CN107947591A - 铁路机车车载电子设备一次隔离电源模块 - Google Patents

铁路机车车载电子设备一次隔离电源模块 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种铁路机车车载电子设备一次隔离电源模块，所述的电源模块的电路板分为主板和同步整流板，所述的同步整流板上包括同步整流电路和同步整流控制电路，其余上述电路、变压器和散热器均布置在主板上；所述的电源模块的散热器分为位于变压器初级侧的散热器Ⅰ和位于变压器次级侧的散热器Ⅱ；所述的PWM控制电路中的功率MOSFET管采用全塑封结构，安装于散热器Ⅰ上，所述的同步整流板安装于散热器Ⅱ上；所述的主板采用双面器件布局，所述主板的顶层，安装高度较高器件，所述主板的底层，安装低高度表贴器件。输入功率MOSFET和输出同步整流板分别使用单独散热器，二者之间绝缘距离大，减少了输入与输出之间的共模干扰。

Description

铁路机车车载电子设备一次隔离电源模块
技术领域
本发明涉及一种铁路机车车载电子设备使用的一次隔离电源模块，尤其涉及一种需要宽输入电压范围、宽工作温度范围和良好电磁兼容性（EMC）性能、高可靠应用的铁路机车车载电子设备一次隔离电源模块。
背景技术
铁路机车电气环境中的DC110V直流电源，干扰多，电压变化大；而铁路机车环境温度、湿度范围变化大，海拔变化大，对铁路机车车载电子设备稳定运行有很大影响。要求直接面向铁路机车DC110V直流电源的一次隔离电源必须可靠、稳定，减少机车电子设备故障发生率。而当前铁路机车车载电子设备使用的一次隔离电源模块，在宽DC110V输入电压范围、宽工作温度范围、高绝缘性能和良好的电磁兼容性(EMC)或高效率、可靠性等方面，不能全面兼顾。
本发明涉及的一种铁路机车车载电子设备一次隔离电源模块，可提高铁路机车车载电子设备运行的稳定性，进而保障铁路行车安全和提高行车效率，具有较高的社会效益和经济效益。
发明内容
为解决上述问题，提供一种铁路机车车载电子设备一次隔离电源模块，兼顾和满足了这些方面的需求，可进一步提高铁路机车车载电子设备运行的稳定性，进而保障铁路行车安全和提高行车效率。
本发明的目的是以下述方式实现的：
一种铁路机车车载电子设备一次隔离电源模块，所述的电源模块采用准谐振反激同步整流技术架构，包括散热器、变压器、以及位于变压器初级侧依次串联的输入滤波电路、PWM功率变换电路、和位于变压器次级侧依次串联的同步整流电路、输出滤波电路，所述的PWM功率变换电路还通过辅助供电电路连接一PWM控制电路，所述的输出滤波电路的输出端还连接同步整流控制电路的输入端，同步整流控制电路的输出端连接至同步整流电路；所述变压器次级侧的输出滤波电路的输出端还连接一反馈电路，所述反馈电路的输出端连接至PWM控制电路，所述的电源模块的电路板分为主板和同步整流板，所述的同步整流板上包括同步整流电路和同步整流控制电路，其余上述电路、变压器和散热器均布置在主板上；所述的电源模块的散热器分为位于变压器初级侧的散热器Ⅰ和位于变压器次级侧的散热器Ⅱ；所述的 PWM控制电路中的功率MOSFET管采用全塑封结构，安装于散热器Ⅰ上，所述的同步整流板安装于散热器Ⅱ上；所述的主板采用双面器件布局，所述主板的顶层，安装高度较高器件，所述主板的底层，安装低高度表贴器件。
所述的高度较高器件包括功率MOSFET、同步整流板、散热器、滤波电容和变压器。
所述低高度表贴器件包括PWM控制器、电阻、电容，器件高度不超过2.54mm。
所述变压器选用具有较大Ae值和Aw值的PQ系列磁芯。
所述同步整流板，采用的双面环氧玻璃布板，背面覆铜；所述同步整流板与主板通过三个引脚相连接，分别连接主板输出电压地、主板上变压器输出绕组11、12引脚、主板上变压器输出绕组7、8引脚。
所述位于变压器初级侧的散热器Ⅰ与电源模块DC110V输入地直接连接，位于变压器次级侧的散热器Ⅱ电源模块输出负直接连接，散热器起到电磁屏蔽作用，EMI小。
所述电源模块电路板的主板采用采用至少4层环氧玻璃布板，器件双面布局，内电层为输入DC110V地和输出地，高压线、大电流线在内电层上下走线。
