专利名称：多级变换器配置及其用途的制作方法
技术领域：
本发明涉及功率变换器领域，尤其是涉及用于单相牵引应用的中压多 级电力电子变换器。它不同于具有如权利要求1的前序部分所述的栅极 驱动单元和两变换器级以上的多级变换器配置。
技术背景10 电气铁路车辆，例如由交流(AC)电源线供电的机车或轨道客车，采用牵引变压器和AC/DC变换器来将电源线的高压(15kV或25kV)变 换成几千伏的直流(DC)线路(link)电压，并确保高压和牵引电路之间电 气隔离。DC线路电压的DC线路或总线为驱动或电动变换器供电以用于 车辆牵引或推进，并且为辅助变换器供电以用于辅助能量供给。15在现代的铁路车辆的理念中，牵引变压器通常位于车辆主壳的外面， 艮P，位于地板下或车顶。然而，在这些位置，额定频率为16.7Hz或50Hz 的常规变压器因本身重量高和体积大而存在集成问题。因此，可替代的 交流供电系统的目标在于，利用基于半导体技术的附加电力电子变换器 与在更高频操作的更小且更轻的变压器的组合，来替代前面提到的常规20变压器。以半导体器件中的开关损耗为代价，能够降低变压器的质量和 体积以及变压器中的总(即铜和磁)损耗，这使得更有效率地使用来自 电源线中的电功率。在专利申请EP-A 1226994中，提出了一种用于轨道车辆的中频供电 系统，它包括用于高输入AC电压和DC输出电压的双向变换的传统变换25器拓扑。该系统包括初级变换器、 一个单独的公共变压器和单个次级变 换器，其中初级变换器由串联电连接的至少三个级联的变换器模块或部 分构成。每个级联模块依次由四象限变换器、3.6kV的DC中间级和谐振 变换器构成。次级或输出变换器是为车辆的1.65kV DC线路馈电的谐振 开关四象限变换器。所有的开关元件都是具有自适应栅极驱动技术的先30进的6.5kV绝缘栅双极性晶体管(IGBT)。可以直接通过直接的AC频率变换器，也就是公知的循环换流器，来完成供电线频率至变压器频率的 变换，而不是通过DC中间能量存储级。在中压多级变换器中，不同变换器级或变换级的半导体器件处于不同 的绝对电势电平，并且必须彼此绝缘以及与地电势绝缘。同样，连接到 5半导体器件的栅极并且通过适当的低压控制信号来控制这些半导体器件的常规栅极驱动单元以及为该栅极驱动单元提供电力的电源必须电气隔 离。典型地，接下来采用光耦合器将来自接地参考控制电路的激活指令 转换到具有浮动中压电平的栅极驱动器。根据公开文献WO9406209,栅极驱动电路包括包含2 MHz的推挽变 10换器的绝缘边界(insulationboundary)、变压器和可操作地耦合到变压器 的次级侧的整流器.IGBT器件切换所需的功率由接地参考的24 VAC或 30 VDC电源提供，该功率通过变换器传输并由整流器提供给栅极驱动单 元。由于包括绝缘边界的栅极驱动电路是一个单独集成栅极驱动单元的 一部分，所以因空间限制或绝缘需求而引起的绝缘问题阻止了这种栅极 15驱动单元直接应用到超过约10kV RMS的更高电压等级。另一方面， UltraVolt公司(www.ultmvolt.com)提出了用于高达40kV高压和4至lj250W 功率等级的电源。然而，在这种情况下，每个不同的电压等级需要都它 们自己的专用电源。 发明内容20 因此，本发明的目的是提供一种有成本效益的方法，用于控制中压多 级变换器的不同级中的功率半导体器件。这个目的通过权利要求1到6 的多级变换器配置及其用途来实现。进一步的优选实施例清楚地记载在 从属权利要求中。在所提出的配置中，通过功率环为栅极驱动提供所需的功率，该功率 25环具有功率环发射器和功率环接收器。发射器和接收器位于不同的壳体 中并且通过至少部分位于壳体外面的功率环导体连接。借助于将导体电 感地耦合到发射器或接收器的变流器，功率环还在发射器和接收器之间 提供电气绝缘。发射器和接收器彼此远离或物理相隔并因此不能集成到 一个公共的栅极驱动壳体中的事实，分别为发射器和接收器或被供电的 30栅极驱动之间的电气隔离的定位和设计提供了更大的灵活性。尤其是，范围高达多级变换器的例如21kV RMS供电电压的变换器级的局部电压 因此能够与功率环发射器的全部接地电势绝缘。本发明的第一优选变型中，若干功率环接收器耦合到同一个功率环导 体并因此由同一个功率环发射器馈电。不同的接收器甚至可以继而将接5收到的功率提供给以不同局部电势操作的不同变换器级栅极驱动。本发明的第二优选实施例中，功率环导体是标准电缆，其具有环绕中 心导体的涂层的形式的中压或高压绝缘。
