用于机车空调的DC/DC变换器

摘要：为改善机车司机的工作环境及节能，铁路部门目前正在大力推广机车变频空调。由于机车供电电压为DC110V，不能满足机车空调的要求，所以首先要通过DC／DC变换，将电压升高到300V，然后通过逆变变成满足空调要求的交流电压。主要讨论了用于机车空调的DC/DC变换器的设计与实现，并给出了实验结果。

关键词：机车空调；Boost变换器；逆变器

1 概述

机车常年运行于铁路线上，为了改善机车司机的工作环境，铁路部门正逐步在机车上配备空调系统。早期安装的一般都是三相定频空调系统。内燃机车上的电源是由一台三相380V发电机产生的，由于容量的限制和空调器频繁起停的冲击，严重影响了发电机其它负载的正常工作。为此铁路部门规定安装空调器必须解决冲击问题，实现软起动。目前大多数厂家采用通用变频器进行软起动，虽然解决了冲击的问题，但采用通用变频器仅仅为实现空调的软起动显然非常“浪费”，而通用变频器又不能满足变频空调的特殊要求，所以开发机车空调专用变频调速系统非常有意义，既可实现软起动，又可通过变频空调实现温度调节，达到节能的目的。

目前，变频压缩机一般由三相200V左右异步电动机拖动，工作频率范围是0～120Hz。对此适用的逆变器通常是DC300V的电压级别。内燃机车上的一台直流发电机能够提供DC110V的电源，因此必须使用升压装置，使DC110V电压经升压变换为DC300V，然后再经逆变器变换成满足要求的交流电压。机车变频空调控制器的基本结构如图1所示。

图1 机车变频空调控制器的基本结构示意图

本文主要讨论机车空调用DC/DC变换器的设计与实现。首先选择了易于实现的变换器结构，然后设计电路，最后给出了满足设计要求的实验结果。

2 DC/DC变换器主电路结构选择及设计

2.1 主电路结构选择

对于DC/DC升压变换器，可以采用的结构形式很多。通常在1kW以上选用带变压器隔离的全桥DC/DC变换电路，但这种变换电路需要4个功率开关器件，使得系统结构复杂，同时在电路设计中必须考虑克服隔离变压器的直流偏磁问题，这无疑增加了控制的难度。由于机车变频空调控制器的恶劣工作环境，希望电路结构尽可能简单，通过分析和试验，认为采用Boost拓扑结构是一种较好的实现方案。该结构只需要一只开关器件和一只升压用二极管以及升压电感，其控制电路也比较简单。当然该结构在功率较大时要求开关管的容量较大[1]，这是一般大功率DC/DC变换器不选择这种拓扑结构的原因。考虑到本系统的实际情况以及目前器件的水平，选用Boost拓扑结构还是可行的，其原理如图2所示。

图2 DC/DC变换器原理

机车空调的功率为5kW。根据机车空调的要求，DC/DC变换电路需要将DC110V变换成为DC300V。变换器主电路为典型的Boost结构，控制电路由通用PWM控制芯片SG3524实现。控制电路输出的PWM信号经HCPL316J隔离放大去驱动IGBT。HCPL316J是IGBT专用驱动电路，通过检测IGBT的饱和压降实现过流保护。与一般带过流保护的IGBT专用驱动电路相比，具有电路结构简单、价格便宜的优点。Boost电路在电流连续及断续情况下电感中电流及IGBT两端电压波形如图3所示。

（a）电流连续时

（b）电流断续时

图3 电感电压v_L，电流i_L及IGBT两端电压v_s波形

2.2 主电路参数计算

2.2.1 工作频率的选择

通常小功率开关电源工作频率高达几十kHz甚至几百kHz。但在本电路中，由于功率较大，导通时开关管中流过的电流很大，开关损耗非常大，所以开关管不宜工作在很高的频率。考虑实际情况，选择开关频率为15kHz。

2.2.2 电感量的计算

已知压缩机负载功率为5kW，Boost电路的输出电压V_o=300V，这样Boost变换器的等效负载电阻R_L=18Ω，等效输出负载电流I_o=17A。

在大功率场合，一般希望工作在电感电流连续状态。由图3（a），根据电感两端电压在一周期内伏秒平衡的原则，可得

V_it_on－(V_o－V_i)(T－t_on)=0（1）

由式（1）可得

（2）

电感中电流纹波为

ΔI=t_on=DT（3）

忽略变换器损耗，变换器输入功率等于输出功率，即

V_iI_L(AV)=V_oI_o（4）

式中：I_L(AV)为电感电流的平均值。

由式（4）得

I_L(AV)=I_o=I_o（5）

为保证电流连续，电感电流应满足式（6）。

I_L(AV)≥ΔI/2（6）

考虑到式（3）及式（6），可得到满足电流连续情况下的电感值为

L≥R_LTD(1－D)2（7）

应在所有占空比情况下满足式(7)，同时考虑在10％额定负载以上电流连续的情况。10％负载相当于R_L=180Ω，当D=时得到满足电流连续时的电感值为

L≥×180××=0.89mH，实际电路中取L=1.1mH。