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电力机车辅助电源系统全SiC直流变换器研究 2022-07-06 10:05
参考文献：温飘，电力机车辅助电源系统全SiC直流变换器研究【D】，北京交通大学，2020（转发请注明出处及作者）
随着电力电子技术的飞速发展，电力机车辅助电源系统逐渐朝着小型化、轻量化、高效化发展。直流变换器作为“直−直−交”型辅助电源系统中的重要组成部分，在重量、体积、效率等方面面临着挑战。现有电力机车“直−直−交”型辅助电源系统中斩波电路的开关器件电压等级高，开关器件损耗大，开关频率受到限制，无源器件大，难以在效率和功率密度上有所突破。与此同时，近年来碳化硅（silicon carbide, SiC）器件逐渐被应用于轨道车辆中，进一步提升了辅助电源系统的工作性能，显示出良好的应用前景。为此，北京交通大学温飘在硕士论文“电力机车辅助电源系统全SiC直流变换器研究”中针对“直−直−交”型辅助电源系统，研究了一种基于开关电容的谐振直流变换器（switched capacitor based resonant converter, SCRC），并采用全 SiC 功率器件以实现高效率、小型化的设计目标，以此评估其在辅助电源系统中的应用前景。
电力机车辅助电源系统概述
电力机车供电系统主要包括牵引供电系统和辅助电源系统两部分，其中，前者为机车动力系统供电，后者则为车上辅助设备供电。如图 1-1 所示，为保证机车正常运行，车上装设有多种辅助设备，例如变压器降温用的冷却油泵、为受电弓提供风源的空气压缩机等。此外，为了保证乘客良好舒适的乘车环境，还设有照明系统、空调、通风机等。辅助电源系统为上述设备供电，是保障机车正常运行的重要组成部分。
常见供电方式及主电路结构
电力机车从接触网取电，根据取电方式不同，辅助电源系统供电方式主要分为“交-直-交”型和“直−交”型。其中，“直−交”型包含先降压后逆变的“直−直−交”型和先逆变后降压的“直−交−交”型两类。
（1）“交−直−交”型 “交−直−交”型辅助电源系统前级为单相桥式 PWM 整流器，中间为直流稳压环节，后级为三相逆变器。其取电方式为：牵引网 25k V 交流电压经过牵引变压器降至一定电压等级后，副边辅助绕组连至相控整流器或高功率因数脉冲整流器，输出稳定的直流电压，我国现在一般为 600V。该输出直流电压后接三相逆变器，将直流电变换为 380V 低压交流电，为辅助设备供电；同时也后接直流稳压电源，输出不同等级的直流电压，为机车备用电池和电子设备等供电。如图 1-2 所示，传统相控整流器控制简单、成本较低，但其功率因数低，对电网影响较大。为此，一般采用动态性能好、功率因数高的脉冲整流器作为前级单元。其中，ACCT为输入电流传感器，VT 为直流电压传感器，AK 为输入接触器。每台机车通常配置多套辅助变流器，当其中一台变流器故障时，其它辅助变流器可及时支持供电，避免影响辅助设备的正常工作。目前，国内 CRH2、HXD3 系列机车采用这类辅助电源系统。然而，“交−直−交”型辅助电源系统在过分相时会失电，并停止运行。
（2） “直−直−交”型
“直−直−交”型辅助电源系统直接从主变流器的中间直流环节取电，经过逆变环节即可获得三相交流电。主变流器的中间直流电压通常较高，且不同车型供电电压等级不同。为保证辅助设备供电电压，直流输入电压先经过降压环节降至较低电压等级，再经过三相逆变器转换为低压交流电。由于直流电压等级不同，可以采用多种电路实现降压，其中较为简单的降压方式为HXD2机车采用的斩波电路，如图1-3（a）所示。为了适应更高电压等级，CRH5 动车则采用了图 1-3（b）所示的串联式隔离型直流变换器电路，降低了开关器件电压应力，并保证了输入输出的电气隔离。