在下文中，将参考在附图中示出的优选实施例，对本发明的主题作详10细说明，附图示意性地示出了图1牵引应用中的多级变换器，图2根据本发明为栅极驱动提供功率的功率环，以及 图3功率环的变流器的详图。附图中使用的附图标记以及它们的含义以概要的形式列在附图标记15的列表中。原则上，附图中为相同的部件提供了相同的符号。
具体实施方式
图1示出的是在铁路车辆中应用的多级功率电子变换器。集流器io的集电弓框架(pantograph frame)与铁路接触网(catenary)系统的高架 电源线11相接触。集流器通过线路阻抗滤波器12连接到第一初级变换20器20。第一初级变换器20与第二初级变换器20，和另外的初级变换器串 联连接，其中最后一个初级变换器20"通过车轮13连接到轨道。每个初 级变换器20， 20'， 20"进一步连接到牵引变压器配置21的变压器单元的 各个初级绕组210， 210'， 210"。变压器单元示意性地用两个交叉圆表示， 并进一步包括依次连接到次级变换器22， 22'， 22"的次级绕组211， 211，，25 211"。每个初级变换器20， 20'， 20"以及相应的变压器绕组210， 211; 210，， 211，； 210"， 211"和次级变换器22， 22，， 22"构成单独的AC/DC 变换器级。所有的次级变换器22， 22，， 22"彼此并联电连接并与DC线 路23相连。图2示出了根据本发明的栅极驱动电源配置。主低压电源30提供例 30如24 VDC的第一 DC电压，该电压馈送到功率环发射器(方波电流源)31的DC电压输入。功率环发射器31产生输入到功率环导体32的方波 AC电流信号，该信号具有例如25 kHz的频率和4A的幅值。功率环导体 构成至少一个变流器33的初级绕组，其次级绕组连接到功率环接收器(调 节后的电流整流器)34。功率环接收器将输入方波AC电流转换成经过 5调节和监控的例如15 VDC的直流电压，该电压最终提供到栅极驱动35 的低压输入。栅极驱动35产生将被施加到第一初级变换器20的功率半 导体器件的栅极的控制电压/电流。如局部接地点36所示，功率环接收器 34和栅极驱动35处于绝对接地电势和电源线11的电压之间的任一点的 局部电压电平。io 图2的功率环导体32构成第二变流器33'的初级绕组，第二变流器 33'依次将电流信号馈送到第二功率环接收器34'，用于对位于第二局部 接地点(local earth) 36'的第二变换器20'的半导体器件进行控制。同样， 处于另外的局部电压电平的另外的功率环接收器可以耦合到功率环导 体，典型地，每个都具有上述布置的四个功率环接收器可以以IOW量级15的功率供电。此外，每个功率环接收器可以服务于初级变换器20,20'之一 的多达所有八个功率半导体器件的栅极驱动。同样， 一个单独的主低压 电源30可以为一个以上的功率环发射器馈电。由于根据本发明的多级变换器中的相互电绝缘问题被转移到功率环 并在功率环中得以解决，所以最大电压差不超过例如1.7kV且绝缘限制20比较适中的传统两级变换器可以被用来构成多级变换器。为了对多级变 换器的半导体器件进行控制，可以采用常规的栅极驱动。半导体器件本 身是双向电子管，典型地为绝缘栅双极性晶体管(IGBT)，双极可控晶闸 管(BCT)或功率金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。功率环 导体32可以采用柔性高压电缆来实现，这样设置是为了使环中的漏感最25小并因此使长度不超过几米。图3示出的是图2的变流器33的两个详细视图。上面附图示出的是 沿下面附图的AA线的截面图，而附图下部示出的是沿印刷电路板(PCB) 330的平面的截面图，该印刷电路板实际上承载了变流器和功率环接收器 34。包括有环绕导体铁心的高压绝缘涂层的功率环导体32显示为一条直30线，即，变流器的初级绕组只有一匝。环形变压器铁心331设置在PCB330的开口中并且环绕功率环导体32。六匝次级绕组333缠绕着铁心331并 且连接到功率环接收器或整流器单元34。