电力电子变压器的制作方法

本实用新型涉及智能电网领域，尤其涉及电力电子变压器。

背景技术：

随着智能电网的发展，电力电子变压器(PET，power electronics transformer)作为新型变压器发挥着越来越重要的作用。和传统变压器相比，电力电子变压器具有体积小、重量轻、低成本，高功率、四象限运行(four quadrant operation modes)以及弹性控制(flexible control)等优点。为了进一步改善电力电子变压器的效率，缩减其体积，电力电子变压器的中间直流到直流功率变换级(middle DC-DC power stage)需具有高开关频率和高效率。

现有技术的电力电子变压器具有如下缺点：输入桥级联电子整流器的每个模块都具有较多的IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管)单元，因此造价较高；中间的直流到直流转换器不能实现软开关功能，因此会造成高开关耗损。

技术实现要素：

为了解决现有技术的上述缺陷，本实用新型提供了电力电子变压器，其包括：一个输入整流器，其用于对电力系统中的三相输入直流电压转变为交流电压；一个直流到直流转换器，其包括分别耦合于所述电力系统的正母线和负母线的转换器单元，其中所述转换器单元包括：一个第一电容，所述第一电容并联有相互串联的第一IGBT模块和第二IGBT模块，所述第一电容还并联有相互串联的第二电容和第三电容；一个第一漏感，所述第一漏感连接于所述第一IGBT模块和第二IGBT模块之间的连接点上；一个变压器，其第一输入端连接至所述第一漏感，所述变压器的第二输入端连接至所述第二电容和第三电容之间的连接点上，所述变压器的第一输出端依次串联有第四电容、第五电容和第二漏感；一个第三IGBT模块和一个第四IGBT模块，所述第三IGBT模块和一个第四IGBT模块的发射极分别连接至所述一个变压器的第二输出端，所述第三IGBT模块的集电极连接至所述第四电容和第五电容之间的连接点上，所述第四IGBT模块的集电极连接于所述第五电容和第二漏感之间的连接点上；一个第六电容，其并联于所述第二漏感的另一端和所述第二输出端之间，所述电力电子变压器还包括一个输出转换器，其耦合于所述直流到直流转换器，所述输出转换器用于对所述直流到直流转换器的输出电压进行交流到直流的逆转换，其中，所述第一IGBT模块和所述第三IGBT模块之间存在相移，所述所述第二IGBT模块和所述第四IGBT模块之间存在相移。本实用新型提供的电力电子变压器能够实现软开关功能，因此降低了整体功耗。并且，本实用新型应用了较少的IGBT模块，降低了成本。

进一步地，所述输入整流器包括连接至所述正母线和负母线之间的三个并联支路，所述三个并联支路分别连接于所述电力系统的三相输入端，其中，每个所述并联支路包括：相互级联的复数个模块化多电平变流器，每个所述模块化多电平变流器包括一个第五IGBT模块、一个第六IGBT模块和一个第七电容，其中，所述第五IGBT模块和第六IGBT模块相互串联，所述第七电容并联于所述第五IGBT模块的发射极和所述第六IGBT模块的集电极之间；相互串联的第三漏感和第四电感，所述第三漏感和第四电感连接于所述相互级联的复数个模块化多电平变流器之间；一个第五漏感，其连接于所述第三漏感和第四电感之间；一个电源，其连接于第五漏感的输入端。

进一步地，所述输出转换器包括四个并联支路，每个并联支路包括相互串联的两个第七IGBT模块，所述两个第七IGBT模块之间的连接点上连接有负载。

进一步地，所述相位差由变换器传输能量的功率决定。

进一步地，所述第二电容和第三电容的电容值相同。

附图说明

图1示例性地示出了根据本实用新型一个具体实施例的电力电子变压器的电路结构示意图；

图2示例性地示出了根据本实用新型一个具体实施例的直流到直流转换器的转换器单元的电路结构示意图；

图3是根据本实用新型一个具体实施例的直流到直流转换器的第一IGBT模块和第三IGBT模块的相位曲线图。

附图标记列表：

具体实施方式

以下结合附图，对本实用新型的具体实施方式进行说明。

本实用新型提供的电力电子变压器通过控制其中的直流到直流转换器中的IGBT模块之间的相移差，来实现“软开关”的功能，从而提高电力电子变压器的开关效率并降低功耗。

本实用新型提供的电力电子变压器应用于电力系统，例如智能电网等。其中，根据本实用新型一个优选实施例，电力系统为三相输入，电力系统中包括正母线和负母线，电力电子变压器耦合于电力系统中的正母线和负母线之间。

