DC1500V供电的地铁辅助电源系统的研究--优秀毕业论文.pdf

华中科技大学 硕士学位论文 dc1500v供电的地铁辅助电源系统的研究 姓名 张宁云 申请学位级别 硕士 专业 控制理论与控制工程 指导教师 程善美 2011 02 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 i 摘摘 要要 在以电力驱动的城市地铁和轻轨机车中 辅助电源系统是其重要的组成部分 担负着除牵引系统主电路以外的各种设备的供电任务 本文以实际项目为依托 以 直 交间接逆变拓扑结构为基础 提出了总功率为 160kw 辅助电源的一整套完 整设计方案 并对系统的构成进行了详细的理论研究和实验验证 本文分析了常用的辅助电源的拓扑设计方案 并在分析的基础上选择直 交 间接式拓扑方案 从功能和实际结构两方面详细介绍了整个方案的构成 并对全桥 变换器的数学模型进行了详细分析 针对逆变器母线电压 充电机输出电压和电流 逆变器输出交流电压分别提出了独立的闭环控制方案 对于全桥变换器的移相控制 方法设计了基于 tms320lf2407 的单 dsp 移相 pwm 波形生成方法 同时也介绍 了三相逆变器的空间矢量脉宽调制 svpwm 算法 为保证辅助电源可靠稳定的工作 方案设计了完善的故障检测及保护系统 本 文分别介绍了全桥变换器 逆变器 充电机等各自的过压 过流保护 以及构成功 率电路的 igbt 开关管的保护系统 方案遵从模块化的设计思路将辅助电源分割成全桥变换器 三相逆变器 充电 机三大部分 分别介绍了信号采集处理 控制信号输出处理 igbt 驱动电路等电 路的设计 并给出了主功率电路的元件参数的设计以及变压器和滤波器的设计方 法 对辅助电源的通讯系统 以及广泛使用于机车上的多功能车辆总线 mvb 也 做了详细的介绍 本文最后给出了在一台 160kw 工程样机上进行的相关实验的实 验波形以及实验数据 证实了本文提出的设计方案能够满足辅助电源的设计要求 并且具有良好的静态和动态性能 关键词 关键词 全桥变换器 三相逆变器 移相控制 svpwm 多功能车辆总线 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 ii abstract in electrical metro and light railway the auxiliary power supply system always plays an important role it supplies all of the on board loads except the main traction motors this thesis proposed a complete scheme of 160kw auxiliary power supply system based on an indirect inverter topology for a practical project and did a detailed theory research work and a lot of experiments this thesis analyzed several most used topologies of auxiliary power supply system and chose the indirect inverter topology this thesis introduced the whole scheme in two aspects function and actual structure and the small signal mathematical model of the full bridge was analyzed in detail aimed to keep the dc bus voltage of the inverter the output voltage of the inverter the output voltage and current of the battery charger stable this thesis proposed three different close loop control schemes for each one at the same time the shift control method based on single dsp chip was implemented successfully the space vector pulse width svpwm algorithm was also introduced in this paper considering security and stability this thesis designed a complete fault detection and protection algorithm for full bridge inverter and battery charger the protection of igbt was also discussed in details in order to obey to electric module design concepts