正弦波輸出車載空調(diào)逆變電源設(shè)計(jì)研究與實(shí)現(xiàn)

1、（申請(qǐng)工學(xué)碩士學(xué)位論文）正弦波輸出車載空調(diào)逆變電源的設(shè)計(jì)研究與實(shí)現(xiàn)培養(yǎng)單位：自動(dòng)化學(xué)院學(xué)科專業(yè)：控制理論與控制工程研 究 生：何 靜指導(dǎo)教師：陳三寶教授日 期：2003年3月武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文摘 要長期以來，機(jī)車司機(jī)室沒有空調(diào)系統(tǒng)，司機(jī)工作條件惡劣。隨著鐵路運(yùn)輸日益向高速化、高密度化方向發(fā)展，改善機(jī)車司機(jī)的工作環(huán)境以確保行車安全顯得越來越重要。在鐵道部的統(tǒng)一部署下，新造機(jī)車從1998年起全部加裝機(jī)車空調(diào)及配套的機(jī)車空調(diào)電源系統(tǒng)，這是以IGBT器件、微機(jī)技術(shù)為標(biāo)志的新興電力電子技術(shù)第一次大批量的運(yùn)用到機(jī)車車輛領(lǐng)域，為后來客車空調(diào)電源、機(jī)車輔助變流器以至交流傳動(dòng)機(jī)車的研制積累了運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)，為這

2、些新技術(shù)、新產(chǎn)品的推廣運(yùn)用起了開路先鋒的作用。機(jī)車加裝空調(diào)后，機(jī)車司機(jī)的工作環(huán)境大大改善，解決了提速機(jī)車高速運(yùn)行不能開窗降溫的問題，間接保障了行車安全，其社會(huì)效益也是巨大的。從三年來機(jī)車空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)用情況看，由于各空調(diào)機(jī)廠家、電源廠家持續(xù)不斷的改進(jìn)，整個(gè)系統(tǒng)的故障率呈逐年下降的趨勢(shì)。但與其他機(jī)車電器比較，空調(diào)機(jī)故障率很低而電源系統(tǒng)的故障率仍然居高不下，部分地區(qū)達(dá)到100。各電源制造廠家一直在尋求降低故障率的方法，包括對(duì)舊型機(jī)車空調(diào)電源、電氣控制箱的技術(shù)改進(jìn)，對(duì)一體化機(jī)車空調(diào)電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)，各廠家都積累了相當(dāng)多的經(jīng)驗(yàn)，但由于多種因素，這些努力收效不大。本文的主要工作:1對(duì)目前內(nèi)燃機(jī)車空調(diào)電

3、源存在的問題進(jìn)行分析，并探討這些問題影響整機(jī)可靠性的機(jī)理,針對(duì)這些問題提出優(yōu)化設(shè)計(jì)的方案。2根據(jù)鐵道部頒布的內(nèi)燃機(jī)車空調(diào)電源技術(shù)條件的要求，在理論分析的基礎(chǔ)上對(duì)機(jī)車空調(diào)電源的斬波升壓部分、逆變電路部分、輸出濾波器進(jìn)行了設(shè)計(jì)，針對(duì)優(yōu)化設(shè)計(jì)的整機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行散熱核算。3對(duì)設(shè)計(jì)出的機(jī)車空調(diào)電源進(jìn)行測(cè)試，驗(yàn)證所采取的設(shè)計(jì)計(jì)算方法是否達(dá)到預(yù)想的結(jié)果，再根據(jù)測(cè)試結(jié)果修正設(shè)計(jì)方法，得出設(shè)計(jì)此類電源的普遍的工程設(shè)計(jì)方法或公式。關(guān)鍵詞：逆變電源 優(yōu)化設(shè)計(jì) 工程設(shè)計(jì)方法I武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文AbstractThere is no air-condition system in locomotive cab for

4、 a long time, and motormans working conditions is abominable.Railage is developing to high speed and high density direction increasingly, so it is more and more important to ensure travelling crane safety by improving motormans working surroundings.In the consolidate allocate of railroad ministry, n

5、ew-made locomotives have installed locomotive air-condition and wiring locomotive air-condition power system since 1998. For the first time rising electric power and elctron technology whose signs are IGBT parts of an apparatus and computer technology is applied in locomotive vehicle field abundantl

6、y, and it accumulates exercised experience for later passenger car,locomotive assistant convertor and AC drive locomotive, and it is trailbreaker for spread and exertion of those new technologies and new products.The working surroundings of locomotive motorman has improved greatly, solved the proble

7、m of no permitting opening the window to reduce the temperature of cab in high speed locomotive, and indirectde ensured traveling crane safety becase of the installation of air-conditon. Its social benefit is also great.In three years exertion of locomotive air-conditon system,because of continual b

8、etterment of air-conditon manufacturers and power manufacturers, fault rate of whole system is dropping year by year.But comparing to other locomotive products, the fault rate of air-condition is low and fault rate of power system is high, ever 100 percent in some regions .All power manufacturers ar

9、e searching the methods of reducing fault rate, including mending old locomotive air-conditon power and electric restraining box,designing and testing all in one locomotive power system. They accumulated quite a number of experiences, but gains of these efforts are small because of manifold factors.

