CN206650590U - 低地板车辅助变流器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种低地板车辅助变流器，包括辅助逆变器和充电机，所述辅助逆变器包括Buck三电平变换器、LLC谐振变换器和三相半桥逆变器，所述Buck三电平变换器、LLC谐振变换器和三相半桥逆变器依次串联。本实用新型的低地板车辅助变流器具有转换效率高、高频化、开关损耗小以及轻量化等优点。

Description

低地板车辅助变流器

技术领域

本实用新型主要涉及轨道交通技术领域，特指一种低地板车辅助变流器。

背景技术

传统车载辅助变流器包括辅助逆变器(SIV)和充电机，其中辅助逆变器由三相半桥逆变器、工频变压器、输出滤波器组成，充电机具体采用半桥DC/DC变换器，具体电路如图1所示。

低地板车载辅助逆变器输入为750V供电网，通过三相半桥逆变器转换成三相交流电，再经工频变压器隔离降压，滤波之后得到AC380V，为车载用电系统供电。充电机输入同样为750V供电网，经半桥直直变换，为蓄电池组提供24V充电电源。

由于变压器工作频率低(50Hz)，其体积、重量和成本较大，随着列车电源技术的发展，传统的工频变压器SIV方案越来越难以满足辅助变流器的供电容量要求和列车的空间限制。其次，传统SIV输入电压波动范围广，如低地板750V输入电压范围在525V-900V，最高1270V，通常按最恶劣的工况选取开关管耐压值，导通压降较大，限制系统效率的提升。另一方面，SIV输入端工况复杂，要求设计者充分考虑各种工况对SIV器件的影响，不利于SIV的模块化与系列化。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本实用新型提供一种变换效率高、轻量化的低地板车辅助变流器。

为解决上述技术问题，本实用新型提出的技术方案为：

一种低地板车辅助变流器，包括辅助逆变器和充电机，所述辅助逆变器包括Buck三电平变换器、LLC谐振变换器和三相半桥逆变器，所述Buck三电平变换器、LLC谐振变换器和三相半桥逆变器依次串联。

作为上述技术方案的进一步改进：

所述充电机包括半桥DC/DC电路，所述半桥DC/DC电路的输入端与所述Buck三电平变换器的输出端相连。

所述Buck三电平变换器包括输入均压电容C1和C2、二极管D1和D2、开关管Q1和Q2、输出滤波电感L2、滤波电容C3和C4组成；其中均压电容C1和C2串联后跨接在Buck三电平变换器的输入电源的两根电源母线a、b上，所述二极管D1和D2串联后跨接在母线a、b上，滤波电容C3和C4串联后跨接在母线a、b上，所述开关管Q1串联在均压电容C1与二极管D1之间的直流母线a上，开关管Q1的集电极与C1相连，射极与D1的负极相连，所述开关管Q2串联在均压电容C2与二极管D2之间的直流母线b上，开关管Q2的集电极与D2的正极相连，射极与C2相连，输出滤波电感L2串联于D1与C3之间的直流母线a上。

所述LLC谐振变换器包括依次相连的开关网络、谐振腔电路、整流电路和滤波器。

所述谐振腔电路包括变压器T1、谐振电容Cb和谐振电感Lr，所述谐振电容Cb和谐振电感Lr串联在变压器T1的原边。

所述Buck三电平变换器的输入端串联有滤波电感L1。

与现有技术相比，本实用新型的优点在于：

本实用新型的低地板车辅助变流器，采用依次串联的Buck三电平变换器、LLC谐振变换器和三相半桥逆变器，其中Buck三电平变换器中的开关管应力为普通斩波电路的一半，可采用电压等级更低的IGBT，有利于变换器高频化；LLC谐振变换器可以在全负载范围内实现开关管的零电压开通和整流二极管的零电流关断，从而减小开关损耗，提高变换效率，有利于开关频率进一步提升；相比工频隔离电路，其磁性元件重量大大降低；通过以上各电路的设置，实现了辅助逆变器的整体轻量化。

