城轨车辆辅助系统DC 110V电源电路拓扑结构分析

程永谊，轩云龙

（1 铁科院（北京）工程咨询有限公司，北京100081；2 国家知识产权局专利局专利审查协作北京中心，北京100190）

城轨车辆辅助系统低压电源包括DC 110V和DC 24V电源，其中DC 110V电源兼作蓄电池充电机。DC 110V电源主要用于贯穿全车的列车正常供电永久母线、控制母线和一些信号灯（少数车辆也用作客室一部分照明）用电。DC 110V电源有直接变流与间接变流两种模式，前者的输入电源为电网电压DC 1 500V或DC 750V，即DC—DC变流模式，后者的输入电源为辅助逆变器输出电压AC 380V，即DC—AC—DC变流模式。DC 24V电源主要用于车辆头灯电源。

DC 110V电源在列车上的配置一般是每列车两台，其功率应当满足一台故障时另一台能完全满足全列车的正常工作，因此对它的容量冗余度要求较高。以6辆编组B型列车为例，每列车设两台，每台功率20～25 kW（少数集中并网供电，共设4台，每台12kW）。DC 24V电源多数城轨车辆采用统一规格的DC—DC模块，功率较小，每台1～2kW。本文主要介绍DC 110V电源变流器。

1 直接变换DC—DC变流器电路型式

由DC 1 500V或DC 750V供电的直接变换的DC—DC变换器有双桥式DC—DC型和单桥式DC—DC型，单桥式DC—DC型又有单相桥式变流器和谐振式变流器两种。

1.1 双桥式DC—DC变流器

用于DC 1 500V供电系统的电路如图1所示。双桥式DC—DC变流器采用两台单相半桥高频逆变器INV串联，它们之间用支撑电容器（即滤波电容）C01、C02分压。其输出分别给两台高频降压变压器T原边绕组供电，高频变压器降压输出后分别通过两台快恢复二极管构成的推挽式整流电路R整流，然后分别通过滤波器滤波，最后将两台变流器的输出并联，给DC 110V负载供电。其中高频逆变器可以采用PWM调制以控制直流输出电压，这种变流器也是模块化结构，若用于DC 750V供电的系统只须将两台逆变器输入端并联即可。

图1 双桥式DC—DC变流器电路

这种电路的优点是可以在DC 1 500V供电的系统中用低电压的IGBT（1 700V）并使用了高频变流技术，但电路复杂、控制要求高、所使用的电力电子器件多，器件多则故障概率高。在早期IGBT水平较低的时候是有优势的，如广州地铁1号线，目前3 300VIGBT已广泛应用。

1.2 单相桥式DC—DC变流器

单相桥式DC—DC变流器（如图2）采用DC 1 500 V或DC 750V输入，经过下列环节L-C输入滤波器-单相高频逆变器，其可采用全桥逆变电路和半桥逆变电路。逆变时可以用PWM调制以调节该系统的输出电压—高频变压器（起隔离与降压两个作用）—快恢复二极管构成的单相高频整流器（可以采用桥式电路也可以采用推挽电路）—L-C输出滤波器—DC 110V输出。该电路相对而言较简单，使用部件少；由于采用高频技术，整个设备体积更小、质量更轻，工作可靠性不依赖于辅助逆变器。因此，深圳1号线采用此电路，但该系统对高压高频变流器及变压器制作工艺要求高，价格较贵。

图2 单相桥式DC—DC变流器框图

1.3 谐振式DC—DC变流器

用于DC 1 500V供电系统的谐振式DC—DC变流电路（如图3）采用两个双IGBT模块M1、M2串联接至DC 1 500V电源，两个滤波电容器C1、C2起均压作用，高频变压器T绕组（用它的漏感L）与电容构成串联谐振电路。该谐振电路两端分别接至IGBT模块中点，变压器次边绕组输出，通过推挽式高频整流器及L-C滤波器后输出DC 110V电压。只要谐振参数选择得当（IGBT的开关频率fs小于谐振频率fr的一半，即，其中谐振频率），变流器的IGBT就能满足软开关要求，并能降低开关损耗与电磁干扰。同时由于串联电容可以隔断直流分量，因此亦可以避免变压器磁饱和，并可调节fs以控制输出电压。

