用于機(jī)車空調(diào)的DC/DC變換器

摘要：為改善機(jī)車司機(jī)的工作環(huán)境及節(jié)能，鐵路部門目前正在大力推廣機(jī)車變頻空調(diào)。由于機(jī)車供電電壓為DC110V，不能滿足機(jī)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(jī)車空調(diào)的DC/DC變換器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，并給出了實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

關(guān)鍵詞：機(jī)車空調(diào)；Boost變換器；逆變器

1 概述

機(jī)車常年運(yùn)行于鐵路線上，為了改善機(jī)車司機(jī)的工作環(huán)境，鐵路部門正逐步在機(jī)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(jī)車上的電源是由一臺(tái)三相380V發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的，由于容量的限制和空調(diào)器頻繁起停的沖擊，嚴(yán)重影響了發(fā)電機(jī)其它負(fù)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(shí)現(xiàn)軟起動(dòng)。目前大多數(shù)廠家采用通用變頻器進(jìn)行軟起動(dòng)，雖然解決了沖擊的問題，但采用通用變頻器僅僅為實(shí)現(xiàn)空調(diào)的軟起動(dòng)顯然非常“浪費(fèi)”，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(jī)車空調(diào)專用變頻調(diào)速系統(tǒng)非常有意義，既可實(shí)現(xiàn)軟起動(dòng)，又可通過變頻空調(diào)實(shí)現(xiàn)溫度調(diào)節(jié)，達(dá)到節(jié)能的目的。

目前，變頻壓縮機(jī)一般由三相200V左右異步電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)，工作頻率范圍是0～120Hz。對(duì)此適用的逆變器通常是DC300V的電壓級(jí)別。內(nèi)燃機(jī)車上的一臺(tái)直流發(fā)電機(jī)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(jī)車變頻空調(diào)控制器的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 機(jī)車變頻空調(diào)控制器的基本結(jié)構(gòu)示意圖

本文主要討論機(jī)車空調(diào)用DC/DC變換器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。首先選擇了易于實(shí)現(xiàn)的變換器結(jié)構(gòu)，然后設(shè)計(jì)電路，最后給出了滿足設(shè)計(jì)要求的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

2 DC/DC變換器主電路結(jié)構(gòu)選擇及設(shè)計(jì)

2.1 主電路結(jié)構(gòu)選擇

對(duì)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(gè)功率開關(guān)器件，使得系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，同時(shí)在電路設(shè)計(jì)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(jī)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(jiǎn)單，通過分析和試驗(yàn)，認(rèn)為采用Boost拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是一種較好的實(shí)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(jiǎn)單。當(dāng)然該結(jié)構(gòu)在功率較大時(shí)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)的原因?？紤]到本系統(tǒng)的實(shí)際情況以及目前器件的水平，選用Boost拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)還是可行的，其原理如圖2所示。

圖2 DC/DC變換器原理

機(jī)車空調(diào)的功率為5kW。根據(jù)機(jī)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(shí)現(xiàn)?？刂齐娐份敵龅腜WM信號(hào)經(jīng)HCPL316J隔離放大去驅(qū)動(dòng)IGBT。HCPL316J是IGBT專用驅(qū)動(dòng)電路，通過檢測(cè)IGBT的飽和壓降實(shí)現(xiàn)過流保護(hù)。與一般帶過流保護(hù)的IGBT專用驅(qū)動(dòng)電路相比，具有電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜的優(yōu)點(diǎn)。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。

（a）電流連續(xù)時(shí)

（b）電流斷續(xù)時(shí)

圖3 電感電壓v_L，電流i_L及IGBT兩端電壓v_s波形

2.2 主電路參數(shù)計(jì)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(dá)幾十kHz甚至幾百kHz。但在本電路中，由于功率較大，導(dǎo)通時(shí)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(shí)際情況，選擇開關(guān)頻率為15kHz。

2.2.2 電感量的計(jì)算

已知壓縮機(jī)負(fù)載功率為5kW，Boost電路的輸出電壓V_o=300V，這樣Boost變換器的等效負(fù)載電阻R_L=18Ω，等效輸出負(fù)載電流I_o=17A。

在大功率場(chǎng)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

V_it_on－(V_o－V_i)(T－t_on)=0（1）

由式（1）可得