饶平县电动机维修培训学校

饶平县电动机维修培训班文章内容：

　　城市轨道交通车辆辅助电源系统中的充电机是车辆直流电源的重要装置，提升充电机的功率密度和效率对充电机性能的优化有重要而直接的影响。近年，碳化硅（SiC）宽禁带半导体器件的出现为这一目标提供了实现的可能性，LLC谐振软开关技术将进一步提升效率。北京交通大学魏娟的硕士论文“基于SiC器件的LLC谐振变换器在城轨列车充电机中的应用研究”基于碳化硅半导体器件的高频特性，详细研究了LLC变换器的原理和特性，并将两者结合应用于城市轨道车辆充电机的研制中。

　　目前，我国城市轨道交通主要包括地铁、轻轨、有轨电车、单轨、磁悬浮、市域快轨和ＡＰＭ（旅客自动运输系统）七大类，如图1-2所示。在现己开通的条城市轨道运营线路中，地铁线路约占75.6％，线路长度达4354.3km。城市轨道交通车辆主要由七部分组成，分别为：车体、转向架、连接装置、制动装置、受流装置、电气系统和内部设施。车载辅助电源系统是列车的一个重要环节，为列车的空调、照明和冷却设备、蓄电池以及空气压缩机等辅助设备供电。而辅助电源系统中的充电机是城轨车辆直流电源的重要组成部分，为列车的控制电路提供DC110V供电电源，同时在列车正常运行时作为蓄电池充电器，对蓄电池进行浮充电。当电网无法提供电源时，充电机不工作，直流母线由蓄电池供电，为列车提供DC110V电源。

　　随着城市轨道交通的不断建设和发展，充电机在效率和功率密度方面的提升成为了人们关注的重点。目前，基于传统Si器件的充电机在重量、体积、噪音、隔离、电磁兼容、安全、效率和功率密度方面都面临巨大挑战Ｗ。近年来，以碳化硅和氮化镓为代表的宽禁带半导体材料的出现突破了电力电子器件的瓶颈，将成为未来功率半导体器件市场的主导产品。与传统Si器件相比，SiC功率半导体器件具有禁带宽、击穿电场强度高、饱和电子漂移速度高、散热性能好等优点，可应用于高压、高频、高温的大功率场合。因此，开展SiC器件在城市轨道车辆充电机中应用技术的研究，有利于提升我国城市轨道交通行业的装备国产化水平。

　　目前学者们关于SiC MOSFET的研究较多，主要集中在以下几个方面：器件模型搭建、驱动电路研究和设计、器件特性分析及应用、器件损耗计算和分析。随着研究的深入，SiC器件的应用成果也更加广泛和成熟，表1-2给出了国内外SiC器件在轨道交通领域的应用案例。从现有的应用案例可以看出，宽禁带半导体材料这项新技术可以为轨道交通的应用提供许多优势，特别是SiC器件的高开关频率能够实现功率变换器的轻量化和小型化，这一特性对车载应用十分重要。然而，这种技术的引入不仅意味着电力电子器件（如GTO和IGBT之间的过渡）的改变，而且对系统整体的开发带来了许多好处。因此，继续进行理论研究和轨道交通行业的原型开发是非常重要的。

　　城轨车辆充电机发展现状

　　如图1-4所示为城轨车辆辅助供电系统的结构框图。城轨车辆的辅助供电系统包括两部分：提供AC380V/220V的辅助逆变器（SIV，为交流负载供电）和提供DC110V的充电机（BCC，为直流负载及蓄电池供电）。根据使用的隔离变压器类型，常用的辅助电源系统电路拓扑可分为两类：工频隔离方案拓扑和高频隔离方案拓扑。为降低辅助电源系统的体积和重量，目前多数研究的辅助逆变器通常采用高频隔离方案拓扑。充电机输入端的三种取电方式分别为：Ｉ）从辅助逆变器的中间直流环节取电；２）从辅助逆变器的交流输出取电；３）从高压直流母线DC750/1500V处取电。

　　国外城市化进程发展迅速，对现代化城市轨道交通的研究起步较早，因此在充电机技术发展方面处于领先地位，目前国外著名的充电机厂商西门子、ＡＢＢ、阿尔斯通等公司己经将充电机的相控整流或不控整流方式转换为高频方式。根据输入电压和隔离变压器类型的不同，充电机的电路拓扑可分为三种：交流输入工频隔离方案、直流输入高频隔离方案、交流输入高频隔离方案，如图ｌ－５（ａ）、（ｂ）、（ｃ）所示在直流输入的高频隔离方案中，直流电源可由辅助逆变器的中间直流环节或电网电压直接提供。

　　纵观国内外充电机技术的历史和现状，可以发现未来充电技术将有以下几个发展方向：１）高频化，小型化，轻量化；２）集成化，大功率化，高功率密度化；３）信息化，网络化，可视化本文关注的重点是实现充电机的高频化和高功率密度化，并基于此要求完成充电机的样机设计和实验。

