摘要

牽引變流器是地鐵列車的核心裝備，其技術(shù)復(fù)雜、可靠性要求高。地鐵列車牽引變流器主要采用IGBT(絕緣柵雙極型晶體管)變流技術(shù)。為牽引變流器設(shè)計(jì)一款性能可靠、穩(wěn)定的IGBT驅(qū)動(dòng)控制直流電源是保證牽引變流器可靠、穩(wěn)定運(yùn)行的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。

鐵道直流電源專家根據(jù)客戶牽引變流器IGBT驅(qū)動(dòng)控制直流電源的要求，研制了基于NCP1031芯片的反激型直流電源模塊作為牽引變流器的驅(qū)動(dòng)控制直流電源。NCP1031芯片是美國安森美公司生產(chǎn)的超小型單片式高壓開關(guān)穩(wěn)壓電源件，其性能穩(wěn)定、可靠，是一款使用廣泛的直流電源模塊控制芯片。此項(xiàng)目目前已經(jīng)量產(chǎn)。

1、NCP1031芯片的介紹

NCP1031芯片具有內(nèi)部啟動(dòng)穩(wěn)壓電源，直接采用輸入電壓進(jìn)行供電，還集成門驅(qū)動(dòng)和200 V直流電源開關(guān)，從而有效地降低了電磁干擾(EMI)。其中的直流電源開關(guān)直流電源電路設(shè)計(jì)采用SENSEFETTM技術(shù)來監(jiān)控漏直流電源電流(NCP1031芯片的漏直流電源電流限制閾值為0．5 A)，用于提升能效?？偟膩碚f，NCP1031芯片內(nèi)部結(jié)合了1個(gè)PWM(脈寬調(diào)制)控制器、1個(gè)開關(guān)管、1個(gè)高效高壓啟動(dòng)直流電源電路設(shè)計(jì)、1個(gè)保護(hù)直流電源電路設(shè)計(jì)。NCP1031芯片采用SO-8(貼片8腳)封裝，其內(nèi)部直流電源電路設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

NCP1031芯片內(nèi)部具有直流電源電流限制帶自適應(yīng)前沿消隱(LEB)直流電源電路設(shè)計(jì)，從而不需外部傳感元件；內(nèi)部誤差放大器可做隔離或非隔離應(yīng)用，高達(dá)1 MHz的可編程工作頻率減小了磁性元件的尺寸。NCP1031芯片高達(dá)1 MHz的工作頻率和外部時(shí)鐘同步，具有線路欠壓過壓鎖定功能；且內(nèi)部具有逐個(gè)周期直流電源電流限制直流電源電路設(shè)計(jì)、超溫保護(hù)，內(nèi)部有誤差放大器，可用在隔離型DC／DC二變換器的次級(jí)偏壓直流電源中。

NCP1031芯片方案減少了外部元件數(shù)，所以成本、裝配時(shí)間和直流電源電路設(shè)計(jì)板空間均大為降低，在滿足功能需要的同時(shí)達(dá)到了體積最小。

2、驅(qū)動(dòng)直流電源的設(shè)計(jì)及工作原理

由于本驅(qū)動(dòng)直流電源采用了反激型拓?fù)渲绷麟娫措娐吩O(shè)計(jì)，故具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、元器件少等優(yōu)點(diǎn)。其主直流電源電路設(shè)計(jì)圖如圖2所示：直流電源電路設(shè)計(jì)輸入設(shè)計(jì)為DC 48 V，輸出為5路相互隔離的直流直流電源，其中3路輸出是DC +24 V，另2路輸出為DC-10 V和DC +15 V；輸入端使用由C11、L1和C12構(gòu)成的濾波直流電源電路設(shè)計(jì)；由于變壓器漏感的存在，在變壓器上會(huì)造成電壓尖峰，在直流電源電路設(shè)計(jì)中可以用R11、C13以及D11構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)來鉗位吸收(其中D11應(yīng)選用超快恢復(fù)二極管)。輸出端采用肖特基二極管，以提高輸出效率。

