輕軌車(chē)應(yīng)急通風(fēng)電源前級(jí)DC／DC變換器研制

摘要：介紹了輕軌車(chē)應(yīng)急通風(fēng)電源前級(jí)DC／DC變換器的結(jié)構(gòu)和工作原理。針對(duì)變壓器次級(jí)出現(xiàn)的整流橋寄生振蕩問(wèn)題，分析了振蕩產(chǎn)生的原因。為了抑制該振蕩，詳細(xì)分析并對(duì)比了3種RCD吸收電路的工作過(guò)程及優(yōu)缺點(diǎn)，并介紹了不同工況下吸收電路結(jié)構(gòu)及參數(shù)的選取方法。最后，給出了主電路及吸收電路參數(shù)的設(shè)計(jì)公式，并搭建樣機(jī)，對(duì)設(shè)計(jì)方案和吸收電路的效果進(jìn)行了驗(yàn)證。
關(guān)鍵詞：變換器；電源；輕軌；寄生振蕩

1 引言
    當(dāng)輕軌車(chē)出現(xiàn)供電故障時(shí)，為保證車(chē)內(nèi)正常通風(fēng)與乘客安全，前級(jí)DC／DC變換器中，主電路要將電壓從24 V升至600 V，升壓倍數(shù)很大。文獻(xiàn)對(duì)幾種高增益DC／DC變換器作了簡(jiǎn)單介紹。由于應(yīng)急通風(fēng)電源的運(yùn)行時(shí)間取決于蓄電池，設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為45 min，因此在短時(shí)間運(yùn)行情況下，若能保證脈沖的對(duì)稱(chēng)性，可以不考慮全橋變換器的變壓器偏磁問(wèn)題。
    結(jié)合應(yīng)急通風(fēng)電源的具體工況，采用全橋變換器作為主電路。由于全橋變換器存在整流橋寄生振蕩，隨著變壓器匝比的提高，全橋變換器次級(jí)由漏感和輸出二極管結(jié)電容引起的振蕩愈加嚴(yán)重，因此必須采用吸收電路對(duì)振蕩進(jìn)行抑制。這里介紹了輕軌應(yīng)急通風(fēng)電源前級(jí)DC／DC變換器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，并結(jié)合實(shí)際工況，對(duì)3種RCD吸收電路進(jìn)行比較和分析，給出了具體的參數(shù)設(shè)計(jì)。

2 系統(tǒng)介紹和吸收電路的選擇
2．1 系統(tǒng)主電路結(jié)構(gòu)和原理
    圖1為系統(tǒng)主電路結(jié)構(gòu)。

    其工作原理為：24V直流電通過(guò)方波逆變?yōu)榻涣?，?jīng)過(guò)一個(gè)高變比的變壓器升壓后通過(guò)二極管整流橋進(jìn)行不控整流，整流后通過(guò)LC濾波變?yōu)樗璧?00 V直流電。通過(guò)控制開(kāi)關(guān)管的占空比可控制輸出電壓的大小。由于實(shí)際應(yīng)用要求變壓器體積很小，所以開(kāi)關(guān)頻率設(shè)為50 kHz。C1和C2分別為電源側(cè)和輸出側(cè)的支撐電容。
    對(duì)于全橋變換器拓?fù)洌浯渭?jí)整流二極管兩端電壓會(huì)有較大振蕩，主要是由高頻變壓器的漏感和整流二極管的結(jié)電容(或者是繞組分布電容)之間的寄生振蕩引起的。該設(shè)計(jì)中由于升壓倍數(shù)很高，初級(jí)開(kāi)關(guān)過(guò)程帶來(lái)的振蕩通過(guò)變壓器傳遞到次級(jí)，也會(huì)造成很大的影響。實(shí)驗(yàn)表明，振蕩峰值接近1．2 kV，因此需在初、次級(jí)均添加吸收電路，抑制整流二極管兩端的尖峰。
2．2 幾種RCD拓?fù)浔容^
    圖2a．b為2種RCD吸收拓?fù)洹Ｍ負(fù)銲為傳統(tǒng)的RCD吸收電路，其工作波形如圖2c所示。

