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铁路客车DC／DC电源主电路的设计与分析
引言
受拓扑结构和开关损耗的影响，半桥硬开关电路的重量、体积、噪声及功率等级等技术指标在一定程度上受到限制，因此中大功率开关电源的主电路基本都采用全桥电路结构¨1。铁路客车电源主电路一般选用IGBT作为其功率开关器件，由于IGBT存在拖尾电流，而ZVZCS PWM 变换电路较其他全桥软开关电路具有结构简单、回路损耗小且变压器一次侧电压占空比不易丢失等优点。因此在设计新一代铁路客车用DC／DC电源时，采用ZVZCS(零电压零电流开关)PWM变换电路作为其主拓扑。
1 主电路原理
图1示出滞后臂串联二极管的ZVZCS PWM变换器电路拓扑图。
ZVZCS PWM变换器基本工作过程分为6种模式如图2所示。图中V1~V4为开关管Q1～Q4 的驱动电压，ip为变压器一次侧电流，vcb 为隔直电容Cb上的电压。
2 主电路参数计算与关键器件选型分析
2．1 主要参数
新型铁路客车DC／DC电源的技术要求如下：
输入标称电压:DC 600V
输入过压／欠压保护值:DC 700 V／DC 450 V
输出电压:DC(120±5)v
输出限流保护值: 70A
输出电压纹波峰一峰值: <2V
开关频率: 18 kHz
额定输出功率: 8 kW
本文设计的DC／DC电源以ZVZCS PWM变换电路为主电路，而高频隔离变压器的变比与漏感是ZVZCS电路中2个重要的参数。DC／DC电源直流母线最低时，输出电压最大，超前桥臂和滞后桥臂T作在二次侧，占空比取最大值。式 (1)和式(2)分别示出输出电压(Vo+△V )和变压器变比(n)的计算公式。经计算可知，该电路高频隔离变压器，n=3：1：1。取变比为一、二次侧匝比(Np:Ns1:Ns2) =18：6：6，其中Np为一次侧匝数，Ns1。和Ns2 为二次侧匝数)，即能满足电路输出要求。
在ZVZCS电路中，高频隔离变压器漏感(Llk )决定了滞后桥臂相对于超前桥臂关断的最短延迟时间(式(3))。为了使滞后臂电流开通更接近ZCS，Llk． 在允许范围内应尽可能取大值。
2．2 关键器件选型
2．2．1 谐振电容
该DC／DC电源开关器件选用英飞凌1 200 V／100 A规格双管IGBT模块。根据产品手册可知，其拖尾时间Ttail=400 ns，考虑留有一定裕量，Q1和Q3 间的最短死区时间取3Ttail。 谐振电容容量计算如下：
考虑电流和ESR(等效串联电阻)因素，谐振电容可以采用2个1 200 V／10 nF规格薄膜电容器并联。
2．2．2 隔直电容
采用隔直电容在一定程度上可防止高频变压器偏磁，但会产生一定的压降和功率损耗，所以需计算其容量大小，以提高变换器效率，优化设计。
一次侧电流ip流过隔直电容，对其进行充放电。考虑纹波的影响，隔直电容的峰值电压为最高输入电压的15％，即Vcbp=0.15Vinmax，因ip=io／n，则有：
根据计算可知，Cb=2．53μF。考虑电流因素的影响，可选用3个1 200 V／1μF规格薄膜电容器并联。
2．2．3 输出LC滤波器
DC／DC电源逆变环节输出方波电压，其谐波成分较高。为使整流后输出电压纹波峰一峰值不超标，输出需经LC滤波处理。
确定输出滤波电感参数后，所对应的电感电流波动值亦可确定 住高频滤波电路中，电容的容量主要受ESR影响。对于铝电解电容器，ESR与容量之间的近似关系 如式(8)所示。在高频状态下，铝电解电容器的容量会变得很小，为充分滤除电感的波动电流，工程选型时，电容器的容量将数倍于理论计算值。
2．3 l GBT热计算
