一种级联型多电平高压变频器的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种级联型多电平高压变频器，更具体而言，涉及一种级联H桥多电 平高压变频器。
【背景技术】
[0002] 典型的级联型多电平高压变频器用于将固定的交流输入电压转换成可变电压和/ 或可变频率的输出。尽管在过去已经有关于用于交流电机的级联型多电平高压变频器的设 计，但是这些高压变频器仍然存在许多问题，例如：
[0003] 变频器启动时需要对直流母线进行预充电；
[0004] 功率模块的交流输出电压只能低于直流母线电压；
[0005] 每一个桥臂的上下功率器件不能同时导通，否则，会发生直通短路，损坏器件。因 此在脉冲调制中需要加入死区，然而这样就会使输出的电压波形质量发生失真；
[0006] 另外，电磁兼容的脆弱性也是一个问题，由电磁干扰造成的误触发导致的直通问 题是变频器可靠性问题的主要来源；
[0007] 在电网电压跌落时，高压变频器就不能输出额定电压。导致了高压变频器不得不 停机或者转入低电压穿越模式，这样用电设备都不能正常工作；
[0008] 在功率单元失效时，高压变频器需要增加旁通回路。如果直接用基于晶闸管的旁 通回路，在直流母线充放电时，容易造成晶闸管的误触发。
[0009] 针对上述一个或多个问题，通常的做法是增加预充电回路、增加功率模块、提高控 制难度或者增加缓冲电路。但这样不但会增加高压变频器系统的成本，而且会大大降低系 统的可靠性。
【发明内容】
[0010] 本发明的实施方式提供了一种级联多电平高压变频器，其可以有效地克服上述一 个或多个问题。节省了系统成本，并且大大增加了高压变频器系统的可靠性。
[0011] 为实现上述目的，本发明提供了一种级联型多电平高压变频器，其中多个功率单 元与三相变压器的多个副边绕组分别相连，并且同相的功率单元串联在一起，其特征在于： 所述多个功率单元中的至少一部分是带有阻抗网络的功率单元。
[0012] 在一种实施方式中，所述带有阻抗网络的功率单元包括二极管整流器、IGBT逆变 器和位于它们之间的阻抗网络。
[0013] 在一种实施方式中，所述的阻抗网络中包含电感和电容。
[0014] 在一种实施方式中，所述多个功率单元还包括不带有阻抗网络的功率单元。
[0015] 在一种实施方式中，所述不带有阻抗网络的功率单元包括二极管整流器、IGBT逆 变器和位于它们之间的直流母线电容。
[0016] 在一种实施方式中，每个功率单兀的输入电压都相同。
[0017] 在一种实施方式中，所述三相变压器是移相变压器，并且副边绕组的输出电压都 相同，各个副边绕组的输出电压相互之间错位一定的相角。
[0018] 这种带有阻抗网络的功率单元电路结构，由于它兼具有电压源逆变器和电流源逆 变器的特点，因此它有如下优点：
[0019] ?每个功率模块不需要预充电单元。由于直流侧的电抗能够平滑尖峰电流；
[0020] ?输出的交流电压能够高于直流输入电压。这样在电网电压跌落时，交流输出仍然 可以获得满电压；
[0021] ?不需要设置死区，由于每一个桥臂上、下功率器件可以直接导通通；
[0022] ?对于EMI噪声的存在免疫性，没有误导通问题；
[0023] ?更少的谐波注入电网，由于直流电抗器的作用；
[0024] ?更少的谐波注入负载，由于不需要设置死区；
[0025] ?此外如果直流电抗采用一个铁心以变压器的形式进行耦合的电抗器，它可以减 少共模电压和电压的dv/dt。
[0026] 采用上述这种功率单元的级联多电平高压变频器能够有效地提高系统性能同时 降低成本。
【附图说明】
[0027] 图1是本发明的一种级联型多电平高压变频器的整体示意图；
[0028] 图2是本发明的功率单元的一种电路拓扑结构的实施例；
[0029] 图3是本发明的功率单元的另一种电路拓扑结构的实施例；
[0030] 图4至图6是图2所示功率单元在不同开关频率下的仿真效果图。
【具体实施方式】
[0031] 以下参考附图，给出了本发明的可选实施方式的具体描述。
[0032] 图1示出本发明的变频器的示意性结构图。如图1所示，三相多副边绕组变压器 10的原边直接或通过开关与高压交流电网连接，变压器10的副边的每一个绕组与整流及H 桥式逆变单元20 (简称为功率单元20)相连，并且同相的功率单元串联在一起。每一相的 功率单元的个数与电网电压、功率器件的性能以及输出需求等有关。优选地，副边的绕组都 是同样的结构，从而每个功率单元20的输入电压相同。在一种实施方式中，所述三项多副 边绕组变压器是移相变压器，并且副边绕组的输出电压都相同，各个副边绕组的输出电压 相互之间错位一定的相角。图1的右下角示出功率单元20的拓扑结构的一种实施方式，其 放大的视图参见图2。
[0033] 图2示出功率单元20的拓扑结构的一种实施方式。如图2所示，功率单元20是 带有阻抗网络的H桥功率单元，其中包含有二极管整流器21、IGBT逆变器23和位于它们之 间的阻抗网络22。阻抗网络22由电感和电容构成。采用集成了阻抗网络22的功率单元 20将使整个变频器系统既不是电压源型逆变器（VSI)，又不是电流源型逆变器（CSI)。由于 普通的逆变器大多是电压源型逆变器（VSI)，因此本发明除了具有VSI逆变器的优点外，还 具有CSI逆变器的优点。
[0034] 这种功率单元的每一个桥臂都可以直通，由于电抗器的限流作用，它没有过流的 问题，同时因为直流电抗器的设置，更少的谐波会被注入电网。同时，每一个功率单元的阻 抗网络还具有升压的功能。由于它兼具有电压源逆变器和电流源逆变器的特点，直流侧的 电抗能够平滑浪涌电流，因此它不需要预充电单元。因为每一个桥臂可以直接导通，这样在 电网电压跌落时，交流输出仍然可以获得额定的电压，因此输出的交流电压能够高于直流 输入电压。另外，因为每一个桥臂都可以直通，从而不需要死区，进而更少的谐波被注入负 载，从而尽可能避免输出的电压质量发生失真。此外，它还没有EMI噪声和误导通的问题。 如果直流电抗器采用一个铁心以变压器的形式进行耦合的电抗器，它还可以减少共模电压 和电压的dv/dt。
[0035] 为了更具体的描述本发明的带有阻抗网络的功率单元20电路结构的工作原理以 及升压控制方式，下文详细介绍阻抗网络22的工作原理以及是如何升压的。
[0036] 带有阻抗网络的功率单元H桥逆变器具有五个允许的开关状态，而不像传统的H 桥逆变器那样只有四个。当直流电压加到负载上时，传统的功率单元有两个非零矢量。当 负载端分别被下面的或上面的两个器件