CN1989685B - 具有电源侧四象限变流器的牵引变流器 - Google Patents

具有电源侧四象限变流器的牵引变流器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种牵引变流器，其具有一电源侧四象限变流器(2)与一调节设备(18)，所述电源侧四象限变流器(2)具有可断开的功率半导体(T7至T10)作为换流阀，所述功率半导体(T7至T10)分别与一功率二极管(D7至D10)反并联，所述调节设备(18)的输出端与所述可断开的功率半导体(T7...，T10)的控制端相连。根据本发明，分别布置一可控功率二极管(D11至D14)作为功率二极管，所述可控功率二极管(D11至D14)在其控制端上与一对应的二极管控制设备(20)相连，所述二极管控制设备(20)在其输入端上与所述调节设备(18)的控制输出端相连。由此可实现在无需使用二极管芯片面积有所增大的功率半导体模块的情况下使一牵引变流器的一四象限变流器(2)稳定工作的目的。

Description

具有电源侧四象限变流器的牵引变流器
技术领域
本发明涉及一种牵引变流器，其具有一电源侧四象限变流器与一调节设备，所述电源侧四象限变流器具有可断开的功率半导体作为换流阀，所述功率半导体分别与一功率二极管背靠背并联(Inverse parallel或back-to-back in parallel)，所述调节设备的输出端与所述可断开的功率半导体的控制端相连。
背景技术
在进行牵引驱动时，一般力求保持尽可能小的车辆无功功率需量。此外，信号电路和电信链路也不得因为电流失真而受到影响，而在进行变流器驱动时尤其有可能出现这种电流失真。为获得尽可能高的供电系统兼容性，牵引变流器配有一个电源侧脉冲控制变流器。牵引变流器的这种电源侧脉冲控制变流器被称为四象限变流器，借助于四象限变流器，可从单相电源电压生成所需的直流电压。对牵引驱动装置的电机的馈电通过由直流电压馈电的负载侧脉冲控制逆变器而完成。
可以将可断开的功率半导体与对应的续流二极管共同用作四象限变流器的换流阀。所述续流二极管为功率二极管，分别与对应的功率半导体背靠背并联。功率半导体及其相关的功率二极管通常布置在一个功率半导体模块内。举例而言，可将绝缘栅双极晶体管(IGBT)用作可断开的功率半导体。由于会出现高于100V的反向电压，因此一般将PIN二极管用作功率二极管。
所述PIN二极管的导通电压约为2V。高阻断PIN二极管的导通电压比上述电压高，一般为4V。在PIN二极管中，并不是瞬间就从导通范围过渡到反向偏压范围，这是因为必须得先释放存储在PN结中的电荷。其所需时间为存储时间，过渡前的导通电流越大，这个存储时间就越长。使用功率二极管时，所述存储时间一般以微秒计。
与电机侧的脉冲控制逆变器相比，当四象限变流器工作时，功率二极管的导通时间占较大部分，功率半导体的导通时间占较小部分。当功率半导体利用率较高时，这会导致功率二极管出现过载现象。过去，对这一问题的解决方案是使用二极管芯片面积有所增大的功率半导体模块。
由Dirk Drücke和Dieter Silber所著的文献“Power Diodes withActive Control of Emitter Efficiency”中公开了一种可控二极管。这种可控二极管又被称为发射极控制二极管(ECD)，其可借助一个控制信号在两种状态之间进行切换。在其中一种状态下，存储电荷量很高，而导通电压很低；在另一种状态下，存储电荷量与具有快速通断能力的二极管相符，导通电压则较高。一旦二极管的控制端上的控制信号为低电平，所述二极管即进入第一种状态。当所述控制信号的电平由低转高时，所述二极管就会进入低存储电荷状态。
发明内容
因此，本发明的目的是对一种具有一电源侧四象限变流器的已知牵引变流器进行改进，从而达到无需再使用二极管芯片面积有所增大的功率半导体模块的目的。
根据本发明，这个目的通过权利要求1所述的特征而达成。
根据本发明，在牵引变流器的四象限变流器中将可控二极管用作续流二极管，所述可控二极管在其控制端上与一对应的二极管控制设备相连，所述二极管控制设备在其输入端上与一用于控制有源输入变流器的可断开的功率半导体的调节设备的控制输出端相连。对所述可控二极管的控制方法为：当二极管或与之背靠背并联的可断开的功率半导体中有电流通过时，所述可控二极管进入低导通电压状态。在一与之串联的可断开的功率半导体即将接通时，可控二极管进入低存储电荷状态。由此可显著提高功率二极管的载流量，而且不会对其反向恢复性能带来不利影响。
由此可实现在无需使用二极管芯片面积有所增大的功率半导体模块的情况下使一牵引变流器的一四象限变流器稳定工作的目的。
附图说明
下面借助附图所示的本发明的牵引变流器的一个实施例对本发明作进一步说明，其中：
图1为一牵引变流器的一已知实施例；以及
图2为所述牵引变流器的根据本发明的一个实施例。
具体实施方式
图1所示的已知牵引变流器在其电源侧具有一个四象限变流器2，在其负载侧具有一个自换相脉冲控制变流器(Self-commutatingpulse-controlled converter)4，其中，这两个变流器2和4的直流电压侧借助直流电压中间电路相耦合。为清楚起见，附图只显示直流电压中间电路上的一个中间电路电容器CZK。自换相脉冲控制变流器4的输出端上连有交流电机6。四象限变流器2在其交流电压侧上借助一牵引变压器8与一高架电线10导电相连。牵引变压器8的次级绕组12分别与四象限变流器2的交流电压连接端14和16导电相连。单相电源电压uN借助四象限变流器2而转变为预定的中间电路电压UZK，由所述中间电路电压UZK可生成一与交流电机6的需求相匹配的电压系统，例如幅值及频率可变的三相电压系统。
在牵引变流器的这个已知实施例中，可断开的功率半导体T1至T6和T7至T10分别用作自换相脉冲控制变流器4和四象限变流器2的换流阀，所述功率半导体具体而言可以是绝缘栅双极晶体管(IGBT)。每个可断开的功率半导体T1至T6和T7至T10分别与功率二极管D1至D6和D7至D10背靠背并联。这些功率二极管D1至D6和D7至D10各自构成一续流二极管(freewheeling diode)。常见的功率半导体模块内部已具有一续流二极管。由此便无需再单独连接任何功率二极管。这样，所示的功率半导体T1至T10分别与其对应的功率二极管D1至D10构成一个模块。
与变流布局相关的电流方向为：以供电电源为起点，经牵引变压器8、四象限变流器2和自换相脉冲控制变流器4，至三相电机6。其结果是，在自换相脉冲控制变流器4中，可断开的功率半导体T1至T6在脉冲控制变流器4处于电机工作模式(Motor operation)时主要传导一负载电流。这与功率半导体模块中的二极管D1至D6和功率半导体T1至T6的标称值相符。与此相反，在四象限变流器2中，主要由二极管D7至D10传导电流(发电机工作模式Generator operation)。为了也可使用功率半导体模块，要求所使用的功率半导体模块的二极管芯片面积必须有所增大。为达到对四象限变流器2的功率半导体模块进行控制的目的，设置一带有单相电源电压uN的调节设备14。举例而言，可以将布置在牵引变流器的调控设备内的一微控制器用作调节设备14。
图2显示本发明的牵引变流器根据的一个实施例。本发明的这个实施例与图1所示的已知牵引变流器的实施例之间的区别在于，本发明的实施例用可控功率二极管D11至D14以及一个二极管控制设备20取代了功率二极管D7至D10。二极管控制设备20在其输出端上分别与可控二极管D11至D14的控制输入端G11至G14相连，在其输入端上分别与调节设备18的输出端相连，调节设备18的各输出端上产生用于控制四象限变流器2的可断开的功率半导体T7至T10的控制信号S7至S10。借助这个二极管控制设备20，可根据控制信号S7至S10生成用于控制可控二极管D11至D14的控制信号S11至S14。因此，将二极管控制设备20集成在调节设备18内是有利的。但也可以对二极管控制设备20进行拆分，即，给每个可控功率二极管D11至D14分配一个二极管控制设备。还可以对二极管控制设备20进行下述方式的拆分，即，给每个带有可断开的功率半导体T7、T8和T9、T10及其相关可控功率二极管D11、D12和D13、D14的桥臂分配一个二极管控制设备。在上述对二极管控制设备20的拆分方案中，有利的做法是将各二极管控制设备直接安装在模块上。
根据本发明，对二极管D11至D14的控制方法为，当二极管D11至D14或与之背靠背并联的功率半导体T7至T10中有电流通过时，二极管D11至D14进入低导通电压状态。举例而言，实现上述控制的最简单的方法是：只要接通背靠背并联的可断开的功率半导体T7、T8、T9或T10，即可使二极管D11、D12、D13或D14进入低导通电压状态。在相对的可断开的功率半导体T8、T10、T7或T9即将接通时，各可控二极管D11、D12、D13或D14从低导通电压状态转入低存储电荷(反向恢复电荷)状态。
与使用PIN二极管的实施例相比，通过将可控二极管D11至D14用作牵引变流器的四象限变流器2的可断开的功率半导体T7至T10的续流二极管，可提高续流二极管的载流量。由此可实现在无需使用二极管芯片面积有所增大的功率半导体模块的情况下使牵引变流器稳定工作的目的。

