一種礦用超寬輸入電壓范圍自適應電源

林引， 孟小紅， 劉亞輝

(1.瓦斯災害監(jiān)控與應急技術國家重點實驗室， 重慶 400037；2.中煤科工集團重慶研究院有限公司， 重慶 400039)

0 引言

礦用電源是礦井監(jiān)控、通信、人員定位等系統(tǒng)中的主要配套設備，其可靠性是影響系統(tǒng)穩(wěn)定運行的重要因素。目前使用較多的礦用電源主要有2種：① 單一輸入電壓等級的礦用電源，其輸入電壓范圍較窄(一般為AC85～265 V)，然而煤礦井下電壓等級多，取電十分不便[1-3]。② 多輸入電壓等級的礦用電源，其采用工頻變壓器加抽頭方式[4-5]，可實現輸入電壓等級的切換和隔離，但存在沖擊電流大、效率低、抗波動能力差、體積大等缺點。

寬輸入電壓范圍電源將高頻脈寬調制技術與高頻變壓器相結合[6-8]，具有效率高、體積小等優(yōu)點，是礦用電源的發(fā)展方向。文獻[9]介紹了一種基于全控橋移相整流技術的AC80～830 V輸入自適應電源；文獻[10]采用Buck拓撲與反激拓撲相結合的方式，設計了一款AC80～900 V寬輸入電壓范圍電源；文獻[11]介紹了一種基于三電平變換器的AC95～825 V寬輸入電壓范圍開關電源。但上述電源存在電路復雜、成本高等缺點，且高輸入電壓下功率開關管承受高電壓應力，容易造成功率開關管損壞，影響電源穩(wěn)定性。本文提出了一種礦用超寬輸入電壓范圍自適應電源設計方案，采用功率開關管串聯方式來降低功率開關管電壓應力，具有電路簡單、成本低、安全性高等優(yōu)點。

1 電源設計指標

為兼容煤礦常用的AC127/220/380/660 V電壓等級并考慮輸入電壓的波動，確定礦用超寬輸入電壓范圍自適應電源的輸入電壓為AC85～900 V?？紤]到電源負載一般為本質安全設備，所需功率相對較小，確定電源輸出功率為36 W，輸出電壓為DC24 V。

2 電源設計方案

礦用超寬輸入電壓范圍自適應電源主要由整流濾波電路、輸入串聯型反激變換器、輔助電源電路、脈沖驅動電路及反饋控制電路組成，如圖1所示。

圖1 礦用超寬輸入電壓范圍自適應電源組成Fig.1 Composition of mine-used adaptive power supply with super wide input voltage range

2.1 輸入串聯型反激變換器

輸入串聯型反激變換器如圖2所示。最高交流輸入電壓經整流后的直流電壓達1 260 V，而常規(guī)的功率開關管耐壓值為DC600～800 V，因此采用功率開關管串聯方式[12-14]，使每個功率開關管在斷開狀態(tài)時所承受的電壓應力被3個均壓電容Cd1，Cd2，Cd3有效鉗制在輸入電壓的1/3，從而實現高輸入電壓的直流變換。電路工作原理：功率開關管Q1，Q2，Q3同時導通期間，變壓器T1存儲能量，輸出二極管D4反向截止，由輸出電容Cd4向負載供電；功率開關管Q1，Q2，Q3同時截止期間，變壓器T1將存儲的能量通過輸出二極管D4向輸出電容Cd4充電和負載供電。根據變壓器的伏秒平衡原理[15]，輸出電壓為

(1)

式中：Vin為輸入電壓；D為占空比；n為變壓器繞組比。

圖2 輸入串聯型反激變換器Fig.2 Input-series flyback converter

2.2 反饋控制電路

反饋控制電路如圖3所示。主控芯片U1采用高集成度PWM控制器NCP1253，其在輕載條件下可降頻，僅需增加1個補償電阻即可解決次諧波振蕩問題。由可控精密穩(wěn)壓源U3、反饋電阻R8和R9、光耦U2A和U2B、偏置電阻R6、電容C4等組成電壓反饋電路，通過調整電阻R8和R9的比值可確定輸出電壓，通過調整電阻R6和電容C4可實現電源環(huán)路穩(wěn)定性。

