開關dc-dc轉換器的制造方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及用于控制DC-DC轉換器的方法、DC-DC轉換器的控制器和模塊化轉換 器。
【背景技術】
[0002] 電動列車或有軌電車可具有模塊化轉換器，模塊化轉換器包括多個轉換器基元， 轉換器基元用AC輸入電壓產生DC輸出電壓，DC輸出電壓供應到列車上的其它電力裝置， 例如一個或多個電動馬達。通常，從架空線路供應AC輸入電壓。
[0003] 模塊化轉換器的轉換器基元可包括諧振DC-DC轉換器，其中，線路側上的DC-AC轉 換器通過諧振變壓器與馬達側上的AC-DC轉換器連接。DC-AC轉換器和AC-DC轉換器兩者 都可為具有可控半導體開關的主動轉換器。
[0004] 例如，DC-DC轉換器的半導體開關可按固定開關頻率和50%工作循環開關。取決 于通過模塊化轉換器的功率流的方向，開關DC-DC轉換器的一級線路側或二級馬達側的半 導體開關。這可在半導體開關接通期間提供零電壓開關（ZVS)，以及在斷開期間提供低電流 開關。由于開關損耗取決于開關期間的電壓和電流，所以這個開關策略可引起較小的開關 損耗，并且因而以標稱功率額定值高效率地進行DC-DC轉換。
[0005] 但是，當在低負載或無負載條件下使用此開關方法時，DC-DC轉換器的開關損耗仍 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載，這時DC-DC 轉換器不需要傳遞功率。但是，支持ZVS所需的循環電流會導致存在幾乎等量的開關損耗。
【發明內容】
[0006] 本發明的目標是提高DC-DC轉換器在低負載或無負載條件下的效率。
[0007] 此目標由獨立權利要求的主題實現。另外的示例性實施例根據從屬權利要求和以 下描述是顯而易見的。
[0008] 本發明的一方面涉及用于控制DC-DC轉換器的方法。DC-DC轉換器可為模塊化轉 換器的轉換器基元的一部分，模塊化轉換器可用來對列車的電動馬達供應功率。
[0009] 根據本發明的實施例，DC-DC轉換器包括與變壓器和電容器串聯連接的 DC-AC (子）轉換器和AC-DC (子）轉換器，DC-AC轉換器和AC-DC轉換器兩者都包括半導體 開關。DC-DC轉換器可為諧振轉換器，變壓器是諧振箱的一部分。
[0010] 根據本發明的實施例，方法包括以下步驟：確定（或測量）DC-DC-轉換器的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條件是否被滿足；以及 產生具有開關脈沖的開關信號，以開關DC-AC轉換器和AC-DC轉換器中的至少一個的半導 體開關，其中，當開關條件未被滿足時，阻止開關脈沖的產生。
[0011] 例如，開關信號可包括用于待開關的各個半導體開關的兩電平開關信號。當信號 斷開時，半導體開關也斷開。相反，當信號接通時，半導體開關也接通。開關脈沖可為開關 信號的其中開關信號接通的部分。
[0012] 在DC-DC轉換器的兩（第一和第二）側上，可測量電壓，并且可評價接收兩個電壓 作為輸入值的開關條件。當條件被滿足時，可產生具有開關脈沖的開關信號。當條件未被 滿足時，可產生斷開的開關信號。DC-DC轉換器的第一側可為輸入側或線路側。DC-DC轉換 器的第二側可為輸出側或馬達側。
[0013] 開關條件可基于DC-DC轉換器上的負載，其可直接或間接地影響開關條件。利用 自適應控制方法，DC-DC轉換器可在低負載或無負載條件下高能效地開關。
[0014] 不是使模塊化轉換器內的DC-DC轉換器以恒定頻率開關，而是可基于DC-DC轉換 器的兩側上的DC電壓，并且可選地基于DC-DC轉換器電流而調節發送到DC-DC轉換器的開 關脈沖的數量和形狀。
[0015] 利用該控制方法，可在模塊化轉換器中實現處于不同功率額定值且不僅標稱運行 點下的高能效的開關策略。控制方法確保DC-DC轉換器穩定地運行，S卩，可抵銷DC電壓相 對于它們的基準值的偏離，使得在穩態運行中，保持兩個DC電壓之間的比。控制方法可雙 向地工作，即，可支持從第一側到第二側的功率流，反之亦然。此外，由于避免了轉換器基元 之間的連通，該控制方法可反映模塊化轉換器的模塊化設計，而且可自己適應不同數量的 轉換器基元（使得在一個基元失效的情況下，維持轉換器組件的可用性）。
