專利名稱：一種高壓直流到交流變換的換流器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體變流器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，尤其涉及一種應(yīng)用于高壓輕型直流輸電(HVDC-Light)系統(tǒng)中，將高壓直流電能轉(zhuǎn)換為正弦交流電能的一種高壓直流到交流變換的換流器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)高壓直流輸電系統(tǒng)使用的直流到交流變換的換流器是基于晶閘管的電流源型換流器，其開關(guān)頻率為工頻，電流諧波頻率低且含量高，需要大容量的濾波器來限制注入交流電網(wǎng)的電流諧波；而高壓輕型直流輸電技術(shù)，突出了全控型電力電子器件、電壓源換流器和脈沖調(diào)制技術(shù)三大特點(diǎn)，相比于傳統(tǒng)高壓直流輸電技術(shù)具有如下優(yōu)點(diǎn)1、可以實(shí)現(xiàn)有功功率和無功功率的獨(dú)立控制，無需額外的無功補(bǔ)償；2、可以對無源交流系統(tǒng)進(jìn)行供電；3、輸出波形中的諧波處于I千赫茲以上且含量低，濾波器容易制作。 根據(jù)高壓輕型直流輸電技術(shù)的特點(diǎn)，在風(fēng)力及分布式發(fā)電并網(wǎng)、交流系統(tǒng)的異步互聯(lián)、城市配電網(wǎng)增容、孤島及海上鉆井平臺供電等領(lǐng)域，獲得了越來越多的應(yīng)用。伴隨著電力電子技術(shù)的快速發(fā)展以及大功率全控型器件性價比的不斷提高，高壓輕型直流輸電正成為未來直流輸電技術(shù)的發(fā)展方向，甚至在一定范圍內(nèi)取代傳統(tǒng)高壓直流輸電。目前，高壓輕型直流輸電系統(tǒng)中，將高壓直流電能轉(zhuǎn)換為正弦交流電能的換流器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，主要是圖I所示的兩電平換流器，和圖2所示的模塊化多電平換流器，二者使用的功率開關(guān)器件都是絕緣柵雙極晶體管IGBT，或其它場控器件。其中，圖I所示的兩電平換流器，存在如下不足1、輸出為脈寬調(diào)制的兩電平波形，有非常高的電壓時間變化率dv/dt，需要使用濾波器才能還原出正弦波及抑制高的電壓時間變化率；2、目前，高壓輕型直流輸電系統(tǒng)中IGBT的開關(guān)頻率在I千赫茲至3千赫茲之間，且工作在硬開關(guān)的工作狀態(tài)下。為將串聯(lián)應(yīng)用的每個IGBT的集射(集電極、發(fā)射極)兩端電壓限制在安全的范圍內(nèi)(通常為其耐壓限值的70%以內(nèi))，每個IGBT兩端并聯(lián)有動靜態(tài)均壓吸收電路(按其功能來說，也稱限壓電路)。在千赫茲級的開關(guān)頻率和硬開關(guān)的工作狀態(tài)下，限壓電路的設(shè)計(jì)和制作難度較大，功耗也較大。例如，在現(xiàn)有技術(shù)的兩電平換流器中，換流閥中串聯(lián)的IGBT在當(dāng)前工頻負(fù)載電流瞬時值的條件下實(shí)現(xiàn)截止到導(dǎo)通、和導(dǎo)通到截止的轉(zhuǎn)換，其轉(zhuǎn)換期間電流的周期平均值為IoX2 占A，其中Io為負(fù)載電流有效值，^為圓周率3. 14，在串聯(lián)的IGBT開關(guān)不同步的時間(如I微秒)內(nèi)，負(fù)載電流流進(jìn)動靜態(tài)均壓吸收電路，并需要在一個開關(guān)周期內(nèi)消耗掉該流入的能量，以防止電壓累積上升。若動靜態(tài)均壓限制電壓值Vc為1000伏，負(fù)載電流Io有效值為1000安，IGBT開關(guān)頻率Fs為1500赫茲，IGBT開關(guān)不同步的時間Td為I微秒，則動靜態(tài)均壓吸收電路的周期平均損耗Pc = VcXIoX2 % 2 /τι XTdXFs =1350瓦。對于批量制造的產(chǎn)品，功率開關(guān)不同步出現(xiàn)的位置是隨機(jī)的，所以每個IGBT兩端并聯(lián)的動靜態(tài)均壓吸收電路都要按此功耗來設(shè)計(jì)。
圖2所示的模塊化多電平換流器，需要采取措施將各個子模塊SM中電容電壓維持在相同定值，才能輸出失真度低的波形和保證各個模塊的安全，這極大地增加了控制電路的設(shè)計(jì)難度，是實(shí)際應(yīng)用中的技術(shù)瓶頸(參見中國版圖書ISBN978-7-5083-8953-0，《基于電壓源換流器的高壓直流輸電技術(shù)》第71頁，中國電力出版社，2009年)。圖I所示的兩電平換流器和圖2所示的模塊化多電平換流器，在需要電氣隔離，或者輸入電壓和輸出電壓之間不匹配(如輸入100千伏直流、輸出10千伏交流)的情況下，需要使用體積大的工頻變壓器，才能實(shí)現(xiàn)電平匹配和獲得較好的器件工況。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明解決的技術(shù)問題是規(guī)避模塊化多電平換流器中的控制電路設(shè)計(jì)難度大的問題，解決兩電平換流器中IGBT在硬開關(guān)工作狀態(tài)下動靜態(tài)均壓吸收電路的設(shè)計(jì)和制作難度大、同時功耗也較大的問題，采用成熟的技術(shù)，將多種成熟可靠的功能拓?fù)溥M(jìn)行新的組合，形成新的換流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)將高壓直流電能轉(zhuǎn)換為正弦交流電能的功能，降低換流器的制作難度和提高可靠性。同時，本發(fā)明還克服現(xiàn)有技術(shù)中，在需要電氣隔離、或者輸入 電壓和輸出電壓之間不匹配的情況下，需要使用體積大的工頻變壓器等技術(shù)問題。