（电力系统及其自动化专业论文）铁路客车新型应急电源系统的研究.pdf

a b s t r a c t s m p s ( s w i t c hm o d ep o w e rs u p p l y ) h a s b e e nt h eb e s tc h o i c eo fr e p l a c i n g t r a d i t i o n a ll i n e a rp o w e r s u p p l yb e c a u s eo f i t si n c r e a s i n gp e r f o r m a n c ea n dd e c r e a s i n g p r i c e t h ed i s s e r t a t i o nm a k e s r e s e a r c ho nr e l e v a n tt e c h n o l o g yo fs m p so r lt h eb a s i s o f t h e p r o j e c t “a n o v e l e m e r g e n c y p o w e r s u p p l ys y s t e m f o r r a i l w a y v e h i c l e s o p e r a t i o np r i n c i p l ea n dt o p o l o g y s t r u c t u r eo fp w m r e c t i f y i n gc i r c u i t ，d i r e c t c u r r e n tc o n t r o la n di n d i r e c tc u r r e n tc o n t r o la l ef i r s tp r e s e n t e di nt h i sa r t i c l e u s i n g m e t h o do fp o w e r - m a t c h i n g ，t h eg e n e r a le x p r e s s i o no ft h er i p p l eo fv o l t a g e - o u t p u ti n u n i t p o w e r - f a c t o rs i n g l e p h a s es w i t c h i n gc o n v e n e ri sd e d u c e d ，t h ep a p e ra l s ob r i n g s o u tt h e c o n t r a d i c t o r y r e l a t i o n sb e t w e e nt h e r i p p l e o f v o l t a g e o u t p u t a n d p o w e r - f a c t o r - i n p u t f i n a l l y , t h ed i s s e r t a t i o nd e s c r i b e sb a s i ct o p o l o g ys t r u c t u r eo f d c d cc o n v e r t e r , a n a l y s e st h r e ek i n d so fm a g n e t i cr e s e tt e c h n o l o g yo f t h ef o r w a r dc o n v e r t e r , e n e r g y s t o r a g ea n dc o n v e r s i o no ff 1 v b a c kc o n v e r t e ri nd e t a i l t h ea r t i c l ea l s o i n t r o d u c e s b r i e f l yt h ew a y so fd e s i g n i n g t h es m p si ne m c a f f e c t i n g 也er e l i a b i l i t ya n ds a f e t yo f o p e r a t i o ne m e r g e n c yp o w e rs u p p l ys y s t e mf o rr a i l w a yv e h i c l e sb a s e do ns 【p sa r e d e v e l o p e d ，i t se x p e r i m e n t a lr e s u l t sa n dr e l e v a n ta n a l y s i sa l ea l s op r e s e n t e d k e y w o r d s s m p sp w mr e c t i f i e rd c d cc o n v e r t e re m c e m e r g e n c y p o w e r s u p p l ys y s t e m 声明 本人郑重声明：本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得 的成果，撰写成博士硕士学位论文“趣趁幽壹虐叁删避。 