专利名称：基于混合型开关的通用变流器的制作方法
技术领域：
本发明属于大功率整流、逆变和变频调速设备。
背景技术：
三相交流与直流变换、交流与交流的变换，是大功率电力技术最基本的内容。交/直流变换的相关装置主要包含整流器和逆变器两类。前者是将交流变成直流，后者是将直流变成交流。交/交变换通常是经过两个交/直变换，即交-直-交变换；也有用交/交直接变换，如矩阵变换，但未推广；又如循环变流器，谐波含量较大，功率因数和工作频率都较低。
交/直三相变流器的基本形式为六个器件(代表六个桥臂)组成的图1a的形式。图1a中的六个开关(KA、KB、KC、KX、KY、KZ)代表六个桥臂，a、b、c是三相交流端，P、N分别是直流正、负端。更多相的交/直变流器形式类同，桥臂数量为相数的两倍。若交流系统有中线o，则还可增加两个桥臂(KOn、KOp)，如图1b。
目前组成变流器的器件，主要是半控器件(晶闸管)和全控器件(功率场效应晶体管——功率MOSFET、绝缘栅双级型晶体管——IGBT、集成门极换流晶闸管——IGCT等，以IGBT为代表)，不可控的二极管只能做成普通整流器。
由晶闸管或全控器件组成的常规交/直变流器，有电压型与电流型两类，一般以直流侧的运行工况来区分命名，分别如图2a与图2b所示。通常，电流型变流器中往往在直流侧串接输入/出电感L1，交流侧并接电容C1；电压型变流器的直流侧并接电容C2，而交流侧串接输入/出电感L2。电压型变流器适合于采用逆导型全控型器件，电流型变流器适合于采用逆阻型全控型器件。
应用全控型开关的变流器还可以实现台阶波型控制(例如SHE，即特殊开关角消谐法)、脉冲频率调制(PFM)等常见开关控制调节方式。这些方法有些可以用于正弦波电路，有些可以用于需要矩型波工作的线路，如永磁无刷直流电机驱动、准方波电机驱动、电子变压器等。
全控型器件组成的变流器性能通常优于晶闸管变流器，但其使用的器件较多，价格不菲。难以满足变流装置能同时集高性能与低成本于一体的要求，并且在高压大功率装置方面更具有优势。
发明内容
本发明的目的是通过器件线路的合理设计，达到或接近全控器件的性能，具有高压大功率方面的优势。相对全控器件来说是要大幅度降低生产成本，能显著拓宽市场前景。
为实现上述目的，本发明提出一种采用混合型开关器件的电流型交/直变流器，包括直流侧和交流侧，有晶闸管桥和辅助开关。本发明在变流器中采用混合型开关，即常规电流型交/直变流器中的变流桥为晶闸管桥BR，并在变流器设置辅助开关辅助关断BR。属于这个总的发明思路下的本发明有以下8种相互关联的技术方案方案I.参见图3a、图3b。在直流侧设置一全控开关K1与晶闸管桥BR和电感L1串联，另设置全控开关或晶闸管或二极管K2给L1作续流用；K2与L1并联，或一端接L1与K1的连接点、另一端接BR不同L1与K1相连的直流端；K1在开关周期L1的大部分时间保持导通状态，用于辅助关断BR的关断时间略长于BR桥臂恢复正向阻断所需时间，K2与K1互补导通与关断。
方案II.参见图4a。用混合型直流开关Ks取代方案I中的K1，Ks与BR和L1串联，Ks由全控开关K3、全控开关K4与晶闸管K5构成，其中K4与K5串联后与K3并联，Ks的导通任务由K4、K5承担，Ks的阻断电压由K5承担，K3与K4起到辅助关断K5的作用，当需要关断Ks时先导通K3，K4与K3互补导通与关断，通过K4来切断K5电流使之关断，K4的关断时间略长于K5恢复正向阻断所需时间。
方案III.参见图4b。用混合型直流开关Ks取代方案I中的K1，Ks与BR和L1串联，Ks由全控开关K3、低压辅助电源ΔU与晶闸管K5构成，其中K3与ΔU串联后与K5并联，Ks的导通任务由K5承担，K3与ΔU起到辅助关断K5的作用；当需要关断Ks时先导通K3，K3的导通时间略长于K5恢复正向阻断所需时间，然后再关断K3，使Ks整体呈现断态。
方案IV.参见图4c。用混合型直流开关Ks取代方案I中的K1，Ks与BR和L1串联，Ks由晶闸管K5、脉冲电源Up、升压脉冲变压器T、晶闸管K6构成，其中T的高压绕组与晶闸管K6串联后与K5并联，Ks的导通任务由K5承担，Up通过T起到辅助关断K5的作用；当需要关断Ks时，Up发正向脉冲，使本来流经K5的电流改流到K6使K5关断，然后Up发反向脉冲来关断K6使Ks整体呈现断态。
