[发明专利]基于单级功率变换模块的级联式变流器

说明书

技术领域

本发明涉及变流器，特别涉及一种基于单级功率变换模块的级联式变流器。

背景技术

随着科学技术与工业现代化的迅猛发展和对节约能源的要求进一步提高，应用于大功率场合的中高压电力电子变流器在解决能源节约的问题上起着越来越重要的作用。近年来，多电平功率变流器（Multilevel Power Converter）在高电压大功率变频调速、有源电力滤波装置、高压直流（HVDC）输电系统和电力系统无功补偿等领域已得到成功的应用。多电平功率变流器在许多实际工业应用中需要具有电气隔离功能，这种电气隔离功能传统的方式是采用体积庞大接线复杂的工频变压器来完成，这使其在许多工业场合的应用受到了限制。因而，取消传统的大功率多电平变流器电路中的工频变压器，设计无工频变压器的多电平变流器电路，将会带来革命性的变革。

目前，高频开关电源采用高频变压器完成功率的隔离传输，其所具有的体积小，重量轻，功率密度高等一系列优点，使其在诸多的工业应用场合占据了绝对的主导地位。高频开关电源通常采用两个功率变换级完成交流到直流的隔离变换，即：AC/DC整流级和DC/DC高频隔离变换级。对于高性能的高频开关电源，其AC/DC整流级还应具有功率因数校正功能，实现单位功率因数整流。高频开关电源也可以采用一个功率变换级完成交流到直流的隔离变换，即所谓的单级功率变换。由于只用一级变换就可以实现AC/DC单位功率因数整流和DC/DC隔离变换两级变换的功能，故可极大地简化电路结构，简化电路的控制和调制方法，这些优点都使得单级变换的高频开关电源具有很好的应用前景。本发明涉及已知技术中的单级功率变换模块主要有以下几种：

参照图1，第一种功率变换模块包括单相二极管整流桥、开关器件、快恢复二极管、升压电感、隔离高频变压器及其原边滤波电容以及输出直流电容和负载。

参照图3，第二种功率变换模块包括单相二极管整流桥、开关器件、快恢复二极管、升压电感、隔离高频变压器及其原边滤波电容以及输出滤波电感、输出直流电容和负载。

参照图5，第三种功率变换模块包括单相二极管整流桥、开关器件、快恢复二极管、升压电感、隔离高频变压器及其原边滤波电容、原边辅助电感以及输出直流电容和负载。

参照图7，第四种功率变换模块包括一个单相二极管整流桥、一个由开关器件构成的H桥、快恢复二极管、升压电感、隔离高频变压器及其原边滤波电容以及输出滤波电感、输出直流电容和负载。

参照图9，第五种功率变换模块包括两个单相二极管整流桥、一个由开关器件构成的H桥、快恢复二极管、升压电感、隔离高频变压器及其原边滤波电容和电感以及输出直流电容和负载。

大功率级联全控型（IGBT）H桥电力电子变流器在大功率场合的应用得到广泛的关注和研究，其优点是可以应用低耐压的电力电子开关器件完成高压大功率的功率变换并使交流侧具有较高的功率因数和较小的谐波。但是该种类变流器的主电路拓扑结构所需要的开关器件较多，主电路工作过程中的损耗较大，针对所有开关器件的控制电路以及控制方法的设计也很复杂，且不容易实现单级功率变换的功能。所以如何简化大功率级联全控型（IGBT）H桥电力电子变流器的拓扑结构，减少开关器件的使用数量，简化电路的控制和调制方法并能够很好地工作在高压大功率应用场合，这是本领域当前的重要课题。

发明内容

本发明的目的是针对目前应用的大功率级联电力电子变流器的上述问题，提供一种基于单级功率变换模块的级联式变流器，这种变流器无需使用工频移相变压器，可以使用低耐压的功率开关管在高电压下完成大功率高频隔离变换，可以使用一级功率变换电路完成AC/DC和DC/DC两级变换功能，并具有功率因数校正功能，实现单位功率因数整流，其主功率电路的拓扑结构简单，系统的工作效率高，体积小，重量轻，成本低。

为达到上述目的，本发明提供的一种基于单级功率变换模块的级联式变流器，包括主功率电路，所述主功率电路包括单级功率变换模块，单级功率变换模块采用第一模块单元，所述第一模块单元包括单相二极管整流桥、开关器件、快恢复二极管、升压电感、隔离高频变压器及其原边滤波电容以及输出直流电容和负载，所述主功率电路包括高频滤波器和N个级联的所述第一模块单元，其中各个所述单相二极管整流桥的第二个输入端与下一个所述单相二极管整流桥的第一个输入端依次相连，级联起来的所述单相二极管整流桥剩余的两个交流输入端，即第一个所述单相二极管整流桥的第一个交流输入端与第N个所述单相二极管整流桥的第二个交流输入端经所述高频滤波器串联接入交流电网，其中，N为正整数。