CN107306078B - 电压源转换器及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及电压源转换器及其控制方法。电压源转换器具有带串联连接的两个电流阀(22，23)的半桥(21)。栅极驱动单元(32)具有控制相应电流阀的半导体设备(26，27)的栅极驱动部分(33，34)。转换器对于每个电流阀有测量电流阀的整流二极管(28，29)两端的电压并向控制另一个电流阀的栅极驱动部分(34，33)的控制单元(36，35)发送关于测得的电压的信息的构件(41，42)。控制单元被配置为使用测得的电压作为转换器的AC侧(30)上的电流的测量，并依赖于关于这个电压的信息来控制相应半导体设备的栅极构件(40，39)，以便最小化与半导体设备的接通关联的总开关损耗，同时仍然保持半桥的续流二极管的二极管反向恢复dV/dt低于允许的最大水平。

Description

电压源转换器及其控制方法
技术领域
本发明涉及一种电压源转换器，包括：
具有串联连接并被配置为连接到DC源/负载的相反极的两个电流阀的半桥，每个所述电流阀包括关断型半导体设备和与其反并联连接的整流二极管，两个电流阀之间的半桥的中点形成转换器的AC侧并被配置为连接到AC负载/源，以及
栅极驱动单元，具有被配置为控制第一电流阀的半导体设备的第一栅极驱动部分和被配置为控制另一个(第二)电流阀的半导体设备的第二栅极驱动部分，根据脉宽调制模式来控制接通和关断，用于在所述AC侧产生基频AC电压和电流，每个栅极驱动部分包括被配置为控制驱动构件的控制单元，该驱动构件被配置为影响要由那个栅极驱动部分控制的半导体设备的栅极参数，以及根据所附独立方法权利要求的前序部分的用于控制电压源转换器的方法。
本发明不限于这种转换器的任何特定用途，但是，为了说明本发明，在轨道车辆(诸如铁路车辆)中的使用将在下文中进行被解释，但是不相应地将本发明限制于那种应用。
背景技术
为了不同的目的，这种转换器用于将直流电压转换成交流电压，或反之亦然。因此，对于马达转换器，AC侧被认为是负载并且DC侧被认为是源，或者对于线路转换器反过来成立。虽然单相和三相电压是最常见的，但是本发明不限于施加到所述AC侧的电压的相的任何数量，本发明也不限于要通过转换器馈送的此类电压或电力的任何特定电平。因此，在三相电压的情况下，转换器具有在DC侧的相反极之间并联连接的三个所述半桥。
电流阀的半导体设备可以是关断型的任何半导体设备，例如IGBT或MOSFET。
转换器的栅极驱动单元可以具有集成在一个单一部分中的所述两个栅极驱动部分，或者将它们作为两个物理上分离的部分来包括。这同样适用于栅极驱动部分的控制单元。
转换器的控制一次打开其中一个阀门，以便在AC侧产生具有其基波傅立叶分量的期望量值、频率和相位角的脉宽调制(PWM)电压。由于AC侧通常有电感阻抗，因此电流主要由基波窦波(sinus wave)组成。在电流流入转换器的AC侧的基波的半周期内，它将流过下部阀门的IGBT或者流过上部阀门的二极管。电流在某一特定时刻采用这些路径中哪一个由所述下部IGBT的接通和关断来控制：当下侧IGBT接通(即，导通)时，电流流过它，并且当它关断(即，不导通)时，电流必须流过上部阀门的二极管。另一个IGBT，在这种情况下是上侧IGBT，在很多情况下将或多或少以反相被驱动，即，当下部IGBT关断时，它将接通，但是只要电流流入AC侧并通过上部阀门的二极管，这对于AC侧的电压就没有差别。因此，在这个半周期期间，下部IGBT控制AC侧的电压。在基波的另一个半周期内，电流通流出转换器的AC侧，通过上部阀门的IGBT或者通过下部阀门的二极管，这由所述上部IGBT的接通和关断来控制，因此，在这另一个半周期内，上部IGBT控制AC侧的电压。