本發(fā)明采用的技術(shù)方案是，一種高壓直流到交流變換的換流器，包括直流到直流變換(DC/DC)輸入級和直流到交流變換(DC/AC)逆變級，其特征在于所述的DC/DC輸入級由諧振型軟開關(guān)變換器構(gòu)成，該變換器中的高頻變壓器次級有獨(dú)立的NX 3個繞組，各繞組的輸出電壓都經(jīng)過整流和電容儲能，共形成NX3個相互隔離的、等值的獨(dú)立直流電源；所述的DC/AC逆變級由NX 3個功率單元構(gòu)成，每個功率單元都由單相全橋式逆變器構(gòu)成，其直流輸入端各連接一個所述的獨(dú)立直流電源，每N個功率單元的交流輸出端依次串聯(lián)構(gòu)成換流器交流輸出的一相，三相按照星型(也稱Y型)方式連接構(gòu)成三相交流輸出。本發(fā)明的第一種進(jìn)一步技術(shù)方案是所述DC/DC輸入級的諧振型軟開關(guān)變換器，是LC串聯(lián)諧振型零電流開關(guān)半橋變換器(或全橋變換器)，包括2個換流閥連接成半橋，其輸出端依次串聯(lián)諧振電感、高頻變壓器初級、諧振電容連接到高壓直流的負(fù)端(或另外2個換流閥連接成半橋的輸出端)，所述的換流閥構(gòu)成的半橋的高、低電壓端分別連接高壓直流的正、負(fù)端。每個換流閥都由多個功率開關(guān)器件串聯(lián)組成，每個功率開關(guān)器件的兩端并聯(lián)有由RCD (電阻、電容、二極管)構(gòu)成的限壓電路，以及反并聯(lián)二極管。換流閥的開關(guān)周期大于諧振周期的2倍。其中的RCD限壓電路(包括后續(xù)提到的)和反并聯(lián)二極管的連接關(guān)系，是一致的，所述的RCD限壓電路由放電電阻R、能量暫存電容C和箝位二極管D組成，其中所述的放電電阻、能量暫存電容并聯(lián)后，一端連接反并聯(lián)二極管的陽極，另一端連接箝位二極管的陰極，所述箝位二極管的陽極連接反并聯(lián)二極管的陰極。本發(fā)明的第二種進(jìn)一步技術(shù)方案，所述DC/DC輸入級的諧振型軟開關(guān)變換器，是LLC串聯(lián)諧振型零電壓開關(guān)半橋變換器(或全橋變換器)，包括2個換流閥連接成的半橋，其輸出端依次串聯(lián)諧振電感、高頻變壓器初級繞組、諧振電容連接到高壓直流的負(fù)端(或另外2個換流閥連接成半橋的輸出端)，所述的換流閥構(gòu)成的半橋的高、低電壓端分別連接高壓直流的正、負(fù)端，還包括高頻變壓器初級繞組等效的勵磁電感。每個換流閥由多個功率開關(guān)器件串聯(lián)組成，每個功率開關(guān)器件的兩端并聯(lián)有吸收電容、由RCD構(gòu)成的限壓電路，以及反并聯(lián)二極管。換流閥的開關(guān)頻率稍高于諧振頻率，也即開關(guān)周期短于諧振周期。本發(fā)明的第三種進(jìn)一步技術(shù)方案，所述DC/DC輸入級的諧振型軟開關(guān)變換器，是帶諧振電容電壓箝位的LLC串聯(lián)諧振型零電壓開關(guān)半橋變換器，包括2個換流閥連接成的半橋，其輸出端依次串聯(lián)諧振電感、高頻變壓器初級、諧振電容連接到高壓直流的負(fù)端，所述的換流閥構(gòu)成的半橋的高、低電壓端分別連接高壓直流的正、負(fù)端，還包括高頻變壓器初級等效的勵磁電感，由高頻變壓器所用的鐵芯所開氣隙的長度來調(diào)節(jié)電感量到需要的大小，還包括對諧振電容電壓進(jìn)行箝位的2個箝位二極管閥，其中所述的箝位二極管閥中的一個和諧振電容并聯(lián)，其陽極端連接高壓直流的負(fù)端，另一個箝位二極管閥的陰極端連接高壓直流的正端，其陽極端連接前一個箝位二極管閥的陰極；所述的每個箝位二極管閥都由多個二極管同向連接而成；所述的每個換流閥都由·多個功率開關(guān)器件同方向串聯(lián)組成，每個功率開關(guān)器件的兩端并聯(lián)有吸收電容、由RCD構(gòu)成的限壓電路，以及反并聯(lián)二極管。換流閥的開關(guān)頻率約等于諧振頻率。本發(fā)明的進(jìn)一步技術(shù)方案是所述DC/DC輸入級的諧振型軟開關(guān)變換器，其中的諧振電感是由可飽和電感、常規(guī)(不飽和)電感串聯(lián)構(gòu)成。本發(fā)明的進(jìn)一步技術(shù)方案是所述換流閥中的功率開關(guān)器件是絕緣柵雙極晶體管IGBT,或者是功率場效應(yīng)管POWER MOSFET等，或門極可關(guān)斷晶閘管GT0，或集成門極換流晶閘管IGCT，或巨型晶體管GTR。本發(fā)明提供的高壓直流到交流變換的換流器由DC/DC輸入級、DC/AC逆變級串接構(gòu)成，其技術(shù)效果是DC/DC輸入級中換流閥工作在軟開關(guān)即零電壓或零電流條件下，換流閥中功率開關(guān)器件的動靜態(tài)均壓容易實(shí)現(xiàn)，功耗較低；DC/DC輸入級中包含高頻變壓器，實(shí)現(xiàn)電氣隔離和電平轉(zhuǎn)換，不需要額外的工頻變壓器。DC/AC逆變級輸出采用功率單元串聯(lián)架構(gòu)，可采用成熟的載波移相調(diào)制或載波層疊調(diào)制等控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)容易；DC/AC逆變級是多電平輸出，電壓變化率低，輸出波形好，濾波器容量小，部分場合(如電機(jī)驅(qū)動)不用濾波就可使用。


圖I為現(xiàn)有技術(shù)之一的兩電平換流器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 圖2為現(xiàn)有技術(shù)之二的模塊化多電平換流器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 圖3(A)是本發(fā)明實(shí)施例的一種高壓直流到交流變換的換流器結(jié)構(gòu) 圖3(B)是圖3㈧中換流閥HLF、功率單元PU的內(nèi)部典型結(jié)構(gòu) 圖4為圖3所述的一種高壓直流到交流變換的換流器中DC/DC輸入級實(shí)施例之一的一種LC串聯(lián)諧振型零電流開關(guān)半橋變換器；
圖5為圖4中主要電量的波形 圖6為圖3所述的一種高壓直流到交流變換的換流器中DC/DC輸入級實(shí)施例之二的一種LLC串聯(lián)諧振型零電壓開關(guān)半橋變換器；
