CN113890331B - 一种混合型降压负阻变换器 - Google Patents

一种混合型降压负阻变换器 Download PDF

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Abstract

本发明属于电气化轨道交通技术领域，涉及一种混合型降压负阻变换器，包括：降压变换模块和混合负阻变换模块。降压变换模块把直流牵引变电所的电压变换为较低的中间电压，然后该中间电压作为混合负阻变换模块的输入电压；混合负阻变换模块通过调节其两连接端之间的电压实现负阻抗输出，负阻抗特性由混合负阻变换模块两连接端之间的电压与流过两连接端的电流比例关系得到。混合型降压负阻变换器的目的是：通过引入机械开关来减少电力电子开关数量，无需隔离变压器，列车电流在负阻变换模块仅有1个开关的通态压降，进而有利于混合型降压负阻变换器的热设计和散热器体积的减少。

Description

一种混合型降压负阻变换器
技术领域
本发明属于电气化轨道交通技术领域，特别属于城市轨道交通和电力电子变流器技术领域，涉及一种混合型降压负阻变换器，尤其涉及一种降低轨道电位和杂散电流腐蚀的混合型降压负阻变换器。
背景技术
城市轨道交通以其高效的运载能力、便捷的通勤体验和极低的尾气排放等特点得到了各大城市交通运输的认可与青睐，是助力城市可持续发展的有效方式之一。然而，在城市轨道交通中，由于走行轨对地不完全绝缘所引起的杂散电流与轨道电位问题不容忽视，所以，对城市轨道交通杂散电流与轨道电位的治理方案一直以来备受关注。
目前现有杂散电流和轨道电位治理措施普遍存在治理成本高、治理效果随时间推移而逐渐恶化和在既有线路上改造困难等问题。为此，在发明专利“一种降低地铁列车轨道电位系统”(公开号为：CN108297741B)中，提出一种主动实现近似零阻抗支路的办法来分流走行轨的回流电流，从而降低走行轨的轨道电位、并进而减轻城轨系统杂散电流腐蚀的系统。上述降低地铁列车轨道电位系统包括：负阻变换器等功能部件。
在传统负阻变换器中的开关器件主要采用电子电子开关，主要考虑到电力电子开关具有寿命长和可靠性高等优势。但大量电力电子开关的使用使得负阻变换器的硬件成本、控制成本和散热成本等显著增大。
负阻变换器输出电压的极性须根据列车电流的方向(牵引或制动)而改变，且在输出不同极性时，都流过列车大电流。然而，在实际城市轨道交通中的牵引能量远大于制动能量，负阻变换器也无需频繁切换输出电压的极性；因此，传统负阻变换器中的部分电力电子开关可以采用机械开关替换。相对于电力电子开关，机械开关具有硬件成本低和开关损耗小等优势。因此，混合型降压负阻变换器的拓扑研究，对于降低列车大电流下的损耗和推广“一种降低地铁列车轨道电位系统”具有重要意义。
发明内容
针对专利“一种降低地铁列车轨道电位系统”(公开号为：CN108297741B)中负阻变换器中的大电流特点，本发明提出了一种非隔离混合型降压负阻变换器，简述如下：
1、混合型降压负阻变换器由降压变换和混合负阻变换两个模块组成，降压变换模块把直流牵引变电所的电压变换为较低的中间电压，该中间电压作为混合负阻变换模块的输入电压；
2、混合负阻变换模块通过调节在两连接端(即第三连接端63和第四连接端64)之间的电压，以实现负阻抗输出，负阻特性由负阻抗两连接端之间的输出电容C2上电压与流过两连接端的电流比例关系得到；
3、无须变压器隔离，混合型降压负阻变换器从直流牵引变电所取电的负连接端(即第二连接端62)与一个输出连接端(即第三连接端63)都直接连接到走行轨回流点；
4、电流在混合负阻变换模块只流经1个开关器件。
所发明的混合型降压负阻变换器的具体技术方案如下：
一种混合型降压负阻变换器，包括：降压变换模块、混合负阻变换模块、第一连接端61、第二连接端62、第三连接端63、第四连接端64、第五连接端65和第六连接端66；
所述降压变换模块和混合负阻变换模块通过公共连接端连接；
所述公共连接端为：第五连接端65和第六连接端66；
所述降压变换模块用于：将直流牵引变电所的电压变换为较低的中间电压，再将中间电压作为混合负阻变换模块的输入电压；
所述混合负阻变换模块包括：输入电容C1、输出电容C2、电感L、开关S1、续流二极管D、第一机械开关K1和第二机械开关K2；
所述输入电容C1的上端与第五连接端65、开关S的左端均连接；
所述输入电容C1的下端与第六连接端66、第一机械开关K1的下端、输出电容C2的下端、第三连接端63均连接；
所述电感L的一端与开关S的右端、续流二极管D的上端均连接；
所述续流二极管D的下端与第一机械开关K1的上端、第二机械开关K2的下端均连接；
所述电感L的另一端与第一机械开关K1的右端、第二机械开关K2的左端均连接；
第二机械开关K2的右端与第四连接端64、输出电容C2的上端均连接；
第三连接端63和第四连接端64构成负阻抗的两个连接端；
