（电力系统及其自动化专业论文）双电源无轨电车dcdc变换器的研究.pdf

北方交通大学硕 ：论文 a b s t r a c t a b s t r a c t n l et h e s i si sas u m m a r i z a t i o no f t h er e s e a r c hw o r ko f c h a r g e r ( d c d cc o n v e r t e oo fp r o j e c t “d o u b l ep o w e rs o u r c en o n t r a i l e l e c t r i cc a rc h a r g ed e v i c ea n de n e r g ym a n a g e m e n ts y s t e m ” t h i sc o n v e r t e ri sat y p i c a lb u c kc o n v e r t e rw h o s ec o r e c o n t r o l c h i pi su c 3 8 4 6m a n u f a c t u r e db yu n i t r o d e t h e c o n t r o lt y p eo ft h ec o n v e r t e ri sc u r r e n tc o n t r o la n di tm e e t st h e d e m a n d so f t h ep r o j e c tg r e a t l y 1 1 1 es t r o n g p o i n t sa n ds h o r t c o m i n g so fc u r r e n tc o n t r o la r e d i s c u s s e di nd e t a i l i nt h i st h e s i s a n dc o r r e s p o n d i n gm e a s u r e sa r e t a k e nt 0o v e r c o m et h e s es h o r t c o m i n g sa n dr e d u c et h ee m ia n d i n c r e a s ei t ss a f e t y t h ec o n v e r t e rp r o v i d e dh e r eg r e a t l ym e e t st h e d e m a n do f p r o j e c t 1 1 1 ec o r r e s p o n d i n gs o f t - s w i t c hc o n v e r t e rw a sa l s od i s c u s s e d i nt h et h e s i s a t t e ri n t r o d u c i n ga n dc o m p a r i n gk i n d so fs o f t s w i t c h i n gt e c h n i q u e ，t h eb u c kz c t s o f ts w i t c h i n gc o n v e r t e rw a s f o c u s e do n a ne x p e r i m e n to ft h ec o r r e s p o n d i n gz c t - p w m c o n v e r t e rw a sc a r r i e do u ta n dt h ee f f e c ts h o w se x c e l l e n tw h i c h w i l lg r e a t l yb e n e f i ti t sf l n t h e rr e s e a r c h n e c o r r e s p o n d i n gc o n v e n e r sa r es i m u l a t e da n dt e s t e da n d t h e i rw a v e f o r m sa r cc o m p a r e d 、i me a c ho t h e r , t h er e s u l ts h o w s t h a tt h en e e d sa r ea c h i e v e dv e r yw e l l k e y w o r d ：b u e kc o n v e r t e r , z e r o - c u r r e n t - t r a n s i t i o n ，c u r r e n t c o n t r o l ，s o f ts w i t c h i n g 双b 源光轨i 乜车d c d c 变换器的研究 北方交通人学硕 ：论文第一章概述 第一章概述 第一节选题及意义 本论文主要着眼于课题“双电源无轨电车充电及电池能量管 理系统”的d c d c 变换器的研究。 为了缓解交通拥挤的状况，北京市提出了公交优先发展的原 则，这体现了国际性大都市的发展方向。由于电能具有污染小、易 于传输的特点，而且转换效率远远高于传统的供能方式，所以国 际上发展公共交通的最主要措施是采用电能作为供电能量。