基于移相全橋DC-DC變換器的城市軌道交通車輛高頻充電機軟開關(guān)實現(xiàn)方法*

王 哲 李思睿 馬 馳 程 龍 劉東輝 宋術(shù)全**

(1. 中國鐵道科學研究院集團有限公司機車車輛研究所, 100081, 北京;2. 動車組和機車牽引與控制國家重點實驗室, 100081, 北京; 3. 北京縱橫機電科技有限公司, 100094, 北京;4. 天津一號線軌道交通運營有限公司, 300350, 天津∥第一作者, 助理研究員)

0 引言

充電機作為城市軌道交通車輛直流電源的重要組成部分,不僅要為車輛直流負載提供供電電源,同時還負責為車載蓄電池充電。近年來,隨著城市軌道交通車輛對于車載裝備的高頻化、小型化及輕量化水平要求不斷提高,針對充電機供電效率和功率密度提升等相關(guān)研究工作得到了重點關(guān)注[1-4]。在拓撲方面,為了降低充電機的體積和質(zhì)量,目前大多數(shù)充電機廠商普遍采用了高頻隔離型方案拓撲[5-7]。其中,全橋型DC-DC變換器因其具有高頻化、輕量化、低損耗等優(yōu)勢,被廣泛應用在充電機直流變換環(huán)節(jié)。文獻[8-10]普遍以高頻諧振腔的結(jié)構(gòu)組成方式將全橋型DC-DC變換器分為不同類型直流變換器,其中PS-FBC(移相全橋DC-DC變換器)采用移相諧振控制,擁有控制靈活、損耗低、便于模塊并聯(lián)等特點,其相比于串聯(lián)諧振型電路具有電流應力小、可控性高等優(yōu)勢;相應地,PS-FBC相較移相型變換電路則具有低開關(guān)損耗、低成本等優(yōu)勢。鑒于此,針對擁有高頻電能轉(zhuǎn)換需求的中高壓DC-DC應用場合,該種電路具有重要的研究價值。

近年來,研究PS-FBC的文獻很多,主要集中在軟開關(guān)脈沖調(diào)制、電路拓撲及控制算法[11-13]等方面,但針對該種電路在死區(qū)效應下的開關(guān)過程及工作特性卻鮮有分析。文獻[11]只介紹了移相串聯(lián)諧振變換器的穩(wěn)態(tài)特性,利用微分方程組構(gòu)建了3種工作模式下的精確穩(wěn)態(tài)模型,分析了不同模態(tài)下的開關(guān)電流及電容電壓工作特性,給出了較為詳細的分析思路,但全文卻未能針對死區(qū)效應下系統(tǒng)工作特性展開深入分析。文獻[12]利用基波分析法針對PS-FBC進行了建模,該過程較為簡便直觀,物理意義明確;但其屬于近似建模,當開關(guān)頻率超過諧振頻率較多時,諧振電流表達式與真實電流存在一定偏差,此時模型精度較低,不能準確描述變換器的運行特性。文獻[13]介紹了一種帶輔助電感的PS-FBC,該種拓撲工作在過諧振模式下,4只開關(guān)管均可在全負載范圍內(nèi)實現(xiàn)零電壓開通與關(guān)斷,即大范圍實現(xiàn)軟開關(guān)。但該種設(shè)計會額外增加系統(tǒng)無源器件數(shù)量,同時會過于依賴主電路參數(shù)的實際精度。

針對現(xiàn)有文獻研究內(nèi)容的局限性,本文在文獻[13]的基礎(chǔ)上采用分段時域解析法對PS-FBC的工作特性進行計算分析,建立時域數(shù)學模型,同時針對電壓極性翻轉(zhuǎn)問題展開深入研究,在考慮死區(qū)效應的前提下提出一種可有效抑制電壓翻轉(zhuǎn)特性的死區(qū)時間優(yōu)化設(shè)計方法,通過仿真驗證該設(shè)計方法的可行性與有效性。

