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摘要:文章首先分析了电力机车对DC110V电源的性能要求和技术指标,采用零电压开关(ZVS)PWM全桥变换电路作为主拓扑电路设计了一种新型的机车控制电源。其次对所设计的软开关电源的主电路进行了参数计算及关键元器件的选型。最后对所设计的电路建立了PSPICE环境下的仿真模型,仿真结果表明该设计是正确和有效的。
关键字:移项控制变换器;零电压开关;PWM
中图分类号:TM91文献标识码:A文章编号:1006-8937(2009)10-0028-02
1引言
在铁路牵引动力中,电力机车具有其他机车无可比拟的优势。电力机车的控制电源为直流110V,供机车低压控制电路使用,另外再给机车蓄电池充电 ,并经逆变,整流,滤波,产生+15V、24V、48V、电压,分别供给司机台信号显示屏、仪表照明及三项设备之用。
国内现在广泛采用的电力机车和电动车组用DC110V控制电源是相控式晶闸管直流稳压电源,它与机车蓄电池并联充电,为机车控制电路提供DC110V的稳定电压。该DC110V电源装置的工频整流变压器原边从主变压器辅助绕组的副边输入396V单相交流电源,次边输出为220V,经晶闸管半控桥整流器整流,并通过由平波电抗器滤波电容器和蓄电池组并联组成的LC滤波电路滤波后,输出110V±5%直流电压,电压脉动有效值≤5V。其工频整流变压器及直流滤波电抗器非常笨重,使得整个电源柜的体积和质量都大(为400kg以上),这对减小电力机车的质量和缩小有限的设备安装空间都是不利的。
随着电力电子技术的进步,传统的直线线性稳压电源发展到现在的高频直流开关稳压电源,数字高频开关电源在体积、重量、效率等指标上,都远远优于相控电源,因此用大功率高频开关电源来替代传统的相控电源已成为一种发展趋势,相控整流电源必将被开关电源所取代。
2机车DC110V电源系统的性能指标
设计标准采用国家和铁道部相关标准。 既要为电力机车提供控制电源,又能为机车蓄电池充电。其中还应包括了过压、欠压、过流、短路、过热等保护功能。机车用DC110V电源的技术指标如下:
①电源额定输入电压。
输入电压:AC396V,输入电压变化范围:277.2V～495V。
②控制电源输入电压。
控制电源电:DC110V,电源变化范围:DC77V～DC137.5V。
③输出电压。
标称输出电压范围:直流110V;输出电压变化范围:108.9V～111.1V。
④输出纹波电压有效值。
输出纹波电压有效值≤2V。
⑤标称输出电流。
标称输出电流:75A。
⑥输出电流限制值。
输出电流限制值≤82.5A。
⑦转换效率。
额定工况下,转换效率≥90%。
⑧主要功率散热器温升。
主要功率散热器温升≤40K。
⑨电源工作频率。
电源工作频率f≥20KHz。
⑩开关电源柜输入电压和欠压的保护功能:当输入交流电压小于277V时或大于496V时,开关电源柜停止输出。
3机车开关电源的结构方案
开关电源结构图如图1所示。
其电路的工作过程为:机车变压器输出的396V交流电经整流滤波变成高压直流电送入功率变换电路(DC/DC),功率变换电路在控制电路的检测控制下通过脉冲宽度调制控制原理(PWM)输出稳定的直流电压。控制电路自动对电源输出电压和电流进行数据采样,并与用户给定数据进行比较,然后根据设置的调整算法控制开关调整电路,使电源输出电压符合给定值。控制电路在调整电源输出电压的同时还要检测电路的输出电流,当输出电流超过给定值时,就启动保护电路,实现保护功能。
4机车控制电源变换器主电路拓扑及工作原理
图2为ZVS-PWM变换器的主电路。