例如 同本东京主要发展地下铁道，而欧洲则以城市轻轨为发展方向。 但北京由于历史等多方面原因，在许多地段不可能修建地铁和城 市轻轨，因此改造现有公交线路成为非常现实的办法【3 】。 无轨电车对于缓解北京的公共交通和减轻城市污染发挥了重 要作用。无轨电车采用7 0 0 v 直流供电方式，随着北京市城市建 设的发展和治理环境的需要，许多地区如前门、西单及东单地区， 提出了将供电电源抛开采用电池供电的方式，即双电源无轨电车 方案。 随着北京申办2 0 0 8 年奥运会的成功。北京市对无污染、环保 型清洁动力公交车的需求越来越大。电车作为城市交通的不可缺 少的部分为市民的同常生活带来了很大的便利，但是城市上空的 越来越多的电车供电导轨却成为大都市的重要的视觉污染。作为 美化城市建设、消除视觉污染的一个重要组成部分，在大城市的 越来越多路段将拆除电车的供电导轨，在此区段电车将主要靠蓄 双电源无轨电车d c d c 变换器的研究 北方交通人学坝j 一论文笫一章概述 电池来驱动，这种电车就是提出的双电源供电的无轨电车。 双电源供电的无轨电车在采用电池作为动力源的情况下，实 际上就相当于电动汽车。所以电动汽车的许多方法都可直接应用 在无轨电车上。但电动汽车和无轨电车的充电输入电压等级不同， 电动汽车的车载充电机和地面充电机的直流环节电压等级为 3 0 0 5 0 0 v ，而无轨电车网压为7 0 0 v ，并且电压变化范围较大， 一般在5 0 0 7 0 0 v 之间变化。此外，无轨电车具有经常性的网压 突变，顶弓和电网的非连续接触也易引起火花和电弧造成频繁的 电压尖峰，而且充电断续，这就对无轨电车车载充电机的设计、 控制和运行提出了更高的要求【3 】。 此外，由于双电源无轨电车在无电区段采用电池供电，在整 个电池组中，一旦有一个电池损坏。则将影响整个电池组的充放 电，造成电池存储能量不足，降低了电池的使用寿命。在通过无 电区段前，司机也无法判断电池实际的剩余电量是否充足；在此 区段中出现问题时，更无法及时处理。另外，由于无法确知电池 状态，使充电机无法采用适合的充电方式，降低了电池的综合利 用效能和使用寿命。 目前在北京市改造的双电源无轨电车中使用的充电机效果较 差。首先是充电机的可靠性差，主要问题是损坏开关器件：充电 机即使正常工作，电池组有时仍会出现充电能量不足的情况，这 说明现有充电技术已经无法保证电池组快速、可靠的充电：另外 由于充电机的工作状态和充电方式与电池不匹配，使电池加速了 损坏。所以为无轨电车设计一种合适的充电机并加装电池能量管 理系统变得非常迫切。 本课题就是针对上述问题，致力于研究无轨电车的充电技术 双电源无轨电车d c d c 变换器的研究 - 2 - 北方交通人学硕 j 论文第一章概述 以及电池能量管理系统，以产业化为目标，实现无轨电车的安全 可靠的脱网运行，实现电池的优化管理和优化配置，并延长电池 的使用寿命和降低故障率。 第二节系统组成 本系统除d c d c 变换器( 即充电机) 部分和电池能量管理 系统两部分外，在司机台还设有一个核心控制单元，它检测系统 各部分的状态，并进行数据处理。并附有人机接口，将系统的工 作状态随时通知给司机，而且还可以通过它进行一些命令操作。 本课题系统框图如图1 1 所示： 图1 - 1 本课题系统框图 电池管理系统可对双电源无轨电车电池组进行优化组合，完 成对电池组性能的评价；能够获取电池的工作状态，预报电池的 异常情况，从而避免了因电池故障造成停车事故的出现：通过实 时检测电池的充电量和放电量，可避免电池出现过充和过放电现 双电源无轨电车d c d c 变换器的研究 北方交通人学顾j 论文第一章概述 象，而过充和过放都会对蓄电池造成伤害。 充电机主要完成对蓄电池组的快速无伤害充电。它根据核心 控制单元提供的最佳充电数据进行合理的充电。充电机内部单片 机也可将充电机状态及时传给主控单片机，以便进行数据处理， 并使司机及时了解充电机运行情况。 第三节变换器系统参数要求 北京市无轨电车接触网直流电由三相全桥整流得到，是频率 3 0 0 h z 的馒头波。在负载较小情况下，网压可高达7 0 0 伏；用电 高峰时，电压可低于5 0 0 伏。所以充电机设计时应考虑输入电压 的大范围变化。 北京市无轨电车目前配备有两种电池组，一种为2 4 节1 2 伏 电池，另一种为3 2 节1 2 伏电池。前者电压波动范围为2 4 0 伏到 3 6 0 伏，而后者为3 2 0 伏到4 8 0 伏。所以充电机输出电压应能在 2 4 0 伏到4 8 0 伏变化。 综合起来，本充电机设计时要满足如下数据： 输入电压 6 0 0 v 2 0 d c 输出电压 3 6 0 v d c 输出最大电流2 0 a d c 稳压精度 1 稳流精度 1 近年来，尤其是在电动汽车的充电机方面，电力电予技术发 展非常迅速。主要表现在新型电力电子器件的大规模应用、集成 化与智能化和高性能及高可靠性等方面。 双电源无轨电车d c d c 变换器的研究 - 4 - 北方交通大学硕士论文第一章概述 为了提高系统的动态响应弗减小系统输出纹波，本变换器采 用电流型控制方式。