圖7為圖6中主要電量的波形 圖8為圖3所述的一種高壓直流到交流變換的換流器中DC/DC輸入級實(shí)施例之三的一種帶諧振電容電壓箝位的LLC串聯(lián)諧振型零電壓開關(guān)半橋變換器；
圖9為圖4的一種LC串聯(lián)諧振型零電流開關(guān)半橋變換器中，諧振電感Lr是由可飽和電感、常規(guī)(不飽和)電感串聯(lián)構(gòu)成時的主要電量的波形圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合具體實(shí)施例，對本發(fā)明技術(shù)方案作進(jìn)一步說明。
(一)本發(fā)明實(shí)施例的一種高壓直流到交流變換的換流器。如圖3所示，本發(fā)明的實(shí)施例，一種高壓直流到交流變換的換流器，包括直流到直流變換(DC/DC)輸入級和直流到交流變換(DC/AC)逆變級，其中DC/DC輸入級由諧振型軟開關(guān)變換器構(gòu)成，該變換器中的高頻變壓器BYQ-Tl次級有獨(dú)立的NX 3個繞組，各繞組的輸出電壓都經(jīng)過整流和電容儲能，共形成NX3個相互隔離的、等值的獨(dú)立直流電源(編號從DCA1、DCA2、…、到 DCAn,從 DCB1、DCB2、…、到 DCBn,從 DCC1、DCC2、…、到 DCCn,總共 NX 3個)；其中，DC/AC逆變級由NX 3個功率單元PU構(gòu)成，每個功率單元PU都由單相全橋式逆變器構(gòu)成，其直流輸入端各連接一個所述的獨(dú)立直流電源，每N個功率單元的交流輸出端依次串聯(lián)構(gòu)成換流器交流輸出的一相，三相按照星型(也稱Y型)方式連接構(gòu)成三相交流輸 出UA、UB、UC，其中獨(dú)立直流電源DCA1、DCA2、…、到DCAn，供電給UA相的功率單元，獨(dú)立直流電源DCBI、DCB2、…、到DCBn，供電給UB相的功率單元，獨(dú)立直流電源DCCl、DCC2、…、到DCCn，供電給UC相的功率單元。上述的高壓直流到交流變換的換流器中，DC/AC逆變級采用的是成熟的功率單元串聯(lián)拓?fù)浼軜?gòu)。每個功率單元都由單相全橋式逆變器構(gòu)成，內(nèi)部使用的功率開關(guān)器件不串聯(lián)，不存在與器件串聯(lián)關(guān)聯(lián)的技術(shù)難題；同時，每個功率單元采用等值的、隔離的獨(dú)立電源供電，單元電壓天然保證，不需要逆變控制上面采取特別措施，逆變控制可采用成熟的載波移相調(diào)制或載波層疊調(diào)制等脈寬調(diào)制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)簡單、容易；DC/AC逆變級是多電平輸出，輸出電壓變化率低，波形接近正弦波，簡單濾波就能獲得低失真度的正弦波形，部分場合甚至不用濾波就可使用，如電機(jī)驅(qū)動。由于使用的是成熟的技術(shù)，這里不再贅述DC/AC逆變級的工作原理。所述的高壓直流到交流變換的換流器中，DC/DC輸入級中包含高頻變壓器，可以實(shí)現(xiàn)電氣隔離和電平轉(zhuǎn)換，不需要額外的工頻變壓器。所述的高壓直流到交流變換的換流器中，DC/DC輸入級采用的是諧振軟開關(guān)拓?fù)浼軜?gòu)，在低壓開關(guān)電源中也是普遍采用的，但是在低壓開關(guān)電源中換流閥由單個功率開關(guān)器件構(gòu)成，現(xiàn)在用于高壓輕型直流輸電場合，換流閥是由多個功率開關(guān)器件串聯(lián)組成，其動靜態(tài)均壓如何保證，需要特別關(guān)注。下面先簡單描述一下功率開關(guān)器件串聯(lián)應(yīng)用的核心技術(shù)難題，也即均壓問題，包括靜態(tài)均壓、動態(tài)均壓。均壓是通過在每個功率開關(guān)器件兩端并聯(lián)限壓電路(或稱動靜態(tài)均壓吸收電路)來實(shí)現(xiàn)的，目的是確保每個功率開關(guān)器件的兩端電壓在安全限值內(nèi)，比如在其耐壓限值的70%以內(nèi)，此安全限值也稱為均壓目標(biāo)值。靜態(tài)是指串聯(lián)的全部功率開關(guān)器件處于穩(wěn)態(tài)的導(dǎo)通和截止?fàn)顟B(tài)。處于穩(wěn)態(tài)的導(dǎo)通狀態(tài)時，器件兩端電壓在數(shù)伏之內(nèi)，不存在過壓的危險(xiǎn)。處于穩(wěn)態(tài)的截止?fàn)顟B(tài)時，串聯(lián)的功率開關(guān)器件中器件漏電流小的承受較高的電壓，因?yàn)槁╇娏餍∫馕吨刃щ娮韪撸?lián)支路中高電阻器件兩端將承受較高的電壓。由于一般功率開關(guān)器件的截止時漏電流很小，在毫安級，只要毫安級漏電流在限壓電路(和對應(yīng)的功率開關(guān)器件并聯(lián))中的放電電阻上形成的壓降不超過功率開關(guān)器件的安全限值，就實(shí)現(xiàn)了截止?fàn)顟B(tài)時的均壓，附加的功耗在瓦級，設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)都沒有難度。后續(xù)說明將不再贅述靜態(tài)均壓問題。動態(tài)是指功率開關(guān)器件發(fā)生狀態(tài)轉(zhuǎn)換的短暫過程，包括由導(dǎo)通轉(zhuǎn)變?yōu)榻刂沟倪^程、由截止轉(zhuǎn)變?yōu)閷?dǎo)通的過程。由于功率開關(guān)器件和其控制電路的參數(shù)具有離散性，還包括溫度敏感性和時變性，功率開關(guān)器件的開通過程、關(guān)斷過程的時間長短可能不一致，會造成開通過程較長、關(guān)斷過程較短的功率開關(guān)器件承受“相對較高的電壓”。限壓電路的任務(wù)是限制前述“相對較高的電壓”的幅度，確保每個功率開關(guān)器件的兩端電壓在安全限值內(nèi)。值得特別指出的是，本發(fā)明中的換流閥在軟開關(guān)即零電壓或零電流條件下轉(zhuǎn)換開關(guān)狀態(tài)，換流閥中功率開關(guān)器件的動靜態(tài)均壓容易實(shí)現(xiàn)，而且功耗較低。具體理由在后續(xù)的實(shí)施例中詳細(xì)說明。