全桥电路的控制方式一般分为四种:双极性控制方式;有限双极性控制方式;不对称控制方式;移项控制方式。从实现大功率变换器的小型化和轻量化的角度来看,移项控制方式具有更多的优越性。移项控制方式的拓扑结构简洁,与普通全桥电路相比仅增加了一个谐振电感,成本和电路的复杂程度基本没有增加。移项控制方式简单,开关频率恒定,利于电源滤波器的优化设计,而且实现了开关管的零电压开关,减小了开关损耗,从而可以提高开关频率,其元器件的电压和电流应力小,电压应力为电源电压Vin,电流应力与传统的全桥电路一样,等于折算到原边的负载电流。
4.1超前桥臂软开关的实现
在t0时刻前,Q1和Q4同时导通,VAB=Vin,原边电流流过Q1和Q4。在t0时刻先关断Q1,原边电流从Q1中转移到C1和C3支路中,给C1充电,同时C3被放电。由于有C3和C1,Q1是零电压关断。在这个时段里,陋感LIK和滤波电感Lf是串联的,而且Lf很大,因此可以认为原边电流ip近似不变,类似一个恒流源。这样C1的电压线性上升,同时C3的电压线性下降。在t1时刻,C3的电压下降到零,Q3的反并二极管D3自然导通,此时开通Q3,Q3就是零电压开通。同样当Q3关断时,其工作原理完全类似。
4.2滞后桥臂的软开关实现
当Q4关断时,原边电流从Q4中转移到C2和C4支路中,给C4充电,同时C2被放电。由于有C2和C4,Q4是零电压关断。当C2的电压下降到零,Q2的反并二极管D2自然导通,此时开通Q2,Q2就是零电压开通。同样当Q2关断时,其工作原理完全类似。在此开关过程中C4电压增加,VAB为负电压,使DR2也导通,将变压器副边短接,变压器原边电压为零,VAB电压全部加在漏感上,使原边电流减少,如果漏感能量太小,Q2就难以实现零电压开通。
5基于单片机控制方案的设计
本电源利用零电压零电流PWM软开关理论,以高性能微控制器为控制核心,组成数据处理电路。DSP类单片机速度够高,但目前价格也很高,从成本考虑,占电源成本的比例太大,不宜采用。单片机中AVR系列最快,具有PWM输出,因此控制电路采用ATmega128单片机,利用芯片自带的ADC及硬件PWM模块,完成外部数据的采集、移相脉冲的形成。控制系统通过I/O输出端口OCO,OC2,OC1A,OC3A分别输出4路有相位差的PWM信号控制功率转换开关IGBT的导通与关断时间,通过设置寄存器ICR1A和ICR3A来改变占空比,完成对输出电压的稳定,通过单片机内部的10位A/D转换模块完成对开关电源输出电压和电流的采样,通过系统软件实现了过压、过流保护及限流功能。采用闭环控制系统,开关电源工作时,采用电压反馈由PWM控制实现对输出电压的稳压功能,控制闭环为电压环。单片机把给定值与传感器采集的信号进行比较,产生误差信号。根据PID控制算法设置ATmega128产生不同移项角的PWM波信号,经过IGBT的专用驱动模块,控制开关调整电路电压输出。
DC110V电源软件主要完成软启动、对外部数据的采集、闭环系统调节器的PID参数计算、移相脉冲的形成、过压过流保护以及等工作,系统软件主要包括故障判别子程序、中断检测子程序、计算子程序等。
在初始化过程中,先是将ATMEGA128各个输入端口复位,初始化完成后,开中断程序。若有中断请求则响应,否则进行数据采样并读取给定值,然后进行数据处理,计算PWM的占空比,输出相应控制;若有欠压、过压、短路或过流情况发生,则进行故障处理(如图3)。
6电源电路的仿真分析
针对以上设计的电路,采用了PSPICE软件对电路做了仿真分析,在所设计的ZVS PWM DC/DC全桥变换器主电路中加入了4个激励源,这4个激励源按4节计算出来控制时间参数设置,分别驱动4个IGBT,图4为PSPICE软件模拟控制该电源变换器的仿真电路。
该电源电路的PSPICE仿真实现了IGBT的零电压开关,验证了文章电源设计的正确性。
参考文献:
[1] 林荫宇,侯振程,肖学礼.移相FB-ZVS PWM变换器的分析与设计[A].第十三届全国电源技术年会文章集[C],1999:112-113.
