CN1044543C - 用于连接系统的高电压自励变换装置 - Google Patents

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Abstract

一种用于连接系统的高电压自励变换装置包括：由多个串联的非闩锁型半导体器件及其驱动电路所构成的开关电路；同该开关电路串联的串联阻尼电路；分别反向并联在上述半导体器件上的反馈二极管；把由分别并联在上述半导体器件上的分压电阻和并联阻尼电路所组成的半导体阀桥形连接在正负母线间而构成的自励变换器；设在该自励变换器的直流侧电路中的直流电容器或直流电源；设在该自励变换器的交流侧与交流系统之间的变压器或连接用电抗器。

Description

用于连接系统的高电压自励变换装置
本发明涉及在直流输电、频率变换、系统连接或无功功率调整装置中所使用的自励变换装置，特别是涉及通过使用串联连接或串并联连接非闩锁(ノンラッチ)形半导体器件的半导体阀，来谋求降低损耗和提高控制性的用于连接系统的高电压自励变换装置。
在现有技术中，通过利用GTO等自灭弧形半导体器件来代替在直流输电、频率变换、连接系统或无功功率调整装置中所用的晶闸管阀。其具有下列优点：一但使用了自灭弧形半导体器件，就能独立地控制无功功率和有功功率，从而对于系统的扰动提高了持续运行的可能性，并且不需要改善功率因数的电容器。
使用自灭弧形半导体器件的变换器，通过在通用变换器和UPS(不断电电源装置)中把PWM(脉宽调制)的频率提高到10-20KHZ而谋求特性的显著改善。由此，就希望在用于连接系统的高电压自励变换装置中一定程度上提高开关频率。在此，提高开关频率的含义除了提高平均的开关频率的含义之外，还包括有减少从导通到关断或从关断到导通的时间限制的含义。
图6是以本发明为对象的用于连接系统的高电压自励变换装置的构成例子，1是直流电源，2是直流电抗器，3是自励变换器，4是连接电抗器，5是变压器，6是电力系统(以下称为系统)。直流电由自励变换器3变换为交流并通过连接电抗器4和变压器5作为交流电提供给系统6。直流电抗器2与下述的自励变换器3内部的直流电容器2与下述的自励变换器3内部的直流电容器32一起形成滤波器，以抑制直流电源1带有的脉动流向系统，并且具有使自励变换器3产生的电流脉冲不会对直流电源1产生不良影响的任务。直流电抗器2有时可被省略。连接电抗器4抑制由自励变换器3的电压与系统电压之差所产生的电流，具有降低高次谐波电流的作用。连接电抗器4可以由变压器5的杂散电感所代替。变压器5用于直流电源与系统6的隔离、电压的匹配。
图6是用于从交流向直流的功率变换的情况，其由未图示的控制电路自由地决定。使自励变换器3的交流电压与系统电压的相位为同相，当仅改变振幅时就能进行无功功率的控制。这种情况下就不需要直流电源1和直流电抗器2。
图7是由公知的电压型自励变换器结构例子中的六个半导体阀器件组件(以下称为半导体阀)31和直流电容器32所构成的电路图。字母u、v、w、y、z、分别表示各相。
半导体阀31中的41是GTO、42是其门驱动器、43是二极管、44是阻尼电容器、45是阻尼二极管、46是放电电阻、47是分压电阻、48是阀电抗器、49是二极管。由阻尼电容器44、阻尼二极管45和放电电阻46所组成的电路是一种并联阻尼，由阀电抗器48和二极管49所组成的电路是一种串联阻尼。字母a、b是用于区别二组半导体器件及其周边电路的记号。在图7的例子中，虽然是由GTO 41加上a、b表示2个串联情况，但通常由10个次序串联连接。在这种情况下，根据需要把包含称为组件的串联阻尼器的多个单位的半导体器件及其周边电路作为一个单元，而把他们串联连接。这是在通常的使用晶闸管的高电压变换器中一般使用的方法，与组装-试验上的便利一起，在施加到半导体器件上的电压应力的平均值上也是有效的。
