（电力电子与电力传动专业论文）电力机车空调电源研制.pdf

a b s t r a c t a l b s t r a c t a b s t r a c t ：i na c c o r d a n c ew i t hm a r k e tr e s e a r c h ，t h ep a p e rm a i n l yd e s i g n san e wt y p e o fp o w e rs u p p l ys y s t e mf o re l e c t r i cl o c o m o t i v ea i r - c o n d i t i o n i n g r e s e a r c hp u r p o s eo f t h es t u d yi sd e s i g n e dt om e e tt h en e e d so ft h em a r k e t ，am o r ei n t e g r a t e d ，i n t e l l i g e n t ， s m a l la n dh i g hp o w e rf a c t o ra n ds oo n m a i nc i r c u i tt o p o l o g ya p p l ya c - d c a c ，a c o m b i n a t i o no fc o n t r o la r e a su s e dt h ei n t e g r a t e dc h i p sa n dm c u t h er e s e a r c hi s d i v i d e di n t ot h ef o l l o w i n ge l e m e n t s ： ( 1 ) d e s i g na5 k ws y s t e mt oa c h i e v et h ee f f e c t i v ea p f c ( a p f c ) s y s t e mt oe n h a n c e t h ep o w e rf a c t o ra n dt h er e d u c t i o nd e v i c e so nt h ee l e c t r i cl o c o m o t i v ep o w e r 鲥d p o l l u t i o n ； ( 2 ) s u c c e s s f u ld e s i g ns w i t c h i n gp o w e rs u p p l yb a s e do nt h eu c 38 4 2 ； ( 3 ) d e s i g nas a f e ，s t a b l ea n dr e l i a b l eb o o s tc h o p p e rc i r c u i tb a s e do nt h es g 3 5 2 5 ， e f f e c t i v e l yc o n t r o l st h ep o w e rt r a n s f o r mt h ei n t e r m e d i a t el i n k s ，a n dd cp o w e ri n v e r t e r t oa c h i e v et h er e q u i r e dt a r g e t s ； ( 4 ) b a s e do nt h ed e s i g no ft h em c u p i c16 c 7 4m o n i t o r i n gs y s t e m ，r e a l - t i m e d e t e c t i o no ft h e p o w e rp a r a m e t e r sa n da i r - c o n d i t i o n i n gc o m p r e s s o ro p e r a t i o n ， c o n v e n i e n t ，f a s td e t e c t i o no fp o w e rs u p p l yv o l t a g e ，c u r r e n ta n dt i m e l yt r o u b l e s h o o t i n g ； ( 5 ) d e b u gc i r c u i ti nt h ep r o c e s s ，e n c o u n t e r e dm a n ys u c ha se m c ( e m c ) ，t h e d y n a m i cr e s p o n s ea n do t h e ri s s u e s ，t h ep a p e ra l s oe n c o u n t e r e ds i m i l a rp r o b l e m so f r e l i a b i l i t yd o n ea d e t a i l e da n a l y s i sa n dp r o p o s e ds o l u t i o n s a f t e ro v e ra l la