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變換器的設計與實現(xiàn)，并給出了實驗結果。關鍵詞：機車空調(diào)；Boost變換器；逆變器DC/DC
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)控制器的基本結構如圖1所示。
本文主要討論機車空調(diào)用DC/DC變換器的設計與實現(xiàn)。首先選擇了易于實現(xiàn)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(tǒng)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(diào)控制器的惡劣工作環(huán)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(xiàn)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�？紤]到本系統(tǒng)的實際情況以及目前器件的水平，選用Boost拓撲結構還是可行的，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結構，控制電路由通用PWM控制芯片SG3524實現(xiàn)�？刂齐娐份敵龅腜WM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，具有電路結構簡單、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
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