韓沐行，李 亮，尹智勇，李 雨

（中車大連機(jī)車車輛有限公司 城鐵開(kāi)發(fā)部，大連 116022）

伴隨經(jīng)濟(jì)發(fā)展人們因商務(wù)、旅游、學(xué)習(xí)、務(wù)工返鄉(xiāng)、探親等活動(dòng)愈加頻繁，鐵路運(yùn)輸成為人們最主要的出行工具，我國(guó)每年的鐵路客運(yùn)量都在不斷地增長(zhǎng)。 國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展使得人民更加富裕，人們對(duì)軌道交通工具的舒適性、快捷性、便利性有了更高的要求，導(dǎo)致軌道車輛內(nèi)220 V 供電需求愈發(fā)增加[1]。 例如乘客在列車上使用的筆記本電腦、智能手機(jī)等數(shù)碼娛樂(lè)設(shè)備，列車內(nèi)工作人員日常生活中使用的電器設(shè)備，以及內(nèi)運(yùn)維人員使用的維修工具等一系列用電設(shè)備，這些設(shè)備均需要220 V/50 Hz 交流電[2]。目前很多高速動(dòng)車組均配備了AC220 V 電源，極大地方便了旅客和列車工作人員的工作與生活需要。而很多既有的傳統(tǒng)列車的車廂內(nèi)部至今沒(méi)有配備220 V 電源，或者配備的電源供電質(zhì)量達(dá)不到要求，因此設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)高可靠性和高安全性的軌道列車DC110 V-AC220 V 逆變電源對(duì)解決列車內(nèi)日常生活和工作用的電器設(shè)備用電問(wèn)題具有重要意義。

1 逆變電源硬件電路設(shè)計(jì)

本電源硬件電路包含降壓穩(wěn)壓電路、主電路和控制電路，其整體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 DC110 V-AC220 V 逆變電源總體設(shè)計(jì)方案Fig.1 Overall design scheme of DC110 V-AC220 Vinverter power supply

主電路又稱功率變換電路，分為前級(jí)升壓主電路和后級(jí)逆變主電路兩部分，降壓穩(wěn)壓電路將輸入的直流77 V～144 V 不穩(wěn)定電壓降至48 V 后，由前級(jí)升壓主電路將48 V 直流電壓升壓至370 V 左右，后級(jí)逆變主電路將370 V 直流高壓逆變?yōu)?20 V/50 Hz交流電。

控制電路包括以EG3525 為主控芯片的前級(jí)升壓控制電路和以EG8010 為主控芯片的后級(jí)逆變控制電路。 控制電路輸出主電路各部分開(kāi)關(guān)管工作所需的控制信號(hào)，并接收采樣電路輸出的主電路各部分輸出采樣信號(hào)，調(diào)節(jié)輸出的開(kāi)關(guān)管控制信號(hào)波形，達(dá)到控制主電路工作狀態(tài)的目的，同時(shí)接收保護(hù)電路輸出的保護(hù)信號(hào)，完成電路的保護(hù)功能。

1.1 主電路設(shè)計(jì)

1.1.1 直流升壓主電路設(shè)計(jì)

直流升壓主電路采用推挽拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，所用器件包含功率開(kāi)關(guān)管、高頻變壓器、整流二極管和濾波電容等。 變壓器采用兩個(gè)變壓器初級(jí)并聯(lián)次級(jí)串聯(lián)結(jié)構(gòu)，其輸出為兩個(gè)變壓器次級(jí)電壓之和，實(shí)現(xiàn)高壓輸出的同時(shí)避免了變壓器副邊電壓過(guò)高，保證系統(tǒng)安全，其電路基本原理如圖2 所示。 該電路將輸入降壓穩(wěn)壓電路輸出的48 V 穩(wěn)定直流電壓，經(jīng)開(kāi)關(guān)管和高頻變壓器推挽升壓后，由橋式整流電路和濾波電容整流濾波后輸出370 V 直流電壓供逆變電路使用。

圖2 直流升壓電路原理圖Fig.2 Schematic diagram of DC boost circuit

由于推挽電路中開(kāi)關(guān)管、整流二極管和濾波電容的選型方法較為簡(jiǎn)單，且現(xiàn)存大量資料，因此重點(diǎn)在于高頻變壓器的設(shè)計(jì)，其設(shè)計(jì)方法如下：

