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

　　引言

　　現代電力電子朝著(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)的諧振變換器正是適應這樣的趨勢而發(fā)展起來(lái)的，它可以降低開(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，是當今電力電子技術(shù)發(fā)展的方向之一。在DC/DC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。

　　l 硬開(kāi)關(guān)和軟開(kāi)關(guān)

　　1.1 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，波形出現明顯的過(guò)沖，導致開(kāi)關(guān)噪聲。如圖1所示。

　　l.2 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，降低了開(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DC 600V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DC 600V;或通過(guò)發(fā)電車(chē)直接提供DC 600V，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適用于DC 600V供電制式的空調客車(chē)以及相應制式的動(dòng)車(chē)組。充電機把輸入的DC 600V轉換為DC 110V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KMI組成預充電電路。4個(gè)IGBT(S1、S2、S3和S4)構成DC/DC全橋變換器，其中S1、S3和L03、L04構成Buck電路，DC 600V經(jīng)過(guò)變換降壓為DC 480V，而后經(jīng)過(guò)S2和S4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S1和S3的占空比來(lái)實(shí)現，為整個(gè)列車(chē)供電。其中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，由S1、S2、S3、S4和D02、D03、D05、D06構成DC/DC全橋變換器的基本電路。一般清況下有兩種控制策略：第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)切換力式。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)。在本設計中采用的就是第二種控制方法，如果S1和S3分別在S2和S4之前關(guān)斷，則S1和S3組成的橋臂為超前橋臂，后關(guān)斷的S2和S4組成的橋臂為滯后橋臂。在本設汁中，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)。因為滯后橋臂的電流遠大于超前橋臂的電流，所以在這里主要介紹滯后橋臂的零電流開(kāi)關(guān)的實(shí)現方法。

　　S1和S4同時(shí)開(kāi)通后，S1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)，S4關(guān)斷;而當S4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S4是零電流開(kāi)通。同理S2和S3工作原理完全類(lèi)似。在這里需要提醒的是滯后丌關(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(S1先關(guān)斷)，反向電流將流過(guò)D06，當S4關(guān)斷時(shí)，S4是零電流關(guān)斷;但是當S4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)S4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S4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%，而進(jìn)口的德國同類(lèi)產(chǎn)品的效率為90%，已經(jīng)完全取代德國進(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。該產(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。圖4、圖5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 結語(yǔ)

　　開(kāi)關(guān)電源的發(fā)展趨勢是輕、小、薄和高頻化，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。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。