一种DC/AC电力变换装置的制作方法

本申请涉及dc/ac电力变换装置领域，尤其涉及高功率密度、并网友好型功率变换电路。

背景技术：

dc/ac变换电路泛指逆变功率变换电路，或dc/ac、ac/dc双向变换电路，即通过该电路实现输入一个直流电压，输出一个交流电压，进而实现功率变换，一般将能够实现输出大于或等于三个电平的称之为多电平dc/ac变换电路。目前工业上常用的是三电平功率变换电路，比如npc，包括t型npc和inpc拓扑，如图1a所示。

对于图1a和图1b所示的inpc电路，在功率因数为1的工况下，该工况广泛存在于新能源并网系统，例如：风电和光伏等，t1管不仅有导通损耗还有较大的开关损耗，t2管只有导通损耗，在实际工业应用中，t1管的损耗远大于t2管的损耗，致使由于t1管的热限制，无法应用到更大功率等级的场景。另外，在图1的应用中电流频率等于t1管的开关频率，若要增大电流频率，减小电流纹波，必须增大t1管的开关频率。由于t1管的频率与发热成正相关，频率的增加会导致发热急剧上升，对该电路的使用形成了较大限制。

技术实现要素：

为了克服上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供了一种dc/ac电力变换装置，能够解决现有技术中存在的各开关模块发热不均导致的局部过热和电流频率严格受限于开关模块频率的影响。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种dc/ac电力变换装置，由上母线电容cbus+、下母线电容cbus-、第一开关模块t1、第二开关模块t2、第三开关模块t3、第四开关模块t4、第一单向导通器件d1、第二单向导通器件d2、第三单向导通器件d3和第四单向导通器件d4组成；下母线电容cbus-、上母线电容cbus+、第一开关模块t1、第二开关模块t2、第三开关模块t3和第四开关模块t4依次串联形成回路；所述下母线电容cbus-的正端电连接在上母线电容cbus+的负端；上母线电容cbus+的正端电连接在第一开关模块t1的正端；第一开关模块t1的负端电连接在第二开关模块t2的正端；第二开关模块的负端t2电连接在第三开关模块t3的正端；第三开关模块t3的负端电连接在第四开关模块t4的正端；第四开关模块t4的负端电连接在下母线电容cbus-的负端；所述第一开关模块t1的正端与第一单向导通器件d1的反向截至端电连接；第一开关模块t1的负端与第一单向导通器件d1的正向导通端电连接；所述第二开关模块t2的正端与第二单向导通器件d2的反向截至端电连接；第二开关模块t2的负端与第二单向导通器件d2的正向导通端电连接；所述第三开关模块t3的正端与第三单向导通器件d3的反向截至端电连接；第三开关模块t3的负端与第三单向导通器件d3的正向导通端电连接；所述第四开关模块t4的正端与第四单向导通器件d4的反向截至端电连接；第四开关模块t4的负端与第四单向导通器件d4的正向导通端电连接；所述第二开关模块t2与第三开关模块t3的电连接点引出作为ac输出点；还包括飞跨电容cfly；所述飞跨电容cfly的正端电连接在第一开关模块t1和第二开关模块t2的公共点；飞跨电容cfly的负端电连接在第三开关模块t3和第四开关模块t4的公共点。

所述飞跨电容cfly在所述dc/ac电力变换装置正常工作之前处于未充电状态，飞跨电容cfly两端电压为0；所述飞跨电容cfly在所述dc/ac电力变换装置正常工作时处于充电状态，飞跨电容cfly两端的电压接近上母线电容cbus+和下母线电容cbus-之和的一半；所述飞跨电容cfly能够增加开关模块的模式数量，即增加一个0态的开关模式；在第一开关模块t1、第二开关模块t2、第三开关模块t3和第四开关模块t4的频率不变的情况下，电流频率能进行倍频，达到减小电流谐波的作用。

所述dc/ac电力变换装置在正常工作时，四个开关模块的开通时间和电流大小一样，损耗分配更加均压；所述dc/ac电力变换装置在正常工作时，四个单向导通器件的导通时间和电流大小相同，损耗分配更加均匀；由于没有局部热点，在电流一致的情况下能够推向更大功率等级。

