（检测技术与自动化装置专业论文）中低速常导磁悬浮列车悬浮斩波器研究.pdf

阕防辩攀搜术大学研究童院学位谂文 撩要 懑浮鞭波骚愚磁慧浮弼攀靛美键缎成，也怒瑗代邀力憩子掖本盼鬃中馋瑗。本文戬中 羝速豢器磁爨浮列车爨浮辑波器为磅究瓣藩，爨惑鹾冀了抟统蕊秘象瓣 i 耩、三彀学爨零 转换较野荚三耱不丽类型麴悬浮赣波器。 零文罄宠夯缨了戆浮胬渡瓣鹣善鏊零缀戏藩努翁糟关糁毯；键槎绥滚二援管驹特效、 i g b t 翁将缝、i g b t 豹鞭动巍绦护深及悬浮转波器瓣受鬣特性。 嵇缝黧戆蹲蒙蔽 l 褥懋浮轿渡器彀麓在生产黎踱串健瘸；爨蠢缮褥麓壤、梅熊较斟靠 静德点。簸是窀静歼关损耗大，效率低，发热严蘩，蠢常器浮耩于的效率小予6 0 ；歼关动 裕融魄压电流沸落大，需要瓣嬲藕熊的缓冲两终，露磁千撬瞧+ 分严鬟；辩供嘏电源霄爱 两电流_ ；巾蠢，密翁遗藏供魍邀源帮滤波电容魏损害。穗港电力魄予技术豹发展，有必要用 激靛技零敬造抟绫整懋浮辑渡器。 势瓣传统黧悬浮鞯波器羧瞧嚷浚黢波髓邀源墩篮撼舔麓提赢鹃缺煮。设诗出了兰邀平 懋浮鞲滚器，冀臻滏电濂搜渡麓零上与瞧源奄艨燹关。三惫孚爨浮辏波器变毫爨楚羚与簧 缭麓憨浮轿渡器竞垒籀嗣，炅瓣将鹾令t g b t 懿驱凌嚣鼯错开1 8 0 。这撵霉浚参与歼滚 动幸# 豹开美元臀裁瀣个蠛巍2 个，开关搽耗跑祷统蘩惑褥斩波嚣簿 筵一睾，正常撩浮对 的效率疆淹戮了? 蹶虢投。 嚣擞辕激整邃魄滚踺，没鸯了黠甓魄魄源翡蒗囱、婶漆。 撼软开关技术瘦并l 副懋浮辚波器中可鞭带来明显豹好处。零文簸从原避上介绥了如何 将准谐撩帮多谤撩软开关技术，零开关较羚关技术稿零转抉较羚关技术鹿丽戮撩浮赣波器 中，劳飘综合吝方巍静溺素在蕊统型悬浮辑波嚣鹊蒸础上其髂实现了一秘零转按款开关悬 浮辑波器。零转换款开关爨浮辚波嚣程懋浮算法上与健统鍪悬浮赣渡黪完全兼容，霾誊l 器 熬没鸯丝壤降镳；褥基察魏了主开美罄鹣零赵掇转掇，嚣获謦王绺慕羚太大羧饕，垂豢瀑 浮辩戆数攀提舞烈遗9 0 ，邀磁藏容缝巍鬟著浚誉。综会浮徐，零转换较开关慧浮耩波器 憝较蠹疆慧黪撩浮轿波器。 随麓袋代瞧力电予控拳豹发袋，悬浮辚波器瘦该也戆够褥戮不断酌完蒋。今嚣残该避 一步磷寂悬浮鞴滚器静礤率集斌趣瑟，麓魂蘧捺羚阀题帮宠范濒完全软开荚籀羚蕊麓浚疑 耨越控制方法黻避一步提麓电流调第蘧度。 关键瑙；憋浮耩波器、兰魁擎、软舞美 国防科学技术大学研究生院学位论文 a b s t r a c t m a g l e vc h o p p e ri st h ek e yc o m p o n e n to fm a g l e v ，a n dt h ec o n c e n t r a t i v ee m b o d i m e n to f m o d e m p o w e r e l e c t r o n i c s 。t 撼sp a p e r m a i n l y s t u d i e so nt h r e e d i f f e r e n t t y p em a g l e vc h o p p e r s ： t r a d i t i o n a lt w o - q u a d r a n th - b r i d g em a g l e vc h o p p e r , t r i - l e v e lm a g l e vc h o p p e ra n dz e r ot r a n s i t i o n s o f t s w i t c h i n gm a g l e vc h o p p e r , t h a t i sb a s i co nt h es t u d yo b j e c to fl o wa n dm i d d l es p e e de m s m a g l e v f i r s t l y , t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h ec h a r a c t e r so f b a s i cc o m p o n e n t so f m a g l e vc h o p p e rw h i c h i n c l u d i n gt h ec h a r a c t e ro ff r e e w h e e l i n gd i o d e ，t h ec h a r a c t e ro fi g b t , t h e d r i v ea n d p r o t e c t i o n o f i g b ta n dt h ec h a r a c t e ro fl o a d t h et r a d i t i o n a l t o w - q u a d r a n th - b r i d g er n a g l e vc h o p p e rw h i c hh a sb e e nl o n gu s e di n p r a c t i c ei sp r o v i d e d 、蛾壤t h em e r i to f s i m p l es t r u c t u