新型电气列车辅助电源充电机软开关的设计方法
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。
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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：
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