事实上，当电车运行在有轨方式情况下，系 统由受电弓供电，变换器向蓄电池充电；而当在电车以无轨方式 运行时，电车由蓄电池供电如图1 2 所示。 d c6 00v-4-20powerline 圈1 2 双电源无轨电车供电方式 据图可以发现，变换器输入输出共地，系统不需隔离，所以 本变换器系统采用了无隔离的拓扑结构单管不隔离电路。这种 单管形式的变换器相对于其它全、半桥带隔离的d c d c 变换器 大大的节约了成本，而并没有影响系统性能。由于系统的最小输 入比输出大，系统采用降压( b u c k ) 电路。结合以上几个方面的 要求，系统最终设计成“电流型控制单管b u c k 变换器”。其中主 功率开关管采用三菱电机的智能功率模块m m 作为其主开关器 件，简化了系统的控制，降低了系统的故障率，提高了系统的可 靠性。 本系统还配有通讯接口，使其能在主机的控制下按照合适的 双电源无轨电车d c d c 变换嚣的研究 5 - 北方交通人学坝 ：论文 第一章概述 充电策略进行充电，并向主机反馈其工作状态。 本变换器的系统框图如图1 3 所示： 兰户叫f j l l e 跚r 呻虾黼譬z 图1 - 3 变换器系统框图 第四节论文内容架构 本论文重点研究以下几个关键技术问题： 1 、电流型控制b u c k 型d c 仍c 变换器的控制理论研究及其仿真； 2 、宽范围输入稳定工作b u c k 型d c d c 变换器的实现； 3 、b u c k 型z c t 变换器的预研究； 在本课题的研究过程中，对于硬开关b u c k 变换器的研究， 所有的设计都是严格按照现场要求进行的。事实上，经过近一年 的细心研究和不懈努力，本课题所要求的变换器得到实现。本论 文就是作者对该课题研究的一个全面客观的总结， 本论文在大的架构方面分为两个部分，其中前一部分主要 介绍了满足课题要求的电流型控制b u c k 型d c d c 变换器的具 双电源无轨电车d c d c 变换嚣的研究 6 - 一= | |揣一= = 北方交通人学蜿j 。论义 第一章概述 体实现，而第二部分主要对象硬变换器的软开关技术进行了与研 究。论文的两个部分的研究都以现实需求为指导，通过理论分析 与具体设计，并进行了同参数试验。其中： 论文的第一章作为本论文的概述，对论文的选题及其意义、 系统原理构成、系统要求参数和论文的整体构架进行了简要的叙 述。 论文的第二章分析了电流型控制b u c k 变换器原理，简单地 介绍了传统的电压型d c d c 变换器的工作原理，并对两者进行 了比较。然后给出了系统主电路的具体实现，并对各电路参数进 行了计算、分析和选择。 论文的第三章主要讨论了系统的控制回路的实现方案以及 电流型控制的斜波补偿原理及其实现方法。其中对控制回路的阐 述主要着重于闭环调节的实现、电流型控制以及恒流恒压控制的 自动转换等。另外在本章中还探讨了关于系统抗干扰、系统硬件 软起与软件软起及系统保护的实现问题。 论文的第四章对以上设计的b u c k 变换电路进行了仿真与 同参数试验，给出了主要电元器件的仿真波形，并与实测波形进 行了比较。表明了该系统设计的合理性与可行性。 论文的第五章对d c d c 变换器的软开关技术及其发展作 了一个简要的回顾，对各类软开关技术的优缺点进行了对比和分 析，并着重介绍了b u c k 型z c t 电路的特点及在本系统应用的优 点。 论文第六章对b u c k 型z c t 电路的原理进行了详细的分析， 具体提出了实现本系统的难点与相应的解决办法。 论文第七章给出了b u c k 型z c t 主电路，并对主要电元器 双i u 源光轨i u 印d c d c 变换器的研究 7 北方交通人学帧l j 论史 第一帚概述 件的参数进行了设计；本章中还根据b u c k 型z c t 电路控制实现 的要求设计了b u c k 型z c t 电路的控制电路，给出了其具体实现 形式并进行了相应的分析。 在以上设计基础上，作者对b u c k 型z c t 电路进行了仿真， 并做了相应的小功率试验。论文第八章给出了仿真与试验的波形， 并对二者进行了分析比较，给出了相应的结论。 论文的第九章对本论文进行了全面的回顾与总结，指出了存 在的问题和可能的改进思路。 双l u 源光轨i 也市d c d c 变换器的研究 8 北方交通人学倾l 论文第二章系统主电路设计 第二章系统主电路设计 第一节b u c k 变换器简单回顾 、d c d c 变换器 d c d c 变换器作为电源，由于其具有体积小、重量轻、变 换效率高等优点，被越来越广泛地应用于计算机、通信设备、家 用电器及电动汽车的充电机等方面【2 】。因此，作为双电源无轨电 车的一部分，本变换器采用d c d c 变换器。 d c d c 变换器有多种拓补结构，包括b u c k ，b o o s t ，f o r w a r d ， f l y b a c k 以及半桥等种类。其中b u c k 和b o o s t 属于非隔离式结构， f o r w a r d 和f l y b a c k 一般适用于小功率电源，在多路输出时尤其具 有优越性，因而在各种小型设备电源中为首选方式【2 】。 