基于固态开关的电路控制方法和固态开关与流程

本发明示例性实施例涉及轨道交通技术领域，尤其涉及一种基于固态开关的电路控制方法和固态开关。

背景技术：

在轨道交通如高铁的充电过程中，现有充电电路中所使用的开关均为机械式开关，在实际的应用中，机械式开关在通流状态下切换充电回路时，主触头会产生拉弧现象，高温电弧会烧蚀主触头使其发生熔焊，从而使得开关发生形变甚至是损毁，极大的缩短了机械式开关的使用寿命，导致充电开关可靠性差，增加了系统的维护成本。而且由于其机械式的结构组成，从接受到动作信号到电磁电压线圈受电带动触头动作，整个响应过程时间过长。当系统出现故障时，过长的机械响应时间，导致其快速性不够，不能迅速切断电路，影响系统的安全运行。在充电过程中，为避免输入电压直接加载到中间支撑电容上而产生瞬间峰值电流，在充电回路中加入了充电电阻，但是由于充电时间长，而且充电开关和线路短接开关的电压等级相同，因此充电开关的成本较高，为减少充电时间，一般采用减小充电电阻阻值的方式，当采用较小阻值的充电电阻时，充电电阻的功率则会加大，在使用的过程当中会造成发热严重的问题，从而带来散热、成本、体积等不利因素，也使得在规定时间内充电次数受到限制。

现有的充电电路和控制方法中，当中间支撑电容上的电压与系统电源电压幅值比达到规定要求时，闭合线路短接开关，完成整个充电过程。但是，在充电后期，中间支撑电容上的电压与系统电源电压之间的差值越来越小，使得充电速度变得非常缓慢，所需的充电时间也延长。如果，当充电时间达到限制时，而中间电压还未达到要求值，此时充电电路中的短接开关闭合条件就无法满足，则可能导致发生充电故障。若降低中间电压与主变压器次边的电压幅值比，短接开关闭合时压差过大，冲击电流过大，也将严重影响开关的使用寿命。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明示例性实施例的目的在于提出一种基于固态开关的电路控制方法和固态开关，以解决目前的轨道交通设施在交流充电时出现的响应时间长和充电时间长的问题。

基于上述目的，本发明示例性实施例提供了一种基于固态开关的电路控制方法，所述方法包括：

确定固态开关所属的系统电压正常且负载的变流器无故障后，判断主断路器是否闭合；

当所述主断路器闭合后，向所述固态开关发送充电指令，所述充电指令为按照预设的占空比控制所述固态开关的通断，以使所述固态开关处于通路时，对直流侧的电容进行充电；

对所述固态开关的开关频率进行控制，并对所述充电指令包括的占空比的脉冲以递增的方式进行调整。

结合上述说明，在本发明实施例另一种可能的实施方式中，所述方法还包括：

对所述电容两端电压是否大于预设倍数的峰值电压进行判断；

当电压小于或等于预设倍数的峰值电压时，则重复进行所述对所述直流侧的电容进行充电的步骤，以继续充电；

当所述电容两端电压大于预设倍数的电源电压时，对所述固态开关的导通状态进行控制，以确保充电完成。

结合上述说明，在本发明实施例另一种可能的实施方式中，所述方法还包括：

通过充电指令的调制波形对所述固态开关的通断进行控制。

结合上述说明，在本发明实施例另一种可能的实施方式中，所述所述充电指令为按照预设的占空比控制所述固态开关的通断，包括：

在充电初期给定一个小导通脉冲宽度，以限制电容两端的冲击电流幅值和关断时固态开关两端的过电压；

逐步增加脉冲宽度，以增加充电后期的充电速度。

第二方面，本发明示例性实施例还提供了一种固态开关，所述固态开关应用于变流器的充电电路，所述固态开关包括电子支路及缓冲支路，所述电子支路为电力电子器件反向并联组成，所述缓冲支路为通过电容和电阻串联组成，所述缓冲支路与所述电子支路间并联。

