專利名稱：新型客車充電器的制作方法
技術領域：
本實用新型是有關于一種客車，尤其是指一種采用DC600V列車供電系統(tǒng)的旅客 列車的充電器。
背景技術：
目前新型25T、25G空調客車供電系統(tǒng)已取消了發(fā)電車，采用全列貫通DC600V直流 供電方式。在DC600V供電網(wǎng)下，每輛空調客車供電電源分別配置逆變器箱和充電器箱各一 臺，其中充電器箱由8kW的DC/DC充電器和3. 5kVA單相逆變器組成。 新型25T、 25G客車車輛控制系統(tǒng)和部分用電設備采用DC110V供電，其供電電源由 8kWDC/DC充電器提供。DC110V電源系統(tǒng)由每節(jié)車輛的8kW的DC/DC充電裝置和120Ah鎘 鎳堿性蓄電池組成，每單節(jié)車輛的DC110V電源系統(tǒng)單元通過二極管與全列DC110V干線并 聯(lián)，構成全列車DC110V供電網(wǎng)。3. 5kVA單相逆變器將DC 110V逆變成AC220V給車上的單 相交流負載使用。 充電器是DC600V客車的關鍵供電設備，DC600V客車對充電器的控制方式提出較 高的要求，充電器除具有本身相應的保護功能外，還應具有限流恒壓充電和溫度補償功能。 通常充電器主電路采用DC/DC全橋變換電路。 DC/DC直流變換器是將一種直流電源轉換成另一種或多種直流電能的變換 器。按開關管的開關條件，直流變換器可分為硬開關(Hard switching)和軟開關(Soft switching)兩種。硬開關直流變換器的開關器件是在承受電壓或流過電流的情況下開通或 關斷的電路，因此在開通或關斷過程中伴隨著較大的損耗，即所謂的開關損耗。變換器工作 狀態(tài)一定時，開關管開通或關斷一次的損耗也是一定的，開關過程中由于還存在布線電感 和寄生電容的振蕩，因而硬開關直流變換器的開關頻率越高，通態(tài)和動態(tài)損耗越大。軟開關 直流變流器的開關過程是通過外加電感和電容的諧振，使開關器件中電流(或兩端電壓) 按正弦或準正弦規(guī)律變化，當電流自然過零時，器件關斷；當電壓下降至零時，器件導通。開 關器件在零電壓或零電流條件下完成導通與關斷的過程，可以大幅度提高開關頻率，為變 換器的小型化和單位功率的提高創(chuàng)造條件。 根據(jù)軟開關直流變流器電路拓撲結構的不同，全橋變換器可分為移相控制零電 壓(ZVS)開關P麗DC/DC全橋變換器、移相控制零電流(ZCS)開關P麗DC/DC全橋變換器、 移相控制零電壓零電流(ZVZCS)開關P麗DC/DC全橋變換器。 目前國內可生產(chǎn)車載8kW DC/DC充電器的廠家有株洲電力機車研究所、南京華士 公司、武漢正遠、劍湖等四家。除劍湖采用德國技術，引進模塊組裝機組外，其他三家充電器 屬于早期開發(fā)研制的產(chǎn)品，雖都采用DC/DC全橋變換器拓撲，但電路形式和控制方式各不 相同。除一家采用的硬開關控制方式外，其余兩家均采用移相零電壓ZVS P麗控制方式。 硬開關P麗控制方式實現(xiàn)起來比較容易，控制也比較簡單。但開關頻率的提高受 到限制。這對機組的小型化和輕量化不利。 采用軟開關移相式零電壓ZVS P麗控制方式，跟采用硬開關技術比較起來，開關頻率較高。但這一控制方式仍存在不足，由于IGBT在關斷時存在電流拖尾現(xiàn)象，由此產(chǎn)生較 大的關斷損耗。為了減小關斷損耗，有必要給IGBT并聯(lián)一個較大的電容。雖然這樣可以減 小IGBT的關斷損耗，但也限制了開關頻率的提高。