通过调节第三连接端63和第四连接端64之间的电压，以实现负阻抗输出；负阻抗特性由第三连接端63和第四连接端64之间的电压与流过第三连接端63和第四连接端64的电流比例关系得到。
在上述技术方案的基础上，当降压变换模块输出负电压，混合负阻变换模块输入负电压时，
所述混合负阻变换模块的输入电容C1的上端为负极端，所述混合负阻变换模块的输出电容C2的上端为负极端；所述混合负阻变换模块的开关S1的右端为正极端，所述混合负阻变换模块的开关S的左端为负极端；所述混合负阻变换模块的续流二极管D的上端为阳极，所述混合负阻变换模块的续流二极管D的下端为阴极；所述第一机械开关K1的上端为第一触头X1，所述第一机械开关K1的右端为第二触头X2，所述第一机械开关K1的下端为掷刀连接端X3；所述第二机械开关K2的左端为第一触头Y1，所述第二机械开关K2的下端为第二触头Y2，所述第二机械开关K2的右端为掷刀连接端Y3；
当降压变换模块输出正电压，混合负阻变换模块输入正电压时，
所述混合负阻变换模块的输入电容C1的上端为正极端，所述混合负阻变换模块的输出电容C2的上端为负极端；所述混合负阻变换模块的开关S1的右端为负极端，所述混合负阻变换模块的开关S1的左端为正极端；所述混合负阻变换模块的续流二极管D的上端为阴极，所述混合负阻变换模块的续流二极管D的下端为阳极；所述第一机械开关K1的上端为第二触头X2，所述第一机械开关K1的右端为第一触头X1，所述第一机械开关K1的下端为掷刀连接端X3；所述第二机械开关K2的左端为第二触头Y2，所述第二机械开关K2的下端为第一触头Y1，所述第二机械开关K2的右端为掷刀连接端Y3。
在上述技术方案的基础上，当混合负阻变换模块输入负电压，且当列车处于牵引工况时，开关S1根据负阻特性进行脉冲调制；第一机械开关K1的第一触头X1和掷刀连接端X3相连，第二机械开关K2的第一触头Y1和掷刀连接端Y3相连；混合型降压负阻变换器在其第三连接端63与第四连接端64之间输出正极性指定幅值电压；
当混合负阻变换模块输入负电压，且当列车处于再生制动工况时，开关S1根据负阻特性进行脉冲调制；第一机械开关K1的第二触头X2和掷刀连接端X3相连，第二机械开关K2的第二触头Y2和掷刀连接端Y3相连；混合型降压负阻变换器在其第三连接端63与第四连接端64之间输出负极性指定幅值电压。
当混合负阻变换模块输入正电压，且当列车处于牵引工况时，开关S1根据负阻特性进行脉冲调制；第一机械开关K1的第一触头X1和掷刀连接端X3相连，第二机械开关K2的第一触头Y1和掷刀连接端Y3相连；混合型降压负阻变换器在其第三连接端63与第四连接端64之间输出正极性指定幅值电压；
当混合负阻变换模块输入正电压，且当列车处于再生制动工况时，开关S1根据负阻特性进行脉冲调制；第一机械开关K1的第二触头X2和掷刀连接端X3相连，第二机械开关K2的第二触头Y2和掷刀连接端Y3相连；混合型降压负阻变换器在其第三连接端63与第四连接端64之间输出负极性指定幅值电压。
在上述技术方案的基础上，当降压变换模块输出负电压时，
所述降压变换模块包括：输入电容C1、输出电容C2、开关S、电感L和续流二极管D；
所述输入电容C1的负极端与第二连接端62、电感L的一端、输入电容C2的正极端、第六连接端66均连接；
所述输入电容C1的正极端与第一连接端61、开关S的正极端均连接；
所述开关S的负极端与电感L的另一端、续流二极管D的阴极端均连接；
所述续流二极管D的阳极端与第五连接端65、输出电容C2的负极端均连接；
所述开关S根据输入电压特性进行脉冲调制。
当降压变换模块输出正电压时，
所述降压变换模块包括：输入电容C1、输出电容C2、开关S、电感L和续流二极管D；
所述输入电容C1的负极端与第二连接端62、续流二极管D的阳极端、输出电容C2的负极端、第六连接端66均连接；
所述输入电容C1的正极端与第一连接端61、开关S的正极端均连接；
所述开关S的负极端与电感L的一端、续流二极管D的阴极端均连接；
所述电感L的另一端与第五连接端65、输入电容C2的正极端均连接；
所述开关S根据输入电压特性进行脉冲调制。
在上述技术方案的基础上，所述混合负阻变换模块还包括：RC吸收电路；
所述RC吸收电路包括：两个吸收电阻Rs1、两个吸收电阻Rs2、两个吸收电容Cs1和两个吸收电容Cs2；
所述第一机械开关K1的第一触头X1与吸收电阻Rs1的一端连接，所述吸收电阻Rs1的另一端与吸收电容Cs1的一端连接，所述吸收电容Cs1的另一端与吸收电容Cs2的一端、第一机械开关K1的掷刀连接端X3均连接，所述吸收电容Cs2的另一端与吸收电阻Rs2的一端连接，所述吸收电阻Rs2的另一端与第一机械开关K1的第二触头X2连接；
所述第二机械开关K2的第一触头Y1与另一个吸收电阻Rs1的一端连接，所述另一个吸收电阻Rs1的另一端与另一个吸收电容Cs1的一端连接，所述另一个吸收电容Cs1的另一端与另一个吸收电容Cs2的一端、第二机械开关K2的掷刀连接端Y3均连接，所述另一个吸收电容Cs2的另一端与另一个吸收电阻Rs2的一端连接，所述另一个吸收电阻Rs2的另一端与第二机械开关K2的第二触头Y2连接。
