[發明專利]三電平功率變換器及其功率單元

有效

• 申請號: 201410503410.8
• 申請日: 2014-09-26
• 公開（公告）號: CN105450042B
• 公開（公告）日: 2018-04-17
• 發明（設計）人: 李巖;仲慶龍;文森林;胡光鋮
• 申請（專利權）人: 臺達電子工業股份有限公司
• 主分類號: H02M7/00
• 分類號: H02M7/00
• 代理公司: 隆天知識產權代理有限公司72003
• 代理人: 聶慧荃,鄭特強

技術領域

本發明涉及一種三電平功率變換器及其功率單元。

背景技術

圖1示出三電平功率變換器的一功率單元的三電平電路拓撲圖。S₁，S₂，S₃，S₄為可控型功率半導體開關器件，FWD₁，FWD₂，FWD₃，FWD₄為續流二極管，D₁，D₂為鉗位二極管，C₁、C₂分別為直流母線電容。定義正常工作時直流母線電容C₂的電壓為V2，直流母線電容C₃的電壓為V2，即S₁，S₂，S₃，S₄，FWD₁，FWD₂，FWD₃，FWD₄，D₁，D₂所承受的最大穩態電壓為V2，為了保證正常工作一般選擇額定電壓為2*V2左右的半導體器件。同時輸出或輸入的交流電壓為0，V2或者2*V2。可以看到，如果采用相同的功率半導體開關器件，三電平電路拓撲理論上可以使系統電壓升高一倍，使輸出功率或輸入功率提高一倍，同時輸出或輸入電流波形的諧波含量減少。目前市場上能夠見到的適用于690V兩電平低壓風電變流器的功率半導體開關器件，如IGBT的額定電流最大為3600A單管，輸出功率不超過2.5MW，所以變流器廠商一般采用1～1.5MW功率半導體開關器件并聯以達到5～6MW額定輸出，這樣做勢必會增加變流器結構成本，線纜成本的比重，降低功率密度。同時超大功率IGBT的價格和性能也不及常用IGBT具有優勢。如果采用中高壓變流技術將系統電壓提高至1140V，甚至采用多電平技術、級聯技術或者串聯技術等將系統電壓提高至3.3kV，6kV或者10kV，變流器便可以使用性價比更高的功率半導體開關器件，減少變流器結構，線纜以及濾波器的成本。近幾年，高壓化、大功率化已經被業內廣泛接受，是今后發展的趨勢。

圖2A至圖2D分別示出了具有二極管鉗位的三電平功率變換器的功率單元中存在的四種換流回路的三電平電路拓撲圖。

參考圖2A，換流回路Loop₁經由直流母線電容C₁、可控型功率半導體開關器件S₁、鉗位二極管D₁以及這些器件之間的連接導體至AC端，如2A中的虛線及箭頭所示。由于可控型功率半導體開關器件S₁從導通到關斷過程中流經可控型功率半導體開關器件S₁的電流減小而流經鉗位二極管D₁的電流增大，因此在寄生電感上感應出的電壓會施加在可控型功率半導體開關器件S₁上，從而增大可控型功率半導體開關器件S₁的電氣應力。

參考圖2B，換流回路Loop₂從AC端經由直流母線電容C₁、續流二極管FWD₁、FWD₂、可控型功率半導體開關器件S₃、鉗位二極管D₂以及這些器件之間的連接導體，如圖2B中的虛線及箭頭所示。由于可控功率型半導體開關器件S₃從導通到關斷過程中流經可控型功率半導體開關器件S₃、鉗位二極管D₂的電流減小而流經續流二極管FWD₁、續流二極管FWD₂的電流增大，因此在寄生電感上感應出的電壓會施加在可控型功率半導體開關器件S₃上，從而增大可控型功率半導體開關器件S₃的電氣應力。