如图1所示，本实用新型提供的电力电子变压器包括一个输入整流器100、一个直流到直流转换器200和一个输出转换器300。其中，输入整流器100用于对电力系统中的三相输入直流电压转变为交流电压，以达到整流的目的。直流到直流转换器200用于完成降压功能，并实现IGBT模块的0电压开通和0电压关断，即“软开关”功能。输出转换器300耦合于所述直流到直流转换器200，所述输出转换器300用于对所述直流到直流转换器200的输出电压进行交流到直流的逆转换，并通过三相输出传输给用户端的负载装置。

首先对输入整流器100进行介绍。所述输入整流器100包括连接至所述正母线b₁和负母线b₂之间的三个并联支路，所述三个并联支路分别充当于所述电力系统的三相输入端，并且每个并联支路的电路结构相同。因此，下面以其中一个并联支路的电路结构为例进行说明。如图1所示，所述并联支路包括：相互级联的复数个模块化多电平变流器(A₁、A₂、A₃、A₄、A₅……A_n)、两个相互串联的第三漏感L₃和第四电感L₄、一个第五漏感L₅、一个电源VA。其中，每个模块化多电平变流器的结构和功能也一致，因此下面以模块化多电平变流器A₁为例进行说明。所述模块化多电平变流器A₁包括包括一个第五IGBT模块S₅、一个第六IGBT模块S₆和一个第七电容C₇，其中，所述第五IGBT模块S₅和第六IGBT模块S₆相互串联。所述第七电容C₇并联于所述第五IGBT模块S₅的发射极和所述第六IGBT模块S₆的集电极之间。所述第三漏感L₃和第四电感L₄连接于所述相互级联的模块化多电平变流器A₃和A₄之间。第五漏感L₅连接于所述第三漏感L₃和第四电感L₄之间。所述电源VA连接于第五漏感L₅的输入端。模块化多电平变流器(MMC，Modular Multilevel Converter)能够减少输出电压的谐波和电磁干扰，并易于扩展，其中，所述第五IGBT模块S₅和第六IGBT模块S₆是互补的关系，两者的调制关系反向，形成了完整方案。如图1所示，输入整流器100的三个并联支路的中间两个漏感之间的连接点A、连接点B和连接点C，其中，连接点A、连接点B和连接点C分别输出阶梯波，所述阶梯波具有交流正弦波形。所述输入整流器100通过调节电源VA、VB、VC和连接点A、连接点B和连接点C的阶梯波的相位，可以实现高功率运输和整流，并将能量从电力系统的三相输入端传输至直流到直流转换器200。

具体地，直流到直流转换器200包括分别耦合于所述电力系统的正母线b₁和负母线b₂的转换器单元210、220，转换器单元210和220结构和功能一致，因此下文将以连接于正母线b₁的转换器单元210为例进行说明。

如图2所示，转换器单元210的主要电路元件包括一个第一电容C₁、一个第六电容C₆、一个第一IGBT模块S₁、一个第二IGBT模块S₂、一个第三IGBT模块S₃、一个第四IGBT模块S₄、一个第一漏感L₁、一个第二漏感L₂和一个变压器T₁。其中，所述第一电容C₁并联有相互串联的第一IGBT模块S₁和第二IGBT模块S₂，所述第一电容C₁还并联有相互串联的第二电容C₂和第三电容C₃。所述第一漏感L₁连接于所述第一IGBT模块S₁和第二IGBT模块S₂之间的连接点上。变压器T1第一输入端a连接至所述第一漏感L₁，所述变压器T₁的第二输入端b连接至所述第二电容C₂和第三电容C₃之间的连接点上，所述变压器T1的第一输出端c依次串联有第四电容C₄、第五电容C₅和第二漏感L₂。所述第三IGBT模块S₃和一个第四IGBT模块S₄的发射极分别连接至所述一个变压器T₁的第二输出端d，所述第三IGBT模块S₃的集电极连接至所述第四电容C₄和第五电容C₅之间的连接点上，所述第四IGBT模块S₄的集电极连接于所述第五电容C₅和第二漏感L₂之间的连接点上。第六电容C₆并联于所述第二漏感L₂和所述第二输出端d之间。其中，第二电容C₂和第三电容C₃用于屏蔽输入电压，两者电容值一样，第一漏感L₁能够将能量传输至变压器T₁的输出端。

