一種基于DC/DC軟開關(guān)技術(shù)的充電機(jī)在鐵路輔助電源系統(tǒng)中的應(yīng)用

作者Email: flyfang2008@sohu.com

摘要：本文首先介紹了軟開關(guān)和硬開關(guān)的基本知識(shí)，然后給出電氣列車輔助電源最新10KVA充電機(jī)的主電路設(shè)計(jì)，介紹并分析了此種新型充電機(jī)軟開關(guān)的實(shí)現(xiàn)方法和設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)，此產(chǎn)品已經(jīng)通過國家鐵道部的各項(xiàng)試驗(yàn)，已運(yùn)行于即將正式開通的青藏線的各個(gè)新型列車中。

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

0．    引言

現(xiàn)在電力電子的發(fā)展趨勢朝著小型化、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(dǎo)致開關(guān)損耗增加，電磁干擾增大。而基于軟開關(guān)技術(shù)的諧振變換器正是基于這樣的趨勢而發(fā)展起來的：可以降低開關(guān)損耗和開關(guān)噪聲，進(jìn)一步提高開關(guān)頻率。

將諧振變換器與PWM技術(shù)結(jié)合起來構(gòu)成軟開關(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(xiàn)功率開關(guān)管的軟開關(guān)，又能實(shí)現(xiàn)恒頻控制，是當(dāng)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關(guān)PWM變換器的研究十分活躍，它是直流電源實(shí)現(xiàn)高頻化的理想拓?fù)渲?，尤其是在中、大功率的?yīng)用場合。

1．    硬開關(guān)和軟開關(guān)

硬開關(guān)：開關(guān)過程中電壓和電流均不為零，出現(xiàn)了重疊。電壓、電流變化很快，波形出現(xiàn)明顯得過沖，導(dǎo)致開關(guān)噪聲。 
 

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

2．    充電機(jī)的硬件設(shè)計(jì)

目前，我國電氣化鐵路旅客列車輔助電源系統(tǒng)大都采用DC600V供電制式，即機(jī)車通過受電弓從高架線上輸入25KV交流電，經(jīng)過變壓器降壓后再整流為DC600V，或通過發(fā)電車直接供DC600V，采用母線方式提供給各節(jié)車廂。本文介紹的輔助電源系統(tǒng)就適用于DC600V供電制式的空調(diào)客車以及相應(yīng)制式的動(dòng)車組。而我們的充電機(jī)把輸入的DC600V轉(zhuǎn)換為DC110V為整個(gè)列車供電，包括各種電器的控制電、照明、單相逆變器，同時(shí)給列車蓄電池充電，所以說充電機(jī)是整個(gè)列車供電系統(tǒng)的神經(jīng)中樞。圖3為青藏線新設(shè)計(jì)的充電機(jī)主電路圖：

充電機(jī)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(yù)充電回路。四個(gè)IGBT V01、V02、V03和V04構(gòu)成DC/DC全橋變換器，其中V01、V02和L03、L04構(gòu)成BUCK電路，DC600V經(jīng)過變換降壓為DC480V，而后經(jīng)過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)控制通過檢測輸出電壓的大小，調(diào)節(jié)V01和V03的占空比來實(shí)現(xiàn)，而為整個(gè)列車供電。其中之110+為列車上的母線正，L+為列車上直流負(fù)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．    軟開關(guān)的控制及實(shí)現(xiàn)策略

如圖3所示，有V01、V02、V03、V04和D02、D03、D05、D06構(gòu)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關(guān)管同時(shí)關(guān)斷的切換方式，但是這種切換方式無法實(shí)現(xiàn)開關(guān)管的軟開關(guān)，只能采用RC或RCD等有損緩沖電路來改善開關(guān)管的工作狀態(tài)。第二種為斜對角兩只開關(guān)管關(guān)斷時(shí)間錯(cuò)開切換方式。如果將斜對角的兩只開關(guān)管的關(guān)斷時(shí)間相對錯(cuò)開一個(gè)時(shí)間，即一只開關(guān)管先關(guān)斷，令一只開關(guān)管延遲一段時(shí)間才關(guān)斷，就會(huì)改善開關(guān)管的開關(guān)狀態(tài)，可以實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)。在本設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)中，超前橋臂為零電壓開關(guān)，而滯后橋臂為零電流開關(guān)。因?yàn)楹髽虮鄣碾娏鬟h(yuǎn)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關(guān)的實(shí)現(xiàn)方法。

V01和V04同時(shí)開通后，V01先關(guān)斷，電容C03開始充電，電容C04則放電，變壓器原邊電流減小，當(dāng)變壓器原邊電流為零或接近零時(shí)，V04關(guān)斷；而當(dāng)V04開通時(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(rèn)為V04是零電流開通。同理V02和V03工作原理完全類似。在這里需要提醒的是滯后開關(guān)管兩端不能并聯(lián)電容，否則在開關(guān)管開通時(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關(guān)管中，使開關(guān)管發(fā)熱，而且還會(huì)在開關(guān)管中產(chǎn)生很大的電流尖峰，造成開關(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D06，當(dāng)V04關(guān)斷時(shí)，V04是零電流關(guān)斷；但是當(dāng)V03開通時(shí)，D06立即關(guān)斷。由于D06存在反向恢復(fù)問題，將會(huì)出現(xiàn)很大的反向恢復(fù)電流，此時(shí)V03就會(huì)產(chǎn)生很大的開通電流尖峰，容易損壞開關(guān)管，因此V03失去了零電流開通的條件。

4．    運(yùn)行及試驗(yàn)情況

以上設(shè)計(jì)的充電機(jī)已經(jīng)通過青島四方車輛研究所的所有電氣試驗(yàn)，滿載時(shí)效率達(dá)到95%，而我們進(jìn)口的德國同類產(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(xiàn)已通過現(xiàn)場的各種試驗(yàn)，性能可靠，運(yùn)行穩(wěn)定。產(chǎn)品和過去的產(chǎn)品相比，體積更小，功率密度更大，效率更高，運(yùn)行的故障率更低。2005年8月順利通過單車青藏線運(yùn)行試驗(yàn)，2006年3月通過整車青藏線運(yùn)行試驗(yàn)，車輛已經(jīng)交付各個(gè)車輛段，順利通過驗(yàn)收。下圖為滿載時(shí)電容C03兩端的電壓及高頻變壓器原邊電流波形。

5．    結(jié)束語

為使開關(guān)電源輕、小、薄，發(fā)展趨勢是高頻化。而高頻化使傳統(tǒng)的PWM開關(guān)功耗加大、效率降低、噪聲增加。因此，實(shí)現(xiàn)零電壓導(dǎo)通、零電流關(guān)斷的軟開關(guān)技術(shù)將成為開關(guān)電源產(chǎn)品未來的主流。國際上開關(guān)變換器正向軟開關(guān)、高頻化發(fā)展。，希望通過以上的設(shè)計(jì)和試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，能夠?yàn)橥性谠O(shè)計(jì)同類產(chǎn)品時(shí)提供一點(diǎn)借鑒和參考。