所述dc/ac电力变换装置还包括启动电路，该启动电路包括第五单向导通器件d5和第六单向导通器件d6，其中第五单向导通器件d5的反向截至端电连接在飞跨电容cfly的正端；第五单向导通器件d5的正向导通端电连接在第六单向导通器件d6的反向截至端；第五单向导通器件d5和第六单向导通器件d6的公共端电连接在上母线电容cbus+和下母线电容cbus-的公共端；第六单向导通器件d6的正向导通端电连接在飞跨电容cfly的负端。

所述dc/ac电力变换装置在正常工作之前飞跨电容cfly未充电，两端电压为0；通过分别开通第一开关模块t1和第四开关模块t4来给飞跨电容cfly充电，开通第一开关模块t1时，由于第六单向导通器件d6的钳位作用将第四单向导通器件d4的正端钳位至下母线电容cbus-的正端，保证第四开关模块t4的电压应力等于下母线电容cbus-，不被电压击穿；同理，开同第四单向导通器件d4给飞跨电容cfly充电时，由于第五单向导通器件d5的钳位作用，可将第一开关模块t1的负端钳位至上母线电容cbus+的负端，保证第一开关模块t1的电压应力等于上母线电容cbus+的电压应力，不被电压击穿。

所述dc/ac电力变换装置还包括启动电路，该启动电路包括第一开关s1和第二开关s2，其中第一开关s1的反向截至端电连接在飞跨电容cfly的正端；第一开关s1的正向导通端电连接在第六单向导通器件d6的反向截至端；第一开关s1和第第二开关s2的公共端电连接在上母线电容cbus+和下母线电容cbus-的公共端；第二开关s2的正向导通端电连接在飞跨电容cfly的负端。

所述第二开关s2在正常未启动和正常工作时处于断开状态，只有在启动时闭合，启动结束后在第二开关模块t2发波之前要断开第二开关s2；由于增加了第二开关s2,在飞跨电容cfly未建立电压时，通过开通第一开关模块t1给飞跨电容cfly充电，保证第四开关模块t4两端的电压不会超过下母线电容电压，有效保护第四开关模块t4；第一开关s1在正常未启动和正常工作时处于断开状态，只有在启动时闭合，启动结束后在第二开关模块t2发波之前要断开第一开关s1；由于增加了第一开关s1,在飞跨电容cfly未建立电压时，通过开通第四开关模块t4给飞跨电容cfly充电，保证第一开关模块t1两端的电压不会超过上母线电容电压，有效保护第一开关模块t1。

所述dc/ac电力变换装置还包括启动电路，该启动电路为隔离充电电路，隔离充电电路的一端电连接在飞跨电容cfly的正端；另一端电连接在飞跨电容cfly的负端，该隔离充电电路用于给飞跨电容cfly充电，在dc/ac电力变换装置准备工作时，当飞跨电容cfly还没有建立电压，通过隔离充电电路来给飞跨电容cfly充电，电容充至上母线电容和下母线电容电压和的一半，飞跨电容cfly充电完成，隔离充电电路切断。

所述上母线电容cbus+包括两个串联的第一上母线电容cbus1+负端和第二上母线电容cbus2+，所述下母线电容cbus-包括两个串联的第一下母线电容cbus1-和第二下母线电容cbus2-，同时增加第一开关s1和第二开关s2，第一开关s1的一端电连接在第一上母线电容cbus1+负端和第二上母线电容cbus2+正端的公共点，第一开关s1的另一端点连接在飞跨电容cfly的正端上；第二开关s2的一端电连接在第一下母线电容cbus1-负端和第二下母线电容cbus2-正端的公共点，第二开关s2的另一端点连接在飞跨电容cfly的负端上。

在dc/ac电力变换装置未启动或正常工作时，第一开关s1和第二开关s2处于断开状态，在启动时，通过手动或控制第一开关第二开关s1和第二开关s2闭合给飞跨电容充电，充电至第二上母线电容cbus2+和第一下母线电容cbus1-电压之和后断开第一开关s1和第二开关s2。