10、The main works of this paper are as follow:1 Analyses existing problems in locomotive air-condition power, and probes into the mechanisms that these problems affect reliability of the power, and proposes design scheme of optional design aiming at these problems.2 In the light of the technological co

11、nditions of locomotive, which is published by railroad ministry, designs the chopper, inverter and output filter of II武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文the locomotive air-contion power on the basis of theoretic analysis, conducts thermal calculation of the optional system.3 Tests the air-conditon power to verify whether

12、it achieves the desired results, and revises the design methods according to the results of the test, arrives at universal engineering design methods or formulas of this kind of power.Key words: inverter optionalIIIdesign engineering design methods武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文目 錄第1章 緒論11.1 機(jī)車空調(diào)電源簡介11.2目前機(jī)車空調(diào)電源存在的問題分

13、析11.3 本文的主要工作任務(wù)4第2章 整體電路的設(shè)計(jì)52.1總體方案的選取52.2 電路構(gòu)成及各部分工作原理82.2.1 斬波器電路構(gòu)成和工作原理82.2.2 逆變器電路構(gòu)成和工作原理162.2.3電源其他部分電路構(gòu)成和工作原理222.3 斬波器的設(shè)計(jì)232.3.1 主要電氣參數(shù)的確定232.3.2 升壓電感的設(shè)計(jì)252.3.3 斬波管的選擇292.3.4 斬波控制電路的設(shè)計(jì)322.4 逆變器的設(shè)計(jì)352.4.1 主要電氣參數(shù)的確定352.4.2 逆變器的諧波分析362.4.3 濾波電容的選取412.4.4 逆變控制電路的設(shè)計(jì)422.4.5逆變器的主要參數(shù)組47IV武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文2

14、.5 輸出濾波器的設(shè)計(jì)492.6 散熱計(jì)算與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)502.6.1 散熱器的選取502.6.2 輸入輸出電連接器、冷卻風(fēng)扇等附件的選取532.6.3 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)542.7 故障處理流程設(shè)計(jì)552.8 小結(jié)55第3章 正弦波輸出機(jī)車空調(diào)電源的試驗(yàn)研究563.1 試驗(yàn)結(jié)果和分析563.2 小結(jié)57第4章 正弦波輸出車載空調(diào)電源的工程設(shè)計(jì)方法總結(jié)58 致 謝60 參考文獻(xiàn)61 發(fā)表論文和科研情況64 附 錄65V武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文第1章 緒論1.1 機(jī)車空調(diào)電源簡介長期以來，機(jī)車司機(jī)室沒有空調(diào)系統(tǒng)，司機(jī)工作條件惡劣。隨著鐵路運(yùn)輸日益向高速化、高密度化方向發(fā)展，改善機(jī)車司機(jī)的工作環(huán)境以確保行車

15、安全顯得越來越重要。機(jī)車空調(diào)電源的主要功能為：將來自輔助發(fā)電機(jī)的不穩(wěn)定的直流電壓（110VDC）變成穩(wěn)定的、頻率和電壓可調(diào)的三相交流電，供給機(jī)車空調(diào)。從1998年起，空調(diào)系統(tǒng)在機(jī)車上全面推廣應(yīng)用，每年鐵道部在新造機(jī)車上投入將近1億人民幣來加裝該系統(tǒng)。三相空調(diào)機(jī)加逆變電源的方案雖說比其他方案有許多優(yōu)越性，但機(jī)車空調(diào)系統(tǒng)的故障率一直居高不下，高達(dá)50%以上。問題主要集中在逆變電源上（占全部故障的95%以上）。機(jī)車內(nèi)部高溫、高振動(dòng)的工作環(huán)境，加之空調(diào)電源的供電電源質(zhì)量差，電磁環(huán)境惡劣，使得逆變電源的設(shè)計(jì)難度非常大，設(shè)計(jì)時(shí)必須把可靠性放在第一位。1.2目前機(jī)車空調(diào)電源存在的問題分析12在鐵道部的統(tǒng)一部

16、署下，新造機(jī)車從1998年起全部加裝機(jī)車空調(diào)及配套的機(jī)車空調(diào)電源系統(tǒng)，這是以IGBT器件、微機(jī)技術(shù)為標(biāo)志的新興電力電子技術(shù)第一次大批量的運(yùn)用到機(jī)車車輛領(lǐng)域，為后來客車空調(diào)電源、機(jī)車輔助變流器以至交流傳動(dòng)機(jī)車的研制積累了運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)，為這些新技術(shù)、新產(chǎn)品的推廣運(yùn)用起了開路先鋒的作用。機(jī)車加裝空調(diào)后，機(jī)車司機(jī)的工作環(huán)境大大改善，解決了提速機(jī)車高速運(yùn)行不能開窗降溫的問題，間接保障了行車安全，其社會(huì)效益也是巨大的。從三年來機(jī)車空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)用情況看，由于各空調(diào)機(jī)廠家、電源廠家持續(xù)不斷的改進(jìn)，整個(gè)系統(tǒng)的故障率呈逐年下降的趨勢(shì)。但與其他機(jī)車電器比較，空調(diào)機(jī)故障率很低而電源系統(tǒng)的故障率仍然居高不下，部分地區(qū)達(dá)到1

17、00。各電源制造廠家一直在尋求降低故障率的方法，包括對(duì)舊型 1武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文機(jī)車空調(diào)電源、電氣控制箱的技術(shù)改進(jìn)，對(duì)一體化機(jī)車空調(diào)電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)，各廠家都積累了相當(dāng)多的經(jīng)驗(yàn)，但由于多種因素，這些努力收效不大。原因有以下一些：1 技術(shù)條件中某些指標(biāo)有待進(jìn)一步商討例如，內(nèi)燃機(jī)車空調(diào)電源技術(shù)條件中規(guī)定的輸入電壓范圍為77V132V，在此范圍內(nèi)都必須保證輸出額定功率，使得設(shè)計(jì)出來的電抗器尺寸大、重量重、發(fā)熱嚴(yán)重，影響電源可靠性。其實(shí)輔發(fā)輸出電壓正常時(shí)穩(wěn)定度較好，僅在其他輔助電器投入或切除時(shí)出現(xiàn)電壓波動(dòng)，故技術(shù)條件中應(yīng)規(guī)定出現(xiàn)電壓波動(dòng)時(shí)電源繼續(xù)工作不停機(jī)，而輸出電壓頻率應(yīng)允許按比例下降，這