方案V.参见图5。在直流侧设置一混合型开关电路Kp与晶闸管桥BR并联，Kp用于辅助关断BR，Kp由晶闸管桥BRa与全控开关K7、K8、低压辅助电源ΔU1、ΔU2组成，Kp的交流侧端口即是BRa的交流侧端口，Kp的直流侧端口由BRa的两个直流侧端口分别串联上K7、ΔU1与K8、ΔU2后形成，K7、K8在开关周期的大部分时间不导通，需要关断BR时K7或K8导通，将BR器件电流引入到BRa中，使BR器件实现辅助关断，K7、K8的导通时间略长于BR器件恢复正向阻断所需时间，然后再关断K7或K8使Kp整体呈现断态。
VI.参见图6。用两个脉冲电源Up、两个升压脉冲变压器T分别取代方案V中Kp的K7、ΔU1与K8、ΔU2。BRa开关周期的大部分时间不导通，当需要关断BR相应支路时，Up先是输出正脉冲使BR需要换流的器件电流转移到BRa的相应支路上，并维持一段时间使BR相应支路恢复正向阻断，然后Up输出负脉冲，经过T升压后幅度略高于三相线电压峰值，使BRa的相应支路关断并恢复正向阻断。
VII.参见图7。在直流侧设置一混合型开关电路Kp与晶闸管桥BR并联，Kp用于辅助关断BR，Kp由晶闸管桥BRa与晶闸管K9、K10、全控开关K11、低压辅助电源ΔU组成，kp的交流侧端口即是BRa的交流侧端口，K11、ΔU相互串联后与BRa直流端并联，其中BRa的直流端极性同ΔU相反，并联后的两端分别串联上K9、K10后形成Kp的两个端口，与BR端口极性相反地并联；K9、K10、K11在开关周期的大部分时间不导通，需要关断BR相应支路时导通K9或K10，并导通K11，将BR器件电流引入到BRa中，使BR器件实现辅助关断，K9、K10、K11的导通时间略长于BR器件恢复正向阻断所需时间，然后再关断K11使Kp整体呈现断态。
VIII.参见图8。用脉冲电源Up、升压脉冲变压器T取代方案VII中ΔU，用晶闸管K12取代全控开关K11，T的低压绕组接Up，需要关断BR相应支路时导通K8或K9，并Up发出正脉冲使BR需要换流的器件电流转移到BRa的相应支路上，并维持一段时间使BR相应支路恢复正向阻断，然后Up输出负脉冲，经过T升压后幅度略高于三相线电压峰值，使BRa的相应支路关断并恢复正向阻断，使Kp整体呈现断态。
由上述发明派生出了2个从属的技术方案。
一是参见图9a、图9b。本发明的方案I或II或III或IV中K2与L1并联的变流器，在K1或Ks与L1的连接点与BR(不同K1或Ks与L1相连接的一个)直流端之间增加一个全控开关或晶闸管或二极管Kdc，在辅助换流的闲置时间段，利用K1或Ks与Kdc、L1执行DC/DC高频开关变流功能，使整个变流器成为交/直流双重调节变流器。因K1与L1在BR与输出端之间的串联排序不同，即由K1或L1直接连接BR，本从属发明有图10a、图10b两种DC/DC调节线路。
二是参见图10a、图10b。在上述技术方案V或VI或VII或VIII的基础上，本发明的变流器在直流侧设置一全控开关K1与晶闸管桥BR和L1串联，另设置全控开关或晶闸管或二极管K2给电感L1作续流用；K2与L1并联，或一端接L1与K1的连接点、另一端接BR不同L1与K1相连的直流端。K2与K1互补导通与关断，在换流失败或负载短路时用于切断直流侧电流，在辅助换流的闲置时间段执行高频开关变流功能。
上述发明内容的总体说明本发明提出的采用混合型开关器件的电流型交/直变流器，由其还可以扩展成各种交一直一交变流器。本发明所述的交/直变流器主要用于直流与正弦交流之间的变换，但交流侧不仅仅限于三相，可以是多于三相(例如六相)；交流输出也不一定必须是正弦波，例如用作有源电力滤波时就需要输出工频谐波，用作无刷直流电机时就需要输出矩型波。另外，交流也不一定是三相三线制的，也可以是带中线的三相四线制系统，此时上述线路中的C1可以跨接在各相线与中线之间。
在本发明的变流器能执行PWM(例如SPWM或SVPWM等)的常规变流功能，在PWM脉冲周期内晶闸管的关断采用两种方式一是通过触发需要开通的晶闸管，使需要关断的晶闸管因承受反压(相间反电压)而被相间反压关断；二是在触发需要开通的晶闸管前，通过全控开关或混合型直流开关实被换相桥臂的辅助关断。前者必须当相间出现反电压时才能关断，后者则不管相间电压是正或负均能关断。控制设计中为了充分利用辅助关断功能，达到简化控制目的，可以在开关周期内安排辅助开关同步动作，而将相间反压关断功能用于脉冲的调节。
关于在同一发明思路下的8种具体技术方案的进一步说明1)关于方案I在需要辅助关断时，由全控开关K1切断晶闸管桥的电流通路，需要关断的晶闸管因失去电流而被自然关断，只要断电持续时间略大于晶闸管恢复正向阻断所需时间即可(例如两倍于后者所需时间)。当直流电流被切断时电感L1的电流是通过全控开关或晶闸管或二极管K2来续流的。K1、K2总是反向动作，当一个导通时另一个关断。由于每个开关周期内辅助关断的时间很短，全控开关K2通过的电流有效值将很小。根据K2的接法不同，有两种线路。