上述的固态开关，所述电力电子器件包括晶闸管、绝缘栅双极型晶体管igbt或者集成门极换流晶闸管igct中的一种或两种及以上的组合。

上述的固态开关，所述固态开关包括若干组串并联的电子支路及缓冲支路形成的拓展式固态开关，各组的电子支路及缓冲支路的电性参数相同。

上述的固态开关，所述固态开关电路经过四象限脉冲整流器后与直流支撑电容电连接。

上述的固态开关，所述缓冲支路包括串联的电容和电阻，所述串联的电容与电阻的两端电连接于所述电子支路的两端，以用于对所述电子支路的两端进行限压。

上述的固态开关，所述固态开关电路还包括散热装置，各所述电子支路及缓冲支路安装于所述散热装置。

从上面所述可以看出，本发明示例性实施例提供的基于固态开关的电路控制方法和固态开关，由于采用了特定设计的固态开关，以取代传统中的机械式开关，使得切换时不会出现电弧烧蚀，有良好的可靠性和更长的使用寿命，且固态开关采用独特的充电指令，能够通过控制开关的脉冲宽度限制充电电流的上升速度，在限制充电电流迅速上升的同时，还能够通过控制开关的开断频率大大缩短控制电路中的电容的充电时间，避免了原充电电路因充电时间过长造成短接开关闭合失败而导致的充电故障发生，进一步提升了变流器系统的安全、可靠、稳定运行。

附图说明

为了更清楚地说明本发明示例性实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明示例性实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明示例性实施例基于固态开关的电路控制方法的基本流程示意图；

图2为本发明示例性实施例具体时的电路示意图；

图3为本发明示例性实施例预设占空比脉冲调制示意图；

图4为本发明示例性实施例递增占空比脉冲调制示意图；

图5为本发明示例性实施例电压判断流程示意图；

图6为本发明示例性实施例的一种预设脉冲宽度的波形示意图；

图7为本发明示例性实施例递增脉冲宽度的波形示意图；

图8为本发明示例性实施例的固态开关结构示意图；

图9为本发明示例性实施例的固态开关拓扑式结构示意图；

图10为本发明示例性实施例固态开关的控制电路结构示意图；

图11为本发明示例性实施例具体实施于轨道交通牵引电路时的电路连接示意图。

具体实施方式

为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。

需要说明的是，除非另外定义，本发明示例性实施例使用的技术术语或者科学术语应当为本公开所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明示例性实施例中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。

本发明涉及一种基于固态开关的电路控制方法和固态开关，其主要应用于变流器的充电电路中，其基本思想是：通过特定设计的固态开关取代传统中的机械式开关，一方面使得切换时不会出现电弧烧蚀，有良好的可靠性和更长的使用寿命；另一方面固态开关采用独特的充电指令，能够通过控制开关的脉冲宽度限制充电电流的上升速度，在限制充电电流迅速上升的同时，通过控制开关的开断频率大大缩短控制电路中的电容的充电时间，避免了原充电电路因充电时间过长造成短接开关闭合失败而导致的充电故障发生，进一步提升了变流器系统的安全、可靠、稳定运行。

如图1所示，为本发明示例性实施例的基于固态开关的电路控制方法的基本流程示意图，结合图2的具体实施时的电路示意图，本发明示例性实施例的所述方法具体包括如下步骤：

在步骤110中，确定固态开关所属的系统电压正常且负载的变流器无故障后，判断主断路器是否闭合；

所述充电电路为变流器所在的系统充电电路，本发明示例性实施例的一种实施方式中，基于固态开关的充电电路一般连接于变流器回路中，如图2所示，充电电路分别与变流器所在的系统电源和整流器相连接，其中，系统电源可以为三相交流电源，也可以为单相交流电源，如用于风力发电系统中时为三相交流电源，用于轨道交通领域时连接的是牵引变压器的二次侧绕组，此时提供的为单相交流电。整流器的输出端与中间直流电压回路中的支撑电容相连接。

本发明示例性实施例中，所述充电电路应用系统电压为970v。

在步骤120中，当所述主断路器闭合后，向所述固态开关发送充电指令，所述充电指令为按照预设的占空比控制所述固态开关的通断，以使所述固态开关处于通路时，对直流侧的电容进行充电；

本发明示例性实施例中，交通领域的机车通过受电弓、主断路器等向牵引变压器原边进行供电，主断路器用于确定基于固态开关的控制电路是接入主电路，当所述主断路器闭合时即表明固态开关的充电电路接入了主电路。

向所述固态开关发送充电指令，所述充电指令可以为远程发送的控制指令，如plc控制指令，所述充电指令能够按照预设的占空比控制所述固态开关的通断，以使固态开关处于通路时，对直流侧的电容进行充电，结合图2所示，图2中cd即为直流侧的电容。

在步骤130中，对所述固态开关的开关频率进行控制，并对所述充电指令包括的占空比的脉冲以递增的方式进行调整。

结合图3及图4所示，其为本发明示例性实施例充电指令的脉冲调制过程，通过充电指令的调制波形对所述固态开关的通断进行控制，这一过程包括：通过控制定时器的工作模式，产生如下两种pwm信号，占空比不变的pwm信号和占空比递增的pwm信号，占空比不变的pwm波形的产生，如图3所示：