18、樣對(duì)空調(diào)機(jī)的壽命無任何影響，制冷效率也幾乎不變。對(duì)于電源來說，體積、重量都減小了，可靠性也高了。再比如，自99年以后，機(jī)車空調(diào)的壓縮機(jī)都已改為渦旋式，停機(jī)后壓力平衡僅需兩秒，兩秒后重新變頻啟動(dòng)對(duì)空調(diào)機(jī)壽命無任何影響。因此，電力機(jī)車空調(diào)電源技術(shù)條件規(guī)定的過分相持續(xù)供電的要求可以考慮取消，如取消此項(xiàng)要求，電源可靠性將大幅提高，體積、重量也將減小。另外，原技術(shù)條件中對(duì)電源系統(tǒng)的EMC性能未做出必要的規(guī)定，導(dǎo)致各廠家的產(chǎn)品普遍缺乏EMC方面的綜合考慮，系統(tǒng)布線也缺乏EMC方面的考慮，電源既容易受到機(jī)車惡劣電磁環(huán)境的影響而燒損，又容易干擾其他機(jī)車電器的正常工作。對(duì)散熱器表面溫升未作出規(guī)定。這使得部分廠家

19、將IGBT工作結(jié)溫設(shè)計(jì)的很高，而IGBT的最高工作結(jié)溫不宜超過125，否則其壽命和可靠性都將大大下降。對(duì)電源箱的外殼防護(hù)等級(jí)未作出規(guī)定。幾乎所有廠家的電源箱的防護(hù)等級(jí)都為IP20，對(duì)灰塵及水等幾乎無任何防護(hù)能力。而目前的機(jī)車基本上都是非獨(dú)立通風(fēng)結(jié)構(gòu)，車外的灰塵容易進(jìn)入車體，進(jìn)而進(jìn)入到電源內(nèi)部。從現(xiàn)場的電源看，受污染情況相當(dāng)嚴(yán)重，電源內(nèi)部精密的電路板都極易發(fā)生被腐蝕、短路等故障，引起電源燒損。2 電源安裝位置不合理。由于機(jī)車空調(diào)電源系統(tǒng)的好壞并不直接影響行車安全，且傳統(tǒng)的機(jī)車設(shè)計(jì)并不考慮機(jī)車空調(diào)系統(tǒng)，故各大主機(jī)廠均未對(duì)機(jī)車空調(diào)電源系統(tǒng)的安 2武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文裝、布置引起足夠的重視。一些型

20、號(hào)的機(jī)車空調(diào)電源安裝在溫度高、振動(dòng)大的地方，其使用條件已超出TB1394對(duì)機(jī)車電子設(shè)備使用環(huán)境的規(guī)定，使電源的可靠性及壽命大打折扣。空調(diào)電源體積大也是導(dǎo)致安裝位置不好的原因之一。3 機(jī)車空調(diào)電源系統(tǒng)方案有不合理之處。機(jī)車空調(diào)電源系統(tǒng)由電源箱、電氣控制箱組成。為減小電源容量和提高空調(diào)機(jī)壽命，空調(diào)機(jī)內(nèi)各電機(jī)都采用變頻啟動(dòng)。為實(shí)現(xiàn)變頻啟動(dòng)功能，原機(jī)車空調(diào)電源系統(tǒng)采用預(yù)啟動(dòng)信號(hào)與啟動(dòng)信號(hào)來聯(lián)系空調(diào)電源和控制箱。當(dāng)某一電機(jī)需要啟動(dòng)時(shí)，先由電氣控制箱向電源箱送出預(yù)啟動(dòng)信號(hào)，變頻器停止工作，已工作的電機(jī)也停止工作，投入需啟動(dòng)的電機(jī)再延時(shí)后送出啟動(dòng)信號(hào)，變頻器恢復(fù)工作，剛投入的電機(jī)和以前投入的電機(jī)同時(shí)變頻啟動(dòng)

21、。由于控制箱內(nèi)采用氣囊式時(shí)間繼電器，延時(shí)不準(zhǔn)往往造成電氣控制箱與電源配合不好，往往變成直接啟動(dòng)，影響了電源及控制箱內(nèi)電器、壓縮機(jī)的壽命。系統(tǒng)布線未考慮EMC的要求，部分線應(yīng)采用屏蔽線且采取接地措施。 電力機(jī)車空調(diào)電源的操作需打開控制箱箱蓋來進(jìn)行，不方便，不直觀。由于控制箱體積太大，內(nèi)燃機(jī)車空調(diào)電源系統(tǒng)將操縱盒從控制箱分離出來，使得系統(tǒng)在機(jī)車上部件多，分布及布線散亂。顯示的信息太少（僅顯示空調(diào)故障或電源故障，而無具體故障類別提示），不便于檢修、維護(hù)。4 機(jī)車空調(diào)電源、電氣控制箱設(shè)計(jì)有待進(jìn)一步改進(jìn)目前機(jī)車空調(diào)電源普遍采用“斬波升壓逆變”的電路形式，大部分故障出在斬波升壓電路上。主要是由于升壓電感參