除论文中已经注明引用的内容外，对本文的研究做出重要贡献的个人 和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何未加明确 注明的其他个人或集体已经公开发表或未公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名：弓犰毒求 2 哪年弓月3 日 铁路客车新型应急电源系统的研究第一章 绪论 第一章绪论 近十年来，我国铁路旅客列车的现代化对旅客乘车的舒适度、车辆本身的 节能和维护维修等方面提出了许多更高的要求。对应此要求，有必要对安装在客 车车辆上的电源设备进行改进，使其向小型化、轻量化、低噪声、高效率、低电 磁干扰、免维护或少维护等方向发展。本文所研究的a c d c d c 铁路客车应急电 源系统则是采用a c 3 8 0 v 供电制式的客车车辆必不可少的电源设备之一，其功能 是：在列车正常供电时，进行a c d c 变流，供给车载直流负载并为蓄电池组充电； 当列车供电故障时，系统自动转换到由蓄电池组为车载直流负载提供电源。现代 电力电子技术的发展，使铁路客车应急电源系统从成本和技术可靠性上由开关电 源取代传统的线性电源成为可能。 1 1i g b t 性能简介 电力半导体器件是构成电子电路的三大核心元件( 开关器件、电感和电容 元件) 中最为关键的器件。这些开关器件的性能优劣可在很大程度上决定电力电 子设备的技术经济指标。因此有必要对开关器件的发展做一简单的介绍。 从2 0 世纪6 0 年代开始，半导体功率器件从s c r ( 普通晶闸管) 、g t 0 ( 门极 可关断晶闸管) 、b j t ( 双极型晶体管) 、m o s f e t ( 金属氧化硅场效应管) 、s i t ( 静 电感应晶体管) 、s i t h ( 静电感应晶闸管) 、m g t ( m o s 控制晶体管) 、m c t ( m o s 控 制晶闸管) 一直发展到今天的i g b t ( 绝缘栅双极型晶体管) 、h v i g b t ( 耐高压i g b t ) 和i e g t ( 电子注入增强栅晶体管) 等，器件的每一次更新都为电力变换技术的 发展注入了新的活力。 在本文的应急电源系统中采用的功率开关器件是i g b t ，下面就对i g b t 的结 构电路模型及性能特点做简要介绍“儿”。 绝缘栅双极型晶体管i g b t 是以m o s f e t 管为驱动元件、g t r 为主导元件 的达林顿电路结构器件，相当于一个m o s f e t 管驱动的厚基区g t r ，或者说是 增加一个矿层的m o s f e t 管，i g b t 电路模型如图1 1 所示。常用的i g b t 为n 沟道型的i g b t ，简称为n i g b t 。一般的i g b t 模块中，封装了反并联的快速二 1 铁路客车新型应急电源系统的瑚究第一章绪论 极管，以适应逆变电路的需要，因而i g b t 没有反向阻断能力。 g 到 n p 矗h 图1 - 1i g b t 电路模型和电路符号 辱 i g b t 器件由于引入了尸+ 层而形成了一个- p * n 结，因而在器件导通时，正偏 置的结向基区注入空穴，产生基区的电导调制效应，因而i g b t 器件的通态压降 低，其数量级相当于双极型晶体管。但由于引入少子行为，开关过程中存在少子 的存储现象，因而其开关速度比m o s f e t 管慢，工作频率一般达5 0 k h z 。其输 入特性具有m o s 栅控特点。因而可以说，i g b t 兼顾了双极性器件和m o s 器件 的优点，是一种新型的复合型器件栅控自关断器件。 从i g b t 的结构电路还可以看出，其内部寄生着一个p w 刚+ 晶闸管，因此 使用中需防止由于晶闸管通道作用产生的晶闸管的锁定效应，致使i g b t 失去栅 极控制器件的关断能力。过高的d u d t 和过大的电流都有可能使i g b t 工作于晶 闸管状态而被锁定。 i g b t 在参数和特性方面具有以下特点：i g b t 开关速度高，开关损耗 小；i g b t 通态压降比m o s f e t 低，特别是在大电流区段；i g b t 的通 态压降在l 2 或l 3 的额定电流以下具有负的温度系数，以上区段具有正的温度 系数，因而i g b t 在并联使用时具有电流自动调节能力；i g b t 的安全工作 区较g t r 宽，而且具有耐脉冲电流冲击的性能：i g b t 的输入特性与 m o s f e t 相似，输入阻抗高，在驱动电路中作为负载时呈容抗性质；i g b t 可向高耐压、大电流、高频化发展。 i g b t 的开通和关断受栅极电压控制，n i g b t 栅极加上正偏景电压时，i g b t 内部的m o s f e t 的漏极和源极之问感应出一条n 型导电沟道使m o s f e t 导通， 从而使i g b t 导通。反之，n i g b t 栅极加反偏置电压，其内部不能感应出n 型 导电沟道，i g b t 关断。因而i g b t 的控制原理与m o s f e t 基本相同。 i g b t 的伏安特性即输出特性基本与g t r 的伏安特性相同，不同之处是控制 2 铁路窖1 ：新型应急电源系统的研究第一章绪论 参数是栅源极电压 s ，而不是基极电流。