用于机车空调的DC/DC变换器

2.2.3 输出滤波电容容量的计算

为满足输出纹波电压相对值的要求,滤波电容由式（8）决定[1]。

C≥(8)

根据设计要求，在输入电压为55V时，输出电压仍应为300V。这样，最大占空比D_max===0.82，考虑在最大占空比及满载情况，并取电压纹波系数为2％，开关频率15kHz，负载电阻为18Ω，可求得C=160μF，实际电路中取C=220μF。

2.2.4 功率开关器件IGBT的选择

IGBT中流过的电流峰值即为流过电感电流的峰值，即

I_S(M)=I_L(M)=I_L(AV)＋ΔI_L（9）

式中：I_L（M）及I_S（M）分别为电感电流峰值及流过IGBT电流峰值。

将式（3）代入式（9），在满负载情况下，可得I_S(M)=150A，再考虑二倍的安全裕量；在开关管关断时其两端电压为输入电压，即300V，同样也考虑二倍的安全裕量，于是选择600V/300A的IGBT。

3 PWM控制及IGBT驱动电路

3.1 PWM控制电路[2]

PWM控制采用SG3524控制器，其原理框图如图4所示。

图4 3524原理方框图

直流电源V_s从脚15送到基准电压稳压器的输入端，产生稳定的＋5V基准电压，再送到内部及外部其他电路作为电源。脚7须外接电容C_T，脚6须外接电阻R_T，这样在脚7产生锯齿波。选择不同的C_T与R_T，即可产生不同的振荡频率。振荡器的输出分为两路：一路以时钟脉冲形式送至双稳态触发器及两个或非门；另一路以锯齿波形式（脚7）送至比较器的同相端。比较器的反向端连向误差放大器。误差放大器实际是差分放大器，其一个输入端与经过分压的输出电压相连，起到反馈作用。V_REF通过电阻分压作为给定信号连接该放大器的另一端，脚9是补偿端。误差放大器的输出与锯齿波相比较，比较器的输出为随误差放大器输出电压大小而改变宽度的脉冲信号，再将该脉冲信号送到或非门的输入端，或非门的另两个输入端分别为触发器及振荡器的输出信号，最后送出两路互差180°的脉冲波。SG3524具有外部关断功能，当外部故障时，通过脚10封锁SG3524的PWM输出，起到保护作用。

在本方案中，将脚12、脚11分别与脚13、脚14并联，将总的输出脉冲展宽，使原来两路占空比为0～50％脉冲展宽为占空比为0～100％的一路脉冲。在实际使用中，为防止由于脉冲过宽而引起的主电路过流，在脚9加了限幅电路。

3.2 IGBT驱动电路[3]

由于所选IGBT功率较大，所以SG3524输出的脉冲信号须经过隔离放大电路才能驱动IGBT。考虑到可靠性及经济性，所以选择了HCPL316J作为该驱动电路。HCPL316J除具有隔离及驱动功能外，还具有过流保护功能。通过测量IGBT两端的饱和压降实现过流保护，在过流发生时HCPL316J一方面封锁IGBT驱动信号，同时送出故障信号。在本方案中，HCPL316J输出的故障信号连接到SG3524的SHUTDOWN端，以便更有效地实现保护。HCPL316J的原理框图如图5所示。

图5 HCPL316J原理方框图

4 实验结果

按照上述设计，在实验室组成了机车用DC/DC变换器，并进行了一系列实验。图6为实验波形。

（a）负载较轻时的波形

（b）负载较重时的波形

图6 阻性负载下电感电流和开关管两端电压波形

在负载较轻时，由于分布电容的影响，开关管两端电压会发生振荡现象。在满负载情况下，将直流输入电压从55V到165V进行变化，DC/DC变换器的输出电压都能够稳定在300V，具有很好的调节能力。但是，由于电路自身的结构，输入电压愈低，开关管及Boost电感中流过的电流将愈大，所以要考虑开关管及电感的散热问题。

5 结语

本文给出的用于机车空调的DC/DC变换器具有结构简单，调试方便的优点。实验室实验结果表明该方案可行，有待于运行考验并使之不断完善。