对应于不控制AC侧的电压的电流阀的二极管的二极管反向恢复dV/dt的相电压转换速率是这种类型电压源转换器的重要设计因素，其必然在温度以及换向电压和电流方面的所有工作点都受到限制。控制半导体设备的接通过程的栅极驱动单元导致二极管反向恢复dV/dt(即，二极管截止dV/dt)的间接控制。为了利用这种电压源转换器的低杂散电感，必须增加半导体设备的开关速度，这导致更高的dV/dt。在双极型整流二极管和IGBT形式的半导体设备的情况下，在转换器的所述AC侧的低电流下发生最高的二极管反向恢复dV/dt，这意味着IGBT对于这种低电流必须缓慢地接通。这是没有问题的，因为IGBT的导通损耗无论如何都是低的，但是如果相同的接通速度用于较高的电流，则导通损耗将相当大，于是IGBT的尺寸必须适于这种较高的损耗，这将使它们更昂贵。此外，将发生IGBT的热循环，导致其寿命缩短。累积的能量损耗的经济价值也相当可观。
在Power Electronics Europe 2014年第5期的“Innovative IGBT Driver ICResolves Dilemma of Gate Resistor Selection”一文中，公开了一种在引言中定义的类型的电压源转换器，该电压源转换器试图解决对于在输出到所述AC负载的较高电流在IGBT中的较高接通损耗的问题。这是通过依赖于所述输出的电流来控制IGBT来实现的，使得IGBT被控制为当IGBT以较低的电流电平操作时安稳地(softly)接通，并且在较高电流电平下快速导通。但是，测量所述电流需要附加的通信链路以及操作足够快的电流传感器，这导致为了获得目标控制的复杂的控制方案和相当大的成本。
发明内容
本发明的目的是提供一种在引言中定义的类型的电压源转换器，该电压源转换器解决上面公开的关于二极管反向恢复dV/dt对电流阀的半导体设备的接通速度的依赖性的问题。
根据本发明，这个目的是通过提供具有在所附权利要求1的特征部分中列出的特征的电压源转换器而获得的。
通过测量不控制AC侧的电压的电流阀的整流二极管两端的电压，使用测得的这个电压的值作为转换器的AC侧的电流的测量，并且依赖于这个测量进行控制AC侧的电压的电流阀中的半导体设备的接通控制，当使控制AC侧的电压的半导体设备的接通速度适应转换器的AC侧的电流时，不控制AC侧的电压的电流阀的二极管的二极管反向恢复dV/dt可以保持在期望的水平。解决上述问题的这种方式导致比上述文献中公开的电压源转换器更简单的控制和更快执行其的可能性。在当半导体设备独立于负载电流被驱动时二极管关断dV/dt对于较低电流比对于较高电流更高的半导体电流阀的情况下，本发明的益处特别高。这通常是与IGBT使用的双极型二极管的情况。在这种情况下，栅极驱动部分的控制单元可以被配置为，电流的测量越高，使电流阀的半导体设备的接通速度越高，这将在半导体损耗和温度可能受限的工作点降低与接通相关联的总开关损耗。“使用测得的电压作为在所述AC侧的电流的测量”应当被广义地解释，并且还覆盖不获得电流测量形式的中间结果而是控制栅极驱动部分的输出的参数从至少二极管两端的电压直接决定的情况。
US 2009/0057832 A1公开了一种转换器，其中二极管两端的电压降被测量并被用于跨这个二极管直接连接的半导体设备的控制，用于减少二极管导通损耗。在这个上下文中还可以提及WO 2011/160729 A1，作为公开其中测量二极管两端的电压的转换器的文献，但是这个文献专注于在串联连接多个电流阀的情况下出现的特定问题。
根据本发明的实施例，电压源转换器对于至少一个电流阀包括被配置为测量阀门的二极管附近的那个阀门的温度并将关于其的信息发送到与另一个电流阀相关联的栅极驱动部分的构件，其中所述另一个电流阀被配置为接收这种温度(T)信息并且还在确定所述AC侧的电流的测量时考虑这个信息作为参数并且还依赖于关于测得的温度的值的信息进行所述驱动构件的控制。在只有一个电流阀配备被配置为测量其二极管附近的那个阀门的温度的构件的情况下，关于其的信息还被发送到与这个电流阀相关联的栅极驱动部分，所述栅极驱动部分被配置为，当确定所述AC侧的电流的测量时，使用这个温度(T)信息作为另一个阀门的二极管的温度的最佳可用近似值，连同在所述另一个阀门的二极管两端测得的电压的值，并且还依赖于关于测得的温度的值的信息进行其所述驱动构件的控制。已知AC侧的电流对整流二极管两端的电压的依赖性依赖于所讨论的二极管的温度，使得依赖于转换器的AC侧的电流对转换器的半导体设备的控制可以在仔细观察所述dV/dt的最大极限的同时非常精确，而与转换器的操作条件无关。每个电流阀可以具有温度测量构件，但是，由于两个阀门的热负荷预期是相似的，因此，如果半桥模块的冷却是均匀的并且模块从两个二极管到基板具有的相同热阻抗，则两个二极管的温度也应当相似，使得每个半桥仅一个温度测量构件测量一个二极管的温度并且使用其值用于两个二极管就足够了。
