CN113039721A - 电压源变换器和用于电压源变换器的操作的方法 - Google Patents

Abstract

电压源变换器具有半桥(18)以及布置，该半桥(18)具有串联连接的两个电流阀(19，20)，该布置被配置为执行电压测量用于确定在变换器的DC侧的相对极(21，22)之间的DC电压的值。每个电流阀包括由相关的栅极驱动构件(29，30)控制的半导体设备(23，24)，栅极驱动构件(29，30)各自形成两个电流阀共同的一个栅极驱动单元(28)的栅极驱动部件。栅极驱动单元(28)包括在栅极驱动构件之间的隔离的双向通信链路(33)。布置被包括在栅极驱动单元中，并且被配置为测量所述相对极(21，22)之间的整个DC电压。变换器控制设备(31)基于电压测量的结果来计算控制信号并将控制信号发送到栅极驱动单元。

Description

电压源变换器和用于电压源变换器的操作的方法

技术领域

本发明涉及一种电压源变换器，该电压源变换器包括：

·具有两个电流阀的半桥，两个电流阀串联连接并被配置为连接到DC源/负载的相对极，每个所述电流阀包括关断型的半导体设备和与该半导体设备反并联连接的整流二极管，半桥的两个电流阀之间的中点形成变换器的AC侧，并被配置为连接到AC负载/源，

·两个栅极驱动构件，每个栅极驱动构件包括逻辑设备和栅极驱动级，被配置为根据来自变换器控制设备的控制信号控制电流阀的半导体设备导通和关断，

·所述变换器控制设备被配置为向所述栅极驱动构件发送控制信号，用于根据脉冲宽度调制模式来控制变换器的操作，用于在所述AC侧上产生AC基波电压和电流，以及

·被配置为执行电压测量的布置，用于将所述相对极之间的DC电压的值提供到第一所述逻辑设备，该第一所述逻辑设备被配置为将关于所述DC电压值的信息发送到变换器控制设备。

本发明不限于这样的变换器的任何具体使用，但是在本公开的一些部分中将解释其在诸如铁路车辆的有轨车辆中的使用，用于说明本发明，但并不因此将本发明限制于该应用。

这样的变换器用于出于不同目的将直流电压转换为交流电压或反之。因此，就电动机变换器而言，AC侧被认为是负载且DC侧是源，或者就线路变换器而言反之。本发明不限于施加到所述AC侧的电压的相的任何数量，尽管三相电压是最常见的，本发明也不限于要通过变换器馈送的这样的电压或电功率的任何特定水平。因此，在三相电压的情况下，变换器具有在DC侧的相对极之间的至少三个所述半桥(为了允许高电流，理论上每个相可以具有并联连接的多个半桥模块)。

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。

引言中定义的该类变换器的控制，特别是在用于大功率应用时，诸如向铁路车辆的驱动电动机提供电能时，通常需要关于变换器的DC侧上的DC电压的水平的信息。其一个原因是必须防止电流阀的半导体设备被施加过高的电压。为此，由所述布置确定的DC电压的值可以用于斩波器(chopper)的控制，通过该斩波器可以控制DC电压的水平。当试图优化电流阀的开关时，DC电压的精确值也可以用作到栅极驱动构件的控制的输入。

变换器控制设备是为了简单起见，且为了避免其电源及其通信端口中的接到地电位、即接到车身的大多数通信端口的昂贵的高压绝缘，而变换器主电路可以是负极接地的，即用其负直流电压极经由返回导体接到运行轨道，或者是中点接地的，即具有在其正极和负极之间连接的高阻抗分压器，其中分压器的中点接地、即接到车身。在后一种情况下，变换器控制设备和栅极驱动单元之间的电绝缘通信通道显然是必要的，而且在负极接地的情况下，为了避免电磁干扰和使得能够在不临时断开通信链路的情况下对主电路进行介电测试，这也是优选的。

背景技术

已知使用分开的电压测量设备，例如闭环电压传感器作为用于执行电压测量的布置，用于确定在引言中定义的该类电压源变换器中的相对极之间的DC电压的值。然而，生产和安装这样的测量设备的成本和工作量是高的，并且需要分开的电源。此外，然后可能还需要冗余的测量设备，以便保证变换器的操作。