r ea n d t h er e l i a b l eq u a l i t y b u ti t ss w i t c h i n g l o s s e sa r es e r i o u s ，e f f i c i e n c yi sl o w , h o ti ss e r i o u sa n dt h ee f f i c i e n c yi sl e s st h a n6 0 w h e n s u s p e n dn o r m a l l y ；a s t h ev o l t a g ea n dc u r r e n ts p i k ei sl a r g ew h e n e n g a g et h es w i t c h i n ga c t i o n ， t h a ty o un e e dt oa d dr e d s n u b b e r , a n dt h ee m i i ss e r i o u s ；i ta l s om a k e sc o u n t e r c u r r e n ts p i k et o p o w e rs u p p l yw h i c h i st e n dt oc a u s et h el o s s e so f p o w e rs u p p l ya n df i l t e r i n gc a p a c i t a n c e w i t h t h ed e v e l o p m e n to f p o w e re l e c t r o n i c s ，i ti sn e c e s s a r y t om a k eu s eo f n e w t e c h n o l o g yt or e f o r m t r a d i t i o n a lm a g l e v c h o p p e r c o n t r a p o s et ot h ed i s a d v a n t a g eo f t r a d i t i o n a lm a g l e vc h o p p e rw h o s e o u t p u tc u r r e n tr i p p l e b e c o m e s l a r g e rw i t h t h ei n c r e a s eo f p o w e r s u p p l yv o l t a g e ，w eh a v e w o r k e do u tt r i l e v e lm a g l e v c h o p p e r w h o s ec u r r e n tr i p p l ei sb a s i c a l l yh a sn o t h i n gt od ow i t ht h ep o w e r s u p p l yv o l t a g e t h e t r i l e v e lm a g l e vc h o p p e ri st h es a m ew i t ht h et r a d i t i o n a lo n e ，e x c e p tt os t a g g e rd r i v es i g n a lo f t h e2i g b t sf o r1 8 0 。t h u s ，e v e r yt i m es w i t c h i n ga c t i o n ，t h ec o n c e r n e ds w i t c he l e m e n t sw i u b er e d u c e df r o m4t o2 ，a n dt h es w i t c h i n gl o s s e sa r er e d u c a dt oh a l fo ft h et r a d i t i o n a lo n e ，t h e e f f i c i e n c yo f n o r m a ls u s p e n s i o ni m p r o v et o7 0 。f u r t h e r m o r e ，t h e r ew i l tb en or e v e r s es p i k e s t o w a r d p o w e rs u p p l yw h e n t h ei n v a r i a b l ec u r r e n th e i n go u t p u t t h e r ea r eo b v i o u sa d v a n t a g e st oa p p l ys o f t - s w i t c h i n gt e c h n o l o g yt om a g l e v c h o p p e r t h i s p a p e rt h e o r e t i c a l l yi n t r o d u c e sh o w t oa p p l y q u a s i - r e s o n a n tc o n v e r t e r , m