[0016] 根據本發明的實施例，開關信號包括規則開關脈沖，規則開關脈沖關于開關信號 的周期有規律地開始的。規則開關脈沖可具有開關周期的一半的長度。例如，開關脈沖可在 周期的0%處開始，以及在周期的50%處結束，或者在周期的50%處開始，以及在周期的100% 處結束。
[0017] 根據本發明的實施例，開關信號包括比規則開關脈沖更短的縮減開關脈沖。縮減 開關脈沖可具有規則開關脈沖的一半長度。例如，縮減開關脈沖可在周期的25%處開始，以 及在周期的50%處結束，或者在周期的75%處開始，以及在周期的100%處結束。
[0018] 根據本發明的實施例，當從受阻開關信號轉到不受阻開關信號時，產生縮減開關 脈沖。在開關信號的不具有開關脈沖的部分（其中開關信號被阻擋）之后，一系列或一串 開關脈沖可開始于縮減開關脈沖，后面可以是或可以不是至少一個規則開關脈沖。所有系 列的開關脈沖都以縮減開關脈沖開始可為可行的。
[0019] 根據本發明的實施例，開關信號包括用于開關一個子轉換器的上部半導體開關的 開關脈沖和用于開關該子轉換器的下部半導體開關的開關脈沖。通常，兩個半導體開關的 開關脈沖彼此交替，即，當下部半導體開關斷開時，上部半導體開關接通，反之亦然。
[0020] 上部半導體開關的縮減開關脈沖的數量可等于下部半導體開關的縮減開關脈沖 的數量，并且/或者上部半導體開關的全開關脈沖的數量可等于下部半導體開關的全開關 脈沖的數量。照這樣，兩個半導體開關上的負載可平衡。
[0021] 根據本發明的實施例，開關條件基于DC輸入電壓和DC輸出電壓的差。照這樣，開 關控制方法支持DC-DC轉換器的第一和第二側上的DC電壓的平衡。
[0022] 根據本發明的實施例，確定或測量通過DC-DC轉換器的電流，例如DC輸出電流。開 關條件可基于電流和/或根據電流計算出的傳遞的功率。傳遞的功率可基于DC電壓和對 應的電流的乘積。
[0023] 照這樣，可實施用于DC-DC轉換器的一系列全開關脈沖和縮減開關脈沖的開關脈 沖產生控制方法。開關脈沖的產生可基于第一和第二DC電壓，并且可選地基于模塊化轉換 器所傳遞的功率。
[0024] 根據本發明的實施例，方法進一步包括以下步驟：產生未經濾波的開關信號（例 如用脈沖發生器）；以及通過在開關條件未被滿足時，阻擋未經濾波的開關信號來形成應 用于半導體開關的開關信號（例如通過用脈沖濾波器進行濾波）。脈沖發生器可產生規則 的、未經濾波的開關信號，脈沖濾波器對其進行濾波，當開關條件未被滿足時，脈沖濾波器 阻擋開關脈沖。
[0025] 根據本發明的實施例，方法進一步包括以下步驟：用狀態機阻擋未經濾波的開關 信號，狀態機具有至少一個無阻擋狀態和至少一個阻擋狀態，在無阻擋狀態中，未經濾波信 號未被阻擋，而在阻擋狀態中，未經濾波的信號被阻擋；以及當開關條件未被滿足時，使狀 態機從無阻擋狀態過渡到阻擋狀態，而在開關條件被滿足時，使狀態機從阻擋狀態過渡到 無阻擋狀態。脈沖濾波器可包括內部狀態機，內部狀態機具有基于開關過渡的完成狀況的 狀態過渡。
[0026] 根據本發明的實施例，方法進一步包括以下步驟：當開關條件在未經濾波的開關 信號的周期的中間處未被滿足時，使狀態機從第一無阻擋狀態過渡到第一阻擋狀態；當開 關條件在周期的四分之三處被滿足時，使狀態機從第一阻擋狀態過渡到第二無阻擋狀態； 當開關條件在周期結束時未被滿足時，使狀態機從第二無阻擋狀態過渡到第二阻擋狀態； 以及當開關條件在周期的四分之一處被滿足時，使狀態機從第二阻擋狀態過渡到第一無阻 擋狀態。
[0027] 狀態機可包括四個狀態，它們交替地阻擋和不阻擋未經濾波的開關信號，使得對 DC-DC轉換器的一個子轉換器的上部和下部半導體開關產生交替地縮減的開關脈沖。
[0028] 本發明的另一方面涉及一種DC-DC轉換器的控制器，其中，控制器適于執行上面 和下面描述的方法。控制器可為與模塊化轉換器的轉換器基元相關聯的本地控制器或控制 單元，或者控制器可為用于模塊化轉換器的主控制器，其適于控制模塊化轉換器的不止一 個或所有轉換器基元。
[0029] 根據本發明的實施例，控制器包括用于產生未經濾波的開關信號的脈沖發生器