截止区即正向阻断区，由栅极的开启 电压( 阈值电压) 控制；放大区输出电流受栅源电压控制，两者呈线性关系；饱 和区因导通压降太小，是栅源电压对电流失去线性控制作用。由于结构上的原因， i g b t 的反向阻断电压很小，一般为几十伏。一定的栅源电压下，随着输出电流 的增大，通态压降加大：一定输出电流下，加大栅源电压，可减少i g b t 的通态 损耗。栅源电压受最大漏极电流限制，其最佳值一般为1 5 v 左右。 i g b t 在开通过程中，大部分时间作为m o s f e t 运行，只有在栅源电压下降 过程后期，p n p 晶体管才有放大区转入饱和区。图1 2 表示了i g b t 器件的开通 和关断过程。i g b t 开通过程中，输出电流七增加极快，且出现过电流尖峰b 。 其原因是刚导通的i g b t 负载电流上，叠加了桥臂中互补管上的反并联二极管的 反向恢复电流，所以在此二极管恢复阻断前，刚导通的i g b t 上形成逆变桥臂的 瞬时贯穿导通，使输出电流出现尖峰。当足回落到稳定值时，过大的电流下降 率同样会引起器件的过电压。开通时间一般为o 2 o 5 “s 。 i g b t 在关断过程中，首先以m o s f e t 形式关断，关断后期以g t r 形式关 断。因为m o s f e t 关断后，p n p 晶体管中储存的电荷难以迅速消除，造成漏极 电流有较长的尾部时间。关断过程中，因i g b t 开关频率很高，i g b t 线路电感 引起的电流下降率l d i d t ，从而产生过电压。关断时间一般为l 螂左右。 图1 ，2i g b t 器件的开通和关断过程特性曲线 i g b t 的开关特性与双极性晶体管基本类似，但开通时的电流冲击尖峰可能 很高，在应用中应该十分小心。i g b t 的关断延迟时间比m o s f e t 要大些，并具 有明显的尾部效应，增加了每个开关周期的损耗。这一点将影响整个电路的总体 效率，在设计中必须要加以注意。 3 铁路客车新型应急屯源系统的研究第一章绪论 1 2 开关电源的优越性 传统的铁路客车应急电源系统是由普通变压器和二极管整流等部分组成， 属于线性电源范畴，其体积大、重量重、效率低，已经不能适应当今列车高速和 轻量化的要求。随着电力电子技术新材料、新器件的发展，以及不断推出的各种 更加优越的控制技术的发展，开关电源( 是利用现代电力电子技术，控制功率开 关管的开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源。其功率器件工作 在开关状态，损耗小，效率高；开关频率高，电源体积和重量小) 自9 0 年代以 来得到了迅速发展，成为取代线性电源的最佳选择。开关电源一般由脉冲宽度调 制( p w m ) i c 和功率开关管构成，其部分或全部具有以下特征。儿“：电源电压 和负载在规定的范围内变化时，输出电压保持在允许的范围内或按要求变化： 输入与输出间有良好的电气隔离；可以输出单路或多路电压，各路之间有良 好的电气隔离。 开关电源和线性电源相比，二者的成本都随着输出功率的增加而增长。线 性电源成本在某一输出功率点上，要高于开关电源。随着电力电子技术的发展和 创新，这一成本点日益向低输出功率端移动，这为开关电源的发展提供了广阔的 空间。 开关电源中的p f c ( 功率因数校正) 技术是电源制造商和设计工程师们面临 的重要课题之一。由于技术和成本的限制，传统上认为3 0 0 w 到4 0 0 w 以上的开 关电源才有必要考虑p f c 功能。然而，由于关于输入电流谐波辐射的欧洲标准 e n 6 1 0 0 0 3 2 现在适用于所有家用电器的电源，甚至小到5 0 w 的电源( 例如显 示器电源和电子镇流器等) 也要求具有p f c 功能。具有p f c 功能的开关电源的 成本下降是p f c 技术应用于较小功率电源的基本保证。技术的新进展及现有技 术的创新应用，使功率因数校正技术正在向一度认为得不偿失的低端电源走近 。1 。现在已有可以用于实现功率因数校正电路的功率集成开关器件，例如p o w e r i n t e g r a t i o n si n c 公司的系列功率集成开关t o p s w i t c h 等。 1 3 开关电源的发展方向 现代电源技术是应用电力电子半导体器件，综合自动控制、计算机( 微处理器) 技术和电磁技术的多学科边缘交叉技术。在各种高质量、高效、高可靠性的电源 铁路客车新型应急电源系统的研究第一章绪论 中起关键作用，是现代电力电子技术的具体应用。 随着现代电力电子技术的不断创新与发展，开关电源总的发展趋向是：应用 技术的智能化；硬件结构的模块化：软件控制的数字化；产品性能的绿色化m 。 现在开关电源已经在超导电感储能、高速机车、能量贮存设备及家用电器等方面 得到了成功地应用，并在国民经济以及国防、高科技发展中起到越来越重要的作 用。 ( 1 ) 高频化 理论分析和实践经验表明，电气产品的体积重量随其供电频率的平方根成反 比地减小，所以当我们把频率从工频5 0 h z 提高到2 0 0 k h z ，那么用电设备的体积 重量大体下降至工频设计的l _ 5 一3 。这正是开关电源新技术得以实现功率变 频而带来明显效益的根本原因。 ( 2 ) 模块化 模块化是开关电源发展的总体趋势。采用模块化电源组成分布式电源系统， 可以设计成n + l 冗余电源系统，并实现并联方式的容量扩展。 由于频率的不断提高，致使引线寄生电感、寄生电容的影响愈加严重，对器 件造成更大的电应力。为了提高系统的可靠性，有些制造商开发了“用户专用” 功率模块( a s p m ) ，它把一台整机的几乎所有硬件都以芯片的形式安装到一个模 块中，使元器件间不再有传统的引线相连，这样的模块经过严格、合理的热、电、 机械方面的设计，达到优化完善的境地。模块化不仅使用方便，可以缩小整机体 积，更重要的是取消传统连线，减少寄生参数，从而把器件承受的电应力降至最 低，提高了系统的可靠性。 ( 3 ) 数字化 在传统开关电源技术中，控制部分是按模拟式信号来设计和工作的。但是 现在数字式信号、数字电路的地位得越来越重要，数字信号处理技术日臻完善成 熟，显示出越来越多的优点：便于计算机处理和控制，避免模拟信号的传递畸变 失真，减少杂散信号的干扰( 高抗干扰能力) ，便于软件包调试和遥感、遥测、 遥调，也便于自诊断、容错等技术的植入。所以，在八、九十年代，对于各类电 路和系统的设计来说，模拟技术还是有用的，特别是诸如印刷板的布图，电磁兼 容( e m c ) 问题以及功率因数校正等问题的解决，离不开模拟技术。但是随着计 - 5 一 铁路客车新型应急电源系统的研究第一章绪论 算机控制技术的引入，数字化技术就成了开关电源中不可或缺的技术。 ( 4 ) 绿色化 绿色化有两层含义：一是显著节电，间接上减少对环境的污染；二是应满足 不对( 或少对)电网产生污染。减少向电网注入严重的高次谐波电流，防止总 功率因数下降及电网电压耦合过多尖峰。为此制订有一系列的国际标准，如国际 电工委员会( i e c ) 标准i e c 5 5 5 、i e c 9 1 7 、i e c l 0 0 0 以及欧洲标准e n 6 1 0 0 0 等。 各种有源滤波器和有源补偿器等方案的诞生，有了多种校正功率因数的方法。这 为2 1 世纪各种绿色开关电源产品的设计、制造和应用奠定了坚实的基础。 应用需求推动了开关电源技术的发展进步；开关电源新技术的出现又会促使 许多应用产品更新换代，开拓更多新的应用领域。开关电源的高频化、模块化、 数字化、绿色化等“四化”的实现，将使新一代开关电源产品的技术含量大大提 高，使产品更加可靠、成熟、经济、实用。可以预见，2 l 世纪将是开关电源发 展的新世纪。 - 6 - 铁路笤午新型心急f 乜源系统的研究第二章商功牢因数整流技术 第二章高功率因数整流技术 传统的二极管整流装置不可避免的要产生谐波对电网造成污染。为了解决电 力电子装置和其它谐波源的污染问题，基本思路有两条：一条是装设谐波补偿装 置来补偿谐波，另一条是对电力电子装置本身进行改造，使其谐波尽量的小或不 产生谐波，且功率因数可控制为l 。 装设谐波补偿装置的传统方法就是采用l c 调谐滤波器。这种方法既可补偿 谐波，又可补偿无功功率，而且结构简单，工程造价低廉。但该方法的补偿特性 受电网阻抗和运行状态影响，易和系统发生并联谐振，导致谐波放大，使l c 滤 波器过载甚至烧毁：另，它只能补偿固定频率的谐波，补偿效果也不尽理想。8 0 年代以来，随着大中功率全控型半导体器件的成熟、脉冲宽度调制( p w m ) 控 制技术的进步以及基于瞬时无功功率理论的谐波电流瞬时检测方法的提出 1 “，有 源电力滤波器得到了迅速地发展。 对于作为主要谐波源的电力电子装置来说，另一条捷径就是：开发新型的变 流器，使其不产生谐波，且功率因数为1 ，即所谓的单位功率因数变流器( u n i t y p o w e rf a c t o rc o n v e r t e r ) 。高功率因数变流器可看成为单位功率因数交流器。几千 瓦到几百千瓦的高功率因数整流器主要采用p w m 整流技术。而小容量整流器为 了实现低谐波和高功率因数，通常采用二极管加p w m 斩波的方式，这种电路通 常称为功率因数校正( p o w e rf a c t o rc o r r e c t o r - - - p f c ) 电路，在开关电源中已经 获得了广泛地应用。 迄今为止所用的整流电路几乎都是晶闸管相控整流电路或二极管整流电路。 晶闹管相控整流电路的输入电流滞后于电压，其滞后角随着触发延迟角g t 的增大 而增大，位移因数也随之降低，同时输入电流中谐波分量也较大，因此总功率因 数很低。二极管整流电路虽然位移因数接近于l ，但输入电流中谐波含量很大， 导致总功率因数很低。 p w m 控制技术首先是在直流斩波电路和逆变电路中发展起来的技术。把逆 变电路中的p w m 技术应用于整流电路中，就形成了p w m 整流电路。通过对 p w m 整流电路的适当控制，可以使其输入电流非常接近正弦波，且电流和电压 铁路客车新型应急电源系统的研究第二章 高功率因数整流技术 同相位，功率因数近似为1 。这种整流电路可称为单位功率因数变流器。 传统相控式整流电路虽然能实现能量的双向流动，但会引起网侧电流波形畸 变，在深控时功率因数较低。a p f c 整流电路则相反，它能实现高功率因数，但 不能实现能量双向流动。