和现有技术相比较，本发明具备如下优点：

由于飞跨电容的存在，增加了一种o态开关模式，进而形成倍频效应，即电流频率等于两倍开关模块的频率；同时，在正常工作时，四个开关模块的开通时间和电流大小一样，损耗分配更加均压。

由于有特有的启动电路的存在，在飞跨电容未建立电压时，通过启动电路和开关模块可以安全的给飞跨电容进行充电，充电过程中启动电路可有效保护开关模块，防止过压击穿。

附图说明

为了更清楚的说明本申请实施或现有技术中的技术方案，下面将对本申请中的各实施例或现有技术描述中所使用的附图做一个简单介绍。显然，下面的附图是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1a为i字型钳位中点三电平逆变结构示意图。

图1b为i字型钳位中点三电平逆变器输出电压与开关状态之间的关系。

图2为本发明飞跨电容型dc/ac电力变换装置示意图。

图3a1、图3a2和图3a3分别为飞跨电容型dc/ac电力变换装置在功率因数为1时上半周期的开关模态p、开关模态01和开关模态02。

图3b为飞跨电容型dc/ac电力变换装置在功率因数为1时，上半周期输出电压与开关状态之间的关系。

图4为一个开关周期内输出电压与开关状态之间的关系。

图5为本发明dc/ac电力变换装置第一种示意图。

图6为本申请dc/ac电力变换装置启动电路的第一种示意图。

图7为本申请dc/ac电力变换装置启动电路的第二种示意图。

图8为本申请dc/ac电力变换装置启动电路的第三种示意图。

图9为本申请dc/ac电力变换装置启动电路的第四种示意图。

具体实施方式

为使本领域技术人员更好地理解本技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明dc/ac电力变换装置进一步详细描述。

本申请实施例中的dc/ac电力变换装置电路主要包括：

如图2所示，本发明dc/ac电力变换装置，dc/ac电力变换装置，由上母线电容cbus+、下母线电容cbus-、第一开关模块t1、第二开关模块t2、第三开关模块t3、第四开关模块t4、第一单向导通器件d1、第二单向导通器件d2、第三单向导通器件d3和第四单向导通器件d4组成；下母线电容cbus-、上母线电容cbus+、第一开关模块t1、第二开关模块t2、第三开关模块t3和第四开关模块t4依次串联形成回路；所述下母线电容cbus-的正端电连接在上母线电容cbus+的负端；上母线电容cbus+的正端电连接在第一开关模块t1的正端；第一开关模块t1的负端电连接在第二开关模块t2的正端；第二开关模块的负端t2电连接在第三开关模块t3的正端；第三开关模块t3的负端电连接在第四开关模块t4的正端；第四开关模块t4的负端电连接在下母线电容cbus-的负端；所述第一开关模块t1的正端与第一单向导通器件d1的反向截至端电连接；第一开关模块t1的负端与第一单向导通器件d1的正向导通端电连接；所述第二开关模块t2的正端与第二单向导通器件d2的反向截至端电连接；第二开关模块t2的负端与第二单向导通器件d2的正向导通端电连接；所述第三开关模块t3的正端与第三单向导通器件d3的反向截至端电连接；第三开关模块t3的负端与第三单向导通器件d3的正向导通端电连接；所述第四开关模块t4的正端与第四单向导通器件d4的反向截至端电连接；第四开关模块t4的负端与第四单向导通器件d4的正向导通端电连接；所述第二开关模块t2与第三开关模块t3的电连接点引出作为ac输出点；还包括飞跨电容cfly；所述飞跨电容cfly的正端电连接在第一开关模块t1和第二开关模块t2的公共点；飞跨电容cfly的负端电连接在第三开关模块t3和第四开关模块t4的公共点。