the auxiliary power supply system proposed in this paper divided the whole system into three parts full bridge converter three phase inverter and battery charger each part s signal acquiring control signal handling and igbt diver signal firing were introduced in details the component parameters of hardware of each part were designed respectively and the method of designing power transformer and electric filter was also introduced the communication system of the auxiliary power supply system was introduced in details and the multiple function vehicle bus mvb was also introduced at the end of this thesis some experimental results got from a 160kw engineering prototype were given which proved the scheme proposed in this thesis met the requirements of the auxiliary power supply system and performed very good dynamic and static response features keywords full bridge converter three phase inverter shift control svpwm mvb 独创性声明独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师的指导下进行的研究工作及取得 的研究成果 尽我所知 除文中已标明引用的内容外 本论文不包含任何其他人或 集体已经发表或撰写过的研究成果 对本文的研究做出贡献的个人和集体 均已在 文中以明确方式标明 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担 学位论文作者签名 日期 年 月 日 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留 使用学位论文的规定 即 学校有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版 允许论文被查阅和借 阅 本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进 行检索 可以采用影印 缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文 保 密 在 年解密后适用本授权数 本论文属于 不保密 请在以上方框内打 学位论文作者签名 指导教师签名 日期 年 月 日 日期 年 月 日 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 1 1 绪言绪言 1 1 电力电子技术发展电力电子技术发展概概况况 电力电子技术就是使用电力电子器件对电能进行变换和控制的技术 是一门融 合了电力技术 电子技术以及控制技术的新兴交叉学科 1 通常将其分为电力电子 器件制造技术和变流技术两个分支 变流技术也称为电力电子器件的应用技术 它 包括用电力电子器件构成各种电力变换电路和对这些电路进行控制的技术 以及由 这些电路构成电力电子装置和电力电子系统的技术 电力电子器件的发展对电力电 子技术的发展起着决定性的作用 因此电力电子器件的发展史其实就是电力电子技 术的发展史 2 电力电子技术发展史上的里程碑事件是 1957 年美国通用电气公司研制出了世 界上第一个晶闸管 虽然晶闸管只能控制其导通不能控制其关断 但它的出现使电 力电子技术的概念清晰的呈现在世人面前 随后到 70 年代后期 以门极可关断晶 闸管 gto 电力双极型晶体管 bjt 和电力场效应晶体管 power mosfet 为代表的全控型器件迅速发展 与半控型的晶闸管不同 这些全控型器件既可以控 制其开通又可以控制其关断 而且它们的开关速度普遍高于晶闸管 全控型器件优 越的性能使电力电子技术的面貌焕然一新 电力电子技术迎来了新的发展阶段 到 了 80 年代后期 以绝缘栅双极型晶体管 igbt 为代表的复合型器件异军突起 它集 mosfet 驱动功率小 开关速度快的优点和 bjt 通态压降小 载流能力大的 优点于一身 从而迅速成为现代电力电子技术的主导器件 目前电力电子技术的应用已极其广泛 在现代工业中 大量应用的各种交流 直流调速系统 电化学工业中电解反应所需的整流电源 冶金工业中的感应加热电 源 淬火电源等都是基于电力电子技术 在交通运输中 轻轨 地铁 高铁等电气 