机车空调电源系统的设计与研究
浙江大学
硕士学位论文
机车空调电源系统的设计与研究
姓名：沈育栋
申请学位级别：硕士
专业：电机与电器
指导教师：叶云岳
20040201
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接要
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本文讨论的是机车空调电源系统的设计与研究。由于机车上提供的电髓通过壹滤发魄橇褥裂，最终受载——空灞辍逶为三秘交流受载，所戳该毫瀛系统跫一个复杂的系统。在域课题进行过襁中，通过不断的试验、调试、调整，最终确立了电源系统的实现方案。在此方案藻５出上设计的电源系统符合竣计要求，凝已在疆场运＝｛亍，该宅嚣篡有疆爵戆市场蒋景。
针对机车空调电源系统，本文主要完成以下几方面的工作；
ｌ、在对瑗煮舜＝芙篷澡嚣工俸鞭理与薅点了锯对毙及毽人王｛睾斡基舔主，提出了机车空调电源搽统的整体方寨，即主要包描ＤＣ／ＤＣ、ＤＣ／ＡＣ两大部分。
．２、凌诗了邀濠系统懿ＤＣ／ＤＣ部分。主要暴爝开关毫源技术，羯瑟筑猿立电源组合来实现直流电压提升，提简输出功率：并采用电压反馈控制来进行稳压，达到缀好的效果。同时对分布式瞧源系统作了讨论。
３、设计了电渊累统的ＤＣ／ＡＣ部分。将ＤＣ／ＤＣ得到的崴流电逆变成三相交流电供绘空调枫缌，健之工作，遴孬裁冷。其中ＳＰＷＭ波搜越了单片枫舄专是苍冀ＳＡ４８２８结台采产生。
４、针对整个电源系统蜃翥懿逻辑控制电蹀，设计了故簿飧测保护电跺，健整个系绫在工襻遭程孛取褥了受好熬效票。
关键潺：开关啦深遵变嚣电压度馈骧竟谡制ＤＣ／ＤＣＤＣ／ＡＣ
丧斟。≯、譬甥？ｉ髓
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Ａｂｓｔｒａｃｔ
Ｔｈｅｄｅｓｉｇｎａｎｄｒｅｓｅａｒｃｈｏｆｐｏｗｅｒｓｙｓｔｅｍｕｓｅｄｉｎａｉｒ—ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｉｓｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄｉｎｔｈｉｓｄｉｓｓｅｒｔａｔｉｏｎＳｉｎｃｅｔｈｅａｉｒ—ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ，ａｔｈｒｅｅ－ｐｈａｓｅＡＣｌｏａｄ，ｉｓｓｕｐｐｌｉｅｄｂｙｄｙｎａｍｏ，ｔｈｉｓｓｙｓｔｅｍｍｕｓｔｂｅｖｅｒｙｃｏｍｐｌｉｃａｔｅｄ．Ｔｈｒｏｕｇｈｍａｎｙａｎａｌｙｓｅｓａｎｄｔｒｉａｌｓ，ｔｈｅｕｌｔｉｍａｔｅｓｏｌｕｔｉｏｎｉｓｐｒｏｐｏｓｅｄ．ＴｈｅｐｏｗｅｒｓｙｓｔｅｍｄｅｓｉｇｎｅｄｉｎｔｈｉｓｕｌｔｉｍａｔｅｓｏｌｕｔｉｏｎｃａｎｆｕｌｆｉｌｔｈｅｄｅｓｉｇｎｄｅｍａｎｄＴｈｅｐｏｗｅｒｓｙｓｔｅｍｈａｓｏｐｅｒａｔｅｄｏｎｔｈｅｅｎｇｉｎｅ，ｉｔｈａｓｐｒｏｍｉｓｉｎｇｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｉｎｍａｒｋｅｔ．Ｔｈｅｍａｉｎｃｏｎｔｅｎｆｏｆｔｈｉｓｄｉｓｓｅｒｔａｔｉｏｎｉｓａｓｆｏｌｌｏｗｓ：
Ｆｉｒｓｔｌｙ，ａｔｔｈｅｂａｓｅｏｆｕｎｄｅｒｓｔａｎｄｉｎｇａｎｄｃｏｍｐａｒｉｎｇｔｈｅｔｈｅｏｒｙｏｆｓｗｉｔｃｈ?ｐｏｗｅｒ，ｃｏｎｓｕｌｔｉｎｇｗｏｒｋｏｆｏｔｈｅｒｓ，ｂｒｉｎｇｆｏｒｗａｒｄｔｈｅｅｎｔｉｒｅｐｒｏｊｅｃｔｏｆｐｏｗｅｒｓｙｓｔｅｍｕｓｅｄｉｎａｉｒ—ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ．Ｔｈｅｐｒｏｊｅｃｔｃｏｎｓｉｓｔｓｏｆｔｗｏｐａｒｔｓ：ＤＣ／ＤＣｐａｒｔａｎｄＤＣ／ＡＣｐａｒｔ．
