本發(fā)明涉及一種電力變流器，該電力變流器被配置為將第一電力轉換為第二電力。

本發(fā)明還涉及一種用于電力運輸車輛的牽引鏈(也被稱為傳動系)，牽引鏈包括電動機和連接到電動機上的該電力變流器。

本發(fā)明還涉及一種電力運輸車輛(例如鐵路車輛)，該電力運輸車輛包括配置為該引起車輛運動的牽引鏈。

電力變流器包括兩個與第一電力聯(lián)接的第一端子，至少一個與第二電力聯(lián)接的第二端子以及p個切換臂，其中，p為大于或等于1的整數(shù)。每個切換臂包括在兩個第一端子之間串聯(lián)連接并且在中點處彼此連接的兩個切換半臂。中間點連接到單獨的第二端子上。每個切換半臂包括并聯(lián)連接的n個切換半支路，其中，n為大于或等于2的整數(shù)。每個切換半支路包括開關。

本發(fā)明適用于運輸領域，并特別適用于鐵路運輸，尤其是諸如鐵路機車或電力軌道車之類的電力牽引車輛。

背景技術：

從文獻us2013/0039100a1中已知前述類型的電力變流器。電力變流器是能夠將直流電轉換為三相交流電以向三相電動機供電的換流器。電力變流器包括兩個與直流電聯(lián)接的第一端子，三個與三相交流電聯(lián)接的第二端子以及三個切換臂。每個切換臂包括在兩個第一端子之間串聯(lián)連接并且在中間點處彼此連接的兩個切換半臂。中間點連接到各第二端子上。

每個切換半臂包括并聯(lián)連接的兩個切換半支路或者三個切換半支路，這分別取決于所考慮的實施例。每個切換半支路包括開關，該開關包括晶體管以及與該晶體管反向并聯(lián)連接的二極管。

電力變流器還包括用于三個切換臂的控制單元?？刂茊卧慌渲脼閷⒁粋€臂相對于其它臂進行相移，從而在電力變流器的輸出處輸出三相交流電。

然而，切換臂的切換操作并不總是最佳的。

技術實現(xiàn)要素：

因此，本發(fā)明旨在提出一種電力變流器，以使得能夠對每個切換臂內的切換進行改進。

為此，本發(fā)明涉及一種前述類型的電力變流器，其中，所述電力變流器還包括2×p個控制模塊，每個控制模塊配置為控制單獨的切換半臂的所述開關，每個控制模塊包括針對每個單獨的開關的輸出端子，每個輸出端子配置為向所述單獨的開關輸送控制信號。

根據(jù)本發(fā)明的電力變流器包括針對每個切換半臂的控制模塊，每個控制模塊配置為控制單獨的切換半臂的開關，每個控制模塊包括針對每個單獨的開關的一對輸出端子，每對輸出端子則能夠向所述單獨的開關輸送特定的控制信號。

根據(jù)本發(fā)明的電力變流器因此使得能夠向每個單獨的開關輸送特定的控制信號，以使得能夠改進每個切換臂內的切換。

根據(jù)本發(fā)明的其他有利方面，電力變流器包括以下特征中的一個或更多個，所述特征可被單獨地或根據(jù)所有技術上的可能組合進行考慮：

-至少一個控制模塊被進一步配置為對單獨的切換半臂的開關的切換操作進行同步；

-能夠對單獨的切換半臂的開關的切換操作進行同步的每個控制模塊配置為基于預定切換延遲控制所述開關的控制信號的輸送，預定切換延遲與所述切換半臂的每個開關相關；

-電力變流器包括針對每個開關的單獨的控制環(huán)，每個控制環(huán)連接在單獨的輸出端子和對應的開關之間，并且包括兩個電容器和兩個切換部件以將對應的開關切換到斷開狀態(tài)和閉合狀態(tài)中的一個狀態(tài)；

