CN211151844U - 电压源的转换器及轨道限制车辆 - Google Patents

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Abstract

本实用新型涉及一种电压源转换器，其具有半桥(18)，该半桥(18)有串联连接的两个电流阀(19、20)以及设置成执行电压测量的结构，该结构用于确定在转换器的DC侧的相对极(21、22)之间的DC电压值。各电流阀包括由相关栅极驱动部件(29、30)控制的半导体装置(23、24)，各栅极驱动部件(29、30)形成共用于两个电流阀的一个栅极10驱动单元(28)的栅极驱动部分。栅极驱动单元(28)包括在栅极驱动部件之间的隔离双向通信链路(33)。该结构包含在栅极驱动单元中，并设置成测量在所述相对极(21、22)之间的整个DC电压。转换器控制装置15(31)根据电压测量的结果来计算和发送控制信号至栅极驱动单元。本实用新型还涉及一种轨道限制车辆。

Description

电压源的转换器及轨道限制车辆
技术领域
本实用新型涉及一种电压源转换器，它包括：
具有两个电流阀的半桥，这两个电流阀串联连接，并设置成与DC 电源/负载的相对极连接，各所述电流阀包括关断类型的半导体装置和与它反向并联连接的整流二极管，半桥的、在两个电流阀之间的中点形成转换器的AC侧，并设置成与AC负载/电源连接；
两个栅极驱动部件，各栅极驱动部件包括逻辑装置和栅极驱动级，该栅极驱动级设置成控制电流阀的半导体装置，以便根据来自转换器控制装置的控制信号而各自接通和断开；
所述转换器控制装置设置成根据脉冲宽度调制模式来向用于控制转换器操作的所述栅极驱动部件发送控制信号，用于产生在所述AC 侧的AC基础电压和电流，以及
设置成执行电压测量的结构，用于向第一所述逻辑装置提供在所述相对极之间的DC电压值，该第一逻辑装置设置成向转换器控制装置发送关于所述DC电压值的信息。
本实用新型并不局限于这种转换器的任何特殊使用，但是在本说明书的一些部分中，本实用新型在轨道限制车辆(例如轨道车辆)中的使用将介绍为示例说明本实用新型，但是本实用新型并不因此局限于该应用。
这种转换器用于将直流电压转换成交流电压或者相反，用于不同目的。因此，对于马达转换器，AC侧认为是负载，DC侧认为是源，而对于线路转换器则相反。本实用新型并不局限于施加在所述AC侧的任何数目的电压相，尽管最常见的是三相电压，本实用新型也不局限于要通过转换器供给的这种电压或电功率的任何特殊水平。因此，在三相电压的情况下，转换器在DC侧的相对极之间有至少三个所述半桥(理论上，各相可以有并联连接的多个半桥模块，以便允许高电流)。
电流阀的半导体装置可以是任何关断类型的半导体装置，例如 IGBT或MOSFET。
在引言中所述类型的转换器的控制通常需要关于转换器DC侧的 DC电压水平的信息，特别是当用于大功率应用时，例如向铁路车辆的驱动马达提供电能。一个原因是必须防止向电流阀的半导体装置施加太高电压。为此，由所述结构确定的DC电压值可以用于断路器 (chopper)的控制，DC电压的水平可以通过该断路器来控制。当试图优化电流阀的切换时，DC电压的精确值也有利地用于向栅极驱动部件的控制器的输入。
转换器控制装置是为了简明和为了避免它的供给源和大部分通信端口(该通信端口连接接地电势，即接车身)的昂贵高压绝缘，但转换器主电路也可以是负接地，即它的负直流电压极通过回路导体而与运行轨道连接，或中点接地，即有在它的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，即接车身。在后一种情况下，在转换器控制装置和栅极驱动单元之间显然需要电绝缘通信槽道，但是在负接地的情况下这是优选，以避免电磁干扰，并能够在不暂时断开通信链路的情况下进行主电路的介电测试。
背景技术
已知使用单独的电压测量装置(例如闭环电压换能器)作为用于执行电压测量的结构，用于确定在引言中所述类型的电压源转换器中的相对极之间的DC电压值。不过，用于生产和安装这种测量装置的成本和精力较高，并需要单独的电源。而且，为了保证转换器的操作，可能还需要冗余测量装置。
