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原文传递适用于铁路直流供电系统的高效率全桥变换器研究

论文题名：	适用于铁路直流供电系统的高效率全桥变换器研究
关键词：	全桥变换器;直流供电系统;列车电源;混合整流器;零电压开关;移相控制
摘要：	辅助直流电源是列车上很重要的组成部分，为列车上的控制系统、空调、照明等一系列的直流设备提供稳定的电源。辅助直流电源系统的输出电压范围为DC100~120V。传统移相全桥变换器在铁路列车的辅助直流源系统中得到广泛的应用。在全桥变换器中，其副边的整流器结构常常为全桥整流器和全波整流器，分别适用于高压输出（大于200V）和低压输出（小于72V），在中等输出电压（72~200V）应用场合存在一定的问题。为了适应列车中的辅助直流电源系统输出电压的应用需求，本文提出了一种新的拓扑结构——混合整流器的全桥变换器。　　该拓扑的原边结构是由两个半桥变换器并联组成一个全桥变换器，也称为双半桥变换器。副边的混合整流器是由全桥整流器和全波整流器的一部分串联构成的，其具备这两者的部分特点，在中等电压输出的应用场合具有一定的优势。本论文所提出的混合整流式全桥变换器采用的是常规的移相控制策略，具备在全负载电流范围内实现零电压开关的优势，同时在全工作范围内获得较高的转换效率。该变换器原边采用常规的全桥结构，包含两个变压器，有利于磁性器件的优化设计。变换器副边中二极管其最大电压应力为1.5nVin，另外全桥整流器的最大电压应力为nVin和全波整流器最大电压应力为2nVin，位于这两者之间。因此，本文提出的拓扑适用于高效率大功率的中压应用场合，例如列车上的辅助直流电源系统。　　首先，介绍了所提出的混合整流式全桥变换器的拓扑推导过程和结构特点。然后，在理想条件下对该双半桥变换器在整个开关周期内的工作模态和等效电路进行了详细分析。从工作模态分析可知，在整个开关周期内原边能量都能够向副边传递，这极大的减少了原边环流损耗和输出滤波电感的大小。而常规的移相全桥变换器，在非占空比时段存在着原副边不能进行能量传递，产生较大的环流损耗。此外，所提出的拓扑结构中滞后桥臂主要利用变压器的励磁电流来扩大ZVS范围，在轻载的情况下也可以实现ZVS。与常规的全桥整流器和全波整流器相比较，混合式整流器中的二极管最大反向电压应力位于两者之间，因此该拓扑非常适用于中等输出电压场合。为了进一步验证上述理论分析的正确性，搭建了一台基于混合整流式全桥变换器的实验样机，其输入电压380~450V、输出电压120V、输出电流10A、开关频率100kHz。依据上述电气特性，对实验样机的主电路参数进行设计，并建立了损耗分析模型。由损耗模型可以发现，整流二极管的损耗占了总的损耗的一半以上，因此整流器的结构对变换器的效率有着非常重要的影响。　　最后对所搭建的样机，进行了实验验证。实验结果发现，首先，输出整流电压、整流管的电压应力与理论分析的一致；其次，该变换器的前后桥臂在很宽的负载范围内均可以实现零电压开关；最后，混合整流器的开关损耗和导通损耗均介于全桥整流器和全波整流器之间，在较宽的负载电流和输入电压范围内可以实现更高的效率。因此，实验结果与理论分析一致，验证了本文所提出的混合整流器的全桥变换器是一种适用于中压场合的变换器。
作者：	罗泽佳
专业：	电子与通信工程
导师：	赵雷
授予学位：	硕士
授予学位单位：	汕头大学
学位年度：	2021