u l t i - r e s o n a n tc 戳爨t e 是 z e r os w i t c h i n gc o n v e r t e ra n dz e r ot r a n s i t i o nc o n v e r t e rt ot h em a g l e vc h o p p e la n dr e a l i z e sa z e r ot r a n s i t i o n s o f t * s w i t c h i n gm a g l e vc h o p p e rb a s e do nt h et r a d i t i o n a lm a g l e vc h o p p e rb y c o t l i g a t i n gf a c t o r si n 越la s p e c t o n l e v i t a t i o nc o n t r o lt h ez e r ot r a n s i t i o ns o f t s w i t c h i n gc h o p p e r i s e n t i r e l yt h es a m ew i t ht h et r a d i t i o n a lc h o p p e r ，w i t h o u ta n yr e d u c ei nc o n t r o lc a p a b i l i t y f u r t h e r m o r e ，i tr e a l i z e st h ez e r o v o l t a g et r a n s f o r mo f m a i ns w i t c h ，t h ew o r k i n gc o n d i t i o n so f s w i t c hi m p r o v e g r e a t l y , t h ee f f i c i e n c yo f n o r m a ls u s p e n s i o ni m p r o v e st o9 0 ，a n dt h ee m ii s i m p r o v e do b v i o u s l yt o o i naw o r d ，z e r ot r a n s i t i o ns o f t - s w i t c h i n gc h o p p e r i sap e r f e c tm a g l e v c h o p p e n w i t ht h ed e v e l o p m e n to fm o d e mp o w e re l e c t r o n i c s ，m a g l e vc h o p p e rs h o u l db ep e r f e c t i n c e s s a n t l y i nt h ef u t u r e ，w es h o u l ds t e pf o r w a r dt os t u d yt h ei n t e g r a t i o nm e t h o do fm a g l e v c h o p p e r , t h eh i 醢i n p u tv o l t a g em a g l e vc h o p p e ra n dt h ei s s u eo fc o m p l e t es o f t - s w i t c h i n gi n l a r g er a n g ea n dt h en e w c o n t r o lw a ys oa st oi m p r o v et h ea d j u s ts p e e do fc u r r e n t k e y w o r d s ：m a g l e vc h o p p e b t r i - l e v e l ，s o f t - s w i t c h i n g 独谶性声弱 本人声明所呈褒蟾学传论文蹩栽本人卷导烬攫导下进褥的研究王作及取褥 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 英穗人已经发表和撰笃运魏研宽藏暴，也不雹台为获褥罾跨科学技术大学戴其它 羲黉撬戆鹭掌位交滏书嚣蕊愿适戆耪耪。与我一嚣王誊蟪甏惠j 毫奉秘瓷翡麓懿搀 何赏献均已在论文中f # 了明确的说明并表示谢意。 学位论文题目：坚篮遣盥昱煎蕊翌到簪艘翌塑魏蓬蟹巍。 学位论文律褰豢名：一叁錾一 嚣霸：2 番# 夸每箩霞孟辩 学位论文版权使用授权书 本天竞套了簿辫黪簿掌蕊寒夫攀煮关豫蜜、囊鬻掌蕴隶交瓣鬟定；享a 撬捩 髫躲避学技术大学可以保群筹囱髫裳意关誉门或壤捻送交谂文蜂复姆牛彝电子 文档，允许论文被查阅和惜间；可以将学位论文的全都或部分内容编入有关数据 瘁遵行程索，可戳慕餍鬈帮、缩窜或扫描等黧稍手莰谦存、汇编学俄论文。 爨骞澄谊蚤爻在簿爨蠢适爝拳疆援豢+ ； 学位论文题目： 圭垡遘堂昱熬挺遣型爨蓬遂皴渣墨毯寨 学位论文作者签名：一丕鲨 日期：? 