电力机车直流变换器电路的设计

电力机车直流变换器电路的设计

0推动国产进口技术体系的发展目前，高质量的直变器主要依赖于国外的进口，这可以尽快使他们的国内化工现场变得困难。以设计的电力机车直流变换器为例,详细介绍DC110V/DC24V直流变换器电路的设计思想,为发展我国高质量等级的直流变换器提供参考。1直变换器的工作原则和主要技术1.1带单独接收点电压脉冲面向虚电产品直流变换器工作时,直流110V电压经2级共模滤波后,加到Boost升压变换器两端,升压变换器由2路Boost升压电路并联组成。升压后的电压经闭环控制后稳定在140V左右,电压加到全桥变换器(Fullbridgeconverter)两端。在控制回路和驱动回路作用下,将该140V直流电压转换成频率为65kHz、幅值为140V极性交变的电压脉冲。之后,电压脉冲经开关变压器降压,高频全波整流、LC滤波及电压反馈回路的控制,输出为24V的直流稳定电压。1.2u3000出口电压(1)额定输入电压为DC110V。(2)工作电压范围为DC77～137.5V。(3)输出电压为DC24V。(4)最大输出功率为1kW。(5)电压调整率不大于±10%。(6)输出纹波为ΔUP-P≤1V。(7)直流变换器效率为80%。2直变换器的设计2.1变压器电路选择由于电源的输入电压范围很宽(77～137.5V),如果采用常规的一级降压电路,会造成功率开关管的电流应力过大,电路的效率过低,同时给变压器的设计带来难度。因此,在电路选择上,可采用2级电路,第1级电路采用Boost电路进行升压,将输入电压升压并稳定在140V左右,同时利用Boost电路中的电感,在开机瞬间抑制输入浪涌电流;第2级电路采用PWM全桥变换器电路,由于第2级电路的输入电压已升到140V,功率MOS管的电流应力变小,有利于提高电路的变换效率。2.2直变换器的主要设备选择2.2.1超快恢复电极的选择为防止电源在使用中输入电压极性反接造成电源损坏,需在电源的输入正端,正向串联保护二极管。预计开关电源组件的效率η为85%,在电源输入电压为77V时,输入电流最大为上式中,PO为输出功率,W。选用IR公司生产的超快恢复二极管,型号为MUR3020,其主要性能参数为VR为200V、IF(V)为30A、PD为190W、VF为1.1V。据此,计算二极管的最大损耗为1.1V×15.28A≈16.8W。2.2.2振兴压裂阀开关管2.2.2.反峰电压的产生原因。根据2在Boost升压变换器电路中,开关管承受的电压为升压后的电压E。由于管子漏极回路引线电感的影响,在开关管关断瞬间会产生较大的电压尖峰,在电路中加入缓冲回路等措施后,一般可使反峰电压不超过稳定值的20%,开关管承受的电压为1.2E。考虑到现有器件的状况,管子的耐压可留有15%的余量,则开关管漏源电压为因此,所选开关管的耐压应大于197V。2.2.2.脉冲电流幅值的计算预计开关电源组件的效率为85%,则输入直流功率PIN为设直流变换器的最小输入直流电压VIN为75V,Boost变换器开关管的工作比δ为0.9,则开关管的脉冲电流幅值IM为由于升压变换器由2路Boost升压电路并联组成,则每路变换器开关管承受的峰值电流为8.7A。考虑到开关管开启时产生的电流尖峰,根据经验,实际使用电流为开关管额定电流的1/3时,比较有利于确保开关管的可靠性和提高效率。根据以上计算,可选用IR公司生产的MOS管,型号为IRFP250,其主要性能参数VDSS为200V、ID为30A、PD为190W、RDS(on)为0.085Ω。2.2.3最佳变换器输出电压设Boost变换器的效率为94%,输出电压为140V,输入功率为1170W,则升压变换器的输出电流IBM为2路Boost升压电路并联,则每路Boost变换器输出隔离二极管承受的峰值电流约为4A。二极管承受的反向电压为140V,考虑到电压尖峰的影响,管子的反向耐压应在180V以上。根据以上计算,可选用IR公司生产的超快恢复二极管,型号为MUR3020。2.2.4全桥换能器开关管2.2.4.1.