一种电力电子高压组合开关制造技术

本发明专利技术涉及电力系统的控制技术，旨在提供一种电力电子高压组合开关。该组合开关包括箝位电容与多个逆导型开关，由若干个单元级联构成。本发明专利技术能耐受远高于单个功率半导体器件的开关电压，适用于电力系统的高压直流输电变流器、电力电子变压器、智能电网多种关键高压变流和开关装置、高压变频传动装置、新能源的直接并网发电，以及工业应用中的高压整流、逆变装置。本发明专利技术具有简洁的模块化结构，控制简单、可靠，适合高频工作，电磁兼容性优良，部分种类还具备双向开关等特点。本发明专利技术易于制成高压开关模块，没有明显的电压、功率等级瓶颈、技术应用范围宽广，而由其构成的变流系统的体积、重量与成本有望比现有同类产品显著降低。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及电力系统的控制技术，特别是一种电力电子高压组合开关，主要应用于智能电网(例如特高压输电、交-直-交变流、电力电子变压器、新能源高压并网发电)、 大功率电力传动(高压、中压变频传动)、电力牵引。
技术介绍
高压大功率变流器一直是电力电子在电力系统与高功率电力传动中应用的关键技术。当实际应用场合所需的电压超过单个电力半导体器件的耐压值之后，必须采用开关串联技术或多电平技术。由于常规高压功率半导体器件的耐压值大致为1 5kv，而其中的普通常用器件IGBT大致仅为1200V。若采用3400V耐压的器件，则其价格远远高于前者； 即便不顾成本而用更高耐压的器件，不用开关串联技术或多电平技术仍然难以满足电力系统的高压工作要求。另一方面，器件随着耐压水平的提高，其允许开关频率越来越低，增加了变流系统的体积与重量。对于高压变流电路，器件的直接串联是不得已的方案。尽管这有其结构相对简单的优点，但是非常高的开关电压变化率还是会造成均压方面的问题，从而会使负载设备的可靠性降低。况且，器件的均压控制方法随着串联数的增加而变得更加困难，需要更大的耐压裕度，因此可以说，开关串联技术并不适合在电力系统中单独使用。电压型变流器中常用到逆导型开关，可以由功率半导体开关与反并联的功率二极管这两个独立的器件组成，也可以是一体化器件，为方便起见这里简称为开关(K，符号如图 8电路中所示)，开关的正、负极方向正好与其中反并联二极管极性相反。常用的K有带反向并联二极管的绝缘栅极双极型复合晶体管(IGBT)与功率金属氧化物场效应晶体管(Power M0SFET)器件，也可以是晶闸管、集成电路门极换流晶体闸管(IGCT)、结型场效应功率器件 (Power JFET)，以及各种碳化硅功率开关等其他新型器件。图8的电路中，K应用了 Power MOSFET。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是，克服现有技术中多电平电路的缺点，提供一种电力电子高压组合开关的电路与控制方法。本专利技术根据多电平电路原理和高压、大功率变流系统的特殊要求，提出基于变流单元组合构成的各式高压组合开关，而这种电路充分考虑了单元间的电应力平衡问题。为解决技术问题，本专利技术提供了一种电力电子高压组合开关，包括箝位电容C与多个逆导型开关，该开关由若干个单元级联构成，所述的单元是非对称型单元或对称型单元中的任意一种或两种；所述非对称型单元由第一开关K1、第二开关K2、第三开关K3、第四开关K4及箝位电容C构成；其中，第一开关Kl与第二开关K2、第三开关K3与第四开关 K4分别串联；第一开关Kl与第三开关K3的正端相连作为单元的正端p*，该端同时也是单元的第一级联端Zll ；第二开关K2与第四开关K4的负端相连作为单元的负端n*，该端同时也是单元的第四级联端Z22 ；箝位电容C的两端分别接于第一级联端Zll和第四级联端 Z22 ；第一开关Kl与第二开关K2的连接处为单元的第二级联端Z12，第三开关K3与第四开关K4的连接处为单元的第三级联端Z21 ；所述对称型单元由第一开关K1、第二开关K2、第三开关K3、第四开关K4、第五开关K5、第六开关K6、第七开关K7、第八开关K8及箝位电容C构成；其中，第一开关Kl与第二开关K2串联，其连接处为单元的第一级联端Zll ；第三开关K3与第四开关K4串联，其连接处为单元的第三级联端Z21 ；第五开关K5与第六开关K6串联，其连接处为单元的第二级联端Z12 ；第七开关K7与第八开关K8串联，其连接处为单元的第四级联端Z22 ；第一开关 K1、第三开关K3、第五开关K5与第七开关K7的正端相连作为单元的正端p*，第二开关K2、 第四开关K4、第六开关K6和第八开关K8的负端相连作为单元的负端η* ；箝位电容C的两端分别接于正端P*与负端η* ；所述若干个单元的级联方式为相邻的两个单元之间具有两组级联端的连接关系，具体为前一单元的第三级联端Ζ21与后一单元的第一级联端Zll相连，前一单元的第四级联端Ζ22与后一单元的第二级联端Ζ12相连；其中，有一组级联端是通过电感Ls或电阻R或电感Ls与电阻R的并联电路实现连接的，另一组级联端则是直接连接；若干个单元级联构成的组合开关中，外侧单元的第二级联端Ζ12为ρ端、第一级联端Zll为P’端；另一外侧单元的第四级联端Ζ22为η端、第三级联端Ζ21为η’端；取上述 P端、η端分别为组合开关的两端，或者取ρ’端、η’端分别为组合开关的两端；所述第一开关Κ1、第二开关Κ2、第三开关Κ3、第四开关Κ4、第五开关Κ5、第六开关 Κ6、第七开关Κ7、第八开关Κ8均为逆导型开关。基于相同的实现原理，本专利技术提出一种改型的组合开关，该组合开关由非对称型单元级联构成；相邻两个单元中，前一单元的第四开关Κ4和后一单元的第一开关Kl的其中之一以二极管代替，该二极管的极性与被代替的开关中逆导二极管的极性相同。作为另一种改型的组合开关，该组合开关由对称型单元级联构成；相邻两个单元中，前一单元的第七开关Κ7、第八开关Κ8和后一单元的第五开关Κ5、第六开关Κ6其中一个或两个以二极管代替，且同一单元中的两个开关不能同时被二极管代替，该二极管的极性与被代替的开关中逆导二极管的极性相同。作为另一种改型的组合开关，该组合开关由对称型单元级联构成；相邻两个单元中，前一单元的第七开关Κ7、第八开关Κ8和后一单元的第五开关Κ5、第六开关Κ6其中一个或两个以二极管代替，且同一单元中的两个开关不能同时被二极管代替，该二极管的极性与被代替的开关中逆导二极管的极性相同；同时，对被二极管替代的第五开关Κ5、第六开关Κ6、第七开关Κ7或第八开关Κ8的连线方式改接第五开关Κ5的正端、第六开关Κ6的负端改接到第二级联端Ζ12，第七开关 Κ7的正端、第八开关Κ8的负端改接到第四级联端Ζ22;这种改接仅涉及替代的二极管，未被替代的开关不改接；这里所述的正、负端是指替换前的原开关的极性，而非指替代后的二极管的极性。作为另一种改型的组合开关，该组合开关由非对称型单元级联构成；且相邻两个单元中，前一单元的第三级联端Ζ21与后一单元的第一级联端Zll直接连接，前一单元的第四级联端Ζ22与后一单元的第二级联端Ζ12直接连接；前一单元的第四开关Κ4与后一单元的第一开关Kl中，省略其中之一。作为另一种改型的组合开关，该组合开关由对称型单元级联构成；且相邻两个单元中，前一单元的第三级联端Z21与后一单元的第一级联端Zll直接连接，前一单元的第四级联端Z22与后一单元的第二级联端Z12直接连接；前一单元的第七开关K7与后一单元的第五开关K5中，省略其中之一；前一单元的第八开关K8与后一单元的第六开关K6中，省略其中之一。作为另一种改型的组合开关，取ρ端、η端分别为组合开关的两端，同时取P’端、 η’端分别为组合开关辅助端；组合开关通过ρ端与P’端或η端与η’端对各个单元的箝位电容C充电，使箝位电容C上的电压Uc达到设定值。作为另一种改型的组合开关，当组合开关由非对称型单元级联构成时，在组合开关的P端、η端之间或P’端、η’端之间择一反并一个高压二极管Dh，二极管Dh的负端连接组合开关的P端或P’端，二极管Dh的正端连接组合开关的η端或η’端。本专利技术的有益效果与创新点本专利技术解决了大多本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：吕遥，
申请(专利权)人：吕遥，
类型：发明
国别省市：