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用于機(jī)車空調(diào)的DC/DC變換器
摘要：為改善機(jī)車司機(jī)的工作環(huán)境及節(jié)能，鐵路部門目前正在大力推廣機(jī)車變頻空調(diào)。由于機(jī)車供電電壓為DC110V，不能滿足機(jī)車空調(diào)的要求，所以首先要通過(guò)DC／DC變換，將電壓升高到300V，然后通過(guò)逆變變成滿足空調(diào)要求的交流電壓。主要討論了用于機(jī)車空調(diào)的DC/DC變換器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，并給出了實(shí)驗(yàn)結(jié)果。關(guān)鍵詞：機(jī)車空調(diào)；Boost變換器；逆變器DC/DC
1概述
機(jī)車常年運(yùn)行于鐵路線上，為了改善機(jī)車司機(jī)的工作環(huán)境，鐵路部門正逐步在機(jī)車上配備空調(diào)系統(tǒng)。早期安裝的一般都是三相定頻空調(diào)系統(tǒng)。內(nèi)燃機(jī)車上的電源是由一臺(tái)三相380V發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的，由于容量的限制和空調(diào)器頻繁起停的沖擊，嚴(yán)重影響了發(fā)電機(jī)其它負(fù)載的正常工作。為此鐵路部門規(guī)定安裝空調(diào)器必須解決沖擊問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)軟起動(dòng)。目前大多數(shù)廠家采用通用變頻器進(jìn)行軟起動(dòng)，雖然解決了沖擊的問(wèn)題，但采用通用變頻器僅僅為實(shí)現(xiàn)空調(diào)的軟起動(dòng)顯然非常“浪費(fèi)”，而通用變頻器又不能滿足變頻空調(diào)的特殊要求，所以開(kāi)發(fā)機(jī)車空調(diào)專用變頻調(diào)速系統(tǒng)非常有意義，既可實(shí)現(xiàn)軟起動(dòng)，又可通過(guò)變頻空調(diào)實(shí)現(xiàn)溫度調(diào)節(jié)，達(dá)到節(jié)能的目的。
目前，變頻壓縮機(jī)一般由三相200V左右異步電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)，工作頻率范圍是0～120Hz。對(duì)此適用的逆變器通常是DC300V的電壓級(jí)別。內(nèi)燃機(jī)車上的一臺(tái)直流發(fā)電機(jī)能夠提供DC110V的電源，因此必須使用升壓裝置，使DC110V電壓經(jīng)升壓變換為DC300V，然后再經(jīng)逆變器變換成滿足要求的交流電壓。機(jī)車變頻空調(diào)控制器的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。
本文主要討論機(jī)車空調(diào)用DC/DC變換器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。首先選擇了易于實(shí)現(xiàn)的變換器結(jié)構(gòu)，然后設(shè)計(jì)電路，最后給出了滿足設(shè)計(jì)要求的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
2DC/DC變換器主電路結(jié)構(gòu)選擇及設(shè)計(jì)
2.1主電路結(jié)構(gòu)選擇
對(duì)于DC/DC升壓變換器，可以采用的結(jié)構(gòu)形式很多。通常在1kW以上選用帶變壓器隔離的全橋DC/DC變換電路，但這種變換電路需要4個(gè)功率開(kāi)關(guān)器件，使得系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，同時(shí)在電路設(shè)計(jì)中必須考慮克服隔離變壓器的直流偏磁問(wèn)題，這無(wú)疑增加了控制的難度。由于機(jī)車變頻空調(diào)控制器的惡劣工作環(huán)境，希望電路結(jié)構(gòu)盡可能簡(jiǎn)單，通過(guò)分析和試驗(yàn)，認(rèn)為采用Boost拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是一種較好的實(shí)現(xiàn)方案。