Claims (7)

1.一种牵引变流器，其具有一电源侧四象限变流器(2)与一调节设备(18)，所述电源侧四象限变流器(2)具有可断开的功率半导体(T7至T10)作为换流阀，所述功率半导体(T7至T10)分别与一功率二极管(D7至D10)背靠背并联，所述调节设备(18)的控制输出端与所述可断开的功率半导体(T7...，T10)的控制端相连，
其特征在于，
分别布置一可控功率二极管(D11至D14)作为功率二极管，所述可控功率二极管(D11至D14)在其控制端上与一对应的二极管控制设备(20)相连，所述二极管控制设备(20)在其输入端上与所述调节设备(18)的控制输出端相连。
2.根据权利要求1所述的牵引变流器，其特征在于，
所述四象限变流器(2)在其交流电压侧上与一牵引变压器(8)的次级绕组(12)相连。
3.根据权利要求1或2所述的牵引变流器，其特征在于，
一可断开的功率半导体(T7，...，T10)与一对应的可控功率二极管(D11，...，D14)集成在一模块内。
4.根据权利要求1或2所述的牵引变流器，其特征在于，
所述调节设备(18)与所述二极管控制设备(20)构成一结构单元。
5.根据权利要求1或2所述的牵引变流器，其特征在于，
布置绝缘栅双极晶体管作为可断开的功率半导体(T7，...，T10)。
6.一种控制根据权利要求1所述的牵引变流器中的可控功率二极管的方法，其特征在于，
在所述四象限变流器(2)中一可断开的功率半导体(T7，...，T10)被接通的同时，对应的可控功率二极管进入低导通电压状态，以及
当在所述四象限变流器(2)的桥臂中相对的可断开的功率半导体(T7，...，T10)即将接通时，所述可控功率二极管(D11，...，D14)进入低存储电荷状态。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，
根据所述可断开的功率半导体(T7，...，T10)的控制信号(S7，...，S10)生成所述可控功率二极管(D11，...，D14)的控制信号(S11，...，S14)。
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说明书附图1至3、图6.

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