附图说明

图1为现有技术的辅助变流器的电路原理图。

图2为本实用新型的电路原理图。

图3为本实用新型中Buck三电平变换器的工作波形图。

图4为本实用新型中LLC谐振变换器的工作波形图。

图中标号表示：1、辅助逆变器；11、Buck三电平变换器；12、LLC谐振变换器；13、三相半桥逆变器；2、充电机。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体实施例对本实用新型作进一步描述。

如图2至4所示，本实施例的低地板车辅助变流器，包括辅助逆变器1和充电机2，辅助逆变器1包括滤波电感L1、Buck三电平变换器11、LLC谐振变换器12和三相半桥逆变器13，滤波电感L1、Buck三电平变换器11、LLC谐振变换器12和三相半桥逆变器13依次串联，输入电压(如DC750V)依次经滤波电感滤波，再经Buck三电平变换器11降压斩波、LLC谐振变换器12高频隔离，再经三相半桥逆变器13的两电平逆变，得到AC380V交流电源。本实用新型的低地板车辅助变流器，采用依次串联的Buck三电平变换器11、LLC谐振变换器12和三相半桥逆变器13，其中Buck三电平变换器11中的开关管应力为普通斩波电路的一半，可采用电压等级更低的IGBT，有利于变换器高频化；LLC谐振变换器12可以在全负载范围内实现开关管的零电压开通和整流二极管的零电流关断，从而减小开关损耗，提高变换效率，有利于开关频率进一步提升；相比工频隔离电路，其磁性元件重量大大降低；通过以上各电路的设置，实现了辅助逆变器1的整体轻量化。

如图2所示，本实施例中，充电机2包括半桥DC/DC电路，半桥DC/DC电路的输入端与Buck三电平变换器11的输出端相连。其中充电机2采用半桥DC/DC电路将斩波输出电压转换为24V DC，用于为车载蓄电池组充电，具体包括输入电容C3、C4，开关管Q3、Q4，变压器T2，整流二极管D7、D8，滤波电感L3，输出滤波电容C7。充电机2按照蓄电池充电曲线调节输出电压。

如图2所示，本实施例中，Buck三电平变换器11包括输入均压电容C1和C2、二极管D1和D2、开关管Q1和Q2、输出滤波电感L2、滤波电容C3和C4组成；其中均压电容C1和C2串联后跨接在Buck三电平变换器11的输入电源的两根电源母线a、b上，二极管D1和D2串联后跨接在母线a、b上，滤波电容C3和C4串联后跨接在母线a、b上，开关管Q1串联在均压电容C1与二极管D1之间的直流母线a上，开关管Q1的集电极与C1相连，射极与D1的负极相连，开关管Q2串联在均压电容C2与二极管D2之间的直流母线b上，开关管Q2的集电极与D2的正极相连，射极与C2相连，输出滤波电感L2串联于D1与C3之间的直流母线a上。开关管Q1和Q2为交错控制，驱动信号相差180°相位，Buck三电平变换器11额定输入电压750V，稳压输出450V，故占空比大于0.5，设计10％负载时变换器仍工作在电流连续模式，电感电流和开关管的工作波形如图3所示。Buck三电平变换器11电路开关管应力为普通斩波电路的一半，可采用电压等级更低的IGBT，有利于变换器高频化；通过错相控制，在相同条件下可以降低斩波输出电感纹波和电容纹波，减小滤波器的体积。

本实施例中，LLC谐振变换器12包括依次相连的开关网络、谐振腔电路、整流电路和滤波器。其中开关网络包括开关管Q5、Q6、Q7和Q8，谐振腔电路包括变压器T1、谐振电容Cb和谐振电感Lr，谐振电容Cb和谐振电感Lr串联在变压器T1的原边；全桥整流电路由D3、D4、D5和D6构成；滤波器由输出滤波电容C5和C6构成。由于LLC谐振变换器12输入电压恒定，可实现其定频控制，有助于变换器的简化设计。开关频率为19k，略小于LC谐振频率fr，即变换器工作在fm<fs<fr的频段。变换器在fm<fs<fr频段内的工作模式和波形如图4所示。在此工作频率范围内，LLC变换器的输出电压表达式为：

