專利名稱：帶有變電位中間電路電容的輔助諧振換向極多點(diǎn)變流器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種帶有變電位中間電路電容的ARCP(輔助諧振換向極)多點(diǎn)變流器，并由此涉及到功率電子電路，尤其涉及到用于大功率變流器的軟切換多點(diǎn)變流器結(jié)構(gòu)。
具有變電位中間電路電容的硬多點(diǎn)變流器在大功率領(lǐng)域中用于三相傳動(dòng)控制，或在能量傳輸設(shè)備中用于網(wǎng)絡(luò)耦合和補(bǔ)償，這在專利WO9302501中由T.Meynard等人曾典型地提出過(guò)。已經(jīng)證明，多點(diǎn)變流器理論尤其適用于高電壓情形，而在這種情況下，目前可供使用的單個(gè)半導(dǎo)體器件的最大反向電壓還達(dá)不到要求。與具有零位二極管或限幅二極管的多點(diǎn)變流器結(jié)構(gòu)不同的是，在由Meynard等人提出的多點(diǎn)變流器結(jié)構(gòu)中，變流器支路上的不同輸出電壓級(jí)可通過(guò)各個(gè)被充電的中間電路電容的靈活組合來(lái)獲得，這在諸如“IEEE工業(yè)應(yīng)用學(xué)報(bào)(IEEETransactions of Industry Applications)”，第1A-17卷，第5號(hào)，由A.Nabae等人發(fā)表的“一種新型的中性點(diǎn)箝位PWM變流器(A NewNeutra1 Point C1amped PWM Inverter)”中曾典型地闡述過(guò)。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)尤其在具有多于三點(diǎn)的多點(diǎn)變流器中得到顯著體現(xiàn)，在根據(jù)Nabae等人的結(jié)構(gòu)中，大大增加了多點(diǎn)變流器中的零位二極管或限幅二極管的數(shù)量，也增加了所需的反向電壓負(fù)荷。
目前，在大功率場(chǎng)合下，帶有電壓中間電路的多點(diǎn)變流器采用的是帶反向二極管的GTO開關(guān)。在這種配制情況下，所產(chǎn)生的最大電流變化率di/dt和電壓變化率du/dt必須通過(guò)無(wú)源限幅網(wǎng)絡(luò)來(lái)進(jìn)行限制，以避免半導(dǎo)體器件被損壞。這些網(wǎng)絡(luò)通常有較大的損耗，而且大大增加了變流器的復(fù)雜性和造價(jià)。
在大功率變流器中，所能達(dá)到的最大開關(guān)頻率受限于半導(dǎo)體所產(chǎn)生的開關(guān)損耗以及半導(dǎo)體元件的最小開關(guān)時(shí)間和恢復(fù)時(shí)間。由于開關(guān)頻率對(duì)電氣輸入輸出參數(shù)的質(zhì)量以及由此帶來(lái)的整體系統(tǒng)設(shè)計(jì)有直接的影響，所以對(duì)變流器來(lái)說(shuō)，可實(shí)現(xiàn)的開關(guān)頻率是一個(gè)重要的性能參數(shù)。
功率半導(dǎo)體發(fā)展中的進(jìn)步使現(xiàn)在的變流器可具有更高的di/dt和du/dt，這使得限幅網(wǎng)絡(luò)可以相當(dāng)?shù)匦。踔吝€可以省略。為此，當(dāng)前可達(dá)到的開關(guān)頻率界限基本上僅受限于最大允許的半導(dǎo)體損耗。
為了在小型和中型功率范圍內(nèi)提高變流器的最大開關(guān)頻率，可采用很多種軟切換變流器結(jié)構(gòu)來(lái)大幅度減少開關(guān)損耗。尤其是在專利US5047913中由R.De Doncker等人提出的“輔助諧振換向極”(ARCP)理論，它能很好地減少兩點(diǎn)變流器的開關(guān)損耗。在這種ARCP變流器中，每個(gè)主開關(guān)都并聯(lián)有一個(gè)卸載電容。另外，它還提供了一個(gè)由諧振電感與輔助開關(guān)串聯(lián)而成的輔助電路，該輔助電路把直流中間電路的電容中性點(diǎn)同變流器的相輸出端連接在一起。所有的主開關(guān)在零電壓工作方式下運(yùn)行，而所有的輔助開關(guān)在零電流工作方式下運(yùn)行。
除了能大幅度減少開關(guān)損耗外，ARCP理論還可以通過(guò)選擇諧振元件來(lái)控制最大的電流上升速度和電壓上升速度，這樣，不但能夠使用臨界狀態(tài)的半導(dǎo)體開關(guān)或者半導(dǎo)體開關(guān)組合(比如串聯(lián)電路)，還可以減少三相電機(jī)末端線圈的絕緣負(fù)荷。
把ARCP理論擴(kuò)展應(yīng)用到帶有變電位電容的三點(diǎn)變流器上，提出這些想法的有Dijkhuizen等人在IEEE協(xié)會(huì)IAS98中提出過(guò)，Deschamps等人以及Yuan等人在巴西功率電子協(xié)會(huì)COBEP97中提出過(guò)。在這些解決方案中，變流器的輸出聯(lián)上了一個(gè)諧振電感，該電感或者聯(lián)結(jié)到正的或負(fù)的直流中間電路母線上(Deschamps)，或者通過(guò)一個(gè)附加的變換器聯(lián)結(jié)到三點(diǎn)變流器中的直流中間電路電容的電壓中性點(diǎn)上(Yuan)。Deschamps的配置中的主要缺點(diǎn)在于，再充電過(guò)程不對(duì)稱，也就是說(shuō)，在諧振再充電過(guò)程開始時(shí)的諧振電感上的電壓值與諧振換流結(jié)束時(shí)的電壓值不相符。在諧振換流期間，有必要在輔助支路上進(jìn)行額外的有損耗開關(guān)操作，用來(lái)使輔助支路中的電流衰減。根據(jù)Yuan的配置中的主要缺點(diǎn)在于元件的費(fèi)用較高。尤其是輔助支路中的高頻變換器承載了大的諧振電流，其制造對(duì)于這種結(jié)構(gòu)的推廣應(yīng)用來(lái)說(shuō)是非常復(fù)雜和昂貴的。