s p e c t so fs i m u l a t i o na n dd e b u g g i n go ft h ea c t u a lc i r c u i t ，t h eb a s i c f u n c t i o no fe a c hm o d u l eh a sb e e nt oa c h i e v e ，t om e e tt h en e e d so ft h ep o w e rs y s t e m a p p l i e dt ot h ew o r k i n gf i e l d k e y w o r d s ：p o w e rs u p p l y ；b o o s t ；a p f c ；m i c r o c h i p - p i c c i a s s n 0 ：t n 8 6 ：t p 2 7 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：导师签名： 签字日期：年月日签字日期：年月日 独创性声明 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：签字日期：年月日 7 6 致谢 本论文的工作是在我的导师邱瑞昌副教授的悉心指导下完成的，邱教授严谨 的治学态度，科学的工作方法，积极的生活态度，强烈的责任感给了我极大的影 响并对我的今后的工作、学习以及做人等方方面起到了楷模作用；邱瑞昌副教授 悉心指导我完成了实验室的很多科研项目工作，在理论上和实践上给予了我及时 的指导，使我在科学研究的道路上少走了许多弯路，学到了很多现场知识，补充 了我在理论和实践中的不足，使我受益匪浅。对我的日常生活也非常关心，给过 我很多无私的帮助。在此，衷心地感谢两年来邱老师对我的谆谆教悔及生活上的 关怀。 姜学东主任也对我实验室项目实施提供了极大的关心，在毕设方面提供了很 多悉心的指导，对于姜老师两年多来的照顾表示衷心的感谢。 实验室的荆龙博士在电路设计，调试和论文撰写等方面给与了大力支持，提 出了宝贵的意见，为本科研的完成提供了很多的帮助，在此表示感激之情。 回眸读研期间的点点滴滴，有过兴奋，有过失落，宿舍的同学们郭佳、王立 乾、宋俊超等同学留给我美好的回忆，感谢他们对我生活和学习的帮助。 特别感谢我亲爱的家人，他们的理解，支持和无私奉献使我能够在学校专心 完成我的学业。 最后对在百忙中评阅本论文的各位专家表示衷心地感谢。 第一章绪论 1 1 课题背景和意义 第一章绪论 列车诞生于1 8 世纪2 0 年代，而作为真正意义上的列车空调系统出现在2 0 世 纪2 0 年代，机车空调出现的更晚。早期的蒸汽机车由于条件限制无法给司机室加 装空调、如今，内燃、电力机车的发展，使得司机室的条件得到很大改善，为实 现机车空调提供了可能。 众所周知，机车运行环境有很大流动性，机车震动大，温度高，现场电磁干 扰大，车门频繁开闭，各种环境都无法避免。由于司机室空间狭小，又经常处于 高速运行中，室内温度变化快，因此，要保证1 8 - - 2 3 可调，顶棚与地板面温 差不超过1 0 ，供给每个乘务员的新鲜空气量不少于3 0 立方米川、时，空调机组 起停频繁。同时，司机室内电气控制设备和信号设备密集，容易受到空调电源通 断引起的电磁干扰，直接影响行车安全。综上所述，机车所用电源有其特殊性， 普通民用空调电源无法胜任，机车空调电源系统要具有充足的制冷量、高强的抗 震性、出色的耐高温、稳定的安全可靠性等特性，并要满足机车空调机组的电流、 电压和功率要求。 本论文是与北京铁路局下属的北京双新电子技术研究所、北京星光公司合作， 结合当前铁路机务部门对电力机车空调电源需求状况，瞄准市场而研制的电力机 车空调电源系统，有着实际的工程应用和产品市场现实意义。 1 2 机车空调电源应用状况 机车空调机组的种类很多，可根据不同划分方法进行分类。机车空调机组需要 根据机车的特点来选用。机车空调机组多采用传统的蒸汽压缩制冷方式，由于内 燃机车上有动力装置，可以直接为压缩机提供动力，从而制冷系统可采用具有密 封垫的半封闭压缩机。对于电力机车，铁路电网供电充足，空调机组应采用全封 闭压缩机，减少制冷剂泄漏的可能性并减小了机组体积。 机车空调机组的安装位置，要根据机车司机室的具体结构和有利于冷凝器的冷 却( 风冷式空调机组) 来确定。目前，顶置式、后置式和底置式的机车空调机组均有， 各有优缺点。由于目前机车速度通常在l o o k m h 左右，而且根据铁道部关于不能 对机车作太大改动的要求，综合考虑现有机车安装空调器的情况，应采用顶置整 北京交通大学硕士学位论文 体式全封闭压缩机空调机组。根据这些特点，本系统所提供的空调机组均是采用 顶置整体式，电源安装位置位于司机室附近。 通过调研机车空调的市场及技术发展情况，我们发现国内的机车空调电源主要 分两类，一类是在机车制造阶段没有加装空调系统的，第二类是在机车制造阶段 已经安装空调系统的，前者主要是以前制造的内燃机车和东风2 、3 、4 型机车， 而近年来制造的机车都已经安装过了机车空调。