160公里動力集中內燃動車組輔助供電柜設計研究

李克強

摘? ?要：輔助供電柜是160公里動力集中內燃動車組機車的重要組成部分，該輔助供電柜負責為列車供電和輔助負載供電，對列車運行起著至關重要的作用。文章主要對160公里動力集中內燃動車組輔助供電柜設計進行探討。

關鍵詞：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個輔助逆變模塊和1個充電模塊。輔助逆變模塊的輸出用于機車各種電機負載，充電模塊的輸出供給機車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撲完全相同，均為雙斬波+逆變+整流的拓撲結構。每路200 kW降壓隔離功率模塊又由兩個模塊組成，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電壓等級越高，開關頻率越小，導致斬波輸出電壓波動較大，諧波較大，輸出濾波電容的電容值和體積會加大。為了提高功率器件的開關頻率，同時保證IGBT安全的工作電壓，減小輸出電壓波動和電壓諧波，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）構成1組可逆斬波電路;Q13，Q14，Cd2，L1（3/4）構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二極管。SiC器件相對于硅器件具有很大優(yōu)勢。首先，應用SiC器件開關頻率相對提升，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，有利于整個柜體減重設計。其次，由于提升開關工作頻率，電磁元件的噪音會有所降低，有利于降低整個柜體的噪聲。最后，使用SiC器件整機效率會有所提升，耗散功率會降低，同等條件下產(chǎn)生的熱量相對硅器件要小，這樣低壓模塊的溫升會有所降低。160公里動力集中內燃動車組輔助供電柜碳化硅技術的應用，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，逆變器輸入側并聯(lián)電容，采用IGBT作為開關器件。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載有空壓機、冷卻風扇、牽引變流器通風機、牽引電機通風機、制動電阻通風機、動力室通風機、除塵風機和生活電源，由于不同的負載所需的供電電壓和頻率會有不同，為了實現(xiàn)不同負載的輔助逆變模塊實現(xiàn)通用互換，輔助逆變模塊設計了功能選擇電路，具體實現(xiàn)方法是在輔助逆變模塊中設置多路開關量輸入，通過判斷開關量的輸入狀態(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+整流的拓撲結構，采用IGBT作為逆變開關器件，使用快速恢復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供給機車控制用電及蓄電池充電。輔助供電柜內在蓄電池回路安裝有隔離接觸器、預充電接觸器及預充電電阻供給機車蓄電池移車使用。

4? ? 控制系統(tǒng)設計

輔助供電柜控制系統(tǒng)總電源DC110V由機車提供，高低壓模塊驅動電源等所需DC24V和±15 V的電源要通過柜內電源模塊進行相應轉換。輔助供電柜模塊的啟動和復位由機車微機進行控制，控制方法可分為兩種，分別是通信指令控制和繼電器開關量控制，并通過繼電器的輔助觸點輸出狀態(tài)反饋。信號采集包括電流、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? ? 通信設計

輔助供電柜內通信包含4個部分。第一部分由8個輔助逆變模塊構成1組內部CAN網(wǎng)絡;第二部分由1個充電模塊、1個微機、1個顯示屏和4個控制機構成1組內部CAN網(wǎng)絡;第三部分由2組內部CAN網(wǎng)絡通過1個CAN轉以太網(wǎng)網(wǎng)關后與機車微機進行以太網(wǎng)通信，網(wǎng)關上設置兩路以太網(wǎng)口;第四部分為RS485通信，用于6 A系統(tǒng)列供監(jiān)測通信。

6? ? 結語

160公里動力集中內燃動車組輔助供電柜在設計及元器件的應用上都進行了改進創(chuàng)新，尤其是碳化硅技術的應用，對于柜體的減重設計、降低噪音、提升效率等方面起到了很大作用，該設計理念在未來的應用中一定會有很大的競爭優(yōu)勢。