李克強(qiáng)

摘? ?要：輔助供電柜是160公里動(dòng)力集中內(nèi)燃動(dòng)車組機(jī)車的重要組成部分，該輔助供電柜負(fù)責(zé)為列車供電和輔助負(fù)載供電，對(duì)列車運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用。文章主要對(duì)160公里動(dòng)力集中內(nèi)燃動(dòng)車組輔助供電柜設(shè)計(jì)進(jìn)行探討。

關(guān)鍵詞：功率模塊;輔助逆變模塊;IGBT;SiC;二極管

輔助供電柜有四路200 kW降壓隔離功率模塊，降壓隔離功率模塊的作用是將DC2400V的輸入電壓經(jīng)降壓隔離后變換成DC600V輸出。四路DC600V輸出中的其中兩路并聯(lián)后用于列車供電，另外兩路并聯(lián)后用于輔助逆變模塊和充電模塊供電，輔助供電柜有8個(gè)輔助逆變模塊和1個(gè)充電模塊。輔助逆變模塊的輸出用于機(jī)車各種電機(jī)負(fù)載，充電模塊的輸出供給機(jī)車DC110V控制用電及蓄電池充電。

1? ? 200 kW降壓隔離功率模塊

四路200 kW降壓隔離功率模塊的電氣拓?fù)渫耆嗤鶠殡p斬波+逆變+整流的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。每路200 kW降壓隔離功率模塊又由兩個(gè)模塊組成，分別為高壓模塊和低壓模塊，如圖1所示。

1.1? 高壓模塊

高壓模塊的功能是將DC2400V的輸入電壓經(jīng)降壓斬波后供給低壓模塊，由于絕緣柵雙極型晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）的Vce電壓等級(jí)越高，開關(guān)頻率越小，導(dǎo)致斬波輸出電壓波動(dòng)較大，諧波較大，輸出濾波電容的電容值和體積會(huì)加大。為了提高功率器件的開關(guān)頻率，同時(shí)保證IGBT安全的工作電壓，減小輸出電壓波動(dòng)和電壓諧波，減小輸出濾波電容的電容值和體積，因此高壓模塊采用雙斬波降壓電路原理。如圖1所示，Q11，Q12，Cd1，L1（1/2）構(gòu)成1組可逆斬波電路;Q13，Q14，Cd2，L1（3/4）構(gòu)成另一組可逆斬波電路。電容分壓使得每組可逆斬波電路的工作電壓均為輸入電壓的一半，因此Vce電壓等級(jí)稍低一些的IGBT便能滿足輸入高電壓的要求。

1.2? 低壓模塊

低壓模塊的功能是將高壓模塊降壓斬波后的電壓經(jīng)過逆變和整流后輸出DC600V，為了降低低壓模塊的功率損耗，逆變器件采用SiC器件，整流器件采用快速恢復(fù)二極管。SiC器件相對(duì)于硅器件具有很大優(yōu)勢(shì)。首先，應(yīng)用SiC器件開關(guān)頻率相對(duì)提升，這樣低壓模塊前端變壓器及后端濾波電抗電容可以減輕重量，有利于整個(gè)柜體減重設(shè)計(jì)。其次，由于提升開關(guān)工作頻率，電磁元件的噪音會(huì)有所降低，有利于降低整個(gè)柜體的噪聲。最后，使用SiC器件整機(jī)效率會(huì)有所提升，耗散功率會(huì)降低，同等條件下產(chǎn)生的熱量相對(duì)硅器件要小，這樣低壓模塊的溫升會(huì)有所降低。160公里動(dòng)力集中內(nèi)燃動(dòng)車組輔助供電柜碳化硅技術(shù)的應(yīng)用，能夠解決溫升高、噪音大的問題。

