礦用寬輸入電壓范圍級(jí)聯(lián)變換器設(shè)計(jì)

劉揚(yáng)清， 周遠(yuǎn)

（1.中煤科工集團(tuán)北京華宇工程有限公司，北京 100120；2.中煤科工集團(tuán)常州研究院有限公司,江蘇 常州 213015；3.天地（常州）自動(dòng)化股份有限公司，江蘇 常州 213015）

0 引言

我國(guó)煤礦井下電壓等級(jí)多，大多數(shù)煤礦采用127 V或660 V作為礦用電源的交流輸入電壓。隨著煤礦井下自動(dòng)化程度提高，各種監(jiān)測(cè)、通信設(shè)備用于供電電壓為1 140 V的綜采工作面，部分煤礦要求礦用電源能夠直接接入1 140 V供電系統(tǒng)中。

MT/T 408?1995《煤礦用直流穩(wěn)壓電源》要求礦用電源交流輸入電壓波動(dòng)范圍為標(biāo)稱值的75%～110%，在127 V供電系統(tǒng)中，交流輸入電壓下限值約為 95 V，在 1 140 V 供電系統(tǒng)中，交流輸入電壓上限值為1 254 V。煤礦井下環(huán)境復(fù)雜，礦用電源輸入端與井下供電端之間采用數(shù)千米長(zhǎng)的電纜進(jìn)行連接，在相同負(fù)載下，交流輸入電壓越低，電流越大，供電電纜線損越嚴(yán)重。當(dāng)127 V電壓波動(dòng)至標(biāo)稱值的75%時(shí)，供電電纜壓降約為20 V，礦用電源輸入電壓約為 70 V。當(dāng) 1 140 V 電壓波動(dòng)至標(biāo)稱值的 110%時(shí)，保留10%的電壓裕量，礦用電源輸入電壓約為1 400 V。在滿足煤礦電壓等級(jí)的前提下，最大程度地提高礦用電源的輸入電壓范圍，使礦用電源能夠自適應(yīng)70～1 400 V交流電壓，是礦用電源發(fā)展趨勢(shì)。

目前礦用電源主要采用反激變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如文獻(xiàn)[1]采用多個(gè)反激變換器串聯(lián)，降低了功率管電壓應(yīng)力，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低的特點(diǎn)，但功率管占空比受到限制，反激變換器電壓增益小，無法自適應(yīng)70～1 400 V交流電壓。文獻(xiàn)[2]提出了基于三電平變換器的寬范圍開關(guān)電源，但功率管電壓應(yīng)力大，輸入交流電壓為95～825 V，無法應(yīng)用于煤礦1 140 V 供電系統(tǒng)中。文獻(xiàn)[3-6]提出了 LLC 變換器，采用諧振工作方式，降低了功率管損耗，提高了效率，但受限于變換器諧振工作頻率，電壓增益無法增大。文獻(xiàn)[7-9]設(shè)計(jì)的變換器為非隔離型，不滿足輸入輸出電氣隔離要求，且功率管電壓應(yīng)力大。文獻(xiàn)[10-11]為降低功率管電壓應(yīng)力，采用多電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，但引入過多二極管和電容，導(dǎo)致控制復(fù)雜，不利于電源的穩(wěn)定性且成本高。本文提出了一種礦用寬輸入電壓范圍級(jí)聯(lián)變換器設(shè)計(jì)方案，通過電容串聯(lián)分壓降低功率管電壓應(yīng)力，采用Buck變換器與LLC變換器串聯(lián)方式提高變換器電壓增益。

1 級(jí)聯(lián)變換器設(shè)計(jì)

礦用寬輸入電壓范圍級(jí)聯(lián)變換器由3路相同的Buck變換器和LLC變換器組成，如圖1所示。交流電經(jīng)不控整流電路整流后，通過電容串聯(lián)分壓分成3路幅值相近的電壓，作為Buck變換器輸入電壓；Buck變換器將電壓調(diào)節(jié)至一定范圍，作為L(zhǎng)LC變換器輸入電壓；LLC變換器利用壓頻變換，輸出穩(wěn)定的直流電壓。

圖1 礦用寬輸入電壓范圍級(jí)聯(lián)變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.1 Topology of mine cascaded converter with wide input voltage range

