开关dc-dc转换器的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及用于控制DC-DC转换器的方法、DC-DC转换器的控制器和模块化转换 器。
【背景技术】
[0002] 电动列车或有轨电车可具有模块化转换器，模块化转换器包括多个转换器基元， 转换器基元用AC输入电压产生DC输出电压，DC输出电压供应到列车上的其它电力装置， 例如一个或多个电动马达。通常，从架空线路供应AC输入电压。
[0003] 模块化转换器的转换器基元可包括谐振DC-DC转换器，其中，线路侧上的DC-AC转 换器通过谐振变压器与马达侧上的AC-DC转换器连接。DC-AC转换器和AC-DC转换器两者 都可为具有可控半导体开关的主动转换器。
[0004] 例如，DC-DC转换器的半导体开关可按固定开关频率和50%工作循环开关。取决 于通过模块化转换器的功率流的方向，开关DC-DC转换器的一级线路侧或二级马达侧的半 导体开关。这可在半导体开关接通期间提供零电压开关（ZVS)，以及在断开期间提供低电流 开关。由于开关损耗取决于开关期间的电压和电流，所以这个开关策略可引起较小的开关 损耗，并且因而以标称功率额定值高效率地进行DC-DC转换。
[0005] 但是，当在低负载或无负载条件下使用此开关方法时，DC-DC转换器的开关损耗仍 然大致相同，但传递的功率较少，并且因而效率降低。极端的情况下是无负载，这时DC-DC 转换器不需要传递功率。但是，支持ZVS所需的循环电流会导致存在几乎等量的开关损耗。
【发明内容】
[0006] 本发明的目标是提高DC-DC转换器在低负载或无负载条件下的效率。
[0007] 此目标由独立权利要求的主题实现。另外的示例性实施例根据从属权利要求和以 下描述是显而易见的。
[0008] 本发明的一方面涉及用于控制DC-DC转换器的方法。DC-DC转换器可为模块化转 换器的转换器基元的一部分，模块化转换器可用来对列车的电动马达供应功率。
[0009] 根据本发明的实施例，DC-DC转换器包括与变压器和电容器串联连接的 DC-AC (子）转换器和AC-DC (子）转换器，DC-AC转换器和AC-DC转换器两者都包括半导体 开关。DC-DC转换器可为谐振转换器，变压器是谐振箱的一部分。
[0010] 根据本发明的实施例，方法包括以下步骤：确定（或测量）DC-DC-转换器的DC输 入电压和DC输出电压；基于DC输入电压和DC输出电压而确定开关条件是否被满足；以及 产生具有开关脉冲的开关信号，以开关DC-AC转换器和AC-DC转换器中的至少一个的半导 体开关，其中，当开关条件未被满足时，阻止开关脉冲的产生。
[0011] 例如，开关信号可包括用于待开关的各个半导体开关的两电平开关信号。当信号 断开时，半导体开关也断开。相反，当信号接通时，半导体开关也接通。开关脉冲可为开关 信号的其中开关信号接通的部分。
[0012] 在DC-DC转换器的两（第一和第二）侧上，可测量电压，并且可评价接收两个电压 作为输入值的开关条件。当条件被满足时，可产生具有开关脉冲的开关信号。当条件未被 满足时，可产生断开的开关信号。DC-DC转换器的第一侧可为输入侧或线路侧。DC-DC转换 器的第二侧可为输出侧或马达侧。
[0013] 开关条件可基于DC-DC转换器上的负载，其可直接或间接地影响开关条件。利用 自适应控制方法，DC-DC转换器可在低负载或无负载条件下高能效地开关。
[0014] 不是使模块化转换器内的DC-DC转换器以恒定频率开关，而是可基于DC-DC转换 器的两侧上的DC电压，并且可选地基于DC-DC转换器电流而调节发送到DC-DC转换器的开 关脉冲的数量和形状。
[0015] 利用该控制方法，可在模块化转换器中实现处于不同功率额定值且不仅标称运行 点下的高能效的开关策略。控制方法确保DC-DC转换器稳定地运行，S卩，可抵销DC电压相 对于它们的基准值的偏离，使得在稳态运行中，保持两个DC电压之间的比。控制方法可双 向地工作，即，可支持从第一侧到第二侧的功率流，反之亦然。此外，由于避免了转换器基元 之间的连通，该控制方法可反映模块化转换器的模块化设计，而且可自己适应不同数量的 转换器基元（使得在一个基元失效的情况下，维持转换器组件的可用性）。