（3） “直−交−交”型
由于中间直流电压等级较高，另一种降压方式则先将直流电压逆变为交流电压，再经过辅助电源系统降至标准电压等级。如图1-4所示，变压器原边采用三角型连接，与逆变器输出相连；副边采用星型连接，与负载相连。通常LC滤波器可以放置在逆变器与变压器之间，亦可放置于变压器之后。这种结构开关器件少，且实现了高压输入与负载侧的电气隔离。目前CRH1、CRH3和HXD1系列机车采用“直−交−交”型辅助电源系统，CRH1和CRH3拓扑结构相似，但前者中间直流电压为 1650V，后者为 3000V。
种辅助电源系统结构各自存在优缺点，如表 1-1 所示。 与“交−直−交”型辅助电源系统相比，“直−直−交”和“直−交−交”型辅助电源系统无需牵引变压器提供辅助绕组，有利于牵引变压器的设计和机车过分相失电期间辅助电源的持续供电，在轨道车辆中得到越来越广泛的应用。“直−交−交”型辅助电源系统虽然减少了牵引变压器的辅助绕组，但同时增加了用于交流降压的工频变压器。此外，前级输入电压等级较高，逆变器开关电压应力较高，故需选用电气应力较高的功率开关器件。对于“直−直−交”型辅助电源系统，可采用不同降压电路以适应不同车型电压变比，但高效率、小型化的设计需求对直流降压变换器提出了更高要求。
辅助电源系统直流变换器拓扑
(1）Buck 变换器
HXD2 型电力机车辅助电源系统中采用的非隔离型 Buck 变换器如图 1-5 所示，中间直流电压 1800V 经过 Buck 变换器降为 545V，开关频率 600Hz，主电路采用 3300V/1200A 的 IGBT 功率开关模块，3300V/800A 续流二极管以及 4.5mH 平波电抗。同时，还配置撬棒式过压保护模块，避免因故障导致 IGBT 不能阻断时的1800V 电压串入辅助电源 545V 侧，从而保护后级辅助电路。传统 Buck 电路工作于硬开关状态，开关损耗大，开关器件电气应力高，并存在反向恢复电流尖峰，故开关频率相对较低。为了保证输出电流连续且抑制纹波，通常采用较大磁性元件进行滤波。因此，现有非隔离型电路仍有较大改进空间。
2）串联式直流变换器
为降低辅助电源系统的开关器件电压应力从而提高开关器件工作频率，CRH5辅助电源系统采用了串联式直流变换器电路，如图 1-6 所示。输入侧采用 2 个半桥式逆变器串联、输出侧采用 2 个全桥整流器串联，中间通过高频变压器实现电气隔离。CRH5 中间直流电压 3600V，经直流变换器后输出电压为 600V。降压电路采用 3300V/1200A 的 IGBT 功率开关模块和 600A 整流二极管，开关频率为4kHz。此处 IGBT 采用 3300V 电压等级，使得开关工作频率仍然受到不少限制，隔离变压器工作频率难以进一步提高。若采用 1700V 电压等级的 IGBT，虽然能进一步提高开关工作频率，但原边需要采用 4 级串联来替代现有的 2 级串联结构，从而需要 4 个变压器原边绕组，增加了电路的复杂性。
（3）移相全桥变换器
城轨车辆的辅助电源系统供电母线电压通常较低，为 1500V 或 750V，可采用多种电路实现电压变换。有文献将移相全桥变换器用于城轨车辆辅助电源系统中，实现 750V 到 650V 的降压变换。此外，原边侧采用 SiC 开关器件，副边侧采用 SiC 二极管，结合软开关技术，开关频率由 5kHz 提升至 40kHz，变压器和直流输出电抗器尺寸减小约 80%，电路如图1-7 所示。
（4）双有源全桥变换器