本变换器输入电压在4 8 0 v 到7 2 0 v 之间变动，要求获得d c 3 6 0 v 输出，且输入输出不需隔离。综合考虑以上因素，主电路拓 扑选择单管b u c k 斩波器，该拓扑结构简单、可靠性高且成本低， 便于大规模生产应用。这也为以后采用软开关技术提供了便利。 二、b u c k 变换器 b u c k 变换器的拓扑由电压源、主功率开关管、续流二极管、 滤波电路( 电感l 和电容c ) 和负载组合而成，是一种最基本的直 流变换器 9 。其基本拓扑如图2 - 1 所示，分析时，假定图中电容 c 足够大，其上电压基本维持恒定。在工作过程中，当控制脉冲 使丌关s 导通之后，输入电压。和输出电压，加到电感l 两端， 电感l 充电，l 上的电流逐渐增加，储存能量，此时续流二极管d 双l 乜源光轨电币d c d c 变换器的研究 北方交通人学坝i 。论史 第二章系统土f 乜路设计 图2 1 基本的b u c k 变换电路拓扑 因反向偏置而截止。当控制脉冲式开关截止时，输出电压k 反向 偏置电感l ，其上的电流减小，两端产生的感应电势使d 导通，本 过程中l 释放能量。 对于以上基本的b u c k 电路，其电路方程如下： 卜k = 哮 一v ：堕 o d t r 【0 ，f f * 】 其中，2 - 1 式中在时间内由k 上升到，一，而式2 - 2 中 f 在时间，拶内由，。下降到，。其中t m 为开关s 导通时间，f ，耵 为开关s 关断时问，t 为丌关周期，。为正常工作时电感最小 电流，。为正常工作时电感最大电流。由式2 - 1 。2 - 2 可得： i = z 1 ( _ ) 西 i l = 一圭肚 ，【0 ，r f h ， ，卅 2 3 2 4 双i u 源光轨l u 车d c d c 变换器的研究 t t k i 土 北方交通人学坝i 。论史 第一章系统土电路设计 对于式2 - 3 ，当t = 0 时，l 中电流为，。，。；当t = t m 时，l 中 电流达到其最大值，有： l m x - 半“ z s 对于式2 - 4 ，当t = t ，h 时，l 中电流为，一：当t = t ( 其中 t 2 ，。+ ，m ) 时，l 中电流达到其最小值，。有： y k m 詈咿m “ 2 - 6 由式2 5 和2 - 6 可知： _ 碱焘碱等与 2 _ 7 其中d = t ，m t 图2 2b u c k 电路基本波形 k 惫( 一k ) 2 - 9 式中a 。为滤波电感l 中电流的变化量，也即负载电流，。 的变化量。为使在最小负载电流情况下仍保持电感电流连续，应 取 出 2 , 。 2 - 1 0 其中1 。为变换器输出电流的最小值 1 4 1 。由2 - 9 及2 - 1 0 可得： 双l u 源尤轨i u 下d c d c 变换器的研究 北方交通人学坝h 仑义 旃二帝系统土l u 路i 5 计 抡筹 z 又由式2 7 可知： = 詈= 荒 z m 由上两式可得： 去”每 z m 掘此式可算得最小所需电感量。实际上电感的选择还得考 虑对控制电路的影响以及价格等诸多因素。 2 滤波电容c 计算 由于输出滤波电容不可能无穷大，所以电容上的电压也即 输出电压必然会存在一定的纹波。假设系统能够容忍的输出电压 纹波为圪，则输出滤波电容值可由下式选取【1 6 】： e 矿 q i 庐砖。一嚣 2 。4 事实上电容的选择还需考虑其e s r 等诸多指标。 第二节系统主电路设计与分析 通过上一节对b u c k 变换器的简单回顾与分析，可以设计系 统主电路如图2 3 所示，从| 兰| 2 - 3 可以看出，本系统主要由三个模块构 成，他们分别是输入模块、变换模块和输出模块。其中输入模块义包括三 相交流调压器、二项整流器以及输入直流滤波器等三个小模块，该模 双l u 源尤轨f u 车d c d c 变换器的研究 北方交通人学坝1 论立 第一二章系统主电路设计 薅 一戽 攀 z _ 刁 z 幽2 3b u c k 变换系统电路 块负责把实验室的三项交流电压变换调节成进行试验所需的直流 输入电压；变换器主要把稳定的直流输入电压变换成稳定的直流 输出电压；而输出模块对变换器的输出电压进行再一次的滤波， 其后的输出作为系统的输出。下面分别对系统三个主要模块进行 介绍。 一输入模块 由于系统设计的是d c d c 变换器，其输入为直流，且电压 高达4 8 0 v 7 2 0v ( 6 0 0v 2 0 ) ，而实验室无法提供如此高电 压的直接直流电源，所以需要通过三相交流电调压整流而得。整 流得到的直流电压，经输入直流滤波器和支撑电容后输出给下一 级变换器。 支撑电容用于对三相整流器的输出进行滤波，并对后级模块 表现支撑作用。一般地，当支撑电容需要向后级提供较大电流时， 支撑电容应该有较小的e s r ，这通常情况下靠电容的串并联来实 现。另外，由于三相整流得到的直流存在高频分量，所以有必要 在支撑点容两端需并上高频吸收电容，用于吸收支撑电容电压中 的高频成份。支撑电容的结构如图2 4 所示： 双电源无轨屯车d c d c 变换器的研究 北方交通大学硕卜论文 第二章系统主电路设计 图2 - 4 支撑电容结构 其中两个电阻使用来对串联电容进行均压。 