隔离型模块化多电平变换器的制作方法

本发明涉及隔离型模块化多电平功率变换技术领域，具体涉及一种具有高压直流侧故障电流阻断能力的隔离型模块化多电平变换器。

背景技术：

隔离型模块化多电平变换器具有无需高压侧电容支撑及均压控制等优点，但当高压直流侧发生短路故障时，即使后级部分主动开关管全部关断，高压交流侧通过与主动开关管反并联的二极管，仍然会向故障点馈入短路电流，相当于三相交流短路故障，严重的将会损坏开关管，导致变换器无法正常工作。

技术实现要素：

为解决上述问题，本发明提供了一种隔离型模块化多电平变换器，通过引入反接的故障电流阻断开关模块，可以在不影响电路正常工作的前提下，当高压直流侧发生短路故障时，给故障电流阻断开关模块关断信号，从而阻断了短路电流。

本发明具体通过以下技术方案实现：

一种隔离型模块化多电平变换器，所述变换器为三相系统结构，包括三个并联在高压直流端口(PH、NH)之间的相单元，每个相单元由上、下两个桥臂组成，三个相单元的上、下桥臂的电联接点(N1、N2、N3)引出线串联滤波电感后为高压交流端口(a、b、c)，每个桥臂由n个具有高压直流侧故障电流阻断能力的单级式高频隔离型子模块和一个桥臂电抗器Lm组成；三个相单元上桥臂的正极端(PHa、PHb、PHc)相连作为该变换器的高压直流端口的正极PH，三个相单元下桥臂的负极端(NHa、NHb、NHc)相连作为该变换器的高压直流端口的负极NH；

所述具有高压直流侧故障电流阻断能力的单级式高频隔离型子模块包括前级部分、高频变压器部分和后级部分，前级部分的交流侧连接高频变压器的原边，后级部分的交流侧连接高频变压器的副边，每个子模块的前级部分的正、负极端口分别并联作为公共低压直流端口(PL、NL)，后级部分的端口串联构成高压直流侧端口(PH、NH)。

进一步地，所述子模块的前级部分包括低压侧直流电容CdcL和由四个带有反并联二极管的主动开关(如IGBT等)组成的主动H桥；后级部分包括电压钳位电路和由四个带有反并联二极管的主动开关组成的主动H桥、反接在桥臂上的故障电流阻断开关模块。

进一步地，所述前级部分的主动H桥包括一个第一主动开关管Q1、一个第二主动开关管Q2、一个第三主动开关管Q3和一个第四主动开关管Q4，各主动开关管的集电极分别与各自的续流二极管的阴极相连接，发射极分别与各自的续流二极管的阳极相连接；

第一主动开关管Q1与第三主动开关管Q3串联后与所述低压侧直流电容CdcL并联，第一主动开关管Q1的发射极和第三主动开关管Q3的集电极相连并作为高频变压器原边端E，第二主动开关管Q2的发射极和第四主动开关管Q4的集电极相连并作为高频变压器原边的另一端F，第一主动开关管Q1的集电极和CdcL的正极相连，第三主动开关管Q3的发射极和CdcL的负极相连；第二主动开关管Q2与第四主动开关管Q4串联后与所述低压侧直流电容CdcL并联，第二主动开关管Q2的集电极和CdcL的正极相连，第四主动开关管Q4的发射极和CdcL的负极相连；第一主动开关管Q1与第二主动开关管Q2的集电极与CdcL的正极相连接并作为子模块前级部分的正极A，第三主动开关管Q3与第四主动开关管Q4的发射极与CdcL的负极相连接并作为子模块前级部分的负极B。