开关管泄漏源电压vsds在全桥变换器电路中,开关管漏源电压与Boost升压变换器开关管的开关管漏源电压相同,所选开关管的耐压应大于197V。2.2.4.电流幅值为5m时设全桥变换器效率η为91%,输入直流电压为140V,开关管工作比δ为0.8,则脉冲电流幅值IFM为同样,实际使用电流为开关管额定电流的1/3时,对提高开关管的可靠性和效率比较有利。因此,可选用IR公司生产的MOSFET管,型号为IRFP250,其主要性能参数VDSS为200V、ID为30A、PD为190W、RDS(on)为0.085Ω。2.2.5a开关输出电压开关电源组件输出采用全波整流电路,通过整流二极管的有效电流为输出电流的70%,峰值电流等于输出电流大小。24V、40A开关电源在额定负载时,输出电压为24V,输出电流为42A。可选用IXYS公司的超快恢复二极管DSEC60-03A,其内部集成了2只电流为30A的快恢复二极管,主要性能参数VRRM为300V、IFAVM为2×30A、trr为35ns。为提高可靠性,减少损耗,采用3只整流管并联,这样在最大负载情况下,每只承受的峰值电流仅为14A。2.2.6pm-keyBoost变换器及全桥变换器控制电路均可采用电流型PWM集成块UC2825。2.2.7肖特基势把基碳schottki作为在电源的输出端串联隔离二极管,用于电源的并联工作,电源的输出电压为24V,最大输出电流为42A,选择IXYS公司的肖特基二极管(Schottkydiode),型号为DSS2X61-06A,其主要性能参数VRRM为100V、IFAVM为2×60A、VF为0.69V。二极管最大耗散功率为42A×0.69V≈29W。2.3电源及电源冷却根据24V变换器产品技术指标的要求,实际负载功率约为900W,电源的效率约为85%,则直流变换器实际作大损耗Pcon为考虑到输入输出隔离二极管的损耗,电源的总损耗约为205W。电源的冷却采用自然冷却方式,将功率管放在散热器上,功率管旁边装有(85±3)℃的温度继电器,当散热器温度超过该温度时,温度继电器动作,将电源封锁,无功率输出;当温度降低后,温度继电器复位,电源自动恢复工作。开关电源磁性元器件功耗较小,全部安装在印制板上,采用自然冷却方式。2.4直变换器工艺设计2.4.1采用合适的粘接材料选用合适的导热绝缘胶,既便于对器件散热以及各种胶与粘接元件之间的匹配特性进行研究和优化,又可达到散热及高可靠粘接的目的。如对变压器来说,选用合适的粘接胶粘接变压器,不仅会有一定的抗拉强度,还具备一定的韧性,其温度特性与磁罐材料的匹配也能确保磁罐在温度循环中不开裂。目前,选用道康宁170胶,其导热性和粘接性都很好,故障处理时,开胶韧性好,胶体可整体脱落。2.4.2金属织构的模拟干扰双层印制板在设计时需满足以下要求。(1)电源平面应靠近接地平面,并且安排在接地平面之下。这样可以利用2个金属平板间的电容作电源的平滑电容,同时接地平面还对电源平面上分布的辐射电流起到屏蔽作用。(2)布线层应安排与整块金属平面相邻,以产生通量对消作用。(3)数字电路和模拟电路分开。有条件时,将数字电路和模拟电路安排在不同层内,地线和电源都要分开,不能混用。数字信号有很宽的频谱,是产生干扰的主要来源。(4)时钟电路和高频电路是主要的干扰和辐射源,一定要单独安排、远离敏感电路。2.5高频隔离变换变换器变换器采用标准机箱结构,外壳为铝合金材料,局部有加强筋加固;内部元件采用螺钉等形式固定,固定牢靠,满足振动冲击相关标准的要求。变换器安装在车辆控制屏柜内,前面板采用4个螺钉固定,后面利用连接器的导向销固定、导轨限位,确保在动态情况下,不会对变换器的性能造成影响。变换器充分考虑了电气绝缘、安全接地以及隔离耐压等有关电力安全的各种因素,在方案上采用了高频隔离变换技术,输入输出之间以及各相对地之间的绝缘强度满足相关标准。各安装板都设有地线,通过对外连接器地线最终实现1点可靠接地。箱体外部设有警示标志,整个箱体没有带电金属裸露点。另外,变换器自身还设置了多重保护,如