開關(guān)dc-dc轉(zhuǎn)換器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及用于控制DC-DC轉(zhuǎn)換器的方法、DC-DC轉(zhuǎn)換器的控制器和模塊化轉(zhuǎn)換 器。
【背景技術(shù)】
[0002] 電動列車或有軌電車可具有模塊化轉(zhuǎn)換器，模塊化轉(zhuǎn)換器包括多個轉(zhuǎn)換器基元， 轉(zhuǎn)換器基元用AC輸入電壓產(chǎn)生DC輸出電壓，DC輸出電壓供應(yīng)到列車上的其它電力裝置， 例如一個或多個電動馬達(dá)。通常，從架空線路供應(yīng)AC輸入電壓。
[0003] 模塊化轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換器基元可包括諧振DC-DC轉(zhuǎn)換器，其中，線路側(cè)上的DC-AC轉(zhuǎn) 換器通過諧振變壓器與馬達(dá)側(cè)上的AC-DC轉(zhuǎn)換器連接。DC-AC轉(zhuǎn)換器和AC-DC轉(zhuǎn)換器兩者 都可為具有可控半導(dǎo)體開關(guān)的主動轉(zhuǎn)換器。
[0004] 例如，DC-DC轉(zhuǎn)換器的半導(dǎo)體開關(guān)可按固定開關(guān)頻率和50%工作循環(huán)開關(guān)。取決 于通過模塊化轉(zhuǎn)換器的功率流的方向，開關(guān)DC-DC轉(zhuǎn)換器的一級線路側(cè)或二級馬達(dá)側(cè)的半 導(dǎo)體開關(guān)。這可在半導(dǎo)體開關(guān)接通期間提供零電壓開關(guān)（ZVS)，以及在斷開期間提供低電流 開關(guān)。由于開關(guān)損耗取決于開關(guān)期間的電壓和電流，所以這個開關(guān)策略可引起較小的開關(guān) 損耗，并且因而以標(biāo)稱功率額定值高效率地進行DC-DC轉(zhuǎn)換。
[0005] 但是，當(dāng)在低負(fù)載或無負(fù)載條件下使用此開關(guān)方法時，DC-DC轉(zhuǎn)換器的開關(guān)損耗仍 然大致相同，但傳遞的功率較少，并且因而效率降低。極端的情況下是無負(fù)載，這時DC-DC 轉(zhuǎn)換器不需要傳遞功率。但是，支持ZVS所需的循環(huán)電流會導(dǎo)致存在幾乎等量的開關(guān)損耗。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目標(biāo)是提高DC-DC轉(zhuǎn)換器在低負(fù)載或無負(fù)載條件下的效率。
[0007] 此目標(biāo)由獨立權(quán)利要求的主題實現(xiàn)。另外的示例性實施例根據(jù)從屬權(quán)利要求和以 下描述是顯而易見的。
[0008] 本發(fā)明的一方面涉及用于控制DC-DC轉(zhuǎn)換器的方法。DC-DC轉(zhuǎn)換器可為模塊化轉(zhuǎn) 換器的轉(zhuǎn)換器基元的一部分，模塊化轉(zhuǎn)換器可用來對列車的電動馬達(dá)供應(yīng)功率。
[0009] 根據(jù)本發(fā)明的實施例，DC-DC轉(zhuǎn)換器包括與變壓器和電容器串聯(lián)連接的 DC-AC (子）轉(zhuǎn)換器和AC-DC (子）轉(zhuǎn)換器，DC-AC轉(zhuǎn)換器和AC-DC轉(zhuǎn)換器兩者都包括半導(dǎo)體 開關(guān)。DC-DC轉(zhuǎn)換器可為諧振轉(zhuǎn)換器，變壓器是諧振箱的一部分。
[0010] 根據(jù)本發(fā)明的實施例，方法包括以下步驟：確定（或測量）DC-DC-轉(zhuǎn)換器的DC輸 入電壓和DC輸出電壓；基于DC輸入電壓和DC輸出電壓而確定開關(guān)條件是否被滿足；以及 產(chǎn)生具有開關(guān)脈沖的開關(guān)信號，以開關(guān)DC-AC轉(zhuǎn)換器和AC-DC轉(zhuǎn)換器中的至少一個的半導(dǎo) 體開關(guān)，其中，當(dāng)開關(guān)條件未被滿足時，阻止開關(guān)脈沖的產(chǎn)生。
[0011] 例如，開關(guān)信號可包括用于待開關(guān)的各個半導(dǎo)體開關(guān)的兩電平開關(guān)信號。當(dāng)信號 斷開時，半導(dǎo)體開關(guān)也斷開。相反，當(dāng)信號接通時，半導(dǎo)體開關(guān)也接通。開關(guān)脈沖可為開關(guān) 信號的其中開關(guān)信號接通的部分。