該結(jié)構(gòu)只需要一只開(kāi)關(guān)器件和一只升壓用二極管以及升壓電感，其控制電路也比較簡(jiǎn)單。當(dāng)然該結(jié)構(gòu)在功率較大時(shí)要求開(kāi)關(guān)管的容量較大[1]，這是一般大功率DC/DC變換器不選擇這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的原因。考慮到本系統(tǒng)的實(shí)際情況以及目前器件的水平，選用Boost拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)還是可行的，其原理如圖2所示。
機(jī)車空調(diào)的功率為5kW。根據(jù)機(jī)車空調(diào)的要求，DC/DC變換電路需要將DC110V變換成為DC300V。變換器主電路為典型的Boost結(jié)構(gòu)，控制電路由通用PWM控制芯片SG3524實(shí)現(xiàn)。控制電路輸出的PWM信號(hào)經(jīng)HCPL316J隔離放大去驅(qū)動(dòng)IGBT。HCPL316J是IGBT專用驅(qū)動(dòng)電路，通過(guò)檢測(cè)IGBT的飽和壓降實(shí)現(xiàn)過(guò)流保護(hù)。與一般帶過(guò)流保護(hù)的IGBT專用驅(qū)動(dòng)電路相比，具有電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜的優(yōu)點(diǎn)。Boost電路在電流連續(xù)及斷續(xù)情況下電感中電流及IGBT兩端電壓波形如圖3所示。
2.2主電路參數(shù)計(jì)算
2.2.1工作頻率的選擇
通常小功率開(kāi)關(guān)電源工作頻率高達(dá)幾十kHz甚至幾百kHz。但在本電路中，由于功率較大，導(dǎo)通時(shí)開(kāi)關(guān)管中流過(guò)的電流很大，開(kāi)關(guān)損耗非常大，所以開(kāi)關(guān)管不宜工作在很高的頻率。考慮實(shí)際情況，選擇開(kāi)關(guān)頻率為15kHz。
2.2.2電感量的計(jì)算
已知壓縮機(jī)負(fù)載功率為5kW，Boost電路的輸出電壓Vo=300V，這樣Boost變換器的等效負(fù)載電阻RL=18Ω，等效輸出負(fù)載電流Io=17A。
在大功率場(chǎng)合，一般希望工作在電感電流連續(xù)狀態(tài)。由圖3（a），根據(jù)電感兩端電壓在一周期內(nèi)伏秒平衡的原則，可得
Viton－(Vo－Vi)(T－ton)=0（1
）
由式（1）可得
Vo/Vi=1/(1-D)（2）
電感中電流紋波為
ΔI=（Vi/L）ton=(Vi/L)DT（3）
忽略變換器損耗，變換器輸入功率等于輸出功率，即
ViIL(AV)=VoIo（4）
式中：IL(AV)為電感電流的平均值。
由式（4）得
IL(AV)=(Vo/Vi)Io=(1/I-D)Io（5）
為保證電流連續(xù)，電感電流應(yīng)滿足式（6）。
IL(AV)≥ΔI/2（6）
考慮到式（3）及式（6），可得到滿足電流連續(xù)情況下的電感值為
應(yīng)在所有占空比情況下滿足式(7)，同時(shí)考慮在10％額定負(fù)載以上電流連續(xù)的情況。10％負(fù)載相當(dāng)于RL=180Ω，當(dāng)D=時(shí)得到滿足電流連續(xù)時(shí)的電感值為
=0.89mH，實(shí)際電路中取L=1.1mH。
2.2.3輸出濾波電容容量的計(jì)算
為滿足輸出紋波電壓相對(duì)值的要求,濾波電容由式（8）決定[1]。
C≥(VoDT/ΔVoRL)(8)
根據(jù)設(shè)計(jì)要求，在輸入電壓為55V時(shí)，輸出電壓仍應(yīng)為300V。這樣，最大占空比Dmax===0.82，考慮在最大占空比及滿載情況，并取電壓紋波系數(shù)為2％，開(kāi)關(guān)頻率15kHz，負(fù)載電阻為18Ω，可求得C=160μF，實(shí)際電路中取C=220μF。
2.2.4功率開(kāi)關(guān)器件IGBT的選擇
IGBT中流過(guò)的電流峰值即為流過(guò)電感電流的峰值，即
IS(M)=IL(M)=IL(AV)＋1/2ΔIL（9）
式中：IL（M）及IS（M）分別為電感電流峰值及流過(guò)
IGBT電流峰值。
將式（3）代入式（9），在滿負(fù)載情況下，可得
