动车组高频充电机软开关技术研究

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1、动车组高频充电机软开关技术研究韩伟：长春轨道客车股份有限公司，工程师，吉林长春，130006李超：北京交通大学电气工程学院，硕士研究生，北京，100044摘要：动车组蓄电池充电机是动车组电气化装备的重要组成部分，动车组蓄电池充电机的软开关研究是实现其体积减小、质量降低、性能优化的重要解决方案。提出一种副边采用无源钳位的移相全桥ZVZCS变换器拓扑；重点分析该拓扑的工作原理，研究基于该拓扑的辅助回前，车载供电设备的主要优化方向是小型化、轻量化，路参数优化设计方法，并基于此给出系统最优而提高变换器的频率是解决系统体积庞大、笨重的重要参数。最后基于充电机特殊运行工况，搭建系举措”。统电路

2、模型，通过电路模型仿真，验证该拓扑中大功率电力电子装置的高频化方案主要包括模块在车载蓄电池充电机应用的可行性和可靠性。化集成技术和软开关技术。其实质都是通过一定方法降关键词：动车组；高频充电机；软开关；无源低开关器件损耗，减小系统发热，以达到实现系统高频钳位；ZVZCS化的目的。模块化集成是一种采用系统串、并联将小功率变换器模块集成为中、大功率变换器的技术，小功率中图分类号：U266．2；U223．5文献标识码：A变换器所选用的开关器件，无论在导通损耗还是在开关文章编号：1001—683X(2015)03—0052—05损耗上，都要远小于大功率器件，这是模块化集成技术实现系统高频化

3、的本质原理。模块化集成是一种系统级的高频化技术，因此并不能从根本上减小或消除系统由于开关频率过高而带来的高额开关损耗]。0引言近年来，软开关技术由于其在开关电源领域的卓越动车组蓄电池充电机是一种中功率的电力电子变表现而在轨道交通领域获得了越来越多的关注。国外一换装置，负责为所有车载低压直流系统供电。主要用电些厂商(阿尔斯通等)已经在辅助变流器研制等方面率设备包括列车照明、列车监控系统(CFSU等)、车门先应用了软开关技术。其卓越的性能也获得业界认可。开关(直流电机)，是列车系统的重要供电电源之一。而由于接受软开关技术较晚，目前国内几大机车设备厂因此，针对列车蓄电池充电机的性能优化十

4、分重要。目商还没有研制出成型的软开关产品J。基金项目：国家科技支撑计划项目(2015BAG21qoo)。一52．动车组高频充电机软开关技术研究韩伟等文献[4]一文献[7]提出了几种ZCS软开关方法，管结电容谐振引起的电压过冲，减小整流管电压应力。其中文献[7]所提方案正是CRH型动车组辅助变流器所图2所示为采用该软开关方式的车载充电机拓扑。采用的。但该方法增加了辅助开关管，使系统控制更加复杂。实际上，目前采用无源器件的移相全桥zvzcs技术，因其优秀和广泛的适用性而获得研发工程师的青睐m]。提出了一种副边采用钳位电容和2个二极管构成辅助回路的拓扑。该拓扑结构简单，需要进行参数配置的

5、器件只有钳位电容一个。因此实用性强，可缩短调试周期。接着，对该拓扑进行原理分析和研究；基于原理分析，提出一种辅助回路参数的优化配置方案，得到系统的最优参数。最后，基于列车蓄电池充电机的实际运行图2采用无源钳位型软开关高频充电机主拓扑工况，搭建系统电路模型。在对该拓扑进行工作过程分析前，做如下假设1无源钳位ZVZCS软开关高频充电机工作原理(1)所有元器件均为理想器件；1．1高频充电机主拓扑选型(2)输入滤波电容很大，可以看作电压源；列车蓄电池充电机是一种低压大电流(输出侧)大(3)输出滤波电感很大，可以看作电流源；功率DC—DC变换器，综合考虑隔离需要、系统(主要是(4)缓冲电容C

6、==。；高频隔离变压器)功率密度及各环节器件电压应力和电(5)输出滤波电远大于变压器漏感。流应力，采用图1所示的全桥变换一全波整流主拓扑_l_。该拓扑工作波形见图3。图1高频充电机主拓扑该拓扑包括由输人滤波电感Ls、输入滤波电容Cs构图3拓扑工作波形成的输入滤波器，由Q1一Q4构成的全桥斩波器，高频隔离变压器T1，由D1、D2构成的全波整流器及由滤波电感to-t时刻：Q1导通，Q4~JlJ开始导通，原边电流在L、滤波电容C构成的输出滤波器。变压器漏感限制下上升速度较为缓慢，这是Q4零电流开1．2工作过程分析通的条件。原边电流，n较小，不足以支撑负载电流，负移相控制ZVZCS全桥变换

7、器可以实现超前臂的零电载电流仍通过整流管续流。压开关和滞后臂的零电流开关。目前这一领域的主要研，一，：时刻：Q1和Q4导通，此时原边电流足以支撑究为如何阻断原边电流。所提拓扑采用无源钳位方式阻负载电流，整流器工作在整流工况。变压器漏感L，钳断原边电流，结构简单、参数优化便捷。同时这种拓扑位电容c和输出滤波电容通过二极管D形成谐振通路，还能对副边电压进行钳位，防止由于变压器漏感和整流谐振等效电路见图4。一53—图4f—f时刻谐振等效电路图5一f时刻谐振等效电路如图4所示