2? ? 輔助逆變模塊

2.1? 電氣原理

輔助逆變模塊采用三相橋式逆變電路，逆變器輸入側(cè)并聯(lián)電容，采用IGBT作為開關(guān)器件。輔助逆變模塊輸入DC600V，可采用Vce=1 200 V的IGBT組成三相逆變電路。

2.2? 輔助逆變模塊功能選擇

輔助逆變模塊的供電負(fù)載有空壓機(jī)、冷卻風(fēng)扇、牽引變流器通風(fēng)機(jī)、牽引電機(jī)通風(fēng)機(jī)、制動(dòng)電阻通風(fēng)機(jī)、動(dòng)力室通風(fēng)機(jī)、除塵風(fēng)機(jī)和生活電源，由于不同的負(fù)載所需的供電電壓和頻率會(huì)有不同，為了實(shí)現(xiàn)不同負(fù)載的輔助逆變模塊實(shí)現(xiàn)通用互換，輔助逆變模塊設(shè)計(jì)了功能選擇電路，具體實(shí)現(xiàn)方法是在輔助逆變模塊中設(shè)置多路開關(guān)量輸入，通過判斷開關(guān)量的輸入狀態(tài)來確定輸出電壓和頻率。

3? ? 充電模塊

充電模塊采用單相橋式逆變+整流的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，采用IGBT作為逆變開關(guān)器件，使用快速恢復(fù)二極管作為整流器件。充電模塊輸入DC600V，經(jīng)過逆變和整流變換后輸出DC110V供給機(jī)車控制用電及蓄電池充電。輔助供電柜內(nèi)在蓄電池回路安裝有隔離接觸器、預(yù)充電接觸器及預(yù)充電電阻供給機(jī)車蓄電池移車使用。

4? ? 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

輔助供電柜控制系統(tǒng)總電源DC110V由機(jī)車提供，高低壓模塊驅(qū)動(dòng)電源等所需DC24V和±15 V的電源要通過柜內(nèi)電源模塊進(jìn)行相應(yīng)轉(zhuǎn)換。輔助供電柜模塊的啟動(dòng)和復(fù)位由機(jī)車微機(jī)進(jìn)行控制，控制方法可分為兩種，分別是通信指令控制和繼電器開關(guān)量控制，并通過繼電器的輔助觸點(diǎn)輸出狀態(tài)反饋。信號(hào)采集包括電流、電壓及溫度采集，電流采集有中間電流、原邊電流及輸出電流采集，電壓采集有輸入全電壓、輸入半電壓、高壓模塊輸出電壓及低壓模塊輸出電壓采集，溫度采集有模塊工作溫度及蓄電池溫度采集。

5? ? 通信設(shè)計(jì)

輔助供電柜內(nèi)通信包含4個(gè)部分。第一部分由8個(gè)輔助逆變模塊構(gòu)成1組內(nèi)部CAN網(wǎng)絡(luò);第二部分由1個(gè)充電模塊、1個(gè)微機(jī)、1個(gè)顯示屏和4個(gè)控制機(jī)構(gòu)成1組內(nèi)部CAN網(wǎng)絡(luò);第三部分由2組內(nèi)部CAN網(wǎng)絡(luò)通過1個(gè)CAN轉(zhuǎn)以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān)后與機(jī)車微機(jī)進(jìn)行以太網(wǎng)通信，網(wǎng)關(guān)上設(shè)置兩路以太網(wǎng)口;第四部分為RS485通信，用于6 A系統(tǒng)列供監(jiān)測(cè)通信。

6? ? 結(jié)語(yǔ)

160公里動(dòng)力集中內(nèi)燃動(dòng)車組輔助供電柜在設(shè)計(jì)及元器件的應(yīng)用上都進(jìn)行了改進(jìn)創(chuàng)新，尤其是碳化硅技術(shù)的應(yīng)用，對(duì)于柜體的減重設(shè)計(jì)、降低噪音、提升效率等方面起到了很大作用，該設(shè)計(jì)理念在未來的應(yīng)用中一定會(huì)有很大的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。