大功率应用的电力电子变换器制造技术

本发明专利技术阐述了一种新型多电平大功率变换器，称之为六角变换器。六角变换器由六个三相功率单元环形连接而组成。其中每一个单元都可以是任意一种三相电力电子变换器。六个单元之间可嵌入一个或多个的电感以抑制由于环形相连接而可能导致的环流。六角变换器的应用非常广泛，不胜枚举。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
此专利技术适用于电力电子变换器，尤其适用于大功率的电力电子变换电力电子在工业应用例如调速电机驱动，单位功率因数整流，有源滤 波，静态无功补偿，和统一潮流控制的市场越来越大。目前这些应用还主要集中在低压(208-480V)中低功率(5-250kW),因为快速的半导体元器件 例如绝,极晶体管(IGBT)， MCT等在这样的电压和功率等级已经J^A 成熟。但是要把基于这些半导体元器件的基本电力电子设备直接连接到中 压电网仍然非常具有挑战性。基于半导体元器件的解决方案比如高压碳化 硅开关还有待进一步证实，需要一定的时间才有可能^商业应用。与此 同时，多电平电力电子变换器正被广泛地研究和开发，已经成为一种新的 适用于大功率应用的选择。目前，基于二极管钳位的多电平方式和功率单元H桥串联的方式是 两种最常用的多电平电力电子变换器拓朴。二玟管钳位的多电平变换器， 又称为中性点钳位变换器，流行于1980年代，被应用在功率因数校正整 流，无功补偿，背靠背，调速电机驱动，和统一潮流控制。可是由于电容 电压不平衡，并且局限于电压钳位，电路布局和封装不便，这种电路只能 实现有限的电平等级。功率单元H桥串联的方式自19卯年代中期开始就引起了相当的兴 趣，现已经被应用于变频器和无功补偿。其模块化的结构有利于扩展和维 修，而且通过绕过故障单元其容错功能也得以提高。可是这种技术由于需 要多个单相功率单元，所以相应地需要一个有多个副边隔离线團的变压 器，从而导致高生产成本。另外，单相功率单元的本质决定了通过每个功 率单元的功率是脉动的，因而能量储存要求非常高，尤其是在低速，固定 转矩的应用场合。综上所述，有必要专利技术适用于大功率的低成本电力电子变换器。
技术介绍

