【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 極管 3 相全橋電路 將 APU的 AC400V 輸出電壓進(jìn)行變換供給 DC100V 電壓 2 可調(diào)電阻 可調(diào)電阻使直流輸出電壓具有如圖所示的下垂特性圖 22 圖 22 可調(diào)電阻使直流輸出電壓下垂特性 APU由 APU輸入輔助整流器 PWM三相輸出逆變器逆變器輸出變壓器 CVCF 穩(wěn)壓穩(wěn)頻 輸出變壓器輔助變壓器等構(gòu)成 輔助整流器柜由整流器變壓器輔助整流器構(gòu)成 輔助電源裝置 APU 工作原理 APU 的輸入電源是牽引變壓器輔助繞組輸出的 AC400V 通過可控硅混合電橋變換成為直流電該直流電通過 PWM 三相逆變器變換成為交流電通過逆 變器輸出變壓器提供 AC400V 三相 50Hz 電源 CVCF 輸出變壓器將 AC400V 三相電源變換成單相 AC220VAC100V 的穩(wěn)壓電源 輔助變壓器將牽引變壓器輔助繞組的 AC400 變換成另一單相 AC100V 電源 輔助整流器箱使用整流器變壓器將 APU 的 400V 三相電壓輸出變壓后通過三相全波整流器輸出 DC100V 23 CRH2 型動(dòng)車組的輔助供電系統(tǒng)關(guān)鍵部件 IGBT 元件的一些簡(jiǎn)要的介紹與充電機(jī)工作原理 IGBT 在以變頻器及各類電源為代表的電力電子裝置中得到了廣泛應(yīng)用IGBT集雙極型功率晶體管和功率 MOSFET的優(yōu)點(diǎn)于一體具有電壓控制輸入阻抗大驅(qū)動(dòng)功率小控制電路簡(jiǎn)單開關(guān)損耗小通斷速度快和工作頻率高等優(yōu)點(diǎn) IGBT 的工作特性 IGBT 是一種電壓型控制器件它所需要的驅(qū)動(dòng)電流與驅(qū)動(dòng)功率非常小可直接與模擬或數(shù)字功能塊相接而不須加任何附加接口電路 IGBT 的導(dǎo)通與關(guān)斷是由柵極電壓 UGE 來控制的當(dāng) UGE 大于開啟電壓 UGEth 時(shí) IGBT 導(dǎo)通當(dāng)柵極和發(fā)射極間施加反向或不加信號(hào)時(shí) IGBT 被關(guān)斷 IGBT 與普通晶體三極管一樣可工作在線性放大區(qū)飽和區(qū)和截止區(qū)其主要作為開關(guān)器件應(yīng)用在驅(qū)動(dòng)電路中主要研究 IGBT 的飽和導(dǎo) 通和截止兩個(gè)狀態(tài)使其開通上升沿和關(guān)斷下降沿都比較陡峭 IGBT 驅(qū)動(dòng)電路要求 在設(shè)計(jì) IGBT 驅(qū)動(dòng)時(shí)必須注意以下幾點(diǎn) 柵極正向驅(qū)動(dòng)電壓的大小將對(duì)電路性能產(chǎn)生重要影響必須正確選擇當(dāng)正向驅(qū)動(dòng)電壓增大時(shí)． IGBT 的導(dǎo)通電阻下降使開通損耗減小但若正向驅(qū)動(dòng)電壓過大則負(fù)載短路時(shí)其短路電流 IC隨 UGE增大而增大可能使 IGBT出現(xiàn)擎住效應(yīng)導(dǎo)致門控失效從而造成 IGBT的損壞若正向驅(qū)動(dòng)電壓過小會(huì)使 IGBT退出飽和導(dǎo)通區(qū)而進(jìn)入線性放大區(qū)域使 IGBT 過熱損壞使用中選 12V≤ UGE≤ 18V 為好柵極負(fù)偏置電壓可防止由于關(guān)斷 時(shí)浪涌電流過大而使 IGBT 誤導(dǎo)通一般負(fù)偏置電壓選一 5V為宜另外 IGBT開通后驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)提供足夠的電壓和電流幅值使 IGBT在正常工作及過載情況下不致退出飽和導(dǎo)通區(qū)而損壞 IGBT 快速開通和關(guān)斷有利于提高工作頻率減小開關(guān)損耗但在大電感負(fù)載下 IGBT 的開關(guān)頻率不宜過大因?yàn)楦咚匍_通和關(guān)斷時(shí)會(huì)產(chǎn)生很高的尖峰電壓極有可能造成 IGBT 或其他元器件被擊穿 選擇合適的柵極串聯(lián)電阻 RG 和柵射電容 CG 對(duì) IGBT 的驅(qū)動(dòng)相當(dāng)重要 RG較小柵射極之間的充放電時(shí)間常數(shù)比較小會(huì)使開通瞬間電流較大從而損壞IGBTRG 