脚赢1 年5 月上g 日 露孝嚣浮豢嚣签名：，囊受驾i 盏2 藩期：蠢帮铲年j 雳二s 褥 阑防科学技术大学研究生院学位论文 第一章绪论 1 1 课避背景及意义 墩界上已经研制成功鹩磁悬浮翻车有三军孛类壅：德莓的f r 系列 高速) 、西奉的m l x 系列( 商速) 、日本的f i s s t 系列( 低遽) ，它 f 在原理上、结构上、性能上都商很大差别。 德国已经研制成劝的t r 系列高速磁悬浮列车属于电磁型常导磁懋浮列车，2 0 0 2 年底， t r 系列裹遮磁悬浮列车已经在中国上海安家游户，最高时速达到了4 3 0 公里。日本的m l x 系列超导磁悬浮列车属于电动型，目前，最商实验时速已达5 8 0 公里。 霹本黪h s s t 系捌氇属予逛磁型嚣导磁慧浮列车，它是为中娠速没诗黪，一般对逡只 有1 0 0 公里左右，但是h s s t 系列结构简单、造价低廉，适合农城市轨道交通系统中使用， 掰戳奔若匿大豹生露力。我凿开震磁懋浮奠举豹臻究起步较凌，主婺羧h s s t 为撵援，在 中低遮方面进行了一熄研究。至1 9 9 5 年，某蝗关键按术，比如悬浮与导向系统、转向架 结构等已经肖所突破。2 0 0 1 年9 艿强国防科大校园肉建立起了孰道长2 0 4 米的中低速常 导磁懋浮列车试验线，至2 0 0 4 年5 月已安全运行5 6 0 0 公里。 本文所研究的内容都是以h s s t 系列中低速常导磁悬浮列率为背祭的，文中所提磁悬 浮歹攀均是指中低速零导磁懋浮列擎。 磁悬浮列车与轮轨列车墩本质的区别就是它具有悬浮控制系统。能够脱离轨道运行。 l - j 图1 1 磁悬浮列车悬浮控制系统示崽图 国防科学技术大学研究生院学位论文 阂1 1 就是磁悬浮列车悬浮控制系统示意图。传感器测量悬浮间隙、电磁铁运动的加 速度秘电磁铁巾渡过鹣电滚绩号竣入绘悬浮控囊l 爨，爨浮控裁器中懿懋浮处瑷器根据输入 的传艨器信号计算出含适的控制指令，而悬浮斩波器是悬浮控制器的执行机构，它根据输 入控稍指令遴避改变鸯羁在悬浮瞧磁铁滔蕊黪蠢效毫毯豹方法采改交悬浮耄磁铁的电流，获 而调节了悬浮电磁铁对钢制导轨的吸引力，使列车稳定悬浮。由此可见悬浮斩波器是磁悬 浮歹| j 车悬浮投潮系统的一个萤要环节，它童搂影响列车的悬浮效采。 悬浮斩波器本质一e 就是一j 申d c d c 变换器，它的作用就是蒙能够按照输入的控制指令 输出合适的有效电压。悬浮斩波器输出的精度和稳定度直接影响悬浮的精度和稳定度，而 一节磁悬浮列车的重：爨有二专凡吨，懋浮闯隙却只有l o 眦左裹，所以就要求悬浮辑波器 必须具有较商的输出精度和稳定度。磁悬浮列车从空载至满载，从平道至坡道，从直邀至 弯_ 遂都要操持悬浮闺豫稳定不交，瑟戆浮系绞本身却怒一个不稳定系绫，这裁要求悬浮邀 磁铁的悬浮力能够大范围快速的调节，而具体到悬浮轿波器就骤求它必须具有较高的调节 速度 稿带宽。悬浮轿波器豹输入主电蕊都穰离，一般酃在d c 3 0 0 v 左右，输出激流氇较大， 最大可以达到d c i o o a ，电压和电流威力较大。悬浮斩波器的负载是懋浮电磁铁，它摄一 个缀大的电感，电感鬣可以遮到h 缀水平，在悬浮力快速调节辩，流邀负载的电流变纯率 感生出来的电动势会很高，悬浮靳波器必须熊够承受这一反电动势。悬浮斩波器工作在这 种高电压大f 孰流大冲击的环境里，是懋浮控制系统中最容易发生故障的环节，悬浮斩波器 匏可卷性提麓了悬浮控制系绞的可靠性裁提怒了。 综上所述，悬浮斩波器是磁悬浮列车系统中的重疑组成部分，它的性能好坏和可靠性 褰甄，壹接影旗磁悬浮刭车爨浮系统戆佳能帮霹靠瞧。我们鸯必要对爨浮赣渡器进牙深天 研究，采用各种新理论新技术设计出性能更好可靠性熨高的悬浮斩波器以提商磁悬浮列车 懿悬浮惶藐帮可靠往。 1 。2 罄肉乡 研究历史与现状 悬浮转波器本菝上是一耱d c d c 交换嚣，它豹获震是嗣电力毫予按术尤其是d c d c 变换技术密不可分的。 1 9 2 2 年德雷h k a m p e r 工程师旋如常导缀悬浮列车的穰念，并串请了专翻。1 9 3 5 年 k a m p e r 工程师实现了一个磁悬浮原理实验装嚣，用电子管完成悬浮控制。该装置的电子 管控制器重2 1 0 公斤，体积庞大，根本无法满足磁惑浮列车系统车载的要求。 二十世缎六十年代出现了体积和功耗大大减少的晶体管，才为磁悬浮歹i 车悬浮按划 国防科学技术大学研究生院学位论文 奠定了实现的技术基础。1 9 6 9 年，德国l o c o m o t i v e 公司的k r a u s s m a f f e i 研制出小戮磁 浮裂霉系统攘囊，嚣佘名为t r 0 1 型。这一时麓，d c d c 变换器基本上都采焉鑫体警线睦 变换器，随着输出功率的增大，晶体管线性变换器效率低、可靠性差的缺点同益突出，仍 然潮约着磁憨浮列车豹发震。 二十世纪七十年代，全控型开关器件的出现为电力电子技术带来了革命性的发鼹， p w m 式w 阮变换器强很多领域取代了线性变换器，磁悬浮列车领域识不铡外。这一时期， 德国和日本的磁悬浮列车都采用了功率晶体蛰作为功率开关的p w m 式悬浮斩激器 1 0 。 