一种三相电力电子变压器的制作方法

本实用新型涉及半导体制造技术领域，尤其涉及一种三相电力电子变压器。

背景技术：

电子电力变压器是一种将电力电子变换技术和基于电磁感应原理的电能变换技术相结合，实现将一种电力特征的电能转变为另一种电力特征的电能的新型智能变压器。

现有技术中电力电子变压器功能比较单一，不能很好的适应用于各种工作环境。

技术实现要素：

本实用新型实施例提供了一种三相电力电子变压器，旨在解决现有技术中由于不能很好的适用于各种工作环境的问题。

本实用新型实施例的第一方面提供了一种三相电力电子变压器，包括整流模块、隔离模块、逆变模块和控制模块；

所述整流模块接入三相电，所述整流模块与所述隔离模块连接，所述隔离模块与所述逆变模块相连，所述逆变模块输出三相交流电，所述控制模块分别与所述整流模块、所述隔离模块和所述逆变模块相连；

所述控制模块控制所述整流模块对电网中的三相电进行整流生成第一直流电输出到所述隔离模块，所述控制模块控制所述隔离模块对所述第一直流电进行隔离处理生成第二直流电并将所述第二直流电输出到所述逆变模块，所述控制模块控制所述逆变模块对所述第二直流电进行逆变处理输出所需的所述三相交流电。

在一个实施例中，所述整流模块包括第一整流单元和第一稳压单元；

所述第一整流单元接入三相电，所述第一整流单元与所述第一稳压单元相连；

所述第一整流单元对电网中的三相电进行整流生成所述第一直流电输出到所述第一稳压单元，所述第一稳压单元对所述第一直流电进行稳压处理，并将稳压后的所述第一直流电输出至所述隔离模块。

在一个实施例中，所述第一整流单元包括第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、第五开关管和第六开关管；

所述第一开关管的高电位端、所述第二开关管的高电位端和所述第三开关管的高电位端相连，所述第一开关管的低电位端与所述第四开关管的高电位端相连，所述第二开关管的低电位端与所述第五开关管的高电位端相连，所述第三开关管的低电位端与所述第六开关管的高电位端相连，所述第四开关管的低电位端、所述第五开关管的低电位端和所述第六开关管的低电位端相连，所述第一开关管的低电位端、所述第二开关管的低电位端和所述第三开关管的低电位端接入三相电。

在一个实施例中，所述第一稳压单元包括第一电容；

所述第一电容的第一端与所述第一开关管的高电位端、所述第二开关管的高电位端、所述第三开关管的高电位端共接，所述第一电容的第二端与所述第四开关管的低电位端、所述第五开关管的低电位端、所述第六开关管的低电位端共接。

在一个实施例中，所述隔离模块包括变压器、逆变单元和第二整流单元；

所述逆变单元的输入端与所述整流模块的输出端相连，所述逆变单元的输出端与所述变压器的原边绕组相连，所述第二整流单元的输入端与所述变压器的副边绕组相连，所述第二整流单元的输出端与所述逆变模块的输入端相连；

所述逆变单元对所述第一直流电进行电压逆变输出第一高频交流电，所述变压器对所述第一高频交流电进行电压变换输出第二高频交流电，所述第二整流单元对所述第二高频交流电进行电压逆变并稳压后输出所述第二直流电。

在一个实施例中，所述逆变单元包括第七开关管、第八开关管、第九开关管和第十开关管；

所述第七开关管的高电位端与所述第八开关管的高电位端相连，所述第七开关管的低电位端与所述第九开关管的高电位端共接并与所述变压器原边绕组的一端相连，所述第八开关管的低电位端与所述第十开关管的高电位端共接并与所述变压器原边绕组的另一端相连，所述第九开关管的低电位端与所述第十开关管的低电位端相连。

在一个实施例中，所述第二整流单元包括第十一开关管、第十二开关管、第十三开关管、第十四开关管和第二电容；

所述第十一开关管的高电位端、所述第十二开关管的高电位端和所述第二电容的第一端共接，所述第十一开关管的低电位端与所述第十三开关管的高电位端共接并与所述变压器副边绕组的一端相连，所述第十二开关管的低电位端与所述第十四开关管的高电位端共接并与所述变压器副边绕组的另一端相连，所述第十三开关管的低电位端、所述第十四开关管的低电位端和所述第二电容的第二端共接。

