基于交錯并聯LLC拓撲的井下充電機設計

摘 要：文章介紹了交錯并聯LLC諧振變換器的原理，設計了LLC諧振參數，并進行了損耗計算。結合目前井下磷酸鐵鋰電池對充電機的要求，設計了采用DSP為主控芯片的大功率磷酸鐵鋰電池充電機方案，并進行了PSIM仿真，開發了實驗樣機。仿真與實驗結果表明，采用交錯并聯LLC技術的充電機具有輸出紋波小、效率高，穩定可靠等優點。

關鍵詞：交錯并聯LLC拓撲；磷酸鐵鋰電池；充電機

引言

當前，我國煤礦井下電氣緊急避險設施、井下運輸車輛等對大容量磷酸鐵鋰電池的需求越來越多。磷酸鐵鋰電池是一種新型環保材料的電池，具有體積小、重量輕、壽命長、耐高溫、可避免過度充放電、安全性能好等優點[1]。我國于2012年發布了《礦用隔爆（兼本安）型鋰離子蓄電池電源安全技術要求》試行版，該標準的實施必將進一步推進大容量鋰電池在煤礦的大量應用[2]。但是，將磷酸鐵鋰電池應用在井下充電機車還存在一些問題。比如，現有充電機大多還是采用工頻變壓器帶可控硅整流充電，充電電流波動較大且難以實現按照電池特性曲線進行智能充電，無法滿足磷酸鐵鋰電池的充電要求。也有采用隔離開關電源方案的充電機，但并無功率因數校正環節。因此開發具有功率因數校正功能、高效率煤礦井下充電機對于解決當前存在問題具有重要意義。煤礦充電機與地面充電機也有許多不同之處：（1）電壓等級不同，煤礦輸入電壓1140Vac；（2）散熱條件不同，井下采用自然風冷的冷卻方式；（3）結構不同，井下充電機必須安裝在隔爆殼中?；谝陨险撌鎏岢隽艘环N前級采用二極管中點鉗位式三電平PWM整流技術實現PFC和整流功能，后級采用交錯并聯LLC技術實現DC-DC變換的解決方案。

文章僅論述交錯并聯LLC部分。它除具有一般LLC高頻率、高效率、高功率密度等優點，還具有輸入耐壓高，輸出紋波小，濾波電容少等優點[3]。在高電壓大功率的煤礦井下應用，具有良好的性能。

1 設計要求和總體方案

總體設計方案如圖1所示，煤礦井下交流電壓1140V經PFC整流后Vin作為交錯LLC的輸入電壓，輸出電壓Vo為鋰電池充電。根據煤礦充電機實際需要，交錯并聯LLC設計要求如下：輸入電壓Vin=2000V，輸出電壓Vo=400～200V，輸出電流Io=37.5A，輸出功率Po=30Kw，效率η=96%。

圖1 總體設計方案

交錯并聯LLC設計部分如圖2所示，交錯并聯LLC主電路是設計的重點，如圖3所示。輸出部分采用LC濾波，經過采樣網絡后，與控制器配合，通過驅動板來控制功率管開關。整個系統能夠提供完整的保護功能包括過流、過欠壓、過溫保護。交錯并聯LLC主電路部分主要包括諧振元器件參數和變壓器的設計，在下面小節中會具體的介紹。

圖2 交錯并聯LLC設計方案

2 交錯并聯LLC諧振變換器工作原理

交錯并聯LLC諧振變換器拓撲結構如圖3所示，由兩個全橋LLC通過輸入級串聯輸出級并聯得到。Q1-Q4和Q5-Q8選用兩個infineon的F4-50R12MS4的IGBT模塊，D1-D8選用IXYS的DSEI2×101-06A的快恢復二極管，諧振槽由諧振電感Lr、諧振電容Cr和勵磁電感Lm組成。

首先分析圖3虛線框中上半全橋LLC模塊的工作原理，下半全橋LLC工作原理相同。由于有兩個電感，因此具有兩個諧振頻率，一個是諧振電感Lr和諧振電容Cr的諧振頻率fr，另一個是Lr、Cr和勵磁電感Lm的諧振頻率fm。計算公式如下：