该电路优点是对于能实现软开关的变流器来说电路简单，并使用了高频技术。缺点则是对系统控制要求高，尤其是对变压器制造精度要求高，维护工作有一定难度，在轻载和空载时输出电压难于调节，杭州1号线即采用此电路结构。如果用于DC 750V供电的系统，只需将双IGBT模块的输入端改成并联即可。

图3 谐振式DC—DC变流器电路

1.4 直流模块隔离DC—DC变流器

直流模块隔离DC—DC变流器电源系统的框图（图4（a）），包括3个模块，其中1为直流模块，2为逆变模块，3为低压电源模块，直流模块与低压电源模块的电路原理如图4（b）和4（c）所示。

图4 电源模块原理图

直流模块包括升压斩波器CH、谐振式逆变器INV1和整流器R1三部分。升压斩波器直接由网压输入，设置升压斩波器的目的是为了使谐振式逆变器的输入电流稳定，不受电网电压波动的影响，并将网压升至某一恒定值，如1 800V。其输出经谐振逆变器—高频变压器—高频整流器后输出恒定的DC 700V电压，同时给逆变器和低压电源供电。低压电源模块将DC 700 V电压经单相高频逆变INV2—变压器T2降压—推挽整流器R2—L2、C2滤波后输出DC 110V电压。该电路过于复杂，仅适用于谐振式逆变器作隔离的辅助逆变器系统中（该系统中辅助逆变器容量为110kVA，低压电源功率为12kW）。

由上述可见，所有直接DC—DC变流器都是经过电网输入—高频变换—整流构成，本质上都是DC—高频AC—DC系统，高频变换使得变压器体积、总重大大减小，例如一台4kHz200kVA的变压器总重仅为同容量50Hz变压器的1／6。但高频变换也导致元器件的开关损耗增大，如果能使用软开关技术，则能两全其美，但也使得电路变得较为复杂。由于采用电网直接供电方式，DC—DC变流器工作的可靠性仅取决于自身，与辅助逆变器无关，因此，已应用在上海、深圳、广州、杭州等城轨车辆上。

2 间接DC—DC变流器电路型式

目前，采用由辅助逆变器供电的间接DC—AC—DC变流器主要有6种电路拓扑结构，包括采用单独变压器供电、辅助变压器次边绕组供电、高频隔离供电、降压斩波器供电、升压斩波器供电和脉冲整流器供电等电路，具体如下。

2.1 单独变压器供电型式

单独变压器由辅助逆变器输出的AC 380V供电，降压后通过三相二极管整流桥及滤波器输出DC 110V电压。在此电路结构中，由于直流输出电压不可控，因此蓄电池充电电流亦不可调，通过将二极管整流桥改为三相可控整流桥，可实现充电电流根据蓄电池电压和温度进行控制。同时，也存在附加的50Hz变压器体积、总重大等不足。

2.2 辅助变压器次边绕组供电型式

辅助电源的变压器次边绕组，除了三相AC 380V外，另有一组为DC 110V供电的低压三相绕组，其输出经晶闸管三相整流桥RF及滤波器DCL、DCF输出DC 110V电压，这种电路如图5所示，即采用晶闸管桥实施相控整流。采用晶闸管整流，虽然输出电压可控，但电压波形脉动依然较大，因此对滤波要求高。

图5 辅助逆变器次边绕组供电电路

以上两种变流器的共同优点是电路简单，价格低。共同的缺点是：①输出电压脉动大，尤其是当采用晶闸管整流，虽然输出电压可控，但电压波形脉动大，则对滤波要求高；②低压电源依赖于辅助逆变器，一旦逆变器故障，也同时失去了对DC 110V供电。

2.3 辅助逆变器高频隔离供电型式

在此电路结构（图6）中，由辅助逆变器AC 380V输出，经三相二级管整流桥R整流后经L1、C1滤波，通过高频单相逆变器INV变换为高频交流电压，然后由高频变压器降压，再通过快恢复二极管桥RF整流、L2、C2滤波后输出DC 110V电压。这种DC—AC—DC变流器由于采用高频技术，其变流器输出电压波形纹波小，对滤波器要求低；并高频变压器体积小，质量轻，可使整个设备轻量化；通过在逆变时采用PWM调制技术，其整流后的输出电压可控，且蓄电池充电电流可调。但其对所用材料及技术和制造工艺要求高，如快恢复二极管、适用于高频的变压器等，提升了设备整体成本。