22、數(shù)、結(jié)構(gòu)形式不合理，使得其發(fā)熱嚴(yán)重、飽和，進(jìn)而導(dǎo)致其他元件的損壞或壽命減短。另外，電源的整體結(jié)構(gòu)形式、內(nèi)部布線、元件選型等設(shè)計(jì)不當(dāng)也是重要的故障原因。電氣控制箱內(nèi)電機(jī)過載保護(hù)采用普通熱繼電器，容易損壞。5 無統(tǒng)一的檢修規(guī)范，缺乏日常維護(hù)，往往在線修理。變頻器內(nèi)采用電解電容，長期不通電需要喚醒過程，所以空調(diào)電源不能長期不開，即使在冬天也應(yīng)規(guī)定定期開機(jī)。由于缺乏統(tǒng)一檢修規(guī)范，機(jī)務(wù)段無檢修設(shè)備，廠家服務(wù)人員往往在線 3武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文檢修，對(duì)于某些檢修（如換IGBT），由于缺乏必要的檢修條件，結(jié)果經(jīng)常越修可靠性越低。有時(shí)未修好機(jī)車就出庫，給行車安全帶來隱患。反思機(jī)車空調(diào)電源運(yùn)用過程中暴露的問

23、題，鐵道部機(jī)務(wù)局組織各主要運(yùn)用單位、電源及空調(diào)生產(chǎn)單位及有關(guān)專家，通過討論、綜合，重新制定了機(jī)車空調(diào)電源的技術(shù)條件。為便于論述，下面列出了其中主要的條件，具體見附錄。額定輔發(fā)輸入電壓： 110VDC輔發(fā)輸入電壓范圍： DC77V-DC200V控制電源額定輸入電壓：DC110V控制電源輸入電壓范圍：DC77V-DC143V額定輸出功率： 3.3kW額定輸出電壓： 3相380V5%，50Hz1%散熱器表面溫升： 200C（測(cè)量時(shí)輔發(fā)輸入電壓為 110VDC，機(jī)車空調(diào)機(jī)組在額定制冷工況下）。電源箱防護(hù)等級(jí)： IP541.3 本文的主要工作任務(wù)本文所要完成的主要工作任務(wù)如下：1、對(duì)目前內(nèi)燃機(jī)車空調(diào)電源

24、存在的問題進(jìn)行分析，并探討這些問題影響整機(jī)可靠性的機(jī)理,針對(duì)這些問題提出優(yōu)化設(shè)計(jì)的方案。2、根據(jù)鐵道部頒布的內(nèi)燃機(jī)車空調(diào)電源技術(shù)條件的要求，在理論分析的基礎(chǔ)上對(duì)機(jī)車空調(diào)電源的斬波升壓部分、逆變電路部分、輸出濾波器進(jìn)行了設(shè)計(jì)，針對(duì)優(yōu)化設(shè)計(jì)的整機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行散熱核算。3、對(duì)設(shè)計(jì)出的機(jī)車空調(diào)電源進(jìn)行測(cè)試，驗(yàn)證所采取的設(shè)計(jì)計(jì)算方法是否達(dá)到預(yù)想的結(jié)果，再根據(jù)測(cè)試結(jié)果修正設(shè)計(jì)方法，得出設(shè)計(jì)此類電源的普遍的工程設(shè)計(jì)方法或公式。4武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文第2章 整體電路的設(shè)計(jì)2.1 總體技術(shù)方案的選擇實(shí)現(xiàn)前述技術(shù)條件，有兩種不同的電路形式。一種是目前普遍采用的“斬波器逆變器”的技術(shù)方案，另一種是“逆變器升壓變壓器

25、”的技術(shù)方案，兩種方案都能實(shí)現(xiàn)技術(shù)條件的要求，但由于其電路形式上的根本區(qū)別，各有其優(yōu)缺點(diǎn)。圖2-1是“斬波器逆變器”技術(shù)方案的電路框圖。其原理如下：輸入的有波動(dòng)直流110V電壓經(jīng)過升壓電感、斬波器變換為穩(wěn)定的540V直流，再經(jīng)過逆變器變換為SPWM形式的三相交流。由于斬波器及逆變器的穩(wěn)壓控制功能，使得輸出電壓非常穩(wěn)定。輸出正弦波濾波器主要是濾除逆變器輸出的大部分諧波，使最終輸出波形為正弦波，以減小對(duì)外的諧波干擾，同時(shí)也起到對(duì)電源自身的保護(hù)作用。升壓電感除了起到儲(chǔ)能、升壓的作用外，還起到了降低啟動(dòng)時(shí)的輸入電流峰值，延長電解電容壽命的作用，同時(shí)抑制過電壓尖峰，抑制浪涌電流，保護(hù)逆變器。由于斬波電路

26、工作在開關(guān)狀態(tài)，使得輸入電流為鋸齒狀，為降低此鋸齒狀電流的峰峰值，從而減少對(duì)外部電路的影響，故在輸入端加入圖2-1中所示的輸入電解電容。輸入EMC濾波器的作用主要是濾除逆變器產(chǎn)生的高次諧波，減少對(duì)外干擾。圖2-1 “斬波器逆變器”技術(shù)方案框圖圖2-2 “逆變器升壓變壓器”技術(shù)方案框圖5武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文圖2-2是“逆變器升壓變壓器”技術(shù)方案的電路框圖。其原理如下：輸入的有波動(dòng)的直流110V電壓經(jīng)過逆變器變換為SPWM形式的3相55V交流，由于逆變器的穩(wěn)壓作用，該電壓是穩(wěn)定的。再經(jīng)過55V/380V的三相升壓變壓器變換為穩(wěn)定的但仍然是SPWM形式的3相380V交流。輸出正弦波濾波器主要是濾