第一种接法如图3a所示，应用限于当直流侧并接电容或电压源或电阻负载。续流控制开关K2除了用全控开关外，在有些应用中可以使用晶闸管，前提是K1导通时K2有个自然处于反向电压的过程。但不能使用二极管。这种接法的优点是换流过程中尽可能保持L1的电流不变，在直流侧接电压源或电容时可以采用，直流侧带电感性负载或电流源时则不能采用。
第二种接法如图3b所示，这种线路K2不仅可以使用全控开关或晶闸管，当变流器为整流器时还能使用二极管。这种线路允许直流端接电感性负载或电流源。
本方案的线路中全控器件数量是一或两个，而且其中K2的电流额定值可以显著低于全控开关K1，其余器件均为晶闸管。
2)关于方案II方案I中的全控型开关K1在开关周期中基本上处于导通态，需要承受全部功率。方案II则是通过混合型直流开关Ks实现全控型开关K1的功能，参见图4a。Ks中由晶闸管K5承担导通功能，由全控开关K3的导通来辅助关断K5，然后再关断K3；考虑到K3会有导通压降，还不足以关断K5，通过与K5串联的全控开关K4的关断，迫使K3关断。K3与K4的导通、关断动作是互补的，K4的关断时间略长于K5恢复正向阻断所需时间(例如两倍于后者)。
K4可以使用低压功率MOSFET器件，在通过大电流时候不会有很大的电压降，价格也不高。K3可以使用IBGT等器件，由于不需要通过很大的平均电流，器件的容量要求得以降低。
3)关于方案III处置混合型开关的思路类似与方案II，所不同的是当需要关断混合型开关Ks时，通过引入辅助电源ΔU来确保电流能够从晶闸管K5转移到全控开关K3上，参见图4b。这种独立电源可以用高频开关电源构成，电压需求不高(例如6-12V)，加之通电时间很短，因此所需容量很小。
4)关于方案IV从总体控制原理及处置混合型开关的思路基本与方案III相同，是方案III的高压版本，参见图4c。方案IV的解决思路是用升压变压器降低构成脉冲电源Up的器件的耐压要求。例如升压比为2∶1，相关器件的耐压要求就降低将近一半。这里的脉冲电源Up的负脉冲幅度经T升压后应当略高于三相线电压峰值，而正向电压本来不需要很高(例如12V即可)，但考虑到T发出的正负脉冲需要磁平衡，可以取正向脉冲幅度是负脉冲的几分之一(例如十分之一)。脉冲电源Up可以通过由全控器件构成的电路产生。
5)关于方案V参见图5。从总体控制原理基本与方案I相同，处置混合型开关的思路类似于方案III，所不同的是通过交流回路辅助切断关断晶闸管桥BR。该方案中的全控器件K7、K8均仅仅通过短暂电流，器件额定容量不需要很大。
6)关于方案VI参见图6。总体控制原理基本与方案V相同，是方案V的高压版本。处置混合型开关的思路类似于方案IV。在实际应用中为简化电路，方案VI中的两个升压变压器T也可以拼用一个，即T含一个原边和两个副边。
7)关于方案VII参见图7。控制原理基本与方案V相同，方案VII中利用K9与K10控制上下换流桥臂的通道，从而仅需一套全控制开关和低压辅助电源来实现辅助换流。
8)关于方案VIII参见图8。总体控制原理基本与方案VII相同，是方案VII的高压版本。处置混合型开关的思路类似于方案IV。
9)关于方案I、II、III、V的换流加速问题本发明的变流器方案I或II或III或IV中，当K1或Ks关断时，BR上的桥臂没有承受反向电压，其关断时间会比较长。BR上并联一个可控辅助脉冲电源Ua将能够在BR的关断过程中给其加上反向电压使之快速可靠恢复正向阻断能力，参见图11。Ua的功率并不需要很大，极性与BR相同，电压略高于交流电压峰值可控辅助脉冲电源，不流换时是断开的。当需要换流时，BR的桥臂电流被K1或Ks阻断，稍后再加电压略高于交流电压峰值Ua，BR桥臂的反向电流很小。Ua可以由独立的高频开关电源与全控开关构成，Ua脉冲只要能够维持长于桥臂的正向阻断恢复时间(例如数十微秒)即可。
10)关于多重变流器方案的说明本发明的变流器因采用晶闸管桥BR而工作频率往往比较低，这时可以采用上述本发明变流器多重并联方案，在开关周期中各单元的开关动作按相等时间间隔相互错开，线路参见图23。在大功率变流器中利用多重化降低开关周期脉动电流的幅度，能够使器件的工作频率要求进一步降低，十分适合于超大功率变流应用。
11)关于软开关方案的说明对上述全控开关进行适当操作，就可以利用分布参数或添加小参数无源元件，很容易地实现软开关。例如在变流器中全控开关K1与全控开关K2实行先关后开，即在其中一个全控开关关断过程中利用分布参数使之承受电压从零逐步提高，另一全控开关在电压自然过零时就可以开通。