针对第一类机车，根据铁道部最 新的机车规范标准必须由机务部f - j d h 装空调，这一部分对机车空调电源市场需求 巨大，据保守估计，国内目前的光东风4 型机车就有2 0 0 0 辆以上，而且每辆机车 至少需要两套空调系统。另外，由于机车空调耐用性能不高，即使制造阶段已经 加装空调系统，但是很容易损坏，在大修阶段很有可能更换电源系统，因此，这 一部分市场也是巨大的。 国内机车空调电源起步晚，但是技术和市场发展迅速，目前国内有株洲时代 和武汉正远两家有实力的大型企业提供大功率机车空调电源，但是近年来其技术 更新速度放缓，而且其产品可靠性不高、体积庞大、维修率高的缺点逐渐显现， 这就为其他企业进入这个行业提供了有利时机。只有我们提高技术含量、避免上 述两家公司产品的弊端和提供更有优势的售后服务，完全可以在这一市场上占有 一席之地的，所以，该产品的市场潜力还是很巨大的。 随着电力电子技术的发展和变频技术的进步，未来的机车空调电源将会朝着 集成化、小型化、便捷化、智能化和高效率的方向发展，将能够满足各种类型、 各种场合的机车空调的使用。 1 3 电力机车空调电源系统主要技术指标 本论文研制的机车空调电源是专门为了改善机车乘务员工作环境调节，确保 行车安全而为内燃机车空调系统设计的新一代专用电源，其技术符合铁道部运输 局运装技验 2 0 0 1 1 2 7 7 号文件 关于印发机车空调系统质量改进工作及技术方案研 讨会纪要的通知 中所规定的全部内容。 该机车空调电源操作简单，只需要在司机室增加一个转换开关和一个启动按 钮，与同类产品相比大大简化了乘务员的操作，而且其工作性能更加稳定可靠， 在机械结构上采用了模块化方式，使得拆卸、维护更为方便。全封闭的结构使得 外型更加美观，机械强度及电磁屏蔽性能也有了进一步的提高。 主要技术条件： 1 输入电压： 输入电压额定值：a c 2 2 0 v 2 第一章绪论 输入电压范围：a c l 7 5 v a c 2 8 0 v 控制电源输入额定电压：d c li o v 控制电源输入电压范围：d c 7 7 v d c l 4 3 v ( 3 0 ) 电源效率：8 0 - - 9 0 或以上 额定输出容量：5 k w 输出电压及频率： 三相交流电压：3 8 0 v ，5 0 h z 允许电压波动：+ l o 1 5 频率控制范围：0 i 4 0 0 h z ( 可设定) 频率设定分辨率：数字式指令0 1 h z 模拟量指令o 1 h z 输出频率分辨率( 演算分辨率) ：0 1 h z 启停方式：变频启停 启动时间： 加减速时间：0 0 , - - 3 6 0 秒( 可独立设定加速减速时间) 根据负载要求可现场整定 电源带空调机组负载启动时，启动电流最大值不大于1 5 倍稳态电流，启 动时间不大于1 5 s 。 环境温度 工作温度：2 5 7 0 储藏温度：_ 4 0 8 5 大气条件 空气中不得有过多的酸、盐、腐蚀性气体及易燃易爆炸性气体，最大相对 湿度为9 0 海拔 海拔高度不超过3 0 0 0 m 1 4 论文主要内容和结构 本课题根据电力机车上实际现场情况，针对机车空调的特点和市场要求进行 电源系统产品的储备研发。论文根据电力电子学和现代控制技术的专业知识，秉 承智能化、集成化等优势，针对单相a c 2 2 0 v 到三相a c 3 8 0 v 能量变换，采用科 学的拓扑结构和电路设计方式，设计出一套实用的电力机车空调电源系统，完成 其电能变换过程，并在电路调试和e m c 设计，以及数字化和微机化方向作了大量 工作，具体内容如下： 3 z爻屯 e z & 北京交通大学硕士学位论文 介绍了机车空调及其电源的原理，以及电源各项技术指标要求及其发展方 向； 设计电源主电路的拓扑结构，计算电路参数； 设计、仿真和调试有源功率因数校正器p f c 电路； 设计和调试基于u c 3 8 4 2 的单端反激结构的辅助电源； 设计和调试基于s g 3 5 2 5 控制器的斩波升压驱动电路、p i 闭环调节器及保 护电路； 设计和调试基于单片机p i c l 6 c 7 4 的电源故障监控系统及保护电路，并设 计其软件及串口通信模块； 各部分电路的e m c 及可靠性保护的设计； 本论文是围绕各模块的设计理论并结合实际电路的调试经验展开的，以上几 点也是本人在此课题中的主要工作。 4 第二章电源系统总体设计 第二章电源系统总体设计 2 1 电源供电总体示意结构 如图2 1 所示，电力机车中供给机车空调电源的输入是用于司机室民用的交流 2 2 0 v 和用于控制电路的蓄电池，经过下列变换结构提供给空调压缩机符合指标要 求的电源。 图2 1 电力机车空调电源供电示意图 f i g 2 - 1s k e t c ho f p o w e rs u p p l ys y s t e mf o r a i r - c o n d i t i o n i n go f e l e c t r i cl o c o m o t i v e 2 2 电源交直交部分及监控系统结构 电力机车车载电源为交流2 2 0 v ，而空调机组为三相交流负载，所以要将交流 2 2 0 v 转换成三相3 8 0 v 的交流电源来供给空调使用。