对于图7的工作，由于其作为变换器来说是公知的电路，则省略工作说明，以下仅说明其缺点。
GTO 41是通过使负的门电流流到门极上而关断正极电流的器件，而作为此时的条件，阻尼电容器44的容量被定为例如6μ。该阻尼电容器44有助于串联连接时的分压，从分压点，电容器容量大。但是，在GTO关断时，充在阻尼电容器44上的电荷随着GTO关断而通过放电电阻进行放电，阻尼电容器44的能量大部分由放电电阻46发热而消耗掉了。由于接通-关断一次的开关至少产生CV2/2的损耗，如果开关为500H2、V=2.2KV则在一个元件上就会产生7.3KW的损耗。在10MW级的装置中，如果把由该阻尼电容器44所引起的损耗加上2.25的其他损耗，就可达5.1％。顺便提一下，在使用通常的晶闸管的变换装置中，可得到1％以下的损耗。这样，除非能够预料到损耗的降低，就不能适用于高电压自励变换装置。
现在，用于进行连接系统的高电压自励变换装置的实用性评价的实证试验设备在几种情况下工作，使用任一种商用频率或其3倍频率，超过其的开关频率的装置就不能制造。
所以，在GTO上关断电流之后，在正极和负极间出现尖峰电压Vsp(图8)。一但该尖峰电压超过一定值，就会破坏GTO。一般由阻尼电容器44的容量和伴随着其布线所形成的电感来使尖峰电压改变，电容器容量越大或杂散电感越小则尖峰电压越小。由于在GTO关断之前如果在电容器中具有残留电压则在原来的尖峰电压上再加上残留电压，对于GTO来说就不是所希望的。为此，为了在GTO导通期间使阻尼电容器44的电荷为0，而设置必需的最小导通时间。在阻尼电容器44的容量为6μF、放电电阻为5欧姆时，该时间选为120μS的程度。
如果具有这样的最小导通时间Td的制约，就会存在下列问题，详细的见《平成5年电力能量部门大会的论文编号51，关内野：「大容量自励变换装置的开关频率和多重化的考察」》所示。
(1)如果提高开关频率，就要增加为了得到必需的交流电压的直流电压，从而增加电压高次谐波。
(2)控制响应恶化。一但提高开关频率就会增加不能控制时间，反而使响应恶化。
虽然现在继续进行自灭弧形半导体器件的开发改进努力，希望在将来，门部分的细微加工有所进展而使阻尼电容器44的容量从1/5降低到1/10。如果这样，由阻尼电容器44所引起的损耗就会进一步减小。
然而，如果考虑到自灭弧半导体器件的串联连接，当使阻尼电容器容量单单地为1/10时，就会产生别的问题。即，由于阻尼电容器44具有减小自灭弧形半导体器件通-断时所产生的分压偏移的作用，一但电容器容量减小会使分压恶化。而且，由于电容器具有吸收蓄积在直流电路杂散电感中的能量的作用，如果容量减少到1/10，阻尼电容器电压就会跳越到原值的10倍。
如上所述，从抑制自灭弧形半导体器件的串联连接中的分压偏移和抑制尖峰电压来说，难于减小电容器容量，而另一方面，减小电容器容量却是降低损耗所不可缺少的。
本发明的目的是根据一种用于连接系统的高电压自励变换器，以解决该相反的要求，谋求低损耗化和控制性的提高，减小了伴随着阻尼电容器的充放电而发生的损耗，取消了最小导通时间的约束条件，由此而降低损耗和提高控制性。
为了实现上述目的，本发明的用于连接系统的高电压自励变换装置包括：
直流电源；
自励变换器，用于将来自所述直流电源的直流电力变换为交流电力；
变压器，设于所述自励变换器与系统之间；
所述自励变换器由多个桥形连接在正负母线间的半导体阀构成，各个半导体阀分别备有：
