一种斩波器及磁悬浮列车

1.本发明涉及磁悬浮领域，特别是涉及一种斩波器及磁悬浮列车。


背景技术：

2.高速磁浮列车的斩波器用于在控制器的控制下对电源输出的电压进行调整，并为悬浮电磁铁供电。具体的，斩波器通过调整内部功率器件开关信号占空比，从而动态调整悬浮电磁铁电流，实现磁浮列车的稳定悬浮。目前采用的控制方式导致悬浮电磁铁在功率器件的开关瞬态出现尖峰过电压现象。如此巨大的尖峰过电压不仅会对功率器件和悬浮电磁铁产生强烈的冲击，引起功率器件和悬浮电磁铁过热，缩短其使用寿命，而且还会导致悬浮控制系统失稳，悬浮电磁铁磕碰轨道，严重影响高速磁浮列车的运行安全。


技术实现要素：

3.本发明的目的是提供一种斩波器及磁悬浮列车，在功率器件导通及关断的瞬间消除尖峰过电压，避免对功率器件以及悬浮电磁铁造成损伤，且仅在功率器件导通及关断的瞬间接入电路，降低损耗。
4.为解决上述技术问题，本发明提供了一种斩波器，包括功率器件、母线电容、米勒电容及第一可控开关；电源的正极分别与所述母线电容的第一端、第一个所述功率器件的第一端及第三个所述功率器件的第一端连接，所述电源的负极分别与所述母线电容的第二端、第二个所述功率器件的第二端及第四个所述功率器件的第二端连接，第一个所述功率器件的第二端与第二个所述功率器件的第一端连接且连接的公共端与悬浮电磁铁的第一端连接，第三个所述功率器件的第二端与第四个所述功率器件的第一端连接且连接的公共端与所述悬浮电磁铁的第二端连接；所述功率器件的控制端均与控制器连接，所述控制器用于控制所述功率器件的导通及关断以实现对电源的电压的转换；所述功率器件的第一端与米勒电容的第一端连接，所述米勒电容的第二端与第一可控开关连接，所述第一可控开关的第二端与所述功率器件的控制端连接，所述第一可控开关的控制端与所述功率器件的第一端连接，所述第一可控开关用于在功率器件导通及关断的瞬间闭合。
5.优选的，所述控制器具体用于输出第一pwm信号至第一个所述功率器件及第四个所述功率器件，输出第二pwm信号至第二个所述功率器件与第三个所述功率器件，所述第一pwm信号与所述第二pwm信号互补。
6.优选的，还包括采集模块及信号处理模块；所述采集模块的输入端与所述功率器件的第一端连接，所述采集模块的输出端与所述信号处理模块的输入端连接，所述信号处理模块的输出端与所述第一可控开关的控制端连接；
所述采集模块用于检测所述功率器件的第一端的电压变化率，并转换为电压信号输出；所述信号处理模块用于将所述电压信号转换为控制信号，以便在所述功率器件导通或关断的瞬间所述第一可控开关导通。
7.优选的，所述采集模块包括第一电阻及第一电容；所述第一电容的第一端作为所述采集模块的输入端，所述第一电容的第二端与所述第一电阻的第一端连接且连接的公共端作为所述采集模块的输出端，所述第一电阻的第二端接地；所述第一电阻及第一电容用于采集所述功率器件的第一端的电压变化率，所述功率器件导通及关断的瞬间的所述电压变化率大于所述功率器件处于稳定导通或稳定关断时的电压变化率。
8.优选的，所述信号处理模块包括放大模块及整流模块；所述放大模块的输入端作为所述信号处理模块的输入端，所述放大模块的输出端与所述整流模块的输入端，所述整流模块的输出端作为所述信号处理模块的输出端；所述放大模块用于将所述采集模块输出的电压信号放大，所述整流模块用于将所述放大模块输出的电压信号转换为控制信号。