本文采用的方案为先将交流 2 2 0 v 直流先经斩波升压变为直流5 4 0 v ，然后由三相全桥逆变电路逆变输出三相 3 8 0 v 交流电源，供给空调使用。 系统方案分为六个大部分，即a c d c 、a p f c 、d c d c 、d c a c 及故障监控 系统及辅助电源部分。电源结构如图2 - 2 所示。 本课题设计思路：考虑到输入的交流电压，总体结构上采用了交直交的变换 拓扑结构。由于a p f c 的升压输出电压达不到逆变器所需的输入电压，而且为了 保证电源的保护有效性和电路的控制灵活性，采用a p f c 升压和标准b o o s t 电路 串联的两级升压策略，两次升压的电能变换效率均能达到9 0 以上，而且如果控 制得当，可以保证系统的多级升压的动态稳定性 下面先简要介绍各部分实现的功能，接下来的几章中将详细阐述各部分的实 现： 5 北京交通人学硕十学位论文 溷辜 圈 黼 f 瓮蕊黧蔫蓊弱 湖 睦篷缆洌 i 叫【) ( 、a ( 。 _ 援隧! 露撼逻獠掺嘻豸! 。, m c u i _ 一 誊。二：二二。薯一? 。叠毫 图2 2 电源系统总体结构图 f i g 2 2f r a m e w o r ko fp o w e rs y s t e m a c d c 部分 实现交直变换，利用不可控硅整流技术，采用专用的整流模块，得到正弦 状电压和含有丰富谐波成份的脉冲状电流，此部分不做重点介绍； a p f c 部分 适应宽范围的输入，改善电源系统的功率因数，减少对电网的谐波污染， 为后面的电能变换提供直流基压，此部分重点分析； 辅助电源部分 利用单端反激结构的电路，将蓄电池的1 1 0 v 直流电变换成各个控制及其 他集成芯片所需的电源，此部分将做重点展开； d c d c 部分 将经过功率因数校正后的直流3 9 0 v 斩波升压为直流5 4 0 v ，该部分要能 够提供足够的功率，并实现宽范围调压，即当输入电压发生变化时，输出电 压均可稳定在直流5 4 0 v ，以保证变频器正常工作，并且负载能正常运行此部 分将做重点展开； d c a c 部分 将直流5 4 0 v 电压逆变为三相交流3 8 0 v 电压，供给空调机组工作。此部 分不做重点介绍； 监控系统及故障保护部分 考虑电源、变频器及空调机组可能出现的故障，实时对电路各参数进行 检测，当出现故障时各保护模块及时动作，以保证电源和空调机组的可靠运 行，此部分将做重点展开。 6 第三章有源a p f c 设计 第三章有源a p f 0 设计 有源p f c 也叫a p f c ( 主动功率因数校正) ，本文设计的就是有源功率因数校 正器( 简称p f c ) 。从电源系统的结构可以清楚地看出p f c 为下一级电路提供母线 基压，p f c 的好坏对电路的性能和质量有很大的影响。具体的讲，p f c 实现以下 几个作用： 适应宽范围的输入； 改善电源系统的功率因数； 减少对电网的谐波污染和其他仪器的电磁干扰； 为后面的电能变换提供直流基压。 3 1 整流电路输入侧的功率因数问题 为了给后续电能变换电路提供一个稳定的直流电压，需要将电网输入的交流 电进行整流。目前比较经济可靠的方案，一般都是采用二极管整流桥后接一个大 电容滤波、稳压，如图3 1 所示。 aa r i v 一 。越，、 |： f j i 一 图3 l 二极管整流电路及输入电压、电流波形 f i g 3 is i n g l e - p h a s eb r i d g et y p er e c t i f i e rc i r c u i t & i n p u tv o l t a g ea n dc u r r e n to s c i l l o g r a m 这种电路结构简单，容易得到平滑的直流电压，但是二极管是非线性元件， 电容是储能元件，这种非线性元件加储能元件的组合会给电网带来非常严重的谐 波污染。尽管电网输入电压呈正弦波，但电流却为脉冲状，如图3 1 所示。这是因 为输入整流脉动电压仅在高于滤波电容电压的瞬间对电容充电，致使输入电流呈 脉冲状。脉冲状的输入电流，含有丰富的谐波成分，功率因数极低( 仅为o 6 左右) 。 谐波电流容易造成电路中的噪声并且对电网产生谐波污染。这些谐波电流是不能 转化为有用功的，只是白白消耗在线路上，造成能源浪费；更为严重的是，这些 7 北京交通大学硕十学位论文 谐波分量以各种途径耦合于电网或者通信线路上，使电网电压波形产生许多毛刺 尖峰，甚至出现缺角和畸变，于扰其它设备的正常运行，同时还会造成电路故障 等，所以必须对此加以治理，保证电网的供电质量，提高电网的可靠性，以达到 有效的利用电能。 3 2 功率因数校正原理 功率因数( p f ) 是指输入有功功率( p ) 与输入视在功率( s ) 的比值吲。用公式表示 为： p f ：! ：o r , i , e o s 矽：互一c o s 痧：y c o s 矽 ( 3 1 ) s u l i 哪i 。 i| 式中u 表示输入电压基波有效值；表示输入电流基波有效值；表示输入 电流有效值；c o s 表示基波电流和基波电压的相移因数；，表示输入电流波形畸 变因数。 