开关电路，由多个串联连接的非闩锁型半导体器件及驱动该半导体器件的驱动电路构成；
串联阻尼电路，与所述开关电路串联连接；
反馈二极管，分别与上述非闩锁型半导体器件反并联连接；
并联阻尼电路，具有分别与上述非闩锁型半导体器件并联连接的分压电阻和限幅器功能。
根据本发明的用于连接的高电压励变换装置的特征是，还包括：
串联电路，由分别与上述正侧的半导体阀的各个开关电路并联连接的正侧多个阻尼电容器和正方向地连接的正侧多个阻尼二极管构成；
串联电路，由分别与上述负侧的半导体阈的各个开关电路并联连接的负侧多个阻尼电容器和正方向地连接的负侧多个阻尼二极管构成；
正侧放电电阻，其一端与所述负侧母线相连接，另一端分别与上述正侧多个阻尼电容器和上述正侧多个阻尼二极管的串联接点相连接；
负侧放电电阻，其一端与所述正侧母线相连接，另一端分别与所述负侧多个阻尼电容器和所述负侧多个阻尼二极管的串联接点相连接。
根据本发明的用于连接系统的高电压自励变换装置，还设有变换器，用以将获自至少来自所述串联阻尼电路、所述分压电阻和所述并联阻压电路的其中之一的能量变换为所需的电压，该变换器作为所述驱动电路的电源。
根据本发明的用于连接系统的高电压自励变换装置的特征是，设有多个所述自励变换器，所述自励变换器的直流侧具有串联、并联或串并联的连接构造，所述自励变换器的交流侧通过所述变压器而合成交流输出，且与所述系统相连接。
根据具有上述结构本发明，能够减小伴随着阻尼电容器的充放电所产生的损耗，取消最小导通时间的约束，由此而希望降低损耗和提高控制性，进而降低波形畸变和系统事故时的持续运行。
根据本发明，在上述的发明效果上进一步增加了：通过把并联阻尼的能量的一部分反馈给电源而能够进一步降低损耗。
根据本发明，在上述的发明效果上又增加了：谋求门驱动器的电源能量的节约；能够使装置小型化。
根据本发明，除了上述的发明效果之外，还能实现装置的大容量化和高次谐波的降低。
图1是表示构成本发明的用于连接系统的高电压自励变换装置的自励变换器的一个实施例；
图2是表示构成本发明的用于连接系统的高电压自励变换装置的自励变换器的另一个实施例；
图3是根据本发明的获得自励变换器的门驱动器电源的结构图、图3(a)是由并联阻尼电路所获得上述电源的结构图、图3(b)是由分压电阻所获得上述电源的结构图；
图4是表示构成本发明的用于连接系统的高电压自励变换装置的自励变换器的又一个实施例；
图5是表示构成本发明的用于连接系统的高电压自励变换装置的自励变换器的再一个实施例；
图6是用于连接系统的高电压自励变换装置的一般结构图；
图7是构成现有用于连接系统的高电压自励变换装置的自励变换器的结构图；
图8是GTO的关断时的工作波形图。
附图中的标号分别表示：
1：直流电源      2：直流电抗器
3：自励变换器    4：连接电抗器
5：变压器        6：电力系统
31、35：半导体阀 32、52：直流电容器
41：GTO          42：用于GTO的门驱动器
43：二极管       44：阻尼电容器
45：阻尼二极管   46：阻尼电阻
47、67：分压电阻 48、68：阀电抗器
49、69：二极管   61：无闩锁型半导体器件
62：用于无闩锁型半导体器件的门驱动器
63：二极管            64：阻尼电容器
65：阻尼电阻          66：非线性电阻
70：一些阻尼电容器    71：一些阻尼二极管
72：放电电阻          80：直流直流变换器
81：电容器            82：二极管
83：电容器            84：变流器
90：直流电容器
下面参照图1的结构图来说明本发明的一个实施例。