根据本发明的另一个实施例，转换器被配置成在其AC侧被连接到感应阻抗。
根据本发明的另一个实施例，每个栅极驱动部分包括被配置为与另一个栅极驱动部分的收发器进行通信以便在栅极驱动部分之间发送所述信息的收发器。这使得能够在物理上分离的两个栅极驱动部件的情况下在这两个部件之间发送执行本发明所必需的信息。如在这里和权利要求书中所使用的“收发器”应当被解释为还覆盖彼此分离的发送器和接收器的组合。
根据本发明的另外两个实施例，每个栅极驱动部分包括查找表单元，被配置为接收所述信息，用于：
-在一种情况下，确定所述AC侧的电流的测量，并且通过将所述信息与存储在这个单元的表中的数据进行比较来确定电流的所述测量，并将这个测量的信息发送到被配置为依赖于它来控制栅极构件的这个栅极驱动部分的控制单元，
-在另一种情况下，直接确定用于半导体的接通的合适控制信号，并将其发送到控制单元。
这构成了依赖于转换器的AC侧的电流来获得对半导体设备的控制的可靠途径，用于观察电流阀中目前不控制AC侧的电压的续流二极管的dV/dt的需求。这种dv/dt需求由EMC考虑并由连接在转换器的AC侧的感应元件(例如，马达、变压器或滤波电感器)的绕组绝缘而强加。查找表的这种使用构成了优选实施例，但是相同的任务可以通过使用经由方程(例如，经由曲线拟合等)计算/近似的设备而作为替换方式来实现。
根据本发明的另一个实施例，栅极驱动部分具有电流源形式的驱动构件，并且控制单元被配置为控制驱动构件来影响到所关联的电流阀的半导体设备的接通电流，从而影响半导体设备的接通行为。这是指示在这个公开内容中如何解释“驱动构件”的所述驱动构件的一个示例。
根据本发明的另一个实施例，每个栅极驱动部分具有电压源形式的驱动部件和栅极电阻器，并且所述电压源和栅极电阻器中的至少一个是可控制的，并且控制单元被配置为控制驱动构件来影响相关联的电流阀的半导体设备的栅极电压，从而影响半导体设备的接通行为。
根据本发明的另一个实施例，栅极驱动部分具有根据另外的替代方案的驱动构件，包括可变栅极电阻器和与其连接的固定电压源，并且控制单元被配置为控制驱动构件，以改变相关联的电流阀的所述栅极电阻器的电阻，从而影响半导体设备的传导行为。
根据本发明的另一个实施例，每个电流阀的所述整流二极管在一种情况下是与电流阀的半导体设备分离的二极管，而在另一种情况下，整流二极管是相应电流阀的半导体设备在相同的半导体主体中的内置二极管。因而，在本发明中也将包括内置在相同半导体主体内的二极管的后一种情况。
根据本发明的另一个实施例，电压源转换器对于至少一个电流阀包括被配置为在阀门不导通的情况下测量那个阀门两端的电压(这实际上是DC源/负载两端的电压)并将关于其的信息发送到与相同电流阀相关联的栅极驱动部分的构件，其中栅极驱动部分被配置为接收这种电压(Vce)信息并且在确定其所述驱动构件的控制时也使用这种信息作为参数，从而最小化与半导体设备的接通相关联的总开关损耗，同时仍然保持不控制AC侧的电压的电流阀的二极管的二极管反向恢复dV/dt在允许的最大电平以下，对于这个实施例，这可以依赖于关于电压阶跃量值的量值。通过使栅极驱动器还适应于大致等于阀门两端的电压(Vce)的电压阶跃的量值，与半导体设备的接通相关联的总开关损耗可以对于所有电压(＝电压阶跃量值)都减小，其中最大允许的二极管反向恢复dv/dt高于对任何电压允许的最低最大二极管反向恢复dv/dt。由于最大二极管反向恢复dv/dt水平对于较大的电压阶跃(即，对于电流阀两端的电压(Vce)的较高值)较低，因此这个实施例将对于除最高电压阶跃值之外的所有电压导致较低的开关损耗。对于在DC线路上运行的列车，这些最高的电压阶跃将主要在制动时发生。对于在AC线路上运行的列车，这些最高电压阶跃将仅在瞬变期间发生，从而构成总运行时间的可忽略的部分。在只有一个电流阀配备有被配置为测量那个电流阀两端的电压的构件的情况下，关于其的信息也被发送到与另一个电流阀相关联的栅极驱动部分。到所述其它电流阀接通时，配备有被配置为测量电压的构件的电流阀正在传导，因此关于接通的电流阀两端的电压的最佳可用信息是电压(Vce)的最新发送的值。每个电流阀可以具有电压测量构件，但是，由于DC源/负载两端的电压预期在其中一个电流阀接通与另一个电流阀接通之间只有少量变化，因此这种最新发送的值将很好地逼近接通的电流阀两端的实际电压。