-至少一個開關是雙路開關；

-每個雙路開關包括晶體管以及與晶體管反向并聯(lián)的二極管；

-至少一個晶體管是由碳化硅制成的；

-至少一個晶體管是場效應晶體管；

優(yōu)選地，為絕緣柵場效應晶體管；

-切換臂的數(shù)量p等于3；以及

-數(shù)量n等于3。

本發(fā)明還涉及一種用于電力運輸車輛的牽引鏈，牽引鏈包括電動機和連接到電動機上的電力變流器，電力變流器如上文所限定的。

本發(fā)明還涉及一種電力運輸車輛(例如鐵路車輛)，電力運輸車輛包括配置為引起車輛運動的牽引鏈，牽引鏈如上文所限定的。

附圖說明

通過閱讀以下僅作為非限定性示例提供并參照附圖進行的描述將更好地理解本發(fā)明的特征和優(yōu)點，在附圖中：

圖1為諸如鐵路車輛之類的電力運輸車輛的示意圖，該電力運輸車輛包括牽引鏈，牽引鏈包括電動機以及連接到該電動機上的電力變流器；

圖2為圖1中的電力變流器的示意圖，該變流器被配置為將第一電力轉換為第二電力，并且該變流器包括兩個與第一電力聯(lián)接的第一端子、三個與第二電力聯(lián)接的第二端子以及在兩個第一端子之間并聯(lián)連接的三個切換臂；以及

圖3為圖2中的切換臂之一的示意圖。

具體實施方式

在圖1中，諸如鐵路車輛之類的電力運輸車輛10包括牽引鏈12。該牽引鏈(也被稱為傳動系)包括能夠連接到懸鏈線(未示出)上的集電弓14。

牽引鏈12包括連接到集電弓14上的電開關16以及連接到電開關16上的電路斷路器18?？蛇x地，牽引鏈12包括輔助設備20，該輔助設備20連接在電開關16和電路斷路器18之間以將電路斷路器18旁路。

電開關16、電路斷路器18和輔助設備20均是已知的并且不再詳細說明。輔助設備20例如為靜態(tài)變流器。

牽引組件22經(jīng)由dc(直流電流)母線24連接到電路斷路器18上。牽引組件22包括電動機26，電力變流器30連接到電動機26上。在圖1的示例中，電力變流器30用于將從來自dc母線24的直流電壓得到的交流電壓輸送給電動機26。

另外，牽引組件22包括濾波器裝置32，特別地包括濾波電容器34。

可選地，牽引組件22包括電力儲存裝置(未示出)。電力儲存裝置也被稱為自主箱(autonomybox)，并且一方面用作輔助電源且另一方面在電力運輸車輛10制動的過程中收集電力。電力儲存裝置例如連接到電路斷路器18和濾波電容器34之間的旁路上。

電動機26例如為交流電機，例如，三相電機。

電力變流器30被配置為將第一電力轉換為第二電力。

在圖2的示例中，電力變流器30配置為將與dc母線24聯(lián)接的直流電轉換為與電動機26聯(lián)接的諸如三相電之類的交流電。第一電力則為直流電，并且第二電力為諸如三相電之類的交流電。

電力變流器30包括兩個與第一電力聯(lián)接的第一端子、至少一個與第二電力聯(lián)接的第二端子38以及p個切換臂40，其中，p為大于或等于1的整數(shù)。

在圖2的示例中，電力變流器30將直流電轉換為三相交流電，并且電力變流器30包括三個第二端子38和三個切換臂40。也就是說，對于三相電中的每一相具有一個第二端子38和一個切換臂40。換言之，這里的切換臂40的數(shù)量p等于3。

每個切換臂40包括在兩個第一端子36之間串聯(lián)連接并且在中間點44處彼此連接的兩個切換半臂42。中間點44連接到各第二端子38上。

每個切換半臂42包括并聯(lián)連接的n個切換半支路46，其中，n為大于或等于2的整數(shù)。如圖3中所示，每個切換半支路46包括至少一個開關48。每個切換半臂42則包括至少n個開關48。