實用新型內容本實用新型解決的技術問題是提供一種客車電流充電器，以便于提高開關頻率， 減小關斷損耗。 本實用新型的技術解決方案是一種新型客車充電器，其包括控制系統(tǒng)及充電器 主電路，其中，該充電器主電路包括輸入電路、輸出電路和連接于二者之間的DC/DC變換器 電路，該控制系統(tǒng)分別與輸入電路、DC/DC變換器電路及輸出電路相連接，所述控制系統(tǒng)包 括控制芯片和移相控制集成電路，控制芯片與外圍電路組成該充電器的控制、驅動及保護 電路，移相控制電路將控制信號經(jīng)驅動電路驅動IGBT，所述DC/DC變換器電路采用全橋零 電壓零電流P麗軟開關高頻變換器電路；客車DC600V電源接入輸入電路，在控制系統(tǒng)的控 制下經(jīng)過所述零電壓零電流開關的全橋DC/DC變換器電路轉換為DC110V直流電源，并由所 述輸出電路輸出。 如上所述的新型客車充電器，其中，所述輸入電路包括充電電路和輸入濾波電路， 所述充電電路包括串聯(lián)于DC600V電源接入端作為的充電接觸器、充電電阻、短路接觸器、 快速熔斷器和支撐電容，且充電電阻與短路接觸器并聯(lián)后接于充電接觸器與快速熔斷器 間；所述輸入濾波電路包括輸入電抗器、前述支撐電容和EMI濾波器。 如上所述的新型客車充電器，其中，所述輸入電路還包括放電電路，該放電電路包 括串接的放電接觸器和放電電阻。 如上所述的新型客車充電器，其中，所述輸入電路還包括連接于輸入電路正負母 線間的輸入電壓傳感器，以及用于檢測支撐電容電壓的中間電壓傳感器，輸入電壓傳感器 和中間電壓傳感器的輸出端連接到控制板并經(jīng)80196KC控制芯片判斷后，以控制充電接觸 器的通斷。 如上所述的新型客車充電器，其中，所述DC/DC變換器電路包括四個IGBT功率模
塊、高頻變壓器和全波整流電路，其中兩個功率模塊為超前臂開關管，另外兩個為滯后臂開
關管，高頻變壓器原邊上串接有諧振電容，高頻變壓器的副邊接全波整流電路。 如上所述的新型客車充電器，其中，所述輸出電路包括輸出濾波電抗器、濾波電
容、EMI濾波器和阻斷二極管，前述全波整流電路整流后的高頻直流電壓通過輸出濾波電抗
器和濾波電容輸出穩(wěn)定的直流電，再通過阻斷二極管輸出至本車、全連通干線及/或蓄電池。 如上所述的新型客車充電器，其中，控制芯片為196系列單片機80C196KC，該移相 控制集成電路為UC1875或UC2875型，其輸出兩組(A-B，C-D) 180°互補且滯后時間可調的 IGBT柵極觸發(fā)信號，供與所述超前臂開關管和滯后臂開關管。 如上所述的新型客車充電器，其中，所述超前臂開關管關斷，電路進入環(huán)流狀態(tài)后 到滯后臂開關管關斷的時間間隔大于電流回零時間。 本實用新型的特點和優(yōu)點是本實用新型是唯一采用了零電壓零電流(ZVZCS)開 關的全橋DC/DC變換電路的可應用于DC600V列車供電系統(tǒng)的旅客列車上的充電器，其在很大的負載變化范圍內使變換器超前臂開關管在零電壓下開關，滯后臂開關管在零電流下導 通與關斷，解決IGBT的電流拖尾問題，降低了開關損耗，提高了效率，實現(xiàn)了機組的小型化 和高頻化。

圖1為本實用新型的客車充電器的系統(tǒng)框圖。 圖2為本實用新型的客車充電器主電路原理圖。
具體實施方式DC600V列車供電系統(tǒng)采用集中整流、分散變流方式，系統(tǒng)主要由DC600V供電電源 裝置、空調逆變電源、DC600V/DC110V充電器電源裝置、客車電器控制柜、蓄電池等設備組 成。DC600V供電采用二路獨立供電、全列貫通，各車充電器機組獨立工作方式。 本實用新型提出一種新型客車充電器，如圖1所示，該充電器包括控制系統(tǒng)及充 電器主電路，其中，該充電器主電路包括輸入電路、輸出電路和連接于二者之間的DC/DC變 換器電路；控制系統(tǒng)分別與輸入電路、DC/DC變換器電路及輸出電路相連接，本實用新型 中，該DC/DC變換器電路采用全橋零電壓零電流P麗軟開關高頻變換器電路?？蛙嘍C600V 電源接入輸入電路，并在控制系統(tǒng)的控制下經(jīng)過所述零電壓零電流開關的全橋DC/DC變換 器電路轉換為DC110V直流電源，并由所述輸出電路輸出。 下面配合附圖及具體實施例對本實用新型的具體實施方式
