专利名称：新型客车充电器的制作方法
技术领域：
本实用新型是有关于一种客车，尤其是指一种采用DC600V列车供电系统的旅客 列车的充电器。
背景技术：
目前新型25T、25G空调客车供电系统已取消了发电车，采用全列贯通DC600V直流 供电方式。在DC600V供电网下，每辆空调客车供电电源分别配置逆变器箱和充电器箱各一 台，其中充电器箱由8kW的DC/DC充电器和3. 5kVA单相逆变器组成。 新型25T、 25G客车车辆控制系统和部分用电设备采用DC110V供电，其供电电源由 8kWDC/DC充电器提供。DC110V电源系统由每节车辆的8kW的DC/DC充电装置和120Ah镉 镍碱性蓄电池组成，每单节车辆的DC110V电源系统单元通过二极管与全列DC110V干线并 联，构成全列车DC110V供电网。3. 5kVA单相逆变器将DC 110V逆变成AC220V给车上的单 相交流负载使用。 充电器是DC600V客车的关键供电设备，DC600V客车对充电器的控制方式提出较 高的要求，充电器除具有本身相应的保护功能外，还应具有限流恒压充电和温度补偿功能。 通常充电器主电路采用DC/DC全桥变换电路。 DC/DC直流变换器是将一种直流电源转换成另一种或多种直流电能的变换 器。按开关管的开关条件，直流变换器可分为硬开关(Hard switching)和软开关(Soft switching)两种。硬开关直流变换器的开关器件是在承受电压或流过电流的情况下开通或 关断的电路，因此在开通或关断过程中伴随着较大的损耗，即所谓的开关损耗。变换器工作 状态一定时，开关管开通或关断一次的损耗也是一定的，开关过程中由于还存在布线电感 和寄生电容的振荡，因而硬开关直流变换器的开关频率越高，通态和动态损耗越大。软开关 直流变流器的开关过程是通过外加电感和电容的谐振，使开关器件中电流(或两端电压) 按正弦或准正弦规律变化，当电流自然过零时，器件关断；当电压下降至零时，器件导通。开 关器件在零电压或零电流条件下完成导通与关断的过程，可以大幅度提高开关频率，为变 换器的小型化和单位功率的提高创造条件。 根据软开关直流变流器电路拓扑结构的不同，全桥变换器可分为移相控制零电 压(ZVS)开关P丽DC/DC全桥变换器、移相控制零电流(ZCS)开关P丽DC/DC全桥变换器、 移相控制零电压零电流(ZVZCS)开关P丽DC/DC全桥变换器。 目前国内可生产车载8kW DC/DC充电器的厂家有株洲电力机车研究所、南京华士 公司、武汉正远、剑湖等四家。除剑湖采用德国技术，引进模块组装机组外，其他三家充电器 属于早期开发研制的产品，虽都采用DC/DC全桥变换器拓扑，但电路形式和控制方式各不 相同。除一家采用的硬开关控制方式外，其余两家均采用移相零电压ZVS P丽控制方式。 硬开关P丽控制方式实现起来比较容易，控制也比较简单。但开关频率的提高受 到限制。这对机组的小型化和轻量化不利。 采用软开关移相式零电压ZVS P丽控制方式，跟采用硬开关技术比较起来，开关频率较高。但这一控制方式仍存在不足，由于IGBT在关断时存在电流拖尾现象，由此产生较 大的关断损耗。为了减小关断损耗，有必要给IGBT并联一个较大的电容。虽然这样可以减 小IGBT的关断损耗，但也限制了开关频率的提高。
实用新型内容本实用新型解决的技术问题是提供一种客车电流充电器，以便于提高开关频率， 减小关断损耗。 本实用新型的技术解决方案是一种新型客车充电器，其包括控制系统及充电器 主电路，其中，该充电器主电路包括输入电路、输出电路和连接于二者之间的DC/DC变换器 电路，该控制系统分别与输入电路、DC/DC变换器电路及输出电路相连接，所述控制系统包 括控制芯片和移相控制集成电路，控制芯片与外围电路组成该充电器的控制、驱动及保护 电路，移相控制电路将控制信号经驱动电路驱动IGBT，所述DC/DC变换器电路采用全桥零 电压零电流P丽软开关高频变换器电路；客车DC600V电源接入输入电路，在控制系统的控 制下经过所述零电压零电流开关的全桥DC/DC变换器电路转换为DC110V直流电源，并由所 述输出电路输出。 如上所述的新型客车充电器，其中，所述输入电路包括充电电路和输入滤波电路， 所述充电电路包括串联于DC600V电源接入端作为的充电接触器、充电电阻、短路接触器、 快速熔断器和支撑电容，且充电电阻与短路接触器并联后接于充电接触器与快速熔断器 间；所述输入滤波电路包括输入电抗器、前述支撑电容和EMI滤波器。 如上所述的新型客车充电器，其中，所述输入电路还包括放电电路，该放电电路包 括串接的放电接触器和放电电阻。 如上所述的新型客车充电器，其中，所述输入电路还包括连接于输入电路正负母 线间的输入电压传感器，以及用于检测支撑电容电压的中间电压传感器，输入电压传感器 和中间电压传感器的输出端连接到控制板并经80196KC控制芯片判断后，以控制充电接触 器的通断。 如上所述的新型客车充电器，其中，所述DC/DC变换器电路包括四个IGBT功率模
