专利名称：功率器件基本段交错连接的高压变频器的制作方法
技术领域：
本发明涉及高压变频器，特别涉及一种功率器件基本段交错连接的多电平输出高压变频器。
背景技术：
目前，使用绝缘栅型双极型晶体管(IGBT，Insulation Gate Bipolar Transistor)作为功率器件的高压变频器均采用复杂的H桥型接线，其根本目的是解决绝缘栅型双极型晶体管(IGBT)器件耐受电压低的问题。H桥型接线的高压变频器输出电压在3.0kV～10.0kV范围内，输出功率可达数千kW。H桥型接线的高压变频器以罗宾康线路和富士线路为代表。它们均是将多个二电平输出或具有中性点箝位的三电平输出的单相逆变器首尾串联成为变频器的一相。图1所示，将输出电压的相位互相错开120°电角度的三相组成一台三相变频器。图1(a)是H桥型接线高压变频器主回路的基本结构，图中示出的是四单元串联。图1(b)是二电平输出的单相逆变单元。图1(c)是具有中性点箝位的三电平输出的单相逆变单元。图1中标号21是高压电源，22是单元，23是变压器，24是电机。
H桥型接线的高压变频器存在着下列主要缺陷1.H桥型接线的高压变频器的结构复杂。它必须要有一台二次侧是多个绕组，且各个绕组之间互相错开一定相位的特殊干式变压器。变压器一定要放在电气柜内，由此占据了较多的空间。变压器二次绕组的组数和整流器的个数均同时要与串联的单相逆变器的个数相同，或当使用三电平单相逆变器时为二倍。这样，变频器的整体结构就十分庞大、复杂，且耗费大量的金属材料。变频器的电子线路结构也相当复杂，造价又高。
2.H桥型接线的高压变频器不能回馈机械的动能。
3.H桥型接线的高压变频器的功率器件开关频度高，即对于同一个调制节拍而言，每一个功率器件都有一次开(on)和关(off)动作，因此功率器件关断时总的损耗大，控制复杂。
4.H桥型接线的高压变频器在非最高输出电压或频率时，所有单相逆变器的调制率低，即占/空比小。也就是说，变频器输出为额定电压或额定频率时，其输出调制脉冲的占/空比能做到略小于1，例如0.9。随着输出电压或频率的逐渐降低，其输出脉宽调制(PWM)调制脉冲占/空比就急剧减小。例如，当输出电压或频率降低到额定值的40％时，其占/空之比将降到约36％左右。占/空比的减小就意味着输出谐波分量的增加。
5.在H桥型接线的高压变频器中，为了防止发生上桥臂和下桥臂的器件同时导通而造成的短路，通常在其单相逆变器中必须设置一个数微秒的功率器件关断时的延时死区，由于这是一个不可控的因素，因此影响了变频器输出电压变化的线性度。
6.H桥型接线的高压变频器由于三相输出电压是各自独立调制的，因此很难实现各相的波形绝对对称，相位差难以绝对保持120°。
7.H桥型接线的高压变频器是由多个正弦脉宽调制(SPWM)电压串联相加，故不可避免产生输出脉冲尖峰。最大过电压是各段直流电压总和的二倍。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点和不足，本发明的任务是提供一种新的功率器件基本段交错连接的高压变频器，它解决了目前采用复杂的H桥型接线的高压变频器其结构庞大、线路复杂、耗费材料、控制繁琐、造价高、损耗大的问题。
本发明的技术方案如下一种功率器件基本段交错连接的高压变频器，它主要由功率器件绝缘栅型双极型晶体管IGBT、桥型连接的箝位二极管箝位电路、续流二极管以及直流电容器组成功率器件基本段，以数个功率器件基本段交错连接组成变频器主回路，用空间电压矢量图的内在机理优化选择电压空间矢量及其电压输出状态，实现对变频器的输出电压三相同步调制和变频过程中的从旋转的极坐标到静止的平面三坐标的变换。
