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城轨列车高频辅助应急电源研制

 Smile优乐美 2013-04-08

  摘要:介绍了城轨列车高频辅助应急电源主拓扑的结构与工作原理。针对应急电源无外接控制电源,专门设计了启动供电电路,并进行仿真。然后详细设计了以SG3525为核心的应急电源控制系统以及IGBT隔离驱动。最后,根据设计搭建实验平台,并对该应急电源的基本功能进行测试验证。

  关键词:城轨列车;应急电源;半桥变换器;SG3525

  1 引言

  城轨列车蓄电池有可能因为过放电而出现亏损,从而无法为辅助电源系统的控制电路提供正常工作所需的DC24V电源,导致辅助电源系统无法正常工作,因此需要一款应急辅助电源,在蓄电池出现亏损时为辅助电源系统的控制电路供电,作为列车辅助电源控制系统控制电路的启动电源。应急启动电源输入DC750V(450V~1100V),输出DC24V,额定输出250W。主电路拓扑。由于车载蓄电池亏损,不能为应急电源提供控制电,因此需要设计启动供电电路。由于控制电源供电质量差,加之该电源功率等级和系统较小,因此使用集成DC/DC控制芯片SG3525设计控制系统。针对主电路特点,设计一个简单的高压隔离IGBT驱动电路。

  2 系统原理与设计

  2.1 系统主电路原理

  如图1所示,系统主电路拓扑。

  

  工作原理如下:1)、直流750V经输入LC滤波后由半桥变换器变成交变电压,经高频变压器后输出由全波整流输出直流24V(DC24V);2)、辅助绕组DC24aux为控制系统提供反馈电源;3)、二极管D1即可以削弱LC震荡,也可以防止输入接反;4)、电容C1、C2即是支撑电容,也是半桥的一个桥臂;5)、R1是开关管Q2电流采样电阻。

  结合所选开关管参数,综合考虑系统体积和损耗,设计开关管开关频率为20kHz。高频变压器工作频率也为20kHz,额定容量300kVA。

  2.2 启动供电电路

  如图2所示,其设计思路是:当6800uF电容两端的电压达到一定值(如:25V)时,开通三极管给控制系统供电。假设6800uF电容两端电压达到25V时三极管饱和导通开始给控制系统供电,到15V时三极管关断停止供电。假设控制系统的功率为5W,则可以根据公式:

  

  0.272s的时间足够让系统启动并稳定工作。稳压二极管1N475A的稳压值为30V,1N4740A为10V。在三极管ZTX956开通给控制系统供电前LM258D工作电流小于1mA,满足此处设计需要。

  在Multisim11.0中搭建仿真模型,启动电路后面用80Ω的电阻作为负载来模拟对控系统供电,仿真波形如图3所示,其中淡绿色色波形为电容C1两端的电压,蓝色波形为控制系统两端的电压,由仿真结果可知该方案达到了预期目标。

  

  启动供电电路提供的是15V~25V的电源,而辅助绕组提供的是24V电源(输入直流电压和主绕组负载变化时,波动较大)。为了给控制电路提供一个稳定可靠的电源,在启动供电电路和辅助绕组供电输出加一个三端稳压芯片进行稳压。考虑IGBT驱动电压为15V,这里设计稳压器输出为15V。如图4所示,稳压电路原理图。

  

  2.3 控制系统设计

  集成DC/DC控制芯片因反馈控制不一样可以分为电压型和电流型控制模式。由于电压控制模式电路是单环反馈的设计和分析较易进行;锯齿波振幅较大,对稳定的调制过程可提供较好的噪声余裕;低阻抗功率输出,对多输出电源具有较好的交互调节特性。由于轻轨车高频辅助应急电源的负载对电源的动态性能要求不高,而且电压控制模式相对电流控制模式调试简单,故本设计的系统的控制模式采用电压控制模式。

  综合调研各厂家芯片,这里选择常用集成DC/DC控制芯片SG3525作为主控芯片。输出DC24经PC817隔离反馈输入SG3525的误差放大器。如图5所示,SG3525控制系统原理图。

  

  

  2.4 IGBT驱动电路设计

  IGBT驱动有不隔离的自举电路、变压器隔离驱动和光耦隔离驱动。如今市场上现有的带自举电路的桥式驱动芯片的最高耐压仅为1200V,并不能够满足750V电源系统。而使用专用的驱动模块成本太高,且对控制电源要求较高,电源系统在启动时会出现无法启动的问题。故本设计采用最简单的变压隔离驱动的方式来驱动开关管,驱动电路的设计如图6所示。由于SG3525供电电压为15V,驱动隔离变压器变比设计为1:1:1,工作频率为21kHz。

  

  

  首先测试启动供电电路,如图8所示启动供电电

  路输出电压波形,通道1是启动供电电路输出电压波形,通道2是启动供电电路充电电容两端电压波形。由实验波形可得启动供电电路可以为控制系统提供0.3s的电源。实验结果与满足设计要求。用启动供电电路给控制系统供电,使应急电源工作。应急电源满载输出时,驱动脉冲(VGE通道1)、IGBT两端电压(VCE,通道2)、IGBT电流波形(IC,1Ω采样电阻电压波形,通道3)如图9所示。由图9可得,驱动脉冲峰值为16.6V,驱动脉冲波形较好,IGBT两端电压为780V,IGBT电流峰值为1.2A。

  

  测试应急电源的输入输出电压波形,测试波形如图10所示。由图10可得,输入直流电压为809V(DC750V,通道1),主绕组输出电压为24.6V(DC24V,通道2),辅助绕组输出电压为21.2V(DC24aux,通道3)。输入输出特性满足设计要求。

  

  4 结论

  这里分析了城轨列车高频辅助应急电源系统原理,针对应急电源的特色工况设计了启动供电电路。然后设计了以SG3525为核心的控制系统。最后搭建实验平台,对系统各个功能进行测试。实验结果表明设计方案满足实际需求。

  参考文献

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  [5] 刘志刚.电力电子学[M].北京:清华大学出版社,2004.

  Liu Zhigang. Power Electronics [M]. Beijing: Tsinghua University Press, 2004.

  作者简介:

  何文辉(1989- ),男,四川南充人,硕士研究生,研究方向为电力电子与电力传动。

来源:中国电力电子产业网http://www./

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