電力機(jī)車直流變換器電路的設(shè)計

電力機(jī)車直流變換器電路的設(shè)計

0推動國產(chǎn)進(jìn)口技術(shù)體系的發(fā)展目前，高質(zhì)量的直變器主要依賴于國外的進(jìn)口，這可以盡快使他們的國內(nèi)化工現(xiàn)場變得困難。以設(shè)計的電力機(jī)車直流變換器為例,詳細(xì)介紹DC110V/DC24V直流變換器電路的設(shè)計思想,為發(fā)展我國高質(zhì)量等級的直流變換器提供參考。1直變換器的工作原則和主要技術(shù)1.1帶單獨接收點電壓脈沖面向虛電產(chǎn)品直流變換器工作時,直流110V電壓經(jīng)2級共模濾波后,加到Boost升壓變換器兩端,升壓變換器由2路Boost升壓電路并聯(lián)組成。升壓后的電壓經(jīng)閉環(huán)控制后穩(wěn)定在140V左右,電壓加到全橋變換器(Fullbridgeconverter)兩端。在控制回路和驅(qū)動回路作用下,將該140V直流電壓轉(zhuǎn)換成頻率為65kHz、幅值為140V極性交變的電壓脈沖。之后,電壓脈沖經(jīng)開關(guān)變壓器降壓,高頻全波整流、LC濾波及電壓反饋回路的控制,輸出為24V的直流穩(wěn)定電壓。1.2u3000出口電壓(1)額定輸入電壓為DC110V。(2)工作電壓范圍為DC77～137.5V。(3)輸出電壓為DC24V。(4)最大輸出功率為1kW。(5)電壓調(diào)整率不大于±10%。(6)輸出紋波為ΔUP-P≤1V。(7)直流變換器效率為80%。2直變換器的設(shè)計2.1變壓器電路選擇由于電源的輸入電壓范圍很寬(77～137.5V),如果采用常規(guī)的一級降壓電路,會造成功率開關(guān)管的電流應(yīng)力過大,電路的效率過低,同時給變壓器的設(shè)計帶來難度。因此,在電路選擇上,可采用2級電路,第1級電路采用Boost電路進(jìn)行升壓,將輸入電壓升壓并穩(wěn)定在140V左右,同時利用Boost電路中的電感,在開機(jī)瞬間抑制輸入浪涌電流;第2級電路采用PWM全橋變換器電路,由于第2級電路的輸入電壓已升到140V,功率MOS管的電流應(yīng)力變小,有利于提高電路的變換效率。2.2直變換器的主要設(shè)備選擇2.2.1超快恢復(fù)電極的選擇為防止電源在使用中輸入電壓極性反接造成電源損壞,需在電源的輸入正端,正向串聯(lián)保護(hù)二極管。預(yù)計開關(guān)電源組件的效率η為85%,在電源輸入電壓為77V時,輸入電流最大為上式中,PO為輸出功率,W。選用IR公司生產(chǎn)的超快恢復(fù)二極管,型號為MUR3020,其主要性能參數(shù)為VR為200V、IF(V)為30A、PD為190W、VF為1.1V。據(jù)此,計算二極管的最大損耗為1.1V×15.28A≈16.8W。2.2.2振興壓裂閥開關(guān)管2.2.2.反峰電壓的產(chǎn)生原因。根據(jù)2在Boost升壓變換器電路中,開關(guān)管承受的電壓為升壓后的電壓E。由于管子漏極回路引線電感的影響,在開關(guān)管關(guān)斷瞬間會產(chǎn)生較大的電壓尖峰,在電路中加入緩沖回路等措施后,一般可使反峰電壓不超過穩(wěn)定值的20%,開關(guān)管承受的電壓為1.2E。考慮到現(xiàn)有器件的狀況,管子的耐壓可留有15%的余量,則開關(guān)管漏源電壓為因此,所選開關(guān)管的耐壓應(yīng)大于197V。2.2.2.脈沖電流幅值的計算預(yù)計開關(guān)電源組件的效率為85%,則輸入直流功率PIN為設(shè)直流變換器的最小輸入直流電壓VIN為75V,Boost變換器開關(guān)管的工作比δ為0.9,則開關(guān)管的脈沖電流幅值IM為由于升壓變換器由2路Boost升壓電路并聯(lián)組成,則每路變換器開關(guān)管承受的峰值電流為8.7A?？紤]到開關(guān)管開啟時產(chǎn)生的電流尖峰,根據(jù)經(jīng)驗,實際使用電流為開關(guān)管額定電流的1/3時,比較有利于確保開關(guān)管的可靠性和提高效率。根據(jù)以上計算,可選用IR公司生產(chǎn)的MOS管,型號為IRFP250,其主要性能參數(shù)VDSS為200V、ID為30A、PD為190W、RDS(on)為0.085Ω。2.2.3最佳變換器輸出電壓設(shè)Boost變換器的效率為94%,輸出電壓為140V,輸入功率為1170W,則升壓變換器的輸出電流IBM為2路Boost升壓電路并聯(lián),則每路Boost變換器輸出隔離二極管承受的峰值電流約為4A。二極管承受的反向電壓為140V,考慮到電壓尖峰的影響,管子的反向耐壓應(yīng)在180V以上。根據(jù)以上計算,可選用IR公司生產(chǎn)的超快恢復(fù)二極管,型號為MUR3020。2.2.4全橋換能器開關(guān)管2.2.4.1.