較大有利于抑制 dvce／ dt 但會(huì)增加 IGBT 的開關(guān)時(shí)間和開關(guān)損耗合適的CG 有利于抑制 dic／ dtCG 太大開通時(shí)間延時(shí) CG 太小對(duì)抑制 dic／ dt 效果不明顯 當(dāng) IGBT關(guān)斷時(shí)柵射電壓很容易受 IGBT和電路寄生參數(shù)的干擾使柵射電壓引起器件誤導(dǎo)通為防止這種現(xiàn)象發(fā)生可以在柵射間并接一個(gè)電阻此外在實(shí)際應(yīng)用中為防止柵極驅(qū)動(dòng)電路出現(xiàn)高壓尖峰最好在柵射間并接兩只反向串聯(lián)的穩(wěn)壓二極管其穩(wěn)壓值應(yīng)與正負(fù)柵壓相同 HCPL316J 驅(qū)動(dòng)電路 HCPL316J內(nèi)部結(jié)構(gòu)及工作原理若 IGBT出現(xiàn)過流信號(hào)腳 14 檢測(cè)到 IGBT集電極上電壓 7V而輸入驅(qū)動(dòng)信號(hào)繼續(xù)加在腳 1欠壓信號(hào)為低電平 B點(diǎn)輸出低電平三級(jí)達(dá)林頓管被關(guān)斷 1 DMOS 導(dǎo)通 IGBT 柵射集之間的電壓慢慢放掉實(shí)現(xiàn)慢降柵壓當(dāng) VOUT 2V 時(shí)即 VOUT 輸出低電平 C 點(diǎn)變?yōu)榈碗娖?B 點(diǎn)為高電平 50 DMOS導(dǎo)通 IGBT柵射集迅速放電故障線上信號(hào)通過光耦再經(jīng)過 RS觸發(fā)器 Q輸出高電平使輸入光耦被封鎖同理可以分析只欠壓的情況和即欠壓又過流的情況 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì) HCPL316J 左邊的 VINFAULT 和 RESET 分別與微機(jī)相連R7R8R9D5D6和 C12 起輸入保護(hù)作用防止過高的輸入電壓損壞 IGBT但是保 護(hù)電路會(huì)產(chǎn)生約 1μ s 延時(shí)在開關(guān)頻率超過 100kHz 時(shí)不適合使用 Q3 最主要起互鎖作用當(dāng)兩路 PWM 信號(hào)同一橋臂都為高電平時(shí) Q3 導(dǎo)通把輸入電平拉低使輸出端也為低電平圖 3 中的互鎖信號(hào) Interlock 和 Interlock2 分別與另外一個(gè) 316J Interlock2 和 Interlock1 相連 R1和 C2 起到了對(duì)故障信號(hào)的放大和濾波當(dāng)有干擾信號(hào)后能讓微機(jī)正確接受信息 在輸出端 R5和 C7關(guān)系到 IGBT開通的快慢和開關(guān)損耗增加 C7可以明顯地減小 dic／ dt 首先計(jì)算柵極電阻其中 ION 為開通時(shí)注入 IGBT 的柵極電流為使IGBT 迅速開通設(shè)計(jì) ION 值為 20A 輸出低電平 VOL 2v C3 是一個(gè)非常重要的參數(shù)最主要起充電延時(shí)作用當(dāng)系統(tǒng)啟動(dòng)芯片開始工作時(shí)由于 IGBT 的集電極 C 端電壓還遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于 7V 若沒有 C3 則會(huì)錯(cuò)誤地發(fā)出短路故障信號(hào)使輸出直接關(guān)斷當(dāng)芯片正常工作以后假使集電極電壓瞬間升高之后立刻恢復(fù)正常若沒有 C3 則也會(huì)發(fā)出錯(cuò)誤的故障信號(hào)使 IGBT 誤關(guān)斷但是 C3 的取值過大會(huì)使系統(tǒng)反應(yīng)變慢而且在飽和情況下也可能使 IGBT 在延時(shí)時(shí)間內(nèi)就被燒壞起不到正確的保護(hù)作用 C3 取值 100pF 其延時(shí)時(shí)間 在集電極檢測(cè)電路用兩個(gè)二極管串連能夠提高總體 的反向耐壓從而能夠提高驅(qū)動(dòng)電壓等級(jí)但二極管的反向恢復(fù)時(shí)間要很小且每個(gè)反向耐壓等級(jí)要為1000V 一般選取 BYV261E 反向恢復(fù)時(shí)間 75 nsR4 和 C5 的作用是保留 HCLP316J出現(xiàn)過流信號(hào)后具有的軟關(guān)斷特性其原理是 C5通過內(nèi)部 