首先通过定时器工作在连续增/减计数模式时，波形发生器的输出状态由以下情况决定，计数操作开始时为1，第一次比较匹配之前保持不变，第一次比较匹配时切换状态，第二次比较匹配之前保持不变，第二次比较匹配时切换状态，周期结束前保持不变，如果没有第二次比较匹配，并且下一周期的新的比较值不为1，那么在周期结束后复位为1，以产生占空比不变的pwm波形，进而形成所述充电指令。

结合图4所示，通过定时器工作在连续增计数模式时，波形发生器的输出状态由以下情况决定，计数操作开始时为1，第一次比较匹配之前保持不变，第一次比较匹配时切换状态，周期结束之前保持不变，如果在下一周期的新的比较值不为1，那么在周期结束后复位为1，以产生占空比递增的pwm波形，进而形成所述充电指令。

本发明的方法，采用特定设计的固态开关，取代传统充电电路的机械式开关，使得切换时不会出现电弧烧蚀，有良好的可靠性和更长的使用寿命，且固态开关采用独特的充电指令，能够通过控制开关的脉冲宽度限制充电电流的上升速度，在限制充电电流迅速上升的同时，还能够通过控制开关的开断频率大大缩短控制电路中的电容的充电时间，避免了原充电电路因充电时间过长造成短接开关闭合失败而导致的充电故障发生，进一步提升了变流器系统的安全、可靠、稳定运行。

本发明示例性实施例的一种实施方式中，结合图5所示，为本发明的电压判断过程示意图，所述方法还包括：对所述电容两端电压是否大于预设倍数的峰值电压进行判断；当电压小于或等于预设倍数的峰值电压时，则重复进行所述对所述直流侧的电容进行充电的步骤，以继续充电；当所述电容两端电压大于预设倍数的电源电压时，对所述固态开关的导通状态进行控制，以确保充电完成。

以所述预设倍数为0.95倍，则此时判断直流侧的电容两端电压是否大于0.95倍系统电源峰值电压；若直流侧的电容电压小于或等于0.95倍系统电源峰值电压，则重复步骤120，继续充电；若直流侧的电容电压大于0.95倍系统电源电压，则控制固态开关使所述固态开关始终处于导通状态，以确保充电完成。

本发明示例性实施例的一种实施方式中，所述所述充电指令为按照预设的占空比控制所述固态开关的通断，包括：

在充电初期给定一个小导通脉冲宽度，以限制电容两端的冲击电流幅值和关断时固态开关两端的过电压；逐步增加脉冲宽度，以增加充电后期的充电速度。

结合图4及图5所示，按照一定的占空比控制固态开关，并保持预设的占空比不变的控制方式，将每一脉冲宽度均相等的脉冲列作为调制波形，通过改变脉冲列的周期进行调频，改变脉冲的宽度或占空比进行调压，得到的调制波形如图6所示，该种方法的脉冲宽度不好控制，当脉冲宽度设置过宽，固态开关导通时间过长，充电初期，由于支撑电容两端电压和系统电源电压的差值太大，会造成变流器在通电的初始阶段有比较大的充电电流，过大的冲击电流可能会造成电容器损伤或破坏，同时，在关断的瞬间也会产生过高的关断过电压，危害固态开关，当脉宽设置过窄时，造成充电时间过长，在规定的时间内无法完成充电，因此，预设的占空比控制固态开关能够避免上述情形。

结合图4及图5所示，控制固态器件的开关频率，并逐步增加占空比的控制方式，包括：将脉冲宽度逐渐递增的脉冲列作为调制波形，并通过改变脉冲列的周期进行调频，得到的调制波形如图7所示，采用这种方式，根据充电实际情形在充电初期给定一个很小的导通脉宽，限制电容两端的冲击电流幅值和关断时固态开关两端的过电压大小，随后逐步增加脉冲宽度，增加了充电后期的充电速度，使得充电时间大幅减小；同时，也可以通过增加脉冲列频率的方式解决充电时间过长问题。

占空比的控制策略不同，对充电时间的长短、电容两端的冲击电流大小以及固态开关两端的过电压大小等有着不同的影响，本发明示例性实施例采用占空比策略，能够很好地解决充电过程的诸多不利因素，控制简单，更易于工程化实现。

