整流，通过高压电容滤波单元2滤波后送入高压逆变单元3，高压逆变单元3直接输出三相高压交流电。
如图2所示，三相高压整流单元，采用三相桥式二极管不控整流电路，每个桥臂用2-n个低压二极管串联而成，低压二极管采用2000V以下的二极管，串联后输出高压直流。
如图3所示的高压可控功率器件S1-Sn是由2-n个IGBT功率器件串联而成的，例如采用10个1500V的IGBT功率器件可组成15000V的高压可控功率器件，串联时，上一个IGBT功率器件的发射极接下一个IGBT功率器件的集电极，依此类推，并且在每个IGBT功率器件的集电极与发射极之间并联上电阻和电阻电容器，组成一个等效的高压可控功率器件，所述的电阻电容器是由电阻和电容串联而成。
如图4所示，单桥臂高压逆变电路是由八个高压可控功率器件V1～V8依次依次串联连接在正负母线之间，串联时上一个高压可控功率器件的发射极接下一个高压可控功率器件的集电极，并采用二极管钳位多电平电路结构组成一个等效的高压可控功率器件，高压可控功率器件V4与高压可控功率器件V5的接点(即中点)作为三相输出电源某一相的输出点；二极管的接法是，钳位二极管D1～D6串联后，其负端接于高压可控功率器件V1的发射极与高压可控功率器件V2的集电极之间，其正端接于高压可控功率器件V7的发射极与高压可控功率器件V8的集电极之间；钳位二极管D7～D10串联后，其负端接于高压可控功率器件V2的发射极与高压可控功率器件V3的集电极之间，正端接于高压可控功率器件V6的发射极与高压可控功率器件V7的集电极之间；钳位二极管D11、D12串联后其负端接于高压可控功率器件V3的发射极与高压可控功率器件V4的集电极之间，正端接于高压可控功率器件V5的发射极与高压可控功率器件V6的集电极之间；图中电容C1-C4为高压滤波单元2。
如图5所示的单桥臂可控整流电路，采用与图4单桥臂高压逆变电路相同的电路结构，在此不再详述。其中把高压可控功率器件V4与高压可控功率器件V5的接点作为三相输入电源某一相的输入点；图中电容C1-C4为高压滤波单元2。
如图6所示的高压变频器电路结构是由图2与图4结合构成的；高压整流单元1、高压电容滤波单元2和高压逆变单元3通过正负母线相连接。其中三个图3所示的单桥臂高压逆变电路共同构成三相高压逆变单元；
图6所示的整机结构连接时：高压电容滤波单元的电容C1、C2的接点与每个单桥臂高压逆变电路的钳位二极管D1、D2的依次接点连接，高压电容滤波单元的电容C2、C3的接点与每个单桥臂高压逆变电路的钳位二极管D3、D4的接点依次连接，高压电容滤波单元的电容C3、C4的接点与每个单桥臂高压逆变电路的钳位二极管D5、D6的接点依次连接。
如图7所示的高压变频器电路是由图5与图4结合构成的。高压整流单元1、高压电容滤波单元2和高压逆变单元3通过正负母线相连接。其中三个图5所示的单桥臂高压可控整流电路共同构成三相高压整流单元；三个图4所示的单桥臂高压逆变电路共同构成三相高压逆变单元；三相高压整流单元和三相高压逆变单元组成背靠背的双PWM电路结构。
图7所示的整机结构连接时：
高压整流单元1的每一相的钳位二极管D1、D2的接点与高压电容滤波单元2的电容C1、C2的接点以及每个单桥臂高压逆变电路的钳位二极管D1、D2的接点依次连接；
高压整流单元1的每一相的钳位二极管D3、D4的接点与高压电容滤波单元的电容C2、C3的接点以及高压逆变单元3的每一相的钳位二极管D3、D4的接点依次连接；
高压整流单元1的每一相的钳位二极管D5、D6的接点与高压电容滤波单元的电容C3、C4的接点以及高压逆变单元3的每一相的钳位二极管D5、D6的接点依次连接。
实施例中的IGBT低压功率器件也可用IGCT功率器件代替。
Claims (4)
1.一种高压变频器电路结构，它由高压整流单元、高压电容滤波单元和高压逆变单元所组成；其特征在于：
所述的高压整流单元采用三相桥式二极管不控整流电路，每个桥臂用2-n个低压二极管串联而成，低压二极管用2000V以下的二极管；
所述的高压电容滤波单元由四组电容串联而成；
所述的高压逆变单元由三个单桥臂高压逆变电路共同构成，每个单桥臂高压逆变电路采用二极管箝位式多电平电路结构；每个单桥臂高压逆变电路由八个高压可控功率器件依次串联连接在正负母线之间；所述的高压可控功率器件是由多个2000V以下的低压功率器件串接而成，串联时，上一个低压功率器件的发射极接下一个低压功率器件的集电极，依此类推，并且在每个低压功率器件的集电极与发射极之间并联上一个电阻和一组串联的电阻电容器；八个高压可控功率器件串联结构是：上一个高压可控功率器件的发射极接下一个高压可控功率器件的集电极，并采用二极管箝位多电平电路结构组成一个等效的高压功率器件；其中第四个和第五个高压可控功率器件的接点作为输出电源某一相的输出点；箝位二极管共12个，其中第一至第六个箝位二极管串联后，其负端接于第一高压可控功率器件的发射极与第二高压可控功率器件的集电极之间，其正端接于第七高压可控功率器件的发射极与第八高压可控功率器件的集电极之间