图24是外加谐振电容的软开关方案。在晶闸管桥的直流输出端并联一个谐振电容C4，换流过程中可以使晶闸管桥BR的直流端电压变化更有规律，电流截止末了阶段能利用与晶闸管桥及交流侧负载分布电感的谐振，向需要关断的半控器件提供比较稳定的反向电压，其谐振周期一般需要在10微秒以上。在全控开关或混合型开关中的全控开关上并接谐振电容，并接谐振电容C5可以更容易实现零电压软开关条件，其谐振周期一般在微秒级。谐振电容C5是参与全控开关的软开关谐振，而上述谐振电容C4是参与半控开关的关断谐振，两者作用是有区别的。
12)关于降低全控开关耐压要求方案的说明K1、K2等器件可以通过多个器件串联，或常用多电平线路来降低单个器件的耐压要求。但K2有更加简单可靠的降低耐压要求的方案，例如通过并联在L的抽头上承担L2上的一部分电压(这时K2的电流要求会随电压下降而反比上升)。图25是K2的另一个分压方案，由多个器件分别并联在L的等分绕组上，具有良好分压效果。
关于从属发明的进一步说明从属发明1。参见图9a和图9b。本发明的变流器方案I或II或III或IV中K2与L1并联的变流器，增加一个全控开关或晶闸管或二极管Kdc，在辅助换流的闲置时间段，能够利用K1或Ks与Kdc、L1执行DC/DC高频开关变流功能。控制方案可以采用一般脉冲调制方案，其开关频率一般高于BR的换流频率，从而与交流侧的换流开关一道形成了双重调节功能。这种调节功能对于交流是准方波的变流器特别有利，即分别由交流侧调节换流频率、直流侧调节幅度。
因K1与L1在BR与输出端之间的串联排序不同，即由K1或L1直接连接BR，本从属发明有图9a和图9b两种DC/DC调节线路，其升降压调节方向相反。在DC/DC调节工作时，K2处于不导通状态。
对于图9a的电路，当变流器仅仅用于整流时，Kdc可以使用二极管，直流调节功能相当于BUCK(降压)电路，控制从交流侧到直流侧的降压。当变流器为逆变器时，Kdc必须采用全控制开关或半控开关，直流调节功能相当于BOOST(升压)电路，控制从直流侧到交流侧的升压。
对于图9b的电路，当变流器用于整流时，直流调节功能相当于BOOST(升压)电路，控制从交流侧到直流侧的升压。当变流器为逆变器时，Kdc可以使用二极管，直流调节功能相当于BUCK(降压)电路，控制从直流侧到交流侧的降压。
本从属发明1是利用增加一个全控开关或晶闸管或二极管Kdc来实现直流调节功能。对于本发明方案I或II或III或IV中K2不与L1并联的变流器，则不用增加开关，在辅助换流的闲置时间段，也能够利用K1或Ks与K2、L1执行DC/DC高频开关变流功能。当变流器仅仅用于整流时，K2可以使用二极管，直流调节功能相当于BUCK(降压)电路，控制从交流侧到直流侧的降压。当变流器为逆变器时，K2必须采用全控制开关或半控开关，K2与K1或Ks互补导通，直流调节功能相当于BOOST(升压)电路，控制从直流侧到交流侧的升压。
从属发明2。参见图10a、图10b。是方案I与方案V或V1或VII或VIII的结合，换流任务由方案V或VI或VII或VIII实现，方案I中的K1、K2则用于换流失败或负载短路时的保护，以提高可靠性。图10a、图10b是以方案V为基础的从属发明3示例，其中采用了方案V中的Kp；对于以方案VI或VII或VIII为基础的从属发明3示例，只要将在图10a、图10b中换上相应的kp就行。
本从属发明2中K2不与L1并联的变流器，在辅助换流的闲置时间段，本身就可利用K1与K2、L1执行DC/DC高频开关变流功能，控制方案可以采用一般脉冲调制方案，其开关频率一般高于BR的换流频率，从而与交流侧的换流开关一道形成了双重调节功能。
关于本发明电流型与电压型变流器问题的说明本发明的交/直变流器为电流型变流器，该电路在交流侧呈现电压源特性，而在直流侧呈现电流源特性，这些是其高频变换器的端口阻抗性质。当电源或负载的阻抗性质与变流器的端口相同时，变流器端口的电容器C1或电感L1都允许省略。本发明可以通过外加滤波器改变端口性质。如图12，其中方框中的AC/DC变流器是电流型的，但是外围加上电感Lf与电容Cf等滤波器后，整体端口性质就变成为电压型了。
关于单向与双向结构问题的说明为描述方便起见，说明书的许多例图都使用了单向开关介绍本发明方案。本发明方案的实施例也大都用了单向器件，若需要四象限运行性能，可以用器件、辅助电源方向全都相反的两套线路并联运行。本发明的变流器一些方案中只要采用双向开关器件就可以实现四象限运行。
