30kW电流模式PWM控制的DCDC功率变换器

华　伟　1965年生,1990年获北京工业大学功率半导体器件专业工学硕士学位,副教授,从事新型电力电子器件应用及开关功率变换器的教学和科研工作。

设计与研究 30k W 电流模式PWM 控制的DC DC 功率变换器北方交通大学(北京100044) 华　伟摘　要:新型30k W 电流模式P WM 控制的功率变换器采用N PT -IGBT 器件,无需串联隔直防偏磁电容,使用有源斜坡补偿技术,效率达到90%,具有极好的动态响应、过流保护及模块均流并联性能,是一种具有极大功率扩容(可达到100k W )潜力并易于工程化实现的IGBT 功率变换器。

关键词:电流模式　IGBT 全桥拓扑　开关模式整流器　变换器收修改稿日期:199920321530k W curren t m ode P WM con trolled DC DC power converterN o rthern J iao tong U n iversity (B eijing 100044) Hua W e iAbstract :P resen ted in the paper is a novel 30k W cu rren t mode P WM con tro lled pow er converter .T he converter ,of w h ich the efficiency reaches 90%,app lies N PT -IGBT device and an active slope compen sati on techno logy w ith no need to series connect a DC b lock ing and b ias 2p roof capacito r .It featu res excellen t dynam ic respon se ,over 2cu rren t p ro tecti on ,parallel modu le cu rren t equalizati on ,very h igh pow er expan si on po ten tial (as h igh as 100k W )as w ell as easy engineering realizati on .Key words :cu rren t mode ,IGBT ,fu ll 2b ridge topo logy ,S M R ,converter . 近年来,随着新型电力电子器件的飞速发展,10k W 以上的直流功率变换器已从SCR 的低频相控整流器方式发展为IGB T 的高频DC DC 开关功率变换器方式。

国外的DW A 、GEC -AL STON 、AD tranz 、ABB[1]等公司也于近年研制出各自的IGB T DC DC 充电机,主要用于高速电气化列车及地铁列车。

IGB TDC DC 充电机的重量、体积大幅度减小,性能明显改善,但要实现15k W ～200k W 的DC DC 高频开关功率变换,存在许多技术问题需要解决。

下面根据30k W IGB T DC DC 充电机的研制情况,对有关技术问题进行分析研究。

1　主电路及控制方案(1)主电路原理图不同的DC DC 功率变换器拓扑及PWM 控制方法可以构成许多不同的主电路及控制方案[2]。

根据技术的成熟程度、工程化实现难度、装置的性能要求、系列化功率扩容考虑、长期可靠性要求等,在设计30k W IGB T DC DC 充电机时,选择了电流模式PWM 控制的全桥拓扑(无隔直电容)功率变换器方案。

功率变换器的工作频率约为20kH z 。

主电路原理如图1所示。

其中C 2为母线单电容型snubber 电路,CT 为检测一次侧电流用的电流互感器。

此一次侧电流信号用作电流模式PWM 反馈控制。

图1　IGBT DC DC 充电机用功率变换器主电路原理图(2)控制系统原理方框图控制系统原理如图2所示。

这是一个由110V 输出电压控制的电压外环及电流互感器CT 所检测的一次侧电流内环构成的双闭环反馈系统。

斜坡补偿电路是电流模式PWM 控制的大占空比双端开关电源电路是为防止次谐波振荡所必需的。

反馈补偿网络用以控制电压反馈闭环的稳定性。

A 、B 两路驱动信号分别提供给图1中的两路对角线IGB T V 1、V 3和V 2、V 4。

1999年第5期机 车 电 传 动№5,1999　1999年9月10日EL ECTR I C DR I V E FOR LOCOM O T I V E Sep .10,1999　图2　电流模式PWM 控制系统原理方框图2　电流模式PWM斜坡补偿与电路实现原理(1)电流模式PWM 斜坡补偿的必要性电流模式PWM 控制方法有自动对称抗偏磁纠正、输入电压波动的前馈自动调节、内在限流、闭环补偿设计简单、负载响应速度快、容易整机均流并联等诸多优点。

其主要缺点是当占空比超过0.5时容易发生次谐波振荡及对噪声相对比较敏感,这可通过斜坡补偿(slop e com p en sati on )技术及对二次侧电感L 的调整解决(见图3)。

从本质上讲,开关电源要实现一定输入电压及负载条件下的稳定电压输出,必须通过控制脉冲宽度来控制二次侧输出电感的平均电流大小。

但是,电流模式PWM 控制的是高频变压器的一次侧峰值电流大小,而一次侧峰值电流大小不仅与输出电感平均电流有关,还与占空比有关,也就是说,电流模式PWM 控制如果仅仅控制一次侧峰值电流大小,那么当占空比随输入电压及输出负载变化而变化时,输出电压闭环反馈控制因为不具有一一对应关系将发生次谐波振荡。

图3　电流模式PWM 斜坡补偿波形原理示意图(2)电流模式PWM 斜坡补偿电路原理电流模式PWM 控制是在控制器的一次侧电流检测处增加适当的斜坡补偿,以有效地防止次谐波振荡。

