CN116191829A - 一种变流器 - Google Patents

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Abstract

本申请提供一种变流器，主电路中的功率器件设置于散热器上，而且，该主电路电压最高的一侧，其预设中间电位固定于散热器上，以使主电路对散热器的最大电压小于预设值，保证变流器能够满足绝缘规范，降低对功率器件的绝缘要求，使其可以选用绝缘等级较低的器件，减少变流器成本和并降低变流器体积。

Description

一种变流器
技术领域
本申请涉及电力电子技术领域，特别涉及一种变流器。
背景技术
随着变流器电压等级和功率等级的不断提升，单个器件已无法满足系统的需求，器件串联和拓扑级联的方法得到了广泛应用，如基于MMC(Modular MultilevelConverter，模块化多电平换流器)的换流阀和链式STATCOM(Static SynchronousCompensator，静止同步补偿器)等。
变流器在设计时需要考虑安规和绝缘要求，变流器的核心部件——半导体器件，在出厂时其绝缘设计就已经完成；而应用场景的变化使得器件本身对基板的绝缘已无法满足相关标准，若直接使用这些器件，则不满足绝缘标准，长期运行会由于绝缘隐患而产生较大风险；若对变流器进行电压降额使用，则不能充分利用器件的输出能力；若选用更高绝缘等级的器件，则会增加变流器的体积和成本，或者已达到器件极限。
发明内容
有鉴于此，本申请提供一种变流器，以降低对半导体器件的绝缘要求。
为实现上述目的，本申请提供如下技术方案：
本申请第一方面提供了一种变流器，包括：主电路和散热器；其中，
所述主电路中的功率器件设置于所述散热器上；
所述主电路电压最高的一侧，其预设中间电位固定于所述散热器上，以使所述主电路对所述散热器的最大电压小于预设值。
可选的，所述预设中间电位，来源于所述主电路的拓扑级联点，或者，来源于分压电路的器件串联点；所述分压电路连接于所述主电路电压最高的一侧两极之间。
可选的，所述主电路包括：至少两个级联的功率变换模块；
所述拓扑级联点为：任意两个相邻所述功率变换模块之间的连接点。
可选的，所述分压电路，包括：至少两个串联连接的电容；
所述器件串联点为：任意两个相邻所述电容之间的连接点。
可选的，所述分压电路，包括：至少两个串联连接的电阻；
所述分压电路的阻值大于预设阻值；
所述器件串联点为：任意两个相邻所述电阻之间的连接点。
可选的，所述分压电路，包括：并联连接的电阻支路和电容支路；
所述电容支路包括至少两个串联连接的电容；
所述电阻支路包括至少两个串联连接的电阻；所述电阻支路的阻值大于预设阻值；
电压相同的电容连接点和电阻连接点相连，作为所述器件串联点；
所述电容连接点为：任意两个相邻所述电容之间的连接点；
所述电阻连接点为：任意两个相邻所述电阻之间的连接点。
可选的，所述预设中间电位为：一半电压所在电位、1/3电压所在电位或者1/4电压所在电位。
可选的，所述主电路包括：至少一个三相不控整流电路；
所述三相不控整流电路的个数大于1时，各所述三相不控整流电路分别作为相应的功率变换模块级联；
所述主电路电压最高的一侧，为其直流侧。
可选的，所述三相不控整流电路的个数为1时，所述三相不控整流电路的各桥臂，分别包括：至少两个串联连接的二极管，或者，一个二极管。
可选的，所述二极管的绝缘电压为3000Vrms/1min。
本申请提供的变流器，主电路中的功率器件设置于散热器上，而且，该主电路电压最高的一侧，其预设中间电位固定于散热器上，以使主电路对散热器的最大电压小于预设值，保证变流器能够满足绝缘规范，降低对功率器件的绝缘要求，使其可以选用绝缘等级较低的器件，减少变流器成本和并降低变流器体积。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为现有技术提供的变流器的结构示意图；
图2为本申请实施例提供的变流器的结构示意图；
图3为本申请实施例提供的变流器的另一结构示意图；
图4为本申请实施例提供的变流器的另一结构示意图；
图5为本申请实施例提供的变流器的另一结构示意图；