进一步地，根据故障电流阻断开关模块的在后级部分的连接点不同，子模块可以分成第一子模块、第二子模块两种形式；

所述第一子模块的后级部分包含一个第五主动开关管Q5、一个第六主动开关管Q6、一个第七主动开关管Q7、一个第八主动开关管Q8、一个第九主动开关管Q9、一个第十主动开关管Q10，各个主动开关管的集电极分别与各自的续流二极管的阴极相连接，发射极分别与各自的续流二极管的阳极相连接；其故障电流阻断开关模块由第九主动开关管Q9和第十主动开关管Q10组成，第九主动开关管Q9的发射极和第七主动开关管Q7的发射极相连，第十主动开关管Q10的发射极和第八主动管Q8的发射极相连；第五主动开关管Q5的发射极和第七主动开关管Q7的集电极相连并作为高频变压器副边端G，第六主动开关管Q6的发射极和第八主动开关管Q8的集电极相连并作为高频变压器副边的另一端H；第五主动开关管Q5与第六主动开关管Q6的集电极相连并作为子模块后级部分的正极C，第九主动开关管Q9与第十主动开关管Q10的集电极相连并作为子模块后级部分的负极D；

所述第二子模块的后级部分包含一个第十一主动开关管Q11、一个第十二主动开关管Q12、一个第十三主动开关管Q13、一个第十四主动开关管Q14、一个第十五主动开关管Q15、一个第十六主动开关管Q16，各个主动开关管的集电极分别与各自的续流二极管的阴极相连接，发射极分别与各自的续流二极管的阳极相连接；其故障电流阻断开关模块由第十五主动开关管Q15和第十六主动开关管Q16组成，第十一主动开关管Q13的集电极与第十五主动开关管Q15的集电极相连，第十二主动开关管Q12的集电极与第十六主动管Q16的集电极相连；第十一主动开关管Q11的发射极和第十三主动开关管Q13的集电极相连并作为高频变压器副边端G，第十二主动开关管Q12的发射极和第十四主动开关管Q14的集电极相连并作为高频变压器副边的另一端H；第十五主动开关管Q15与第十六主动开关管Q16的发射极相连并作为子模块后级部分的正极C，第十一主动开关管Q11与第十二主动开关管Q12的集电极相连并作为子模块后级部分的负极D。

进一步地，所述电压钳位电路包括一个第一二极管D1、一个第二二极管D2、一个第三二极管D3、一个第四二极管D4、一个第一电容C1、一个第一电阻R1，第一二极管D1与第二二极管D3串联后分别与第一电容C1、第一电阻R1并联，第二二极管D2与第四二极管D4串联后分别与第一电容C1、第一电阻R1并联，第一二极管D1、第二二极管D2的阴极与第一电容C1、第一电阻R1的正极相连，第二二极管D2、第四二极管D4的阳极与第一电容C1、第一电阻R1的负极相连，第一二极管D1的阳极与第三二极管D3的阴极、高频变压器副边端G相连接，第二二极管D2的阳极与第四二极管D4的阴极、高频变压器副边另一端H相连接。

进一步地，高频变压器部分由一个高频变压器T构成，高频变压器可以实现高压侧和低压侧的功率传输、电气隔离、电压等级变换等功能；桥臂电抗器Lm除了降低桥臂电流的谐波畸变率外，还可以抑制相间环流和直流侧短路故障产生的短路环流，保护该变换器的电力电子开关。

本发明具有以下有益效果：

(1)具有快速阻断高压直流侧短路故障电流的能力。由于在后级部分增加了故障电流阻断开关模块，当高压直流侧发生短路故障时，在锁死后级部分H桥主动开关管的同时给故障电流阻断开关模块的主动开关管关断信号便可阻断短路电流，动作迅速且可靠性高。

(2)各子模块高压侧没有直流电容。该结构采用了高频链技术，通过子模块前后级主动H桥功率管的开关组合实现了高压侧脉宽调制，该脉宽调制电压波通过高频变压器直接由前级部分低压侧直流电容来支撑，因此在后级部分高压侧不再需要电容支撑，对比传统两级式隔离型交直流混合变换系统，可减少大量稳压电容，缩小了装置的体积，降低了成本，具有较高功率密度等特点。

(3)不需要独立的电压平衡控制。每个子模块的终端电压通过高频变压器由低压直流侧的母线电压直接钳住，上、下桥臂终端输出电压的稳态和动态特性一致，不需要均压控制，降低了控制的复杂性同时也增加了系统的可靠性和经济性。

