具有电能双向传输功能的机车车辆直流电压变换器的制造方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种具有电能双向传输功能的机车车辆直流电压变换器，包括两个相同的、互为对称设置的进行直流电压双向变换的电路，该电压变换器的高压端口包括串联设置的两个等值电容器和四个串联设置同型号的IGBT，所述两个等值电容器与四个IGBT并联设置，两个等值电容器的中间点和四个IGBT串联支路的中间点相连接再接中性点O；该电压变换器的低压端口设置有滤波电容器，所述滤波电容器通过两个等值滤波电感与高压侧的IGBT串联支路相连接。本实用新型提供的具有电能双向传输功能的机车车辆直流电压变换器，同样电流定额情况下，采用两个低电压额定值的IGBT串联比采用一个高电压额定值的IGBT更经济。
【专利说明】
具有电能双向传输功能的机车车辆直流电压变换器
技术领域
[0001 ]本实用新型涉及一种直流电能的DC-DC转换控制装置，尤其涉及一种铁路机车车辆上对变化范围很宽的输入直流电压进行恒压变换输出的直流电压变换器。【背景技术】
[0002]铁路机车车辆的直流供电电源通常来自机车，其额定电压为DC600V，机车车辆上的车载逆变器将该直流供电电源转换为三相四线制50Hz工频电源，为车辆上的各种用电负荷供电。
[0003]首先，无论是内燃机车还是电力机车，其交流供电电源一是电压变化范围非常大， 从而导致整流器输出的直流电压大幅变化;二是该直流电压时常过高，难以高效、安全、可靠、经济地转换为向机车车辆供电的符合电气隔离要求的DC600V稳定直流供电电压。内燃机车的直流电源是通过将大功率柴油机-发电机组发出的三相交流电整流而获得的，由于柴油机的转速变化范围通常为400?1000r/min，通过整流装置得到的直流电压的波动范围也高达DC850V?DC2650V，而电力机车的直流电源是通过将主变压器输出的单相交流电源整流而获得的，由于主变压器一次电压波动范围高达AC19kV?AC31kV及机车牵引的需要， 直流电压的波动范围也是很大的，因此急需一种能够将机车上的变化范围很大的直流电压转换为电压较低的稳定的直流电压的变换器。
[0004]其次，在铁路机车车辆上，直流供电电源可能连接着逆变器驱动电动机，甚至直接连接着蓄电池(譬如混合动力机车)，因此也需要将DC600V低压侧电能回馈至DC850V? DC2650V的高压侧。
[0005]第三，考虑到机车直流供电电源连接的负载设备较多，为保证设备的可靠安全运行，要求直流电压变换器的低压端口具有异常电压保护功能，无论异常电压何时出现，都要立即进行抑制处理，以免殃及所连接的负载设备。
[0006]综上所述，铁路机车车辆直流电压变换器必须兼有从高压端口到低压端口的降压变换、从低压端口到高压端口的升压变换和异常电压保护这三项功能。[〇〇〇7]传统的铁路机车车辆直流电压变换器通常采用典型的DC-DC降压变换电路如图11 所示，虽然该电路原理上可以实现降压变换，但是要适应高压端口的宽电压变化范围及高直流电压，半导体开关器件IGBT的电压标称值应按最高电压值来选择，满足该要求的器件价格昂贵。且IGBT标称电压越高，其开关频率就越低，而开关频率低带来设备输出谐波大， 要降低谐波就必须加大滤波电感，造成设备性价比很低，设备的体积和质量势必很大。该铁路机车车辆直流电压变换器可以有效地克服传统的铁路机车车辆直流供电系统的种种弊端。【实用新型内容】
[0008]本实用新型公开了一种具有电能双向传输功能的机车车辆直流电压变换器，包括两个相同的、互为对称设置的进行直流电压双向变换的电路，该电压变换器的高压端口包括串联设置的两个等值电容器和四个串联设置同型号的IGBT，所述两个等值电容器与四个IGBT并联设置，两个等值电容器的中间点和四个IGBT串联支路的中间点相连接再接中性点O;该电压变换器的低压端口设置有滤波电容器，所述滤波电容器通过两个等值滤波电感与高压侧的IGBT串联支路相连接。
[0009 ] 所述四个IGBT分别为第一 IGBT、第二 IGBT、第三IGBT和第四IGBT，所述两个等值滤波电感为滤波电感I和滤波电感II，所述滤波电感I与第一 IGBT和第二 IGBT的连接点相连接，所述滤波电感II与第三IGBT和第四IGBT的连接点相连接。