p w m 斩控式整流电路则具有以上两者的优点：既能实 现高功率因数，又能实现能量在电网和负载之间的双向流动，当负载性质为位能 式或须快速反馈能量型时，具有良好的控制效果。 将电源、变换器和负载作为一个整体来考虑变换器的整流电路设计时，理想 的整流电路应具有以下特点： 网侧电压电流均为无畸变正弦波，输入电压与输入电流同相位： 网侧功率因数 = 1 ，电网对整流电路只提供有功功率； 负载端电压u o ( 0 = c o n s t ( 电压型) ，或输出电流f 0 ( ，) 一c o n s t ( 电流型) ； 能适应电网电压变化及负载状态变化，实现快速调节； 能实现能量在电网和负载之间的双向流动。 2 1 p w m 整流电路的拓扑和工作原理 和逆变电路相同，p w m 整流电路也可分为电压型和电流型两大类，两者的 许多特点也分别和对应的逆变电路相似。目前研究和应用较多的主要是电压型 p w m 整流电路。 2 1 i 单相全桥p w m 整流电路 图2 - 1单相全桥p w m 整流电路 图2 1 为典型的单相全桥p w m 整流电路。其交流侧电感三s 包括外接电抗器 的电感和交流电源内部电感，是电路正常工作所必需的，电阻凰包括外接电抗 铁路客车新型应急电塬系统的研究第二章 高功率因数整流技术 器中的电阻和交流电源内阻。 工作原理：由s p w m 逆变电路的工作原理可知，按照正弦信号波和三角波 载波相比较的方法对图中的v l v 4 进行p w m 控制，就可以在全桥的交流输入 端a b 产生一个正弦调制p w m 波d a b ，d a b 中除含有和正弦信号波同频率且幅值 成比例的基波分量外，不含低次谐波成分，只含有和三角波载波有关的频率很高 的谐波。由于电感上s 的滤波作用，这些高次谐波电压只会使交流电流i s 产生很 小的脉动。如果忽略这些脉动，当正弦信号波的频率与电源频率相同时，i s 为频 率与电源频率相同的正弦波。在交流电源电压e s 一定的情况下，i s 的幅值和相位 仅由u a b 中的基波分量u a b f 的幅值及其与e s 的相位差来决定。改变d a b f 的幅值 和相位，就可以使i s 和8 s 之间产生所需的相位差，电路工作在不同的状态下。 a ) 当i s 和e s 同相位时，电路工作在整流状态 b ) 当i s 和e s 反相位时，电路工作在逆变状态 c ) 当i s 比p s 超前9 0 。时，电路向交流电源送出无功功率，这时电路工作在 静止无功补偿状态( s v g ) ，一般不再称之为p w m 整流电路。 d ) i s 比e s 超前或滞后任意其它角度妒 在整流运行状态下，当e s o 时，由v 2 、v d 4 、v d l 、l s 和v 3 、v d l 、v d 4 、 s 分别组成了两个升压斩波电路。以包含v 2 这一组为例：当v 2 导通时，e s 通 过v 2 、v d 4 向三s 中储能：当v 2 关断时，如中储存的能量通过v d l 、v d 4 向 直流侧电容c 充电。当o s 0 时类似。因为电路按升压斩 波电路工作，所以如果控制不当，直流侧电容电压可能比交流电压峰值高出许多 倍，对电力半导体器件形成威胁。另一方面，如果直流侧电压过低，例如低于 p s 的峰值，则g a b 中得不到所需要的足够的基波幅值，或, l a b 中含有低次谐波， 这样就不能按照需要控制电流，i s 波形会发生畸变。 2 1 2 三相桥式p w m 整流电路 图2 - 2 电路是最基本的p w m 整流电路之一，其应用也最为广泛。电路的工 作原理和前面所述的单相全桥电路相似。对电路进行正弦波p w m 调制，在桥的 交流输入端a 、b 、c 可得到正弦p w m 电压a b 、u b c 、u c a 。对, a b f 、“b c f 、u c a f 铁路客车新型应急电源系统的研究第= 章高功率因数整流技术 的幅值和相位进行控制就可以使电路工作在整流或逆变等四种工作状态。 图2 2三相桥式p w i v l 整流电路 2 1 3 双p w i v i 变频电路 p w m 整流器配合p w m 逆变器可构成理想的四象限交流调速用变流器，也 称为双p w m 变频器。下面介绍一种三相软开关高功率因数p w m 变频器1 7 】【8 】。 图2 - 3 三相软开关变流器逆变器主电路 图2 3 中左半部分为a c d c 变流器，右半部分为d c - a c 逆变器，其间是 z v s 电路。变流器与逆变器的各开关元件上都并联有缓冲电容c s 。为方便起见， 用图2 4 的等效电路来分析电路的谐振动作。 ) 2 奢黼俐z 管 图2 - 4 三相软开关变流器逆变器等效电路 l 鲮赡霉苹麓型瘟惫电嚣系统静磷竞餐二章离功率嚣鼗整流拄末 豳于变流器逆变器的载波频率远高于电网频率和逆变器的输出频率，因此 可以认为在一个载波周期内变流器的输入电流和逆变器的输出电流是恒定的，从 而可以分别用恒电流源尽_ 幂珏屯来表示；又电容c d l 、c d 2 容量较大，在一个载波 簿麓淘该嚣电容上电压熬本遥定，嚣瑟迄可分爨霹函垃来表示c d l 、上熬奄 压。图2 - 4 中的v s 、v d s 、c r 分别表示交流嚣和逆变器的功率开关、续流二极管 和缓冲电容。由于三相桥的上下臂功率开关总翁一方接通，故图2 4 中取c r = 3 c s 。 