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DC／DC變換，將電壓升高到300V，然后通過逆變變成滿足空調(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)計與實現(xiàn)，并給出了實驗結(jié)果。

關(guān)鍵詞：機(jī)車空調(diào)；Boost變換器；逆變器

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)器必須解決沖擊問題，實現(xiàn)軟起動。目前大多數(shù)廠家采用通用變頻器進(jìn)行軟起動，雖然解決了沖擊的問題，但采用通用變頻器僅僅為實現(xiàn)空調(diào)的軟起動顯然非?！袄速M”，而通用變頻器又不能滿足變頻空調(diào)的特殊要求，所以開發(fā)機(jī)車空調(diào)專用變頻調(diào)速系統(tǒng)非常有意義，既可實現(xiàn)軟起動，又可通過變頻空調(diào)實現(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左右異步電動機(jī)拖動，工作頻率范圍是0～120Hz。對此適用的逆變器通常是DC300V的電壓級別。內(nèi)燃機(jī)車上的一臺直流發(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。

圖1??? 機(jī)車變頻空調(diào)控制器的基本結(jié)構(gòu)示意圖

??? 本文主要討論機(jī)車空調(diào)用DC/DC變換器的設(shè)計與實現(xiàn)。首先選擇了易于實現(xiàn)的變換器結(jié)構(gòu)，然后設(shè)計電路，最后給出了滿足設(shè)計要求的實驗結(jié)果。

2??? DC/DC變換器主電路結(jié)構(gòu)選擇及設(shè)計

2.1??? 主電路結(jié)構(gòu)選擇

??? 對于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個功率開關(guān)器件，使得系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，同時在電路設(shè)計中必須考慮克服隔離變壓器的直流偏磁問題，這無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)盡可能簡單，通過分析和試驗，認(rèn)為采用Boost拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是一種較好的實現(xiàn)方案。該結(jié)構(gòu)只需要一只開關(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單。當(dāng)然該結(jié)構(gòu)在功率較大時要求開關(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。

圖2??? DC/DC變換器原理

??? 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實現(xiàn)。控制電路輸出的PWM信號經(jīng)HCPL316J隔離放大去驅(qū)動IGBT。HCPL316J是IGBT專用驅(qū)動電路，通過檢測IGBT的飽和壓降實現(xiàn)過流保護(hù)。與一般帶過流保護(hù)的IGBT專用驅(qū)動電路相比，具有電路結(jié)構(gòu)簡單、價格便宜的優(yōu)點。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。

（a）電流連續(xù)時

（b）電流斷續(xù)時

圖3??? 電感電壓v_L，電流i_L及IGBT兩端電壓v_s波形

2.2??? 主電路參數(shù)計算

2.2.1??? 工作頻率的選擇

??? 通常小功率開關(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)通時開關(guān)管中流過的電流很大，開關(guān)損耗非常大，所以開關(guān)管不宜工作在很高的頻率?？紤]實際情況，選擇開關(guān)頻率為15kHz。

2.2.2??? 電感量的計算

??? 已知壓縮機(jī)負(fù)載功率為5kW，Boost電路的輸出電壓V_o=300V，這樣Boost變換器的等效負(fù)載電阻R_L=18Ω，等效輸出負(fù)載電流I_o=17A。

??? 在大功率場合，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

??? V_it_on－(V_o－V_i)(T－t_on)=0（1）

由式（1）可得

??? （2）

電感中電流紋波為

??????? ΔI=t_on=DT（3）

??? 忽略變換器損耗，變換器輸入功率等于輸出功率，即

??? V_iI_L(AV)=V_oI_o（4）

式中：I_L(AV)為電感電流的平均值。

??? 由式（4）得

??? I_L(AV)=I_o=I_o（5）

??? 為保證電流連續(xù)，電感電流應(yīng)滿足式（6）。

??? I_L(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

??? L≥R_LTD(1－D)2（7）

??? 應(yīng)在所有占空比情況下滿足式(7)，同時考慮在10％額定負(fù)載以上電流連續(xù)的情況。10％負(fù)載相當(dāng)于R_L=180Ω，當(dāng)D=時得到滿足電流連續(xù)時的電感值為