9.优选的，所述放大模块包括第二电阻、第三电阻、第四电阻及运算放大器，所述整流模块包括整流桥及第五电阻；所述第二电阻的第一端作为所述放大模块的输入端，所述第二电阻的第二端分别与所述第三电阻的第一端及所述运算放大器的反相输入端连接，所述第三电阻的第二端分别与所述运算放大器的输出端及所述整流桥的第一端连接，所述运算放大器的正相输入端与所述第四电阻的第一端连接，所述第四电阻的第二端与所述整流桥的第三端连接且连接的公共端接地，所述整流桥的第二端与所述第五电阻的第一端连接，所述第五电阻的第二端与所述整流桥的第四端连接，且连接的公共端作为所述信号处理模块的输出端。
10.优选的，还包括推动模块；所述推动模块的输入端与所述放大模块的输出端连接，所述推动模块的输出端与所述第一可控开关的控制端连接，所述推动模块用于辅助所述第一可控开关导通。
11.优选的，所述功率器件包括igbt及软启电容；所述igbt的控制端作为所述功率器件的控制端，所述igbt的第一端与所述软启电容的第一端连接且连接的公共端作为所述功率器件的第一端，所述igbt的第二端与所述软启电容的第二端连接且连接的公共端作为所述功率器件的第二端，所述igbt用于根据所述控制器发送的控制信号导通或关断，所述软启电容用于辅助所述igbt软启动。
12.优选的，还包括辅助模块；所述辅助模块的第一端与第三个所述功率器件的第一端连接，所述辅助模块的第二端与第四个所述功率器件的第二端连接；所述辅助模块用于辅助第三个所述功率器件及第四个所述功率器件导通。
13.为解决上述技术问题，本发明还提供了一种磁悬浮列车，包括上述的斩波器，还包括磁悬浮列车本体、传感器、控制器及悬浮电磁铁；所述传感器与所述控制器连接，用于采集所述列车的行驶数据并发送至所述控制
器；所述控制器与所述磁悬浮列车本体连接，用于将所述传感器采集到的行驶数据发送至所述磁悬浮列车，并根据所述磁悬浮列车控制所述斩波器对电源输出的电压进行转换以为所述悬浮电磁铁供电；所述斩波器分别与所述控制器及所述悬浮电磁铁连接。
14.本技术提供了一种斩波器及磁悬浮列车，应用于磁悬浮领域，包括功率器件、母线电容及米勒电容；功率器件的控制端均与控制器连接，控制器用于分别控制功率器件的导通及关断以实现对电源的电压的转换以为悬浮电磁铁供电；功率器件的第一端与米勒电容的第一端连接，米勒电容的第二端与第一可控开关连接，第一可控开关的第二端与功率器件的控制端连接，第一可控开关的控制端与所述功率器件的第一端连接，第一可控开关用于在功率器件导通及关断的瞬间闭合。在功率器件正常工作的过程中，米勒电容可以在功率器件导通及关断的瞬间消除尖峰过电压，避免对功率器件以及悬浮电磁铁造成损伤，且仅在功率器件导通及关断的瞬间接入电路，降低损耗。
附图说明
15.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对现有技术和实施例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的一些实施例，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。
16.图1为本发明提供的一种斩波器的结构示意图；图2为本发明提供的一种功率器件的结构示意图；图3为本发明提供的另一种斩波器的结构示意图；图4为本发明提供的一种磁悬浮列车的结构示意图；图5为现有技术中功率器件导通时悬浮电磁铁的电压及vt1的电压及电流；图6为现有技术中功率器件关断时悬浮电磁铁的电压及vt1的电压及电流；图7为本技术中功率器件导通时悬浮电磁铁的电压、vt4的电压及vt1的电压及电流；图8为本技术中功率器件关断时悬浮电磁铁的电压、vt4的电压及vt1的电压及电流。
具体实施方式
17.本发明的核心是提供一种斩波器及磁悬浮列车，在功率器件导通及关断的瞬间消除尖峰过电压，避免对功率器件以及悬浮电磁铁造成损伤，且仅在功率器件导通及关断的瞬间接入电路，降低损耗。
