全桥移相软开关技术在导轨电车中的应用

引言

随着十三五规划的顺利推进，我国的城轨事业迎来的又一次发展机遇；同时随着环保、节能理念的深入人心，城轨列车同样需要与时俱进，不断采用新技术、新方法，才能满足新的客户需求。导轨电车凭借其自身优势，成为各大城市、旅游景区选择的热点。同时给导轨电车上储能设备充电的装置同样受到了关注，做为导轨车上的核心装备之一，更高效、功率密度更高的充电装置成为了一个重要的研究方向。为了进一步减小导轨车充电装置的体积与重量，同时提高效率，本文对全桥移相变换器做了一定研究。

1 硬开关技术及其局限性

在20世纪60年代发展和应用的PWM 功率变换技术就是一种硬开关技术。本文所谓的“硬开关”是指功率开关管器件导通或截止是发生在开关管上流过的电流或者ce 极电压不为零的时候；在这种情况下流过开关管的电流与开关期间两端的电压就会有一定的重合区域；这个重合的时刻就是损耗产生的根源（如图1所示）。如果发生在开关器件开通的时刻，该损耗就是开通损耗；如果发生在关断时刻该损耗就是关断损耗；如果开关器件由于开关损耗发生损坏的话，开关频率就与之直接相关。开关频率越高，相同时间产生的热量就越大，开关频率越低热量就越小[1-2]。

鉴于硬开关技术存在的弊端，发展软开关技术成为了开关变换技术的重要发展方向之一。在实现软开关的前提下，通过提高变换器的开关频率，可以极大地缩小变换器当中无源器件的体积与重量，与此同时变换器的功率密度得到了提高，如图2所示。

图1 硬开关示意图

图2 软开关示意图

2 全桥移相变换器工作原理

传统的全桥移相变换器其特点是开关频率固定，便于控制。

图3 为电路原理图

如图3，Vin 为输入直流电压。Q 为功率MOS 开关管，其体二极管为D，C 为开关器件的寄生电容。Lk是附加的谐振电感或者变压器漏感，变压器次变采用整流电路，再经过LC 滤波电路给负载提供能量。Ip为原边电流峰值。一个周期内可以分成六个运行模式，Qi 表示MOS 管，符号为Qi（i=1，2，3，4）传统的移相全桥-PWM 变换器中四个开关器件的导通次序依次是：

一是开关器件Q1 和开关器件Q4 同时导通时候，此时有能量从变压器原边传递到负载端。二是开关器件Q1 和开关器件Q4 关断的时候，变压器原边侧电流为变为零，通过整流侧续流为负载供电。三是Q2 和Q3 同时导通，从变压器原边传送能量给负载；四是Q2 和Q3 关断，整流侧续流。

全桥移相软ZVS 变换器其原理是利用变压器漏感Lk 或附加电感与与开关器件的寄生电容Ci 发生谐振，寄生电感或者漏感向开关器件的寄生电容Ci 释放能量的过程中,使得寄生电容Ci 的电压逐渐降低为零，此时寄生的二极管Di 导通，创造了Qi 的零电压开通条件。驱动信号与普通全桥移相方式相同，如图4所示。

图4 开关管的驱动信号

3 全桥移相ZVS变换器的优缺点

全桥移相ZVS 变换器的优点：

1）变换器工作在软开关模式下，开关器件热损耗少，有利于变换器开关频率提高。

2）控制容易实现。

全桥移相ZVS 变换器主要缺点是：

1）轻载条件下时，滞后桥臂的ZVS 实现起来有难度。

2）变压器原边存在环流，这就导致正常工况通态损耗较大。

4 试验结果

导轨电车输入网压为750 V，车载DC/DC 变换器分快速充电（120 A）与慢速充电(40 A）两种模式。试验波形如图5、图6所示；试验以4.1Ω 电阻代替蓄电池进行DC/DC 变换器的功能测试。从测试结果可以看出，各个测量位置的波形与前文分析一致，快速充电模式时输出电压能够稳定在490 V 左右，慢速充电模式时输出电压能够稳定在165 V 左右，证明恒流控制功能有效。录波仪通道定义如表1所示。

表1 录波仪通道定义表

图5 快充模式试验波形

图6 慢充模式试验波形

5 结语

本文分析了硬性开关与软开关的优缺点，并对硬开关式变换器与软开关变换器进行了比较，给出了两种电路相比的优缺点。详细分析了全桥移相ZVS变换器的工作过程，并以试验证明分析的正确性。