BORDLINE M系列辅助变流器特点与设计挑战

发布时间：2009-10-14 来源：ABB评论

        列车对电力的需要种类繁多。牵引设备本身需要电力，其他许多辅助设备，例如， 从牵引励磁到车内照明、采暖和空调都需要电力。空间及成本方面的限制越来越要 求单个变流器能够满足所有这些需求。该变流器必须既能提供交流输出，又能提供 直流输出。其输出要满足高标准的要求，又必须能够解决输入电压范围大和供电质 量的问题。
        本文将简要介绍 ABB 的 BORDLINE ® M 系列辅助变流器的一些技术特点及其在设 计中所遇到的一些挑战。
        新一代牵引电源不仅必须满足 负载特性的要求，而且还能 提供足够的功率 (例如，由于对列车 舒适性需求的不断提高，导致负载 设备数量的大幅增加)，因此必须有 一个高效率、高可靠性和高功率密 度的设备来满足这些要求。再者， 成本也是一个非常重要的因素。在 高功率密度的变流器内，半导体功 率器件的开关频率通常很高。高开 关频率必然带来高开关损耗。在开 关模式为脉宽调制的电源上，由于 开关损耗太高，从而导致系统不能 在超高频率下运行，即便采用软开 关技术也是如此。
        由于谐振模式电源 1) 能够降低开关 损耗 [1]，因而可以解决上述所有问 题。使用此种架构的电源可作为满 足上述要求并提高设备性能的一种 选择方案。
        在当今的牵引应用中，绝缘栅双极 晶体管 (IGBTs) 是最合适的开关器 件，它既能满足电压和电流要求， 而且也具备非常高的绝缘电压等 级。对那些在高开关频率下运行的 器件而言，采用零电压开关 (ZVS) 可 能是提高变流器效率的一种有价值 的方案。通过这种方案，与模块固 有的寄生电容 (与开通损耗有关) 和 反并二极管反向恢复 (与关断损耗有 关) 有关的开关损耗可降至零。 标称输入电压为 1,000 Vrms AC 时，相应的输入电压变化 范围在 700 Vrms 和 1,200 Vrms 之间。
        变流器输入端的输入电压变化范围 较大是牵引电源设计人员面临的最 大挑战之一。在不同的运行条件 下，这种变化都不应影响到系统的 总体性能和效率。所有各种可能的 电气牵引系统输入电压的变化范 围如图 1 所示。如果标称输入电压 为 1,000 Vrms AC，相应的电压变化 范围则在 700 Vrms 和 1,200 Vrms 之 间，变化范围非常大。

        虽然一些已发表的文章对于宽输入 电压的补偿方法进行了讨论，但鲜 有论及如何应对如此大范围的运行 条件。
        对图 1 所示的极端输入电压变化的 情况，变流器优化设计中所关心的 问题仍然是究竟在什么地方可以使 用谐振拓扑技术。事实上，宽电压 输入范围可能会造成很高的环流能 量，从而大大地降低了总体效率及 变流器功率密度。
        在当今的牵引应用中，绝缘栅 双极晶体管 (IGBTs) 是最合适 的开关器件，它既能满足电压 和电流要求，而且也具备非常 高的绝缘电压等级。
        过去已经提出过一些解决方案，试 图解决输入电压范围大与负载变化 范围大的问题。对于有源器件，当 开关频率高于谐振频率时，常规的 串联谐振变流器采用零电压开关方 式运行。但对于宽输入电压范围和输出负载变化大的情况，变流器必 须在宽开关频率范围内运行。这使 得变流器的优化问题变得更为复杂 [2, 3]。
        再有，如同铁路方面的应用，由于 输入电压较高，因此必须使用高电 压等级的器件，这就使问题变得更 加复杂。于是有人建议将变流器串 联起来以降低主要器件的电压应力 [4, 5]。这样既能使用低电压等级的器 件，又能保持变流器的开关特性。 但这需要一个额外的控制策略来平 衡输入电容器上的输入电压。
        为了将各种方法的复杂性降至最 低，BORDLINE® M 系列变流器给出 了一个新颖的解决方案，可以减少 宽电压输入对于牵引辅助设备用 AC/ DC/DC 隔离变流器性能的影响。该 装置输出带电隔离的恒定直流电压 为蓄电池充电，同时输出正弦三相 交流电压驱动交流电机。正弦输出 电压也可以进行电隔离。在这里， 前端架构体系是一个三电平带功 率因素矫正 (PFC) 的变流器，它随 输入电压的变化而变化，确保在所 有运行条件下，功率因素基本保持 一致。第二级变流器采用一个三电 平LLC 2) 带隔离的谐振变流器，这个 变流器以零电压 (ZVS) 和准零电流 (ZCS) 模式运行。
        变流器串联既能使用低电压等 级的器件，又能保持变流器的 开关特性。
        硬开关与软开关
        根据状态转变期间 (开通或关断) 所 产生能量损耗的大小，半导体器件 的开关方式通常划分为硬开关、缓 冲或软开关三种模式。
        图 2 给出了三种开关模式。在硬开 关模式时 (见图 2a )，半导体器件上 的电压与其换向电流存在相当大的 重叠。图 2b 所示为缓冲模式下的开 关情况，使用了 L 型 (电感器) 缓冲 器与半导体进行串联。由于缓冲器 减少了电流的变化率 (dI/dt )，减 少了电压和电流之间的重叠，从而 大幅降低了开关损耗。图 2c 所示为 典型软开关模式 ZVS (零电压开关)。 采用一个外部电路就可以基本消除 重叠。在半导体器件两端的电压降 低到零之前，半导体不会导通。因 此，可以基本消除开通损耗。

