地鐵列車牽引變流器IGBT驅動電源設計

黃 濤 呂紅強 張軍賢

(中國南車南京浦鎮車輛有限公司，210031，南京∥第一作者，工程師)

牽引變流器是地鐵列車的核心裝備，其技術復雜、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。為牽引變流器設計一款性能可靠、穩定的IGBT驅動控制電源是保證牽引變流器可靠、穩定運行的一個重要環節。

本文根據牽引變流器IGBT驅動控制電源的要求，研制了基于NCP1031芯片的反激型電源模塊作為牽引變流器的驅動控制電源。NCP1031芯片是美國安森美公司生產的超小型單片式高壓開關穩壓器件，其性能穩定、可靠，是一款使用廣泛的電源模塊控制芯片。

1 NCP1031芯片的介紹

NCP1031芯片具有內部啟動穩壓器，直接采用輸入電壓進行供電，還集成門驅動和200 V電源開關，從而有效地降低了電磁干擾(EMI)。其中的電源開關電路采用 SENSEFETTM技術來監控漏電流(NCP1031芯片的漏電流限制閾值為0.5 A)，用于提升能效。總的來說，NCP1031芯片內部結合了1個PWM(脈寬調制)控制器、1個開關管、1個高效高壓啟動電路、1個保護電路。NCP1031芯片采用SO－8(貼片8腳)封裝，其內部電路框圖如圖1所示。

NCP1031芯片內部具有電流限制帶自適應前沿消隱(LEB)電路，從而不需外部傳感元件;內部誤差放大器可做隔離或非隔離應用，高達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1 MHz的工作頻率和外部時鐘同步，具有線路欠壓過壓鎖定功能;且內部具有逐個周期電流限制電路、超溫保護，內部有誤差放大器，可用在隔離型DC/DC二變換器的次級偏壓電源中。

NCP1031芯片方案減少了外部元件數，所以成本、裝配時間和電路板空間均大為降低，在滿足功能需要的同時達到了體積最小。

2 驅動電源的設計及工作原理

由于本驅動電源采用了反激型拓撲電路，故具有結構簡單、成本低、元器件少等優點。其主電路圖如圖2所示:電路輸入設計為DC 48 V，輸出為5路相互隔離的直流電源，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構成的濾波電路;由于變壓器漏感的存在，在變壓器上會造成電壓尖峰，在電路中可以用R11、C13以及D11構成的網絡來鉗位吸收(其中D11應選用超快恢復二極管)。輸出端采用肖特基二極管，以提高輸出效率。

圖3給出了NCP1031芯片的外圍電路圖。當NCP1031芯片(即U1)引腳6超過2.5 V時，控制芯片開始啟動。由R12、R14和R15組成的電阻分壓網絡將芯片的欠壓和過壓電平分別設置在36 V和64 V。通過引腳8提供內部啟動偏置并驅動恒流源VCC給電容C17充電。一旦U1啟動，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提供工作偏置。

圖1 NCP1031芯片內部電路框圖

圖2 NCP1031芯片的反激型電路主電路圖

圖3 NCP1031芯片的外圍電路

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和反饋電路。通過將U1的電壓檢測引腳3接地，從而使U1中的內部誤差放大器失效，而引腳4上的放大器輸出補償節點用來通過光耦的光阻控制脈沖寬度。檢測到的輸出電壓被R53和R56(見圖2)分壓成TL431的2.5 V參考電平，并由C9和R15設置適合DCM(直流模塊)工作的閉環帶寬和相位余量。

3 關鍵電路參數的設計

3.1 變壓器原邊電感的設計

1)變壓器原邊繞組的峰值電流Ipk

式中:

Po——輸出的總功率;

η——變壓器的轉換效率;

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

式中:

Ts——開關管的周期。

3.2 變壓器原副邊匝數設計

1)變壓器的原邊匝數Np

式中:

Ae——磁心的有效截面積;

ΔB——磁心工作磁感應強度變化值。

2)變壓器的副邊匝數Ns

式中:

VO——變壓器二次側輸出電壓;

VD——變壓器二次側整流二極管導通的正向壓降。

3.3 RCD(電阻、電容、二極管)吸收電路的設計

1)電阻R應使電容C在最小的導通時間ton內放電至所充電荷的5%以下，并應滿足3RC≤ton，其中:R單位為Ω，C單位為F，ton單位為s。

2)在電容的每個充放電周期內消耗在電阻R上的能量為:

式中:

VDC——輸入的直流電壓，一般取最大值;

fk——開關頻率。

3)C的確定

式中:

Ip——開關管的峰值電流;

tf——集電極電流從初始值下降到零的時間。

4 IGBT驅動電源仿真及試驗研究

4.1 仿真波形

本文根據NCP1031芯片的內部電路框圖，在仿真軟件Multisim里面搭建了試驗模型，得到了如圖4所示IGBT驅動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 實際試驗結果與波形

實際試驗的具體參數如下:輸入電壓為DC 48 V(波動范圍36～64 V)，輸出電壓為15 V。

在輸入電壓為DC 48 V時，額定負載下的輸出電壓波形見圖5，輸出電壓紋波波形見圖6。從波形上看，穩壓精度比較高，但是輸出電壓的紋波比較大，這主要是由于反激型電路和輸出濾波電容所決定的。

圖4 IGBT驅動電源的電壓仿真波形

圖5 額定負載下的輸出電壓波形

5 結語

基于NCP1031芯片設計的地鐵列車牽引變流器IGBT驅動電源具有外圍電路簡單、安裝與調試方便、輸出與輸入隔離、反饋回路動態響應快、穩壓控制精度高、抗干擾強等優點，在實際使用過程中工作穩定、性能可靠，很好地滿足了實際使用的需求。

圖6 輸出電壓紋波波形

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