电压源转换器及其控制方法技术

本发明专利技术涉及电压源转换器及其控制方法。电压源转换器具有带串联连接的两个电流阀(22，23)的半桥(21)。栅极驱动单元(32)具有控制相应电流阀的半导体设备(26，27)的栅极驱动部分(33，34)。转换器对于每个电流阀有测量电流阀的整流二极管(28，29)两端的电压并向控制另一个电流阀的栅极驱动部分(34，33)的控制单元(36，35)发送关于测得的电压的信息的构件(41，42)。控制单元被配置为使用测得的电压作为转换器的AC侧(30)上的电流的测量，并依赖于关于这个电压的信息来控制相应半导体设备的栅极构件(40，39)，以便最小化与半导体设备的接通关联的总开关损耗，同时仍然保持半桥的续流二极管的二极管反向恢复dV/dt低于允许的最大水平。

Voltage source converter and its control method

The invention relates to a voltage source converter and a control method thereof. The voltage source converter has a half bridge (21) with two current valves (22, 23) connected in series. The gate drive unit (32) has gate drive portions (33, 34) for semiconductor devices (26, 27) to control the corresponding current valve. The converter has the rectifier diode current measuring valve for each current valve (28, 29) and the gate voltage at both ends to control another current valve driving part (34, 33) of the control unit (36, 35) on the measured voltage component to send information (41, 42). The control unit is configured to use the measured voltage as AC side converter (30) on the measurement of current, the gate member and depends on the voltage information to control the corresponding semiconductor device (40, 39), so that the total loss of the switch is connected with the semiconductor device to minimize the association, while still retaining the recovery of dV/dt below the maximum permissible level of continuous diode reverse current diode half bridge.

【技术实现步骤摘要】
电压源转换器及其控制方法
本专利技术涉及一种电压源转换器，包括：具有串联连接并被配置为连接到DC源/负载的相反极的两个电流阀的半桥，每个所述电流阀包括关断型半导体设备和与其反并联连接的整流二极管，两个电流阀之间的半桥的中点形成转换器的AC侧并被配置为连接到AC负载/源，以及栅极驱动单元，具有被配置为控制第一电流阀的半导体设备的第一栅极驱动部分和被配置为控制另一个(第二)电流阀的半导体设备的第二栅极驱动部分，根据脉宽调制模式来控制接通和关断，用于在所述AC侧产生基频AC电压和电流，每个栅极驱动部分包括被配置为控制驱动构件的控制单元，该驱动构件被配置为影响要由那个栅极驱动部分控制的半导体设备的栅极参数，以及根据所附独立方法权利要求的前序部分的用于控制电压源转换器的方法。本专利技术不限于这种转换器的任何特定用途，但是，为了说明本专利技术，在轨道车辆(诸如铁路车辆)中的使用将在下文中进行被解释，但是不相应地将本专利技术限制于那种应用。