(二)一種高壓直流到交流變換的換流器中的DC/DC輸入級實(shí)施例之一的一種LC串 聯(lián)諧振型零電流開關(guān)半橋變換器。 如圖4所示，圖3所述的一種高壓直流到交流變換的換流器中的DC/DC輸入級的諧振型軟開關(guān)變換器，是一種LC串聯(lián)諧振型零電流開關(guān)半橋變換器，包括2個換流閥(HLF-K HLF-2)連接成的半橋，其輸出端01依次串聯(lián)諧振電感Lr、高頻變壓器BYQ-Tl初級、諧振電容Cr連接到高壓直流的負(fù)端DC-，所述的換流閥構(gòu)成的半橋的高、低電壓端分別連接高壓直流的正、負(fù)端。每個換流閥分別由多個功率開關(guān)器件Q1、Q2、…、Qn串聯(lián)組成，每個功率開關(guān)器件兩端并聯(lián)有限壓電路，以及反并聯(lián)二極管。為敘述的方便，以功率開關(guān)器件Ql為例說明和限壓電路、反并聯(lián)二極管等的連接方式，其余以此類推。例如，所述的功率開關(guān)器件Ql的高電壓端(如絕緣柵雙極晶體管IGBT的集電極C等)、低電壓端(如絕緣柵雙極晶體管IGBT的發(fā)射極E等)分別連接反并聯(lián)二極管Dll的陰極、陽極；所述限壓電路中的放電電阻R1、能量暫存電容Cl并聯(lián)后，一端連接反并聯(lián)二極管Dll的陽極，另一端連接箝位二極管Dl的陰極，箝位二極管Dl的陽極連接反并聯(lián)二極管Dll的陰極。下面結(jié)合波形圖說明換流閥中的功率開關(guān)器件的動態(tài)均壓的實(shí)現(xiàn)。圖5為圖4中主要電量的波形圖，和低壓LC串聯(lián)諧振型零電流開關(guān)半橋變換器的典型波形一致(參見中國版圖書ISBN7-03-007766-0，《直流開關(guān)電源的軟開關(guān)技術(shù)》第69頁，科學(xué)出版社，2000年)。如圖5所示，其中QD1、QD2分別是換流閥HLF-1、換流閥HLF-2的控制信號，高電平表示換流閥受控導(dǎo)通，低電平表示換流閥受控截止；V01是輸出點(diǎn)01相對于高壓直流負(fù)DC-的電壓，Vin是高壓直流正負(fù)之間(DC+、DC-之間)的電壓，諧振電流iLr是諧振電感Lr的電流，箝位電流iDl是流入限壓電路的電流。諧振周期Tr由諧振電感Lr、諧振電容Cr確定,長度為t4_t0,換流閥的開關(guān)周期超過諧振周期Tr的2倍，實(shí)現(xiàn)零電流開關(guān)控制。為敘述的方便，假定換流閥HLF-I中開通過程較長、關(guān)斷過程較短的功率開關(guān)器件都是Ql。對于其它情形，可以對照理解，結(jié)論是相同的。I. t0—tl 時間段
如圖5所示，在時刻t0，換流閥HLF-I在控制信號QDl的作用下導(dǎo)通，高壓直流電源Vin通過換流閥HLF-I、諧振電感Lr、高頻變壓器BYQ-TI的初級、諧振電容Cr，形成電流通路，產(chǎn)生諧振電流iLr，大小自O(shè)開始按照正弦規(guī)律上升。功率開關(guān)器件Ql開通過程較長，直到tl時刻才進(jìn)入完全導(dǎo)通狀態(tài)。在t0 — tl時間段，功率開關(guān)器件Ql未導(dǎo)通，諧振電流iLr將進(jìn)入電壓限制電路，其波形如圖5中箝位電流iDl所示，流過 箝位二極管Dl、能量暫存電容Cl，導(dǎo)致電容Cl兩端電壓上升，可選擇電容Cl的合適容值，使上升到的最大值仍然低于功率開關(guān)器件Ql的安全限值。此段時間內(nèi)，功率開關(guān)器件Ql兩端電壓約為電容Cl兩端電壓(僅相差一個箝位二極管Dl的正向?qū)妷海?V以內(nèi))。在一個開關(guān)周期的剩余時間內(nèi)，能量暫存電容Cl通過放電電阻Rl放電。為防止電容Cl電壓的逐步累積，合理選擇電阻Rl的數(shù)值，使電容Cl電壓能恢復(fù)到功率開關(guān)器件Ql開通前的數(shù)值。由于本發(fā)明中功率開關(guān)器件Ql導(dǎo)通時的電流值比較小，需要暫存與消耗的能量也較小，有效降低了電壓限制電路的設(shè)計(jì)難度，實(shí)現(xiàn)容易。具體效果在工作過程描述完后詳細(xì)說明。2. tl—t2 時間段
如圖5所示，tl—12時間段內(nèi)，高壓直流電源Vin通過換流閥HLF-1、諧振電感Lr、高頻變壓器BYQ-Tl的初級、諧振電容Cr，繼續(xù)諧振，到t2時刻，達(dá)到諧振半周期，諧振電流iLr幅值為O。3. t2—13 時間段
如圖5所示，過了諧振半周期即t2時刻以后，高壓直流電源Vin通過換流閥HLF-1、諧振電感Lr、高頻變壓器BYQ-Tl的初級、諧振電容Cr,繼續(xù)諧振,諧振電流iLr發(fā)生方向改變，按正弦規(guī)律反方向增大，到t3時刻換流閥HLF-I中各功率開關(guān)器件反并聯(lián)的二極管導(dǎo)通，此時關(guān)斷功率開關(guān)器件是零電流、零電壓關(guān)斷，不產(chǎn)生關(guān)斷損耗，延遲期間的電流值、電壓值都近似為0，沒有電流進(jìn)入電壓限制電路，不對其提出附加要求。也沒有動態(tài)均壓的問題。3. t3—14 時間段
如圖5所示，諧振電流iLr繼續(xù)保持負(fù)方向，直到t4時刻諧振周期結(jié)束，諧振電流iLr歸于O。4. t4—15 時間段
如圖5所示，換流閥中功率開關(guān)器件都處于截止?fàn)顟B(tài)，相當(dāng)于前述的靜態(tài)，相關(guān)問題已經(jīng)表述，不再重復(fù)。到t5時刻，導(dǎo)通的換流閥變更為HLF-2，與前述的換流閥為HLF-I時的情況一致，可以對照理解。下面采用和現(xiàn)有技術(shù)之一的兩電平換流器同等功率輸出、同等器件離散性等條件，來估算本實(shí)施例中電壓限制電路的損耗。在現(xiàn)有技術(shù)中，Vin是高壓直流正負(fù)之間的電壓，也是每相輸出正弦電壓的峰峰值，每相輸出電壓有效值Vo =Vin/2 -J2，負(fù)載電流有效值為Io，按照功率因數(shù)為I來計(jì)算三相最大總輸出功率Po = 3X VoX Ιο。本實(shí)施例中，半橋變換器的輸出功率約為Vin/2XIav，其中Iav為諧振電流iLr的絕對值在t5-t0之間的平均值，按功率對等的關(guān)系3XVoXIo = Vin/2XIav，得到Iav =3 X Io/ 占。