[发明专利]一种级联装置的功率单元

说明书

技术领域

本发明涉及级联装置的一种功率单元，尤其涉及一种可控制直流电压和实现高功率因数整流的功率单元。本发明属于电力电子技术领域。

背景技术

在大功率变流的应用场合，人们希望大功率、耐压高的电力电子装置能够工作在尽可能高的开关频率下，以更好的滤除谐波，提高输出波形的质量。但太高的开关频率会导致大的开关损耗，故难以将PWM技术应用于传统大容量变流器来达到改善其性能的目的。因此，人们通过对大功率变流器的电路拓扑和控制策略两方面进行研究，力图在提高电力电子变流装置容量的同时改善其变流的性能。一个好的电路拓扑再配合较佳的控制策略往往能提高大功率变流器系统的性价比。在所研究的这些拓扑中，级联型多电平变流器通过多个功率单元的级联能够直接输出高压(无需连接变压器)、提高整个变流器的等效开关频率，因而在大功率场合中受到越来越多的重视。同时，它还具有所需元器件少、开关负荷平衡、易实现直流侧均压、有利于模块化等优点。但是现有级联型多电平变流器的实现和运用存在着技术难点，即直流电压的平衡控制，诸如变压器制作引起的电压不对称、电容电压的波动等，这些都会影响装置的整体性能。

级联型变流装置的直流电压控制，主要分两类：(1)半自励方式；(2)他励方式。半自励方式通过合适的算法控制可控性绝缘栅双极晶体管(Insulated-Gate Bipolar Transistor，IGBT)的导通角，实时补偿电容器的电压跌落，主电路简单，无外加的控制电路和功率器件，但控制复杂，各功率单元的电容器电压平衡控制难。他励方式虽然增加成本，占用更大空间，但采用与逆变电路分开的供电电源，可避免上电时的电流冲击，同时可解决电容器电压平衡问题，故该方式还是一种比较好的方案。

级联型变流装置他励式功率单元主电路拓扑主要有：

(1)多脉冲移相变压器加三相全波整流桥，如图1所示。功率单元直流电压激励采用三相桥式不控整流方式，而逆变器采用IGBT单相桥式可控输出。整流变压器是延边移相多重化变压器，同相上下相邻绕组之间相互移相60°/N，构成移相多重化整流电路，以达到降低输入谐波电流的目的。

(2)普通多绕组变压器加三相桥式高功率因数Boost型PWM整流器，如图2所示。功率单元直流电压激励采用三相桥式Boost型PWM整流方式，而逆变器是采用IGBT单相全桥可控输出，整流变压器是普通接线多绕组的，次级绕组之间是相同的接线方式。此结构在合适的算法下可实现高功率因数的输入，同时可对直流环节的电压进行控制。

但上述两种拓扑存在着难以克服缺陷：拓扑(1)无法直接控制直流环节的电压，而且整流变压器的制造复杂，难以克服制作引起的电压不对称问题；拓扑(2)的整流桥采用六个全控器件IGBT，不但使得成本上升，同时也增加了测量和控制的难度。

发明内容

技术问题：本发明的目的是克服现有级联装置的功率单元实现方案的不足，提出一种运用于级联装置，可对直流环节的电压进行控制，实现高功率因数整流，整流变压器制作简单，滤波电容器组容量要求低的新型功率单元。

技术方案：本发明的级联装置的功率单元，包括以下组成：六个整流二极管即第一整流二极管、第二整流二极管、第三整流二极管、第四整流二极管(D4)、第五整流二极管、第六整流二极管组成三相不可控整流桥，其输入端分别通过第一电感、第二电感、第三电感连接到熔断器上，而熔断器则直接连接到三相变压器二次侧的三相输出端Ua、Ub、Uc。整流桥输出端则连接到第一升压功率管、第二升压功率管组成的升压半桥上；升压半桥的正、负极分别通过第一限流二极管、第二限流二极管连接到第一滤波电容、第二滤波电容、第三滤波电容、第四滤波电容组成的滤波电容器组的正、负极上，每个滤波电容都分别并联有均压电阻，升压半桥两个绝缘栅双极晶体管IGBT即第一IGBT、第二IGBT的公共点和滤波电容器组的中性点即整个电容器组容量的1/2位置处连接在一起，并由此点引出中性线连到谐波电流注入电路的中性点上；四个绝缘栅双极晶体管IGBT即第三IGBT、第四IGBT、第五IGBT、第六IGBT组成逆变H桥，其输入连接在滤波电容器组的正、负极上，输出端接有四个二极管即第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管和晶闸管组成的旁路电路；在旁路电路中第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管组成旁路整流桥，该旁路整流桥的输入端与逆变H桥的输出相连，该旁路整流桥的输出的正、负极分别连在晶闸管(K)的阳极和阴极上。

有益效果：

(1)可以对级联装置直流环节的电压进行控制，提升其直流电压稳定性；