1.1 Buck變換器

交流輸入電壓經(jīng)整流后得到的直流電壓Udc被電容 C11，C21，C31分壓，每個(gè)電容電壓約為Udc/3，使Buck變換器中功率管Q11，Q21，Q31承受的電壓應(yīng)力為直流電壓的1/3；儲(chǔ)能濾波電感L11，L21，L31和濾波電容C12，C22，C32對(duì)Buck變換器輸出電壓進(jìn)行濾波儲(chǔ)能；當(dāng) Q11，Q21，Q31斷開時(shí)，二極管 D11，D21，D31進(jìn)行續(xù)流。

由于輸入電壓范圍寬，Buck變換器采用輸出電壓閉環(huán)和輸入電壓前饋補(bǔ)償環(huán)相結(jié)合控制方式，調(diào)節(jié)Q11，Q21，Q31占空比，并對(duì)占空比進(jìn)行限幅，維持輸出電壓穩(wěn)定，如圖2所示。圖2中，Uref1為Buck變換器給定電壓，Ubus_set為前饋補(bǔ)償環(huán)基準(zhǔn)電壓，Uin為輸入電壓，Gvd（s）為占空比擾動(dòng)與輸出電壓擾動(dòng)的傳遞函數(shù)，UBuck為輸出電壓，Kvf1為Buck變換器電壓反饋系數(shù)。

圖2 Buck 變換器控制原理Fig.2 Control principle of Buck converter

占空比擾動(dòng)與輸出電壓擾動(dòng)的傳遞函數(shù)為

式中：s為拉普拉斯算子；R為Buck變換器等效負(fù)載。

1.2 LLC變換器

LLC 變 換 器 中 功 率 管 Q12，Q13，Q22，Q23，Q32，Q33組成半橋；諧振電容 Cr1，Cr2，Cr3和諧振變壓器T1，T2，T3組成諧振網(wǎng)絡(luò)，其中 Lr1，Lr2，Lr3分別為諧振變壓器 T1，T2，T3漏磁電感，Lm1，Lm2，Lm3分別為諧振變壓器 T1，T2，T3勵(lì)磁電感；二極管 D12，D13，D22，D23，D32，D33將諧振電壓整流成直流電壓，并在功率管關(guān)閉時(shí)進(jìn)行續(xù)流；C13，C23，C33為輸出濾波電容。

為實(shí)現(xiàn)LLC變換器穩(wěn)壓輸出，采用脈沖頻率調(diào)制技術(shù)對(duì)輸出電壓進(jìn)行閉環(huán)控制，通過壓控振蕩器對(duì)功率管 Q12，Q13，Q22，Q23，Q32，Q33進(jìn)行變頻驅(qū)動(dòng)，改變諧振網(wǎng)絡(luò)工作頻率，穩(wěn)定輸出電壓，如圖3所示。圖3中，Uref2為L(zhǎng)LC變換器給定電壓，Kvf2為L(zhǎng)LC變換器電壓反饋系數(shù)，Uout為L(zhǎng)LC變換器輸出電壓。

圖3 LLC 變換器控制原理Fig.3 Control principle of LLC converter

在最低輸入電壓或最高條件下需調(diào)節(jié)LLC變換器電壓增益進(jìn)行穩(wěn)壓，變換器電壓增益為[12]

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式中：ω為諧振角頻率；Rac為諧振變壓器初級(jí)等效負(fù)載。

當(dāng)LLC變換器輸入電壓為最高電壓時(shí)，變換器需提供最小電壓增益：

式中k為勵(lì)磁電感和初級(jí)漏磁電感比值。

當(dāng)LLC變換器輸入電壓為最低電壓時(shí)，變換器需提供最大電壓增益：

式中：Uinmax為L(zhǎng)LC變換器最高輸入電壓；Uinmin為L(zhǎng)LC變換器最低輸入電壓。

LLC變換器中諧振變壓器匝比為

式中Uf為諧振變壓器次級(jí)整流二極管壓降。

由式（5）及LLC變換器整體效率E和輸出功率Pout計(jì)算諧振變壓器初級(jí)等效負(fù)載：

式中：Q為品質(zhì)因數(shù)；fmin為最低諧振頻率。

諧振變壓器漏磁電感為

諧振變壓器勵(lì)磁電感為

2 仿真與實(shí)驗(yàn)

