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城轨列车高频辅助应急电源研制
xiaohaitao 发表于 2013/4/8 15:50:32 1454 查看 0 回复 [上一主题] [下一主题]
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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
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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。
#FormatImgID_0#
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：
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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。
#FormatImgID_2#
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。
#FormatImgID_3#
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。#FormatImgID_4#
#FormatImgID_5#
#FormatImgID_6#
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。
#FormatImgID_7#
#FormatImgID_8#
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。
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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/