为了解决这些问题，在WO 2007/059985中建议了使用集成在阀控制单元中的已有的电压测量设备，以向变换器控制设备提供关于跨相应的电流阀的DC电压的信息。在该方法中，然后在半导体设备关断的情况下测量跨电流阀的电压，用于获得所述DC电压的值。尽管这种已知的变换器概念很好地起作用，但是当然存在正在进行的尝试来改善这样的变换器的性能。

发明内容

本发明的目的是提供一种引言中定义的类型的电压源变换器及用于该电压源变换器的操作的方法，相对于已知的这样的变换器和方法，至少在一些方面上有改善。

这个目的关于通过向这样的变换器提供所附专利权利要求1的特征部分中所列出的特征所获得的变换器。

因此，两个栅极驱动构件形成两个电流阀的共同的一个栅极驱动单元的栅极驱动部分，并且这个栅极驱动单元包含互连栅极驱动构件的电隔离双向通信链路。布置被包括在栅极驱动单元中，并且包括跨两个电流阀连接的分压器，以便测量相对极之间的整个DC电压，并且变换器控制设备被配置为基于由布置执行的测量的结果来计算控制信号并将控制信号发送到栅极驱动单元。

根据本发明的变换器的一个优点在于，通过将用于两个电流阀的栅极驱动构件包括在一个栅极驱动单元中，并在栅极驱动构件之间提供隔离的双向通信链路，变换器控制设备可以控制整个相，即两个电流阀，通过单个控制信号告诉整个相做什么，例如接通任一电流阀或关断两个电流阀。通过两个栅极驱动构件之间的通信链路，这两个栅极驱动构件现在将具有直接相互作用的可能性，而对于已知的这样的将两个栅极驱动构件分开的相的配置而言，情况并非如此。

此外，具有两个栅极驱动构件共同的分压器导致更简单的设计，相对于已知的这种类型的变换器，其给出了更少的组件数量和经济优势。并且通过具有被包括在栅极驱动单元中的测量整个DC电压的布置，可以省略在将变换器连接到DC源/负载的DC链路中的电压传感器的使用。

根据本发明的实施例，所述分压器具有以所述极中的一个极作为参考电势的输出，并且所述输出连接到被包括在所述栅极驱动构件中的一个、第一栅极驱动构件中的处理部件。这有助于获得与到变换器控制设备的高速通信链路结合的更少的组件数量，该高速通信链路为整个栅极驱动单元所共有。

根据本发明的另一实施例，所述第一栅极驱动构件被配置为还将关于测量的DC电压的信息直接发送到第二栅极驱动构件，并且两个栅极驱动构件被配置为使用关于这个电压的信息来优化相应的电流阀的半导体设备的开关。通过栅极驱动构件之间的通信链路的存在，可以以这种方式优化电流阀的半导体设备的开关。

根据本发明的另一实施例，所述第一栅极驱动构件被配置为将由布置测量的DC电压的值直接用于所述半导体设备的控制。这是通过前述实施例获得可获得的结果的优选方式。

根据本发明的另一实施例，电压源变换器包括三个所述半桥，每个所述半桥具有所述栅极驱动单元，所述栅极驱动单元具有两个所述栅极驱动构件，用于在所述AC侧上产生三相AC基波电压和电流。这是该类的变换器，该变换器用于向铁路车辆的驱动电动机提供电能并且然后还在车辆制动时发送来自构成电动机的电机的电能，并且这些机器用作到变换器的DC侧的发电机。

根据本发明的另一实施例，变换器包括偶数个所述半桥，每个所述半桥具有所述栅极驱动单元，所述栅极驱动单元具有两个所述栅极驱动构件，其中每对半桥被配置为连接到AC线路铁路车辆主变压器的一个次级绕组并用于在所述AC侧上产生它们之间的单相AC基波电压和电流。因此，这个变换器被配置为用作线路变换器。

根据本发明的另一实施例，对于每个所述相，所述布置被包括在栅极驱动单元中。由于若干个栅极驱动单元将由此提供相同的DC电压的测量，因此系统的冗余/故障容限增加。

根据本发明的另一实施例，电流阀的半导体设备是IGBT(绝缘栅极双极晶体管)或MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)。