双有源全桥（dual active bridge, DAB）变换器可实现器件零电压开关，具有体积小、效率高的优势，在城轨车辆辅助电源系统设计中受到关注。为了进一步提升辅助电源系统的功率等级和功率密度，有文献采用三相 DAB 变换器，如图 1-8所示。当辅助电源系统输入电压在 500~900V 变化时，输出电压稳定为 600V，采用 1700V 的开关器件，开关频率为 20kHz。与单相变换器相比，三相 DAB 变换器中开关器件的电流应力更小、电流纹波小，可进一步减小滤波器体积，但对变压器设计提出一定挑战。
（5）LLC 变换器
LLC 变换器作为隔离型变换器，可在全负载范围内实现软开关，具有高频高效等优点，亦在辅助电源系统中受到青睐。但 LLC 采用变频控制来实现电压调节，在宽输入电压变化范围时，其频率变化范围宽，不利于磁性元件设计。为此，国内外学者提出了多种改进型 LLC 变换器拓扑以适应输入电压或负载的大幅变动。有文献采用如图 1-9 所示的三电平 LLC 变换器拓扑，开关频率与谐振频率均为 37.97kHz。通过采用占空比控制，当辅助电源系统输入电压在 1200V~1800V 变化时，实现了变换器 750V 的稳定输出电压。
为了克服 LLC 谐振变换器应用于辅助电源系统时受二倍频电压波动影响而产生的电流振荡问题，有文献在 LLC 谐振变换器前级增加非隔离型变换器为 LLC提供稳定的输入电压，并采用输入串联输出并联结构以降低器件应力，提出了三种适用于电力机车高频化辅助电源系统的直流变换器结构，即 Boost-LLC-ISOP，Buck-LLC-ISOP 和 TLbuck-LLC-ISOP。
图 1-10 所示为 Boost-LLC-ISOP 拓扑，其中 DC-DC 模块采用 LLC 电路。为了降低各模块开关器件电气应力，采用输入串联输出并联的多模块结构。每个模块输入电压为 900V，经过前级 Boost 升压至 1100V，再经过 LLC 变换器降为 850V。针对 3600V 电压等级，需设计四级模块并联；针对 1800V 电压等级，则需设计两级模块并联。每个模块均需使用隔离变压器，不利于体积优化设计。
第二种结构为图 1-11 所示的 Buck-LLC-ISOP 拓扑，每个单元前级输入电压1800V 经过 Buck 电路降至 1100V 后，再经 DC-DC 模块的 LLC 变换器降至 850V。为了减小电压纹波和电感体积，前级通常可选用同步交错并联结构。
图 1-12 为 TLbuck-LLC-ISOP 拓扑，其中前级电压 3600V 经过 TLbuck 变换器降至2300V，再经过后级 DC-DC 模块的 LLC 谐振电路降至 850V。前级采用 TLbuck变换器可降低开关电压应力。此外，TLbuck 输出滤波器充放电频率为 Buck 电路两倍，进而减小滤波电容和滤波电感体积。
小结
电力机车牵引变流回路的中间直流电压等级较高，通常为 1800V、2800V 以及 3600V。对于“直−直−交”型辅助电源系统，其直流降压环节可采用不同电路拓扑实现。主电路功率器件方面，传统硅基器件逐渐制约了变换器在效率、体积等方面的进一步优化；而近年来随着宽禁带半导体（如 SiC 等）技术发展及试点应用，将有助于轨道交通技术实现新的突破。
随着电力电子技术的飞速发展，电力机车辅助电源系统逐渐朝着小型化、轻量化、高效化发展。直流变换器作为“直−直−交”型辅助电源系统中的重要组成部分，在重量、体积、效率等方面面临着挑战。现有电力机车“直−直−交”型辅助电源系统中斩波电路的开关器件电压等级高，开关器件损耗大，开关频率受到限制，无源器件大，难以在效率和功率密度上有所突破。与此同时，近年来碳化硅（silicon carbide, SiC）器件逐渐被应用于轨道车辆中，进一步提升了辅助电源系统的工作性能，显示出良好的应用前景。为此，北京交通大学温飘在硕士论文“电力机车辅助电源系统全SiC直流变换器研究”中针对“直−直−交”型辅助电源系统，研究了一种基于开关电容的谐振直流变换器（switched capacitor based resonant converter, SCRC），并采用全 SiC 功率器件以实现高效率、小型化的设计目标，以此评估其在辅助电源系统中的应用前景。
