［摘 要］鐵路客車上裝配有多種低壓電氣設(shè)備，需要的電壓具有一定區(qū)別，如何采用拓撲結(jié)構(gòu)更為簡便、耗能低的電路系統(tǒng)，為客車上各部分的電氣設(shè)備提供合適的電源，是需要探索的方向。文章設(shè)計了一款基于高壓母線結(jié)構(gòu)的開關(guān)變換器的拓撲結(jié)構(gòu)，以期實現(xiàn)功能并提升效率。

［關(guān)鍵詞］開關(guān)電源；高壓母線；分布式

［中圖分類號］TM73 ［文獻標志碼］A ［文章編號］2095–6487（2024）09–0021–03

1 背景

我國鐵路建設(shè)始于清朝末年，經(jīng)過1 個多世紀的建設(shè)和發(fā)展，如今，鐵路已經(jīng)成為國家重要的基礎(chǔ)設(shè)施，是人民群眾出行常用交通工具，是我國整體交通運輸體系的核心力量。近年來，我國的鐵路事業(yè)飛速發(fā)展。據(jù)新華社2024 年1 月9 日報道，我國鐵路網(wǎng)的里程規(guī)模已經(jīng)達到15 萬km，全國80% 以上的大城市被高速鐵路網(wǎng)覆蓋，自主研發(fā)的中國高鐵已經(jīng)成為了“中國名片”。

2 現(xiàn)狀

鐵路接觸網(wǎng)提供25 kV 單相交流電，機車通過受電弓，從接觸網(wǎng)獲得電能，列車上裝備有供電裝置，經(jīng)過降壓、濾波、整流等變化后，空調(diào)客車接收到600 V 的直流電。車輛底部安裝的逆變器將600 V 的直流電逆變成380 V 交流電，除空調(diào)、電茶爐等交流用電設(shè)備外，再根據(jù)空調(diào)客車上的各類電器負載需求的不同，轉(zhuǎn)換為DC 28 V、DC 24 V、DC 12 V 等多種低壓直流電，供列車信號、軸溫傳感器等控制類低壓用電設(shè)備使用。

客車上的變配電過程包含整流、逆變等多個過程，直流、交流來回變換，電路結(jié)構(gòu)復雜，涉及設(shè)備多，增加了能量損耗。直流電的方向不隨著周期而發(fā)生變化，相對交流電而言，狀態(tài)恒定，對供電的穩(wěn)定性起到很好的保障作用。在日常應用時，半導體器件內(nèi)部的供電通常都是直流電。即便偶爾應用交流供電，也必須先進行整流濾波。交流電經(jīng)過整流濾波得到直流電，然后再經(jīng)過直流穩(wěn)壓變換器變換，得到合適的直流工作電壓供電路使用。進而通過變換器將DC 600 V的電壓值進行改變，不僅簡化了電路的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，降低了設(shè)備成本，也提升了電能的利用率，符合國家對于當前能源結(jié)構(gòu)調(diào)整及新質(zhì)生產(chǎn)力發(fā)展的大方向。

3 開關(guān)變換器的發(fā)展及趨勢

半導體器件的發(fā)展影響著開關(guān)變換器技術(shù)的發(fā)展，兩者互相呼應，相輔相成。在實際應用中，開關(guān)變換器的可靠性及抗干擾能力是十分重要的評價標準。因此，在不斷的研究探索與應用中，開關(guān)變換器的可靠性持續(xù)提高、抗干擾能力持續(xù)增強。開關(guān)變換器的輸出為直流電，當前國內(nèi)外，開關(guān)變換器已實現(xiàn)模塊化，可以很快滿足生產(chǎn)需要，而特殊條件下使用的變換器還需不斷完善設(shè)計技術(shù)和工藝水平。

目前，在電子信息產(chǎn)業(yè)中，開關(guān)變換器已經(jīng)占據(jù)十分重要的地位，由于其體積小、效能高，廣泛存在于人類社會生產(chǎn)生活中絕大多數(shù)的電子設(shè)備中，備受青睞。目前市場占有率很高的開關(guān)變換器均以有著固定的電路結(jié)構(gòu)及相應的電力電子元件，例如100 kHz變換器是采用雙極性晶體管制造，500 kHz 變換器是采用MOSFET 制造，但其頻率都還有待提升。變換器在開關(guān)過程中，會產(chǎn)生開關(guān)損耗，而開關(guān)頻率越高，損耗就會越高，需要想辦法降低開關(guān)損耗。當前最直接的方法是選用高速開關(guān)元器件。在高速開關(guān)元器件中，通過設(shè)置R–C 或L–C 緩沖器，可以防止電壓浪涌；采用非晶態(tài)等磁芯制成的磁緩沖器，可以防止由二極管存儲電荷導致的電流浪涌。以上方法都可以降低開關(guān)損耗。當變換器頻率達到1 MHz 時，開關(guān)變換器多采用諧振式開關(guān)，利用諧振電路降低開關(guān)損耗，控制浪涌現(xiàn)象發(fā)生，使開關(guān)上的電壓電流呈正弦波分布。