所述飞跨电容cfly在所述dc/ac电力变换装置正常工作之前处于未充电状态，飞跨电容cfly两端电压为0；所述飞跨电容cfly在所述dc/ac电力变换装置正常工作时处于充电状态，飞跨电容cfly两端的电压接近上母线电容cbus+和下母线电容cbus-之和的一半；所述飞跨电容cfly能够增加开关模块的模式数量，即增加一个0态的开关模式；在第一开关模块t1、第二开关模块t2、第三开关模块t3和第四开关模块t4的频率不变的情况下，电流频率能进行倍频，达到减小电流谐波的作用。

图3a1、图3a2和图3a3分别为飞跨电容型dc/ac电力变换装置在功率因数为1时上半周期的三种开关模态。定义p态为ac输出电位等于bus+；定义o态为ac输出电位等于busn，在o态中包含两个开关模态，分别为o1态和o2态；定义n态为ac输出电位等于bus-。同时，在图3b中定义1表示对应开关模块导通状态；0表示对应开关模块关断状态。在图3a1、图3a2和图3a3中，分别表示的是在功率因数为1的工况下，正半周时，发波的三种模态和电流流向，图3b为图3a中三种模态对应的开关模块的工作状态。在开关模态p时，第一开关模块t1和第二开关模块t2导通，电流通过第一开关模块t1和第二开关模块t2输出，ac输出与bus+同电位；在开关模态o1时，第一开关模块t1和第三开关模块t3导通，飞跨电容cfly正极与bus+同电位，由于飞跨电容两端电压一直等于上母线电容cbus+和下母线电容cbus-之和的一半，因此飞跨电容cfly负极与busn同电位，电流通过第一开关模块t1、飞跨电容cfly和第三单向导通器件d3，ac输出与飞跨电容负极同电位为busn；在开关模态o2时，第二开关模块t2和第四开关模块t4导通，飞跨电容cfly负极与bus-同电位，由于飞跨电容cfly两端电压一直等于上母线电容cbus+和下母线电容cbus-之和的一半，因此飞跨电容cfly正极与busn同电位，电流从飞跨电容cfly正极通过第二开关模块t2输出，ac输出与飞跨电容正极同电位为busn。特别说明的是，在正常工作时，飞跨电容cfly两端的电压为上母线电容电压和下母线电容电压之和的一半。由正半周期的三个模态，很容易知道负半周期的模态，同时，也易知功率因数不为1时的开关模态。

图4为一个开关周期内输出电压与开关状态之间的关系。如图4所示，在开关模块的一个开关周期内出现了两次开关模态p，还分别出现了一次开关模态o1和开关模态o2。从图4可知，在开关模块的一个开关周期内开关模态发生了两次变换，即输出电流也将发生两次变换，进而形成倍频效应。同样，图4中可知，在一个开关周期内，通过第一开关模块t1和第二开关模块t2的电压电流以及导通时间是一样的，因此在第一开关模块t1和第二开关模块t2上产生的热损耗也是一样的，发热均匀。

图4中，第一开关模块t1和第二开关模块t2的发波是有180°的移相，在不同的发波和控制逻辑中该值不固定，可以是大于0°小于等于180°之间的任意移相角度，具体可结合控制策略的实际进行设计。在移相范围内，选择180°对dc/ac电力变换装置中输出的滤波器最有利。

图5为本申请dc/ac电力变换装置的另一种示意图。在该装置还未正常工作时，飞跨电容cfly两端还未建立起电压，两端电压为0v，此时使能第一开关模块t1为导通状态，上母线电容cbus+和下母线电容cbus-的电压和将全部加在第四开关模块t4两端。图5中开关模块的电压等级选择为半母线电压，若上母线电压和下母线电压同时加在第四开关模块t4两端，会导致第四开关模块t4过压击穿。与图5相同的原理，可知在飞跨电容的电压未建立时，开通第四开关模块t4会导致第一开关模块t1过压击穿，造成不可逆的损坏。