　　为了实现充电机的高频化和高功率密度，选择直流输入高频隔离方案结构拓扑。为了进一步提高系统效率，在拓扑中加入LLC软开关技术实现开关管的零电压开通，从而降低开关管的开关损耗。此外，为了减小充电机的输入电压变化范围，输入端从辅助逆变器的中间直流环节取电。充电机系统的相关技术需求在表1-3中给出。

　　基于上述分析，为实现高功率密度和降低系统体积重量的目标，选择的辅助电源系统拓扑方案如图1-4所示。由图可知，辅助逆变器主要由两级构成，前级为高频隔离的直流变换器（DC/DC环节），后级为三相逆变器（DC/AC环节）。由于城轨车辆中存在单相交流负载，故辅助逆变器采用三相四线制结构。北京交通大学魏娟的硕士论文“基于SiC器件的LLC谐振变换器在城轨列车充电机中的应用研究”研究的高频车载充电机主电路为高频DC/DC结构，直流输入端由辅助逆变器DC/DC环节提供，采用高频化电路能够有效减小变压器以及磁性元件的体积和重量，极大地提高了功率密度。

　　另一方面，蓄电池技术的发展与充电机性能的提升紧密相连。地铁车辆通常使用的蓄电池为镍镉和铅酸电池，蓄电池的充电方式通常有以下三种：

　　（１）恒流充电：充电过程中充电电流保持不变。该方法在充电前期电流较大，充电即将完成时则以较小的电流继续恒流充电，这样能够保证充电较为彻底，保证蓄电池的容量维持基本不变。

　　（２）恒压充电：充电过程中充电电压保持不变。该方法的充电电流会随着蓄电池两端电压的升高而减小，因此无需调整电流大小。但此方法在充电前期电流较大，会缩短蓄电池的寿命，甚至对充电机产生不良的影响。

　　（３）恒流恒压充电：第一阶段为恒流方式充电，当蓄电池两端电压达到预设值时采用恒压方式直至充电完成。该过程前期的恒流充电能够防止电流过大造成过冲，有利于延长蓄电池的寿命。

　　基于SiC器件的LLC变换器充电机实验分析

　　为验证LLC变换器的谐振参数设计、扩展描述法建立的小信号模型以及闭环控制器的正确性，设计并搭建了全SiC充电机实验样机。充电机系统主要有主电路和控制电路组成，主电路核心部分为LLC变换器，实现能量转换的功能；控制电路的控制单元为DSP，用于产生开关管的驱动信号，通过电压电流的采集和反馈完成充电机的控制和保护单元。图4所示为充电机系统的实物图。

　　充电机系统样机平台的尺寸为210＊550＊750ｍｍ，体积为87L。充电机样机平台的总质量为40kg，表4给出了充电机样机的各部分重量分布情况，其中充电机外壳占了整体重量的40％以上。

　　主电路参数设计

　　基于LLC变换器的全SiC充电机系统由高频单相逆变电路、高频平板变压器、二极管整流和输出负载组成，其电路拓扑结构如图4-2所示。

　　根据充电机的系统电路原理图，直流输入经过断路器和接触器KM1、KM2组成的预充电回路后，由逆变器将直流电逆变为高频交流电输入到变压器初级，逆变器由SiC MOSFET模块构成，变压器次级的交流电经全波二极管整流将能量传递给输出负载。系统的设计参数如表4-2所示，由第二章的参数计算可知，LLC变换器的频率变化范围为28.4-52.4kHz。

　　髙频逆变电路和整流电路的器件选型

　　为了适应电力电子领域小型化和轻量化的要求，SiC器件在高频大功率领域的应用越来越广泛。论文中充电机系统高频逆变电路中的开关器件S1和S2采用SiC MOSFET单桥臂模块，在器件选型考虑的主要因素有额定电压电流和开关频率等。论文综合上述因素，选择RHOM公司型号为BSM300D12P2E001的SiC MOSFET模块作为功率开关器，驱动为罗姆公司型号为BP59A8H-EVK-02的SiC模块驱动，器件和驱动的外观如图4-3所示，同时给出了器件与驱动的连接方式。该功率器件的开关频率能达到100kHz及以上，能够满足逆变电路最高开关频率为52.4kHz的需求。同时此款器件的额定电压为1200V，额定电流为300A，满足电压和电流的需求。

　　变压器次级为高频整流电路，因此选择二极管的首要考虑因素为反向恢复时间，选择较小的反向恢复时间能够降低二极管的开关损耗。RHOM公司型号为SM300D12P2E001的SiC MOSFET模块的反并联二极管反向恢复时间为50ns，满足电路中的频率要求，二极管的额定耐压为1200V，额定电流为300A，同样满足整流电路中电压和电流的需求。

　　表4-3给出了罗姆公司的SiC模块（1200V/300A）与英飞凌公司的Si模块（1200V/300A）的参数对比。对比相同电压电流等级的SiC模块和Si模块，发现SiC器件的栅源极阈值电压较小，这说明较小的栅源极电压就能使器件导通，因此SiC器件需要负压关断，使器件不容易发生误导通。同时SiC器件的开通延迟时间、上升时间、关断延迟时间和下降时间均小于Si器件，这说明SiC器件具有更快的开关速度，适用于开关频率更高的场合。