电力机车辅助电源系统概述
电力机车供电系统主要包括牵引供电系统和辅助电源系统两部分，其中，前者为机车动力系统供电，后者则为车上辅助设备供电。如图 1-1 所示，为保证机车正常运行，车上装设有多种辅助设备，例如变压器降温用的冷却油泵、为受电弓提供风源的空气压缩机等。此外，为了保证乘客良好舒适的乘车环境，还设有照明系统、空调、通风机等。辅助电源系统为上述设备供电，是保障机车正常运行的重要组成部分。
电力机车从接触网取电，根据取电方式不同，辅助电源系统供电方式主要分为“交-直-交”型和“直−交”型。其中，“直−交”型包含先降压后逆变的“直−直−交”型和先逆变后降压的“直−交−交”型两类。
（1）“交−直−交”型 “交−直−交”型辅助电源系统前级为单相桥式 PWM 整流器，中间为直流稳压环节，后级为三相逆变器。其取电方式为：牵引网 25k V 交流电压经过牵引变压器降至一定电压等级后，副边辅助绕组连至相控整流器或高功率因数脉冲整流器，输出稳定的直流电压，我国现在一般为 600V。该输出直流电压后接三相逆变器，将直流电变换为 380V 低压交流电，为辅助设备供电；同时也后接直流稳压电源，输出不同等级的直流电压，为机车备用电池和电子设备等供电。如图 1-2 所示，传统相控整流器控制简单、成本较低，但其功率因数低，对电网影响较大。为此，一般采用动态性能好、功率因数高的脉冲整流器作为前级单元。其中，ACCT为输入电流传感器，VT 为直流电压传感器，AK 为输入接触器。每台机车通常配置多套辅助变流器，当其中一台变流器故障时，其它辅助变流器可及时支持供电，避免影响辅助设备的正常工作。目前，国内 CRH2、HXD3 系列机车采用这类辅助电源系统。然而，“交−直−交”型辅助电源系统在过分相时会失电，并停止运行。
“直−直−交”型辅助电源系统直接从主变流器的中间直流环节取电，经过逆变环节即可获得三相交流电。主变流器的中间直流电压通常较高，且不同车型供电电压等级不同。为保证辅助设备供电电压，直流输入电压先经过降压环节降至较低电压等级，再经过三相逆变器转换为低压交流电。由于直流电压等级不同，可以采用多种电路实现降压，其中较为简单的降压方式为HXD2机车采用的斩波电路，如图1-3（a）所示。为了适应更高电压等级，CRH5 动车则采用了图 1-3（b）所示的串联式隔离型直流变换器电路，降低了开关器件电压应力，并保证了输入输出的电气隔离。
由于中间直流电压等级较高，另一种降压方式则先将直流电压逆变为交流电压，再经过辅助电源系统降至标准电压等级。如图1-4所示，变压器原边采用三角型连接，与逆变器输出相连；副边采用星型连接，与负载相连。通常LC滤波器可以放置在逆变器与变压器之间，亦可放置于变压器之后。这种结构开关器件少，且实现了高压输入与负载侧的电气隔离。目前CRH1、CRH3和HXD1系列机车采用“直−交−交”型辅助电源系统，CRH1和CRH3拓扑结构相似，但前者中间直流电压为 1650V，后者为 3000V。
(1）Buck 变换器
HXD2 型电力机车辅助电源系统中采用的非隔离型 Buck 变换器如图 1-5 所示，中间直流电压 1800V 经过 Buck 变换器降为 545V，开关频率 600Hz，主电路采用 3300V/1200A 的 IGBT 功率开关模块，3300V/800A 续流二极管以及 4.5mH 平波电抗。同时，还配置撬棒式过压保护模块，避免因故障导致 IGBT 不能阻断时的1800V 电压串入辅助电源 545V 侧，从而保护后级辅助电路。传统 Buck 电路工作于硬开关状态，开关损耗大，开关器件电气应力高，并存在反向恢复电流尖峰，故开关频率相对较低。为了保证输出电流连续且抑制纹波，通常采用较大磁性元件进行滤波。因此，现有非隔离型电路仍有较大改进空间。