图6为本申请实施例提供的变流器的另一结构示意图；
图7为本申请实施例提供的变流器的另一结构示意图；
图8为本申请实施例提供的变流器的另一结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本申请中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
如图1所示，采用某型号的二极管串联作为一个桥臂，所构成的三相不控整流电路，其交流侧(包括A1、B1、C1三相)接收电压为1900Vac，对这一交流电进行整流之后得到的电压约2700VDC；按照IEC1287标准，二极管模块对基板的绝缘电压应不小于
Figure BDA0004123024790000031
而其手册给出的绝缘电压为3000Vrms/1min，也即4242Vdc/1min，显然不满足此标准，需对整流桥进行改进使之满足相关标准。
因此，本申请提供一种变流器，以降低对半导体器件的绝缘要求。
参见图2，该变流器，包括：主电路10和散热器20；其中，主电路10中的功率器件(也即半导体器件)设置于散热器20上，其具体设置方式和位置布局均可参见现有技术，此处不做限定。
该主电路10可以是实现任意功率变换功能的电路，比如DC/DC变换电路、DC/AC变换电路、AC/DC变换电路或者AC/AC变换电路，而且各种功率变换电路的具体实现拓扑也不做限定，比如，该AC/DC变换电路具体可以是图3中所示的三相不控整流电路(其交流侧包括A1、B1、C1三相)，也可以是其他拓扑，视其具体应用环境而定即可，均在本申请的保护范围内。
而且，该主电路10电压最高的一侧，其预设中间电位固定于散热器20上，以使主电路10对散热器20的最大电压小于预设值；该预设值可以根据该变流器所需要满足的绝缘标准(比如IEC1287标准)而定，此处不做限定。
实际应用中，该预设中间电位可以是：一半电压所在电位、1/3电压所在电位、1/4电压所在电位或者其他任意电压所在电位，视其具体应用环境而定即可，均在本申请的保护范围内。
以图3所示的三相不控整流电路为例，该主电路10电压最高的一侧，即其直流侧；若该直流侧的电压为2700VDC，则可以取该直流侧的一半电压所在电位，也即1350VDC电压所在的电位，固定于散热器20上；当然，也可以选择其他任意电压所在电位，只要其电压低于该直流侧电压，使主电路10对散热器20的最大电压小于上述预设值，满足相应绝缘标准即可。
如图3所示，以取直流侧的一半电压所在电位作为该预设中间电位固定于散热器20上为例进行说明，即将该变流器的直流侧中点电位接散热器20，此时按照IEC1287标准，二极管模块对基板的绝缘电压应不小于
Figure BDA0004123024790000041
二极管的绝缘电压3000Vrms/1min也即4242Vdc/1min满足规范。
本实施例提供的该变流器，主电路10电压最高的一侧，其预设中间电位固定于散热器20上，以使主电路10对散热器20的最大电压小于预设值，保证变流器能够满足绝缘规范，避免了现有技术中在不满足绝缘规范时直接使用这些器件所带来的绝缘隐患，以及，对变流器进行电压降额使用时不能充分利用器件输出能力的问题；而且，本实施例降低了对功率器件的绝缘要求，同时还降低了变流器对于线缆的绝缘要求，进而可以选用绝缘等级较低的器件，减少了变流器成本和并降低变流器体积。
在上一实施例的基础之上，对于将该预设中间电位的来源，本实施例示例性的给出了一些具体实现形式，比如，其可以来源于主电路10的拓扑级联点，或者，其也可以来源于额外设置的分压电路的器件串联点；该分压电路具体连接于主电路10电压最高的一侧两极之间。
(1)该预设中间电位来源于主电路10的拓扑级联点。
此时，该主电路10包括：至少两个级联的功率变换模块；该拓扑级联点为：任意两个相邻功率变换模块之间的连接点。
图4以两个功率变换模块级联为例进行展示，且各功率变换模块为三相不控整流电路(其交流侧包括图中所示的A1、B1、C1三相，或者，A2、B2、C2三相，直流侧电压为U3dc)，两个功率变换模块之间的连接点，即该拓扑级联点，提供该预设中间电位，并固定于散热器20上。实际应用中，该三相不控整流电路中的各桥臂可以仅包括一个二极管(如图4所示)，也可以包括：至少两个串联连接的二极管(未进行图示)。