由式( 3 1 ) 可知，功率因数由输入电流波形畸变因数y 和基波电流与基波电 压的相移因数决定值c o s 矽决定。y 值低，表示输入电流波形畸变程度大，输入电 流谐波分量大，对电网造成严重污染；e o s 值低，则表示基波电流与基波电压的 相移较大。所谓功率因数校正，就是对电路采取措施，使输入电流波形接近正弦 波并与输入电压同相位。电流正弦化是使y = l ；同相位是使c o s _ 1 。综合这两点 便可实现功率因数为1 的目标。在本课题中，提高功率因数的途径，就是设法降 低谐波电流的含量。 3 3a p f c 控制方式选择 功率因数校正的方法主要分为两大类：无源功率因数校正和有源功率因数校 正。无源功率因数校正就是在整流电路中增加无源元件( 电容、电感) ，以补偿滤波 电容的输入电流，减少谐波电流，提高功率因数。该方法电路简单，成本低廉， 可靠性高，但难以达到高功率因数( 一般只能提高到0 9 左右) 。此外，所需电感电 容容量大、体积大、直流侧动态性能差，对整机性能改善十分有限。有源功率因 数校正( a p f c ) 是在整流电路与负载之间增加一个功率变换器，应用电流反馈技术， 通过适当的控制方法不断调节输入电流，使其跟踪输入正弦波电压波形，将输入 电流校正成与电网电压同相的正弦波，因而功率因数可提高到近似为1 0 。其主要 优点是功率因数极高、t h d 小、体积小、输出电压恒定。由于谐波电流是导致开 关电源功率因数下降的主要原因，所以，要改善此类系统的功率因数，就必须极 第三章有源a p f c 设计 力提高输入电流波形畸变因数y ，因此适合采用有源功率因数校正方法。 根据电感电流是否连续，p f c 又分为连续导通模式( c c m ) 和不连续导通模 式( d c m ) ，c c m 模式根据是否直接选取瞬态电感电流作为反馈和被控制量，有 直接电流控制和间接电流控制之分。d c m 控制模式中，输入输出电流纹波较大， 对滤波电路要求较高，峰值电流远高于平均电流，器件承受较大的应力。c c m 相 对于d c m 其优点有：输入和输出电流纹波小，t h d 和e m i 小，滤波容易，r m s 电流小，器件导通损耗小，适用于大功率场合。而直接电流控制的优点是电流瞬 态特性好，自身具有过流保护能力，但需要检测瞬态电流，控制电路较复杂。本 课题所选用的控制模式是c c m 模式下的直接电流控制。 在a p f c 中，实现直接电流控制的方法基本上有三种，即电流峰值控制 ( p c m c ) ，电流滞环控制( h c c ) 和平均电流控制( a c m c ) 。它们的优缺点比较 如表3 1 所示。 表3 - 1 常用的3 种a p f c 控制方式 t a b 3 1t h r e ec o n t r o lm o d eo fa p f c 控制方式检测电流频率工作模式对噪声适用拓扑备注 电流峰值 开关电流恒定 c c m 敏感 b o o s t 需斜率补偿 电流滞环电感电流变频 c c m 敏感 b o o s t 需逻辑控制 平均电流电感电流恒定任意不敏感任意需电流误差放大 上表给出了三种控制方法的基本特点的比较。从前文论述的情况看，对于功 率因数校正器来说，平均电流控制法是一种比较理想的方法，工频电流的峰值是 高频电流的平均值，因而高频电流的峰值比工频电流的峰值更高，t h d 很小对 噪声不敏感，电感电流峰值之间的误差小，由于电流环有较高的增益一带宽，使 跟踪误差产生的畸变小于1 ，容易实现接近于1 的功率因数，原则上可以检测任 意拓扑，任意支路的电流，并且两种工作模式c c m 和d d m 都可以用，在目前的 p f c 设计中，占据较重要的地位。因此，本课题在实际电路的设计中，选用了此 种控制方法 基于上述的选择，本课题中采用的就是由专用功率因数校正芯片u c 3 8 5 4 a 控 制的升压型( b o o s t ) 有源功率因数校正电路。 3 4a p f c 设计规格 最大输出功率为：5 k w 9 北京交通大学硕士学位论文 输入电压范围： 2 2 0 a c ( 1 0 - - + 1 0 ) 线电压频率范围：4 7 6 5 h z 符合这个定义的电源供应器几乎可适用于世界各地的不同输入电源。升压型 调节器的输出电压必须高于整流后的输入电压峰值，且高出最大输入电压的5 n 1 0 ，只有维持在这个范围内的升压率，才能使控制信号的占空比保持稳定，且提 高了系统的可靠性，综合考虑，所以输出电压设定为直流3 9 0 v 。 m o s f e t 切换频率并没有一定的标准。但切换频率必须足够高到让功率电路 体积降低和输出波形失真度降低，同时须低到足以维持效率。在大部分的应用里， 切换频率设在2 0 k h z 到3 0 0 k h z 的范围是个不错的折中选择。在此频率下，电感 的值不需太大，尖波失真也将会被减到最小，电感的体积会变小，由输出二极管 所造成的能量损失也不会太高。当变换器操作的较高的功率等级时，较低的切换 频率将可降低损耗。增加吸收回路可以减少开关的损耗，提高效率。