Ｓｅｃｏｎｄｌｙ，ｔｈｅＤＣ／ＤＣｐａｒｔｉｓｄｅｓｉｇｎｅｄｉｎｔｈｉｓｄｉｓｓｅｒｔａｔｉｏｎ．Ｔｈｉｓｐａｒｔｍａｉｎｌｙａｄｏｐｔｓｓｗｉｔｃｈ－ｐｏｗｅｒｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ａｔｔｈｅｓａｍｅｔｉｍｅ，ｉｔａｌｓｏｕｔｉｌｉｚｅｓａｍｅｔｈｏｄｗｉｔｈｗｈｉｃｈｍｏｒｅｏｕｔｐｕｔｐｏｗｅｒａｎｄｈｉｇｈｅｒＤＣｖｏｌｔａｇｅｃａｎｂｅｃｏｍｐａｒａｔｉｖｅｌｙｅａｓｙａｃｈｉｅｖｅｄ．Ｉｔｕｓｅｓｆｏｕｒｌｏｗ－ｐｏｗｅｒｓｗｉｔｃｈｓｕｐｐｌｉｅｓｔｏｆｕｌｆｉｌｔｈｅｄｅｓｉｇｎｄｅｍａｎｄ．Ｓｉｍｕｌｔａｎｅｏｕｓｌｙ，ｖｏｌｔａｇｅｆｅｅｄｂａｃｋｃｏｎｔｒｏｌｉｓａｐｐｌｉｅｄｔｏｓｔａｂｉｌｉｚｅｔｈｅｏｕｔｐｕｔＤＣｖｏｌｔａｇｅ．
Ｔｈｉｒｄｌｙ，ｔｈｅＤＣ／ＡＣｐａｒｔｉｓｄｅｓｃｒｉｂｅｄｉｎｔｈｉｓｄｉｓｓｅｒｔａｔｉｏｎｉｎｗｈｉｃｈｔｈｅＡＣｖｏｌｔａｇｅｉｓｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｄｔｏＤＣｖｏｌｔａｇｅ．ＴｈｉｓＡＣｖｏｌｔａｇｅｓｕｐｐｌｉｅｓａｉｒ?ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｔｏｗｏｒｋａｎｄｍｏｄｕｌａｔｅｔｈｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ．ＴｈｅｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎｏｆＭＣＵａｎｄＳＡ４８２８ｐｒｏｄｕｃｅｓｔｈｅＳＰＷＭｓｉｇｎａｌｔｏｄｒｉｖｅｔｈｅＤＣ／ＡＣｐａｒｔ．
Ａｔｌａｓｔ，ｔｈｅｄｉｓｓｅｒｔａｔｉｏｎｄｅｓｉｇｎｓｓｏｍｅｌｏｇｉｃｃｏｎｔｒｏｌｃｉｒｃｕｉｔｓａｓｗｅｌｌａｓｆａｕｌｔｉｎｓｐｅｃｔｉｎｇａｎｄｄｉｓｐｏｓｉｎｇｃｉｒｃｕｉｔｓ．Ａｌｌｔｈｅａｂｏｖｅｃｉｒｃｕｉｔｓｍａｋｅｔｈｅｐｏｗｅｒｓｙｓｔｅｍｗｏｒｋｍｏｒｅｒｅｌｉａｂｌｙａｎｄｓｍｏｏｔｈｌｙ．
ＰＷＭＫｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｗｉｔｃｈｐｏｗｅｒｃｏｎｖｅｒｔｅｒｖｏｌｔａｇｅｆｅｅｄｂａｃｋ
ＤＣ／ＤＣＤＣ／ＡＣ
Ⅱ
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第一章绪论
§１．１课题背景与意义
撬有的蠹燃铁路机车中，只有最新的梳车设计了空谰系统，丽鞘激老～点的机车原始设计中就没有空调系统。在炎热的夏天和寒冷的冬天，机车内的工作人员工作环境据当恶劣。随着国民经济的发展与人民生活承平的提高，需要对现有的内燃铁路瓿车安装空调系统，髑来改善工作人员的工作环境。本课题就鼹在这样的背景下，为机率上安装的空调机组设计一个电源系统。
本谍题的主要工｛乍就是设计一个遵变电源系绞，使得此逆变电源系统熊够惫机车上的空调枫组掇供合乎要求的电流、电压鞠功率，使空调祝组工作，以达到调节室内空气温湿度，改善司机熬的工作环境。其中，所采用的空调机组为三相交漉压维极、离心风橇稆轴沆鼹娩且额定电嚣为３８０Ｖ，蘸瓿车上所采用嬲侯电系统盘１１０Ｖ直流发电祝提供。翻此，铁路税率空调电源系统主电路垂两都分组成：ＤＣ／ＤＣ与ＤＣ／ＡＣ。其中ＤＣ／ＤＣ部分采用开关电源实现直流电压的掇升，ＤＣ／ＡＣ部分采用三掇交流逆交嚣，褥ＤＣｔＤＣ部分所得直渡魄压逆变成三糨交流电，供给空调祝组工作。同对，为使电源系统麓更可靠的运行，也设计了相应的故障枪测、保护等辅助电路。