(4)该变换器不需要双向开关管。由于各子模块的高压侧端口电压始终为正，该变换器不需要双向开关管，避免了传统单级式变换器二次侧换流问题及漏感产生的电压尖峰问题。

附图说明

图1为本发明的具有高压直流侧故障电流阻断能力的隔离型模块化多电平变换器三相拓扑结构图；

图2为本发明的第一子模块拓扑结构图；

图3为本发明的第二子模块拓扑结构图；

图中：

PH-高压直流正极端口；

NH-高压直流负极端口；

PL-低压直流正极端口；

NL-低压直流负极端口；

a-高压交流A相端口；

b-高压交流B相端口；

c-高压交流C相端口；

SMn-子模块，n为其数量；

Lm-桥臂电抗器；

Lf-交流侧滤波电感；

N1--a相上下桥臂连接点；

N2--b相上下桥臂连接点；

N3--c相上下桥臂连接点；

CdcL-低压直流电容；

T-高频变压器；

A、B-子模块前级部分正、负极端口；

C、D-子模块后级部分正、负极端口；

E、F-高频变压器原边侧端口；

G、H-高频变压器副边侧端口；

Q1～Q4-前级部分主动开关管，如绝缘栅双极型晶体管(IGBT)；

Q5～Q16-后级部分主动开关管，如绝缘栅双极型晶体管(IGBT)；

D1～D4-后级部分电压钳位电路二极管；

C1-后级部分电压钳位电路电容；

R1-后级部分中电压钳位电路电阻；

PHa、PHb、PHc-上桥臂的正极端口；

NHa、NHb、NHc-下桥臂的负极端；

Pc、Nc-子模块后级部分电压钳位电路正负极端口。

具体实施方式

为了使本发明的目的及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明实施例提供了一种具备高压直流侧故障电流阻断能力的隔离型模块化多电平变换器，该变换器1包括三个并联在高压直流端口(PH、NH)之间的相单元2，每个相单元2由上、下两个桥臂组成，三个相单元的上、下桥臂的电联接点(N1、N2、N3)引出线串联滤波电感后为高压交流端口(a、b、c)，每个桥臂由n个具有高压直流侧故障电流阻断能力的单级式高频隔离型子模块3和一个桥臂电抗器Lm组成；三个相单元2上桥臂的正极端(PHa、PHb、PHc)相连作为该变换器的高压直流端口的正极PH，三个相单元2下桥臂的负极端(NHa、NHb、NHc)相连作为该变换器的高压直流端口的负极NH；

本发明的每个具有高压直流侧故障电流阻断能力的单级式高频隔离型子模块3包括前级部分4、高频变压器部分5和后级部分6，且根据后级部分中故障电流阻断开关模块8的连接位置不同，可分为第一子模块、第二子模块两种子模块，其拓扑结构如图2、3所示，前级部分的高频交流侧连接高频变压器T的原边，后级部分的高频交流侧连接高频变压器T的副边，所有子模块的前级侧端口并联后构成公共低压直流侧端口(PL、NL)，后级侧端口串联构成高压直流侧端口(PH、NH)，三个相单元上桥臂的正极端(PHa、PHb、PHc)相连作为该变换器的高压直流端口的正极PH，类似的，三个相单元下桥臂的负极端(NHa、NHb、NHc)相连作为该变换器的高压直流端口的负极NH。

前级部分包含4个带有反并联二极管的主动开关管(如IGBT)Q1-Q4组成的H桥和低压侧直流电容CdcL，后级部分包含6个带有反并联二极管的主动开关管(如IGBT)Q5～Q10(第一子模块)或包含6个带有反并联二极管的主动开关管(如IGBT)Q11～Q16(第二子模块)以及电压钳位电路，所述的带有反并联二极管的主动管Q1～Q16的集电极分别与各自的续流二极管的阴极相连接，发射极分别与各自的续流二极管的阳极相连接。

