CN112803812B - 一种动车组电源及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种动车组电源及其控制方法，该电源包括直流电源Vdc、电容C1、电容C2、电容C3、电容C4、开关管S1、开关管S2、开关管S3、开关管S4、开关管S5、二极管d1、二极管d2、滤波器LC和负载电阻R；控制方法是确保同一时刻只有两个开关管导通，同时确保逆变过程、多电平输出和电压增益的实现。本发明提供的动车组电源及其控制方法，具有低共模电磁干扰、多电平输出和高增益升压逆变的能力，具有谐波含量小，无需额外升压电路，体积小，成本低，效率高的特点。

Description

一种动车组电源及其控制方法
技术领域
本发明涉及电源供电技术领域，特别是涉及一种动车组电源及其控制方法。
背景技术
传统动车组电源采用降压逆变电源，如单相全桥逆变器等，应用到高铁上时，由于高铁充电机提供额定电压为110V，将其逆变至220V通常前级需安装boost变换器升压，导致两级结构复杂、效率降低。此外，传统动车组电源输入和输出电势差高频变化，共模干扰大，需要额外安装共模滤波器，否则影响用电设备正常使用，严重时危害列车运行安全。针对于上述问题，2017年秦岭副教授及其团队在卓越期刊中国电机工程学报上发表论文“基于单极倍频SPWM调制的单相Buck-Boost集成式升压逆变器研究”，2018年ParthasarathiSensarma教授团队在国际期刊IEEE Transaction on Power Electronics发表论文“NewSwitching Strategy for Single-Mode Operation of a Single-Stage Buck-BoostInverter”分别提出单级具有升降压能力的逆变器及其控制方案。然而，上述升压逆变器均为两电平输出，波形质量差，谐波含量大，所需滤波器体积大，所需成本增加。因此，研究新一代动车组电源具有重要工程意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种动车组电源及其控制方法，能够实现单级升压逆变和多电平输出，其输入和输出电势差不呈高频变化，具有效率高、共模干扰小、滤波器体积小、成本低的特点。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
本发明提出一种动车组电源，包括：直流电源Vdc、电容C1、电容C2、电容C3、电容C4、开关管S1、开关管S2、开关管S3、开关管S4、开关管S5、二极管d1、二极管d2、滤波器LC和负载电阻R；其中，
所述直流电源Vdc的正极分别接所述电容C1的正极、开关管S1的集电极和二极管d1的正极，所述直流电源Vdc的负极分别接所述电容C2的负极、开关管S2的发射极和二极管d2的负极，所述电容C1的负极分别接所述电容C2的正极和开关管S5的一端，所述开关管S1的发射极接所述开关管S2的集电极；
所述二极管d1的负极分别接所述电容C3的正极和开关管S3的集电极，所述二极管d2的正极分别接所述电容C4的负极和开关管S4的发射极，所述电容C3的负极接所述电容C4的正极，所述开关管S3的发射极接所述开关管S4的集电极；
所述滤波器LC的输入端分别接所述开关管S3的发射极和开关管S4的集电极，所述滤波器LC的输出端经所述负载电阻R分别接所述电容C1的负极、电容C2的正极和开关管S5的一端，所述开关管S5的另一端分别接所述开关管S1的发射极、开关管S2的集电极、电容C3的负极和电容C4的正极；
所述开关管S1的基极输入第一驱动信号，所述开关管S2的基极输入第二驱动信号，所述开关管S3的基极输入第三驱动信号，所述开关管S4的基极输入第四驱动信号，所述开关管S5输入第五驱动信号。
可选的，所述开关管S1、开关管S2、开关管S3和开关管S4为全控型开关管，所述开关管S5为双向开关管。
可选的，所述开关管S1、开关管S2、开关管S3和开关管S4采用IGBT或MOSFET。
可选的，所述开关管S5由两个全控型开关管反向串联且基极连接组合而成。
本发明还提出一种动车组电源控制方法，应用于上述动车组电源，包括以下步骤：
101)设定所述动车组电源的六种工作模式：
第一工作模式：所述第一驱动信号和第三驱动信号均是高电平，所述第二驱动信号、第四驱动信号和第五驱动信号均是低电平，此时所述开关管S1和开关管S3均处于导通状态，所述开关管S2、开关管S4和开关管S5均处于关断状态；