在上述技术方案的基础上，当混合负阻变换模块输入负电压时，所述混合负阻变换模块还包括：两个二极管Ds1和两个二极管Ds2；
在所述两个吸收电阻Rs1的两端分别并联一个二极管Ds1，且二极管Ds1的阳极端与第一机械开关K1的第一触头X1连接，另一个二极管Ds1的阳极端与第二机械开关K2的第一触头Y1连接；
在所述两个吸收电阻Rs2的两端分别并联一个二极管Ds2，且二极管Ds2的阴极端与第一机械开关K1的第二触头X2连接，另一个二极管Ds2的阴极端与第二机械开关K2的第二触头Y2连接；
当混合负阻变换模块输入正电压时，所述混合负阻变换模块还包括：两个二极管Ds1和两个二极管Ds2；
在所述两个吸收电阻Rs1的两端分别并联一个二极管Ds1，且二极管Ds1的阴极端与第一机械开关K1的第一触头X1连接，另一个二极管Ds1的阴极端与第二机械开关K2的第一触头Y1连接；
在所述两个吸收电阻Rs2的两端分别并联一个二极管Ds2，且二极管Ds2的阳极端与第一机械开关K1的第二触头X2连接，另一个二极管Ds2的阳极端与第二机械开关K2的第二触头Y2连接；
所述两个二极管Ds1、两个二极管Ds2和RC吸收电路组成RCD吸收电路。
在上述技术方案的基础上，所述混合负阻变换模块还包括：RC吸收电路；
所述RC吸收电路包括：两个吸收电阻Rs、两个吸收电容Cs1和两个吸收电容Cs2；
所述第一机械开关K1的第一触头X1与吸收电容Cs1的一端连接，所述吸收电容Cs1的另一端与吸收电容Cs2的一端、吸收电阻Rs的一端均连接，所述吸收电阻Rs的另一端与第一机械开关K1的掷刀连接端X3连接，所述吸收电容Cs2的另一端与第一机械开关K1的第二触头X2连接；
所述第二机械开关K2的第一触头Y1与另一个吸收电容Cs1的一端连接，所述另一个吸收电容Cs1的另一端与另一个吸收电容Cs2的一端、另一个吸收电阻Rs的一端均连接，所述另一个吸收电阻Rs的另一端与第二机械开关K2的掷刀连接端Y3连接，所述另一个吸收电容Cs2的另一端与第二机械开关K2的第二触头Y2连接。
在上述技术方案的基础上，所述开关S1和开关S均为带反并联二极管的电力电子开关；
所述电力电子开关为：可关断开关器件或可关断开关器件的组合；
所述可关断开关器件为：IGBT、MOSFET、SiC-MOSFET或IGCT。
所述反并联二极管和续流二极管D为与可关断开关器件匹配的快速恢复二极管；
所述第一机械开关K1和第二机械开关K2均为：机械触头开关；
所述机械触头开关为：单刀双掷机械触头开关(又称为：单刀双掷机械开关)。
一种应用上述混合型降压负阻变换器的降低地铁列车轨道电位系统，将混合型降压负阻变换器置于牵引供电系统中，构成降低地铁列车轨道电位系统，所述降低地铁列车轨道电位系统包括：两个混合型降压负阻变换器、若干开关单元、接触网2、走行轨3和回流线5；
所述两个混合型降压负阻变换器分别为：第一混合型降压负阻变换器6a和混合型降压负阻变换器6b；
所述若干开关单元分别为：开关单元7a，开关单元7b，…，开关单元7x；
每个开关单元均包括：开关单元第一端子71和开关单元第二端子72；
第一混合型降压负阻变换器6a的第一连接端61与直流牵引变电所1a的牵引网连接端11相连，第二混合型降压负阻变换器6b的第一连接端61与直流牵引变电所1b的牵引网连接端11相连；
第一混合型降压负阻变换器6a的第二连接端62与直流牵引变电所1a的走行轨连接端12相连，第二混合型降压负阻变换器6b的第二连接端62与直流牵引变电所1b的走行轨连接端12相连；
第一混合型降压负阻变换器6a的第三连接端63也与直流牵引变电所1a的走行轨连接端12相连，第二混合型降压负阻变换器6b的第三连接端63也与直流牵引变电所1b的走行轨连接端12相连；
第一混合型降压负阻变换器6a的第四连接端64与回流线5相连，第二混合型降压负阻变换器6b的第四连接端64也与回流线5相连；
直流牵引变电所1a的走行轨连接端12、直流牵引变电所1b的走行轨连接端12均与走行轨3连接；
直流牵引变电所1a的牵引网连接端11、直流牵引变电所1b的牵引网连接端11均与接触网2连接；
若干开关单元第一端子71与走行轨3连接，若干开关单元第二端子72与回流线5连接。
在上述技术方案的基础上，在城轨交通系统中，所述混合型降压负阻变换器与回流线5和若干开关单元构成零阻回流系统；通过开关单元的配合，并调节混合型降压负阻变换器的阻抗，使混合型降压负阻变换器的输出阻抗与流经电流的回流线5的阻抗相抵消，从而构建零阻回路，以转移列车回流电流。
本发明的有益效果如下：
1、混合型降压负阻变换器直接从直流牵引变电所获得输入电压，不必采用与牵引变电所隔离的其他直流电源获得输入电压，降低了制造成本；
2、混合型降压负阻变换器从直流牵引变电所直接获得输入电压，其输出电压与输入电压不用隔离，省却了隔离变压器，既降低了负阻变换器的成本和体积，也减少了损耗；