[0016] 根据本发明的实施例，开关信号包括规则开关脉冲，规则开关脉冲关于开关信号 的周期有规律地开始的。规则开关脉冲可具有开关周期的一半的长度。例如，开关脉冲可在 周期的0%处开始，以及在周期的50%处结束，或者在周期的50%处开始，以及在周期的100% 处结束。
[0017] 根据本发明的实施例，开关信号包括比规则开关脉冲更短的缩减开关脉冲。缩减 开关脉冲可具有规则开关脉冲的一半长度。例如，缩减开关脉冲可在周期的25%处开始，以 及在周期的50%处结束，或者在周期的75%处开始，以及在周期的100%处结束。
[0018] 根据本发明的实施例，当从受阻开关信号转到不受阻开关信号时，产生缩减开关 脉冲。在开关信号的不具有开关脉冲的部分（其中开关信号被阻挡）之后，一系列或一串 开关脉冲可开始于缩减开关脉冲，后面可以是或可以不是至少一个规则开关脉冲。所有系 列的开关脉冲都以缩减开关脉冲开始可为可行的。
[0019] 根据本发明的实施例，开关信号包括用于开关一个子转换器的上部半导体开关的 开关脉冲和用于开关该子转换器的下部半导体开关的开关脉冲。通常，两个半导体开关的 开关脉冲彼此交替，即，当下部半导体开关断开时，上部半导体开关接通，反之亦然。
[0020] 上部半导体开关的缩减开关脉冲的数量可等于下部半导体开关的缩减开关脉冲 的数量，并且/或者上部半导体开关的全开关脉冲的数量可等于下部半导体开关的全开关 脉冲的数量。照这样，两个半导体开关上的负载可平衡。
[0021] 根据本发明的实施例，开关条件基于DC输入电压和DC输出电压的差。照这样，开 关控制方法支持DC-DC转换器的第一和第二侧上的DC电压的平衡。
[0022] 根据本发明的实施例，确定或测量通过DC-DC转换器的电流，例如DC输出电流。开 关条件可基于电流和/或根据电流计算出的传递的功率。传递的功率可基于DC电压和对 应的电流的乘积。
[0023] 照这样，可实施用于DC-DC转换器的一系列全开关脉冲和缩减开关脉冲的开关脉 冲产生控制方法。开关脉冲的产生可基于第一和第二DC电压，并且可选地基于模块化转换 器所传递的功率。
[0024] 根据本发明的实施例，方法进一步包括以下步骤：产生未经滤波的开关信号（例 如用脉冲发生器）；以及通过在开关条件未被满足时，阻挡未经滤波的开关信号来形成应 用于半导体开关的开关信号（例如通过用脉冲滤波器进行滤波）。脉冲发生器可产生规则 的、未经滤波的开关信号，脉冲滤波器对其进行滤波，当开关条件未被满足时，脉冲滤波器 阻挡开关脉冲。
[0025] 根据本发明的实施例，方法进一步包括以下步骤：用状态机阻挡未经滤波的开关 信号，状态机具有至少一个无阻挡状态和至少一个阻挡状态，在无阻挡状态中，未经滤波信 号未被阻挡，而在阻挡状态中，未经滤波的信号被阻挡；以及当开关条件未被满足时，使状 态机从无阻挡状态过渡到阻挡状态，而在开关条件被满足时，使状态机从阻挡状态过渡到 无阻挡状态。脉冲滤波器可包括内部状态机，内部状态机具有基于开关过渡的完成状况的 状态过渡。
[0026] 根据本发明的实施例，方法进一步包括以下步骤：当开关条件在未经滤波的开关 信号的周期的中间处未被满足时，使状态机从第一无阻挡状态过渡到第一阻挡状态；当开 关条件在周期的四分之三处被满足时，使状态机从第一阻挡状态过渡到第二无阻挡状态； 当开关条件在周期结束时未被满足时，使状态机从第二无阻挡状态过渡到第二阻挡状态； 以及当开关条件在周期的四分之一处被满足时，使状态机从第二阻挡状态过渡到第一无阻 挡状态。
[0027] 状态机可包括四个状态，它们交替地阻挡和不阻挡未经滤波的开关信号，使得对 DC-DC转换器的一个子转换器的上部和下部半导体开关产生交替地缩减的开关脉冲。
[0028] 本发明的另一方面涉及一种DC-DC转换器的控制器，其中，控制器适于执行上面 和下面描述的方法。控制器可为与模块化转换器的转换器基元相关联的本地控制器或控制 单元，或者控制器可为用于模块化转换器的主控制器，其适于控制模块化转换器的不止一 个或所有转换器基元。
[0029] 根据本发明的实施例，控制器包括用于产生未经滤波的开关信号的脉冲发生器