用于机车空调的DC/DC变换器

摘要：为改善机车司机的工作环境及节能，铁路部门目前正在大力推广机车变频空调。由于机车供电电压为DC110V，不能满足机车空调的要求，所以首先要通过DC／DC变换，将电压升高到300V，然后通过逆变变成满足空调要求的交流电压。主要讨论了用于机车空调的DC/DC变换器的设计与实现，并给出了实验结果。

关键词：机车空调；Boost变换器；逆变器

1    概述

    机车常年运行于铁路线上，为了改善机车司机的工作环境，铁路部门正逐步在机车上配备空调系统。早期安装的一般都是三相定频空调系统。内燃机车上的电源是由一台三相380V发电机产生的，由于容量的限制和空调器频繁起停的冲击，严重影响了发电机其它负载的正常工作。为此铁路部门规定安装空调器必须解决冲击问题，实现软起动。目前大多数厂家采用通用变频器进行软起动，虽然解决了冲击的问题，但采用通用变频器仅仅为实现空调的软起动显然非常“浪费”，而通用变频器又不能满足变频空调的特殊要求，所以开发机车空调专用变频调速系统非常有意义，既可实现软起动，又可通过变频空调实现温度调节，达到节能的目的。

    目前，变频压缩机一般由三相200V左右异步电动机拖动，工作频率范围是0～120Hz。对此适用的逆变器通常是DC300V的电压级别。内燃机车上的一台直流发电机能够提供DC110V的电源，因此必须使用升压装置，使DC110V电压经升压变换为DC300V，然后再经逆变器变换成满足要求的交流电压。机车变频空调控制器的基本结构如图1所示。

图1    机车变频空调控制器的基本结构示意图

    本文主要讨论机车空调用DC/DC变换器的设计与实现。首先选择了易于实现的变换器结构，然后设计电路，最后给出了满足设计要求的实验结果。

2    DC/DC变换器主电路结构选择及设计

2.1    主电路结构选择

    对于DC/DC升压变换器，可以采用的结构形式很多。通常在1kW以上选用带变压器隔离的全桥DC/DC变换电路，但这种变换电路需要4个功率开关器件，使得系统结构复杂，同时在电路设计中必须考虑克服隔离变压器的直流偏磁问题，这无疑增加了控制的难度。由于机车变频空调控制器的恶劣工作环境，希望电路结构尽可能简单，通过分析和试验，认为采用Boost拓扑结构是一种较好的实现方案。该结构只需要一只开关器件和一只升压用二极管以及升压电感，其控制电路也比较简单。当然该结构在功率较大时要求开关管的容量较大[1]，这是一般大功率DC/DC变换器不选择这种拓扑结构的原因。考虑到本系统的实际情况以及目前器件的水平，选用Boost拓扑结构还是可行的，其原理如图2所示。

图2    DC/DC变换器原理

    机车空调的功率为5kW。根据机车空调的要求，DC/DC变换电路需要将DC110V变换成为DC300V。变换器主电路为典型的Boost结构，控制电路由通用PWM控制芯片SG3524实现。控制电路输出的PWM信号经HCPL316J隔离放大去驱动IGBT。HCPL316J是IGBT专用驱动电路，通过检测IGBT的饱和压降实现过流保护。与一般带过流保护的IGBT专用驱动电路相比，具有电路结构简单、价格便宜的优点。Boost电路在电流连续及断续情况下电感中电流及IGBT两端电压波形如图3所示。

（a）电流连续时

（b）电流断续时

图3    电感电压v_L，电流i_L及IGBT两端电压v_s波形

2.2    主电路参数计算

2.2.1    工作频率的选择

    通常小功率开关电源工作频率高达几十kHz甚至几百kHz。但在本电路中，由于功率较大，导通时开关管中流过的电流很大，开关损耗非常大，所以开关管不宜工作在很高的频率。考虑实际情况，选择开关频率为15kHz。

2.2.2    电感量的计算

    已知压缩机负载功率为5kW，Boost电路的输出电压V_o=300V，这样Boost变换器的等效负载电阻R_L=18Ω，等效输出负载电流I_o=17A。

    在大功率场合，一般希望工作在电感电流连续状态。由图3（a），根据电感两端电压在一周期内伏秒平衡的原则，可得

    V_it_on－(V_o－V_i)(T－t_on)=0（1）

由式（1）可得

    （2）

电感中电流纹波为

        ΔI=t_on=DT（3）

    忽略变换器损耗，变换器输入功率等于输出功率，即

    V_iI_L(AV)=V_oI_o（4）

式中：I_L(AV)为电感电流的平均值。

    由式（4）得

    I_L(AV)=I_o=I_o（5）

    为保证电流连续，电感电流应满足式（6）。

    I_L(AV)≥ΔI/2（6）

    考虑到式（3）及式（6），可得到满足电流连续情况下的电感值为

    L≥R_LTD(1－D)2（7）

    应在所有占空比情况下满足式(7)，同时考虑在10％额定负载以上电流连续的情况。10％负载相当于R_L=180Ω，当D=时得到满足电流连续时的电感值为

    L≥×180××=0.89mH，实际电路中取L=1.1mH。

2.2.3    输出滤波电容容量的计算

    为满足输出纹波电压相对值的要求,滤波电容由式（8）决定[1]。

    C≥(8)

