[发明专利]一种三相七电平双向AC-DC变换器

说明书

本发明公开了一种三相七电平双向AC‑DC变换器，所述变换器包括交流滤波电感、工频开关管、高频开关管、飞跨电容和输出电容，所述高频开关管承受电压和电感两端的电压为输出电压的六分之一；所述飞跨电容上电压依次为输出电压的六分之一、六分之二，输出电容电压为输出电压的一半；所述高频开关管均采用低压MOSFET，电路中的半导体损耗由所有高频开关管均分。该变换器的开关损耗低，通过七电平特性使得仍然维持着较小的无源器件体积，并能大大缩小散热器体积甚至将其消除。

技术领域

本发明涉及电力设备技术领域，尤其涉及一种三相七电平双向AC-DC变换器。

背景技术

目前，由三相交流电源提供大功率的电力电子系统通常由两级组成，即先将三相交流电压转换为直流电压，然后通过隔离或者不隔离的AC-DC变换器使该直流电压适应负载要求。前级功率变换器的输入特性通常由功率因数PF、基波电流与电压的相位角Φ和输入电流总谐波畸变iTHD定义，这种功率变换器通常只提供单向功率传递，称之为整流器，主要包括采用不可关断功率半导体、仅以电源换向工作的无源整流器，基于三阶谐波注入原理的混合整流器，以及有源三相功率因数矫正整流器。其中，工业中广泛应用的有源三相PFC系统是传统三相两电平六开关整流器系统和三相三电平Vienna整流器系统。

在无源整流器中，半桥上的二极管只能导通120°，使得输入电流iTHD≈30％；无源器件以极低的电网频率工作，因而需要很大的体积才能维持输入电流的高功率因数，混合整流器系统中，部分功率半导体工作在电网频率换流状态，其余工作在高频强制换流状态，近年的研究表明，在使用第三代宽禁带高压SiC半导体的条件下，可以实现99％以上的转换效率。有源三相PFC系统中，所有功率半导体工作在高频强制换流状态，只有在输入三相交流电源发生换相时才会发生部分自然换流。因此这可以减小如升压电感和EMC滤波器等无源器件的体积，然而对于380V三相交流电源，传统两电平六开关整流器系统中需要使用1200V功率半导体，功率半导体的阻塞电压与损耗是矛盾的出现。这使得六开关整流器系统中工作频率不能太高，无源器件仍然维持在一个较大的水平；与六开关整流器相比，三相三电平Vienna型整流器，半导体阻塞电压降至600V同时额外增加了续流二极管数量，电感两端的电压由将为原来的一半且频率提高一倍，因此同等条件下升压电感体积为六开关整流器的四分之一。

功率半导体中一个重要的指标为是优良指数FOM，与导通电阻Rds,on和Coss有关，定义为FOM＝1/(Rds,on*Coss)，无论是第三代宽禁带半导体器件还是普通硅半导体器件，都是耐压越低的器件其优良指数越好，这表明低压器件与高压器件工作在相同频率时具有更低的损耗，或者说跟高压器件相比低压器件能够工作在更高的开关频率以及更大的电流下，但现有技术中的三相PFC拓扑均不能利用好低压器件这一优势。

发明内容

本发明的目的是提供一种三相七电平双向AC-DC变换器，该变换器的开关损耗低，通过七电平特性使得仍然维持着较小的无源器件体积，并能大大缩小散热器体积甚至将其消除。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种三相七电平双向AC-DC变换器，所述变换器包括交流滤波电感、工频开关管、高频开关管、飞跨电容和输出电容，其中：

所述高频开关管承受电压和电感两端的电压为输出电压的六分之一；

所述飞跨电容上电压依次为输出电压的六分之一、六分之二；

输出电容电压为输出电压的一半；

所述高频开关管均采用低压MOSFET，电路中的半导体损耗由所有高频开关管均分。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，上述变换器的开关损耗低，通过七电平特性使得仍然维持着较小的无源器件体积，并能大大缩小散热器体积甚至将其消除。

附图说明