[发明专利]基于固态变压器的机车AC-DC-AC牵引系统及方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于高压SiC固态变压器的高速铁路机车AC-DC-AC牵引系统，尤其涉及一种基于固态变压器的机车AC-DC-AC牵引系统及方法。

背景技术

自从20世纪50年代硅晶闸管问世以后，功率半导体器件得到了空前的发展。早期的大功率变流器，如牵引变流器几乎都是基于晶闸管的。20世纪80年代中期，4.5kV的GTO得到广泛应用，成为了后来十年的大功率变流器首选器件。在80年代后半个时期，IGBT复合器件被研发出来；同时，通过对GTO技术改进产生的了IGCT，它拥有比传统GTO更加显著的优点，GTO开关频率大概为500Hz，而IGCT和大功率IGBT的开通和关断损耗都相对较低，可以工作在1-3kHz的开关频率下。2005年，以晶闸管为代表的半控型器件已达到7×10W/9000V的水平，全控器件也发展到了十分高的水平。当前，功率半导体器件的水平基本稳定在10⁹-10¹⁰W·Hz左右，已逼近了基于硅技术的功率器件即将达到其功率处理和开关频率能力的物理极限。

随着具有高压、高频率、高工作温度能力的功率半导体器件的需求不断增长，作为一种新型的宽禁带半导体材料，碳化硅因其出色的物理及电特性，正越来越受到关注。碳化硅电力电子器件的重要系统优势在于具有高压(达数万伏)高温(大于500℃)特性，突破了硅基功率半导体器件电压等级一般低于6.5kV,开关频率通常低于1kHz，不能应用于高于125℃的电力电子系统这些限制所导致的严重系统局限性；此外，硅功率器件的应用场合需要昂贵的冷却系统和昂贵的缓冲器，大量的硅功率器件都需要并联或串联工作，鉴于宽禁带SiC材料具有相对硅材料十倍的击穿电场、更高的热导率和更低的本征载流子浓度，大大减小了电力电子系统的体积和重量。

20世纪90年代，经过不断改进，碳化硅单晶晶圆已经取得重大进展，正朝着低缺陷、厚外延SiC材料和高压SiC器件的方向发展，包括10kVSiCMOSFET、3.1kV门极可关断晶闸管(GTO)、13kV绝缘栅双极晶体管(IGBT)和4.5kV SiC发射极可关断晶闸管(ETO)。在这些开发中的高压SiC器件中，SiCMOSFET的通态电阻随着它们的阻断电压和工作结温的上升而显著增加,这使得该器件在高压直流电源(≥15kV)供电的应用场合不能使用。对于15-25kV阻断电压的高压功率器件，由于具有优越的通态特性、快速开关速度和优秀的安全工作区，SiCIGBT技术变得很有吸引力。与同类的硅器件相比,在更高的工作频率下，SiC功率器件较高功耗产生更多的自热，导致在更高的工作结温(225℃左右)条件下功率处理能力和频率能力得到提高，新兴的耐高频高温能力的高压SiCIGBT将对大功率应用产生了重大影响,其典型例子就是固态变压器取代传统60Hz配电变压器。

固态变压器不仅是变压器,而且是故障电流限制器、无功功率补偿器和电压暂降恢复器。这些优点使固态变压器在未来电力电子领域具有广泛的应用前景。它的工作原理为：输入的工频交流信号经整流电路变为直流，然后经逆变器调制为高频方波，经高频变压器耦合后，经整流电路还原为直流信号，最后通过逆变器你变为所需的交流信号输出，即先升频，再降频。由于变压器体积大小与磁芯材料在饱和时的磁通密度及铁芯和绕组能够承受的温度有关，又因为磁芯饱和时的磁通密度与频率存在反向比例关系，所以高频变压器能更充分的利用铁芯材料，具有比工频变压器小的体积和重量。

发明内容

本发明主要是解决现有技术所存在的等的技术问题；提供了一种相比于传统的牵引变压器，体积和重量可以减少三倍，具有良好的经济性；若一个固态变压器模块的副边损耗了，还能维持正常运行，提高了可靠性；它的电力电子变换电路可由全控器件构成，提高其可控特性的一种基于固态变压器的高铁机车AC-DC-AC牵引系统及方法。

本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：

一种基于固态变压器的机车AC-DC-AC牵引系统，其特征在于，包括至少三个固态变压器，所述固态变压器输入侧串联且输出侧并联；每个固态变压器均包括依次连接的AC/DC整流器、DC/DC变换器以及DC/AC逆变器；

其中，AC/DC整流器将供电臂母线电压的单相交流电整流成直流电，包括四个IGBT以及分别与四个IGBT并联的二极管共同组成的H桥电路；支撑电容并连直流母线两极用以支撑直流母线电压的作用,在开关周期内为负载提供续流回路,减小开关周期纹波，在切载时,减小输出电压的波动；