一種基于DC/DC軟開關技術的充電機在鐵路輔助電源系統(tǒng)中的應用

作者Email: flyfang2008@sohu.com

摘要：本文首先介紹了軟開關和硬開關的基本知識，然后給出電氣列車輔助電源最新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關的實現(xiàn)方法和設計注意事項，此產(chǎn)品已經(jīng)通過國家鐵道部的各項試驗，已運行于即將正式開通的青藏線的各個新型列車中。

關鍵詞：充電機，軟開關，硬開關，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。但同時導致開關損耗增加，電磁干擾增大。而基于軟開關技術的諧振變換器正是基于這樣的趨勢而發(fā)展起來的：可以降低開關損耗和開關噪聲，進一步提高開關頻率。

將諧振變換器與PWM技術結合起來構成軟開關PWM的控制方法，集諧振變換器與PWM控制的優(yōu)點于一體，既能實現(xiàn)功率開關管的軟開關，又能實現(xiàn)恒頻控制，是當今電力子技術領域發(fā)展方向之一。在直/直變換器中，則以全橋移相控制軟開關PWM變換器的研究十分活躍，它是直流電源實現(xiàn)高頻化的理想拓撲之一，尤其是在中、大功率的應用場合。

1．    硬開關和軟開關

硬開關：開關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，導致開關噪聲。 
 

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

2．    充電機的硬件設計

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)客車以及相應制式的動車組。而我們的充電機把輸入的DC600V轉換為DC110V為整個列車供電，包括各種電器的控制電、照明、單相逆變器，同時給列車蓄電池充電，所以說充電機是整個列車供電系統(tǒng)的神經(jīng)中樞。圖3為青藏線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IGBT V01、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的占空比來實現(xiàn)，而為整個列車供電。其中之110+為列車上的母線正，L+為列車上直流負載正，D+為蓄電池的正。U01、U02為電流傳感器，U03為電壓傳感器。

3．    軟開關的控制及實現(xiàn)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關管同時關斷的切換方式，但是這種切換方式無法實現(xiàn)開關管的軟開關，只能采用RC或RCD等有損緩沖電路來改善開關管的工作狀態(tài)。第二種為斜對角兩只開關管關斷時間錯開切換方式。如果將斜對角的兩只開關管的關斷時間相對錯開一個時間，即一只開關管先關斷，令一只開關管延遲一段時間才關斷，就會改善開關管的開關狀態(tài)，可以實現(xiàn)軟開關。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之前關斷，則V01和V03組成的橋臂為超前橋臂，而后關斷的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關，而滯后橋臂為零電流開關。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關的實現(xiàn)方法。

V01和V04同時開通后，V01先關斷，電容C03開始充電，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，V04關斷；而當V04開通時，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管兩端不能并聯(lián)電容，否則在開關管開通時，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管中，使開關管發(fā)熱，而且還會在開關管中產(chǎn)生很大的電流尖峰，造成開關管損壞。同時，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先關斷），反向電流將流過D06，當V04關斷時，V04是零電流關斷；但是當V03開通時，D06立即關斷。由于D06存在反向恢復問題，將會出現(xiàn)很大的反向恢復電流，此時V03就會產(chǎn)生很大的開通電流尖峰，容易損壞開關管，因此V03失去了零電流開通的條件。

4．    運行及試驗情況

以上設計的充電機已經(jīng)通過青島四方車輛研究所的所有電氣試驗，滿載時效率達到95%，而我們進口的德國同類產(chǎn)品的效率為90%，已經(jīng)完全取代我公司的德國進口產(chǎn)品?，F(xiàn)已通過現(xiàn)場的各種試驗，性能可靠，運行穩(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，運行的故障率更低。2005年8月順利通過單車青藏線運行試驗，2006年3月通過整車青藏線運行試驗，車輛已經(jīng)交付各個車輛段，順利通過驗收。下圖為滿載時電容C03兩端的電壓及高頻變壓器原邊電流波形。

5．    結束語

為使開關電源輕、小、薄，發(fā)展趨勢是高頻化。而高頻化使傳統(tǒng)的PWM開關功耗加大、效率降低、噪聲增加。因此，實現(xiàn)零電壓導通、零電流關斷的軟開關技術將成為開關電源產(chǎn)品未來的主流。國際上開關變換器正向軟開關、高頻化發(fā)展。，希望通過以上的設計和試驗經(jīng)驗，能夠為同行在設計同類產(chǎn)品時提供一點借鑒和參考。