（1）確定磁芯

變壓器磁芯面積乘積可用AP 法計(jì)算得出[3]，其具體公式如下：

（2）確定繞組線徑

原邊電流為

由于推挽變壓器為中心抽頭形式，其I=0.707Ip，故初級(jí)繞組繞線橫截面積為

最終得到初級(jí)繞組線徑為0.9 mm，同理，次級(jí)繞組線徑為1.2 mm。

（3）確定繞組匝數(shù)

變壓器初級(jí)繞組匝數(shù)為

變壓器次級(jí)繞組匝數(shù)與初級(jí)繞組匝數(shù)之間有如下關(guān)系：

經(jīng)計(jì)算初步得出Np=8，Ns=30。繞制完成后通過(guò)測(cè)試實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，變壓器的窗口面積在額定輸出功率的情況下相對(duì)較高，不能滿足設(shè)計(jì)要求。 通過(guò)同比例增加原邊和副邊線圈的方式，防止變壓器工作在飽和狀態(tài)，提高變壓器的窗口利用率，經(jīng)調(diào)試后選取Np=11，Ns=40。

1.1.2 逆變主電路設(shè)計(jì)

后級(jí)逆變主電路主要由全橋逆變電路和LC 濾波電路構(gòu)成，基本原理如圖3 所示。 全橋逆變電路中MOS 管受逆變控制電路輸出的SPWM 驅(qū)動(dòng)信號(hào)控制后交替導(dǎo)通，將前級(jí)升壓電路輸出的直流370 V 高壓逆轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟?，?jīng)LC 濾波器濾波后輸出最終所需要的220 V/50 Hz 交流電。特別地，為使MOS 管遠(yuǎn)離危險(xiǎn)工作區(qū)，在每個(gè)MOS 管兩端均設(shè)置了RCD緩沖電路[4]，其原理如圖4 所示。

圖3 DC-AC 逆變主電路原理圖Fig.3 Schematic diagram of the main circuit of DC-AC inverter

圖4 RCD 緩沖吸收電路Fig.4 RCD snubber circuit

其中電容C 的計(jì)算方式如下：

通常RC 的時(shí)間常數(shù)在1/5～1/3 倍的一個(gè)周期內(nèi)開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)間因此電阻R 可由式（8）計(jì)算得出：

1.2 控制電路設(shè)計(jì)

1.2.1 升壓控制電路設(shè)計(jì)

升壓控制電路采用EG3525 推挽、半橋PWM 控制芯片作為主控芯片，其外圍電路如圖5 所示。

圖5 EG3525 外圍電路圖Fig.5 EG3525 peripheral circuit diagram

EG3525 芯片由引腳13 和15 接12V 電源供電[5]。前級(jí)高壓輸出經(jīng)光電耦合器PC817 隔離后串聯(lián)一個(gè)分壓電阻R9與引腳1 相連，引腳1 作為誤差放大器的反向輸入端接收經(jīng)PC817 隔離后輸出的連續(xù)變化的模擬電壓信號(hào)，與作為誤差放大器同相輸入端的引腳2 接收到的基準(zhǔn)電壓信號(hào)經(jīng)芯片內(nèi)運(yùn)算放大器進(jìn)行比較，并將引腳1 上高于引腳2 信號(hào)值的部分作為誤差進(jìn)行放大，通過(guò)被放大值的大小調(diào)制PWM 方波的占空比， 最終通過(guò)引腳11 和14 輸出PWM 控制信號(hào)，控制推挽電路開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通。 其中與引腳11 和14 相接的兩個(gè)阻值6.8 kΩ 的電阻R18和R19為輸出信號(hào)的假負(fù)載，最終接地，起到穩(wěn)定信號(hào)的作用。

引腳4，5，6 的外圍電路決定了EG3525 芯片輸出的PWM 頻率，其頻率計(jì)算公式為

死區(qū)計(jì)算公式為

本電源設(shè)定PWM 頻率為60 kHz，由上式確定定時(shí)電容RT為貼片電容102，容值1 nF；R12為標(biāo)號(hào)為47R 的貼片電阻，R13的阻值為2 k，將參數(shù)代入死區(qū)公式中可得死區(qū)時(shí)間為218 ns。