[0012] 在DC-DC轉(zhuǎn)換器的兩（第一和第二）側(cè)上，可測量電壓，并且可評價接收兩個電壓 作為輸入值的開關(guān)條件。當(dāng)條件被滿足時，可產(chǎn)生具有開關(guān)脈沖的開關(guān)信號。當(dāng)條件未被 滿足時，可產(chǎn)生斷開的開關(guān)信號。DC-DC轉(zhuǎn)換器的第一側(cè)可為輸入側(cè)或線路側(cè)。DC-DC轉(zhuǎn)換 器的第二側(cè)可為輸出側(cè)或馬達(dá)側(cè)。
[0013] 開關(guān)條件可基于DC-DC轉(zhuǎn)換器上的負(fù)載，其可直接或間接地影響開關(guān)條件。利用 自適應(yīng)控制方法，DC-DC轉(zhuǎn)換器可在低負(fù)載或無負(fù)載條件下高能效地開關(guān)。
[0014] 不是使模塊化轉(zhuǎn)換器內(nèi)的DC-DC轉(zhuǎn)換器以恒定頻率開關(guān)，而是可基于DC-DC轉(zhuǎn)換 器的兩側(cè)上的DC電壓，并且可選地基于DC-DC轉(zhuǎn)換器電流而調(diào)節(jié)發(fā)送到DC-DC轉(zhuǎn)換器的開 關(guān)脈沖的數(shù)量和形狀。
[0015] 利用該控制方法，可在模塊化轉(zhuǎn)換器中實現(xiàn)處于不同功率額定值且不僅標(biāo)稱運行 點下的高能效的開關(guān)策略。控制方法確保DC-DC轉(zhuǎn)換器穩(wěn)定地運行，S卩，可抵銷DC電壓相 對于它們的基準(zhǔn)值的偏離，使得在穩(wěn)態(tài)運行中，保持兩個DC電壓之間的比。控制方法可雙 向地工作，即，可支持從第一側(cè)到第二側(cè)的功率流，反之亦然。此外，由于避免了轉(zhuǎn)換器基元 之間的連通，該控制方法可反映模塊化轉(zhuǎn)換器的模塊化設(shè)計，而且可自己適應(yīng)不同數(shù)量的 轉(zhuǎn)換器基元（使得在一個基元失效的情況下，維持轉(zhuǎn)換器組件的可用性）。
[0016] 根據(jù)本發(fā)明的實施例，開關(guān)信號包括規(guī)則開關(guān)脈沖，規(guī)則開關(guān)脈沖關(guān)于開關(guān)信號 的周期有規(guī)律地開始的。規(guī)則開關(guān)脈沖可具有開關(guān)周期的一半的長度。例如，開關(guān)脈沖可在 周期的0%處開始，以及在周期的50%處結(jié)束，或者在周期的50%處開始，以及在周期的100% 處結(jié)束。
[0017] 根據(jù)本發(fā)明的實施例，開關(guān)信號包括比規(guī)則開關(guān)脈沖更短的縮減開關(guān)脈沖?？s減 開關(guān)脈沖可具有規(guī)則開關(guān)脈沖的一半長度。例如，縮減開關(guān)脈沖可在周期的25%處開始，以 及在周期的50%處結(jié)束，或者在周期的75%處開始，以及在周期的100%處結(jié)束。
[0018] 根據(jù)本發(fā)明的實施例，當(dāng)從受阻開關(guān)信號轉(zhuǎn)到不受阻開關(guān)信號時，產(chǎn)生縮減開關(guān) 脈沖。在開關(guān)信號的不具有開關(guān)脈沖的部分（其中開關(guān)信號被阻擋）之后，一系列或一串 開關(guān)脈沖可開始于縮減開關(guān)脈沖，后面可以是或可以不是至少一個規(guī)則開關(guān)脈沖。所有系 列的開關(guān)脈沖都以縮減開關(guān)脈沖開始可為可行的。
[0019] 根據(jù)本發(fā)明的實施例，開關(guān)信號包括用于開關(guān)一個子轉(zhuǎn)換器的上部半導(dǎo)體開關(guān)的 開關(guān)脈沖和用于開關(guān)該子轉(zhuǎn)換器的下部半導(dǎo)體開關(guān)的開關(guān)脈沖。通常，兩個半導(dǎo)體開關(guān)的 開關(guān)脈沖彼此交替，即，當(dāng)下部半導(dǎo)體開關(guān)斷開時，上部半導(dǎo)體開關(guān)接通，反之亦然。
