專利名稱：多電平矩陣交流交流變頻裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種電力電子交交變流裝置，特別涉及一種多電平矩陣交流交流變頻裝置。
背景技術(shù)：
矩陣電路是一種新型的AC-AC變頻電路，該電路誕生于上世紀80年代。1980年，意大利學者Venturini和Alesina提出了矩陣電路的概念。該電路采用9個雙向開關(guān)直接連接于電源和負載之間，具有結(jié)構(gòu)緊湊、功率密度高以及能方便的實現(xiàn)能量雙向流動等優(yōu)點。關(guān)于矩陣電路的研究目前主要集中在電路的控制方式的實現(xiàn)、雙向開關(guān)的構(gòu)造、雙向開關(guān)的安全換流以及電路的保護策略上。經(jīng)過了二十多年的研究，各項技術(shù)已經(jīng)相對成熟，市場上已有少量的產(chǎn)品出現(xiàn)。但由于受到開關(guān)器件耐壓等級的限制，矩陣電路的應(yīng)用領(lǐng)域僅局限于低壓中功率場合。這種局面大大制約了矩陣電路的進一步發(fā)展，由于無法用于高壓功率變換領(lǐng)域，使矩陣電路在與其它具有類似功能的電路中處于劣勢，沒有充分發(fā)揮出矩陣電路的特點。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點，提供了一種可應(yīng)用于高壓功率變換領(lǐng)域，同時還有效地改善了裝置的輸出電壓的諧波含量，提高了輸出波形質(zhì)量，降低了輸出濾波裝置的體積和重量的多電平矩陣交流交流變頻裝置。
為達到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是包括與電源相連接的三相交流輸入端vA、vB和vC以及與三相交流輸入端vA、vB和vC相連接的三相交流輸出端iu，iv和iw，其特點是，三相交流vA輸入端分別通過雙向開關(guān)SAu1和SAu2、雙向開關(guān)SAv1和SAv2以及雙向開關(guān)SAw1和SAw2的串聯(lián)連接至交流輸出的iu、iv和iw端，三相交流VB輸入端分別通過雙向開關(guān)SBu1和SBu2、雙向開關(guān)SBv1和SBv2以及雙向開關(guān)SBw1和SBw2的串聯(lián)連接至交流輸出的iu、iv和iw端，三相交流VC輸入端分別通過雙向開關(guān)SCu1和SCu2、雙向開關(guān)SCv1和SCv2以及雙向開關(guān)SCw1和SCw2的串聯(lián)連接至交流輸出的iu、iv和iw端，且在雙向開關(guān)SAu1和SAu2與SBu1和SBu2的中點的兩端、SCu1和SCu2與SBu1和SBu2的中點的兩端，SAv1和SAv2與SBv1和SBv2的中點的兩端，SCv1和SCv2與SBu1和SBv2的中點的兩端，SAw1和SAw2與SBw1和SBw2的中點的兩端，SCw1和SCw2與SBw1和SBw2的中點的兩端還分別連接有浮動電容C1、C2、C3、C4、C5和C6。
本發(fā)明的另一特點是雙向開關(guān)由采用TO-247封裝的MOSFET器件反向串聯(lián)組成，一個支路上的兩個開關(guān)封裝在一個模塊之中，且在雙向開關(guān)的散熱底板上設(shè)置一導熱絕緣層，并在導熱絕緣層上涂敷有導熱硅脂。
由于本發(fā)明將多電平技術(shù)引入矩陣電路當中，采用低壓器件串聯(lián)實現(xiàn)高壓變換，利用浮動電容提供中間電平，改善輸出波形質(zhì)量，大大的減小了輸出濾波電路的體積和重量。


圖1是本發(fā)明的電路原理圖；圖2是本發(fā)明一相輸出的工作模式圖；圖3是本發(fā)明一相輸出的工作模式圖之二。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的結(jié)構(gòu)原理和工作原理作進一步詳細說明。