在g 的电压u c r 为零期间，三相桥的功率开荧进行动作切换。 凌予系统工作对，交流器帮逆变器斡开关切换动俸是同步邋行豹，因照霪 2 - 4 可敬避一步薅圈2 。5 镣效电路来表示。 2 桫2 a l 圈2 - 5 三相变流器的等效电路 软开关动作分析【9 】b o 黼2 。5 等效电路的软开关动作共有9 释渤豫模式，鞋下分别叙述。 摸式a ( 0 7 c l = 。n ) t 1稳态蠢v e l 謦遁，蹇漉电源鬟袋受羧电流毳，盈 i l r = 0 ，u c r = e d 。 模式b ( v c 2 = o n v c l - - o f f ) ：t i t 2 在t j 时刻令v c 2 导通，则厶上施加有 懿2 电聪，厶的电流在增加，显然v c 2 的导通是以z v s 、z c s 方式进弦的。当“娟 ( 矗为设定蓬，磊 是) 静，美叛v e l 。 模式c ( v c l = o f f v d s = o n ) ：t 2 t 3 程t 2 时刻关断v c l ，密予f 的电匿等予 e d 2 ，所以v c l 的关断愚以z v s 方式进行的，则厶、c f 间产生谐振，电容c r 上 电荷缀厶和负载凡放电，电压c ，c r 逐渐下降。肖u c r = 0 时，二檄繁v d 。导通。 模式d ( v d s = o n 叫d c 2 ；o n ) ：t 3 t 4 由予v d 。导逶，三f 瓣畿爨转移到电源 磊忿上，如逐濒减小，豢戮i t , = 0 。 模式e ( v d c 2 = o n v d s = o f f , v s = o n ) ；t 4 t 5 电源e d 2 经：极管v d c 2 向 厶积鬻电能。由于厶上施加有e d l 2 电压，方向与模式b 时恰相反，故f l r 方向发 生颠倒，且逐步增大。此间让v c 2 关断，显然该动作是在z v s 状态下进行的。 铁路客车新型应急电源系统的研究第= 章 高功率因数整流技术 在t 5 时刻，i c ，= 凡，二极管v d s 关断。 模式f ( v d s = o f f ，v s = o n - v s = o f f ) ：t 5 t 6为了使后面的谐振能完整进行， 必须给开关v 。以瞬间的短路，使厶继续施加e j 2 电压，i l f 继续增大。 模式g ( v s = o f f v d c l = o n ) ：t 6 t 7在t 6 时刻，i l r 等于设定值1 2 ，关断 v s ，显然v s 的导通与关断都是在母线间电压为零时进行的，故其开关动作属于 z v s ，而c r 和厶间又发生谐振。由于i l r i l ，i l r 开始向c r 充电，直至r - 目。 模式h ( v d c l = o n v d c l = o f f ，v c i = o n ) ：t 7 t 8电容c r 停止充电，二 极管v d c l 导通，厶中多余的能量返回电源。此时令v c l 导通，显然v c l 的动作 是以z v s 方式进行的。厶的电流在向电源回馈过程中逐渐减小。 模式i ( v d c l = o f f ，v c j = o n v d c 2 = o f f ) ：t s t o当i l r 的影响会产生蒺模辐射与共模辐射簿辐射干扰。 4 2 3 开关电源电磁币扰的特点 开基电源的电磁干扰较之普通信号处瑕电路无本质上的隧别，但就干扰产 生机联和分布的特征看，高频开关电源产生的电磁干扰有其自努的特点。 开关电源工 笮予器关默态，与作为臻母整理懿数字窀鼹耀懿，其电压、 电流烹他率较高，产生豹予抗强度较大。 开关电源的开关频率一般为几十千赫到数兆赫，其产生千扰的主要形式以 传导干扰和近场干扰为擞。 开关电源中的于拣源主要集中在功攀嚣关器终以及与乏相连的敖热器和 蠢簇交压器主，穗对手数字窀踌其于魏滚彼溅鞍为清楚， 在印刷线路板( p c b ) 的设计方面，岛信号处理电路较规则的布线设计不 同，开关电源的线路板布线具有更大的随意性，增加了p c b 分布参数提取的难度。 开关电源的干扰源阻抗和飚侧阻抗姆信号处理电路中的线路阻抗匹配的 生形不弱。嚣美电源予魏漯夔获与圈德疆揍琴嚣醚，瑟显陡工穆馕嚣藩变亿，这 给开必电源e m i 滤波嚣酌设计带来了一定爨滚。 开关电源高功率密度、大电压电流变化率的特点导致其e m i 问题特别严重： 另一方面开关器件、线路相对集中的特点也溉成了其干扰源比较明是的特点。 铁路客车新型应急电源系统的研究第四章开关电源的电磁兼容设计 4 3 开关电源的电磁兼容设计”“”1 从电磁兼容( e m c ) 的三要素( 电磁干扰源、耦合通道和敏感设备) 来看， 可针对其中最敏感的环节，采取措施消除其中的一个，即可实现设备的电磁兼容 性。电磁兼容性设计技术包括系统设计、结构设计、材料和元器件的选取以及抗 e m t 元器件的使用等。 开关电源的e m c 设计，笔者认为主要应从以下几个方面入手：合适的接地： 屏蔽措施：滤波；材料和器件的合理选取；电源机箱的合理设计；机 箱内部的合理布线等，以上每个方面都是相互交错、相互关联的。良好的接地， 可以降低对屏蔽和滤波的要求：而良好的屏蔽，则可以使滤波要求降低；机箱的 不合理设计和内部不合理的布线将导致其他方面的措施降低甚至失去应有的作 用和意义。