MOSFET的放電來實(shí)現(xiàn)軟關(guān)斷圖 3 中輸出電壓 VOUT 經(jīng)過兩個(gè)快速三極管推挽輸出使驅(qū)動(dòng)電流最大能達(dá)到20A 能夠快速驅(qū)動(dòng) 1700v200300A 的 IGBT 驅(qū)動(dòng)電源設(shè)計(jì)在驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)中穩(wěn)定的電源是 IGBT 能否正常工作的保證電源采用正激變換抗干擾能力較強(qiáng)副邊不加濾波電感輸入阻抗低使在重負(fù) 載情況下電源輸出電壓仍然比較穩(wěn)定 當(dāng) s開通時(shí) 12v為比較穩(wěn)定的電源精度很高電壓便加到變壓器原邊和 S相連的繞組通過能量耦合使副邊經(jīng)過整流輸出當(dāng) S 關(guān)斷時(shí)通過原邊二極管和其相連的繞組把磁芯的能量回饋到電源實(shí)現(xiàn)變壓器磁芯的復(fù)位 555 定時(shí)器接成多諧振蕩器通過對(duì) C1 的充放電使腳 2 和腳 6 的電位在 4～ 8v之間變換使腳 3 輸出電壓方波信號(hào)并用方波信號(hào)來控制 S的開通和關(guān)斷 12v經(jīng)過 R1D2給 C1充電其充電時(shí)間 t1≈ R1C2ln2 放電時(shí)間 t2 R2C1ln2 充電時(shí)輸出高電平放電時(shí)輸出低電平所以占空比 t1／ t1t2 變壓器 按下述參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)原邊接 12v 頻率為 60kHz 工作磁感應(yīng)強(qiáng)度Bw 為 O． 15T 副邊 15v 輸出 2A5v 輸出 1 A 效率 n 80％窗口填充系數(shù) Km 為 O． 5磁芯填充系數(shù) Kc 為 1 線圈導(dǎo)線電流密度 d 為 3 A／ mm2 則輸出功率 PT 15O． 62 25O． 6 1 2 64W 由于帶載后驅(qū)動(dòng)電源輸出電壓會(huì)有所下降所以在實(shí)際應(yīng)用中考慮提高頻率和占空比來穩(wěn)定輸出電壓 充電機(jī)工作原理 CRH2 型動(dòng)車組中蓄電池充電模塊 BCMBattery charger module 是一個(gè)靜止的變流裝置其作用是將三相交流電壓轉(zhuǎn)變成直流電壓用 來向蓄電池充電并為直流母線提供電能為其它直流負(fù)載供電每個(gè)充電器的總功率為13kW 其中輸出功率為 8kW 最大充電功率為 5kW 充電器為一體化的模塊除冷卻系統(tǒng)外有三個(gè)主要子系統(tǒng)一個(gè)三相橋式輸入整流器一個(gè) IGBT 逆變器和一個(gè)輸出整流器 BCM 的主電路原理框 3 BCM 的主電路原理框圖 BCM 的電路原理如圖所示 圖 24 BCM 的電路原理 BCM 是單機(jī)設(shè)備能夠獨(dú)立工作既含有冷卻系統(tǒng)也含有控制系統(tǒng)模塊安裝在車輛的底架中到 BCM的電源和信號(hào)電纜來自模塊頂上的電纜管道通過 BCM上蓋板中的孔引入 BCM內(nèi)外電纜間的連接端子置于 BCM內(nèi)部在外殼上既沒有電纜密封管也沒有插座 有一個(gè)連接器用于三相輸入一個(gè)輸出到電池總線一個(gè)輸出到電池以及一個(gè)共用的輸出用于電池總線和電池的負(fù)極 PT100元件將 IGBT散熱器溫度送給控制單元 BCCI如果溫度不高于預(yù)設(shè)值散熱器僅通過自然對(duì)流冷卻就可以了如果溫度超過預(yù)設(shè)值就激活冷卻風(fēng)扇強(qiáng)迫散熱器冷卻 CRH2 動(dòng)車組設(shè)置 2 臺(tái)輔助電源裝置 APU 分別向 4 輛車提供輔助電源當(dāng)一臺(tái)輔助電源裝置發(fā)生故障時(shí)可通過另一臺(tái)輔助電源裝置向全列車提供輔助電源 輔助電源裝置 APU由 APU輸入輔助整流器 PWM三相輸出逆變器逆變器輸出變壓器 CVCF 輸出變壓器輔助變壓器等構(gòu)成 APU 的輸入電源是牽引變壓器輔助繞組輸出的 AC400V 通過可控硅混合電橋變換成為直流電該直流電通過 PWM 三相逆變器變換成為交流電通過逆變器輸出變壓器提供 AC400V 三相 50Hz 電源 輔助整流器柜由整流器變壓器輔助整流器構(gòu)成 CVCF 輸出變壓器將 AC400V 三相電源變換成單相 