可以证明,当占空比大于0.5时为保证控制系统稳定性,补偿斜坡的斜率一定要大于等于输出电感下斜波斜率的一半。

当占空比小于0.5时虽然不发生次谐波振荡,能够稳定工作,但是一次侧电流的峰值过大,脉冲宽度较小,不能充分利用开关器件IGB T 的电流容量。

3　无隔直电容全桥功率变换器偏磁问题全桥拓扑是最理想的较大功率DC DC 功率变换器拓扑。

但是如果采用电压模式PWM 控制,那么高频变压器的直流偏磁问题就会成为全桥拓扑广泛应用的较大障碍。

在高频变压器一次侧串联隔直防偏磁电容虽然较为简单有效,但对此电容性能,尤其对较大功率DC DC 功率变换器性能要求较高。

电流模式PWM 控制的无隔直电容全桥功率变换器能够有效地解决偏磁问题,但要求控制电路复杂。

(1)全桥功率变换器偏磁来源及危害由于全桥功率变换器常工作于较高的直流母线电压(例如600V ),两路对角线IGB T 的导通时间只要略有差异(例如0.3Λs ),就会在高频变压器的一次侧形成180V ・Λs 的直流偏磁量。

多个脉冲的积累,必然造成高频变压器单向饱和,单向不承受电压,使得偏磁一路上的两个IGB T 处于类似于桥臂短路状态。

由于此短路持续时间很短,难于保护,因此,偏磁的最终结果是使得IGB T 过流跳保护甚至短路烧毁。

(2)无隔直电容电流模式PWM 控制全桥功率变换器抗偏磁分析电流模式PWM 控制具有两道抗偏磁过流防线。

第一道由误差电压控制一次侧峰值电流的动态反馈调节实现,能保证误差电压信号变化较小时将两路IGB T 一次侧电流峰值调节为一致,此调节作用经图3所示的斜坡补偿后效果更为显著。

第二道是由逐个脉冲非锁定限流关断功能实现,其触发阈值较高,可保证误差电压信号变化较大时对两路IGB T 一次侧电流峰值中的较大值进行抑制调节,并逐步恢复到误差电压信号变化较小调节状态。

4　电流模式PWM 反馈闭环稳定性分析(1)电流模式PWM 控制全桥功率变换器传递函数根据电流连续导通模式状态下电流模式PWM 控制BU CK 型功率变换器“简化小信号等效电路模型”[3],控制到输出的传递函数G (s )=R K(1+K )1+SCR K(1+K )・M 式中:M =N CT N p N s R sense ,K =2L R T ,R =V OU T I OU T ,T =12・1f;N CT ——一次侧电流互感器CT 的匝数;N p N s ——高频变压器匝比;R sense ——电流取样电阻; 机 车 电 传 动1999年L——输出电感;R——负载电阻;f——开关频率。

通过调节图2控制电路中反馈补偿网络的参数可以调整整个电流模式PWM控制全桥功率变换器闭环系统的幅频特性和相频特性,以确保足够的相角裕量和增益裕量,保证闭环控制系统能够稳定工作。

(2)反馈控制信号上的高频噪声对偏磁及闭环稳定性的影响稳压闭环上的反馈控制信号较容易耦合高频噪声,有可能使得两路开关脉冲峰值电流略微不一致,从而使得两路开关脉冲宽度长期不一致,产生因闭环反馈控制引入高频噪声而引起的偏磁。

这种噪声性一次侧偏磁电流上翘又直接影响脉冲宽度的调节,难以通过电流模式PWM控制来快速彻底抑制,因而影响闭环稳定性。

试验证明,当反馈因噪声而引起偏磁时,容易使得一次侧电流产生低频包络波动,此时高频变压器会发出响声。

所以在取样反馈控制回路里要在保证具有足够高的低频增益的前提下,尽量衰减高频增益,以抑制高频噪声。

5　设计要点(1)主功率器件及snubber电路选择设计主功率开关器件选用Siem en s公司的1700V 150A N PT-IGB T半桥模块,主要因为其高温开关性能优越、具有较宽的矩形反偏安全工作区(RB SOA)。

而矩形反偏安全工作区使IGB T的snubber电路设计变得更加简单,可采用母线单电容型snubber电路。

(2)过流、过压、直通及短路保护IGB T DC DC充电机的输出具有过流、短路及过压保护功能,以保护故障及异常状态下的IGB T DC DC充电机及蓄电池。

IGB T桥臂的直通及短路保护由5Λs的死区时间及IGB T专用驱动电路M57959L的集电极退饱和检测短路保护实现完成。

IGB T的过流保护由电流模式PWM控制本身实现完成,即通过各自的一次侧电流互感器控制各自的一次侧电流大小。

(3)高频变压器及滤波电感设计高频变压器采用国产铁基超微晶环形磁芯,其饱和磁感应强度B s=1.24T,选取B m ax=0.5T。

输出滤波电感主要考虑输出电流的连续性、输出电压纹波、高频大电流下滤波电感不饱和及一定一次侧电流斜坡斜率的获得。

采用国产铁粉芯环形磁芯。

高频变压器及滤波电感均采用多股漆包线绕制。

(4)辅助多路隔离开关电源IGB T DC DC充电机的控制、IGB T多路隔离驱动需要辅助多路隔离开关电源。