CN112119576A - 具有中间回路、变流器和制动斩波器的电压供应装置 - Google Patents
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Abstract
一种电压供应装置，具有：至少一个中间回路，所述中间回路包括至少一个中间回路电容器（CZK）；至少一个变流器（S），其中所述变流器（S）与中间回路的端子连接，使得变流器（S）能够由中间回路电容器（CZK）馈送电能；和至少一个制动斩波器（B），所述制动斩波器与中间回路电容器（CZK）的端子连接，使得中间回路电容器（CZK）的电能能够通过制动斩波器（B）转换成热能。在此，变流器（S）配设有至少一个较高时钟激励的半导体开关（H‑SiC），尤其基于SiC的半导体开关，而制动斩波器（B）配设有至少一个较低时钟激励的半导体开关（H‑Si），尤其基于Si的半导体开关。
Description
技术领域
本发明涉及一种电压供应装置，所述电压供应装置具有：
- 至少一个中间回路，所述中间回路包括至少一个中间回路电容器，
- 至少一个变流器，其中变流器与中间回路的端子（例如接线夹）连接，使得变流器可以由中间回路电容器馈送电能，和/或变流器可以将电能馈入到中间回路中，和
- 至少一个制动斩波器，所述制动斩波器与所述中间回路电容器的端子连接，使得所述中间回路电容器的电能可以通过所述制动斩波器转换成热能。
为了变流器能够由中间回路电容器供应电能和/或为了变流器能够将电能馈入到中间回路中，中间回路例如在直流车辆中经由电网扼流圈或经由其他的适合的变流器与进行供应的电流网连接。
变流器是用于将馈入的电流类型（直流电流，交流电流）转换成分别不同的电流类型或者用于将交流电流转换成具有改变的量值和/或改变的频率和/或改变的相位的交流电流的设备。转换借助于基于半导体的电子构件进行，即例如借助二极管、晶体管或晶闸管，在此尤其借助于MOSFET、IGBT和IGCT。
用于将直流电流转换成交流电流的变流器称为逆变器或脉冲逆变器。用于将交流电流转换成直流电流的变流器称作为整流器或四象限调节器。
用于将交流电流转换成至少具有改变的频率的交流电流的变流器称作为变频器。
在电运行的铁路中，在牵引变流器的名称下使用由在上文中提到的组件（四象限调节器，脉冲逆变器）构成的不同组合，以便将高架线或汇流排的相应的铁路牵引电流系统中的电流转换成用于可无级调整的三相电流驱动马达的三相电流。牵引变流器的组件经由一个或多个中间回路耦合。
用于在交流电流网处运行的系统的牵引变流器至少由四象限调节器、至少一个借助直流电压运行的中间回路和脉冲逆变器和必要时至少一个制动调节器构成。在直流电压网下运行时，可以弃用四象限调节器，替代于此，中间回路经由至少一个电网扼流圈与电网连接。如果变流器能够在两个转动方向上将能量从中间回路传递至马达并且在制动时也向回传递到中间回路中，那么谈及四象限运行。
中间回路是如下电装置，所述电装置作为储能器将中间接入的电流或电压层面上的多个电的子系统（例如具有脉冲逆变器的四象限调节器）电耦合。下面，仅考虑电压中间回路（即具有中间回路电容器的中间回路）。因为中间回路仅能够无损坏地存储确定的能量，所以必须采取用于减少存储的能量的措施。一个变型形式是借助变流器的特殊形式、即借助所谓的制动斩波器将电能转换成热能。制动斩波器大多由作为电子开关的IGBT、电阻和空载二极管构成。电子开关能够将电阻接入中间回路。通过周期性地接通开关（时钟激励），电流流过电阻并且将电能转换成热。这例如用于限制中间回路上的电压。
背景技术
当今的变流器（例如脉冲逆变器、四象限调节器）中的半导体开关和铁路运行中的制动斩波器实施为Si-IGBT，即实施为基于硅的IGBT。这种IGBT能够由于最小导通时间、开关时间和开关损失的限制在牵引变流器的应用领域中仅以相对低的开关频率运行，通常为100Hz至1500Hz。
当时在对于铁路变流器领域重要的功率级中已经存在SiC半导体构件，即基于碳化硅的半导体构件。与Si-IGBT或Si半导体构件相比，SIC半导体构件具有更低的开关损失、更小的开关时间和对导通时间的更少限制。这能够实现，SiC半导体构件的开关频率与Si半导体构件相比提高。
SiC半导体构件、诸如SiC-MOSFET因此能够在牵引变流器的应用领域中以比Si-IGBT更高的开关频率运行。SiC-MOSFET在那里例如能够以100-8000Hz运行。
一个可能性现在为，在铁路领域中在变流器和制动斩波器中的全部Si-IGBT通过SiC半导体构件、例如MOSFET替换，并且提高开关频率。这对于连接于一个或多个变流器的电感组件、如马达或变压器或扼流圈是有利的。附加地，由此中间回路中的电压波动（电压纹波，英语为ripple）下降，所述电压波动通过制动斩波器的时钟激励造成。中间回路于是能够以较小的电容，即例如以较小的中间回路电容器来实施。