本发明是一种主回路结构和脉宽调制方式均新颖的功率器件基本段交错连接的多电平输出高压变频器，其主回路是由功率器件绝缘栅型双极型晶体管(IGBT)等组成的功率器件基本段按特殊方式交错连接而成。利用空间电压矢量图的内在机理实现SPWM调制，完成变频过程中的三相输出电压同步SPWM调制，完成从旋转的极坐标到静止的平面三坐标的转换。变频器采用双PWM接线，不设特殊的整流变压器，变频器整机结构大为简化，性能优于传统的高压变频器。
本发明的高压变频器的输出电压按V2SPWM(电压+矢量+正弦+脉宽调制)原则调制。即根据要求高压变频器瞬时输出电压矢量模的大小和空间位置，再利用空间电压矢量图的内在机理，在具有正六边形特征的空间电压矢量图上，优化选择图中相关的空间电压矢量所对应的最佳输出电压状态，对高压变频器的输出电压进行控制，完成对变频器的三相输出电压同步调制，同时实现变频过程中从旋转的极坐标到静止的平面三坐标的转换，一举两得。
本发明的高压变频器整机结构简单，无须另设二次侧为多绕组的特殊整流变压器；变频器输出电压瞬时跳变只有一个电平，故du/dt小；不设功率器件关断时的延时死区，杜绝了上、下桥臂直通的短路问题，输出电压线性度高；功率器件开关频度低，当每一个状态改变时，每一相上最多只有两个功率器件改变一次状态，器件关断时的热损耗小，可靠性高；调制率高，即SPWM调制时的占/空比高；输出电压谐波及导致的网侧电压谐波均低；能够回馈机械的动能；最大过电压只有一个功率器件基本段直流电压的二倍。
图1(a)是现有技术的H桥型接线高压变频器主回路的基本结构示意图。
图1(b)是二电平输出的单相逆变单元线路图。
图1(c)是具有中性点箝位的三电平输出的单相逆变单元线路图。
图2是本发明高压变频器的功率器件基本段的示意图。
图3(a)是将3个图2所示功率器件基本段交错连接的3段4电平SPWM主回路线路图。
图3(b)是将12个图2所示功率器件基本段交错连接的12段13电平PWM主回路线路图。
图4(a)是将3个图2所示功率器件基本段交错连接的3段4电平双PWM主回路线路图。
图4(b)是将12个图2所示功率器件基本段交错连接的12段13电平双PWM主回路线路图。
图5是本发明中的4段5电平SPWM主回路线路图。
图6是本发明中的5电平输出高压变频器的输出空间电压矢量图。
图7是本发明优化后的5电平输出相电压状态图。
图8是本发明优化后的5电平输出线电压状态图。
图9是5电平SPWM变频器的输出状态表。
具体实施例方式
参看图2，本发明是一种功率器件基本段交错连接的高压变频器，它主要由功率器件绝缘栅型双极型晶体管(IGBT)、桥型连接的箝位二极管箝位电路、续流二极管以及直流电容器组成功率器件基本段，其核心是桥型连接的箝位二极管箝位电路。
参看图3，由三个以上功率器件基本段按特殊方式交错连接，构成变频器的主回路，其核心是功率器件基本段。图3(a)示出3个功率器件基本段交错连接，图3(b)示出12个功率器件基本段交错连接。
根据所要求高压变频器的输出电压值以及所选用的功率器件IGBT能够耐受电压值的不同而确定功率器件基本段的段数。本发明高压变频器包含3～12个功率器件基本段，图3和图4中仅表示3个功率器件基本段和12个功率器件基本段两种。当选用耐压值为1.7kV的功率器件IGBT时，分别选择4、8、12个功率器件基本段交错连接，高压变频器能输出3.0kV(5电平)、6.0kV(9电平)、10.0kV(13电平)，输出功率可达数千kW。
参看图4，高压变频器的主回路采用双PWM形式接线。图4(a)示出3个功率器件基本段交错连接，图4(a)中标号41是电动机，42是三相电源。图4(b)示出12个功率器件基本段交错连接，图4(b)中标号41是电动机，43是工频电源。