本發(fā)明的任務(wù)在于，提供一種帶有變電位電容的ARCP多點(diǎn)變流器，它通過(guò)安裝少量的附加開關(guān)元件來(lái)進(jìn)行對(duì)稱的諧振再充電過(guò)程，從而在開關(guān)過(guò)程無(wú)損耗以及不帶變壓器的情況下，可實(shí)現(xiàn)輔助開關(guān)的零電流操作和主開關(guān)的零電壓操作。
根據(jù)本發(fā)明的第一種實(shí)施方案，該任務(wù)由下面一種ARCP三點(diǎn)或多點(diǎn)變流器來(lái)實(shí)現(xiàn)，即
-其每個(gè)變流器相都有一個(gè)由至少四個(gè)主開關(guān)組成的串聯(lián)電路，并且，這些變流器相的串聯(lián)電路并聯(lián)在正的和負(fù)的直流電壓母線之間，-其中，每個(gè)單獨(dú)的主開關(guān)上并聯(lián)有一個(gè)單獨(dú)的卸載電容，-其中，在直流電壓母線之間裝有兩個(gè)相同大小的中間電路電容，其電壓中性點(diǎn)可供使用，-其中，利用構(gòu)成換流單元的變電位中間電路電容，并不同時(shí)構(gòu)成變流器相輸出的各相鄰主開關(guān)的聯(lián)結(jié)點(diǎn)相對(duì)于正負(fù)直流電壓母線成對(duì)稱地互聯(lián)在一起，-其中，每個(gè)變電位中間電路電容都分為兩個(gè)大小相等的分電容，其聯(lián)接點(diǎn)用來(lái)提供電壓中性點(diǎn)，-其中，變流器的相輸出與一個(gè)諧振電感相聯(lián)，而諧振電感的另一端均通過(guò)獨(dú)立控制的雙向輔助開關(guān)與所有的電壓中性點(diǎn)相聯(lián)結(jié)。
根據(jù)本發(fā)明的第二種實(shí)施方案，該任務(wù)由下面一種ARCP多點(diǎn)變流器來(lái)實(shí)現(xiàn)，即-其每個(gè)變流器相都有一個(gè)由多于四個(gè)主開關(guān)組成的串聯(lián)電路，并且，這些變流器相的串聯(lián)電路并聯(lián)在正的和負(fù)的直流電壓母線之間，-其中，每個(gè)單獨(dú)的主開關(guān)上并聯(lián)有一個(gè)單獨(dú)的卸載電容，-其中，在直流電壓母線之間設(shè)有兩個(gè)大小相等的中間電路電容，其電壓中性點(diǎn)可供使用，-其中，利用構(gòu)成換流單元的變電位中間電路電容，并不同時(shí)構(gòu)成變流器相輸出的各相鄰主開關(guān)的聯(lián)結(jié)點(diǎn)相對(duì)于正負(fù)直流電壓母線成對(duì)稱地互聯(lián)在一起，-其中，每個(gè)變電位中間電路電容都分為兩個(gè)大小相等的分電容，其聯(lián)接點(diǎn)用來(lái)提供電壓中性點(diǎn)，--其中，中間電路電容的電壓中性點(diǎn)通過(guò)一個(gè)獨(dú)立控制的雙向輔助開關(guān)以及一個(gè)諧振電感與最近的換流單元的電壓中性點(diǎn)相聯(lián)接，變流器的相輸出通過(guò)一個(gè)獨(dú)立控制的雙向輔助開關(guān)以及一個(gè)諧振電感與最近的換流單元的電壓中性點(diǎn)相聯(lián)接，并且各個(gè)相鄰換流單元的電壓中性點(diǎn)通過(guò)一個(gè)獨(dú)立控制的雙向輔助開關(guān)以及一個(gè)諧振電感相互聯(lián)接。
根據(jù)本發(fā)明的第三種實(shí)施方案，該任務(wù)由下面一種ARCP三點(diǎn)或多點(diǎn)變流器來(lái)實(shí)現(xiàn)，即
-其每個(gè)變流器相都有一個(gè)由至少四個(gè)主開關(guān)組成的串聯(lián)電路，并且，這些變流器相的串聯(lián)電路并聯(lián)在正的和負(fù)的直流電壓母線之間，-其中，每個(gè)單獨(dú)的主開關(guān)上并聯(lián)有一個(gè)單獨(dú)的卸載電容，-其中，在直流電壓母線之間設(shè)有至少三個(gè)中間電路電容，其電容值如此來(lái)選擇，使得所形成的電壓分接頭的電壓級(jí)位于在變流器相輸出上可調(diào)的電壓級(jí)的中間點(diǎn)上，-其中，利用構(gòu)成換流單元的變電位中間電路電容，并不同時(shí)構(gòu)成變流器相輸出的各相鄰主開關(guān)的聯(lián)結(jié)點(diǎn)相對(duì)于正負(fù)直流電壓母線成對(duì)稱地互聯(lián)在一起，-其中，變流器的相輸出與一個(gè)諧振電感相聯(lián)，而諧振電感的另一端均通過(guò)獨(dú)立控制的雙向輔助開關(guān)與所有的電壓分接頭相聯(lián)接。
通過(guò)設(shè)置多個(gè)變流器相，使得這些變流器相-均并聯(lián)在由電容構(gòu)成的直流中間電路上，-均具有2(n-1)個(gè)串聯(lián)的有源主開關(guān)(n=變流器點(diǎn)的數(shù)量或所能產(chǎn)生的輸出電壓級(jí)的數(shù)量)，這些串聯(lián)的主開關(guān)聯(lián)結(jié)在直流中間電路電容的正負(fù)端子上，-第(n-1)個(gè)與第n個(gè)主開關(guān)的聯(lián)接點(diǎn)分別被標(biāo)為變流器的相輸出端，-均具有(n-2)個(gè)變電位中間電路電容，其正的端點(diǎn)在一連串的主開關(guān)串聯(lián)電路內(nèi)被接到開關(guān)(n-1-k)和(n-2-k)的聯(lián)接點(diǎn)上，而其負(fù)的聯(lián)接點(diǎn)聯(lián)接到主開關(guān)(n+k)和(n+1+k)的聯(lián)接點(diǎn)上，其中k=0…(n-3)，這樣就構(gòu)成了帶有變電位中間電路電容的多相多點(diǎn)變流器。