第二工作模式：所述第三驱动信号和第五驱动信号均是高电平，所述第一驱动信号、第二驱动信号和第四驱动信号均是低电平，此时所述开关管S3和开关管S5均处于导通状态，所述开关管S1、开关管S2和开关管S4均处于关断状态；
第三工作模式：所述第二驱动信号和第三驱动信号均是高电平，所述第一驱动信号、第四驱动信号和第五驱动信号均是低电平，此时所述开关管S2和开关管S3均处于导通状态，所述开关管S1、开关管S4和开关管S5均处于关断状态；
第四工作模式：所述第一驱动信号和第四驱动信号均是高电平，所述第二驱动信号、第三驱动信号和第五驱动信号均是低电平，此时所述开关管S1和开关管S4均处于导通状态，所述开关管S2、开关管S3和开关管S5均处于关断状态；
第五工作模式：所述第四驱动信号和第五驱动信号均是高电平，所述第一驱动信号、第二驱动信号和第三驱动信号均是低电平，此时所述开关管S4和开关管S5均处于导通状态，所述开关管S1、开关管S2和开关管S3均处于关断状态；
第六工作模式：所述第二驱动信号和第四驱动信号均是高电平，所述第一驱动信号、第三驱动信号和第五驱动信号均是低电平，此时所述开关管S2和开关管S4均处于导通状态，所述开关管S1、开关管S3和开关管S5均处于关断状态；
102)获取第一驱动信号、第二驱动信号、第三驱动信号、第四驱动信号和第五驱动信号；
103)将第一驱动信号、第二驱动信号、第三驱动信号、第四驱动信号和第五驱动信号分别连接到开关管S1的基极、开关管S2的基极、开关管S3的基极、开关管S4的基极和开关管S5的基极；
104)动车组电源根据开关管S1的第一驱动信号、开关管S2的第二驱动信号、开关管S3的第三驱动信号、开关管S4的第四驱动信号和开关管S5的第五驱动信号在每个开关周期内依次经历第一工作模式、第二工作模式、第三工作模式、第四工作模式、第五工作模式和第六工作模式；
105)重复步骤104；
106)得到目标交流电。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明提供的动车组电源及其控制方法，该电源包括直流电源、四个电容、五个开关管、两个二极管、一个LC滤波器和一个负载电阻，电路结构简单；通过控制五个开关就能够实现单级升压逆变和多电平输出，控制简单；其输入和输出电势差不呈高频变化，效率高、共模干扰小、波形质量好；减小滤波器和DC/DC升压电路的体积，从而节约成本。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例动车组电源的电路拓扑图；
图2为本发明实施例动车组电源控制方法流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种动车组电源及其控制方法，能够实现单级升压逆变和多电平输出，其输入和输出电势差不呈高频变化，具有效率高、共模干扰小、滤波器体积小、成本低的特点。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1所示(黑色圆点表示在此处导线交汇)，本发明实施例提供的动车组电源，包括：直流电源Vdc、电容C1、电容C2、电容C3、电容C4、开关管S1、开关管S2、开关管S3、开关管S4、开关管S5、二极管d1、二极管d2、滤波器LC和负载电阻R；其中，
直流电源Vdc的正极分别接电容C1的正极、开关管S1的集电极和二极管d1的正极，直流电源Vdc的负极分别接电容C2的负极、开关管S2的发射极和二极管d2的负极，电容C1的负极分别接电容C2的正极和开关管S5的一端，开关管S1的发射极接开关管S2的集电极；
二极管d1的负极分别接电容C3的正极和开关管S3的集电极，二极管d2的正极分别接电容C4的负极和开关管S4的发射极，电容C3的负极接电容C4的正极，开关管S3的发射极接开关管S4的集电极；
滤波器LC的输入端分别接开关管S3的发射极和开关管S4的集电极，连接点电压为Vo，滤波器LC的输出端经负载电阻R分别接电容C1的负极、电容C2的正极和开关管S5的一端，开关管S5的另一端分别接开关管S1的发射极、开关管S2的集电极、电容C3的负极和电容C4的正极；
开关管S1的基极输入第一驱动信号，开关管S2的基极输入第二驱动信号，开关管S3的基极输入第三驱动信号，开关管S4的基极输入第四驱动信号，开关管S5输入第五驱动信号。