根据本发明的另一个实施例，电流阀的半导体设备是IGBT(绝缘栅双极晶体管)或MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)。
根据本发明的另一个实施例，整流二极管是双极二极管。至少在半导体设备是IGBT的情况下，二极管关断dV/dt对于较低电流比对于较高电流更高，因此优选的是将栅极驱动部分的控制单元配置为，所述AC侧的电流的测量越高，使电流阀的半导体设备的接通驱动越高，因为这将增加接通速度并减少总开关损耗，而不会使所述dV/dt超过适用极限。
根据本发明的另一个实施例，整流二极管是单极二极管，并且每个栅极驱动部分的控制单元被配置为，对于所确定的所述AC侧的电流的越高测量，使控制AC侧的电压的电流阀的半导体设备的接通驱动越低。单极二极管是指这样的二极管，其中相关电流范围内的电流传导仅受一种载荷子(电子或空穴)的参与的影响。这可以是肖特基二极管或结壁垒肖特基二极管。在单极二极管与半导体设备反并联连接并且常规栅极驱动器独立于AC侧的电流量值接通半导体设备的情况下，不控制AC侧的电压的电流阀的二极管的二极管反向恢复dV/dt将随着转换器的AC侧的电流而增加。如果然后调整栅极驱动器，以使dV/dt对于异常高的电流(例如，高于热限制的最大连续输出电流)也保持低于允许的最大值，则与在正常电流时接通相关联的总开关损耗将高于最优。通过使控制AC侧的电压的电流阀的半导体设备的接通驱动对于所确定的AC侧的电流的越低测量越高，有可能在对于异常高的电流也观察dV/dt需求的同时降低正常操作中的开关损耗。
根据本发明的另一个实施例，转换器是有轨车辆转换器，其被配置为布置在有轨车辆上，并且例如是被配置为将电力通过转换器的所述AC侧输送到马达的马达转换器，其中马达被用来驱动车辆或辅助转换器，其中辅助转换器被配置为输送转换器的所述AC侧的电压，用于车辆的加热/冷却系统并用于电器，诸如通过布置在所述车辆中的插座。这是这种类型的电压源转换器的优选应用。
根据本发明的另一个实施例，栅极驱动部分的控制单元被配置为以0.3kHz-100kHz的频率接通和关断电流阀。
根据本发明的另一个实施例，转换器被配置为在转换器的输出输送10kVA-4MVA的功率。在辅助转换器的情况下，功率将大部分为10kVA-300kVA，而对于马达转换器和线路转换器，功率通常在70kVA-4MVA的范围内。
本发明还涉及根据所附独立方法权利要求的用于控制电压源转换器中的关断型半导体设备的接通的方法，并且这种方法及其可能的实施例的优点从上面对根据本发明的电压源转换器的讨论中清楚地显现。
本发明还涉及具有至少一个根据本发明的转换器的轨道车辆，其导致上面公开的许多优点，诸如部件和维护的成本的降低。
从以下对本发明实施例的描述中，将会看到本发明的进一步的优点以及有利的特征。
附图说明
参考附图，以下是作为示例引用的本发明实施例的具体描述。在图中：
图1是示出本发明所针对的类型的不同类型的转换器如何可以在轨道车辆中布置和控制的非常示意性的视图，
图2是根据本发明实施例的转换器的示意电路图，
图3是示出，对于二极管的不同温度，转换器的AC侧的电流相对续流二极管两端的电压的简化曲线图。
图4是示出，对于使IGBT的接通栅极驱动器依赖于换向电流的情况，与在所有电流处IGBT的恒定接通栅极驱动器都适于履行dV/dt需求的情况相比，二极管关断dV/dt相对换向电流的图，以及
图5是示出，对于使接通栅极驱动器适于电流的情况和恒定接通栅极驱动器的情况，IGBT和双极二极管的总开关损耗的曲线图。
具体实施方式