所述电源模块采用开放式结构，电源模块产生的热量直接向周围环境散热。
所述电源模块就近外置一个5面体屏蔽壳，所述5面体屏蔽壳可以开小于等于0.5mm通孔，电源模块产生的热量通过这些通风孔散出到周围环境空气中。
所述PWM控制电路上还连接有遥控功能电路和保护电路；所述的反馈电路上还连接有输出电压调节电路。
本发明的有益效果为：1）绝缘性能方面，输入功率MOSFET和输出同步整流板分别使用单独散热器，二者之间绝缘距离大。输出反馈和输出电压保护直接采用贴片光耦与输入隔离，实现输入输出完全的电气隔离；
2）电磁兼容方面，采用NCP1337反激准谐振技术，实现在MOSFET管的漏源电压最低点开关MOSFET管，减少MOSFET管开关时的电流尖峰，相应的减少电磁干扰；输入功率MOSFET管和同步整流板分别使用独立散热器，减少了输入与输出之间的共模干扰；变压器绕组非电压摆动绕组绕制在变压器外层，相当于一层屏蔽层，减少变压器电磁干扰向外辐射；输入功率MOSFET管的电压稳定端与散热器直连，输出同步整流管的电压稳定端与另一散热器直连，消除功率器件传导到散热器上的共模干扰；
3）散热方面，功率器件的电压稳定端与散热器直连，取消了散热器与功率器件之间的绝缘导热片，提高热传导能力，增大散热能力。
附图说明
图1 为反激准谐振同步整流架构图。
图2为准谐振工作原理图。
图3 为NCP1337实现准谐振基本电路图。
图4 为同步整流控制电路图。
图5为一种同步整流控制板图。
图6为另一种同步整流控制板图。
图7为超宽DC110V机车电源电压输入检测温度补偿电路图。
图8 为第一种电源模块顶层图。
图9为第二种电源模块顶层图。
图10 为第一种电源模块底层图。
图11为第二种电源模块底层图。
图12为本发明电源模块电气原理图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
一种铁路机车车载电子设备一次隔离电源模块，铁路机车DC110V电源通过模块输入接口，在模块内部电路进行稳压隔离变换后，通过输出接口进行输出，实现铁路机车DC110VDC电源宽输入电压范围、超宽工作温度范围、高效率稳压和低电磁干扰（EMI）隔离变换。
准谐振变换的原理是降低拓扑中开关管的开关损耗。采用NCP1337控制芯片，实现在待机和工作模式下都能有高效表现。在待机，空载或者轻载时，NCP1337采用跳转周期技术控制峰值电流并去除一些开关脉冲，从而控制开关损耗，实现高能效。在工作模式下，通过无线圈去磁检测，准确的检测出电压谷底，实现准谐振的开关，减少损耗，提高效率。具体的基本电路如附图3所示。在电源模块变压器初级侧的控制芯片NCP1337的输入电压采样电路中，串接稳压二级管，进行温度补偿，使电源模块在-25℃～+85℃内准确采样30VDC～240VDC变化范围内的铁路机车DC110V电源电压。
同步整流控制电路采用控制芯片NCP4305，其不但可以有效的检测电流过零点，为同步整流MOSFET提供时序恰当的驱动信号。还可以设置最小导通和最小关断时间，进而屏蔽由于同步整流管导通和关断瞬间导致的噪声。由于寄生效应，同步MOSFET管导通瞬间会产生电压噪声。最小的导通时间设置将避免比较器错误地关断同步MOSFET管。同步MOSFET管关断瞬间会产生电压噪声，且在DCM的退磁阶段产生振荡。最小关断时间能够屏蔽噪声并防止同步MOSFET管错误地开通。具体的同步整流控制电路如附图4所示。
如图1所示，一种铁路机车车载电子设备一次隔离电源模块，所述的电源模块采用准谐振反激同步整流技术架构，包括散热器、变压器、以及位于变压器初级侧依次串联的输入滤波电路、PWM功率变换电路、和位于变压器次级侧依次串联的同步整流电路、输出滤波电路，所述的PWM功率变换电路还通过辅助供电电路连接一PWM控制电路，所述的输出滤波电路的输出端还连接同步整流控制电路的输入端，同步整流控制电路的输出端连接至同步整流电路；所述变压器次级侧的输出滤波电路的输出端还连接一反馈电路，所述反馈电路的输出端连接至PWM控制电路，所述的电源模块的电路板分为主板和同步整流板，所述的同步整流板上包括同步整流电路和同步整流控制电路，其余上述电路、变压器和散热器均布置在主板上；所述的电源模块的散热器分为位于变压器初级侧的散热器Ⅰ和位于变压器次级侧的散热器Ⅱ；所述的 PWM控制电路中的功率MOSFET管采用全塑封结构，安装于散热器Ⅰ上，所述的同步整流板安装于散热器Ⅱ上；所述的主板采用双面器件布局，所述主板的顶层，安装高度较高器件，所述主板的底层，安装低高度表贴器件。