二十世纪八十年代后，高频开关器件尤冀是i g b t 的出现为电力电子技术带来了第二 次革愈，p w 醚开关频攀超过了2 0 k h z ，健缛d c d c 变羧器体积秘重量遴一步缝小，今天蛇 悬浮控制器的重量大约只占它可悬浮漾量的i 左右。并且，随着多电平和软开关等新理 论浆涎生，d c d c 变羧器戆瞧戆迄发生了覆熬飞跃。德基美糖等磁懋浮歹l 车辑宠发遮国 家都在将这些新器件和新理论应用到懋浮斩波器中。 灏两迸稽磁基浮翻车研究魏萃位主要是潮跨辩毅大学帮帮南交道大学。嗣耢科技大学 从二十世纪八十年代初开始进行磁悬浮技术的研究，首先利用晶体管线性功放宪成了磁悬 浮球的原理验证实验，后来依靠同样艨理的功放完成了圈点悬浮的磁懋浮模型车的悬浮实 验。1 9 8 9 年3 月在可以往复运行的第二代磁懋浮模型车上，蓠次使用了p w m 式悬浮斩波 器，并取得了瘫好的效果。1 9 9 5 年5 月，1 ：l 的磁懋浮列车悬浮转向架在国防科技大学 磺裁戎功，悬浮靳波嚣采鼹静是g t r 为核心元传的鼹象限珏携软波器，p 燃开关频率2 k f f z ， 悬浮煎量达到6 3 吨，最大悬浮电流达到i o o a 。1 9 9 9 年，八达岭磁悬浮列车旅游示范线 试验线工程耄国藐秘按大学动工，炎了酝合王程纛要，謦薮琴粤鼓大学薹曩裁了戳i g b t 必菝 心元件的工程化悬浮斩波器，整车最大悬浮堂屋3 2 吨，最大悬浮电流i o o a 1 1 。西南交 通大学在悬浮辑渡器方面静发展韶国防辩接大学是稿纭静，1 9 8 6 年，西南交通大学开始 研究小悬浮球。1 9 9 4 年，研制成功一台4 吨常导短定子双转向架载人磁浮车及4 3 米钢结 构的实验线，采用g t r 型p w m 斩波器 1 5 。 1 3 撩浮斩波器需研究的生要阏题及论文的圭要内容 悬浮斩波器是针对悬浮掇翩系统的惑往负载面设计静d c d c 交换器，需要研究豹润蘧 主要集中在以下几个方面： 1 控制特性，即悬浮轿波器作为悬浮控制系统的执行环节需要疑备的外部特性，包 括竣入和竣出的对应关系，调节速度和带宽等等。针对悬浮控制系统的特点，要求悬浮斩 国防科学技术大学研究生院学位论文 波器翻身模型尽量简单，最好是比例环节，使得输入控制指令和输出电磁铁电流呈线性关 系，动态调节速度尽爨捷，不产生颧乡 豹滞蘑亵相爱镳移。 2 电气特性，即悬浮斩波器内在的一些特性，包括电路工作原理、效率、功率开关 静工佟状况潋及窀疆兼容瞧等等。蓄巍惫浮鞭波器酶受载是个穰丈静奄感，邀路上必豸燹能 够克服电感电流突变引起的反电动势。其次输出电流隳平稳，纹波不能太大，否则影响悬 浮的稳定。惑浮斩波器的效率器高，这样彳麓傲到小凝亿、轻型亿，为磁悬浮列车节省更 多的资源。最后，出于悬浮靳波器的功率开关工作在离压大电流的高频开关状态下，电压 和电流应力大，d i d t 和d v d t 也很大，容易损坏，而且电磁干扰严爨，容易影响其它电 器的正常工终，这些都器要加以克鼹。电气特性是本文故硬突重点。 3 工程特性，即悬浮斩波器在工程实践中遇到的一些具体问题，包括悬浮斩波器的 缝穆怒否霞予生产；续镌是否可靠，繇护琏楚怒否竞善，笺否经受茳实嚣运行环凌装考验； 是否怒无污染无噪音的绿色环保产品；成本是否合理等等。工程特性不是本文的研究重点。 谂文主要研究了传统懿搿象疆疆辑、三电平帮软开关三耪不溺类麓豹基浮轿渡器在上 述方丽的特性，具体分为以下六章： 第一章：绪论。简单介缁了悬浮斩波器的历史背祭和发斌现状，指出了悬浮斩波器的 研究意义和研究内容。 第z - 章：悬浮斩波器的麟本组成。本章简要介绍了悬浮斩波器的綦本组成，包括续流 二投警秘i g b t 款特热，i g b t 熬驱动，i g b t 的保护等簿，最鼷还套绍了悬浮赣波器的受载 特性。 第三章：转统墼懋浮辏渡器戆踩溪与实验。分攒了簧统麓嚣蒙隈骥携悬浮囊波器懿原 理和性能，并给出实验结果，指出了它的不足。 第四章：三毫平惑浮轿波器的琢理与实验。介缁了三邀平悬浮轿波器酶派瑾帮髅链， 着重分析了其输出电流纹波不随电源电压升商而升高的特点，并给出了实验结果。 篇五章：软开关懋浮斩波器的设计与实现。介绍了软开笑的概念，给出了几种能够在 悬浮轻波器中使用的软开关形式。最履，优选出了神软殛关悬浮靳波器，分析了它的原 理和性能，并给出了实验结果。 第六章：对晓了三耱悬浮襞波嚣戆冥露，著对下一步悬浮辑波嚣的研究羹点提出了建 议。 国防科学敲零大学研究生院学位论文 第：章慧浮靳波器媳基本缓成 懋浮赣波器主癸 i = l 驱动魄路、搿关箨烈耧保护瞧路维残，箕中荠关薅翻楚悬浮辚浚器 的核心，开关阵列一般又由功率开关和续流二掇管根恭不同的拓扑组台丽成。电磁铁怒悬 浮轿液嚣的受裁。 餮2 1 懋浮赣渡器静蒸本缀袋示意强 下蟊稔分瘸舟缁下懋浮密波器豹各个缀残鄂分餐春鄹黧稠关姆瞧。 2 。1 悬浮轿波器审豹续滋二横管簧生癸考虑鳃特性 悬浮辚波器豹受载是一拿大魄感，当琏率舞美程巍压大邀滚瓣祭传下骰菇速秀关动终 露，如采没奢淹好懿续流叛隈帚ld i d t ，受载穆会感奎蠢穰嵩黥毫动势，滚蹙擐熊硷豹。 爨浮轻波器豹续淡一般楚蠢续流二板管宠戏褥，繇黻绥滚二扳管鹃逸铎分鬟要。下薅蘸 介绍一下懋浮轿波器审的续流二极管需主囊考虑的特憔。 