城軌列車高頻輔助應急電源研制
1 引言
本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/201612/327426.htm城軌列車蓄電池有可能因為過放電而出現(xiàn)虧損,從而無法為輔助電源系統(tǒng)的控制電路提供正常工作所需的DC24V電源,導致輔助電源系統(tǒng)無法正常工作,因此需要一款應急輔助電源,在蓄電池出現(xiàn)虧損時為輔助電源系統(tǒng)的控制電路供電,作為列車輔助電源控制系統(tǒng)控制電路的啟動電源。應急啟動電源輸入DC750V(450V~1100V),輸出DC24V,額定輸出250W。主電路拓撲。由于車載蓄電池虧損,不能為應急電源提供控制電,因此需要設(shè)計啟動供電電路。由于控制電源供電質(zhì)量差,加之該電源功率等級和系統(tǒng)較小,因此使用集成DC/DC控制芯片SG3525設(shè)計控制系統(tǒng)。針對主電路特點,設(shè)計一個簡單的高壓隔離IGBT驅(qū)動電路。
2 系統(tǒng)原理與設(shè)計
2.1 系統(tǒng)主電路原理
如圖1所示,系統(tǒng)主電路拓撲。
工作原理如下:1)、直流750V經(jīng)輸入LC濾波后由半橋變換器變成交變電壓,經(jīng)高頻變壓器后輸出由全波整流輸出直流24V(DC24V);2)、輔助繞組DC24aux為控制系統(tǒng)提供反饋電源;3)、二極管D1即可以削弱LC震蕩,也可以防止輸入接反;4)、電容C1、C2即是支撐電容,也是半橋的一個橋臂;5)、R1是開關(guān)管Q2電流采樣電阻。
結(jié)合所選開關(guān)管參數(shù),綜合考慮系統(tǒng)體積和損耗,設(shè)計開關(guān)管開關(guān)頻率為20kHz。高頻變壓器工作頻率也為20kHz,額定容量300kVA。
2.2 啟動供電電路
如圖2所示,其設(shè)計思路是:當6800uF電容兩端的電壓達到一定值(如:25V)時,開通三極管給控制系統(tǒng)供電。假設(shè)6800uF電容兩端電壓達到25V時三極管飽和導通開始給控制系統(tǒng)供電,到15V時三極管關(guān)斷停止供電。假設(shè)控制系統(tǒng)的功率為5W,則可以根據(jù)公式:
0.272s的時間足夠讓系統(tǒng)啟動并穩(wěn)定工作。穩(wěn)壓二極管1N475A的穩(wěn)壓值為30V,1N4740A為10V。在三極管ZTX956開通給控制系統(tǒng)供電前LM258D工作電流小于1mA,滿足此處設(shè)計需要。
在Multisim11.0中搭建仿真模型,啟動電路后面用80Ω的電阻作為負載來模擬對控系統(tǒng)供電,仿真波形如圖3所示,其中淡綠色色波形為電容C1兩端的電壓,藍色波形為控制系統(tǒng)兩端的電壓,由仿真結(jié)果可知該方案達到了預期目標。
啟動供電電路提供的是15V~25V的電源,而輔助繞組提供的是24V電源(輸入直流電壓和主繞組負載變化時,波動較大)。為了給控制電路提供一個穩(wěn)定可靠的電源,在啟動供電電路和輔助繞組供電輸出加一個三端穩(wěn)壓芯片進行穩(wěn)壓??紤]IGBT驅(qū)動電壓為15V,這里設(shè)計穩(wěn)壓器輸出為15V。如圖4所示,穩(wěn)壓電路原理圖。
2.3 控制系統(tǒng)設(shè)計
集成DC/DC控制芯片因反饋控制不一樣可以分為電壓型和電流型控制模式。由于電壓控制模式電路是單環(huán)反饋的設(shè)計和分析較易進行;鋸齒波振幅較大,對穩(wěn)定的調(diào)制過程可提供較好的噪聲余裕;低阻抗功率輸出,對多輸出電源具有較好的交互調(diào)節(jié)特性。由于輕軌車高頻輔助應急電源的負載對電源的動態(tài)性能要求不高,而且電壓控制模式相對電流控制模式調(diào)試簡單,故本設(shè)計的系統(tǒng)的控制模式采用電壓控制模式。
綜合調(diào)研各廠家芯片,這里選擇常用集成DC/DC控制芯片SG3525作為主控芯片。輸出DC24經(jīng)PC817隔離反饋輸入SG3525的誤差放大器。如圖5所示,SG3525控制系統(tǒng)原理圖。
2.4 IGBT驅(qū)動電路設(shè)計