化交通运输工具都离不开电力电子技术 在电力系统中 有超过 60 以上的电能至 少经过一次以上的电力电子变流装置的处理 直流输电和近年来发展起来的柔性交 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 2 流输电也是依靠电力电子装置才得以实现的 而在其他如家用电器 航空航天 医 疗 水利等领域也都有电力电子技术的身影 1 2 dc dc 变换器的研究现状变换器的研究现状 电力电子变流技术应用功率器件将一种电压 电流规格的电能转变为另一种或 多种电压 电流规格的电能 总体上可分为四类 3 5 将直流电转变为直流电的 dc dc 变换器 也叫斩波电路 将直流电转变为交流电的 dc ac 变换器 也叫逆 变电路 将交流电转变为交流电的 ac ac 变换器 也叫交交变频电路 将交流电 转变为直流电的 ac dc 变换器 也叫整流电路 其中 dc dc 变换器是开关电源技术中应用最为广泛的一种变换器 dc dc 变 换器按输入和输出之间是否有电气隔离可分为两大类 隔离型 dc dc 变换器和非 隔离型 dc dc 变换器 按所使用的开关器件的个数可分为单管 双管和四管三类 隔离型 dc dc 变换器单管有正激式和反激式两种 双管有双管正激 双管反激 推挽和半桥四种 四管即为全桥变换器 而非隔离型 dc dc 变换器单管主要有六 种 即 buck boost buck boost cuk zeta 和 sepic 变换器 隔离型 dc dc 变 换器可以实现输入和输出间的电气隔离 通常采用变压器实现隔离 变压器本身具 有变压功能 有利于扩大变换器的应用范围 还可以实现多路不同电压或相同电压 的输出 当所采用的功率开关管额定电压和额定电流等级一定时 变换器的输出功率就 与所采用开关管的数量成正比 因此 dc dc 全桥变换器在直流变换器中功率最大 是中大功率场合首选的电路拓扑结构 目前 dc dc 变换器主要有两个研究方向 即 高压大功率和软开关 为减小 变压器以及滤波器等的体积 dc dc 变换器需要较高的开关频率 一般来说 在功 率器件可以承受的前提下应尽可能地提高开关频率 但随着开关频率的提高开关损 耗也成几何级数上升 而软开关技术就解决这一问题 dc dc 变换器的软开关技术 主要有零电压 zvs 零电流 zcs 和零电压零电流 zvzcs 三种 其中零 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 3 电压零电流 dc dc 变换器是目前研究的热点 已经出现了多种不同的电路拓扑结 构 6 18 如图 1 1 所示 vi g1g2 g3 lf cfrl cb ls g4 vi g1g2 g3 lf cfrl cb g4 a 原边加入饱和电感 原边加入饱和电感 b 滞后桥臂串联二极管 滞后桥臂串联二极管 vi g1g2 g3 lf cfrl g4 vi g1g2 g3 lf cf rl g4 cb c 变压器副边增加无源辅助电路 变压器副边增加无源辅助电路 d 增加变压器绕组 增加变压器绕组 图图 1 1 软开关全桥变换器拓扑结构软开关全桥变换器拓扑结构 1 3 地铁地铁辅助电源的研究现状辅助电源的研究现状 在地铁等轨道交通的电力系统中除主牵引的供电系统之外 另一个十分重要的 供电系统就是辅助电源系统 它承担了各种辅助设备的供电任务 包括 牵引制动 的控制系统供电 机车空调及通风系统的供电 机车照明系统的供电以及备用电源 蓄电池的充电等 早期的地铁辅助电源系统采用旋转式电动机 发电机组的供电方案 电动机 从地铁第三轨受电 带动三相交流发电机旋转 发电机输出三相交流电压向负载供 电 这种传统方案的缺点是显而易见的 供电机组体积庞大 电能利用效率低下 输出的交流电与直流电机的依赖性大而且波动大 不易控制 可靠性难以保证等 得益于电力电子技术的发展 辅助电源系统已由电力电子装置取代了早期的旋转式 电动机 发电机组 基于变流器方式的辅助电源系统称为静止式机组 发展到今 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 4 天 静止式机组经历了晶闸管 scr 大功率晶体管 gtr bjt 可关断晶闸管 gto 和绝缘栅双极型晶体管 igbt 或 ipm 的发展过程 19 28 目前地铁辅助电源逆变系统已有多种方案可供选择 从所使用的隔离变压器类 型上可以分成两大类 一是使用工频变压器隔离 这种类型的拓扑方案一般是对直 流输入电压进行滤波处理后就直接逆变 逆变得到的输出电压经工频变压器隔离后 供给负载 二是使用高频变压器 即先对直流输入电压进行斩波降压 之后经高频 变压器隔离 送给逆变器处理 逆变输出的电压经滤波后供给负载 在实际使用中 这两类有多种实现方案 如下文所述 1 两电平加工频变压器隔离方案 采用两电平结构构成逆变器主拓扑 对输入直流电压直接逆变 之后接工频变 压器隔离输出 电路拓扑如图 1 2 所示 这种方案的优点是 电路结构简单 所需 功率器件较少 控制方便 但也存在着诸多不便 如 输出电压易受电网输入电压 的影响 输出电压质量不高 谐波含量较大 同时需要的滤波器体积庞大 dc v u w v 图图 1 2 两电平辅助电源拓扑两电平辅助电源拓扑 2 两电平 12 脉波加工频变压器隔离方案 由两个相同的逆变模块加变压器构成 12 