近些年，随着各大城市的交通状况愈发严峻，城市轨道交通 凭借其具有美化市区环境、缓解交通堵塞现象以及支持城市布局 结构优化等特点，在我国获得了越来越广泛的应用。城市轨道交 通车辆具有的独立行驶轨道、电力牵引装置以及技术领先的信号 控制系统等等技术优势，明显优越于其他交通方式，深得广大人 民群众的喜爱。作为城市轨道交通车辆的重要系统和先进技术， 电气系统在保证司乘人员旅途安全性以及舒适性的同时，自身的 电源设计技术也得到了长足的进步以及长远的发展。比如说轨道 车辆电气控制系统从继电器的控制上升到 PLC 控制，达到了信息 化、智能化的极速飞跃；而轨道车辆的电气控制设备也从最基本 的照明、压力保护设施、电开水炉以及摇头风扇升级到空调机组 等等的车内外设施。轨道车辆安全可靠的电源设计提升了司乘人 员旅途中的舒适安全度。
1 变换器主电路结构
变换器主电路结构如图 1 所示，直流输人经逆变电路，高频 变压器，全桥整流，吸收电路及滤波电路输出到负载。对于全桥 逆变电路，Q1(Q2) 和 QS(Q6) 分别超前 Q3(Q4) 和 Q7(Q8) 一定相 位即移相角，通过调节移相角的大小可以调节输出电压，通过 Lr 与开关管电容谐振实现零电压软开关。
当开关管断开时，由于每个开关管都并联 ( 或寄生 ) 电容， 母线电压对对应电容充电，开关管电压从零线性上升，因此都 是零电压软关断。要实现开关管的零电压开通，必须要有足够 的能量抽走要开通开关管并联电容的电荷以及变压器一次侧寄 生电容 CT 的电荷，同时给同桥臂要关断开关管的并联电容充电。 在超前桥臂开通过程中，变压器二次侧导通，Lf 可以通过变压 器折算到一次侧与 Lr 串联的，由于输出滤波电感较大，容易满 足能量的谐振。
本电源设计由于输人输出电压变化幅度大的特殊性，有两 点需要重点考虑。第一，在一次侧母线电流超过 50 A，考虑至 少 1.5 倍的裕量，电流纹波以及电压波动的变化，对 mosfet 耐 流特性以及导通损耗造成极大影响。第二，较高的变压器升压 变比会使变压器的二次侧漏感很大，会与线路杂散电容产生谐 振，产生电压尖峰，提高了对整流二极管的耐压要求，也将造 成电路损耗。
2 开关管并联及驱动设计
高频工作环境下，通常使用 mosfet 构成全桥逆变电路， 往往工作频率易得到满足，而单个功率 mosfet 电流容量却不足，此时需要并联两个乃至多个 mosfet。由于 mosfet 具有正温度 系数，即在电流上升温度提高的情况下，阻抗也会升高，从而 降低电流，达到自动均流的目的。但是在高频工作的条件下， 由于时间周期短，各个 mosfet 不能有效建立结温差，所以仅依 靠 mosfet 的正温度系数的特点不能有效调节。同时由于器件自 身参数以及线路参数的不同，也会出现电流分配不均的问题。 若无有效的驱动电路和均流措施，导致 mosfet 开关损耗不同， 使负载较重的器件过热或者过流损坏，导致系统崩溃。对此， 本文采用了如下的解决方案 :
a. 选用同型号同批次，特性参数基本一致的两个 mosfet 并联。
b. 电路布局对称紧凑，连线长度相同并使用双绞线。
c. 使用同一驱动源和独立的栅极电阻，减小器件开通，关 断充放电时间的不一致性。