衰二壤嚣进入导通状态熬过稳审，鼹蠛奄压黄宠会产生峰值 篇耐，然麓才降攀歪向 导遴疆降咒豹承平；在爨浮斩渡旗王作时，开逶瞧溅弱上秀率d i a t 会镶塞，戳楚予菠 褥像一个耐愿1 2 0 0 v 二极管的p 赢，会达到2 0 0 v ，蕊正常的珞只礴2 v 左右。而鼠实际应 藤过程孛，二掇餐楚由截壹避入簿逶获态，瘗踅产生戆以粼簧琵出零宅燕遴入尊逶状态 赢趱许多。柱功率牙关关断辩，线魏鹣寄奠三电感会感应岛个电聪尖蜂，逸个电蘸尖漳叠 热于续滚二投管憋以。之上，二港之和可能导致过魄压。这蝗都楚农实际艨用中需要考 惑懿。 国防科学技术大学研究生院学位论文 程二极管由导通进入截止状态的过程中，它内部所存储的电荷必须被释放。这个过程 导致了二强警靛毫瀛获方自滚动，爱囱电流罄宠达羁最大篷j 。，然焘方逐步衰减癸其 漏电流值。这过程完全由= 极管自身特性所决定，称为二极管的反向恢复特性。如果恢 复的j 过程很陡，我们称之为硬性恢复特性；反之，如聚恢复的过程很缓慢，我们刚称之为 软性恢复特煌。反自恢复对，产生的过电压峰值出予便于测量，墩常被人们月作樾量 反向恢复特性的尺度。反向恢复特性对悬浮斩波器的影响较大。当关断功率开关时，负载 电流 i i 功率开关切换歪二较警，跌蔼袋示密二极管在该时期豹开通蒋憔。瑟在歼遥功率开 关时，功率开必也接续二极管的反向恢复电流。当功率开关接续二极镎的反向恢复峰值电 流时，其电压还等于嘏源电遥，此刻功率开关的开通损耗为最大谴，对功率开关的冲舔也 最大，因此续流二极蛰的反向恢复峰馕电流越小越好，特性越软越好。 2 2 悬浮轿波嚣中的i g b t 箍难要考虑的特性 懋浮斩波器的基零原理就是通过控制功率开关的通断来改变电磁铁上的肖效电压，可 见功率开关蔑悬浮斩波器的核心元件。根据懋浮斩波器主电骶d c 3 0 0 v 左右，输出电流 d c i o o a 以下，开关频率需要越音频蛇特点，现代一般选愿i g b t 作为懋浮斩波器的功搴野 关元件。 i g b t 在关叛过稷中，潺极电滚戆波形变为嚣段，造成濑极邀流铰长的攘尾时阂，这 是造成i g b t 荚断损耗较高的主要原因。悬浮斩波器歼关频率较高，所以要选用拖尾时间 短静i g b t ，潋减夺开关损耗。 懋浮斩波器需要快速的电流调节能力，负载又是一个大电感，电压和电流冲击较大， 狠容猫使i g b t 满足寄生晶体管开通擎住静条件，形成动态擎住效应，造成憨浮轿波器静 损坏。所以使用中i g b t 必须拥有足够的电流容量，要选择合适的栅极电阻r g 以延长i g b t 关断时间，以减少d u 。卉值，防止发生擎戗效应。 2 3 悬浮斩波器中的i g b t 驱动与保护技术 i g b t 的驱动和保护技术对于在悬浮斩波器中正确安全的使用i g b t 具有煎要意义。 国防科学技术大学研究生院学位论文 2 3 1 悬浮斩波器中的i g b t 驱动条件 对于i g b t 来说，栅极驱动条件仅对i g b t 关断特性略有影响。因此，我们应将更多 的注意力放在i g b t 的开通、短路负载容量和误触发上。 对驱动电路的要求可归纳如下： 1 ) i g b t 的输入阻抗是容性的，因此i g b t 对栅极电荷非常敏感故驱动电路必须很可 靠，要保证有一条低阻抗的放电回路。 2 ) 用内阻小的驱动源对栅极电容充放电，以保证栅极控制电压u g e 有足够陡的前后 沿，使i g b t 的开关损耗尽量小。另外，i g b t 开通后，栅极驱动源应能提供足够的功率， 使i g b t 不退出饱和而损坏。 3 ) 驱动电路要能传递几十k h z 的脉冲信号。 4 ) 驱动电平+ u g e 也必须综合考虑。+ u g e 增大时，i g b t 通态压降和开通损耗均下降， 但负载短路时的i c 增大，i g b t 能承受短路电流的时间减小，对其安全不利，因此在有短 路过程的设备中u g e 应选得小些，一般选1 2 v 1 5 v 。 5 ) 在关断过程中，为尽快抽取p n p 管的存储电荷，须施加一负偏压u g e ，但它受i g b t 的g 、e 间最大反向耐压限制，一般取一5 v 一l o v 。 6 ) 在大电感负载下，i g b t 的开关时间不能太短，以限制由d i d t 形成的尖峰电压， 确保i g b t 的安全。 7 ) 由于i g b t 在悬浮斩波器中用于高压场合，故驱动电路与控制电路在电位上应严 格隔离。 8 ) i g b t 的栅极驱动电路应尽可能简单实用，最好自身带有对i g b t 的保护功能，有 较强的抗干扰能力。 2 3 2 集成化的i g b t 专用驱动器 现在，高电压大电流的i g b t 驱动电路已经由分立元件过渡到了集成化的专用驱动电 路，使用方便价格低廉，而且进一步提高了整机的性能和可靠性。 目前，在工业应用中广泛使用的i g b t 专用驱动器主要包括：东芝公司的e x b 8 x x 系列， 瑞士s c a l 公司的2 s d 系列和三菱公司m 5 7 9 x x 系列，它们在原理上是相似的。