图6 辅助逆变器高频供电电路

2.4 降压斩波器供电型式

该电路系统结构如图7所示。采用三相AC 380V输入，经过变压器FRT降压，利用三相二极管桥R整流，后经降压斩波BCH稳压，再经过输出滤波器BCFL与BCFC滤波，然后得到DC 110V输出。其中，BCCT1与BCPT分别为电流、电压传感器，BCFL、BCFC为滤波电抗、电容器，用于减少直流电输出电压脉动。

图7 降压斩波器供电电路

2.5 升压斩波器供电型式

该电路系统结构如图8所示。采用三相AC 380V输入，经变压器降压后，再通过三相二极管桥整流，经升压斩波器稳压，输出滤波器滤波后，输出DC 110V。其中L为升压斩波器储能电感，C为输出滤波器电容器。

图8 升压斩波器供电电路

以上2.4与2.5两种利用斩波器稳压的电路，系统输出电压的纹波取决于斩波器的斩波频率。这两种电路的优点是电路简单，输出电压及其纹波可控，可完全满足系统控制要求，降压斩波电路尤为简单，升压斩波电路较为复杂，需要增加一个空芯电抗器作为储能电感。

2.6 脉冲整流器供电型式

该系统由辅助逆变器的另一副边绕组W2给三相PWM脉冲整流器RP供电，如图9所示。在正常工作情况下，额定输出电压DC 110V，由于采用PWM调制，输出电压调节范围为DC 77～137.5V。纹波小，为0.7V。在故障情况下，例如电网失电或辅助逆变器故障，脉冲整流器作应急通风逆变器运行。当电网失电时，由蓄电池供电，脉冲整流器逆变输出三相AC 250V±5%，35Hz，额定功率135kVA，总谐波损失≤8%，功率因数cosφ=0.63。

图9 脉冲整流器供电电路

在以上的6种间接DC—DC变流器电路中，均依赖于辅助逆变器，采用辅助逆变器供电的高频DC—AC—DC变流器经整流、滤波后输出电压品质较好，脉动小，通过采用高频技术，也适当降低了变压器总重，其电路简单、成熟可靠，已应用在北京、广州、沈阳、无锡、昆明、重庆等城轨车辆上。

3 结束语

（1）由于DC 110V电源兼作蓄电池充电机，为确保蓄电池失压情况下可靠工作，可通过应急启动单元将1 500V直流电压转换到隔离的110V直流母线上，从而给辅助逆变器内部的控制电路供电并启动蓄电池充电机，此电路虽复杂但整体性能优于采用内部应急蓄电池启动辅助逆变器和低压电源的方案，目前广泛应用在杭州、苏州、上海和宁波等城轨车辆上。

（2）低压电源是车辆的关键设备，直接影响列车控制系统的工作安全可靠，同时兼做蓄电池充电机，笔者认为DC 110V低压电源的工作可靠性以不依赖于辅助逆变器为妥，宜采用直接DC—DC变流器，谐振式DC—DC变流器具有电路简单、能达到软开关的效果、高频变压器体积小、质量轻等优点；当然也存在如本文所述的一些问题，应进一步研究优化直接DC—DC变流器电路结构，为城轨车辆提供稳定可靠的低压电源系统。

［1］李 新.HXD3型机车用DC 110V电源装置［J］.电力机车与城轨车辆，2008，31（2）：42-45.

［2］陈 颖，张铁军，贺正芸.大功率蓄电池组充电器主电路设计［J］.大功率变流技术，2009，32（2）：35-37.

［3］贺明智，刘宏亮，王 丹，冯 轲.串联负载谐振变换器的参数设计［J］.大功率变流技术，2009，32（3）：24-26.

［4］阮新波，严仰光.直流开关电源软开关技术［M］.北京：科学出版社，2000.