d. 可适当引人源极电感，抑制电流不均。使用 TI 公司的 TMS320F2812 芯片作为主控制芯片，产生移相 PWM 脉冲，通过 ADC 模块实时检测输人电压，输出电压，输出电流等模拟信号 是否正常并实施相应保护措施，同时也通过控制算法实时计算， 实现移相角调节以及 PI 调节。在弱电与强电的结合处，必须采 用隔离措施。光祸隔离芯片 6N137 具有输人输出间互相隔离， 电信号传输单向性的特点，同时具有良好的电绝缘能力，抗干 扰能力和很强的共模抑制能力。由于驱动脉冲之间必须相互隔 离，每路驱动都要一组辅助电源，在本电路中就需要使用 4 路 隔离的辅助控制电源，而且还要互相悬浮，增加了电路的复杂性。 美国 IR 公司生产的 IR2110 驱动器，成功实现高端悬浮自举电 源的设计，对于本电路仅使用 2 路辅助电源即可，使电路更加 紧凑，节约成本。如图 2 所示，假定使用 2 个 mosfet 并联，需 要给 MOSFET 加栅极电阻 Rg1、Rg2、Rg3，通过计算驱动电压与 mosfet 所需驱动电流，设置合适的栅极电阻，一般在 10Ω 左右。 由于 mosfet 的输人特性显容性，mosfet 的开通与关断实际就 是给输人容抗充电与放电的过程，通过比较两个 mosfet 开通与 关断波形，调节 Rg2（关断电阻）与 Rg2（开通电阻）的阻值， 也就是调节其充电放电电流的大小，使右侧的 MOSFET 的波形尽 量与左侧 MOSFET 波形一致。Rg1、Rg2 是栅源电阻，选择数千 欧的电阻，提供栅极负压，防止 MOSFET 误导通。
3 吸收电路设计 移 相 全 桥 输出整流 二极管 反 向 恢 复 时， 变 压 器 的 漏 感， 整 流 二极管的结电容 线路杂 散电容 之 间 的 高 频 谐 振， 会使整 流桥产 生 寄 生 振 荡。 而 在
本方案中，变压器升压变比很高导致较大的变压器二次侧漏感 与很高的开关频率共同作用，将产生更加明显的电压尖峰，极 容易造成器件损坏，能量的浪费，因此必须采用有效的吸收电 路设计。目前主要的吸收电路有：RC 吸收电路，RCD 吸收电路， 主动吸收电路，第三个绕组加二极管籍位吸收电路，以及一次 侧加二极管籍位吸收电路。本方案设计中，采用 RC 吸收电路与 改进型 RCD 吸收电路组合的方式，如图 1 所 （下转第 28 页）（上接第 80 页）示。
改进型 RCD 由于有籍位二极管的存 在，电容只吸收高于二次侧电压的电压尖峰，相较于 RC 吸收 电路，电阻温升小很多。同时电阻接在吸收电容与滤波电感之 间，电容放电的能量可以通过电阻回馈到负载，提高了效率。 对于吸收电路的参数设计必须合理，否则不仅达不到吸收效果， 更会降低系统效率。一般取阻容时间常数为整流桥周期的 1/6- 1/3。对于吸收二极管，应取快速恢复二极管。RCD 吸收电路中， C=4 700 PF，R=1 kΩ，二极管是 APT60D120B；效果如图 3 所示。 Vd 整流桥输出电压，Vin 脉波整流输人母线电压。通过实验波 形可以看出，增加了吸收电路后，整流桥输出尖峰电压吸收了 200V，时极大地减少了振荡，效果明显。
4 结束语
综上所述，为提高城市轨道交通的安全性，急应电源被广 泛地应用在城市轨道交通车辆中。利用变压器的漏感或原边串 联电感和功率管的寄生电容谐振来实现开关管的零电压开关， 能有效降低电路的开关损耗和开关过程的电磁干扰，提高开关 频率、电源的效率和功率密度。
参考文献：
[1 陈超 , 刁利军 , 陈杰 , 阮白水 , 刘志刚 . 城市轨道交通车 辆应急通风电源设计 [J]. 机械与电子 ,2010,S1:89-91.
[2 李伟，李雪辉，刘司宇等 . 城市轨道交通车辆电气系统 接地探讨 [J]. 城市建设理论研究（电子版），2016，（15）.
论文作者:薄凯文
论文发表刊物:《大众科学》2017年11期
论文发表时间:2018/8/1
标签：电路论文; 电压论文; 电容论文; 电阻论文; 电流论文; 变压器论文; 电源论文; 《大众科学》2017年11期论文;