基于DC/DC軟開關技術的充電機在鐵路輔助電源系統中的應用

　　引言

　　現代電力電子朝著小型化、輕量化方向發展，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適應這樣的趨勢而發展起來的，它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控制的優點于一體，既能實現功率開關管的軟開關，又能實現恒頻控制，是當今電力電子技術發展的方向之一。在DC/DC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，它是直流電源實現高頻化的理想拓撲之一，尤其是在中、大功率的應用場合。

　　l 硬開關和軟開關

　　1.1 硬開關

　　開關過程中電壓和電流均不為零，出現了重疊。電壓、電流變化很快，波形出現明顯的過沖，導致開關噪聲。如圖1所示。

　　l.2 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，降低了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大都采用DC 600V供電制式，即機車通過受電弓從高架線上輸入25kV交流電，經過變壓器降壓后再整流為DC 600V;或通過發電車直接提供DC 600V，采用母線方式提供給各節車廂。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以及相應制式的動車組。充電機把輸入的DC 600V轉換為DC 110V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的神經中樞。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KMI組成預充電電路。4個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經過變換降壓為DC 480V，而后經過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，變壓器輸出經全波整流后，輸出120V左右的直流電。輸出電壓的閉環控制通過檢測輸出電壓的大小，調節S1和S3的占空比來實現，為整個列車供電。其中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關管同時關斷的切換方式，但是這種切換方式無法實現開關管的軟開關，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;第二種為斜對角兩只開關管關斷時間錯開切換力式。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，可以實現軟開關。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之前關斷，則S1和S3組成的橋臂為超前橋臂，后關斷的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關，而滯后橋臂為零電流開關。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關的實現方法。

　　S1和S4同時開通后，S1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，S4關斷;而當S4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S4是零電流開通。同理S2和S3工作原理完全類似。在這里需要提醒的是滯后丌關管兩端不能并聯電容，否則在開關管開通時，其并聯電容上的電壓不為零，并聯電容的能量將全部消耗在開關管中，使開關管發熱，而且還會在開關管中產生很大的電流尖峰，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(S1先關斷)，反向電流將流過D06，當S4關斷時，S4是零電流關斷;但是當S4開通時，D06立即關斷。由于D06存在反向恢復問題，將會出現很大的反向恢復電流，此時S4就會產生很大的開通電流尖峰，容易損壞開關管，因此S4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%，而進口的德國同類產品的效率為90%，已經完全取代德國進口產品。現已通過現場的各種試驗，性能可靠，運行穩定。該產品和過去的產品相比，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。車輛已經交付各個車輛段，順利通過驗收。圖4、圖5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 結語

　　開關電源的發展趨勢是輕、小、薄和高頻化，而高頻化使傳統的PWM開關功耗加大、效率降低、噪聲增加。因此，實現零電壓導通、零電流關斷的軟開關技術將成為開關電源產品未來的主流。希望通過以上的設計和試驗經驗，能夠為同行在設計同類產品時提供一點借鑒和參考。