1 PS-FBC工作特性分析

PS-FBC電路拓撲如圖1所示。該電路由H有源全橋(以下簡稱“H橋”)經(jīng)過高頻變壓器、諧振電感Lr和諧振電容Cr連接至二極管整流橋,并輸出至負載側(cè),且Lr和Cr構(gòu)成串聯(lián)諧振回路。

注:Co為母線支撐電容; Rload為負載電阻;Vdc為輸入側(cè)直流電壓;Vo為輸出側(cè)直流電壓; Ip為諧振電流;Vc為電容電壓;S1—S4為IGBT(絕緣柵雙極型晶體管);VD1—VD8為二極管;A、B、D、E為連接端子。

1.1 PS-FBC運動模態(tài)分析

對于PS-FBC電路,由于變換器工作在欠諧振電流斷續(xù)方式下會產(chǎn)生較為嚴重的EMI(電磁干擾)問題,不利于無源器件的參數(shù)選取[14],因此本文只針對工作在過諧振方式下的移相全橋電路展開分析。通過現(xiàn)有理論研究基礎(chǔ)[11]可知,PS-FBC具有3種工作模態(tài):針對于模態(tài)Ⅰ,該狀態(tài)下諧振電流過零時刻滯后于橋臂輸出正極性電壓時刻,4只開關(guān)管均可在全范圍內(nèi)實現(xiàn)零電壓開通,從而降低開關(guān)損耗;針對于模態(tài)Ⅱ,諧振電流過零時刻超前于端口輸出極性電壓時刻,若不合理設(shè)置死區(qū)時間,則會導致同一橋臂上、下開關(guān)管存在直通風險;模態(tài)Ⅲ可實現(xiàn)零電流開通,但該種狀態(tài)會降低諧振電流正弦度,同時減小功率傳輸效率。

綜上,為了保證開關(guān)管安全工作,減小開關(guān)管損耗,提高變換器效率,上述電路應盡量工作在模態(tài)Ⅰ狀態(tài)中。模態(tài)Ⅰ下電路內(nèi)部電流、電壓波形見圖2。

注:t為時間。

1.2 PS-FBC運行原理與時域解析模型

對于PS-FBC電路,不同工作模式具有不同換流過程,但所對應的時域解析模型是統(tǒng)一的。現(xiàn)以工作模態(tài)Ⅰ構(gòu)建PS-FBC時域解析數(shù)學模型,其等效電路由輸入端口電壓源和輸出端口電壓源及串聯(lián)諧振回路構(gòu)成。其中:輸入端口電壓源的輸入電壓為Vab,輸出端口電壓源的輸出電壓為Vcd。PS-FBC運行子模態(tài)等效電路圖如圖3所示。圖3中,在單位開關(guān)周期內(nèi),換流過程可分為6個階段,每個階段的過程描述如下。

a) 等效電路A

1.2.1 階段1

在階段1中,H橋S2和S3開關(guān)管關(guān)斷,Ip換流至VD1和VD4管,電流極性為負,Vab為Vdc;副邊電流流經(jīng)VD6和VD7,使得Vcd鉗位保持在-Vo,當t工作至諧振電流過零時刻tδ時,Ip在Vdc-(-Vo)的作用下,電流下降至0。

針對[0,ωtδ]區(qū)間(ω為開關(guān)頻率),列解Ip及Vc的二階微分方程可得:

(1)

求解上述微分方程,Ip和Vc在[0,ωtδ]區(qū)間內(nèi)的解析表達式為:

(2)

1.2.2 階段2

在階段2中,電流自然換流,H橋中S3和S4開始導通電流,此時Vab為Vdc;隨著電流極性發(fā)生翻轉(zhuǎn),副邊電流開始流經(jīng)VD5和VD8,使得Vcd鉗位保持在Vo不變,該階段結(jié)束時刻Ip上升至最大值。

在[ωtδ,ωtβ](tβ為零電平電壓觸發(fā)時刻)區(qū)間,滿足下列二階微分方程:

(3)

求解上述微分方程,Ip和Vc在[ωtδ,ωtβ]區(qū)間的表達式為:

