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用于機車(chē)空調的DC/DC變換器
摘要：為改善機車(chē)司機的工作環(huán)境及節能，鐵路部門(mén)目前正在大力推廣機車(chē)變頻空調。由于機車(chē)供電電壓為DC110V，不能滿(mǎn)足機車(chē)空調的要求，所以首先要通過(guò)DC／DC變換，將電壓升高到300V，然后通過(guò)逆變變成滿(mǎn)足空調要求的交流電壓。主要討論了用于機車(chē)空調的DC/DC變換器的設計與實(shí)現，并給出了實(shí)驗結果。1 概述
機車(chē)常年運行于鐵路線(xiàn)上，為了改善機車(chē)司機的工作環(huán)境，鐵路部門(mén)正逐步在機車(chē)上配備空調系統。早期安裝的一般都是三相定頻空調系統。內燃機車(chē)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(mén)規定安裝空調器必須解決沖擊問(wèn)題，實(shí)現軟起動(dòng)。目前大多數廠(chǎng)家采用通用變頻器進(jìn)行軟起動(dòng)，雖然解決了沖擊的問(wèn)題，但采用通用變頻器僅僅為實(shí)現空調的軟起動(dòng)顯然非�！袄速M”，而通用變頻器又不能滿(mǎn)足變頻空調的特殊要求，所以開(kāi)發(fā)機車(chē)空調專(zhuān)用變頻調速系統非常有意義，既可實(shí)現軟起動(dòng)，又可通過(guò)變頻空調實(shí)現溫度調節，達到節能的目的。
目前，變頻壓縮機一般由三相200V左右異步電動(dòng)機拖動(dòng)，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。內燃機車(chē)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(mǎn)足要求的交流電壓。機車(chē)變頻空調控制器的基本結構如圖1所示。
本文主要討論機車(chē)空調用DC/DC變換器的設計與實(shí)現。首先選擇了易于實(shí)現的變換器結構，然后設計電路，最后給出了滿(mǎn)足設計要求的實(shí)驗結果。
2 DC/DC變換器主電路結構選擇及設計
2.1 主電路結構選擇
對于DC/DC升壓變換器，可以采用的結構形式很多。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(kāi)關(guān)器件，使得系統結構復雜，同時(shí)在電路設計中必須考慮克服隔離變壓器的直流偏磁問(wèn)題，這無(wú)疑增加了控制的難度。由于機車(chē)變頻空調控制器的惡劣工作環(huán)境，希望電路結構盡可能簡(jiǎn)單，通過(guò)分析和試驗，認為采用Boost拓撲結構是一種較好的實(shí)現方案。該結構只需要一只開(kāi)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。當然該結構在功率較大時(shí)要求開(kāi)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構的原因�？紤]到本系統的實(shí)際情況以及目前器件的水平，選用Boost拓撲結構還是可行的，其原理如圖2所示。
機車(chē)空調的功率為5kW。根據機車(chē)空調的要求，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結構，控制電路由通用PWM控制芯片SG3524實(shí)現�？刂齐娐份敵龅腜WM信號經(jīng)HCPL316J隔離放大去驅動(dòng)IGBT。HCPL316J是IGBT專(zhuān)用驅動(dòng)電路，通過(guò)檢測IGBT的飽和壓降實(shí)現過(guò)流保護。與一般帶過(guò)流保護的IGBT專(zhuān)用驅動(dòng)電路相比，具有電路結構簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜的優(yōu)點(diǎn)。Boost電路在電流連續及斷續情況下電感中電流及IGBT兩端電壓波形如圖3所示。
2.2 主電路參數計算
2.2.1 工作頻率的選擇
通常小功率開(kāi)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，導通時(shí)開(kāi)關(guān)管中流過(guò)的電流很大，開(kāi)關(guān)損耗非常大，所以開(kāi)關(guān)管不宜工作在很高的頻率�？紤]實(shí)際情況，選擇開(kāi)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(chǎng)合，一般希望工作在電感電流連續狀態(tài)。由圖3（a），根據電感兩端電壓在一周期內伏秒平衡的原則，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，電感電流應滿(mǎn)足式（6）。
IL(AV)≥ΔI/2 （6）
考慮到式（3）及式（6），可得到滿(mǎn)足電流連續情況下的電感值為
應在所有占空比情況下滿(mǎn)足式(7)，同時(shí)考慮
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