3、混合型降压负阻变换器的混合负阻变换模块从中间输入电压到输出电压的电流只流过1个电力电子开关或与其相匹配的续流二极管，大大降低了混合负阻变换模块的大电流在电力电子器件中的通态损耗，有利于混合型降压负阻变换器的热设计和散热器体积的减少。
附图说明
本发明有如下附图：
图1是现有技术中负阻变换器的典型应用连接结构示意图；
图2是本发明混合型降压负阻变换器中的混合负阻变换模块在输入负电压时的主电路结构示意图；
图3是本发明混合型降压负阻变换器中的混合负阻变换模块在输入正电压时的电路结构示意图；
图4是本发明混合型降压负阻变换器中的降压变换模块在输出负电压时的电路结构示意图；
图5是本发明混合型降压负阻变换器中的降压变换模块在输出正电压时的电路结构示意图；
图6是本发明所述的单刀双掷机械开关的RC吸收电路结构示意图一；
图7是本发明所述的单刀双掷机械开关的RC吸收电路结构示意图二；
图8是本发明所述的单刀双掷机械开关的RCD吸收电路结构示意图一；
图9是本发明所述的单刀双掷机械开关的RCD吸收电路结构示意图二；
图10是本发明混合型降压负阻变换器应用于降低地铁列车轨道电位系统中的电路结构示意图；
图11是本发明混合型降压负阻变换器中电力电子开关类型示意图一；
图12是本发明混合型降压负阻变换器中电力电子开关类型示意图二；
图13是本发明混合型降压负阻变换器中电力电子开关类型示意图三。
具体实施方式
为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行更详细的说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。
如图1所示，是发明专利“一种降低地铁列车轨道电位系统”(公开号为：CN108297741 B)中的图3(a)，将负阻变换器应用于现有的地铁轨道交通直流牵引供电系统中，所述降低地铁列车轨道电位系统包括：回流线5、负阻变换器6(即图1中的负阻变换器6a和负阻变换器6b)和开关单元7(即图1中的开关单元7a、开关单元7b、…、开关单元7x)；
其中，负阻变换器6a和负阻变换器6b在降低地铁列车轨道电位系统中的连接方式为：负阻变换器6a的第一连接端61与走行轨3相连，负阻变换器6b的第一连接端61也与走行轨3相连；负阻变换器6a的第二连接端62与回流线5相连，负阻变换器6b的第二连接端62也与回流线5相连；其负阻特性由第一连接端61、第二连接端62之间输出电容上的电压与流过两连接端(即第一连接端61和第二连接端62)的电流比例关系得到。
如图2所示，为本发明混合型降压负阻变换器中的混合负阻变换模块在输入负电压时的主电路结构示意图，其中，混合型降压负阻变换器由降压变换模块和混合负阻变换模块级联而成，混合型降压负阻变换器6的端子主要包括：第一连接端61、第二连接端62、第三连接端63、第四连接端64、第五连接端65和第六连接端66；
其中，第五连接端65与第六连接端66是降压变换模块和混合负阻变换模块的公共连接端，既构成了降压变换模块的输出端口，也构成了混合负阻变换模块的输入端口。
此外，根据第五连接端65与第六连接端66之间电压极性的不同可进一步划分为两种典型情况：
情况一：降压变换模块“输出负电压”，对应混合负阻变换模块“输入负电压”；
情况二：降压变换模块“输出正电压”，对应混合负阻变换模块“输入正电压”。
下面分别对这两种情况下，混合负阻变换模块和降压变换模块典型方案中的电路连接方式和工作原理进行详细讨论。
如图2和图10所示，当混合型降压负阻变换器的混合负阻变换模块在输入负电压时，其主电路连接方式为：
混合负阻变换模块的输入电容C1的负极端与第五连接端65相连，输入电容C1的正极端与第六连接端66相连，同时输入电容C1的正极端作为混合型降压负阻变换器的第三连接端63；输出电容C2的正极端与第三连接端63相连，输出电容C2的负极端作为混合型降压负阻变换器的第四连接端64，输入电容C1的负极端依次串联电力电子开关S1、电感L、第二机械开关K2的第一触头Y1和第二机械开关K2的掷刀连接端Y3后，并与输出电容C2的负极端相连；续流二极管D的阳极连接到电力电子开关S的正极和电感L的连接点，续流二极管D的阴极连接第一机械开关K1的第一触头X1，第一机械开关K1的第一触头X1和第二机械开关K2的第二触头Y2相连接；第一机械开关K1的第二触头X2和第二机械开关K2的第一触头Y1相连接，第一机械开关K1的掷刀连接端X3与混合型降压负阻变换器的第三连接端63相连，第二机械开关K2的掷刀连接端Y3与混合型降压负阻变换器的第四连接端64相连。
混合型降压负阻变换器输出电压的极性须根据列车电流的方向(牵引或制动)而改变；此时，混合负阻变换模块在输入负电压时的工作原理为：
