高压APF/高压SVG和高压APF/高压SVG用的功率模块的制作方法

[技术领域]

本发明涉及高压电网辅助设备，尤其涉及一种高压apf/高压svg和高压apf/高压svg用的功率模块。

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背景技术：
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链式高压有源滤波器(高压apf)是一种用于动态谐波抑制、无功补偿的电力电子产品，可对大小和频率都变化的谐波和无功进行补偿，相比于传统的lc滤波、链式高压有源滤波具有更好的无功补偿特性和谐波治理效果，控制精度高、治理效果好、不与系统发生谐振。链式高压有源滤波器已经成为谐波治理和无功补偿的重要电力电子设备。

高压静止式无功发生器(高压svg)又称高压动态无功补偿发生装置或高压静止式无功补偿器，是由自换相的桥式逆变模块来进行动态无功补偿的装置。相比于传统的调相器、电容器、电抗器和svc等无功补偿装置，svg具有精确补偿，补偿功率因素可达0.98以上、动态响应快，在5-20ms内即可完成一次补偿、故障率低使用寿命长的优势，已成为电网、工矿企业用于调节电网功率因数的最先进和最重要的电力电子设备。

链式高压有源滤波器(高压apf)和高压静止式无功发生器(高压svg)最核心的部分就是其功率模块的高压逆变技术。目前，高压逆变技术受制于逆变功率器件(igbt等)基板耐压的限制，多采用器件串联或模块级联的拓扑结构，模块级联拓扑结构也称为链式拓扑结构，它是利用叠加升压原理，将数个低压输出的功率模块串联起来，形成高压输出。采用低压模块级联拓扑结构来实现高压输出的优势在于模块内部只需要使用低压器件，容易实现，成本低。但其缺点也非常明显，功率模块的逆变模块受制于逆变功率器件(igbt等)基板耐压的限制，其额定输入/输出电压一般较低，所以需要将多个低压模块串联起来形成高压。

专利号为cn201921242929.x的实用新型公开了一种采用无线通信的高压svg无功补偿系统，包括svg控制器和三个以y形或三角形接于电网上的单相无功补偿电路，单相无功补偿电路由电抗器和多个功率单元组成，同一单相无功补偿电路中的所有功率单元串联后经电抗器接于电网上。所述功率单元为由逆变电路和控制电路组成的svg逆变单元，逆变电路的输入端接于直流母线上，控制电路与无线通信模块相连接。所述逆变电路为绝缘栅双极型晶体管igbt、集成门极换流晶闸管igct或功率mosfet组成的h桥逆变电路(二电平h桥逆变电路)，逆变电路在控制电路输出信号的控制下实现dc/ac变换。

二电平h桥逆变功率模块的构成如图1所示，在高压输出情况下，各串联功率模块的输出端子的对地电压非常高，远远超过了模块内部功率器件的基板耐压，为了防止功率器件被对地的高电压损坏，只好将功率器件散热器及模块框架壳体进行浮地处理，这样，各串联功率模块的功率器件散热器及模块框架壳体的电位互不相同，必须对各模块进行电气绝缘隔离处理。目前的做法是，将所有功率模块固定在绝缘材料上，且相互之间留有一定的绝缘距离，以便满足各功率模块电位互不相同的要求。

但是，功率模块之间的绝缘距离占用了很大空间。高压输出的电压等级越高，所需要串联的低压功率模块数量也就越多，模块电气绝缘隔离所占用的总空间也就越大，整机装置的体积也就越大。如果能提高模块输出电压，减少模块的数量，就能减小整机体积，提高功率密度，降低整机成本。

目前减少模块数量的方案是传统二电平h桥逆变功率模块的基础上改用更高电压等级的高压igbt作为逆变器件，虽然模块数量得以减少，但是由于高压igbt单价较贵，器件成本大大增加，成本太高，非常不经济，且使用高压器件会造成整机的pwm波电平数量减少，输出谐波较大，给电网带来谐波。

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技术实现要素：
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本发明要解决的技术问题是提供一种输出电压高，但元器件电压等级仍然较低的高压apf/高压svg用的功率模块。

本发明要解决的技术问题是提供一种功率模块数量少，功率密度高，成本较低的高压apf/高压svg。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是，一种高压apf/高压svg用的功率模块，包括壳体、散热器、两个单元电路、控制电路和交流输入输出端，单元电路包括二电平h桥逆变电路和直流电压支撑电容，二电平h桥逆变电路的直流端通过直流母线与直流电压支撑电容并接，控制端接控制电路；第一二电平h桥逆变电路的第一交流端接功率模块的第一交流输入输出端，第二二电平h桥逆变电路的第二交流端接功率模块的第二交流输入输出端；第一二电平h桥逆变电路的第二交流端和第二二电平h桥逆变电路的第一交流端通过模块内部级联线连接。