為驗(yàn)證礦用寬輸入電壓范圍級(jí)聯(lián)變換器的有效性，利用Matlab建立級(jí)聯(lián)變換器仿真模型，并搭建樣機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。Buck變換器功率管采用耐壓1 200 V 的 IGBT，LLC 變換器功率管采用耐壓 100 V的MOSFET。級(jí)聯(lián)變換器參數(shù)見表1。

表1 礦用寬輸入電壓范圍級(jí)聯(lián)變換器參數(shù)Table 1 Parameters of mine cascaded converter with wide input voltage range

仿真模擬負(fù)載突變情況下輸出電壓的穩(wěn)定性，如圖4所示。當(dāng)輸出電流由0.4 A突增至2.4 A，并經(jīng)0.1 s后突減至0.4 A時(shí)，負(fù)載效應(yīng)在3%以內(nèi)，滿足MT/T 408?1995中負(fù)載效應(yīng)不大于5%的要求。

圖4 負(fù)載突變時(shí)輸出電壓和電流仿真波形Fig.4 Output voltage and current simulation waveforms under load mutation

當(dāng)輸入電壓為AC70 V時(shí)，Buck變換器、LLC變換器功率管驅(qū)動(dòng)實(shí)驗(yàn)波形如圖5所示?？煽闯鯞uck變換器功率管IGBT開關(guān)頻率為35 kHz，占空比為0.95，未出現(xiàn)全開通現(xiàn)象；LLC變換器功率管MOSFET開關(guān)頻率為 40 kHz，占空比固定為 0.5，MOSFET工作于脈沖頻率調(diào)制。

圖5 輸入電壓 AC70 V 時(shí)功率管驅(qū)動(dòng)實(shí)驗(yàn)波形Fig.5 Power tube drive experimental waveforms under input voltage AC70 V

輸入電壓為AC70 V且空載、滿載條件下，輸出電壓和電流實(shí)驗(yàn)波形如圖6所示?？煽闯鲚敵鲭妷浩骄涤煽蛰d時(shí)的34.91 V變化至滿載時(shí)的34.90 V，輸出電壓偏離值在0.3%以內(nèi)，滿足MT/T 408?1995中輸出電壓偏離值不超過5%的要求。

圖6 輸入電壓 AC70 V 時(shí)輸出電壓和電流波形Fig.6 Output voltage and current waveforms under input voltage AC70 V

當(dāng)輸入電壓為 AC1 400 V 時(shí)，Buck 變換器、LLC變換器功率管驅(qū)動(dòng)實(shí)驗(yàn)波形如圖7所示?？煽闯鯞uck變換器功率管IGBT開關(guān)頻率為35 kHz，占空比為0.05，未出現(xiàn)全關(guān)閉現(xiàn)象；LLC變換器功率管MOSFET開關(guān)頻率為 60 kHz，占空比固定為 0.5，MOSFET工作于脈沖頻率調(diào)制。

圖7 輸入電壓 AC1 400 V 時(shí)功率管驅(qū)動(dòng)實(shí)驗(yàn)波形Fig.7 Power tube drive experimental waveforms under input voltage AC1 400 V

輸入電壓為AC1 400 V且空載、滿載條件下，輸出電壓和電流實(shí)驗(yàn)波形如圖8所示?？煽闯鲚敵鲭妷浩骄涤煽蛰d時(shí)的35.01 V變化至滿載時(shí)的34.98 V，輸出電壓偏離值在0.3%以內(nèi)，滿足MT/T 408?1995中輸出電壓偏離值不超過5%的要求。

圖8 輸入電壓 AC1 400 V 時(shí)輸出電壓和電流波形Fig.8 Output voltage and current waveforms under input voltage AC1 400 V

3 結(jié)語

礦用寬輸入電壓范圍級(jí)聯(lián)變換器能夠在AC70～1 400 V輸入電壓波動(dòng)范圍內(nèi)，輸出電壓穩(wěn)定，電壓偏離值在5%以內(nèi)，且負(fù)載效應(yīng)在5%以內(nèi)，滿足MT/T 408?1995要求，同時(shí)具有輸入輸出電氣隔離性能，可應(yīng)用于多電壓等級(jí)的礦用電氣設(shè)備。