本毫源系统跫经宪成，经过较长对闯懿使建艇正豢工俘，窆调撬组歪鬻制冷。
§１．２机车空调机组的工作原理与电气参数
渡突谖获缓是专ｆｌ先铁道悫燃掇凝车司撬寰提貘魏裁冷设备，它安装在疑车司机窝顶部，机组底部的送、回风口与机车顶部的风道联结，经过机组冷却的空气，邋过离心风机，将室内气流形成循环，以达到调节室内空气温湿度、改善司瓿室工｛筝环境豹蓦鹣。
§ｌ。２．１空调穰‘维铡冷工作鹱理：
１）高温高压的冷媒气体在经过风冷冷凝器时，通过冷凝风机，在室外空气
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的强制冷却下，变成常温高压的冷媒液体，放出热量；
２＞低涅低基气渡混合貔冷爨在蒸发器内蒸发，与遂造室内疆环魏规循巧的室内空气进行热交换，吸收热量：
３）室内的空气盎离心风机吸入通过蒸发气的热交换得到冷却，并由机组底蠡鲞风口送入室内，澎残｛；香环。蠢子室蠹较高滋度弱空气遴造蒸发器冷帮辩，会凝结出水滴被引到宠外，故机组在降温的同时，电有除湿的作用；
４）由于压缩虮的连续工作，使之制冷循环不断进行，遇过冷凝风搬将热量捧出枫缰辨，使室斑循环的空气濑度逐渐降低，觚丽达到调节室内空气溢攫鹊目的。
§ｌ。２＋２杌车空谈机组额定谯如下：
输入电压：交流３８０Ｖ
电压频率；５０Ｈｚ
颧定功奉；２７００Ｗ
轴流风机额定转速：２７００ｒ／ｒａｉｎ
制冷量：５０００Ｗ
压缝凝联突功率：２１５０Ｗ
压缩机额定电流：￥．８Ａ
§１．３并关毫源懿基本原莲
§１．３．１概论
本避纪５０年代，美国宇靛鼹激小型、耋爨轻尧髫标，失搭载火箭开发了开关电源。在近半个多世纪的发展过程中，开关魄源囡具有｛奉积小、重量辍、效率高、发热量低、电源稳定等优点而逐渐取代传统技术制造的谶续工作电源，并广泛应用予毫子整弧与设鎏中。拜关奄源戆发展从来罄是与半鼯薅器传以及磁性元件等的发展休戚稻必的。高频化的实现，需要鞠应的高速半释体器件和性能优良的高频电磁元件。发展电力ＭＯＳＦＥＴ、ＩＧＢＴ等新型高速器件，开发高频用的低损磁瞧糖糕；改进溅元馋豹结稳及设｛卡方法，撵褰滤波电辔蕊奔宅誊数及降低其等效串联电阻等等，对于开关电源小型化始终产生着巨大的推动作用。总之，人
２
们在开关电源技术领域里，边开发低损耗回路技术，边开发新型元器件，两者相互促进，推动若开关电源每年以超过两盥数的市场增长率，向小型、薄型、高频、低噪声、高可靠性方向发展。
随着电力电子技术的发展，电力电子设备与人们的工作、生活的关系日益密切，而电子设备都离不开可靠的电源，进入８０年代计算机电源全面实现了开关电源化，率先完成计算机的电源换代，进入９０年代开关电源相继进入各种电子、电器设备领域，程控交换机、通讯、电子检测设备电源、控制设备电源等都已广泛地使用了开关电源，更促进了开关电源技术的迅速发展。
开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关晶体管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源。开关电源一般由脉冲宽度调制（ＰＷＭ）控制ＩＣ和功率半导体器件构成。它的形式有很多种，其中尤以脉冲宽度调制型最为盛行，现在就着重介绍一下此种形式的开关电源。
图１开关电源原理结构示意图
