一种基于DC/DC软开关技术的充电机在铁路辅助电源系统中的应用

作者Email: flyfang2008@sohu.com

摘要：本文首先介绍了软开关和硬开关的基本知识，然后给出电气列车辅助电源最新10KVA充电机的主电路设计，介绍并分析了此种新型充电机软开关的实现方法和设计注意事项，此产品已经通过国家铁道部的各项试验，已运行于即将正式开通的青藏线的各个新型列车中。

关键词：充电机，软开关，硬开关，辅助电源

0．    引言

现在电力电子的发展趋势朝着小型化、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基于这样的趋势而发展起来的：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，是当今电力子技术领域发展方向之一。在直/直变换器中，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。

1．    硬开关和软开关

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，波形出现明显得过冲，导致开关噪声。 
 

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，消除电压、电流的重叠。降低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DC600V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DC600V，或通过发电车直接供DC600V，采用母线方式提供给各节车厢。本文介绍的辅助电源系统就适用于DC600V供电制式的空调客车以及相应制式的动车组。而我们的充电机把输入的DC600V转换为DC110V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KM1组成预充电回路。四个IGBT V01、V02、V03和V04构成DC/DC全桥变换器，其中V01、V02和L03、L04构成BUCK电路，DC600V经过变换降压为DC480V，而后经过V02和V04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，输出为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V01和V03的占空比来实现，而为整个列车供电。其中之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，有V01、V02、V03、V04和D02、D03、D05、D06构成DC/DC全桥变换器的基本电路。一般情况下有两种控制策略：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方式。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。在本设计中我们采用的就是第二种控制方法，如果V01和V03分别在V02和V04之前关断，则V01和V03组成的桥臂为超前桥臂，而后关断的V02和V04组成的桥臂为滞后桥臂。在本设计中，超前桥臂为零电压开关，而滞后桥臂为零电流开关。因为后桥臂的电流远大于前桥臂的电流，所以在这里我主要介绍滞后桥臂的零电流开关的实现方法。

V01和V04同时开通后，V01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，V04关断；而当V04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V04是零电流开通。同理V02和V03工作原理完全类似。在这里需要提醒的是滞后开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，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（V01先关断），反向电流将流过D06，当V04关断时，V04是零电流关断；但是当V03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V03就会产生很大的开通电流尖峰，容易损坏开关管，因此V03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%，而我们进口的德国同类产品的效率为90%，已经完全取代我公司的德国进口产品。现已通过现场的各种试验，性能可靠，运行稳定。产品和过去的产品相比，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。下图为满载时电容C03两端的电压及高频变压器原边电流波形。

5．    结束语

为使开关电源轻、小、薄，发展趋势是高频化。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。国际上开关变换器正向软开关、高频化发展。，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。