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    對(duì)于拓?fù)銲，在充電前穩(wěn)態(tài)時(shí)，Cs上的電壓uCs與輸出電壓Udc相同。到達(dá)t0時(shí)刻時(shí)，變壓器次級(jí)電壓變?yōu)閁in／n，整流橋開(kāi)始正向?qū)?，另一組二極管關(guān)斷，次級(jí)繞組漏感開(kāi)始和整流橋二極管的結(jié)電容振蕩。整流橋輸出電壓u0上升并在t1時(shí)達(dá)到Udc，然后VDs導(dǎo)通，Cs加入諧振。uCs和ur0上升到箝位電壓Uc，然后在t2諧振結(jié)束時(shí)降到Uin／n。當(dāng)VDs在t3時(shí)刻關(guān)斷時(shí)，uCs通過(guò)Rs和Lf放電，直到uCs和Udc在t4時(shí)達(dá)到平衡。在這段關(guān)斷時(shí)間里，ur0=0。
    在該緩沖電路模型中，整流橋的最大電壓應(yīng)力被控制在小于2倍2Uin／n的Uc。從工作過(guò)程來(lái)看，由于Rs上的壓降幾乎為零，因此在[t1，t3]內(nèi)iRs=0。只有在[t3，t4]時(shí)刻有唯一的電流，此時(shí)Rs和Lf上的損耗Edis可以被線性計(jì)算為：
   
    該緩沖電路的缺點(diǎn)是：當(dāng)Cs上額外的電壓放電時(shí)要通過(guò)濾波電感，這樣會(huì)使放電過(guò)程緩慢，導(dǎo)致Uc相對(duì)較高。
    拓?fù)洧蛑?，Rs和Lf并聯(lián)。其工作過(guò)程與拓?fù)銲相似，但是當(dāng)VDs在t3時(shí)刻關(guān)斷時(shí)，放電電流只經(jīng)過(guò)Rs而不經(jīng)過(guò)Lr，這樣加快了放電速度。
    在該電路模式中，部分諧振能量通過(guò)Rs傳送給終端輸出。由圖2c可見(jiàn)，當(dāng)uCs高于Udc時(shí)，Rs上有一個(gè)用于維持Cs充放電平衡的小電流iRs’，其大小取決于Rs的值，且該電流不足以在開(kāi)通時(shí)間內(nèi)將Cs上的電壓釋放到與Udc相平衡。所以，uCs在t3時(shí)刻整流橋關(guān)斷前幅值能穩(wěn)定在Uin／n。
    該放電回路是個(gè)一階模型，計(jì)算較為簡(jiǎn)單。由于只要uCs高于Udc，Rs上就會(huì)消耗能量，所以與拓?fù)銲相比，該電路損耗Edis要大，可近似計(jì)算為：
   
    圖3a為另一常用RCD吸收電路，其吸收電阻和電容是并聯(lián)的。圖3b為其工作波形。當(dāng)整流橋關(guān)斷時(shí)，uCs完全通過(guò)Rs放電，只要時(shí)間充足，電容上的所有能量將通過(guò)Rs消耗掉，并且uCs在t4時(shí)刻為零。該放電過(guò)程更快，但損耗的能量與之前的電路相比也大大增加。[!--empirenews.page--]
Edin的計(jì)算式為：
    Edis的計(jì)算式為：
   

    通過(guò)對(duì)比可見(jiàn)，拓?fù)洧篌槲晃招Ч詈茫負(fù)洧蝮槲晃招Ч韧負(fù)銲稍好。
2．3 吸收電路結(jié)構(gòu)和參數(shù)選擇
    RCD吸收電路的基本工作原理：整流二極管反向恢復(fù)過(guò)程中，變壓器漏感和電路寄生電感與二極管結(jié)電容諧振，使二極管承受反向尖峰電壓；當(dāng)電壓尖峰高于RCD電路中uCs，由于電荷守恒，Cs與二極管結(jié)電容按容量比例分配電荷；Cs往往遠(yuǎn)大于結(jié)電容，因此相當(dāng)于把峰值電壓箝位至：
   