脉波电路拓扑 如图 1 3 所示 此种方 案的优点是工作时开关频率低 波形质量好 仅需一个小型的滤波器就可以得到质 量很好的输出波形 缺点在于主电路复杂 所需的开关器件较多 变压器设计制造 复杂 装置体积庞大 所以目前不倾向于采用此种方案 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 5 dc v u w v dy dz 图图 1 3 两电平两电平 12 脉波脉波辅助电源辅助电源拓扑拓扑 3 三电平加工频变压器隔离方案 相对于传统两电平逆变结构 三电平逆变器具有功率器件承受电压等级低 输 出电压波形质量好 电压波形畸变小 输出滤波器体积小 开关损耗小等诸多优势 由三电平逆变器加变压器构成的辅助电源方案如图 1 4 所示 24 虽然三电平逆变器 具有诸多优点 但也有所需开关器件数量多 逆变器控制难度大等缺点 在对成本 和控制难易要求高的场合不易采用此种方案 dc v u w v 图图 1 4 三电平辅助电源拓扑三电平辅助电源拓扑 4 降压斩波加高频变压器隔离方案 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 6 该方案也称为直 交间接式拓扑 如图 1 5 所示 在大功率高电压的应用场 合 全桥 dc dc 变换拓扑是首选方案 直流输入电压经全桥 dc dc 变换器得到高 频方波电压 通过高频变压器隔离 再经滤波器滤波就可以得到稳定的直流电压 而后采用逆变器逆变得到三相交流电压供给负载 相对于上述三种方案 该方案可 大幅减轻辅助电源系统的重量 交流输出电压受直流输入电压的影响显著减弱 从 而可以得到质量较好的输出波形 缺点是全桥 dc dc 变换器的开关频率较高 开 关损耗较大 u w v dc v 图图 1 5 降压斩波辅助电源拓扑降压斩波辅助电源拓扑 1 4 课题来源及主要的研究工作课题来源及主要的研究工作 本课题是与某企业合作研发的地铁辅助电源系统 旨在研究开发出一整套完整 的地铁辅助电源解决方案 该辅助电源的供电电压为 1500v 负载功率为 160kw 其主要的研究工作如下 1 在综合分析已有的辅助电源方案基础上 设计出符合本课题要求的拓扑方 案 2 对提出的方案进行深入分析 主要从硬件的设计 器件的选型以及软件系 统的设计等方面阐述 3 在分析设计的基础上 试制实验样机并且对样机进行测试 给出样机的测 试结果并对结果分析 4 指出方案存在的问题以及今后需要进一步努力的方向 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 7 2 地铁地铁辅助电源辅助电源 dc dc 变换器设计变换器设计 2 1 地铁地铁辅助电源辅助电源整体结构整体结构 综合已有的地铁辅助电源方案 对比分析每种方案的优劣 在此选用带高频变 压器隔离的直 交间接逆变方案 地铁辅助电源需要承担空调 车内照明 蓄电 池充电等多项供电任务 输出电能规格有 380vac 220vac 以及 110vdc 三种 遵从电气模块化设计思路 将整个系统分为两大部分 四个模块 即逆变器和充电 机两大部分 这两大部分包括两个 dc dc 模块 一个 dc ac 模块和一个 io 逻辑 控制模块等四个模块 如图 2 1 所示 dc dc 模块 1 和 dc ac 模块构成逆变器 输出 380vac 和 220vac dc dc 模块 2 构成充电机 输出 110vdc dc dc模块1 dc dc模块2 输入电压预处理模块 电网电压1500vdc lc滤波网络 高频变压器 二极管整流桥 lc滤波网络三相逆变模块 380vac交流输出 220vac交流输出 高频变压器 二极管整流桥 110vdc直流输出 图图 2 1 地铁辅助电源整体结构图地铁辅助电源整体结构图 辅助电源的简要结构是 由来自地铁第三轨的直流电压供电 为防止上电时电 网对系统的冲击 以及限制初始时的电流 输入电压需经限流电阻后给两个 dc dc 变换器的母线供电 当母线电容电压接近供电直流电压时 通过高压接触器将限流 电阻短路 输入直流电压经 dc dc 变换器斩波处理后得到的是交变的高频方波电 压 通过变压器降压后到达整流环节 再经滤波后得到逆变器所需的直流电压以及 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 8 充电机所需的 110v 直流电压 逆变器输出经滤波后直接接负载电路 并从输出中 引出一路通过工频变压器得到 220vac 整个系统功率约为 160kw 其中 dc dc 模块 1 dc ac 模块构成辅助电源主体 输出功率 130kw dc dc 模块 2 承担 30kw 供电任务 2 2 dc dc 变换器变换器结构与元件参数计算结构与元件参数计算 dc dc 变换器是整个辅助电源的核心 它将 1000v 2000v 的输入电压降压处 理后供给后一级电路 同时要保证在电源波动的情况下 输出基本稳定 在高压大 功率的应用场合下 全桥变换器的拓扑结构是首选方案 如图 2 3 所示 图中并接 在 dc dc 模块母线正负端的两个电容的作用 是为消除 igbt 在关断时产生的电 压尖峰 t1 in v o v 图图 2 3 dcdc 模块拓扑结构模块拓扑结构 功率器件的基本失效率取决于工作应力 包括电 温度 振动 频率 冲击等 除个别低应力失效的功率器件外 