电力机车新型高频电源研究

供一个平滑的直流电压。

4.2 单相逆变桥

单相逆变桥由q1～q4四个智能功率模块(ipm)组成。为高频变压器提供脉宽可调的高频交流方波电压。

4.3 高频变压器

高频变压器t1起到隔离和降压的作用，它由一个原边绕组、两个副边绕组组成;

4.4 输出整流滤波电路

输出整流采用由快恢复二极管fd1、fd2组成的全波整流方式，整流后的高频直流电压通过输出滤波电感l1及电容c13输出稳定的直流110v。

4.5 智能功率模块ipm

智能功率模块ipm是先进的混合集成功率元件，由高速、低耗的igbt芯片和优化的门极驱动和保护构成，具备了igbt和集成电路的双重优点。但与普通igbt相比，在系统性能和可靠性上有进一步提高。所有的ipm均采用同样的标准化与逻辑电平控制电路相连的栅控接口，在产品系列扩充时不需另行设计驱动电路。ipm还具有很好的自我保护能力：控制电源欠压锁定;过热保护;过流保护;短路保护。

缓冲电路用以控制关断浪涌电压以及续流二极管恢复浪涌电压。在某些应用中，缓冲电路通过提供附加的电流路径，使功率器件开关时的电压电流相互错开，以减少开关损耗。

一般情况下，开关管关断电压起始尖峰由缓冲回路寄生电感造成。在一个典型的igbt功率回路中，最差情况的di/dt将接近0.02a/ns*ic。因为δv=ls*di/dt(ls为缓冲回路的寄生电感)，如果δv已被限定，那么可以推算出缓冲电路允许的最大电感量。

一般ipm的缓冲电路有三种结构：如图4所示。(a)由一个低感电容组成，在小功率设计时，这种缓冲电路用作对瞬变电压有效而低成本的控制。(b)使用快恢复二极管解决了这个问题，该二极管可箝住瞬变电压，从而抑制谐振的发生。(c)由于直接连到每个igbt的集电极和发射极，具有较小的回路电感。

图3 主电路原理图

图4 缓冲电路结构

图5 控制原理图

5 控制回路设计

控制电路是由以uc3846为核心的模拟电路构成，其原理如图5所示。

5.1 uc3846的性能及主要特点

能够完成电流型方式控制的芯片包括uc3842和uc3846，uc3842为单路输出结构，uc3846有两路互补的驱动信号，适合于桥式电路，所以本设计采用了uc3846。uc3846具有一个恒定频率的电流方式控制的所有功能，而且使外部电路得到了相当程度的简化。与电压型控制芯片比较，3846多了一个3倍增益的电感电流放大器(ca)，所以它能够组成一个双环反馈系统。它既保留了电压型控制的输出电压反馈控制部分，又增加了一个电流反馈环节，把电感电流放大器的输出信号ui跟误差放大器(ea)输出加到pwm比较器反向端的电压uu进行比较，然后去控制锁存器。

它具有如下特点：

(1)自动前馈补偿;

(2)可编程箝位误差放大器输出，实现逐个脉冲电流限制;

(3)提供一个精度为±1%的5伏基准电压源，输出能力40毫安，可用作内部标准电源和外部电压参考;

(4)具有欠压锁定功能;

(5)内置一个350毫伏门限，能够从外部提供关断信号;

(6)具有200毫安的双推挽输出，峰值电流可达到400毫安;

(7)具有双重脉冲抑制功能;

(8)能够提供软启动功能。

5.2 控制电路设计

控制电路电源是由机车蓄电池供电的。电压范围在77v～130v之间变动。主电路电压、电流信号的采集都是由lem来完成的。因此需要两组电源完成dc110v/dc±15v变换。另外，ipm的四个开关单元需要四路隔离的+15v供电。整个系统需要6路隔离电源。

图6 与斜波补偿有关的三个电量波形

图7 电压端斜波补偿

5.2.1斜坡补偿电路的实现

uc3846内部带有一增益为3的电流放大器，放大器的反向输入端被内部电路箝位在3.5伏，所以其输入信号的幅值不应大于1.2伏。

斜率补偿的锯齿波信号一般从振荡器ct上取得，所以斜率补偿与三个电流波形有关，除ct上电压u1外，还有电流采样点母线电流i1，以及流过输出电感的电流i2。这三个电量的波形如图6所示，电流i2下降部分为原边所有开关管关断时，输出电感续流的电流波形。

可以得到i2下降斜率m 2为：

m 2=vout/l

输出电压vout为110v，输出电感l为50μh，则m 2=2.2×106。因为变压器变比为2.1，又电流lem变比为1/1000，采样电阻为30欧，所以m2折算到uc3846电流放大器前端之时，m2为：

| m2|= 30m 2/(2.1×1000)=3.1×104

当m>-0.5m2时系统将变得稳定，所以取m=15500。

经测量锯齿波ct上电压斜率为64000，所以需要取ct波电压的15500/64000。

对于3846，我们使用如图7所示的斜率补偿方式将ct波直接引至电流放大器的输入端。

5.2.2 充电模式转换

蓄电池的常规充电一般分两个阶段，在电池端电压达到饱和之前，采取的是控制充电电流的策略，始终以一个恒定的电流充电。当电池充满电时，采取浮充方式，即维持电池组端电压不变。另外，限制总的输出电流，保证