所选用的IGBT模块由2个IGBT(含寄生续流二极管)组成。IGBT损耗包括开关损耗和导通损耗。由于4个开关管分别实现了ZVZCS，IGBT开关损耗可以近似忽略，因此单个IGBT元件的平均损耗为：
超前桥臂使用一个IGBT模块(Q1，和Q3 )，m于其寄生续流二极管实现了自然关断，因此可忽略二极管恢复损耗；滞后桥臂使用另一个IGBT模块(Q2和Q4 )，由于阻断二极管(D2，和D4 )的存在，其寄生续流二极管-一直处于截止状态，故2个IGBT模块的总损耗为：
2．3．2 IGBT模块温度计算
超前桥臂IGBT模块的最高T作结温为：
选择功率器件时应满足热计算要求。实际T作中，受IGBT拖尾电流和谐振电容ESR的影响，超前臂不能完全实现软关断；同时由于变压器漏感、隔直电容和输入电压源三者构成了一个二阶零状态响应电路，滞后臂开通时的电流也将稍大于零。因此，IGBT实际散热将稍大于上述理论计算结果。
3 仿真分析
对所设计DC／DC电源的主电路参数进行Simulink建模仿真分析（图3)，采用离散ode23tb(stif／TR．BDF2)算法，步长设为100 ns。
3．1 软开关特性仿真
超前臂IGBT开通时，依靠并联谐振电容器使开关管两端电压保持为零，从而实现ZVS开通。图4示出超前桥臂零电压(ZVS)驱动电压VGE和输出电压VCE的仿真波形。可以看出，超前臂IGBT实现了ZVS开关。
图5示出滞后桥臂IGBT输出电压VGE 和输出电流IC的波形。可以看出，滞后臂开关管很好地实现了零电流关断(ZCS)o以图2中Q4为例进行分析，当Q3，和Q4 同时导通后Cb电压加到了变压器漏感Llk上，使IGBT上电流逐渐减小为零，同时由于阻断二极管D4的存在，使开关管电流不能反向而保持为零；由于Llk 的存在，IGBT开通时开关管电流也将保持在零位。
3．2 输出特性仿真
图7示出滤波电感电流ilf滤波电容电流icf及电路输出电流io。波形。可以看出，电路输出电流的波动值小于0．4A，电流纹波系数不超过0．5％。
图8示出输出电压uo。的波形。满载运行时，DC／DC电源输出电压稳定在DC 120 V，电压纹波峰．峰值不超过1 V，电压纹波系数不超过0．5％，远小于铁标要求(5％）。
4 实验
根据理论分析和仿真结果，并结合铁路客车DC／DC电源的技术要求，研制了一 台工程样机。
4．1 样机软开关特性
图9(a)示出样机电路超前桥臂软开关波形，IGBT开关驱动瞬间，其CE极间电压(VCE )为零，超前臂IGBT实现了ZVS开关。图9(b)示出样机电路滞后桥臂的软开关波形，图中变压器一次侧电流i 波形(对称交流波形)与滞后桥臂IGBT的VCE波形的零点已重叠。二者对比可知，在开关时刻，流经滞后臂IGBT的电流为零，可见滞后桥臂实现了ZCS开关。
将实验波形与仿真结果进行对比，发现二者基本一致，验证了理论分析的正确性。
4． 2 样机工作效率
图10示出样机工作效率曲线。DC 600 V额定电压输入、带不同负载工作时的效率曲线如图10(a)所示；满负载、不同输入电压时的效率曲线如图10(b)所示。可以看出，额定电压输入、带满负载时，工作效率大约为93％。
5 结语
本文利用一种滞后臂串联二极管的ZVZCS电路对铁路客车DC／DC电源拓扑进行设计及分析，计算了主电路的主要参数，并通过仿真和样机实验对理论分析结果进行验证。结果表明，所设计的电路各项指标良好．能够实现零电压零电流开关，完全能够满足新一代铁路客车DC／DC电源的要求，为同类产品的设计提供了实践依据。
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