除了通过制动斩波器造成的电压波动之外，铁路领域中的中间回路电容器的电容通过叠加的系统要求确定（例如在直流车辆中电网扼流圈和中间回路电容器的输入侧阻抗）。所述系统要求和对中间回路的电容的其他系统要求通常通过小的电压波动的要求而占主导。因此就此而言，利用SiC构件的变流器与利用SiC构件的制动斩波器的组合在技术上是不合理的。
发明内容
因此，本发明的目的是，将较高时钟激励的构件、例如SiC构件的优点在技术上合理地用于铁路驱动器的电压供应装置。
所述目的基于电压供应装置来实现，所述电压供应装置具有：
- 至少一个中间回路，所述中间回路包括至少一个中间回路电容器，
- 至少一个变流器，其中变流器与中间回路的端子连接，使得变流器可以由中间回路电容器馈送电能和/或变流器可以将电能馈入到中间回路中，和
- 至少一个制动斩波器，所述制动斩波器与中间回路电容器的端子连接，使得中间回路电容器的电能通过制动斩波器转换成热能，
所述目的通过如下方式实现，变流器配设有至少一个较高时钟激励的半导体开关，而制动斩波器配设有至少一个较低时钟激励的半导体开关。
用较高时钟激励表示，时钟激励频率高于在制动斩波器的半导体开关中的激励频率，用较低时钟激励表示，时钟激励频率低于在变流器（例如四象限调节器和/或脉冲逆变器）的半导体开关中的激励频率。
尤其可以规定，变流器配设有基于SiC的至少一个较高时钟激励的半导体开关，而制动斩波器配设有基于Si的至少一个较低时钟激励的半导体开关。
因此，一个或多个变流器、例如脉冲逆变器和/或四象限调节器配设有SiC半导体开关，尤其SiC-MOSFET，而一个或多个制动斩波器配设有较慢时钟激励的Si半导体开关，尤其Si-IGBT。
SiC-MOSFET现今与Si-IGBT相比在制造上技术上更耗费从而当前更贵。对于在脉冲逆变器或四象限调节器中的使用，用于新型SiC-MOSFET的更多耗费和附加成本是值得的，因为由此由变流器和连接的组件、如扼流圈、马达和变压器构成的总系统的效率能够提高。
相反地，对于在制动斩波器中使用，SiC-MOSFET的使用是不那么值得的，因为提高的开关频率通常例如对中间回路电容器来说没得出优点，因为其设计方案由叠加的系统要求主导。相反地，制动斩波器却应该将电能转换成热，高能效的SiC构件在此是不那么有意义的。
本发明的一个实施方式在于，变流器（如脉冲逆变器和/或四象限调节器）配设有至少一个SiC-MOSFET。如果变流器具有刚好一个半导体开关，那么所述半导体开关因此优选地实施为SiC-MOSFET。
对此附加地，优选地规定，制动斩波器配设有至少一个Si-IGBT。如果制动斩波器具有刚好一个半导体开关，那么所述半导体开关因此优选地实施为Si-IGBT。
根据本发明的电压供应装置能够在中间回路的端子（例如接线夹）处包含多个变流器。本发明的一个实施方式在于，至少一个变流器构造为脉冲逆变器。替选地或附加地可以规定，至少一个变流器构造为四象限调节器。
尤其有利的是，全部变流器（尤其脉冲逆变器和/或四象限调节器）仅配设有基于SiC的（与制动斩波器的半导体开关相比）较高时钟激励的半导体开关。
尤其有利的是，全部制动斩波器仅配设有基于Si的（与变流器的半导体开关相比）较低时钟激励的半导体开关。
根据本发明的电压供应装置有利地在铁路的驱动中使用。
附图说明
本发明现在根据优选的实施例详细阐述。附图是示例性的并且虽然应解释发明构思，但是不在任何情况下限制或甚至决定性地描绘所述发明构思。在此：
图1示出在直流电压车辆中的根据本发明的电压供应装置，
图2示出具有Si-IGBT的根据本发明的制动斩波器，
图3示出用于图2中的制动斩波器的关于时间的电流和电压变化曲线，
图4示出具有SiC-MOSFET的制动斩波器，
图5示出用于图4中的制动斩波器的关于时间的电流和电压变化曲线。
具体实施方式
图1示出根据本发明的电压供应装置，所述电压供应装置连接到电流网N、在此为直流电流网上。在电网侧，电压供应装置包括电网扼流圈L和具有中间回路电容器Czk的中间回路。在用交流电压供应的车辆中，中间回路经由四象限调节器替代电网扼流圈来馈电，其中大多在上游接入的变压器又是电感。
从电流网N起观察，电压供应装置具有输入阻抗Zin。在中间回路电容器Czk的接线夹上在此连接有两个变流器S，例如脉冲逆变器和/或四象限调节器。也还可以连接其他变流器，如通过点表明的那样。此外，在中间回路电容器Czk的接线夹上连接有至少一个制动斩波器B。也还可以连接其他制动斩波器B。