作進一步的詳細說明。 如圖2所示，其為本實用新型的一具體實施例的充電器主電路的電路圖。其中 輸入電路包括充電電路和輸入濾波電路，以實現(xiàn)電源上電的平滑充電和輸入電壓 的濾波，提高機組輸入電壓的品質因數(shù)。其中，串聯(lián)于DC600V電源接入端作為的充電接觸 器KM401 、充電電阻R401 、短路接觸器KM402、快速熔斷器F401和支撐電容C403 C406組 成充電電路，充電電阻R401與短路接觸器KM402并聯(lián)后接于充電接觸器KM401 、快速熔斷器 F401間；輸入濾波電路包括輸入電抗器L401、前述支撐電容C403 C406和EMI輸入濾波 器EMI401。 較佳地，輸入電路還包括放電電路，該放電電路包括串接的放電接觸器KM403和 放電電阻R402。 較佳地，輸入電路還包括連接于輸入電路正負母線間的輸入電壓傳感器V401以 及用于檢測支撐電容C403 C406電壓的中間電壓傳感器(V402)，輸入電壓傳感器V401、 中間電壓傳感器V402的輸出信號連接到前述控制系統(tǒng)的196單片機80C196KC上(圖中未 示出)，并據(jù)此控制充電接觸器KM401的通斷。 輸入電路工作原理 DC600V直流電源通過EMI輸入濾波器接入充電器，控制系統(tǒng)通過輸入電壓傳感器 V401檢測輸入電壓，當輸入電壓在規(guī)定的范圍內時，充電接觸器KM401吸合，通過快速熔斷 器F401和充電電阻R401給中間環(huán)節(jié)支撐電容C403 C406充電，當中間環(huán)節(jié)電壓上升到 設定的范圍內時，將短路接觸器KM402閉合，經(jīng)延時后充電器全橋DC/DC變換器開始軟啟動 工作。當充電器出現(xiàn)故障時，斷開充電接觸器KM401，充電器與DC600V輸入斷開，機組停機。 當充電器關閉，放電接觸器KM403閉合，支撐電容上的電荷通過放電電阻R402放電。[0031] 再如圖2所示，本實施例中，該DC/DC變換器電路包括四個IGBT功率模塊T1、T2、 T3、 T4、高頻變壓器TB401和全波整流電路D420、 D421，其中兩個功率模塊T401、 T402為超 前臂開關管，另外兩個功率模塊T403、T404為滯后臂開關管；高頻變壓器TB401由一個原邊 繞組、兩個副邊繞組組成，起到隔離和降壓的作用。DC/DC變換器還包括有一并聯(lián)的濾波電 容C409，以保護各功率模塊；高頻變壓器原邊上串接有諧振電容C410，高頻變壓器的副邊 接由二極管D420、D421構成的全波整流電路，且二極管D420具有由電阻R420和電容C420 構成的吸收電路，二極管D421具有由電阻R421和電容C421構成的吸收電路，此外，DC/DC 變換器還包括用于檢測母線上電流的電流傳感器A401，電流傳感器A401信號送到控制系 統(tǒng)并經(jīng)80C196KC單片機判斷，當出現(xiàn)輸入過流的時候能夠及時停機保護。 DC/DC變換器工作模式 DC/DC變換器采用全橋移相零電壓零電流P麗(ZVZCS-P麗)軟開關高頻變換器電 路，工作頻率20kHz。移相軟開關電路具有工作頻率高、控制簡單、效率高、抗干擾能力強、電 磁兼容性好等優(yōu)點。DC/DC變換器電路由IGBT功率模塊Tl、 T2、 T3、 T4和高頻變壓器TB401組成。高
頻變壓器次級接全波整流器Dl、 D2和濾波電容，輸出110V直流電壓?？刂葡到y(tǒng)由196系列單片機80C196KC和移相控制集成電路UC1875或UC2875組