实际电路频 率选择为7 5 k h z 。 3 5a p f c 主电路设计 对于主动式功率因数校正器的功率级电路而言，升压型调节器( b o o s t 调节 器) 是一种极佳的选择，其主要的原因是此构架的输入电流连续，也因此它产生 较低的传导性干扰与最好的输入电流波形。图3 - 2 所示，a p f c 主电路结构： 3 5 1 工频单相整流桥 图3 - 2 a p f c 主电路结构图 f i g 3 - 2t h em a i nc i r c u i to f a p f cs t r u c t u r ec h a r t 输入工频整流桥所受的最大电压为整流电压最大时的峰值： l o 第三章有源a p f c 设计 = 2 7 0 x 2 = 3 8 2 v ( 3 - 2 ) 留一定余量，取电压耐量为4 0 0 v 。在输入电压最低时，流过该桥的电流有效值最 大，其值为： i ：焉p ：i 5 0 i 0 0 ：5 0 a ( 3 3 ) = 一= 一= i 一 j 1 0 01 0 0 因此，考虑一定的余量，整流桥选取4 0 0 v 6 0 a 的普通工频整流桥。实际设计 中，采用s k b 5 0 0 4 ，耐压4 0 0 v ，电流5 0 a 。 3 5 2 功率开关管与二极管的选择 选择开关管和二极管的原则是必须确保它们长期可靠地工作。开关管所能承 受的电流应该大于或等于电感器中的最大峰值电流，能承受的电压也应该大于或 等于输出电压，二极管的选择也需要考虑这两个方面。由于开关管必须通过满载 电流、再加上其反相恢复电流，所以峰值功耗很高，为了减少开关管的导通损耗， 输出二极管必须选择反相恢复速度非常快的快恢复二极管，这样也降低了其自身 的损耗。选择开关管和二极管必须考虑留有一定裕量。 在本课题中，电感峰值电流的最大值为3 9 a 左右，功率开关管选用瓜公司 m o s f e t 型号为i r f p 5 6 0 ，耐压5 0 0 v ，允许通过最大电流5 0 a ，导通电阻o 2 7 q 。 输出二极管选用d s e l 6 0 0 6 a ，耐压6 0 0 v ，允许通过最大正向电流6 0 a ，反向恢 复时间为3 5 n s 。 3 5 3 储能电感的设计 p f c 电感同时工作在两种工作方式：功率因数校正方式和储能方式。前者通 过较大的高频脉动电流，要求电感器铁芯有较高的饱和磁通密度，后者要储存和 释放所有传递给负载的能量，其损耗较大，温升较高，在设计p f c 电感时，这两 个问题都要考虑。 流过p f c 电感的电流是一种不等幅的高频脉动电流，且脉动幅度较大。电感 量的大小决定了输入端的高频纹波电流总量，它的值与纹波电流的大小有关，因 此可以按纹波电流值来选择电感量。首先得考虑输入电流峰值，输入电流峰值的 最大值出现在最小输入电压时，并由下式给定： ，4 2 p l l i n e ( p k ) = i 一( 3 - 4 ) ，i n ( m i t o 北京交通大学硕士学位论文 本设计中，按电网波动1 0 ，其最小输入电压为1 9 8 v ，计算可得，输入电 流峰值的最大值为3 5 7 a 。 升压p f c 的最大纹波电流发生在占空比为5 0 的时候，这也意味是升压比 m = 2 的时候。电感电流的峰值一般不会发生在这个时候，因为它的峰值是由正弦 控制命令的峰值所决定的。电感的纹波电流峰值对于计算输入滤波器所需的衰减 量而言是很重要的。 一般来讲，电感上的纹波电流峰峰值多被设定为最大线电流峰值的2 0 。 a = 0 2 1 i n 。( 肿) = 7 1 4 a ( 3 5 ) 需要说明一点的是，这个值在某种程度上只是一项参考的数值，因为这通常 不是高频纹波电流的最大值。较大的纹波电流值将会使得p f c 在大部分的线电流 整流周期都操作在不连续模式的情况下，这也意味着输入滤波器必须衰减更多的 高频纹波电流。适用平均电流模式控制法的u c 3 8 5 4 a n 可使p f c 的功率电路操作 在连续模式与不连续模式下，且其特性没有丝毫的改变。 得到输入电流峰值和纹波电流峰值，下面可以得到储能电感的具体理论值。 电感值可以根据低输入电压时半个正弦波顶部的峰点电流选择，或根据此处输入 电压和开关频率的占空比选择。需要给出两个方程式如下，输入电流峰值最大时 占空比为： d = 2 塑 ( 3 6 ) l ：靶( 3 - 7 ) js x a 其中，( 肿) 是输入电压最小时的峰值e g 玉, ，即： ( 砧) = 4 2 x 1 9 8 v = 2 8 0 v( 3 - 8 ) 计算可得d = 0 2 8 ，这里取f s = 7 6 k h z ，根据式( 3 7 ) 计算得l = 1 4 4 a l l 。 由于高频的纹波电流会被加成到线电流峰值中，所以电感电流的峰值会等于 线电流峰值与二分之一高频纹波电流峰峰值的总和。电感必须能够承受此数值的 电流。故电感的峰值电流为4 0 安培，而峰值电流的限制将被设定为比这个值高出 1 0 的4 4 安培。故所选电感为1 5 0 。