若設(shè)定換流閥的開關(guān)周期是諧振周期的2. 2倍，時間段t5_t0為開關(guān)半周期，應(yīng)為諧振周期t4-t0的I. I倍，是諧振半周期t2-t0的2. 2倍，即(t5-t0) = 2. 2X (t2_t0)。如圖5所示，考慮到諧振前半周期(見圖5中t0_t2區(qū)間)的諧振電流iLr較大且占據(jù)比較大的分量，流入電壓限制電路的電流iDl和tO-tl時間段的諧振電流iLr的一致，所以按最不利的情況來分析一即假定諧振周期的后半周期iLr為0，所有輸出功率在諧振的前半周期傳遞，也就是諧振電流iLr近似為半波正弦波，其半波時間長度為t2-t0，在t2-t0之間的平均值和t5-t0之間的平均值Iav —致?？梢?，最不利的情況下，諧振電流iLr的峰值Ip滿足以下關(guān)系ΙρΧ2/ π X (t2_t0) = IavX (t5_t0),求解得到Ip =
IavX 3i /2X (t5-t0)/ (t2_t0) = 3XIo/ X π /2X2. 2 = 7.3X Io。箝位電流 iDl 在 tl_tO 之間的均值 iDlav 約等于 O. 5X IpX sin (2X η X (tl_tO) / (t4_t0))。若換流閥的開關(guān)頻率Fs為1500赫茲，開關(guān)周期是667微秒，諧振周期為667/2. 2=303微秒。若動靜態(tài)均壓目標(biāo)值Vc為1000伏，現(xiàn)有技術(shù)拓?fù)渲腥嘭?fù)載電流Io為1000安，IGBT開關(guān)不同步的時間Td為I微秒，則電壓限制電路的周期平均損耗Pc =VcXiDlavXTdXFs =1000X0. 5X7. 3X1000Xsin (2X3. 14X 1/303)X 1/1000000X 1500=114瓦。相比于現(xiàn)有技術(shù)中的1350瓦，其下降的幅度明顯，損耗不及原值的1/10。可見，本發(fā)明的一種高壓直流到交流變換的換流器中的DC/DC輸入級實(shí)施例之一的一種LC串聯(lián)諧振型零電流開關(guān)半橋變換器，功率開關(guān)器件Ql由截止到導(dǎo)通的轉(zhuǎn)換延遲期間的電流值比較小，電壓限制電路需要暫存與消耗的能量也較小，有效降低了設(shè)計(jì)難度，實(shí)現(xiàn)也容易；功率開關(guān)器件Ql由導(dǎo)通到截止的轉(zhuǎn)換是零電流、零電壓關(guān)斷，沒有電流進(jìn)入電壓限制電路，不對其提出附加要求。也沒有動態(tài)均壓的問題。
(三)一種高壓直流到交流變換的換流器中DC/DC輸入級實(shí)施例之二的一種LLC串聯(lián)諧振型零電壓開關(guān)半橋變換器。如圖6所示，圖3所述的一種高壓直流到交流變換的換流器中的DC/DC輸入級的諧振型軟開關(guān)變換器，是一種LLC串聯(lián)諧振型零電壓開關(guān)半橋變換器，包括2個換流閥(HLF-l、HLF-2)連接成的半橋，其輸出端01依次串聯(lián)諧振電感Lr、高頻變壓器BYQ-Tl的初級、諧振電容Cr連接到高壓直流的負(fù)端DC-，所述的換流閥構(gòu)成的半橋的高、低電壓端分別連接高壓直流的正、負(fù)端，還包括高頻變壓器初級的等效勵磁電感Lp。每個換流閥分別由多個功率開關(guān)器件Q1、Q2、…、Qn串聯(lián)組成，每個功率開關(guān)器件兩端并聯(lián)有吸收電容，以及反并聯(lián)二極管、限壓電路。為敘述的方便，以功率開關(guān)器件Ql為例說明和限壓電路、反并聯(lián)二極管、吸收電容等的連接方式，其余以此類推。例如，前述的功率開關(guān)器件Ql的高電壓端(如絕緣柵雙極晶體管IGBT的集電極C)、低電壓端(如絕緣柵雙極晶體管IGBT的發(fā)射極E)分別連接反并聯(lián)二極管Dll的陰極、陽極；所述限壓電路中的放電電阻R1、能量暫存電容Cl并聯(lián)后，一端連接反并聯(lián)二極管Dll的陽極，另一端連接箝位二極管Dl的陰極，箝位二極管Dl的陽極連接反并聯(lián)二極管Dll的陰極。所述吸收電容Cll并接在功率開關(guān)器件Ql的高、低電壓端之間。下面結(jié)合波形圖說明換流閥中的功率開關(guān)器件的動態(tài)均壓的實(shí)現(xiàn)。
圖7為圖6中主要電量的波形圖，和低壓LLC串聯(lián)諧振型零電壓開關(guān)半橋變換器的典型波形圖一致(參見中國版圖書ISBN7-03-007766-0，《直流開關(guān)電源的軟開關(guān)技術(shù)》第74頁，科學(xué)出版社，2000年)。如圖7所示，其中QD1、QD2分別是換流閥HLF-1、換流閥HLF-2的控制信號，高電平表示換流閥受控導(dǎo)通，低電平表示換流閥受控截止；V01是輸出點(diǎn)01相對于高壓直流負(fù)DC-的電壓，Vin是高壓直流正負(fù)之間(DC+、DC-之間)的電壓，諧振iLr是諧振電感Lr的電流，箝位電流iDl是進(jìn)入限壓電路和吸收電容的總電流。諧振周期Tr由諧振電感Lr、諧振電容Cr確定,諧振半周期長度為t4_t0,換流閥的開關(guān)周期稍短于諧振周期Tr，實(shí)現(xiàn)零電壓開關(guān)控制。為敘述的方便，假定換流閥HLF-I中開通過程較長、關(guān)斷過程較短的功率開關(guān)器件都是Ql。對于其它情形，可以對照理解，結(jié)論是相同的。
I. t0—tl 時間段
如圖7所示，在時刻t0，換流閥HLF-I在控制信號QDl的作用下導(dǎo)通，高壓直流電源Vin通過換流閥HLF-I、諧振電感Lr、高頻變壓器BYQ-TI的初級、諧振電容Cr，形成電流通路，產(chǎn)生諧振電流iLr，大小自O(shè)開始按照正弦規(guī)律上升。所有的功率開關(guān)器件，包括Ql都處于導(dǎo)通期間，吸收電容Cll兩端電壓基本上為O。在整個開關(guān)工作周期中，構(gòu)成換流閥HLF-I的功率開關(guān)器件是在零電流、零電壓條件下，完成從截止到導(dǎo)通的狀態(tài)轉(zhuǎn)換的，沒有箝位電流流入限壓電路，對限壓電路的工作沒有附加影響。這種情形在說明換流閥HLF-2從截止到導(dǎo)通的狀態(tài)轉(zhuǎn)換時詳細(xì)說明，因?yàn)?個換流閥的工作情形一致。到時刻tl，諧振已經(jīng)接近1/2周期，諧振電流iLr的值為較小的正值，而且是處于向零逼近的過程中。2. tl—12 時間段
