特種車(chē)輛用電源變換與保護(hù)裝置設(shè)計(jì)

蘇 勰， 宋克嶺， 韓 永， 黨尋詣

(1.中國(guó)北方車(chē)輛研究所，北京 100072；2.陸軍裝備部航空軍事代表局，北京 100036)

未來(lái)混合動(dòng)力特種車(chē)輛均采用高壓供電體制，取消傳統(tǒng)28V發(fā)電機(jī)，因此需要一種將高壓動(dòng)力電源轉(zhuǎn)換為28V直流控制電源的電源轉(zhuǎn)換裝置.動(dòng)力電網(wǎng)采用330V高壓直流供電體制，出于安全考慮，電源變換與保護(hù)裝置將采用高頻變壓器進(jìn)行高低壓隔離，以保護(hù)人員及設(shè)備安全.

1 電源變換與保護(hù)裝置設(shè)計(jì)

選擇移相全橋拓?fù)渥鳛殡娫醋儞Q與保護(hù)裝置的主結(jié)構(gòu)，主要拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示.

圖1 移相全橋拓?fù)涫疽鈭D

移相全橋拓?fù)淇蓪?shí)現(xiàn)超前臂、滯后臂的ZVS，28 V輸出的紋波更低，濾波電容電流應(yīng)力低，同時(shí)開(kāi)關(guān)管承受相同電流電壓條件下的傳輸功率為半橋的兩倍.全橋變換通過(guò)調(diào)整超前臂與滯后臂的相位，調(diào)整LC輸出濾波器輸入占空比，使輸出電壓穩(wěn)定在28 V.

2 參數(shù)匹配設(shè)計(jì)

根據(jù)典型用電需求分析，假定額定功率9 kW，最大功率11 kW，為保證方案合理性，利用極限工況即11 kW進(jìn)行方案計(jì)算[1].

2.1 變壓器設(shè)計(jì)

采用面積AP法設(shè)計(jì)變壓器，選取磁芯材料，取Bm=0.4 T，效率η=0.8，

變壓器視在功率，

對(duì)于全橋電路有

(1)

式中：J為電流密度,通常取395A/cm2;fs為開(kāi)關(guān)頻率,20 kHz;Ku為銅窗有效系數(shù)，一般取0.2～0.4.

代入公式(1)，經(jīng)計(jì)算有AP=194 cm4.

選擇磁芯T60004-L2130-W352,Ae=2.85 cm2.

2.2 原副邊電感量及匝數(shù)設(shè)計(jì)

最小輸出連續(xù)電流IoB為30 A.全橋Dmax為0.8.

副邊峰值(紋波)電流按式(2)計(jì)算.

IsB=(2×IoB)/Dmax.

(2)

經(jīng)計(jì)算，IsB=75 A.

考慮占空比丟失,取Dmax=0.5.VO為輸出電壓，VD為二極管導(dǎo)通壓降.電池電壓最低270 V，濾波電感壓降4 V，在輸入電壓和負(fù)載一定的情況下，為了滿足輸出電壓的要求，必須減小串聯(lián)諧振電感Lr或變壓器原副邊匝比n.

原副邊匝比按式(3)計(jì)算.副邊電感按式(4)計(jì)算.原邊電感按式(5)計(jì)算.

(3)

(4)

LP=(NP/NS)2×LS.

(5)

經(jīng)計(jì)算，n=4，Ls=4 μH，Lp=64 μH.

法拉第定律

E=(N×Ae×dB×10-8)/dt.

(6)

式中：E為有磁芯的電感或變壓器繞組的感應(yīng)電壓，V；N為繞組匝數(shù)；Ae為磁芯截面積；dB為磁芯磁密度變化(高斯)；dt為磁通變化時(shí)間，s.

變壓器原邊匝數(shù)和副邊匝數(shù)按式(7)計(jì)算.

(7)

將Ae=2.85×2 cm2，dB=3 200 G，Vdc(max)=270 V，n=4代入式(7)進(jìn)行計(jì)算，得原邊匝數(shù)Np=30 T，Ns≈8 T.

2.3 開(kāi)關(guān)管選擇

考慮到全橋電路IGBT關(guān)斷期間，由于激磁電感參與諧振，IGBT承受高于電源電壓的電壓應(yīng)力，故采用1 200 V的IGBT.

全橋變換綜合效率η為80%，最大占空比δmax為0.8，輸入電壓為400 V時(shí)，IGBT的峰值工作電流Icp(max)按式(8)計(jì)算.

(8)

經(jīng)計(jì)算，Icp(max)=60.8 A.考慮兩倍余量，IGBT峰值電流為200 A，全橋電路IGBT選用較大容量的225 A的IGBT.

2.4 諧振電感參數(shù)選擇

2.4.1 超前臂實(shí)現(xiàn)ZVS

要實(shí)現(xiàn)超前臂的 ZVS，要滿足式(9)條件.

(9)

因?yàn)閚2×Lf很大，在超前臂開(kāi)關(guān)過(guò)程中，其電流IP近似不變，相當(dāng)于恒流源，所以在一定的負(fù)載電流下，很容易實(shí)現(xiàn)超前臂并聯(lián)電容的迅速充放電，這樣在很寬負(fù)載電流下能實(shí)現(xiàn)ZVS.

2.4.2 滯后臂實(shí)現(xiàn)ZVS

要實(shí)現(xiàn)滯后臂的零電壓開(kāi)通，必須滿足以下兩個(gè)條件：

1)諧振電感抽走將要開(kāi)通的開(kāi)關(guān)管并聯(lián)電容上的電荷，給同一橋臂關(guān)斷的開(kāi)關(guān)管并聯(lián)電容充電；

2)滯后臂開(kāi)關(guān)的死區(qū)時(shí)間應(yīng)小于或等于四分之一的諧振周期.

