基于Buck三电平的DC/DC充电模块的设计

[摘 要]DC/DC模块是储能式现代有轨电车地面充电装置的核心部件，文本详细介绍了基于Buck三电平的DC/DC模块的主要技术参数、工作原理和主要特点， 并对基于三电平DC/DC模块的充电装置进行了试验。试验表明，基于Buck三电平的IGBT电压应力为输入电压的一半，充电装置的输出电能质量满足充电要求。

[关键词]三电平 DC/DC模块 充电装置

中图分类号：TM46 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）21-0108-01

引言

储能式现代有轨电车作为低碳、绿色、智能的轨道交通工具，已越来越受到世界的关注和推广，其配套的地面充电装置也已经在广州海珠、淮安、武汉等项目上进行了成功的运用。但是随着储能式现代有轨电车逐步发展，用户对于配套的地面充电装置提出了更高的要求，主要包括充电装置的噪音以及可靠性等方面。因此如何减小充电装置噪音以及提高充电可靠性显得尤为重要。

1 充电装置系统

充电装置采用直流1500V输入，每套充电装置主要由2组充电回路组成，2组充电回路互相独立，当其中任意一组充电回路出现故障均不影响另一组充电回路工作。每组充电回路由4个DC/DC模块并联输出，每个DC/DC模块最大可输出225A电流，每个充电柜的最大输出电流为1800A。

2 DC/DC模块功能

DC/DC模块是充电装置的核心部件，将母线DC1500V输入电压，经过BUCK降压控制，输出电流为车载储能电源充电。输出恒流范围0A-225A，输出电压范围为0V-950V。在输出电压小于设定电压值时，按恒流225A充电。在输出电压接近设定电压值时，进入恒压模式。

DC/DC模块由控制板、功率驱动板、功率部件（IGBT、续流二极管等主电路元件）、输出的电压、电流和温度传感器组成。功率部件为执行单元，输出功率；

IGBT驱动板安装在IGBT上，接收DC/DC模块控制板通过光纤发来的PWM信号，驱动IGBT；

输出级的电压、电流传感器实时监控模块的工作情况，反馈到模块控制板，由模块控制板采集和处理。

3 DC/DC模块主要技术参数

输入直流电压：DC1500V（1000V～1800V）；输出电压范围：0V-950V；输出电流：0A-225A；BUCK电路开关频率：5kHZ；输出电流整定误差

4 DC/DC模块原理

DC/DC模块采用两个IGBT（Q1和Q2）及两个二极管（D1和D2），输出端设置一个滤波电感。两个二极管（D1和D2）用与Q1和Q2一样的IGBT代替，主要有3点好处：1、通过Q1和D2给电容C3和C4提供电充电通路；2、静态时四个功率管的参数接近（主要是漏电流），可以保证静态分压相一致；3、采用相同结构的功率管，可以实现能量双向变换。Q1和Q2交错工作，其驱动信号相差180°相位角。原理图如图1所示。

DC/DC模块工作分为两种模式，过程如下：

模式1：

（1）阶段1：Q1导通，Q2关断

电流通过Q1、C3、C4和D1流向电感，输入电源向负载供电，同时也向电容C3、C4充电。此时Ua=Ud/2。

（2）阶段2：Q2导通，Q1关断。

电流通过C3、C4、Q2和D2流向电感，电容C3、C4向负载供电。此时Uo1=Ud/2。此后，又回复到阶段1。Uo1及各功率管的电流波形如图2所示，图中Ts是Q1和Q2的开关周期。

从图3可知，输出电压Uo1的波形是间断的，输出平均电压小于Ud/2。

此阶段定义为工作模式1。随着输出电压增大，Uo1的脉冲宽度增加，到波形没有间断时，输出平均电压为Ud/2。当输出电压继续增大时，Q1和Q2的开通出现重叠，输出的电压和各功率管的电流波形如图3所示，图中Ts是Q1和Q2的开关周期。此时输出电压平均值大于Ud/2，为工作模式2。

从图2和图3我们得到如下结论：

（1）电容C2的充放电时间相等，因此宏观上看其输出电压不变；

（2）所有功率管承受的电最大电压为Ud/2（ 不计C2上的电压脉动）；

（3）输出电压Uo1的输出周期是开关周期的一半，即频率是开关频率的2倍；

（4）输出电压有三种电平：模式1是0和Ud/2，模式2是Ud/2和Ud；

（5）两种模式下，电压波动都是Ud/2，两电平电压变化是0和Ud。

正是由于上述特点，所以采用三电平时，与两电平相比，有如下优势：

1）功率管可选用低级电压的器件---价格便宜，损耗小；

2）器件同一频率下，电感上的电压频率频率提高一倍，电压脉动减小一倍，电感量减小4倍――体积重量减小，噪声产减小。

5 研究性试验

为了验证充电装置的性能，对该充电装置做了输出电能质量测试。试验结果表明，充电装置的输出特性满足恒流限压的充电要求，纹波电流有效值系数和纹波电流峰值系数均在要求的范围内。

6 结束语

基于buck三电平的DC/DC充电装置的成功研制验证了三电平技术的可行性，减小了IGBT两端的电压，提高了IGBT开关频率，且具有良好的动态性能，为后期地面充电站的工程化提供了依据。

参考文献

[1]胡斌，杨中平，黄先进，史京金，赵炜.用于超级电容储能系统的三电平双向直流变换器及其控制[J].电工技术学报.2015（08）.

[2]杨晓辉，程红，于庆广.大容量储能系统三电平双向DC/DC变换器的研制与仿真[J].电力与能源.2014（3）