当该主电路10包括更多个级联的功率变换模块时，任意两个相邻功率变换模块之间的连接点，均可以作为该拓扑级联点，此处不做限定，视其具体应用环境而定即可，均在本申请的保护范围内。
(2)该预设中间电位来源于连接于主电路10电压最高一侧两极之间的分压电路，而且，该分压电路包括：至少两个串联连接的电容；该器件串联点为：任意两个相邻电容之间的连接点。
图5在图3的基础上，以两个电容C1和C2构成该分压电路30为例进行展示，两个电容C1和C2之间的连接点，即该器件串联点，提供该预设中间电位，并固定于散热器20上。两个电容C1和C2的容量可以相同也可以不同，当两者相同时，该预设中间电位两侧的电压U1dc和U2dc，均为该三相不控整流电路直流侧电压的一半；当两者不同时，该预设中间电位的电压将会与两者比值相关。
当该分压电路包括更多个串联连接的电容时，任意两个相邻电容之间的连接点，均可以作为该器件串联点，此处不做限定，视其具体应用环境而定即可，均在本申请的保护范围内。
(3)该预设中间电位来源于连接于主电路10电压最高一侧两极之间的分压电路，而且，该分压电路包括：至少两个串联连接的电阻；该分压电路的阻值大于预设阻值，以避免正常运行时的功率损耗；该器件串联点为：任意两个相邻电阻之间的连接点。
图6在图3的基础上，以两个电阻R1和R2构成该分压电路30为例进行展示，两个电阻R1和R2之间的连接点，即该器件串联点，提供该预设中间电位，并固定于散热器20上。两个电阻R1和R2的阻值可以相同也可以不同，当两者相同时，该预设中间电位两侧的电压U1dc和U2dc，均为该三相不控整流电路直流侧电压的一半；当两者不同时，该预设中间电位的电压将会与两者比值相关。
当该分压电路包括更多个串联连接的电阻时，任意两个相邻电阻之间的连接点，均可以作为该器件串联点，此处不做限定，视其具体应用环境而定即可，均在本申请的保护范围内。
(4)该预设中间电位来源于连接于主电路10电压最高一侧两极之间的分压电路，而且，该分压电路包括：并联连接的电阻支路和电容支路；该电容支路包括至少两个串联连接的电容；该电阻支路包括至少两个串联连接的电阻，电阻支路的阻值大于预设阻值；并且，电压相同的电容连接点和电阻连接点相连，作为该器件串联点；其中，电容连接点为：任意两个相邻电容之间的连接点；电阻连接点为：任意两个相邻电阻之间的连接点。
图7在图3的基础上，以两个电阻R1和R2构成该电阻支路，且两个电容C1和C2构成该电容支路为例进行展示；两个电容C1和C2之间的连接点，即该电容连接点；两个电阻R1和R2之间的连接点，即该电阻连接点；当R1:R2＝C1:C2时，该电容连接点与该电阻连接点的电压相同，两者相连作为该器件串联点，提供该预设中间电位，并固定于散热器20上。当R1＝R2且C1＝C2时，该预设中间电位两侧的电压U1dc和U2dc，均为该三相不控整流电路直流侧电压的一半；当该预设中间电位两侧的容量和阻值不同时，该预设中间电位的电压将会与相应参数的比值相关。
当该分压电路中电阻和/或电容的数量更多时，电阻和电容的数量可以相同，也可以不同，只要电压相同的电容连接点与电阻连接点，即可相连后作为该器件串联点，此处不做限定，视其具体应用环境而定即可，均在本申请的保护范围内。
需要说明的是，上述各图均以二极管构成的整流电路(也即AC/DC变换电路)为例进行展示，实际应用中并不仅限于整流电路，而且，其功率器件并不仅限于二极管，还可以是需要受控的开关管，视其具体应用环境而定即可，均在本申请的保护范围内。
本实施例以整流电路为例进行说明，通过拓扑的本身特性，或者额外增设的电阻和/或电容，将输出电压的一半(实际应用中还可以是1/3或1/4等)所在电位固定于散热器20上，从而减小了变流器主电路10对散热器20的最大电压，也即减小了变流器对半导体器件、线缆等的绝缘要求。
