摘  要：详细介绍了磁悬浮列车各类悬浮斩波器的原理及实现，比较了它们的优缺点。

关键词：磁悬浮  斩波器   软开关

1  概  述

磁悬浮列车是介于常规轮轨铁路和航空之间的一种独特的地面运输系统。它利用电磁力将车辆悬浮于轨道上方一定高度，并用无接触的直线电机驱动车辆运行。因此，具有无污染、低噪音、低振动、维修保养费用低、安全舒适等优点，是当今国内外的研究热点。国内在中低速常导磁悬浮列车方面也有了很强的实力：国防科技大学在1995年建成了全尺寸单转向架磁悬浮系统，2001年建成了线路长204米的综合实验体系。

1.1  传统的悬浮斩波器

悬浮斩波器是磁悬浮列车中一个很重要的系统，它直接控制列车的悬浮，其性能优劣直接关系到列车的成败。悬浮斩波器的原理就是在悬浮气隙发生变化时，能够使电磁铁电流迅速做出相应调整，从而改变电磁悬浮力的大小，使悬浮气隙基本保持恒定。根据电磁悬浮系统（EMS）要求响应快、耐冲击的特点，磁悬浮列车一般采用H型两相限斩波器。它既可以向负载提供能量，也可以迅速将负载电路反接入电源，向电网回馈能量。

如图l所示为H型斩波器的主电路结构，这是一个全桥电路，桥的每臂由可控型元件IGBT(T1，T3)和不可控制元件(D2，D4)组成，负载(电磁铁)接在AB之间，并用Lo和Ro组成的串联电路来等效，E为滤波电容，R1、R2、R3、R4和C1、C2、C3、C4、D1、D2组成吸收回路，用霍耳元件检测电磁铁电流。

图1  H型斩波器主电路

   开关元件T1，T3可有多种不同的控制方式：(1)T1全导通，T3间断导通。(2)Tl，T3 轮流导通(导通时间部分重叠)。(3)T1，T3同时通断。传统的斩波器采用第(3)种控制方式，此种方式di/dt最大，对电磁铁电流控制较为有利。

    当T1，T3导通时，电源电压加在电磁铁上，Uo=UAB=Ud，，电磁铁吸收能量;当T1，T3关断时，D2，D4导通，Uo=UAB=-Ud，电磁铁将能量反馈回电源，由此可见，输出电压Uo的极性随开关元件的工作状态而变化，而输出电流io始终保持从A到B的流向，故电路可运行于第一，四象限。 

   设斩波周期为T，导通起始时刻为t1，工作情况分析如下：

   (1)0

   t=0时，io=Io1，，Tl，T3关断，U0=-Ud，在反向电压作用下io按指数规律迅速下降，电压方程式为:

   Roio+Lodi／dt=-Ud                                     (1)

即      dio／dt+Roio/Lo+Ud／Lo=0                                (2)

解此微分方程得:

    io=Ud／Ro(e-Rot/Lo-1)+Io1e-Rot/Lo                       (3)

 当t=t1时，io=Io2，代入上式得：

    Io2=Ud／Ro(e-Rot1/Lo-1)+Io1e-Rot1/Lo                     (4)

(2)t1

      此时，T1，T3导通，在电源电压作用下,io按指数规律增长．电压方程式为：

Roio+Lodi／dt=Ud                                       (5)

即     dio／dt+Roio／Lo-Ud／Lo=0                                (6)

   解此微分方程得：

 io=Ud／Ro(1-e-Ro(t-t1)/Lo)十Io2e-Ro(t-t1)/Lo                              (7)

 当t=T时，io=Io1，代入上式得 

   Io1=Ud／Ro[l-e-Ro(T-t1)/Lo]+Io2e-Ro(T-t1)/Lo                            (8)

 联立解(4)，(8)式得：   

   Io1=Ud／Ro[e-RoT/Lo-2e-Ro(T-t1)／Lo+1]/(1-eRoT/Lo)                     (9)

   Io2=Ud／Ro[e-RoT/Lo-2e-Rot1/Lo+1](eRoT/Lo-1)                        (10)

