铁路客车辅助电源逆变器设计方案-电子发烧友网

引言

铁路客车辅助电源负责给车上各种负载用电设备供电。本文所述逆变器是将列车提供的600 V直流电逆变成三相交流380 V，带动客车空调机组工作，调节车厢温度和通风，可调频调压，以实现空调变频化。同时也为餐车上的电茶炉等三相负载供电。

1 逆变器方案设计

逆变器是通过电力电子开关的开通和关断作用，把直流电能转变成交流电能的一种变换装置，是整流变换的逆过程。电力电子开关器件的通断，需要一定的驱动脉冲，这些脉冲可以通过改变一个电压信号来调节，产生和调节脉冲的电路就是主控制电路。一个逆变器的电路组成除了逆变开关电路和主控制电路之外。还有保护电路、辅助电源、输入输出电路等。

本设计中所用的直接逆变方案，是铁路客车辅助电源主电路最简单最基本的形式。方案如图1所示。

主要的功能模块划分为主控制系统、前级检测、输入控制、直流滤波、三相逆变、交流滤波，配合辅助电源、采样、保护电路等。

该电路优点是结构简单、功率器件使用数量少：但缺点是逆变器输出电压容易受DC600 V干线电压的波动影响，实测电压品质因素差、谐波含量大，为了获得相对恒定的交流电压输出，必须采用运算速度很快的DSP作主控制单元。

DSP是一种适合数字信号处理的高性能微处理器，如何选择DSP?可以从以下几方面来考虑。

(1)速度

DSP速度一般用MIPS或FLOPS表示，即百万次／s。一些设计会片面追求高处理速度，但速度越高，系统实现也越困难。

(2)精度

DSP芯片分为定点、浮点处理器，对于运算精度要求很高的处理，可选择浮点处理器。定点处理器也可完成浮点运算，但精度和速度会有影响。

(3)寻址空间

不同系列DSP程序、数据、I／0空间大小不一，DSP在一个指令周期内能完成多个操作，所以DSP指令效率很高，程序空间一般不会有问题，关键是数据空间是否满足。

TMS320LF2407芯片在控制方面应用非常广泛，作为一款专门面向数字控制系统进行优化的通用可编程微处理器，TMS320LF2407不仅具有低功耗和代码保密的特点，而且它集成了极强的数字信号处理能力，又集成了数字控制系统所必需的输入、输出、A／D转换、事件捕捉等外设，其时钟频率为40 MHz，指令周期小于50 nS，采用改进的哈佛结构和流水线技术，在一个指令周期内可以执行几条指令。本方案中拟用TMS320LF2407作为DSP处理芯片。

下面简单介绍一下各部分电路情况。

前级检测可以有效监测输入电压的波动．准确实施过欠压保护。

输入控制是利用接触器对负载发生故障时实施隔离，防止故障进一步扩散。

直流滤波的主要功能是滤平输入电路的电压纹波，当负载变化时，使直流电压平稳。由于铁路客车辅助电源逆变器的功率较大，因此滤波电容的容量也较大，一般使用电解电容。但由于电解电容的电压等级限制(一般最高工作电压在450 V)，需要将其串联后再并联使用。而电容自身参数的离散导致电容电压无法一致，解决的办法是采用电容两端并联均压电阻。

按照铁路客车辅助电源逆变器的设计要求。输出为正弦波，交流滤波电路主要就是将逆变器输出的PWM波变成准正弦波，以此保证较低的谐波含量。

三相逆变是逆变器的核心电路，在直接逆变的方案图中，该部分由VT1 ～VT6六个功率开关器件组成，各由一个续流二极管反并联，整个逆变器由恒值直流电压U供电。

输入电源、电动机的突然停止和线路感抗等会引起逆变器过压；接触网电压的波动，有可能造成输出欠压；某些情况下，逆变器的输出会超过其自身的输出能力即过载；而功率器件工作时，产生各种损耗，其中主要包括导通过程损耗、通态损耗和关断时的损耗，这些损耗以热量的形式向外传送，当开关频率增高后，会造成过热。