块、高频变压器和全波整流电路，其中两个功率模块为超前臂开关管，另外两个为滞后臂开
关管，高频变压器原边上串接有谐振电容，高频变压器的副边接全波整流电路。 如上所述的新型客车充电器，其中，所述输出电路包括输出滤波电抗器、滤波电
容、EMI滤波器和阻断二极管，前述全波整流电路整流后的高频直流电压通过输出滤波电抗
器和滤波电容输出稳定的直流电，再通过阻断二极管输出至本车、全连通干线及/或蓄电池。 如上所述的新型客车充电器，其中，控制芯片为196系列单片机80C196KC，该移相 控制集成电路为UC1875或UC2875型，其输出两组(A-B，C-D) 180°互补且滞后时间可调的 IGBT栅极触发信号，供与所述超前臂开关管和滞后臂开关管。 如上所述的新型客车充电器，其中，所述超前臂开关管关断，电路进入环流状态后 到滞后臂开关管关断的时间间隔大于电流回零时间。 本实用新型的特点和优点是本实用新型是唯一采用了零电压零电流(ZVZCS)开 关的全桥DC/DC变换电路的可应用于DC600V列车供电系统的旅客列车上的充电器，其在很大的负载变化范围内使变换器超前臂开关管在零电压下开关，滞后臂开关管在零电流下导 通与关断，解决IGBT的电流拖尾问题，降低了开关损耗，提高了效率，实现了机组的小型化 和高频化。
图1为本实用新型的客车充电器的系统框图。 图2为本实用新型的客车充电器主电路原理图。
具体实施方式DC600V列车供电系统采用集中整流、分散变流方式，系统主要由DC600V供电电源 装置、空调逆变电源、DC600V/DC110V充电器电源装置、客车电器控制柜、蓄电池等设备组 成。DC600V供电采用二路独立供电、全列贯通，各车充电器机组独立工作方式。 本实用新型提出一种新型客车充电器，如图1所示，该充电器包括控制系统及充 电器主电路，其中，该充电器主电路包括输入电路、输出电路和连接于二者之间的DC/DC变 换器电路；控制系统分别与输入电路、DC/DC变换器电路及输出电路相连接，本实用新型 中，该DC/DC变换器电路采用全桥零电压零电流P丽软开关高频变换器电路。客车DC600V 电源接入输入电路，并在控制系统的控制下经过所述零电压零电流开关的全桥DC/DC变换 器电路转换为DC110V直流电源，并由所述输出电路输出。 下面配合附图及具体实施例对本实用新型的具体实施方式
作进一步的详细说明。 如图2所示，其为本实用新型的一具体实施例的充电器主电路的电路图。其中 输入电路包括充电电路和输入滤波电路，以实现电源上电的平滑充电和输入电压 的滤波，提高机组输入电压的品质因数。其中，串联于DC600V电源接入端作为的充电接触 器KM401 、充电电阻R401 、短路接触器KM402、快速熔断器F401和支撑电容C403 C406组 成充电电路，充电电阻R401与短路接触器KM402并联后接于充电接触器KM401 、快速熔断器 F401间；输入滤波电路包括输入电抗器L401、前述支撑电容C403 C406和EMI输入滤波 器EMI401。 较佳地，输入电路还包括放电电路，该放电电路包括串接的放电接触器KM403和 放电电阻R402。 较佳地，输入电路还包括连接于输入电路正负母线间的输入电压传感器V401以 及用于检测支撑电容C403 C406电压的中间电压传感器(V402)，输入电压传感器V401、 中间电压传感器V402的输出信号连接到前述控制系统的196单片机80C196KC上(图中未 示出)，并据此控制充电接触器KM401的通断。 输入电路工作原理 DC600V直流电源通过EMI输入滤波器接入充电器，控制系统通过输入电压传感器 V401检测输入电压，当输入电压在规定的范围内时，充电接触器KM401吸合，通过快速熔断 器F401和充电电阻R401给中间环节支撑电容C403 C406充电，当中间环节电压上升到 设定的范围内时，将短路接触器KM402闭合，经延时后充电器全桥DC/DC变换器开始软启动 工作。