其中f为开关频率，n为变压器匝比，Im为激磁电流最大值。当输入电压Vin_llc变化时，为维持输出电压稳定，必须调节开关频率。本系统由于前级BuckTL已经实现稳压，故采用定频控制的方法，合理设置变压器匝比，即可获得所需输出电压。

由图4可知，LLC谐振变换器12可以在全负载范围内实现开关管的零电压开通和整流二极管的零电流关断，从而减小开关损耗，提高变换效率，从而有利于开关频率进一步提升；相比工频隔离电路，其磁性元件重量大大降低。

本实施例中，三相半桥逆变器13将LLC谐振变换器12输出的直流电(700V)转换成380V/50Hz交流电。三相半桥逆变器13包括输入电容C5、C6，三相桥臂开关管Qs1-Qs6，输出滤波电感Ls1-Ls3，输出滤波电容Cs1-Cs3。由于LLC谐振变换器12输出稳定，三相半桥逆变器13采用开环的SPWM调制，以简化SIV的控制。同时，SIV的工作不受输入电压波动的影响，可采用电压等级更低的IGBT，降低导通压降，进一步提高工作频率，也有助于SIV的模块化和系列化。

本实施例中，采用LLC谐振变换器12作为高频隔离电路，省去了传统辅助变流系统中的工频变压器，大大减小了系统的体积重量；LLC谐振变换器12可方便实现软开关，减小开关损耗，提高工作效率。引入Buck三电平变换器11，为LLC谐振变换器12提供一个稳定的输入电压，实现其定频控制，简化变换器设计，同时，Buck三电平变换器11采用错相控制，可有效减小滤波器的体积重量，进一步实现轻量化。

Buck三电平变换器11与LLC谐振变换器12的组合电路为辅助逆变器1提供了一个稳定的直流电压，使其输入电压不受电网电压波动的影响，控制更加简单，可采用电压等级更低的IGBT，有利于系统的高频化，能进一步减小其输出滤波电感和电容体积重量。

虽然本实用新型已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本实用新型。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本实用新型技术方案范围的情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本实用新型技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本实用新型技术方案的内容，依据本实用新型技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本实用新型技术方案保护的范围内。

Claims (6)

1.一种低地板车辅助变流器，包括辅助逆变器(1)和充电机(2)，其特征在于，所述辅助逆变器(1)包括Buck三电平变换器(11)、LLC谐振变换器(12)和三相半桥逆变器(13)，所述Buck三电平变换器(11)、LLC谐振变换器(12)和三相半桥逆变器(13)依次串联。

2.根据权利要求1所述的低地板车辅助变流器，其特征在于，所述充电机(2)包括半桥DC/DC电路，所述半桥DC/DC电路的输入端与所述Buck三电平变换器(11)的输出端相连。

3.根据权利要求1所述的低地板车辅助变流器，其特征在于，所述Buck三电平变换器(11)包括输入均压电容C1和C2、二极管D1和D2、开关管Q1和Q2、输出滤波电感L2、滤波电容C3和C4组成；其中均压电容C1和C2串联后跨接在Buck三电平变换器(11)的输入电源的两根电源母线a、b上，所述二极管D1和D2串联后跨接在母线a、b上，滤波电容C3和C4串联后跨接在母线a、b上，所述开关管Q1串联在均压电容C1与二极管D1之间的直流母线a上，开关管Q1的集电极与C1相连，射极与D1的负极相连，所述开关管Q2串联在均压电容C2与二极管D2之间的直流母线b上，开关管Q2的集电极与D2的正极相连，射极与C2相连，输出滤波电感L2串联于D1与C3之间的直流母线a上。

4.根据权利要求1至3中任意一项所述的低地板车辅助变流器，其特征在于，所述LLC谐振变换器(12)包括依次相连的开关网络、谐振腔电路、整流电路和滤波器。

5.根据权利要求4所述的低地板车辅助变流器，其特征在于，所述谐振腔电路包括变压器T1、谐振电容Cb和谐振电感Lr，所述谐振电容Cb和谐振电感Lr串联在变压器T1的原边。

6.根据权利要求1至3中任意一项所述的低地板车辅助变流器，其特征在于，所述Buck三电平变换器(11)的输入端串联有滤波电感L1。