在输入模块中，输入电压经整流后，还需再经过一级输入直 流滤波环节进行滤波。输入模块中的输入直流滤波器的采用中石 电子公司的直流滤波器，其主要作用是抑制输入电路中存在的共 模干扰和差模干扰。 二变换模块 本b u c k 变换器采用i p m 作为主功率开关器件。下文对其进 行简单的介绍。 ( 一) 、功率开关器件 1 功率开关器件简介 功率半导体器件按其导电介质可分为双极性器件和单极性 器件，电子和空穴都参与导电的器件称为双极性器件，只有其中 一种载流子参与导电的称为单极性器件。【l 】【8 】 双极性器件一般为电流控制器件，基本器件是双极晶体 管b j t 。b j t 的基极电流能够控制反射结的偏压，而发射结的偏 压可以改变可控制发射结和集电结的电流。这一类器件还包括 g t o 、g t r 等。 单极器件( 基本器件为场效应晶体管f e t ) 的电流由多数 载流子输运，同时它是电压型控制器件，是通过加在第三电极上 双电源无轨电车d c d c 变换嚣的研究 - 1 5 北方交通人学坝i 。论文 第一二幸系统生i 乜路设汁 的电压在主电极间产生可控电场来改变工作电流大小和通断状态 的。单极器件中实际应用较多的是m o s f e t 。 对于双极性器件，由于有少数载流子注入对漂移区电导 率的调制，其通流能力一般都很高，直接导致其尺寸小，价格低； 但其丌关速度较低，开关过程中的功率消耗太大。单极性器件克 服了以上问题，但它没有少数载流子的电导调制作用，以至通态 电阻较大，通流能力较小。 2 i g b t 的结构与特点 基于双极性器件和单极性器件存在的问题，人们想到把二 者结合起来，取各方之长构成一种新的器件。采用b i m o s 技术， 人们合成了许多新的功率器件，例如只能控制开通不能控制关断 的m o s 栅晶闸管( m g t ) ，两者都可控的绝缘栅晶体管( i g b t ) 等等，其中i g b t 性能优越且已被实际应用证明具有广阔前景， 其特点如下： 1 ) 、压型控制器件：当在g e 之间加正电压时，m o s f e t 导通， 相当于在p n p 管的b c 之自j 接了一个低值电阻，于是p n p 管导通；当g e 之间的电压为零时，m o s f e t 关断，p n p 管由于没有基极电流通过，所以也关断。 2 ) 、相对于m o s f e t 耐压高，电流容量大：m o s f e t 在通 态时，漏源之问呈现电阻特性，而且耐压越高，电阻越大。 而i g b t 导通时，正载流予加大了电导调制效应，使其导通 时通念电阻很小，容易实现高压大电流。 3 ) 、速度较快，容易实现过流保护：在i g b t 中，等效p n p 晶 体管的性能决定了i g b t 集电极电流的开关速度。通过使用 杂层浓度最佳化来抑制过量载流子的注入，并减小存贮载流 双电源光轨哇三车d c , d c 变换器的研究 1 6 北方交通人学碳卜论文 第二景系统主l 乜路设计 子的消散时间来缩短p n p 的开关时间。而且i g b t 导通时， u c e 的大小能反映过流情况，所以可通过检测它来识别过流 信号，实现保护功能。 3 i p m ( 智能功率模块) 的特点： 智能功率模块是先进的混合集成功率元件，由高速、低耗 的i g b t 芯片和优化的门极驱动和保护构成，具备了i g b t 和集 成电路的双重优点。但与普通i g b t 相比，在系统性能和可靠性 上有进一步提高。首先，i p m 通态损耗和开关损耗都比较低，使 得散热器减小，因而减小了系统尺寸。其次，所有的i p m 均采用 同样的标准化与逻辑电平控制电路相连的栅控接口，在产品系列 扩充时不需另行设计驱动电路。最后，i p m 在故障下的自保护能 力，减低了器件在开发测试和使用中过载情况下的损坏机会【9 。 具体来说，i p m 具有如下优点： 1 ) 、控制电源欠压锁定 内部控制电路由一个1 5 伏直流电源供电；如果由于某种原 因这一电源电压低于规定的欠压动作数值，该功率器件将被关断 并输出一个故障信号。如果小毛刺干扰时间小于规定的乃，则不 影响控制电路工作，欠压保护电路也不予理睬。要恢复正常工作， 电源电压必须超过欠压复位数值。 2 ) 、过热保护 i p m 在靠近i g b t 的绝缘基板上安装了一个温度传感器。如 果基板温度超过过热动作数值( o t ) ，i p m 内部控制电路将截止 栅驱动，不响应控制输入信号，直到温度恢复正常，从而保护了 功率器件。当温度回落至规定值并控制输入为高电平，功率器件 硬也源无轨电车d 1 ) 变换嚣的研究 北方交通人学坝f ：论史第二帝系统生【乜路设计 被复位。 3 ) 、过流保护 如果流过i g b t 的电流超过过流动作数值( o c ) 的时间，i g b t 将被关断。该时间典型值为1 0ps 。超过o c 数值但时间小于1 0 “s 的电流短脉冲并不危险，过流保护电路不予理睬。当检测出 过电流时，i g b t 将被有控制的软关断，同时输出一个故障信号。 4 ) 、短路保护 如果负载短路或系统控制器故障而导致上下臂同时导通，i p m 内置短路保护电路将关断i g b t 。