,uh45a p p c 电感既要通过较大的峰值电流，又要储存较多的能量，所以其铁芯一般 选择有较高的饱和磁通密度及分布气隙的金属磁粉芯材料。由于铁粉芯价格便宜， 所以本课题选用铁粉芯作为p f c 电感的铁芯。铁磁粉芯材料内部自然形成分布气 隙，所以选用它作为磁性材料时，一般不用另开气隙。 1 2 第三章有源a p f c 设计 3 5 4 输出电容的选择 整流电路后面一般都需要并联一个大的输出电容器，它主要起三个作用：( 1 ) 滤掉整流电压中的交流成分；( 2 ) 当市电突然中断时，电容电压不能突变，由整 流电压慢慢下降到蓄电池输出电压，维持一段输出时间；( 3 ) 抑制噪声，大电容 处于整流器和逆变器之间，既能阻止电网噪声通过逆变桥传到负载，又能防止逆 变桥自身产生的噪声传到电网。 选择输出电容器时要考虑的因素主要有：开关频率纹波电流、二次谐波的纹 波电流、输出直流电压、输出纹波电压和维持时间等。流过输出电容器的总电流， 是开关频率纹波电流的有效值和线路电流的二次谐波，通常选择大电解电容器作 为输出电容，其等效串联电阻随频率变化而变化，在低频时一般很高。电容器控 制电流总量还取决于温升。温升的确切值一般不必计算出，只要计算出由于高频 纹波电流和低频纹波电流引起的温升之和就足够了。 在输出电容选择上还要考虑输出的维持时间。维持时间是在输入电源被关闭 后，输出电压仍然保持在规定范围内的时间长度，其典型值为1 2 5 0 m s 。在具有 3 9 0 v 左右直流输出的电源中，其维持时间对电容值的要求一般为每瓦输出为 1 胪。如果不需要维持时间，电容就可以小得多，那么纹波电流和纹波电压就是 主要的考虑因素。 维持时间是如下电参量的函数：储存在输出电容器中的能量总和、负载功率、 输出电压及能使负载工作的最小电压，它可以用维持时间确定电容的公式来表示： c o ：罢笪攀 ( 3 9 ) 一 一血) 式中，g 是输出电容的电容值，昂是负载功率，f 是维持时间，是输出 电压，圪( 血) 是维持负载工作的最小电压在本设计中p o = 5 0 0 0 w ， a t = 1 2 m s ， v o = 3 9 0 v ，( 血) - 3 4 0 v ，以c o = 3 2 9 0p f ，电容适当大一些是有好处的，所以 取岛为3 4 0 0 f 实验中用两个1 7 0 0 胪4 0 0 v 电容并联使用 3 5 5 检流电阻 在本功率因数校正电路中，需要采样主回路电流。电流的检测一般可以用直 接串电阻检测法或者电流互感器检测法。用电流互感器检测精度较高，但成本也 高，电路相对复杂本电路中采用直接在变换器接地线返回端串联电阻检测电流 的方法。 电流检测信号不能太小，如果太小容易被噪声或其他干扰信号淹没，但也不 1 3 北京交通大学硕十学位论文 能太大，因为取样电阻是串联在主回路中，太大会引起较大的功耗。一般的，设 计取样电阻两端峰值电压为1 v 合适。电感峰值电流的最大值： a ， 气。( 砖) 一= l 。( 贴) + 詈 ( 3 1 0 ) 计算可得屯。( 础) 一为3 9 2 a ，所以检测电阻b 的值应为b = 1 9 2 么= 2 5 m f 2 ， 电阻上的最大功率损耗约为1 2 w 。由于电阻值很小，功率很大，实验中采用 锰铜丝进行电流检测。实际峰值检测电压约为1 v 。 3 6a p f c 控制电路设计 3 6 1u c 3 8 5 4 a 控制芯片应用介绍 升压型功率因数校正器的控制电路几乎和电路的功率等级无关，一个5 0 0 0 w 的功率因数校正器和5 0 0 w 的功率因数校正器几乎一样，所以这个电路的设计过 程代表了一般升压功率因数校正器的设计流程，所设计的电路如附录所示【1 3 1 。 为便于研制和生产有源功率因数校正器，现在的p f c 控制电路已集成化，有 多种p f c 集成控制电路芯片可供设计、研究人员选用，为功率因数校正提供了极 大的方便。这些芯片针对不同控制方法而有所不同，各有特色，但大同小异。 v 柚u t u l t o i 丌。c a o u tp k l i r e f 图3 - 3u c 3 8 5 4 a 内部结构图 f i g 3 - 3i n n e rc o n f i g u r a t i o no fu c 3 8 5 4 a n 本课题选用u n i t r o d e 公司生产的平均电流型控制芯片u c 3 8 5 4 a 是一款高性能 功率因数校正集成控制电路，它是工业级标准产品u c 3 8 5 4 的改进型，是目前使用 最广泛的功率因数校正电路。它具有平均电流型控制芯片的所有优点。采用恒频 1 4 鲥 硼 胁 蛔 盯 矾 慨 雠眦 鹪一羔鹪 v 第三章有源a p f c 设计 控制，由于处于电流连续工作状态，具有开关电流定额小，电流有效值小，输入 电流失真小的优点，并且能抑制开关噪声，容易滤波。u c 3 8 5 4 a 的内部芯片结构 框图如3 3 所示【1 3 】。 u c 3 8 5 4 a 包含了一个电压放大器、一个模拟乘法器驱动器、一个电流放大器、 一个恒频脉宽调制器。另外，它还包含了一个功率m o s f e t 兼容的栅极驱动器、 7 5 v 参考电压、电网预制器、负载变化比较器、低电流检测器和过流比较器。 