(4)

1.2.3 階段3

在階段3中,電流換向流經(jīng)S1和VD3,諧振電流極性不變,原邊電壓輸出為0;副邊電流始終在VD5和VD8中流動,Vcd保持輸出Vo至180°。

針對[ωtβ,π]區(qū)間,列解Ip及Vc的二階微分方程可得:

(5)

求解上述微分方程,Ip和Vc在[ωtβ,π]區(qū)間的表達式為:

(6)

1.2.4 階段4—階段6(與階段1—階段3過程互為對稱)

根據(jù)圖2可知,單位開關(guān)周期內(nèi)的電壓、電流具有對稱性,階段4—階段6的換流過程與正半周期階段1—階段3相似,因此可以滿足以下條件:Ip(0)=-Ip(π),Vc(0)=-Vc(π)。

根據(jù)上述條件和時域解析表達式推導,得到Ip和Vc在整個周期內(nèi)的表達式為:模態(tài)Ⅰ各個子階段對應的Ip與Vc時域解析表達式。

(7)

2 死區(qū)效應下PS-FBC電壓極性翻轉(zhuǎn)特性分析

在實際應用中,為了防止橋臂上、下開關(guān)管直通,確保其安全工作,通常會針對變換器門極驅(qū)動信號設(shè)置死區(qū)時間。但在高頻PS-FBC中,由于移相角度值與死區(qū)時間值相處在同一數(shù)量級上,一旦死區(qū)時間設(shè)置不合理,則會出現(xiàn)VPR(電壓極性翻轉(zhuǎn))現(xiàn)象。VPR的出現(xiàn)不僅會降低系統(tǒng)有效傳輸功率,增大開關(guān)器件電流應力及二極管損耗,同時該過程屬于硬開通,會在一定程度上影響PS-FBC軟開關(guān)及功率特性。鑒于此,為了避免VPR發(fā)生,現(xiàn)基于第1節(jié)建立的PS-FBC時域解析數(shù)學模型推導出高頻諧振電流數(shù)值解析解,進而探究電壓極性翻轉(zhuǎn)現(xiàn)象的產(chǎn)生機理,分析VPR臨界觸發(fā)條件,為合理設(shè)計系統(tǒng)參數(shù)值提供研究基礎(chǔ)。

圖4為 VPR工作原理圖。結(jié)合圖2可知,在階段1,Ip在Vdc+Vo的作用下迅速衰減至0,隨后電流極性發(fā)生改變。該過程電流流經(jīng)VD1、VD4,導致Vab輸出電壓嵌置為Vdc,如果開關(guān)管在電流過零時刻前進入死區(qū)時間,諧振電流會改變流向,流經(jīng)VD2和S4,致使輸出電壓轉(zhuǎn)變?yōu)?,從而產(chǎn)生電壓極性跳變現(xiàn)象。如圖4展示的死區(qū)時間內(nèi)電壓極性變化對PS-FBC換流過程產(chǎn)生的影響:VPR出現(xiàn)后,當觸發(fā)S1、S4導通,由于此時Ip為正值,致使該過程為硬電流開通,在一定程度上增加了器件開通損耗。同時,由于死區(qū)效應下H橋換流過程變得更加復雜,導致移相角發(fā)生等效畸變,表明VPR破壞了PS-FBC的功率傳輸特性。

a) 左橋臂驅(qū)動脈沖

綜上,VPR發(fā)生的判斷依據(jù)是:當滿足tγ大于tδ條件時,即會觸發(fā)H橋輸出電壓產(chǎn)生翻轉(zhuǎn)。鑒于此,為了避免出現(xiàn)上述過程,系統(tǒng)配置的死區(qū)時間需滿足下列條件:

tδ>tγ>tγ,min

(8)

式中:

tγ,min——最小死區(qū)時間,與關(guān)斷延遲時間存在強關(guān)聯(lián)性[15],可在IGBT(絕緣雙極型晶體管)驅(qū)動器數(shù)據(jù)手冊中獲取。