当充电器出现故障时，断开充电接触器KM401，充电器与DC600V输入断开，机组停机。 当充电器关闭，放电接触器KM403闭合，支撑电容上的电荷通过放电电阻R402放电。[0031] 再如图2所示，本实施例中，该DC/DC变换器电路包括四个IGBT功率模块T1、T2、 T3、 T4、高频变压器TB401和全波整流电路D420、 D421，其中两个功率模块T401、 T402为超 前臂开关管，另外两个功率模块T403、T404为滞后臂开关管；高频变压器TB401由一个原边 绕组、两个副边绕组组成，起到隔离和降压的作用。DC/DC变换器还包括有一并联的滤波电 容C409，以保护各功率模块；高频变压器原边上串接有谐振电容C410，高频变压器的副边 接由二极管D420、D421构成的全波整流电路，且二极管D420具有由电阻R420和电容C420 构成的吸收电路，二极管D421具有由电阻R421和电容C421构成的吸收电路，此外，DC/DC 变换器还包括用于检测母线上电流的电流传感器A401，电流传感器A401信号送到控制系 统并经80C196KC单片机判断，当出现输入过流的时候能够及时停机保护。 DC/DC变换器工作模式 DC/DC变换器采用全桥移相零电压零电流P丽(ZVZCS-P丽)软开关高频变换器电 路，工作频率20kHz。移相软开关电路具有工作频率高、控制简单、效率高、抗干扰能力强、电 磁兼容性好等优点。DC/DC变换器电路由IGBT功率模块Tl、 T2、 T3、 T4和高频变压器TB401组成。高
频变压器次级接全波整流器Dl、 D2和滤波电容，输出110V直流电压。控制系统由196系列单片机80C196KC和移相控制集成电路UC1875或UC2875组
成，单片机80C196KC结合外围电路组成控制、驱动及保护电路，移相控制电路的作用是提
供IGBT开通和关断的控制信号，并能实现输出电压闭环调节；移相控制集成电路输出两组
(A-B， C-D)180°互补且滞后时间可调的IGBT栅极触发信号，供电路超前臂开关管和滞后
臂开关管。 在一个完整的开关周期中，超前臂开关管在其输出结电容和并联电容的共同作用
下实现零电压关断，而零电压开通是通过线路电感、隔离变压器漏感与开关管输出结电容
和并联电容产生谐振实现。为了使滞后臂开关管能在零电流下完成其开关过程，超前臂开
关管关断，电路进入环流状态后到滞后臂开关管关断的时间间隔应大于电流回零时间。 零电压零电流(ZVZCS)开关的全桥DC/DC变换电路优点在很大的负载变化范围
内使变换器超前臂开关管在零电压下开关，滞后臂开关管及副边整流二极管在零电流下导
通与关断。 再如图2所示，本实施例中，输出电路包括输出滤波电抗器L420、滤波电容C422、 C423、 C424、 C425、 EMI输出滤波器EMI420和阻断二极管D422，滤波电容C422、 C423、 C424、 C425并联后接于输出电路的正负端间，滤波电抗器L420接于整流电路和输出滤波电容 之间，即前述全波整流电路整流后的高频直流电压通过输出滤波电抗器L420和滤波电容 C422、 C423、 C424、 C425输出稳定的直流电，利用EMI输出滤波器减小系统与外电路之间的 相互干扰，再通过阻断二极管D422输出至本车、全连通干线及/或蓄电池。 输出电路工作原理 隔离高频变压器的副边与全波整流电路完成P丽电压波转换，经滤波电抗器 L420、滤波电容C422、C423、C424、C425滤波输出直流DC110V电压。输出电路有EMI电路， 通过阻断二极管D422与蓄电池、负载连接。输出电路上连接有输出电压传感器V420和输 出电流传感器A420，以实现DC/DC直流变换器闭环控制。 电压传感器V420将检测到得输出电压值反馈给移相控制集成电路，以便于动态地调节输出电压，保证输出电压的稳定。由于充电器很重要的一个功能是给蓄电池充电，若 蓄电池电压本身已经很低，这种情况下充电器不能工作，欠压/负载板负责监测蓄电池的 电压，确保在蓄电池欠压时充电器不会启动，欠压/负载板的另一功能是为充电器提供一 个很小的负载，这样在充电机空载时也能保证输出电压稳定。 虽然本实用新型已以具体实施例揭示，但其并非用以限定本实用新型，任何本领 域的技术人员，在不脱离本实用新型的构思和范围的前提下所作出的等同组件的置换，或 依本实用新型专利保护范围所作的等同变化与修饰，皆应仍属本专利涵盖的范畴。