從這種帶有變電位中間電路電容的硬切換多點(diǎn)變流器結(jié)構(gòu)出發(fā)，通過(guò)下述修改和發(fā)展可實(shí)現(xiàn)理想的帶有變電位中間電路電容的軟切換ARCP多點(diǎn)變流器結(jié)構(gòu)1．對(duì)于每個(gè)變流器級(jí)，必須由兩個(gè)電容或再加上一些電壓源來(lái)組成一個(gè)串聯(lián)電路，以確保在變流器級(jí)中得到一個(gè)電壓中性點(diǎn)。這在帶有變電位中間電路電容的多點(diǎn)變流器中，是通過(guò)對(duì)直流中間電路的主電容或變電位中間電路的電容進(jìn)行相應(yīng)地劃分來(lái)實(shí)現(xiàn)的。
2．變流器的相輸出必須通過(guò)一個(gè)由諧振電感和獨(dú)立控制的雙向輔助開關(guān)所組成的串聯(lián)電路而被聯(lián)接到最里邊的變電位中間電路電容的電壓中性點(diǎn)上。所有變電位中間電路電容的電壓中性點(diǎn)必須通過(guò)一個(gè)由諧振電感和獨(dú)立控制雙向輔助開關(guān)所組成的串聯(lián)電路被聯(lián)接到與中間電路電壓最靠近的變電位中間電路電容的電壓中性點(diǎn)上，或被聯(lián)接到直流中間電路電容的電壓中性點(diǎn)上。假如在變電位中間電路電容上不設(shè)有電壓中性點(diǎn)，那么與諧振電感相聯(lián)的雙向輔助開關(guān)就耦合到被劃分的直流中間電路電容的電壓分接頭上。
3．必須有卸載電容與每個(gè)主開關(guān)相并聯(lián)。
由此，有利地實(shí)現(xiàn)了一種低損耗的ARCP多點(diǎn)變流器，它將帶有變電位中間電路電容的多點(diǎn)變流器的優(yōu)點(diǎn)同ARCP變流器的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來(lái)，從而能夠?qū)崿F(xiàn)最大限度的開關(guān)卸載。
利用這種結(jié)構(gòu)，變流器相的主開關(guān)的瞬間切換可以自由選取，因此，可以采用常規(guī)的脈寬調(diào)制方式。在這種ARCP變流器相中，主開關(guān)在電壓很小的情況下通過(guò)這些器件進(jìn)行導(dǎo)通或關(guān)斷(零電壓切換(ZVS)條件)。與諧振電感串聯(lián)的輔助開關(guān)也同樣按照零電流切換(ZCS)條件操作。根據(jù)ZCS條件，輔助開關(guān)在電流很小的情況下導(dǎo)通或關(guān)斷。這就意味著，變流器相中所采用的所有半導(dǎo)體開關(guān)都具有很小的開關(guān)損耗。主開關(guān)和輔助開關(guān)的電壓設(shè)計(jì)，以及這些開關(guān)的控制方法，可從下文表格1中查取。開關(guān)的額定電流設(shè)計(jì)依賴于決定開關(guān)有效電流的電路參數(shù)，以及開關(guān)的發(fā)熱和電氣特性等。帶有變電位中間電路電容的ARCP多點(diǎn)變流器與現(xiàn)有的ARCP三點(diǎn)變流器相比，具有以下的優(yōu)點(diǎn)a)具有對(duì)稱的換流過(guò)程，該換流過(guò)程不需要變壓器或升壓相來(lái)實(shí)現(xiàn)阻性損耗補(bǔ)償?shù)戎T多目的，這樣便可使所有安裝的開關(guān)實(shí)現(xiàn)軟切換，b)在優(yōu)選裝置(附

圖1、2)中的所有輔助開關(guān)所承載的反向電壓僅為Vdc/2/(n-1)，c)該結(jié)構(gòu)可與任意數(shù)目的變流器點(diǎn)成比例。
表格1開關(guān)設(shè)計(jì)
為了更好地闡述本發(fā)明，可參考附圖，圖中簡(jiǎn)略地示出了一種帶有變電位中間電路電容的低損耗ARCP多點(diǎn)變流器其一個(gè)變流器相的實(shí)施例。
具體如下附圖1示出了帶有變電位中間電路電容的ARCP三點(diǎn)變流器的一個(gè)輸出相，附圖2示出了帶有變電位中間電路電容的ARCP五點(diǎn)變流器的一個(gè)相，它是根據(jù)前述設(shè)計(jì)指導(dǎo)原則來(lái)實(shí)現(xiàn)的，附圖3定性地示出了如下一些波形圖卸載電容C1至C4上的電壓，輔助開關(guān)Saux1和Saux2上的電壓，以及帶有變電位中間電路電容的ARCP三點(diǎn)變流器在正輸出電流為i0時(shí)的輸出電壓v0，附圖4示出了帶有變電位中間電路電容的ARCP三點(diǎn)變流器在正輸出電流i0時(shí)，其開關(guān)序列中可控開關(guān)的開關(guān)狀態(tài)，附圖5定性地示出了ARCP三點(diǎn)變流器中如下一些波形圖流過(guò)輔助開關(guān)Saux1和Saux2的電流、流過(guò)主開關(guān)S1和S2的電流以及流過(guò)卸載電容C1至C2的電流，附圖6、7、8對(duì)應(yīng)于附圖3、4、5，但示出的是帶有變電位中間電路電容的ARCP三點(diǎn)變流器的ARCP輔助容性換流過(guò)程，附圖9、10、11示出了帶有變電位中間電路電容的ARCP變流器相的選擇實(shí)現(xiàn)方式。
附圖1示出了三點(diǎn)變流器的一個(gè)輸出相結(jié)構(gòu)，它由主開關(guān)S1至S4串聯(lián)而成，這些主開關(guān)并聯(lián)在一種直流中間電路上，而該中間電路則由大小相等的電容CDC1與CDC2串聯(lián)而成，由此以將正的直流電壓母線2和負(fù)的直流電壓母線4聯(lián)結(jié)起來(lái)。