本发明示例性实施例还涉及一种固态开关，结合图8所示，所述固态开关应用于变流器的充电电路，所述固态开关包括电子支路及缓冲支路，所述电子支路为电力电子器件反向并联组成，所述缓冲支路为通过电容和电阻串联组成，所述缓冲支路与所述电子支路间并联。

示例性实施例中的固态开关，为一种中低压全固态交流开关，其连接于10kv及以下的中低压(如440v、690v、970v、1900v、6.6kv等)交流系统的主回路中，如图8所示，为本发明示例性实施例的固态开关的电路结构图，所述固态开关包括电子支路及缓冲支路，所述电子支路为电力电子器件反向并联组成，所述缓冲支路为通过电容和电阻串联组成，所述缓冲支路与所述电子支路间并联。

所述中低压全固态交流开关可以分别作为接触器或断路器使用，当需要开关具备短路和过载等保护功能时，本案可以作为断路器使用，如用于系统电源和母线的连接，以及电器设备间的连接，一旦发生故障能够快速自动切断电路，当不需要具备短路和过载等保护时，所述中低压全固态交流开关则可以作为接触器使用，用于连接系统各电器设备，只需接受系统的控制指令实现回路的通断。

本发明示例性实施例的一种实施方式中，所述电力电子器件包括晶闸管、绝缘栅双极型晶体管igbt或者集成门极换流晶闸管igct中的一种或两种及以上的组合。

本发明示例性实施例的一种实施方式中，结合图9所示，为固态开关拓扑示意图，所述固态开关电路包括若干组串并联的电子支路及缓冲支路形成的拓展式固态开关，各组的电子支路及缓冲支路的电性参数相同，另一可行的实施方式中，所述固态开关电路还包括散热装置，各所述电子支路及缓冲支路安装于所述散热装置。

其中，所述电子支路对回路的通断有决定作用，由电力电子器件和器件反向并联构成，所采用的全固态器件可以是晶闸管、igbt或者igct，由于普通igbt、igct只能做单向的开关，不能耐受反向电压，故在实际应用中时，也常使用逆阻型igbt、igct反向并联的方式作为双向交流开关。针对电力电子器件使用类型的不同，电子支路的功率损耗、造价及电子支路的结构组成也会有所差异。例如，采用逆阻型igbt或者逆阻型igct等全控型器件作为电子支路时，存在着功率损耗过大及价格过高等问题。因此，在工程应用时需要进一步根据实际应用场景进行调整。

晶闸管相比较于其他的大功率半导体，具备很多优势，如功率损耗相比较于igbt、igct更低，且价格更便宜等。而且，晶闸管所能承受的阻断电压在应用于中低压场合时也具有优势。其电流过零点关断的特性，应用于交流系统时，关断时间最多为半个周期10ms，相比较于传统机械式开关关断时间也大大减少。因此，本发明中采用晶闸管的反向并联，或者采用一个双向晶闸管器件作为电子支路，无论在功率损耗，控制难度，还是工程造价以及体积等方面相比其他电力电子器件都具有明显的优势。

系统正常工作过程中，晶闸管在门极触发电流和正向电压的作用下保持导通，交流电流过两个晶闸管器件，系统回路处于连通状态。当需要断开回路或者短路故障发生时，在周期电压的作用下，使得流过晶闸管的电流降到接近于零的某一数值以下，晶闸管关断，切断系统主回路。

本发明所应用的电路系统并不局限于单相交流系统，经过适应性改进也可以用于三相交流系统，同时还可应用于直流系统，本发明还能够应用于直流系统，此时晶闸管器件构成的固态开关不具备带电流关断能力，只能作为接触器使用。

本发明示例性实施例还包括基于固态开关的充电电路，如图10所示，其包括：

集成控制板1是将电源板和控制板集合而成，主要完成电源的转化、实现信号处理、故障判断和逻辑控制等，触发驱动板2通过控制晶闸管器件的门极实现电路的合闸、通流和分断，电流传感器作为检测元件，只有当开关做为断路器使用时才具备，起保护作用。当开关做为交流接触器使用时，不需要配置相应检测器件，只需要接受系统的控制指令便能实现回路的通断。

固态开关电路中还包括电流传感器5，所述电流传感器5设置于固态开关的接入端，用于将检测的电流信号传递至所述集成控制板1；以及还包括电源接口6，所述电源接口6设置于所述控制系统3与所述集成控制板1之间，以使所述控制系统3通过所述电源接口6向所述集成控制板1提供直流电流。