為進一步求取tδ,結(jié)合式(7)并利用開關(guān)周期換流過程的對稱性,可得Ip與Vc在0、tβ時刻的解析表達式為:

(9)

其中:

(10)

此外,Ip與Vc存在下述關(guān)系:

(11)

式中:

RL——等效負載電阻;

ωo——諧振頻率。

基于式(9)—式(11)構(gòu)建方程組,鑒于tδ同相關(guān)參數(shù)(QL=ωoLr/RL,QL為品質(zhì)因數(shù);g=ω/ωo)互為隱函數(shù),需要借助數(shù)學軟件進行數(shù)值計算,獲取在不同QL下g與tδ間的關(guān)系曲線。

圖5展示了g、QL和tδ三者間量綱一化后的數(shù)值關(guān)系。由圖5可見:k相同的情況下,負載越重,即QL越大,tδ會越小;在固定負載點處,即在QL恒定的情況下,隨著g增大,tδ會逐漸減小。根據(jù)上述關(guān)系可知,為了避免VPR發(fā)生,系統(tǒng)工作在重載且過諧振條件時,應將g設(shè)置在靠近諧振頻率附近。

圖5 不同QL下g與tδ關(guān)系曲線圖

3 仿真試驗驗證

為了驗證上述理論分析及公式推導的有效性,對基于PSIM軟件搭建的PS-FBC時域解析數(shù)學模型進行仿真驗證。其中,H橋采用單電壓閉環(huán)控制策略。PS-FBC仿真參數(shù)見表1。

表1 PS-FBC仿真參數(shù)取值

圖6為不同工況下的PS-FBC高頻電壓、電流波形。其中圖6 a)為加入最小死區(qū)時間后的PS-FBC諧振電壓、電流波形圖,此時電壓、電流均處于連續(xù)工作模式,且變換器超前、滯后橋臂開關(guān)管可實現(xiàn)零電壓導通。對比圖6 b)分析可知,隨著死區(qū)時間增至VPR臨界值后,諧振電壓極性會發(fā)生變化。究其原因主要為諧振電流過零時刻開關(guān)管尚未開啟,電流只能在反并聯(lián)二極管內(nèi)自然換流,致使Vab由高電平跳轉(zhuǎn)為零電平,死區(qū)結(jié)束后再次跳轉(zhuǎn)回高電平。

a) tγ,min

圖7為不同PL條件下的高頻電壓、電流波形圖。由圖7可見:在設(shè)置相同死區(qū)時間的前提下,隨著PL不斷提升,tγ始終大于tδ;當PS-FBC系統(tǒng)參數(shù)不再滿足配置條件時,即會產(chǎn)生電平跳變。結(jié)合上述分析可知,相關(guān)結(jié)果驗證了本文理論計算與公式推導的正確性。

a) PL=65 W

綜上,PS-FBC系統(tǒng)工作在模態(tài)Ⅰ工況時,開關(guān)管動作可能會導致高頻輸出電壓發(fā)生極性翻轉(zhuǎn),從而增大開關(guān)電流應力與器件損耗,降低系統(tǒng)效率。為了避免該種現(xiàn)象發(fā)生,需利用式(8)—式(10)計算tδ,并結(jié)合g、QL及PL等相關(guān)參數(shù)合理設(shè)計開關(guān)死區(qū)時間。

4 結(jié)語

本文針對應用于城軌高頻充電機的PS-FBC建立了過諧振時域解析數(shù)學模型,基于該模型探討了死區(qū)效應對高頻電壓極性翻轉(zhuǎn)問題的影響機理,提出了一種死區(qū)時間優(yōu)化設(shè)計方法。該種方法能夠避免VPR現(xiàn)象發(fā)生,可有效減小電流應力;同時該方法可實現(xiàn)寬范圍軟開關(guān),提升系統(tǒng)效率,并在一定程度上改善了充電機穩(wěn)態(tài)及動態(tài)特性。通過多種工況下的仿真結(jié)果驗證了設(shè)計方法的有效性,為PS-FBC系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計提供了研究基礎(chǔ)。