为了解决这些问题，在WO2007/059985中建议使用结合在阀控制单元中的现有电压测量装置，以便向转换器控制装置提供关于横过各电流阀的DC电压的信息。在该方法中，再在半导体装置关断的情况下测量横过电流阀的电压，以便获得所述DC电压的值。尽管这种已知转换器概念很好地起作用，但是当然还在尝试提高这种转换器的性能。
实用新型内容
本实用新型的目的是提供一种在引言中所述类型的电压源转换器，该电压源转换器相对于这种已知转换器至少在某些方面有改进。
该目的通过提供具有本实用新型的转换器来实现。
本实用新型公开了一种电压源的转换器，包括：具有两个电流阀的半桥，这两个电流阀串联连接，并设置成与DC电源/负载的相对极连接，各所述电流阀包括关断类型的半导体装置和与所述半导体装置反向并联的整流二极管，半桥的、在两个电流阀之间的中点形成转换器的AC侧，并设置成与AC负载/电源连接；两个栅极驱动部件，各栅极驱动部件包括逻辑装置和栅极驱动级，所述栅极驱动级设置成控制电流阀的半导体装置，以便根据来自转换器控制装置的控制信号而各自接通和断开；转换器控制装置，其设置成根据脉冲宽度调制模式来向所述栅极驱动部件发送控制信号，用于控制转换器操作，从而产生在所述AC侧的AC基础电压和电流，以及设置成执行电压测量的测量结构，用于向逻辑装置提供在所述相对极之间的DC电压值，所述逻辑装置设置成向转换器控制装置发送关于所述DC电压值的信息，其中，所述两个栅极驱动部件形成共用于两个电流阀的一个栅极驱动单元的栅极驱动部分，且所述栅极驱动单元包括使得所述栅极驱动部件相互连接的电隔离双向通信链路，所述测量结构包含于所述栅极驱动单元中并包括分压器，所述分压器横过两个电流阀连接，以便测量在所述相对极之间的整个DC电压，转换器控制装置设置成根据由所述测量结构执行的测量的结果来进行计算并发送所述控制信号至栅极驱动单元，所述转换器包括多个所述半桥，各半桥包括具有两个所述栅极驱动部件的所述栅极驱动单元，用于在所述AC侧产生多相 AC基础电压和电流。
本实用新型还公开了一种轨道限制车辆，所述轨道限制车辆具有前述的电压源的转换器。
因此，两个栅极驱动部件形成共用于两个电流阀的一个栅极驱动单元的栅极驱动部分，且该栅极驱动单元包括使得栅极驱动部件相互连接的电隔离双向通信链路。这种结构包含于栅极驱动单元中，并包括分压器，该分压器横过两个电流阀连接，以便测量在相对极之间的整个DC电压，且转换器控制装置设置成根据由该结构执行的测量的结果来计算和发送控制信号至栅极驱动单元。
根据本实用新型的转换器的一个优点是，通过将用于两个电流阀的栅极驱动部件包含在一个栅极驱动单元中，并在栅极驱动部件之间提供隔离的双向通信链路，转换器控制装置可以通过单个控制信号来控制整个相(即两个电流阀)，该单个控制信号告诉整个相要做什么，例如接通任一电流阀或关断两个电流阀。通过在两个栅极驱动部件之间的通信链路，它们这时将能够直接相互作用，而对于已知的这种相设置，情况并非如此，在该已知的相设置中，两个栅极驱动部件分离。
而且，具有共用于两个栅极驱动部件的分压器导致更简单的设计，相对于已知的这种转换器，这使得部件数量更低和具有经济优点。且通过使得测量整个DC电压的结构包含在栅极驱动单元中，可以省略在使得转换器与DC电源/负载连接的DC链路中使用电压传感器。
根据本实用新型实施例，所述分压器有输出，其中，一个所述极作为参考电势，且所述输出与包含在一个第一所述栅极驱动部件中的处理部件连接。这有助于获得更低的部件数量，以及通向转换器控制装置的高速通信链路，该高速通信链路共用于整个栅极驱动单元。
根据本实用新型另一实施例，所述第一栅极驱动部件设置成也将关于测量的DC电压的信息直接发送至第二栅极驱动部件，且两个栅极驱动部件设置成使用关于该电压的信息来优化相应电流阀的半导体装置的切换。通过门驱动部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装置的切换。