根据本发明的另一实施例，变换器是有轨车辆变换器，其被配置为布置在有轨车辆上并且例如是电动机变换器或辅助变换器，该电动机变换器被配置为通过变换器的所述AC侧向用于驱动车辆的电动机输送电力，该辅助变换器被配置为在变换器的所述AC侧上输送电压，以用于车辆的加热/冷却系统以及用于电气设备，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变换器的优选应用。

该目的关于通过提供根据所附独立方法权利要求的方法所获得的方法，并且这样的方法及其可能的实施例的优点，诸如在从属方法权利要求中所定义的，从根据本发明的电压源变换器的以上讨论中清楚地表现。

本发明还涉及根据其所涉及的所附权利要求的计算机程序、计算机程序产品、电子变换器控制单元和有轨车辆。

根据下面对本发明实施例的描述，本发明的其他优点以及有利特征将是清楚的。

附图说明

参考附图，以下是本发明的作为示例引用的实施例的具体描述。在图中：

图1是图示了可以如何在有轨车辆中布置和控制本发明所涉及的类型的不同类变换器的非常示意性的视图，

图2是根据本发明的实施例的变换器半桥的示意性电路图，以及

图3是图示了用于实现本发明的电子变换器控制单元的示意图。

具体实施方式

由于本发明尤其适合于在有轨车辆中使用，在不将本发明限制在该使用领域的情况下，现在将参考图1简要地描述使用根据本发明的电压源变换器的一些可能的方式。图1示意性地图示了可以如何将电力从AC电源线2馈送到有轨车辆1并用在所述车辆中。车辆被配置为沿着AC电源线2移动，该AC电源线2相应地充当AC源，并且该AC电源线2例如可以携带15kV和16 2/3Hz的单相交流电压(瑞典、德国等)或25kV和50Hz的单相交流电压(丹麦、中国、印度等)。该车辆具有用于将来自电源线2的电压转换为合适的水平的变压器3。这里变压器具有两个次级绕组4、5，两个次级绕组中的一个次级绕组连接到线路变换器6，该线路变换器6用于在其输出上输送例如0.8-3kV的直流电压。这个直流电压被输送到辅助变换器7，该辅助变换器7由变换器控制设备8控制，用于根据脉冲宽度调制模式产生一连串脉冲，用于在该辅助变换器7的输出上输送三相交流电压。这个变换器的输出连接到三相变压器9以及谐波滤波器10，该谐波滤波器10用于平滑由配电网络11输送到诸如用于计算机的连接的布置在有轨车辆中的插座，以及输送到照明、加热和其他电器的交流电压。

变压器的另一个次级绕组4连接到线路变换器12，该线路变换器12被配置为将其输出上的直流电压输送到电动机变换器13形式的电压源变换器的输入，该电压源变换器用于在其输出上将三相交流电压输送到电机形式的电动机15，用于驱动车辆。每个变换器12、13由变换器控制设备16、14控制，该变换器控制设备16、14确定了变换器的PWM模式。电动机变换器控制设备14将接收来自车辆的驾驶员的命令，用于使输送到电动机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)适应所指令的牵引效力/牵引力。在制动的情况下，车辆电力将通过线路变换器12在从电动机到AC电源线的方向上流动，该线路变换器12被控制为在其AC侧上输送单相交流电压。变换器6、7、12和13可以是根据本发明的电压源变换器。要指出的是，图1中所示的电气系统只是在有轨车辆中的电气系统的若干种可能的表现中的一种表现。

在图2中示意性地图示了根据本发明的实施例的电压源变换器17的单相。电压源变换器具有针对每个相的具有两个电流阀19、20的半桥模块18，两个电流阀19、20串联连接并且被配置为连接到DC源或负载的相对极21、22，诸如连接到图1中所示的变换器7和13的DC电压中间链路。每个电流阀具有MOSFET形式(IGBT也可以是无妨的)的关断型的半导体设备23、24和与半导体设备23、24反并联连接的整流二极管25、26。在AC负载的这种情况下，半桥的两个电流阀之间的中点形成变换器的AC侧27并被配置为连接到电感性阻抗。