图1是与图7相同的电压型自励变换器的构成例子，由六个半导体阀51和直流电容器52所构成。字母u、v、w、x、y、z用于区别各相。51V、51W的结构与51u相同，而且51x、51y、51z最好也与51u相同，而把由阀电抗器68和二极管69所组成的串联阻尼插在非闩锁型半导体器件61b与直流的N侧之间。
根据本发明的半导体阀51可以细分为：61是非闩锁型半导体器件； 62是其门驱动器； 63是二极管；64是阻尼电容器； 65是阻尼电阻；66是非线性电阻；67是分压电阻。由阻尼电容器64、阻尼电阻65和非线性电阻66所构成的电路构成具有限幅器功能的并联阻尼电路。68是阻尼电抗器、69是二极管，阻尼电抗器68和二极管69构成一种串联阻尼。字母a、b是用于区别两组半导体器件及其周边电路的记号。在图1的例子中，虽然非闩锁型半导体器件61为两个串联的，但实际上与图7相同，也是由10个串联连接。下面说明各个电路的工作。
所谓非闩锁型半导体器就是指由晶体管所代表的器件，当施加门极或基极(以下称为门极)信号时，器件变为导通状态，当去掉门极信号或施加瞬时反向信号时，就转换为关断状态。而对于晶闸管，当施加门极信号时变为导通状态，之后即使去掉门极信号仍继续保持导通状态，这称为闩锁型半导体器件。非闩锁型半导体器件的特征通常具有高安全工作区域。即，在高电压被施加到器件上的状态下，能流过额定电流或接近额定的电流。
下面说明通过使用非闩锁型半导体器件61而在电路上出现的变化。
通常，并联阻尼的任务是：随着半导体器件的开关，
(a)降低器件内部损耗；
(b)在半导体器件的过渡过程中与串联阻尼一起改善分压；
(c)吸收由配线等的杂散电感所产生的过电压；
(d)防止由尖峰电压所引起的器件的损坏。
对于GTO，如上述那样，由于要首先根据(d)的要求来决定阻尼电容器的容量和电路，就无法避免损耗的增加和配置上的限制。
而通过使用非闩锁型半导体器件就没有(d)的制约，所以就可以扩大并联阻尼电路的方式和常数的选择范围。具体的是，如果把图7同图1相比较，图7的阻尼电容器44的容量由GTO41的关断条件所决定，其容量较大。已经说过，在GTO的一次通断中由放电电阻46消耗了大部分的阻尼电容器的能量。另一方面，在图1中，不是由上述(d)来决定阻尼电容器64的静电电容量的选定，而是由同非闩锁型半导体器61的内部损耗、非线性电阻66的热容量的平衡所决定。其结果，阻尼电容器64的静电电容可以较小。一但该容量减小，虽然由于关断时的非闩锁型半导体器件的开关之差使过电压加在一方的非闩锁型半导体器件上，但由具有限幅器功能的非线性电阻66而被箝位在安全值上，因而其不会发生问题。非线性电阻66是这样的元件：当加在其两端的电压达到一定电平时电阻值下降就抑制了电压的增加，在该电平以下的电压下，就可以忽略不计损耗。这样，整体的损耗就变小了。顺便说一下，在GTO的情况下，由于相当于晶体管的安全工作区域的区域较窄，就不能进行这种保护。非线性电阻66作为限幅器而工作，以抑制加在各个非闩锁型半导体器件61上的脉动电压。
串联阻尼的阀电抗器68的电感由下列条件决定：与阻尼电容器64一起抑制在串联连接时由半导体器件的导通时间的偏移而把高电压加到滞后导通的半导体器件上的情况；和半导体器件与二极管63的要求特性。如果使用非闩锁型半导体器件作为半导体器件，由于其制约能够由电压限幅器电路产生，则如果能使用反向恢复电荷少的二极管，阀电抗器68就能小型化。在现有半导体器件导通或关断时，就需要在下一个开关之前把由阀电抗器68和二极管69的闭合回路所产生的环流电流衰减到0。如果没衰减，该电流会作为初始值而给阻尼电容器64充电，则加在通或断的半导体器件上的电压就会变得陡峭，分压就会变得更加严格。而如果使用非闩锁型半导体器件61，由于能依靠电压限幅器，而没有问题。这样，串联阻尼使用图1所示的简单的结构。当然，各种串联阻尼都可以使用。
