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城轨列车高频辅助应急电源研制

菜鸟
2013-04-08 14:35:43    评分

  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igbt


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  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电源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:


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  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。


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  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。


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  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。

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  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,电源驱动隔离变压器变比设计为1:1:1,工作频率为21kHz。


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  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。


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  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),晶闸管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。


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  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

  [1] Baoxing Chen, “Isolated half-bridge gate driver with integrated high-side supply,” Power Electronics Specialists Conference Proceedings, pp. 3615-3618, June, 2008.

  [2] Sheng-Yuan Ou, Ho-Pu Hsiao, “Analysis and design of a novel single-stage switching power supply with half-bridge topology,” IEEE Trans. Power Electronics, vol. 26, no.11, pp. 3230-3241, Nov. 2011.

  [3] Amit K. Jain, David McIntosh, Matt Jones, Brian Ratliff, “A 2.5kV to 22V, 1kW radar decoy power supply using silicon carbide semiconductor devices,” in 14th European Conference on Power Electronics and Applications Proceedings, pp. 1-10, 2011.

  [4] 王小方.基于状态空间平均法的DC/DC高频隔离变换器建模仿真分析[J].机车电传动,2011,1:10-13.

  Wang Xiaofang. The modeling and simulation analysis of high frequency DC/DC isolated converter based on state space average method [J]. Electric Drive for Locomotives, 2011,1: 10-13. UC1 启动供电电路输出电压 VGE VCE IC DC750V DC24V DC24aux

  [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.p-e-china.com/




关键词: 城轨     列车     高频     辅助     应急电源     研制     控制     电源    

高工
2013-04-12 13:58:34    评分
2楼
图全挂了~!

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