1 機(jī)車控制電源的最新發(fā)展

電力機(jī)車采用直流110v作為機(jī)車的控制電源。近年來(lái)，在我國(guó)最新研制的電力機(jī)車中，已經(jīng)開(kāi)始使用高頻開(kāi)關(guān)電源，如ss7d、ss8、ss9等。高頻開(kāi)關(guān)電源在體積、重量、效率等指標(biāo)上，都遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于相控電源。并且功率大，精度高，紋波小，抗干擾能力強(qiáng)，可靠性高。

高頻開(kāi)關(guān)電源與目前我們大部分機(jī)車所采用的相控整流電源的性能比較見(jiàn)表1。

表1 高頻開(kāi)關(guān)電源與相控整流電源性能比較

從電力機(jī)車設(shè)計(jì)的發(fā)展來(lái)看，相控整流電源必將被開(kāi)關(guān)電源所取代。

2 高頻開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)原理

目前，電力機(jī)車控制電源的輸入為機(jī)車主變壓器的副邊396v繞組，其波動(dòng)范圍為ac396v(-30%-+25%)，今后輸入變?yōu)? dc600v(500v-660v)。所以電源設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮輸入電壓的大范圍變化。另外，根據(jù)機(jī)車設(shè)計(jì)的總體要求，系統(tǒng)應(yīng)有完善的自我診斷及保護(hù)功能。

本次設(shè)計(jì)的高頻開(kāi)關(guān)電源，主電路為全橋dc/dc變換器結(jié)構(gòu)，采用電流型控制方式，主開(kāi)關(guān)器件采用智能功率模塊ipm，由于ipm有完善的保護(hù)功能，使系統(tǒng)的故障率下降。另外，系統(tǒng)預(yù)留通訊接口，使其工作狀態(tài)能直接通知給機(jī)車，從而確保行車安全。由于機(jī)車的電磁兼容環(huán)境比較惡劣，故系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮電磁兼容問(wèn)題，確保系統(tǒng)工作安全可靠。

機(jī)車控制電源的框圖如圖1所示。

圖1 機(jī)車控制電源的原理框圖

3 dc/dc變換器拓?fù)渑c控制研究

3.1 拓?fù)溥x擇

直流變換器按輸入與輸出間是否有電氣隔離可分為兩類：沒(méi)有電氣隔離的稱為不隔離的直流變換器，有電氣隔離的稱為有隔離的直流變換器。

有隔離的直流變換器通過(guò)變壓器實(shí)現(xiàn)電氣隔離。具體說(shuō)來(lái)，全橋變換器只需要一個(gè)原邊繞組，通過(guò)正、反向的電壓得到正反向磁通，副邊繞組結(jié)構(gòu)靈活，能夠使變壓器鐵心和繞組得到最佳利用，使效率、功率密度得以提高。另外一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是功率開(kāi)關(guān)在非常安全的情況下運(yùn)行。在一般情況下，最大的反向電壓不會(huì)超過(guò)電源電壓vs，四個(gè)能量恢復(fù)二極管能消除一部分由漏感產(chǎn)生的瞬時(shí)電壓。這樣，無(wú)需設(shè)置能量恢復(fù)繞組，反激能量便能得到恢復(fù)利用。本電源輸入電壓為 396v(-30%-+255%)，中間直流支撐電壓大約在300v～700v之間變動(dòng)，所以主電路采用全橋變換器結(jié)構(gòu)。

當(dāng)輸出電壓比較低、輸出電流比較大時(shí)，為了減少整流橋的通態(tài)損耗，提高變換器的效率，一般選用全波整流方式。本電源輸出電壓為dc110v，輸出電流為80a，故選擇全波整流方式比較合適。

3.2 控制方法

dc/dc變換器從控制方式上可以分為兩種，即電壓型控制方式(voltage mode control)和電流型控制方式(current mode control)，電壓型控制方式的基本原理就是通過(guò)誤差放大器輸出信號(hào)與一固定的鋸齒波進(jìn)行比較，產(chǎn)生控制用的pwm信號(hào)。