参看图5，同时结合参看图2，功率器件基本段的连接方式为变形连接和标准连接两种，以N个功率器件基本段连接为例，第1段和第N段是变形连接，其余各段是标准连接。N个功率器件基本段的电容是按E1、E2…Ei…En的顺序连接。
功率器件基本段的变形连接方式为取消第1段的钳位二极管-Dzi和+Dzi，将功率器件IGBT元件-Ti的漏极直接与电容器Ei的负极相接，将功率器件IGBT元件+Ti的漏极直接与变频器相应相的交流输出线相接。取消第N段的钳位二极管-Dyn和+Dyn，将功率器件IGBT元件+Tn的源极直接与电容器En的正极相连接，将+Tn的源极与变频器相应相的交流输出线相接。
功率器件基本段的标准连接方式为将第i个功率器件基本段的钳位二极管-Dyi与第i+1个功率器件基本段的钳位二极管-Dy(i+1)合并为一个钳位二极管。将第i个功率器件基本段的钳位二极管+Dyi与第i+1个功率器件基本段的钳位二极管+Dz(i+1)合并为一个钳位二极管。
下面结合图5，以4段5电平输出变频器为例，说明本发明高压变频器输出脉冲电压的SPWM脉宽调制方式。
同时参看图6的5电平输出高压变频器的输出空间电压矢量图，表示在箭首的数组组成的图形视为变频器输出空间电压状态图。根据空间电压矢量的概念以及空间电压矢量图的内在机理，对变频器的三相输出脉冲电压进行三相同步SPWM调制，即称为V2SPWM调制。
本发明用空间电压矢量图的内在机理优化选择电压空间矢量及其电压输出状态，实现对变频器的输出电压三相同步调制和变频过程中的从旋转的极坐标到静止的平面三坐标的变换。
附后的表1列出了5电平SPWM变频器的输出状态。结合参看图5，在功率器件取不同的on/off状态时，变频器的每一相输出电位可以是“0”、“1”、“2”、“3”、“4”五种，即五个状态。把变频器三相的输出状态综合起来，则变频器的输出共有53＝125个状态，如表1所示。
利用每一个状态，可以在平面三坐标中画出一个空间电压矢量。5电平输出变频器共有125个空间电压矢量。由于存在着若干个空间电压相等的情况，综合起来共有61个空间电压矢量，如图6所示。图6也可以称为菱形空间电压矢量图。各矢量终点的数组示出了该矢量对应的输出状态，去掉表示矢量的箭线，所剩下的即成为变频器的输出电压状态图。
当高压变频器的输出电压在0％～100％之间的不同值时，变频器分别工作在二电平、三电平、四电平、五电平。因此，变频器始终工作在调制率高的状态。
在调制过程中，利用空间电压矢量图来适时优化、选择最合适的空间电压矢量，相对应的、最佳的电压输出状态是V2SPWM调制的基本的、独特的调制方法。
参看图7和图8的优化后的5电平输出相电压和线电压状态，二者均是61个状态，即每一个空间电压矢量对应一个输出状态。
本发明的高压变频器的SPWM调制与H桥型接线的高压变频器的SPWM调制完全不同H桥型接线的高压变频器的SPWM调制是每一个单元独立进行逆变后再串联叠加，其调制率低。而本发明的高压变频器实行三相同步调制，当需要变频器输出三相电压的合成空间电压矢量γ∠时，它按其相对应的频率或速率在空间电压矢量图中沿着顺时针方向或逆时针方向旋转；在某一时刻，当γ∠的端点落在空间电压矢量图中的某一小三角形上，如图7中所示的300、400、410所围成的小三角形，则按一定的时间比值反复执行在这三个顶点上的三个优化电压输出状态与此同时，根据预定的规律沿着顺时针或逆时针方向逐渐推移，随后更换到邻近的小三角形。本发明的高压变频二器主回路结构和SPWM调制都十分简洁。