由于本发明特别适于在轨道车辆中使用，因此现在将参考图1简要描述使用根据本发明的电压源转换器的一些可能途径，但不将本发明限制到这个使用领域。图1示意性地示出了电力如何可以从AC供电线2馈送到有轨车辆1并在所述车辆中使用。车辆被配置为沿着AC供电线2移动，其中AC供电线2相应地充当AC电源并且可以例如承载15kV和16 2/3Hz(瑞典、德国等)以及25kV和50Hz(丹麦、中国、印度等)的单相交流电压。车辆具有用于将来自供电线2的电压转换到适当电平的变压器3。变压器在这里具有两个次级绕组4、5，其中一个绕组连接到线路转换器6，用于在其输出上输送例如1.5-3kV的直流电压。该直流电压被输送到辅助转换器7，该辅助转换器7由转换器控制器8控制，用于根据脉宽调制模式生成脉冲序列，用于在其输出上输送三相交流电压。这种转换器的输出连接到三相变压器9以及谐波滤波器10，用于平滑(smooth out)由配电网络11输送到布置在轨道车辆中的插座的交流电压，诸如为了计算机的连接，以及针对照明、加热及其它电器。这种变压器和滤波电感器也具有dv/dt限制。
变压器的另一个次级绕组4连接到线路转换器12，线路转换器12被配置为将其输出上的直流电压输送到马达转换器13的输入，用于将马达转换器13的输出上的三相交流电压输送到形式为电机的马达15，用于驱动车辆。每个转换器12、13由转换器控制器16、14控制，其中转换器控制器确定转换器的PWM模式。马达转换器控制器14将接收来自车辆驾驶员的指令，用于使输送到马达的定子绕组的基波电压的频率(感应电机)或相位角(永磁电机)适应所命令的牵引作用/牵引力。在制动的情况下，车辆电力将在从马达到AC供电线的方向流动通过被控制为在其AC侧输送单相交流电压的线路转换器12。转换器6、7、12和13可以是根据本发明的电压源转换器。要指出的是，图1中所示的电气系统仅仅是有轨车辆中的电气系统的若干可能表现之一。
根据本发明实施例的电压源转换器的单相在图2中示意性地示出。电压源转换器对于每相具有半桥模块20，半桥模块20具有半桥21，半桥21带串联连接并且被配置为连接到DC源或负载(诸如连接到图1中所示的转换器7和13的DC电压中间链路)的相反极24、25的两个电流阀22、23。每个电流阀具有形式为IGBT的关断型半导体设备26、27以及与其反并联连接的整流二极管28、29。两个电流阀之间的半桥的中点形成转换器的AC侧30，并且被配置为连接到电感阻抗，在这种情况下是AC负载31。电压源转换器对于每相具有栅极驱动单元32，其中栅极驱动单元32具有被配置为控制第一电流阀22的IGBT 26的第一栅极驱动部分33和被配置为控制另一个(第二)电流阀23的IGBT 27的第二栅极驱动部分34，以根据脉宽调制模式接通和关断，用于在AC侧30产生AC电压和电流。
每个栅极驱动部分33、34具有被配置为控制驱动构件37、38的控制单元35、36，驱动构件37、38被配置为影响相应IGBT 26、27的栅极参数，并且驱动构件在这里是连接到IGBT的栅极39、40的电流源，用于将电流馈送到栅极中，从而影响IGBT的导通行为。每个栅极驱动部分33、34具有构件41、42，被配置为当另一个电流阀的IGBT 27、26正在控制AC侧的电压时至少在AC侧30的AC电流的半周期期间测量整流二极管28、29两端的电压。因而，这些电压测量构件41、42通过检测与续流二极管反并联连接的IGBT的集电极-发射极电压Vce来测量不控制AC侧的电压的电流阀的续流二极管28、29两端的正向电压Vf，并且这些构件41、42集成到相应的栅极驱动部分33、34中。
转换器还对于每个电流阀具有被配置为测量阀门的二极管28、29附近的那个阀门的温度的构件43、44。构件41、42和构件43、44被配置为分别将关于续流二极管的正向电压Vf和温度T的信息发送到模数转换器45、46，并且还发送到被配置为与另一个栅极驱动部分的收发器进行通信的收发器48、49，从而将所述信息发送到那个栅极驱动部分。因而，关于电流阀22的Vf和T的信息被栅极驱动部分34的收发器49接收，用于控制另一个电流阀23的IGBT，反之亦然。