　　全SiC充电机平台实验验证

　　为了验证理论和仿真分析的正确性，实验验证主要分为三部分内容：ｌ）充电机系统软启动过程分析；２）不同开关频率下LLC谐振变换器软开关过程的实现及分析；３）对以扩展描述函数法建模为基础的闭环控制器设计的实验验证；４）蓄电池恒流恒压充电曲线的实验验证以及轻载条件下的效率测试。实验样机参数在表4-2中已所示。

　　结论与展望

　　SiC器件的应用在车载变流器领域具有十分重要的现实意义，而LLC谐振软开关技术具有结构简单、软开关范围广等优点，为电力电子领域变流器的高频化提供了很好的解决思路。为提高城轨车辆充电机的效率和功率密度，北京交通大学魏娟的硕士论文“基于SiC器件的LLC谐振变换器在城轨列车充电机中的应用研究”将SiC器件和LLC变换器结合，为两者在大功率场合的应用奠定了基础。论文完成了基SiC器件的LLC变换器谐振参数的研究、系统小信号建模以及补偿控制器的设计，研制了适用于城轨车辆的全碳化硅LLC变换器充电机，获得的主要成果如下：

　　（１）将LLC变换器应用于充电机的主电路拓扑中。文章首先从LLC变换器的工作原理入手，详细分析了不同频率下的三种工作模态。使用基波分析法获得LLC变换器的等效电路以及直流电压增益函数，详细分析了电感系数k和品质因数Q对电压增益的影响，发现随着Q值的增大，变换器的峰值电压增益会减小；随着k值的增大，变换器获得相同电压增益的频率变化范围会变宽，即k值越大，变换器的调频调压能力越弱，但会减小开关管的导通损耗。然后分析了变换器的ZVS特性并推导了全负载范围内实现ZVS的条件，并结合解析法和图解法设计了谐振变换器的参数，根据充电机的实际参数给出了具体的计算过程。最后，搭建的充电机仿真模型验证了谐振参数设计的合理性。

　　（２）对充电机系统的稳定性进行分析并设计了闭环控制器。基于傅里叶分解、谐波近似和平衡原理，使用扩展描述函数方法通过推导电路的非线性状态方程、扩展描述函数和大信号模型，建立了LLC变换器的小信号模型，获得了系统的控制－输出传递函数，根据传递函数分析了系统的稳定性。为变换器设计了闭环补偿控制器，并在Simulink仿真中对补偿控制器的性能进行了验证和分析，发现加入闭环控制器后，系统能够快速且平稳地响应外部条件的突变。最后对充电机蓄电池三种常用的充电策略进行对比分析，选择恒流恒压的充电方式对蓄电池进行充电，并搭建仿真结果验证了策略的可行性。

　　（３）SiC器件的出现为充电机进一步的高频、高效和轻量化提供了良好的解决方案，论文搭建了全SiC充电机实验平台，并完成了相关的验证性实验。实验结果表明，LLC变换器能够在所有工作频率范围内实现开关管的ZVS，同时验证了谐振参数设计的合理性；通过对系统进行闭环控制实验，实现结果显示加入控制器后，变换器的输出电压和电流能够在0.08s内跟随指令值的变化且波动范围较小，验证了闭环控制器的可行性和参数合理性；使用直流电子负载模拟蓄电池的恒流恒压充电实验表明了充电策略的可行性。最后对充电机的效率进行了测试，在开关频率为38.4kHz、输出轻载的情况下系统效率能够达到95.86％。仿真与实验结果基本吻合，为基于SiC器件的LLC变换器的实际工程应用提供了理论分析和实验基础。

　　展望

　　北京交通大学魏娟的硕士论文“基于SiC器件的LLC谐振变换器在城轨列车充电机中的应用研究”针对LLC变换器的特点，对充电机系统的谐振参数设计和补偿控制器设计进行了相关研究，取得了一定的研究成果。但是由于自身学识水平和研究时间有限，论文的研究内容还存在以下不足，需要今后继续深入研究：

　　（１）论文采用的基波分析法和扩展描述函数法建模均只考虑了基波分量，而忽略了系统的高次谐波，因此得到的等效电路和模型均为近似结果。今后的研究可以尝试将高次谐振含量纳入考虑范围，从而优化建模方法。

　　（２）论文设计的控制器还存在优化空间，今后的研究可以结合更加先进的控制算法设计补偿控制器，对系统的控制环路进行改进和优化，使系统的整体性能更加优异。

　　（３）由于不同种类蓄电池的充电特性存在差异，因此在今后的研究中可以针对不同蓄电池的充电曲线特性，对充电过程进行更加深入的研究，完成充电机在给不同蓄电池充电过程中充电曲线的自适应切换控制。

　　参考文献：魏娟，基于SiC器件的LLC谐振变换器在城轨列车充电机中的应用研究【D】，北京交通大学，2019

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