在一个实施例中，所述逆变模块包括第十五开关管、第十六开关管、第十七开关管、第十八开关管、第十九开关管、第二十开关管、第二十一开关管和第二十二开关管；

所述第十五开关管的高电位端、所述第十六开关管的高电位端、所述第十七开关管的高电位端和所述第十八开关管的高电位端共接，所述第十九开关管的低电位端、所述第二十开关管的低电位端、所述第二十一开关管的低电位端和所述第二十二开关管的低电位端共接，所述第十五开关管低电位端与所述第十九开关管的高电位端相连，所述第十六开关管低电位端与所述第二十开关管的高电位端相连，所述第十七开关管低电位端与所述第二十一开关管的高电位端相连，所述第十八开关管低电位端与所述第二十二开关管的高电位端相连，所述第十五开关管低电位端、所述第十六开关管低电位端、所述第十七开关管低电位端和所述第十八开关管低电位端共同输出所述三相交流电。

在一个实施例中，所述控制模块包括信号采集单元、控制单元和驱动单元；

所述信号采集单元的输出端与所述控制单元的输入端相连，所述控制单元的输出端与所述驱动单元的输入端相连，所述驱动单元的输出端与所述整流模块、所述隔离模块和所述逆变模块相连；

所述信号采集单元将所述整流模块、所述隔离模块和所述逆变模块的电压和电流信号经过处理传输到所述控制单元，所述控制单元输出与电压和电流信号对应的PWM调制波至所述驱动单元，所述驱动单元输出稳压后的PWM调制波至所述整流模块、所述隔离模块和所述逆变模块，以完成整个电路的控制并调节所述三相交流电的频率和幅值。

本实用新型实施例与现有技术相比存在的有益效果是：本实用新型不仅具有变压、隔离、能量传递等功能，能很好的适应多种工作需求。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型的一个实施例提供的三相电力电子变压器的结构示意图；

图2为本实用新型的一个实施例提供的三相电力电子变压器的电路结构示意图；

图3为本实用新型的一个实施例提供的控制模块的结构示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本方案，下面将结合本方案实施例中的附图，对本方案实施例中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是本方案一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本方案中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本方案保护的范围。

本方案的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“包括”以及其他任何变形，是指“包括但不限于”，意图在于覆盖不排他的包含。此外，术语“第一”和“第二”等是用于区别不同对象，而非用于描述特定顺序。

以下结合具体附图对本实用新型的实现进行详细地描述：

图1示出了本实用新型一实施例所提供的一种三相电力电子变压器的结构，为了便于说明，仅示出了与本实用新型实施例相关的部分，详述如下：

如图1所示，本实用新型实施例所提供的一种三相电力电子变压器，三相电力电子变压器电路1包括整流模块100、隔离模块200、逆变模块300和控制模块400。

整流模块100接入三相电，整流模块100与隔离模块200连接，隔离模块 200与逆变模块300相连，逆变模块300输出三相交流电，控制模块400分别与整流模块100、隔离模块200和逆变模块300相连。

控制模块400控制整流模块100对电网中的三相电进行整流生成第一直流电输出到隔离模块200，控制模块400控制隔离模块200对第一直流电进行隔离处理生成第二直流电并将第二直流电输出到逆变模块300，控制模块400控制逆变模块300对第二直流电进行逆变处理输出所需的三相交流电。

本实用新型实施例中，三相电力电子变压器电路1结构采用三级拓扑结构，具有良好的控制特性，具有变压、隔离、能量传递等功能，能很好的适应多种工作需求。

在本实用新型的一个实施例中，控制模块400为基于DSP和FPGA双CPU 控制系统。

如图2所示，在本实用新型的一个实施例中，整流模块100包括第一整流单元110和第一稳压单元120；第一整流单元110接入三相电，第一整流单元 110与第一稳压单元120相连。

第一整流单元110对电网中的三相电进行整流生成第一直流电输出到所述第一稳压单元120，第一稳压单元120对第一直流电进行稳压处理，并将稳压后的第一直流电输出至隔离模块200。