引腳8 為軟啟動(dòng)控制端，外接軟啟動(dòng)電容C9，其電容值為22 μF。 引腳9 和引腳1 之間接入反饋網(wǎng)絡(luò)，即圖中R9，R10，R11，R14和C10與引腳1 和9 組成的電路，構(gòu)成比例積分調(diào)節(jié)器。 引腳10 作為關(guān)斷信號(hào)輸入端，接收保護(hù)電路傳送的信號(hào)，接收到關(guān)斷信號(hào)后停止芯片輸出。

1.2.2 逆變控制電路設(shè)計(jì)

本文采用SPWM 控制芯片EG8010 作為后級(jí)逆變電路主控芯片，EG8010 控制芯片產(chǎn)生4 路SPWM輸出控制信號(hào)，經(jīng)IR2110 驅(qū)動(dòng)后輸出至MOS 管柵極驅(qū)動(dòng)MOS 管進(jìn)行工作，并接收輸出電壓、電流反饋信號(hào)調(diào)節(jié)SPWM 信號(hào)輸出。 EG8010 外圍電路如圖6所示。

圖6 EG8010 外圍電路Fig.6 EG8010 peripheral circuit

在本設(shè)計(jì)中，SPWMEN 端接收過(guò)電流保護(hù)電路的輸出信號(hào)，出現(xiàn)過(guò)流情況時(shí)芯片停止SPWM 輸出。 溫度反饋電路、電壓反饋電路和電流反饋電路分別與引腳TFB，VFB 和IFB 相接。 由于驅(qū)動(dòng)器件采用IR2110S，要求采用正極性PWM 類型輸出，故PWMTYP 接地置0。 電源輸出頻率為50 Hz，芯片中FRQSEL0，F(xiàn)RQSEL1 均接地置0。本設(shè)計(jì)采用單極性調(diào)制方式，MODSEL 同樣接地置0。 SPWMOUT1，SPWMOUT2，SPWMOUT3和SPWMOUT4為4路SPWM控制信號(hào)，經(jīng)2 片IR2110S 處理后產(chǎn)生4 路MOS 管驅(qū)動(dòng)信號(hào)驅(qū)動(dòng)MOS 管工作。

本文中采用2 片IR2110S 共同驅(qū)動(dòng)橋式逆變電路工作，每片IR2110S 對(duì)應(yīng)驅(qū)動(dòng)橋式逆變電路中處于同一橋臂的2 個(gè)MOS 管進(jìn)行工作，2 片IR2110S的外圍電路如圖7 所示。 芯片右側(cè)的電容和二極管共同組成自舉電路[6]，當(dāng)全橋逆變電路的2 個(gè)橋臂下管導(dǎo)通時(shí)，芯片VS 引腳處電位值降為0，自舉電容通過(guò)VCC 經(jīng)自舉二極管充電， 在芯片的VB 和VS 引腳之間產(chǎn)生一個(gè)懸浮電源供橋臂的上管使用，因此處于同橋臂的兩個(gè)MOS 管接入一個(gè)外部電源即可正常工作。

圖7 IR2110 外圍電路Fig.7 IR2110 peripheral circuit

2 電源寬范圍輸入設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的電源采用STC12C5A60S2 微處理器控制降壓穩(wěn)壓電路實(shí)現(xiàn)電源的寬范圍輸入設(shè)計(jì)。

2.1 降壓穩(wěn)壓電路設(shè)計(jì)

降壓穩(wěn)壓主電路采用BUCK 電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，輸入的直流77 V～144 V 不穩(wěn)定電壓經(jīng)濾波電容濾波后， 通過(guò)以STC12C5A60S2 為主控芯片的降壓穩(wěn)壓控制電路輸出的PWM 信號(hào)調(diào)節(jié)BUCK 開(kāi)關(guān)管的占空比達(dá)到降壓目的，經(jīng)輸出濾波電路濾波后穩(wěn)定輸出48 V 直流電壓。