（1）

（2）

只有開關頻率f>fm時，才能保證開關管工作于ZVS模式，因此全橋LLC可分為三個工作模式，分別是f>fr、fm

當f>fr時，IGBT在任何負載下都能實現ZVS，但變壓器勵磁電感以Lr、Cr諧振槽的負載形式存在，而不參與諧振過程， LLC諧振變換器特性傾向于串聯諧振變換器。輸出二極管電流連續不能夠實現ZCS，在換流時會產生反向恢復損耗[4-6]。

當fm

當f=fr時，全橋LLC模塊工作于諧振點，IGBT實現ZVS，輸出二極管的電流處于斷續與連續臨界點，效率最高[7]。因此設定LLC額定狀態下工作于諧振點fr，此時LLC模塊效率可達97%以上。

交錯并聯LLC諧振變換器原理本質上與全橋LLC的工作原理相同，但也有所不同。交錯并聯是指兩個LLC模塊的控制信號頻率相同，相角互相錯開的運行模式。如圖4所示，上下全橋LLC模塊開關頻率相同相位相差90°。具體來說，上半全橋Q1、Q3同時開關，Q2、Q4同時開關，兩者相差180°，下半全橋與之類似，不在贅述。但Q1、Q3與Q5、Q7相差90°，Q2、Q4與Q6、Q8相同。即上下全橋相位差90°。輸入端電容串聯，在大功率應用場合，PFC輸出母線電壓被平分，每路的輸入電壓1000V左右，這樣IGBT模塊就不會受電壓應力制約，既簡化拓撲結構又解決了實際問題[8]。

如圖5所示，Vo為輸出電壓紋波，V1為上半全橋輸出電壓紋波，V2為下半全橋輸出電壓紋波?？梢娸敵鲭妷杭y波減小一倍，即交錯并聯LLC輸出電壓紋波比傳統全橋LLC電壓紋波減少一倍，那么根據公式：

（3）

其中C為輸出電容容量，T為開關周期，Uo為輸出電壓。Vpp為輸出電壓紋波。

我們可以得到Vpp減小， C值就會減少，即輸出電壓紋波減小，輸出電容容量減小，相應輸出電容也會減少，體積自然就會減少，功率密度自然提高。另外，這種拓撲結構最大的優點具有自動均流的效果[8]。

圖5 仿真輸出電壓紋波

3 交錯并聯LLC諧振參數設計

交錯并聯LLC設計參數如下：

輸入電壓Vin：1800～2000V

額定輸入電壓Vinnormol：2000V

輸出額定電壓Vo：400V

輸出功率Po：30Kw

開關頻率fr：40kHz

最大開關頻率fmax：70kHz

根據以上參數，具體設計步驟如下：

a.理論變比：n=■=■=2.5 （4）

b.最高增益：Gmax=■=■=1.111 （5）

c.最小增益：由fmax=■得Gmin=0.8812 （6）

d.滿載時的負載阻抗：RL=■=■=10.6 （7）

e.反射阻抗（等效到變壓器原邊的阻抗）：Rac=n2■RL=53.32（8）

f.考慮到k值對電路的影響，取k=5

品質因數：Q=■×■=0.548 （9）

g.最小開關頻率：fmin=■=28.65kHz （10）

h.諧振電容：Cr=■=136.5nF （11）

i.諧振電感：Lr=■=116uF （12）

j.勵磁電感：Lp=K*Lr=580uF （13）

根據以上設計參數，諧振電感選擇南京新康達LP3材質錳鋅鐵氧體磁芯EE110。由電流和集膚效應，經計算選擇線徑0.1mm，360根一股利茲線，14匝。變壓器選擇南京新康達LP3材質錳鋅鐵氧體磁芯EE185，原邊選擇線徑0.1mm，360根一股利茲線，40匝；副邊選擇90mm寬，0.35mm厚的銅皮，16匝。使用PSIM9進行仿真，仿真圖形如圖4所示，開關頻率f =40kHz，即諧振頻率時，Lr的電流波形是正弦波，效率最高。符合設計要求。