技术实现思路
此专利技术涵括适用于大功率应用的电力电子变换器以及其运行方式。这 些变换器及其运行方式在此以实施例子出现但实际应用并不局限于此。此处描述的多电平大功率变换器，被称为六角变换器，是由六个三相 功率单元环形连结而组成。其中的三相功率单元可以是任意一种三相电力 电子变换器。对于任意一个给定的应用场合，六个三相功率单元可以相同 也可以不同。六个功率单元以一个或更多电感相连以抑制潜在的环流。所 描述的六角变换器的应用非常广泛，无法全举。对于有一定专业水平的人来说，通过如下图形解释和文字说明，更多 的系统，运行方式，功能，及优势将会变得显而易见。本文及其附带的权 利要求旨在保护所有这些系统，运行方式，功能，及优势。附图说明本专利技术的具体内容包括它的结构和运行方式可以通过研究所伴随的 有参考号码和部件的图形来理解。图中的元器件旨在示意本专利技术的基本原理而并非表示其实际度量。所有的插图旨在传i^Ht念，对其相对尺寸，形 状和其他具体的属性只是给予示意性的说明而并非字面的或精确的说明。图l是六角变换器的一个实施例子的示意图。图2A-B是六角变换器功率单元的实施例子的示意图。图3A-5B是六角变换器被运用于不同场合的更多实施例子的示意图。图5C-6是整流和逆变功率单元的实施例子的示意图。图7A-B是六角变换器被用于大功率场合的更多实施例子的示意图。图8是六角变换器的控制器的一个实施例子的框图。图9是描述六角变换器实施例子的运行向量图。图IO是六角变换器的控制器的另一个实施例子的框图。图ll是六角变换器的控制器的另一个实施例子的框图。图12是六角变换器功率单元的另一个实施例子的示意图。具体实施例方式在此所提供的是多个多电平变换器和其功率单元的实施例子。这些变 换器可以被广泛地应用到各种场合，其中的一些应用例子也会在这里会介 绍。这些多电平变换器提供了比常规变换器更显著的优点，包括更系统化 的模块结构，更少的元器件个数，电压电流自动平衡，更容易控制，更强 的自有容错性，其优点不限于此。图1是多电平变换器100的第一个实施例子的示意图，为便于讨论， 不限定地称之为六角变换器100。六角变换器100的較J圭组成包函六个三 相功率单元101。每个功率单元101构成变换器100的一条主电源路径并 且传递变换器100总输出功率的六分之一。在一些场合中，当图中有多个 版本的相似元件或结构时，例如此处的三相功率单元101，每个相似元件 或结构可标之为yyy-z,其中y代表元件类型的参考号码，而z代表了其 中特定的一个元件。在这个实施中，每个功率单元包括了一个交流端口 102和一个直流端口 103。每个交流端口 102包含三个交流端子a， b,和 c。每个直流端口 103包含x个直流端子dz,其中x大于或等于2而z是 相应于特定端子的号码。直流端子的数目d取决于不同应用场合的需要。 直流端口 103的d个直流端子可以接到隔离的直流电源，负载，或者是开 路，取决于应用场合的需要。在这个实施中，每个功率单元101有一个交流端子(a， b,或c)被 指定为输出端子。各功率单元101的输出端子被标记为A(功率单元101-1 的交流端子al )， A，(功率单元101-4的交流端子a4 )， B (功率单元101-3 的交流端子b3 )， B，(功率单元101-6的交流端子b6 )， C (功率单元101-5 的交流端子c5)和C，(功率单元101-2的交流端子c2 )。这些交流输出端 子通过零个， 一个或更多个的电感连接到外界电路。每个功率单元101 的其他两个交流端子通it^个， 一个或更多个的电感201接到相邻的功率 单元IOI。如果需要，电感201可与电阻性元器件相串联。举例说明，在 这个实施中，功率单元101-1的交流端子bl通过一个电感201与功率单 元101-2的交流端子b2相连。功率单元101-1的交流端子cl与功率单元 101-6的交流端子c6也是通过一个电感201相连。图1中的其他功率单元 也有相似的连接。图2A-B是功率单元101的实施例子。需要注意的是每个功率单元101 的结构并不要求是相似的。事实上，各个功率单元101可以是不同类型的 三相电力电子变换器。 一般来说，三相功率单元101是一个包含有一系列开关202， 二极管203和/或电容204的电路。开关202的较佳选择是用于 功率应用场合的半导体开关，比如绝,双极晶体管(IGBT)，集成门极 换流晶闸管(IGCT)，门极关断晶闸管(GTO)及其他。根据本专业常 识，半导体开关202可以是任意的有源开关，并不局限于这里所提到或所 描绘的类型。每个开关202都包含至少一个输入端口 208，用于接收变换 器100的控制器所产生的控制信息，具体的描述会在稍后提供。图2A描述了由一个两电平电压源变换器(VSC)所形成的功率单元 101。在这里，三个分别由双开关202组成的支路并联接于端子dl和d2 之间。电容204也接在dl和d2之间。三个交流端子a, b和c则分别接 到三条支路的两个开关202的中点。图2B是功率单元的另一个实施例子。在这里，功率单元101是一个 三电平中性点钳位变换器(NPC )。除了额外的二极管203和电容204夕卜， 还包括第二套开关202.示意图2A-B仅是功率单元101许多实现方式中 的两个例子，功率单元的实现方式并不局限于图2A-B所举的实施例子。六角变换器IOO有六个交流端子102，可被用于多种六相和三相的应 用本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种电力系统，包括：　一个多电平电力变换器，包括六个三相功率单元，其中每个功率单元包括一个至少有三个端子的交流端口和一个至少有两个端子的直流端口，其中的每个功率单元分别通过交流端口的至少三个端子中的第一个和第二个端子与两个不同的功率单 元相连。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】US 2006-8-30 60/823,9391.一种电力系统，包括一个多电平电力变换器，包括六个三相功率单元，其中每个功率单元包括一个至少有三个端子的交流端口和一个至少有两个端子的直流端口，其中的每个功率单元分别通过交流端口的至少三个端子中的第一个和第二个端子与两个不同的功率单元相连。2.根据权利要求1所述的电力系统，其中每个功率单元通过感性电 路与两个不同的功率单元相连。3.根据权利要求2所述的电力系统，其中每个功率单元包含多个半 导体开关。4. 根据权利要求3所述的电力系统，其中至少一个半导体开关与交 流端口的至少三个端子中的一个端子以及直流端口的一个端子相连结。5. 根据权利要求4所述的电力系统，其中每个半导体开关配置为下 列的一种IGBT， IGCT,或GTO。6. 根据权利要求3所述的电力系统，其中每个功率单元包含多个二 极管。7.根据权利要求3所述的电力系统，其中每个功率单元包括第一条接在直流端口第一和第二个端子之间的含有第一和第二个半 导体开关串联的支路，第 一个接在第 一和第二个开关之间的交流端口的端 子；第二条接在直流端口第一和第二个端子之间的含有第三和第四个半 导体开关串联的支路，第二个接在第三和第四个开关之间的交流端口的端 子；以及第三条接在直流端口第一和第二个端子之间的含有第五和第六个半 导体开关串联的支路，第三个接在第五和第六个开关之间的交流端口的端 子。8.根据权利要求7所述的电力系统，其中每个功率单元与一个控制 变换器运行的控制器相连。9.根据权利要求7所述的电力系统，其中控制器输出多个的控制信 号到每个功率单元。10.根据权利要求9所述的电力系统，其中每个开关用来接收控制器 输出的一个控制信号。11.根据权利要求10所述的电力...

【专利技术属性】
技术研发人员：文珺，马科悦，
申请(专利权)人：加利福尼亚大学董事会，
类型：发明
国别省市：US[美国]