铁路客车DC/DC电源主电路设计与分析
介绍
受拓扑和开关损耗的影响，半桥硬开关电路的重量、体积、噪声和功率等级等技术指标受到一定的限制。因此，中大功率开关电源的主电路基本采用全桥电路结构。1、铁路客车电源主电路一般选用IGBT作为其功率开关器件。由于 IGBT 中存在拖尾电流，ZVZCS PWM 转换电路比其他全桥软开关电路结构更简单，环路损耗更低，变压器原边电压占空比损失更小。因此，在设计新一代铁路客车DC/DC电源时，
1 主电路原理
图 1 显示了带有磁滞臂串联二极管的 ZVZCS PWM 转换器的电路拓扑。
ZVZCS PWM变换器的基本工作过程分为6种模式，如图2所示。图中V1~V4为开关管Q1~Q4的驱动电压，ip为变压器原边电流，vcb为是隔直电容 Cb 上的电压。
2 主电路参数计算及关键器件选型分析
2.1 主要参数
新型铁路客车DC/DC电源技术要求如下：
输入标称电压：DC 600V
输入过压/欠压保护值：DC 700 V/DC 450 V
输出电压：DC(120±5)v
输出限流保护值：70A
输出电压纹波峰峰值：
开关频率：18 kHz
额定输出功率：8千瓦
本文设计的DC/DC电源以ZVZCS PWM转换电路为主电路汽车电源转换器，高频隔离变压器的变比和漏感是ZVZCS电路中的两个重要参数。当DC/DC电源的直流母线最低时，输出电压最大，副边采用超前桥臂和滞后桥臂T，占空比取最大值。公式（1）和（2）分别表示输出电压（Vo+ΔV）和变压比（n）的计算公式。计算表明该电路的高频隔离变压器为n=3:1:1。取变比为原副边匝数比（Np:Ns1:Ns2）=18:6:6，其中Np为原边匝数，Ns1。
在ZVZCS电路中，高频隔离变压器的漏感（Llk）决定了滞后桥臂相对于超前桥臂关断的最短延迟时间（等式（3））。为了使滞后臂电流在接近 ZCS、Llk 时开启。在允许范围内应尽可能大。
2.2 关键部件的选择
2.2.1 谐振电容
DC/DC功率开关器件选用英飞凌1 200 V/100 A规格双管IGBT模块。根据产品手册，它的拖尾时间Ttail=400 ns，考虑到一定的余量，Q1和Q3之间的最短死区时间为3Ttail。谐振电容容量计算如下：
考虑到电流和ESR（等效串联电阻）因素，谐振电容可以使用两个1200V/10nF规格的薄膜电容并联。
2.2.2 隔直电容
隔直电容的使用可以在一定程度上防止高频变压器偏压，但会产生一定的压降和功率损耗，因此需要计算其容量以提高转换器的效率并优化设计。
初级侧电流 ip 流过隔直电容器对其进行充电和放电。考虑纹波的影响，隔直电容的峰值电压为最高输入电压的15%，即Vcbp=0.15Vinmax，因为ip=io/n，有：
根据计算，Cb=2.53μF。考虑到电流因素的影响汽车电源转换器，可选择三个1 200 V/1 μF薄膜电容并联。
2.2.3 输出 LC 滤波器
DC/DC电源逆变器链接输出方波电压，其谐波成分较高。为了使整流后的输出电压纹波峰峰值不超标，输出需要经过LC滤波。
在确定了输出滤波电感参数后，也可以在高频滤波电路中确定相应的电感电流波动值，而电容的容量主要受ESR的影响。对于铝电解电容器，ESR 和容量之间的近似关系如公式（8）所示。在高频状态下，铝电解电容的容量会变得很小。为了充分滤除电感的脉动电流，工程选型时电容器的容量将是理论计算值的数倍。
2.3 l GBT热计算
所选的 IGBT 模块由 2 个 IGBT（包括寄生续流二极管）组成。IGBT 损耗包括开关损耗和传导损耗。由于四个开关分别实现ZVZCS，IGBT的开关损耗可以近似忽略，所以单个IGBT元件的平均损耗为：
