基于LLC拓撲的高效率井下隔爆充電機

趙振興，曾志剛

（湖南工程學院 電氣信息學院，湘潭 411101）

基于LLC拓撲的高效率井下隔爆充電機

趙振興，曾志剛

（湖南工程學院 電氣信息學院，湘潭 411101）

鑒于煤礦井下的應用環(huán)境，對充電機有嚴格的隔爆要求，因此給充電機的散熱帶來了挑戰(zhàn).提高充電機的整機效率是解決這一難題的唯一出路.采用半橋LLC諧振方式提高了煤礦井下隔爆充電機的效率，成功研制了新型煤礦井下高效率隔爆充電機.實驗表明，所研制的井下隔爆充電機滿載效率高達95.2%.

隔爆充電機；高效率；LLC諧振；散熱

0 前 言

近年來，煤礦井下的主要運輸設備是電機車，電機車的動力由隔爆型鉛酸蓄電池提供.隔爆鉛酸蓄電池具有成本低、使用安全、可循環(huán)充電的特點，在煤礦生產(chǎn)運輸中起著重要作用，因此，用于對隔爆型鉛酸蓄電池充電的隔爆充電機是煤礦生產(chǎn)的重要設備.

目前的礦山充電設備大多采用的是工頻變壓器降壓、晶閘管可控整流技術，該技術應用在井下隔爆充電機中已有四十多年的歷史.煤礦井下供電電壓大都為660V、50Hz交流電能，機車蓄電池充電機用變壓器降壓（將660V交流電壓降低到380V）、晶閘管整流得到可控直流電壓給蓄電池充電.降壓變壓器的功率大、重量達60kg左右，要耗費大量的銅線和硅鋼片，其體積大、笨重.而且晶閘管是半控型器件，其工作頻率低，這就使這種礦山機車蓄電池充電機控制特性差、功率因數(shù)低、效率低（60%左右）、電壓和電流紋波大，影響蓄電池壽命.近幾年，高頻開關電源技術也開始在隔爆充電機領域得到應用，但其效率一般只有85%左右［1－2］，散熱設計壓力仍然較大.

本文涉及的高效率660VAC井下隔爆充電機主回路采用了半橋LLC諧振，使新型井下隔爆充電機具有效率高（達95%左右）、體積小、重量輕、控制特性好、能延長蓄電池充放電次數(shù)等特點，是一種節(jié)能、省材的好產(chǎn)品.

1 LLC諧振式隔爆充電機整體結構

井下隔爆充電機的的整體結構如圖1所示.其工作原理描述如下：660V三相50Hz交流電能經(jīng)過三相整流器整流，經(jīng)母排濾波電容濾波，得到穩(wěn)定的920V直流電壓，經(jīng)過LLC諧振腔的高效轉(zhuǎn)換，將能量傳遞到變壓器的次級，再經(jīng)次級整流濾波電路，得到我們所期望的穩(wěn)定的直流電能為蓄電池充電.

圖1 LLC諧振型隔爆充電機的主回路結構圖

2 LLC諧振式腔的設計

2.1 LLC諧振腔的工作原理

諧振腔的原理圖如圖2所示.

圖2 LLC諧振腔原理圖

Us為母排電壓，母排電容足夠大，Us可近似為一個恒壓源.開關管Q1、Q2構成半橋結構，諧振腔由諧振電容Cr，諧振電感Lr，變壓器T構成，其中變壓器的激磁電感為Lm，其等效電路可以視為一個Lm電感和一個理想變壓器（變比為n＝n1∶n2）并聯(lián).DR1～DR4及E1為次級整流濾波電路.Q1、Q2的驅(qū)動信號為互補對稱的PFM調(diào)節(jié)模式，占空比為0.5.因此諧振腔的輸入可看做是幅值為Us，占空比為0.5的方波電壓.該電壓經(jīng)傅里葉級數(shù)變換，得到的是基頻和其他奇數(shù)倍高頻分量組成的正弦電壓.由于諧振腔對高頻成分有良好的濾波作用，我們可近似認為只有基波電壓成分作用于諧振腔.諧振腔有兩個諧振頻率，當變壓器初級向次級傳遞能量時，變壓器一次側電壓被鉗位為nVo，Lm不參與諧振，這時的諧振頻率為fr1；當變壓器初級不向次級傳遞能量時，激磁電感Lm沒有被輸出端電壓所鉗位，這時的諧振頻率為fr2.

2.2 LLC諧振腔直流增益曲線及工作區(qū)間分析

運用基頻分析法，可以推導出半橋LLC諧振電路的直流電壓增益表達式為：

半橋LLC諧振電路在不同的負載條件下的直流增益曲線如圖3所示.

圖3 電感系數(shù)固定品質(zhì)因數(shù)變化的直流電壓增益

如圖3，令電感系數(shù)K＝1／6，品質(zhì)因數(shù)Q變化，可以得到直流電壓增益圖形.一般的設計中，經(jīng)常將fn＝1這一點設為負載獨立工作點［3－4］.半橋LLC諧振電路應避免工作在容性區(qū)域（區(qū)域2），因為容性區(qū)域開關損耗大，不利于實現(xiàn)軟開關.通常的恒壓輸出設計中往往將工作點設置在區(qū)域1，這樣電路工作在諧振電流斷續(xù)模式，可同時實現(xiàn)初級開關管零電壓開通和次級整流管零電流關斷.但在圖3中我們可以看到，區(qū)域1中頻率在一個較大的范圍內(nèi)變化而增益變化范圍很小，無法實現(xiàn)寬輸出電壓調(diào)節(jié)范圍的目的.同時，從最大增益點到fn這一點之間的曲線上，越接近諧振點增益越小，恒流輸出設計中只能將滿載工作點設計在增益最大點，即fs＜fr1的區(qū)間，輕載工作點設計在諧振點，這樣滿載效率得不到優(yōu)化，效率低下.