其他均表现为工作应力越高 失效率越高的特性 大部分功率器件的基本失效率取决于电应力和温度 因而降额也主要是控制这两种 应力 一般功率开关管电压降额系数在 0 6 以下 电流降额系数在 0 5 以下 1 dc dc 模块 1 主回路功率器件 igbt 参数计算 dc dc 变换器输入直流额定值为 1500v 其变化范围为 1000v 2000v igbt 的电压值应按最大输入电压来设计 并考虑电压降额系数 按 0 6 来设计 则 igbt 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 9 的 ces v 可按式 2 1 计算 2000 3333 33 0 6 ces vv 2 1 因此选择的 igbt 的 ces v为 3300v dc dc 变换器总的最大输出功率为 130kw 30kw 160kw dc dc 变换器由 两个相同的模块组成 其中dc dc模块1输出功率占主要部分 约为130kw dc dc 模块 2 输出功率为次要部分 约为 30kw 一般来说在满载工作时 dc dc 变换器的效率可以达到 90 以上 考虑到 dc dc 变换器的工作稳定性 以及保证在高电压输入条件下 开关管能够安全工作 通常 pwm 驱动波形的占空比不能设定的过高 一般不超过 0 8 根据上述要求 这里假设 dcdc 变换器效率为 90 开关管驱动波形的占空 比为 0 8 输出功率为0 9 oin pp 即 0 9 ino pp 当输入电压为最小值 mind v时 若 忽略开关管的导通压降 则输入功率按式 2 2 计算 min 0 8 0 9 o indpft p pvi 2 2 即 min 0 8 0 9 o pft d p i v 2 3 式中 电流 pft i为高频变压器原边绕组等效平顶脉冲电流幅值 上式中130kw o p min 1000v d v 则 130000 180 56 0 8 0 9 1000 pft ia 2 4 考虑电流降额系数 按 0 5 来设计 则 igbt 的 c i为 180 56 361 0 5 c ia 2 5 因此选择的 igbt 的 c i为 400a 所以 dc dc 模块 1 主回路功率开关器件应选用截止电压为 3300v 通态电流 为 400a 的 igbt 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 10 2 dc dc 模块 2 主回路功率器件 igbt 参数计算 dc dc 模块 2 与模块 1 输入电压相同 因此模块 2 的 igbt 耐压值 ces v也为 3300v dc dc 模块 2 输出功率为 30kw 同样的设定 dcdc 模块 2 效率为 90 开关管驱动波形占空比为 0 8 则有 min 30000 41 67 0 8 0 90 8 0 9 1000 o pft d p ia v 2 6 考虑电流降额系数 0 5 则 igbt 的 c i为 41 67 83 33 0 5 c ia 2 7 所以 dc dc 模块 2 主回路功率开关器件应选用截止电压为 3300v 通态电流 为 100a 的 igbt 实际中 为简化模块的箱体制作 dcdc 模块 2 选用与模块 1 相同的 igbt 3 不控整流桥二极管参数计算 dc dc 模块 1 高频变压器副边绕组输出最大功率为 130kw 副边绕组输出电 流的最大有效值为 130000 236 37 550 rms ia 2 8 副边绕组输出电流的峰值为 236 37 264 27 0 8 pft ia 2 9 副边绕组整流桥为两个相同的模块并联输出 每个模块输出电流峰值为一半 考虑到整流二极管上的尖峰电压 选用耐压 2600v 电流 150a 的二极管 dc dc 模块 2 高频变压器副边绕组输出最大功率为 30kw 副边绕组输出电流 的最大有效值为 30000 272 73 110 rms ia 2 10 副边绕组输出电流的峰值为 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 11 272 73 304 92 0 8 pft ia 2 11 副边绕组整流桥为两个相同的模块并联输出 每个模块输出电流峰值为一半 因此选择 1200v 约 150a 的二极管整流模块 2 3 高频变压器与充电机滤波器设计高频变压器与充电机滤波器设计 在 dc dc 模块 1 功率电路中 高频隔离变压器输出电压为 2 3 3 smon smd p nt vv nt 2 12 其中 全桥 dc dc 变换器中 igbt 的导通压降为 3v 整流桥的导通压降也为 3v t为全桥 dc dc 变换器的开关周期 on t为开关管的导通时间 若不考虑 igbt 和整流桥二极管的导通压降 式 2 12 为 2 smon smd p nt vv nt 2 13 为避免同一桥臂上下管直通 应选择当直流输入电压最低时使开关管最大导通 时间不超过半周期的 80 此时副边绕组输出电压能达到 dcac 直流母线电压所 需要的最小值 560v 即当 d v最小 输出电压也能达到逆变器所需的电压 最大导 通时间0 8 2 on t t dc1500v 的波动范围为 1000v 2000v 那么 dc dc 模块 1 高频隔离变压器副边绕组与原边绕组的匝比为 