參見圖1，本發(fā)明包括與電源相連接的三相交流輸入端vA、vB和vC以及與三相交流輸入端vA、vB和vC相連接的三相交流輸出端iu，iv和iw，三相交流vA輸入端分別通過雙向開關(guān)SAu1和SAu2、雙向開關(guān)SAv1和SAv2以及雙向開關(guān)SAw1和SAw2的串聯(lián)連接至交流輸出的iu、iv和iw端，三相交流vB輸入端分別通過雙向開關(guān)SBu1和SBu2、雙向開關(guān)SBv1和SBv2以及雙向開關(guān)SBw1和SBw2的串聯(lián)連接至交流輸出的iu、iv和iw端，三相交流vC輸入端分別通過雙向開關(guān)SCu1和SCu2、雙向開關(guān)SCv1和SCv2以及雙向開關(guān)SCw1和SCw2的串聯(lián)連接至交流輸出的iu、iv和iw端，且在雙向開關(guān)SAu1和SAu2與SBu1和SBu2的中點的兩端、SCu1和SCu2與SBu1和SBu2的中點的兩端，SAv1和SAv2與SBv1和SBv2的中點的兩端，SCv1和SCv2與SBu1和SBv2的中點的兩端，SAw1和SAw2與SBw1和SBw2的中點的兩端，SCw1和SCw2與SBw1和SBw2的中點的兩端還分別連接有浮動電容C1、C2、C3、C4、C5和C6，本發(fā)明的雙向開關(guān)由采用TO-247封裝的MOSFET器件反向串聯(lián)組成，一個支路上的兩個開關(guān)封裝在一個模塊之中，且在雙向開關(guān)的散熱底板上設(shè)置一導熱絕緣層，并在導熱絕緣層上涂敷有導熱硅脂。
本發(fā)明采用開關(guān)器件串聯(lián)實現(xiàn)高壓變換。在普通矩陣電路當中，每相輸入和輸出之間連有一個雙向開關(guān)。為了實現(xiàn)高壓變換，首先將每相的一個開關(guān)拓延成兩個串聯(lián)的雙向開關(guān)，這樣每個雙向開關(guān)的開關(guān)應(yīng)力為原有矩陣電路的1/2；反向串聯(lián)的雙向開關(guān)在動態(tài)變化的過程中難以保證均壓問題，因此需要施加電壓鉗位電路。開關(guān)管電壓鉗位電路包括阻容鉗位、二極管鉗位和浮動電容電壓鉗位，阻容電壓鉗位電路和二極管電壓鉗位電路不適用于AC-AC電能變換電路。因此，在本發(fā)明中采用了浮動電容電壓鉗位電路，這也是該電路在AC-AC變流電路中的首次應(yīng)用；為了實現(xiàn)更高電壓等級的變換，可以依據(jù)上述步驟重復進行，即得到了多電平矩陣電路；浮動電容電壓通過控制，可以保證各個開關(guān)上的電壓應(yīng)力分布均勻，同時浮動電容可以提供更多的電平數(shù)，優(yōu)化輸出波形質(zhì)量，減小輸出濾波電路的體積和重量。
多電平矩陣變換器的工作原理以u相輸出為例進行分析，其它兩相輸出的工作原理與u相類似。u相輸出的工作模式圖參見圖2和圖3，圖中粗實線表示電流流動路徑。在電路工作時，在不同的時刻通過選擇不同的開關(guān)狀態(tài)組合輸出變頻的輸出電壓，同時達到控制浮動電容電壓的目的。
具體分析如下圖2-a)(SAu1、SAu2導通)，此時u相輸出電壓為νu＝νA。
圖2-b)(SAu1、SBu2導通)、2-c)(SAu2、SBu1導通)是與浮動電容C1相關(guān)的兩個開關(guān)模式，在這兩種開關(guān)模式下的u相輸出電壓均為νu＝(νA+νB)/2。但是，流過浮動電容C1的電流方向是相反的。所以，C1的電壓可以在不影響u相輸出電壓的情況下通過調(diào)節(jié)這兩個模式之比進行控制。
圖2-d)(SBu1、SBu2導通)，此時v相輸出電壓νv＝νB。
圖2-e)(SBu1、SCu2導通)、3-a)(SBu2、SCu1導通)是與浮動電容C2相關(guān)的兩個開關(guān)模式，二者對應(yīng)的u相輸出電壓一致均為νu(νC+νB)/2。但是，流過浮動電容C2的電流方向是相反的。所以，C2的電壓可以在不影響u相輸出電壓的情況下通過調(diào)節(jié)這兩個模式之比進行控制。
圖3-b)(SCu1、SCu2導通)，此時u相電壓為νu＝νC。