如果流经i g b t 的电流超出短路 动作数值( s c ) ，受控软关断立即启动并输出一个故障信号。此响 应时间不足1 0 0 n s 。 于i p m 的诸多优点，本系统采用i p m 作为主开关器件。 ( 二) 、功率开关管的吸收 为了抑制主开关器件上的电压尖峰( 主要是关断浪涌电压) ， 必须对其进行吸收。由于主电路为单管电路，所以对电路的吸收 主要是对i p m 也即对i g b t 的吸收。 关断浪涌电压是在关断瞬时流过i g b t 的电流被切断时而 产生的瞬态电压。在单管b u c k 电路中，其产生机理如图2 5 所示： qj 图2 - 5 关断浪涌电压产生机理 双i 乜源无轨电车d c d c 变换器的研究 北方交通人学硕i 论文 第二章系统主i 乜路设汁 假设当开关q 导通时，开关管流过电流i 。由于电路存在 寄生电感( 漏感) ，这里用三。表示。当开关q 关断瞬间，电路将 在漏感。上产生一个极大的感应电压v 。以阻碍电流的突变，该 电压将以郎涌电压的形式加在开关管q 上，如果不对其加以吸收， 可能会超过额定集射电压而损坏i g b t 。 为了防止功率器件的损坏，必须对其上产生的浪涌电压加以 吸收。单管i p m 的吸收电路如图2 - 6 所示： o _ l 图2 - 6 单管i p m 的吸收电路 当开关管q 关断时，漏感上的浪涌电压v 。加在吸收电容c 上，被吸收掉。当开关管q 开通时，c 上的在q 关断瞬间冲入的 电量将通过r 和开关管q 释放掉。适当选择r c d 的值，可以使 丌关管上的浪涌电压得到很好的吸收，使功率开关管得到保护。 ( 三) 、输出滤波电容的吸收 输出滤波电容跟输入支撑电容一样面临着向后一级提供足 够大的输出电流、吸收电压高频成份等问题，所以它可以和支撑 电容类似的进行处理。 双电源无轨电车d c d c 变换器的研究 - 1 9 - 北方交通人学坝1 + 论史 鹕一章系统土i u 路设计 三输出模块 输出模块主要由一个输出直流滤波器构成，另外还包括一个 安培表和一个伏特表用于显示输出电压电流值。其中输出直流滤 波器也采用中石电子公司的直流滤波器，其主要作用是抑制输出 电路的共模干扰和差模干扰，减小输出纹波。 第三节系统主电路参数设计 系统主电路参数的设计主要包括三相交流整流桥选择、输入 直流滤波器选择、输入支撑电容及其高频吸收设计、功率开关管 及其吸收电路设计、输出滤波电感设计、输出滤波电容及其高频 吸收设计、续流二极管选择、输出直流滤波器以及输入直流电压 传感器、滤波电感互感器、输出电压传感器、输出电流互感器选 择等。下文分述之： 1 系统工作频率设定 一般地，对于d c d c 变换器，系统工作频率越高，器件尺 寸可以越小。由于本系统主管采用三菱的i p m ，其规定的最佳工 作频率约为2 0 k ，而且该频率在入耳可听见的频率范围之外，因 而本系统设计工作频率为2 0 k 。 2 三相交流整流桥选择 根据系统的输入电压电流要求，本系统选用了t o s h i b a 的 3 0 q 6 p 4 2 型号的三相整流器。 3 输入直流滤波器选择 根据系统要求的设计指标，可以得到系统的额定功率大概为： 双电源无轨屯车d c d c 变换器的研究 北方交通大学硕j 论文第二章系统主电路设计 p = p 。= 匕i 。= 3 6 0 v x 2 0 a = 7 2 k w 2 - 1 5 额定工作时，系统输入电压约为6 0 0 v ，工作占空比d 为 3 6 0 6 0 0 = 0 6 ，则相应的系统的输入电流为2 0 0 6 约为3 3 a ，考虑 到输入电压的2 0 的波动，本系统选择额定为1 0 0 0 v 5 0 a 的输 入直流如波器，通过订购获得。 4 输入支撑电容及其高频吸收设计 按照系统设计需要，输入侧支撑电容应该至少能支撑7 2 0 v 以上直流电压。本系统输入支撑电容及其高频吸收电路按图 c s n u b b e r 所示进行设计。其中c l 、c 2 、c 3 、c 4 均为3 5 2 5 u f ( 该 数值是因在实验室就地取材获得的) ，c 0 = c 0 q 7 m f d 1 ， 1 2 0 0 v 高频吸收电容，r = r ，= 2 0 0 k 。 5 功率开关管及其吸收电路设计 按照系统输入输出要求，输入最高电压7 2 0 v ，输出电流为 2 0 a 。考患到电压电流尖峰的存在。选择主管为三菱 ( m i t s u b i s h i ) 的i p m 。型号为p m 7 5 d s a l 2 0 ，其耐压值为1 2 0 0 v ， 通过的最大电流为7 5 a ，满足系统需要。 功率开关管的吸收电路如图所示。其中r 为l o 列5 0 w ，c 为1 0 0 n 1 6 0 0 v ，d 为i x y s3 0 a ，1 2 0 0 v 。实验证明，该吸收电路 工作良好，主功率开关管上的电压电流尖峰较小。 6 输出滤波电感设计 在本系统中，对于输出滤波电感的设计主要需要考虑电感量 的值应该足够大以使电感电流连续、电感能够在系统工作频率 ( 2 0 k ) 下能够通过系统所要求的电流输出( 2 0 a ) 。 