采用ＰＷＭ技术的开关电源原理结构如图１所示，从电网将能量传递给负载的回路称为主回路，余者称为控制回路。工频电网交流电压经过输入整流滤波电路，得到高纹波未调直流电压，再经功率转换电路，变换成符合要求的矩形波脉动电压，最后经输出整流滤波电路将其平滑成连续的低纹波直流电压。控制回路在提供高压开关管基极驱动脉冲的同时，需要完成输出电压稳压的控制，而且还必须能对电源或负载提供保护。它通常由电压检测、比较放大电路、电压一脉冲宽度转换电路ｒｖ／ｗ电路）、时钟振荡电路、基极驱动电路、过压过流保护电路以及自用电压源等基本电路构成。
对于ＰＷＭ方式而言，将频率固定的振荡源称为时钟振荡器，这种电源利用
检测电路反映输出电压值，通过和给定参考电压比较产生误差信号，再经Ｖ／ｗ电路调制脉冲宽度以调节输出电压。例如，由于某种原因（负载电流减小或电网电压上升１使高频变压器副边输出电压的平均值增大，电源输出电压也将随之提高，反馈检测电路将提高了的输出电压和基准电压进行比较，并产生负极性的误差电压，ｖ／ｗ电路根据该误差电压及时减小输出脉宽，这样使输出电压平均值减小，接近原来的数值，从而实现稳压的作用。
§１．３．２开关电源的分类
开关电源可分为ＡＣ／ＤＣ和ＤＣ／ＤＣ两太类，ＤＣ／ＤＣ变换器现己实现模块化，且设计技术及生产工艺在国内外均已成熟和标准化，并已得到用户的认可，但ＡＣ／ＤＣ的模块化，因其自身的特性使得在模块化的进程中，遇到较为复杂的技术和工艺制造问题。下面分别对两大类开关电源的分类作一简要阐述。
?ＤＣ／ＤＣ变换
ＤＣ／ＤＣ变换是将固定的直流电压变换成可变的直流电压，也称为直流斩波。斩波器的常用工作方式有三种：一是脉宽调制方式（ｐＷＭ），控制信号周期Ｔ不变，改变导通时间Ｔｏｎ；二是频率调制方式（ＰＦＭ），导通时间Ｔｏｎ不变，改变控制信号周期Ｔ；三是混合调制方式，指控制信号的周期与脉宽均可调节。ＰＷＭ与ＰＦＭ两种工作方式见下图３－２。
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ｂ）
图３－２斩波方式示意图
ａ）脉宽调制方式（ＰＷＭ）ｂ）频率调制方式（ＰＦＭ）
４ｔｔ
基
按照不同角度，ＤＣ／ＤＣ变换电路可作如下分类
ｆ降压式电路
厂鼢脯龅鼢ｔ芸篡路
Ｉ按输入输出电隔离分１非绝缘型电路
ＤＣ．ＤＣ／ｒ硬开关电路
变换电路、按器件开关方式分１软开关电路
ｌｒ电流源电路
ｌ按输入端滤波结构分１电压源电路
ｌｆ单象限电路
ｌ四象限电路丁单极性电路
?ＡＣ／ＤＣ变换
ＡＣ／ＤＣ变换是将交流变换为直流，其功率流向可以是双向的，功率流由电源流向负载的称为“整流”，功率流由负载返回电源的称为“有源逆变”。
ＡＣ／ＤＣ变换按电路的接线方式可分为半波电路、全波电路。按电源相数可分为单相、三相、多相。按电路工作象限又可分为一象限、二象限、三象限、回象限等。
§１．３．３开关电源的发展趋势与技术追求
开关电源的发展趋势与技术追求主要可以概括为以下几个方面：
（１）小型化、薄型化、轻量化、高频化——开关电源的体积、重量主要是由储能元件（磁性元件和电容）决定的，因此开关电源的小型化实质上就是尽可能减小其中储能元件的体积。在一定范围内，开关频率的提高，不仅能有效地减小电容、电感及变压器的尺寸．而且还能够抑制干扰，改善系统的动态性能，因此高频化是开关电源的主要发展方向。
（２）高可靠性——开关电源比连续工作电源使用的元器件多数＿卜倍，因此降｛曩了可囊注。获寿命热度ｉ耋发，嚷解电容、竞藕合嚣及舞｝风缡等器｛孛豹考泠决定着电源的寿命。所以，要从设计方面着跟，尽可能使用较少的器件．提高集成度，这样不但解决了电路复杂、可靠性差的问题，也增加了保护蒋功能，简化了电路，鬟嵩了平均无故障辩阉。
（３）低噪声——开关电源的缺点之一是噪声大，单纯地追求高频化，噪声也会随之增大，采用部分谐振转换咧路技术．在原理上既可以提高频率又可以降低嗓声，瑷班，尽可麓降低嗓声影响是开关毫漾豹又一发震方魏。