   为了提高响应速度和降低音频噪音，斩波器工作频率达到20KHZ，开关损耗较大。而且为了抑制尖峰电压电流加入的吸收网络也导致了效率的降低。具体实验数据如下：                                          

测试对象：8电磁铁之单磁转向架

悬浮重量：5吨

悬浮间隙：10mm

测试结果如下：

说明：单磁转向架采用四角悬浮方式，每一个角有两个电磁铁。

传统悬浮斩波器具有以下优点：

   （1）工作可靠，直流电压为240V时，输出电流可达10OA，而且工作稳定。   

   （2）具有良好的动态响应，悬浮气隙稳定，抗干扰能力强。

传统的带RCD缓冲电路的硬开关斩波器具有以下缺点：

（1）       散热器的体积和重量大；

（2）       开关频率降低时将产生令人厌烦的噪音；

（3）       将产生电磁干扰，影响控制功能；

（4）       使DC总线电压波动，较高的过电压易损坏元器件，在实践中我们就损坏过蓄电池。

1.2  软开关悬浮斩波器

软开关技术是当前高频电力电子技术研究的热点，它具有损耗小、效率高、电磁干扰小的特点。利用软开关技术可以提高斩波频率，减小开关器件的电压电流应力，提高功率密度；更可以大大减小电磁辐射，提供一个好的电磁兼容环境，提高信号处理电路的可靠性。因此用软开关技术改造传统的悬浮斩波器是很有必要的。

图2给出了带辅助谐振缓冲器的软开关斩波器电路。电路在原H型斩波器基础上增加辅助谐振网络Tr、Dr、Lr和Cr组成，取消原来的耗能RCD缓冲回路。

                            图2  软开关斩波器主电路

图3给出了斩波器电路负载电流的工作波形。

               图3  软开关斩波器工作时序波形图

斩波器详细的工作模式按时间顺序分述如下：（由于电磁铁电感巨大，近似认为电磁铁电流ILo恒定）

（1）（t0-t1）,ILr=0

续流二极管导通，主开关器件关断，负载电流回馈电源，谐振电容两端电压为Ud。

（2）（t1-t2）,0

辅助开关Tr开通后，谐振电流线性增长，D2、D4的电流相应减小。

（3）（t2-t3）,ILr≥ILo

当谐振电流大于负载电流，二极管D2、D4自然关断，谐振电容和电感谐振，谐振电容放电。

（4）（t3-t4）,ILr≥0

谐振周期末，t4时刻谐振电容放电至-Ud，主开关可在零电压条件下开通，电磁铁电流线性增长。

（5）（t4-t5）,ILr=0

谐振电流降为0后，由于Dr的作用谐振网络不能反向谐振，谐振电流保持为0，辅助开关可以在零电流条件下关断。

（6）（t5-t6）,ILr=0

主开关导通负载电流，辅助开关和二极管完全关断。

（7）（t6-t7）,ILr=0

主开关关断时，由于谐振电容的存在，主开关管零电压关断，电压缓慢上升。

   软开关电路参数选择

（1）       谐振周期Tr=2π ，谐振回路阻抗Z= ,

谐振峰值电流Ir= , 最大谐振电流Im=Ir+ILo

谐振周期应占整个工作周期的10%以内，对于20KHZ的斩波频率，谐振周期应控制在5uS以内。

（2）       谐振电容：一般地，大电容可提供较好的降低dv/dt和关断损耗的效果，但谐振电容中储存的能量在开通期间需要放电。因此电容的大小应限制在一定范围，以实现开通和关断损耗的降低。可在0.05uF-0.1uF之间选取。

（3）       谐振电感：谐振电感的选取应根据最大谐振电流和谐振周期平衡选择，一般在3uH-5uH。

实验波形如下所示。

从图4可以看到电源电压为269V电磁铁电流为28.4A时，T3的CE电压峰值只有296V。从图5可以看到，相同条件下，谐振电感的最大峰值电流只有83A,可以满足常规元件的参数。