        断开状态的情况 (见图 3 ) 与此类 似。硬开关 (见图 3a ) 产生的损耗最 大。图 3b 所示为缓冲模式，使用了 一个 C (电容器) 型缓冲电路，与器 件并联，减少了器件的电压变化率 dV/dt。图 3c 所示为软开关的断开状 态 (零电流开关)。
        绝缘栅双极晶体管 (IGBT) 器件，在 软开关模式下，开通和关断的状态 如图 4 所示。

        AC/DC/DC 拓扑描述
        图 5 所示为 BORDLINE M 系列变流 器结构体系的拓扑图，既具有高可靠 性，又降低了成本。采用了脉宽调 制技术和谐振技术，因此可以在所 有运行工况下实现高效率的转换。 牵引电源设计人员面临的最大 挑战是变流器输入端的输入电 压变化范围较大。
        第一级变流器是 AC/DC 整流器，以 脉宽调制硬开关模式工作；而第二 级 DC/DC 是带隔离的三电平半桥拓 扑结构，在 LLC 谐振模式下工作。由 于使用了谐振技术，第二级变流器 能保证在所有运行。工况下，实现 零电压开关 (ZVS) 和准零电流开关 (ZCS)，因此大大降低了半导体器件 中的开关损耗。在第三级，三相逆 变器和电池充电机与第二级的中间 直流回路相连。

        三电平 PFC 升压变流器
        以硬开关模式运行的三电平 PFC 升 压变流器接收易变的输入电压 (在 设计中， 输入电压的变化范围在 700 Vrms 和 1,300 Vrms 之间)。利 用占空比调制技术，在输出端产生 恒定电压。该恒定电压馈送到第二 谐振级，始终保证输入电流是正弦 波，相位与线电压一致。三电平 PFC 升压变流器通过一个输入桥式整流 器和三电平 DC/DC 变流器得以实 现。使用一个升压电感 (Ls) 存储线 路能量用于升压动作，同时，为了 满足电流谐波的要求，需使用抗电 磁干扰 (EMI) 的输入滤波器。
        为限制半导体的功率损耗，IGBT 的 开关频率调得很低。发送给三电平 升压变流器的半导体器件的导通信 号可以有效错开 (基于开通周期相差 180°)，利用这种错开可能性，整个 五电平变流器 (如在网络上看到的那 样) 的等效开关频率高于 6.5 kHz。 由于等效开关频率增加，升压电感 器 (是常规两电平升压变流器电感的 四分之一) 和电磁干扰输入滤波器的 尺寸均可缩小，后者尺寸受制于标 准要求的谐波电流减小的程度。 采用有源补偿，可以解决意料 之外谐波的相关问题。
        PFC 变流器的控制
        控制系统采用标准 PI 调节器 (见图 6 )。通过“外部较慢”的闭环回 路，标准的级联控制方案可保证中 间直流回路的电压调节符合需要， 通过一个“ 内部较快” 的闭环回 路，保证升压电感电流的控制。这 样，可在线网一侧满足所需的高功 率因素。在输入桥式整流之后可立 即实现内部电流控制所需的线网电 压同步 (PLL)。然后，将占空比参考 信号 (正弦参考) 与两个三角形载波 信号 (其频率等于所需器件的开关频 率) 进行比较，获得三电平升压变流 器器件的两个错开的导通信号。两 个附加前馈作用 (一个作用于参考电 流，另一个作用于参考线网频率)，使得控制过程中的响应更快，从而 获得一个稳态运行模式。
        由于等效开关频率的增加，使 得升压电感器和电磁干扰输入 滤波器的尺寸均可缩小。