当列车处于牵引工况时，列车牵引电流从第四连接端64流入，且从第三连接端63流出时，即从回流线5经混合型降压负阻变换器流向直流牵引变电所1(即图10中的直流牵引变电所1a和直流牵引变电所1b)的走行轨连接端12，为使混合型降压负阻变换器在其第三连接端63与第四连接端64之间输出正极性指定幅值电压，以结合列车牵引电流等效输出负阻抗，第一机械开关K1的第一触头X1和掷刀连接端X3相连，第二机械开关K2的第一触头Y1和掷刀连接端Y3相连；此时，电力电子开关S根据负阻特性需要进行脉冲调制；
当列车处于再生制动工况时，列车牵引电流从第三连接端63流入，且从第四连接端64流出时，即从直流牵引变电所1(即图10中的直流牵引变电所1a和直流牵引变电所1b)的走行轨连接端12经混合型降压负阻变换器流向回流线5，为使混合型降压负阻变换器在其第三连接端63与第四连接端64之间输出负极性指定幅值电压，以结合列车牵引电流等效输出负阻抗，第一机械开关K1的第二触头X2和掷刀连接端X3相连，第二机械开关K2的第二触头Y2和掷刀连接端Y3相连；此时，电力电子开关S根据负阻特性需要进行脉冲调制。
如图3和图10所示，当混合型降压负阻变换器的混合负阻变换模块在输入正电压时，其电路连接方式为：
混合负阻变换模块的输入电容C1的正极端与第五连接端65相连，输入电容C1的负极端与第六连接端66相连，同时输入电容C1的负极端作为混合型降压负阻变换器的第三连接端63；输出电容C2的正极端与第三连接端63相连，输出电容C2的负极端作为混合型降压负阻变换器的第四连接端64，输入电容C1的正极端依次串联电力电子开关S1、电感L、第二机械开关K2的第二触头Y2和第二机械开关K2的掷刀连接端Y3后，并与输出电容C2的负极端相连；续流二极管D的阴极连接到电力电子开关S的负极和电感L的连接点，续流二极管D的阳极连接第一机械开关K1的第二触头X2，第一机械开关K1的第一触头X1和第二机械开关K2的第二触头Y2相连接，第一机械开关K1的第二触头X2和第二机械开关K2的第一触头Y1相连接，第一机械开关K1的掷刀连接端X3与混合型降压负阻变换器的第三连接端63相连，第二机械开关K2的掷刀连接端Y3与混合型降压负阻变换器的第四连接端64相连。
此时，混合负阻变换模块在输入正电压时的工作原理为：
当列车处于牵引工况时，列车牵引电流从第四连接端64流入，且从第三连接端63流出时，即从回流线5经混合型降压负阻变换器流向直流牵引变电所1(即图10中的直流牵引变电所1a和直流牵引变电所1b)的走行轨连接端12，为使混合型降压负阻变换器在其第三连接端63与第四连接端64之间输出正极性指定幅值电压，以结合列车牵引电流等效输出负阻抗，第一机械开关K1的第一触头X1和掷刀连接端X3相连，第二机械开关K2的第一触头Y1和掷刀连接端Y3相连；此时，电力电子开关S根据负阻特性需要进行脉冲调制；
当列车处于再生制动工况时，列车牵引电流从第三连接端63流入，且从第四连接端64流出时，即从直流牵引变电所1(即图10中的直流牵引变电所1a和直流牵引变电所1b)的走行轨连接端12经混合型降压负阻变换器流向回流线5，为使混合型降压负阻变换器在其第三连接端63与第四连接端64之间输出负极性指定幅值电压，以结合列车牵引电流等效输出负阻抗，第一机械开关K1的第二触头X2和掷刀连接端X3相连，第二机械开关K2的第二触头Y2和掷刀连接端Y3相连；此时，电力电子开关S根据负阻特性需要进行脉冲调制。
当混合型降压负阻变换器的混合负阻变换模块在输入负电压时，降压变换模块需要输出负电压。此时降压变换模块可采用如图4所示的典型方案一，其主电路连接方式为：
所述混合型降压负阻变换器的降压变换模块的输入电容C1的正极端与第一连接端61相连，输入电容C1的负极端与第二连接端62相连，同时输入电容C2的负极端与第五连接端65相连，输入电容C2的正极端与第六连接端66相连，混合型降压负阻变换器的第一连接端61依次串联开关S和续流二极管D后，连接到混合型降压负阻变换器的第五连接端65，电感L的一端与开关S的负极端和续流二极管D的阴极端相连；输入电容C1的负极端与电感L的另一端相互连接后，再连接到所述输出电容C2的正极端；
此时，降压变换模块的主要工作原理为：为使得降压变换模块在其第五连接端65与第六连接端66之间输出负极性指定幅值电压，以供给混合负阻变换模块实现相应的负阻变换功能；此时，开关S根据输入电压特性进行脉冲调制。
当混合型降压负阻变换器的混合负阻变换模块在输入正电压时，降压变换模块需要输出正电压。此时降压变换模块可采用如图5所示的典型方案二，其主电路连接方式为：
所述混合型降压负阻变换器的降压变换模块输入电容C1的正极端与第一连接端61相连，输入电容C1的负极端与第二连接端62相连，同时输入电容C2的正极端与第五连接端65相连，输入电容C2的负极端与第六连接端66相连，混合型降压负阻变换器的第一连接端61依次串联开关S和电感L后，连接到混合型降压负阻变换器的第五连接端65，续流二极管D的阴极端与开关S的负极端相连，输入电容C1的负极端与续流二极管D的阳极端相互连接后，再连接到输出电容C2的正极端；
此时，降压变换模块的主要工作原理为：为使得降压变换模块在其第五连接端65与第六连接端66之间输出正极性指定幅值电压，以供给混合负阻变换模块实现相应的负阻变换功能；此时，开关S根据输入电压特性进行脉冲调制。