27、除逆變器輸出的大部分諧波，使最終輸出波形為正弦波，以減小對(duì)外的諧波干擾，同時(shí)也起到對(duì)電源自身的保護(hù)作用。輸入電抗器的作用在于降低啟動(dòng)時(shí)的輸入電流峰值，延長電解電容壽命，同時(shí)抑制過電壓尖峰，抑制浪涌電流，保護(hù)逆變器。輸入EMC濾波器的作用主要是濾除逆變器產(chǎn)生的高次諧波，減少對(duì)外干擾。這種“逆變器升壓變壓器”技術(shù)方案的突出優(yōu)點(diǎn)是電路結(jié)構(gòu)簡單，從而具有較高的可靠性。另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是輸入、輸出相互隔離。由于可利用變壓器漏感，使得輸出正弦波濾波器的體積有所減小。與“斬波器逆變器”技術(shù)方案相比，該方案有以下幾點(diǎn)不足：1 升壓變壓器損耗大、體積大、重量重、成本較高、噪音大。首先是由于該變壓器為工頻變壓器，工作頻

28、率低，使得體積、重量都大。其次是原次邊壓差大，原邊電壓低、電流大，給變壓器設(shè)計(jì)帶來難度，進(jìn)一步加大了體積、重量。另外，由于傳遞的電壓波形為SPWM形式，含有豐富的諧波成分，引起變壓器的附加發(fā)熱，為滿足散熱要求，不得不再進(jìn)一步加大體積、重量。同時(shí)，為減小諧波引起的鐵耗，需要采用更薄的冷軋硅鋼片，增加了成本。諧波也是噪音產(chǎn)生的根源。將輸出正弦波濾波器置于變壓器之前，雖然可以消除上述諧波在變壓器上產(chǎn)生的問題，但由于電流大，濾波器的體積將大到令人無法接受的程度。2 逆變器體積大、損耗大。由于逆變器工作電壓低，工作電流大，必須選用更大規(guī)格的IGBT。“斬波器-逆變器”方案中逆變器的輸出電流僅為5A，而此

29、方案中逆變器的輸出電流為34.5A。由于無低壓IGBT選擇（最低為600V等級(jí)），IGBT的體積必然加大，相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電路也加大。由于電流增加數(shù)倍，IGBT的通態(tài)損耗也加大，使得散熱器的體積相應(yīng)加大。由于電流的增加，逆變器輸入側(cè)的電解電容器的脈動(dòng)電流增加，需要更大體積、重量的電容器。3 輸入EMC濾波器體積較大、重量較重。“斬波器逆變器”技術(shù)方案 6武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文中的升壓電感起到了部分EMC濾波器的作用，故其EMC濾波器的體積較小。相對(duì)而言，“逆變器升壓變壓器”技術(shù)方案中的EMC濾波器則體積較大、重量較重。4 如輸入直流電壓過低，IGBT導(dǎo)通時(shí)的管壓降將對(duì)輸出波形的諧波成分產(chǎn)生較大的影

30、響，輸出波形變差，必須采用復(fù)雜的算法來修正。與“逆變器升壓變壓器”技術(shù)方案相比，“斬波器逆變器”技術(shù)方案去掉了升壓變壓器，增加了斬波器和升壓電感。由于斬波器工作頻率高，而升壓電感的體積、重量是與斬波器的工作頻率的平方幾乎成反比的，故而在同樣的功率條件下，升壓電感的體積、重量比升壓變壓器小許多。如斬波器和升壓電感設(shè)計(jì)得當(dāng)，其損耗也將大大小于“逆變器升壓變壓器”技術(shù)方案中的升壓變壓器。如前所述，“斬波器逆變器”技術(shù)方案中的逆變器體積、重量、損耗都小于“逆變器升壓變壓器”技術(shù)方案中的逆變器?！澳孀兤魃龎鹤儔浩鳌奔夹g(shù)方案中輸出正弦波濾波器體積小的優(yōu)點(diǎn)正好被其輸入EMC濾波器體積大的缺點(diǎn)所抵消。從可靠性

31、的角度來說，由于增加了斬波器這一環(huán)節(jié)，“斬波器逆變器”技術(shù)方案的電路復(fù)雜程度增加，相應(yīng)的，可靠性降低。但如果斬波器設(shè)計(jì)得當(dāng)，加之該方案具有的損耗小的優(yōu)點(diǎn)，可靠性反而會(huì)高于“逆變器升壓變壓器”技術(shù)方案。綜上所述，在機(jī)車空調(diào)電源這種功率等級(jí)，“斬波器逆變器”的技術(shù)方案優(yōu)于“逆變器升壓變壓器”的技術(shù)方案。對(duì)于更小功率等級(jí)的應(yīng)用（如1kw的機(jī)車冰箱電源），“逆變器升壓變壓器”技術(shù)方案則可能更為優(yōu)越。這是由于隨著電源功率的減小，升壓變壓器的體積、重量、損耗都將顯著下降。而對(duì)于“斬波器逆變器”技術(shù)方案而言，斬波器的工作頻率不可能大幅提高，體積、重量、損耗等下降不夠明顯，而成本卻高于升壓變壓器。由于逆變器的