5607 0 7 0 80 8 100010 smsm pp nv nv 2 14 与 dc dc 模块 1 相同 dc dc 模块 2 也必须在 d v最小时 输出电压也能达到 110v 最大导通时间为0 8 2 on t t 则 dc dc 模块 2 高频隔离变压器副边绕组与 原边绕组的匝比为 1101 0 14 0 80 8 10007 ssss pp nv nv 2 15 dc dc 模块 2 输出经滤波器得到 110v 稳定的直流电压 滤波器的电感的表达 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 12 式为 0 5 o o v t l i 2 16 式中 o v为输出电压 o i为额定输出电流 t为开关周期 0 5 110 0 5 0 121 227 27 ms lmh 2 17 对于铝电解电容 在很大容值和额定电压范围内 其 rc 的乘积基本不变 铝 电解电容 rc 的范围为 66 50 10 80 10 因此 c 可选为 66 80 1080 10 r c rvdi 2 18 式中 r v为纹波电压峰 峰值 di为电感电流纹波的峰 峰值 6 80 10 8264 2 2 227 27 cf 2 19 副边主绕组滤波器参数为 电感值为 0 121mh 电容为 8200uf 2 4 dc dc 变换器小信号模型变换器小信号模型与频域分析与频域分析 全桥变换器是由 buck 电路衍生而来的 属于 buck 族的一种 即为降压变 换器 全桥变换器输出不接二极管整流时可看作单相逆变电路 输出交变的方波电 压 当其输出通过二极管全桥整流电路后 就与 buck 电路的输出完全一致 所以 可借鉴 buck 电路的分析方法来得到全桥变换器用于 dc dc 变换时的小信号模 型 全桥变换器有硬开关和软开关两种工作方式 对于软开关方式 由于采用了特 殊的驱动方法以及辅助的电路元件 使得开关器件能够以软开通软关断的方式工 作 与 buck 电路有所区别 所以其模型较为复杂 29 32 而硬开关方式则完全等同 于 buck 电路 如图 2 4 所示 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 13 vi g1 g2 g3 lf cfrl g4 vi lf cfrl 图图 2 4 全桥变换器与全桥变换器与 buck 电路电路 假定电路中的开关管都是理想的 开通和关断在一瞬间完成 变压器是理想变 压器 对输入电压只完成隔离以及变比的变化 二极管是理想二极管 导通时电阻 为零 关断时电阻无穷大 忽略电路中的分布电容和分布电感 那么开关管与变压 器连同整流二极管可等效为 buck 电路的开关管 同时整流二极管也承担续流的作 用 相当于 buck 电路中的续流二极管 通过等效后 全桥变换器的模型就可以完 全用 buck 电路的模型来代替 下面分析 buck 电路在电感电流连续 ccm 与 不连续 dcm 两种情况下的模型 33 38 这两种模型与全桥变换器电感电流连续与 不连续的情况完全等效 由于开关管和二极管的存在 它们的非线性导致了整个电路的非线性 以至于 无法采用已有的线性方法对其进行分析 因此有必要对其做模型简化 使其能够近 似为线性电路 所使用的方法称为 pwm 开关建模 即将图 2 5 中虚线框内的非线 性元件以线性模型代替 尽管采用这种方法可以得到电路的模型 但需要注意的是 这种方法也只是得到电路在某一工作点附近的线性模型 不能描述电路在整个工作 区间的状态 i v f l f c o r p ca a i c i 图图 2 5 buck 电路电路 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 14 1 电感电流连续 ccm 假定在电路工作的整个范围内 流过电感的电流都是连续的 则图 2 5 所示的 buck 电路有下式成立 s 0 cs a s i ttdt i t dttt 2 20 s 0 aps cp s vttdt vt dttt 2 21 以上各式中的变量均为瞬时值 取一个开关周期内的平均值得到 ss ac tt i td ti t 2 22 ss cpap tt vtd tvt 2 23 以上各式中的变量均为一个开关周期内的平均值 尖角括号代表平均值 下文 同此 将式 2 22 在稳态工作点 c d i处展开为 taylor 级数 并略去二次及以上高 阶分量得到 cc cc ac acd dii c didi iitdid ti t di 2 24 ac idi 2 25 ac c i td t idi t 2 26 将式 2 23 在稳态工作点 ap d v处展开为 taylor 级数 并略去二次及以上高阶 分量得到 apap apap cpap cpapd dvv ap v dv d vvtdvd tvt dv 2 27 cpap vdv 2 28 cpap ap vtd t vdvt 2 29 式 2 25 和式 2 28 表示的是电路稳态工作点的直流量 式 2 26 和式 2 29 表示 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 15 的是电路在稳态工作点附近的交流量 根据这四个式子可以得到图 2 5 虚线框内的 元件在稳态工作点处的线性模型 