1 机车控制电源的最新发展

电力机车采用直流110v作为机车的控制电源。近年来，在我国最新研制的电力机车中，已经开始使用高频开关电源，如ss7d、ss8、ss9等。高频开关电源在体积、重量、效率等指标上，都远远优于相控电源。并且功率大，精度高，纹波小，抗干扰能力强，可靠性高。

高频开关电源与目前我们大部分机车所采用的相控整流电源的性能比较见表1。

表1 高频开关电源与相控整流电源性能比较

从电力机车设计的发展来看，相控整流电源必将被开关电源所取代。

2 高频开关电源设计原理

目前，电力机车控制电源的输入为机车主变压器的副边396v绕组，其波动范围为ac396v(-30%-+25%)，今后输入变为 dc600v(500v-660v)。所以电源设计时应考虑输入电压的大范围变化。另外，根据机车设计的总体要求，系统应有完善的自我诊断及保护功能。

本次设计的高频开关电源，主电路为全桥dc/dc变换器结构，采用电流型控制方式，主开关器件采用智能功率模块ipm，由于ipm有完善的保护功能，使系统的故障率下降。另外，系统预留通讯接口，使其工作状态能直接通知给机车，从而确保行车安全。由于机车的电磁兼容环境比较恶劣，故系统设计时充分考虑电磁兼容问题，确保系统工作安全可靠。

机车控制电源的框图如图1所示。

图1 机车控制电源的原理框图

3 dc/dc变换器拓扑与控制研究

3.1 拓扑选择

直流变换器按输入与输出间是否有电气隔离可分为两类：没有电气隔离的称为不隔离的直流变换器，有电气隔离的称为有隔离的直流变换器。

有隔离的直流变换器通过变压器实现电气隔离。具体说来，全桥变换器只需要一个原边绕组，通过正、反向的电压得到正反向磁通，副边绕组结构灵活，能够使变压器铁心和绕组得到最佳利用，使效率、功率密度得以提高。另外一个优点是功率开关在非常安全的情况下运行。在一般情况下，最大的反向电压不会超过电源电压vs，四个能量恢复二极管能消除一部分由漏感产生的瞬时电压。这样，无需设置能量恢复绕组，反激能量便能得到恢复利用。本电源输入电压为 396v(-30%-+255%)，中间直流支撑电压大约在300v～700v之间变动，所以主电路采用全桥变换器结构。

当输出电压比较低、输出电流比较大时，为了减少整流桥的通态损耗，提高变换器的效率，一般选用全波整流方式。本电源输出电压为dc110v，输出电流为80a，故选择全波整流方式比较合适。

3.2 控制方法

dc/dc变换器从控制方式上可以分为两种，即电压型控制方式(voltage mode control)和电流型控制方式(current mode control)，电压型控制方式的基本原理就是通过误差放大器输出信号与一固定的锯齿波进行比较，产生控制用的pwm信号。

电流型控制则是指将误差放大器输出信号与采样到的电感峰值电流进行比较，来控制输出脉冲的占空比，使输出的电感峰值电流随误差电压变化。

我们选择比较先进的电流型变换器，它既保留了电压控制的输出电压反馈控制部分，又增加了一个电流反馈环节，形成双环反馈系统。具有优良的瞬态响应;逐脉冲控制，使保护机制简化;利于多电源并联运行;限制偏磁等优点。

但是电流型控制原理有缺点，当占空比大于50%时，电流扰动会被放大，使控制环变得不稳定;功率级谐振会给控制环带来噪声;电流控制是要使电流呈现恒流特性，会使电路的负载效应变差。

3.3 电流型dc/dc变换器的斜坡补偿

对于上述问题，斜坡补偿是一种简单但非常有效的方法。如图2所示。在a)中，对于一个电流扰动δi0，当d小于50%时，这个扰动将逐渐变小，最后衰减为零;在b)中，d大于50%，这个扰动将被放大，从而导致系统不稳定。所以，我们引入斜坡补偿，它能有些克服以上的问题。在c)中，通过加一个斜率为-m的信号在ve或il上，经推导有：δi1=-δi0[(m2+m)/ (m1+m)]。若使扰动衰减，则应有：

(1)

在稳态时，输出电压不变，m2为一恒值，当m>-0.5(m1+m2)>-0.5m2时能保证3-1式恒成立。

因为电流控制模式需要利用电感电流作为控制变量，所以希望电感电流是一个干净的锯齿波形。当m1值较小时，电流在开通时间始末电流变化很小，使它对噪声的敏感程度升高，尤其是开关管开通时刻副边二极管的反向恢复产生的尖峰电流将成为一个巨大的干扰源。而斜坡补偿相当于增加了电流上升斜率，使电流在开通时间内变化量变大，故起到了抑制干扰的作用。

图2 电流型控制方式开环不稳定性示意图

4 系统主回路设计

主回路由输入整流滤波电路，单相逆变桥，高频变压器，输出整流滤波电路组成。如图3。

4.1 输入整流滤波电路

输入整流电路将输入交流396v电压进行整流、滤波，为单相逆变桥提供一个平滑的直流电压。

4.2 单相逆变桥

单相逆变桥由q1～q4四个智能功率模块(ipm)组成。为高频变压器提供脉宽可调的高频交流方波电压。

4.3 高频变压器

高频变压器t1起到隔离和降压的作用，它由一个原边绕组、两个副边绕组组成;

4.4 输出整流滤波电路

输出整流采用由快恢复二极管fd1、fd2组成的全波整流方式，整流后的高频直流电压通过输出滤波电感l1及电容c13输出稳定的直流110v。

4.5 智能功率模块ipm

智能功率模块ipm是先进的混合集成功率元件，由高速、低耗的igbt芯片和优化的门极驱动和保护构成，具备了igbt和集成电路的双重优点。但与普通igbt相比，在系统性能和可靠性上有进一步提高。所有的ipm均采用同样的标准化与逻辑电平控制电路相连的栅控接口，在产品系列扩充时不需另行设计驱动电路。ipm还具有很好的自我保护能力：控制电源欠压锁定;过热保护;过流保护;短路保护。

缓冲电路用以控制关断浪涌电压以及续流二极管恢复浪涌电压。在某些应用中，缓冲电路通过提供附加的电流路径，使功率器件开关时的电压电流相互错开，以减少开关损耗。

一般情况下，开关管关断电压起始尖峰由缓冲回路寄生电感造成。在一个典型的igbt功率回路中，最差情况的di/dt将接近0.02a/ns*ic。因为δv=ls*di/dt(ls为缓冲回路的寄生电感)，如果δv已被限定，那么可以推算出缓冲电路允许的最大电感量。

一般ipm的缓冲电路有三种结构：如图4所示。(a)由一个低感电容组成，在小功率设计时，这种缓冲电路用作对瞬变电压有效而低成本的控制。(b)使用快恢复二极管解决了这个问题，该二极管可箝住瞬变电压，从而抑制谐振的发生。(c)由于直接连到每个igbt的集电极和发射极，具有较小的回路电感。