前级部分中Q1与Q3串联后与所述低压侧直流电容CdcL并联，所述Q1的发射极和Q3的集电极相连并作为高频变压器原边端E，Q2的发射极和Q4的集电极相连并作为高频变压器原边的另一端F，Q1的集电极和CdcL的正极相连，Q3的发射极和CdcL的负极相连；所述Q2与Q4串联后与所述低压侧直流电容CdcL并联，Q2的集电极和CdcL的正极相连，Q4的发射极和CdcL的负极相连；所述Q1、Q2的集电极与CdcL的正极相连接并作为子模块前级部分的正极端口A，Q3、Q4的发射极与CdcL的负极相连接并作为子模块前级部分的负极端口B。

如图2所示，第一子模块的后级部分包含一个第五主动开关管Q5、一个第六主动开关管Q6、一个第七主动开关管Q7、一个第八主动开关管Q8、一个第九主动开关管Q9、一个第十主动开关管Q10，各个主动开关管的集电极分别与各自的续流二极管的阴极相连接，发射极分别与各自的续流二极管的阳极相连接；其故障电流阻断开关模块由第九主动开关管Q9和第十主动开关管Q10组成，第九主动开关管Q9的发射极和第七主动开关管Q7的发射极相连，第十主动开关管Q10的发射极和第八主动管Q8的发射极相连；第五主动开关管Q5的发射极和第七主动开关管Q7的集电极相连并作为高频变压器副边端G，第六主动开关管Q6的发射极和第八主动开关管Q8的集电极相连并作为高频变压器副边的另一端H；第五主动开关管Q5与第六主动开关管Q6的集电极相连并作为子模块后级部分的正极C，第九主动开关管Q9与第十主动开关管Q10的集电极相连并作为子模块后级部分的负极D；

如图3所示，第二子模块的后级部分包含一个第十一主动开关管Q11、一个第十二主动开关管Q12、一个第十三主动开关管Q13、一个第十四主动开关管Q14、一个第十五主动开关管Q15、一个第十六主动开关管Q16，各个主动开关管的集电极分别与各自的续流二极管的阴极相连接，发射极分别与各自的续流二极管的阳极相连接；其故障电流阻断开关模块由第十五主动开关管Q15和第十六主动开关管Q16组成，第十一主动开关管Q13的集电极与第十五主动开关管Q15的集电极相连，第十二主动开关管Q12的集电极与第十六主动管Q16的集电极相连；第十一主动开关管Q11的发射极和第十三主动开关管Q13的集电极相连并作为高频变压器副边端G，第十二主动开关管Q12的发射极和第十四主动开关管Q14的集电极相连并作为高频变压器副边的另一端H；第十五主动开关管Q15与第十六主动开关管Q16的发射极相连并作为子模块后级部分的正极C，第十一主动开关管Q11与第十二主动开关管Q12的集电极相连并作为子模块后级部分的负极D。

后级部分中电压钳位电路7包含电容C1、电阻R1、4个二极管D1～D4，所述D1与D3串联后分别与C1、R1并联，所述D2与D4串联后分别与C1、R1并联，D1、D2的阴极与C1、R1的正极相连，D2、D4的阳极与C1、R1的负极相连，D1的阳极与D3的阴极、高频变压器副边端G相连接，D2的阳极与D4的阴极、高频变压器副边另一端H相连接。

正常工作时，故障电流阻断开关模块8的2个主动开关管(Q9、Q10或Q15、Q16)一直处于开通状态，不影响电路的正常工作，当高压直流侧发生短路故障时，在锁死后级部分H桥主动开关管(Q5、Q6、Q7、Q8或Q11、Q12、Q13、Q14)的同时迅速给故障电流阻断开关模块的2个主动开关管(Q9、Q10或Q15、Q16)关断信号，由于反接的故障电流阻断开关模块阻断了后级部分H桥主动开关管(Q5、Q6、Q7、Q8或Q11、Q12、Q13、Q14)反并联二极管构成的交流侧与故障点的能量馈送回路，可阻断高压直流侧短路故障电流，从而实现直流侧故障隔离。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。