成，單片機80C196KC結合外圍電路組成控制、驅動及保護電路，移相控制電路的作用是提
供IGBT開通和關斷的控制信號，并能實現(xiàn)輸出電壓閉環(huán)調節(jié)；移相控制集成電路輸出兩組
(A-B， C-D)180°互補且滯后時間可調的IGBT柵極觸發(fā)信號，供電路超前臂開關管和滯后
臂開關管。 在一個完整的開關周期中，超前臂開關管在其輸出結電容和并聯(lián)電容的共同作用
下實現(xiàn)零電壓關斷，而零電壓開通是通過線路電感、隔離變壓器漏感與開關管輸出結電容
和并聯(lián)電容產(chǎn)生諧振實現(xiàn)。為了使滯后臂開關管能在零電流下完成其開關過程，超前臂開
關管關斷，電路進入環(huán)流狀態(tài)后到滯后臂開關管關斷的時間間隔應大于電流回零時間。 零電壓零電流(ZVZCS)開關的全橋DC/DC變換電路優(yōu)點在很大的負載變化范圍
內使變換器超前臂開關管在零電壓下開關，滯后臂開關管及副邊整流二極管在零電流下導
通與關斷。 再如圖2所示，本實施例中，輸出電路包括輸出濾波電抗器L420、濾波電容C422、 C423、 C424、 C425、 EMI輸出濾波器EMI420和阻斷二極管D422，濾波電容C422、 C423、 C424、 C425并聯(lián)后接于輸出電路的正負端間，濾波電抗器L420接于整流電路和輸出濾波電容 之間，即前述全波整流電路整流后的高頻直流電壓通過輸出濾波電抗器L420和濾波電容 C422、 C423、 C424、 C425輸出穩(wěn)定的直流電，利用EMI輸出濾波器減小系統(tǒng)與外電路之間的 相互干擾，再通過阻斷二極管D422輸出至本車、全連通干線及/或蓄電池。 輸出電路工作原理 隔離高頻變壓器的副邊與全波整流電路完成P麗電壓波轉換，經(jīng)濾波電抗器 L420、濾波電容C422、C423、C424、C425濾波輸出直流DC110V電壓。輸出電路有EMI電路， 通過阻斷二極管D422與蓄電池、負載連接。輸出電路上連接有輸出電壓傳感器V420和輸 出電流傳感器A420，以實現(xiàn)DC/DC直流變換器閉環(huán)控制。 電壓傳感器V420將檢測到得輸出電壓值反饋給移相控制集成電路，以便于動態(tài)地調節(jié)輸出電壓，保證輸出電壓的穩(wěn)定。由于充電器很重要的一個功能是給蓄電池充電，若 蓄電池電壓本身已經(jīng)很低，這種情況下充電器不能工作，欠壓/負載板負責監(jiān)測蓄電池的 電壓，確保在蓄電池欠壓時充電器不會啟動，欠壓/負載板的另一功能是為充電器提供一 個很小的負載，這樣在充電機空載時也能保證輸出電壓穩(wěn)定。 雖然本實用新型已以具體實施例揭示，但其并非用以限定本實用新型，任何本領 域的技術人員，在不脫離本實用新型的構思和范圍的前提下所作出的等同組件的置換，或 依本實用新型專利保護范圍所作的等同變化與修飾，皆應仍屬本專利涵蓋的范疇。
權利要求一種新型客車充電器，其包括控制系統(tǒng)及充電器主電路，其特征在于，該充電器主電路包括輸入電路、輸出電路和連接于二者之間的DC/DC變換器電路，該控制系統(tǒng)分別與輸入電路、DC/DC變換器電路及輸出電路相連接，所述控制系統(tǒng)包括控制芯片和移相控制集成電路，控制芯片與外圍電路組成該充電器的控制、驅動及保護電路，移相控制電路將控制信號經(jīng)驅動電路驅動DC/DC變換器電路的IGBT功率模塊，所述DC/DC變換器電路采用全橋零電壓零電流PWM軟開關高頻變換器電路；客車DC600V電源接入輸入電路，在控制系統(tǒng)的控制下經(jīng)過所述零電壓零電流開關的全橋DC/DC變換器電路轉換為DC110V直流電源，并由所述輸出電路輸出。
