Z矗a五ⅡⅢE皿菪第24届地铁学术交流会现代有轨电车IGBT电池充电系统研究王玉摘要：以阿尔斯通公司为劳尔现代有轨电车设计的牵引电池包充电系统为依据，并结合目前轨道交通行业中该类充电系统的设计，具体分析介绍该类由IGBT组成的DC-DC系统在现代电车上的实际应用情况。1现代有轨电车的发展前景在拥挤的城市生活中，面对资源短缺、环境保护等问题。现代有轨电车在建设方面具有每公里造价低、建设周期短、占用空间少的特点。在运营方面作为电力牵引车辆，具有无污染、噪音小、运量大等特点。未来该类现代有轨电车势必成为主流公共交通工具，非常值得推广。下面以天津TRANSLOHR有轨电车为例，介绍一下该类欧洲进口电车的电池充电部分情况。该车以顶部架空接触网为车辆提供电源，受电弓升起将电能引入车辆提供动力，日常行驶为受电弓升起模式，并且顶部设有动力电池组，在有接触网供电的状态下，牵引逆变器上的充电器为电池组充电；当电车行驶至无网区时，降下受电弓转换为动力电池牵引模式。此种设计可满足电车行驶在一些不适合建造架空接触网的区域，扩大电车运营范围。图1天津TRANSLOHR现代电车实物图2劳尔电车电池包充电系统的介绍下面介绍一下与电池包配合使用的充电系统。该牵引电池充电器内部采用IGBT（绝缘栅晶体管）半导体元件。使用移向集成控制板向IGBT发出高关断的频率驱动，将输入的DC750V电源转换为交流PWM锯齿波，经外接变压器转换成适用于电池包充电的交流600V，再经过全波整流桥及多级LC滤波电路将电压变化为适用于电池包充电系统的DC600V，从而实现了DC-DC降压充电的目的。此电路在实现电压装换的同时，多级滤波亦可将电流中的谐波干扰减到最小，防止对附近用电设备及信号传输产生干扰。由于IGBT接收来自TCU命令控制系统中光纤驱动器的高频开关信号，信号装换频繁，并具有一定发热量，如不能及时降温会影响系统工作状态。所以在此充电系统上IGBT半导体及相关电容电感，电压电流传感器等均安装在突出铝模块上，在模块内有循环冷水。从而给参与5302015中国（天津）区域轨道交通发展及装备关键技术论坛电压转换的一次回路部件提供冷却，防止因温度过高影响部件使用。图2TRANSLOHR现代电车牵引电池充电器实物图3充电原理解析3.1传统的高频桥式逆变主电路原理以图3为例，介绍一下传统高频桥式逆变主回路的原理，由V1～V4IGBT双绝缘栅晶体管、整流桥及LC滤波电路构成的DC/DC变换的主电路。图3PWM桥式DC/DC变换电路图图4DC/DC变换逻辑531篮静韭．臻亨{{}}茸!第24届地铁学术交流会如上面图3、4所示，IGBT接收的驱动信号在同一周期内为以下情况：tl～t2区间内，V1和V4导通，变压器原边电压为正相电压；t3～t4区间内，V2和V3导通，变压器原边电压为反相电压。t2～t3区间内任何一只IGBT都不导通，这段时间称为“死区”，主要是考虑防止上下桥臂的两只IGBT同时导通造成桥臂的“贯通”短路。该类装置上使用的双绝缘栅晶体管一般采用双单元，即一个模块上集成了上下桥臂的两个IGBT，电路结构简单。此类传统桥式逆变电路因为IGBT工作在高频状态，因此，其开关损耗大，散热困难。为解决高频的开关损耗问题，目前国际上多采用移相控制技术实现IGBT的准软开关控制。3.2传统PWM开关电源优缺点传统的PWM型开关电源具有控制简单的优点，缺点是开关损失随开关频率的提高而增加。造成PWM变换器开关损失较大的原因是：（1）开关器件的通、断都是强制的；（2）开关器件是非理想的，即开和关不能瞬间完成，都需要一定时间；（3）开关器件及与之相连的器件都有寄生参数，使通过开关器件的电压和电流不是纯方波，功率管在开、关过程中会产生开关器件的电压、电流波形交叠现象，从而产生开关损失。随着频率的增加，开关损失在全部损失中所占比例也随着增加。3.3移相式DC/DC变换电路原理简述图5移相式DC/DC变换电路天津TRANSLOHR现代电车电池充电系统采用以上此类移相式控制方式，该类控制方式以达到欧美90年代后期水平。原理如下：电桥左右两个桥臂的上下两个开关管（V1～V2，V3～V4）被施以180°互补的驱动信号，上下两管180°互补导通。因此除上下两管导通的死区外，电路中总有两个开关管同时导...