；第七至第十个箝位二极管串联后，其负端接于第二高压可控功率器件的发射极与第三高压可控功率器件的集电极之间，正端接于第六高压可控功率器件的发射极与第七高压可控功率器件的集电极之间；第十一和第十二个箝位二极管串联后其负端接于第三高压可控功率器件的发射极与第四高压可控功率器件的集电极之间，正端接于第五高压可控功率器件的发射极与第六高压可控功率器件的集电极之间，第二和第三个箝位二极管的接点与第七和第八个箝位二极管的接点相连；第四和第五个箝位二极管的接点与第九和第十个箝位二极管的接点相连；第八和第九个箝位二极管的接点与第十一和第十二个箝位二极管的接点相连；三个单桥臂高压逆变电路连接时，每一相的第一和第二个箝位二极管的接点再相互连接，每一相的第三和第四个箝位二极管的接点再相互连接，每一相的第五和第六个箝位二极管的接点再相互连接；
高压整流单元、高压电容滤波单元和高压逆变单元的连接关系是：高压电容滤波单元连接在高压整流单元的输出正负母线之间；高压电容滤波单元的第一组和第二组电容的接点与高压逆变单元的每个单桥臂高压逆变电路的第一和第二个箝位二极管的接点依次连接；高压电容滤波单元的第二和第三组电容的接点与高压逆变单元的每个单桥臂高压逆变电路的第三和第四个箝位二极管的接点依次连接，高压电容滤波单元的第三和第四组电容的接点与高压逆变单元的每个单桥臂高压逆变电路的第五和第六个箝位二极管的接点依次连接。
2.如权利要求1所述的高压变频器电路结构，其特征在于，所述的低压功率器件采用IGBT功率器件或IGCT功率器件。
3.一种高压变频器电路结构，它由高压整流单元、高压电容滤波单元和高压逆变单元所组成；其特征在于：
所述的高压整流单元由三个单桥臂高压逆变电路共同构成三相桥式可控整流电路，每个单桥臂高压逆变电路采用二极管箝位式多电平电路结构；每个单桥臂高压逆变电路由八个高压可控功率器件依次串联连接在正负母线之间；所述的高压可控功率器件是由多个2000V以下的低压功率器件串接而成，串联时，上一个低压功率器件的发射极接下一个低压功率器件的集电极，依此类推，并且在每个低压功率器件的集电极与发射极之间并联上一个电阻和一组串联的电阻电容器；八个高压可控功率器件串联结构是：上一个高压可控功率器件的发射极接下一个高压可控功率器件的集电极，并采用二极管箝位多电平电路结构组成一个等效的高压功率器件；箝位二极管共十二个，其中第一至第六个箝位二极管串联后，其负端接于第一高压可控功率器件的发射极与第二高压可控功率器件的集电极之间，其正端接于第七高压可控功率器件的发射极与第八高压可控功率器件的集电极之间；第七至第十个箝位二极管串联后，其负端接于第二高压可控功率器件的发射极与第三高压可控功率器件的集电极之间，正端接于第六高压可控功率器件的发射极与第七高压可控功率器件的集电极之间；第十一和第十二个箝位二极管串联后其负端接于第三高压可控功率器件的发射极与第四高压可控功率器件的集电极之间，正端接于第五高压可控功率器件的发射极与第六高压可控功率器件的集电极之间；第二和第三个箝位二极管的接点与第七和第八个箝位二极管的接点相连；第四和第五个箝位二极管的接点与第九和第十个箝位二极管的接点相连；第八和第九个箝位二极管的接点与第十一和第十二个箝位二极管的接点相连；三个单桥臂高压逆变电路连接时，每一相的第一和第二个箝位二极管的接点再相互连接，每一相的第三和第四个箝位二极管的接点再相互连接，每一相的第五和第六个箝位二极管的接点再相互连接；
所述的高压电容滤波单元由四组电容串联而成；
所述的高压逆变单元采用与所述的高压整流单元相同的电路结构，连接时，高压整流单元每个桥臂的第四高压可控功率器件和第五高压可控功率器件的接点作为输入电源某一相的输入点，而高压逆变单元每个桥臂的第四高压可控功率器件和第五高压可控功率器件的接点作为逆变某一相的输出点，从而组成背靠背的双PWM电路结构；
高压整流单元、高压电容滤波单元和高压逆变单元的连接关系是：高压电容滤波单元连接在高压整流单元的输出正负母线之间；高压电容滤波单元的第一组和第二组电容的接点与高压逆变单元的每个单桥臂高压逆变电路的第一和第二个箝位二极管的接点依次连接；高压电容滤波单元的第二和第三组电容的接点与高压逆变单元的每个单桥臂高压逆变电路的第三和第四个箝位二极管的接点依次连接，高压电容滤波单元的第三和第四组电容的接点与高压逆变单元的每个单桥臂高压逆变电路的第五和第六个箝位二极管的接点依次连接；高压电容滤波单元的第一组和第二组电容的接点与高压整流单元的每一相的第一和第二个箝位二极管的接点依次连接；高压电容滤波单元的第二组和第三组电容的接点与高压整流单元的每一相的第三和第四个箝位二极管的接点依次连接；高压电容滤波单元的第三组和第四组电容的接点与高压整流单元的每一相的第五和第六个箝位二极管的接点依次连接。
4.如权利要求3所述的高压变频器电路结构，其特征在于，所述的低压功率器件采用IGBT功率器件或IGCT功率器件。
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