如图2所示，在本实用新型的一个实施例中，第一整流单元110包括第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3、第四开关管Q4、第五开关管Q5 和第六开关管Q6。

第一开关管Q1的高电位端、第二开关管Q2的高电位端和第三开关管Q3 的高电位端相连，第一开关管Q1的低电位端与第四开关管Q4的高电位端相连，第二开关管Q2的低电位端与第五开关管Q5的高电位端相连，第三开关管Q3 的低电位端与第六开关管Q6的高电位端相连，第四开关管Q4的低电位端、第五开关管Q5的低电位端和第六开关管Q6的低电位端相连，第一开关管Q1的低电位端、第二开关管Q2的低电位端和第三开关管Q3的低电位端分别接入三相电。

在本实施例中，第一整流单元110采用第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3、第四开关管Q4、第五开关管Q5和第六开关管Q6构成三相桥式拓扑结构的整流桥，第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3、第四开关管Q4、第五开关管Q5和第六开关管Q6为6个高压大功率开关器件，可以是IGBT管，开关管的高电位端为IGBT管的漏极，开关管的低电位端为IGBT 管的源极。

在本实施例中，控制模块400通过控制第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3、第四开关管Q4、第五开关管Q5和第六开关管Q6的连通或断开控制第一整流单元110将三相电转换成第一直流电。

如图2所示，在本实用新型的一个实施例中，第一稳压单元120包括第一电容C1。

第一电容C1的第一端与第一开关管Q1的高电位端、第二开关管Q2的高电位端、第三开关管Q3的高电位端共接，第一电容C1的第二端与第四开关管 Q4的低电位端、第五开关管Q5的低电位端、第六开关管Q6的低电位端共接。

在本实施例中，第一电容C1起到稳压作用。

如图2所示，在本实用新型的一个实施例中，隔离模块200包括变压器220、逆变单元210和第二整流单元230。

逆变单元210的输入端与整流模块100的输出端相连，逆变单元210的输出端与变压器220的原边绕组相连，第二整流单元230的输入端与变压器220 的副边绕组相连，第二整流单元230的输出端与逆变模块300的输入端相连。

逆变单元210对第一直流电进行电压逆变输出第一高频交流电，变压器220 对第一高频交流电进行电压变换输出第二高频交流电，第二整流单元230对第二高频交流电进行电压逆变并稳压后输出第二直流电。

在本实施例中，变压器220为高频变压器，且是单相双绕组变压器。逆变单元210的作用是高频DC/AC，第二整流单元230的作用是高频AC/DC。逆变单元210将输入的第一直流电调制为第一高频交流电压供给变压器220，经过变压器220变压，其中变压器200的变比由具体的应用场合的电压等级要求决定，实现第一高频交流电压的隔离、变压、能量传递输出第二高频交流电压，第二整流单元230将第二高频交流电压调制为第二直流电。

如图2所示，在本实用新型的一个实施例中，逆变单元210包括第七开关管Q7、第八开关管Q8、第九开关管Q9和第十开关管Q10。

第七开关管Q7的高电位端与第八开关管Q8的高电位端相连，第七开关管 Q7的低电位端与第九开关管Q9的高电位端共接并与变压器原边绕组的一端相连，第八开关管Q8的低电位端与第十开关管Q10的高电位端共接并与变压器原边绕组的另一端相连，第九开关管Q9的低电位端与第十开关管Q10的低电位端相连。

在本实施例中，第七开关管Q7、第八开关管Q8、第九开关管Q9和第十开关管Q10可以是是IGBT管，开关管的高电位端为IGBT管的漏极，开关管的低电位端为IGBT管的源极。

如图2所示，在本实用新型的一个实施例中，第二整流单元230包括第十一开关管Q11、第十二开关管Q12、第十三开关管Q13、第十四开关管Q14和第二电容C2。

第十一开关管Q11的高电位端、第十二开关管Q12的高电位端和第二电容C2的第一端共接，第十一开关管Q11的低电位端与第十三开关管Q13的高电位端共接并与变压器副边绕组的一端相连，第十二开关管Q12的低电位端与第十四开关管Q14的高电位端共接并与变压器副边绕组的另一端相连，第十三开关管Q13的低电位端、第十四开关管Q14的低电位端和第二电容C2的第二端共接。