电压源变换器具有针对每个相的栅极驱动单元28，该栅极驱动单元28具有被配置为控制第一电流阀20的MOSFET 24接通和关断(通常以几kHz的开关频率)的第一栅极驱动构件29和被配置为控制另一个、第二电流阀19的MOSFET 23接通和关断(通常以几kHz的开关频率)的第二栅极驱动构件30，用于在AC侧27上产生AC电压和电流。

三相的栅极驱动单元共同的变换器控制设备31被配置为通过高速隔离的双向通信链路32将到每个相的控制信号发送到栅极驱动单元28，用于控制变换器的操作，在该变换器中控制信号首先由第一栅极驱动构件29接收，该第一栅极驱动构件29通过逻辑设备46将所述信号处理为分开的用于第一栅极驱动构件29自己的ON/OFF控制信号和用于第二栅极驱动构件30的ON/OFF控制信号，并通过隔离的双向通信链路33将用于第二栅极驱动构件30的ON/OFF控制信号发送到互连栅极驱动构件的逻辑设备47，使得栅极驱动级34、35将相应的MOSFET 24、23接通或关断，以便产生预期的PWM。

对于变换器的操作，重要的是知道在其DC侧上的极21、22之间的DC电压的值，并且为了确保这个电压将永不达到不利于电流阀的功率半导体设备(MOSFET)的水平，必须确定这个值。为了这个目的，电压源变换器确实具有被配置为执行电压测量用于确定所述DC电压的值的布置，并且这个布置被包括在栅极驱动单元28中并且包括跨两个电流阀连接的分压器36，以便测量DC链路的相对极21、22之间的整个DC电压。这样的固定的电阻分压器输送可以被进一步处理的低压测量信号。相同的分压器硬件可以用于功率半导体设备，诸如IGBT，用于不同的电压，诸如额定的1.7kV和3.3kV。电压测量布置包括电阻分压器36和处理部件37、38、39、45。处理部件被包括在第一栅极驱动构件29中，并且包括用于选择所述布置的最终分压因子的构件37、低通滤波器38、模数转换器39和数字低通滤波器45。分压因子由逻辑设备46控制。与逻辑设备46匹配的阻抗由低通滤波器38提供。关于所得的DC电压值的信息通过高速通信链路32、以10μs的量级内的更新速度、与其他的相状态信息一起被发送到变换器控制设备31。变换器控制设备被配置为基于由DC电压测量布置这样执行的测量的结果来计算控制信号并将控制信号发送到栅极驱动单元28。

关于由布置测量的DC电压的信息可以与由分开的电流传感器(未示出)测量的负载电流一起被变换器控制设备用于计算电流阀的半导体设备的接通/关断时间。根据本发明的电压变换器中的栅极驱动单元可以自主地使用DC电压值信息用于优化功率半导体设备的开关，特别是用于在IGBT的情况下的接通。然后，包括该布置的第一栅极驱动构件29将直接使用由该布置测量的电压值，而另一个栅极驱动构件30使用通过通信链路33从第一栅极驱动构件29发送的值。

有利地，用于实现根据本发明的方法的计算机程序代码被包括在计算机程序中，该计算机程序可以被读取到计算机的内部存储器中，例如有轨车辆的电子变换器控制单元的内部存储器中。有利地，以包括数据存储介质的计算机程序产品来提供这样的计算机程序，该数据存储介质可以由计算机读取并且其上存储有计算机程序。图3非常示意性地图示了电子变换器控制单元40，该电子变换器控制单元40包括执行装置41，例如用于执行计算机软件的中央处理器单元(CPU)。执行装置41经由数据总线43与例如RAM类型的存储器42通信。电子变换器控制单元40还包括例如闪存的形式或ROM、PROM、EPROM或EEPROM类型的存储器的非暂时性数据存储介质44。执行装置41经由数据总线43与数据存储介质44通信。计算机程序包括用于实现根据本发明的方法的计算机程序代码。