图6为为本申请dc/ac电力变换装置启动电路的一种实施例。分析图5可知在没有启动电路且飞跨电容电压未建立起来的工况下，无论先开通第一开关模块t1还是第四开关模块t4，均会导致电路损坏，在此提出了一种启动电路的实施例，如图6所示。增加了第六单向导通器件d6,由于第六单向导通器件d6的存在，可保证第四开关模块两端的电压不会超过下母线电容电压，此时在飞跨电容电压未建立起时开通第一开关模块t1给飞跨电容cfly充电，可保证第四开关模块t4不会被击穿，同时也可保证飞跨电容cfly充电稳定到上母线电压。同理，增加了第五单向导通器件d5,由于第五单向导通器件d5的存在，可保证第一开关模块t1两端的电压不会超过上母线电容电压，此时在飞跨电容电压未建立起时开通第四开关模块t4给飞跨电容充电，可保证第一开关模块t1不会被击穿，同时也可保证飞跨电容cfly充电稳定到上母线电压。在dc/ac电力变换装置中，上下母线电压是相等的，飞跨电容cfly两端电压等于上母线电压即等于上母线电容电压和下母线电容电压之和的一半。

图7为为本申请dc/ac电力变换装置启动电路的一种实施例。分析图5可知在没有启动电路且飞跨电容电压未建立起来的工况下，无论先开通第一开关模块t1还是第四开关模块t4，均会导致电路损坏，在此提出了另一种启动电路的实施例，将图6中的第五单相导通器件d5和第六单相导通器件d6的对应位置换成第一开关s1和第二开关s2，如图7所示。第二开关s2的一端连接在上母线电容cbus+和下母线电容cbus-的公共连接点，另一端连接在飞跨电容的负端。本实施例中的开关包括继电器、接触器、断路器、功率半导体开关(如逆导型igbt、mosfet等)。第二开关s2在正常未启动和正常工作时处于断开状态，只有在启动时闭合，启动结束后在第二开关模块t2发波之前要断开第二开关s2。与图6中第六单相导通器件d6相似，由于增加了第二开关s2,在飞跨电容cfly未建立电压时，通过开通第一开关模块t1给飞跨电容cfly充电。可保证第四开关模块t4两端的电压不会超过下母线电容电压，有效保护第四开关模块t4。同理，第一开关s1在正常未启动和正常工作时处于断开状态，只有在启动时闭合，启动结束后在第二开关模块t2发波之前要断开第一开关s1。与图6中第五单相导通器件d5相似，由于增加了第一开关s1,在飞跨电容cfly未建立电压时，通过开通第四开关模块t4给飞跨电容cfly充电。可保证第一开关模块t1两端的电压不会超过上母线电容电压，有效保护第一开关模块t1。

图8为本发明dc/ac电力变换装置启动电路的一种实施例，用于给飞跨电容充电的为一组隔离充电电路。隔离充电电路的一端电连接在飞跨电容cfly的正端；另一端电连接在飞跨电容cfly的负端，该隔离充电电路专门用于给飞跨电容cfly充电。在dc/ac电力变换装置准备工作时，当飞跨电容cfly还没有建立电压，通过隔离充电电路来给飞跨电容cfly充电，电容充至上母线电容和下母线电容电压和的一半，飞跨电容cfly充电至上母线电压或下母线电压，充电完成，然后隔离充电电路与飞快电容切断。隔离充电电路的电源可来自直流母线也可来自交流ac侧，或专门的供电电源均可。

图9为本申请dc/ac电力变换装置启动电路的一种实施例。在一些实际的工业应用环境中，上下母线电压较高，用单纯的一个电容无法满足要求，会用2个电容串联代替。本实施例的特征在于当上下母线电容采用2个电容串联代替时，增加了第一开关s1和第二开关s2。第一开关s1的一端电连接在第一上母线电容cbus1+负端和第二上母线电容cbus2+正端的公共点，第一开关s1的另一端点连接在飞跨电容cfly的正端上。第二开关s2的一端电连接在第一下母线电容cbus1-负端和第二下母线电容cbus2-正端的公共点，第二开关s2的另一端点连接在飞跨电容cfly的负端上。在未启动或正常工作时，第一开关s1和第二开关s2处于断开状态，在启动时，通过手动或控制第一开关第二开关s1和第二开关s2闭合给飞跨电容充电，充电至第二上母线电容cbus2+和第一下母线电容cbus1-电压之和后断开第一开关s1和第二开关s2。