電流型控制則是指將誤差放大器輸出信號(hào)與采樣到的電感峰值電流進(jìn)行比較，來(lái)控制輸出脈沖的占空比，使輸出的電感峰值電流隨誤差電壓變化。

我們選擇比較先進(jìn)的電流型變換器，它既保留了電壓控制的輸出電壓反饋控制部分，又增加了一個(gè)電流反饋環(huán)節(jié)，形成雙環(huán)反饋系統(tǒng)。具有優(yōu)良的瞬態(tài)響應(yīng);逐脈沖控制，使保護(hù)機(jī)制簡(jiǎn)化;利于多電源并聯(lián)運(yùn)行;限制偏磁等優(yōu)點(diǎn)。[!--empirenews.page--]

但是電流型控制原理有缺點(diǎn)，當(dāng)占空比大于50%時(shí)，電流擾動(dòng)會(huì)被放大，使控制環(huán)變得不穩(wěn)定;功率級(jí)諧振會(huì)給控制環(huán)帶來(lái)噪聲;電流控制是要使電流呈現(xiàn)恒流特性，會(huì)使電路的負(fù)載效應(yīng)變差。

3.3 電流型dc/dc變換器的斜坡補(bǔ)償

對(duì)于上述問(wèn)題，斜坡補(bǔ)償是一種簡(jiǎn)單但非常有效的方法。如圖2所示。在a)中，對(duì)于一個(gè)電流擾動(dòng)δi0，當(dāng)d小于50%時(shí)，這個(gè)擾動(dòng)將逐漸變小，最后衰減為零;在b)中，d大于50%，這個(gè)擾動(dòng)將被放大，從而導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。所以，我們引入斜坡補(bǔ)償，它能有些克服以上的問(wèn)題。在c)中，通過(guò)加一個(gè)斜率為-m的信號(hào)在ve或il上，經(jīng)推導(dǎo)有：δi1=-δi0[(m2+m)/ (m1+m)]。若使擾動(dòng)衰減，則應(yīng)有：

(1)

在穩(wěn)態(tài)時(shí)，輸出電壓不變，m2為一恒值，當(dāng)m>-0.5(m1+m2)>-0.5m2時(shí)能保證3-1式恒成立。

因?yàn)殡娏骺刂颇Ｊ叫枰秒姼须娏髯鳛榭刂谱兞?，所以希望電感電流是一個(gè)干凈的鋸齒波形。當(dāng)m1值較小時(shí)，電流在開(kāi)通時(shí)間始末電流變化很小，使它對(duì)噪聲的敏感程度升高，尤其是開(kāi)關(guān)管開(kāi)通時(shí)刻副邊二極管的反向恢復(fù)產(chǎn)生的尖峰電流將成為一個(gè)巨大的干擾源。而斜坡補(bǔ)償相當(dāng)于增加了電流上升斜率，使電流在開(kāi)通時(shí)間內(nèi)變化量變大，故起到了抑制干擾的作用。

圖2 電流型控制方式開(kāi)環(huán)不穩(wěn)定性示意圖

4 系統(tǒng)主回路設(shè)計(jì)

主回路由輸入整流濾波電路，單相逆變橋，高頻變壓器，輸出整流濾波電路組成。如圖3。

4.1 輸入整流濾波電路

輸入整流電路將輸入交流396v電壓進(jìn)行整流、濾波，為單相逆變橋提供一個(gè)平滑的直流電壓。

4.2 單相逆變橋

單相逆變橋由q1～q4四個(gè)智能功率模塊(ipm)組成。為高頻變壓器提供脈寬可調(diào)的高頻交流方波電壓。

4.3 高頻變壓器

高頻變壓器t1起到隔離和降壓的作用，它由一個(gè)原邊繞組、兩個(gè)副邊繞組組成;

4.4 輸出整流濾波電路

輸出整流采用由快恢復(fù)二極管fd1、fd2組成的全波整流方式，整流后的高頻直流電壓通過(guò)輸出濾波電感l(wèi)1及電容c13輸出穩(wěn)定的直流110v。