目前晶闸管有双向的，而实际的全控双向开关的往往由两个单向开关和二极管等复合构成。图13是采用双向晶闸管、双向全控开关的四象限交/直变流器。
关于晶闸管桥及其他开关的极性问题为说明本发明方案方便起见，在说明书附图中在晶闸管桥框图上标注“+”“-”号，分别对应晶闸管桥的整流输出正、负端。在附图中变流器的输出正、负极性，即“P”、“N”，为简单起见都是统一按照整流功能标注的，用作逆变器时实际极性是反过来的。
关于辅助关断脉冲电源的说明利用全控器件容易构成辅助关断脉冲电源。图14a是Up发生电路；图14b是Ua发生电路，其DC/DC高频开关电源提供小电流、高电压的直流源，通过IGBT发出脉冲电压，二极管用于阻挡高压电流的倒灌。
本发明的有益效果本发明的变流器具备普通全控器件变流器的功能，仅仅使用少量全控器件，绝大部分器件均是用快速晶闸管器件(KK管)，具有显著价格优势。例如采用发明方案I的交/直流变流器，仅仅用一个额定容量的非对称型全控器件K1；K2即使用全控器件，其电流额定值也可以比K1小得多。目前快速晶闸管工作频率就可达3000赫，能够适合本发明装置使用，而快速晶闸管的价格与普通晶闸管(KP管)相差不多，远低于IGBT，尤其是高压器件。考虑到C1、L1为高频电容、电感，变流器没有使用低频大电容、电感的有利因素，本发明装置的成本甚至可以低于普通晶闸管变流器。
本发明的装置在高压、超大容量领域具有更强的成本优势。在电力系统和电力牵引等高压、超大容量应用场合，常规变流器中全控器件的成本将占据整个装置的很高比例，而且不容易采购；而本发明仅仅需要使用很少的全控器件(仅仅方案I中的全控器件K1需要采用全额定容量的IGCT等高耐压器件，若采用其余方案则通过采用升压脉冲变压器而降低了全控器件耐压要求)，又能达到全部采用全控器件的装置之效果。
用于永磁无刷直流电机一类负载或是准方波供电的方案中，交流侧的电压或电流波形为频率较低的准方波。本发明的交流、直流双重调节功能，能够同时解决换相与调压功能，十分有利于无刷直流电机、准方波电机、电子变压器等需要准方波供电的装置简化线路、降低成本。
作为低成本的功率因数与输出电流均可调节的可控整流、逆变器和交-直-交变频器，本发明能在一般电力传动、电力牵引、太阳能发电、直流输电、电能质量处理、混合动力汽车、变频电源、感应加热电源、蓄电池充电电源、电化学电源等领域推广应用。本发明能双向及四象限运行的交直流变流器，特别适合在混合动力汽车、燃料电池汽车、燃料电池发电、超导畜能、UPS(不停电电源)等领域应用。
综上所述，用本发明方案设计制造的变流装置能实现全控型变流器的优越性能，并可以大幅度节省原料、显著降低生产成本，具有巨大开发应用潜力。
附图1a为现有三相三线变流桥；附图1b为现有三相四线变流桥。
附图2a为现有电流型交/直变流器；附图2b为现有电压型交/直变流器。
附图3a为变流器方案I的第一种接法；附图3b为变流器方案I的第二种接法。
附图4a为变流器方案II；附图4b为变流器方案III；附图4c为变流器方案IV。
附图5为变流器方案V；附图6为变流器方案VI。
附图7为变流器方案VII；附图8为变流器方案VIII。
附图9a为加开关的双重调节变流器方案第一种接法；附图9b为加开关的双重调节变流器方案第二种接法。
附图10a变流器换流保护的第一种接法；附图10b变流器换流保护的第二种接法。
附图11为可控辅助脉冲电源的加速关断方案。
附图12带端口滤波器的变流器。
附图13电流型双向交/直变流器案例。
附图14a脉冲Up产生电路；附图16b脉冲Ua产生电路；附图15a发明方案I实施例之一；附图15b发明方案I实施例之二。
附图15c发明方案I实施例之三。
附图16发明方案II实施例。
附图17发明方案III实施例。
附图18发明方案IV实施例。
附图19发明方案V实施例。
附图20发明方案VI实施例。
附图21a附加开关使直流端降压的交流、直流双重调节变流器。
附图21b附加开关使交流端升压的交流、直流双重调节变流器。
附图21c附加开关使直流端升压的交流、直流双重调节变流器。
附图21d附加开关使交流端降压的交流、直流双重调节变流器。
附图22四象限的交-直-交双向变流器实施例。
附图23多重变流器方案附图24变流器的软开关方案附图25K2的分压方案具体实施方式