硬电源无轨电车d ：仍c 变换器的研究 北方交通大学硕士论文 第二章系统主电路设计 由本蕈第一节分析知，电感量l 斋满足f 式： 去旷净 z 舶 取 三去”丧， = 盘2 2 0 k”驾4 8 0 2 - 1 7 ，、 时，恒能满足系统要求。式中的i o 。为系统带载时的最小 输出电流，这里设为5 a ，代入计算后取l = 8 0 0 u h ，该电感根据 以上参数由钢铁研究院定制。 7 输出滤波电容及其高频吸收设计 按照系统设计需要，输出侧支撑电容应该能支撑3 6 0 v 以 上直流电压，并且能够向后级提供足够大的电流。本系统输入支 撑电容及其高频吸收电路按图2 7 所示进行设计。 图2 7 支撑电容及其高频吸收结 其中c 1 、c 2 、c 3 、c 4 均为2 2 0 0 u f ，c 9 = 4 7 m f d 5 ：1 ， 耐压等级为1 2 0 0 v 高频吸收电容。 8 续流二极管选择 考虑到电压电流尖峰的存在以及系统的抗干扰能力，本系统 双电源无轨电车d c d c 变换器的研究 - 2 2 北方交通大学硕士论文 第二帝系统主i 也路设计 续流主二极管d 选择为i x y s 的二极管，其耐压为1 2 0 0 v ，电流 通过能力为2 0 0 a 。 9 互传感器选择 系统中共有四个互感器，它们分别是输入直流电压互感器、 滤波电感互感器、输出电压互感器、输出电流互感器。根据它们 检测的量的大小以及控制电路的设计，它们分别设计如下： 0 输入直流电压传感器 1 0 0 0 v 佑0 m a 滤波电感互感器1 ：l 0 0 0 1 0 0 a 输出电压传感器4 0 0 v 4 0 m a 输出电流互感器l ：1 0 0 0 1 0 0 a 这些互传感器的选择原则将在下一章分别具体叙述。 双电源无轨电车d c , r d c 变换器的研究 北方交通大学硕士论文 第二章系统主电路设计 由本蕈第一节分析知，电感量l 斋满足f 式： 去旷净 z 舶 取 三去”丧， = 盘2 2 0 k”驾4 8 0 2 - 1 7 ，、 时，恒能满足系统要求。式中的i o 。为系统带载时的最小 输出电流，这里设为5 a ，代入计算后取l = 8 0 0 u h ，该电感根据 以上参数由钢铁研究院定制。 7 输出滤波电容及其高频吸收设计 按照系统设计需要，输出侧支撑电容应该能支撑3 6 0 v 以 上直流电压，并且能够向后级提供足够大的电流。本系统输入支 撑电容及其高频吸收电路按图2 7 所示进行设计。 图2 7 支撑电容及其高频吸收结 其中c 1 、c 2 、c 3 、c 4 均为2 2 0 0 u f ，c 9 = 4 7 m f d 5 ：1 ， 耐压等级为1 2 0 0 v 高频吸收电容。 8 续流二极管选择 考虑到电压电流尖峰的存在以及系统的抗干扰能力，本系统 双电源无轨电车d c d c 变换器的研究 - 2 2 北方交通大学硕士论文 第二帝系统主i 也路设计 续流主二极管d 选择为i x y s 的二极管，其耐压为1 2 0 0 v ，电流 通过能力为2 0 0 a 。 9 互传感器选择 系统中共有四个互感器，它们分别是输入直流电压互感器、 滤波电感互感器、输出电压互感器、输出电流互感器。根据它们 检测的量的大小以及控制电路的设计，它们分别设计如下： 0 输入直流电压传感器 1 0 0 0 v 佑0 m a 滤波电感互感器1 ：l 0 0 0 1 0 0 a 输出电压传感器4 0 0 v 4 0 m a 输出电流互感器l ：1 0 0 0 1 0 0 a 这些互传感器的选择原则将在下一章分别具体叙述。 双电源无轨电车d c , r d c 变换器的研究 北方爱通人帧i j 论迁 第二章系统牲制i u 路改1 1 是一个独立变量，从而消除了输出滤波电感带来的极点和系统的 b1 刊 i 曝 ：7 旷面7 黜厂乙厂儿 图3 - 2 电流型控制b u c k 变换器 二阶特性，使整个系统成为一个由输出滤波电容和负载电阻 组成的单极点系统。单极点只有9 0 度的相位滞后，因此不需加任 何额外补偿，系统便能很容易得到大的环路增益和完善的小信号 动态特性，同时具有好得多的大信号特性，即当起动或负载有大 的跳变时，电流型控制系统能很快且正确地进行调整。 2 、逐脉冲控制，使保护机制简化： 电压型控制系统如果需要实现过载或短路等保护时，需 要附加复杂的保护电路，而且电路的可靠性并不能够得到保障。 而电流型控制系统则具有天生的电流保护功能。 在电流型开关电源中，由于电流反馈环采用了直接的电感电 流峰值检测技术，它可以及时、灵敏地检测出输出变压器或功率 破i u 源尢轨 乜车d c d c 变换器的研究 北方交通人学坝j j 沧立 筘尊景统挖制i u 路世汁 丌关中的瞬态电流值，自然形成了逐个电流脉冲检测电路。通过 设定最大值，就可以准确地限制流过功率管和变压器中的最大 电流，从而在发生意外导致输出过载或短路时，能保护功率管和 变压器。为此，在设计电流型丌关电源时，可不必给变压器和功 率管留较大余量，这样就可以使开关电源成本降低。 3 、利于多电源并联运行 多台电压型丌关电源并联运行时，目前较成熟的办法是 自动均流法，但不论是平均值均流，最大值均流，还是热应力均 流，都必须附加内电流环。