当然，本发明绝不限于以上所描述的实施例，因为对于本领域技术人员来说，在不必脱离所附权利要求中限定的本发明的范围的情况下，其修改的许多可能性很可能是明显的。

为了冗余，有利的是具有在多相电压源变换器的每个栅极驱动单元中的电压测量布置，但是在三相电压源变换器的情况下，具有在栅极驱动单元中的仅一个或两个栅极驱动单元中的布置也在本发明的范围内。

此外，一个栅极驱动单元可以控制并联连接但属于同一相的多个半桥半导体模块，例如，四个模块并联连接并且每个模块具有两个串联连接的电流阀，形成针对该相的总共8个电流阀。

Claims (16)

1.一种电压源变换器，所述电压源变换器包括：

·具有两个电流阀(19，20)的半桥(18)，所述两个电流阀(19，20)串联连接并被配置为连接到DC源/负载的相对极(21，22)，每个所述电流阀包括关断型的半导体设备(23，24)和与半导体设备(23，24)反并联连接的整流二极管(25，26)，半桥的在所述两个电流阀之间的中点形成变换器的AC侧(27)并被配置为连接到AC负载/源，

·两个栅极驱动构件(29，30)，每个栅极驱动构件(29，30)包括被配置为根据来自变换器控制设备(31)的控制信号控制电流阀(19，20)的半导体设备(23，24)各自接通和关断的栅极驱动级(34，35)和逻辑设备(46，47)，

·所述变换器控制设备(31)被配置为将控制信号发送到所述栅极驱动构件(29，30)，用于根据脉冲宽度调制模式控制变换器的操作，用于在所述AC侧上产生AC基波电压和电流，以及

·布置，所述布置被配置为执行电压测量，用于将所述相对极(21，22)之间的DC电压的值提供到第一所述逻辑设备，第一逻辑设备被配置为将关于所述DC电压值的信息发送到变换器控制设备(31)，

其特征在于，所述两个栅极驱动构件(29，30)形成两个电流阀(19，20)共同的一个栅极驱动单元(28)的栅极驱动部件，所述栅极驱动单元包含互连所述栅极驱动构件的电隔离的双向通信链路(33)，所述布置被包括在所述栅极驱动单元(28)中，并且所述布置包括跨所述两个电流阀(19，20)连接的分压器(36)，以便测量所述相对极(21，22)之间的整个DC电压，并且变换器控制设备(31)被配置为基于由所述布置执行的所述测量的结果来计算所述控制信号并将所述控制信号发送到栅极驱动单元(28)。

2.根据权利要求1所述的电压源变换器，其特征在于，所述分压器(36)具有以所述极(21，22)中的一个极作为参考电势的输出，并且所述输出连接到被包括在所述栅极驱动构件中的一个、第一栅极驱动构件(29)中的处理部件(37，38，39，45)。

3.根据权利要求1或2所述的电压源变换器，其特征在于，所述第一栅极驱动构件(29)被配置为也将关于所测量的DC电压的信息直接发送到第二栅极驱动构件(30)，且两个栅极驱动构件被配置为使用关于这个电压的信息来优化相应的电流阀(19，20)的半导体设备(23，24)的开关。

4.根据权利要求2和3所述的电压源变换器，其特征在于，所述第一栅极驱动构件(29)被配置为直接使用由所述布置测量的DC电压的值用于所述半导体设备(24)的控制。

5.根据前述权利要求中任一项所述的电压源变换器，其特征在于，所述电压源变换器包括三个所述半桥(18)，每个所述半桥(18)具有所述栅极驱动单元(28)，所述栅极驱动单元(28)具有两个所述栅极驱动构件(29，30)，用于在所述AC侧上产生三相AC基波电压和电流。

6.根据权利要求1-4中任一项所述的电压源变换器，其特征在于，所述电压源变换器包括偶数个所述半桥(18)，每个所述半桥(18)具有带有两个所述栅极驱动构件(29，30)的所述栅极驱动单元(28)，其中每对半桥被配置为连接到AC线路铁路车辆主变压器的一个次级绕组，并且每对半桥用于在所述AC侧上产生它们之间的单相AC基波电压和电流。