发明方案I的实施例方案I的实施例子如图15所示。图15a可以用于整流和逆变，其中晶闸管桥BR器件全部采用逆阻型快速晶体闸管，K1、采用普通非对称型IGBT，K2由容量较小的普通非对称型IBGT(只考虑瞬时电流有一定裕量即可)串联一支快速二极管构成，K2也可以直接采用逆阻型IGBT。通常，在处理三相对称电流、电压问题时，C1与L1的参数按照滤除高频脉冲要求设计。若需要处理不平衡电流、电压等问题时，可以增加L1的电感量。
图15b、图15c与图15a的区别是K2位置不同。图15b的变流器使用了二极管，在施行直流侧调节功能时只能用于整流；图17c的变流器则可以用于逆变，由于其中K1代替了BOOST二极管，K1、K2需要互补导通与关断。
发明方案II的实施例方案II的实施例子如图16所示。与方案I不同的是方案II用混合型开关Ks代替了原来的K1，其中K4是低压功率MOSFET(可以用多个电流较小的功率MOSFET并联构成)，K5是快速晶体闸管，K3是非对称IGBT(电流额定值要求比方案I低)。
发明方案III的实施例方案III的实施例子如图17所示。与方案II不同的是方案II混合型开关Ks的构成不同，K5是快速晶体闸管，K3是非对称IGBT(电流额定值要求比方案I低)，ΔU是低压独立电源。
发明方案IV的实施例方案IV的实施例子如图18所示。与方案III不同的是方案III混合型开关Ks的构成不同，是方案III的高压版本，K5、K6是快速晶体闸管，Up是脉冲电源，T是升压脉冲变压器(低压侧接K3)。当需要关断K5时，Up先是输出正脉冲(K6的开通脉冲同时到达)使K5的电流转移到K6，维持一段时间使K5恢复正向阻断，然后Up输出负脉冲(经过T升压后幅度略高于三相线电压峰值)使K6关断。K5需要通过装置的额定直流电流，而K6的容量可以比K5低。图18的电路中K2采用了逆阻型可关断的器件IGCT。产生脉冲源的电路实施例如图14所示，若T的升压比取2，则产生脉冲源的器件耐压要求就比K5要低将近一半。
发明方案V的实施例方案V的实施例子如图19所示，其中晶闸管桥BR、辅助关断晶闸管桥BRa的器件全部采用逆阻型快速晶体闸管，全控开关K7、K8采用非对称IGBT，低压辅助电源ΔU1、ΔU2采用独立高频开关电源。低压辅助电源的幅度应能保证电流从BR需要换流的支路转移BRa的相应支路(例如可取12V左右)。K7、K8不必限制于同时开关动作，可以根据换流支路的需要独立控制。通过BRa的平均电流很小，器件容量可以比BR低。
发明方案VI的实施例方案VI的实施例子如图20所示，与方案V不同的是方案VI混合型开关Kp的构成不同，是方案VI的对应高压版本。两个Up是脉冲电源，两个T是升压脉冲变压器(低压侧接脉冲电源)。当需要关断BR相应支路时，Up先是输出正脉冲使BR需要换流的器件电流转移到BRa的相应支路上，并维持一段时间使BR相应支路恢复正向阻断，然后Up输出负脉冲(经过T升压后幅度略高于三相线电压峰值)使Bra相应支路关断。
发明方案VII的实施例方案VII的实施例子如图7所示，其中晶闸管桥BR、辅助关断晶闸管桥Bra、K9、K10的器件全部采用逆阻型快速晶体闸管，全控开关K11采用非对称IGBT，低压辅助电源ΔU采用独立高频开关电源。低压辅助电源的幅度应能保证电流从BR需要换流的支路转移BRa的相应支路(例如可取12V左右)。当BR的接直流+端的桥臂需要换流时开通K9和K11，反之开通K10和K11，使BR需要换流的器件电流转移到BRa的相应支路上，并维持一段时间使BR相应支路恢复正向阻断；然后K11关断，并使K9或K10关断。通过Bra、K9、K10、K11的平均电流很小，器件容量可以比BR低。
方案VIII的实施例子如图8所示，与方案VII不同的是方案VIII中用升压脉冲变压器T和脉冲电源Up取代了图7中的全控开关K11，是方案VIII的对应高压版本。当需要关断BR相应支路时，Up先是输出正脉冲使BR需要换流的器件电流转移到BRa的相应支路上，并维持一段时间使BR相应支路恢复正向阻断，然后Up输出负脉冲(经过T升压后幅度略高于三相线电压峰值)使Bra相应支路关断。
从属发明1的实施例如图21所示。
图21a是一整流变流器，Kdc就采用二极管，由K1、Kdc与L1构成普通的DC/DC降压(BUCK)电路，使直流端降压。
图21b是一逆变变流器，Kdc就采用非对称IGBT与二极管串联，由K1、Kdc与L1构成DC/DC升压(BOOST)电路，使交流端升压。由于图21b中K1代替了BOOST二极管，Kdc关断时，需要控制K1的导通。
图21c是一整流变流器，Kdc就采用非对称IGBT与二极管串联，由K1、Kdc与L1构成DC/DC升压(BOOST)电路，使直流端升压。由于图21c中K1代替了BOOST二极管，Kdc关断时，需要控制K1的导通。
