磁浮斬波器及控制方法
2024-03-06 18:57:15
磁浮斬波器及控制方法
【專利摘要】本發明公開了一種磁浮斬波器及控制方法，解決現有技術的磁浮斬波器採用硬開關方式導致產生較大開關損耗和開關噪聲的問題。磁浮斬波器包括主開關S1、主開關S2、負載電感L、緩衝電容C1、緩衝電容C2、緩衝電容C3、緩衝電容C4、輔助開關S3、輔助電感LR、電容器C5、二極體D1、D2、D3、D4、D5、D6。開通主開關之前打開輔助電路，通過把電流注入到輔助電路實現主開關在零電壓條件下轉換，而輔助開關在零電流開關條件下關斷，緩衝電容器減少了關斷損耗。本發明減少了開關損耗和開關噪聲，提高了電能變換效率、減少了器件散熱面積、電磁幹擾，使磁懸浮列車高效、安全、穩定運行。
【專利說明】磁浮斬波器及控制方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種磁浮斬波器，尤其涉及一種軟開關磁浮斬波器及控制方法，屬於電力電子【技術領域】。
【背景技術】
[0002]目前，世界上已成功研製了磁懸浮列車並進行了商用。磁懸浮列車與輪軌列車的區別在於它有懸浮控制系統，能夠脫離軌道運行。傳感器測量懸浮間隙、電磁鐵運動加速度、電磁鐵流過的電流信號並傳輸給懸浮控制器，而磁浮斬波器是控制器的執行機構，磁浮斬波器實質是一種DC/DC變換器，其負載懸浮電磁鐵是一個很大的電感。磁浮斬波器根據控制信號改變加在懸浮電磁鐵兩端的有效電壓以改變懸浮電磁鐵的電流，從而調節懸浮電磁鐵對鋼軌的電磁力，使列車穩定懸浮。因此，磁浮斬波器是磁懸浮列車懸浮控制系統的重要環節，直接影響列車安全、穩定、高效的運行。
[0003]現有技術的磁浮斬波器大多使用硬開關技術，在開關過程中電壓、電流均不為零，出現重疊，導致產生較大的開關損耗和開關噪聲。開關損耗使電路效率下降，開關噪聲帶來嚴重的電磁幹擾問題。軟開關技術，尤其零電壓轉換(ZVT)技術在電力電子行業越來越受歡迎。軟開關的目標是實現軟切換，它的開關損耗和噪聲比傳統的硬開關低。因此，設計一種採用軟開關技術的磁浮斬波器，對於磁懸浮列車高效、穩定運行具有重要意義。
【發明內容】
[0004]本發明的目的在於提供一種磁浮斬波器及控制方法，解決現有技術的磁浮斬波器採用硬開關方式導致產生較大開關損耗和開關噪聲的問題。
[0005]本發明的目的通過以下技術方案予以實現:
[0006]一種磁浮斬波器，包括主開關S1、主開關S2、負載電感L、緩衝電容Cl、緩衝電容C2、緩衝電容C3、緩衝電容C4、輔助開關S3、輔助電感LK、電容器C5、二極體D1、二極體D2、二極體D3、二極體D4、二極體D5、二極體D6 ;所述主開關S1、主開關S2、輔助開關S3採用IGBT元件，所述電容器C5並聯在直流電源Vdc的兩端，所述二極體Dl的陽極與主開關SI的發射極相連，二極體Dl的陰極與主開關SI的集電極相連，所述緩衝電容Cl並聯於二極體Dl的兩端；所述二極體D4的陽極與主開關S2的發射極相連，二極體D4的陰極與主開關S2的集電極相連，所述緩衝電容C4並聯於二極體D4的兩端；所述主開關SI的集電極與直流電源Vdc的的正極相連，主開關SI的發射極與負載電感L的一端相連，所述負載電感L的另一端與主開關S2的集電極相連，所述主開關S2的發射極與直流電源Vdc的的負極相連；所述二極體D6的陽極與輔助開關S3的發射極相連，所述二極體D6的陰極與輔助開關S3的集電極相連，所述二極體D5的陽極與輔助開關S3的發射極相連，二極體D5的陰極與主開關SI的發射極相連，所述輔助電感Lk的一端與輔助開關S3的集電極相連，輔助電感Lk的另一端與主開關S2的集電極相連；所述緩衝電容C2並聯於二極體D2的兩端，所述二極體D2的陽極與直流電源Vdc的的負極相連，所述二極體D2的陰極與主開關SI的發射極相連；所述緩衝電容C3並聯於二極體D3的兩端，所述二極體D3的陽極與主開關S2的集電極相連，所述二極體D3的陰極與直流電源Vdc的的正極相連。
[0007]一種磁浮斬波器控制方法，包括:
[0008]在一個工作周期的初始時刻，主開關S1、主開關S2、輔助開關S3關斷，負載電流通過自由環路二極體D2與二極體D3形成迴路；按設定的脈寬調製時刻，控制輔助開關S3導通，所述二極體D5、二極體D6、輔助開關S3、輔助電感Lk構成的諧振緩衝輔助電路接受由自由環路二極體D2、二極體D3和緩衝電容Cl、緩衝電容C2、緩衝電容C3、緩衝電容C4諧振產生的電流；當橫跨在主開關S1、主開關S2上的電壓降至零時控制主開關S1、主開關S2導通，實現零電壓轉換；
[0009]在主開關S1、主開關S2導通後，輔助電感Lk上的電流Iui線性下降，當諧振電流減小為零時輔助開關S3、二極體D5關斷，實現零電流關斷，由主開關S1、主開關S2傳輸負載電流Il ;
[0010]需關斷主開關時，由於緩衝電容的作用，主開關實現無損耗關斷；之後四個緩衝電容器流過負載電流直到二極體D2和二極體D3導通進入下一周期初始時刻。
[0011]與現有技術相比，本發明的有益效果是:採用軟開關技術的磁浮斬波器，在開通主開關之前打開輔助電路，通過把電流注入到輔助電路實現主開關在零電壓條件下轉換，而輔助開關在零電流開關條件下關斷，緩衝電容器減少了關斷損耗，非常適合兩象限斬波應用。本發明降低了 DV/DT和開啟電流的峰值，減少了開關損耗和開關噪聲，從而提高了磁浮斬波器電能變換的效率、減少了電力電子器件的散熱面積、減少了電磁幹擾，使磁懸浮列車高效、安全、穩定運行。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0012]圖1是本發明的電路圖。
【具體實施方式】
[0013]下面結合附圖和具體實施例對本發明作進一步說明。
[0014]如圖1所示，本發明的磁浮斬波器，包括主開關S1、主開關S2、負載電感L、緩衝電容Cl、緩衝電容C2、緩衝電容C3、緩衝電容C4、輔助開關S3、輔助電感LK、電容器C5、二極體D1、二極體D2、二極體D3、二極體D4、二極體D5、二極體D6 ;所述主開關S1、主開關S2、輔助開關S3採用IGBT元件，所述電容器C5並聯在直流電源VD。的兩端，所述二極體Dl的陽極與主開關SI的發射極相連，二極體Dl的陰極與主開關SI的集電極相連，所述緩衝電容Cl並聯於二極體Dl的兩端；所述二極體D4的陽極與主開關S2的發射極相連，二極體D4的陰極與主開關S2的集電極相連，所述緩衝電容C4並聯於二極體D4的兩端；所述主開關SI的集電極與直流電源Vdc的的正極相連，主開關SI的發射極與負載電感L的一端相連，所述負載電感L的另一端與主開關S2的集電極相連，所述主開關S2的發射極與直流電源Vdc的的負極相連；所述二極體D6的陽極與輔助開關S3的發射極相連，所述二極體D6的陰極與輔助開關S3的集電極相連，所述二極體D5的陽極與輔助開關S3的發射極相連，二極體D5的陰極與主開關SI的發射極相連，所述輔助電感Lk的一端與輔助開關S3的集電極相連，輔助電感Lk的另一端與主開關S2的集電極相連；所述緩衝電容C2並聯於二極體D2的兩端，所述二極體D2的陽極與直流電源Vdc的的負極相連，所述二極體D2的陰極與主開關SI的發射極相連；所述緩衝電容C3並聯於二極體D3的兩端，所述二極體D3的陽極與主開關S2的集電極相連，所述二極體D3的陰極與直流電源Vdc的的正極相連。
[0015]本發明中主開關S1、主開關S2、二極體D2、二極體D3組成斬波器橋，二極體D2、D3提供一個自由環路和反向電壓使負荷雙象限運行。二極體D5、二極體D6、輔助開關S3、輔助電感Lk構成諧振緩衝輔助電路。軟開關斬波電路與諧振緩衝輔助電路組成兩象限斬波器。低損耗緩衝電容加在主元件上，輔助電路添加在兩相之間。
[0016]軟開關磁浮斬波器的運行方式是在開通主開關之前打開輔助電路。輔助電路接受由自由環路二極體和與主開關並聯的電容器諧振產生的電流。當橫跨在主開關上電壓降至零後打開主開關，實現零電壓或近於零電壓轉換，即實現軟開關，可有效解決斬波器二極體反向恢復和限制dv/dt的問題。軟開關磁浮斬波器的具體運行方式描述如下:
[0017]在最初的時刻，主開關SI和S2、輔助開關S3是關斷的，負載電流通過自由環路二極體D2與D3形成迴路，流過二極體D2、D3的是正負載電流込。 [0018]按設定的脈寬調製時刻，輔助開關S3導通，輔助電感Lk上的電流Iui線性增加，同時二極體D2和D3上的電流線性減少。
[0019]當輔助電路電流大於負載電流時，二極體D2和D3自然關斷。然後四個緩衝電容器Cl~C4和輔助電感Lk產生諧振。橫跨在主開關兩端的電容器以有限的速率讓主開關電壓下降到零。
[0020]在諧振的結束階段，緩衝電容器放電到零電壓，此時，主開關可以在零電壓條件下導通，在主開關閉合後，由於相反的電壓極性，輔助電感LK±的電流Iui線性下降。
[0021]當諧振電流減小為零，在零電流條件下輔助開關S3、二極體D5關斷。由主開關S1、S2傳輸負載電流込。
[0022]需關斷主開關時，由於緩衝電容的作用主開關實現無損耗關斷。四個緩衝電容器流過負載電流直到二極體D2和D3導通回到下一周期初始時刻。
[0023]除上述實施例外，本發明還可以有其他實施方式，凡採用等同替換或等效變換形成的技術方案，均落在本發明要求的保護範圍內。
【權利要求】
1.一種磁浮斬波器，其特徵在於，包括主開關S1、主開關S2、負載電感L、緩衝電容Cl、緩衝電容C2、緩衝電容C3、緩衝電容C4、輔助開關S3、輔助電感LK、電容器C5、二極體Dl、二極體D2、二極體D3、二極體D4、二極體D5、二極體D6 ;所述主開關S1、主開關S2、輔助開關S3採用IGBT元件，所述電容器C5並聯在直流電源Vdc的兩端，所述二極體Dl的陽極與主開關SI的發射極相連，二極體Dl的陰極與主開關SI的集電極相連，所述緩衝電容Cl並聯於二極體Dl的兩端；所述二極體D4的陽極與主開關S2的發射極相連，二極體D4的陰極與主開關S2的集電極相連，所述緩衝電容C4並聯於二極體D4的兩端；所述主開關SI的集電極與直流電源Vdc的的正極相連，主開關SI的發射極與負載電感L的一端相連，所述負載電感L的另一端與主開關S2的集電極相連，所述主開關S2的發射極與直流電源Vdc的的負極相連；所述二極體D6的陽極與輔助開關S3的發射極相連，所述二極體D6的陰極與輔助開關S3的集電極相連，所述二極體D5的陽極與輔助開關S3的發射極相連，二極體D5的陰極與主開關SI的發射極相連，所述輔助電感Lk的一端與輔助開關S3的集電極相連，輔助電感Le的另一端與主開關S2的集電極相連；所述緩衝電容C2並聯於二極體D2的兩端，所述二極體D2的陽極與直流電源Vdc的的負極相連，所述二極體D2的陰極與主開關SI的發射極相連；所述緩衝電容C3並聯於二極體D3的兩端，所述二極體D3的陽極與主開關S2的集電極相連，所述二極體D3的陰極與直流電源Vdc的的正極相連。
2.一種如權利要求1所述的磁浮斬波器的控制方法，其特徵在於，包括: 在一個工作周期的初始時刻，主開關S1、主開關S2、輔助開關S3關斷，負載電流通過自由環路二極體D2與二極體D3形成迴路；按設定的脈寬調製時刻，控制輔助開關S3導通，所述二極體D5、二極體D6、輔助開關S3、輔助電感Lk構成的諧振緩衝輔助電路接受由自由環路二極體D2、二極體D3和緩衝電容Cl、緩衝電容C2、緩衝電容C3、緩衝電容C4諧振產生的電流；當橫跨在主開關S1、主開關S2上的電壓降至零時控制主開關S1、主開關S2導通，實現零電壓轉換； 在主開關S1、主開關S2導通後，輔助電感Lk上的電流Iui線性下降，當諧振電流減小為零時輔助開關S3、二極體D5關斷，實現零電流關斷，由主開關S1、主開關S2傳輸負載電流Il； 需關斷主開關時，由於緩衝電容的作用，主開關實現無損耗關斷；之後四個緩衝電容器流過負載電流直到二極體D2和二極體D3導通進入下一周期初始時刻。
【文檔編號】H02M1/34GK103746555SQ201310740481
【公開日】2014年4月23日 申請日期:2013年12月30日 優先權日:2013年12月30日
【發明者】徐沛, 徐任飛 申請人:鎮江市高等專科學校