图1中的制动斩波器B在图2中示出。制动斩波器B与中间回路电容器Czk并联，在中间回路电容器Czk上存在电压Uzk,Si。制动斩波器B包括基于Si的半导体开关H-Si，电流I-Si流过所述半导体开关。用于半导体开关H-Si的控制信号在其左边作为关于时间的矩形函数示出。此外，制动斩波器B包括电阻R和与其并联的空载二极管D。
在图3中是图2中的制动斩波器B的关于时间t的电流和电压变化曲线。电流变化曲线示出经过半导体开关H-Si的电流I-Si的根据控制信号得出的周期性的变化曲线。从中得出中间回路中的电压Uzk,Si的三角形的变化曲线。在最高和最低电压值之间的间距表明由于电流I-Si造成的电压纹波U-Ri,Si（参见双箭头）
如果在制动斩波器B中——像在变流器S中那样——同样装入基于SiC的半导体开关H-SiC，例如SiC-MOSFET，那么其余的电路如在图2中那样基本上维持不变，参见图4。然而，用于半导体开关H-SiC的又为矩形函数的控制信号与用于图2中的基于Si的半导体开关H-Si相比具有更高的频率。
对应地，经过半导体开关H-SiC的电流I-SiC以及在中间回路中或在中间回路电容器Czk上的电压Uzk,SiC相应地改变，参见图5。在那里，又示出图4中的制动斩波器B的关于时间t的电流和电压变化曲线。
电流变化曲线示出经过半导体开关H-SiC的电流I-SiC的根据控制信号得出的周期性的阶梯变化曲线。电流I-SiC与图3中的电流I-Si相比具有较高的频率。对应地，中间回路中的电压Uzk,SiC的三角形的变化曲线具有比图3中的电压Uzk,Si的三角形的变化曲线更高的频率。在最高和最低电压值之间的间距表明由于电流I-SiC造成的电压纹波U-Ri,SiC。电压纹波虽然小于图3中的电压纹波，但是由此可实现的优点抵消不了通过SiC半导体开关的更高的购置成本造成的缺点。
附图标记列表：
B 制动斩波器
Czk 中间回路电容器
D 空载二极管
H-Si 基于Si的半导体开关
H-SiC 基于SiC的半导体开关
I-Si 经过基于Si的半导体开关的电流
I-SIC 经过基于SiC的半导体开关的电流
L 电网扼流圈
N 电流网
R 电阻
S 变流器
t 时间
U-Ri，Si 由于Si半导体开关造成的电压纹波
U-Ri，SiC 由于SiC半导体开关造成的电压纹波
Uzk，Si 在具有Si半导体开关的中间回路中的电压
Uzk，SiC 在具有SiC半导体开关的中间回路中的电压
Zin 输入阻抗
Claims (9)
1.一种电压供应装置，所述电压供应装置具有：
- 至少一个中间回路，所述中间回路包括至少一个中间回路电容器（CZK），
- 至少一个变流器（S），其中所述变流器（S）与所述中间回路的端子连接，使得所述变流器（S）能够由所述中间回路电容器（CZK）馈送电能和/或所述变流器能够将电能馈入到所述中间回路中， 和
- 至少一个制动斩波器（B），所述制动斩波器与所述中间回路电容器（CZK）的端子连接，使得所述中间回路电容器（CZK）的电能能够通过所述制动斩波器（B）转换成热能，
其特征在于，
所述变流器（S）配设有至少一个较高时钟激励的半导体开关（H-SiC），而所述制动斩波器（B）配设有至少一个较低时钟激励的半导体开关（H-Si）。
2.根据权利要求1所述的电压供应装置，
其特征在于，
所述变流器（S）配设有基于SiC的至少一个较高时钟激励的半导体开关（H-SiC），而所述制动斩波器（B）配设有基于Si的至少一个较低时钟激励的半导体开关（H-Si）。
3.根据权利要求1或2所述的电压供应装置，
其特征在于，
所述变流器（S）配设有至少一个SiC-MOSFET。
4.根据上述权利要求中任一项所述的电压供应装置，
其特征在于，
所述制动斩波器（B）配设有至少一个Si-IGBT。
5.根据上述要求中任一项所述的电压供应装置，
其特征在于，
至少一个变流器（S）构造为脉冲逆变器。
6.根据上述权利要求中任一项所述的电压供应装置，
其特征在于，
至少一个变流器（S）构造为四象限调节器。
7.根据上述权利要求中任一项所述的电压供应装置，
其特征在于，
全部变流器（S）仅配设有基于SiC的较高时钟激励的半导体开关（H-SiC）。
8.根据上述权利要求中任一项所述的电压供应装置，
其特征在于，
全部制动斩波器（B）仅配设有基于Si的较低时钟激励的半导体开关（H-Si）。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的电压供应装置在铁路的驱动中的应用。
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