技术介绍
为了不同的目的，这种转换器用于将直流电压转换成交流电压，或反之亦然。因此，对于马达转换器，AC侧被认为是负载并且DC侧被认为是源，或者对于线路转换器反过来成立。虽然单相和三相电压是最常见的，但是本专利技术不限于施加到所述AC侧的电压的相的任何数量，本专利技术也不限于要通过转换器馈送的此类电压或电力的任何特定电平。因此，在三相电压的情况下，转换器具有在DC侧的相反极之间并联连接的三个所述半桥。电流阀的半导体设备可以是关断型的任何半导体设备，例如IGBT或MOSFET。转换器的栅极驱动单元可以具有集成在一个单一部分中的所述两个栅极驱动部分，或者将它们作为两个物理上分离的部分来包括。这同样适用于栅极驱动部分的控制单元。转换器的控制一次打开其中一个阀门，以便在AC侧产生具有其基波傅立叶分量的期望量值、频率和相位角的脉宽调制(PWM)电压。由于AC侧通常有电感阻抗，因此电流主要由基波窦波(sinuswave)组成。在电流流入转换器的AC侧的基波的半周期内，它将流过下部阀门的IGBT或者流过上部阀门的二极管。电流在某一特定时刻采用这些路径中哪一个由所述下部IGBT的接通和关断来控制：当下侧IGBT接通(即，导通)时，电流流过它，并且当它关断(即，不导通)时，电流必须流过上部阀门的二极管。另一个IGBT，在这种情况下是上侧IGBT，在很多情况下将或多或少以反相被驱动，即，当下部IGBT关断时，它将接通，但是只要电流流入AC侧并通过上部阀门的二极管，这对于AC侧的电压就没有差别。因此，在这个半周期期间，下部IGBT控制AC侧的电压。在基波的另一个半周期内，电流通流出转换器的AC侧，通过上部阀门的IGBT或者通过下部阀门的二极管，这由所述上部IGBT的接通和关断来控制，因此，在这另一个半周期内，上部IGBT控制AC侧的电压。对应于不控制AC侧的电压的电流阀的二极管的二极管反向恢复dV/dt的相电压转换速率是这种类型电压源转换器的重要设计因素，其必然在温度以及换向电压和电流方面的所有工作点都受到限制。控制半导体设备的接通过程的栅极驱动单元导致二极管反向恢复dV/dt(即，二极管截止dV/dt)的间接控制。为了利用这种电压源转换器的低杂散电感，必须增加半导体设备的开关速度，这导致更高的dV/dt。在双极型整流二极管和IGBT形式的半导体设备的情况下，在转换器的所述AC侧的低电流下发生最高的二极管反向恢复dV/dt，这意味着IGBT对于这种低电流必须缓慢地接通。这是没有问题的，因为IGBT的导通损耗无论如何都是低的，但是如果相同的接通速度用于较高的电流，则导通损耗将相当大，于是IGBT的尺寸必须适于这种较高的损耗，这将使它们更昂贵。此外，将发生IGBT的热循环，导致其寿命缩短。累积的能量损耗的经济价值也相当可观。在PowerElectronicsEurope2014年第5期的“InnovativeIGBTDriverICResolvesDilemmaofGateResistorSelection”一文中，公开了一种在引言中定义的类型的电压源转换器，该电压源转换器试图解决对于在输出到所述AC负载的较高电流在IGBT中的较高接通损耗的问题。这是通过依赖于所述输出的电流来控制IGBT来实现的，使得IGBT被控制为当IGBT以较低的电流电平操作时安稳地(softly)接通，并且在较高电流电平下快速导通。但是，测量所述电流需要附加的通信链路以及操作足够快的电流传感器，这导致为了获得目标控制的复杂的控制方案和相当大的成本。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种在引言中定义的类型的电压源转换器，该电压源转换器解决上面公开的关于二极管反向恢复dV/dt对电流阀的半导体设备的接通速度的依赖性的问题。根据本专利技术，这个目的是通过提供具有在所附权利要求1的特征部分中列出的特征的电压源转换器而获得的。