智能型充電機在高速動車組中的應用

陳 宏，張晉芳，牛 勇，劉革莉，張 丹，趙一潔

（永濟新時速電機電器有限責任公司 技術中心模塊研究所，陜西西安710016）

智能型充電機在高速動車組中的應用

陳 宏，張晉芳，牛 勇，劉革莉，張 丹，趙一潔

（永濟新時速電機電器有限責任公司 技術中心模塊研究所，陜西西安710016）

介紹了充電機的技術參數、電路結構及工作原理，分析了移相全橋ZVS變換器的工作原理及工作運行模式；并通過MATLAB模擬仿真對系統參數進行仿真驗證，最后，通過充電機聯調試驗站完成地面聯調試驗，驗證了充電機的各項性能指標達到設計要求。

動車組；充電機；移相全橋；零電壓開關；MATLAB仿真

作為高速動車組輔助直流供電環節的關鍵部件充電機，其質量、體積、性能指標、效率及安全性都是影響高速動車組性能的關鍵因素。隨著半導體技術、功率器件的驅動技術以及計算機技術的快速發展，并響應當前節能減排經濟發展策略方針，充電機將朝著模塊化、高頻小型化、智能化、高效化和高可靠性的方向發展。

1 智能型充電機介紹

高速動車組低壓直流電源是輔助供電系統的核心部件，其性能的好壞直接決定整個動車組的安全和可靠性。本智能型充電機用于CRH5型高速動車組列車，每個短編組列車安裝8臺，每臺功率15 k W，每列車的充電機采用冗余設計并聯供電，當其中某個充電機故障時，其他充電機可以繼續供電，保證整列動車組正常運行。

1.1 充電機的技術參數

額定輸入電壓 3相AC 400 V，50 Hz

額定輸出電壓 DC 24 V

最大輸出電流 570 A

額定輸出功率 15 k W

浮充電壓 DC 29.4 V

最大輸出紋波電壓 3.5 V

效率 ≥90%

采用的控制方式 移相零電壓開關（ZVS）技術

1.2 充電機的主電路和工作原理

充電機的主電路結構如圖1所示，輸入部分由三相EMI交流濾波器和三相整流模塊ZB組成；輸出部分由輸出濾波電感L1、L2，整流二極管VD1、VD2，濾波電容Cout以及電流保護熔斷器F1組成；ZVS軟開關功率變換電路由IGBT開關管T1～T4，并聯的續流二極管D1～D4，電容C1～C4，以及高頻變壓器TRCB組成；檢測控制部分由電源板、DSP控制板、輸入電壓檢測板、電流傳感器TA1、TA2和電壓傳感器TV以及溫度繼電器組成。

動車組輔助變流器輸出400 V/50 Hz三相交流電（R、S、T、N）為充電機提供電源，充電機經過三相EMI濾波器濾波后送給三相整流橋ZB，通過整流得到穩定的中間直流電，然后經過三路并聯的IGBT功率模塊單元逆變成高頻交流電，再經過高頻變壓器TRCB變比降壓，降壓后的交流電經過整流和濾波后輸出穩定的低紋波24 V直流。

圖1 充電機的主電路原理框圖

1.3 充電機的控制電路和工作原理

控制電路結構見圖2所示，充電機的核心控制芯片采用TI公司TMS320LF240F DSP控制器，其優點是采用3.3 V的供電電壓，控制器的功耗大大降低，同時采用高達40 MIPS的執行速度使指令運行周期縮短到25 ns，從而大大提高系統的實時控制，此外DSP還具有精度高、調試靈活等特點。

圖2 充電機的控制電路原理框圖

邏輯控制采用4片CPLD邏輯門陣列芯片EMP7032，采用VHDL硬件描述語言進行軟件編程，克服了硬件邏輯門設計周期長、更改困難、設計成本高的缺點。

主電路工作過程中的各種數字、模擬信號（如接觸器、斷路器及輸入輸出電流、電壓等）經過采樣電路處理后送給核心控制芯片DSP2407處理器，DSP處理器將送入信號處理后，與軟件中設定的數值和邏輯真假進行比較，判斷各種過程量是否正常。根據比較結果，一方面DSP控制器將狀態信號發送給列車控制系統，同時將工作控制信號指令發送給各個執行電氣部件單元；另一方面，完成零電壓（ZVS）移相全橋控制。

具有完善的人機界面功能。通過PC機連接仿真器，連接DSP控制板的JTAG口，可以方便、快捷地完成軟件程序的寫入和調試；通過串行口完成充電機軟件配置表的寫入和運行中記錄參數的調?。荒軌驅⑦^程變量的實時數據和故障信息方便地顯示在列車司機室的顯示屏上，使司乘人員隨時掌握充電機的運行狀態。