使电路复杂，可靠性降低。 电流型开关电源中，已经有了逐脉冲控制的电流反馈环，当 多台并联运行时，每个电流都有独立的电流负反馈，并联电压有 一个总的电压负反馈电路，这就能使各个电流负反馈有相同的给 定电流值，从而实现多台电源之间的负载自动分配。提高了均流 的效果和可靠性。 二3 8 4 6 芯片及其特点 能够完成电流型方式控制的芯片包括u c 3 8 4 2 和u c 3 8 4 6 。 般地，u c 3 8 4 2 为单路输出结构，u c 3 8 4 6 有两路互补的驱动信号， 适合于桥式电路。但是由于u c 3 8 4 2 芯片的控制给定需要预设，所 以系统只能单独实现恒压控制或恒流控制，而不能同时实现恒压 恒流控制。本系统设计的变换器用于给双电源无轨电车的车载蓄 电池进行充电，需要在恒流与恒压两个状态下进行工作，用 u c 3 8 4 2 作为主控芯片无法满足系统的要求，故尔本系统采用 u c 3 8 4 6 芯片作为系统的主控芯片。该芯片可以比较方便的实现系 统的恒压恒流控制以及在该二状态下的自动转换，经过简单的外 双1 u 源尤轨电车d c d c 变换器的研究2 5 北市窆嗵人1 芦坝i j 沦殳 部改造，浚芯片可以很好的实现单管控制。 i j c 3 8 4 6 芯片具有一个恒定频率的电流方式控制的所有功能 并h 其外部电路相对简单。u c 3 8 4 6 的原理框图如图3 - 3 所示： 图3 3u c 3 8 4 6 的原理框图 与电压型控制芯片比较，3 8 4 6 多了一个3 倍增益的电感电流 放大器( c a ) ，它能够组成一个双环反馈系统。它既保留了电压型 控制的输出电压反馈控制部分，又增加了一个电流反馈环节，把 电感电流放大器的输出信号m 跟误差放大器( e a ) 输出加到p w m 比较器反向端的电压“。进行比较，然后去控制锁存器。 u c 3 8 4 6 芯片是一个优良的电流型控制芯片，它具有如下特点： 1 ) 工作频率与死区时间的预先可设定性 2 ) 自动前馈补偿能力 3 ) 可编程筘位误差放大器输出，实现逐个脉冲电流限制 双i u 源无轨l u 乍d c d c 变换器的研究 鹕争乐统拧，制i u 路砬汁 4 ) 提供一个精度为1 的j 伏基准电压源，输出能力4 0 m a ，可 用作内部标准电源和外部电压参考 j ) 具有欠压锁定功能 6 ) 内胃一个3 5 0 毫伏门限，能够从外部提供关断信号 7 ) 具有2 0 0 毫安的双推挽输出，峰值电流可达到4 0 0 毫安 8 ) 具有双重脉冲抑制功能 9 ) 具有软启动功能 总之，电流型控制存在着诸多优点，但由于其自身的特点，也 存在一些问题，主要表现在 3 儿1 4 ： 1 ) 、当占空比大于5 0 ，电流扰动会被放大，使控制环变得不稳 定； 2 ) 、由于电流控制信号来自输出电流，功率级谐振会给控制环带 来噪声，特别是变压器的寄生电容和输出二极管的反向恢复 电流产生的电流波形前沿尖峰，是很麻烦的噪声源： 3 ) 、由于电流控制是要使电流呈现恒流特性，故会使电路的负载 效应变差，在多路输出时，需要用耦合电感实现相互调节。 针对电流型控制存在的问题，人们也提出了一些解决的办法， 斜波补偿是一种简单但非常有效的方法，电流型控制存在的问题 基本都能够利用这种方法得到解决。 1 0 】 第二节 系统控制原理及其实现 本变换系统的控制框图如图3 - 4 所示。其主要包括以下几 个模块：恒流恒压电流行控制闭环模块，输入输出过欠压检测模 块，错误信号处理及系统保护模块以及用于试验调试的系统状态 烈i u 源尤轨i 乜下d c d c 变换器的研究 - 2 7 圯芍交通k 学坝 1 沦之 址二常系统挣i 叫u 路世汁 显示模块。 s y s t e ms t a t u sd i s p l a ym o d u l e s e n s o r 器学坚! 巡怒 m o d u l e i p me r r o rs i 咖1 e r r o rp r e c e s s 五j 五盂五五二m e d u l e _ 园 至l s e n s o r 上坠竺三里里1 生 c o n s t a n l 引 c u r r e n ta n d o r 言l s ! 兰，等掣里孀钕 s e n s o r 、篙筹坠竺竺 图3 - 4 系统控制框图 一恒流恒压电流行控制闭环模块 1 、单路占空比接近1 0 0 的电流型p w m 控制脉冲的获得 由于系统主控芯片采用u c 3 8 4 6 ，该芯片有两路互补输出 常用于控制桥式电路。如图3 5 所示： k o h o u t a o l l t b i r 釜厂厂 隅n 几 图3 - 5u c 3 8 4 6 的脉冲输出 双l u 源尤轨i 也下d c d c 变换器的研究 其中r ，为死区时间。若用其中一路束控制b u c k 变换器的主 助率丌关管，则整个系统的占空比不会超过5 0 ，这是系统所不 能接受的，所以必须增加部分外部电路使控制脉冲的占空比能 够达到近于1 0 0 。 事实上，由于3 8 4 6 的两路输出互补，而且占空比相同，所 以可以简单地把二者“或”起来，即可获得频率为单通道双倍频 率的占空比可近于1