        模拟仿真的运行工况如下：50 kW 输出功率，700 Vrms 输入电压和 2,000 V 直流母线设定点电压 (见 图 7 )。控制方案的执行结果表明， 在整个输入电压范围内，应对所有 负载条件， 控制性能都非常好， 同时，在轻载工况 (输出功率不到 额定功率的 20 %) 和高输入电压 (高 于 1,200 Vrms) 的条件下，情况也 是如此。在这些条件下，线路电流 呈现的谐波失真度通常非常高，但 通过对不期望的谐波实施有源补偿 的方法，就有可能解决与这些谐波 有关的所有问题，并完全符合相关 铁路电网电磁污染的国际标准。所 测量到的线路电流 (也可能是对开关 频率谐波经过适当过滤后的升压电 感器电流) 添加到了参考正弦电流 上。而从理论上说，参考正弦电流 应在网络内循环。然后，将这一经 过修正的参考信号与实际升压电流 进行比较，并通过 PI 控制器进行处 理。图 8 比较了经过补偿的线路电 流与线网电压。

        由于使用了谐振技术，在所有 运行条件下，第二级变流器均 能保证零电压开关 (ZVS) 及准 零电流开关 (ZCS)。
        带隔离的三电平半桥电路
        实现电隔离 (见图 9 ) 的谐振变流器 由若干元素组成：DC/AC 三电平前 端变流器 (接收稳定 DC 电压)、具有 三个无源元件的谐振电路 (采用外 部谐振电容器和变压器寄生阻抗)、 具有理想绕组匝比的电隔离变压器 (目的是为了保证适当的输出直流电 压)、用于整流变压器输出的输出桥 式整流电路等。

        谐振振荡电路的设计如下：由于关 断电流非常小，三电平 DC/AC 前端 变流器的所有器件都能够在零电压 和准零电流模式下运行。实际上， 零电压模式可保证所有四个有源器 件的开通损耗都为零，所有相应的 稳流二极管 (free-wheeling diodes) 的反向恢复损耗为零。再者，三元 件谐振振荡电路可让桥式整流器 (在变压器输出端) 在反向恢复能量 为零的状态下运行，而含有低谐波 的谐振电流可大大降低无源零部件 损耗 (见图 11 )。总而言之，第二级 变流器的所有开关损耗基本上均可 降低至零，极大地提高了变流器的 总体效率。
        由于变压器磁化电感的影响， 变流器性能对负载或系统参数 变化并不敏感。
        谐振变流器的控制
        由于输入变流器电压已通过输入 PFC 的升压级进行稳压处理，谐振级采 用的控制技术因此非常简单。不管 线网输入电压如何变化，实际上， 变流器都始终在单一电压下运行。 由于变压器磁化电流的作用，变流 器性能因此与负载无关。另外， 图 9 所示的三电平 DC/AC 逆变器 所有器件的开关功能， 均被交错 调制方法移动了 180°。发生在谐振 振荡电路中无源器件上的等效频 率是半导体器件的两倍。特别是在 BORDLINE M 系列中，所有谐振振 荡电路中的无源元件的主频率均 设计成 15 kHz，而半导体器件的开 关频率只是该主频率数值的一半 (7.5 kHz) (见图 11 )。

        第二级变流器的所有开关损耗 基本上都降至零，极大地提高 了变流器的总体效率。
        与谐振变流器相关的最重要的问题 是在无源零部件参数变化时，系统 的稳固性问题。所以， 有必要评 估下面的问题：变流器损耗如何受 到这种变化的影响， 以及正确的零电压和零电流开关动作是否仍然 能够得到保证。图 10 所示为使用 Simetrix® 进行模拟仿真获得的绝缘 栅双极晶体管 (IGBT) 的“平均循 环损耗”曲线图。图中显示，如将 谐振频率固定在 15 kHz (如本文中 的应用)，即使开关频率变化高于设 计值 20 % 时，也能够限制谐振 DC/ DC变流器中每个 IGBT 的平均循环 损耗。在真正实际应用时，开关频 率相当稳定，但由于零部件公差、 温度和老化等方面的原因，谐振振 荡电路的频率也会发生变化。由于 变压器磁化电感的作用，变流器性 能对负载或系统参数变化并不敏 感。但是，如果谐振电路在高于谐 振频率的情况下工作，问题或许就 出现了。在这种情况下，就不存在 零电流运行模式。
        试验结果
        新型 BORDLINE M 系列 (见图 12 ) 对 变流器测试获得的试验结果如图 13 和 14 所示。特别是，在 700 Vrms 至 1,300 Vrms 之间的整个输入电压 范围内选择了几个电压，对变流器 效率进行了测试，同时也考虑了不 同散热温度的情况。