以上所述的功率模块，模块内部级联线接壳体和散热器，壳体与散热器等电位相连。

以上所述的功率模块，模块内部级联线通过电阻元件或阻容并联元件接壳体和散热器。

以上所述的功率模块，单元电路包括稳压电路，稳压电路与直流电压支撑电容并接

以上所述的功率模块，稳压电路的控制端接控制电路。

以上所述的功率模块，控制电路控制二个二电平h桥逆变电路的输出电压的相位差，功率模块输出电压幅值是单个二电平h桥逆变电路输出电压幅值的二倍，功率模块输出电压波形是五电平的pwm波形，可以产生基波为50hz的无功补偿电流和50hz的5、7、11、13、17和19倍数的高次谐波补偿电流。

一种高压apf/高压svg，包括三个以y形或三角形接于电网上的单相无功补偿电路，单相无功补偿电路由电抗器和多个上述的功率模块组成，同一单相无功补偿电路中的所有功率模块串联后经电抗器接于电网上。

本发明的功率模块输出电压高，但元器件电压等级仍然较低；高压apf/高压svg使用的功率模块数量少，功率密度高，整体成本较低。

[附图说明]

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1是现有技术二电平h桥功率模块结构框图。

图2是本发明实施例五电平输出的功率模块的结构框图。

图3是本发明实施例高压apf/高压svg的结构框图。

[具体实施方式]

本发明实施例高压apf/高压svg的结构如图3所示，包括三个以y形(或三角形)接于电网上的单相无功补偿电路，单相无功补偿电路由电抗器和多个功率模块组成，同一单相无功补偿电路中的所有功率模块串联后经电抗器接于三相供电网络上。

本发明实施例高压apf/高压svg用的功率模块的结构如图2所示，包括壳体、散热器、两个单元电路、控制电路和交流输入输出端，单元电路包括二电平h桥逆变电路、直流电压支撑电容和稳压电路，二电平h桥逆变电路的直流端通过直流母线与直流电压支撑电容并接，稳压电路与直流电压支撑电容并接。二电平h桥逆变电路的控制端和稳压电路的控制端接控制电路。

第一二电平h桥逆变电路的第一交流端接功率模块的第一交流输入输出端，第二二电平h桥逆变电路的第二交流端接功率模块的第二交流输入输出端。第一二电平h桥逆变电路的第二交流端和第二二电平h桥逆变电路的第一交流端通过模块内部级联线连接。

模块内部级联线直接接壳体和散热器或通过电阻元件或阻容并联元件接壳体和散热器，所有逆变电路的功率器件的散热器与模块的框架壳体连接在一起，相互不绝缘，形成一个等电位体。

二个h桥逆变电路的公共点与散热器及框架壳体通过阻抗元件电阻元件(包含零电阻)或阻容并联元件连接形成了近似等电位，这样，任何一个h桥逆变电路及其整流电路的功率器件所承受的实际绝缘电压都不会超过该h桥逆变电路输出电压的峰值，允许所有逆变电路和整流电路的功率器件都采用低压器件，其中逆变功率器件采用低压器件，不需要使用高压器件。

本发明实施例的功率模块的控制电路，通过控制二个二电平h桥逆变电路的输出电压的相位差与脉宽调制，功率模块输出电压幅值是单个二电平h桥逆变电路输出电压幅值的二倍，功率模块输出电压波形是五电平的pwm波形，可以产生基波为50hz的无功补偿电流和50hz的5、7、11、13、17、19倍数的高次谐波补偿电流。

当直流电压支撑电容的电压为u，功率模块输出电压波形有五个电平，分别是，两个二电平h桥逆变电路正向开通输出2u，单个二电平h桥逆变电路正向开通输出u，两个二电平h桥逆变电路一正一反开通输出0，单个二电平h桥逆变电路反向开通输出-u，两个二电平h桥逆变电路反向开通输出-2u。所以称之为五电平pwm波形。具体输出波形、幅值由高压apf/高压svg主板根据电网电压和谐波计算后控制输出。

本发明功率使整机装置所需的功率模块数量减少50％，整机结构更紧凑、体积更小、功率密度更高、成本降低，为链式高压有源滤波器(高压apf)和高压静止式无功发生器(高压svg)的小型化、轻量化和低成本提供了有效解决方案。