    根据设计要求，在输入电压为55V时，输出电压仍应为300V。这样，最大占空比D_max===0.82，考虑在最大占空比及满载情况，并取电压纹波系数为2％，开关频率15kHz，负载电阻为18Ω，可求得C=160μF，实际电路中取C=220μF。

2.2.4    功率开关器件IGBT的选择

    IGBT中流过的电流峰值即为流过电感电流的峰值，即

    I_S(M)=I_L(M)=I_L(AV)＋ΔI_L（9）

式中：I_L（M）及I_S（M）分别为电感电流峰值及流过IGBT电流峰值。

    将式（3）代入式（9），在满负载情况下，可得I_S(M)=150A，再考虑二倍的安全裕量；在开关管关断时其两端电压为输入电压，即300V，同样也考虑二倍的安全裕量，于是选择600V/300A的IGBT。

3    PWM控制及IGBT驱动电路

3.1    PWM控制电路[2]

    PWM控制采用SG3524控制器，其原理框图如图4所示。

图4    3524原理方框图

    直流电源V_s从脚15送到基准电压稳压器的输入端，产生稳定的＋5V基准电压，再送到内部及外部其他电路作为电源。脚7须外接电容C_T，脚6须外接电阻R_T，这样在脚7产生锯齿波。选择不同的C_T与R_T，即可产生不同的振荡频率。振荡器的输出分为两路：一路以时钟脉冲形式送至双稳态触发器及两个或非门；另一路以锯齿波形式（脚7）送至比较器的同相端。比较器的反向端连向误差放大器。误差放大器实际是差分放大器，其一个输入端与经过分压的输出电压相连，起到反馈作用。V_REF通过电阻分压作为给定信号连接该放大器的另一端，脚9是补偿端。误差放大器的输出与锯齿波相比较，比较器的输出为随误差放大器输出电压大小而改变宽度的脉冲信号，再将该脉冲信号送到或非门的输入端，或非门的另两个输入端分别为触发器及振荡器的输出信号，最后送出两路互差180°的脉冲波。SG3524具有外部关断功能，当外部故障时，通过脚10封锁SG3524的PWM输出，起到保护作用。

    在本方案中，将脚12、脚11分别与脚13、脚14并联，将总的输出脉冲展宽，使原来两路占空比为0～50％脉冲展宽为占空比为0～100％的一路脉冲。在实际使用中，为防止由于脉冲过宽而引起的主电路过流，在脚9加了限幅电路。

3.2    IGBT驱动电路[3]

    由于所选IGBT功率较大，所以SG3524输出的脉冲信号须经过隔离放大电路才能驱动IGBT。考虑到可靠性及经济性，所以选择了HCPL316J作为该驱动电路。HCPL316J除具有隔离及驱动功能外，还具有过流保护功能。通过测量IGBT两端的饱和压降实现过流保护，在过流发生时HCPL316J一方面封锁IGBT驱动信号，同时送出故障信号。在本方案中，HCPL316J输出的故障信号连接到SG3524的SHUTDOWN端，以便更有效地实现保护。HCPL316J的原理框图如图5所示。

图5    HCPL316J原理方框图

4    实验结果

    按照上述设计，在实验室组成了机车用DC/DC变换器，并进行了一系列实验。图6为实验波形。

（a）负载较轻时的波形

（b）负载较重时的波形

图6    阻性负载下电感电流和开关管两端电压波形

    在负载较轻时，由于分布电容的影响，开关管两端电压会发生振荡现象。在满负载情况下，将直流输入电压从55V到165V进行变化，DC/DC变换器的输出电压都能够稳定在300V，具有很好的调节能力。但是，由于电路自身的结构，输入电压愈低，开关管及Boost电感中流过的电流将愈大，所以要考虑开关管及电感的散热问题。

5    结语

    本文给出的用于机车空调的DC/DC变换器具有结构简单，调试方便的优点。实验室实验结果表明该方案可行，有待于运行考验并使之不断完善。