众所周知，城轨交通中列车牵引所需能量远大于列车制动回馈的能量。列车在牵引工况时，列车牵引电流是由回流线5经混合型降压负阻变换器，流向直流牵引变电所1的走行轨连接端12；负电压输入的混合负阻变换模块的开关损耗在相同负载电流时大大低于正电压输入的混合负阻变换模块。因此，负电压输入的混合负阻变换模块以及相匹配的降压变换模块作为混合型降压负阻变换器的优选方案。
如图6-图9所示，是本发明混合负阻变换模块中单刀双掷机械开关的吸收电路示意图，可采用如图6和图7中所示的RC吸收电路：
在图6中，单刀双掷机械开关的第一触头(即第一机械开关K1中的第一触头X1或第二机械开关K2中的第一触头Y1)通过吸收电阻Rs1、吸收电容Cs1与掷刀连接端(即第一机械开关K1中的掷刀连接端X3或第二机械开关K2中的掷刀连接端Y3)相连；且单刀双掷机械开关的第二触头(即第一机械开关K1中的第二触头X2或第二机械开关K2中的第二触头Y2)通过吸收电阻Rs2、吸收电容Cs2与掷刀连接端相连。
在图7中，单刀双掷机械开关的第一触头经吸收电容Cs1、第二触头经吸收电容Cs2均与吸收电阻Rs的同一侧相连，吸收电阻Rs的另一侧与掷刀连接端相连；此时，第一触头和第二触头通过共用同一个吸收电阻Rs，以降低安装体积与成本。
此外，可采用如图8和图9中所示的RCD吸收电路，即在图6的基础上，额外增加二极管Ds1和二极管Ds2，且二极管Ds1并联在吸收电阻Rs1两端，二极管Ds2并联在吸收电阻Rs2两端。
在图8中，单刀双掷机械开关的第一触头与二极管Ds1的阳极端相连，第二触头与二极管Ds2的阴极端相连，以适应混合负阻变换模块为输入负电压的情形。
在图9中，单刀双掷机械开关的第一触头与二极管Ds1的阴极端相连，第二触头与二极管Ds2的阳极端相连，以适应混合负阻变换模块为输入正电压的情形。
本发明所述的混合型降压负阻变换器应用于发明专利“一种降低地铁列车轨道电位系统”(公开号为：CN 108297741 B)的典型方案如图10所示。其中，混合型降压负阻变换器6(即图7中的混合型降压负阻变换器6a和混合型降压负阻变换器6b)对外引出4个端子：第一连接端61、第二连接端62、第三连接端63和第四连接端64；其中，第一连接端61与直流牵引变电所1的牵引网连接端11(即直流牵引变电所1的正极端)相连，第二连接端62与牵引变电所1的走行轨连接端12相连，第三连接端63与牵引变电所1的走行轨连接端12相连，第四连接端64与回流线5相连，在直流牵引变电所1a和直流牵引变电所1b均设有交流端13。
如图11-图13所示，在所述低损耗负阻变换器(即混合型降压负阻变换器)中，电力电子开关为IGBT(如图11所示)、MOSFET(如图12所示)、SiC-MOSFET(如图12所示)或IGCT(如图13所示)等可关断开关器件或这些开关器件的组合，所述的反并联二极管或续流二极管为与电力电子开关件匹配的快速恢复二极管，所述单刀双掷机械开关为机械触头开关。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
本说明书中未做详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (9)

1.一种混合型降压负阻变换器，其特征在于，包括：降压变换模块、混合负阻变换模块、第一连接端（61）、第二连接端（62）、第三连接端（63）、第四连接端（64）、第五连接端（65）和第六连接端（66）；
所述降压变换模块和混合负阻变换模块通过公共连接端连接；
所述公共连接端为：第五连接端（65）和第六连接端（66）；
所述降压变换模块用于：将直流牵引变电所的电压变换为中间电压，再将中间电压作为混合负阻变换模块的输入电压；
所述混合负阻变换模块包括：输入电容C1、输出电容C2、电感L、开关S1、续流二极管D、第一机械开关K1和第二机械开关K2；
所述输入电容C1的上端与第五连接端（65）、开关S1的左端均连接；
所述输入电容C1的下端与第六连接端（66）、第一机械开关K1的下端、输出电容C2的下端、第三连接端（63）均连接；
所述电感L的一端与开关S1的右端、续流二极管D的上端均连接；
所述续流二极管D的下端与第一机械开关K1的上端、第二机械开关K2的下端均连接；
所述电感L的另一端与第一机械开关K1的右端、第二机械开关K2的左端均连接；
第二机械开关K2的右端与第四连接端（64）、输出电容C2的上端均连接；
第三连接端（63）和第四连接端（64）构成负阻抗的两个连接端；
通过调节第三连接端（63）和第四连接端（64）之间的电压，以实现负阻抗输出；负阻抗特性由第三连接端（63）和第四连接端（64）之间的电压与流过第三连接端（63）和第四连接端（64）的电流比例关系得到；
当降压变换模块输出负电压时，
所述降压变换模块包括：输入电容C1、输出电容C2、开关S、电感L和续流二极管D；