圖3給出了NCP1031芯片的外圍直流電源電路設(shè)計(jì)圖。當(dāng)NCP1031芯片(即U1)引腳6超過2．5 V時(shí)，控制芯片開始啟動(dòng)。由R12、R14和R15組成的電阻分壓網(wǎng)絡(luò)將芯片的欠壓和過壓電平分別設(shè)置在36 V和64 V。通過引腳8提供內(nèi)部啟動(dòng)偏置并驅(qū)動(dòng)恒流源VCC給電容C17充電。一旦U1啟動(dòng)，變壓器TC1(見圖2)的輔助線圈（引腳3、4）就通過二極管D12和電阻R13提供工作偏執(zhí)。

TL431(見圖2的U3)作為誤差放大器與光耦PC817(U2)一起形成了電壓檢測(cè)和反饋直流電源電路設(shè)計(jì)。通過將U1的電壓檢測(cè)引腳3接地，從而使U1中的內(nèi)部誤差放大器失效，而引腳4上的放大器輸出補(bǔ)償節(jié)點(diǎn)用來通過光耦的光阻控制脈沖寬度。檢測(cè)到的輸出電壓被R53和R56(見圖2)分壓成TL43l的2．5 V參考電平，并由C9和R15設(shè)置適合DCM(直流模塊)工作的閉環(huán)帶寬和相位余量。

3、關(guān)鍵直流電源電路設(shè)計(jì)參數(shù)的設(shè)計(jì)

3．1 變壓器原邊電感的設(shè)計(jì)

1)變壓器原邊繞組的峰值直流電源電流Ipk

式中：

Po——輸出的總功率；

η——變壓器的轉(zhuǎn)換效率；

VminDC——輸入的最小直流電壓；

Dmin——最小占空比。

2)變壓器原邊的電感量Lp

3．2 變壓器原副邊匝數(shù)設(shè)計(jì)

1)變壓器的原邊匝數(shù)Np

式中：

Ae——磁心的有效截面積；

ΔB——磁心工作磁感應(yīng)強(qiáng)度變化值。

2)變壓器的副邊匝數(shù)Ns

式中：

Vo——變壓器二次側(cè)輸出電壓；

VD——變壓器二次側(cè)整流二極管導(dǎo)通的正壓降。

3．3 RCD(電阻、電容、二極管)吸收直流電源電路設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)

1)電阻R應(yīng)使電容C在最小的導(dǎo)通時(shí)間ton內(nèi)放電至所充電荷的5％ 以下，并應(yīng)滿足3RC≤ ton，其中：尺單位為Ω，C單位為F，ton單位為S。

2)在電容的每個(gè)充放電周期內(nèi)消耗在電阻尺上的能量為：

式中：

VDC——輸入的直流電壓，一般取最大值；

fk——開關(guān)頻率。

3)C的確定

式中：

Ip—開關(guān)管的峰值直流電源電流；

tf——集電極直流電源電流從初始值下降到零的時(shí)間。

4、IGBT驅(qū)動(dòng)直流電源仿真及試驗(yàn)研究

4.1仿真直流電源波形

本文根據(jù)NCP1031芯片的內(nèi)部直流電源電路設(shè)計(jì)框圖，在仿真軟件Multisim里面搭建了試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，得到了如圖4所示IGBT驅(qū)動(dòng)直流電源的電壓仿真波形。圖4中CH1是輸出電壓的波形，CH2是變壓器原邊的電壓波形。

4．2 實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果與直流電源波形圖

實(shí)際試驗(yàn)的具體參數(shù)如下：輸入電壓為DC 4V(波動(dòng)范圍36~64 V)，輸出電壓為15 V。

在輸入電壓為DC 48 V時(shí)，額定負(fù)載下的輸出電壓波形見圖5，輸出電壓紋波波形見圖6。從直流電源波形上看，穩(wěn)壓精度比較高，但是輸出電壓的紋波比較大，這主要是由于反激型直流電源電路設(shè)計(jì)和輸出濾波電容所決定的。

5、結(jié)語

基于NCP1031芯片設(shè)計(jì)的地鐵列車牽引變流器IGBT驅(qū)動(dòng)直流電源具有外圍直流電源電路設(shè)計(jì)簡單、安裝與調(diào)試方便、輸入與輸出隔離、反饋回路響應(yīng)快、穩(wěn)壓控制精度高、抗干擾強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在實(shí)際實(shí)用過程中工作穩(wěn)定、性能可靠、很好的滿足了實(shí)際使用需求。更多直流電源解決方案請(qǐng)咨詢上海蓄新電氣。