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地铁列车牵引变流器IGBT驱动直流电源设计

地铁列车牵引变流器IGBT驱动直流电源设计

摘要

牵引变流器是地铁列车的核心装备,其技术复杂、可靠性要求高。地铁列车牵引变流器主要采用IGBT(绝缘栅双极型晶体管)变流技术。为牵引变流器设计一款性能可靠、稳定的IGBT驱动控制直流电源是保证牵引变流器可靠、稳定运行的一个重要环节。

铁道直流电源专家根据客户牵引变流器IGBT驱动控制直流电源的要求,研制了基于NCP1031芯片的反激型直流电源模块作为牵引变流器的驱动控制直流电源。NCP1031芯片是美国安森美公司生产的超小型单片式高压开关稳压电源件,其性能稳定、可靠,是一款使用广泛的直流电源模块控制芯片。此项目目前已经量产。

1、NCP1031芯片的介绍

NCP1031芯片具有内部启动稳压电源,直接采用输入电压进行供电,还集成门驱动和200 V直流电源开关,从而有效地降低了电磁干扰(EMI)。其中的直流电源开关直流电源电路设计采用SENSEFETTM技术来监控漏直流电源电流(NCP1031芯片的漏直流电源电流限制阈值为0.5 A),用于提升能效。总的来说,NCP1031芯片内部结合了1个PWM(脉宽调制)控制器、1个开关管、1个高效高压启动直流电源电路设计、1个保护直流电源电路设计。NCP1031芯片采用SO-8(贴片8脚)封装,其内部直流电源电路设计框图如图1所示。

NCP1031芯片内部具有直流电源电流限制带自适应前沿消隐(LEB)直流电源电路设计,从而不需外部传感元件;内部误差放大器可做隔离或非隔离应用,高达1 MHz的可编程工作频率减小了磁性元件的尺寸。NCP1031芯片高达1 MHz的工作频率和外部时钟同步,具有线路欠压过压锁定功能;且内部具有逐个周期直流电源电流限制直流电源电路设计、超温保护,内部有误差放大器,可用在隔离型DC/DC二变换器的次级偏压直流电源中。

NCP1031芯片方案减少了外部元件数,所以成本、装配时间和直流电源电路设计板空间均大为降低,在满足功能需要的同时达到了体积最小。

2、驱动直流电源的设计及工作原理

由于本驱动直流电源采用了反激型拓扑直流电源电路设计,故具有结构简单、成本低、元器件少等优点。其主直流电源电路设计图如图2所示:直流电源电路设计输入设计为DC 48 V,输出为5路相互隔离的直流直流电源,其中3路输出是DC +24 V,另2路输出为DC-10 V和DC +15 V;输入端使用由C11、L1和C12构成的滤波直流电源电路设计;由于变压器漏感的存在,在变压器上会造成电压尖峰,在直流电源电路设计中可以用R11、C13以及D11构成的网络来钳位吸收(其中D11应选用超快恢复二极管)。输出端采用肖特基二极管,以提高输出效率。

图3给出了NCP1031芯片的外围直流电源电路设计图。当NCP1031芯片(即U1)引脚6超过2.5 V时,控制芯片开始启动。由R12、R14和R15组成的电阻分压网络将芯片的欠压和过压电平分别设置在36 V和64 V。通过引脚8提供内部启动偏置并驱动恒流源VCC给电容C17充电。一旦U1启动,变压器TC1(见图2)的辅助线圈(引脚3、4)就通过二极管D12和电阻R13提供工作偏执。

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TL431(见图2的U3)作为误差放大器与光耦PC817(U2)一起形成了电压检测和反馈直流电源电路设计。通过将U1的电压检测引脚3接地,从而使U1中的内部误差放大器失效,而引脚4上的放大器输出补偿节点用来通过光耦的光阻控制脉冲宽度。检测到的输出电压被R53和R56(见图2)分压成TL43l的2.5 V参考电平,并由C9和R15设置适合DCM(直流模块)工作的闭环带宽和相位余量。

3、关键直流电源电路设计参数的设计

3.1 变压器原边电感的设计

1)变压器原边绕组的峰值直流电源电流Ipk

变压器原边绕组的峰值直流电源电流Ipk

式中:

Po——输出的总功率;

η——变压器的转换效率;

VminDC——输入的最小直流电压;

Dmin——最小占空比。

2)变压器原边的电感量Lp

变压器原边的电感量Lp

3.2 变压器原副边匝数设计

1)变压器的原边匝数Np

变压器的原边匝数Np

式中:

Ae——磁心的有效截面积;

ΔB——磁心工作磁感应强度变化值。

2)变压器的副边匝数Ns

变压器的副边匝数Ns

式中:

Vo——变压器二次侧输出电压;

VD——变压器二次侧整流二极管导通的正压降。

3.3 RCD(电阻、电容、二极管)吸收直流电源电路设计的设计

1)电阻R应使电容C在最小的导通时间ton内放电至所充电荷的5% 以下,并应满足3RC≤ ton,其中:尺单位为Ω,C单位为F,ton单位为S。

2)在电容的每个充放电周期内消耗在电阻尺上的能量为:

在电容的每个充放电周期内消耗在电阻尺上的能量

式中:

VDC——输入的直流电压,一般取最大值;

fk——开关频率。

3)C的确定

开关频率

式中:

Ip—开关管的峰值直流电源电流;

tf——集电极直流电源电流从初始值下降到零的时间。

4、IGBT驱动直流电源仿真及试验研究

4.1仿真直流电源波形

本文根据NCP1031芯片的内部直流电源电路设计框图,在仿真软件Multisim里面搭建了试验模型,得到了如图4所示IGBT驱动直流电源的电压仿真波形。图4中CH1是输出电压的波形,CH2是变压器原边的电压波形。

4.2 实际试验结果与直流电源波形图

实际试验的具体参数如下:输入电压为DC 4V(波动范围36~64 V),输出电压为15 V。

在输入电压为DC 48 V时,额定负载下的输出电压波形见图5,输出电压纹波波形见图6。从直流电源波形上看,稳压精度比较高,但是输出电压的纹波比较大,这主要是由于反激型直流电源电路设计和输出滤波电容所决定的。

实际试验结果与直流电源波形图实际试验结果与直流电源波形图实际试验结果与直流电源波形图

5、结语

基于NCP1031芯片设计的地铁列车牵引变流器IGBT驱动直流电源具有外围直流电源电路设计简单、安装与调试方便、输入与输出隔离、反馈回路响应快、稳压控制精度高、抗干扰强等优点,在实际实用过程中工作稳定、性能可靠、很好的满足了实际使用需求。更多直流电源解决方案请咨询上海蓄新电气。

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