開關(guān)變換器有很多優(yōu)點，其中，穩(wěn)壓范圍寬是生產(chǎn)中著重考慮的優(yōu)點，正因如此，其輸出電壓不會受到輸入電壓的影響。即在一定的范圍內(nèi)，即便輸入電壓發(fā)生波動，也可以將輸出電壓保持穩(wěn)定。效率高也是開關(guān)變換器具備的顯著優(yōu)點，其采用開關(guān)方式為負載提供能量，這樣能夠降低其發(fā)熱程度，大幅減少熱量損耗，對能量傳輸率的提高起到非常大的作用。開關(guān)變換器普遍具有更為簡單的結(jié)構(gòu)，這一特點使得其具有更高的集成度，從而便于在生產(chǎn)過程中減輕體積和減少重量。以上優(yōu)點使得開關(guān)變換器在電子設(shè)備中的應用十分廣泛。

因此，文章提出開關(guān)變換器的技術(shù)方案，以期滿足客車低壓控制模塊對直流電的需求。

4 高壓母線變換器技術(shù)方案

直接變換方案的電路結(jié)構(gòu)設(shè)計簡單、成本低，如圖1 所示。同時由于其過于簡單，可靠性差，出現(xiàn)故障后無法擴展使用，如果輸出功率發(fā)生改變，需要依據(jù)輸出的大小對系統(tǒng)的參數(shù)進行重新設(shè)計。

當輸入電壓和輸出電壓相差較大的話，僅采用單級轉(zhuǎn)換，會由于占空比特別小，導致系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率非常差，而且輸出穩(wěn)定度也比較差。因此會采用級聯(lián)的方式去進行電壓的變換，圖2 是一種多模塊級聯(lián)示意。

該結(jié)構(gòu)設(shè)置了兩級電壓轉(zhuǎn)換，而這兩級變換中通常會有一級轉(zhuǎn)換電路的功能是將過高的電壓轉(zhuǎn)換成一個相對較低的中間電壓值，令輸入電壓正比于輸出電壓，稱為高壓直流母線變換器。當前，經(jīng)常采用全橋PWM 控制的全橋諧振變換器這種類型的高壓直流母線變換器，靠變壓器的漏感來實現(xiàn)開關(guān)管的軟開關(guān)，提高變換器的效率。

圖3則是級聯(lián)中常采用的一種前級為直流變壓器，固定占空比工作，起隔離和電壓變換的作用，后級用來實現(xiàn)輸出穩(wěn)壓的變換方式；圖4 則與之相反。

4.1 全橋PWM變換器方案

常見的移相全橋電路拓撲如圖5 所示。其中，開關(guān)管Q1、Q3 起到超前橋臂功能，而開關(guān)管Q2、Q4 則作為滯后橋臂工作，在工作過程中開關(guān)管Q1 和Q3 占空比分別比Q4 和Q2 超前一個相位，超前相位或開關(guān)管的占空比的調(diào)節(jié)能對輸出電壓的功能進行調(diào)節(jié)。但是這種ZVS 開關(guān)管構(gòu)成的變換器也有很明顯的缺點：①在輕載時，輸出電流io 較小，電感能量較小，很難帶走滯后橋臂開關(guān)管寄生在電容上的電荷，導致滯后橋臂的ZVS 難以實現(xiàn)；②變壓器次級側(cè)采用的整流二極管存在反向恢復問題，會產(chǎn)生過高的電壓尖峰，會導致變換器的效率偏低。

4.2 全橋諧振變換器方案

將無源元器件進行串并聯(lián)以構(gòu)成諧振電路，可以使電流或電壓能夠周期性地過零，從而實現(xiàn)軟開關(guān)技術(shù)，且避免移相全橋變換器的缺點。目前，LLC 諧振變換器、LCC 諧振變換器、串聯(lián)諧振變換器及并聯(lián)諧振變換器均是諧振變換器的常見拓撲結(jié)構(gòu)。全橋LLC 諧振變換器主電路拓撲如圖6 所示。在全負載范圍能夠做到變壓器初級側(cè)的ZVS 及次級側(cè)的整流二極管ZCS，變換器的效率得到改善。

5 結(jié)束語

新型鐵路客車的機車上將25 kV 高壓電轉(zhuǎn)換為常采用DC 600 V 直流電，經(jīng)過傳輸電纜傳輸至各個客車車廂。客車車輛選擇高壓母線變換器的設(shè)計方案，以期實現(xiàn)高壓直流輸入轉(zhuǎn)低壓直流輸出。隨著技術(shù)的不斷革新，可在高壓母線變化器的設(shè)計方案中融入分布式結(jié)構(gòu)，并采用多塊標準化模塊的串聯(lián)、并聯(lián)及級聯(lián)等組合方式來實現(xiàn)變換器轉(zhuǎn)換。將標準化模塊輸入端和輸出端相互串聯(lián)或并聯(lián)使用。目前按照不同的組合類型劃分有4 種：當輸入輸出端電壓均要求較高，采用輸入串聯(lián)輸出串聯(lián)；當需求輸入電壓較高而輸出電流大時，采用輸入串聯(lián)輸出并聯(lián)；為了提高輸出電流能力，采用一種擴功率應用方式，即輸入并聯(lián)輸出并聯(lián)；輸入并聯(lián)輸出串聯(lián)，常用來作為輸出電壓高的場合使用，用來輸出高的電壓。綜合客車輸電的情況來看，需要變換器完成從高壓直流輸入變換為低壓大電流輸出，故選擇輸入串聯(lián)輸出并聯(lián)結(jié)構(gòu)或輸入并聯(lián)輸出并聯(lián)結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)電壓的轉(zhuǎn)換。

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基金項目： 鐵路客車車輛DC600V 輸入的開關(guān)變換器開發(fā)與研制（XTZY19G01）