4.5 智能功率模塊ipm

智能功率模塊ipm是先進(jìn)的混合集成功率元件，由高速、低耗的igbt芯片和優(yōu)化的門極驅(qū)動(dòng)和保護(hù)構(gòu)成，具備了igbt和集成電路的雙重優(yōu)點(diǎn)。但與普通igbt相比，在系統(tǒng)性能和可靠性上有進(jìn)一步提高。所有的ipm均采用同樣的標(biāo)準(zhǔn)化與邏輯電平控制電路相連的柵控接口，在產(chǎn)品系列擴(kuò)充時(shí)不需另行設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路。ipm還具有很好的自我保護(hù)能力：控制電源欠壓鎖定;過(guò)熱保護(hù);過(guò)流保護(hù);短路保護(hù)。

緩沖電路用以控制關(guān)斷浪涌電壓以及續(xù)流二極管恢復(fù)浪涌電壓。在某些應(yīng)用中，緩沖電路通過(guò)提供附加的電流路徑，使功率器件開(kāi)關(guān)時(shí)的電壓電流相互錯(cuò)開(kāi)，以減少開(kāi)關(guān)損耗。

一般情況下，開(kāi)關(guān)管關(guān)斷電壓起始尖峰由緩沖回路寄生電感造成。在一個(gè)典型的igbt功率回路中，最差情況的di/dt將接近0.02a/ns*ic。因?yàn)?delta;v=ls*di/dt(ls為緩沖回路的寄生電感)，如果δv已被限定，那么可以推算出緩沖電路允許的最大電感量。

一般ipm的緩沖電路有三種結(jié)構(gòu)：如圖4所示。(a)由一個(gè)低感電容組成，在小功率設(shè)計(jì)時(shí)，這種緩沖電路用作對(duì)瞬變電壓有效而低成本的控制。(b)使用快恢復(fù)二極管解決了這個(gè)問(wèn)題，該二極管可箝住瞬變電壓，從而抑制諧振的發(fā)生。(c)由于直接連到每個(gè)igbt的集電極和發(fā)射極，具有較小的回路電感。[!--empirenews.page--]

圖3 主電路原理圖

圖4 緩沖電路結(jié)構(gòu)

圖5 控制原理圖

5 控制回路設(shè)計(jì)

控制電路是由以u(píng)c3846為核心的模擬電路構(gòu)成，其原理如圖5所示。

5.1 uc3846的性能及主要特點(diǎn)

能夠完成電流型方式控制的芯片包括uc3842和uc3846，uc3842為單路輸出結(jié)構(gòu)，uc3846有兩路互補(bǔ)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，適合于橋式電路，所以本設(shè)計(jì)采用了uc3846。uc3846具有一個(gè)恒定頻率的電流方式控制的所有功能，而且使外部電路得到了相當(dāng)程度的簡(jiǎn)化。與電壓型控制芯片比較，3846多了一個(gè)3倍增益的電感電流放大器(ca)，所以它能夠組成一個(gè)雙環(huán)反饋系統(tǒng)。它既保留了電壓型控制的輸出電壓反饋控制部分，又增加了一個(gè)電流反饋環(huán)節(jié)，把電感電流放大器的輸出信號(hào)ui跟誤差放大器(ea)輸出加到pwm比較器反向端的電壓uu進(jìn)行比較，然后去控制鎖存器。

它具有如下特點(diǎn)：

(1)自動(dòng)前饋補(bǔ)償;

(2)可編程箝位誤差放大器輸出，實(shí)現(xiàn)逐個(gè)脈沖電流限制;

(3)提供一個(gè)精度為±1%的5伏基準(zhǔn)電壓源，輸出能力40毫安，可用作內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)電源和外部電壓參考;

(4)具有欠壓鎖定功能;

(5)內(nèi)置一個(gè)350毫伏門限，能夠從外部提供關(guān)斷信號(hào);

(6)具有200毫安的雙推挽輸出，峰值電流可達(dá)到400毫安;

(7)具有雙重脈沖抑制功能;

(8)能夠提供軟啟動(dòng)功能。

5.2 控制電路設(shè)計(jì)