所述输入电容C1的负极端与第二连接端（62）、电感L的一端、输出电容C2的正极端、第六连接端（66）均连接；
所述输入电容C1的正极端与第一连接端（61）、开关S的正极端均连接；
所述开关S的负极端与电感L的另一端、续流二极管D的阴极端均连接；
所述续流二极管D的阳极端与第五连接端（65）、输出电容C2的负极端均连接；
所述开关S根据输入电压特性进行脉冲调制；
当降压变换模块输出正电压时，
所述降压变换模块包括：输入电容C1、输出电容C2、开关S、电感L和续流二极管D；
所述输入电容C1的负极端与第二连接端（62）、续流二极管D的阳极端、输出电容C2的负极端、第六连接端（66）均连接；
所述输入电容C1的正极端与第一连接端（61）、开关S的正极端均连接；
所述开关S的负极端与电感L的一端、续流二极管D的阴极端均连接；
所述电感L的另一端与第五连接端（65）、输出电容C2的正极端均连接；
所述开关S根据输入电压特性进行脉冲调制。
2.如权利要求1所述的混合型降压负阻变换器，其特征在于：当降压变换模块输出负电压，混合负阻变换模块输入负电压时，
所述混合负阻变换模块的输入电容C1的上端为负极端，所述混合负阻变换模块的输出电容C2的上端为负极端；所述混合负阻变换模块的开关S1的右端为正极端，所述混合负阻变换模块的开关S1的左端为负极端；所述混合负阻变换模块的续流二极管D的上端为阳极，所述混合负阻变换模块的续流二极管D的下端为阴极；所述第一机械开关K1的上端为第一触头X1，所述第一机械开关K1的右端为第二触头X2，所述第一机械开关K1的下端为掷刀连接端X3；所述第二机械开关K2的左端为第一触头Y1，所述第二机械开关K2的下端为第二触头Y2，所述第二机械开关K2的右端为掷刀连接端Y3；
当降压变换模块输出正电压，混合负阻变换模块输入正电压时，
所述混合负阻变换模块的输入电容C1的上端为正极端，所述混合负阻变换模块的输出电容C2的上端为负极端；所述混合负阻变换模块的开关S1的右端为负极端，所述混合负阻变换模块的开关S1的左端为正极端；所述混合负阻变换模块的续流二极管D的上端为阴极，所述混合负阻变换模块的续流二极管D的下端为阳极；所述第一机械开关K1的上端为第二触头X2，所述第一机械开关K1的右端为第一触头X1，所述第一机械开关K1的下端为掷刀连接端X3；所述第二机械开关K2的左端为第二触头Y2，所述第二机械开关K2的下端为第一触头Y1，所述第二机械开关K2的右端为掷刀连接端Y3。
3.如权利要求2所述的混合型降压负阻变换器，其特征在于：当混合负阻变换模块输入负电压，且当列车处于牵引工况时，开关S1根据负阻特性进行脉冲调制；第一机械开关K1的第一触头X1和掷刀连接端X3相连，第二机械开关K2的第一触头Y1和掷刀连接端Y3相连；混合型降压负阻变换器在其第三连接端（63）与第四连接端（64）之间输出正极性指定幅值电压；
当混合负阻变换模块输入负电压，且当列车处于再生制动工况时，开关S1根据负阻特性进行脉冲调制；第一机械开关K1的第二触头X2和掷刀连接端X3相连，第二机械开关K2的第二触头Y2和掷刀连接端Y3相连；混合型降压负阻变换器在其第三连接端（63）与第四连接端（64）之间输出负极性指定幅值电压；
当混合负阻变换模块输入正电压，且当列车处于牵引工况时，开关S1根据负阻特性进行脉冲调制；第一机械开关K1的第一触头X1和掷刀连接端X3相连，第二机械开关K2的第一触头Y1和掷刀连接端Y3相连；混合型降压负阻变换器在其第三连接端（63）与第四连接端（64）之间输出正极性指定幅值电压；
当混合负阻变换模块输入正电压，且当列车处于再生制动工况时，开关S1根据负阻特性进行脉冲调制；第一机械开关K1的第二触头X2和掷刀连接端X3相连，第二机械开关K2的第二触头Y2和掷刀连接端Y3相连；混合型降压负阻变换器在其第三连接端（63）与第四连接端（64）之间输出负极性指定幅值电压。
4.如权利要求3所述的混合型降压负阻变换器，其特征在于：所述混合负阻变换模块还包括：RC吸收电路；
所述RC吸收电路包括：两个吸收电阻Rs1、两个吸收电阻Rs2、两个吸收电容Cs1和两个吸收电容Cs2；
所述第一机械开关K1的第一触头X1与吸收电阻Rs1的一端连接，所述吸收电阻Rs1的另一端与吸收电容Cs1的一端连接，所述吸收电容Cs1的另一端与吸收电容Cs2的一端、第一机械开关K1的掷刀连接端X3均连接，所述吸收电容Cs2的另一端与吸收电阻Rs2的一端连接，所述吸收电阻Rs2的另一端与第一机械开关K1的第二触头X2连接；
所述第二机械开关K2的第一触头Y1与另一个吸收电阻Rs1的一端连接，所述另一个吸收电阻Rs1的另一端与另一个吸收电容Cs1的一端连接，所述另一个吸收电容Cs1的另一端与另一个吸收电容Cs2的一端、第二机械开关K2的掷刀连接端Y3均连接，所述另一个吸收电容Cs2的另一端与另一个吸收电阻Rs2的一端连接，所述另一个吸收电阻Rs2的另一端与第二机械开关K2的第二触头Y2连接。