卸載電容C1至C4分別與每個(gè)主開關(guān)S1至S4直接并聯(lián)。開關(guān)S1至S4分另由一個(gè)有源關(guān)斷的功率半導(dǎo)體T1…T4(通稱為T)和一個(gè)反并聯(lián)的二極管D1…D4(通稱為D(反向二極管))組成。由分電容CDC3至CDC4組成的變電位中間電路電容把主開關(guān)S1與S2的聯(lián)接點(diǎn)7以及主開關(guān)S3與S4的聯(lián)接點(diǎn)9聯(lián)接起來(lái)。
分另通過(guò)一個(gè)由諧振電感和輔助開關(guān)組成的串聯(lián)電路，直流中間電路電容的電壓中性點(diǎn)0與變電位中間電路電容的電壓中性點(diǎn)1相聯(lián)接，以及電壓中性點(diǎn)1與變流器相輸出10相聯(lián)接。構(gòu)成輔助開關(guān)的串聯(lián)電路是由兩個(gè)有源關(guān)斷的功率半導(dǎo)體和與分別之反并聯(lián)的二極管聯(lián)接而成，從而形成一種雙向開關(guān)。
附圖2為附圖1的一種擴(kuò)展實(shí)施方案，它示出了一種ARCP五點(diǎn)變流器。
五點(diǎn)變流器的輸出相由主開關(guān)S1至S8串聯(lián)而成，這些主開關(guān)并聯(lián)在一種直流中間電路上，而該直流中間電路則由兩個(gè)大小相等的電容CDC1至CDC2串聯(lián)而成，由此以將正的直流電壓母線2和負(fù)的直流電壓母線4聯(lián)接起來(lái)。
開關(guān)S1至S8分別由一個(gè)有源關(guān)斷的功率半導(dǎo)體T和一個(gè)反并聯(lián)的二極管D組成。主開關(guān)S1和S2的聯(lián)接點(diǎn)27以及主開關(guān)S7和S8的聯(lián)接點(diǎn)49連接在由分電容CDC3和CDC4構(gòu)成的變電位電容上。主開關(guān)S2和S3的聯(lián)接點(diǎn)7以及主開關(guān)S6和S7的聯(lián)接點(diǎn)9連接在由分電容CDC5和CDC6構(gòu)成的變電位電容上。另外，主開關(guān)S3和S4的聯(lián)接點(diǎn)17以及主開關(guān)S5至S6的聯(lián)接點(diǎn)19連接在由分電容CDC3和CDC4構(gòu)成的變電位電容上。
卸載電容C1至C8分別與主開關(guān)S1至S8直接并聯(lián)。另外，變電位中間電路電容的電壓中性點(diǎn)0、1、3和5以及變流器的相輸出均通過(guò)一種由雙向輔助開關(guān)和諧振電感Laux組成的串聯(lián)電路聯(lián)接起來(lái)。構(gòu)成輔助開關(guān)的串聯(lián)電路是由兩個(gè)有源關(guān)斷的功率半導(dǎo)體和分別與之反并聯(lián)的二極管聯(lián)接而成，從而形成一種雙向開關(guān)。
附圖3示出了附圖1帶有變電位中間電路電容的ARCP三點(diǎn)變流器的一些電壓波形卸載電容上的電壓vC1至vC4(亦即主開關(guān)S1至S4上的電壓)、變流器輸出電壓v0以及輔助開關(guān)Saux1和Saux2上的電壓。圖中描繪了在正負(fù)載電流i0情況下，從最大正輸出電壓v0變到最大負(fù)輸出電壓v0，然后再返回最大正輸出電壓v0的整個(gè)開關(guān)序列。最先的兩個(gè)換流①②為容性換流。輸出電壓v0通過(guò)兩個(gè)ARCP換流③④后，又重新振回到最大正輸出電壓?？v坐標(biāo)的劃分刻度對(duì)應(yīng)于直流中間電路的直流電壓Vdc的大小。換流時(shí)間與所選擇的電路參數(shù)有密切關(guān)系。所有過(guò)程將在后文詳細(xì)闡述。
附圖4示出了有帶有變電位中間電路電容的ARCP三點(diǎn)變流器其一個(gè)變流器相的所有開關(guān)邏輯狀態(tài)，它們對(duì)應(yīng)于附圖3所描述的各個(gè)換流過(guò)程。輔助開關(guān)只在換流時(shí)導(dǎo)通，而在變流器穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)不起作用。
附圖5定性地示出了通過(guò)輔助開關(guān)Saux1和Saux2的電流波形。另外還示出了通過(guò)主開關(guān)S1和S2以及卸載電容C1和C2的電流波形。所選擇的諧振元件和提升電流的大小能夠影響諧振電流的大小。縱坐標(biāo)的刻度對(duì)應(yīng)于輸出電流i0的大小。該換流過(guò)程對(duì)應(yīng)于附圖3和附圖4的敘述部分。
附圖6與附圖3相對(duì)應(yīng)，但它定性地示出了帶有變電位中間電路電容的ARCP三點(diǎn)變流器在ARCP輔助容性換流的情況下，在一個(gè)開關(guān)序列時(shí)的卸載電容及變電位中間電路電容的電壓波形?？v坐標(biāo)的刻度與附圖3相同。其中，前兩個(gè)換流⑤⑥是ARCP輔助容性換流。電容的再充電不象附圖3所示的一樣呈線形變化，而是一種帶諧振的再充電。接著的兩個(gè)ARCP換流定性地對(duì)應(yīng)于附圖3所示的ARCP換流過(guò)程③④。在ARCP輔助容性換流過(guò)程中，不但換流時(shí)間，而且諧振電流的大小都與所選擇的電路參數(shù)有密切關(guān)系。
附圖7對(duì)應(yīng)于附圖4，它示出了在附圖6中所討論的換流情況下，所有開關(guān)的操作邏輯。同樣，輔助開關(guān)Saux1和Saux2只在換流時(shí)導(dǎo)通。
附圖8對(duì)應(yīng)于附圖6所討論的換流過(guò)程，它定性地示出了在附圖5中所介紹的電流波形。該圖中的刻度占附圖5刻度的50％，而負(fù)載電流i0只有附圖5中負(fù)載電流的10％。在ARCP輔助容性換流開始時(shí)，主開關(guān)中所期望的電流上升是很清楚的。圖中所有的電流波形將在下文繼續(xù)講述。