??? L≥×180××=0.89mH，實際電路中取L=1.1mH。

2.2.3??? 輸出濾波電容容量的計算

??? 為滿足輸出紋波電壓相對值的要求,濾波電容由式（8）決定[1]。

??? C≥(8)

??? 根據(jù)設(shè)計要求，在輸入電壓為55V時，輸出電壓仍應(yīng)為300V。這樣，最大占空比D_max===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％，開關(guān)頻率15kHz，負(fù)載電阻為18Ω，可求得C=160μF，實際電路中取C=220μF。

2.2.4??? 功率開關(guān)器件IGBT的選擇

??? IGBT中流過的電流峰值即為流過電感電流的峰值，即

??? I_S(M)=I_L(M)=I_L(AV)＋ΔI_L（9）

式中：I_L（M）及I_S（M）分別為電感電流峰值及流過IGBT電流峰值。

??? 將式（3）代入式（9），在滿負(fù)載情況下，可得I_S(M)=150A，再考慮二倍的安全裕量；在開關(guān)管關(guān)斷時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。

3??? PWM控制及IGBT驅(qū)動電路

3.1??? PWM控制電路[2]

??? PWM控制采用SG3524控制器，其原理框圖如圖4所示。

圖4??? 3524原理方框圖

??? 直流電源V_s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C_T，腳6須外接電阻R_T，這樣在腳7產(chǎn)生鋸齒波。選擇不同的C_T與R_T，即可產(chǎn)生不同的振蕩頻率。振蕩器的輸出分為兩路：一路以時鐘脈沖形式送至雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器及兩個或非門；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。誤差放大器實際是差分放大器，其一個輸入端與經(jīng)過分壓的輸出電壓相連，起到反饋作用。V_REF通過電阻分壓作為給定信號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，再將該脈沖信號送到或非門的輸入端，或非門的另兩個輸入端分別為觸發(fā)器及振蕩器的輸出信號，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，通過腳10封鎖SG3524的PWM輸出，起到保護(hù)作用。

??? 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。在實際使用中，為防止由于脈沖過寬而引起的主電路過流，在腳9加了限幅電路。

3.2??? IGBT驅(qū)動電路[3]

??? 由于所選IGBT功率較大，所以SG3524輸出的脈沖信號須經(jīng)過隔離放大電路才能驅(qū)動IGBT。考慮到可靠性及經(jīng)濟(jì)性，所以選擇了HCPL316J作為該驅(qū)動電路。HCPL316J除具有隔離及驅(qū)動功能外，還具有過流保護(hù)功能。通過測量IGBT兩端的飽和壓降實現(xiàn)過流保護(hù)，在過流發(fā)生時HCPL316J一方面封鎖IGBT驅(qū)動信號，同時送出故障信號。在本方案中，HCPL316J輸出的故障信號連接到SG3524的SHUTDOWN端，以便更有效地實現(xiàn)保護(hù)。HCPL316J的原理框圖如圖5所示。

圖5??? HCPL316J原理方框圖

4??? 實驗結(jié)果

??? 按照上述設(shè)計，在實驗室組成了機(jī)車用DC/DC變換器，并進(jìn)行了一系列實驗。圖6為實驗波形。

（a）負(fù)載較輕時的波形

（b）負(fù)載較重時的波形

圖6??? 阻性負(fù)載下電感電流和開關(guān)管兩端電壓波形

??? 在負(fù)載較輕時，由于分布電容的影響，開關(guān)管兩端電壓會發(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，開關(guān)管及Boost電感中流過的電流將愈大，所以要考慮開關(guān)管及電感的散熱問題。

5??? 結(jié)語

??? 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)簡單，調(diào)試方便的優(yōu)點。實驗室實驗結(jié)果表明該方案可行，有待于運(yùn)行考驗并使之不斷完善。