结合图10所示，为固态开关的控制电路中各组成部分供电电源、电流信号和控制信号的关系示意图，其中序号①为控制系统3通过电源接口给集成控制板1输入电源，序号②为集成控制板1为晶闸管器件驱动板的供电电源，序号③为集成控制板1为电流传感器供电电源，序号④的输出电流信号传给集成控制板1；序号⑥为驱动板2的反馈信号传递给集成控制板1，序号⑥为集成控制板1传递给驱动板2的驱动信号，序号⑦为集成控制板1对外通讯接口。

全固态交流开关对外设主电路接口与系统交流电路连接，电源接口及通讯接口及di/do(信号输入与输出)接口与控制系统3连接。

本发明的有益效果包括：可靠性高，传统式交流接触器的主触点分断时容易拉弧，烧蚀触头，同时使用时间过长时触头会容易磨损，影响接触器的安全可靠性。该全固态式交流开关采用的为晶闸管器件不存在机械触头，导通和关断时不会出现电弧烧蚀，使用寿命更长久；响应时间短，动作迅速，工作频率高，传统式交流接触器切断故障回路时需要100ms～200ms，该全固态式交流接触器小于10ms；相对功率损耗低，本方案中所采用的晶闸管器件的功率损耗相比较于igbt更小，本方案中的电子支路的功率损耗大约只有由igbt反向串联构成的电子支路的三分之一；可控性强，回路切换过程简单，电力电子器件关断电流可靠性高，不同电流下关断时间确定，系统暂态能量控制能力强；体积小便于部署，价格具有优化前景，使用安全，能够适合防火、防爆、防潮等特殊环境使用，且电磁干扰小；电子支路采用晶闸管反向并联或采用单个双向晶闸管构成，实现双向通流，且使得电子支路的功率损耗相对由反向串联igbt构成的电子支路功率损耗更低；中低压全固态开关拓扑结构简单，满足应用需求的同时，体积小便于部署，且价格具有优化前景。

结合图11所示，为本发明示例性实施例的固态开关应用于轨道交通牵引变流器中时的连接示意图，所述固态开关电路经过四象限脉冲整流器(通过若干个二极管串并联组成)后与直流支撑电容cd电连接，所述缓冲支路包括串联的电容c和电阻r，所述串联的电容与电阻的两端电连接于所述电子支路的两端，以用于对所述电子支路的两端进行限压，电子支路电连接于交流侧的电压，其一般为970v的交流电压，通过所述缓冲支路对所述电子支路的电子电力器件的两端电压进行限制，以避免电子电力器件电压过高而造成的损伤。

固态开关在牵引变流器的交流回路中取代了原有的传统式交流接触器，所述固态开关电路的输入端与输出端分别电性连接于所述牵引变压器的次边绕组及四象限脉冲整流器，即固态开关的两端分别连接了牵引变压器的次边绕组和四象限脉冲整流器，当需要进行回路切换时，机车控制系统发出指令，全固态交流开关的集成控制板1接收指令后并发出信号作用于电子支路的晶闸管，进行回路的关断和接通，确保了系统的安全可靠运行。

所述固态开关电路的输入端与输出端分别电性连接于所述牵引变压器的次边绕组及四象限脉冲整流器。

上述对本发明示例性实施例特定实施例进行了描述。其它实施例在所附权利要求书的范围内。在一些情况下，在权利要求书中记载的动作或步骤可以按照不同于实施例中的顺序来执行并且仍然可以实现期望的结果。另外，在附图中描绘的过程不一定要求示出的特定顺序或者连续顺序才能实现期望的结果。在某些实施方式中，多任务处理和并行处理也是可以的或者可能是有利的。

所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本公开的范围(包括权利要求)被限于这些例子；在本公开的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本发明示例性实施例的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。

另外，为简化说明和讨论，并且为了不会使本发明示例性实施例难以理解，在所提供的附图中可以示出或可以不示出与集成电路(ic)芯片和其它部件的公知的电源/接地连接。此外，可以以框图的形式示出装置，以便避免使本发明示例性实施例难以理解，并且这也考虑了以下事实，即关于这些框图装置的实施方式的细节是高度取决于将要实施本发明示例性实施例的平台的(即，这些细节应当完全处于本领域技术人员的理解范围内)。在阐述了具体细节(例如，电路)以描述本公开的示例性实施例的情况下，对本领域技术人员来说显而易见的是，可以在没有这些具体细节的情况下或者这些具体细节有变化的情况下实施本发明示例性实施例。因此，这些描述应被认为是说明性的而不是限制性的。

本发明示例性实施例旨在涵盖落入所附权利要求的宽泛范围之内的所有这样的替换、修改和变型。因此，凡在本发明示例性实施例的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。