在本实施例中，第十一开关管Q11、第十二开关管Q12、第十三开关管Q13 和第十四开关管Q14可以是IGBT管，开关管的高电位端为IGBT管的漏极，开关管的低电位端为IGBT管的源极。

在本实施例中，第二电容C2的作用是稳定电压。

如图2所示，在本实用新型的一个实施例中，逆变模块300包括第十五开关管Q15、第十六开关管Q16、第十七开关管Q17、第十八开关管Q18、第十九开关管Q19、第二十开关管Q20、第二十一开关管Q21和第二十二开关管 Q22。

第十五开关管Q15的高电位端、第十六开关管Q16的高电位端、第十七开关管Q17的高电位端和第十八开关管Q18的高电位端共接并与第二电容C2的第一端相连，第十九开关管Q19的低电位端、第二十开关管Q20的低电位端、第二十一开关管Q21的低电位端和第二十二开关管Q22的低电位端共接并与第二电容C2的第二端相连，第十五开关管Q15低电位端与第十九开关管Q19的高电位端相连，第十六开关管Q16低电位端与第二十开关管Q20的高电位端相连，第十七开关管Q17低电位端与第二十一开关管Q21的高电位端相连，第十八开关管Q18低电位端与第二十二开关管Q22的高电位端相连，第十五开关管 Q15低电位端、第十六开关管Q16低电位端、第十七开关管Q17低电位端和第十八开关管Q18低电位端共同输出所述三相交流电。

在本实施例中，第十五开关管Q15、第十六开关管Q16、第十七开关管Q17、第十八开关管Q18、第十九开关管Q19、第二十开关管Q20、第二十一开关管 Q21和第二十二开关管Q22都可以是IGBT管，开关管的高电位端为IGBT管的漏极，开关管的低电位端为IGBT管的源极。

在本实施例中，第十五开关管Q15、第十六开关管Q16、第十七开关管Q17、第十八开关管Q18、第十九开关管Q19、第二十开关管Q20、第二十一开关管 Q21和第二十二开关管Q22构成三相四线制桥式拓扑结构的变流器，根据负载的工作需求，基于DSP和FPGA双CPU控制系统，使用相应的控制策略，提供理想的电压源功能和变频控制功能。

如图3所示，在本实用新型的一个实施例中，控制模块400包括信号采集单元410、控制单元420和驱动单元430。

信号采集单元410的输出端与控制单元420的输入端相连，控制单元420 的输出端与驱动单元430的输入端相连，驱动单元430的输出端与整流模块100、隔离模块200和逆变模块300相连。

信号采集单元410将整流模块100、隔离模块200和逆变模块300的电压和电流信号经过处理传输到控制单元420，控制单元420输出与电压和电流信号对应的PWM调制波至驱动单元430，驱动单元430输出稳压后的PWM调制波至整流模块100、隔离模块200和逆变模块300，以调节三相交流电的频率和幅值。

在本实施例中，信号采集单元410采集三相输入电压和电流、整流模块100 三相桥的输出电压和电流以及第一稳压单元120中第一电容C1的输入电流；信号采集单元410采集隔离模块200的输入电流，即逆变单元210的输入电流，还需采集变压器220两端的电压和电流以及第二整流单元230中H桥的输出电流；信号采集单元410采集逆变模块300中三相四桥臂结构的输入电压、输入电流及其逆变输出端的输出电压和输出电流。

在具体应用中，作为变压器使用时，基于DSP和FPGA双CPU控制系统，采用双闭环控制策略计算PWM脉冲信号驱动逆变模块300，将隔离模块200 提供的第二直流电逆变为三相交流电压，为负载提供理想的电压。

在具体应用中，作为变频器使用时，根据负载所需变频需求，采用电压空间矢量法计算PWM脉冲信号驱动逆变模块300，将隔离模块200提供的第二直流电逆变为负载需要的频率、电压可变的三相交流电压，实现变频功能。

在本实用新型的一个实施例中，控制模块400还包括比较单元和保护单元，比较单元的输入端与信号采集单元的信号输出端相连，比较单元的输出端与控制单元的接收端相连，保护单元的输入端与控制单元的控制信号输出端相连。