附圖9示出了帶有變電位中間電路電容的ARCP變流器相的選擇實(shí)現(xiàn)方式。與附圖1的實(shí)現(xiàn)方式相比，只設(shè)了一個(gè)諧振電感Laux。該電感與變流器相輸出聯(lián)接，并且分別串聯(lián)了雙向輔助開關(guān)Saux1以及Saux2，然后聯(lián)接到變電位電容的中性點(diǎn)上以及直流中間電路電容的中性點(diǎn)0上。從而，變流器相中的雙向輔助開關(guān)所承載的反向電壓不再相等。帶聯(lián)接點(diǎn)0的雙向輔助開關(guān)承載最大的電壓，且為Vdc/2。該實(shí)現(xiàn)方式可以通過(guò)增加更多的輔助開關(guān)來(lái)擴(kuò)展為帶有多于三點(diǎn)的ARCP多點(diǎn)變流器，其中，這些增加的輔助開關(guān)把更多變電位中間電路電容的中性點(diǎn)與諧振電感聯(lián)接起來(lái)。
附圖10以一個(gè)ARCP三點(diǎn)變流器相為例示出了帶有變電位中間電路電容的ARCP變流器相的另外一種選擇實(shí)現(xiàn)方式。與前文所示的實(shí)現(xiàn)方式相比，變電位電容不再劃分為分電容。而是把直流中間電路中的電容劃分為至少n個(gè)分電容，在這些分電容的聯(lián)接點(diǎn)上聯(lián)接上了(n-1)個(gè)雙向輔助開關(guān)。這些雙向輔助開關(guān)的第二個(gè)聯(lián)接端一同聯(lián)接到諧振電感Laux上，而該諧振電感與變流器輸出相聯(lián)接。此結(jié)構(gòu)的特征在于輔助開關(guān)上的最大反向電壓負(fù)荷為3Vdc/4。
附圖11為附圖10的一種擴(kuò)展設(shè)置，它示出了一種帶有變電位中間電路電容的ARCP五點(diǎn)變流器，以說(shuō)明直流中間電路中分電容上的分電壓之間的必要關(guān)系。在直流中間電路電容的設(shè)計(jì)中，必須為該結(jié)構(gòu)設(shè)置(n-1)個(gè)電壓分接頭，這些分接頭相對(duì)于變流器中性點(diǎn)0的電壓為換流前后所出現(xiàn)的輸出電壓v0的算術(shù)平均值。輔助開關(guān)Saux1以及Saux4承載著最大的反向電壓，且為7Vdc/8。
根據(jù)附圖1，下面講述本發(fā)明帶有變電位中間電路電容的無(wú)損耗ARCP三點(diǎn)變流器其變流器相的工作方式，其換流過(guò)程是從上部主開關(guān)S1和S2到下部主開關(guān)S3和S4，然后再返回。從其本意上講，該實(shí)施方案可以應(yīng)用于帶有多于三點(diǎn)的多點(diǎn)變流器。下面的表格2給出了一種帶有變電位中間電路電容的三點(diǎn)變流器在運(yùn)行時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)開關(guān)狀態(tài)，以獲得相對(duì)于變流器中性點(diǎn)0為v0的理想輸出電壓(見(jiàn)列2)。存在有兩個(gè)產(chǎn)生零輸出電壓的選擇開關(guān)狀態(tài)。下面講述p→0+→n→0_→p的換流。
表格2帶有變電位中間電路電容的三點(diǎn)變流器的開關(guān)狀態(tài)
下文講述了在正輸出電流i0情況下的單個(gè)開關(guān)換流的詳細(xì)過(guò)程。在這種情況下，p→0和0→n換流為容性換流或ARCP輔助容性換流，而n→0和0→p換流則為ARCP換流。在輸出電流相對(duì)小，卸載電容相對(duì)大，以及直流電壓相對(duì)較大的情況下，容性換流的時(shí)間會(huì)較長(zhǎng)，這是不夠理想的。為了縮短容性換流的換流時(shí)間，可利用ARCP輔助支路來(lái)加速換流過(guò)程，于是在此引入一種ARCP輔助容性換流。
下面講述i0＞0+時(shí)，p→0的換流過(guò)程a)容性換流(見(jiàn)圖標(biāo)①)在換流開始前，主開關(guān)S1和S2處于導(dǎo)通狀態(tài)。輸出電流i0流過(guò)開關(guān)T1和T2。開關(guān)S3和S4上的電壓均為vC3=vC4=Vdc/2。從而，反向二極管D3和D4處于反向關(guān)斷狀態(tài)。
若開關(guān)T2被有效關(guān)斷，換流開始。負(fù)載電流i0分成兩半分別流向進(jìn)行再充電的卸載電容C2和C3。由此，電容C3上的電壓線性下降，而電容C2上的電壓線性上升。由于流經(jīng)C3的一半負(fù)載電流通過(guò)變電位中間電路電容再次流回正的直流電壓母線，所以全部的負(fù)載電流流經(jīng)正的直流電壓母線。由于開關(guān)T1導(dǎo)通以及由CDC3和CDC4組成的變電位中間電路電容上的電壓相對(duì)恒定，因而電容C4上的電壓保持在vC4=Vdc/2。
當(dāng)電容C3上的電壓達(dá)到vC3=0，且開關(guān)S3與二極管D3在ZVS條件下導(dǎo)通，則主開關(guān)換流結(jié)束。至此，換流結(jié)束，達(dá)到“0+”狀態(tài)。開關(guān)S1和S3導(dǎo)通，電壓vC2和vC4均為Vdc/2。輔助開關(guān)Saux1和Saux2在該換流過(guò)程中不起作用。
b)ARCP輔助容性換流(見(jiàn)圖標(biāo)⑤)在換流開始前，主開關(guān)S1和S2處于導(dǎo)通狀態(tài)。負(fù)載電流i0流經(jīng)開關(guān)T1和T2。開關(guān)S3和S4上的電壓均為vC3=vC4=Vdc/2。反向二極管D3和D4處于反向關(guān)斷狀態(tài)。
當(dāng)Saux2在iaux2=0時(shí)(ZCS)導(dǎo)通，換流過(guò)程開始。由于當(dāng)前電感Laux2上的負(fù)電壓vLaux2=-Vdc/4，因而在輔助支路中將產(chǎn)生一個(gè)負(fù)的電流上升iaux2。負(fù)載電流i0和iaux2疊加后，形成流經(jīng)T1和T2的電流，當(dāng)此電流達(dá)到一個(gè)自由選擇的確定值時(shí)，主開關(guān)的換流由于T2的有效關(guān)斷而開始。選擇一個(gè)關(guān)斷電流強(qiáng)度，這樣，換流時(shí)間就可以小于所需的最大換流時(shí)間。