下面再计算一下软开关斩波器的效率，具体数据如下：

电源电压Ud=269V       电源电流Id=3A

电磁铁有效电压Uo=20.5V    电磁铁电流Io=29.2A

所以，斩波器效率η=20.5X29.2/(269X3)=74.2%,比硬开关斩波器效率56.44%大大提高。

软开关斩波器显著降低了开关损耗、dv/dt、电压尖峰，如果散热器温度允许值与原来的RCD缓冲回路方案相同，散热器的尺寸和重量将大大降低。

图4  CH1：T3之Vce; CH2：ILo(1A=10mV)

图5  CH1：T3之Vge；CH2：ILr(1A=10mV)

1.3  三电平悬浮斩波器

   随着磁悬浮列车从中低速向高速发展，对悬浮斩波器的要求越来越高，尤其是电流响应速度要求越来越快。为了提高悬浮斩波器的电流响应速度，常采用提高电源电压的方法，例如高速磁悬浮列车的悬浮主电压就由中低速的240V提高到440V。但这样会使传统的悬浮斩波器中电流纹波也显著增大。于是又发展出交错并联地联结方式，以减小波动，但也都不能从根本解决问题。我们借鉴磁悬浮轴承中三电平开关功放的理念，又设计出三电平悬浮斩波器，使其电流纹波和电源电压几乎无关，因此可以进一步通过提高电源电压的方法来提高电流响应速度。采用三电平悬浮斩波器还可以降低功率器件开关频率，功率开关通断过程中电压跳变只有传统斩波器一半，有利于降低开关损耗。

   三电平悬浮斩波器主电路和传统的悬浮斩波器完全一样，只是控制策略不同。其控制时序如下图所示。

图6  三电平悬浮斩波器控制时序

Gl、G3为两只IGBT的栅极驱动信号，当电流控制信号Ur大于零时，栅极驱动信号G1、G3占空比大于50％，Gl、G3共同导通时，线圈中流过驱动电流， I增加；当电流控制信号Ur小于零时，G1、G3占空比小于50％，在共同关断的时间段里，线圈通过D2、D4续流，线圈电流I减小。当Ur等于零时，占空比等于50％时，Tl、V3任何时刻都只有一个导通，另一个关断。当Tl导通，T3关断时，线圈中电流流向如图7a所示，当Tl关断，T3导通时，线圈中电流如图7b所示。

                    (a)                                    (b)

图7  T1、T3部分导通和关断时电流流向

对于三电平悬浮斩波器，当输入Ur=0时，输出为恒定电流I，理想状态下，输出电流为恒流，但由于 回路电阻的存在，故电流值会下降。

忽略IGBT和二极管导通压降得电流纹波为：

                          (11)

式中

由式（11）可见，三电平悬浮斩波器输出恒定电流时，电流纹波大小与直流电源电压Ud无关。由于电流响应速度di/dt=Ud/L，所以Ud越大，电磁铁电流响应越快，因此可以通过提高电源电压值来提高电磁力响应速度而不会增加电流纹波。

而对于传统的悬浮斩波器中，当输入的电流控制信号为零，即线圈中流过恒定电流时，电流纹波为：

                                            (12)

上面各式中  i(t)——t时刻线圈中的电流值

I——i(t)的平均值

           iW(t)——电流与I的差值

           Iw——iW(t)的有效值

           L——线圈电感值

           f——方波频率

           T——方波周期

由式(12)可见，传统的悬浮斩波器中，当L、f、I恒定时，电流纹波大小取决于Ud，因此不能通过大幅度提高电源电压的方式来提高电流响应速度。

    采用三电平悬浮斩波器，输出电流纹波与供电电源电压无关，理论上可以采用大幅度提高电源电压的方式来提高悬浮电磁铁的力响应速度。

   而且在输出电压为零时，电磁铁线圈和电源滤波电容之间没有电流流动，在电容上没有功率损耗。功率管开关频率比电磁铁工作频率低一半，功率管上的开关损耗减小了一半，提高了功放效率，使系统可靠性得以提高。

参考文献：

[1]《悬浮斩波器研究》   蒋启龙  胡基士 “中国第二次磁悬浮技术学术会议论文集”

[2]《直流开关电源的软开关技术》  阮新波 严仰光   “科学出版社”

[3]《电磁轴承三电平PWM功率放大器研究》  曾学明等 “电力电子技术2002年6月”