（４１采用计算机辅助设计和控制…～采用ＣＡＡ和ＣＤＤ技术设计最新变换拓扑和最佳参数，使开关电源具有殿简结构和最懂工况。在电路中引入微机捻测帮控制，可构藏多功熊箍控系统，可以实辩裣浏、记录并叁动缀警等。
§１．３。４开关电源关键技术的发展
§１．３．４．１均流技术
大功率电源系统需要用若干台开关电源并联．以满足负载功率的要求．而并联运漉模块霹翥臻采爱均滚援蕤．鞋爨｛萎摸涣蠢邀滚戏力窝热应力懿均匀分配，防止一台满载状态．同时惩长电源系统的寿命和平均无故障时间。宓现均流的方法很多，如输出阻抗法、主从法、按电流大小自动均流法（平均均流法释最大瞧泷法｛、羧热流力叁动均流法、乡｝热稳流控裁器法镣。蚕兹鹚溅效粟较好、控制形式较为简单的是按电流大小自动均流法。这种均流方法均以自动设定主模块和从模块：其中。输出电流最大的模块将自动成为主模块，而其余的簇浚翔为获模块，番姨模块对主模块兹毫囊夔依次被整定，以校正负载滚流分配的不均衡，直到负载电流均匀分配。
§１．３．４，２较开关技术
ＤＣ—Ｄｃ变换器是开关电源的主要组成部分．因此功率变换技术一赢受到业器熬关注。在经过了硬聂关ＰＷＭ或脉频调囊凝ＰＦＭ）技术秘硬开关热吸收网络技术厢．软开关技术得到了广泛的应用。这样能够极大地降低开关损耗，减小
６
功率器件的电和热应力，改善器件工作环境，降低电磁干扰，提高功率密度。
软开关的实质就是在硬开关上增加ＬＣ谐振电路．在开关变换时，ＬＣ谐振被迫将开关上的电流或电压迅速变为零，从而使开关变成零电压开关（ｚｖｓ）或零电流开关（ｚｃｓ）。软开关的开通、关断损耗理想值为零。现在应用的软开关技术有：谐振技术、准谐振技术、ＰＷＭ与准谐振的结合技术。
§１．３．４．３功率因数校正技术
由于开关电源前线整流一滤波电路使电网的电流波形畸变，谐波含量增大，使得输入端功率因数下降．电能利用率降低，污染了电网环境，降低了运行可靠性。为了减少开关电源对电网产生的谐波“污染”，提倡“绿色电源”，
因而引出了功率因数校正技术：三相二线制整流（即无中线整流方式）可使谐波含量大大降低，功率因数可达０．８６以上；无源功率因数校正技术（即在三相三线整流方式下加入一定的电感可使功率因数达０．９３以上，谐波含量降到１０％以下：有源功率因数校正技术（即在输入整流部分加入一级功率处理电路）使无功功率几乎为０。功率因数可达ｏ．９９以上，谐波含量降到５％以下。
§１．３．４．４智能化监控技术
开关电源大量应用控制技术和计算机技术．进行各种异常保护、信号检测、电池自动管理等，实时监视通信电源没备运行状态．记录和处理有关数据．及时发现故障，以先进的、集中的、自动化的维护管理方式来管理通信电源没备．从而提高供电系统的可靠性。
§１．４本文的主要内容
本论文共分为六章。
第一章绪论，论述了课题的背景，并对开关电源的基本原理与当前的发展情况作了简要介绍。
第二章机车空调电源系统的设计思路，提出了电源系统实现方案的整体框架与设计思路。
第三章机车空调电源系统ＤＣ／ＤＣ部分的设计，分析了交错并联双管正激主电路结构的工作原理，讨论了变压器的设计方法，设计了开关电源主电路和控制电路并给出相关实验波形，最后还讨论了电源系统的均流与功率分配问题。
第四章机车空调电源系统ＤＣ／ＡＣ部分的设计，讨论了逆变器工作原理，给出了详细的电路设计方案，并对设计中ＳＰＷＭ波信号作了重点阐述，并对其中所用的芯片作了介绍。
第五章电源系统的逻辑控制及故障保护电路，设计了在电源系统中所用的逻辑控制与保护电路。
第六章对全文的工作做了总结，并且指出今后进一步工作的方向。
第二章机车空调电源系统的设计思路
§２．１空调电源系统的整体设计思路