[0010]所述两个等值电容器为电容器Cl和电容器C2，所述第一 IGBT的集电极c端接电容器Cl的正极，所述第四IGBT的发射极e端接电容器C2的负极，第二 IGBT的发射极e端与第三IGBT的集电极c端相连接再与两个等值电容器的中间引出端相连接，两个等值电容器的中间引出端接中性点O。
[0011]由于采用了上述技术方案，本实用新型提供的具有电能双向传输功能的机车车辆直流电压变换器，同样电流定额情况下，采用两个低电压额定值的IGBT串联比采用一个高电压额定值的IGBT更经济;低电压额定值的IGBT比高电压额定值的IGBT允许的开关工作频率更高，有利于减小滤波电感和电容的体积；另外低压端口到高压端口的升压变换功能有利于节能增效。
【附图说明】
[0012]为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0013]图1是本实用新型的电路原理图；
[0014]图2是能量可双向传输的电路I;
[0015]图3是能量可双向传输的电路2;
[0016]图4是图2和图3两电路输入端串接、输出端串接的电路原理图；
[0017]图5是电路工作时电流路径I的电路原理图；
[0018]图6是电路工作时电流路径2的电路原理图；
[0019]图7是电路工作时电流路径3的电路原理图；
[0020]图8是电路工作时电流路径4的电路原理图；
[0021]图9是电路工作时电流路径5的电路原理图；
[0022]图10是电路工作时电流路径6的电路原理图；
[0023]图11是【背景技术】中典型降压变换电路的示意图；
【具体实施方式】
[0024]为使本实用新型的技术方案和优点更加清楚，下面结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚完整的描述:
[0025]如图1-图10所示的具有电能双向传输功能的机车车辆直流电压变换器，该电压变换器包括两个相同的、互为对称设置的进行直流电压双向变换的主电路。两个主电路镜像对称设置后成为本申请公开的直流电压变换器。该电压变换器的高压端口包括串联设置的两个等值电容器和四个串联设置同型号的IGBT。两个等值电容器为电容器Cl和电容器C2。四个IGBT分别为第一IGBT V1、第二IGBT V2、第三IGBT V3和第四IGBT V4。电容器Cl、电容器C2与四个IGBT并联设置。电容器Cl、电容器C2的中间点和四个IGBT串联支路的中间点相连接再接中性点O。该电压变换器的低压端口设置有滤波电容器C3，滤波电容器C3通过两个等值滤波电感与高压侧的IGBT串联支路相连接。两个等值滤波电感为滤波电感I LI和滤波电感II L2。所述滤波电感I LI与第一IGBT Vl和第二IGBT V2的连接点相连接。所述滤波电感II L2与第三IGBT V3和第四IGBTV4的连接点相连接。
[0026]两个等值电容器为电容器Cl和电容器C2，第一IGBT Vl的集电极c端接电容器Cl的正极，第四IGBT V4的发射极e端接电容器C2的负极，第二IGBTV2的发射极e端和第三IGBTV3的集电极c端相连接再与两个等值电容器的中间引出端相连接，两个等值电容器的中间引出端接中性点O。
[0027]该直流电压变换器的高压侧电压由电容器Cl和电容器C2正负两端子加入，低压侧电压正极由第一IGBT Vl和第二IGBT V2连接点经滤波电感I LI引到滤波电容器C3正端，低压侧电压负极由第三IGBT V3和第四IGBT V4连接点经滤波电感II L2引到滤波电容器C3负端，负载连接滤波电容器C3的正负两端。
[0028]本实用新型的四种工作模式如下:
[0029]1.常规降压变换模式
[0030](I).控制第一 IGBT Vl和第四IGBT V4导通，第二 IGBT V2和第三IGBTV3关断，此时，高压侧电压经第一IGBT Vl和第四IGBT V4加于滤波电感I LI滤波电感II L2和滤波电容器C3及负载，电流的路径如图5所示，给滤波电容器C3充电，给滤波电感I LI和滤波电感II L2储能。
[0031](2).控制第一 IGBTVl、第四IGBT V4、第二 IGBT V2、第三IGBT V3都关断，此时，高压侧和低压侧隔离开，电流的路径如图6所示，依靠滤波电感I LI和滤波电感II L2的储能维持电流。使(I)和(2)两种控制交替循环，实现正常的降压变换。
[0032]2.等效开关频率倍增的降压变换模式
