引言

鐵路客車(chē)輔助電源負(fù)責(zé)給車(chē)上各種負(fù)載用電設(shè)備供電。本文所述逆變器是將列車(chē)提供的600 V直流電逆變成三相交流380 V，帶動(dòng)客車(chē)空調(diào)機(jī)組工作，調(diào)節(jié)車(chē)廂溫度和通風(fēng)，可調(diào)頻調(diào)壓，以實(shí)現(xiàn)空調(diào)變頻化。同時(shí)也為餐車(chē)上的電茶爐等三相負(fù)載供電。

1 逆變器方案設(shè)計(jì)

逆變器是通過(guò)電力電子開(kāi)關(guān)的開(kāi)通和關(guān)斷作用，把直流電能轉(zhuǎn)變成交流電能的一種變換裝置，是整流變換的逆過(guò)程。電力電子開(kāi)關(guān)器件的通斷，需要一定的驅(qū)動(dòng)脈沖，這些脈沖可以通過(guò)改變一個(gè)電壓信號(hào)來(lái)調(diào)節(jié)，產(chǎn)生和調(diào)節(jié)脈沖的電路就是主控制電路。一個(gè)逆變器的電路組成除了逆變開(kāi)關(guān)電路和主控制電路之外。還有保護(hù)電路、輔助電源、輸入輸出電路等。

本設(shè)計(jì)中所用的直接逆變方案，是鐵路客車(chē)輔助電源主電路最簡(jiǎn)單最基本的形式。方案如圖1所示。

主要的功能模塊劃分為主控制系統(tǒng)、前級(jí)檢測(cè)、輸入控制、直流濾波、三相逆變、交流濾波，配合輔助電源、采樣、保護(hù)電路等。

該電路優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功率器件使用數(shù)量少：但缺點(diǎn)是逆變器輸出電壓容易受DC600 V干線電壓的波動(dòng)影響，實(shí)測(cè)電壓品質(zhì)因素差、諧波含量大，為了獲得相對(duì)恒定的交流電壓輸出，必須采用運(yùn)算速度很快的DSP作主控制單元。

DSP是一種適合數(shù)字信號(hào)處理的高性能微處理器，如何選擇DSP?可以從以下幾方面來(lái)考慮。

(1)速度

DSP速度一般用MIPS或FLOPS表示，即百萬(wàn)次／s。一些設(shè)計(jì)會(huì)片面追求高處理速度，但速度越高，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)也越困難。

(2)精度

DSP芯片分為定點(diǎn)、浮點(diǎn)處理器，對(duì)于運(yùn)算精度要求很高的處理，可選擇浮點(diǎn)處理器。定點(diǎn)處理器也可完成浮點(diǎn)運(yùn)算，但精度和速度會(huì)有影響。

(3)尋址空間

不同系列DSP程序、數(shù)據(jù)、I／0空間大小不一，DSP在一個(gè)指令周期內(nèi)能完成多個(gè)操作，所以DSP指令效率很高，程序空間一般不會(huì)有問(wèn)題，關(guān)鍵是數(shù)據(jù)空間是否滿足。

TMS320LF2407芯片在控制方面應(yīng)用非常廣泛，作為一款專(zhuān)門(mén)面向數(shù)字控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化的通用可編程微處理器，TMS320LF2407不僅具有低功耗和代碼保密的特點(diǎn)，而且它集成了極強(qiáng)的數(shù)字信號(hào)處理能力，又集成了數(shù)字控制系統(tǒng)所必需的輸入、輸出、A／D轉(zhuǎn)換、事件捕捉等外設(shè)，其時(shí)鐘頻率為40 MHz，指令周期小于50 nS，采用改進(jìn)的哈佛結(jié)構(gòu)和流水線技術(shù)，在一個(gè)指令周期內(nèi)可以執(zhí)行幾條指令。本方案中擬用TMS320LF2407作為DSP處理芯片。

下面簡(jiǎn)單介紹一下各部分電路情況。

前級(jí)檢測(cè)可以有效監(jiān)測(cè)輸入電壓的波動(dòng)．準(zhǔn)確實(shí)施過(guò)欠壓保護(hù)。

輸入控制是利用接觸器對(duì)負(fù)載發(fā)生故障時(shí)實(shí)施隔離，防止故障進(jìn)一步擴(kuò)散。

直流濾波的主要功能是濾平輸入電路的電壓紋波，當(dāng)負(fù)載變化時(shí)，使直流電壓平穩(wěn)。由于鐵路客車(chē)輔助電源逆變器的功率較大，因此濾波電容的容量也較大，一般使用電解電容。但由于電解電容的電壓等級(jí)限制(一般最高工作電壓在450 V)，需要將其串聯(lián)后再并聯(lián)使用。而電容自身參數(shù)的離散導(dǎo)致電容電壓無(wú)法一致，解決的辦法是采用電容兩端并聯(lián)均壓電阻。