如圖7所示，在tl時刻，換流閥HLF-I在控制信號QDl的作用下由導(dǎo)通轉(zhuǎn)換為關(guān)斷，過程中功率器件陸續(xù)關(guān)斷，直到t2時刻全部關(guān)斷。據(jù)假設(shè)，功率開關(guān)器件Ql先行關(guān)斷，諧振電流iLr流入吸收電容和限壓電路并聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)，波形如箝位電流iDl所示。功率開關(guān)器件Ql剛關(guān)斷，諧振電流iLr先流向吸收電容Cl I，導(dǎo)致其兩端電壓上升，若吸收電容Cl I兩端電壓上升到超過能量暫存電容Cl上的電壓后，大部分的諧振電流iLr將流入能量暫存電容Cl中，因?yàn)殡娙軨l的取值遠(yuǎn)大于吸收電容C11，進(jìn)一步限制電壓的上升速度。選擇合適的吸收電容CU、能量暫存電容Cl的容值，使得tl-t2時間段，吸收電容Cll兩端電壓上升到的最大值仍然低于功率開關(guān)器件Ql的安全限值。在一個開關(guān)周期的剩余時間內(nèi)，即tl-t2時間段以外的時間，能量暫存電容Cl通過放電電阻Rl放電。為防止電容Cl電壓的逐步累積，合理選擇電阻Rl的數(shù)值，使電容Cl電壓能恢復(fù)到功率開關(guān)器件Ql關(guān)斷前的數(shù)值。由于本發(fā)明中功率開關(guān)器件Ql關(guān)斷時的電流值比較小，需要暫存與消耗的能量也較小，有效降低了電壓限制電路的設(shè)計(jì)難度，實(shí)現(xiàn)容易。具體計(jì)算過程和第(二)節(jié)相仿，不再重述。此時間段，諧振電流iLr將抽走換流閥HLF-2中功率開關(guān)器件兩端并聯(lián)的吸收電容的存儲電荷，直至其為零。到時刻t2，換流閥HLF-I已經(jīng)完全關(guān)斷。 3. t2—13 時間段
如圖7所示，諧振電流iLr維持正方向不變，換流閥HLF-2中的反并聯(lián)二極管導(dǎo)通續(xù)流。換流閥HLF-2中功率開關(guān)器件兩端電壓近似為O。4. t3—14 時間段
到t3時刻，換流閥HLF-2在驅(qū)動信號QD2的作用下開通，由于換流閥HLF-2中功率開關(guān)器件是在零電壓、零電流條件下導(dǎo)通，不存在動態(tài)均壓的問題。到t4時刻，進(jìn)入另外半個開關(guān)周期，情形和t0時刻相仿，不再重述?？梢?，本發(fā)明的一種高壓直流到交流變換的換流器中的DC/DC輸入級實(shí)施例之一的一種LLC串聯(lián)諧振型零電流開關(guān)半橋變換器，功率開關(guān)器件Ql由導(dǎo)通到截止的轉(zhuǎn)換延遲 期間的電流值比較小，電壓限制電路需要暫存與消耗的能量也較小，有效降低了設(shè)計(jì)難度，實(shí)現(xiàn)也容易；功率開關(guān)器件Ql由截止到導(dǎo)通的轉(zhuǎn)換是零電壓、零電流條件下開通，不產(chǎn)生附加損耗，不對電壓限制電路提出附加要求。
(四)一種高壓直流到交流變換的換流器中DC/DC輸入級實(shí)施例之三的一種帶諧振電容電壓箝位的LLC串聯(lián)諧振型零電壓開關(guān)半橋變換器。如圖8所示，圖3所述的DC/DC輸入級的諧振型軟開關(guān)變換器，是一種帶諧振電容電壓箝位的LLC串聯(lián)諧振型零電壓開關(guān)半橋變換器，包括2個換流閥(HLF-l、HLF-2)連接成的半橋，其輸出端01依次串聯(lián)諧振電感Lr、高頻變壓器BYQ-Tl的初級、諧振電容Cr連接到高壓直流的負(fù)端DC-，所述的換流閥構(gòu)成的半橋的高、低電壓端分別連接高壓直流的正、負(fù)端，還包括高頻變壓器的初級等效勵磁電感Lp，第一箝位二極管閥D21和第二箝位二極管閥D22，所述第一箝位二極管閥D21和諧振電容Cr并聯(lián)，陽極連接高壓直流的負(fù)端DC-，所述的第二箝位二極管閥D22的陰極連接高壓直流的正端DC+，其陽極連接第一箝位二極管閥D21的陰極。所述第一、第二箝位二極管閥都由多個二極管同向串聯(lián)而成。每個換流閥的內(nèi)部構(gòu)成、工作過程和上一節(jié)(三)中描述的一致，不再重復(fù)。
(五)類似前述的第(二)節(jié)描述的LC串聯(lián)諧振型零電流開關(guān)半橋變換器，也可以是全橋變換器，包括2個換流閥連接成的半橋，其輸出端依次串聯(lián)諧振電感、高頻變壓器初級、諧振電容連接到另外2個換流閥連接成的半橋的輸出端，所述的換流閥構(gòu)成的半橋的高、低電壓端分別連接高壓直流的正、負(fù)端。每個換流閥的內(nèi)部構(gòu)成、工作過程和第(二)節(jié)中描述的一致。類似前述的第(三)節(jié)描述的LLC串聯(lián)諧振型零電壓開關(guān)半橋變換器，也可以是全橋變換器，包括2個換流閥連接成的半橋，其輸出端依次串聯(lián)諧振電感、高頻變壓器初級、諧振電容連接到連接到另外2個換流閥連接成的半橋的輸出端，所述的換流閥構(gòu)成的半橋的高、低電壓端分別連接高壓直流的正、負(fù)端，還包括高頻變壓器初級等效的勵磁電感，由高頻變壓器所用的鐵芯所開氣隙的長度來調(diào)節(jié)電感量到需要的大小。每個換流閥的內(nèi)部構(gòu)成、工作過程和第(三)節(jié)中描述的一致。
(六)在前述章節(jié)(二)至(五)節(jié)中描述的DC/DC輸入級的諧振型軟開關(guān)變換器中，其中的諧振電感是由可飽和電感Lrl、不飽和電感Lr2串聯(lián)而成。如圖9所示，為圖4的一種LC串聯(lián)諧振型零電流開關(guān)半橋變換器中，諧振電感Lr是可飽和電感、不飽和電感串聯(lián)構(gòu)成時的主要電量的波形圖。