5.如权利要求4所述的混合型降压负阻变换器，其特征在于：当混合负阻变换模块输入负电压时，所述混合负阻变换模块还包括：两个二极管Ds1和两个二极管Ds2；
在所述两个吸收电阻Rs1的两端分别并联一个二极管Ds1，且二极管Ds1的阳极端与第一机械开关K1的第一触头X1连接，另一个二极管Ds1的阳极端与第二机械开关K2的第一触头Y1连接；
在所述两个吸收电阻Rs2的两端分别并联一个二极管Ds2，且二极管Ds2的阴极端与第一机械开关K1的第二触头X2连接，另一个二极管Ds2的阴极端与第二机械开关K2的第二触头Y2连接；
当混合负阻变换模块输入正电压时，所述混合负阻变换模块还包括：两个二极管Ds1和两个二极管Ds2；
在所述两个吸收电阻Rs1的两端分别并联一个二极管Ds1，且二极管Ds1的阴极端与第一机械开关K1的第一触头X1连接，另一个二极管Ds1的阴极端与第二机械开关K2的第一触头Y1连接；
在所述两个吸收电阻Rs2的两端分别并联一个二极管Ds2，且二极管Ds2的阳极端与第一机械开关K1的第二触头X2连接，另一个二极管Ds2的阳极端与第二机械开关K2的第二触头Y2连接；
所述两个二极管Ds1、两个二极管Ds2和RC吸收电路组成RCD吸收电路。
6.如权利要求3所述的混合型降压负阻变换器，其特征在于：所述混合负阻变换模块还包括：RC吸收电路；
所述RC吸收电路包括：两个吸收电阻Rs、两个吸收电容Cs1和两个吸收电容Cs2；
所述第一机械开关K1的第一触头X1与吸收电容Cs1的一端连接，所述吸收电容Cs1的另一端与吸收电容Cs2的一端、吸收电阻Rs的一端均连接，所述吸收电阻Rs的另一端与第一机械开关K1的掷刀连接端X3连接，所述吸收电容Cs2的另一端与第一机械开关K1的第二触头X2连接；
所述第二机械开关K2的第一触头Y1与另一个吸收电容Cs1的一端连接，所述另一个吸收电容Cs1的另一端与另一个吸收电容Cs2的一端、另一个吸收电阻Rs的一端均连接，所述另一个吸收电阻Rs的另一端与第二机械开关K2的掷刀连接端Y3连接，所述另一个吸收电容Cs2的另一端与第二机械开关K2的第二触头Y2连接。
7.如权利要求5或6所述的混合型降压负阻变换器，其特征在于：所述开关S1和开关S均为带反并联二极管的电力电子开关；
所述电力电子开关为：可关断开关器件或可关断开关器件的组合；
所述可关断开关器件为：IGBT、MOSFET或IGCT；
所述反并联二极管和续流二极管D为与可关断开关器件匹配的快速恢复二极管；
所述第一机械开关K1和第二机械开关K2均为：机械触头开关；
所述机械触头开关为：单刀双掷机械触头开关。
8.一种应用权利要求1-7任一权利要求所述的混合型降压负阻变换器的降低地铁列车轨道电位系统，其特征在于：将混合型降压负阻变换器置于牵引供电系统中，构成降低地铁列车轨道电位系统，所述降低地铁列车轨道电位系统包括：两个混合型降压负阻变换器、若干开关单元、接触网（2）、走行轨（3）和回流线（5）；
所述两个混合型降压负阻变换器分别为：第一混合型降压负阻变换器（6a）和第二混合型降压负阻变换器（6b）；
所述若干开关单元分别为：开关单元7a，开关单元7b，…，开关单元7x；
每个开关单元均包括：开关单元第一端子（71）和开关单元第二端子（72）；
第一混合型降压负阻变换器（6a）的第一连接端（61）与直流牵引变电所1a的牵引网连接端（11）相连，第二混合型降压负阻变换器（6b）的第一连接端（61）与直流牵引变电所1b的牵引网连接端（11）相连；
第一混合型降压负阻变换器（6a）的第二连接端（62）与直流牵引变电所1a的走行轨连接端（12）相连，第二混合型降压负阻变换器（6b）的第二连接端（62）与直流牵引变电所1b的走行轨连接端（12）相连；
第一混合型降压负阻变换器（6a）的第三连接端（63）也与直流牵引变电所1a的走行轨连接端（12）相连，第二混合型降压负阻变换器（6b）的第三连接端（63）也与直流牵引变电所1b的走行轨连接端（12）相连；
第一混合型降压负阻变换器（6a）的第四连接端（64）与回流线（5）相连，第二混合型降压负阻变换器（6b）的第四连接端（64）也与回流线（5）相连；
直流牵引变电所1a的走行轨连接端（12）、直流牵引变电所1b的走行轨连接端（12）均与走行轨（3）连接；
直流牵引变电所1a的牵引网连接端（11）、直流牵引变电所1b的牵引网连接端（11）均与接触网（2）连接；
若干开关单元第一端子（71）与走行轨（3）连接，若干开关单元第二端子（72）与回流线（5）连接。
9.如权利要求8所述的降低地铁列车轨道电位系统，其特征在于：在城轨交通系统中，所述混合型降压负阻变换器与回流线（5）和若干开关单元构成零阻回流系统；通过开关单元的配合，并调节混合型降压负阻变换器的阻抗，使混合型降压负阻变换器的输出阻抗与流经电流的回流线（5）的阻抗相抵消，从而构建零阻回路，以转移列车回流电流。
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