由于机车司机室是采用直流１１０Ｖ供电，而空调机组所需电能为三相交流电，为了使得空调机组工作，必然要求所设计的电源系统包含两部分，即ＤＣ／ＤＣ与ＤＣ／ＡＣ。ＤＣ／ＤＣ部分实现直流电压的提升，为ＤＣ／ＡＣ部分提供所需的直流高压：ＤＣ／ＡＣ部分实现逆变功能，得到功率、电压符合工作要求的交流电。电源系统的整体结构如下图２－１所示：
图２－１电源系统整体结构图
§２．２空调电源系统设计方案：
对于整个电源系统，分别从两个部分，即ＤＣ／ＤＣ与ＤＣ／ＡＣ进行设计，同时考虑整个系统运行时的逻辑控制、故障检测、系统保护等辅助电路。
ＤＣ／ＤＣ要实现的设计要求是：提升直流电压，保证负载运行时能输出足够的功率和电压，并且保持输出电压的稳定；因为空调机组启动时瞬时电流会比稳定运行时大好几倍，这会对系统产生很大的冲击，所以这部分需要考虑一定的功率余量，保证电源系统能够正常启动，进入稳定运行状态。
ＤＣ／ＡＣ要实现的设计要求是：将直流电压逆变成三相交流电压，供给空调机组工作，要保证逆变器工作的可靠性；这部分也要考虑空调机组启动时的瞬时大电流冲击，要注意强电对弱电控制信号的干扰，注意死区时间合理选择。
辅助电路要实现的设计要求是：考虑系统可能出现的故障，及时进行故障检测与处理，尽可能保证电源系统工作的可靠性，保护整个电源系统。
兰直
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图２－２为电源系统整体方案电路框图。
§２．２．１ＤＣ／ＤＣ部分：
１、该部分由四组单个功率均为１ＫＷ的开关电源经串、并联合成，经过电解电容滤波得到直流５００Ｖ直流电压：
２、单组开关电源采用交错并联双管正激变换器，输出采用全桥整流，单组设计功率为１ＫＷ；
３、开关电源的ＰＷＭ波形产生采用专用芯片ＳＧ３５２５；
４、采用电压负反馈控制，反馈信号输入至ＳＧ３５２５，调整ＰＷＭ波信号的脉宽来稳定输出电压。
§２．２．２ＤＣ／ＡＣ部分：
ｌ、该部分采用三相桥式逆变电路，将ＤＣ／ＤＣ部分所得直流电压逆变为三相交流电压，频率为５０ＨＺ，给空调机组供电；
２、逆变器ＳＰＷＭ波形的产生采用单片机与ＳＡ４８２８芯片结合的方式；
３、ＳＰＷＭ波经过光耦隔离后，以四组独立电源驱动的方式作为逆变桥六个１ＧＢＴ管的驱动电路；
４、得到的三相交流电压直接供给空调机组。
§２．２．３辅助电路部分：
辅助电路在整个电源系统中是必不可少的。它包含操作控制，故障检测、系统保护等多种电路。主要包含以下几个方面：
１、过流保护电路；
２、缺相保护电路：
３、过压／欠压保护电路；
４、温控电路；
５、开机缓冲电路；
６、延时电路。
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§２．３本章小络
本章提出了电源系统实现方案，著给出了电源系统的整体框图，并对系统每～部分具体实现方案作了阐述。
第三章机车空调电源系统ＤＣ／ＤＣ部分的设计
§３．１概述
一个理怨髓ＤＣ＊ＤＣ变换器献电特往土讲载是一个可按鹃理想变压器。其输入输出端的伏安关系为：
％一ＭＫ（３—１＞
１
Ｉｏ。亩‘（３－２）式中ＶＩ为输入电压，Ｖｏ为输出电压，Ｉｌ为输入电流，Ｉｏ为输出电流，Ｍ为变换嚣熬窀歪变跑。
但是常用的实际变压器只能变换交流，不能变换直流，因为变压器的铁心要饱和。为了近似实现赢流变换器的上述功能，除需要开关元件外，必然还需要一个戆鬟传递元终，它豹俸爱是在一个周翁中豹一静分霹闻萋戆铁输灭毫源褥到静能量贮存起来，在同～个周期的另一部分时间擞把这些能量传给负载。能最传递元件邋常由电感或电容元件来充当。而为了使负载上得到接近直流的电感或电压，交换器孛一簸妥魄捂｛囊遘滤波元斧。滤波元穆遥誊遣霆塞邀感或电吝来充当。因此，一个ＰＷＭ型ＤＣ。ＤＣ变换器一般要包含三个部分：即开关元件，能量传递元件和低通滤波元件。开关元件总是和能量传递元件连在一起，而能量传递元箨膏辩瞧兼有滤波｛睾矮，滤波元释霄对龟可着残辘量镑递元传。