图2表示了本发明的另一个实施例，设有多个阻尼电路，作为一种由多个阻尼电容器、多个阻尼二极管和放电电阻所构成的并联阻尼电路。
在图2中，70是一些阻尼电容器(以下仅记为电容器)，71是多个阻尼二极管(以下仅记为二极管)，72是放电电阻。电容器70和二极管71一般以稍高于直流电压的值ECL充电，当非闩锁型半导体器件61关断时，由图2的粗线围成的环中包括的杂散电感的能量所产生的二组加在非闩锁半导体器件上的电压，当超过ECL时二极管71导通，电容器70吸收剩余的能量，从而抑制住过电压被加在非闩锁型半导体器件61上。电阻72是电容器70的放电电阻。由输入电容器70的能量与放电电阻72的消耗能量和通过该放电电阻反馈给直流电源的能量之和的平衡来决定电容器的充电电压ECL。此时，尽管电容器70的容量较大损耗不会大。而且，半导体阀51X的串联阻尼插入闩锁型半导体器件61和直流N侧中。根据上述实施例，可以获得以下的效果。
(a)串联连接时的半导体器件的分压没有必要由阻尼电容器根据半导体器件的关断特性来决定，可以使用其他的过电压抑制装置如电压限幅器电路或非线性电阻。
(b)随着上述情况，阻尼损耗可以降低到现有的1/4。
(c)由于取消了最小导通时间Td的限制，控制的无用时间就没有了，而提高了控制性。由此，对于系统的干扰，就可以选择用于谋求持续工作的各种控制方式。
(d)如果存在Td，在提高开关频率时变换器产生的最大交流电压与直流电压之比降低了，其变无了。
作为非闩锁型半导体器件，如在日刊工业新闻平成5年12月23日登载的IEGT(注入促进型MOS门晶体管)中所示，是高电压的MOS器件。在本发明使用其时，有效利用MOS门的特征，就有效地成为：由主电路得到门驱动器的电源。图3表示了该例子。图3(a)表示：取出各个非闩锁型半导体器件61的并联阻尼电路一部分的电压或电流，并由直流-直流变换器80把其变换为所需的电压源来使用。即，80是直流直流变换器；81是电容器；82是二极管； 83是电阻。电容器81由加在非闩锁半导体器件61的集电极-发射极两端上的电压进行时常充电。由二极管82阻止电容器81的电荷通过非闩锁型半导体器件61的放电。由直流-直流变换器80把电容器81的充电电压变换为驱动器所需的电压。电阻83是放电电阻，用于进行适度的放电以使电容器81的电压不会过高。电容器81在作为非闩锁半导体器件61的电压限幅器电路来工作的同时还兼用作门驱动器62的电源能量的蓄积。可以把阻尼能量作为在电源能量中利用的方法从与阻尼电容器64串联设置的变流器84取出。通过非闩锁型半导体器件61的导通-关断，由未图示的电路把在变流器84中流通的电流变换为电压来供门极电源使用。
图3(b)表示：分割分压电阻67来取出其一部分电压，而作为所需的电压源。
除了图3(a)、(b)之外可以例如在电容器70的两端设置直流直流电容器。而且，可以利用串联阻尼电路的阀电抗器68的能量，它们的组合也同样可以实施。
图6表示用于连接系统的高电压自励变换装置的一般结构图，而在变换装置的容量大的情况下，通常由图4和图5所示的多重化结构来实现。图中的3A、3B、3C是相同的自励变换器，但在很多情况，各个交流输出的相位可以偏移。其用于减少合成输出电压时其中所含有的高次谐波。为了变压器5A、5B、5C合成自励变换器的输出，交流侧线圈被串联连接。图4和图5的三组自励变换器的直流侧具有不同的并联或串联。多重化方法有多种，它们仅表示了一个例子。
