一種基于DC/DC軟開(kāi)關(guān)技術(shù)的充電機在鐵路輔助電源系統中的應用

作者Email: flyfang2008@sohu.com

摘要：本文首先介紹了軟開(kāi)關(guān)和硬開(kāi)關(guān)的基本知識，然后給出電氣列車(chē)輔助電源最新10KVA充電機的主電路設計，介紹并分析了此種新型充電機軟開(kāi)關(guān)的實(shí)現方法和設計注意事項，此產(chǎn)品已經(jīng)通過(guò)國家鐵道部的各項試驗，已運行于即將正式開(kāi)通的青藏線(xiàn)的各個(gè)新型列車(chē)中。

關(guān)鍵詞：充電機，軟開(kāi)關(guān)，硬開(kāi)關(guān)，輔助電源

0．引言

現在電力電子的發(fā)展趨勢朝著(zhù)小型化、輕量化方向發(fā)展、對效率和電磁兼容也有了更高的要求。隨著(zhù)電力電子裝置的高頻化的發(fā)展趨勢，濾波器、變壓器體積和重量減小，電力電子裝置小型化、輕量化。但同時(shí)導致開(kāi)關(guān)損耗增加，電磁干擾增大。而基于軟開(kāi)關(guān)技術(shù)的諧振變換器正是基于這樣的趨勢而發(fā)展起來(lái)的：可以降低開(kāi)關(guān)損耗和開(kāi)關(guān)噪聲，進(jìn)一步提高開(kāi)關(guān)頻率。

將諧振變換器與PWM技術(shù)結合起來(lái)構成軟開(kāi)關(guān)PWM的控制方法，集諧振變換器與PWM控制的優(yōu)點(diǎn)于一體，既能實(shí)現功率開(kāi)關(guān)管的軟開(kāi)關(guān)，又能實(shí)現恒頻控制，是當今電力子技術(shù)領(lǐng)域發(fā)展方向之一。在直/直變換器中，則以全橋移相控制軟開(kāi)關(guān)PWM變換器的研究十分活躍，它是直流電源實(shí)現高頻化的理想拓撲之一，尤其是在中、大功率的應用場(chǎng)合。

1．硬開(kāi)關(guān)和軟開(kāi)關(guān)

硬開(kāi)關(guān)：開(kāi)關(guān)過(guò)程中電壓和電流均不為零，出現了重疊。電壓、電流變化很快，波形出現明顯得過(guò)沖，導致開(kāi)關(guān)噪聲。

軟開(kāi)關(guān)：在電路中增加了小電感、電容等諧振元件，在開(kāi)關(guān)過(guò)程前后引入諧振，消除電壓、電流的重疊。降低開(kāi)關(guān)損耗和開(kāi)關(guān)噪聲。

2．充電機的硬件設計

目前，我國電氣化鐵路旅客列車(chē)輔助電源系統大都采用DC600V供電制式，即機車(chē)通過(guò)受電弓從高架線(xiàn)上輸入25KV交流電，經(jīng)過(guò)變壓器降壓后再整流為DC600V，或通過(guò)發(fā)電車(chē)直接供DC600V，采用母線(xiàn)方式提供給各節車(chē)廂。本文介紹的輔助電源系統就適用于DC600V供電制式的空調客車(chē)以及相應制式的動(dòng)車(chē)組。而我們的充電機把輸入的DC600V轉換為DC110V為整個(gè)列車(chē)供電，包括各種電器的控制電、照明、單相逆變器，同時(shí)給列車(chē)蓄電池充電，所以說(shuō)充電機是整個(gè)列車(chē)供電系統的神經(jīng)中樞。圖3為青藏線(xiàn)新設計的充電機主電路圖：

充電機為600V直流輸入，L01，L02為輸入濾波電感，C01，C02為支撐電容，R01，R02和KM1組成預充電回路。四個(gè)IGBTV01、V02、V03和V04構成DC/DC全橋變換器，其中V01、V02和L03、L04構成BUCK電路，DC600V經(jīng)過(guò)變換降壓為DC480V，而后經(jīng)過(guò)V02和V04方波逆變，輸入高頻變壓器的原邊，高頻變壓器的原、副邊變比為2：1，變壓器輸出經(jīng)全波整流后，輸出為120V左右的直流電，輸出電壓的閉環(huán)控制通過(guò)檢測輸出電壓的大小，調節V01和V03的占空比來(lái)實(shí)現，而為整個(gè)列車(chē)供電。其中之110+為列車(chē)上的母線(xiàn)正，L+為列車(chē)上直流負載正，D+為蓄電池的正。U01、U02為電流傳感器，U03為電壓傳感器。