[0033](3).控制第一IGBT Vl导通，第二IGBT V2、第三IGBT V3、第四IGBT V4都关断，此时，高压侧电压正极端经第一IGBT Vl加于滤波电感I LI和滤波电感II L2与滤波电容器C3及负载，经第三IGBT V3的续流二极管回到电容器Cl和电容器C2的中间点，电流的路径如图7所示，高压侧电压的上一半给滤波电容器C3充电，给滤波电感I LI和滤波电感II L2储能。
[0034](4).控制第四IGBT V4导通，第一IGBT V1、第二IGBT V2、第三IGBT V3都关断，此时，高压侧电压中点经第二IGBT V2续流二极管加于滤波电感I L1、滤波电感II L2和滤波电容器C3及负载，经第四IGBT V4回到电源的负极，电流的路径如图8所示，高压侧电压的下一半给滤波电容器C3充电，给滤波电感I LI和滤波电感II L2储能。
[0035](5).控制第一IGBT V1、第四IGBT V4、第二IGBT V2、第三IGBT V3都关断，此时，高压侧和低压侧隔离开，电流的路径如图6所示，依靠滤波电感I LI和滤波电感II L2的储能维持电流。
[0036]适当控制上述(3)、(4)和(5)的工作持续期，既可正常的降压变换，又可兼顾电容的上下两部分电压平衡，第一IGBT Vl和第四IGBT V4开关频率一定时，错开导通使输出侧的等效开关频率增大一倍。
[0037]3.电能回馈控制模式
[0038](6).如果低压侧负载有逆变需要，可控制第二 IGBT V2和第三IGBT V3导通，第一IGBT Vl和第四IGBT V4关断，低压侧U2给滤波电感I LI和滤波电感II L2储能，电流的路径如图9所示。
[0039](7).控制第一IGBT V1、第四IGBT V4、第二IGBT V2、第三IGBT V3都关断，在滤波电感I LI和滤波电感II L2储能的作用下，经第一IGBT Vl和第四IGBT V4的续流二极管，对高压侧电容充电，电流的路径如图10所示。使(6)和(7)两种控制交替循环，实现升压变换(回馈控制)。
[0040]4.异常电压故障保护模式
[0041](8).正常降压变换情况下，若有异常电压出现时，为防止殃及后级的负载，控制第二IGBT V2和第三IGBT V3导通，第一IGBT Vl和第四IGBT V4关断，使电压得到抑制，其电流的路径如图6所示。
[0042]本实用新型中通过对第一IGBT Vl和第四IGBTV4进行优化控制，可以使直流电压变换器降压变换的等效开关频率倍增，更有利于滤波。
[0043]以上所述，仅为本实用新型较佳的【具体实施方式】，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，根据本实用新型的技术方案及其实用新型构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。
【主权项】
1.一种具有电能双向传输功能的机车车辆直流电压变换器，其特征在于:包括两个相 同的、互为对称设置的进行直流电压双向变换的电路，该电压变换器的高压端口包括串联 设置的两个等值电容器和四个串联设置同型号的IGBT，所述两个等值电容器与四个IGBT并 联设置，两个等值电容器的中间点和四个IGBT串联支路的中间点相连接再接中性点；该电 压变换器的低压端口设置有滤波电容器，所述滤波电容器通过两个等值滤波电感与高压侧 的IGBT串联支路相连接。2.根据权利要求1所述的具有电能双向传输功能的机车车辆直流电压变换器，其特征 还在于:所述四个IGBT分别为第一 IGBT、第二IGBT、第三IGBT和第四IGBT，所述两个等值滤 波电感为滤波电感I和滤波电感II，所述滤波电感I与第一 IGBT和第二IGBT的连接点相连 接，所述滤波电感II与第三IGBT和第四IGBT的连接点相连接。3.根据权利要求2所述的具有电能双向传输功能的机车车辆直流电压变换器，其特征 还在于:所述两个等值电容器为电容器C1和电容器C2,所述第一 IGBT的集电极c端接电容器 C1的正极，所述第四IGBT的发射极e端接电容器C2的负极，第二IGBT的发射极e端与第三 IGBT的集电极c端相连接再与两个等值电容器的中间引出端相连接，两个等值电容器的中 间引出端接中性点。
【文档编号】H02M3/155GK205622509SQ201620454710
【公开日】2016年10月5日
【申请日】2016年5月18日
【发明人】李兴
【申请人】大连新大路电气传动技术有限责任公司