T2關(guān)斷后，由負(fù)載電流i0和電流iaux2疊加形成的再充電電流流入電容C2和C3，以給它們?cè)俪潆?。因而電容C2上作非線性充分，而電容C3上呈相應(yīng)放電。當(dāng)諧振部分的電流僅流經(jīng)變電位電容CDC3和CDC4時(shí)，負(fù)載電流的兩半流經(jīng)正的直流電壓母線2。由于開關(guān)S1導(dǎo)通以及變電位電容CDC3和CDC4上的電壓相對(duì)恒定，因而電容C4上的電壓保持在vC4=Vdc/2。
當(dāng)電容C3上的電壓達(dá)到vC3=0，且開關(guān)S3在ZVS條件下導(dǎo)通時(shí)，主開關(guān)的換流結(jié)束。在輔助支路中，電感Laux2上的當(dāng)前電壓為一個(gè)正電壓vLaux2=Vdc/4，這將在iaux2中引發(fā)一個(gè)正的電流變化率。當(dāng)電流iaux2達(dá)到值iaux2=0時(shí)，開關(guān)Saux2可在ZCS條件下關(guān)斷。至此，整個(gè)換流結(jié)束，變流器支路達(dá)到“0+”狀態(tài)。
下面講述i0＞0+時(shí)，0+→n的換流過(guò)程a)容性換流(見(jiàn)圖標(biāo)②)在換流開始前，主開關(guān)S1和S3處于導(dǎo)通狀態(tài)。負(fù)載電流i0流經(jīng)T1和反向二極管D3。開關(guān)S2和S4上的電壓均為vC2=vC4=Vdc/2。反向二極管D2和D4由此反向關(guān)斷。
換流從開關(guān)T1被有效關(guān)斷時(shí)開始。負(fù)載電流i0分成兩半分別流向電容C1和C4，以進(jìn)行再充電。由此，電容C1上的電壓線性上升，而電容C4上的電壓線性下降。電容C2的再充電可按要求由變電位中間電容和導(dǎo)通的開關(guān)S3來(lái)進(jìn)行遏制，從而開關(guān)S2和S3上的電壓均保持恒定值vC2=Vdc/2及vC3=0，其中，變電位中間電容由CDC3和CDC4組成。
當(dāng)C4上的電壓達(dá)到vC4=0，且開關(guān)S4在ZVS條件下導(dǎo)通時(shí)，換流過(guò)程結(jié)束。在換流過(guò)程中，負(fù)載電路i0有一半流經(jīng)正的直流電壓母線2，另一半則流經(jīng)負(fù)的直流電壓母線4，現(xiàn)在，它完全被換流到反向二極管D3和D4上。至此，換流結(jié)束，達(dá)到輸出電壓v0=-Vdc/2的“n”狀態(tài)。輔助開關(guān)Saux1和Saux2對(duì)該換流過(guò)程不起作用。
b)ARCP輔助容性換流(見(jiàn)圖標(biāo)⑥)在換流開始前，主開關(guān)S1和S3處于導(dǎo)通狀態(tài)。負(fù)載電流i0流經(jīng)T1和反向二極管D3。開關(guān)S2和S4上的電壓均為vC2=vC4=Vdc/2。反向二極管D2和D4由此反向關(guān)斷。
換流從輔助開關(guān)Saux1在iaux1=0(ZCS)情況下導(dǎo)通時(shí)開始。由于與輔助開關(guān)Saux1相聯(lián)的電感Laux1其負(fù)電壓vLaux1=-Vdc/4，所以在輔助支路中將產(chǎn)生一個(gè)負(fù)的電流上升iaux1。i0和iaux1疊加后形成一個(gè)通過(guò)T1的電流，當(dāng)此電流達(dá)到一個(gè)自由選擇的確定值時(shí)，主開關(guān)的換流便由于T1的有效關(guān)斷而開始。選擇一個(gè)關(guān)斷電流強(qiáng)度，這樣就可以使換流時(shí)間小于所需要的最大換流時(shí)間。
由于主開關(guān)S3處于導(dǎo)通狀態(tài)以及變電位中間電路電容上的電壓相對(duì)恒定，T1關(guān)斷后，負(fù)載電流i0便與疊加電流iaux1一起被換流到卸載電容C1和C4上，并對(duì)它們進(jìn)行充電。因而，電容C1上的電壓呈非線性上升，而電容C4上的電壓則相應(yīng)下降。電容C2和C3上的電壓均保持恒值vC2=Vdc/2及vC3=0(見(jiàn)附圖6)。
當(dāng)電容C4的電壓達(dá)到vC4=0，且開關(guān)S4在ZVS條件下導(dǎo)通時(shí)，主開關(guān)的換流結(jié)束。在換流過(guò)程中，正的直流電壓母線原來(lái)承載有一半再充電電流，而現(xiàn)在，由負(fù)載電流i0和電流iaux1組成的再充電電流被完全換流到S3和S4內(nèi)的反向二極管上。這樣，輔助支路中電感Laux1上便形成一個(gè)正電壓vLaux1=Vdc/4，它將在iaux1中引發(fā)一個(gè)正的電流變化率。當(dāng)電流iaux1達(dá)到iaux1=0值，開關(guān)Saux1在ZCS條件下關(guān)斷。至此，全部換流結(jié)束，變流器支路達(dá)到“n”狀態(tài)。
下面講述i0＞0時(shí)，n→0_的換流過(guò)程ARCP換流(見(jiàn)圖標(biāo)③)在換流開始前，開關(guān)S3和S4處于導(dǎo)通狀態(tài)。負(fù)載電流i0流經(jīng)反向二極管D3和D4。開關(guān)S1和S2上的電壓均為vC1=vC2=Vdc/2。反向二極管D1和D2由此反向關(guān)斷。