32、控制電路較復(fù)雜，隨著電源功率的減小，逆變器的體積、成本主要由其控制電路決定，而不是如前面分析的那樣，由IGBT和電解電容決定，所以“斬波器逆變器”技術(shù)方案中逆變器體積小、重量輕的優(yōu)勢(shì)也不復(fù)存在。尤其在要求輸入輸出隔離的條件下，在小功率電源應(yīng)用中，“逆變器升壓變壓器”技術(shù)方案 7武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文則更加不可替代。所以不能片面的說某種技術(shù)方案行或者不行，而應(yīng)結(jié)合電源功率等條件來分析。由于篇幅所限，以上分析只是定性的說明。事實(shí)上，詳盡的計(jì)算和試驗(yàn)結(jié)果證明了上述分析的正確性，在本論文中不作列舉。2.2 電路構(gòu)成及各部分工作原理圖2-1是“斬波器逆變器”技術(shù)方案的電路框圖。其原理如下：輸入的有波動(dòng)

33、直流110V電壓經(jīng)過升壓電感、斬波器變換為穩(wěn)定的540V直流，再經(jīng)過逆變器變換為SPWM形式的三相交流。由于斬波器及逆變器的穩(wěn)壓控制功能，使得輸出電壓非常穩(wěn)定。輸出正弦波濾波器主要是濾除逆變器輸出的大部分諧波，使最終輸出波形為正弦波，以減小對(duì)外的諧波干擾，同時(shí)也起到對(duì)電源自身的保護(hù)作用。升壓電感除了起到儲(chǔ)能、升壓的作用外，還起到了降低啟動(dòng)時(shí)的輸入電流峰值，延長電解電容壽命的作用，同時(shí)抑制過電壓尖峰，抑制浪涌電流，保護(hù)逆變器。由于斬波電路工作在開關(guān)狀態(tài)，使得輸入電流為鋸齒狀，為降低此鋸齒狀電流的峰峰值，從而減少對(duì)外部電路的影響，在輸入端加入圖2-1中所示的輸入電解電容。輸入EMC濾波器的作用主要

34、是濾除逆變器產(chǎn)生的高次諧波，減少對(duì)外干擾。2.2.1 斬波器電路構(gòu)成和工作原理3-7圖2-3為斬波器的詳細(xì)電路圖。圖2-3 斬波電路圖(1) 升壓斬波器工作原理斬波器由斬波管、電解電容、PWM控制部分（產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)斬波管的脈沖）等組成，作用是將輸入的有波動(dòng)直流110V電壓經(jīng)過升壓電感、斬波管變換為穩(wěn)定的540V直流。常用的斬波電路有五種：降壓式、升壓式、升降壓式、 8武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文庫克式和全橋式，圖2-3所示電路為升壓式斬波器的原理電路，為便于表述工作原理，將升壓電感L也畫在里面。當(dāng)IGBT開通時(shí)， VD1截止，于是將輸出級(jí)隔離，輸入電壓加在電感L上，由輸入端向電感L供應(yīng)能量，流過L的電

35、流開始增加。當(dāng)IGBT關(guān)斷時(shí)，由于L上的電流不能突變，電流通過二極管VD1續(xù)流，VD1開通，輸出端吸收來自電感和輸入端的能量。以下的穩(wěn)態(tài)分析說明了該斬波器的工作原理。斬波器的穩(wěn)態(tài)是指流過電感的電流平均值達(dá)到恒定，每個(gè)周期起始的電流值相同。換句話說，即一個(gè)周期內(nèi)電感電壓的積分為零。為敘述方便，可假設(shè)電容C足夠大以確保一個(gè)恒定的輸出電壓uo(t)=Uo，這也與實(shí)際情況相符。當(dāng)升壓電感上的電流始終大于零時(shí)，稱為連續(xù)導(dǎo)電模式，先分析連續(xù)該模式下的工作原理：在這個(gè)模式下，電感電流連續(xù)流動(dòng)iL(t)0，圖2-4示出了一個(gè)周期內(nèi)其穩(wěn)態(tài)工作時(shí)的波形。IGBT開通（ton）及關(guān)斷（toff）時(shí)的等效電路圖分別如

36、圖2-5的a、b所示圖2-4 連續(xù)導(dǎo)電模式下的電感電流、電壓波形（a）IGBT導(dǎo)通時(shí)等效電路 （b）IGBT關(guān)斷時(shí)等效電路圖2-59武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文由于在穩(wěn)態(tài)時(shí)電感電壓在一個(gè)周期內(nèi)對(duì)時(shí)間的積分為0，即U0TLdt=0得Uiton+(UiUo)toff=0整理得：Uoton+toff1= （2-1） Uitoff1D其中D為占空比 D=ton ton+toff在不考慮損耗的情況下，輸入斬波器的功率與輸出功率相等，即UiIi=UoIo于是有輸入電流平均值與輸出電流平均值之比為：Ii1 （2-2） =Io1D以上得出的是連續(xù)導(dǎo)電模式的公式。當(dāng)輸出功率逐漸變小，圖2-4所示的鋸齒電流會(huì)逐漸減小