圖3 反饋控制電路Fig.3 Feedback control circuit

2.3 脈沖驅動電路

功率開關管Q1，Q2，Q3的開關一致性是保證電源可靠性的關鍵，因此設計了3路脈沖驅動電路，如圖4所示。電阻R13、二極管D6、三極管Q4和三極管Q5組成圖騰柱驅動電路以擴展主控芯片U1的驅動能力。單路脈沖驅動電路工作原理：驅動信號正向時，正電壓經電容C8和二極管D12加到功率開關管的柵源級充電，功率開關管導通，電容C11輔助加速三極管Q6截止；驅動信號反向時，電容C8中的電量通過二極管D9和限流電阻R15快速放電，同時電容C11輔助加速三極管Q6導通，功率開關管的柵源級放電，功率開關管截止。

圖4 脈沖驅動電路Fig.4 Pulse drive circuit

2.4 輔助電源電路

為提高電源效率，設計了如圖5所示的輔助電源電路。其工作原理：電源啟動時電壓通過電阻R25、開關管Q10、二極管D16為主控芯片U1供電，正常運行后由變壓器輔助繞組通過三極管Q9、二極管D17為主控芯片U1和驅動電路供電，同時通過二極管D14、電阻R24、三極管Q8和二極管D15關閉開關管Q10，達到降低功耗的目的。

圖5 輔助電源電路Fig.5 Auxiliary power circuit

2.5 變壓器

變壓器是電源中的關鍵部件，其繞組參數及繞制工藝將影響電源的穩(wěn)定性、效率和絕緣性。

對于反激變換器，當輸入電壓由低壓向高壓變化時，其工作模式將從連續(xù)模式過渡到斷續(xù)模式。對于2種模式，均在最惡劣條件(最低輸入電壓和滿載)下設計變壓器的輸入繞組電感：

(2)

式中：Vinmin為輸入電壓最小值；Dmax為最大占空比；Pin為輸入功率；f為變壓器工作頻率；Ki為電流紋波系數。

流過輸入繞組的平均電流Iav和電流峰值Ipk為

(3)

Ipk=Iav(1+2Ki)

(4)

輸入繞組匝數為

(5)

式中：ΔB為磁芯變化磁通；Ae為磁芯橫截面積。

輸出繞組和輔助繞組匝數為

(6)

式中：Vox為輸出繞組和輔助繞組的輸出電壓；Vor為輸入繞組反射電壓。

通過式(2)—式(6)計算出變壓器的輸入繞組電感為1.33 mH、輸入繞組96圈、輸出繞組18圈、輔助繞組16圈。

為提高變壓器的絕緣性能，在輸入繞組與輸出繞組間增加一定厚度的擋墻，輸出繞組采用3層絕緣線，且輸入繞組與輸出繞組間增加多層電氣絕緣膠帶，每層膠帶覆蓋從骨架的一側邊緣至另一側邊緣的整個骨架寬度，同時在進出引線上使用一定厚度的絕緣套管。為保證變壓器的安全性能，輸入繞組與輸出繞組分開布線，繞組之間有銅質屏蔽層并接地，且繞組之間的屏蔽銅箔最小厚度為0.1 mm。

3 試驗結果

在輸入電壓分別為AC85，900 V且滿載條件下，變壓器輸入繞組電流波形如圖6(a)和圖6(b)所示；在輸入電壓為AC900 V且滿載條件下，功率開關管電壓波形如圖6(c)所示?？煽闯鲈诘蛪汉透邏狠斎肭闆r下，變壓器輸入繞組均未出現飽和現象；在高壓輸入情況下，功率開關管的峰值電壓為516 V，小于開關管的耐壓值(800 V)，且功率開關管的開關一致性好。

以AC1 000 V可調變壓器作為輸入，輸出接36 W額定負載，電源常規(guī)性能測試結果見表1，絕緣耐壓測試結果見表2。

從表1可看出，在AC85～900 V輸入電壓波動范圍內，電源輸出電壓的最大誤差僅為1.1%，紋波電壓不超過139 mV，效率高達87.4%。從表2可看出，漏電流不大于1.53 mA，絕緣電阻不小于50 MΩ，滿足GB 3836.4—2010《爆炸性環(huán)境 第4部分：由本質安全型“i”保護的設備》中漏電流不超過5 mA、絕緣電阻不小于50 MΩ的要求。

4 結語

礦用超寬輸入電壓范圍自適應電源采用輸入串聯型反激變換器以降低功率開關管的電壓應力，在AC85～900 V輸入電壓波動范圍內，輸出電壓穩(wěn)定，紋波電壓不超過139 mV，效率高達87.4%，同時具有可靠、安全的隔離性能，可應用于多輸入電壓等級的礦用中小功率電氣設備。

(a) 輸入電壓為AC85 V時輸入繞組電流波形

表1 電源常規(guī)性能測試結果Table 1 Test results of general performance of power supply

表2 電源絕緣耐壓測試結果Table 2 Test results of insulation withstand voltage of power supply