[2] 阮新波,严仰光.DC/DC PWM 全桥变换器的软开关技术[A].第十三届全国电源技术年会文章集[C],1999:138-139.
关键字:移项控制变换器;零电压开关;PWM
中图分类号:TM91文献标识码:A文章编号:1006-8937(2009)10-0028-02
1引言
在铁路牵引动力中,电力机车具有其他机车无可比拟的优势。电力机车的控制电源为直流110V,供机车低压控制电路使用,另外再给机车蓄电池充电 ,并经逆变,整流,滤波,产生+15V、24V、48V、电压,分别供给司机台信号显示屏、仪表照明及三项设备之用。
国内现在广泛采用的电力机车和电动车组用DC110V控制电源是相控式晶闸管直流稳压电源,它与机车蓄电池并联充电,为机车控制电路提供DC110V的稳定电压。该DC110V电源装置的工频整流变压器原边从主变压器辅助绕组的副边输入396V单相交流电源,次边输出为220V,经晶闸管半控桥整流器整流,并通过由平波电抗器滤波电容器和蓄电池组并联组成的LC滤波电路滤波后,输出110V±5%直流电压,电压脉动有效值≤5V。其工频整流变压器及直流滤波电抗器非常笨重,使得整个电源柜的体积和质量都大(为400kg以上),这对减小电力机车的质量和缩小有限的设备安装空间都是不利的。
随着电力电子技术的进步,传统的直线线性稳压电源发展到现在的高频直流开关稳压电源,数字高频开关电源在体积、重量、效率等指标上,都远远优于相控电源,因此用大功率高频开关电源来替代传统的相控电源已成为一种发展趋势,相控整流电源必将被开关电源所取代。
2机车DC110V电源系统的性能指标
设计标准采用国家和铁道部相关标准。 既要为电力机车提供控制电源,又能为机车蓄电池充电。其中还应包括了过压、欠压、过流、短路、过热等保护功能。机车用DC110V电源的技术指标如下:
①电源额定输入电压。
输入电压:AC396V,输入电压变化范围:277.2V～495V。
②控制电源输入电压。
控制电源电:DC110V,电源变化范围:DC77V～DC137.5V。
③输出电压。
标称输出电压范围:直流110V;输出电压变化范围:108.9V～111.1V。
④输出纹波电压有效值。
输出纹波电压有效值≤2V。
⑤标称输出电流。
标称输出电流:75A。
⑥输出电流限制值。
输出电流限制值≤82.5A。
⑦转换效率。
额定工况下,转换效率≥90%。
⑧主要功率散热器温升。
主要功率散热器温升≤40K。
⑨电源工作频率。
电源工作频率f≥20KHz。
⑩开关电源柜输入电压和欠压的保护功能:当输入交流电压小于277V时或大于496V时,开关电源柜停止输出。
3机车开关电源的结构方案
开关电源结构图如图1所示。
其电路的工作过程为:机车变压器输出的396V交流电经整流滤波变成高压直流电送入功率变换电路(DC/DC),功率变换电路在控制电路的检测控制下通过脉冲宽度调制控制原理(PWM)输出稳定的直流电压。控制电路自动对电源输出电压和电流进行数据采样,并与用户给定数据进行比较,然后根据设置的调整算法控制开关调整电路,使电源输出电压符合给定值。控制电路在调整电源输出电压的同时还要检测电路的输出电流,当输出电流超过给定值时,就启动保护电路,实现保护功能。
4机车控制电源变换器主电路拓扑及工作原理
图2为ZVS-PWM变换器的主电路。
全桥电路的控制方式一般分为四种:双极性控制方式;有限双极性控制方式;不对称控制方式;移项控制方式。从实现大功率变换器的小型化和轻量化的角度来看,移项控制方式具有更多的优越性。移项控制方式的拓扑结构简洁,与普通全桥电路相比仅增加了一个谐振电感,成本和电路的复杂程度基本没有增加。移项控制方式简单,开关频率恒定,利于电源滤波器的优化设计,而且实现了开关管的零电压开关,减小了开关损耗,从而可以提高开关频率,其元器件的电压和电流应力小,电压应力为电源电压Vin,电流应力与传统的全桥电路一样,等于折算到原边的负载电流。
