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轻轨车应急通风电源前级DC/DC变换器研制

发布时间:2020-06-10 发布时间:
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1 引言
    当轻轨车出现供电故障时,为保证车内正常通风与乘客安全,前级DC/DC变换器中,主电路要将电压从24 V升至600 V,升压倍数很大。文献对几种高增益DC/DC变换器作了简单介绍。由于应急通风电源的运行时间取决于蓄电池,设计标准为45 min,因此在短时间运行情况下,若能保证脉冲的对称性,可以不考虑全桥变换器的变压器偏磁问题。
    结合应急通风电源的具体工况,采用全桥变换器作为主电路。由于全桥变换器存在整流桥寄生振荡,随着变压器匝比的提高,全桥变换器次级由漏感和输出二极管结电容引起的振荡愈加严重,因此必须采用吸收电路对振荡进行抑制。这里介绍了轻轨应急通风电源前级DC/DC变换器的结构和参数,并结合实际工况,对3种RCD吸收电路进行比较和分析,给出了具体的参数设计。

2 系统介绍和吸收电路的选择
2.1 系统主电路结构和原理
    图1为系统主电路结构。


    其工作原理为:24V直流电通过方波逆变为交流,经过一个高变比的变压器升压后通过二极管整流桥进行不控整流,整流后通过LC滤波变为所需的600 V直流电。通过控制开关管的占空比可控制输出电压的大小。由于实际应用要求变压器体积很小,所以开关频率设为50 kHz。C1和C2分别为电源侧和输出侧的支撑电容。
    对于全桥变换器拓扑,其次级整流二极管两端电压会有较大振荡,主要是由高频变压器的漏感和整流二极管的结电容(或者是绕组分布电容)之间的寄生振荡引起的。该设计中由于升压倍数很高,初级开关过程带来的振荡通过变压器传递到次级,也会造成很大的影响。实验表明,振荡峰值接近1.2 kV,因此需在初、次级均添加吸收电路,抑制整流二极管两端的尖峰。
2.2 几种RCD拓扑比较
    图2a.b为2种RCD吸收拓扑。拓扑I为传统的RCD吸收电路,其工作波形如图2c所示。


[page]    对于拓扑I,在充电前稳态时,Cs上的电压uCs与输出电压Udc相同。到达t0时刻时,变压器次级电压变为Uin/n,整流桥开始正向导通,另一组二极管关断,次级绕组漏感开始和整流桥二极管的结电容振荡。整流桥输出电压u0上升并在t1时达到Udc,然后VDs导通,Cs加入谐振。uCs和ur0上升到箝位电压Uc,然后在t2谐振结束时降到Uin/n。当VDs在t3时刻关断时,uCs通过Rs和Lf放电,直到uCs和Udc在t4时达到平衡。在这段关断时间里,ur0=0。
    在该缓冲电路模型中,整流桥的最大电压应力被控制在小于2倍2Uin/n的Uc。从工作过程来看,由于Rs上的压降几乎为零,因此在[t1,t3]内iRs=0。只有在[t3,t4]时刻有唯一的电流,此时Rs和Lf上的损耗Edis可以被线性计算为:
    
    该缓冲电路的缺点是:当Cs上额外的电压放电时要通过滤波电感,这样会使放电过程缓慢,导致Uc相对较高。
    拓扑Ⅱ中,Rs和Lf并联。其工作过程与拓扑I相似,但是当VDs在t3时刻关断时,放电电流只经过Rs而不经过Lr,这样加快了放电速度。
    在该电路模式中,部分谐振能量通过Rs传送给终端输出。由图2c可见,当uCs高于Udc时,Rs上有一个用于维持Cs充放电平衡的小电流iRs’,其大小取决于Rs的值,且该电流不足以在开通时间内将Cs上的电压释放到与Udc相平衡。所以,uCs在t3时刻整流桥关断前幅值能稳定在Uin/n。
    该放电回路是个一阶模型,计算较为简单。由于只要uCs高于Udc,Rs上就会消耗能量,所以与拓扑I相比,该电路损耗Edis要大,可近似计算为:
    
    图3a为另一常用RCD吸收电路,其吸收电阻和电容是并联的。图3b为其工作波形。当整流桥关断时,uCs完全通过Rs放电,只要时间充足,电容上的所有能量将通过Rs消耗掉,并且uCs在t4时刻为零。该放电过程更快,但损耗的能量与之前的电路相比也大大增加。
Edin的计算式为:
    Edis的计算式为:
    