其中，开关管S1、开关管S2、开关管S3和开关管S4都是全控型开关管，优选为IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管)或者MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，金氧半场效晶体管)，电路中的开关管S5为两个同前四个开关管一致的全控型开关管反向串联且基极连接组合而成，如开关管S1、开关管S2、开关管S3和开关管S4都是全控型IGBT，则开关管S5为两个IGBT的发射极连接，且两个IGBT的基极连接而成，从而提供双向阻断能力；电路中的电容的取值需要保证系统运行稳定。
本发明中的电容C1、电容C2、电容C3、电容C4以及开关管S5构成的升压网络，能够实现单级升压逆变和多电平输出功能，提高效率和波形质量，减小滤波器和DC/DC升压电路，从而节约成本，提高效率；从工作原理上来看，控制五个开关管的就能够实现单级多电平升压逆变，控制简单，易于实现。
如图2所示，本发明还提出一种动车组电源控制方法，应用于上述动车组电源，包括以下步骤：
101)设定动车组电源的六种工作模式：本发明的动车组电源电路拓扑只有五个开关管，而为了实现电路的单级升压逆变器以及多电平输出功能，每次只有两个开关管导通；
第一工作模式：第一驱动信号和第三驱动信号均是高电平，第二驱动信号、第四驱动信号和第五驱动信号均是低电平，此时开关管S1和开关管S3均处于导通状态，开关管S2、开关管S4和开关管S5均处于关断状态，此时开关管S2与开关管S4之间的连接点电压Vo为1.5Vdc；
第二工作模式：第三驱动信号和第五驱动信号均是高电平，第一驱动信号、第二驱动信号和第四驱动信号均是低电平，此时开关管S3和开关管S5均处于导通状态，开关管S1、开关管S2和开关管S4均处于关断状态，此时开关管S2与开关管S4之间的连接点电压Vo为Vdc；
第三工作模式：第二驱动信号和第三驱动信号均是高电平，第一驱动信号、第四驱动信号和第五驱动信号均是低电平，此时开关管S2和开关管S3均处于导通状态，开关管S1、开关管S4和开关管S5均处于关断状态，此时开关管S2与开关管S4之间的点电压Vo为0.5Vdc；
第四工作模式：第一驱动信号和第四驱动信号均是高电平，第二驱动信号、第三驱动信号和第五驱动信号均是低电平，此时开关管S1和开关管S4均处于导通状态，开关管S2、开关管S3和开关管S5均处于关断状态，此时开关管S2与开关管S4之间的点电压Vo为-0.5Vdc；
第五工作模式：第四驱动信号和第五驱动信号均是高电平，第一驱动信号、第二驱动信号和第三驱动信号均是低电平，此时开关管S4和开关管S5均处于导通状态，开关管S1、开关管S2和开关管S3均处于关断状态，此时开关管S2与开关管S4之间的点电压Vo为-1Vdc；
第六工作模式：第二驱动信号和第四驱动信号均是高电平，第一驱动信号、第三驱动信号和第五驱动信号均是低电平，此时开关管S2和开关管S4均处于导通状态，开关管S1、开关管S3和开关管S5均处于关断状态，此时开关管S2与开关管S4之间的点电压Vo为-1.5Vdc；
102)获取第一驱动信号、第二驱动信号、第三驱动信号、第四驱动信号和第五驱动信号；
103)将第一驱动信号、第二驱动信号、第三驱动信号、第四驱动信号和第五驱动信号分别连接到开关管S1的基极、开关管S2的基极、开关管S3的基极、开关管S4的基极和开关管S5的基极；
104)动车组电源根据开关管S1的第一驱动信号、开关管S2的第二驱动信号、开关管S3的第三驱动信号、开关管S4的第四驱动信号和开关管S5的第五驱动信号在每个开关周期内依次经历第一工作模式、第二工作模式、第三工作模式、第四工作模式、第五工作模式和第六工作模式；
105)重复步骤104；
106)得到目标交流电。
动车组电源的六种工作模式如下表1：
表1动车组电源的六种工作模式
工作模式 S<sub>1</sub> S<sub>2</sub> S<sub>3</sub> S<sub>4</sub> S<sub>5</sub> Vo
1 ON ON 1.5V<sub>dc</sub>
2 ON ON V<sub>dc</sub>
3 ON ON 0.5V<sub>dc</sub>
4 ON ON -0.5V<sub>dc</sub>
5 ON ON -1V<sub>dc</sub>
6 ON ON -1.5V<sub>dc</sub>