圖9中各符號的含義和圖5中的一致，區(qū)別在于新增加的時間點(diǎn)tsl、ts2分別是可飽和電感Lrl在正向電流下進(jìn)入、退出飽和狀態(tài)的時間點(diǎn)，電流為負(fù)向時對應(yīng)時間點(diǎn)沒有標(biāo)注，因?yàn)樵摱螘r間不對(與Ql并聯(lián)的)限壓電路產(chǎn)生電流注入，不增加其功耗。對比圖9和圖5中的諧振電流iLr、箝位電流iDl的波形圖，可以發(fā)現(xiàn)圖9中的箝位電流iDl的幅度要明顯減小，主要原因是在O電流附近，即時間t0至tsl之間，諧振電感(可飽和電感Lr I、不飽和電感Lr2串聯(lián)而成)的電感量為Lrl+ Lr2，是Lr2的數(shù)倍，其通過的諧振電流iLr的上升速度也下降數(shù)倍(相對于諧振電感僅僅為不飽和電感Lr2時)，因?yàn)樵趖0至tsl這樣的短時間內(nèi)，諧振電容Cr兩端電壓變化很小，作用在諧振電感兩端的電壓基本不變，所以諧振電流iLr的變化速度與諧振電感的電感量成反比；直到時刻tsl，可飽和電感Lrl進(jìn)入飽和狀態(tài)；時刻tsl之后諧振電感量僅為Lr2，諧振電流iLr的上升速度與圖5中的一致，后續(xù)情況與上述章節(jié)(二)所描述的基本一致，不再贅述。 可見，諧振電感是可由飽和電感Lrl、不飽和電感Lr2串聯(lián)而成的做法，可以進(jìn)一步減小諧振電流在O附近的變化速度，減少流入并聯(lián)在功率開關(guān)器件兩端的限壓電路的能量，降低限壓電路的能量損耗。
(七)在前述章節(jié)(二)至(六)節(jié)中描述的DC/DC輸入級的諧振型軟開關(guān)變換器中，其中所述換流閥中的功率開關(guān)器件是絕緣柵雙極晶體管IGBT，或者是大功率場效應(yīng)管POWER MOSFET等，或門極可關(guān)斷晶閘管GT0，或集成門極換流晶閘管IGCT，巨型晶體管GTR。這些可選的器件都是全控型器件，開關(guān)速度較可控硅快，符合本發(fā)明對器件的基本要求全控和快速。以上內(nèi)容是結(jié)合具體的優(yōu)選實(shí)施方式對本發(fā)明所作的進(jìn)一步詳細(xì)說明，不能認(rèn)定本發(fā)明的具體實(shí)施只局限于這些說明。對于本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干簡單推演或替換，都應(yīng)當(dāng)視為屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種高壓直流到交流變換的換流器，其特征在于包括直流到直流變換(DC/DC)輸入級和直流到交流變換(DC/AC)逆變級，其中DC/DC輸入級由諧振型軟開關(guān)變換器構(gòu)成，該變換器中的高頻變壓器次級有獨(dú)立的NX3個繞組，各繞組的輸出電壓都經(jīng)過整流和電容儲能，共形成NX3個相互隔離的、等值的獨(dú)立直流電源；其中DC/AC逆變級包括NX3個功率單元，每個功率單元都由單相全橋式逆變器構(gòu)成，其直流輸入端各連接一個所述的獨(dú)立直流電源，每N個功率單元的交流輸出端依次串聯(lián)構(gòu)成換流器交流輸出的一相，三相按照星型(也稱Y型)方式連接構(gòu)成三相交流輸出。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種高壓直流到交流變換的換流器，其特征在于，所述DC/DC輸入級的諧振型軟開關(guān)變換器，是LC串聯(lián)諧振型零電流開關(guān)半橋變換器，包括2個換流閥連接成的半橋，其輸出端依次串聯(lián)諧振電感、高頻變壓器初級、諧振電容連接到高壓直流的負(fù)端，所述的換流閥連接成的半橋的高、低電壓端分別連接高壓直流的正、負(fù)端；所述的每個換流閥都包括同方向串聯(lián)的多個功率開關(guān)器件，以及在每個功率開關(guān)器件兩端并聯(lián)的限壓電路、反并聯(lián)二極管；所述功率開關(guān)器件的高電壓端(如絕緣柵雙極晶體管IGBT的集電極C)、低電壓端(如絕緣柵雙極晶體管IGBT的發(fā)射極E)分別連接反并聯(lián)二極管的陰極、陽極，所述的限壓電路由放電電阻、能量暫存電容和箝位二極管組成，其中所述的放電電阻、能量暫存電容并聯(lián)后，一端連接反并聯(lián)二極管的陽極，另一端連接箝位二極管的陰極，所述箝位二極管的陽極連接反并聯(lián)二極管的陰極；換流閥的開關(guān)周期大于諧振電感、諧振電容決定的諧振周期的2倍，實(shí)現(xiàn)換流閥零電流開關(guān)。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種高壓直流到交流變換的換流器，其特征在于，所述DC/DC輸入級的諧振型軟開關(guān)變換器，是LLC串聯(lián)諧振型零電壓開關(guān)半橋變換器，包括2個換流閥連接成的半橋，其輸出端依次串聯(lián)諧振電感、高頻變壓器初級、諧振電容連接到高壓直流的負(fù)端，所述的換流閥構(gòu)成的半橋的高、低電壓端分別連接高壓直流的正、負(fù)端，還包括高頻變壓器初級等效的勵磁電感，由高頻變壓器鐵芯所開氣隙的長度來調(diào)節(jié)電感量到需要的大??；所述的每個換流閥都包括同方向串聯(lián)的多個功率開關(guān)器件，以及在每個功率開關(guān)器件兩端并聯(lián)的吸收電容、反并聯(lián)二極管和限壓電路；所述功率開關(guān)器件的高電壓端(如絕緣柵雙極晶體管IGBT的集電極C)、低電壓端(如絕緣柵雙極晶體管IGBT的發(fā)射極E)分別連接反并聯(lián)二極管的陰極、陽極，所述的限壓電路由放電電阻、能量暫存電容和箝位二極管組成，其中所述的放電電阻、能量暫存電容并聯(lián)后，一端連接反并聯(lián)二極管的陽極，另一端連接箝位二極管的陰極，所述箝位二極管的陽極連接反并聯(lián)二極管的陰極；換流閥的開關(guān)周期稍短于諧振電感、諧振電容決定的諧振周期，實(shí)現(xiàn)換流閥零電壓開關(guān)。