基于DCDC软开关技术的充电机在铁路辅助电源系统中的应用

1、    基于DC/DC软开关技术的充电机在铁路辅助电源系统中的应用    基于DC/DC软开关技术的充电机在铁路辅助电源系统中的应用    类别：电源技术      引言现代电力电子朝着小型化、轻量化方向发展，对效率和电磁兼容也有了更高的要求。随着电力电子装置的高频化的发展趋势，滤波器、变压器体积和重量减小，电力电子装置小型化、轻量化。但同时导致开关损耗增加，电磁干扰增大。而基于软开关技术的谐振变换器正是适应这样的趋

2、势而发展起来的，它可以降低开关损耗和开关噪声，进一步提高开关频率。将谐振变换器与PWM技术结合起来构成软开关PWM的控制方法，集谐振变换器与PWM控制的优点于一体，既能实现功率开关管的软开关，又能实现恒频控制，是当今电力电子技术发展的方向之一。在DC/DC变换器中，则以全桥移相控制软开关PWM变换器的研究十分活跃，它是直流电源实现高频化的理想拓扑之一，尤其是在中、大功率的应用场合。l 硬开关和软开关1.1 硬开关开关过程中电压和电流均不为零，出现了重叠。电压、电流变化很快，波形出现明显的过冲，导致开关噪声。如图1所示。l.2 软开关在电路中增加了小电感、电容等谐振元件，在开关过程前后引入谐振，

3、消除电压、电流的重叠，降低了开关损耗和开关噪声。2 充电机的硬件设计目前，我国电气化铁路旅客列车辅助电源系统大都采用DC 600V供电制式，即机车通过受电弓从高架线上输入25kV交流电，经过变压器降压后再整流为DC 600V;或通过发电车直接提供DC 600V，采用母线方式提供给各节车厢。本文介绍的辅助电源系统适用于DC 600V供电制式的空调客车以及相应制式的动车组。充电机把输入的DC 600V转换为DC 110V为整个列车供电，包括各种电器的控制电、照明、单相逆变器，同时给列车蓄电池充电，所以说充电机是整个列车供电系统的神经中枢。图3为青藏线新设计的充电机主电路图。充电机为600V直流输入

4、，L01，L02为输入滤波电感，C01，C02为支撑电容，R01，R02和KMI组成预充电电路。4个IGBT(S1、S2、S3和S4)构成DC/DC全桥变换器，其中S1、S3和L03、L04构成Buck电路，DC 600V经过变换降压为DC 480V，而后经过S2和S4方波逆变，输入高频变压器的原边，高频变压器的原、副边变比为2：1，变压器输出经全波整流后，输出120V左右的直流电。输出电压的闭环控制通过检测输出电压的大小，调节S1和S3的占空比来实现，为整个列车供电。其中110+为列车上的母线正，L+为列车上直流负载正，D+为蓄电池的正。U01、U02为电流传感器，U03为电压传感器。3 软

5、开关的控制及实现策略如图3所示，由S1、S2、S3、S4和D02、D03、D05、D06构成DC/DC全桥变换器的基本电路。一般清况下有两种控制策略：第一种为斜对角两只开关管同时关断的切换方式，但是这种切换方式无法实现开关管的软开关，只能采用RC或RCD等有损缓冲电路来改善开关管的工作状态;第二种为斜对角两只开关管关断时间错开切换力式。如果将斜对角的两只开关管的关断时间相对错开一个时间，即一只开关管先关断，令一只开关管延迟一段时间才关断，就会改善开关管的开关状态，可以实现软开关。在本设计中采用的就是第二种控制方法，如果S1和S3分别在S2和S4之前关断，则S1和S3组成的桥臂为超前桥臂，后关断

