电压源型变换器的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种电压源型变换器。
【背景技术】
[0002]在诸如牵引驱动的应用中使用在低功率(即10kW或100kW)下运行的DC到DC电压源型变换器来对DC电压进行升压或降压，以优化所连接的DC电网络和电力负载的运行。
[0003]当需要在高功率应用中在高电压电平下运行DC到DC电压源型变换器时，必须相应地增大DC到DC电压源型变换器的额定电压。这可以通过使用或多个半导体开关器件的一个或多个串联串来获得具有高额定电压的组合半导体开关器件来实现。然而，连接和切换串联串中的半导体开关器件不仅需要复杂的和有源栅极驱动，还可能需要大的无源阻尼部件以确保切换期间在多个半导体器件之间适当的分压。这些因素不仅导致高的开关损耗和高水平的电磁干扰，还增加了 DC到DC电压源型变换器的尺寸、重量和成本。
【发明内容】
[0004]根据本发明的方案，提供一种电压源型变换器，包括:
[0005]第一分支、第二分支和第三分支，每个分支具有第一端和第二端，第一分支、第二分支和第三分支的第一端被连接至接合点以形成星形结构，其中接合点限定星形结构的中点，每个分支的第二端限定DC端子，第二分支和第三分支的第二端可连接至第一 DC电压，第一分支和第二分支的第二端可连接至第二 DC电压，第一分支包括至少一个第一主开关元件，第二分支包括至少一个第二主开关元件，第三分支包括主电感元件，第一主开关元件和第二主开关元件中的每个可被切换以将对应分支切换进和切换出电路以在第一 DC电压与第二 DC电压之间转移电力；以及
[0006]变换器臂，与第一分支和第二分支之一并联连接，变换器臂包括辅助变换器，辅助变换器可控制为选择性地提供电压源以修改与变换器臂并联连接的分支两端的分支电压，
[0007]其中辅助变换器是链环式变换器，链环式变换器包括多个串联连接模块，每个模块包括至少一个次开关元件和至少一个能量储存器件，每个模块中的所述或每个次开关元件和所述或每个能量储存器件结合以选择性地提供电压源。
[0008]第一分支、第二分支和第三分支的结构和布置使得电压源型变换器能够运行为DC到DC升压变换器或DC到DC降压变换器。在使用中，在切换周期中第一主开关元件和第二主开关元件中的每个导通和关断，以将对应分支切换进和切换出电路，以在第一 DC电压与第二 DC电压之间转移电力。在第一 DC电压与第二 DC电压之间转移电力的方向取决于电压源型变换器运行为DC到DC升压变换器还是DC到DC降压变换器。切换周期在电压源型变换器的整个运行期间重复进行。
[0009]当电压源型变换器被配置成运行为DC到DC升压变换器时，变换器臂被连接在第二分支两端。当电压源型变换器被配置成运行为DC到DC降压变换器时，变换器臂被连接在第一分支两端。
[0010]链环式变换器的结构允许通过将多个模块(每个提供其自己的电压)的能量储存器件插入链环式变换器，在链环式变换器两端建立组合电压，该组合电压高于从其各个模块中每个可得的电压。以这种方式切换每个模块中的所述或每个次开关元件使得链环式变换器提供步阶式可变电压源，这允许使用步进式近似在每个链环式变换器两端产生电压波形。于是，链环式变换器能够提供大范围的电压。
[0011]在第一分支和第二分支中一个的两端连接变换器臂意味着可以通过控制辅助变换器臂以选择性地提供电压源来修改与变换器臂并联连接的分支两端的分支电压。这进而意味着分支电压可以被有源地修改以便控制与变换器臂并联连接的分支的所述或每个主开关元件所承受的电压。应该理解地是，由辅助变换器选择性地提供的电压源可以是零电压源(即，短路)或非零电压源。以这种方式，相关分支的所述或每个主开关元件所承受的电压可以被修改为允许在零或接近零电压的情况下切换主开关元件。这种切换(被称为软切换)减小了该主开关元件的电压和/或电流的变化率，从而减小了该主开关元件的开关损耗和电磁干扰。
[0012]此外，当相关分支包括多个串联连接主开关元件时，软开关简化了在多个串联连接主开关元件之间的分压。这有利地减少或消除了对大的电压分级阻尼电路的需要。与此相反，从电压源型变换器省略变换器臂将需要使用大的电压等级阻尼电路，以确保在相关分支中的多个串联连接开关元件之间适当地分压，从而为电压源型变换器增加了尺寸、重量和成本。