1.4 充電機的控制策略

充電機通過設計合理的全橋變換電路，充分應用諧振電路原理和精確的移相控制算法，使功率開關管IGBT在集電極和發射極電壓為零時開通，使開關管損耗為零，即采用移相式電壓零開關（ZVS）控制技術，實現充電機在高頻、高效率、高可靠狀態下運行。

1.5 蓄電池的充電策略

充電機根據動車組蓄電池的電量所剩百分比確定充電模式?？偟某潆姴呗詾橄群懔髟俸銐?，恒流模式時充電電流限制在92 A，恒壓模式時充電電壓為29.4 V（20℃）。

充電機具有溫度補償功能，輸出電壓根據蓄電池的溫度變化情況，按照軟件設定的補償曲線進行補償，在0℃～＋50℃溫度范圍內補償，溫度每升高1℃，充電電壓就降低60 m V，超出溫度0℃～＋50℃范圍，充電電壓為常數27.6 V，具體見圖3所示。

圖3 充電機的溫度補償曲線

2 移相控制全橋FB ZVS-PWM技術

中、大功率的DC/DC直流變換器高頻化的理想拓撲之一是采用移相全橋控制ZVS軟開關PWM變換器，它能夠實現開關管的軟開關和恒壓恒頻控制功能，是目前功率變換技術的發展方向。

移相式FB ZVS-PWM變換器的工作原理是諧振電路包括變壓器的漏感和開關管的輸出電容，儲存在漏感中能量向電容釋放，電容電壓逐步下降直到零，反并聯在開關管的二極管導通，為開關管的ZVS開通創造了條件。只要調節占空比D，就能方便實現調節控制。采用移相軟開關控制技術，橋臂的上下開關管T1、T2和T3、T4，發給同一橋臂的驅動脈沖信號相差一定的相位，調節這個相位差，就可以改變一組驅動脈沖的相位，調節占空比，輸出電壓得以調整［1］。

圖4 FB ZVS-PWM變換器基本時序波形

下面結合圖4對FB ZVS-PWM變換器的運行模式進行簡單分析。在運行模式分析過程中，IGBT等功率管忽略正向壓降、自身固有開關延遲時間、輸出電容相同；同時忽略高頻變壓器繞組和線饒電阻，因而將所有器件均設定為理想狀態。

充電機的一個工作周期分為：［t0＜t＜t1］、［t1≤t＜t3］、［t3≤t＜t4］、［t4≤t＜t5］、［t5≤t＜t7］、［t≥t7］六個階段。

（1）［t0＜t＜t1］變壓器原邊電流在正半周時的功率輸出模式

入選標準：（1）患者均自愿加入本次試驗；（2）患者均無抵觸情緒；（3）患者均無嚴重肝腎功能不全現象；（4）患者均能夠完整表達自我感受。

IGBT開關管T1、T4開通，T2、T3關斷，D2、D3以及副邊整流二極管DCB2均處于反偏狀態。

（2）［t1≤t＜t3］右橋臂轉換模式

t1時刻，T4關斷；回路中存在漏感，電流不能突變，原邊的電流通過電容C5，流向C3和C4，C4開始充電，C3開始放電直到電壓降到零時，D3開始導通，T3兩端的電壓為零，T3滿足ZVS的開通條件。

t2時刻，T3開通，t2＜t＜t3T1和T3開通形成回路，完成右橋臂轉換。

（3）［t3≤t＜t4］左橋臂轉換模式

t3時刻，T1關斷，諧振電容變為C1和C2，C1開始充電，C2開始放電直到電壓降到零時，D2開始導通，T2兩端的電壓為零，T2滿足ZVS的開通條件。

（4）［t4≤t＜t5］原邊電流負半周功率輸出模式

（5）［t5≤t＜t7］右橋臂轉換模式

t5時刻，T3關斷，諧振電容為C3和C4。C3開始充電，C4開始放電直到電壓降到零時，D4開始導通，T4兩端的電壓為零，T4滿足ZVS開通條件。

t6時刻，T4開通，t6＜t＜t7此時T2和T4開通形成回路，電流應該保持恒定。

（6）［t≥t7］左橋臂轉換模式

t7時刻，T2關斷，諧振電容變為C1和C2，C2開始充電，C1開始放電直到電壓降到零時，D1開始導通，T1兩端的電壓為零，T1滿足ZVS的開通條件。

等下一時刻，T1開通，開關管T1和T4導通，T2和T3關斷，與［t0＜t＜t1］相同，完成了一個開關周期內的FB ZVS-PWM變換。

3 充電機Matlab仿真

3.1 建立仿真模型

高速動車組用智能型充電機是一個較為復雜的閉環調節系統，為了對ZVS充電機的工作原理和技術特性能夠充分理解，同時為了驗證系統主回路參數選擇的正確性，利用MATLAB/Simulink仿真軟件對移相全橋零電壓充電機進行仿真建模，并對仿真結果進行分析（圖5）。

