磁浮斬波器及控制方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種磁浮斬波器及控制方法，解決現(xiàn)有技術(shù)的磁浮斬波器采用硬開(kāi)關(guān)方式導(dǎo)致產(chǎn)生較大開(kāi)關(guān)損耗和開(kāi)關(guān)噪聲的問(wèn)題。磁浮斬波器包括主開(kāi)關(guān)S1、主開(kāi)關(guān)S2、負(fù)載電感L、緩沖電容C1、緩沖電容C2、緩沖電容C3、緩沖電容C4、輔助開(kāi)關(guān)S3、輔助電感LR、電容器C5、二極管D1、D2、D3、D4、D5、D6。開(kāi)通主開(kāi)關(guān)之前打開(kāi)輔助電路，通過(guò)把電流注入到輔助電路實(shí)現(xiàn)主開(kāi)關(guān)在零電壓條件下轉(zhuǎn)換，而輔助開(kāi)關(guān)在零電流開(kāi)關(guān)條件下關(guān)斷，緩沖電容器減少了關(guān)斷損耗。本發(fā)明減少了開(kāi)關(guān)損耗和開(kāi)關(guān)噪聲，提高了電能變換效率、減少了器件散熱面積、電磁干擾，使磁懸浮列車高效、安全、穩(wěn)定運(yùn)行。
【專利說(shuō)明】磁浮斬波器及控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種磁浮斬波器，尤其涉及一種軟開(kāi)關(guān)磁浮斬波器及控制方法，屬于電力電子【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]目前，世界上已成功研制了磁懸浮列車并進(jìn)行了商用。磁懸浮列車與輪軌列車的區(qū)別在于它有懸浮控制系統(tǒng)，能夠脫離軌道運(yùn)行。傳感器測(cè)量懸浮間隙、電磁鐵運(yùn)動(dòng)加速度、電磁鐵流過(guò)的電流信號(hào)并傳輸給懸浮控制器，而磁浮斬波器是控制器的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，磁浮斬波器實(shí)質(zhì)是一種DC/DC變換器，其負(fù)載懸浮電磁鐵是一個(gè)很大的電感。磁浮斬波器根據(jù)控制信號(hào)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(diào)節(jié)懸浮電磁鐵對(duì)鋼軌的電磁力，使列車穩(wěn)定懸浮。因此，磁浮斬波器是磁懸浮列車懸浮控制系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)，直接影響列車安全、穩(wěn)定、高效的運(yùn)行。
[0003]現(xiàn)有技術(shù)的磁浮斬波器大多使用硬開(kāi)關(guān)技術(shù)，在開(kāi)關(guān)過(guò)程中電壓、電流均不為零，出現(xiàn)重疊，導(dǎo)致產(chǎn)生較大的開(kāi)關(guān)損耗和開(kāi)關(guān)噪聲。開(kāi)關(guān)損耗使電路效率下降，開(kāi)關(guān)噪聲帶來(lái)嚴(yán)重的電磁干擾問(wèn)題。軟開(kāi)關(guān)技術(shù)，尤其零電壓轉(zhuǎn)換(ZVT)技術(shù)在電力電子行業(yè)越來(lái)越受歡迎。軟開(kāi)關(guān)的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)軟切換，它的開(kāi)關(guān)損耗和噪聲比傳統(tǒng)的硬開(kāi)關(guān)低。因此，設(shè)計(jì)一種采用軟開(kāi)關(guān)技術(shù)的磁浮斬波器，對(duì)于磁懸浮列車高效、穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于提供一種磁浮斬波器及控制方法，解決現(xiàn)有技術(shù)的磁浮斬波器采用硬開(kāi)關(guān)方式導(dǎo)致產(chǎn)生較大開(kāi)關(guān)損耗和開(kāi)關(guān)噪聲的問(wèn)題。