控制電路電源是由機(jī)車蓄電池供電的。電壓范圍在77v～130v之間變動(dòng)。主電路電壓、電流信號(hào)的采集都是由lem來(lái)完成的。因此需要兩組電源完成dc110v/dc±15v變換。另外，ipm的四個(gè)開(kāi)關(guān)單元需要四路隔離的+15v供電。整個(gè)系統(tǒng)需要6路隔離電源。

圖6 與斜波補(bǔ)償有關(guān)的三個(gè)電量波形

圖7 電壓端斜波補(bǔ)償

5.2.1斜坡補(bǔ)償電路的實(shí)現(xiàn)

uc3846內(nèi)部帶有一增益為3的電流放大器，放大器的反向輸入端被內(nèi)部電路箝位在3.5伏，所以其輸入信號(hào)的幅值不應(yīng)大于1.2伏。

斜率補(bǔ)償?shù)匿忼X波信號(hào)一般從振蕩器ct上取得，所以斜率補(bǔ)償與三個(gè)電流波形有關(guān)，除ct上電壓u1外，還有電流采樣點(diǎn)母線電流i1，以及流過(guò)輸出電感的電流i2。這三個(gè)電量的波形如圖6所示，電流i2下降部分為原邊所有開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí)，輸出電感續(xù)流的電流波形。

可以得到i2下降斜率m 2為：

m 2=vout/l

輸出電壓vout為110v，輸出電感l(wèi)為50μh，則m 2=2.2×106。[!--empirenews.page--]

因?yàn)樽儔浩髯儽葹?.1，又電流lem變比為1/1000，采樣電阻為30歐，所以m2折算到uc3846電流放大器前端之時(shí)，m2為：

| m2|= 30m 2/(2.1×1000)=3.1×104

當(dāng)m>-0.5m2時(shí)系統(tǒng)將變得穩(wěn)定，所以取m=15500。

經(jīng)測(cè)量鋸齒波ct上電壓斜率為64000，所以需要取ct波電壓的15500/64000。

對(duì)于3846，我們使用如圖7所示的斜率補(bǔ)償方式將ct波直接引至電流放大器的輸入端。

5.2.2 充電模式轉(zhuǎn)換

蓄電池的常規(guī)充電一般分兩個(gè)階段，在電池端電壓達(dá)到飽和之前，采取的是控制充電電流的策略，始終以一個(gè)恒定的電流充電。當(dāng)電池充滿電時(shí)，采取浮充方式，即維持電池組端電壓不變。另外，限制總的輸出電流，保證系統(tǒng)可靠運(yùn)行?？梢?jiàn)，系統(tǒng)需要有三個(gè)控制變量，即輸出電壓、總輸出電流和蓄電池充電電流。

5.2.3 過(guò)欠壓保護(hù)

系統(tǒng)是通過(guò)檢測(cè)中間直流母線電壓來(lái)判斷過(guò)、欠壓的。過(guò)壓值設(shè)定為700v，欠壓值為230v。欠壓保護(hù)只斷開(kāi)充電保護(hù)接觸器km2，同時(shí)封鎖脈沖。而過(guò)壓信號(hào)將封鎖脈沖，同時(shí)斷開(kāi)主接觸器km1，系統(tǒng)停止工作。

中間電壓檢測(cè)是通過(guò)型號(hào)為nv100-1000v的霍爾傳感器來(lái)完成的。中間電壓信號(hào)通過(guò)兩個(gè)滯環(huán)比較器輸出過(guò)壓信號(hào)uexcess和欠壓信號(hào)ulack。如圖8所示。

圖8 過(guò)欠壓檢測(cè)電路

欠壓信號(hào)ulack分成三路，一路通過(guò)uc3846的shutdown引腳封鎖脈沖，一路控制充電保護(hù)接觸器km2的通斷，另外一路去欠壓顯示回路。

過(guò)壓信號(hào)uexcess通過(guò)一個(gè)d觸發(fā)器將信號(hào)鎖定，其后分別通過(guò)shutdown封鎖脈沖、使主交流接觸器km1斷開(kāi)、點(diǎn)亮過(guò)壓指示燈。

