用于機車空調的DC/DC變換器

摘要：為改善機車司機的工作環境及節能，鐵路部門目前正在大力推廣機車變頻空調。由于機車供電電壓為DC110V，不能滿足機車空調的要求，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要求的交流電壓。主要討論了用于機車空調的DC/DC變換器的設計與實現，并給出了實驗結果。

關鍵詞：機車空調；Boost變換器；逆變器

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境，鐵路部門正逐步在機車上配備空調系統。早期安裝的一般都是三相定頻空調系統。內燃機車上的電源是由一臺三相380V發電機產生的，由于容量的限制和空調器頻繁起停的沖擊，嚴重影響了發電機其它負載的正常工作。為此鐵路部門規定安裝空調器必須解決沖擊問題，實現軟起動。目前大多數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空調的軟起動顯然非常“浪費”，而通用變頻器又不能滿足變頻空調的特殊要求，所以開發機車空調專用變頻調速系統非常有意義，既可實現軟起動，又可通過變頻空調實現溫度調節，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。內燃機車上的一臺直流發電機能夠提供DC110V的電源，因此必須使用升壓裝置，使DC110V電壓經升壓變換為DC300V，然后再經逆變器變換成滿足要求的交流電壓。機車變頻空調控制器的基本結構如圖1所示。

圖1 機車變頻空調控制器的基本結構示意圖

本文主要討論機車空調用DC/DC變換器的設計與實現。首先選擇了易于實現的變換器結構，然后設計電路，最后給出了滿足設計要求的實驗結果。

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個功率開關器件，使得系統結構復雜，同時在電路設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。由于機車變頻空調控制器的惡劣工作環境，希望電路結構盡可能簡單，通過分析和試驗，認為采用Boost拓撲結構是一種較好的實現方案。該結構只需要一只開關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。當然該結構在功率較大時要求開關管的容量較大[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。考慮到本系統的實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。

圖2 DC/DC變換器原理

機車空調的功率為5kW。根據機車空調的要求，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實現。控制電路輸出的PWM信號經HCPL316J隔離放大去驅動IGBT。HCPL316J是IGBT專用驅動電路，通過檢測IGBT的飽和壓降實現過流保護。與一般帶過流保護的IGBT專用驅動電路相比，具有電路結構簡單、價格便宜的優點。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。

（a）電流連續時

（b）電流斷續時

圖3 電感電壓v_L，電流i_L及IGBT兩端電壓v_s波形

2.2 主電路參數計算

2.2.1 工作頻率的選擇

通常小功率開關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，導通時開關管中流過的電流很大，開關損耗非常大，所以開關管不宜工作在很高的頻率。考慮實際情況，選擇開關頻率為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V_o=300V，這樣Boost變換器的等效負載電阻R_L=18Ω，等效輸出負載電流I_o=17A。

在大功率場合，一般希望工作在電感電流連續狀態。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

V_it_on－(V_o－V_i)(T－t_on)=0（1）

由式（1）可得