圖3-c)(SAu1、SCu2導通)、3-d)(SAu2、SCu1導通)是同時與浮動電容C1、C2相關(guān)的兩個開關(guān)模式，二者對應(yīng)的u相輸出電壓一致均為νu(νC+νA)/2。但是，流過浮動電容C1和C2的電流方向是相反的。所以，C1和C2的電壓可以在不影響輸出電壓的情況下通過調(diào)節(jié)這兩個模式之比進行控制。
上述分析說明1)與u相相關(guān)的浮動電容C1和C2可以在不影響u相輸出電壓的情況下進行控制；2)多電平矩陣交流交流變頻裝置在構(gòu)造每一相輸出電壓時比普通矩陣多了三個電平，這樣有利于減小輸出波形中的諧波含量，減小輸出濾波裝置的體積和重量。
本發(fā)明與普通矩陣變換器的區(qū)別在于將原來一條支路上的一個雙向開關(guān)，變成兩個開關(guān)串聯(lián)；電路的每一個支路通過N個雙向開關(guān)的串聯(lián)方式構(gòu)建，那么每一個雙向開關(guān)所承受的電壓應(yīng)力為輸入電壓的1/N。這樣矩陣電路通過開關(guān)器件的串聯(lián)，實現(xiàn)10kV以上的高壓變換不再困難；為了均衡各個雙向開關(guān)的電壓應(yīng)力，增加了浮動電容鉗位各個開關(guān)電壓。提高了矩陣變換器的電壓變換等級。通過添加浮動電容均衡各個開關(guān)的電壓應(yīng)力。浮動電容多電平電路是一種結(jié)構(gòu)簡單的電路結(jié)構(gòu)形式，通過浮動電容的添加構(gòu)造中間電平，有效的減小輸出波形中的諧波含量，提高波形質(zhì)量。
權(quán)利要求
1.多電平矩陣交流交流變頻裝置，包括與電源相連接的三相交流輸入端vA、vB和vC以及與三相交流輸入端vA、vB和vC相連接的三相交流輸出端iu，iv和iw，其特征在于三相交流vA輸入端分別通過雙向開關(guān)SAu1和SAu2、雙向開關(guān)SAv1和SAv2以及雙向開關(guān)SAw1和SAw2的串聯(lián)連接至交流輸出的iu、iv和iw端，三相交流vB輸入端分別通過雙向開關(guān)SBu1和SBu2、雙向開關(guān)SBv1和SBv2以及雙向開關(guān)SBw1和SBw2的串聯(lián)連接至交流輸出的iu、iv和iw端，三相交流vC輸入端分別通過雙向開關(guān)SCu1和SCu2、雙向開關(guān)SCv1和SCv2以及雙向開關(guān)SCw1和SCw2的串聯(lián)連接至交流輸出的iu、iv和iw端，且在雙向開關(guān)SAu1和SAu2與SBu1和SBu2的中點的兩端、SCu1和SCu2與SBu1和SBu2的中點的兩端，SAv1和SAv2與SBv1和SBv2的中點的兩端，SCv1和SCv2與SBu1和SBv2的中點的兩端，SAw1和SAw2與SBw1和SBw2的中點的兩端，SCw1和SCw2與SBw1和SBw2的中點的兩端還分別連接有浮動電容C1、C2、C3、C4、C5和C6。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多電平矩陣交流交流變頻裝置，其特征在于所說的雙向開關(guān)由采用TO-247封裝的MOSFET器件反向串聯(lián)組成，一個支路上的兩個開關(guān)封裝在一個模塊之中，且在雙向開關(guān)的散熱底板上設(shè)置一導熱絕緣層，并在導熱絕緣層上涂敷有導熱硅脂。
全文摘要
多電平矩陣交流交流變頻裝置，包括與電源相連接的三相交流輸入端和三相交流輸出端，三相交流的輸入端分別通過雙向開關(guān)串聯(lián)連接至三相交流的輸出端，且在各雙向開關(guān)的中點的兩端還分別連接有浮動電容。本發(fā)明將多電平技術(shù)引入矩陣電路當中，采用低壓器件串聯(lián)實現(xiàn)高壓變換，利用浮動電容提供中間電平，改善輸出波形質(zhì)量，大大的減小了輸出濾波電路的體積和重量。
文檔編號H02M5/02GK1622440SQ20041007341
公開日2005年6月1日 申請日期2004年12月16日 優(yōu)先權(quán)日2004年12月16日
發(fā)明者楊旭, 石勇, 何群, 王兆安 申請人:西安交通大學