根据本实用新型另一实施例，所述第一栅极驱动部件设置成直接使用由该结构测量的DC电压值来用于控制所述半导体装置。这是获得可通过前述实施例来获得的结果的优选方式。
根据本实用新型另一实施例，电压源转换器包括三个所述半桥，各所述半桥有所述栅极驱动单元，该栅极驱动单元有两个所述栅极驱动部件，用于产生在所述AC侧的三相AC基础电压和电流。该类型的转换器用于向铁路车辆的驱动马达提供电能，然后还在车辆制动时从构成马达的电机中发送电能，这些电机用作转换器的DC侧的发电机。
根据本实用新型另一实施例，转换器包括偶数个所述半桥，各半桥有所述栅极驱动单元，该栅极驱动单元有两个所述栅极驱动部件，其中，各对半桥设置成与AC线路铁路车辆主变压器的一个次级绕组连接，用于产生在所述AC侧在它们之间的单相AC基础电压和电流。因此，这种转换器设置成用作线路转换器。
根据本实用新型另一实施例，对于各所述相，所述结构包含在栅极驱动单元中。因为多个栅极驱动单元将由此提供相同DC电压的测量，因此增加了系统的冗余/故障容错。
根据本实用新型另一实施例，电流阀的半导体装置是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)。
根据本实用新型另一实施例，转换器是轨道限制车辆转换器，它设置成布置在轨道限制车辆上，例如是马达转换器，设置成通过转换器的所述AC侧向用于驱动车辆的马达传送电力，或者是辅助转换器，设置成传送在转换器的所述AC侧的电压，以便用于车辆的加热/冷却系统和电气装置，例如通过布置在所述车辆中的插座。这是这种类型的电压源转换器的优选应用。
从下面对本实用新型实施例的说明，将清楚本实用新型的其它优点以及有利特征。
附图说明
下面将参考附图特别介绍作为示例的本实用新型实施例。附图中：
图1是表示本实用新型所涉及的不同类型转换器可以怎样在轨道限制车辆中布置和控制的示意图，以及
图2是根据本实用新型实施例的转换器半桥的示意电路图。
具体实施方式
因为本实用新型特别适合用于轨道限制车辆，因此下面将参考图 1简要地介绍使用根据本实用新型的电压源转换器的一些可能方式，而并不是将本实用新型局限于该使用领域。图1示意表示了电力可以怎样从AC电源线2供给轨道限制车辆1和在所述车辆中使用。车辆设置成沿AC电源线2运动，该AC电源线2因此用作AC电源，并可以例如承载15kV和16 2/3Hz(瑞典、德国等)或者25kV和50Hz (丹麦、中国、印度等)的单相交流电压。车辆有变压器3，用于将来自电源线2的电压转换至合适水平。这里，变压器有两个次级绕组 4、5，一个次级绕组4、5与线路转换器6连接，用于在它的输出上传送例如0.8-3kV的直流电压。该直流电压传送给辅助转换器7，该辅助转换器7由转换器控制装置8来控制，该转换器控制装置8用于根据脉冲宽度调制模式来产生一系列脉冲，用于在它的输出上传送三相交流电压。该转换器的输出与三相变压器9以及谐波滤波器10连接，谐波滤波器10用于平滑由分配网络11传送给插座以及照明、加热和其它电器的交流电压，该插座布置在轨道限制车辆中，例如用于连接计算机。
变压器的另一次级绕组4与线路转换器12连接，该线路转换器 12设置成将它的输出上的直流电压传送给电压源转换器的输入，该电压源转换器成马达转换器13的形式，用于将它的输出上的三相交流电压传送给成电机形式的马达15，用于驱动车辆。各转换器12、13由转换器控制装置16、14来控制，该转换器控制装置16、14确定转换器的PWM模式。马达转换器控制装置14将接收来自车辆驾驶员的命令，用于使得传送给马达定子绕组的基础电压的频率(感应电机)或相位角(永磁电机)适应所命令的牵引作用/牵引力。在制动情况下，车辆电力将通过线路转换器12而沿从马达至AC电源线的方向流动，该线路转换器12控制成在它的AC侧传送单相交流电压。转换器6、 7、12和13可以是根据本实用新型的电压源转换器。应当指出，图1 中所示的电系统只是在轨道限制车辆中的电系统的多种可能形式中的一个。