[0005]本發(fā)明的目的通過(guò)以下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn):
[0006]一種磁浮斬波器，包括主開(kāi)關(guān)S1、主開(kāi)關(guān)S2、負(fù)載電感L、緩沖電容Cl、緩沖電容C2、緩沖電容C3、緩沖電容C4、輔助開(kāi)關(guān)S3、輔助電感LK、電容器C5、二極管D1、二極管D2、二極管D3、二極管D4、二極管D5、二極管D6 ;所述主開(kāi)關(guān)S1、主開(kāi)關(guān)S2、輔助開(kāi)關(guān)S3采用IGBT元件，所述電容器C5并聯(lián)在直流電源Vdc的兩端，所述二極管Dl的陽(yáng)極與主開(kāi)關(guān)SI的發(fā)射極相連，二極管Dl的陰極與主開(kāi)關(guān)SI的集電極相連，所述緩沖電容Cl并聯(lián)于二極管Dl的兩端；所述二極管D4的陽(yáng)極與主開(kāi)關(guān)S2的發(fā)射極相連，二極管D4的陰極與主開(kāi)關(guān)S2的集電極相連，所述緩沖電容C4并聯(lián)于二極管D4的兩端；所述主開(kāi)關(guān)SI的集電極與直流電源Vdc的的正極相連，主開(kāi)關(guān)SI的發(fā)射極與負(fù)載電感L的一端相連，所述負(fù)載電感L的另一端與主開(kāi)關(guān)S2的集電極相連，所述主開(kāi)關(guān)S2的發(fā)射極與直流電源Vdc的的負(fù)極相連；所述二極管D6的陽(yáng)極與輔助開(kāi)關(guān)S3的發(fā)射極相連，所述二極管D6的陰極與輔助開(kāi)關(guān)S3的集電極相連，所述二極管D5的陽(yáng)極與輔助開(kāi)關(guān)S3的發(fā)射極相連，二極管D5的陰極與主開(kāi)關(guān)SI的發(fā)射極相連，所述輔助電感Lk的一端與輔助開(kāi)關(guān)S3的集電極相連，輔助電感Lk的另一端與主開(kāi)關(guān)S2的集電極相連；所述緩沖電容C2并聯(lián)于二極管D2的兩端，所述二極管D2的陽(yáng)極與直流電源Vdc的的負(fù)極相連，所述二極管D2的陰極與主開(kāi)關(guān)SI的發(fā)射極相連；所述緩沖電容C3并聯(lián)于二極管D3的兩端，所述二極管D3的陽(yáng)極與主開(kāi)關(guān)S2的集電極相連，所述二極管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(gè)工作周期的初始時(shí)刻，主開(kāi)關(guān)S1、主開(kāi)關(guān)S2、輔助開(kāi)關(guān)S3關(guān)斷，負(fù)載電流通過(guò)自由環(huán)路二極管D2與二極管D3形成回路；按設(shè)定的脈寬調(diào)制時(shí)刻，控制輔助開(kāi)關(guān)S3導(dǎo)通，所述二極管D5、二極管D6、輔助開(kāi)關(guān)S3、輔助電感Lk構(gòu)成的諧振緩沖輔助電路接受由自由環(huán)路二極管D2、二極管D3和緩沖電容Cl、緩沖電容C2、緩沖電容C3、緩沖電容C4諧振產(chǎn)生的電流；當(dāng)橫跨在主開(kāi)關(guān)S1、主開(kāi)關(guān)S2上的電壓降至零時(shí)控制主開(kāi)關(guān)S1、主開(kāi)關(guān)S2導(dǎo)通，實(shí)現(xiàn)零電壓轉(zhuǎn)換；
[0009]在主開(kāi)關(guān)S1、主開(kāi)關(guān)S2導(dǎo)通后，輔助電感Lk上的電流Iui線性下降，當(dāng)諧振電流減小為零時(shí)輔助開(kāi)關(guān)S3、二極管D5關(guān)斷，實(shí)現(xiàn)零電流關(guān)斷，由主開(kāi)關(guān)S1、主開(kāi)關(guān)S2傳輸負(fù)載電流Il ;