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種高壓直流到交流變換的換流器，其特征在于，所述DC/DC輸入級的諧振型軟開關(guān)變換器，是帶諧振電容電壓箝位的LLC串聯(lián)諧振型零電壓開關(guān)半橋變換器，包括2個換流閥連接成的半橋，其輸出端依次串聯(lián)諧振電感、高頻變壓器初級、諧振電容連接到高壓直流的負(fù)端，所述的換流閥構(gòu)成的半橋的高、低電壓端分別連接高壓直流的正、負(fù)端，還包括高頻變壓器初級等效的勵磁電感，由高頻變壓器鐵芯所開氣隙的長度來調(diào)節(jié)電感量到需要的大小，還包括對諧振電容電壓進(jìn)行箝位的第一、第二箝位二極管閥，其中所述的第一箝位二極管閥和諧振電容并聯(lián)，其陽極連接高壓直流的負(fù)端，第二箝位二極管閥的陰極、陽極分別連接高壓直流的正端、第一箝位二極管閥的陰極；所述的每個二極管閥都由多個二極管同向連接而成；所述的每個換流閥都包括同方向串聯(lián)的多個功率開關(guān)器件，以及在每個功率開關(guān)器件兩端并聯(lián)的吸收電容、反并聯(lián)二極管和限壓電路；所述功率開關(guān)器件的高電壓端(如絕緣柵雙極晶體管IGBT的集電極C)、低電壓端(如絕緣柵雙極晶體管IGBT的發(fā)射極E)分別連接反并聯(lián)二極管的陰極、陽極，所述的限壓電路由放電電阻、能量暫存電容和箝位二極管組成，其中所述的放電電阻、能量暫存電容并聯(lián)后，一端連接反并聯(lián)二極管的陽極，另一端連接箝位二極管的陰極，所述箝位二極管的陽極連接反并聯(lián)二極管的陰極；換流閥的開關(guān)周期約等于諧振電感、諧振電容決定的諧振周期，實(shí)現(xiàn)換流閥零電壓開關(guān)。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種高壓直流到交流變換的換流器，其特征在于，所述DC/DC輸入級的諧振型軟開關(guān)變換器，是LC串聯(lián)諧振型零電流開關(guān)全橋變換器，包括2個換流閥連接成的半橋，其輸出端依次串聯(lián)諧振電感、高頻變壓器初級、諧振電容連接到另外2個換流閥連接成的半橋的輸出端，所述的換流閥構(gòu)成的半橋的高、低電壓端分別連接高壓直流的正、負(fù)端；所述的每個換流閥都包括同方向串聯(lián)的多個功率開關(guān)器件，以及在每個功率開關(guān)器件兩端并聯(lián)的反并聯(lián)二極管和限壓電路；所述功率開關(guān)器件的高電壓端(如絕緣柵雙極晶體管IGBT的集電極C)、低電壓端(如絕緣柵雙極晶體管IGBT的發(fā)射極E)分別連接反 并聯(lián)二極管的陰極、陽極，所述的限壓電路由放電電阻、能量暫存電容和箝位二極管組成，其中所述的放電電阻、能量暫存電容并聯(lián)后，一端連接反并聯(lián)二極管的陽極，另一端連接箝位二極管的陰極，所述箝位二極管的陽極連接反并聯(lián)二極管的陰極；換流閥的開關(guān)周期大于諧振電感、諧振電容決定的諧振周期的2倍，實(shí)現(xiàn)換流閥零電流開關(guān)。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種高壓直流到交流變換的換流器，其特征在于，所述DC/DC輸入級的諧振型軟開關(guān)變換器，是LLC串聯(lián)諧振型零電壓開關(guān)全橋變換器，包括2個換流閥連接成的半橋，其輸出端依次串聯(lián)諧振電感、高頻變壓器初級、諧振電容連接到連接到另外2個換流閥連接成的半橋的輸出端，所述的換流閥構(gòu)成的半橋的高、低電壓端分別連接高壓直流的正、負(fù)端，還包括高頻變壓器初級等效的勵磁電感，由高頻變壓器鐵芯所開氣隙的長度來調(diào)節(jié)電感量到需要的大?。凰龅拿總€換流閥都包括同方向串聯(lián)的多個功率開關(guān)器件，以及在每個功率開關(guān)器件兩端并聯(lián)的吸收電容、反并聯(lián)二極管和限壓電路；所述功率開關(guān)器件的高電壓端(如絕緣柵雙極晶體管IGBT的集電極C)、低電壓端(如絕緣柵雙極晶體管IGBT的發(fā)射極E)分別連接反并聯(lián)二極管的陰極、陽極，所述的限壓電路由放電電阻、能量暫存電容和箝位二極管組成，其中所述的放電電阻、能量暫存電容并聯(lián)后，一端連接反并聯(lián)二極管的陽極，另一端連接箝位二極管的陰極，所述箝位二極管的陽極連接反并聯(lián)二極管的陰極；換流閥的開關(guān)周期稍短于諧振電感、諧振電容決定的諧振周期，實(shí)現(xiàn)換流閥零電壓開關(guān)。
7.根據(jù)權(quán)利要求2、或3、或4、或5、或6所述的一種高壓直流到交流變換的換流器，其特征在于，所述DC/DC輸入級的諧振型軟開關(guān)變換器，其中的諧振電感是由可飽和電感、常規(guī)(不飽和)電感串聯(lián)構(gòu)成。
8.根據(jù)權(quán)利要求2、或3、或4、或5、或6、或7所述的一種高壓直流到交流變換的換流器，其特征在于，構(gòu)成所述換流閥的功率開關(guān)器件是絕緣柵雙極晶體管(IGBT),或功率場效應(yīng)管(POWER MOSFET )，或門極可關(guān)斷晶閘管(GTO)，或集成門極換流晶閘管(IGCT )，或巨型晶體管(GTR)。
全文摘要
在高壓輕型直流輸電(HVDC-Light)系統(tǒng)中應(yīng)用的一種高壓直流到交流變換的換流器，其特征在于包括直流到直流變換(DC/DC)輸入級和直流到交流變換(DC/AC)逆變級，所述的DC/DC輸入級由諧振型軟開關(guān)變換器構(gòu)成，該變換器中的高頻變壓器次級有獨(dú)立的N×3個繞組，各繞組的輸出電壓都經(jīng)過整流和電容儲能，共形成N×3個相互隔離的、等值的獨(dú)立直流電源；其中DC/AC逆變級包括N×3個功率單元，每個功率單元都由單相全橋式逆變器構(gòu)成，其直流輸入端各連接到一個前述的獨(dú)立直流電源上，每N個功率單元的交流輸出端依次串聯(lián)構(gòu)成換流器交流輸出的一相，三相按照星型(也稱Y型)方式連接構(gòu)成三相交流輸出。
文檔編號H02M3/335GK102857136SQ20121038217
公開日2013年1月2日 申請日期2012年10月10日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月10日
發(fā)明者范家閂 申請人:范家閂