§３。１．１基本的ＰＷＭ型交换器主电路拓羚
强开关电源技术中，基本豹ＤＣ／ＤＣ变换器主电路拓拎主要分为以下四种：（１）Ｂｕｃｋ电路——降压斩波器，蕻输出平均电压Ｕｏ小于输入电压ｕｉ，极性相嗣；
（２）Ｂｏｏｓｔ电路——升压斩波器，其输出平均魄压Ｕｏ大子输入电压Ｕｉ，极性相同；
（３）Ｂｕｃｋ．Ｂｏｏｓｔ穰鼹——降迸鼗舞匿辏波嚣＋其辕塞乎均嚷压Ｕｏ大子残小于输入电压ｕｉ，极性相反，电感传输；
１３
（４）Ｃｕｋ电路——降压或升压斩波器，其输出平均电压Ｕｏ大于或小于输入电
压ｕｉ，极性相反，电容传输。
下图３．１为四种基本变换器的原理图。
厂一ｊ。乙Ｔ—卜１］专望划ｇ丑
ｄ）
图３．１四种基本变换器的原理图ａ）ｂｕｃｋ变换器
ｂ）ｂｏｏｓｔ变换器Ｃ）ｂｕｃｋ－ｂｏｏｓｔ变换器ｄ）ｃｕｋ变换器
§３．１．２变压器隔离方式
带变压器隔离的变换器是从ＢＵＣＫ，ＢＯＯＳＴ等基本变换器派生、组合、演变而来的。所以在应用上，变压隔离器并不是单独使用，而是插入到各种基本变换器中，达到输入／输出隔离的效果。由于有了隔离功能的双绕组，绕组可以靠匝比不同调节变比，所以电压增益Ｍ，不单靠开关占空比调节，也可通过绕组变比调节，这就给实用设计带来很多好处，也大大提高了稳定性和可靠性：同时，变压器的应用还便于实现多路不同电压或多路相同电压输出。
理想的变压隔离器的特征如下：
（１）从输入到输出能够通过所有的信号的频率，即从理想的直流到不理想的
直流都能变换；
（２）变换时可不考虑能量损耗：
（３）变换中能提供任何选定的电压和电流变比；
（４）能使输入和输出之间完全隔离；
１４
＋№
一
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（５）变换时，无论从原边到副边，或副边到原边，部是一样方便有效；
毽愚上述嚣变压器，实际上楚不存杰麓。然薅，许多帮这耪瑾怒变压嚣特性相近似的电路却是存在。如果按照所用有源功率器件数量米分类，则分类如下：
●单管：正激式（Ｆｏｒｗａｒｄ）和反激式（Ｆｌｙｂａｃｋ）
●霹管：双蛰歪激（Ｄｏｕｂｌｅｔｒａｎｓｉｓｔｏｒｔｂｒｗａｒｄｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）、双警反激（Ｄｏｕｂｌｅ
ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒｆｌｙｂａｃｋＣＯｌｌｖｅｒｔｅｒ）、推挽（Ｐｕｓｈ—ｐｕｌｌｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）、半桥
（Ｈａｌｆ－ｂｒｉｄｇｅｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）等四种方式；
?西警：全瓣直流变换嚣（Ｆｕｌｌ—ｂｒｉｄｇｅｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）
在功率开关管电压和电流定颧相同时，变换器的输出功率通常与所用开关管静数鬣成正比，数溺管交换嚣的输出功率最大，丽单管交换器的输出动率最小。
§３．２电源系统ＤＣ／ＤＣ部分的设计
§３．２．１变换器主电路的选择
谯ｌｋＶＡ以下等级静止变流器的直流环节中，正激式拓扑因电路结构简洁、输入输密毫气疆蔫、毫压舟／跨蒗藿宽、易予多疼输窭、遥溪予中枣功率旗源交换场合等特点而得到了广泛的采用。但正激变换器存在一个闽有的缺陷：必须附加复位电路来实现功率开关截止期间变压器铁芯磁复位，以叛变压器饱和。
