雷磊 封阿明 陶正华 王晓
（国电南瑞科技股份有限公司 江苏南京 211106）
摘要：Buck变换器是储能式现代有轨电车地面充电装的核心功率部件，与传统的两电平Buck变换器相比，飞跨电容型三电平Buck电路具有电压应力小、等效频率高、输出滤波容量小的优点。因此，特别针对轨道交通中1500V的高输入电压条件下，应用飞跨电容型三电Buck具有相当的优势。然而飞跨电容在电路启动前需充电至输入电压的一半，否则功率管将面临过压的风险。该文分析提出一种无源型预充电网络，详细给出了功率管电压、飞跨电容电压及输出电压三者的关系，在Matlab/Simulink平台上搭建仿真模型，验证预充电网络的控制方式，表明了该预充电电路的有效性。
关键词：有轨电车；三电平变换器；飞跨电容；无源预充电网络
引言
作为新兴的中等运量轨道交通系统，有轨电车具有广泛的适用性，目前也越来越多的应用到现代交通网系统中。针对轨道交通中直流1500V的高电压条件下，采用传统的两电平变换器需选用耐压在3300V以上的开关器件，存在诸如开关频率低、输出滤波电感体积大、输出纹波电流大等缺点。而采用飞跨电容三电平Buck变换器，可以选用耐压器件更低的IGBT（如耐压1700V）作为主功率变换开关管，但由于主回路中存在4只开关管与飞跨电容相互耦合，相应开关管的两端电压、预充电时间以及飞跨电容上电压关系复杂。
本文介绍了一种有轨电车三电平Buck变换器的预充电电路以及其应用于充电系统中无源电阻网络的参数设计方法，并运用Matlab/Simulink从对预充电的控制方式进行了有效验证。在满足预充电时间的同时保证开关器件工作在安全工作区间内。
1 工作原理
1.1预充电阶段分析
如图1所示为飞跨电容式三电平Buck变换器的拓扑结构，其中Vin为城轨牵引网电压，Ch为高压侧支撑电容，Cfly为飞跨电容，Cl为输出滤波电容，Lf为滤波电感，Qs为输入晶闸管，Q1~Q4为4只IGBT开关管，Rs为预充电电阻，Rh为高压侧电容放电电阻，R1~R4分别为并接在开关管上的缓冲电阻。
图1 飞跨电容三电平Buck变换器的拓扑结构
通过合理设置并联在开关管Q1~Q4上的缓冲电阻，可以将飞跨电容上电压的预充电至输入电压的一半；否则，当Qs闭合后，由于飞跨电容Cfly近似为短路，Q1将承受输入电压，不能发挥降低开关管耐压应力的作用。
（1）预充电动态阶段1
在预充电阶段1，Qs关断，打开开关管Q1，三电平功率网络通过Rs分别给高压侧电容Ch、飞跨电容Cfly和低压侧电容Cl充电，其中Q3管反并联二极管正向导通，Q2和Q4承担输入电压耐压，需合理设置R2与R4的比例关系。
（2）预充电阶段2
当输出电容电压C1高于二极管D4两端电压时，二极管D3截止。
（3）预充电阶段3
检测飞跨电容Cfly两端的实时电压，当Vcf=1/2Vin时，关断Q1，此时由于Cfly的分压作用，Q1两端仅需承受一半的输入电压，其预充电由于电阻分压网络趋于平均，电路中的电容电压不再变化，预充电阶段完成。
1.2 预充电参数优化
根据1.1节的分析，为实现飞跨电压预充电的目的，一般Rs的电阻将远小于缓冲电阻R1~R4，从而高压侧电压Vch接近输入电压。
为满足飞跨电容电压达到输入电压一半的目的，实现Q1关断后的静态工作或在系统带载运行过程中的稳态工作条件下，飞跨电容电压保持动态均衡，需要满足条件
预充电结束后，输出电压显然不为零，因此，预充电后的输出Vc1不应高于额定输出电压Vo_min，需要满足条件
取最低输出电压
为使预充电时间更短，当缓冲电阻R1~R4的阻值一定时，Rs的选择应该更小；但会提高器件的电压应力。从设备使用考虑，飞跨电容电压充电时间需满足在10min以内
其中RS相对于R4而言很小，因此上式可以近似为
综上所述，欲使飞跨电容两端电压在预充电结束后达到输入电压的一半，可以选择优化的缓冲电阻阻值电阻如下：
因此，针对飞跨电容三电平Buck变换器的预充电网络而言，其参数选择是一个多因素耦合的结果，其中飞跨电容的容值可以通过纹波电流的要求来确认，而电阻网络的确认需要根据充电时间、开关管的管压降和输出电压允许值等多方面进行优化比较。
2 试验结果
为了进一步验证飞跨电容三电平Buck变换器预充电电路的工作原理，在Matlab/Simulink平台上搭建仿真网络，完成了飞跨电容预充电测试实验，具体测试参数为输入电压1500V，输出电压900V，飞跨电容容值2520μF，输出电容840μF，Rs阻值3kΩ，Rh阻值30 kΩ，R1和R2为100 kΩ，R3和R4为40 kΩ。
通过仿真测试，得到输出电压Vo和飞跨电容电压Vfly两端的电压，预充电时间600s时，飞跨电容电压Vfly约为700V，输出电压约为410V，满足预充电指标要求。此时需考核四只开关管的两端电压情况，如图2所示为VQ1~VQ4的电压波形图，其中VQ1承受的电压峰值最大，约为
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论文作者:雷磊,封阿明,陶正华,王晓
论文发表刊物:《云南电业》2019年6期
论文发表时间:2019/11/28
标签：电压论文; 电容论文; 变换器论文; 电平论文; 电阻论文; 两端论文; 耐压论文; 《云南电业》2019年6期论文;