欠压封锁比较器( u 儿c ) ：电源电压v c c 高于1 6 v 时，基准电压建立，振 荡器开始振荡，输出级输出p w m 脉冲。当电源电压v c c 低于1 0 v 时，基准电压 中断，振荡器停振，输出级被封锁。 使能比较器( e c ) - 使能脚( 1 0 脚) 输入电压高于2 5 v 时，输出级输出驱动 脉冲，使能脚输入电压低于2 2 5 v 时，输出级关断。 以上两比较器的输出都接到与门输入端，只有两个比较器都输出高电平时， 基准电压才能建立，器件才输出脉冲。 电压误差放大器( v e a ) ：功率因数校正电路的输出电压经电阻分压后，加到 该放大器的反相输入端，与7 5 v 基准电压比较，其差值经放大后加到乘法器的一 个输入端( a ) 。乘法器( m u l ) ：乘法器输入信号除了误差电压外，还有与已整流 交流电压成正比的电流i a c ( b 端) 和前馈电压v r m s 。 电流误差放大器( c e a ) ：乘法器输出的基准电流i m o 在r m o 两端产生基准 电压。电阻r s 两端压降与r m o 两端电压相减后的电流取样信号，加到电流误差 放大器的输入端，误差信号经放大后，加到p w m 比较器，与振荡器的锯齿波电压 比较，调整输出脉冲的宽度。 振荡器( o s c ) ：振荡器的振荡频率由1 4 脚和1 2 脚外接电容c 和电阻r 决定， 只有建立基准电压后，振荡器才开始振荡。 p w m 比较器( p w mc o m p ) ：电流误差放大器输出信号与振荡器的锯齿波电 压经该比较器后，产生脉宽调制信号，该信号加到触发器。 触发器( f l i p f l o p ) ：振荡器和p w m 比较器输出信号分别加到触发器的r 、 s 端，控制触发器输出脉冲，该脉冲经与门电路和推拉输出级后，驱动外接的功率 m o s f e t 。 基准电源( r e f ) ：该基准电压受欠压封锁比较器和使能比较器控制，当这两 个比较器都输出高电平时，9 脚可输出7 5 v 基准电压。 峰值电流限制比较器( l m ) ：电流取样信号加到该比较器的输入端，输出电 流达到一定数值后，该比较器通过触发器关断输出脉冲 软起动电路( s s ) ：基准电压建立后，1 4 9 a 电流源对s s 脚外接电容c s s 充 电，刚开始充电时，s s 脚电压为零，接在s s 脚内的隔离二极管导通，电压误差 1 5 北京交通大学硕士学位论文 放大器的基准电压为零。u c 3 8 5 4 无输出脉冲。c s s 充足电后，隔离二极管关断， 软起动电容与电压误差放大器隔离，软起动过程结束，u c 3 8 5 4 正常输出脉冲，发 生欠压封锁或使能关断时，与门输出信号除了关断输出外，还使并联在c s s 两端 的内部晶体管导通，从而使c s s 放电，以保证下次起动时，c s s 从零开始充电。 3 6 2 功率因数校正控制电路结构 控制电路原理图如图3 4 所示： 3 6 3 电流峰值限制 图3 - 4 a p f c 控制电路原理图 f i g 3 - 4d i a g r a mo fc o n t r o lw o r k i n gp r i n c i p l eo f a p f c u c 3 8 5 4 a 的第2 脚( p k l m t ) 是峰值电流限制脚，它接到电流检测电阻的电 压负端。当电流峰值过高、超过峰值电流的最大限制值，且当i c 第2 支接脚的电 压被拉到低于地电位时，u c 3 8 5 4 a n 将会关断脉冲输出使m o s f e t 截止，电路将 被关闭，从而保护整个控制电路。它的门限电平应为零值( 0 o l ，当一个电阻器 接到基准电源上，以补偿负极性电流检测信号，使之升到低电平。其峰值电流限 制功能，在通过它的瞬间电流超过最大值时将开关关闭，并在脚2 低于地电平时 1 6 样 第三章有源a p f c 设计 被激活。这一特殊功能是由r p k l 和r p k 2 组成的分压器和峰值电流限制比较器来完 成的。 峰值电流过载值：设过载量为峰值电感电流的1 0 左右( 取1 2 ) ，因此，峰值 电流过载值为( 设r p k l 将峰值电流的限制值设定为8 3 a ：厶愀= 1 1 2 x 8 3 = 9 2 3 a 检测电压过载值：圪= l 眦凡= 1 1 2 v 分压电阻：r p k l ：vx r p k 2( 3 1 1 ) 这里却后1 ，r p k 2 是分压电阻，v r e f 是u c 3 8 5 4 a n 所提供的7 5 v 基准电压， 而g p k 2 的典型值为1 0 k q 欧姆，解得r p k l 为1 4 9 k q ，取1 s k q 。当操作在低电 网电压时，此电路可加上一个小电容c p k ，取值为l o o p f ，以提供额外的抗噪声 干扰能力，这也将电流限制稍微提高，但它也会稍微增加电流的限制值。 3 6 4 乘法器电路设计 乘法器电路是功率因数校正器的核心电路。乘法器电路的输出即为电流回路 的命令，控制此命令可得到相当高的功率因数。因此，乘法器