本发明提供的动车组电源及其控制方法，该电源包括直流电源、四个电容、五个开关管、两个二极管、一个LC滤波器和一个负载电阻，电路结构简单；通过控制五个开关就能够实现单级升压逆变和多电平输出，控制简单；其输入和输出电势差不呈高频变化，效率高、共模干扰小、波形质量好；减小滤波器和DC/DC升压电路的体积，从而节约成本。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (4)

1.一种动车组电源，其特征在于，包括：直流电源Vdc、电容C1、电容C2、电容C3、电容C4、开关管S1、开关管S2、开关管S3、开关管S4、开关管S5、二极管d1、二极管d2、滤波器LC和负载电阻R；其中，
所述直流电源Vdc的正极分别接所述电容C1的正极、开关管S1的集电极和二极管d1的正极，所述直流电源Vdc的负极分别接所述电容C2的负极、开关管S2的发射极和二极管d2的负极，所述电容C1的负极分别接所述电容C2的正极和开关管S5的一端，所述开关管S1的发射极接所述开关管S2的集电极；
所述二极管d1的负极分别接所述电容C3的正极和开关管S3的集电极，所述二极管d2的正极分别接所述电容C4的负极和开关管S4的发射极，所述电容C3的负极接所述电容C4的正极，所述开关管S3的发射极接所述开关管S4的集电极；
所述滤波器LC的输入端分别接所述开关管S3的发射极和开关管S4的集电极，所述滤波器LC的输出端经所述负载电阻R分别接所述电容C1的负极、电容C2的正极和开关管S5的一端，所述开关管S5的另一端分别接所述开关管S1的发射极、开关管S2的集电极、电容C3的负极和电容C4的正极；
所述开关管S1的基极输入第一驱动信号，所述开关管S2的基极输入第二驱动信号，所述开关管S3的基极输入第三驱动信号，所述开关管S4的基极输入第四驱动信号，所述开关管S5输入第五驱动信号；
所述开关管S1、开关管S2、开关管S3和开关管S4为全控型开关管，所述开关管S5为双向开关管。
2.根据权利要求1所述的动车组电源，其特征在于，所述开关管S1、开关管S2、开关管S3和开关管S4采用IGBT或MOSFET。
3.根据权利要求1所述的动车组电源，其特征在于，所述开关管S5由两个全控型开关管反向串联且基极连接组合而成。
4.一种动车组电源控制方法，应用于权利要求1-3中任一所述的动车组电源，其特征在于，包括以下步骤：
101)设定所述动车组电源的六种工作模式：
第一工作模式：所述第一驱动信号和第三驱动信号均是高电平，所述第二驱动信号、第四驱动信号和第五驱动信号均是低电平，此时所述开关管S1和开关管S3均处于导通状态，所述开关管S2、开关管S4和开关管S5均处于关断状态；
第二工作模式：所述第三驱动信号和第五驱动信号均是高电平，所述第一驱动信号、第二驱动信号和第四驱动信号均是低电平，此时所述开关管S3和开关管S5均处于导通状态，所述开关管S1、开关管S2和开关管S4均处于关断状态；
第三工作模式：所述第二驱动信号和第三驱动信号均是高电平，所述第一驱动信号、第四驱动信号和第五驱动信号均是低电平，此时所述开关管S2和开关管S3均处于导通状态，所述开关管S1、开关管S4和开关管S5均处于关断状态；
第四工作模式：所述第一驱动信号和第四驱动信号均是高电平，所述第二驱动信号、第三驱动信号和第五驱动信号均是低电平，此时所述开关管S1和开关管S4均处于导通状态，所述开关管S2、开关管S3和开关管S5均处于关断状态；
第五工作模式：所述第四驱动信号和第五驱动信号均是高电平，所述第一驱动信号、第二驱动信号和第三驱动信号均是低电平，此时所述开关管S4和开关管S5均处于导通状态，所述开关管S1、开关管S2和开关管S3均处于关断状态；
第六工作模式：所述第二驱动信号和第四驱动信号均是高电平，所述第一驱动信号、第三驱动信号和第五驱动信号均是低电平，此时所述开关管S2和开关管S4均处于导通状态，所述开关管S1、开关管S3和开关管S5均处于关断状态；
102)获取第一驱动信号、第二驱动信号、第三驱动信号、第四驱动信号和第五驱动信号；
103)将第一驱动信号、第二驱动信号、第三驱动信号、第四驱动信号和第五驱动信号分别连接到开关管S1的基极、开关管S2的基极、开关管S3的基极、开关管S4的基极和开关管S5的基极；
104)动车组电源根据开关管S1的第一驱动信号、开关管S2的第二驱动信号、开关管S3的第三驱动信号、开关管S4的第四驱动信号和开关管S5的第五驱动信号在每个开关周期内依次经历第一工作模式、第二工作模式、第三工作模式、第四工作模式、第五工作模式和第六工作模式；
105)重复步骤104；
106)得到目标交流电。
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