37、。當(dāng)每個(gè)周期內(nèi)電感電流都回到零值時(shí)，則成為斷續(xù)導(dǎo)電的模式.圖2-6(a)、(b)分別給出了處于斷續(xù)邊界和斷續(xù)時(shí)的電感電流、電壓波形.（a）斷續(xù)邊界電感電流、電壓波形（b）斷續(xù)時(shí)電感電流、電壓波形圖2-6在斷續(xù)導(dǎo)電工作模式下,電感電壓在一個(gè)周期內(nèi)對(duì)時(shí)間的積分為0，即 UiDT+(Ui-Uo)d1T=010武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 Uod1+D=整理得 (2-3) Uid1在不考慮功率損耗的情況下, UiIi=UoIo,則有Io=d1Ii d1+D由圖2-6計(jì)算在數(shù)值上與電感電流相等的輸入電流平均值,有Ii=IL=UDT(D+d1)11 IL(D+d1)T=iT22LUiDTd1 (2-4) 2L

38、從而Io=2 應(yīng)該指出，若輸出電壓不可控，在斷續(xù)模式下至少有（UiDT）/2L的能量從輸入端送到負(fù)載和電容上去，若負(fù)載不能全部吸收這些能量，那么在達(dá)到能量平衡前，電容器上的電壓將升高。嚴(yán)重時(shí)，Uo的升高會(huì)擊穿電容，或產(chǎn)生危險(xiǎn)的高壓。所以，必須采用合適的控制方式來實(shí)時(shí)控制占空比，才能保證斬波器穩(wěn)定可靠的工作。(2) 斬波器的控制部分原理斬波器的控制系統(tǒng)分電壓型PWM控制系統(tǒng)和電流型PWM控制系統(tǒng)兩大類。而電流型PWM控制系統(tǒng)又分為峰值電流型和平均電流型，它們檢測(cè)并反饋的分別是一個(gè)導(dǎo)通周期（ton）內(nèi)電流變化的峰值和平均值。峰值電流型PWM控制方便、快速，而且能可靠地控制電流峰值，防止IGBT過流

39、損壞，比平均電流型PWM控制應(yīng)用更普遍。本電源的升壓斬波器即采用峰值電流型PWM控制.1) PWM脈沖形成的基本電路PWM脈沖形成的基本電路及波形如圖2-7所示。（a）電路 （b）波形圖2-7 PWM脈沖形成電路及波形11武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文圖中比較器反相輸入端為一鋸齒波，同相輸入端為恒定的Vc。由圖可以看出，Vc及RAMP的變化將影響輸出的脈寬，也即調(diào)節(jié)了占空比。 2)峰值電流型PWM控制基本原理本電路采用峰值電流型PWM控制芯片UC2842A。它是高性能固定頻率的電流型控制器，主要用于脫機(jī)和DC-DC變換器。這種集成電路的特點(diǎn)是有一個(gè)調(diào)定振蕩器，用來精確地控制占空比。有一個(gè)經(jīng)過溫度補(bǔ)償

40、的基準(zhǔn)電壓，一個(gè)高增益差動(dòng)放大器、電流傳感比較器和一個(gè)適用于驅(qū)動(dòng)功率MOSFET的大電流推挽輸出。它還具有一些保護(hù)功能，其中包括各有其滯后的輸入和基準(zhǔn)電壓的欠電壓鎖定，逐個(gè)周期的電流限制，可控制的輸出死區(qū)時(shí)間和用來記錄單脈沖的鎖存器。UC2842A的基本原理框圖如圖2-8所示?？梢钥闯觯娏餍蚉WM控制實(shí)際上是電壓電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)。a、電流反饋網(wǎng)絡(luò)主回路的電流iL(t)由電流傳感器通過采樣電阻轉(zhuǎn)為電壓值送往PWM比較器,形成電壓鋸齒波RAMP。（由于比較器的輸出將通過RS觸發(fā)器反相，因此與基本PWM形成電路不同的是RAMP接在了比較器的同相輸入端。）圖2-8 UC2842A的原理框圖b、電壓

41、反饋網(wǎng)絡(luò)主回路的輸出電壓在經(jīng)過降壓電阻后接入誤差放大器并與參考電壓Vref比較，再通過K2網(wǎng)絡(luò)進(jìn)一步降低以產(chǎn)生Vc（保證誤差放大器的輸出12武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文端處于最低電平時(shí)在輸出Uo時(shí)不會(huì)出現(xiàn)驅(qū)動(dòng)脈沖）。同時(shí)Vc的最大值被D1的箝位電平所限制。C、頻率和最大占空比電容器CT由一個(gè)基準(zhǔn)電壓V經(jīng)過電阻器RT充電到VH，然后向一個(gè)內(nèi)部電流漏放電到VL。在圖2-8和圖2-9中可以看出，輸出脈沖的頻率完全由CT、RT產(chǎn)生的波形決定，由此而決定了電感電流的頻率，估算公式為f=1.82/CTRT在CT放電時(shí)，振蕩器生成一個(gè)內(nèi)部空脈沖，它使或非門的一個(gè)輸入保持為高電平，使輸出為低電平，從而產(chǎn)生一定量的

42、輸出死區(qū)時(shí)間，這個(gè)死區(qū)時(shí)間將導(dǎo)致toff的最小值被限制，即最大占空比的形成。注意有許多RT、CT可以得到同樣的頻率，但只有一種組合能在給定的頻率下獲得要求的死區(qū)時(shí)間，具體取值要根據(jù)所采用控制芯片的振蕩器參數(shù)決定。死區(qū)時(shí)間非常重要，因?yàn)椴还苣姆N功率開關(guān)管，其關(guān)斷和開通時(shí)刻間必須有一定的時(shí)間間隔，否則無法保證功率管可靠關(guān)斷，從而導(dǎo)致失控。作為電流型控制器，其輸出開關(guān)傳導(dǎo)由振蕩器起動(dòng)，在電感的峰值電流達(dá)到由誤差放大器輸出建立的門限電平時(shí)結(jié)束。因此誤差信號(hào)是逐個(gè)周期地控制電感的峰值電流的。電流傳感比較器、PWM鎖存器配置用來保證在一個(gè)給定的振蕩器周期只有一個(gè)脈沖出現(xiàn)在輸出端。d、具體工作原理由圖2-8

