電力機(jī)車新型高頻電源研究

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，在我國最新研制的電力機(jī)車中，已經(jīng)開始使用高頻開關(guān)電源，如ss7d、ss8、ss9等。高頻開關(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表1。

表1 高頻開關(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)展來看，相控整流電源必將被開關(guān)電源所取代。

2 高頻開關(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變壓器實(shí)現(xiàn)電氣隔離。具體說來，全橋變換器只需要一個(gè)原邊繞組，通過正、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)制簡化;利于多電源并聯(lián)運(yùn)行;限制偏磁等優(yōu)點(diǎn)。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)于上述問題，斜坡補(bǔ)償是一種簡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題。在c)中，通過加一個(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。