为降低辅助电源系统的开关器件电压应力从而提高开关器件工作频率，CRH5辅助电源系统采用了串联式直流变换器电路，如图 1-6 所示。输入侧采用 2 个半桥式逆变器串联、输出侧采用 2 个全桥整流器串联，中间通过高频变压器实现电气隔离。CRH5 中间直流电压 3600V，经直流变换器后输出电压为 600V。降压电路采用 3300V/1200A 的 IGBT 功率开关模块和 600A 整流二极管，开关频率为4kHz。此处 IGBT 采用 3300V 电压等级，使得开关工作频率仍然受到不少限制，隔离变压器工作频率难以进一步提高。若采用 1700V 电压等级的 IGBT，虽然能进一步提高开关工作频率，但原边需要采用 4 级串联来替代现有的 2 级串联结构，从而需要 4 个变压器原边绕组，增加了电路的复杂性。
城轨车辆的辅助电源系统供电母线电压通常较低，为 1500V 或 750V，可采用多种电路实现电压变换。有文献将移相全桥变换器用于城轨车辆辅助电源系统中，实现 750V 到 650V 的降压变换。此外，原边侧采用 SiC 开关器件，副边侧采用 SiC 二极管，结合软开关技术，开关频率由 5kHz 提升至 40kHz，变压器和直流输出电抗器尺寸减小约 80%，电路如图1-7 所示。
双有源全桥（dual active bridge, DAB）变换器可实现器件零电压开关，具有体积小、效率高的优势，在城轨车辆辅助电源系统设计中受到关注。为了进一步提升辅助电源系统的功率等级和功率密度，有文献采用三相 DAB 变换器，如图 1-8所示。当辅助电源系统输入电压在 500~900V 变化时，输出电压稳定为 600V，采用 1700V 的开关器件，开关频率为 20kHz。与单相变换器相比，三相 DAB 变换器中开关器件的电流应力更小、电流纹波小，可进一步减小滤波器体积，但对变压器设计提出一定挑战。
LLC 变换器作为隔离型变换器，可在全负载范围内实现软开关，具有高频高效等优点，亦在辅助电源系统中受到青睐。但 LLC 采用变频控制来实现电压调节，在宽输入电压变化范围时，其频率变化范围宽，不利于磁性元件设计。为此，国内外学者提出了多种改进型 LLC 变换器拓扑以适应输入电压或负载的大幅变动。有文献采用如图 1-9 所示的三电平 LLC 变换器拓扑，开关频率与谐振频率均为 37.97kHz。通过采用占空比控制，当辅助电源系统输入电压在 1200V~1800V 变化时，实现了变换器 750V 的稳定输出电压。
图 1-10 所示为 Boost-LLC-ISOP 拓扑，其中 DC-DC 模块采用 LLC 电路。为了降低各模块开关器件电气应力，采用输入串联输出并联的多模块结构。每个模块输入电压为 900V，经过前级 Boost 升压至 1100V，再经过 LLC 变换器降为 850V。针对 3600V 电压等级，需设计四级模块并联；针对 1800V 电压等级，则需设计两级模块并联。每个模块均需使用隔离变压器，不利于体积优化设计。
小结
电力机车牵引变流回路的中间直流电压等级较高，通常为 1800V、2800V 以及 3600V。对于“直−直−交”型辅助电源系统，其直流降压环节可采用不同电路拓扑实现。主电路功率器件方面，传统硅基器件逐渐制约了变换器在效率、体积等方面的进一步优化；而近年来随着宽禁带半导体（如 SiC 等）技术发展及试点应用，将有助于轨道交通技术实现新的突破。
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