图21d是一逆变变流器，Kdc就采用二极管，由K1、Kdc与L1构成DC/DC降压(BUCK)电路，使交流端降压。
在图21d的线路中，当负载为电压源或含有反电势时，允许省略K2、仅仅通过Kdc的续流将L1的电流耗尽也能实现辅助换流，只是辅助换流动作不如含K2的线路迅速。
从属发明2是方案I与方案V或VI或VII或VIII的结合，其中方案I及方案V或VI或VII或VIII的实施例请分别参见上述各方案实施例。
本发明基于混合开关的交-直-交双向变流器应用本发明电路可以构成交-直-交双向变流器，具体做法是用两套本发明的交/直流变流器在直流侧级联，即其中两套变流器的正负端反并联。它能应用于输配电系统的电子变压器、电能质量调节器、风力发电、交流传动、电力牵引、变频电源等领域。对于电力系统三相不平衡情况，可以适当加大电感L1的电感量，用于处理不平衡的工频基波或谐波能量。对于电力系统电能质量调节器，适当加大的电感可以用于电力系统的暂态过程的调节。
构成交-直-交双向变流器的实施例如图22所示。为简单起见，例图中的交/直变流器采用了本发明方案I，其中原先独立两套的L1、K1、K2组件被合并节省为一套。图中“a”“b”“c”与“a′”“b′”“c′”分别是两组独立的交流端口。
对于采用方案I、II、III、IV的两套变流器构成交-直-交双向变流器，且采用K2与L1并联方式时，两套L1及K1或Ks、K2线路都可以省略为一套。但有时为了隔离两套换流控制上的相互干扰，在两套发明方案的电路级联处，即直流环节正负端，并联上一个电容器；此时，L1及K1或Ks、K2的两套线路不能合并为一套。若是让该电容适当承担低频储能，也同样可以使装置具有处理三相不平衡系统的能力，也可以用于电力系统电能质量调节。
本发明可应用于两种无功补偿与有源电力滤波器本发明的变流器，在直流端并联上一个高频电容，就能作为交流无功补偿与APF变流器使用，在电力系统三相不平衡情况下或需要处理零序成分的时，可以适当加大电容量。作为本发明方案的实施特例，变流器所有控制开关均采用单向器件、直流侧短接，就成为没有大电容的无功补偿与有源电力滤波器。由于直流端没有功率注入或输出(但是仍然保持电流通过)，交流侧的各相电流能量互相转移。因此该装置可以用于高效率的电力系统有源静止无功补偿装置；由于该变流装置对于对称工频谐波也能处理，因此可以作为电力系统有源滤波装置使用。在电力系统三相不平衡情况下或需要处理零序成分的时，可以适当加大电感L1的电感量。
权利要求
1.一种采用混合型开关器件的电流型交/直变流器，包括直流侧和交流侧，有晶闸管桥和辅助开关，其特征是在直流侧设置一全控开关K1与晶闸管桥BR和电感L1串联，另设置全控开关或晶闸管或二极管K2给L1作续流用；K2与L1并联，或一端接L1与K1的连接点、另一端接BR不同L1与K1相连的直流端；K1在开关周期L1的大部分时间保持导通状态，用于辅助关断BR的关断时间略长于BR桥臂恢复正向阻断所需时间，K2与K1互补导通与关断。
2.根据权利要求1所述的变流器，其中K2与L1并联的一种，在K1或Ks与L1的连接点与BR不同K1或Ks与L1相连接的一个直流端之间增加一个全控开关或晶闸管或二极管Kdc，在辅助换流的闲置时间段，利用K1或Ks与Kdc、L1执行DC/DC高频开关变流功能，使整个变流器成为交/直流双重调节变流器。依据K1与L1在BR与输出端之间的串联排序不同，即由K1或L1直接连接BR，本从属发明有两种DC/DC调节线路。
3.一种采用混合型开关器件的电流型交/直变流器，包括直流侧和交流侧，有晶闸管桥和辅助开关，其特征是用混合型直流开关Ks取代权利要求1中的K1，Ks与BR和L1串联，Ks由全控开关K3、全控开关K4与晶闸管K5构成，其中K4与K5串联后与K3并联，Ks的导通任务由K4、K5承担，Ks的阻断电压由K5承担，K3与K4起到辅助关断K5的作用，当需要关断Ks时先导通K3，K4与K3互补导通，通过K4来切断K5电流使之关断，K4的关断时间略长于K5恢复正向阻断所需时间。
4.一种采用混合型开关器件的电流型交/直变流器，包括直流侧和交流侧，有晶闸管桥和辅助开关，其特征是用混合型直流开关Ks取代权利要求1中的K1，Ks与BR和L1串联，Ks由全控开关K3、低压辅助电源ΔU与晶闸管K5构成，其中K3与ΔU串联后与K5并联，Ks的导通任务由K5承担，K3与ΔU起到辅助关断K5的作用；当需要关断Ks时先导通K3，K3的导通时间略长于K5恢复正向阻断所需时间，然后再关断K3，使Ks整体呈现断态。