按照鐵路客車(chē)輔助電源逆變器的設(shè)計(jì)要求。輸出為正弦波，交流濾波電路主要就是將逆變器輸出的PWM波變成準(zhǔn)正弦波，以此保證較低的諧波含量。

三相逆變是逆變器的核心電路，在直接逆變的方案圖中，該部分由VT1 ～VT6六個(gè)功率開(kāi)關(guān)器件組成，各由一個(gè)續(xù)流二極管反并聯(lián)，整個(gè)逆變器由恒值直流電壓U供電。

輸入電源、電動(dòng)機(jī)的突然停止和線路感抗等會(huì)引起逆變器過(guò)壓；接觸網(wǎng)電壓的波動(dòng)，有可能造成輸出欠壓；某些情況下，逆變器的輸出會(huì)超過(guò)其自身的輸出能力即過(guò)載；而功率器件工作時(shí)，產(chǎn)生各種損耗，其中主要包括導(dǎo)通過(guò)程損耗、通態(tài)損耗和關(guān)斷時(shí)的損耗，這些損耗以熱量的形式向外傳送，當(dāng)開(kāi)關(guān)頻率增高后，會(huì)造成過(guò)熱。

對(duì)應(yīng)以上逆變器工作中產(chǎn)生的種種情況，設(shè)計(jì)時(shí)需考慮各項(xiàng)保護(hù)功能：過(guò)壓保護(hù)、欠壓保護(hù)、過(guò)載保護(hù)、過(guò)熱保護(hù)等。

2 控制方法

在逆變器電路的設(shè)計(jì)中，控制方法是核心技術(shù)。早期的控制方法使得輸出為矩形波．諧波含量較高，濾波困難，而SPWM技術(shù)較好地克服了這些缺點(diǎn)。SPWM正弦脈寬調(diào)制技術(shù)是通過(guò)一系列寬窄不等的脈沖進(jìn)行調(diào)制，來(lái)等效正弦波形(幅值、相位和頻率)。SPWM容易實(shí)現(xiàn)對(duì)電壓的控制?？刂凭€性度好，廣泛用于直流交流逆變器。

SPWM控制方式中有幾個(gè)重要的參量：載波頻率fc，調(diào)制波頻率fr及載波比N，N=fc/fr。

在實(shí)際應(yīng)用中，逆變器的啟動(dòng)過(guò)程是一個(gè)變頻變壓的軟啟動(dòng)過(guò)程，而且為了實(shí)現(xiàn)空調(diào)的變頻化。也就是說(shuō)調(diào)制頻率fr是變化的。于是，在實(shí)行SPWM時(shí)，我們根據(jù)載波和調(diào)制波是否同步以及載波比N的變化情況，有異步調(diào)制和同步調(diào)制之分。

(1)同步調(diào)制

這種調(diào)制方式是使載波比Ⅳ等于常數(shù)．即在變頻時(shí)讓載波和調(diào)制波保持同步。其優(yōu)點(diǎn)是波形對(duì)稱(chēng)；但缺點(diǎn)是，在逆變器輸出頻率(調(diào)制波頻率)很低時(shí)，載波頻率也很低，產(chǎn)生輸出波形中諧波不易濾除，而且會(huì)帶來(lái)較大的噪音；當(dāng)逆變器輸出頻率很高時(shí)，載波頻率會(huì)過(guò)高，使得功率開(kāi)關(guān)器件難以承受。

(2)異步調(diào)制

為了消除同步調(diào)制的缺點(diǎn)，可以采用異步調(diào)制方式。顧名思義，異步調(diào)制時(shí)，在變頻器的整個(gè)變頻范圍內(nèi)，載波比n不等于常數(shù)。一般在改變調(diào)制波頻率fr時(shí)保持三角載波頻率ft不變，因而提高了低頻時(shí)的載波比。這樣輸出電壓半波內(nèi)的矩形脈沖數(shù)可隨輸出頻率的降低而增加，從而減少負(fù)載電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)與噪聲，改善了系統(tǒng)的低頻工作性能。

有利必有弊，異步調(diào)制方式在改善低頻工作性能的同時(shí)，又失去了同步調(diào)制的優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)載波比Ⅳ隨著輸出頻率的降低而連續(xù)變化時(shí)，輸出電壓波形及其相位都發(fā)生變化，難以保持三相輸出的對(duì)稱(chēng)性，可能引起電動(dòng)機(jī)工作的不平穩(wěn)。