在图2中示意表示了根据本实用新型实施例的电压源转换器17 的单相。电压源转换器有对于各相的半桥模块18，该半桥模块18有两个电流阀19、20，这两个电流阀19、20串联连接，并设置成与DC 电源或负载的相对极21、22连接，例如与图1中所示的转换器7和 13连接的DC电压中间链路。各电流阀有成MOSFET(也可以只是 IGBT)形式的关断类型半导体装置23、24以及与它反向并联连接的整流二极管25、26。在两个电流阀之间的半桥的中点形成转换器的 AC侧27，并设置成与电感阻抗连接，在这种情况下为AC负载。
电压源转换器对于各相有栅极驱动单元28，该栅极驱动单元28 有设置成控制第一电流阀20的MOSFET 24的第一栅极驱动部件29 以及设置成控制另一第二电流阀19的MOSFET 23的第二栅极驱动部件30，以便接通和关断(通常以几kHz的切换频率)，用于产生在AC 侧27的AC电压和电流。
共用于三相的栅极驱动单元的转换器控制装置31设置成通过高速隔离的双向通信链路32来将对于各相的控制信号发送给栅极驱动单元28，用于控制转换器的操作，其中，控制信号首先由第一栅极驱动部件29接收，该第一栅极驱动部件29将所述信号处理成用于它自身(通过逻辑装置46)和用于第二栅极驱动部件30的单独ON/OFF 控制信号，并通过隔离双向通信链路33而将用于第二栅极驱动部件 30的ON/OFF控制信号发送至与栅极驱动部件相互连接的逻辑装置 47，从而栅极驱动级34、35使得相应MOSFET 24、23接通或关断，以便产生预定的PWM。
对于转换器的操作，重要的是知道在它的DC侧的极21、22之间的DC电压值，且必须确定该值，以便保证该电压不会达到不利于电流阀的功率半导体装置(MOSFET)的水平。为此，电压源转换器确实有设置成执行电压测量的结构，用于确定所述DC电压的值，且该结构包含在栅极驱动单元28中，并包括横过两个电流阀连接的分压器 36，以便测量在DC链路的相对极21、22之间的整个DC电压。这种固定电阻分压器传送低压测量信号，该低压测量信号能够进一步处理。相同的分压器硬件可以用于功率半导体装置(例如IGBT)，用于不同的电压，例如额定1.7kV和3.3kV。电压测量结构包括电阻分压器36 和处理部件37、38、39、45。该处理部件包含在第一栅极驱动部件29 中，并包括用于选择所述结构的最终分压因子的部件37、低通滤波器 38、模数转换器39和数字低通滤波器45。分压因子由逻辑装置46来控制。与逻辑装置46匹配的阻抗通过低通滤波器38来提供。关于得到的DC电压值的信息与其它相状态信息一起通过高速通信链路32而发送给转换器控制装置31，且更新速率在大约10μs内。转换器控制装置设置成根据由DC电压测量结构这样执行的测量结果来计算和发送控制信号至栅极驱动单元28。
关于由该结构测量的DC电压的信息可以与由单独的电流传感器 (未示出)测量的负载电流一起由转换器控制装置来使用，用于计算电流阀的半导体装置的接通/断开时间。在根据本实用新型的电压转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装置的切换，特别是用于在IGBT情况下的接通。然后，包括该结构的第一栅极驱动部件29将直接使用由该结构测量的电压值，而另一栅极驱动部件30使用从第一栅极驱动部件29通过通信链路33 发送的值。
当然，本实用新型决不局限于上述实施例，因为本领域技术人员显然清楚在不脱离本实用新型范围的情况下能够进行多种变化。
冗余优点是在多相电压源转换器的各栅极驱动单元中都有电压测量结构，但是在三相电压源转换器的情况只在一个或两个栅极驱动单元中有该结构也将在本实用新型的范围内。
而且，一个栅极驱动单元可以控制并联连接但属于相同相的多个半桥半导体模块，例如并联连接的四个模块，各模块有串联连接的两个电流阀，从而使得总共8个电流阀用于该相。

Claims (9)

1.一种电压源的转换器，包括：