图3示出了通过续流二极管的电流I如何依赖于正向电压Vf和二极管结处的温度，其中T1为-40℃且T2为+100℃。因而，如果正向电压和温度已知，则可以获得通过二极管的电流以及通过其获得AC侧30上的电流的精确测量。栅极驱动部分的每个控制单元35、36被配置为考虑在续流二极管两端测得的电压作为所述AC侧30上的电流的测量，同时还考虑靠近续流二极管测得的温度。每个栅极驱动部分具有查找表单元50、51，查找表单元50、51被配置为从收发器48、49接收以与另一个栅极驱动部分相关联的电流阀的Vf和T的形式的信息，用来确定AC侧上的电流的测量。每个查找表单元被配置为通过将所述信息与存储在这个单元的表中的数据进行比较来确定电流的所述测量，并将这个测量的信息发送到相应的控制单元35、36，控制单元35、36被配置为依赖于通过另一个电流阀的续流二极管的电流并且优选地还依赖于所涉及的二极管的(以及可以被假设具有大致相同温度的IGBT的)结温度来控制电流源37、38。因而，当电流阀22的IGBT 26控制AC侧的电压时，在AC侧30上的AC电流的半周期期间，通过由控制单元35依赖于关于另一个电流阀3的续流二极管29的正向电压Vf和温度T的信息来控制电流源37并且通过控制在AC侧30上到负载31的电流，来执行这种控制。
此外，控制单元35被配置为使得对驱动构件(电流源)37的控制依赖于通过电流阀23的续流二极管29的所述电流I，从而在所有电流量值都保持二极管29的二极管反向恢复dV/dt低于允许的最大水平，同时最小化与半导体设备26的接通相关联的总开关损耗，即，半导体设备26的接通损耗与二极管29的反向恢复损耗的总和。如果栅极驱动器保持独立于二极管电流和温度，则较低的所述电流I将导致更高的二极管反向恢复dV/dt。根据本发明，对于低二极管电流，IGBT代替地缓慢地接通，即，通过来自电流源的低接通电流，由此保持二极管反向恢复dv/dt低于最大水平，但是在更高的二极管电流，IGBT接通更快，即，通过来自电流源的更高接通电流，由此保持总开关损耗下降，同时仍然不超过最大二极管反向恢复dv/dt限制。IGBT中耗散的开关损耗依赖于电流I以及IGBT多快接通，使得，如果电流低，则IGBT可以缓慢接通，而不会造成IGBT中的任何有害损耗。但是，当相应栅极驱动部分的控制单元35、36接收到关于更高电流I的信息时，这意味着所述二极管反向恢复dV/dt将趋于较低，使得控制单元然后可以利用来自电流源的更高电流驱动IGBT的接通，以便更快接通，从而，尽管电流I较高，仍然保持IGBT中的损耗处于较低的水平。
因此，通过使每个栅极驱动部件的控制单元35、36被配置为控制相关联的驱动构件(电流源)，以便保持不控制电流AC侧的电压的电流阀的二极管的二极管反向恢复dV/dt处于尽可能恒定的水平，而不管AC侧上的电流如何，电流I越高，由IGBT造成的总开关损耗可以减小越多。
图4是对于b)没有对IGBT接通的控制的补偿和a)根据本发明具有通过使用关于在更高电流更快接通的电流的信息获得的补偿的情况示出二极管关断dV/dt相对续流二极管的电流I的曲线图。在这种情况下，Vce为1050V。无补偿的栅极驱动单元设置在60℃下进行了优化，这意味着在越低温度下dV/dt越高。对于未经补偿的栅极控制，dV/dt值对于较高电流比对于较低电流明显更低，而经补偿的值对于较低和较高的电流相当相似。
图5是示出对于两种控制方案(如图4中所示的无补偿的b)和带补偿的a))的整个电流阀22、23中的总开关损耗SL相对于续流二极管中的电流I的曲线图。在这里使用对于图4中所示的测量来说相同的栅极驱动单元，但是测量在125℃半导体结温度下执行，其中开关损耗高于60℃时。示出了在900V时具有和不具有续流二极管电流补偿的IGBT接通情况下的总开关损耗，并且看起来根据本发明通过在电压源转换器中使用电流补偿的总开关损耗减小随着换向电流而增加并且在1200A的电流高达27％。
本发明当然不限于上述实施例，而是对其修改的许多可能性对于本领域技术人员而言将是显然的，而不背离如所附权利要求中限定的本发明的范围。
如上面已经提到的，相应电流阀的关断型半导体设备的主动控制可以通过与所公开的不同的其它方式实现，例如通过使用栅极电压控制或者改变具有固定电压源的栅极电阻器，并且半导体设备可以是除IGBT之外的另一种类型，例如JFET或MOSFET，其二极管反向恢复dV/dt可以对换向电流具有与对于IGBT不同的另一种依赖性。