43、可以看出，當(dāng)Q1導(dǎo)通，Q2截止時(shí)，輸出Vo為高VoH,當(dāng)Q1截止，Q2導(dǎo)通時(shí)，輸出VO為低VOL。因此，當(dāng)或非門只要有一個(gè)輸入為高時(shí)輸出VOL，只有同時(shí)為低時(shí)才輸出VOH。輸出Vo與R、S、Q非的邏輯關(guān)系見表2-1。(下標(biāo)n-1表示前一個(gè)狀態(tài)，n表示現(xiàn)在的狀態(tài)) 表2-1 R、S 、Q非的邏輯關(guān)系Qn-1 Qn Vo OH OL OL OL OL OL OL OL13武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文由表2-1可以畫出主回路電流、電壓變化和穩(wěn)定工作時(shí)的波形圖，如圖2-9。由圖2-9可以看出，電容的放電時(shí)間決定了最大占空比，其振蕩頻率決定了IGBT的開關(guān)頻率，電壓反饋的箝位電平?jīng)Q定電感電流的峰值。另外由表

44、1的邏輯關(guān)系可知，當(dāng)電感電流信號(hào)始終高于電壓反饋的Vc時(shí)，觸發(fā)器的R端恒為1，Q非恒為1輸出恒為VOL，IGBT總是關(guān)斷。因此若在外電路中設(shè)計(jì)一個(gè)開關(guān)，在反饋電壓高于一個(gè)恒值時(shí)，將箝位電平將為0，就可以實(shí)現(xiàn)過壓保護(hù)和限壓的目的。圖2-9 主回路電流、電壓變化和穩(wěn)定工作時(shí)的波形圖圖2-9的波形指出，在控制中，電壓反饋與電流峰反饋同時(shí)作用。因此斬波器工作于穩(wěn)態(tài)時(shí)，斬波升壓后的電壓大小與電流峰值密切相關(guān)。例如在恒負(fù)載情況下，電源輸入電壓減小引起電流峰值升高，在達(dá)到新的平衡后，斬波后的輸出電壓將比原來的電壓要低。電流型PWM控制非常穩(wěn)定、動(dòng)態(tài)響應(yīng)也很快，但這種控制方式具有以下幾個(gè)缺點(diǎn)：1在穩(wěn)態(tài)時(shí)有靜態(tài)

45、誤差；2控制精度不高且高頻段斜率不夠大；3對(duì)高噪聲的衰減速度太慢，因此抗高頻干擾的能力不強(qiáng)。當(dāng)電流型變換器工作在占空比大于50%并有連續(xù)的電感電流時(shí)可能出現(xiàn)低次諧波。這種不穩(wěn)定與調(diào)節(jié)器的閉環(huán)特性無關(guān)，而是由于固定頻率和峰值電流檢測(cè)同時(shí)工作引起的。圖2-10說明了這種現(xiàn)象的圖形。14武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文在t0開關(guān)開始導(dǎo)通時(shí)，使電感的電流以斜率m1上升。這個(gè)斜率是輸入電壓被電感除的函數(shù)。在t1，電流傳感輸入達(dá)到由控制電壓建立的門限，使開關(guān)斷開，電流以斜率m2衰減直到下一個(gè)振蕩器周期。如果在控制電壓上加一個(gè)小的擾動(dòng)，則會(huì)出現(xiàn)不穩(wěn)定，得到一個(gè)小的I（虛線）。當(dāng)振蕩器具有固定的周期時(shí)，電流衰減時(shí)間減

46、少，而開關(guān)接通時(shí)(t2)的最小電流將增加I+I m2/m1倍。下一個(gè)周期（t3）的最小電流將減少到（I+I m2/m1）(m2/m1)。這個(gè)擾動(dòng)在每一個(gè)后繼周期將乘以m2/m1，并在開關(guān)接通時(shí)輪流增加和減少電感的電流?？赡苄枰獛讉€(gè)振蕩器周期才能使電感中的電流達(dá)到零，使過程重新開始。如果m2/m1大于1，變換器將不穩(wěn)定。人為地將一個(gè)和PWM時(shí)鐘同步的斜波加到控制電壓上（如圖2-10的下圖），經(jīng)過若干個(gè)周期擾動(dòng)I將衰減到零。這個(gè)補(bǔ)償斜波（m3）的斜率應(yīng)等于或略大于m2/2才能使變換器穩(wěn)定。以m2/2的斜率進(jìn)行補(bǔ)償，電感電流的平均值將隨控制電壓變化，從而得到真正的電流型工作。補(bǔ)償斜波可以從振蕩器獲得并加到電壓反饋或電流傳感的輸入上。圖2-10 斜率補(bǔ)償原理圖輸入的直流電壓建立后，斬波控制板得電，延時(shí)一段時(shí)間后開始工作。斬波控制板需要的低壓控制電源由專門的電源模塊提供，該電源模塊的工作范圍很寬，所以即使斬波器的直流輸入電壓出現(xiàn)大的波動(dòng)，斬波控制板也能可靠工作。事實(shí)上，在本電源中，即使輸入電壓低至20V，斬波器仍然能穩(wěn)定工作。15武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文