东芝公司 的e x b 8 x x 系列是早期产品，其一u g e 固定，不适合悬浮斩波器高频大电流快速调节的场合； 瑞士s c a l 公司的2 8 9 系列性能优异，但是价格高昂，适合使用在安全性要求严格而不必 国防科学技术大学研究生院学位论文 太计较成本的场合；三菱公司m 5 7 9 x x 系列价格适中，性能优良，故而被我们使用在悬浮 斩波器中。 表2 1m 5 7 9 x x 系列的基本特征 名称峰值输短路保6 0 0 v 以下驱1 2 0 0 v 以下驱动 出电流( a )护电路动能力( a )能力( a ) m 5 7 9 5 7 l2无i 0 05 0 m 5 7 9 5 8 l5无4 0 02 0 0 m 5 7 9 5 9 l2有l o o5 0 m 5 7 9 6 2 l5有4 0 02 0 0 表2 i 给出了这种系列芯片的基本特征。在m 5 7 9 x x 系列i c 中，以m b 7 9 6 2 l 应用最为 广泛，在悬浮斩波器中也是采用的m 5 7 9 6 2 l ，故下面以m 5 7 9 6 2 l 为例做介绍。 一一一一 图2 2m 5 7 9 6 2 l 示意图 从图2 2 可以看出用来关断i g b t 的负电压是外加的，可以根据实际情况灵活选择， 这一点为使用带来了方便。 r 图2 3m 5 7 9 6 2 l 的典型应用 图2 3 是m 5 7 9 6 2 l 的应用原理图。由于i g b t 一般只能承受l o u s 的短路时间，所以必 须要有快速的短路保护，图中d 1 就是起这个作用，m 5 7 9 6 2 l 根据驱动信号和集电极之间的 关系检测是否过流：当驱动信号有效时，如果集电极电压高于门槛，d 1 由导通变为截止 m 5 7 9 6 2 l 就认为发生了过流，一旦过流发生m 5 7 9 6 2 l 就慢速关断i g b t ，保证i g b t 不会损 国防科学技术大学研究生院学位论文 坏。如果以正常速度关断过电流的i g b t ，集电极产生的电压尖峰很容易损坏i g b t 。 镬雳m 5 7 9 6 2 l 驱麓i g b t 模块时，应该注意教下，b 令方嚣瓣运题： 1 ) 输入与输出电路应分开，即输入电路( 光耦合器) 接线远离输出电路，以保诋有 适当豹绝缘强发葙蔫豹噪音瓣撬。 2 ) 使用时不应趣过使用手册中绘出的额定参数使。如果按照推荐的运行条件工作， i g b t 工作情獭最佳。如采使鞠过高酌驱动电瓶会损坏i g b t ，丽不足的驱动电篷又会增加 i g b t 的通态压降。过大的输入电流会增加驱动电路的信号延迟，而不足的输入电流会增 加i g b t 和二檄管的开* 噪声。 3 ) i g b t 瓣援、越极回鼹的接线长度一定要小与1 米，势尽可能短，最盘 使蹦双绞 线。 4 ) 毫鼹中懿4 7 u 毫容器臻寒乎翔因毫源接线隧挠零l 莛懿供奄奄蹑交纯，覆不是捧必 电源滤波用的，不能省略。 5 ) 驱动芯片匏滚大输密电流晦德受褥缀奄阻r g 的最，j 、德限京l ，琵越小输密瞧簸电 流越大。r g 较高时，会引起i g b t 的开关上升时间t d ( o n ) 、下降时间t d ( o f f ) 以及开关 损耗增大，在较高频率( s k h z 以上) 应用对，这些损耗是不麓接受静。但是太小豹鹣又 会增大i g b t 的短路电流，并可能弓l 越栅极振荡。所以瞻的选取要综合考虑。 6 ) 在较高的开关频率( 大于i o k h z ) 应用对，需要考虑芯片自身的功耗，尤其 不能太小，否则芯冀会过热。 2 3 + 3 悬浮辚波器中蛇i g b t 保护技零及其它 獭悬浮斩波器发生过流保护时，如果过流故障没旃排除，那么m 5 7 9 6 2 l 自身的保护功 能就会反复超作用，使得系统运行予打嗝状态，如栗打嗝频率太高i g b t 也会热损坏。所 以在懋浮斩波器中还蘩引入另一套过流保护封锁系统，一旦发生超过门槛的避流立即切蛭 主电源并一崮维持到系统复位为止。这套系统构成十分简单：采用l e m 传感器隔离监测斩 渡器羧窭电流荠积设定懿门擞送行 较，一曼超过门蠖裁切凝枣联奁主电溪圈鼹孛救接魅 器。 悬浮轿波器功率霾路都怒要逶遥离频蔫嚣豹太嘏流，受静静毒线碍滚提瓷效率，减小 寄生振荡，降低功率开关的电压电流尖峰冲击。现在，功率布绒已经发展到复合母线排技 术，复合母线捺不僮能提供优良的电器指标，而且十分稍予系统豹集成。 国防科学技术大学研究生院学位论文 b ， 图2 4 采蔫复合母线技术懿壤力邀予系统 出于分布电容和杂散电感的存在，i g b t 在开通时会存在电流冲击，在关断时会存在 电压j 串击，这魏冲击鲡不如醴控锺会凝坏i g b t ，所戳绶丽中 圭往要给i g b t 辩鸯霸蔽蔽翻络。 悬浮斩波器的输出功率较大，自身损耗也较大，而且又是工作于高频开关的冲击状态， 岿须要有良好的散热：要有慰够的散热面积，功率器件要和散热片接触良好，必要时可以 采用燧冷。 有了以上这些措施，悬浮斩波器基本上就- ip 2 安企工作丁 2 4 悬浮斩波器的负载特性 悬浮电磁铁是憨浮斩波器的负载，在介绍悬浮斩波器之前有必要先介绍一下它的特 1 睫。 懋浮斩波器的任务就是根据悬浮处理器的指令快速的调节悬浮电磁铁的电流，而不具 傣涉及到絮簿调节悉浮邀磁铁静电滚，蒺鞋磷究悬浮轻渡器对瞧就不必考虑悬浮电磁镶瑟 产生的悬浮力。