    通过对比可见,拓扑Ⅲ箝位吸收效果最好,拓扑Ⅱ箝位吸收效果比拓扑I稍好。
2.3 吸收电路结构和参数选择
    RCD吸收电路的基本工作原理:整流二极管反向恢复过程中,变压器漏感和电路寄生电感与二极管结电容谐振,使二极管承受反向尖峰电压;当电压尖峰高于RCD电路中uCs,由于电荷守恒,Cs与二极管结电容按容量比例分配电荷;Cs往往远大于结电容,因此相当于把峰值电压箝位至:
    
    式中:Ucm为Cs半周起始电压;Qrr为反向恢复电荷。
    对于RCD吸收电路,当RsCs乘积较大时,Cs的放电速度慢,在半个周期内无法下降到Uin,因而Uc高,但由于其Rs较大,损耗会相对较小,称为弱吸收,反之则称为强吸收。
    RCD吸收电路稳定工作时,其电压和能量是平衡的,即Cs箝位上升的电压必须在半个周期内通过Rs释放掉,而且电压尖峰的能量必须被Rs
吸收。若Rs增大则放电变慢,根据平衡条件,Us会被抬高,而Rs上的损耗会减小。
    该设计由于开关频率很高,为50 kHz,要求Cs放电时间很短,否则极易进入弱吸收状态,抬高Uc。因此需结合开关管的工作情况确定吸收电路的工作状态,并结合发热情况综合考虑Rs,Cs的取值。
  [page]  在初级MOSFET两端添加RCD吸收电路,因输入电压仅为24 V,产生峰值较小,在Rs上产生的损耗相对很小。因此选择拓扑Ⅲ,并选取阻值较小的Rs和容值较小的Cs,使RCD吸收电路工作在强吸收状态,从而最大程度限制电压尖峰。根据实验结果,兼顾吸收效果和温升,选Rs为300Ω/8 W的功率电阻,Cs为1 000 pF/100 V的CBB电容。
    在次级整流桥后添加吸收电路,整流二极管两端电压尖峰很大,同时由于输出电压很高,若采用拓扑Ⅲ,将产生巨大的损耗,因此将其排除。
    对于拓扑I,Ⅱ,若Rs取值很小,损耗也会非常严重,因此Rs必须取较大的阻值,使系统工作在弱吸收状态。在此状态下RsCs越小,Uc越小,因此选择Cs容值时应尽可能小,但必须保证Cs的容量足以吸收尖峰电压。通过实验,综合考虑吸收效果和发热情况,Rs选取10 kΩ/50 W的铝壳电阻,Cs选择4700 pF/1 kV的高频吸收电容。为弥补吸收效果的不足,在RCD吸收旁并联RC吸收电路,R选择10kΩ/50W的铝壳电阻,C选择4700pF的高频吸收电容。
    在选定参数情况下,次级RCD吸收电路采用拓扑I,Ⅱ,Ⅲ的Rs10 min温升分别为15℃,18℃,55 ℃;Uc分别为960 V,938 V,930 V。考虑吸收效果和电阻的发热情况,选择拓扑Ⅱ吸收电路。

3 实验验证
    图4为优化后的主电路。DC/DC变换器的输出功率为1 kW,输出电压为500~650 V,根据P=UI,可得Io为1.54~2 A。输入电压为24 V,波动范围为18~30V,可得初级电流有效值为33.3~55.6A。可见初级工作在低压大电流状态,次级工作在高压低电流状态,器件的选型就是基于该计算结果。


    选择150 A/100 V的MOSFET作为开关管,二极管选用FFPFF10F150S,其主要参数10 A/1.5 kV,变压器匝比为3:100,Lf=6 mH,G选1μF/1 kV的CBB电容。C1选择1 000μF/100V的电解电容,C2选择200μF/1 kV的电解电容。

    图5a为优化前输入电压Uin和实验测得二极管两端电压ur0的波形。由图可见,ur0振荡非常严重,峰值最高接近1.2 kV。该尖峰会给系统的正常工作造成很大威胁,且会使整流二极管发热严重。


    图5b为添加吸收电路后ur0波形。由图可见,二极管两端的电压尖峰得到了很大的改善,峰值降低了约300 V。图5c为变换器满载时的输出电流Io、输入侧母线电压Uin、变压器初级电压u1和输出电压Uo波形图,输出功率大于1 kW。可见,通过良好的吸收和滤波,输出电压电流波形良好。

4 结论
    这里介绍了轻轨车应急通风电源前级DC/DC变换器的结构和参数设计,针对整流桥寄生振荡问题,着重分析了3种RCD吸收拓扑的工作原理及优缺点,并根据实际工况选择了吸收电路的结构和参数,通过搭建样机,对设计方案和吸收电路的效果进行了验证。


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