IGBT驅(qū)動有不隔離的自舉電路、變壓器隔離驅(qū)動和光耦隔離驅(qū)動。如今市場上現(xiàn)有的帶自舉電路的橋式驅(qū)動芯片的最高耐壓僅為1200V,并不能夠滿足750V電源系統(tǒng)。而使用專用的驅(qū)動模塊成本太高,且對控制電源要求較高,電源系統(tǒng)在啟動時會出現(xiàn)無法啟動的問題。故本設(shè)計采用最簡單的變壓隔離驅(qū)動的方式來驅(qū)動開關(guān)管,驅(qū)動電路的設(shè)計如圖6所示。由于SG3525供電電壓為15V,驅(qū)動隔離變壓器變比設(shè)計為1:1:1,工作頻率為21kHz。
首先測試啟動供電電路,如圖8所示啟動供電電
路輸出電壓波形,通道1是啟動供電電路輸出電壓波形,通道2是啟動供電電路充電電容兩端電壓波形。由實驗波形可得啟動供電電路可以為控制系統(tǒng)提供0.3s的電源。實驗結(jié)果與滿足設(shè)計要求。用啟動供電電路給控制系統(tǒng)供電,使應急電源工作。應急電源滿載輸出時,驅(qū)動脈沖(VGE通道1)、IGBT兩端電壓(VCE,通道2)、IGBT電流波形(IC,1Ω采樣電阻電壓波形,通道3)如圖9所示。由圖9可得,驅(qū)動脈沖峰值為16.6V,驅(qū)動脈沖波形較好,IGBT兩端電壓為780V,IGBT電流峰值為1.2A。
測試應急電源的輸入輸出電壓波形,測試波形如圖10所示。由圖10可得,輸入直流電壓為809V(DC750V,通道1),主繞組輸出電壓為24.6V(DC24V,通道2),輔助繞組輸出電壓為21.2V(DC24aux,通道3)。輸入輸出特性滿足設(shè)計要求。
4 結(jié)論
這里分析了城軌列車高頻輔助應急電源系統(tǒng)原理,針對應急電源的特色工況設(shè)計了啟動供電電路。然后設(shè)計了以SG3525為核心的控制系統(tǒng)。最后搭建實驗平臺,對系統(tǒng)各個功能進行測試。實驗結(jié)果表明設(shè)計方案滿足實際需求。
參考文獻
[1] Baoxing Chen, “Isolated half-bridge gate driver with integrated high-side supply,” Power Electronics Specialists Conference Proceedings, pp. 3615-3618, June, 2008.
[2] Sheng-Yuan Ou, Ho-Pu Hsiao, “Analysis and design of a novel single-stage switching power supply with half-bridge topology,” IEEE Trans. Power Electronics, vol. 26, no.11, pp. 3230-3241, Nov. 2011.
[3] Amit K. Jain, David McIntosh, Matt Jones, Brian Ratliff, “A 2.5kV to 22V, 1kW radar decoy power supply using silicon carbide semiconductor devices,” in 14th European Conference on Power Electronics and Applications Proceedings, pp. 1-10, 2011.
[4] 王小方.基于狀態(tài)空間平均法的DC/DC高頻隔離變換器建模仿真分析[J].機車電傳動,2011,1:10-13.
Wang Xiaofang. The modeling and simulation analysis of high frequency DC/DC isolated converter based on state space average method [J]. Electric Drive for Locomotives, 2011,1: 10-13. UC1 啟動供電電路輸出電壓 VGE VCE IC DC750V DC24V DC24aux
[5] 劉志剛.電力電子學[M].北京:清華大學出版社,2004.
Liu Zhigang. Power Electronics [M]. Beijing: Tsinghua University Press, 2004.
作者簡介:
何文輝(1989- ),男,四川南充人,碩士研究生,研究方向為電力電子與電力傳動。
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