在圖3的示例中，每個切換半臂42包括并聯(lián)的三個切換半支路46，因此數(shù)量n等于3。

電力變流器30還包括2×p個控制模塊50。如圖2中所示，每個控制模塊50配置為控制各切換半臂42的開關48。每個控制模塊50包括針對每個單獨的開關48的一對輸出端子52。每對輸出端子52配置為向所述單獨的開關48輸送特定的控制信號。

在圖2的示例中，電力變流器30則包括6個控制模塊50。在此，p等于3。針對每個切換半臂42具有單獨的控制模塊50。

如圖2中所示，電力變流器30包括測量裝置54和驅動裝置56。測量裝置54配置為測量與第二電力有關的至少一個電力特性。驅動裝置56配置為特別地基于測量裝置54測量到的一個或多個特性來驅動各個控制模塊50。

如圖3中所示，電力變流器30包括針對每個開關48的單獨的控制環(huán)60。每個控制環(huán)60連接在單獨的輸出端子52和對應的開關48之間，并且包括兩個電容器62和兩個切換部件64以將對應的開關48切換到斷開狀態(tài)和閉合狀態(tài)中的一個狀態(tài)。

本領域技術人員將注意到，在圖3中僅示出了與所關注的切換臂40的兩個切換半臂42之一聯(lián)接的控制模塊50和控制環(huán)60以簡化附圖。所示出的控制模塊50和控制環(huán)60與上部的切換半臂42聯(lián)接。因此，圖3中并未示出與下部的切換半臂42聯(lián)接的控制模塊50和控制環(huán)60。

在圖3的示例中，每個切換半支路46包括單個開關48。

在未示出的替代方式中，每個切換半支路46包括多個在對應的第二端子36和單獨的中間點44之間串聯(lián)連接的開關48。這使得能夠對高壓電力進行轉換。

至少一個開關48例如是雙路開關。優(yōu)選地，每個開關48是雙路開關。

當全部的開關48是雙路開關時，電力變流器30則為雙路變流器。該雙路變流器配置為：如果電流從第一端子36流向第二端子38，將第一電力轉換為第二電力；如果電流從第二端子38流向第一端子36，將第二電力反向地轉換為第一電力。

電力變流器30將第二電力轉換為第一電力的反向操作特別地有益于在電力運輸車輛10制動過程中回收電力。

每個雙路開關48例如包括晶體管66以及與晶體管66反向并聯(lián)的二極管68。眾所周知，每個晶體管66包括兩個導電電極70和一個控制電極72。每個晶體管66可通過該晶體管的控制電極72在導通狀態(tài)和關斷狀態(tài)之間進行控制。在導通狀態(tài)下，電流在導電電極70之間流動；在關斷狀態(tài)下，電流不在導電電極70之間流動。二極管68則連接在導電電極70之間。

替代性地，每個雙路開關48沒有與晶體管反向并聯(lián)的二極管，并且該晶體管有利地是絕緣柵場效應晶體管，更通常稱為mosfet。

至少一個控制模塊50例如被進一步配置為對單獨的切換半臂42的開關48的切換操作進行同步。每個控制模塊50優(yōu)選地配置為對單獨的切換半臂42所聯(lián)接的開關48的切換操作進行同步。

能夠對單獨的切換半臂42的開關48的切換操作進行同步的每個控制模塊50配置為基于預定切換延遲控制所述開關48的控制信號的輸送。預定切換延遲與所述切換半臂42的每個開關48相關。

換言之，每個控制模塊50能夠基于開關48的特征并尤其基于與開關48相關的預定切換延遲以控制環(huán)60彼此偏移的方式將控制信號輸送到控制環(huán)60、特別是輸送到控制環(huán)60的切換部件64。

本領域技術人員將理解，每個控制模塊50試圖對所關注的切換半臂42的各個開關48中切換最快的開關48的切換進行延遲，并且相對地控制該切換半臂42的所述各個開關48中切換最慢的開關48盡快切換。