[0010]需關(guān)斷主開(kāi)關(guān)時(shí)，由于緩沖電容的作用，主開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)無(wú)損耗關(guān)斷；之后四個(gè)緩沖電容器流過(guò)負(fù)載電流直到二極管D2和二極管D3導(dǎo)通進(jìn)入下一周期初始時(shí)刻。
[0011]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是:采用軟開(kāi)關(guān)技術(shù)的磁浮斬波器，在開(kāi)通主開(kāi)關(guān)之前打開(kāi)輔助電路，通過(guò)把電流注入到輔助電路實(shí)現(xiàn)主開(kāi)關(guān)在零電壓條件下轉(zhuǎn)換，而輔助開(kāi)關(guān)在零電流開(kāi)關(guān)條件下關(guān)斷，緩沖電容器減少了關(guān)斷損耗，非常適合兩象限斬波應(yīng)用。本發(fā)明降低了 DV/DT和開(kāi)啟電流的峰值，減少了開(kāi)關(guān)損耗和開(kāi)關(guān)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、減少了電磁干擾，使磁懸浮列車高效、安全、穩(wěn)定運(yùn)行。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0012]圖1是本發(fā)明的電路圖。
【具體實(shí)施方式】
[0013]下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。
[0014]如圖1所示，本發(fā)明的磁浮斬波器，包括主開(kāi)關(guān)S1、主開(kāi)關(guān)S2、負(fù)載電感L、緩沖電容Cl、緩沖電容C2、緩沖電容C3、緩沖電容C4、輔助開(kāi)關(guān)S3、輔助電感LK、電容器C5、二極管D1、二極管D2、二極管D3、二極管D4、二極管D5、二極管D6 ;所述主開(kāi)關(guān)S1、主開(kāi)關(guān)S2、輔助開(kāi)關(guān)S3采用IGBT元件，所述電容器C5并聯(lián)在直流電源VD。的兩端，所述二極管Dl的陽(yáng)極與主開(kāi)關(guān)SI的發(fā)射極相連，二極管Dl的陰極與主開(kāi)關(guān)SI的集電極相連，所述緩沖電容Cl并聯(lián)于二極管Dl的兩端；所述二極管D4的陽(yáng)極與主開(kāi)關(guān)S2的發(fā)射極相連，二極管D4的陰極與主開(kāi)關(guān)S2的集電極相連，所述緩沖電容C4并聯(lián)于二極管D4的兩端；所述主開(kāi)關(guān)SI的集電極與直流電源Vdc的的正極相連，主開(kāi)關(guān)SI的發(fā)射極與負(fù)載電感L的一端相連，所述負(fù)載電感L的另一端與主開(kāi)關(guān)S2的集電極相連，所述主開(kāi)關(guān)S2的發(fā)射極與直流電源Vdc的的負(fù)極相連；所述二極管D6的陽(yáng)極與輔助開(kāi)關(guān)S3的發(fā)射極相連，所述二極管D6的陰極與輔助開(kāi)關(guān)S3的集電極相連，所述二極管D5的陽(yáng)極與輔助開(kāi)關(guān)S3的發(fā)射極相連，二極管D5的陰極與主開(kāi)關(guān)SI的發(fā)射極相連，所述輔助電感Lk的一端與輔助開(kāi)關(guān)S3的集電極相連，輔助電感Lk的另一端與主開(kāi)關(guān)S2的集電極相連；所述緩沖電容C2并聯(lián)于二極管D2的兩端，所述二極管D2的陽(yáng)極與直流電源Vdc的的負(fù)極相連，所述二極管D2的陰極與主開(kāi)關(guān)SI的發(fā)射極相連；所述緩沖電容C3并聯(lián)于二極管D3的兩端，所述二極管D3的陽(yáng)極與主開(kāi)關(guān)S2的集電極相連，所述二極管D3的陰極與直流電源Vdc的的正極相連。
