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

　　引言

　　現(xiàn)代電力電子朝著小型化、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(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)的諧振變換器正是適應(yīng)這樣的趨勢而發(fā)展起來的，它可以降低開關(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)點于一體，既能實現(xiàn)功率開關(guān)管的軟開關(guān)，又能實現(xiàn)恒頻控制，是當(dāng)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關(guān)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?fù)渲?，尤其是在中、大功率的?yīng)用場合。

　　l 硬開關(guān)和軟開關(guān)

　　1.1 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)明顯的過沖，導(dǎo)致開關(guān)噪聲。如圖1所示。

　　l.2 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，降低了開關(guān)損耗和開關(guān)噪聲。

　　2 充電機(jī)的硬件設(shè)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DC 600V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DC 600V;或通過發(fā)電車直接提供DC 600V，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)適用于DC 600V供電制式的空調(diào)客車以及相應(yīng)制式的動車組。充電機(jī)把輸入的DC 600V轉(zhuǎn)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(jī)是整個列車供電系統(tǒng)的神經(jīng)中樞。圖3為青藏線新設(shè)計的充電機(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KMI組成預(yù)充電電路。4個IGBT(S1、S2、S3和S4)構(gòu)成DC/DC全橋變換器，其中S1、S3和L03、L04構(gòu)成Buck電路，DC 600V經(jīng)過變換降壓為DC 480V，而后經(jīng)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(jīng)全波整流后，輸出120V左右的直流電。輸出電壓的閉環(huán)控制通過檢測輸出電壓的大小，調(diào)節(jié)S1和S3的占空比來實現(xiàn)，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(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)的控制及實現(xiàn)策略

　　如圖3所示，由S1、S2、S3、S4和D02、D03、D05、D06構(gòu)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(guān)管同時關(guān)斷的切換方式，但是這種切換方式無法實現(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)斷時間錯開切換力式。如果將斜對角的兩只開關(guān)管的關(guān)斷時間相對錯開一個時間，即一只開關(guān)管先關(guān)斷，令一只開關(guān)管延遲一段時間才關(guān)斷，就會改善開關(guān)管的開關(guān)狀態(tài)，可以實現(xiàn)軟開關(guān)。在本設(shè)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(shè)汁中，超前橋臂為零電壓開關(guān)，而滯后橋臂為零電流開關(guān)。因為滯后橋臂的電流遠(yuǎn)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(guān)的實現(xiàn)方法。

　　S1和S4同時開通后，S1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，S4關(guān)斷;而當(dāng)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(rèn)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(guān)管兩端不能并聯(lián)電容，否則在開關(guān)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(guān)管中，使開關(guān)管發(fā)熱，而且還會在開關(guān)管中產(chǎn)生很大的電流尖峰，造成開關(guān)管損壞。同時，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D06，當(dāng)S4關(guān)斷時，S4是零電流關(guān)斷;但是當(dāng)S4開通時，D06立即關(guān)斷。由于D06存在反向恢復(fù)問題，將會出現(xiàn)很大的反向恢復(fù)電流，此時S4就會產(chǎn)生很大的開通電流尖峰，容易損壞開關(guān)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(shè)計的充電機(jī)已經(jīng)通過青島四方車輛研究所的所有電氣試驗，滿載時效率達(dá)到95%，而進(jìn)口的德國同類產(chǎn)品的效率為90%，已經(jīng)完全取代德國進(jìn)口產(chǎn)品。現(xiàn)已通過現(xiàn)場的各種試驗，性能可靠，運行穩(wěn)定。該產(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。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(jié)語

　　開關(guān)電源的發(fā)展趨勢是輕、小、薄和高頻化，而高頻化使傳統(tǒng)的PWM開關(guān)功耗加大、效率降低、噪聲增加。因此，實現(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。希望通過以上的設(shè)計和試驗經(jīng)驗，能夠為同行在設(shè)計同類產(chǎn)品時提供一點借鑒和參考。