通过测量不控制AC侧的电压的电流阀的整流二极管两端的电压，使用测得的这个电压的值作为转换器的AC侧的电流的测量，并且依赖于这个测量进行控制AC侧的电压的电流阀中的半导体设备的接通控制，当使控制AC侧的电压的半导体设备的接通速度适应转换器的AC侧的电流时，不控制AC侧的电压的电流阀的二极管的二极管反向恢复dV/dt可以保持在期望的水平。解决上述问题的这种方式导致比上述文献中公开的电压源转换器更简单的控制和更快执行其的可能性。在当半导体设备独立于负载电流被驱动时二极管关断dV/dt对于较低电流比对于较高电流更高的半导体电流阀的情况下，本专利技术的益处特别高。这通常是与IGBT使用的双极型二极管的情况。在这种情况下，栅极驱动部分的控制单元可以被配置为，电流的测量越高，使电流阀的半导体设备的接通速度越高，这将在半导体损耗和温度可能受限的工作点降低与接通相关联的总开关损耗。“使用测得的电压作为在所述AC侧的电流的测量”应当被广义地解释，并且还覆盖不获得电流测量形式的中间结果而是控制栅极驱动部分的输出的参数从至少二极管两端的电压直接决定的情况。US2009/0057832A1公开了一种转换器，其中二极管两端的电压降被测量并被用于跨这个二极管直接连接的半导体设备的控制，用于减少二极管导通损耗。在这个上下文中还可以提及WO2011/160729A1，作为公开其中测量二极管两端的电压的转换器的文献，但是这个文献专注于在串联连接多个电流阀的情况下出现的特定问题。根据本专利技术的实施例，电压源转换器对于至少一个电流阀包括被配置为测量阀门的二极管附近的那个阀门的温度并将关于其的信息发送到与另一个电流阀相关联的栅极驱动部分的构件，其中所述另一个电流阀被配置为接收这种温度(T)信息并且还在确定所述AC侧的电流的测量时考虑这个信息作为参数并且还依赖于关于测得的温度的值的信息进行所述驱动构件的控制。在只有一个电流阀配备被配置为测量其二极管附近的那个阀门的温度的构件的情况下，关于其的信息还被发送到与这个电流阀相关联的栅极驱动部分，所述栅极驱动部分被配置为，当确定所述AC侧的电流的测量时，使用这个温度(T)信息作为另一个阀门的二极管的温度的最佳可用近似值，连同在所述另一个阀门的二极管两端测得的电压的值，并且还依赖于关于测得的温度的值的信息进行其所述驱动构件的控制。已知AC侧的电本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种电压源转换器，包括半桥(21)，具有串联连接并被配置为连接到DC源/负载的相反极(24，25)的两个电流阀(22，23)，每个所述电流阀包括关断型半导体设备(26，27)和与其反并联连接的整流二极管(28，29)，两个电流阀之间的半桥的中点形成转换器的AC侧(30)并被配置为连接到AC负载/源(31)，以及栅极驱动单元(32)，具有被配置为控制电流阀中的第一电流阀的半导体设备(26)的第一栅极驱动部分(33)和被配置为控制电流阀中的另一个第二电流阀的半导体设备(27)的第二栅极驱动部分(34)，以根据脉宽调制模式来控制接通和关断，用于在所述AC侧(30)产生AC基波电压和电流，每个栅极驱动部分包括被配置为控制驱动构件(37，38)的控制单元(35，36)，所述驱动构件被配置为影响要由那个栅极驱动部分控制的半导体设备的栅极参数，其特征在于，所述转换器对于每个电流阀(22，23)包括构件(41，42)，所述构件(41，42)被配置为首先当另一个电流阀的半导体设备(27，26)控制AC侧上的电压时至少在所述AC侧上的电流的半周期期间测量所述电流阀的所述整流二极管(28，29)两端的电压(Vf)，其次向与所述被控制的另一个电流阀相关联的栅极驱动部分的控制单元(35，36)发送关于测得的电压的信息，并且每个栅极驱动部分(33，34)的控制单元被配置为使用测得的电压作为所述AC侧上的电流(I)的测量并且依赖于关于所述测量的信息进行其所述驱动构件(37，38)的控制，从而最小化与半导体设备的接通相关联的总开关损耗，同时仍然保持不控制AC侧上的电压的电流阀的二极管(28，29)的二极管反向恢复dV/dt低于允许的最大水平。...