而且，上述电容分压方案(如图5所示)、大电阻分压方案(如图6所示)、阻容分压方案(如图7所示)和利用级联拓扑中点电位方案(如图4所示)，不仅可以应用于半导体器件不满足绝缘要求时，在半导体器件满足绝缘要求时，也可以采用上述几种分压方案(图8以大电阻分压方案提供一半电压所在电位为例进行展示)，从而进一步降低系统绝缘设计。只不过相比于另外几个方案(如图5至图7所示)中所示拓扑交流侧的电压Vac而言，图8所示拓扑交流侧的电压，可以与图4所示拓扑交流侧的电压相同，均为0.5Vac。
图3至图8中，仅以该主电路10可以包括：至少一个三相不控整流电路为例进行展示；此时，主电路10电压最高的一侧，为其直流侧。并且，当三相不控整流电路的个数大于1时(如图4所示)，各三相不控整流电路分别作为相应的功率变换模块级联。当三相不控整流电路的个数为1时，三相不控整流电路的各桥臂，分别包括：至少两个串联连接的二极管(如图3至图7所示)，或者，一个二极管(如图8所示)。各二极管的绝缘电压可以为3000Vrms/1min。
当该主电路10采用其他拓扑实现时，也可以通过上述原理降低对于半导体器件绝缘要求，此处不再一一赘述。
本说明书中的各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统或系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的系统及系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。
专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
对所公开的实施例的上述说明，本说明书中各实施例中记载的特征可以相互替换或者组合，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种变流器，其特征在于，包括：主电路和散热器；其中，
所述主电路中的功率器件设置于所述散热器上；
所述主电路电压最高的一侧，其预设中间电位固定于所述散热器上，以使所述主电路对所述散热器的最大电压小于预设值。
2.根据权利要求1所述的变流器，其特征在于，所述预设中间电位，来源于所述主电路的拓扑级联点，或者，来源于分压电路的器件串联点；所述分压电路连接于所述主电路电压最高的一侧两极之间。
3.根据权利要求2所述的变流器，其特征在于，所述主电路包括：至少两个级联的功率变换模块；
所述拓扑级联点为：任意两个相邻所述功率变换模块之间的连接点。
4.根据权利要求2所述的变流器，其特征在于，所述分压电路，包括：至少两个串联连接的电容；
所述器件串联点为：任意两个相邻所述电容之间的连接点。
5.根据权利要求2所述的变流器，其特征在于，所述分压电路，包括：至少两个串联连接的电阻；
所述分压电路的阻值大于预设阻值；
所述器件串联点为：任意两个相邻所述电阻之间的连接点。
6.根据权利要求2所述的变流器，其特征在于，所述分压电路，包括：并联连接的电阻支路和电容支路；
所述电容支路包括至少两个串联连接的电容；
所述电阻支路包括至少两个串联连接的电阻；所述电阻支路的阻值大于预设阻值；
电压相同的电容连接点和电阻连接点相连，作为所述器件串联点；
所述电容连接点为：任意两个相邻所述电容之间的连接点；
所述电阻连接点为：任意两个相邻所述电阻之间的连接点。
7.根据权利要求1至6任一项所述的变流器，其特征在于，所述预设中间电位为：一半电压所在电位、1/3电压所在电位或者1/4电压所在电位。
8.根据权利要求1至6任一项所述的变流器，其特征在于，所述主电路包括：至少一个三相不控整流电路；
所述三相不控整流电路的个数大于1时，各所述三相不控整流电路分别作为相应的功率变换模块级联；
所述主电路电压最高的一侧，为其直流侧。
9.根据权利要求8所述的变流器，其特征在于，所述三相不控整流电路的个数为1时，所述三相不控整流电路的各桥臂，分别包括：至少两个串联连接的二极管，或者，一个二极管。
10.根据权利要求9所述的变流器，其特征在于，所述二极管的绝缘电压为3000Vrms/1min。
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