权利要求一种新型客车充电器，其包括控制系统及充电器主电路，其特征在于，该充电器主电路包括输入电路、输出电路和连接于二者之间的DC/DC变换器电路，该控制系统分别与输入电路、DC/DC变换器电路及输出电路相连接，所述控制系统包括控制芯片和移相控制集成电路，控制芯片与外围电路组成该充电器的控制、驱动及保护电路，移相控制电路将控制信号经驱动电路驱动DC/DC变换器电路的IGBT功率模块，所述DC/DC变换器电路采用全桥零电压零电流PWM软开关高频变换器电路；客车DC600V电源接入输入电路，在控制系统的控制下经过所述零电压零电流开关的全桥DC/DC变换器电路转换为DC110V直流电源，并由所述输出电路输出。
2. 如权利要求1所述的新型客车充电器，其特征在于，所述输入电路包括充电电路和 输入滤波电路，所述充电电路包括串联于DC600V电源接入端的充电接触器(KM401)、充电 电阻(R401)、短路接触器(KM402)、快速熔断器(F401)和支撑电容(C403 C406)，且充电 电阻(R401)与短路接触器(KM402)并联后接于充电接触器(KM401)与快速熔断器(F401) 间；所述输入滤波电路包括输入电抗器(L401)、前述支撑电容(C403 C406)和EMI滤波 器(EMI401)。
3. 如权利要求2所述的新型客车充电器，其特征在于，所述输入电路还包括放电电路， 该放电电路包括串接的放电接触器(KM403)和放电电阻(R402)。
4. 如权利要求2所述的新型客车充电器，其特征在于，所述输入电路还包括连接于输 入电路正负母线间的输入电压传感器(V401)以及用于检测支撑电容(C403 C406)电压 的中间电压传感器(V402)，输入电压传感器(V401)和中间电压传感器(V402)的输出端连 接到控制系统，控制芯片据此判断并控制充电接触器(KM401)的通断。
5. 如权利要求1至4任一项所述的新型客车充电器，其特征在于，所述DC/DC变换器电 路包括四个IGBT功率模块(Tl、 T2、 T3、 T4)、高频变压器(TB401)和全波整流电路(D420、 D421)，其中两个功率模块(Tl、 T2)为超前臂开关管，另外两个(T3、 T4)为滞后臂开关管， 高频变压器(TB401)原边上串接有谐振电容(C410)，高频变压器的副边接全波整流电路 (D420、D421)。
6. 如权利要求5所述的新型客车充电器，其特征在于，所述输出电路包括输出滤波 电抗器(L420)、滤波电容(C422、 C423、 C424、 C425) 、 EMI滤波器(EMI420)和阻断二极管 (D422)，前述全波整流电路整流后的高频直流电压通过输出滤波电抗器(L420)和滤波电 容(C422、C423、C424、C425)输出稳定的直流电，再通过阻断二极管(D422)输出至本车、全 连通干线及/或蓄电池。
7. 如权利要求6所述的新型客车充电器，其特征在于，所述控制芯片为196系列单片 机80C196KC，该移相控制集成电路为UC1875或UC2875型，其输出两组(A-B， C-D) 180°互 补且滞后时间可调的IGBT栅极触发信号，供与所述超前臂开关管和滞后臂开关管。
8. 如权利要求7所述的新型客车充电器，其特征在于，所述超前臂开关管关断，电路进 入环流状态后到滞后臂开关管关断的时间间隔大于电流回零时间。
专利摘要一种新型客车充电器，其包括控制系统及充电器主电路，该充电器主电路包括输入电路、输出电路和连接于二者之间的DC/DC变换器电路，所述控制系统采用196系列单片机80C196KC和移相控制集成电路UC1875或UC2875，控制系统与输入电路、DC/DC变换器电路及输出电路相连接，所述DC/DC变换器电路采用全桥零电压零电流PWM软开关高频变换器电路，客车DC600V电源接入输入电路，在控制系统的控制下经过所述零电压零电流开关的全桥DC/DC变换器电路转换为DC110V直流电源，并由所述输出电路输出。本实用新型解决了IGBT的电流拖尾问题，降低了开关损耗，提高了效率，实现了机组的小型化和高频化。
文档编号H02J7/00GK201438642SQ200920109058
公开日2010年4月14日 申请日期2009年7月6日 优先权日2009年7月6日
发明者刘伟志, 姚文革, 左鹏, 李红, 程建华 申请人:北京纵横机电技术开发公司