具有两个电流阀(19、20)的半桥(18)，这两个电流阀(19、20)串联连接，并设置成与DC电源/负载的相对极(21、22)连接，各所述电流阀包括关断类型的半导体装置(23、24)和与所述半导体装置反向并联的整流二极管(25、26)，半桥的、在两个电流阀之间的中点形成转换器的AC侧(27)，并设置成与AC负载/电源连接；
两个栅极驱动部件(29、30)，各栅极驱动部件(29、30)包括逻辑装置(46、47)和栅极驱动级(34、35)，所述栅极驱动级(34、35)设置成控制电流阀(19、20)的半导体装置(23、24)，以便根据来自转换器控制装置(31)的控制信号而各自接通和断开；
转换器控制装置(31)，其设置成根据脉冲宽度调制模式来向所述栅极驱动部件(29、30)发送控制信号，用于控制转换器操作，从而产生在所述AC侧的AC基础电压和电流，以及
设置成执行电压测量的测量结构，用于向逻辑装置提供在所述相对极(21、22)之间的DC电压值，所述逻辑装置设置成向转换器控制装置(31)发送关于所述DC电压值的信息，
其特征在于，所述两个栅极驱动部件(29、30)形成共用于两个电流阀(19、20)的一个栅极驱动单元(28)的栅极驱动部分，且所述栅极驱动单元包括使得所述栅极驱动部件相互连接的电隔离双向通信链路(33)，所述测量结构包含于所述栅极驱动单元(28)中并包括分压器(36)，所述分压器(36)横过两个电流阀(19，20)连接，以便测量在所述相对极(21、22)之间的整个DC电压，转换器控制装置(31)设置成根据由所述测量结构执行的测量的结果来进行计算并发送所述控制信号至栅极驱动单元(28)，所述转换器包括多个所述半桥(18)，各半桥(18)包括具有两个所述栅极驱动部件(29、30)的所述栅极驱动单元(28)，用于在所述AC侧产生多相AC基础电压和电流。
2.根据权利要求1所述的电压源的转换器，其特征在于：所述分压器(36)具有输出，其中，一个所述相对极(21、22)作为参考电势，所述输出与包含在所述栅极驱动部件中的一个第一栅极驱动部件(29)中的处理部件(37、38、39、45)连接。
3.根据权利要求2所述的电压源的转换器，其特征在于：所述第一栅极驱动部件(29)设置成还将关于测量的DC电压的信息直接发送至第二栅极驱动部件(30)，两个栅极驱动部件设置成使用关于所述DC电压的信息来优化相应电流阀(19、20)的半导体装置(23、24)的切换。
4.根据权利要求2所述的电压源的转换器，其特征在于：所述第一栅极驱动部件(29)设置成直接使用由所述测量结构测量的DC电压值来控制所述半导体装置(24)。
5.根据权利要求1-4中任意一项所述的电压源的转换器，其特征在于：所述转换器包括三个所述半桥(18)，用于在所述AC侧产生三相AC基础电压和电流。
6.根据权利要求1-4中任意一项所述的电压源的转换器，其特征在于：所述转换器包括偶数个所述半桥(18)，各对半桥设置成与AC线路铁路车辆主变压器的一个次级绕组连接，并用于在所述AC侧产生在两个所述栅极驱动部件(29、30)之间的单相AC基础电压和电流。
7.根据权利要求1-4中任意一项所述的电压源的转换器，其特征在于：电流阀的半导体装置(23、24)是绝缘栅极双极晶体管或金属氧化物半导体场效应晶体管。
8.根据权利要求1-4中任意一项所述的电压源的转换器，其特征在于：所述转换器是轨道限制车辆转换器，其设置成布置在轨道限制车辆(1)上，所述轨道限制车辆转换器是马达转换器(13)，设置成通过转换器的所述AC侧向用于驱动车辆的马达(15)传送电力，或者所述轨道限制车辆转换器是辅助转换器(9)，设置成传送在转换器的所述AC侧的电压，以便通过布置在所述轨道限制车辆中的插座用于电气装置和用于轨道限制车辆的加热和/或冷却系统。
9.一种轨道限制车辆，所述轨道限制车辆具有至少一个根据权利要求1至8中任意一项所述的电压源的转换器。
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