基于高壓母線結構的鐵路客車開關變換器拓撲設計

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

［關鍵詞］開關電源；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

我國鐵路建設始于清朝末年，經過1 個多世紀的建設和發展，如今，鐵路已經成為國家重要的基礎設施，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，我國的鐵路事業飛速發展。據新華社2024 年1 月9 日報道，我國鐵路網的里程規模已經達到15 萬km，全國80% 以上的大城市被高速鐵路網覆蓋，自主研發的中國高鐵已經成為了“中國名片”。

2 現狀

鐵路接觸網提供25 kV 單相交流電，機車通過受電弓，從接觸網獲得電能，列車上裝備有供電裝置，經過降壓、濾波、整流等變化后，空調客車接收到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、電茶爐等交流用電設備外，再根據空調客車上的各類電器負載需求的不同，轉換為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，電路結構復雜，涉及設備多，增加了能量損耗。直流電的方向不隨著周期而發生變化，相對交流電而言，狀態恒定，對供電的穩定性起到很好的保障作用。在日常應用時，半導體器件內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。交流電經過整流濾波得到直流電，然后再經過直流穩壓變換器變換，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絡結構，降低了設備成本，也提升了電能的利用率，符合國家對于當前能源結構調整及新質生產力發展的大方向。

3 開關變換器的發展及趨勢

半導體器件的發展影響著開關變換器技術的發展，兩者互相呼應，相輔相成。在實際應用中，開關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，開關變換器的可靠性持續提高、抗干擾能力持續增強。開關變換器的輸出為直流電，當前國內外，開關變換器已實現模塊化，可以很快滿足生產需要，而特殊條件下使用的變換器還需不斷完善設計技術和工藝水平。

目前，在電子信息產業中，開關變換器已經占據十分重要的地位，由于其體積小、效能高，廣泛存在于人類社會生產生活中絕大多數的電子設備中，備受青睞。目前市場占有率很高的開關變換器均以有著固定的電路結構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。變換器在開關過程中，會產生開關損耗，而開關頻率越高，損耗就會越高，需要想辦法降低開關損耗。當前最直接的方法是選用高速開關元器件。在高速開關元器件中，通過設置R–C 或L–C 緩沖器，可以防止電壓浪涌；采用非晶態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損耗。當變換器頻率達到1 MHz 時，開關變換器多采用諧振式開關，利用諧振電路降低開關損耗，控制浪涌現象發生，使開關上的電壓電流呈正弦波分布。

開關變換器有很多優點，其中，穩壓范圍寬是生產中著重考慮的優點，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，即便輸入電壓發生波動，也可以將輸出電壓保持穩定。效率高也是開關變換器具備的顯著優點，其采用開關方式為負載提供能量，這樣能夠降低其發熱程度，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。開關變換器普遍具有更為簡單的結構，這一特點使得其具有更高的集成度，從而便于在生產過程中減輕體積和減少重量。以上優點使得開關變換器在電子設備中的應用十分廣泛。

因此，文章提出開關變換器的技術方案，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方案

直接變換方案的電路結構設計簡單、成本低，如圖1 所示。同時由于其過于簡單，可靠性差，出現故障后無法擴展使用，如果輸出功率發生改變，需要依據輸出的大小對系統的參數進行重新設計。

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

該結構設置了兩級電壓轉換，而這兩級變換中通常會有一級轉換電路的功能是將過高的電壓轉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開關管的軟開關，提高變換器的效率。

圖3則是級聯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，后級用來實現輸出穩壓的變換方式；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，開關管Q1、Q3 起到超前橋臂功能，而開關管Q2、Q4 則作為滯后橋臂工作，在工作過程中開關管Q1 和Q3 占空比分別比Q4 和Q2 超前一個相位，超前相位或開關管的占空比的調節能對輸出電壓的功能進行調節。但是這種ZVS 開關管構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管寄生在電容上的電荷，導致滯后橋臂的ZVS 難以實現；②變壓器次級側采用的整流二極管存在反向恢復問題，會產生過高的電壓尖峰，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以構成諧振電路，可以使電流或電壓能夠周期性地過零，從而實現軟開關技術，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、串聯諧振變換器及并聯諧振變換器均是諧振變換器的常見拓撲結構。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的ZVS 及次級側的整流二極管ZCS，變換器的效率得到改善。

5 結束語

新型鐵路客車的機車上將25 kV 高壓電轉換為常采用DC 600 V 直流電，經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計方案，以期實現高壓直流輸入轉低壓直流輸出。隨著技術的不斷革新，可在高壓母線變化器的設計方案中融入分布式結構，并采用多塊標準化模塊的串聯、并聯及級聯等組合方式來實現變換器轉換。將標準化模塊輸入端和輸出端相互串聯或并聯使用。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，采用輸入串聯輸出串聯；當需求輸入電壓較高而輸出電流大時，采用輸入串聯輸出并聯；為了提高輸出電流能力，采用一種擴功率應用方式，即輸入并聯輸出并聯；輸入并聯輸出串聯，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，故選擇輸入串聯輸出并聯結構或輸入并聯輸出并聯結構來實現電壓的轉換。

參考文獻

[1] 劉詩慧，陳凱，王嵩，等. 關于鐵路機電設備管理系統設計規范解讀[J]. 電氣化鐵道，2024，35（1）：90-93，100.

[2] 周志敏，紀愛華. 開關電源實用技術[M]. 電子工業出版社：2015.

[3] 王偉，李彬彬，宋昕哲，等. 三電平串聯諧振變換器內外管均壓方法[J]. 電力系統自動化，2024（6）：1-10.

[4] 岳舟，李浩天，廖辰星. 基于開關電容的高電壓增益DC/DC 變換器研究[J]. 電力電子技術，2023，57（5）：112-114.

[5] 段雙明，韓宇祺，李軍徽，等. 一種寬電壓混合橋雙向DC-DC 變換器[J]. 電源學報，2024（6）：1-12.

[6] 楊弋，戴瑜興，彭子舜，等. 基于GaN 器件的磁集成LLC 諧振變換器的優化設計[J]. 溫州大學學報（自然科學版），2024（6）：1-10.

[7] 吳傳平，周天念，周特軍，等. 高壓大容量儲能功率轉換系統的拓撲結構比較[J]. 電力自動化設備，2024，44（2）：26-33.

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