[0015]本發(fā)明中主開(kāi)關(guān)S1、主開(kāi)關(guān)S2、二極管D2、二極管D3組成斬波器橋，二極管D2、D3提供一個(gè)自由環(huán)路和反向電壓使負(fù)荷雙象限運(yùn)行。二極管D5、二極管D6、輔助開(kāi)關(guān)S3、輔助電感Lk構(gòu)成諧振緩沖輔助電路。軟開(kāi)關(guān)斬波電路與諧振緩沖輔助電路組成兩象限斬波器。低損耗緩沖電容加在主元件上，輔助電路添加在兩相之間。
[0016]軟開(kāi)關(guān)磁浮斬波器的運(yùn)行方式是在開(kāi)通主開(kāi)關(guān)之前打開(kāi)輔助電路。輔助電路接受由自由環(huán)路二極管和與主開(kāi)關(guān)并聯(lián)的電容器諧振產(chǎn)生的電流。當(dāng)橫跨在主開(kāi)關(guān)上電壓降至零后打開(kāi)主開(kāi)關(guān)，實(shí)現(xiàn)零電壓或近于零電壓轉(zhuǎn)換，即實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)，可有效解決斬波器二極管反向恢復(fù)和限制dv/dt的問(wèn)題。軟開(kāi)關(guān)磁浮斬波器的具體運(yùn)行方式描述如下:
[0017]在最初的時(shí)刻，主開(kāi)關(guān)SI和S2、輔助開(kāi)關(guān)S3是關(guān)斷的，負(fù)載電流通過(guò)自由環(huán)路二極管D2與D3形成回路，流過(guò)二極管D2、D3的是正負(fù)載電流込。 [0018]按設(shè)定的脈寬調(diào)制時(shí)刻，輔助開(kāi)關(guān)S3導(dǎo)通，輔助電感Lk上的電流Iui線性增加，同時(shí)二極管D2和D3上的電流線性減少。
[0019]當(dāng)輔助電路電流大于負(fù)載電流時(shí)，二極管D2和D3自然關(guān)斷。然后四個(gè)緩沖電容器Cl~C4和輔助電感Lk產(chǎn)生諧振。橫跨在主開(kāi)關(guān)兩端的電容器以有限的速率讓主開(kāi)關(guān)電壓下降到零。
[0020]在諧振的結(jié)束階段，緩沖電容器放電到零電壓，此時(shí)，主開(kāi)關(guān)可以在零電壓條件下導(dǎo)通，在主開(kāi)關(guān)閉合后，由于相反的電壓極性，輔助電感LK±的電流Iui線性下降。
[0021]當(dāng)諧振電流減小為零，在零電流條件下輔助開(kāi)關(guān)S3、二極管D5關(guān)斷。由主開(kāi)關(guān)S1、S2傳輸負(fù)載電流込。
[0022]需關(guān)斷主開(kāi)關(guān)時(shí)，由于緩沖電容的作用主開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)無(wú)損耗關(guān)斷。四個(gè)緩沖電容器流過(guò)負(fù)載電流直到二極管D2和D3導(dǎo)通回到下一周期初始時(shí)刻。
[0023]除上述實(shí)施例外，本發(fā)明還可以有其他實(shí)施方式，凡采用等同替換或等效變換形成的技術(shù)方案，均落在本發(fā)明要求的保護(hù)范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種磁浮斬波器，其特征在于，包括主開(kāi)關(guān)S1、主開(kāi)關(guān)S2、負(fù)載電感L、緩沖電容Cl、緩沖電容C2、緩沖電容C3、緩沖電容C4、輔助開(kāi)關(guān)S3、輔助電感LK、電容器C5、二極管Dl、二極管D2、二極管D3、二極管D4、二極管D5、二極管D6 ;所述主開(kāi)關(guān)S1、主開(kāi)關(guān)S2、輔助開(kāi)關(guān)S3采用IGBT元件，所述電容器C5并聯(lián)在直流電源Vdc的兩端，所述二極管Dl的陽(yáng)極與主開(kāi)關(guān)SI的發(fā)射極相連，二極管Dl的陰極與主開(kāi)關(guān)SI的集電極相連，所述緩沖電容Cl并聯(lián)于二極管Dl的兩端；所述二極管D4的陽(yáng)極與主開(kāi)關(guān)S2的發(fā)射極相連，二極管D4的陰極與主開(kāi)關(guān)S2的集電極相連，所述緩沖電容C4并聯(lián)于二極管D4的兩端；所述主開(kāi)關(guān)SI的集電極與直流電源Vdc的的正極相連，主開(kāi)關(guān)SI的發(fā)射極與負(fù)載電感L的一端相連，所述負(fù)載電感L的另一端與主開(kāi)關(guān)S2的集電極相連，所述主開(kāi)關(guān)S2的發(fā)射極與直流電源Vdc的的負(fù)極相連；所述二極管D6的陽(yáng)極與輔助開(kāi)關(guān)S3的發(fā)射極相連，所述二極管D6的陰極與輔助開(kāi)關(guān)S3的集電極相連，所述二極管D5的陽(yáng)極與輔助開(kāi)關(guān)S3的發(fā)射極相連，二極管D5的陰極與主開(kāi)關(guān)SI的發(fā)射極相連，所述輔助電感Lk的一端與輔助開(kāi)關(guān)S3的集電極相連，輔助電感Le的另一端與主開(kāi)關(guān)S2的集電極相連；所述緩沖電容C2并聯(lián)于二極管D2的兩端，所述二極管D2的陽(yáng)極與直流電源Vdc的的負(fù)極相連，所述二極管D2的陰極與主開(kāi)關(guān)SI的發(fā)射極相連；所述緩沖電容C3并聯(lián)于二極管D3的兩端，所述二極管D3的陽(yáng)極與主開(kāi)關(guān)S2的集電極相連，所述二極管D3的陰極與直流電源Vdc的的正極相連。
2.一種如權(quán)利要求1所述的磁浮斬波器的控制方法，其特征在于，包括: 在一個(gè)工作周期的初始時(shí)刻，主開(kāi)關(guān)S1、主開(kāi)關(guān)S2、輔助開(kāi)關(guān)S3關(guān)斷，負(fù)載電流通過(guò)自由環(huán)路二極管D2與二極管D3形成回路；按設(shè)定的脈寬調(diào)制時(shí)刻，控制輔助開(kāi)關(guān)S3導(dǎo)通，所述二極管D5、二極管D6、輔助開(kāi)關(guān)S3、輔助電感Lk構(gòu)成的諧振緩沖輔助電路接受由自由環(huán)路二極管D2、二極管D3和緩沖電容Cl、緩沖電容C2、緩沖電容C3、緩沖電容C4諧振產(chǎn)生的電流；當(dāng)橫跨在主開(kāi)關(guān)S1、主開(kāi)關(guān)S2上的電壓降至零時(shí)控制主開(kāi)關(guān)S1、主開(kāi)關(guān)S2導(dǎo)通，實(shí)現(xiàn)零電壓轉(zhuǎn)換； 在主開(kāi)關(guān)S1、主開(kāi)關(guān)S2導(dǎo)通后，輔助電感Lk上的電流Iui線性下降，當(dāng)諧振電流減小為零時(shí)輔助開(kāi)關(guān)S3、二極管D5關(guān)斷，實(shí)現(xiàn)零電流關(guān)斷，由主開(kāi)關(guān)S1、主開(kāi)關(guān)S2傳輸負(fù)載電流Il； 需關(guān)斷主開(kāi)關(guān)時(shí)，由于緩沖電容的作用，主開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)無(wú)損耗關(guān)斷；之后四個(gè)緩沖電容器流過(guò)負(fù)載電流直到二極管D2和二極管D3導(dǎo)通進(jìn)入下一周期初始時(shí)刻。
【文檔編號(hào)】H02M1/34GK103746555SQ201310740481
【公開(kāi)日】2014年4月23日 申請(qǐng)日期:2013年12月30日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月30日
【發(fā)明者】徐沛, 徐任飛 申請(qǐng)人:鎮(zhèn)江市高等?？茖W(xué)校