3．軟開(kāi)關(guān)的控制及實(shí)現策略

如圖3所示，有V01、V02、V03、V04和D02、D03、D05、D06構成DC/DC全橋變換器的基本電路。一般情況下有兩種控制策略：一種為斜對角兩只開(kāi)關(guān)管同時(shí)關(guān)斷的切換方式，但是這種切換方式無(wú)法實(shí)現開(kāi)關(guān)管的軟開(kāi)關(guān)，只能采用RC或RCD等有損緩沖電路來(lái)改善開(kāi)關(guān)管的工作狀態(tài)。第二種為斜對角兩只開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí)間錯開(kāi)切換方式。如果將斜對角的兩只開(kāi)關(guān)管的關(guān)斷時(shí)間相對錯開(kāi)一個(gè)時(shí)間，即一只開(kāi)關(guān)管先關(guān)斷，令一只開(kāi)關(guān)管延遲一段時(shí)間才關(guān)斷，就會(huì )改善開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，可以實(shí)現軟開(kāi)關(guān)。在本設計中我們采用的就是第二種控制方法，如果V01和V03分別在V02和V04之前關(guān)斷，則V01和V03組成的橋臂為超前橋臂，而后關(guān)斷的V02和V04組成的橋臂為滯后橋臂。在本設計中，超前橋臂為零電壓開(kāi)關(guān)，而滯后橋臂為零電流開(kāi)關(guān)。因為后橋臂的電流遠大于前橋臂的電流，所以在這里我主要介紹滯后橋臂的零電流開(kāi)關(guān)的實(shí)現方法。

V01和V04同時(shí)開(kāi)通后，V01先關(guān)斷，電容C03開(kāi)始充電，電容C04則放電，變壓器原邊電流減小，當變壓器原邊電流為零或接近零時(shí)，V04關(guān)斷；而當V04開(kāi)通時(shí)，由于存在變壓器漏感，變壓器原邊電流不能突然增加，而是以一定的斜率增加，因此認為V04是零電流開(kāi)通。同理V02和V03工作原理完全類(lèi)似。在這里需要提醒的是滯后開(kāi)關(guān)管兩端不能并聯(lián)電容，否則在開(kāi)關(guān)管開(kāi)通時(shí)，其并聯(lián)電容上的電壓不為零，并聯(lián)電容的能量將全部消耗在開(kāi)關(guān)管中，使開(kāi)關(guān)管發(fā)熱，而且還會(huì )在開(kāi)關(guān)管中產(chǎn)生很大的電流尖峰，造成開(kāi)關(guān)管損壞。同時(shí)，變壓器原邊電流回到零后不能反方向增加。如果變壓器原邊電流減小到零后反向增加（V01先關(guān)斷），反向電流將流過(guò)D06，當V04關(guān)斷時(shí)，V04是零電流關(guān)斷；但是當V03開(kāi)通時(shí)，D06立即關(guān)斷。由于D06存在反向恢復問(wèn)題，將會(huì )出現很大的反向恢復電流，此時(shí)V03就會(huì )產(chǎn)生很大的開(kāi)通電流尖峰，容易損壞開(kāi)關(guān)管，因此V03失去了零電流開(kāi)通的條件。

4．運行及試驗情況

以上設計的充電機已經(jīng)通過(guò)青島四方車(chē)輛研究所的所有電氣試驗，滿(mǎn)載時(shí)效率達到95%，而我們進(jìn)口的德國同類(lèi)產(chǎn)品的效率為90%，已經(jīng)完全取代我公司的德國進(jìn)口產(chǎn)品?，F已通過(guò)現場(chǎng)的各種試驗，性能可靠，運行穩定。產(chǎn)品和過(guò)去的產(chǎn)品相比，體積更小，功率密度更大，效率更高，運行的故障率更低。2005年8月順利通過(guò)單車(chē)青藏線(xiàn)運行試驗，2006年3月通過(guò)整車(chē)青藏線(xiàn)運行試驗，車(chē)輛已經(jīng)交付各個(gè)車(chē)輛段，順利通過(guò)驗收。下圖為滿(mǎn)載時(shí)電容C03兩端的電壓及高頻變壓器原邊電流波形。

5．結束語(yǔ)

為使開(kāi)關(guān)電源輕、小、薄，發(fā)展趨勢是高頻化。而高頻化使傳統的PWM開(kāi)關(guān)功耗加大、效率降低、噪聲增加。因此，實(shí)現零電壓導通、零電流關(guān)斷的軟開(kāi)關(guān)技術(shù)將成為開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)品未來(lái)的主流。國際上開(kāi)關(guān)變換器正向軟開(kāi)關(guān)、高頻化發(fā)展。，希望通過(guò)以上的設計和試驗經(jīng)驗，能夠為同行在設計同類(lèi)產(chǎn)品時(shí)提供一點(diǎn)借鑒和參考。