5.2.4 fo信號(hào)保護(hù)

ipm自身檢測(cè)到信號(hào)后將輸出fo信號(hào)此信號(hào)通過(guò)光耦引致控制板上，其后通過(guò)d觸發(fā)器鎖定，然后分別通過(guò)shutdown封鎖脈沖、使主交流接觸器km1斷開(kāi)、點(diǎn)亮fo故障指示燈。當(dāng)確認(rèn)故障消失后，通過(guò)復(fù)位按鈕可使系統(tǒng)重新開(kāi)始工作。

當(dāng)系統(tǒng)正常工作時(shí)，r=s=0，q=0，d觸發(fā)器處于準(zhǔn)備狀態(tài)。當(dāng)有fo信號(hào)時(shí)，fo由高變低，使q=d=1。閉合復(fù)位按鈕s1，則r=1，使輸出q=0。系統(tǒng)開(kāi)始正常工作。

ipm控制電源上電的初始階段，將輸出一短暫的fo信號(hào)，如果將此fo信號(hào)鎖存，將導(dǎo)致系統(tǒng)無(wú)法開(kāi)始工作。因此，與s1并聯(lián)一較大電容，上電初期，通過(guò)電容充電延時(shí)，以避開(kāi)上電初期的fo信號(hào)。

圖9 fo信號(hào)保護(hù)

5.2.5 輸出過(guò)壓保護(hù)

圖中，vfbd取自輸出電壓反饋信號(hào)，通過(guò)與給定信號(hào)比較，輸出故障信號(hào)kvexc。kvexc經(jīng)過(guò)鎖存后分別去shutdown電路、切除 km1電路及顯示電路。為防止系統(tǒng)在剛剛啟動(dòng)時(shí)，由于輸出電壓的超調(diào)引起誤動(dòng)作，故c38取值較大，通過(guò)加大rc時(shí)間常數(shù)達(dá)到避免誤動(dòng)作的目的。

5.2.6 控制電源欠壓保護(hù)

由于某種原因控制電源掉電或欠壓時(shí)，如不及時(shí)封鎖觸發(fā)脈沖，有可能導(dǎo)致系統(tǒng)發(fā)生更大故障，因此增加控制電源的欠壓保護(hù)。

當(dāng)由于控制電源故障+15v變低，低于設(shè)定值時(shí)，輸出故障信號(hào)vdis。vdis通過(guò)shutdown封鎖觸發(fā)脈沖。

5.3 觸發(fā)電路設(shè)計(jì)

ipm的觸發(fā)電路為一塊單獨(dú)的觸發(fā)板，安裝在ipm上。為了防止干擾信號(hào)及控制失誤所引起的上、下橋臂同時(shí)導(dǎo)通，采用如圖12所示的電路結(jié)構(gòu)。[!--empirenews.page--]

圖中只畫(huà)出了一組驅(qū)動(dòng)電路，另外一組電路結(jié)構(gòu)相同，只是outa與outb反接。由于穩(wěn)壓管d3的存在，使a、b間電壓必須大于4.7v時(shí)，才能觸發(fā)光耦。從而有效地去除了干擾的影響。d1和d5的存在，使兩個(gè)光耦不能同時(shí)觸發(fā)，因此保證了觸發(fā)電路正常運(yùn)行。

圖10 輸出過(guò)壓保護(hù)電路

圖11 控制電源欠壓保護(hù)電路

圖12 ipm脈沖觸發(fā)電路

6 總結(jié)

隨著電力機(jī)車技術(shù)的發(fā)展，作為機(jī)車控制電源的相控整流電源已經(jīng)不能滿足機(jī)車設(shè)計(jì)水平的要求，本課題旨在研究一種高頻開(kāi)關(guān)電源取代傳統(tǒng)的相控整流電源，使機(jī)車的電源水平提高到一個(gè)新的水平。

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作者簡(jiǎn)介

孫 湖 男 工程師 主要研究方向?yàn)闄C(jī)車電力電子，信息檢測(cè)與監(jiān)控系統(tǒng)。