全桥型LLC碳化硅矿用三电平充电机的设计研究

安徽理工大学 陈宏茂 李 静

传统硅器件的充电机主要回路使用三相半控整流电路，再配合工频变压器进行工作，采用大量的钢铁材料和稀有金属，以及由于充电工艺落后对电池造成的损害，对环境将产生巨大的污染。本文设计研究一种全桥型LLC碳化硅矿用三电平充电机，功率变换电路由顺次连接的三相整流电路、单相全桥逆变电路（三电平拓扑结构）、LLC串并联谐振电路以及二极管整流及滤波电路构成，降低充电机开关损耗并提高效率，减少充电机的体积和重量，直接减少电池材料对环境的污染，可应用于高压、高频、高温的大功率场合。

煤矿的运输以及煤矿人员运输井下材料都离不开蓄电池电机车。现如今，矿用防爆电机车需要使用充电机对其进行补充电量，所使用的充电机主要回路使用三相半控整流电路，再配合工频变压器进行工作。人力资源浪费、智能化水平低等一系列问题也伴随着这种充电机充电工艺过程，需要配有专门的看守人员，随着电池析气状况的改变，再结合充电时间的因素，手动进行切换电流。随着全球电力电子技术以及微控制器技术的发展，针对充电时间效率需求，高频逆变器技术被研发使用，实现在开关电源技术应用范围内，充电机内的功率器件工作频率的高频化。

1 国内外现状

蓄电池充电工艺在国外一开始也阻碍重重，多个项目难点无法攻克。直到十九世纪五十年代，蓄电池充电工艺的重大难点之一被法国的普朗泰研发攻克，蓄电池可以重复使用，充电机的发展速度大大加快，进入了快速的发展阶段，充电机发展为以下四个阶段：

（1）充电探索阶段：蓄电池充电工艺下一个难关于二十世纪的五十年代被研发攻克，针对充电状态电流不可控这一难点，第一台在小电流状态下可以调控设置的商用充电机在美国诞生，这台商用充电机还攻克了大电流状态无法稳定充电的技术难关。

（2）充电理论研究阶段：在上一阶段基础上，最大充电电流被马斯关注研发，他根据其数值绘制出曲线，马斯充电曲线为攻克无法快速充电这一难关指明了理论研究方向。

（3）充电技术的实际应用阶段：美国的Mcculloch电气公司在马斯充电理论提出后，开始开展铅酸蓄电池的快速充电型的充电机研究，针对充电时间效率进行研究，整个充电过程仅需半小时。

（4）高速发展阶段：随着全球电力电子技术以及微控制器技术的发展，电力电子功率器件也在不断开发更新，铅酸蓄电池技术也不断完善。

充电机技术的研究在国内起步较晚，通过国内外其它行业的充电机技术发展，我国也有突出的研究技术，未来充电机研发趋势将朝着以下方向研发：

（1）充电机结构一体化。将多台充电机组合发展一体化与未来功率器件器的一体化统称为充电机结构一体化。现如今，充电硐室需要十几台充电机，甚至于更多的充电机，才能满足充电任务，充电机结构一体化可能需要一到两台充电机即可，还能有效的缩减充电机在硐室的占用空间。

（2）充电机工作频率高频化。煤矿设备相对于地面设备，设备体积在应用中有极大的限制以及更高的要求，电机工作频率高频化主要是指在开关电源技术应用范围内，充电机内的功率器件工作频率的高频化。

（3）充电工艺智能化。现如今在充电过程中人力需求比较严重，需人员进行看守，智能化水平较低，随着全球电力电子技术以及微控制器技术的发展，充电工艺将趋向于智能化，趋向于无人值守的充电工艺。

2 系统硬件设计

本文研究设计一种全桥型LLC碳化硅矿用三电平充电机，其特征在于所述功率变换电路由顺次连接的三相整流电路、单相全桥逆变电路（三电平拓扑结构）、LLC串并联谐振电路以及二极管整流及滤波电路构成。其中三相660VAC交流电压经过三相整流电路得1140VDC的直流电压，再经单相全桥逆变电路转换输出504V AC交流电压，经LLC串并联谐振电路变成504VAC交流电压，再经二极管整流及滤波电路将电流变换为0-100A连续可调的直流电流与0-504VDC的可控直流电压，再输出到外部，完成蓄电池的充电。系统结构图如图1所示。

图1 系统结构图

三相整流电路这一部分由整流模块（QT1、QT2、QT3、QT4、QT5、QT6）、电压滤波电路（C1、C2）构成。三电平逆变电路这一部分由IGBT（QT7、QT8、QT9、QT10、QT11、QT12、QT13、QT14）、功率二极管（VD1、VD2、VD3、VD4）构成。LLC串并联谐振电路这一部分由谐振电容C3、谐振电感L1、励磁电感L2、高频变压器T1构成。二极管整流及滤波电路这一部分由高频整流模块（VD5、VD6、VD7、VD8）、滤波电感L3、滤波电容C4构成。电气原理图如图2所示。

图2 全桥型LLC碳化硅矿用三电平充电机电气原理图

3 总结

本文研究的充电机主电路采用三电平拓扑结构单相全桥逆变技术，具有能承受更大的输入电压的创新优势、能够更好地抑制或处理高频谐波的优势，开关频率达10KHZ，电源工作高频化可在达到充电机轻量化设计的基础上，进一步有效的减小主回路变压器及周边器件的重量与体积。LLC串并联谐振这一技术可以使整流二极管在关断状态实现零电流关断，还可以在全负载范围内，使功率开关管的导通状态实现零电压接通，这一技术不但可以有效的提高效率，还可以大幅度降低充电机开关损耗。