開關(guān)管泄漏源電壓vsds在全橋變換器電路中,開關(guān)管漏源電壓與Boost升壓變換器開關(guān)管的開關(guān)管漏源電壓相同,所選開關(guān)管的耐壓應(yīng)大于197V。2.2.4.電流幅值為5m時設(shè)全橋變換器效率η為91%,輸入直流電壓為140V,開關(guān)管工作比δ為0.8,則脈沖電流幅值IFM為同樣,實際使用電流為開關(guān)管額定電流的1/3時,對提高開關(guān)管的可靠性和效率比較有利。因此,可選用IR公司生產(chǎn)的MOSFET管,型號為IRFP250,其主要性能參數(shù)VDSS為200V、ID為30A、PD為190W、RDS(on)為0.085Ω。2.2.5a開關(guān)輸出電壓開關(guān)電源組件輸出采用全波整流電路,通過整流二極管的有效電流為輸出電流的70%,峰值電流等于輸出電流大小。24V、40A開關(guān)電源在額定負(fù)載時,輸出電壓為24V,輸出電流為42A?？蛇x用IXYS公司的超快恢復(fù)二極管DSEC60-03A,其內(nèi)部集成了2只電流為30A的快恢復(fù)二極管,主要性能參數(shù)VRRM為300V、IFAVM為2×30A、trr為35ns。為提高可靠性,減少損耗,采用3只整流管并聯(lián),這樣在最大負(fù)載情況下,每只承受的峰值電流僅為14A。2.2.6pm-keyBoost變換器及全橋變換器控制電路均可采用電流型PWM集成塊UC2825。2.2.7肖特基勢把基碳schottki作為在電源的輸出端串聯(lián)隔離二極管,用于電源的并聯(lián)工作,電源的輸出電壓為24V,最大輸出電流為42A,選擇IXYS公司的肖特基二極管(Schottkydiode),型號為DSS2X61-06A,其主要性能參數(shù)VRRM為100V、IFAVM為2×60A、VF為0.69V。二極管最大耗散功率為42A×0.69V≈29W。2.3電源及電源冷卻根據(jù)24V變換器產(chǎn)品技術(shù)指標(biāo)的要求,實際負(fù)載功率約為900W,電源的效率約為85%,則直流變換器實際作大損耗Pcon為考慮到輸入輸出隔離二極管的損耗,電源的總損耗約為205W。電源的冷卻采用自然冷卻方式,將功率管放在散熱器上,功率管旁邊裝有(85±3)℃的溫度繼電器,當(dāng)散熱器溫度超過該溫度時,溫度繼電器動作,將電源封鎖,無功率輸出;當(dāng)溫度降低后,溫度繼電器復(fù)位,電源自動恢復(fù)工作。開關(guān)電源磁性元器件功耗較小,全部安裝在印制板上,采用自然冷卻方式。2.4直變換器工藝設(shè)計2.4.1采用合適的粘接材料選用合適的導(dǎo)熱絕緣膠,既便于對器件散熱以及各種膠與粘接元件之間的匹配特性進(jìn)行研究和優(yōu)化,又可達(dá)到散熱及高可靠粘接的目的。如對變壓器來說,選用合適的粘接膠粘接變壓器,不僅會有一定的抗拉強(qiáng)度,還具備一定的韌性,其溫度特性與磁罐材料的匹配也能確保磁罐在溫度循環(huán)中不開裂。目前,選用道康寧170膠,其導(dǎo)熱性和粘接性都很好,故障處理時,開膠韌性好,膠體可整體脫落。2.4.2金屬織構(gòu)的模擬干擾雙層印制板在設(shè)計時需滿足以下要求。(1)電源平面應(yīng)靠近接地平面,并且安排在接地平面之下。這樣可以利用2個金屬平板間的電容作電源的平滑電容,同時接地平面還對電源平面上分布的輻射電流起到屏蔽作用。(2)布線層應(yīng)安排與整塊金屬平面相鄰,以產(chǎn)生通量對消作用。(3)數(shù)字電路和模擬電路分開。有條件時,將數(shù)字電路和模擬電路安排在不同層內(nèi),地線和電源都要分開,不能混用。數(shù)字信號有很寬的頻譜,是產(chǎn)生干擾的主要來源。(4)時鐘電路和高頻電路是主要的干擾和輻射源,一定要單獨安排、遠(yuǎn)離敏感電路。2.5高頻隔離變換變換器變換器采用標(biāo)準(zhǔn)機(jī)箱結(jié)構(gòu),外殼為鋁合金材料,局部有加強(qiáng)筋加固;內(nèi)部元件采用螺釘?shù)刃问焦潭?固定牢靠,滿足振動沖擊相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求。變換器安裝在車輛控制屏柜內(nèi),前面板采用4個螺釘固定,后面利用連接器的導(dǎo)向銷固定、導(dǎo)軌限位,確保在動態(tài)情況下,不會對變換器的性能造成影響。變換器充分考慮了電氣絕緣、安全接地以及隔離耐壓等有關(guān)電力安全的各種因素,在方案上采用了高頻隔離變換技術(shù),輸入輸出之間以及各相對地之間的絕緣強(qiáng)度滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。各安裝板都設(shè)有地線,通過對外連接器地線最終實現(xiàn)1點可靠接地。箱體外部設(shè)有警示標(biāo)志,整個箱體沒有帶電金屬裸露點。另外,變換器自身還設(shè)置了多重保護(hù),如