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用于機車空調(diào)的DC/DC變換器
摘要：為改善機車司機的工作環(huán)境及節(jié)能，鐵路部門目前正在大力推廣機車變頻空調(diào)。由于機車供電電壓為DC110V，不能滿足機車空調(diào)的要求，所以首先要通過DC／DC變換，將電壓升高到300V，然后通過逆變變成滿足空調(diào)要求的交流電壓。主要討論了用于機車空調(diào)的DC/DC變換器的設(shè)計與實現(xiàn)，并給出了實驗結(jié)果。1 概述
機車常年運行于鐵路線上，為了改善機車司機的工作環(huán)境，鐵路部門正逐步在機車上配備空調(diào)系統(tǒng)。早期安裝的一般都是三相定頻空調(diào)系統(tǒng)。內(nèi)燃機車上的電源是由一臺三相380V發(fā)電機產(chǎn)生的，由于容量的限制和空調(diào)器頻繁起停的沖擊，嚴重影響了發(fā)電機其它負載的正常工作。為此鐵路部門規(guī)定安裝空調(diào)器必須解決沖擊問題，實現(xiàn)軟起動。目前大多數(shù)廠家采用通用變頻器進行軟起動，雖然解決了沖擊的問題，但采用通用變頻器僅僅為實現(xiàn)空調(diào)的軟起動顯然非常“浪費”，而通用變頻器又不能滿足變頻空調(diào)的特殊要求，所以開發(fā)機車空調(diào)專用變頻調(diào)速系統(tǒng)非常有意義，既可實現(xiàn)軟起動，又可通過變頻空調(diào)實現(xiàn)溫度調(diào)節(jié)，達到節(jié)能的目的。
目前，變頻壓縮機一般由三相200V左右異步電動機拖動，工作頻率范圍是0～120Hz。對此適用的逆變器通常是DC300V的電壓級別。內(nèi)燃機車上的一臺直流發(fā)電機能夠提供DC110V的電源，因此必須使用升壓裝置，使DC110V電壓經(jīng)升壓變換為DC300V，然后再經(jīng)逆變器變換成滿足要求的交流電壓。機車變頻空調(diào)控制器的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。
本文主要討論機車空調(diào)用DC/DC變換器的設(shè)計與實現(xiàn)。首先選擇了易于實現(xiàn)的變換器結(jié)構(gòu)，然后設(shè)計電路，最后給出了滿足設(shè)計要求的實驗結(jié)果。
2 DC/DC變換器主電路結(jié)構(gòu)選擇及設(shè)計
2.1 主電路結(jié)構(gòu)選擇
對于DC/DC升壓變換器，可以采用的結(jié)構(gòu)形式很多。通常在1kW以上選用帶變壓器隔離的全橋DC/DC變換電路，但這種變換電路需要4個功率開關(guān)器件，使得系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，同時在電路設(shè)計中必須考慮克服隔離變壓器的直流偏磁問題，這無疑增加了控制的難度。由于機車變頻空調(diào)控制器的惡劣工作環(huán)境，希望電路結(jié)構(gòu)盡可能簡單，通過分析和試驗，認為采用Boost拓撲結(jié)構(gòu)是一種較好的實現(xiàn)方案。該結(jié)構(gòu)只需要一只開關(guān)器件和一只升壓用二極管以及升壓電感，其控制電路也比較簡單。當然該結(jié)構(gòu)在功率較大時要求開關(guān)管的容量較大[1]，這是一般大功率DC/DC變換器不選擇這種拓撲結(jié)構(gòu)的原因�？紤]到本系統(tǒng)的實際情況以及目前器件的水平，選用Boost拓撲結(jié)構(gòu)還是可行的，其原理如圖2所示。
機車空調(diào)的功率為5kW。根據(jù)機車空調(diào)的要求，DC/DC變換電路需要將DC110V變換成為DC300V。變換器主電路為典型的Boost結(jié)構(gòu)，控制電路由通用PWM控制芯片SG3524實現(xiàn)。控制電路輸出的PWM信號經(jīng)HCPL316J隔離放大去驅(qū)動IGBT。HCPL316J是IGBT專用驅(qū)動電路，通過檢測IGBT的飽和壓降實現(xiàn)過流保護。與一般帶過流保護的IGBT專用驅(qū)動電路相比，具有電路結(jié)構(gòu)簡單、價格便宜的優(yōu)點。Boost電路在電流連續(xù)及斷續(xù)情況下電感中電流及IGBT兩端電壓波形如圖3所示。
2.2 主電路參數(shù)計算
2.2.1 工作頻率的選擇
通常小功率開關(guān)電源工作頻率高達幾十kHz甚至幾百kHz。但在本電路中，由于功率較大，導(dǎo)通時開關(guān)管中流過的電流很大，開關(guān)損耗非常大，所以開關(guān)管不宜工作在很高的頻率�？紤]實際情況，選擇開關(guān)頻率為15kHz。
2.2.2 電感量的計算
已知壓縮機負載功率為5kW，Boost電路的輸出電壓Vo=300V，這樣Boost變換器的等效負載電阻RL=18Ω，等效輸出負載電流Io=17A。
在大功率場合，一般希望工作在電感電流連續(xù)狀態(tài)。由圖3（a），根據(jù)電感兩端電壓在一周期內(nèi)伏秒平衡的原則，可得
Viton－(Vo－Vi)(T－ton)=0 （1）
由式（1）可得
Vo/Vi=1/(1-D) （2）
電感中電流紋波為
ΔI=（Vi/L）ton=(Vi/L)DT （3）
忽略變換器損耗，變換器輸入功率等于輸出功率，即
ViIL(AV)=VoIo （4）
式中：IL(AV)為電感電流的平均值。
由式（4）得
IL(AV)=(Vo/Vi)Io=(1/I-D)Io （5）
為保證電流連續(xù)，電感電流應(yīng)滿足式（6）。
IL(AV)≥ΔI/2 （6）
考慮到式（3）及式（6），可得到滿足電流連續(xù)情況下的電感值為
應(yīng)在所有占空比情況下滿足式(7)，同時考慮
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