隨著輔助開關(guān)Saux2在iaux2=0(ZCS)的條件下導(dǎo)通，換流開始。由于在電感Laux2上存在一個(gè)正電壓vLaux2=Vdc/4，因此在輔助支路中將產(chǎn)生一個(gè)正的電流上升iaux2。當(dāng)該電流iaux2達(dá)到一個(gè)確定值Iboost=iaux2-i0，且Iboost＞0，則功率半導(dǎo)體T3被有效關(guān)斷，換流開始。提升電流Iboost的值可自由選取，但必須有一個(gè)最小值，以保證在一個(gè)有損耗的非理想構(gòu)造中將電容C2上的電壓完全變換到VC2≈0。負(fù)載電流i0和輔助電流iaux2的差值被換流到電容C2和C3上，致使電容C2放電和電容C3充電。當(dāng)流經(jīng)Saux2、CDC4和S4的負(fù)載電流完全由負(fù)的直流電壓母線4承載時(shí)，諧振電流只通過(guò)變電位電容CDC3和CDC4流經(jīng)輔助支路Saux2/Laux2以及開關(guān)S2和S3兩端的卸載電容。因?yàn)橛蒀DC3和CDC4組成的串聯(lián)回路上的電壓保持相對(duì)恒定，且S4保持導(dǎo)通，所以S1上的電壓保持恒值vC1=Vdc/2(見(jiàn)附圖3)。
若電容C2上的電壓達(dá)到vC2=0，主開關(guān)S2便在ZVS條件下導(dǎo)通。現(xiàn)在，在輔助支路中，電感Laux2上存在一個(gè)負(fù)電壓vLaux2=-Vdc/4，它將在iaux2中引發(fā)一個(gè)負(fù)的電流變化率。當(dāng)電流iaux2達(dá)到值iaux2=0，開關(guān)Saux2便可在ZCS條件下關(guān)斷。至此，換流結(jié)束，變流器支路達(dá)到“0”狀態(tài)。
下面講述i0＞0時(shí)，0_→p的換流過(guò)程ARCP換流(見(jiàn)圖標(biāo)④)在換流開始前，主開關(guān)S2和S4處于導(dǎo)通狀態(tài)。負(fù)載電流i0流經(jīng)半導(dǎo)體開關(guān)T2和反向二極管D4。開關(guān)S1和S3上的電壓均為vC1=vC3=Vdc/2。從而，反向二極管D1和D3處于反向關(guān)斷狀態(tài)。
輔助開關(guān)Saux1在iaux1=0情況下(ZCS)導(dǎo)通，換流開始。由于輔助電感Laux1上存在一個(gè)正電壓vLaux1=Vdc/4，電流iaux1便會(huì)產(chǎn)生一個(gè)正的電流上升。當(dāng)電流iaux1達(dá)到一個(gè)值Iboost=iaux1-i0，且Iboost＞0，換流便隨著功率半導(dǎo)體T4的有效關(guān)斷而開始。最小的提升電流Iboost其值也由vC1≈0的換流條件來(lái)確定。因?yàn)橹鏖_關(guān)S2導(dǎo)通，且由CDC3和CDC4串聯(lián)而成的變電位電容上的電壓保持相對(duì)恒定，所以負(fù)載電流i0和電流iaux1的差值便換流到電容C2和C4上，致使電容C4充電和電容C1放電。在這個(gè)短暫的換流時(shí)間中，負(fù)載電流通過(guò)T2、CDC3和Saux1導(dǎo)向變流器的中性點(diǎn)0。
當(dāng)C1上的電壓值達(dá)到vC1=0，主開關(guān)S1便在ZVS條件下導(dǎo)通。因而電容C1和C4上的電壓保持在vC1=0以及vC4=Vdc/2(見(jiàn)附圖3)?，F(xiàn)在，輔助支路中的負(fù)電壓vLaux1=-Vdc/4，它在電流iaux1中引發(fā)一個(gè)負(fù)的電流變化率。當(dāng)電流iaux1達(dá)到值iaux1=0，主開關(guān)Saux1便可在ZCS條件下關(guān)斷。至此，換流結(jié)束，變流器支路達(dá)到“p”狀態(tài)。
由于結(jié)構(gòu)上的對(duì)稱，在負(fù)輸出電流i0＜0時(shí)的換流同上文是相似的，但其p→0和0→n的換流為ARCP換流，而n→0和0→p的換流為容性換流或ARCP輔助容性換流。
是選擇“0+”還是“0-”作為零狀態(tài)，由于其極為近似而對(duì)于ARCP理論的實(shí)現(xiàn)來(lái)說(shuō)并不重要。因此，對(duì)變電位中間電路電容進(jìn)行充電控制時(shí)所使用的有關(guān)自由度也不受限制。
根據(jù)上文敘述的擴(kuò)展方式，帶有變電位中間電路電容的硬切換多點(diǎn)變流器能夠改進(jìn)為帶有變電位中間電路電容的ARCP變流器。這些變流器的換流過(guò)程符合上述三種換流方式-ARCP換流、容性換流和ARCP輔助容性換流。通常，在輸出具有正功率變化率的換流過(guò)程中進(jìn)行ARCP換流，而在輸出具有負(fù)功率變化率的換流過(guò)程中進(jìn)行容性換流或ARCP輔助容性換流。
由于不同輸出電壓級(jí)之間的換流是通過(guò)兩個(gè)相鄰電壓級(jí)之間的標(biāo)準(zhǔn)操作來(lái)進(jìn)行的，所以一般只有兩個(gè)主開關(guān)參與換流。從而，換流可以歸納為一個(gè)根本的ARCP換流單元。在帶有變電位中間電路的ARCP多點(diǎn)變流器中，只要其電容值在數(shù)量級(jí)上超過(guò)主開關(guān)卸載電容的電容值，ARCP換流回路中的變電位中間電路電容就可對(duì)ARCP換流不起作用。
可以通過(guò)測(cè)定對(duì)換流起有效作用的換流單元來(lái)正確鑒定在ARCP換流或ARCP輔助容性換流中所必需的輔助開關(guān)。起作用的輔助支路被聯(lián)接在構(gòu)成此換流單元的兩個(gè)分電容的中性點(diǎn)與最近的內(nèi)部單元(或輸出端)之間，該最近的內(nèi)部單元的特征是，其變電位電容上具有比較小的電壓。因此，甚至在具有多于三點(diǎn)的多相多點(diǎn)變流器中，也可以較簡(jiǎn)單地對(duì)換流進(jìn)行正確控制，其中包括對(duì)任一個(gè)ARCP輔助支路的控制。
權(quán)利要求