IS(M)=150A，再考慮二倍的安全裕量；在開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí)其兩端電壓為輸入電壓，即300V，同樣也考慮二倍的安全裕量，于是選擇600V/300A的IGBT。
3PWM控制及IGBT驅(qū)動(dòng)電路
3.1PWM控制電路[2]
PWM控制采用SG3524控制器，其原理框圖如圖4所示。
直流電源Vs從腳15送到基準(zhǔn)電壓穩(wěn)壓器的輸入端，產(chǎn)生穩(wěn)定的＋5V基準(zhǔn)電壓，再送到內(nèi)部及外部其他電路作為電源。腳7須外接電容CT，腳6須外接電阻RT，這樣在腳7產(chǎn)生鋸齒波。選擇不同的CT與RT，即可產(chǎn)生不同的振蕩頻率。振蕩器的輸出分為兩路：一路以時(shí)鐘脈沖形式送至雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器及兩個(gè)或非門；另一路以鋸齒波形式（腳7）送至比較器的同相端。比較器的反向端連向誤差放大器。誤差放大器實(shí)際是差分放大器，其一個(gè)輸入端與經(jīng)過(guò)分壓的輸出電壓相連，起到反饋?zhàn)饔谩REF通過(guò)電阻分壓作為給定信號(hào)連接該放大器的另一端，腳9是補(bǔ)償端。誤差放大器的輸出與鋸齒波相比較，比較器的輸出為隨誤差放大器輸出電壓大小而改變寬度的脈沖信號(hào)，再將該脈沖信號(hào)送到或非門的輸入端，或非門的另兩個(gè)輸入端分別為觸發(fā)器及振蕩器的輸出信號(hào)，最后送出兩路互差180°的脈沖波。SG3524具有外部關(guān)斷功能，當(dāng)外部故障時(shí)，通過(guò)腳10封鎖SG3524的PWM輸出，起到保護(hù)作用。
圖5
在本方案中，將腳12、腳11分別與腳13、腳14并聯(lián)，將總的輸出脈沖展寬，使原來(lái)兩路占空比為0～50％脈沖展寬為占空比為0～100％的一路脈沖。在實(shí)際使用中，為防止由于脈沖過(guò)寬而引起的主電路過(guò)流，在腳9加了限幅電路。
3.2IGBT驅(qū)動(dòng)電路[3]
由于所選IGBT功率較大，所以SG3524輸出的脈沖信號(hào)須經(jīng)過(guò)隔離放大電路才能驅(qū)動(dòng)IGBT。考慮到可靠性及經(jīng)濟(jì)性，所以選擇了HCPL316J作為該驅(qū)動(dòng)電路。HCPL316J除具有隔離及驅(qū)動(dòng)功能外，還具有過(guò)流保護(hù)功能。通過(guò)測(cè)量IGBT兩端的飽和壓降實(shí)現(xiàn)過(guò)流保護(hù)，在過(guò)流發(fā)生時(shí)HCPL316J一方面封鎖IGBT驅(qū)動(dòng)信號(hào)，同時(shí)送出故障信號(hào)。在本方案中，HCPL316J輸出的故障信號(hào)連接到SG3524的SHUTDOWN端，以便更有效地實(shí)現(xiàn)保護(hù)。HCPL316J的原理框圖如圖5所示。
圖6
4實(shí)驗(yàn)結(jié)果
按照上述設(shè)計(jì)，在實(shí)驗(yàn)室組成了機(jī)車用DC/DC變換器，并進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn)。圖6為實(shí)驗(yàn)波形。
在負(fù)載較輕時(shí)，由于分布電容的影響，開(kāi)關(guān)管兩端電壓會(huì)發(fā)生振蕩現(xiàn)象。在滿負(fù)載情況下，將直流輸入電壓從55V到165V進(jìn)行變化，DC/DC變換器的輸出電壓都能夠穩(wěn)定在300V，具有很好的調(diào)節(jié)能力。但是，由于電路自身的結(jié)構(gòu)，輸入電壓愈低，開(kāi)關(guān)管及Boost電感中流過(guò)的電流將愈大，所以要考慮開(kāi)關(guān)管及電感的散熱問(wèn)題。
5結(jié)語(yǔ)
本文給出的用于機(jī)車空調(diào)的DC/DC變換器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，調(diào)試方便的優(yōu)點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該方案可行，有待于運(yùn)行考驗(yàn)并使之不斷完善。
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