18.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
19.高速磁浮列车的斩波器用于在控制器的控制下对电源输出的电压进行调整，并为
悬浮电磁铁供电。具体的，斩波器通过调整内部功率器件开关信号占空比，从而动态调整悬浮电磁铁电流，实现磁浮列车的稳定悬浮。目前采用的控制方式导致悬浮电磁铁在功率器件的开关瞬态出现尖峰过电压现象。如此巨大的尖峰过电压不仅会对功率器件和悬浮电磁铁产生强烈的冲击，引起功率器件和悬浮电磁铁过热，缩短其使用寿命，而且还会导致悬浮控制系统失稳，悬浮电磁铁磕碰轨道，严重影响高速磁浮列车的运行安全。
20.图1为本发明提供的一种斩波器的结构示意图，该斩波器6包括功率器件、母线电容cs、米勒电容cgs及第一可控开关q1；电源u
dc
的正极分别与母线电容cs的第一端、第一个功率器件vt1的第一端及第三个功率器件vt3的第一端连接，电源的负极分别与母线电容cs的第二端、第二个功率器件vt2的第二端及第四个功率器件vt4的第二端连接，第一个功率器件vt1的第二端与第二个功率器件vt2的第一端连接且连接的公共端与悬浮电磁铁1的第一端连接，第三个功率器件vt3的第二端与第四个功率器件vt4的第一端连接且连接的公共端与悬浮电磁铁1的第二端连接；功率器件的控制端均与控制器9连接，控制器9用于控制功率器件的导通及关断以实现对电源的电压的转换；功率器件的第一端与米勒电容cgs的第一端连接，米勒电容cgs的第二端与第一可控开关q1连接，第一可控开关q1的第二端与功率器件的控制端连接，第一可控开关q1的控制端与功率器件的第一端连接，第一可控开关q1用于在功率器件导通及关断的瞬间闭合。
21.在功率器件的控制端与第一端之间设置有米勒电容cgs，米勒电容cgs可以很好的消除尖峰电容，但是考虑到米勒电容cgs始终连接在功率器件的控制端与第一端之间会消耗较多能量，所以设置了第一可控开关q1，第一可控开关q1会在功率器件导通及关闭的瞬间闭合；在功率器件处于稳定的导通或关断的状态时，第一可控开关q1处于断开状态，此时米勒电容cgs不接入电路，减少能量损耗。
22.控制器9通过控制功率器件的导通及关断以实现对电源的电压的转换，具体的，控制功率器件导通及关断构成buck（降压）电路或boost（升压）电路，进而实现对电源的电压的转换。
23.控制器9通过控制功率器件的导通及关断以实现控制为悬浮电磁铁1供电的电压，进而实现对列车的控制。
24.本技术提供了一种斩波器6，应用于磁悬浮领域，包括功率器件、母线电容cs及米勒电容cgs；功率器件的控制端均与控制器9连接，控制器9用于分别控制功率器件的导通及关断以实现对电源的电压的转换以为悬浮电磁铁1供电；功率器件的第一端与米勒电容cgs的第一端连接，米勒电容cgs的第二端与第一可控开关q1连接，第一可控开关q1的第二端与功率器件的控制端连接，第一可控开关q1的控制端与所述功率器件的第一端连接，第一可控开关q1用于在功率器件导通及关断的瞬间闭合。在功率器件正常工作的过程中，米勒电容cgs可以在功率器件导通及关断的瞬间消除尖峰过电压，避免对功率器件以及悬浮电磁铁1造成损伤，且仅在功率器件导通及关断的瞬间接入电路，降低损耗。
25.在上述实施例的基础上：作为一种优选的实施例，控制器9具体用于输出第一pwm（pulse width modulation，脉冲宽带调制）信号至第一个功率器件vt1及第四个功率器件vt4，输出第二
pwm信号至第二个功率器件vt2与第三个功率器件vt3，第一pwm信号与第二pwm信号互补。