1．ARCP三點(diǎn)或多點(diǎn)變流器，-其每個(gè)變流器相都有一個(gè)由至少四個(gè)主開關(guān)(S1…S8)組成的串聯(lián)電路，并且，這些變流器相的串聯(lián)電路并聯(lián)在正的和負(fù)的直流電壓母線(2、4)上，-其中，每個(gè)單獨(dú)的主開關(guān)(S1…S8)上并聯(lián)有一個(gè)單獨(dú)的卸載電容(C1…C8)，-其中，利用構(gòu)成換流單元的變電位中間電路電容，并不同時(shí)構(gòu)成變流器相輸出(10)的各相鄰主開關(guān)(S1…S8)的聯(lián)結(jié)點(diǎn)(7、17、27、9、19、49)相對(duì)于正負(fù)直流電壓母線(2、4)成對(duì)稱地互聯(lián)在一起，-其中，每個(gè)變電位中間電路電容都分為兩個(gè)大小相等的分電容(CDC3和CDC4、CDC5和CDC6、CDC7和CDC8)，其聯(lián)接點(diǎn)用來(lái)提供電壓中性點(diǎn)(1、3、5)，-其中，變流器的相輸出(10)與一個(gè)諧振電感(Laux)相聯(lián)，而諧振電感的另一端均通過(guò)獨(dú)立控制的雙向輔助開關(guān)(Saux1、Saux2、Saux3、Saux4)與所有的電壓中性點(diǎn)(0、1、3、5)相聯(lián)結(jié)(附圖9)。
2．ARCP多點(diǎn)變流器，-其每個(gè)變流器相都有一個(gè)由多于四個(gè)主開關(guān)(S1…S8)組成的串聯(lián)電路，并且，這些變流器相的串聯(lián)電路并聯(lián)在正的和負(fù)的直流電壓母線(2、4)上，-其中，每個(gè)單獨(dú)的主開關(guān)(S1…S8)上并聯(lián)有一個(gè)單獨(dú)的卸載電容(C1…C8)，-其中，在直流電壓母線(2、4)之間設(shè)有兩個(gè)大小相等的中間電路電容(CDC1、CDC2)，以提供其電壓中性點(diǎn)(0)，-其中，利用構(gòu)成換流單元的變電位中間電路電容，并不同時(shí)構(gòu)成變流器輸出(10)的各相鄰主開關(guān)(S1…S8)的聯(lián)結(jié)點(diǎn)(7、17、27、9、19、49)相對(duì)于正負(fù)直流電壓母線(2、4)成對(duì)稱地互聯(lián)在一起，一其中，每個(gè)變電位中間電路電容都分為兩個(gè)大小相等的分電容(CDC3和CDC4、CDC5和CDC6、CDC7和CDC8)，其聯(lián)接點(diǎn)用來(lái)提供電壓中性點(diǎn)(1、3、5)，-其中，中間電路電容(CDC1、CDC2)的電壓中性點(diǎn)(0)通過(guò)一個(gè)獨(dú)立控制的雙向輔助開關(guān)(Saux1)以及一個(gè)諧振電感(Laux1)與最近的換流單元的電壓中性點(diǎn)(1)相聯(lián)接，變流器的相輸出(10)通過(guò)一個(gè)獨(dú)立控制的雙向輔助開關(guān)(Saux4)以及一個(gè)諧振電感(Laux4)與最近的換流單元的電壓中性點(diǎn)(5)相聯(lián)接，并且各個(gè)相鄰換流單元的電壓中性點(diǎn)(1、3、5)通過(guò)一個(gè)獨(dú)立控制的雙向輔助開關(guān)(Saux2、Saux3)以及一個(gè)諧振電感(Laux2、Laux3)相互聯(lián)接(附圖2)。
3．ARCP三點(diǎn)或多點(diǎn)變流器，-其每個(gè)變流器相都有一個(gè)由至少四個(gè)主開關(guān)(S1…S8)組成的串聯(lián)電路，并且，這些變流器相的串聯(lián)電路并聯(lián)在正的和負(fù)的直流電壓母線(2、4)之間，-其中，每個(gè)單獨(dú)的主開關(guān)(S1…S8)上并聯(lián)有一個(gè)單獨(dú)的卸載電容(C1…C8)，-其中，在直流電壓母線(2、4)之間設(shè)有至少三個(gè)中間電路電容(CDC1、CDC2、CDC3、CDC4、CDC5)，其電容值如此來(lái)選擇，使得所形成的電壓分接頭(1、3、11、12、13、14)的電壓級(jí)位于在變流器相輸出上可調(diào)的電壓級(jí)的中間點(diǎn)上，-其中，利用構(gòu)成換流單元的變電位中間電路電容(CDC4、CDC6、CDC7、CDC8)，并不同時(shí)構(gòu)成變流器相輸出(10)的各相鄰主開關(guān)(S1…S8)的聯(lián)結(jié)點(diǎn)(7、17、27、9、19、49)相對(duì)于正負(fù)直流電壓母線(2、4)成對(duì)稱地互聯(lián)在一起，-其中，變流器的相輸出(10)與一個(gè)諧振電感(Laux)相聯(lián)，而諧振電感的另一端均通過(guò)獨(dú)立控制的雙向輔助開關(guān)(Saux1、Saux2、Saux3Saux4)與所有的電壓分接頭(1、3、11、12、13、14)相聯(lián)接(附圖10、11)。
全文摘要
ARCP三點(diǎn)或多點(diǎn)變流器,其每個(gè)變流器相都有一個(gè)并聯(lián)在正負(fù)直流電壓母線上的、由至少四個(gè)主開關(guān)組成的串聯(lián)電路;每個(gè)主開關(guān)上并聯(lián)有卸載電容;利用構(gòu)成換流單元的變電位中間電路電容,并不同時(shí)構(gòu)成變流器相輸出的各相鄰主開關(guān)的聯(lián)結(jié)點(diǎn)相對(duì)于正負(fù)直流電壓母線成對(duì)稱地互聯(lián)在一起;每個(gè)變電位中間電路電容都分為兩個(gè)大小相等的分電容,其聯(lián)接點(diǎn)作為電壓中性點(diǎn);變流器的相輸出與一諧振電感相聯(lián),后者的另一端通過(guò)雙向輔助開關(guān)與所有電壓中性點(diǎn)相聯(lián)。
文檔編號(hào)H02M7/48GK1287402SQ0012688
公開日2001年3月14日 申請(qǐng)日期2000年9月1日 優(yōu)先權(quán)日1999年9月2日
發(fā)明者R·泰克曼 申請(qǐng)人:Abb專利有限公司