[0013]因此，在根据本发明的电压源型变换器中包含变换器臂导致经济的、节省空间的电压源型变换器，其能够在高电压下运行且具有降低的开关损耗和电磁干扰。
[0014]在本发明的实施例中，辅助变换器还可以包括至少一个次开关元件，次开关元件可被控制为导通以将辅助变换器切换进电路，以允许电流在变换器臂中流动，或者次开关元件可被控制为关断以将辅助变换器切换出电路，以阻断电流在变换器臂中流动。当不需要变换器臂的运行时，这允许容易地将变换器臂切换出电路，以确保电流完全换向至与变换器臂并联连接的分支。因此，因为在不需要变换器运行的时刻将不需要考虑在变换器臂中流动的电流的影响，所以设计和优化电压源型变换器变得更直截了当。
[0015]在本发明的其它实施例中，变换器臂还可以包括与辅助变换器串联连接的次电感元件。在DC到DC电压源型变换器中，平滑电容器通常被连接在第二 DC电压或第一 DC电压两端。在电压源型变换器的运行过程中，当辅助变换器被切换进具有平滑电容器的电路时，在变换器臂中包含次电感元件防止高的环流在辅助变换器与平滑电容器之间流动。
[0016]每个第一分支和第二分支中主开关元件的数量可以根据相关电力应用所需的额定电压和额定电流变化。
[0017]每个开关元件可以包括有源开关器件和/或无源开关器件。有源开关器件可以是，例如绝缘栅双极型晶体管、栅极可关断晶闸管、场效应晶体管、注入增强栅晶体管或集成门极换向晶闸管。无源开关器件可以是，例如，二极管。
[0018]每个开关元件的配置和开关器件的选择可以根据本发明的电压源型变换器的运行类型变化。例如，至少一个开关元件可以包括与反并联无源开关器件并联连接的有源开关器件。
[0019]当电压源型变换器被配置成运行为DC到DC升压变换器时，所述或每个第一主开关元件可以包括无源开关器件而所述或每个第二主开关元件可包括有源开关器件。
[0020]当电压源型变换器被配置成运行为DC到DC降压变换器时，所述或每个第一主开关元件可以包括有源开关器件，而所述或每个第二主开关元件可以包括无源开关器件。
[0021]优选地，电压源型变换器还包括控制单元以控制辅助变换器。
[0022]在本发明的实施例中，利用可被控制为导通或关断以将辅助变换器切换进或切换出电路的至少一个次开关元件，当与变换器臂并联连接的分支被切换进电路时，控制单元可以控制辅助变换器的至少一个次开关元件的切换以在第一阻断模式中将辅助变换器切换出电路，以阻断电流在变换器臂中流动。如上所述，当不需要变换器臂的运行时，可以容易地将变换器臂切换出电路，以确保电流完全换向至与变换器臂并联连接的分支。例如，在切换周期的开始时刻，当第一DC电压或第二DC电压供应能量给主电感元件时，变换器臂可以被切换出电路。
[0023]在本发明的实施例中，控制单元可以控制辅助变换器以在旁路模式中提供电压电源，以允许电流在变换器臂中流动并且旁路与变换器臂并联连接的分支。
[0024]在旁路模式中，辅助变换器优选地提供零电压电源，但是可替代地，它可以提供接近零电压源。这导致从该分支到变换器臂的电流换向并且从而使得能够软切换与变换器臂并联连接的分支的所述或每个主开关元件。
[0025]在本发明的其它实施例中，控制单元可以控制辅助变换器以在第一升降压模式中提供可变电压源，以提升与变换器臂并联连接的分支两端的分支电压，直到分支电压超过第二 DC电压。
[0026]在第一升降压模式中提供可变电压源的辅助变换器的运行允许在第一升降压模式中逐渐提升分支电压，从而提供对每个第一分支和第二分支的所述或每个主开关元件的切换的可靠控制。
[0027]在本发明的实施例中，利用可被控制为导通或关断以将辅助变换器切换进或切换出电路的至少一个次开关元件，在分支电压超过第二 DC电压之后，控制单元控制辅助变换器的至少一个次开关元件的切换，以在第二阻断模式中将辅助变换器切换出电路，以阻断电流在变换器臂中流动。
[0028]当电压源型变换器被配置成运行为DC到DC升压变换器时，在分支电压超过第二DC电压之后，所述或每个第一主开关元件被驱动为导通。这将第一 DC电压连接至第二 DC电压并且从而允许电力和能量从第一 DC电压和主电感元件到第二 DC电压的转移。在这个阶段，在第二阻断模式中不需要变换器臂的运行，所以变换器臂可以被切