磁浮斩波器及控制方法
【专利摘要】本发明公开了一种磁浮斩波器及控制方法，解决现有技术的磁浮斩波器采用硬开关方式导致产生较大开关损耗和开关噪声的问题。磁浮斩波器包括主开关S1、主开关S2、负载电感L、缓冲电容C1、缓冲电容C2、缓冲电容C3、缓冲电容C4、辅助开关S3、辅助电感LR、电容器C5、二极管D1、D2、D3、D4、D5、D6。开通主开关之前打开辅助电路，通过把电流注入到辅助电路实现主开关在零电压条件下转换，而辅助开关在零电流开关条件下关断，缓冲电容器减少了关断损耗。本发明减少了开关损耗和开关噪声，提高了电能变换效率、减少了器件散热面积、电磁干扰，使磁悬浮列车高效、安全、稳定运行。
【专利说明】磁浮斩波器及控制方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种磁浮斩波器，尤其涉及一种软开关磁浮斩波器及控制方法，属于电力电子【技术领域】。
【背景技术】
[0002]目前，世界上已成功研制了磁悬浮列车并进行了商用。磁悬浮列车与轮轨列车的区别在于它有悬浮控制系统，能够脱离轨道运行。传感器测量悬浮间隙、电磁铁运动加速度、电磁铁流过的电流信号并传输给悬浮控制器，而磁浮斩波器是控制器的执行机构，磁浮斩波器实质是一种DC/DC变换器，其负载悬浮电磁铁是一个很大的电感。磁浮斩波器根据控制信号改变加在悬浮电磁铁两端的有效电压以改变悬浮电磁铁的电流，从而调节悬浮电磁铁对钢轨的电磁力，使列车稳定悬浮。因此，磁浮斩波器是磁悬浮列车悬浮控制系统的重要环节，直接影响列车安全、稳定、高效的运行。
[0003]现有技术的磁浮斩波器大多使用硬开关技术，在开关过程中电压、电流均不为零，出现重叠，导致产生较大的开关损耗和开关噪声。开关损耗使电路效率下降，开关噪声带来严重的电磁干扰问题。软开关技术，尤其零电压转换(ZVT)技术在电力电子行业越来越受欢迎。软开关的目标是实现软切换，它的开关损耗和噪声比传统的硬开关低。因此，设计一种采用软开关技术的磁浮斩波器，对于磁悬浮列车高效、稳定运行具有重要意义。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于提供一种磁浮斩波器及控制方法，解决现有技术的磁浮斩波器采用硬开关方式导致产生较大开关损耗和开关噪声的问题。
[0005]本发明的目的通过以下技术方案予以实现:
[0006]一种磁浮斩波器，包括主开关S1、主开关S2、负载电感L、缓冲电容Cl、缓冲电容C2、缓冲电容C3、缓冲电容C4、辅助开关S3、辅助电感LK、电容器C5、二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4、二极管D5、二极管D6 ;所述主开关S1、主开关S2、辅助开关S3采用IGBT元件，所述电容器C5并联在直流电源Vdc的两端，所述二极管Dl的阳极与主开关SI的发射极相连，二极管Dl的阴极与主开关SI的集电极相连，所述缓冲电容Cl并联于二极管Dl的两端；所述二极管D4的阳极与主开关S2的发射极相连，二极管D4的阴极与主开关S2的集电极相连，所述缓冲电容C4并联于二极管D4的两端；所述主开关SI的集电极与直流电源Vdc的的正极相连，主开关SI的发射极与负载电感L的一端相连，所述负载电感L的另一端与主开关S2的集电极相连，所述主开关S2的发射极与直流电源Vdc的的负极相连；所述二极管D6的阳极与辅助开关S3的发射极相连，所述二极管D6的阴极与辅助开关S3的集电极相连，所述二极管D5的阳极与辅助开关S3的发射极相连，二极管D5的阴极与主开关SI的发射极相连，所述辅助电感Lk的一端与辅助开关S3的集电极相连，辅助电感Lk的另一端与主开关S2的集电极相连；所述缓冲电容C2并联于二极管D2的两端，所述二极管D2的阳极与直流电源Vdc的的负极相连，所述二极管D2的阴极与主开关SI的发射极相连；所述缓冲电容C3并联于二极管D3的两端，所述二极管D3的阳极与主开关S2的集电极相连，所述二极管D3的阴极与直流电源Vdc的的正极相连。
[0007]一种磁浮斩波器控制方法，包括:
[0008]在一个工作周期的初始时刻，主开关S1、主开关S2、辅助开关S3关断，负载电流通过自由环路二极管D2与二极管D3形成回路；按设定的脉宽调制时刻，控制辅助开关S3导通，所述二极管D5、二极管D6、辅助开关S3、辅助电感Lk构成的谐振缓冲辅助电路接受由自由环路二极管D2、二极管D3和缓冲电容Cl、缓冲电容C2、缓冲电容C3、缓冲电容C4谐振产生的电流；当横跨在主开关S1、主开关S2上的电压降至零时控制主开关S1、主开关S2导通，实现零电压转换；
[0009]在主开关S1、主开关S2导通后，辅助电感Lk上的电流Iui线性下降，当谐振电流减小为零时辅助开关S3、二极管D5关断，实现零电流关断，由主开关S1、主开关S2传输负载电流Il ;
[0010]需关断主开关时，由于缓冲电容的作用，主开关实现无损耗关断；之后四个缓冲电容器流过负载电流直到二极管D2和二极管D3导通进入下一周期初始时刻。
[0011]与现有技术相比，本发明的有益效果是:采用软开关技术的磁浮斩波器，在开通主开关之前打开辅助电路，通过把电流注入到辅助电路实现主开关在零电压条件下转换，而辅助开关在零电流开关条件下关断，缓冲电容器减少了关断损耗，非常适合两象限斩波应用。本发明降低了 DV/DT和开启电流的峰值，减少了开关损耗和开关噪声，从而提高了磁浮斩波器电能变换的效率、减少了电力电子器件的散热面积、减少了电磁干扰，使磁悬浮列车高效、安全、稳定运行。
【专利附图】
【附图说明】
[0012]图1是本发明的电路图。
【具体实施方式】
[0013]下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
[0014]如图1所示，本发明的磁浮斩波器，包括主开关S1、主开关S2、负载电感L、缓冲电容Cl、缓冲电容C2、缓冲电容C3、缓冲电容C4、辅助开关S3、辅助电感LK、电容器C5、二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4、二极管D5、二极管D6 ;所述主开关S1、主开关S2、辅助开关S3采用IGBT元件，所述电容器C5并联在直流电源VD。的两端，所述二极管Dl的阳极与主开关SI的发射极相连，二极管Dl的阴极与主开关SI的集电极相连，所述缓冲电容Cl并联于二极管Dl的两端；所述二极管D4的阳极与主开关S2的发射极相连，二极管D4的阴极与主开关S2的集电极相连，所述缓冲电容C4并联于二极管D4的两端；所述主开关SI的集电极与直流电源Vdc的的正极相连，主开关SI的发射极与负载电感L的一端相连，所述负载电感L的另一端与主开关S2的集电极相连，所述主开关S2的发射极与直流电源Vdc的的负极相连；所述二极管D6的阳极与辅助开关S3的发射极相连，所述二极管D6的阴极与辅助开关S3的集电极相连，所述二极管D5的阳极与辅助开关S3的发射极相连，二极管D5的阴极与主开关SI的发射极相连，所述辅助电感Lk的一端与辅助开关S3的集电极相连，辅助电感Lk的另一端与主开关S2的集电极相连；所述缓冲电容C2并联于二极管D2的两端，所述二极管D2的阳极与直流电源Vdc的的负极相连，所述二极管D2的阴极与主开关SI的发射极相连；所述缓冲电容C3并联于二极管D3的两端，所述二极管D3的阳极与主开关S2的集电极相连，所述二极管D3的阴极与直流电源Vdc的的正极相连。
[0015]本发明中主开关S1、主开关S2、二极管D2、二极管D3组成斩波器桥，二极管D2、D3提供一个自由环路和反向电压使负荷双象限运行。二极管D5、二极管D6、辅助开关S3、辅助电感Lk构成谐振缓冲辅助电路。软开关斩波电路与谐振缓冲辅助电路组成两象限斩波器。低损耗缓冲电容加在主元件上，辅助电路添加在两相之间。
[0016]软开关磁浮斩波器的运行方式是在开通主开关之前打开辅助电路。辅助电路接受由自由环路二极管和与主开关并联的电容器谐振产生的电流。当横跨在主开关上电压降至零后打开主开关，实现零电压或近于零电压转换，即实现软开关，可有效解决斩波器二极管反向恢复和限制dv/dt的问题。软开关磁浮斩波器的具体运行方式描述如下:
[0017]在最初的时刻，主开关SI和S2、辅助开关S3是关断的，负载电流通过自由环路二极管D2与D3形成回路，流过二极管D2、D3的是正负载电流込。 [0018]按设定的脉宽调制时刻，辅助开关S3导通，辅助电感Lk上的电流Iui线性增加，同时二极管D2和D3上的电流线性减少。
[0019]当辅助电路电流大于负载电流时，二极管D2和D3自然关断。然后四个缓冲电容器Cl~C4和辅助电感Lk产生谐振。横跨在主开关两端的电容器以有限的速率让主开关电压下降到零。
[0020]在谐振的结束阶段，缓冲电容器放电到零电压，此时，主开关可以在零电压条件下导通，在主开关闭合后，由于相反的电压极性，辅助电感LK±的电流Iui线性下降。
[0021]当谐振电流减小为零，在零电流条件下辅助开关S3、二极管D5关断。由主开关S1、S2传输负载电流込。
[0022]需关断主开关时，由于缓冲电容的作用主开关实现无损耗关断。四个缓冲电容器流过负载电流直到二极管D2和D3导通回到下一周期初始时刻。
[0023]除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式，凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围内。
【权利要求】
1.一种磁浮斩波器，其特征在于，包括主开关S1、主开关S2、负载电感L、缓冲电容Cl、缓冲电容C2、缓冲电容C3、缓冲电容C4、辅助开关S3、辅助电感LK、电容器C5、二极管Dl、二极管D2、二极管D3、二极管D4、二极管D5、二极管D6 ;所述主开关S1、主开关S2、辅助开关S3采用IGBT元件，所述电容器C5并联在直流电源Vdc的两端，所述二极管Dl的阳极与主开关SI的发射极相连，二极管Dl的阴极与主开关SI的集电极相连，所述缓冲电容Cl并联于二极管Dl的两端；所述二极管D4的阳极与主开关S2的发射极相连，二极管D4的阴极与主开关S2的集电极相连，所述缓冲电容C4并联于二极管D4的两端；所述主开关SI的集电极与直流电源Vdc的的正极相连，主开关SI的发射极与负载电感L的一端相连，所述负载电感L的另一端与主开关S2的集电极相连，所述主开关S2的发射极与直流电源Vdc的的负极相连；所述二极管D6的阳极与辅助开关S3的发射极相连，所述二极管D6的阴极与辅助开关S3的集电极相连，所述二极管D5的阳极与辅助开关S3的发射极相连，二极管D5的阴极与主开关SI的发射极相连，所述辅助电感Lk的一端与辅助开关S3的集电极相连，辅助电感Le的另一端与主开关S2的集电极相连；所述缓冲电容C2并联于二极管D2的两端，所述二极管D2的阳极与直流电源Vdc的的负极相连，所述二极管D2的阴极与主开关SI的发射极相连；所述缓冲电容C3并联于二极管D3的两端，所述二极管D3的阳极与主开关S2的集电极相连，所述二极管D3的阴极与直流电源Vdc的的正极相连。
2.一种如权利要求1所述的磁浮斩波器的控制方法，其特征在于，包括: 在一个工作周期的初始时刻，主开关S1、主开关S2、辅助开关S3关断，负载电流通过自由环路二极管D2与二极管D3形成回路；按设定的脉宽调制时刻，控制辅助开关S3导通，所述二极管D5、二极管D6、辅助开关S3、辅助电感Lk构成的谐振缓冲辅助电路接受由自由环路二极管D2、二极管D3和缓冲电容Cl、缓冲电容C2、缓冲电容C3、缓冲电容C4谐振产生的电流；当横跨在主开关S1、主开关S2上的电压降至零时控制主开关S1、主开关S2导通，实现零电压转换； 在主开关S1、主开关S2导通后，辅助电感Lk上的电流Iui线性下降，当谐振电流减小为零时辅助开关S3、二极管D5关断，实现零电流关断，由主开关S1、主开关S2传输负载电流Il； 需关断主开关时，由于缓冲电容的作用，主开关实现无损耗关断；之后四个缓冲电容器流过负载电流直到二极管D2和二极管D3导通进入下一周期初始时刻。
【文档编号】H02M1/34GK103746555SQ201310740481
【公开日】2014年4月23日 申请日期:2013年12月30日 优先权日:2013年12月30日
【发明者】徐沛, 徐任飞 申请人:镇江市高等专科学校