本发明的高压变频器具有下列诸多有益效果1.本发明的高压变频器省去了H桥型高压变频器中必须有的特殊的、二次为多个绕组、体积庞大的整流变压器，节约了大量的金属材料。主回路的结构以及SPWM调制都显得十分简洁；摒弃了H桥型变频器使用的单相逆变、串联叠加的方式，代之以新型的三相输出同步调制方式及变频过程中从旋转的极坐标到静止的平面三坐标的转换，使系统控制简单化。变频器的功率器件在关断过程中，不需设置延时死区，因而SPWM调制的占、空比高，使其输出电压控制性能更优。变频器利用空间电压矢量图对输出的状态、空间电压矢量进行优化选择，能够使功率器件的开关频度达到很低的程度，脉冲驱动控制简单化，大幅度地降低了功率器件关断时的热损耗。
2.本发明的高压变频器是根据不同的输出电压幅值，实行与之相适应的输出电平数进行调制。故调制率即占、空比始终很高；输出谐波分量低且稳定。
3.本发明的高压变频器在调制过程中，任何两个电压矢量或状态之间的切换时只有一个电平之差。所以，输出电压的 始终很小，直流过电压仅为一个电平的二倍。
4.本发明的高压变频器很好地解决了当前的功率器件IGBT承受耐压低的问题。
权利要求
1.一种功率器件基本段交错连接的高压变频器，其特征在于，它主要由功率器件绝缘栅型双极型晶体管IGBT、桥型连接的箝位二极管箝位电路、续流二极管以及直流电容器组成功率器件基本段，以数个功率器件基本段交错连接组成变频器主回路，用空间电压矢量图的内在机理优化选择电压空间矢量及其电压输出状态，实现对变频器的输出电压三相同步调制和变频过程中的从旋转的极坐标到静止的平面三坐标的变换。
2.根据权利要求1所述的功率器件基本段交错连接的高压变频器，其特征在于，所述功率器件基本段的连接方式为变形连接和标准连接两种，第1段和第N段是变形连接，其余各段是标准连接。
3.根据权利要求2所述的功率器件基本段交错连接的高压变频器，其特征在于，所述功率器件基本段的变形连接方式为取消第1段的钳位二极管-Dzi和+Dzi，将功率器件绝缘栅型双极型晶体管IGBT-Ti的漏极直接与电容器Ei的负极相接，将功率器件绝缘栅型双极型晶体管IGBT+Ti的漏极直接与变频器相应相的交流输出线相接，取消第N段的钳位二极管-Dyn和+Dyn，将功率器件绝缘栅型双极型晶体管IGBT+Tn的源极直接与电容器En的正极相连接，将+Tn的源极与变频器相应相的交流输出线相接。
4.根据权利要求2所述的功率器件基本段交错连接的高压变频器，其特征在于，所述功率器件基本段的标准连接方式为将第i个功率器件基本段的钳位二极管-Dyi与第i+1个功率器件基本段的钳位二极管-Dy(i+1)合并为一个钳位二极管，将第i个功率器件基本段的钳位二极管+Dyi与第i+1个功率器件基本段的钳位二极管+Dz(i+1)合并为一个钳位二极管。
全文摘要
本发明涉及一种功率器件基本段交错连接的高压变频器，它主要由功率器件绝缘栅型双极型晶体管(IGBT)、桥型连接的箝位二极管筘位电路、续流二极管以及直流电容器组成功率器件基本段，以数个功率器件基本段交错连接组成变频器主回路，用空间电压矢量图的内在机理优化选择电压空间矢量及其电压输出状态，实现对变频器的输出电压三相同步调制和变频过程中的从旋转的极坐标到静止的平面三坐标的变换。变频器采用双脉宽调制接线，不设特殊的整流变压器，变频器整机结构大为简化，性能优于传统的高压变频器。变频器输出电压瞬时跳变只有一个电平，功率器件开关频度低，器件关断时的热损耗小，可靠性高。
文档编号H02M5/00GK1625036SQ20041006711
公开日2005年6月8日 申请日期2004年10月13日 优先权日2004年10月13日
发明者钟述文 申请人:钟述文