前桥臂采用一个IGBT模块（Q1和Q3），m由于其寄生续流二极管实现自然关断，二极管恢复损耗可以忽略不计；滞后桥臂使用另一个 IGBT 模块（Q2 和 Q4），由于电阻截止二极管（D2 和 D4）的存在，其寄生续流二极管始终处于截止状态，因此2 个 IGBT 模块的总损耗为：
2.3.2 IGBT模块温度计算
引线桥臂IGBT模块的最高T结温度为：
选择功率器件时应满足热计算要求。在实际T操作中，由于IGBT尾电流和谐振电容ESR的影响，超前臂不能完全实现软关断；同时，由于变压器漏感、隔直电容和输入电压源，形成二阶零态响应电路。，磁滞臂开启时的电流也会略大于零。因此，IGBT的实际散热量会略大于上述理论计算结果。
3 仿真分析
所设计的 DC/DC 电源的主要电路参数通过 Simulink 进行仿真分析（图 3）。使用离散ode23tb（stif/TR.BDF2）算法，步长设置为100 ns。
3.1 软开关特性仿真
当超前臂IGBT导通时，通过并联谐振电容使开关管两端的电压保持为零，从而实现ZVS的导通。如图。图4显示了零电压(ZVS)驱动电压VGE和超前桥臂输出电压VCE的仿真波形。可以看出，超级前臂IGBT实现了ZVS开关。
图 5 显示了滞后臂 IGBT 的输出电压 VGE 和输出电流 IC 的波形。可以看出，磁滞臂开关管很好地实现了零电流关断（ZCS）。以图2中的Q4为例进行分析。当 Q3 和 Q4 同时导通时，Cb 电压加到变压器漏感 Llk 上，IGBT 上的电流逐渐减小到零，同时由于阻塞二极管 D4 的存在，开关电流不能反向，保持为零；由于 Llk 的存在，当 IGBT 导通时，开关电流也将保持为零。
3.2 输出特性仿真
如图。图7示出了滤波电感电流ilf、滤波电容电流icf和电路输出电流io。波形。可以看出，电路输出电流的波动值小于0.4A，电流纹波系数不超过0.5%。
如图。图8显示了输出电压uo。波形。满载运行时，DC/DC电源输出电压稳定在DC 120V，有电压纹波峰值。峰值不超过1V，电压纹波系数不超过0.5%，远低于铁标要求（5%）。
4个实验
根据理论分析和仿真结果，结合铁路客车DC/DC电源的技术要求，研制了工程样机。
4.1 原型的软开关特性
图 9(a) 显示了原型电路超前桥臂的软开关波形。IGBT切换瞬间，CE极间电压（VCE）为零，前臂IGBT实现ZVS切换。图 9(b) 显示了原型电路滞后桥臂的软开关波形。图中，变压器原边电流i波形（对称交流波形）已经与滞后桥臂IGBT的VCE波形零点重叠。两者对比可知，在开关时刻，流过滞后臂IGBT的电流为零，可以看出滞后臂实现了ZCS开关。
将实验波形与仿真结果进行对比，发现两者基本一致，验证了理论分析的正确性。
4. 2 样机工作效率
图 10 为样机的工作效率曲线。直流600 V额定电压输入和不同负载工作的效率曲线如图10(a)所示；满载和不同输入电压的效率曲线如图10(b)所示。可以看出，在额定电压输入和满载的情况下，工作效率约为93%。
5 结论
本文采用磁滞臂串联二极管的ZVZCS电路设计分析铁路客车DC/DC电源拓扑结构，计算主电路主要参数，并通过仿真和样机实验验证理论分析结果. 结果表明，所设计的电路具有良好的性能。可实现零电压、零电流切换，完全满足新一代铁路客车DC/DC电源的要求，为同类产品的设计提供实践依据。
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