在圖3所示區(qū)域3內(nèi)fs＞fr1，LLC工作在諧振電流連續(xù)模式，初級開關管可實現(xiàn)ZVS開通，次級整流管不能實現(xiàn)ZCS關斷，會有反向恢復損耗，但在輕載的情況下影響并不大.這一區(qū)間增益曲線斜率較大，直流增益可調(diào)的范圍大，可滿足充電機恒流寬電壓范圍輸出設計的要求.所以我們將充電機的工作點設計在區(qū)域3內(nèi).

2.3 LLC諧振腔參數(shù)設計

2.3.1 諧振頻率fr1的選擇

依據(jù)輸入電壓等級及最大輸出功率，Q1、Q2我們選擇電壓等級為1700V，電流等級為150A的IGBT半橋模塊.該模塊的最佳工作頻率為10kHz左右，所以，電路工作在負載獨立點時的工作頻率設計在10kHz左右較為理想.為保證半載工作效率，半載頻率不能太高.所以應當選擇增益曲線中斜率較大的一段，即Mdc＜1.電路實際的開關頻率始終大于fr1，所以應選fr1≤10kHz，故設計在9～10 kHz較為合理.

2.3.2 諧振腔內(nèi)諧振電容Cr及諧振電感Lr的設計

2.3.3 變壓器繞組匝比n及激磁電感的設計

實際變壓器繞組的匝比應比期望的變壓器繞組匝比小，即n＜nnor.匝比n減小，半載時的工作頻率降低，但同時滿載的工作頻率增高，工作點偏離諧振點較遠，電路工作在連續(xù)的狀態(tài).這時開關管和整流管的開關損耗會增大，在大電流場合更加明顯.所以匝比n不宜取值過小.

激磁電感Lm的值越大，效率越高.但諧振電感Lr確定后，Lm越大則K越小，增益曲線的斜率會變小，輸出調(diào)節(jié)范圍變窄.所以，在保證一定的輸出調(diào)節(jié)范圍的前提下，激磁電感越大越好.

3 實驗結果

根據(jù)上述分析，設計了一臺總功率為23kW的充電機樣機，并進行了效率優(yōu)化.輸入660VAC，經(jīng)過整流后母排電壓約920VDC.輸出電流15～80 A，輸出電壓144～288V.開關管選用MMG150D170B6EN，次級整流二極管選用MMF200N090DA和MMF200N090DK.nnor按輸出電壓最大值設計：nnor＝Uin／（2U0max）＝1.6.實際變壓器初次級匝比n＜Nnor.經(jīng)過反復實驗，得到的最佳參數(shù)為：fr1＝9.5kHz，n＝1.3；Cr＝2μF，Lr＝140μH，K 取1／6，Lm＝840μH，fs＝10～20kHz；半載和滿載時一次側電流波形和次級整流二極管電壓波形如圖4所示.

圖4 一次側電流波形和二次整流二極管電壓波形

輸出電流恒定為80A，改變負載，使輸出電壓變化.效率測試結果如圖5所示.可見，滿載時效率達到了95.2%，開關頻率fs越接近諧振頻率效率越高.

圖5 整機效率曲線

4 結 論

本文設計的660V輸入隔爆充電機，滿載時整機效率達到了95.2%，同時在較寬的負載變化范圍內(nèi)開關頻率的變化范圍并不大.整機效率的大幅度提高，使設備的功率密度加大，隔爆外殼加工難度降低，散熱器體積減小，產(chǎn)品成本降低，很好地解決了隔爆充電機的設計難點.

［1］曹以龍，鄭昌陸，江友華.煤礦井下660VAC隔爆充電機的研制［J］.上海電力學院學報，2010，26（5）：443－446.

［2］張 弛，賀明智，李金芝，田 遠.礦用660VAC防爆充電機設計［J］.電源技術應用，2013（7）：184－189.

［3］趙 晨，石 洋，吳新科，等.三元件串聯(lián)LLC諧振變流器的優(yōu)化設計策略［J］.電工技術學報，2008，23（1）：66－70.

［4］周偉成，馬 皓，張海軍.半橋LLC諧振變換器效率優(yōu)化方案的研究［J］.電力電子技術，2007，41（9）：57－59.

［5］Teng Liu，Ziying Zhou，Aiming Xiong，et al.A Novel Precise Design Method for LLC Series Resonant Converter［A］.Telecommunications Energy Conference，2006［C］.2006：150－155.

［6］Lee，I.－O；Moon，G.－W.Analysis and Design of a Three－Level LLC Series Resonant Converter for High－and Wide－input－Voltage Applications［J］.IEEE Transactions on Power Electronics，2012，27（6）：2966－2978.

High Efficiency Explosion Proof Charger in Mines Based on LLC Topology

ZHAO Zhen－xing，ZENG Zhi－gang
（College of Electrical ＆Information Hunan Institue of Engineering，Xiangtan 411101，China）

ecause of the application environment in coal mines，there are strict explosion proof requirements on charger.So，it challenges the heat dissipate of the machine.The only solution is to improve the efficiency.Half－bridge LLC resonant be used to improve the efficiency of explosion proof charger in coal mines，so the novel explosion proof charger is developed.Experiments showed that the full load efficiency of the explosion proof charger up to 95.2%.

explosion Proof Charger；high efficiency；LLC resonant；heat dissipate

TM910.6

A

1671－119X（2014）02－0005－03

2014－01－12

湖南省教育廳科研資助項目（09C265）

趙振興（1976－），男，講師，研究方向：電力電子技術及其應用.