所述的高度较高器件包括功率MOSFET、同步整流板、散热器、滤波电容和变压器。
所述低高度表贴器件包括PWM控制器、电阻、电容，器件高度不超过2.54mm。
所述变压器选用具有较大Ae值（磁芯有效截面积）和Aw值(磁芯窗口面积)的PQ系列磁芯，相同体积下可绕更多绕组，变压器功率密度高，实现更宽的输入电压范围内满足要求，可做更大功率电源。同时，漏磁较少，EMI较小，能量损失少，效率高。变压器绕组在设计时，充分利用变压器的磁芯和窗口面积，计算变压器原边绕组和副边绕组的电流密度，做到最大利用窗口面积，得到最小的电流密度，减少变压器绕组发热。同时，电压摆动绕组绕制在内层，非电压摆动绕组绕制在变压器外层，这样最外层的电压稳定绕组相当于屏蔽层，减少变压器电磁干扰。
所述宽的电压输入范围（30V～240V）及超强的抗输入过压能力(输入电压最高可到270V工作，至330VDC不损坏)。对输入电压通过电阻分压，把分压信号传递给NCP1337芯片1脚。通过监控正常工作下芯片1脚上的电平，当引脚1上电平低于500 mV时，控制器将停止脉冲输出，形成欠压保护；当引脚1上电平大于3V时，控制器将关断脉冲输出，形成过压保护。这样形成的电压输入范围，最大电压最多是最小电压的6倍。但是这样形成的过欠压保护，不能满足30V-240V的超宽输入范围。通过在串联电阻分压的同时，串联二极管，如附图7，利用二极管导通时电压降-温度特性，等效为在不同输入电压和温度下表现出不同大小的电阻值，从而实现了最大电压是最小电压的9倍输入特性，实现超宽电压的输入准确检测能力。
所述同步整流板，采用1mm（或其它板厚）的双面板（或多层板）的环氧玻璃布板，背面覆铜并与输出地，散热器电气连接；所述同步整流板与主板通过三个引脚相连接，分别连接主板输出电压地、主板上变压器输出绕组11、12引脚、主板上变压器输出绕组7、8引脚，把同步整流板直接当成一个三引脚的器件安装在散热器上，安装方便简单，同时增强散热，减小同步整流产生的电磁干扰。具体同步整流电路板如附图5和附图6所示。
所述位于变压器初级侧的散热器Ⅰ与电源模块DC110V输入地直接连接，位于变压器次级侧的散热器Ⅱ电源模块输出负直接连接，散热器起到电磁屏蔽作用，EMI小。
所述电源模块电路板的主板采用采用至少4层环氧玻璃布板，器件双面布局，内电层为输入DC110V地和输出地，高压线、大电流线在内电层上下走线。
所述电源模块采用开放式结构，电源模块产生的热量直接向周围环境散热。
所述电源模块就近外置一个5面体屏蔽壳，可进一步降低电源模块对外的电磁辐射骚扰，所述5面体屏蔽壳可以开小于等于0.5mm通孔，电源模块产生的热量通过这些通风孔散出到周围环境空气中，同时，屏蔽壳和变压器之间安装导热绝缘垫片，使变压器产生的热量（包括电源模块其它器件产生的部分热量）通过屏蔽壳进行散热。
所述PWM控制电路上还连接有遥控功能电路和保护电路；所述的反馈电路上还连接有1输出电压调节电路。
所述电源模块在同一个印刷电路板上，可以通过更换模块少数几个元器件，可实现不同电压等级和功率的电源输出，便于进行扩展设计；电源模块电路板采用4层或以上多层环氧玻璃布板，器件双面布局，内电层为输入DC110V地和输出地，高压线、大电流线在内电层上下走线，尽量走短线和粗线，提高散热能力的同时EMI小；电源模块电路板采用双面器件布局，减少电源模块高度。电源模块电路板初次级之间电气绝缘距离大于等于2.54mm，保证电源模块输入和输出之间的绝缘性能，绝缘耐压大于等于2KVAC/1min，适应高海拔气候环境；电源模块电路板进行三防处理，以提高电源模块的环境适应性；电源模块采用开放式结构，电源模块产生的热量直接向周围环境散热，无中间热传导环节，电源模块与周围空气环境之间热阻小。具体如附图8、附图9、附图10和附图11所示。