STC12C5A60S2 最小系統(tǒng)包括時(shí)鐘電路和復(fù)位電路，如圖8 所示。 時(shí)鐘電路包括晶振和電容C1，C2。 其中，晶振選用12 MHz 的高穩(wěn)定無(wú)源晶體振蕩器，與STC12C5A60S2 內(nèi)部的反向放大器構(gòu)成振蕩器，用來(lái)給芯片提供穩(wěn)定的時(shí)鐘信號(hào)[7]。 電容C1，C2可以起到頻率微調(diào)作用，在本設(shè)計(jì)中選33 pF。 當(dāng)存在輸出電流大于33 A 或者輸出電壓大于50 V 時(shí)，停止輸出PWM 信號(hào)，使MOS 管關(guān)斷；當(dāng)輸出電壓小于50V，并且輸出電流小于33A 時(shí)，正常輸出PWM信號(hào)，電路正常工作。

圖8 STC12C5A60S2 最小系統(tǒng)電路Fig.8 STC12C5A60S2 minimum system circuit

2.2 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主程序流程如圖9 所示，首先依次將I/O 口、PWM 和ADC 采樣進(jìn)行初始化， 延時(shí)100 ms 后進(jìn)入主函數(shù)。當(dāng)存在輸出電流大于33 A 或者輸出電壓大于50 V 時(shí)， 停止輸出PWM 信號(hào)， 使MOS 管關(guān)斷；當(dāng)輸出電壓小于50 V，并且輸出電流小于33 A時(shí)，正常輸出PWM 信號(hào)，電路正常工作。

圖9 系統(tǒng)主程序流程Fig.9 System main program flow chart

3 逆變電源的測(cè)試分析

3.1 前級(jí)升壓電路測(cè)試與分析

逆變電源前級(jí)升壓電路的推挽功率管G-S 極波形如圖10 所示?？梢钥闯?，功率開(kāi)關(guān)管的G-S 極波形與EG3525 芯片輸出的驅(qū)動(dòng)波形相比，波形發(fā)生了振蕩，其產(chǎn)生原因?yàn)椋?驅(qū)動(dòng)電路中的驅(qū)動(dòng)電阻、PCB 走線中的寄生電感和MOS 管的寄生電容串聯(lián)發(fā)生振蕩。 本文最終通過(guò)改變PCB 走線的布局，使整個(gè)驅(qū)動(dòng)回路的長(zhǎng)度變短，并且適當(dāng)增大驅(qū)動(dòng)電阻R 來(lái)緩解推挽功率管G-S 波形振蕩問(wèn)題。

圖10 推挽功率管G-S 極波形圖Fig.10 Push-pull power tube G-S pole waveform

前級(jí)升壓電路輸出結(jié)果如圖11 所示。 在DC110 V 正常輸入情況下，升壓電路最終輸出371 V直流高壓，與主電路計(jì)算結(jié)果基本相符。

圖11 前級(jí)升壓電路輸出Fig.11 Front stage boost circuit output

3.2 后級(jí)逆變電路測(cè)試與分析

空載時(shí)逆變電路輸出電壓波形如圖12 所示?？梢钥闯?，其波形為正弦波，頻率為49.7447 Hz，有效值為225 V。 分析其幅頻特性可得，輸出波形幾乎不含高次諧波，即波形基本無(wú)失真，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

圖12 空載時(shí)逆變電路輸出電壓波形Fig.12 Output voltage waveform of the inverter circuit at no load

4 結(jié)語(yǔ)

為解決軌道車輛內(nèi)傳統(tǒng)的220 V 交流電供電不穩(wěn)定、效率低等問(wèn)題，本文在基于高頻逆變技術(shù)和脈寬調(diào)制技術(shù)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出一款面向軌道車輛的DC110 V/AC220 V 逆變電源，其功率值在1500 W左右，工作頻率可達(dá)60 kHz。 該電源主要給軌道車輛內(nèi)小型電器供電，摒棄了傳統(tǒng)的輔助繞組和工頻變壓器調(diào)壓模式， 采用了兩級(jí)式逆變電源結(jié)構(gòu)，并實(shí)現(xiàn)了電源的寬范圍輸入。 經(jīng)測(cè)試分析，電源基本符合設(shè)計(jì)要求。