如图 2 6 所示 i v f l f c o r ap v d d c i d 1d p ca 图图 2 6 buck 电路电感电流连续时的线性模型电路电感电流连续时的线性模型 根据图 2 6 可得 buck 电路输出电压与占空比的传递函数为 2 o io oo vrv rsls lcr d 2 30 2 电感电流不连续 dcm 电感电流不连续时 电路有三个工作区间 1 d 2 d 3 d 电感电流波形如图 2 7 所示 l it t peak i 1s d t 2s d t 3s d t s t 图图 2 7 电感电流波形电感电流波形 将图 2 5 虚线框看作双口网络 对各电流 电压变量在一个开关周期内取平均 值得 s s api t t vtv t 2 31 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 16 13 112 1 ss s ss cpio tt t io tt vtd tv td tv t d tv td td tv t 2 32 1 1 2 s apeak t i td t i 2 33 12 1 2 s cpeak t i td td t i 2 34 其中 peak i由图 2 5 与 2 7 可得 1 ss io tt peaks v tv t id t t l 2 35 在电路工作于稳态时 电感电压在一周期内的平均电压应为零 所以有式 2 36 成立 12 0 ssss lioo tttt v td tv tv td tv t 2 36 则有 1 2 ss s io tt o t d tv tv t d t v t 2 37 将式 2 36 带入式 2 31 得 s s cpo t t vtv t 2 38 将式 2 30 2 34 2 36 带入式 2 32 和式 2 33 可得 2 1 2 ss s sapcp tt a t dt tvtvt i t l 2 39 2 1 2 sss s s sapapcp ttt c t cp t dt t vtvtvt i t l vt 2 40 由式 2 39 和 2 40 可知 ai的平均值可看作是占空比 1 d ap v的平均值以及 cp v的 平均值的函数 即 1 s ss aapcp t tt i tf d tvtvt 2 41 同理有 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 17 1 s ss capcp t tt i tf d tvtvt 2 42 将式 2 41 在稳态工作点 1 apcp d vv处展开为 taylor 级数 并略去二次及以上 高次分量得 11 1 1 1 1 11 apapcpcp apcp a aapcpdd apcpapcp apcp vvvv apcp f d vv ii tf d vvd t d f d vvf d vv vtvt vv 2 43 2 1 2 sapcp a d t vv i l 2 44 1 11 1 1 aapcpitd t jvtvt g r 2 45 其中 1 1 sapcp dt vv j l 1 2 1 2 s l r d t 2 1 1 2 s d t g l 将式 2 42 在稳态工作点 1 apcp d vv处展开为 taylor 级数 并略去二次及以上 高次分量得 11 1 1 1 1 11 apapcpcp apcp c capcpdd apcpapcp apcp vvvv apcp f d vv ii tf d vvd t d f d vvf d vv vtvt vv 2 46 2 1 2 sapapcp c cp d tvvv i lv 2 47 1 22 2 1 ccpapi td t jvtvt g r 2 48 其中 1 2 sapapcp cp dtvvv j lv 2 2 22 1 2 cp sap lv r d tv 2 1 2 2 2 sapcp cp d tvv g lv 式 2 44 和式 2 47 表示的是电路在稳态工作点的直流量 式 2 45 和式 2 48 表 示的是电路在稳态工作点附近的交流量 根据这四个式子可以得到图 2 5 虚线框内 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 18 的元件在稳态工作点处的线性模型如图 2 8 所示 iv f l f c o r1 r 11 j d 1 cpg v 2 apg v 1 2 j d 2 r a a i c i c p ov 图图 2 8 buck 电路电感电流不连续时的线性模型电路电感电流不连续时的线性模型 由图 2 8 可知输出电压与占空比的传递函数为 2 2 2 2 1 22 o oo ooo j r s lcrslrv s lcrs cr rlrr d 2 49 全桥变换器的模型与 buck 电路完全等同 只需用全桥变换器的参数代替 buck 电路中的相应参数即可得到 式 2 30 与式 2 49 表示的是全桥变换器在电感 电流连续与不连续两种情况下的控制量扰动 输出传递函数 该传递函数直接关 系到全桥变换器的稳态和动态性能 下面以 dc dc 模块 2 为例 对其进行频域的 分析 由 2 2 节与 2 3 节的分析设计以及辅助电源的工作条件 可得全桥变换器的 参数如下 