每個控制模塊50例如以可編程邏輯組件的形式制作，例如，fpga(field-programmablegatearray，現(xiàn)場可編程門陣列)。電力變流器30例如包括2×p個可編程邏輯組件。每個可編程邏輯組件形成單獨的控制模塊50。替代性地，至少兩個控制模塊50制作在單個可編程邏輯組件上，同時相對于每個控制模塊50的特定輸出端子52分離。

這些預定切換延遲例如是在針對開關48、特別是晶體管66的初期測試階段確定的。事實上，這些延遲或切換時間對于每個開關48、特別是每個晶體管66是特定的，這是因為延遲或切換時間取決于這些組件的固有特征。該固有特征對于不同的組件、特別是針對不同的晶體管66是變化的，并且是由制作造成的。

測量裝置54例如配置為測量流過單獨的第二端子38的每個電流和/或在該第二端子38處的電壓的強度，也就是穿過對應的第二中間點44的電流和/或在該第二中間點44處的電壓。

驅動裝置56配置為驅動各控制模塊50并因此控制各切換半臂42以進行電力轉換?？刂颇K50的驅動尤其基于由測量裝置54測量到的一個或多個特性來完成。

每個控制環(huán)60優(yōu)選地本質上為模擬環(huán)。在該模擬環(huán)中，切換部件64例如為晶體管(例如mos晶體管)，并且電容器62用于提供電力儲存來以合適的電壓驅動控制電極72，從而控制對應的晶體管66處于導通狀態(tài)和關斷狀態(tài)中的期望狀態(tài)下。

每個控制環(huán)60具有極短的長度，通常為大約1厘米或數(shù)厘米。

每個控制環(huán)60具有極小的電感，例如為大約數(shù)十nh(納亨)，例如大約20nh。

至少一個晶體管66例如是由碳化硅(sic)制成的。每個晶體管66優(yōu)選地是由碳化硅制成的。

至少一個晶體管66例如是場效應晶體管(fet)，優(yōu)選地是絕緣柵場效應晶體管(更普遍地被稱為mosfet)或金屬氧化物半導體場效應晶體管。每個晶體管66優(yōu)選地是mosfet晶體管。導電電極70則是集電極和發(fā)射機，并且控制電極72是柵極。

替代性地，每個晶體管66是絕緣柵雙極型晶體管(igbt)。導電電極70則是集電極和發(fā)射極，并且控制電極72是柵極。

因此，每個切換半臂42能夠彼此單獨地控制。每個切換半臂42的控制模塊50配置為控制該切換半臂42的開關48。

此外，每個控制模塊50包括針對每個開關48的單獨的輸出端子52，這使得能夠單獨控制每個開關48，從而使得能夠將每個開關48的特異性、特別是由于開關的制作造成的特異性考慮在內。

這由此使得能夠改善每個切換半臂42內的切換，并因而改進每個切換臂40內的切換。

當控制模塊50進一步配置為對每個切換半臂42的開關48的切換操作進行同步時，每個切換半臂42內的切換被進一步改進。這使得能夠更好地解決開關48之間、特別是晶體管66之間的固有差異。這些差異例如是制作這些晶體管66所固有的并且特別地造成開關48之間、尤其是晶體管66之間不同的切換延遲或時間。差異還能夠與開關48從導通狀態(tài)到關斷狀態(tài)又或者反之從關斷狀態(tài)到導通狀態(tài)的轉變所生成的場的每個開關48的具體動作有關。

當晶體管66是由碳化硅制成的晶體管時，該晶體管66的切換會快得多，這使得能夠改進根據(jù)本發(fā)明的電力變流器30的操作。

舉例來說，由碳化硅制成的晶體管66的切換通常在介于70ns和100ns的延遲內完成，這比由硅制成的晶體管的切換快了5至10倍。由硅制成的晶體管的切換通常在大約500ms至1μs的延遲內完成。

因此能夠看到，根據(jù)本發(fā)明的電力變流器使得能夠改進每個切換臂40內的切換。