以下将对其中的某几个方面做较详细的介绍。 4 3 1 材料和器件的选取 具有良好屏蔽和接地措施的电子、电气产品，仍然会有电磁干扰，此时应当 合理选用抗e m i 元器件。 ( 1 ) 电源线滤波器 电源线是电磁干扰传入设备和传出设备的主要途径。为防止这种传导干扰情 况的发生，必须在设备的电源接口安装电源线滤波器。它只允许电源频率通过， 高于电源频率的电磁干扰将受到很大的衰减。电源线滤波器的作用是解决传导发 射，但是由于电源线上的传导发射会导致导线的辐射发射，因此，电源线滤波器 对减小设备的辐射发射也十分重要。随着开关电源的普遍应用，电源线滤波器已 经成为开关电源设备中必不可少的器件之一。 l l l 2 = 图4 - 1电源进线噪声滤波器接法示意图 图4 - 1 给出了一种电源进线噪声滤波器“1 ，既可以加在主电路的电源近线端 铁鼯害浆赣鳘应急宅源系统翡辑究 第嚣章嚣荚魄潦懿电磁兼客设计 也可以加在控制电路的电源进线端。其中电感采用共模扼流线圈，它对频率从 1 0 k l i z 刹3 0 m h z 的噪声都肖抑制作用。但簧波意合理地使用和选择接地点，否则 抑制干扰的效果会很差。 露潦线上戆于撬良蓑筷子我窝共模予携汹3 嚣耱形式窭瑰，凌火线、零线嚣鼹 中的干挠为差模干扰，在火线、零线与地线潮路中的干扰为共模干扰。图4 2 给出了一种在开关电源中使用的典型电源线滤波器的原理图。 辫4 2 一耱霜子嚣美滚滚豹典鍪滤波器 蒸中，g 为差模滤波电容，跨接在相线朝中性线之间，对麓模电流起旁路作 用。跨接电容c x 越大，插入损耗也越大。c ；的静电电容取决予希望滤除的噪声 的频率下限，即使在滤除常态噪声的时候，通路中的旁路电容也麟滤除高频噪声。 困魏簧选霹高频特性好、残余电感小垂冬电容，势廑傻翔孛电容懿葶| 线应器量静短。 电容岛敬值通零为0 + l l 徽法。 0 为共模滤波电容，跨按在相线或零线岛机壳地之间，对熬横电流起旁路作 用。c v 电容值不能过大，谮则会超过安全标凇中对漏电电流( 3 5 m a ) 的限制要求， 一般农1 0 0 0 0 p fl 冀下。岛也应选用赢频特性辩、残余电感小的电容，电容敢弓l 线 建暴爨虢短，螽辱| 线遵长囊予逢缓毫惑豹影璃& 将降 蓑甚至失去佟瘸。 必模扼流圈：作用主鼹是滤除低频共模干扰，高频时，由予寄触电容的存在， 对干扰的抑制作用已经较小，主要依靠共模滤波电容。利用共模掇流圈的漏电感 产生邂量的差模电感，对麓模电流起到抑制作用。共模扼流圈的电感量范围为 i m h 一数卡m h ，取决予簧滤除静予扰频率，频率越低，嚣要豹魄惑蠡越大。 麓模扼流整：翔莱滤波器用于解决开关彀源电路产生静低皴麓强度差模于扰 问题，则通常需要比已电容所能提供的蓑模衰减更大的衰减，遂时便需要采用 差模扼流圈。由于磁芯会发生饱和现象，所以很难以较小的体积菰得较大的电感 铁路客车新型应急电源系统的研究 第四章开关电源的电磁兼容设计 量。这些滤波器一般体积比较大而且也比较昂贵。 当然，使用超隔离变压器、有源滤波器和数字滤波器等也可以收到良好的抑 制干扰的效果。采用何种方式要根据设计的实际情况而定。 ( 2 ) 磁性元件“ 开关电源中磁性元件的选取比较复杂，与产品的体积、成本和效率等多种 因素相关。一般都要求磁性元件的材料具有高磁导率、很小的矫顽力、狭窄的磁 滞回线、高电阻率以及较高的饱和磁感应强度。开关电源中常用的磁性材料有铁 氧体、磁粉芯、恒导合金、非晶态合金、微晶合金以及硅钢片等。 非晶态合金价格比较昂贵，制造工艺比较复杂，材料一致性比较差。目前， 很难应用于一般的民用产品中。 宽恒导磁合金在很宽的磁场强度范围内有恒定的磁导率，而且损耗小，适 合作为高频电感磁芯和反激变换器的磁芯的理想材料，但制作工艺比较复杂。 磁粉芯通常是将磁性材料极细的粉末和粘结剂的复合物混合在一起，通过 模压、固化，一般形成环状的粉末金属磁芯。由于磁粉芯中存在大量非磁物质， 相当于在磁芯中存在许多分布气隙，在磁化时，这些分布气隙中要存储相当大的 能量，因此可用这种磁芯作为电感和反激变压器磁芯。磁粉芯的磁导率随着磁芯 的磁场强度变化较大，在设计运用中应当注意。 铁氧体材料高频损耗非常大。磁导率u 可以表示为复数，实数部分构成 电感，虚数部分代表损耗，随着频率的增加而增加。不同的铁氧体抑制元件，有 不同的最佳抑制频率范围。通常磁导率越高，抑制的频率就越低；体积越大，抑 制效果越好；在体积一定时，长而细的形状比短而粗的抑制效果好，内径越小抑 制效果也越好：但在有直流或交流偏流的情况下，就存在铁氧体饱和的问题，此 时抑制元件横截面越大，越不易饱和，可承受的偏流越大。 铁氧体独特的复数磁导率使其具有衰减较高频而让较低频几乎无阻碍地通 过的功能，故在e m i 控制中获得了广泛应用。铁氧体磁环或磁珠专用于抑制信 号线、电源线上的高频干扰和尖峰干扰，同时还具有吸收静电放电脉冲干扰的能 力。e m i 吸收磁环磁珠可做成各种各样的形状，广泛应用于各种场合。在p c b 板上，可加在d c d c 模块、数据线、电源线等地方，它吸收所在线路上高频干 扰信号，但却不会在系统中产生新的零极点，不会破坏系统的稳定性。