轨道交通车辆24V直流电源的节能研究

作者：   发布日期：2016-03-09 17:41   信息来源：http://www.lp1995.com

现代轨道交通车辆直流电源正向小型化、轻量化以及节能化的方向发展，这就要求PWM直流稳压电源具有更高的开关频率[1~2]。然而，对于传统PWM直流稳压电源来说，提高开关频率会面临诸多实际问题。在传统PWM直流稳压电源中，功率开关管在电压不为零时导通，在电流不为零时关断，处于强迫开关过程，这种开关过程又称为硬开关过程。在这种硬开关工作模式下，随着开关频率的上升，开关管的开关损耗会成正比地上升，使电路的效率大大降低，同时会产生严重的电磁干扰[3]。针对以上问题，本文介绍了一种基于ZVS软开关技术的节能型直流稳压电源设计方案，并进行了仿真研究。

传统直流稳压电源通过PWM技术控制功率开关管的导通和关断，其实质上是一种突变的开关过程，提或中断功率流，最终实现能量的变换，可将这种开关过程称为硬开关过程。而ZVS软开关技术，通过谐振电感与功率开关管结电容进行谐振，当功率开关管两端电压下降到零时，开通或关断功率器件。由于功率开关管在零电压条件下完成导通与关断，将使开关损耗在理论上为零，硬开关与软开关的开关过程示意图如图1所示。由于ZVS软开关过程开关损耗理论上为零，在同等开关频率的工况下，采用ZVS软开关技术的直流稳压电源将具备明显的节能效果。

目前, 轨道交通车辆低压电子系统广泛采用的供电制式为直流110V和直流24V，110V直流电源集成在车载辅助供电系统中，通过对110V直流电的进一步变换获取直流24V电源[4~5]。将ZVS软开关控制应用于对24V直流电源的设计改进中，拓扑结构如图2所示，与传统硬开关非节能电源拓扑结构相比仅增加了谐振电感Lr。

其中Vin为输入直流电压，Ql～Q4为功率开关管，C1～C4分别是Ql～Q4的内部结电容，Dl～D4分别是Q1～Q4的内部寄生二极管。Lr是谐振电感（包括高频变压器的漏感和外部串联电感）。高频变压器Tr的原副边匝比为k，DR1和DR2是输出整流二极管，Lf 是输出滤波电感，Cf是输出滤波电容，RO是负载。Q1、Q3构成超前桥臂，Q2、Q4构成滞后桥臂，每个桥臂的两个功率开关成180º互补导通，两个桥臂的导通角相差一个相位，即移相角，通过调节移相角的大小可以调节输出直流电压。当输入电压Vin发生波动时，移相角发生变化，在AB两点得到幅值为Vin而占空比变化的交流方波电压，经过高频变压器的隔离和变压后，在变压器副边得到一个幅值为Vin/k的交流方波电压，通过DR1和DR2整流后输出24V直流电压。