26.第一个功率器件vt1及第四个功率器件vt4形成一个电流回路，第二个功率器件vt2与第三个功率器件vt3形成一个电流回路。处于同一个电流回路的两个功率器件同时导通，同时关断；处于不同电流回路的两个功率器件互补导通及关断。
27.具体的，在第一个功率器件vt1及第四个功率器件vt4导通时，第二个功率器件vt2与第三个功率器件vt3关断；在第一个功率器件vt1及第四个功率器件vt4关断时，第二个功率器件vt2与第三个功率器件vt3导通。第一pwm信号为高电平时，第二pwm信号为低电平。
28.作为一种优选的实施例，还包括采集模块2及信号处理模块3；采集模块2的输入端与功率器件的第一端连接，采集模块2的输出端与信号处理模块3的输入端连接，信号处理模块3的输出端与第一可控开关q1的控制端连接；采集模块2用于检测功率器件的第一端的电压变化率，并转换为电压信号输出；信号处理模块3用于将电压信号转换为控制信号，以便在功率器件导通或关断的瞬间第一可控开关q1导通。
29.为了更加准确的在功率器件导通及关断的瞬间控制第一可控开关q1导通，在功率器件稳定导通或稳定关断时控制第一可控开关q1关断，所以设置了采集模块2与信号处理模块3。在功率器件导通及关断的瞬间的电压会大于稳定状态的电压。使用采集模块2可以更准确的对导通及关断的瞬间的电压进行采集，信号处理模块3会将电压信号转换为对第一可控开关q1的控制信号。
30.通过采集模块2及信号处理模块3可以更准确的控制米勒电容cgs接入电路的时间，可以减少能量损耗。
31.作为一种优选的实施例，采集模块2包括第一电阻r1及第一电容c1；第一电容c1的第一端作为采集模块2的输入端，第一电容c1的第二端与第一电阻r1的第一端连接且连接的公共端作为采集模块2的输出端，第一电阻r1的第二端接地；第一电阻r1及第一电容c1用于采集功率器件的第一端的电压变化率，功率器件导通及关断的瞬间的电压变化率大于功率器件处于稳定导通或稳定关断时的电压变化率。
32.采集模块2输出的电压，其中为流经第一电阻r1及第一电容c1的电流，为功率器件的第一端的电压，为功率器件的第一端的电压的变化率，在导通及关断的瞬间变化率较大。通过第一电阻r1及第一电阻r1可以采集到功率器件的第一端的电压的变化率，可以更准确的控制第一可控开关q1。
33.作为一种优选的实施例，信号处理模块3包括放大模块及整流模块；放大模块的输入端作为信号处理模块3的输入端，放大模块的输出端与整流模块的输入端，整流模块的输出端作为信号处理模块3的输出端；放大模块用于将采集模块2输出的电压信号放大，整流模块用于将放大模块输出的电压信号转换为控制信号。
34.考虑到采集模块2采集到的电压信号较小，不便于后续的控制，所以设置了放大模块对电压信号进行放大。同时由于在功率器件导通的瞬间以及关断的瞬间放大模块输出的电压为不同方向的，即有正有负，所以设置了整流模块对电压信号进行整流，转换为控制信
号。
35.作为一种优选的实施例，放大模块包括第二电阻r2、第三电阻r3、第四电阻r4及运算放大器u1，整流模块包括整流桥u2及第五电阻r5；第二电阻r2的第一端作为放大模块的输入端，第二电阻r2的第二端分别与第三电阻r3的第一端及运算放大器u1的反相输入端连接，第三电阻r3的第二端分别与运算放大器u1的输出端及整流桥u2的第一端连接，运算放大器u1的正相输入端与第四电阻r4的第一端连接，第四电阻r4的第二端与整流桥u2的第三端连接且连接的公共端接地，整流桥u2的第二端与第五电阻r5的第一端连接，第五电阻r5的第二端与整流桥u2的第四端连接，且连接的公共端作为信号处理模块3的输出端。