    式中：Ucm為Cs半周起始電壓；Qrr為反向恢復(fù)電荷。
    對(duì)于RCD吸收電路，當(dāng)RsCs乘積較大時(shí)，Cs的放電速度慢，在半個(gè)周期內(nèi)無(wú)法下降到Uin，因而Uc高，但由于其Rs較大，損耗會(huì)相對(duì)較小，稱(chēng)為弱吸收，反之則稱(chēng)為強(qiáng)吸收。
    RCD吸收電路穩(wěn)定工作時(shí)，其電壓和能量是平衡的，即Cs箝位上升的電壓必須在半個(gè)周期內(nèi)通過(guò)Rs釋放掉，而且電壓尖峰的能量必須被Rs
吸收。若Rs增大則放電變慢，根據(jù)平衡條件，Us會(huì)被抬高，而Rs上的損耗會(huì)減小。
    該設(shè)計(jì)由于開(kāi)關(guān)頻率很高，為50 kHz，要求Cs放電時(shí)間很短，否則極易進(jìn)入弱吸收狀態(tài)，抬高Uc。因此需結(jié)合開(kāi)關(guān)管的工作情況確定吸收電路的工作狀態(tài)，并結(jié)合發(fā)熱情況綜合考慮Rs，Cs的取值。
    在初級(jí)MOSFET兩端添加RCD吸收電路，因輸入電壓僅為24 V，產(chǎn)生峰值較小，在Rs上產(chǎn)生的損耗相對(duì)很小。因此選擇拓?fù)洧?，并選取阻值較小的Rs和容值較小的Cs，使RCD吸收電路工作在強(qiáng)吸收狀態(tài)，從而最大程度限制電壓尖峰。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，兼顧吸收效果和溫升，選Rs為300Ω／8 W的功率電阻，Cs為1 000 pF／100 V的CBB電容。
    在次級(jí)整流橋后添加吸收電路，整流二極管兩端電壓尖峰很大，同時(shí)由于輸出電壓很高，若采用拓?fù)洧?，將產(chǎn)生巨大的損耗，因此將其排除。
    對(duì)于拓?fù)銲，Ⅱ，若Rs取值很小，損耗也會(huì)非常嚴(yán)重，因此Rs必須取較大的阻值，使系統(tǒng)工作在弱吸收狀態(tài)。在此狀態(tài)下RsCs越小，Uc越小，因此選擇Cs容值時(shí)應(yīng)盡可能小，但必須保證Cs的容量足以吸收尖峰電壓。通過(guò)實(shí)驗(yàn)，綜合考慮吸收效果和發(fā)熱情況，Rs選取10 kΩ／50 W的鋁殼電阻，Cs選擇4700 pF／1 kV的高頻吸收電容。為彌補(bǔ)吸收效果的不足，在RCD吸收旁并聯(lián)RC吸收電路，R選擇10kΩ／50W的鋁殼電阻，C選擇4700pF的高頻吸收電容。
    在選定參數(shù)情況下，次級(jí)RCD吸收電路采用拓?fù)銲，Ⅱ，Ⅲ的Rs10 min溫升分別為15℃，18℃，55 ℃；Uc分別為960 V，938 V，930 V?？紤]吸收效果和電阻的發(fā)熱情況，選擇拓?fù)洧蛭针娐贰?br />
3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
    圖4為優(yōu)化后的主電路。DC／DC變換器的輸出功率為1 kW，輸出電壓為500～650 V，根據(jù)P=UI，可得Io為1．54～2 A。輸入電壓為24 V，波動(dòng)范圍為18～30V，可得初級(jí)電流有效值為33．3～55．6A。可見(jiàn)初級(jí)工作在低壓大電流狀態(tài)，次級(jí)工作在高壓低電流狀態(tài)，器件的選型就是基于該計(jì)算結(jié)果。

    選擇150 A／100 V的MOSFET作為開(kāi)關(guān)管，二極管選用FFPFF10F150S，其主要參數(shù)10 A／1．5 kV，變壓器匝比為3：100，Lf=6 mH，G選1μF／1 kV的CBB電容。C1選擇1 000μF／100V的電解電容，C2選擇200μF／1 kV的電解電容。[!--empirenews.page--]
    圖5a為優(yōu)化前輸入電壓Uin和實(shí)驗(yàn)測(cè)得二極管兩端電壓ur0的波形。由圖可見(jiàn)，ur0振蕩非常嚴(yán)重，峰值最高接近1．2 kV。該尖峰會(huì)給系統(tǒng)的正常工作造成很大威脅，且會(huì)使整流二極管發(fā)熱嚴(yán)重。

    圖5b為添加吸收電路后ur0波形。由圖可見(jiàn)，二極管兩端的電壓尖峰得到了很大的改善，峰值降低了約300 V。圖5c為變換器滿(mǎn)載時(shí)的輸出電流Io、輸入側(cè)母線電壓Uin、變壓器初級(jí)電壓u1和輸出電壓Uo波形圖，輸出功率大于1 kW?？梢?jiàn)，通過(guò)良好的吸收和濾波，輸出電壓電流波形良好。

4 結(jié)論
    這里介紹了輕軌車(chē)應(yīng)急通風(fēng)電源前級(jí)DC／DC變換器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)設(shè)計(jì)，針對(duì)整流橋寄生振蕩問(wèn)題，著重分析了3種RCD吸收拓?fù)涞墓ぷ髟砑皟?yōu)缺點(diǎn)，并根據(jù)實(shí)際工況選擇了吸收電路的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，通過(guò)搭建樣機(jī)，對(duì)設(shè)計(jì)方案和吸收電路的效果進(jìn)行了驗(yàn)證。