礦用寬輸入電壓范圍級聯變換器設計

劉揚清， 周遠

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

0 引言

我國煤礦井下電壓等級多，大多數煤礦采用127 V或660 V作為礦用電源的交流輸入電壓。隨著煤礦井下自動化程度提高，各種監測、通信設備用于供電電壓為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供電系統中。

MT/T 408?1995《煤礦用直流穩壓電源》要求礦用電源交流輸入電壓波動范圍為標稱值的75%～110%，在127 V供電系統中，交流輸入電壓下限值約為 95 V，在 1 140 V 供電系統中，交流輸入電壓上限值為1 254 V。煤礦井下環境復雜，礦用電源輸入端與井下供電端之間采用數千米長的電纜進行連接，在相同負載下，交流輸入電壓越低，電流越大，供電電纜線損越嚴重。當127 V電壓波動至標稱值的75%時，供電電纜壓降約為20 V，礦用電源輸入電壓約為 70 V。當 1 140 V 電壓波動至標稱值的 110%時，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70～1 400 V交流電壓，是礦用電源發展趨勢。

目前礦用電源主要采用反激變換器拓撲結構，如文獻[1]采用多個反激變換器串聯，降低了功率管電壓應力，具有結構簡單、成本低的特點，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70～1 400 V交流電壓。文獻[2]提出了基于三電平變換器的寬范圍開關電源，但功率管電壓應力大，輸入交流電壓為95～825 V，無法應用于煤礦1 140 V 供電系統中。文獻[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[7-9]設計的變換器為非隔離型，不滿足輸入輸出電氣隔離要求，且功率管電壓應力大。文獻[10-11]為降低功率管電壓應力，采用多電平拓撲結構，但引入過多二極管和電容，導致控制復雜，不利于電源的穩定性且成本高。本文提出了一種礦用寬輸入電壓范圍級聯變換器設計方案，通過電容串聯分壓降低功率管電壓應力，采用Buck變換器與LLC變換器串聯方式提高變換器電壓增益。

1 級聯變換器設計

礦用寬輸入電壓范圍級聯變換器由3路相同的Buck變換器和LLC變換器組成，如圖1所示。交流電經不控整流電路整流后，通過電容串聯分壓分成3路幅值相近的電壓，作為Buck變換器輸入電壓；Buck變換器將電壓調節至一定范圍，作為LLC變換器輸入電壓；LLC變換器利用壓頻變換，輸出穩定的直流電壓。

圖1 礦用寬輸入電壓范圍級聯變換器拓撲結構Fig.1 Topology of mine cascaded converter with wide input voltage range

1.1 Buck變換器

交流輸入電壓經整流后得到的直流電壓Udc被電容 C11，C21，C31分壓，每個電容電壓約為Udc/3，使Buck變換器中功率管Q11，Q21，Q31承受的電壓應力為直流電壓的1/3；儲能濾波電感L11，L21，L31和濾波電容C12，C22，C32對Buck變換器輸出電壓進行濾波儲能；當 Q11，Q21，Q31斷開時，二極管 D11，D21，D31進行續流。

由于輸入電壓范圍寬，Buck變換器采用輸出電壓閉環和輸入電壓前饋補償環相結合控制方式，調節Q11，Q21，Q31占空比，并對占空比進行限幅，維持輸出電壓穩定，如圖2所示。圖2中，Uref1為Buck變換器給定電壓，Ubus_set為前饋補償環基準電壓，Uin為輸入電壓，Gvd（s）為占空比擾動與輸出電壓擾動的傳遞函數，UBuck為輸出電壓，Kvf1為Buck變換器電壓反饋系數。

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

占空比擾動與輸出電壓擾動的傳遞函數為

式中：s為拉普拉斯算子；R為Buck變換器等效負載。

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組成諧振網絡，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，并在功率管關閉時進行續流；C13，C23，C33為輸出濾波電容。

為實現LLC變換器穩壓輸出，采用脈沖頻率調制技術對輸出電壓進行閉環控制，通過壓控振蕩器對功率管 Q12，Q13，Q22，Q23，Q32，Q33進行變頻驅動，改變諧振網絡工作頻率，穩定輸出電壓，如圖3所示。圖3中，Uref2為LLC變換器給定電壓，Kvf2為LLC變換器電壓反饋系數，Uout為LLC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節LLC變換器電壓增益進行穩壓，變換器電壓增益為[12]

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式中：ω為諧振角頻率；Rac為諧振變壓器初級等效負載。

當LLC變換器輸入電壓為最高電壓時，變換器需提供最小電壓增益：

式中k為勵磁電感和初級漏磁電感比值。

當LLC變換器輸入電壓為最低電壓時，變換器需提供最大電壓增益：

式中：Uinmax為LLC變換器最高輸入電壓；Uinmin為LLC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計算諧振變壓器初級等效負載：

式中：Q為品質因數；fmin為最低諧振頻率。

諧振變壓器漏磁電感為

諧振變壓器勵磁電感為

2 仿真與實驗

為驗證礦用寬輸入電壓范圍級聯變換器的有效性，利用Matlab建立級聯變換器仿真模型，并搭建樣機進行實驗。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。級聯變換器參數見表1。

表1 礦用寬輸入電壓范圍級聯變換器參數Table 1 Parameters of mine cascaded converter with wide input voltage range

仿真模擬負載突變情況下輸出電壓的穩定性，如圖4所示。當輸出電流由0.4 A突增至2.4 A，并經0.1 s后突減至0.4 A時，負載效應在3%以內，滿足MT/T 408?1995中負載效應不大于5%的要求。

圖4 負載突變時輸出電壓和電流仿真波形Fig.4 Output voltage and current simulation waveforms under load mutation

當輸入電壓為AC70 V時，Buck變換器、LLC變換器功率管驅動實驗波形如圖5所示?？煽闯鯞uck變換器功率管IGBT開關頻率為35 kHz，占空比為0.95，未出現全開通現象；LLC變換器功率管MOSFET開關頻率為 40 kHz，占空比固定為 0.5，MOSFET工作于脈沖頻率調制。

圖5 輸入電壓 AC70 V 時功率管驅動實驗波形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，輸出電壓和電流實驗波形如圖6所示?？煽闯鲚敵鲭妷浩骄涤煽蛰d時的34.91 V變化至滿載時的34.90 V，輸出電壓偏離值在0.3%以內，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 時輸出電壓和電流波形Fig.6 Output voltage and current waveforms under input voltage AC70 V

當輸入電壓為 AC1 400 V 時，Buck 變換器、LLC變換器功率管驅動實驗波形如圖7所示。可看出Buck變換器功率管IGBT開關頻率為35 kHz，占空比為0.05，未出現全關閉現象；LLC變換器功率管MOSFET開關頻率為 60 kHz，占空比固定為 0.5，MOSFET工作于脈沖頻率調制。

圖7 輸入電壓 AC1 400 V 時功率管驅動實驗波形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，輸出電壓和電流實驗波形如圖8所示?？煽闯鲚敵鲭妷浩骄涤煽蛰d時的35.01 V變化至滿載時的34.98 V，輸出電壓偏離值在0.3%以內，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 時輸出電壓和電流波形Fig.8 Output voltage and current waveforms under input voltage AC1 400 V

3 結語

礦用寬輸入電壓范圍級聯變換器能夠在AC70～1 400 V輸入電壓波動范圍內，輸出電壓穩定，電壓偏離值在5%以內，且負載效應在5%以內，滿足MT/T 408?1995要求，同時具有輸入輸出電氣隔離性能，可應用于多電壓等級的礦用電氣設備。