2. 如權利要求1所述的新型客車充電器，其特征在于，所述輸入電路包括充電電路和 輸入濾波電路，所述充電電路包括串聯(lián)于DC600V電源接入端的充電接觸器(KM401)、充電 電阻(R401)、短路接觸器(KM402)、快速熔斷器(F401)和支撐電容(C403 C406)，且充電 電阻(R401)與短路接觸器(KM402)并聯(lián)后接于充電接觸器(KM401)與快速熔斷器(F401) 間；所述輸入濾波電路包括輸入電抗器(L401)、前述支撐電容(C403 C406)和EMI濾波 器(EMI401)。
3. 如權利要求2所述的新型客車充電器，其特征在于，所述輸入電路還包括放電電路， 該放電電路包括串接的放電接觸器(KM403)和放電電阻(R402)。
4. 如權利要求2所述的新型客車充電器，其特征在于，所述輸入電路還包括連接于輸 入電路正負母線間的輸入電壓傳感器(V401)以及用于檢測支撐電容(C403 C406)電壓 的中間電壓傳感器(V402)，輸入電壓傳感器(V401)和中間電壓傳感器(V402)的輸出端連 接到控制系統(tǒng)，控制芯片據(jù)此判斷并控制充電接觸器(KM401)的通斷。
5. 如權利要求1至4任一項所述的新型客車充電器，其特征在于，所述DC/DC變換器電 路包括四個IGBT功率模塊(Tl、 T2、 T3、 T4)、高頻變壓器(TB401)和全波整流電路(D420、 D421)，其中兩個功率模塊(Tl、 T2)為超前臂開關管，另外兩個(T3、 T4)為滯后臂開關管， 高頻變壓器(TB401)原邊上串接有諧振電容(C410)，高頻變壓器的副邊接全波整流電路 (D420、D421)。
6. 如權利要求5所述的新型客車充電器，其特征在于，所述輸出電路包括輸出濾波 電抗器(L420)、濾波電容(C422、 C423、 C424、 C425) 、 EMI濾波器(EMI420)和阻斷二極管 (D422)，前述全波整流電路整流后的高頻直流電壓通過輸出濾波電抗器(L420)和濾波電 容(C422、C423、C424、C425)輸出穩(wěn)定的直流電，再通過阻斷二極管(D422)輸出至本車、全 連通干線及/或蓄電池。
7. 如權利要求6所述的新型客車充電器，其特征在于，所述控制芯片為196系列單片 機80C196KC，該移相控制集成電路為UC1875或UC2875型，其輸出兩組(A-B， C-D) 180°互 補且滯后時間可調的IGBT柵極觸發(fā)信號，供與所述超前臂開關管和滯后臂開關管。
8. 如權利要求7所述的新型客車充電器，其特征在于，所述超前臂開關管關斷，電路進 入環(huán)流狀態(tài)后到滯后臂開關管關斷的時間間隔大于電流回零時間。
專利摘要一種新型客車充電器，其包括控制系統(tǒng)及充電器主電路，該充電器主電路包括輸入電路、輸出電路和連接于二者之間的DC/DC變換器電路，所述控制系統(tǒng)采用196系列單片機80C196KC和移相控制集成電路UC1875或UC2875，控制系統(tǒng)與輸入電路、DC/DC變換器電路及輸出電路相連接，所述DC/DC變換器電路采用全橋零電壓零電流PWM軟開關高頻變換器電路，客車DC600V電源接入輸入電路，在控制系統(tǒng)的控制下經(jīng)過所述零電壓零電流開關的全橋DC/DC變換器電路轉換為DC110V直流電源，并由所述輸出電路輸出。本實用新型解決了IGBT的電流拖尾問題，降低了開關損耗，提高了效率，實現(xiàn)了機組的小型化和高頻化。
文檔編號H02J7/00GK201438642SQ200920109058
公開日2010年4月14日 申請日期2009年7月6日 優(yōu)先權日2009年7月6日
發(fā)明者劉偉志, 姚文革, 左鵬, 李紅, 程建華 申請人:北京縱橫機電技術開發(fā)公司