36.放大模块输出的电压，整流桥u2输出的电压，其中为整流桥u2中二极管的导通压降。
37.考虑到在导通时与关断时放大模块输出的电压为反向的，即有正电压也有负电压，所以整流桥u2将正电压与负电压整流为第一可控开关q1的控制信号。第四电阻r4与第五电阻r5用于辅助整流桥u2工作。
38.作为一种优选的实施例，还包括推动模块4；推动模块4的输入端与放大模块的输出端连接，推动模块4的输出端与第一可控开关q1的控制端连接，推动模块4用于辅助第一可控开关q1导通。
39.考虑到整流模块输出的电压不足以控制第一可控开关q1导通，所以设置了推动模块4辅助第一可控开关q1导通。
40.具体的，推动模块4中可以包括mos管，mos管可以对整流模块输出的电压进行放大，进而输出至第一可控开关q1，辅助第一可控开关q1导通。
41.作为一种优选的实施例，功率器件包括igbt（insulated gate bipolar transistor，绝缘栅双极型晶体管）及软启电容；igbt的控制端作为功率器件的控制端，igbt的第一端与软启电容的第一端连接且连接的公共端作为功率器件的第一端，igbt的第二端与软启电容的第二端连接且连接的公共端作为功率器件的第二端，igbt用于根据控制器9发送的控制信号导通或关断，软启电容用于辅助igbt软启动。
42.软启电阻可以在导通或关断时电压与电流无交集，进而减少导通或关断的过程中的损耗。igbt具有高耐压、导通压降低、开关速度快、驱动功率小而饱和压降低等优点，非常适合应用于直流电压为600v及以上的变流系统。由于本技术使用的场景为磁悬浮列车，电流及电压的数值较大，所以使用igbt较为合适。
43.软启电容需要满足、及，其中，是电源电压，是pwm信号的周期时长，、、、和是控制信号、vt1、vt2、vt3和vt4的死区时间，和分别是超前臂和滞后臂的并联电容，超前臂的电容为vt1与vt2的电容，滞后臂的电容为vt3与vt4的电容，是负载电流，为稳态时的值，是负载电感。
44.作为一种优选的实施例，还包括辅助模块5；辅助模块5的第一端与第三个功率器件vt3的第一端连接，辅助模块5的第二端与第四个功率器件vt4的第二端连接；辅助模块5用于辅助第三个功率器件vt3及第四个功率器件vt4导通。
45.考虑到第一个功率器件vt1及第二个功率器件vt2与电源连接，所以第一个功率器件vt1及第二个功率器件vt2有电源进行充放电。第三个功率器件vt3及第四个功率器件vt4均与负载连接，负载即为悬浮电磁铁1，在悬浮电磁铁1某些场景无法为第三个功率器件vt3及第四个功率器件vt4供电时，第三个功率器件vt3及第四个功率器件vt4则无法工作，所以设置了辅助模块5辅助第三个功率器件vt3及第四个功率器件vt4导通。
46.具体的，辅助模块由电感，电容、电容、二极管组成。电感的取值，电容的取值。其中，和是辅助模块的电容，。
47.是电源电压，是pwm信号的周期时长，是控制信号的死区时间，和分别是超前臂和滞后臂的并联电容，超前臂的电容为vt1与vt2的电容，滞后臂的电容为vt3与vt4的电容，是负载电流，为稳态时的值，是负载电感，是辅助模块的电感。
48.斩波器6的负载既有电阻特性又有电感特性，特别是其等效电感较大，对此类控制信号的死区时间设置可由公式
确定。其中，第一项表示由igbt器件本身引起的死区时间，表示igbt控制信号的死区时间，表示igbt的最大关断延时，表示igbt的关断最大下降时间，表示igbt的开通最小延时；第二项表示由驱动电路板引起的死区时间，表示驱动电路板的最大传输延时，表示驱动电路板的最小传输延时，若驱动电路板采用光电耦合，则其传输延时不可忽略；表示冗余系数，一般取值1.2~1.5。