v1500 in v 高频变压器变比 2 1 7k 110v 输出滤波电感0 121mhl 输 出滤波电容8200 fc 等效负载电阻为0 4 o r 开关频率2khz s k 将这些 参数代入式 2 30 得 2723 85 71 3 969 100 121 100 4 o io oo vrv rsls lcrss d 2 50 有研究表明在电感电流不连续的情况下 33 由于电容的作用 系统传递函数的 一个极点会出现在较低的频率 而另一个极点由于电感的作用出现在较高的频率 所以当分析电感电流不连续的情况时 可以将系统传递函数简化为一阶 略去电感 的作用 因此式 2 49 可重写为 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 19 2 2 22 2 2 1 2222 oj r s lcrslrj r rv s lcrs crrlrrscrrrr d 2 51 将电路参数代入式 2 51 得 2 2 4 1 22 53 53 6 536 100 5993 oj r rv scrrrrs d 2 52 式 2 50 与 2 52 表示的是系统的开环传递函数 利用 matlab 可绘出 bode 图 分别如图 2 9 a 和 2 9 b 所示 40 20 0 20 40 60 magnitude db 10 2 10 3 10 4 10 5 180 135 90 45 0 phase deg bode diagram gm inf db at inf rad sec pm 1 19 deg at 1 47e 004 rad sec frequency rad sec 0 10 20 30 40 magnitude db 10 1 10 2 10 3 10 4 10 5 90 45 0 phase deg bode diagram gm inf pm 90 6 deg at 8 19e 004 rad sec frequency rad sec a 电感电流连续电感电流连续 b 电感电流不连续电感电流不连续 图图 2 9 系统开环传递函数系统开环传递函数 bode 图图 由图 2 9 可知系统在电感电流连续与不连续两种情况下都具有比较好的幅值裕 度 但在电感电流连续的情况下 系统相角裕度不能满足要求 这可以通过频率补 偿来改善相角裕度 通常可以增加闭环控制 利用控制器改善系统的频域特性 因 此 无论从输出的精度 系统响应的速度以及稳定性 都必需增加闭环的控制算法 这将是后面所要介绍的 2 5 dc dc 变换器控制系统与控制算法设计变换器控制系统与控制算法设计 在整个辅助电源系统中 dc dc 变换器主要完成给 dc ac 逆变器直流母线的 供电以及蓄电池 110v 的充电电源供电 具体的实现是由两个完全相同的 dc dc 模 块分别完成这两个任务 所以 dc dc 变换器的控制系统由两个独立的部分构成 总体的结构如图 2 10 所示 控制系统主要由信号反馈环节 运算处理环节和输出执 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 20 行环节三部分构成 信号反馈环节由各个负责采样信号的电流 电压传感器以及信 号处理电路组成 运算处理环节则主要 dsp 芯片构成 输出执行环节由 pwm 信号 传输电路和 igbt 的驱动板组成 dc dc模块1 dc dc模块2lc滤波网络 高频变压器 二极管整流桥 lc滤波网络 三相逆变器母线 高频变压器 二极管整流桥 110vdc直流输出 dc dc模块dsp控制单元 电流传感器 电流传感器 电压传感器 电压传感器 电压传感器 电流传感器 电流传感器 图图 2 10 dcdc 变换器控制系统总体结构变换器控制系统总体结构 dc dc 变换器模块 1 将地铁第三轨供电电源进行斩波处理 得到方波交变电 压 再经高频变压器的隔离 传输到 dc ac 逆变器的母线供电侧 通过二极管不 控整流桥和 lc 滤波器将方波交变电压变换成稳定的直流电压 所以模块 1 所要控 制的即是 dc ac 逆变器母线最终得到的直流电压 根据控制理论 要使某个变量 保持稳定 则要引入该变量的闭环控制 所以 dc dc 模块 1 的控制系统具体实施 的算法如图 2 11 所示 pi controller u t 0 8 0 dcref u dc u validduty dcfed u dcnow u 图图 2 11 dcdc 模块模块 1 控制算法控制算法 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 21 控制算法为 给定 dc ac 逆变器母线电压的期望值 dcref u 经过软启动处理 得到母线电压当前的给定值 dcnow u 给定值与通过电压传感器得到的 dc ac 逆变器 直流母线电压反馈值 dcfed u比较 然后将误差值送入 pi 控制器 得到相应的控制量 最后将 pi 控制器输出的控制量转化为实际 igbt 的驱动信号 dc dc 变换器模块 2 与模块 1 实际完全相同 不同的是 模块 2 输出的方波交 变电压通过高频变压器的隔离 经二极管不控整流桥和 lc 滤波器得到的是蓄电池 的充电电压 在这一过程中 充电电压的大小需要控制 另外 110v 电源总的输出 电流以及供给蓄电池的电流也都需要控制 即 在保持充电