6、的S2和S4组成的桥臂为滞后桥臂。在本设汁中，超前桥臂为零电压开关，而滞后桥臂为零电流开关。因为滞后桥臂的电流远大于超前桥臂的电流，所以在这里主要介绍滞后桥臂的零电流开关的实现方法。S1和S4同时开通后，S1先关断，电容C03开始充电，电容C04则放电，变压器原边电流减小，当变压器原边电流为零或接近零时，S4关断;而当S4开通时，由于存在变压器漏感，变压器原边电流不能突然增加，而是以一定的斜率增加，因此认为S4是零电流开通。同理S2和S3工作原理完全类似。在这里需要提醒的是滞后丌关管两端不能并联电容，否则在开关管开通时，其并联电容上的电压不为零，并联电容的能量将全部消耗在开关管中，使开关管发热

7、，而且还会在开关管中产生很大的电流尖峰，造成开关管损坏。同时，变压器原边电流回到零后不能反方向增加。如果变压器原边电流减小到零后反向增加(S1先关断)，反向电流将流过D06，当S4关断时，S4是零电流关断;但是当S4开通时，D06立即关断。由于D06存在反向恢复问题，将会出现很大的反向恢复电流，此时S4就会产生很大的开通电流尖峰，容易损坏开关管，因此S4失去了零电流开通的条件。4 运行及试验情况以上设计的充电机已经通过青岛四方车辆研究所的所有电气试验，满载时效率达到95%，而进口的德国同类产品的效率为90%，已经完全取代德国进口产品。现已通过现场的各种试验，性能可靠，运行稳定。该产品和过去的产

8、品相比，体积更小，功率密度更大，效率更高，运行的故障率更低。2005年8月顺利通过单车青藏线运行试验，2006年3月通过整车青藏线运行试验。车辆已经交付各个车辆段，顺利通过验收。图4、图5为满载时电容C03两端的电压及高频变压器原边电流波形。5 结语开关电源的发展趋势是轻、小、薄和高频化，而高频化使传统的PWM开关功耗加大、效率降低、噪声增加。因此，实现零电压导通、零电流关断的软开关技术将成为开关电源产品未来的主流。希望通过以上的设计和试验经验，能够为同行在设计同类产品时提供一点借鉴和参考。 重叠，降低了开关损耗和开关噪声。2 充电机的硬件设计目前，我国电气化铁路旅客列车辅助电源系统大都采用D

9、C 600V供电制式，即机车通过受电弓从高架线上输入25kV交流电，经过变压器降压后再整流为DC 600V;或通过发电车直接提供DC 600V，采用母线方式提供给各节车厢。本文介绍的辅助电源系统适用于DC 600V供电制式的空调客车以及相应制式的动车组。充电机把输入的DC 600V转换为DC 110V为整个列车供电，包括各种电器的控制电、照明、单相逆变器，同时给列车蓄电池充电，所以说充电机是整个列车供电系统的神经中枢。图3为青藏线新设计的充电机主电路图。充电机为600V直流输入，L01，L02为输入滤波电感，C01，C02为支撑电容，R01，R02和KMI组成预充电电路。4个IGBT(S1、S

10、2、S3和S4)构成DC/DC全桥变换器，其中S1、S3和L03、L04构成Buck电路，DC 600V经过变换降压为DC 480V，而后经过S2和S4方波逆变，输入高频变压器的原边，高频变压器的原、副边变比为2：1，变压器输出经全波整流后，输出120V左右的直流电。输出电压的闭环控制通过检测输出电压的大小，调节S1和S3的占空比来实现，为整个列车供电。其中110+为列车上的母线正，L+为列车上直流负载正，D+为蓄电池的正。U01、U02为电流传感器，U03为电压传感器。3 软开关的控制及实现策略如图3所示，由S1、S2、S3、S4和D02、D03、D05、D06构成DC/DC全桥变换器的基本电路。一般清况下有两种控制策略：第一种为斜对角两只开关管同时关断的切换方式，但是这种切换方式无法实现开关管的软开关，只能采用RC或RCD等有损缓冲电路来改善开关管的工作状态;第二