AC220VAC100V 的穩(wěn)壓電源 輔助變壓器將牽引變壓器輔助繞組的 AC400 變換成另一單相 AC100V 電源 輔助整流器箱使用整流器變壓器將 APU 的 400V 三相電壓輸出變壓后 通過三相全波整流器輸出 DC100V 輔助整流裝置采用自冷式由整流器變壓器整流二極管單元用于實(shí)現(xiàn)輸出電壓下降特性的電阻等構(gòu)成 動(dòng)車組上設(shè) AC220V 電源插座不設(shè) DC24V 及 DC36V 的插座 輔助電源裝置的輸出滿足 JIS E 6402 全列共設(shè) 3 組蓄電池蓄電池組容量可維持應(yīng)急用電量?jī)尚r(shí)運(yùn)行過程中蓄電池組可在線路上充電 輔助系統(tǒng)采用冗余設(shè)計(jì) 在動(dòng)車組上安裝 2 臺(tái)牽引變壓器其輔助繞組輸出的 AC400V 電壓分別供電給 4 節(jié)車廂當(dāng)一臺(tái)牽引變壓器故障時(shí)為了使另一臺(tái)正常運(yùn)轉(zhuǎn)牽引變壓器能夠通過輔助繞組向 8 節(jié)車廂供電設(shè)置了用于切換的輔助繞組電源感應(yīng)回路當(dāng)輔助繞組電源切換后空調(diào)裝置半功率運(yùn)行 輔助電源裝置每臺(tái)輔助電源裝置給 4 節(jié)車廂供電當(dāng)一臺(tái)輔助電源裝置發(fā)生故障時(shí)為了使另一臺(tái)正常運(yùn)轉(zhuǎn)的輔助電源裝置能夠向 8 節(jié)車廂供電設(shè)置了用于切換的擴(kuò)展供電回路 輔助電源裝置的輸出容量的設(shè)計(jì)能夠在故障時(shí)用一臺(tái)正常運(yùn)轉(zhuǎn)的輔助電源裝置向整列車供電因此當(dāng)一臺(tái)輔助電源裝置故障時(shí)無需 減少負(fù)荷 輔助電源裝置 APU 輸入輸出參數(shù)表 25 表 25 輔助電源裝置輸入輸出 APU 的 5 個(gè)電壓輸出額定容量均大于 1 臺(tái) APU 停止運(yùn)行時(shí)的負(fù)載功率 動(dòng)車組車外車體側(cè)面裝有連接外部電源的插座 AC400V單相 50HzM2 車 2號(hào)車及 6 號(hào)車上各有一處 車輛檢修基地設(shè)置有外部電源可供輔助電路的工作輔助電源裝置 APU出現(xiàn)故障時(shí)系統(tǒng)供電容量表 26 輔助電源裝置 APU 14 號(hào)車負(fù)載 58 號(hào)車負(fù)載 整列合集負(fù)載 APU 額定容量 DC100V ARf 244kw 233kw 478kw 58kw 2 臺(tái) 116kw AC100V CVT 夏 34 kw 36 kw 71 kw 12 kw 1 號(hào)車 APU 停止時(shí) 停止 71kw 12kw 8 號(hào)車 APU 停止時(shí) 71kw 停止 12kw AC220V CVT 夏 19kw 63kw 81kw 12kw 1 號(hào)車APU 停止時(shí) 停止 81kw 12kw 8 號(hào)車 APU 停止時(shí) 81kw 停止 81kw 12kw AC100V ATr 夏 29kw 24 22kw AC100V ATr 冬 118kw 112 22kW AC400VSIV 578kw 652 123kw 123kw 1 號(hào)車 APU 停止時(shí) 停止 123kw 123kw 表 26 輔助電源裝置系統(tǒng)供電容量 APU 的 5 個(gè)電壓輸出額定容量均大于 1 臺(tái) APU 停止運(yùn)行時(shí)的負(fù)載功率 動(dòng)車組車外車體側(cè)面裝有連接外部電源的插座 AC400V單相 50HzM2 車 2號(hào)車及 6 號(hào)車上各有一處 車輛檢修基地設(shè)置有外部電源可供輔助電路的工作 25 CRH2 動(dòng)車組分配系統(tǒng) CRH2 動(dòng)車組配電系統(tǒng)線號(hào)記號(hào)分類 關(guān)于線號(hào)的分配方案 線號(hào)格式 １＿ ２＿３＿ ４＿ Ａ＿１ 千位 百位 十位 個(gè)位 英文 附加數(shù)字 千位百位數(shù)字用于區(qū)別電源系統(tǒng)信號(hào)種類 0 零的時(shí)候可以省略 十位個(gè)位數(shù)字作為回轉(zhuǎn)序號(hào)分配 0 零的時(shí)候可以省略 1 直流電路 ① 102