4.1超前桥臂软开关的实现
在t0时刻前,Q1和Q4同时导通,VAB=Vin,原边电流流过Q1和Q4。在t0时刻先关断Q1,原边电流从Q1中转移到C1和C3支路中,给C1充电,同时C3被放电。由于有C3和C1,Q1是零电压关断。在这个时段里,陋感LIK和滤波电感Lf是串联的,而且Lf很大,因此可以认为原边电流ip近似不变,类似一个恒流源。这样C1的电压线性上升,同时C3的电压线性下降。在t1时刻,C3的电压下降到零,Q3的反并二极管D3自然导通,此时开通Q3,Q3就是零电压开通。同样当Q3关断时,其工作原理完全类似。
4.2滞后桥臂的软开关实现
当Q4关断时,原边电流从Q4中转移到C2和C4支路中,给C4充电,同时C2被放电。由于有C2和C4,Q4是零电压关断。当C2的电压下降到零,Q2的反并二极管D2自然导通,此时开通Q2,Q2就是零电压开通。同样当Q2关断时,其工作原理完全类似。在此开关过程中C4电压增加,VAB为负电压,使DR2也导通,将变压器副边短接,变压器原边电压为零,VAB电压全部加在漏感上,使原边电流减少,如果漏感能量太小,Q2就难以实现零电压开通。
5基于单片机控制方案的设计
本电源利用零电压零电流PWM软开关理论,以高性能微控制器为控制核心,组成数据处理电路。DSP类单片机速度够高,但目前价格也很高,从成本考虑,占电源成本的比例太大,不宜采用。单片机中AVR系列最快,具有PWM输出,因此控制电路采用ATmega128单片机,利用芯片自带的ADC及硬件PWM模块,完成外部数据的采集、移相脉冲的形成。控制系统通过I/O输出端口OCO,OC2,OC1A,OC3A分别输出4路有相位差的PWM信号控制功率转换开关IGBT的导通与关断时间,通过设置寄存器ICR1A和ICR3A来改变占空比,完成对输出电压的稳定,通过单片机内部的10位A/D转换模块完成对开关电源输出电压和电流的采样,通过系统软件实现了过压、过流保护及限流功能。采用闭环控制系统,开关电源工作时,采用电压反馈由PWM控制实现对输出电压的稳压功能,控制闭环为电压环。单片机把给定值与传感器采集的信号进行比较,产生误差信号。根据PID控制算法设置ATmega128产生不同移项角的PWM波信号,经过IGBT的专用驱动模块,控制开关调整电路电压输出。
DC110V电源软件主要完成软启动、对外部数据的采集、闭环系统调节器的PID参数计算、移相脉冲的形成、过压过流保护以及等工作,系统软件主要包括故障判别子程序、中断检测子程序、计算子程序等。
在初始化过程中,先是将ATMEGA128各个输入端口复位,初始化完成后,开中断程序。若有中断请求则响应,否则进行数据采样并读取给定值,然后进行数据处理,计算PWM的占空比,输出相应控制;若有欠压、过压、短路或过流情况发生,则进行故障处理(如图3)。
6电源电路的仿真分析
针对以上设计的电路,采用了PSPICE软件对电路做了仿真分析,在所设计的ZVS PWM DC/DC全桥变换器主电路中加入了4个激励源,这4个激励源按4节计算出来控制时间参数设置,分别驱动4个IGBT,图4为PSPICE软件模拟控制该电源变换器的仿真电路。
该电源电路的PSPICE仿真实现了IGBT的零电压开关,验证了文章电源设计的正确性。
参考文献:
[1] 林荫宇,侯振程,肖学礼.移相FB-ZVS PWM变换器的分析与设计[A].第十三届全国电源技术年会文章集[C],1999:112-113.
[2] 阮新波,严仰光.DC/DC PWM 全桥变换器的软开关技术[A].第十三届全国电源技术年会文章集[C],1999:138-139.