提供了优选地由铜制成的导电 屏(electrically conducting screen) 332，该导电屏与铁心331禾B导体32 同轴并位于其间。该屏具有环形面，并且在次级绕组和导体电势之间具 5有稍微突起的横截面用以屏蔽(screening)或场分级。尤其是在铁路或其 他交流应用中，变换器级的局部电压在该级的最小和最大值特性之间振 荡并且震荡范围高达线路的电源电压，这有助于避免在导体32与电源的 其它部件之间局部放电。在功率环接收器34的输出处，提供有电容器37或排列成电容器组io的多个电容器，以作为用于栅极驱动35的备用能量供应装置。在功率环 发射器31失效的情况下，存储在电容器37中的能量仍然允许栅极驱动 35去切断相应的半导体器件，这使得当发射器31恢复时，变换器20中 的所有半导体器件都处于意义明确的状态中。在上述布置中，根据表达 式C=I*At/AU，电容C大约为4 mF的电解电容器为栅极驱动提供足够15的能量，从而在输入电流I为0.8A并且假设电容器的电压降AU为4V的 情况下保持了 20ms的操作时间At。 名称列表10 集流器11 电源线2012 线路滤波器13 车轮20,20'，20" 初级变换器21 牵引变压器210,210，,210" 初级绕组 25 211,2lr,211" 次级绕组22,22',22" 次级变换器23 DC线路30 主低压电源31 功率环发射器 30 32 功率环导体33,33，变流器330印刷电路板331变压器铁心332导电屏333次级绕组34,34，功率环接收器35,35，栅极驱动36局部接地37电容器。
权利要求
1、一种具有N≥2个变换器级的多级变换器配置，每一级包括初级变换器(20，20’)和次级变换器(22，22’)，该初级变换器连接到变压器装置(21)的变压器单元的初级绕组(210，210’)，该次级变换器连接到变压器单元的次级绕组(211，211’)，其中该配置包括栅极驱动(35)，该栅极驱动用于利用整流器单元提供到栅极驱动的电功率对初级变换器(20，20’)中的可控功率半导体器件进行控制，其特征在于该配置包括具有功率环发射器(31)和功率环接收器(34)的功率环，该功率环接收器包括整流器单元，其中发射器(31)通过变流器(33)和功率环导体(32)电感耦合到接收器(34)，该功率环导体至少部分位于发射器(31)和接收器(34)两者的壳体的外部。
2、 根据权利要求l所述的配置，其特征在于，功率环发射器(31) 为若干功率环接收器(34,34')供电。
3、根据权利要求l所述的配置，其特征在于，功率环导体(32)是具有高压或中压绝缘的电缆。
4、根据权利要求3所述的配置，其特征在于，变流器(33)包括环 形变压器铁心(331)和设置在铁心(331)和功率环导体(32)之间的 导电屏(332)。
5、根据权利要求l所述的配置，其特征在于，电容器(37)设置在整流器单元和栅极驱动(35)之间，用作栅极驱动的短期备用电源。
6、根据权利要求1到5之一所述的多级变换器配置的用途，用于将 电源线(11)的单相高压变换成铁路牵引应用的DC线路(23)的低压， 其特征在于，变压器单元在高于电源线(11)频率的中频下操作。
全文摘要
本发明涉及将所需的功率提供到栅极驱动，该栅极驱动用于对铁路牵引应用中所用的多级变换器的半导体器件进行控制。提出了一种具有功率环发射器和功率环接收器的功率环，该发射器和接收器位于不同的壳体中并且通过功率环导体连接，该导体至少部分位于两个壳体的外面。通过变流器将导体电感地耦合到发射器或接收器，功率环还在发射器和接收器之间提供电绝缘。发射器和接收器彼此分离，使得发射器和接收器或栅极驱动之间的电气隔离在位置和设计上分别更具灵活性。尤其是，多级变换器的电源电压高达例如21kV RMS的变换器级的局部电压因此能够与功率环发射器的全部接地电势绝缘。几个功率环接收器可以耦合到同一个功率环导体，并且因此由同一个功率环发射器馈电。
文档编号B60L9/28GK101238634SQ200680028636
公开日2008年8月6日 申请日期2006年7月31日 优先权日2005年8月3日
发明者A·皮亚泽西, L·梅森克, N·雨果, P·努瓦塞特, P·斯蒂芬努蒂 申请人:Abb研究有限公司