一種地鐵車輛輔助電源用升壓斬波電路設計

王文輝，宋 兵，彭 莎

(1.深圳地鐵運營集團有限公司，廣東 深圳 518400 ；2.中車長春軌道客車股份有限公司，吉林 長春130113；3.深圳市英威騰交通技術有限公司，廣東 深圳 518108 )

隨著我國軌道交通的快速發展，輔助電源逐漸朝著高性能、高效率和高功率密度變流器發展，因此為滿足高頻化要求[1-2]，為地鐵車輛研制了135 kW高頻輔助電源系統，如圖1所示。

圖1 地鐵車輛用135 kW高頻輔助電源系統框圖

將輸入變化的DC 1 000～2 000 V電源通過直流-直流變換器(DC/DC)單元轉化為穩定的DC 640 V直流電，然后供后級逆變單元和充電機單元變換輸出三相AC 380 V/50 Hz、單相AC 220 V/50 Hz和DC 110 V電源，為地鐵列車交流和直流負載供電[3-4]。

由于輸入電壓等級高、變化范圍寬和額定功率大，普通的斬波電路對開關器件的電壓電流等級要求高，低頻導致磁性器件質量和體積大。因此為最大化提高功率密度和工作頻率，DC/DC單元采用圖2所示的輸入串聯、輸出并聯的“升壓變換器+諧振變換器(Boost+LLC)”兩級結構，其中，Boost電路可滿足寬范圍電壓輸入及穩壓，LLC電路實現調壓與隔離[5-7]。本文中所述的是一種新型的升壓斬波電路，交錯輸入串聯Boost變換器不僅可大幅減小升壓電感量和電壓電流應力，且與后級LLC配合具有自然均壓的特性。

圖2 基于“Boost+LLC”兩級結構的DC/DC單元原理圖

1 升壓斬波電路設計

1.1 交錯輸入串聯Boost變換器

交錯輸入串聯Boost變換器的原理圖如圖3所示，該拓撲由2個Boost變換器組合而成，這2個Boost變換器的電路參數一致，L1、L2為升壓電感，C1和C2為輸出支撐電容，且令電容值C1=C2=C。開關管V1、V2(V3、V4)并聯,作為Boost變換器開關管可提高帶載能力并減小電流應力。本設計的升壓斬波電路采用輸入串聯方式，上下2個Boost變換器交錯串聯，相位錯開180°。串聯后的單個Boost變換器的輸入額定電壓相當于整個拓撲輸入電壓的一半，可減小電壓應力。

Uin.輸入電壓；UC1.電容C1電壓；UC2.電容C2電壓。圖3 交錯輸入串聯Boost變換器的原理圖

1.2 工作模態

為便于分析，令L1=L2=L/2(L為系統升壓電感)，UC1=UC2=UC，f為開關頻率，d為占空比。

當輸入串聯的2個Boost變換器開關管采用交錯控制時，有d<0.5和d≥0.5 2種工況[2]，這2種工況下的工作模態有所不同，波形圖如圖4所示。

IL.電感電流；UL.電感電壓。圖4 輸入串聯Boost變換器波形圖

1.2.1 工況1(d<0.5)

d<0.5時，具有4種工作模態。

(1) 工作模態1： V1、V2下管導通，V3、V4下管關斷(t0～t1)。

V1、V2上管二極管截止，Boost變換器1的輸出電容向負載放電，V3、V4上管二極管導通，升壓電感儲存能量，Boost變換器2的輸出電容充電，每個升壓電感上的電壓為(2Uin-UC2)/2，電感電流線性上升，增加量為：

(1)

(2) 工作模態2：V1、V2下管關斷、V3、V4下管關斷(t1～t2)。

V1～V4上管二極管都導通，升壓電感釋放能量，2個Boost變換器的輸出電容充電，加在每個升壓電感上的電壓為(2Uin-UC1-UC2)/2，電感電流線性減少，減少量為：

(2)

(3) 工作模態3：V1、V2下管關斷、V3、V4下管導通(t2～t3)。

V1、V2上管二極管導通，V2、V3上管二極管截止，升壓電感儲能，Boost變換器1的輸出電容充電，Boost變換器2的輸出電容放電，加在每個升壓電感上的電壓為(2Uin-UC1)/2，電感電流線性上升，增加量為：

(3)

(4) 工作模態4：V1、V2下管關斷，V3、V4下管關斷(t3～t4)。

同工作模態2，V1～V4上管的二極管都導通，升壓電感釋放能量，2個Boost變換器的輸出電容充電，加在每個升壓電感上的電壓為(2Uin-UC1-UC2)/2，電感電流線性減少，減少量為：

(4)

在電路穩態工作時，電感電流的增加量與減少量相等，則：

(5)

可得電壓增益為：

(6)

1.2.2 工況2(d≥0.5)

d≥0.5時，4種工作模態與上文所述相同，此處不再贅述。同理可得，d≥0.5時的電壓增益為：

綜上，可知交錯串聯Boost變換器的輸入、輸出電壓增益在d<0.5和d≥0.5時均一致。

根據上述分析，獲得串聯Boost變換器電感和電容充放電狀態，如表1和表2所示，表中Boost變換器開關管狀態“1”表示IGBT導通，“0”表示IGBT關斷。

表1 串聯Boost變換器電感和電容充放電狀態(d<0.5)

表2 串聯Boost變換器電感和電容充放電狀態(d≥0.5)