[0020] 上部半導(dǎo)體開關(guān)的縮減開關(guān)脈沖的數(shù)量可等于下部半導(dǎo)體開關(guān)的縮減開關(guān)脈沖 的數(shù)量，并且/或者上部半導(dǎo)體開關(guān)的全開關(guān)脈沖的數(shù)量可等于下部半導(dǎo)體開關(guān)的全開關(guān) 脈沖的數(shù)量。照這樣，兩個半導(dǎo)體開關(guān)上的負(fù)載可平衡。
[0021] 根據(jù)本發(fā)明的實施例，開關(guān)條件基于DC輸入電壓和DC輸出電壓的差。照這樣，開 關(guān)控制方法支持DC-DC轉(zhuǎn)換器的第一和第二側(cè)上的DC電壓的平衡。
[0022] 根據(jù)本發(fā)明的實施例，確定或測量通過DC-DC轉(zhuǎn)換器的電流，例如DC輸出電流。開 關(guān)條件可基于電流和/或根據(jù)電流計算出的傳遞的功率。傳遞的功率可基于DC電壓和對 應(yīng)的電流的乘積。
[0023] 照這樣，可實施用于DC-DC轉(zhuǎn)換器的一系列全開關(guān)脈沖和縮減開關(guān)脈沖的開關(guān)脈 沖產(chǎn)生控制方法。開關(guān)脈沖的產(chǎn)生可基于第一和第二DC電壓，并且可選地基于模塊化轉(zhuǎn)換 器所傳遞的功率。
[0024] 根據(jù)本發(fā)明的實施例，方法進一步包括以下步驟：產(chǎn)生未經(jīng)濾波的開關(guān)信號（例 如用脈沖發(fā)生器）；以及通過在開關(guān)條件未被滿足時，阻擋未經(jīng)濾波的開關(guān)信號來形成應(yīng) 用于半導(dǎo)體開關(guān)的開關(guān)信號（例如通過用脈沖濾波器進行濾波）。脈沖發(fā)生器可產(chǎn)生規(guī)則 的、未經(jīng)濾波的開關(guān)信號，脈沖濾波器對其進行濾波，當(dāng)開關(guān)條件未被滿足時，脈沖濾波器 阻擋開關(guān)脈沖。
[0025] 根據(jù)本發(fā)明的實施例，方法進一步包括以下步驟：用狀態(tài)機阻擋未經(jīng)濾波的開關(guān) 信號，狀態(tài)機具有至少一個無阻擋狀態(tài)和至少一個阻擋狀態(tài)，在無阻擋狀態(tài)中，未經(jīng)濾波信 號未被阻擋，而在阻擋狀態(tài)中，未經(jīng)濾波的信號被阻擋；以及當(dāng)開關(guān)條件未被滿足時，使?fàn)?態(tài)機從無阻擋狀態(tài)過渡到阻擋狀態(tài)，而在開關(guān)條件被滿足時，使?fàn)顟B(tài)機從阻擋狀態(tài)過渡到 無阻擋狀態(tài)。脈沖濾波器可包括內(nèi)部狀態(tài)機，內(nèi)部狀態(tài)機具有基于開關(guān)過渡的完成狀況的 狀態(tài)過渡。
[0026] 根據(jù)本發(fā)明的實施例，方法進一步包括以下步驟：當(dāng)開關(guān)條件在未經(jīng)濾波的開關(guān) 信號的周期的中間處未被滿足時，使?fàn)顟B(tài)機從第一無阻擋狀態(tài)過渡到第一阻擋狀態(tài)；當(dāng)開 關(guān)條件在周期的四分之三處被滿足時，使?fàn)顟B(tài)機從第一阻擋狀態(tài)過渡到第二無阻擋狀態(tài)； 當(dāng)開關(guān)條件在周期結(jié)束時未被滿足時，使?fàn)顟B(tài)機從第二無阻擋狀態(tài)過渡到第二阻擋狀態(tài)； 以及當(dāng)開關(guān)條件在周期的四分之一處被滿足時，使?fàn)顟B(tài)機從第二阻擋狀態(tài)過渡到第一無阻 擋狀態(tài)。
[0027] 狀態(tài)機可包括四個狀態(tài)，它們交替地阻擋和不阻擋未經(jīng)濾波的開關(guān)信號，使得對 DC-DC轉(zhuǎn)換器的一個子轉(zhuǎn)換器的上部和下部半導(dǎo)體開關(guān)產(chǎn)生交替地縮減的開關(guān)脈沖。
[0028] 本發(fā)明的另一方面涉及一種DC-DC轉(zhuǎn)換器的控制器，其中，控制器適于執(zhí)行上面 和下面描述的方法。控制器可為與模塊化轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換器基元相關(guān)聯(lián)的本地控制器或控制 單元，或者控制器可為用于模塊化轉(zhuǎn)換器的主控制器，其適于控制模塊化轉(zhuǎn)換器的不止一 個或所有轉(zhuǎn)換器基元。
[0029] 根據(jù)本發(fā)明的實施例，控制器包括用于產(chǎn)生未經(jīng)濾波的開關(guān)信號的脈沖發(fā)生器