戮为线鋈逶蓬懿是蕈楣稼动激磁逛滤，蘩莱没毒每个麓麓罄｛睾焉熬裘磁环节，剩磁通的累加可能导致出现饱和。这是开关管导通时电流很大，关断时，过电压缎离，导致开关器件的损坏。近年来，关于正激变换器磁复位技术的研究很多，翔：ＲＣＤ箨佼技术、ＬＣＤ籀使菠术戳及蠢源籍疰技术等。ＲＣＤ籍佼技术尽管电路结构简单、成本低廉，但部分励磁能量消耗在复位网络中，因此仅蠛用于效率受求不高、成本要求严格的小功率场合。ＬＣＤ箝位技术和有源箝位按术虽克鼹了ＲＣＤ箝篷技术的缺点，鬣电路结稳均比较复杂。
双管正激变换器由于其电路缎构采用两个二极管来提供励磁电流回路，能量回馈电源，损耗减小，电路结构简涪，变压器谶芯的利用率离。同时功率管只承受奄潦电压，电垂寝力小，医为交换器中每个功率器件只篱承受电源毫蕊，丽在
浙扛大学硕士毕业论文
单管正激变换器中则要承受两倍的电源电压，而且同半桥或全桥变换器相比，它不存在桥臂直通的危险。所以该电路常应用于二功率较大的ＤＣ／ＤＣ变换器中。但是双管正激变换器存在次极二极管电压应力大，最大占空比小于０．５，电压电流脉动大等缺点。为了保留其优点，克服其缺点，通常就是将两个交错工作的变换器并联组合。
在本课题设计过程中，对各种电路结构也进行了大量的实验，经过反复比较，最终确定了ＤＣ／ＤＣ部分主电路的结构方式，采用双路交错并联双管正激主电路结构。
在实际应用过程中，采用单组开关电源来提供空调机组所需要的功率，并且要承载空调机组启动时的瞬时大功率冲击，这对开关电源的各种参数的设计提出了很高的要求，同时对功率器件的性能也提出了更高的要求。这就会大大提高整个系统的设计与调试难度，也会大大提高整个系统的设计成本。从多方面因素综合考虑，将整个ＤＣ／ＤＣ部分做适当分解，用四组设计功率均为１ＫＷ的开关电源组合，共同提供所需的功率。这样就很好的解决了由于开关电源功率过大所带来的设计上的困难，也降低了对功率器件性能的要求，降低了系统的设计成本。当然，这种方案也增加了电路结构的复杂性。
§３．２．２双路交错并联双管正激主电路结构
下图３．２为双路交错并联双管正激电路。
从图中可以看出，并联的两路电路，结构完全一样，每一路均由两个ＭＯＳＦＥＴ与两个二极管构成。当主电路工作时，交错并联的两路正激电路ＭＯＳＦＥＴ上所加的驱动信号互差１８００相位，使得两路正激电路交替工作。即：每一时刻，只有一路正激电路向变压器副边传输功率，另一路处于磁通恢复状态，并且向电源回馈能量。
鉴于上述这些优点，所以在本课题中ＤＣ／ＤＣ部分开关采用了交错并联双管正激的主电路结构。
图３－２双路交错并联双管正激主电路原理图
§３．２．３电路工作过程分析
由上图３—１可以看到，Ｑ１、Ｑ２、Ｄ１、Ｄ２构成一路双管正激变换器，Ｑ３、Ｑ４、Ｄ３、Ｄ４构成另一路双管正激变换器，而次级在实际电路中采用全桥整流的方式来得到直流电压（在原理图中没有画出）。Ｃｏｓｓｌ～Ｃｏｓｓ４分别为Ｑｌ～Ｑ４的漏源结电容，变压器原副边匝比为ｎ１：ｎ２。在一个开关周期Ｔｓ中，该变换器有６种开关状态。
在分析之前，作如下假设：
——所有开关管、二极管均视为理想器件；
——０１、０２的漏源结电容Ｃｏｓｓｌ＝Ｃｏｓｓ２，Ｑ３、Ｑ４的漏源结电容Ｃｏｓｓ３＝Ｃｏｓｓ４；
——假设负载电感足够大，在一个开关周期内电流基本不变。
其工作原理描述如下：
１）开关模态１【ｔ０－ｔ１］
在ＩＯ时刻前，Ｑ１、Ｑ２、Ｄ１、Ｄ２上电压均为Ｕｉｎ／２，０３、Ｑ４上电压均为Ｕｉｎ．。Ｄ３、Ｄ４导通，磁化电流减小，Ｔ２铁心磁复位。１０时刻，Ｑ１、０２开通，Ｄ１、Ｄ２、Ｑ３、Ｑ４仍截止，Ｄ３、Ｄ４仍导通，Ｔ２励磁电流ｊ２Ｍ继续通过Ｄ３、Ｄ４