[实用新型]功率单元及使用该功率单元的电力电子变换装置

说明书

相关申请的交叉引用

本实用新型要求2016年12月16日提交的申请号为201621385878.2，名称为“功率单元及使用该功率单元的电力电子变换装置”的中国申请的优先权，其内容通过引用合并于此。

技术领域

本实用新型涉及电力电子技术领域，特别涉及一种功率单元，以及使用这种功率单元的电力电子变换装置。

背景技术

受目前电力电子开关器件的耐压等级所限，在高压大功率应用场合中，功率单元串联叠加的级联式拓扑是一种较好的解决方案。传统的级联方案需要给每个功率单元配备一套光纤、辅助电源、控制板。而电压等级的提高，需要级联的功率单元的数量也增多，导致光纤、辅助电源及控制板的数量也急剧增加，系统结构设计复杂，成本高，同时也会降低系统的可靠性。

图1、图2所示为目前常用的静止无功发生器(Static Var Generator，SVG)的示意图，其中该SVG包括三相电路，每相电路中的功率单元级联连接。

如图1所示，SVG的每一相电路都由多个功率单元1级联而成，其中，每个功率单元包括第一端和第二端，每一相电路的第一个功率单元的第一端经过滤波器L分别连接到三相电网的A、B和C三相线路上，相邻两个功率单元的其中一个的第二端与另一个的第一端连接，每一相电路的最后一个功率单元的第二端相互连接。

如图2所述，SVG的每一相电路都由8个功率单元P1至P8级联而成，每个功率单元包括第一端和第二端，其中相邻两个功率单元的其中一个的第二端与另一个的第一端连接，例如，功率单元P1的第二端与功率单元P2的第一端连接，功率单元P2的第二端与功率单元P3的第一端连接，依次类推，功率单元P7的第二端与功率单元P8的第一端连接，三相电路中三个功率单元P1的第一端经过滤波电路(由电感、电阻和电容组成，例如LCL)分别连接于三相电网G的A、B和C相和负载R_load，三相电路中三个功率单元P8的第二端相互连接。每个功率单元中包括四个功率器件2，每个功率器件2由一个功率半导体开关S与一个二极管D构成，功率半导体开关S的集电极与二极管D的阴极连接，功率半导体开关S的发射极与二极管D的阳极连接。

单相SVG也包括多个功率单元，每个功率单元包括第一端和第二端，相邻两个功率单元其中一个的第一端与另一个的第二端连接。

图1所示的功率单元1可以是H桥电路，也可以是其它电路拓扑结构，如半桥电路、三电平变换电路等。例如，以功率单元为H桥电路为例，H桥电路如图3所示，包括功率半导体开关S1至S4和母线电容C。功率半导体开关S1的第一端连接于母线电容C的正极端和功率半导体开关S3的第一端，功率半导体开关S1的第二端连接于功率半导体开关S4的第一端，功率半导体开关S4的第二端连接于母线电容C的负极端和功率半导体开关S2的第二端，功率半导体开关S3的第二端连接功率半导体开关S2的第一端，功率半导体开关S1的第二端作为H桥电路的第一输出端O₁，功率半导体开关S3的第二端作为H桥电路的第二输出端O₂。

上述功率单元的级联拓扑结构若应用于35KV的风电厂，通常有3种实现方案，具体方案描述如下：

1、每个功率单元采用H桥电路，且H桥电路中的功率半导体开关S1至S4可以选用低压功率器件，例如低压IGBT(Insulated Gate Bipolar Translator)。

优点：低压IGBT(例如1700V)目前工艺较成熟，且市场用量较大，其成本在可接受的范围内，每个功率半导体开关由一个IGBT构成，无需考虑均压问题。

缺点：由于单个功率器件电压较低(例如1700V的IGBT，母线电容C两端的直流母线电压在1000V左右)，因而每相电路中需要用到约72级H桥电路级联。H桥电路的数量较多，系统的可靠性将受影响，而且每个H桥电路配备一套光纤(高压应用场合中通常使用光纤进行信号传输)，辅助电源及控制板，每个H桥电路都需要独立控制。由于H桥电路的级联数量多，此种方案会导致光纤、辅助电源及控制板的数量很多，使得整个系统的控制及结构设计变得复杂，成本增加，同时系统的可靠性将降低。

2、每个功率单元采用H桥电路，且H桥电路中的功率半导体开关S1至S4可以选用高压功率器件，例如高压IGBT(Insulated Gate Bipolar Translator))