下面分别通过直流到直流转换器200的0电压开通和0电压关断来对本实用新型的软开关功能进行说明。其中，直流转换器210包括插入状态和切出状态。当需要切换到插入状态时，第一IGBT模块S₁开通，第二IGBT模块S₂关断，图1的模块化多电平变流器A₁起作用，第六IGBT模块S₆的发射极和集电极之间的电压即输出电压为第七电容C₇两端的电压，因此电源VA可调整。当切换到切出状态时，第一IGBT模块关断，第二IGBT模块S₂开通，图1的模块化多电平变流器A₁不会起作用，第六IGBT模块S₆的发射极和集电极之间的电压即输出电压为0。

具体地，在直流转换器210中，第一漏感L₁用于对第二电容C₂和第三电容C₃充放电，从而进一步实现分别对第一IGBT模块S₁和第二IGBT模块S₂的寄生电容充放电，以实现0电压开通和0电压关断。第二漏感L₂分别对第四电容C₅和第五电容C₆的寄生电容充放电，从而进一步实现对第三IGBT模块S₃和第四IGBT模块S₄的充放电，以实现0电压开通和0电压关断。第二漏感L₂还用于输出滤波。第一电容C₁用于输出高压，第六电容C₆用于输出低压。第一IGBT模块S₁、第二IGBT模块S₂、第三IGBT模块S₃和第四IGBT模块S₄都用于充当开关，都可以在0电压情况下开通和关断。其中，第一IGBT模块S₁和第三IGBT模块S₃为互补的关系，第二IGBT模块S₂和第四IGBT模块S₄为互补的关系。

其中，第二IGBT模块S₂和第四IGBT模块S₄的工作机理和前文所述的第一IGBT模块S₁和第三IGBT模块S₃相同，为简明起见，不再赘述。其中，第二IGBT模块S₂和第四IGBT模块S₄也存在相位差。相位差的大小则由变换器传输能量的功率决定。

如图3所示，所述第一IGBT模块S₁和所述第三IGBT模块S₃之间存在相移，第三IGBT模块S₃晚于所述第一IGBT模块S₁开通一个相移角度。如图3所示，所述第一IGBT模块S₁和所述第三IGBT模块S₃具有同样的工作周期(duty cycle)D，第一IGBT模块S₁的相位超前于所述第三IGBT模块S₃一个相移角度θ。当所述第一IGBT模块S₁或者所述第三IGBT模块S₃开通时，其具有同样的工作周期D。因此，此时第一漏感L1的电压为：

当所述第二IGBT模块S₂或者所述第四IGBT模块S₄开通时，其具有同样的工作周期1-D。因此，此时第一漏感L1的电压为：

当整个电路达到稳定状态时，第一漏感L₁则达到了第二个平衡，因此可以得到如下公式：

为了实现软开关，我们将工作周期设定为当所述第三IGBT模块S₃开通时，其具有工作周期D，因此此时第二漏感的输出电压为：

V_L＝NV_C2-NV₂，

当所述第三IGBT模块S₃开通时，第三IGBT模块S₃具有工作周期D。当第四IGBT模块开通时，第四IGBT模块具有工作周期1-D，此时第一漏感L₁的输出电压为：

V_L＝-NV₂

此时，如果整个电路也当达到稳定状态时，第一漏感L₁达到了第二个平衡，因此可以得到如下公式：(NV_C2-NV₂)D+(-NV₂)(1-D)＝0。因此，输出电压即第六电容C₆两端的电压为第四电容C₄的输出电压为第五电容C₅的输出电压为

所述输出转换器300包括四个并联支路，每个并联支路包括相互串联的两个第七IGBT模块S₇，所述两个第七IGBT模块S₇之间的连接点上连接有用户端的负载。

本实用新型提供的电力电子变压器能够实现软开关功能，因此降低了整体功耗。并且，本实用新型应用了较少的IGBT模块，降低了成本。

尽管本实用新型的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本实用新型的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本实用新型的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本实用新型的保护范围应由所附的权利要求来限定。此外，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求；“包括”一词不排除其它权利要求或说明书中未列出的装置或步骤；“第一”、“第二”等词语仅用来表示名称，而并不表示任何特定的顺序。