49.图5为现有技术中功率器件导通时悬浮电磁铁的电压及vt1的电压及电流；u_rl.v为功率器件导通时悬浮电磁铁的电压，uge_vt1.v*5为功率器件导通时vt1的电压，i_rl.i为功率器件导通时vt1的电流。
50.图6为现有技术中功率器件关断时悬浮电磁铁的电压及vt1的电压及电流；uce_vt1.v为功率器件关断时悬浮电磁铁的电压，uge_vt1.v*5为功率器件关断时vt1的电压，ice_vt1.i为功率器件关断时vt1的电流。
51.由图5得，vt1的占空比为50%时，电流在0a处上下波动，当开关管vt1导通时电流上升，当vt1关断时电流下降。在开关瞬时，igbt的电流变化率很大，在杂散电感和igbt关断电压尖峰的共同作用下，悬浮电磁铁的两端电压出现剧烈振荡，尖峰过电压达到944v，远远超过母线电压，超调量为114.5%。
52.图6所示，在igbt器件关断时, vt1集电极电压产生关断尖峰过电压，尖峰过电压达到926v，超调量为110.5%。
53.图7为本技术中功率器件导通时悬浮电磁铁的电压、vt4的电压及vt1的电压及电流；url.v为功率器件导通时悬浮电磁铁的电压，uge_vt1.v*5为功率器件导通时vt1的电压，uge_vt4.v*5为功率器件导通时vt1的电压，i_rl.i为功率器件导通时vt1的电流。
54.图8为本技术中功率器件关断时悬浮电磁铁的电压、vt4的电压及vt1的电压及电流。
55.uce_vt1.v为功率器件关断时悬浮电磁铁的电压，uge_vt1.v*5为功率器件关断时vt1的电压，uge_vt4.v*5为功率器件关断时vt4的电压，ice_vt1.i为功率器件关断时vt1的电流。
56.如图7所示，本技术提供的悬浮斩波器，大大降低了由硬开关引发的电流冲击以及由igbt动态特性引发的悬浮电磁铁两端的尖峰过电压，尖峰过电压为638v，对母线电压的超调量缩小为45%，峰值下降比例达到70.5%。
57.如图8所示，本技术提供的悬浮斩波器，大大降低了由硬开关引发的电流冲击以及由igbt动态特性引发的开关管vt1的尖峰过电压，尖峰过电压为674v，对母线电压的超调量缩小为53.2%，峰值下降比例达到57.3%。
58.图4为本发明提供的一种磁悬浮列车的结构示意图，包括上述的斩波器6，还包括磁悬浮列车本体7、传感器8、控制器9及悬浮电磁铁1；传感器8与控制器9连接，用于采集列车的行驶数据并发送至控制器9；
控制器9与磁悬浮列车本体7连接，用于将传感器8采集到的行驶数据发送至磁悬浮列车，并根据磁悬浮列车控制斩波器6对电源输出的电压进行转换以为悬浮电磁铁1供电；斩波器6分别与控制器9及悬浮电磁铁1连接。
59.具体的，传感器8中包括间隙传感器、加速度传感器及电流传感器，间隙传感器用于发送磁悬浮列车与轨道之间的距离，加速度传感器用于发送距离的变化的加速度，电流传感器用于发送悬浮电磁铁1的电流。控制器9将传感器8发送的数据发送至列车，并根据列车的命令控制斩波器6对电源的电压进行转换。
60.本技术提供的磁悬浮列车的介绍请参照上述实施例，在此处不再赘述。
61.还需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
62.专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
63.对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。