与电源滤 铁路客车新型应急电源系统的研究 第四章开关电源的电磁兼容设计 波器配合使用，可很好的补充滤波器高频端性能的不足，改善系统中滤波特性。 4 3 2 机箱内部的合理布线 开关电源箱中既有工频电源线也有控制和信号线路以及印制电路板上错综 复杂的电路。布置的各种线路和器件是否合理将直接影响到电源的性能。对电源 线和控制、信号线等的布置在铁标铁道客车布线配线规则中已有详细的要求， 此处不再赘述。 p c b 的电磁兼容性即指：印制电路板上各部分电路之间不发生干扰，都能正 常工作，对外辐射发射和传导发射尽可能低，外来骚扰对板上电路不产生影响； 如果p c b 设计合理，能减小各部分电路之间的骚扰，提高抗干扰能力。传导干扰 和近场干扰是p c b 板表面干扰耦合的主要形式：布线设计不但影响电源内部线路 间的串扰程度，也关系到电源对外的干扰水平。下面将简要介绍印制电路板( p c b ) 电磁兼容性设计的一般原则“： ( 1 ) p c b 布局 在开关电源设计中，p c b 板布局结果的好坏将直接影响布线的效果，合理的 布局是p c b 设计成功的第一步。 首先，要考虑p c b 尺寸大小。在确定p c b 尺寸后再确定特殊元件的位置， 对低电平模拟电路和数字逻辑电路要尽可能分离。最后，根据电路的功能单元， 对电路的全部元器件进行布局。对电路的元器件进行布局时，要符合以下原则： 按照电路的流程安排各个功能电路单元的位置，使布局便于信号流通， 并使信号尽可能保持一致的方向。 以每个功能电路的核心元件为中心，围绕它来进行布局。元器件应均匀、 整齐、紧凑地排列在p c b 上，尽量减少和缩短各元器件之间的引线和连接。 在高频下工作的电路，要考虑元器件之间的分布参数。一般电路应尽可 能使元器件平行排列。 ( 2 ) p c b 布线 开关电源的p c b 布线主要有单面布线、双面布线。布线的方式可分为自动 布线及交互式布线。布线的原则如下： 输入输出端用的导线应尽量避免相邻平行。最好加线间地线，以免发生 铁路客车新型应急电源系统的研究 第四章开关电源的电磁兼容设计 反馈耦合。 印制导线的最小宽度主要由导线与绝缘基板间的粘附强度和流过它们的 电流值决定。电源线和地线尽可能用宽线。导线的最小间距主要由最坏情况下的 线间绝缘电阻和击穿电压决定。 印制导线拐弯处一般取圆弧形，而直角或夹角在高频电路中会影响电气 性能。此外，尽量避免使用大面积铜箔，必须使用时，最好用栅格状。 印刷线路板的布线要注意以下问题：专用零伏线，电源线的走线宽度 1 m m ：电源线和地线尽可能靠近，整块印刷板上的电源与地要呈“井”字形分 布，以便使分布线电流达到均衡：要为模拟电路专门提供一根零伏线；为减少线 间串扰，必要时可增加印刷线条间距离，注意，安插一些零伏线作为线间隔离； 印刷电路的插头也要多安排一些零伏线作为线间隔离；特别注意电流流通中的导 线环路尺寸：如有可能在控制线( 于印刷板上) 的入口处加接r - c 去耦，以便消 除传输中可能出现的干扰因素；印刷弧上的线宽不要突变，导线不要突然拐角。 4 3 3 合理的接地与屏蔽措施4 ” 接地技术是开关电源抗干扰和电磁兼容技术的重要内容之一。不合理的接 地，反而会引入电磁干扰，比如共地线干扰、地环路干扰等，从而导致开关电源 工作不正常。工作接地是为电路正常工作为提供的一个基准电位。根据电路的性 质，工作接地可以分为：直流地、交流地、数字地、模拟地、信号地、功率地、 电源地等不同的种类。 在开关电源的设计中，通常将交流电源地与直流电源地分开；模拟电路与 数字电路的电源地分开；功率地与弱电地分开，以避免不同性质电路之间由于共 地而引起相互干扰。 屏蔽是减小电磁辐射及感应的有效措施，是采用屏蔽材料将电磁辐射源或 敏感设备封闭起来，以使其外部电磁场强低于允许值。可以分为电屏蔽、磁屏蔽 和电磁屏蔽三种。 良好的电屏蔽应注意： 屏蔽体接地良好； 接地材料选用良好导体； 铣黯客车藕墅应惫电源系统秘磷宠 第器章并燕堍潍觞电磁兼察设 采用盒形，尽量无孔、无缝隙； 屏蔽体的接地点应接近被屏蔽的低电平接地点。 对予低频磁场，主爨蹩用高导磁材料的低磁阻特性起磁分路作用；对于高频 磁场霹秘爰潺滚孱薮。秀关毫源戆发射菝漤较宽，嚣者缘可爱，锈懿铁麦导磁器 蔽，短路铜环等。 除了整个电源的电磁屏蔽外，还必须考虑对线路、电缆或局部隧域进行屏蔽。 对开关电源内部产生电磁干扰的器件，例如燮压器、电感器、功帮器件等，采取 有效黢羼蔽接旌，并合联奄鼹、走线，这黢霹敷减，l 、整个电滚瓣辍瓣，瞧可鞋减 小慧应引起静传导发器。攒魏：电源输入输掇寝采用穿心电容藏群蔽摇头座，输 入、输出线采用绞线，必鼹时再加屏蔽等措施。 - 4 0 - 铁路器苇新型反急电簿系统麓磁究第五章 艨急电源幕线设计 第五章应急电源系统设计 5 + l 系统方案楚透8 瑙2 本应急电源系统是根据2 0 0 2 2 0 0 3 年度南车四方股份公司的“适应高原气 候的应急电源系统研制”项目的要求而设计、研制开发的。项豳嚣求系统小型 化、辍量化、高效率、易维护以及电磁兼容饿簿，另外还必须适废青藏铁路客 车赢海援、低气压、麓寒簿赢原气候的运营条 孛。根据项基要袋，该应急电源 系统靛滋线电压是魏莩辏渤系统掰输出静3 栩5 0 h z 、3 8 0 v a c 交流电源，其系 统框阉如图5 1 所示。 轰c 3 8 0 v