[发明专利]带有变电位中间电路电容的辅助谐振换向极多点变流器

说明书

本发明涉及一种带有变电位中间电路电容的ARCP(辅助谐振换向极)多点变流器，并由此涉及到功率电子电路，尤其涉及到用于大功率变流器的软切换多点变流器结构。

具有变电位中间电路电容的硬多点变流器在大功率领域中用于三相传动控制，或在能量传输设备中用于网络耦合和补偿，这在专利WO9302501中由T.Meynard等人曾典型地提出过。已经证明，多点变流器理论尤其适用于高电压情形，而在这种情况下，目前可供使用的单个半导体器件的最大反向电压还达不到要求。与具有零位二极管或限幅二极管的多点变流器结构不同的是，在由Meynard等人提出的多点变流器结构中，变流器支路上的不同输出电压级可通过各个被充电的中间电路电容的灵活组合来获得，这在诸如“IEEE工业应用学报(IEEETransactions of Industry Applications)”，第1A-17卷，第5号，由A.Nabae等人发表的“一种新型的中性点箝位PWM变流器(A NewNeutra1 Point C1amped PWM Inverter)”中曾典型地阐述过。这种结构的优势尤其在具有多于三点的多点变流器中得到显著体现，在根据Nabae等人的结构中，大大增加了多点变流器中的零位二极管或限幅二极管的数量，也增加了所需的反向电压负荷。

目前，在大功率场合下，带有电压中间电路的多点变流器采用的是带反向二极管的GTO开关。在这种配制情况下，所产生的最大电流变化率di/dt和电压变化率du/dt必须通过无源限幅网络来进行限制，以避免半导体器件被损坏。这些网络通常有较大的损耗，而且大大增加了变流器的复杂性和造价。

在大功率变流器中，所能达到的最大开关频率受限于半导体所产生的开关损耗以及半导体元件的最小开关时间和恢复时间。由于开关频率对电气输入输出参数的质量以及由此带来的整体系统设计有直接的影响，所以对变流器来说，可实现的开关频率是一个重要的性能参数。

功率半导体发展中的进步使现在的变流器可具有更高的di/dt和du/dt，这使得限幅网络可以相当地小，甚至还可以省略。为此，当前可达到的开关频率界限基本上仅受限于最大允许的半导体损耗。

为了在小型和中型功率范围内提高变流器的最大开关频率，可采用很多种软切换变流器结构来大幅度减少开关损耗。尤其是在专利US5047913中由R.De Doncker等人提出的“辅助谐振换向极”(ARCP)理论，它能很好地减少两点变流器的开关损耗。在这种ARCP变流器中，每个主开关都并联有一个卸载电容。另外，它还提供了一个由谐振电感与辅助开关串联而成的辅助电路，该辅助电路把直流中间电路的电容中性点同变流器的相输出端连接在一起。所有的主开关在零电压工作方式下运行，而所有的辅助开关在零电流工作方式下运行。

除了能大幅度减少开关损耗外，ARCP理论还可以通过选择谐振元件来控制最大的电流上升速度和电压上升速度，这样，不但能够使用临界状态的半导体开关或者半导体开关组合(比如串联电路)，还可以减少三相电机末端线圈的绝缘负荷。

把ARCP理论扩展应用到带有变电位电容的三点变流器上，提出这些想法的有：Dijkhuizen等人在IEEE协会IAS98中提出过，Deschamps等人以及Yuan等人在巴西功率电子协会COBEP97中提出过。在这些解决方案中，变流器的输出联上了一个谐振电感，该电感或者联结到正的或负的直流中间电路母线上(Deschamps)，或者通过一个附加的变换器联结到三点变流器中的直流中间电路电容的电压中性点上(Yuan)。Deschamps的配置中的主要缺点在于，再充电过程不对称，也就是说，在谐振再充电过程开始时的谐振电感上的电压值与谐振换流结束时的电压值不相符。在谐振换流期间，有必要在辅助支路上进行额外的有损耗开关操作，用来使辅助支路中的电流衰减。根据Yuan的配置中的主要缺点在于元件的费用较高。尤其是辅助支路中的高频变换器承载了大的谐振电流，其制造对于这种结构的推广应用来说是非常复杂和昂贵的。

本发明的任务在于，提供一种带有变电位电容的ARCP多点变流器，它通过安装少量的附加开关元件来进行对称的谐振再充电过程，从而在开关过程无损耗以及不带变压器的情况下，可实现辅助开关的零电流操作和主开关的零电压操作。

根据本发明的第一种实施方案，该任务由下面一种ARCP三点或多点变流器来实现，即

-其每个变流器相都有一个由至少四个主开关组成的串联电路，并且，这些变流器相的串联电路并联在正的和负的直流电压母线之间，

-其中，每个单独的主开关上并联有一个单独的卸载电容，