对应以上逆变器工作中产生的种种情况，设计时需考虑各项保护功能：过压保护、欠压保护、过载保护、过热保护等。

2 控制方法

在逆变器电路的设计中，控制方法是核心技术。早期的控制方法使得输出为矩形波．谐波含量较高，滤波困难，而SPWM技术较好地克服了这些缺点。SPWM正弦脉宽调制技术是通过一系列宽窄不等的脉冲进行调制，来等效正弦波形(幅值、相位和频率)。SPWM容易实现对电压的控制。控制线性度好，广泛用于直流交流逆变器。

SPWM控制方式中有几个重要的参量：载波频率fc，调制波频率fr及载波比N，N=fc/fr。

在实际应用中，逆变器的启动过程是一个变频变压的软启动过程，而且为了实现空调的变频化。也就是说调制频率fr是变化的。于是，在实行SPWM时，我们根据载波和调制波是否同步以及载波比N的变化情况，有异步调制和同步调制之分。

(1)同步调制

这种调制方式是使载波比Ⅳ等于常数．即在变频时让载波和调制波保持同步。其优点是波形对称；但缺点是，在逆变器输出频率(调制波频率)很低时，载波频率也很低，产生输出波形中谐波不易滤除，而且会带来较大的噪音；当逆变器输出频率很高时，载波频率会过高，使得功率开关器件难以承受。

(2)异步调制

为了消除同步调制的缺点，可以采用异步调制方式。顾名思义，异步调制时，在变频器的整个变频范围内，载波比n不等于常数。一般在改变调制波频率fr时保持三角载波频率ft不变，因而提高了低频时的载波比。这样输出电压半波内的矩形脉冲数可随输出频率的降低而增加，从而减少负载电动机的转矩脉动与噪声，改善了系统的低频工作性能。

有利必有弊，异步调制方式在改善低频工作性能的同时，又失去了同步调制的优点。当载波比Ⅳ随着输出频率的降低而连续变化时，输出电压波形及其相位都发生变化，难以保持三相输出的对称性，可能引起电动机工作的不平稳。

通过分析，我们需要的是把两种方式的优点结合起来，得到另一种调制方式：分段同步调制。即把逆变器的整个输出频率范围(如50～60 Hz)划分成若干个频段，在每个频段内都保持载波比N恒定．而不同频段的载波比不同。在输出频率高的频段采用较低的载波比，输出频率低的频段采用较高的载波比。

3 驱动电路

驱动电路是将主控电路中产生的六个PWM信号，经光电隔离放大后，为逆变器提供驱动信号。

本设计中驱动电路部分的开关功率器件选择IGBT。

IGBT(绝缘双极型晶体管)是由BJT(双极型三极管)和MOS(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件，兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点 GTR饱和压降低，载流密度大，但驱动电流较大：MOSFET驱动功率很小，开关速度快，但导通压降大，载流密度小。IGBT将MOSFET和GTR的优点集于一身，既具有输入阻抗高、速度快、热稳定性好和驱动电路简单的优点，又有通态电压低耐压高的优点，因此发展很快，倍受欢迎，在电机驱动、中频和开关电源以及要求快速、低损耗的领域．IGBT有取代MOSFET和GTR，IGBT非常适合应用于直流电压为600 V及以上的变流系统。

因为桥式逆变器中的IGBT工作电位差大．不允许控制电路直接与其耦合，为了保证驱动电路和主电路之间的信号传输，一般采用光电耦合器的隔离驱动器。由于IGBT是高速器件，故必须选取小延时的高速型光耦。常用的是芯片HCPL-316J．本设计中选择DSP为主控单元，其与HCPL-316J结合可驱动IGBT，控制其导通、关断并实现保护功能。它的输出功能可以简略的用下面的逻辑功能表来描述，详见表1所列。