考慮IGBT特性，死區(qū)時(shí)間不宜過(guò)短，否則需采用MOSFET，則將死區(qū)時(shí)間取為1.5 us，可得到

(10)

經(jīng)計(jì)算，Lr≥35 μH.

2.5 隔直電容參數(shù)選擇

由于器件差異，對(duì)角開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通秒伏數(shù)會(huì)存在不一致，變壓器會(huì)沿磁滯回曲線持續(xù)上升或下降，從而在多個(gè)周期后磁芯飽和，進(jìn)而損壞開(kāi)關(guān)管，因此需要設(shè)置隔直電容改善這一工況.

Cb=(Ipft×0.4T)/dV.

(11)

經(jīng)計(jì)算，Cb=29.57 μF.

考慮變壓器漏感等實(shí)際因素，諧振電感取35 μH,隔直電容取30 μF，考慮IGBT特性，死區(qū)時(shí)間取1.5 μs.

2.6 輸出濾波電感電容參數(shù)選擇

把電感設(shè)計(jì)在電流連續(xù)模式(CCM)下工作，也就是說(shuō)要使電感電流在一個(gè)要求的最小輸出電流I0(min)情況下仍然可以保證電感電流不出現(xiàn)斷續(xù)情況.假設(shè)車(chē)輛行駛工況最小電流為額定負(fù)載輸出電流的10%，即39.2 A，則有

(12)

經(jīng)計(jì)算，Lf=5.86 μH.

由于鋁電解電容，R0×C0為常數(shù)，取值范圍為50×10-6～80×10-6，因此有

C0=(80×10-6×dI)/Vr.

(13)

經(jīng)計(jì)算，Co=586 μF.

3 移相全橋拓?fù)淇刂撇呗苑抡骝?yàn)證及臺(tái)架試驗(yàn)

考慮到低壓負(fù)載的突變對(duì)低壓直流母線電壓的影響，對(duì)電壓采用外環(huán)PI調(diào)節(jié).另一方面，蓄電池輸出電壓也會(huì)隨能量的釋放而逐漸降低,高壓側(cè)電網(wǎng)電壓也在一定范圍內(nèi)波動(dòng)，為實(shí)現(xiàn)以可控的方式對(duì)蓄電池進(jìn)行快速充電，對(duì)用電設(shè)備供電，限制輸出電流，采用電流內(nèi)環(huán).系統(tǒng)采用雙閉環(huán)控制方式，工作頻率20 kHz.

仿真拓?fù)鋱D如圖2所示.

圖2 移相全橋仿真拓?fù)鋱D

3.1 仿真驗(yàn)證

3.1.1 滿載、輕載工況

全橋變換輸入?yún)?shù)為：滿載工況，最大電流392 A；輕載工況，最大電流30 A. 諧振電感為30 μH.隔直電容為30 μF.

仿真結(jié)果如圖3和圖4所示.由圖可知,在滿載及輕載條件下，該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)都能夠穩(wěn)定輸出電壓及電流.

圖3 全橋變換仿真滿載輸出波形

圖4 全橋變換仿真輕載輸出波形

3.1.2 突加突卸工況

1)突卸工況.

工況描述：在0.1 s時(shí)，負(fù)載電流由滿載350 A突卸至100 A左右.仿真結(jié)果如圖5和圖6所示,由圖可知, 當(dāng)負(fù)載電流由滿載350 A突卸至100 A左右時(shí)，經(jīng)過(guò)0.1 s時(shí)間，輸出電壓能夠達(dá)到穩(wěn)定.

圖5 突卸工況負(fù)載端電壓源波形示意圖

圖6 突卸工況負(fù)載端電壓電流波形示意圖

2)突加突卸工況.

工況描述：在0.1s時(shí)，負(fù)載電流由滿載350 A突卸至100 A左右，0.3 s時(shí)電流突加至原滿載電流.仿真結(jié)果如圖7和圖8所示,由圖可知,當(dāng)負(fù)載電流由滿載350 A突卸至100 A左右時(shí), 經(jīng)過(guò)0.1 s時(shí)間，輸出電壓能夠達(dá)到穩(wěn)定.輸出電流紋波為±1 A，電壓紋波為±0.1 V，滿足要求.

圖7 突加突卸工況負(fù)載端電壓源波形示意圖

圖8 突卸工況負(fù)載端電壓電流波形示意圖

3.2 臺(tái)架試驗(yàn)

圖9 電源變換與 保護(hù)裝置外形圖

該電源變換與保護(hù)裝置樣機(jī)見(jiàn)圖9.

經(jīng)樣機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)，輸出電流與電壓能夠與仿真結(jié)果相近，輸出電壓、電流紋波均能滿足設(shè)計(jì)要求，響應(yīng)時(shí)間小于150 ms，同時(shí)效率大于85%，均能夠達(dá)到設(shè)計(jì)要求.

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)參數(shù)匹配設(shè)計(jì)、仿真驗(yàn)證及臺(tái)架試驗(yàn)，利用移相全橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的電源變換與保護(hù)裝置能夠滿足整車(chē)電氣設(shè)備對(duì)電能的使用需求，同時(shí)實(shí)現(xiàn)低壓電網(wǎng)、高壓電網(wǎng)的有效隔離.該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)能夠很好地實(shí)現(xiàn)從電網(wǎng)到負(fù)載的能量流動(dòng)需求，滿足車(chē)輛穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)功率需求，穩(wěn)定電網(wǎng)電壓，并盡可能多地回收整車(chē)制動(dòng)能量,高效、穩(wěn)定地為各類用電設(shè)備供電,達(dá)到減少整車(chē)油耗、提高整車(chē)能源利用率的目的.