7.根据权利要求5或6所述的电压源变换器，其特征在于，所述布置被包括在用于每个所述相的所述栅极驱动单元(28)中。

8.根据前述权利要求中任一项所述的电压源变换器，其特征在于，电流阀的半导体设备(23，24)是IGBT(绝缘栅极双极晶体管)或MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)。

9.根据前述权利要求中任一项所述的电压源变换器，其特征在于，所述电压源变换器是被配置为布置在有轨车辆(1)上的有轨车辆变换器(9，13)，且有轨车辆变换器是例如电动机变换器(13)，所述电动机变换器(13)被配置为通过变换器的所述AC侧向用于驱动车辆的电动机(15)输送电力，或者有轨车辆变换器是例如辅助变换器(9)，所述辅助变换器(9)被配置为在变换器的所述AC侧上输送用于车辆的加热/冷却系统和用于电气设备的电压，诸如通过布置在所述车辆中的插座。

10.一种操作电压源变换器的方法，所述电压源变换器包括具有两个电流阀(19，20)的半桥(18)、两个栅极驱动构件(29，30)、作为栅极驱动单元的一部分的布置以及变换器控制设备(31)，所述两个电流阀(19，20)串联连接并被配置为连接到DC源/负载的相对极，每个所述电流阀包括关断型的半导体设备(23，24)和与半导体设备(23，24)反向并联连接的整流二极管(25，26)，半桥的在所述两个电流阀之间的中点形成变换器的AC侧(27)并被配置为连接到AC负载/源，所述两个栅极驱动构件(29，30)被配置为根据来自变换器控制设备(31)的控制信号控制电流阀的半导体设备各自接通和关断，所述布置被配置为执行电压测量用于确定所述相对极之间的DC电压的值，所述变换器控制设备(31)被配置为将控制信号发送到第一所述栅极驱动构件，用于根据脉宽调制模式控制变换器的操作，用于在所述AC侧上产生AC基波电压和电流，

所述方法包括以下步骤：

a)执行电压测量用于确定所述相对极(21，22)之间的DC电压的值，并将关于DC电压的值的信息发送到变换器控制设备(31)，以及

b)基于所述测量的结果计算所述脉冲宽度调制模式的控制信号，

其特征在于，对具有所述两个栅极构件(29，30)的变换器执行所述方法，所述两个栅极构件(29，30)形成两个电流阀(19，20)共同的一个栅极驱动单元(28)的栅极驱动部件，且栅极驱动单元包含互连所述栅极驱动构件(29，30)的隔离的双向通信链路(33)，

在每个所述测量中，测量所述相对极(21，22)之间的整个DC电压，并且在步骤b)中，基于所述相对极之间的整个DC电压的所述测量的结果来计算所述控制信号并将所述控制信号发送到栅极驱动单元(28)。

11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，步骤b)中的关于DC电压值的信息也被所述两个栅极驱动构件(29，30)用于优化相应的电流阀(19，20)的半导体设备(23，24)的开关。

12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述DC电压测量由所述栅极驱动构件中的一个、第一栅极驱动构件(29)来执行，并且这个栅极驱动构件使用直接测量的DC电压的值用于控制所述半导体设备(24)并将这个值进一步发送到另一个栅极驱动构件(30)用于将这个值用于控制属于那个电流阀(19)的半导体设备(23)。

13.一种计算机程序，所述计算机程序包括计算机程序代码，当所述计算机程序由计算机执行时，所述计算机程序代码用于使计算机实现根据权利要求10-12中任一项所述的方法。

14.一种计算机程序产品，所述计算机程序产品包括非暂时性数据存储介质，所述非暂时性数据存储介质能够由计算机读取并且在所述非暂时性数据存储介质上存储根据权利要求13所述的计算机程序的程序。

15.一种电子变换器控制单元，所述电子变换器控制单元包括执行装置、连接到所述执行装置(41)的存储器、连接到所述执行装置的存储器(42)以及连接到所述执行装置的非暂时性数据存储介质(44)，且在所述非暂时性数据存储介质(44)上存储根据权利要求13所述的计算机程序的计算机程序代码。

16.一种具有至少一个变换器的有轨车辆，所述至少一个变换器为根据权利要求1-9中任一项所述的变换器。

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