由IGBT等所知，非闩锁型半导体器件同样通过加减插在门驱动器和非闩锁型半导体器件的门极之间的门极电阻值来变化非闩锁型半导体器件的开关特性。如果利用该特性，就能谋求非闩锁型半导体器件间的分压平衡化。即，当非闩锁型半导体器件关断时，对于电压变高或电压限幅器电路的负担较大的非闩锁型半导体器件，相应地使关断的门极信号滞后，或者，当提高门电阻值就能改善平衡。
根据上述的权利要求1的发明，使用非闩锁型半导体器件来代替现在使用的闩锁型半导体器件作为半导体器件，通过设置具有限幅器功能的并联阻尼电路，即使进行高频开关也能减小伴随着阻尼电容器的充放电所产生的损耗，并取消最小导能时间的限制，由此就能降低损耗和提高控制性。而且，由于没有了最小导通时间的限制，就能解决当提高开关频率时因不能控制时间的增加所引起的控制特性恶化的问题，从而可以提高开关频率，而可以希望降低波形畸变和系统事故时的持续工作。
权利要求2的发明，由于是在权利要求1的发明上添加了一些阻尼电路，则在权利要求1的发明效果基础上，又增加了下述效果，通过把一些阻尼电路的能量的一部分反馈给电源，就能进一步降低损耗。
根据权利要求3的发明，从串联阻尼电路或者分压电阻或并联阻尼电路来得到权利要求1和2的非闩锁型半导体器件的驱动电路，估计电源能量的节约，就能使装置小型化。
而且，根据权利要求4的发明，把由下列部分构成的半导体阀桥形连接在正负母线间：由串联连接的非闩锁型半导体器件及其驱动电路组成的开关电路；同该开关电路串联连接的串联阻尼电路；分别反向并联连接在非闩锁型半导体器件上的反馈二极管；分别并联连接在非闩锁型半导体器件上的分压电阻；以及具有限幅器功能的并联阻尼电路，由于设置多个这种结构的自励变换器并进行多重连接，就能降低装置的容量和高次谐波。

Claims (4)

1．一种用于连接系统的高电压自励变换装置，包括：
直流电源；
自励变换器，用于将来自所述直流电源的直流电力变换为交流电力；
变压器，设于所述自励变换器与系统之间；
其特征在于，
所述自励变换器由多个桥形连接在正负母线间的半导体阀构成，各个半导体阀分别备有：
开关电路，由多个串联连接的非闩锁型半导体器件及驱动该半导体器件的驱动电路构成；
串联阻尼电路，与所述开关电路串联连接；
反馈二极管，分别与上述非闩锁型半导体器件反并联连接；
并联阻尼电路，具有分别与上述非闩锁型半导体器件并联连接的分压电阻和限幅器功能。
2．如权利要求1所述的高电压自励变换装置，其特征在于，还包括：
串联电路，由分别与上述正侧的半导体阀的各个开关电路并联连接的正侧多个阻尼电容器和正方向地连接的正侧多个阻尼二极管构成；
串联电路，由分别与上述负侧的半导体阈的各个开关电路并联连接的负侧多个阻尼电容器和正方向地连接的负侧多个阻尼二极管构成；
正侧放电电阻，其一端与所述负侧母线相连接，另一端分别与上述正侧多个阻尼电容器和上述正侧多个阻尼二极管的串联接点相连接；
负侧放电电阻，其一端与所述正侧母线相连接，另一端分别与所述负侧多个阻尼电容器和所述负侧多个阻尼二极管的串联接点相连接。
3．如权利要求1所述的高电压自励变换装置，其特征在于，还设有变换器，用以将获自至少来自所述串联阻尼电路、所述分压电阻和所述并联阻压电路的其中之一的能量变换为所需的电压，该变换器作为所述驱动电路的电源。
4．如权利要求1所述的高电压自励变换装置，其特征在于，设有多个所述自励变换器，所述自励变换器的直流侧具有串联、并联或串并联的连接构造，所述自励变换器的交流侧通过所述变压器而合成交流输出，且与所述系统相连接。
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