2 變換器特性分析

2.1 電流脈動分析

在采用交錯控制時，有d<0.5和d≥0.5 2種工況[8]。

d<0.5時，將式(6)代入式(1)，由于本系統輸出電壓UC恒定，因此用UC計算交錯串聯Boost變換器的升壓電感電流脈動值，可得：

(7)

d≥0.5時，將式(6)代入下式，用UC計算交錯串聯Boost變換器的升壓電感電流脈動值為：

(8)

未采用交錯控制的普通Boost變換器的升壓電感電流脈動值，用UC可表示為：

(9)

d=0.5時，式(9)的最大值為：

(10)

以式(10)為基準，d<0.5和d≥0.5時，交錯串聯Boost變換器的升壓電感電流脈動標幺值為：

(11)

(12)

綜上，交錯輸入串聯Boost變換器交錯控制時，升壓電感電流脈動標幺值為：

(13)

而未采用交錯控制方式時Boost變換器升壓電感電流脈動標幺值為：

(14)

由式(13)和式(14)計算可得，采用交錯控制時的升壓電感電流脈動標幺值最大為0.25，是未采用交錯控制時的1/4。也就是說，在開關頻率相同情況下，若保持升壓電感電流脈動值相同，采用交錯控制時輸入升壓電感量可以減少到原來的1/4，電感體積和質量將大大減小。

2.2 升壓電感分析

交錯串聯的Boost變換器主要技術參數見表3。

令2個升壓電感的電感量均為L1=L2=L/2。

綜合式(7)和式(8)，交錯串聯Boost變換器的升壓電感電流脈動值ΔIL滿足：

(15)

式中：Ts——開關周期，Ts=1/f。

(16)

式中：Po——功率。

由式(15)、式(16)可得升壓電感量表達式：

(17)

當Boost變換器輸出電壓UC恒定時，由式(17)可作出升壓電感量L與占空比d變化時的曲線圖，如圖5所示。

圖5 滿足20%脈動率的L與d的關系

由圖5可知，升壓電感值需滿足L≥2.156 mH，即L1=L2=L/2≥1.1 mH，實際留有一定的裕量，定制電感L1=L2=1.27 mH的電抗器。

2.3 自然均勻特性

由圖2可知，本文中的DC/DC單元由2個完全一樣的“Boost+LLC”兩級結構輸入串聯、輸出并聯組成。

由于上單元的LLC1和下單元的LLC2輸出并聯，即：

UC1=UC2

(18)

又由于上單元的Boost1和下單元的Boost2輸入側串聯，即輸入電流：

iin1=iin2

(19)

若上下2個Boost變換器的占空比均為d，則輸出電流為：

io_boost1=(1-d)iin1=(1-d)iin2=io_boost2

(20)

Boost1和Boost2的輸出功率為：

Po_boost1=UC1io_boost1

(21)

Po_boost2=UC2io_boost2

(22)

由式(18)和式(20)可知：

Po_boost1=Po_boost2

(23)

根據功率守恒可知：

Po_boost1=Uin1iin1

(24)

Po_boost2=Uin2iin2

(25)

式中：Uin1、Uin2——分別為Boost1和Boost2的輸入電壓。

因此，由式(23)～式(25)可得：

Uin1=Uin2

(26)

綜上，2個模塊實現了自動均壓特性[9-10]。

3 仿真和試驗

3.1 Simulink仿真

為驗證上述分析和關鍵參數計算的正確性，在Simulink中，搭建輸入串聯、輸出并聯的“Boost+LLC”兩級結構的DC/DC單元仿真電路，主要仿真參數與表3中一致，每個升壓電感值為1.27 mH。交錯串聯和非交錯串聯Boost變換器仿真波形見圖6。

由圖6可知，采用交錯串聯時，升壓電感電流紋波頻率為開關頻率的2倍，紋波值明顯小于非交錯串聯時的值，符合理論分析。

圖6 交錯與非交錯串聯Boost變換器仿真波形

圖7、圖8分別為負載發生突變時的仿真波形和輸入電壓發生變化時的仿真波形。由圖7和圖8可知，在負載發生突變和輸入電壓發生變化時，輸入串聯Boost變換器輸出的兩路DC 1 100 V電壓在無均壓控制環的情況下保持自然均勻特性。

圖7 負載發生突變時的仿真波形

圖8 輸入電壓發生變化時的仿真波形

3.2 試驗驗證

最后在研制的135 kW地鐵高頻輔助電源平臺進行試驗驗證。圖9為同負載的交錯和非交錯串聯Boost變換器的升壓電感電流試驗波形。

圖9 同負載的交錯和非交錯串聯Boost變換器的升壓電感電流試驗波形

由圖9可以看出，采用交錯控制時的紋波頻率是非交錯的2倍，電流紋波峰值是非交錯時的約1/4，與分析一致。圖10、圖11為負載發生突變和輸入電壓發生變化時的試驗波形。

由圖10和圖11可知，在負載突投、突切和滿載135 kW網壓突變試驗中，交錯串聯Boost變換器輸出的2路DC 1 100 V電壓變化一致，保持自然均壓的特性，與分析及仿真結果基本一致。

圖10 負載發生突變時的試驗波形

圖11 輸入電壓發生變化時的試驗波形

4 結束語

本文介紹了一種基于交錯控制輸入串聯Boost變換器的輔助電源設計方案，減少了開關管的電壓電流應力，減小了磁性器件的體積質量，降低了電感電流紋波，有利于實現輔助電源高頻化、輕量化要求。同時采用輸入串聯、輸出并聯的結構可實現寬范圍輸入電壓并保證了交錯串聯Boost電路保持自然均壓的特性，最后通過仿真和試驗驗證了理論分析的正確性。