【技术特征摘要】
2016.04.19 EP 16166005.51.一种电压源转换器，包括半桥(21)，具有串联连接并被配置为连接到DC源/负载的相反极(24，25)的两个电流阀(22，23)，每个所述电流阀包括关断型半导体设备(26，27)和与其反并联连接的整流二极管(28，29)，两个电流阀之间的半桥的中点形成转换器的AC侧(30)并被配置为连接到AC负载/源(31)，以及栅极驱动单元(32)，具有被配置为控制电流阀中的第一电流阀的半导体设备(26)的第一栅极驱动部分(33)和被配置为控制电流阀中的另一个第二电流阀的半导体设备(27)的第二栅极驱动部分(34)，以根据脉宽调制模式来控制接通和关断，用于在所述AC侧(30)产生AC基波电压和电流，每个栅极驱动部分包括被配置为控制驱动构件(37，38)的控制单元(35，36)，所述驱动构件被配置为影响要由那个栅极驱动部分控制的半导体设备的栅极参数，其特征在于，所述转换器对于每个电流阀(22，23)包括构件(41，42)，所述构件(41，42)被配置为首先当另一个电流阀的半导体设备(27，26)控制AC侧上的电压时至少在所述AC侧上的电流的半周期期间测量所述电流阀的所述整流二极管(28，29)两端的电压(Vf)，其次向与所述被控制的另一个电流阀相关联的栅极驱动部分的控制单元(35，36)发送关于测得的电压的信息，并且每个栅极驱动部分(33，34)的控制单元被配置为使用测得的电压作为所述AC侧上的电流(I)的测量并且依赖于关于所述测量的信息进行其所述驱动构件(37，38)的控制，从而最小化与半导体设备的接通相关联的总开关损耗，同时仍然保持不控制AC侧上的电压的电流阀的二极管(28，29)的二极管反向恢复dV/dt低于允许的最大水平。2.如权利要求1所述的电压源转换器，其特征在于对于至少一个电流阀(22，23)所述电压源转换器包括构件(43，44)，所述构件被配置为测量在所述电流阀的二极管(28，29)附近的那个电流阀的温度并将关于其的信息至少发送到与另一个电流阀相关联的栅极驱动部分的控制单元(35，36)，并且每个栅极驱动部分(33，34)的控制单元被配置为接收这种温度(T)信息并且还在确定所述AC侧(30)上的电流(I)的测量时考虑所述信息作为参数，并且还依赖于关于测得的温度的值的信息对其所述驱动构件(37，38)进行控制。3.如权利要求1或2所述的电压源转换器，其特征在于它被配置为在其AC侧上连接到电感阻抗。4.如前述权利要求中任一项所述的电压源转换器，其特征在于每个栅极驱动部分(33，34)包括被配置为与另一个栅极驱动部分的收发器(48，49)进行通信以便在栅极驱动部分之间发送所述信息的收发器(48，49)。5.如前述权利要求中任一项所述的电压源转换器，其特征在于每个栅极驱动部分(33，34)包括查找表单元(50，51)，查找表单元(50，51)被配置为接收所述信息，以用于确定所述AC侧(30)上的电流(I)的测量，并且通过将所述信息与存储在这个单元的查找表中的数据进行比较来确定电流的所述测量，并将这个测量的信息发送到被配置为依赖于其来控制驱动构件(37，38)的这个栅极驱动部分的控制单元(35，36)。6.如权利要求1-4中任一项所述的电压源转换器，其特征在于每个栅极驱动部分(33，34)包括查找表单元(50，51)，查找表单元(50，51)被配置为接收所述信息并且通过将所述信息与存储在表中的数据进行比较来确定用于栅极驱动器的控制的值，并且将该值发送到被配置为依赖于其来控制驱动构件(37，38)的这个栅极驱动部分的控制单元(35，36)。7.如前述权利要求中任一项所述的电压源转换器，其特征在于栅极驱动部分(33，34)具有形式为电流源的驱动构件(37，38)，...

【专利技术属性】
技术研发人员：E·韦兰德，
申请(专利权)人：勃姆巴迪尔运输有限公司，
类型：发明
国别省市：德国,DE