4 交錯并聯LLC損耗計算

由圖3所示，交錯LLC損耗主要包括IGBT、諧振電感、變壓器和輸出二極管的損耗。IGBT損耗主要是通態損耗和開關損耗。

通態損耗：P通=Von×Ion（14）

Von為IGBT通態壓降有效值，Ion為IGBT通態電流有效值。

根據Infineon的F4-50R12MS4輸出特性手冊得到Von是1.63V，Ion根據第3節的參數可得Ion是6.5A，所以P通為10.55w。

因為LLC為軟電壓開通，所以開通損耗可以忽略，只計算關斷損耗。開關能量可以通過實際測量電壓與規格書測量電壓比例關系直接求得，由此根據F4-50R12MS4開關損耗曲線可得，

IGBT一次關斷損耗：Pg= Eoff×Ug/Uc （15）

Eoff為關斷損耗，Uc為F4-50R12MS4測試電壓，Ug為上下全橋LLC的直流電壓。

經計算Pg=4/3mw。那么，IGBT總損耗：Pi=P通+Pg×fr （16）

帶入得，Pi=63.89w。

輸出整流二極管損耗主要是通態損耗，與IGBT計算方法相同，由IXYS的DSEI×101×06A輸出特性曲線得到輸出二極管損耗Pd=13.26w

變壓器損耗包括磁芯損耗和線包損耗。

磁芯損耗：Pc=Pcv×Ve （17）

Pcv為單位體積功率損耗，Ve為磁芯體積。

根據南京新康達公司LP3材料功率損耗與頻率關系曲線圖，再根據實際工程情況，得到Pc=51.43w

線包損耗主要是原副邊線圈損耗。先計算原邊線圈。

原邊直流損耗：Rdc1=ρ120×（lav×Np）/A （18）

其中ρ120為120℃銅的電阻率，lav為線圈平均匝長，Np為原邊匝數，A為導線截面積。

根據第3節論述，經計算Rdc1=0.154Ω。再由DOWELL曲線，得Fr=2.4，所以原邊線圈交流電阻，Rac1=0.37Ω，變壓器電流只有交流分量，所以原邊線圈損耗Pw1=31.27w。副邊線圈損耗計算方法與原邊相同，經計算后副邊損耗Pw2=7w。

變壓器總損耗：Pt=Pc+Pw1+Pw2 （19）

帶入得Pt=89.7w。

電感與變壓器相比，其實就是少了副邊線圈，損耗也包括磁芯算好和線包損耗，計算的過程可根據變壓器原邊計算過程。不在贅述，諧振電感Lr損耗Pr=53.3w。

綜上所述，得到交錯并聯LLC大體的總損耗：

P=（Pi+Pd）×8+（Pt+Pr）×2 （20）

帶入得P=903.2w。效率：η=1-P/Po×100% （21）

代入參數得，η=97%

5 結束語

文章給出了以一種基于交錯并聯LLC拓撲的礦用大功率磷酸鐵鋰電池充電機的設計方法。采用DSP作為主控器，設計輸出功率30Kw，最大效率可達96%以上，電壓紋波很小，工作穩定可靠。實驗結果表明了上述設計方法的可行性和實用性，具有很好的推廣和實用價值。

參考文獻

[1]邢海龍，等.磷酸鐵鋰電池用于煤礦蓄電池機車的可行性分析[J]. 煤礦機械，2013.

[2]盧其威，等.基于LLC拓撲的礦用大功率鋰電池充電器的開發[J].

[3]劉偉麗. LLC諧振變換器交錯并聯技術的研究[D].哈爾濱：東北農業大學，2011.

[4]杜松林，王瑾.半橋LLC諧振變換器分析與設計[J].廣東電力，2011，24（6）：53-55.

[5]劉大慶.LLC諧振型開關變換器特性及其參數優化設計方法研究[D].鄭州：解放軍信息工程大學，2010.

[6]余昌斌.LLC諧振半橋DC-DC變換器的研究[D].重慶：重慶大學，2007.

[7]Bo Yang F C L. Topology Investigation for Front End DC_DC Power Conversion for Distributed Power System[D].2003.

[8]王金錄.LLC電路的交錯并聯研究[D].深圳：哈爾濱工業大學深圳研究生院，2011.

作者簡介：盧樂（1989-），男，漢族，河北石家莊人，碩士研究生，研究方向：電力電子與電力傳動。