5.一种采用混合型开关器件的电流型交/直变流器，包括直流侧和交流侧，有晶闸管桥和辅助开关，其特征是用混合型直流开关Ks取代权利要1中的K1，Ks与BR和L1串联，Ks由晶闸管K5、脉冲电源Up、升压脉冲变压器T、晶闸管K6构成，其中T的高压绕组与晶闸管K6串联后与K5并联，Ks的导通任务由K5承担，Up通过T起到辅助关断K5的作用；当需要关断Ks时，Up发正向脉冲，使本来流经K5的电流改流到K6使K5关断，然后Up发反向脉冲来关断K6使Ks整体呈现断态。
6.一种采用混合型开关器件的电流型交/直变流器，包括直流侧和交流侧，有晶闸管桥和辅助开关，其特征是在直流侧设置一混合型开关电路Kp与晶闸管桥BR并联，Kp用于辅助关断BR，Kp由晶闸管桥BRa与全控开关K7、K8、低压辅助电源ΔU1、ΔU2组成，Kp的交流侧端口即是BRa的交流侧端口，Kp的直流侧端口由BRa的两个直流侧端口分别串联上K7、ΔU1与K8、ΔU2后形成，K7、K8在开关周期的大部分时间不导通，需要关断BR时K7或K8导通，将BR器件电流引入到BRa中，使BR器件实现辅助关断，K7、K8的导通时间略长于BR器件恢复正向阻断所需时间，然后再关断K7或K8使Kp整体呈现断态。
7.一种采用混合型开关器件的电流型交/直变流器，包括直流侧和交流侧，有晶闸管桥和辅助开关，其特征是用两个脉冲电源Up、两个升压脉冲变压器T分别取代权利要求5中Kp的K7、ΔU1与K8、ΔU2。BRa开关周期的大部分时间不导通，当需要关断BR相应支路时，Up先是输出正脉冲使BR需要换流的器件电流转移到BRa的相应支路上，并维持一段时间使BR相应支路恢复正向阻断，然后Up输出负脉冲，经过T升压后幅度略高于三相线电压峰值，使BRa的相应支路关断并恢复正向阻断。
8.一种采用混合型开关器件的电流型交/直变流器，包括直流侧和交流侧，有晶闸管桥和辅助开关，其特征是在直流侧设置一混合型开关电路Kp与晶闸管桥BR并联，Kp用于辅助关断BR，Kp由晶闸管桥BRa与晶闸管K9、K10、全控开关K11、低压辅助电源ΔU组成，Kp的交流侧端口即是BRa的交流侧端口，K11、ΔU相互串联后与BRa直流端并联，其中BRa的直流端极性同ΔU相反，并联后的两端分别串联上K9、K10后形成Kp的两个端口，与BR端口极性相反地并联；K9、K10、K11在开关周期的大部分时间不导通，需要关断BR相应支路时导通K9或K10，并导通K11，将BR器件电流引入到BRa中，使BR器件实现辅助关断，K9、K10、K11的导通时间略长于BR器件恢复正向阻断所需时间，然后再关断K11使Kp整体呈现断态。
9.根据权利要求7所述的变流器，在直流侧设置一全控开关K1与晶闸管桥BR和L1串联，另设置全控开关或晶闸管或二极管K2给电感L1作续流用；K2与L1并联，或一端接L1与K1的连接点、另一端接BR不同L1与K1相连的直流端。K2与K1互补导通与关断，在换流失败或负载短路时用于切断直流侧电流，在辅助换流的闲置时间段，执行高频开关变流功能。
10.一种采用混合型开关器件的电流型交/直变流器，包括直流侧和交流侧，有晶闸管桥和辅助开关，其特征是用脉冲电源Up、升压脉冲变压器T取代权利要求7中ΔU，用晶闸管K12取代全控开关K11，T的低压绕组接Up，需要关断BR相应支路时导通K8或K9，并Up发出正脉冲使BR需要换流的器件电流转移到BRa的相应支路上，并维持一段时间使BR相应支路恢复正向阻断，然后Up输出负脉冲，经过T升压后幅度略高于三相线电压峰值，使BRa的相应支路关断并恢复正向阻断，使Kp整体呈现断态。
全文摘要
本发明提出一种原创的基于混合型开关的通用变流器。该变流器线路仅用少量全控开关，其余为普通晶闸管，适合于构成一系列几乎无蓄能环节的崭新开关电源变流器。本发明派生的系列装置有电网无功补偿器、有源电力滤波器、正弦逆变器、准方波逆变器、四象限工作的交—直流变频器、双向交—直—交正弦波变频器、功率因数近于1且谐波含量近于零的可控整流器等，可以广泛应用于电动汽车电源、变频调速、电力牵引、不停电电源、新能源变流器、电化学电源、中频电源、电力系统电能质量改善等诸多领域。比较常规技术的装置，利用本发明技术的装置具有电气性能卓越、材料成本显著降低、体积与重量大为减小、谐波几乎消除等巨大优势，具有很高的应用推广价值。
文档编号H02M1/42GK101056070SQ20071006895
公开日2007年10月17日 申请日期2007年5月31日 优先权日2007年5月31日
发明者吕征宇, 汪槱生 申请人:吕征宇, 汪槱生