具体电路设计如附图12，结构设计如附图8、附图9、附图10和附图11所示，两者结合可制作出对应的电源模块。对于相同输出功率但不同输出电压的电源模块，可采用相同的电路板，只需要换变压器、反馈电阻、滤波电容等少数器件就可以实现；对于不同输出功率但相同输出电压的电源模块，电气原理基本一致，将采样电阻，变压器、电路板等更换即可满足需求，即为包含但不限于如附图8、附图9、附图10和附图11所示的2种电源模块。从而实现单一拓扑电路、少数电路板的标准化、系列化、小型化设计，节约设计、工艺、生产、物料等成本。
以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明整体构思前提下，还可以作出若干改变和改进，这些也应该视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种铁路机车车载电子设备一次隔离电源模块，所述的电源模块采用准谐振反激同步整流技术架构，包括散热器、变压器、以及位于变压器初级侧依次串联的输入滤波电路、PWM功率变换电路、和位于变压器次级侧依次串联的同步整流电路、输出滤波电路，所述的PWM功率变换电路还通过辅助供电电路连接一PWM控制电路，所述的输出滤波电路的输出端还连接同步整流控制电路的输入端，同步整流控制电路的输出端连接至同步整流电路；所述变压器次级侧的输出滤波电路的输出端还连接一反馈电路，所述反馈电路的输出端连接至PWM控制电路，其特征在于：所述的电源模块的电路板分为主板和同步整流板，所述的同步整流板上包括同步整流电路和同步整流控制电路，其余上述电路、变压器和散热器均布置在主板上；所述的电源模块的散热器分为位于变压器初级侧的散热器Ⅰ和位于变压器次级侧的散热器Ⅱ；所述的 PWM控制电路中的功率MOSFET管采用全塑封结构，安装于散热器Ⅰ上，所述的同步整流板安装于散热器Ⅱ上；所述的主板采用双面器件布局，所述主板的顶层，安装高度较高器件，所述主板的底层，安装低高度表贴器件。
2.如权利要求1所述的铁路机车车载电子设备一次隔离电源模块，其特征在于：所述的高度较高器件包括功率MOSFET、同步整流板、散热器、滤波电容和变压器。
3.如权利要求1所述的铁路机车车载电子设备一次隔离电源模块，其特征在于：所述低高度表贴器件包括PWM控制器、电阻、电容，器件高度不超过2.54mm。
4.如权利要求1所述的铁路机车车载电子设备一次隔离电源模块，其特征在于：所述变压器选用具有较大Ae值和Aw值的PQ系列磁芯。
5.如权利要求1所述的铁路机车车载电子设备一次隔离电源模块，其特征在于：所述同步整流板，采用的双面环氧玻璃布板，背面覆铜；所述同步整流板与主板通过三个引脚相连接，分别连接主板输出电压地、主板上变压器输出绕组11、12引脚、主板上变压器输出绕组7、8引脚。
6.如权利要求1所述的铁路机车车载电子设备一次隔离电源模块，其特征在于：所述位于变压器初级侧的散热器Ⅰ与电源模块DC110V输入地直接连接，位于变压器次级侧的散热器Ⅱ电源模块输出负直接连接，散热器起到电磁屏蔽作用，EMI小。
7.如权利要求1所述的铁路机车车载电子设备一次隔离电源模块，其特征在于：所述电源模块电路板的主板采用采用至少4层环氧玻璃布板，器件双面布局，内电层为输入DC110V地和输出地，高压线、大电流线在内电层上下走线。
8.如权利要求1所述的铁路机车车载电子设备一次隔离电源模块，其特征在于：所述电源模块采用开放式结构，电源模块产生的热量直接向周围环境散热。
9.如权利要求1所述的铁路机车车载电子设备一次隔离电源模块，其特征在于：所述电源模块就近外置一个5面体屏蔽壳，所述5面体屏蔽壳可以开小于等于0.5mm通孔，电源模块产生的热量通过这些通风孔散出到周围环境空气中。
10.如权利要求1所述的铁路机车车载电子设备一次隔离电源模块，其特征在于：所述PWM控制电路上还连接有遥控功能电路和保护电路；所述的反馈电路上还连接有输出电压调节电路。
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