通過(guò)分析，我們需要的是把兩種方式的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來(lái)，得到另一種調(diào)制方式：分段同步調(diào)制。即把逆變器的整個(gè)輸出頻率范圍(如50～60 Hz)劃分成若干個(gè)頻段，在每個(gè)頻段內(nèi)都保持載波比N恒定．而不同頻段的載波比不同。在輸出頻率高的頻段采用較低的載波比，輸出頻率低的頻段采用較高的載波比。

3 驅(qū)動(dòng)電路

驅(qū)動(dòng)電路是將主控電路中產(chǎn)生的六個(gè)PWM信號(hào)，經(jīng)光電隔離放大后，為逆變器提供驅(qū)動(dòng)信號(hào)。

本設(shè)計(jì)中驅(qū)動(dòng)電路部分的開(kāi)關(guān)功率器件選擇IGBT。

IGBT(絕緣雙極型晶體管)是由BJT(雙極型三極管)和MOS(絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管)組成的復(fù)合全控型電壓驅(qū)動(dòng)式功率半導(dǎo)體器件，兼有MOSFET的高輸入阻抗和GTR的低導(dǎo)通壓降兩方面的優(yōu)點(diǎn) GTR飽和壓降低，載流密度大，但驅(qū)動(dòng)電流較大：MOSFET驅(qū)動(dòng)功率很小，開(kāi)關(guān)速度快，但導(dǎo)通壓降大，載流密度小。IGBT將MOSFET和GTR的優(yōu)點(diǎn)集于一身，既具有輸入阻抗高、速度快、熱穩(wěn)定性好和驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，又有通態(tài)電壓低耐壓高的優(yōu)點(diǎn)，因此發(fā)展很快，倍受歡迎，在電機(jī)驅(qū)動(dòng)、中頻和開(kāi)關(guān)電源以及要求快速、低損耗的領(lǐng)域．IGBT有取代MOSFET和GTR，IGBT非常適合應(yīng)用于直流電壓為600 V及以上的變流系統(tǒng)。

因?yàn)闃蚴侥孀兤髦械腎GBT工作電位差大．不允許控制電路直接與其耦合，為了保證驅(qū)動(dòng)電路和主電路之間的信號(hào)傳輸，一般采用光電耦合器的隔離驅(qū)動(dòng)器。由于IGBT是高速器件，故必須選取小延時(shí)的高速型光耦。常用的是芯片HCPL-316J．本設(shè)計(jì)中選擇DSP為主控單元，其與HCPL-316J結(jié)合可驅(qū)動(dòng)IGBT，控制其導(dǎo)通、關(guān)斷并實(shí)現(xiàn)保護(hù)功能。它的輸出功能可以簡(jiǎn)略的用下面的邏輯功能表來(lái)描述，詳見(jiàn)表1所列。

表格中最后一列為輸出。當(dāng)輸出為High時(shí)IGBT導(dǎo)通，否則IGBT關(guān)斷。IGBT導(dǎo)通需要同時(shí)具備最后一行的五個(gè)條件，缺一不可，即同相輸入為高；反相輸入為低；欠壓保護(hù)功能無(wú)效；未檢測(cè)到IGBT故障，無(wú)故障反饋信號(hào)或故障反饋信號(hào)已被清除。

根據(jù)上述輸出控制功能，設(shè)計(jì)電路如圖2。

該電路具有以下功能：

(1)能夠產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)IGBT所需的+15 V、-10 V電壓。保證了其可靠導(dǎo)通與關(guān)斷；

(2)該電路所用核心器件HCPL-316J具有過(guò)電流保護(hù)自鎖功能，能夠有效防止IGBT在瞬時(shí)工作中過(guò)流而使保護(hù)誤動(dòng)作，能夠有效的保護(hù)IGBT。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上．本設(shè)計(jì)中的逆變器綜合鐵路客車(chē)輔助電源的各項(xiàng)要求．采用IGBT作為功率器件，應(yīng)用三相橋式逆變電路，利用DSP產(chǎn)生的脈沖調(diào)制信號(hào)進(jìn)行控制。

文中主要針對(duì)DC600 V鐵路客車(chē)輔助電源逆變器的設(shè)計(jì)提出一些自己的想法，簡(jiǎn)述直接逆變方案的各部分電路，并具體闡述其主控方式及驅(qū)動(dòng)部分的電路，希望借此給大家提供一點(diǎn)借鑒參考，在同類(lèi)產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)拓寬思路，找出更多更優(yōu)質(zhì)的方案。