圖5 ZVS充電機仿真模型

3.2 仿真結果

ZVS全橋變換電路的驅動脈沖波形如圖6所示，驅動脈沖依次為T1、T2、T3、T4，同一橋臂T1和T2，T3和T4脈沖反向，并存在一定的死區時間，防止上下橋臂貫通；驅動脈沖T1和T4，T2和T3同相，同時又存在一定的相位差，通過調節這個相位差，一組驅動脈沖的相位得以改變，調整脈沖的占空比，調整輸出電壓，這樣就實現了充電機的移相全橋零電壓軟開關控制。

高頻變壓器的原邊電壓和電流波形如圖7所示，在一個周期內，變壓器原邊經歷了電流正半周的功率輸出、兩端電壓為零（短路）、電流負半周的功率輸出、兩端電壓為零（短路）、電流正半周的功率輸出5個階段。

充電機的輸出電壓波形如圖8所示，從圖8波形可以看出系統響應迅速，調節特性好，輸出電壓波形很平穩，幾乎沒有紋波電壓，很干凈。

4 充電機試驗

4.1 聯調試驗站的搭建

為了驗證充電機主電路參數和系統仿真參數的合理性、正確性，并依據充電機需要完成的試驗項目，搭建了充電機系統聯調試驗站，該試驗站由試驗電源、控制系統、試驗負載以及波形記錄裝置組成。具體如圖9所示。

圖6 驅動脈沖

圖7 高頻變壓器原邊電流和電壓波形

圖8 輸出電壓波形

4.2 試驗波形

為了防止同一橋的上下管直通，控制系統保證其控制脈沖相反，并存在一定的死區時間（大約2μs），這樣就杜絕了發生橋臂貫穿，保證開關管的可靠開通與關斷，波形如圖10所示。

圖10 同一橋臂上下管脈沖波形

圖11 變壓器原邊流過的電流波形

充電機全橋功率變換電路中高頻變壓器原邊流過的電流波形如圖11所示。

充電機輸出電壓波形如圖12所示。

圖12 充電機的輸出電壓波形

當全橋變換電路中IGBT開關管CE兩端間的電壓過零時（開關管開通和關斷），滿足了ZVS零電壓開通的條件，并能夠順利完成ZVS軟開關變換。試驗結果證明該智能型充電機實現了零電壓軟開關控制，并且輸出的24 V直流電壓波形比較平穩，紋波電壓較小，最大輸出紋波電壓Vpp小于2.5 V，未出現波形振蕩，能夠滿足產品設計要求。

5 結束語

介紹了智能型充電機的性能參數、工作原理以及充電策略；詳細地說明了移相式FB ZVS-PWM變換器的工作原理和基本邏輯時序分析；采用Simulink進行建模和仿真；通過聯調試驗站完成例行和型式試驗，完成對產品設計的驗證。試驗結果證明，實際輸出波形與仿真波形基本一致；在各種負載工況下，充電機能夠安全可靠地實現ZVS軟開關技術，能夠滿足高速動車組低壓供電系統直流電源的設計要求。

［1］ 孫筱琳.50V/50A移相全橋ZVS DC/DC變換器的設計［D］.哈爾濱：哈爾濱理工大學，2008.

［2］ 楊 旭，裴云慶，王兆安.開關電源技術［M］.北京：機械工業出版社，2002.

［3］ 張占松，蔡宣三.開關電源的原理與設計［M］.北京：電子工業出版社，2002.

［4］ 張雄偉，陳 亮，徐光輝.DSP芯片原理與開發應用［M］.北京：電子工業出版社，2003.

Application of Intelligent Battery Charger in High Speed EMU

CHEN Hong，ZHANG Jinfang，NIU Yong，LIU Geli，ZH ANG Dan，ZH AO Yijie
（Power Modules Institute of R＆D Center，CNR Yongji Xinshisu Electric Equipment Co.，Ltd.，Xi＇an 710016 Shaanxi，China）

This paper introduces the technical parameters，circuit topology and theory of the battery charge，analyzes the theory and operation mode of phase－shift full bridge ZVS converter，and makes simulation with MATLAB software.Finally，the function test in the battery charge test station is finished，which shows all the performance can satisfy the design requirements.

EMU；battery charge；phase-shifted full bridge；zero voltage switch；MATLAB simulation

U266.2

A

10.3969/j.issn.1008－7842.2014.04.13

1008－7842（2014）04－0058－05

?）男，高級工程師（

2013－12－18）