在本实施例中，保护单元为设置在电网中的三相电接入处的开关组，信号采集单元采集到的整流模块、隔离模块和逆变模块电压和电流信号传输到比较单元，在比较单元中与预设的电压、电流值范围作比较，当超出预设的电压、电流值范围时，比较单元将比较结果信号传送至控制单元，控制单元控制保护单元断开，进而断开三相电的输入。

在本实用新型的一个实施例中，信号采集单元410包括传感器子单元和第一FPGA控制子单元。

传感器子单元的输入端为信号采集单元的输入端，传感器子单元的输出端与第一FPGA控制子单元的输入端相连，第一FPGA控制子单元的输出端为信号采集单元的输出端。

所述传感器单元将采集整流模块、隔离模块、逆变模块的电压和电流信号传送给所述第一FPGA控制子单元，第一FPGA控制子单元对所述电压和电流信号进行滤波等，并将处理后的电压和电流信号传输给所述控制单元。

在本实用新型的一个实施例中，控制单元420包括DSP处理子单元和第二 FPGA控制子单元。

DSP处理子单元的输入端为控制单元的输入端，DSP处理子单元的输出端与第二FPGA控制子单元的输入端相连，第二FPGA控制子单元的输出端为控制单元的输出端。

DSP处理子单元接收信号采集单元的电压和电流信号，以及预先设定的直流电压值，通过电压外环PI调节器调节，电流内环PR控制器调节，得到不同的占空比，并将占空比传输到第二FPGA控制子单元，经过第二FPGA控制子单元的处理得到整流模块的PWM信号，并将整流模块的PWM信号传输至驱动单元。

第二FPGA控制子单元利用双移相控制算法，通过控制隔离模块中开关管的通断来控制三相电力电子变压器传输功率的大小和方向，并产生相应的隔离模块的PWM信号，并将隔离模块的PWM信号传输至驱动单元。

对于逆变模块：

1)如果需要三相电力电子变压器处于变压器状态：DSP处理子单元根据信号采集单元采集到的逆变模块的电压和电流信号，采用电压、电流双闭环PI 控制器得到逆变级H桥的占空比，送入核心板中的FPGA芯片，产生逆变模块的PWM信号，并将逆变模块的PWM信号传输至驱动单元。

2)如果需要三相电力电子变压器处于变频器状态：DSP处理子单元根据信号采集单元采集到的感应电机的三相定子电流、定子电压，然后经过三相变两相的变换后得到两相静止坐标系下的电流和电压分量，并将两相静止坐标系下的电流和电压分量输入到磁链观测器中。通过磁链观测器获得转子磁链的幅值和磁场定向角以及实际的转矩值。DSP处理子单元将采集到的电机速度信号和给定速度信号相减，其差值经过转速PI调节得到理想的转矩值，理想转矩值和实际转矩值的差值经过T轴电流PI调节器，得到转矩电压分量，DSP处理子单元将磁链观测器输出的转子磁链的实际幅值和理想的转子磁链幅值作差，其差值经过M轴电流PI调节得到励磁变压分量。转矩电压分量和励磁变压分量经过park逆变换中得到两相静止坐标系下的电压分量，并将其送入第二 FPGA控制子单元。第二FPGA控制子单元使用SVPWM调制算法，得到逆变模块的PWM信号，驱动单元根据PWM信号驱动所述逆变模块输出频率、电压可变的三相交流电压。

在本实用新型的一个实施例中，驱动单元430包括第三FPGA控制子单元和晶体管驱动子单元。

第三FPGA控制子单元的输入端为驱动单元的输入端，第三FPGA控制子单元的输出端与晶体管驱动子单元的输入端相连，晶体管驱动子单元的输出端为所述驱动单元的输出端。

第三FPGA控制子单元接收控制单元的PWM信号，经过信号调理，将处理后的PWM信号传输至晶体管驱动子单元，晶体管驱动子单元驱动整流模块、隔离模块和逆变模块工作。

需要说明的是，本实用新型说明书和附图中标号相同的端口或引脚即为连通。

以上所述，以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。