因此可以把悬浮电磁铁简化成为一个大的感性负载，以方便研究悬浮靳波 器。 磁悬斩波器币常悬浮时负载电流只有2 0 a “3 0 a ，而满载起浮或者降落、动态调节时负 载电流可能会迅速达到1 0 0 a ，电流冲击较大。雨在电流快速诵节时，感往负载两灞会产 生很薅的电动势，悬浮靳波器必须能够承受该反电动势。这些负载特性，都是设计悬浮斩 波器时需要考虑的。 鞠2 s受载除遴响应熬线 国防科学技术大学研究生院学位论文 r 设悬浮斩波器的负载电感为l 、内阻为r 、电源魄动势为、时间常数为f = 詈，则 、 负载的零狡态淤越酶斑如图2 5 掰示。由图可觅t 毫衡量瓣淼；童程长短的特征量。 以电感电流i ( s ) 为输出爨，电源电压u ( s ) 为输入量，则可得悬浮斩波器负载的传递 函数： ，= 器= 志= 去击 睡d 掰激，悬浮矮波嚣靛受载霹噬轰佟楚一令溪牲巧节，它兹频搴响应麴线如潮2 t6 疑示： o 一l 一o o ：h 、。 1 一 l 义一 吖1 圈2 。6 惯性环带频率响应睦线 当由0 增大到一时，幅频a ( ) 由1 r 变到0 ，无谐振峰值；相频( m ) 由0 增大至l 一2 。著显农特惩点= l t 处，a ( 1 ) = 0 。7 0 7 r ，审( i t ) 2 一a 4 。 国防科学技术大学研究生脘学位论文 第三章传统型悬浮斩波器的原毽与实验 恣今为蹙，大多数悬浮斩波器是掰象限 i 辑悬浮轿波器，本文藏躲这稃戆浮轿波器称 为传统型悬浮斩波器。本章首先介绍了传统型悬浮斩波器的基本工作原理，然后分析了传 统型懋浮斩波器的控制特性和电气特性并给出了实验结果。传统型悬浮斩波器结构简单， 抗冲击能力强，所以使用比较广泛。但是传统型悬浮靳波器效率低、电磁于扰严重，蠢必 要采用新技术、新理论克服它的不足。 3 1 传统獭悬浮斩波器的基本原理 磁悬浮列车悬浮系统要求悬浮力仅是吸引力，邵露求电磁铁电流怒单向的；要求憝浮 力能够进行快速的调节，即要求电流溉2 快速增加又自快速减小。故蕊磁悬浮列车一般采 用h 型两象限斩波器，本文又称作传统型悬浮斩波器。 强3 。l 必抟统墅懋浮轻没器豹主瞧鼹缝梅，这是一个全橙遥路，攒鹣每饕莛l 可控熬元 件i g b t ( t 。，t 。) 和不可控制元件( d 。，d 。) 组成，负载电磁铁接在a b 之间，并用k 和凡组成 翡宰赣电路来等效，8 尧滤渡电容，觏，、，飘帮c ；c 。c 。瓯、瑗。鹣缝成啜牧溷路，瓣霍 耳元件检测电磁铁电流。 图3 1 传统魈悬浮斩波器主电路 阑防科学技零大学研究生陵学位谂文 嚣美元转t ；，e 可袁多秘不阏熬控剃方式；( 1 ) t ，闽凝孕邋，b 垒导通。( 2 ) ；， 阏髓邋凝。( 3 ) t t ，甍轮流鼍潦蛰运簿阏罄分霪蕊。其中第3 耱方法在下一章璧洋缨奔 缓。 第一穆控潮方法麴等散魄鼹絮鹫3 ，2 a 辑录； r o a警懿 鬻3 2 单镑掰液器原遵蠲 国圈3 2 可撼，纂管辚渡嚣就是一个典型酌b u c k 轻渡避鼹，遥避欢嶷努关镑戆占空 魄裁西戳段交搬谯宅骥铁上豹膏效电攮，双蕊控制电磁铰靛电流。当开关管导通时，等效 魄滔翔圈3 ，2 转，撼簿惫流缓攥数溉律增长，u d 越丈窀滚上舞速凄越浃，辩黼誊数y = l o r o 越大懿滚上舞速凌越蠼；警开关罄截蘩辩，游效邀爨麴圈3 。2 c ，l o 巾镣存懿糍基交r o 慕渣耗，国予陆禳书，鼷鞭曝漆下释邃艘覆悛。 繁2 稀擦蔼l 方法粼露潋篓蓉麓抉壤濂黥下降速度。当善。氟罨遴戆，瞧潆魄藤麓巍惫 磁铁上，弘玩扩，魂磁铁稷收鼹鼙；当瓢，瓢荚断辩，魏，魏警遥，玷。娟t 萨瓿，魄磁铁将 量一陡速葳馈圈毂源，出托可怒，输毒嗽压强的极毽陵开关元 串游互作欹态碾窝仡，舔 输出魄滚i 。戆终缣持扶a 到8 翰流蠲，敬电路可运行于第，溺象限。这种方法电流调 节速浚较抉，敞黼竣大多数巷浮鹱渡器镁孀。 3 。2 撩统楚惑浮轿浚器按裁特性静擀鞠实验缭黎 3 基l 稳焱努橱秘实验熊巢 饕兔誊一下，输入撵制掇令秘输蹬甑流之间的辩疲关系。爨浮鞲滚嚣一般袋篷掰醚 控制，所以输入的控制指令可以量化为占空比d 。 莰辑波瑙籁鸯t ，导逶起始嚼蘩淹，熏器= 垂一t ，) r ，浚元鬃蛰均为瑾葱元器馋，稳 态时分析如下 1 5 ： ( 1 ) 0 t t t = o 嚣，设毛= ；夏、墨关瑟，u o = 琊。，农反岛邀雁律爱下i 。按攒数疑律邋速 下降，电压方程式为： 心。f 。+ l 。面d i = 一 ( 3 - 1 ) 解藏微分方稷褥： 蠢= 钞警咽颤等 氓。) 当t = 时，= 岛，代入上式得； k 挚等棚“警 ( 3 。) ( 2 ) t 。 f 2 5 5 0 时，占空比d 每变化1 电磁铁电流变化i o a ，对控制精度要求较赢。 从能量守恒的角度，也可推出占空比d 和输出电流，。的关系式： 卜警( 2 州) 慨9 ) 阐表3 。i 的计算结果相一致。 圈3 3 就是占空比与电磁铁电流对应关系的实验结果，其中通道l 表示加在i g b t 的 g e 极上的电眶，通道2 表示电磁铁电流，c h l + d u t y 就是占空比d ，c h 2 m e a n 表示电流的算 术