将二极管反向恢复dV/dt保持在某个水平或以上不是本发明的基本特征，而是为了最小化平均开关损耗，尤其是对于对转换器的性能并且由此也对其中使用该转换器的车辆置以最严重限制的操作条件。在某种电流/温度组合下，可以存在不能达到最大二极管反向恢复dv/dt极限附近的任何位置的半导体设备(IGBT或MOSFET)和二极管的组合，但是，如果这仅是在低电流或低温下，则不用担心，因为这些操作条件只是正常操作的一小部分并且不会对装备或车辆性能造成严重的限制。
使测量栅极驱动部分中所包括的电流阀的整流二极管两端的电压的构件被配置为控制另一个电流阀的半导体设备在本发明的范围内，这将使两个栅极驱动部分之间通过收发器的通信成为多余。但是，这种解决方案将涉及更复杂的绝缘协调，并且在EMI行为(干扰抑制)方面也更复杂并且需要额外的测量。

Claims (14)

1.一种电压源转换器，包括
半桥(21)，具有串联连接并被配置为连接到DC源/负载的相反极(24，25)的两个电流阀(22，23)，每个所述电流阀包括关断型半导体设备(26，27)和与其反并联连接的整流二极管(28，29)，两个电流阀之间的半桥的中点形成转换器的AC侧(30)并被配置为连接到AC负载/源(31)，以及
栅极驱动单元(32)，具有被配置为控制电流阀中的第一电流阀的半导体设备(26)的第一栅极驱动部分(33)和被配置为控制电流阀中的另一个第二电流阀的半导体设备(27)的第二栅极驱动部分(34)，以根据脉宽调制模式来控制接通和关断，用于在所述AC侧(30)产生AC基波电压和电流，每个栅极驱动部分包括被配置为控制驱动构件(37，38)的控制单元(35，36)，所述驱动构件被配置为影响要由那个栅极驱动部分控制的半导体设备的栅极参数，
其特征在于，所述转换器对于每个电流阀(22，23)包括第一构件(41，42)，所述第一构件(41，42)被配置为首先当另一个电流阀的半导体设备(27，26)控制AC侧上的电压时至少在所述AC侧上的AC电流的半周期期间测量所述电流阀的所述整流二极管(28，29)两端的电压(Vf)，并且其次向与所述被控制的另一个电流阀相关联的栅极驱动部分的控制单元(35，36)发送关于测得的电压的信息，每个栅极驱动部分(33，34)的控制单元被配置为使用测得的电压作为所述AC侧上的电流(I)的测量并且依赖于关于所述测量的信息进行其所述驱动构件(37，38)的控制，从而最小化与半导体设备的接通相关联的总开关损耗，同时仍然保持不控制AC侧上的电压的电流阀的整流二极管(28，29)的二极管反向恢复dV/dt低于允许的最大水平，并且所述电压源转换器被配置为在其AC侧上连接到电感阻抗。
2.如权利要求1所述的电压源转换器，其特征在于对于至少一个电流阀(22，23)所述电压源转换器包括第二构件(43，44)，所述第二构件被配置为测量在所述电流阀的整流二极管(28，29)附近的那个电流阀的温度并将关于其的信息至少发送到与另一个电流阀相关联的栅极驱动部分的控制单元(35，36)，并且每个栅极驱动部分(33，34)的控制单元被配置为接收这种温度(T)信息并且还在确定所述AC侧(30)上的电流(I)的测量时考虑所述信息作为参数，并且还依赖于关于测得的温度的值的信息对其所述驱动构件(37，38)进行控制。
3.如前述权利要求中任一项所述的电压源转换器，其特征在于每个栅极驱动部分(33，34)包括被配置为与另一个栅极驱动部分的收发器(48，49)进行通信以便在栅极驱动部分之间发送所述信息的收发器(48，49)。
4.如权利要求1-2中任一项所述的电压源转换器，其特征在于每个栅极驱动部分(33，34)包括查找表单元(50，51)，查找表单元(50，51)被配置为接收所述信息，以用于确定所述AC侧(30)上的电流(I)的测量，并且通过将所述信息与存储在这个单元的表中的数据进行比较来确定电流的所述测量，并将这个测量的信息发送到被配置为依赖于其来控制驱动构件(37，38)的这个栅极驱动部分的控制单元(35，36)。
5.如权利要求1-2中任一项所述的电压源转换器，其特征在于每个栅极驱动部分(33，34)包括查找表单元(50，51)，查找表单元(50，51)被配置为接收所述信息并且通过将所述信息与存储在表中的数据进行比较来确定用于栅极驱动器的控制的值，并且将该值发送到被配置为依赖于其来控制驱动构件(37，38)的这个栅极驱动部分的控制单元(35，36)。
6.如权利要求1-2中任一项所述的电压源转换器，其特征在于栅极驱动部分(33，34)具有形式为电流源的驱动构件(37，38)，并且控制单元(35，36)被配置为控制驱动构件，以影响到相关联的电流阀(22，23)的半导体设备(26，27)的接通电流，从而影响半导体设备的接通行为。
7.如权利要求1-2中任一项所述的电压源转换器，其特征在于每个栅极驱动部分(33，34)具有形式为电压源的驱动构件(37，38)和栅极电阻器，并且所述电压源和栅极电阻器中的至少一个是可控制的，并且控制单元(35，36)被配置为控制驱动构件以影响相关联的电流阀(22，23)的半导体设备(26，27)的栅极电压，从而影响半导体设备的接通行为。
8.如权利要求1-2中任一项所述的电压源转换器，其特征在于对于至少一个电流阀(22，23)所述电压源转换器包括第一构件(41，42)，所述第一构件被配置为在那个电流阀不导通时测量那个电流阀两端的电压并且将关于其的信息至少向与同一电流阀相关联的栅极驱动部分的控制单元(35，36)发送，并且每个栅极驱动部分(33，34)的控制单元被配置为接收这种电压(Vce)信息并且在确定其所述驱动构件(37，38)的控制时也使用所述信息作为参数，从而最小化与半导体设备的接通相关联的总开关损耗，同时仍然保持不控制AC侧上的电压的电流阀的整流二极管(28，29)的二极管反向恢复dV/dt低于允许的最大水平，所述最大水平可以依赖于电压阶跃量值的量值。
9.如权利要求1-2中任一项所述的电压源转换器，其特征在于电流阀的半导体设备(26，27)是绝缘栅双极晶体管IGBT或金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET。
10.如权利要求1-2中任一项所述的电压源转换器，其特征在于整流二极管(28，29)是双极二极管，并且栅极驱动部分(33，34)的控制单元(35，36)被配置为使得所确定的所述AC侧上的电流(I)的测量越高，电流阀(22，23)的半导体设备(26，27)的接通速度被控制得越高。
11.如权利要求1-2中任一项所述的电压源转换器，其特征在于整流二极管(28，29)是单极二极管，并且每个栅极驱动部分(33，34)的控制单元(35，36)被配置为使得所确定的所述AC侧(30)上的电流的测量越高，控制AC侧上的电压的电流阀的半导体设备的接通速度越慢。
12.如权利要求1-2中任一项所述的电压源转换器，其特征在于它是有轨车辆转换器，被配置为布置在有轨车辆(1)上，并且是被配置为通过转换器的所述AC侧将功率输送到马达(15)用于驱动车辆或辅助转换器(7)的马达转换器(13)，其中辅助转换器(7)被配置为输送转换器的所述AC侧上的电压，以用于车辆的加热/冷却系统以及电器。
13.一种用于控制电压源转换器中的关断型半导体设备(26，27)的接通的方法，所述电压源转换器包括具有串联连接并被配置为连接到DC源/负载的相反极(24，25)的两个电流阀(22，23)的半桥(21)，每个所述电流阀包括所述半导体设备和与其反并联连接的整流二极管(28，29)，两个电流阀之间的半桥的中点形成转换器的AC侧(30)并被配置为连接到AC负载/源(31)，所述电压源转换器被配置为在其AC侧上连接到电感阻抗，
其特征在于以下步骤：
当另一个电流阀的半导体设备控制AC侧上的电压时，至少在所述AC侧(30)上的AC电流的半周期期间测量每个电流阀(22，23)的整流二极管(28，29)两端的电压(Vf)，
使用测得的电压(Vf)作为在所述AC侧(30)上的电流(I)的测量，以及
依赖于关于所述测量的信息进行对电流阀(22，23)的半导体设备(26，27)的接通控制，从而对于每个电流最小化与半导体开关的接通相关联的总开关损耗，同时保持其半导体设备不控制AC侧上的电压的电流阀的整流二极管(28，29)的二极管反向恢复dV/dt低于允许的最大水平。
14.一种有轨车辆，具有至少一个如权利要求1-12中任一项所述的转换器。
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