矿用宽输入电压范围级联变换器设计

刘扬清， 周远

（1.中煤科工集团北京华宇工程有限公司，北京 100120；2.中煤科工集团常州研究院有限公司,江苏 常州 213015；3.天地（常州）自动化股份有限公司，江苏 常州 213015）

0 引言

我国煤矿井下电压等级多，大多数煤矿采用127 V或660 V作为矿用电源的交流输入电压。随着煤矿井下自动化程度提高，各种监测、通信设备用于供电电压为1 140 V的综采工作面，部分煤矿要求矿用电源能够直接接入1 140 V供电系统中。

MT/T 408−1995《煤矿用直流稳压电源》要求矿用电源交流输入电压波动范围为标称值的75%～110%，在127 V供电系统中，交流输入电压下限值约为 95 V，在 1 140 V 供电系统中，交流输入电压上限值为1 254 V。煤矿井下环境复杂，矿用电源输入端与井下供电端之间采用数千米长的电缆进行连接，在相同负载下，交流输入电压越低，电流越大，供电电缆线损越严重。当127 V电压波动至标称值的75%时，供电电缆压降约为20 V，矿用电源输入电压约为 70 V。当 1 140 V 电压波动至标称值的 110%时，保留10%的电压裕量，矿用电源输入电压约为1 400 V。在满足煤矿电压等级的前提下，最大程度地提高矿用电源的输入电压范围，使矿用电源能够自适应70～1 400 V交流电压，是矿用电源发展趋势。

目前矿用电源主要采用反激变换器拓扑结构，如文献[1]采用多个反激变换器串联，降低了功率管电压应力，具有结构简单、成本低的特点，但功率管占空比受到限制，反激变换器电压增益小，无法自适应70～1 400 V交流电压。文献[2]提出了基于三电平变换器的宽范围开关电源，但功率管电压应力大，输入交流电压为95～825 V，无法应用于煤矿1 140 V 供电系统中。文献[3-6]提出了 LLC 变换器，采用谐振工作方式，降低了功率管损耗，提高了效率，但受限于变换器谐振工作频率，电压增益无法增大。文献[7-9]设计的变换器为非隔离型，不满足输入输出电气隔离要求，且功率管电压应力大。文献[10-11]为降低功率管电压应力，采用多电平拓扑结构，但引入过多二极管和电容，导致控制复杂，不利于电源的稳定性且成本高。本文提出了一种矿用宽输入电压范围级联变换器设计方案，通过电容串联分压降低功率管电压应力，采用Buck变换器与LLC变换器串联方式提高变换器电压增益。

1 级联变换器设计

矿用宽输入电压范围级联变换器由3路相同的Buck变换器和LLC变换器组成，如图1所示。交流电经不控整流电路整流后，通过电容串联分压分成3路幅值相近的电压，作为Buck变换器输入电压；Buck变换器将电压调节至一定范围，作为LLC变换器输入电压；LLC变换器利用压频变换，输出稳定的直流电压。

图1 矿用宽输入电压范围级联变换器拓扑结构Fig.1 Topology of mine cascaded converter with wide input voltage range

1.1 Buck变换器

交流输入电压经整流后得到的直流电压Udc被电容 C11，C21，C31分压，每个电容电压约为Udc/3，使Buck变换器中功率管Q11，Q21，Q31承受的电压应力为直流电压的1/3；储能滤波电感L11，L21，L31和滤波电容C12，C22，C32对Buck变换器输出电压进行滤波储能；当 Q11，Q21，Q31断开时，二极管 D11，D21，D31进行续流。

由于输入电压范围宽，Buck变换器采用输出电压闭环和输入电压前馈补偿环相结合控制方式，调节Q11，Q21，Q31占空比，并对占空比进行限幅，维持输出电压稳定，如图2所示。图2中，Uref1为Buck变换器给定电压，Ubus_set为前馈补偿环基准电压，Uin为输入电压，Gvd（s）为占空比扰动与输出电压扰动的传递函数，UBuck为输出电压，Kvf1为Buck变换器电压反馈系数。

图2 Buck 变换器控制原理Fig.2 Control principle of Buck converter

占空比扰动与输出电压扰动的传递函数为

式中：s为拉普拉斯算子；R为Buck变换器等效负载。

1.2 LLC变换器

LLC 变 换 器 中 功 率 管 Q12，Q13，Q22，Q23，Q32，Q33组成半桥；谐振电容 Cr1，Cr2，Cr3和谐振变压器T1，T2，T3组成谐振网络，其中 Lr1，Lr2，Lr3分别为谐振变压器 T1，T2，T3漏磁电感，Lm1，Lm2，Lm3分别为谐振变压器 T1，T2，T3励磁电感；二极管 D12，D13，D22，D23，D32，D33将谐振电压整流成直流电压，并在功率管关闭时进行续流；C13，C23，C33为输出滤波电容。

为实现LLC变换器稳压输出，采用脉冲频率调制技术对输出电压进行闭环控制，通过压控振荡器对功率管 Q12，Q13，Q22，Q23，Q32，Q33进行变频驱动，改变谐振网络工作频率，稳定输出电压，如图3所示。图3中，Uref2为LLC变换器给定电压，Kvf2为LLC变换器电压反馈系数，Uout为LLC变换器输出电压。

图3 LLC 变换器控制原理Fig.3 Control principle of LLC converter

在最低输入电压或最高条件下需调节LLC变换器电压增益进行稳压，变换器电压增益为[12]

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式中：ω为谐振角频率；Rac为谐振变压器初级等效负载。

当LLC变换器输入电压为最高电压时，变换器需提供最小电压增益：

式中k为励磁电感和初级漏磁电感比值。

当LLC变换器输入电压为最低电压时，变换器需提供最大电压增益：

式中：Uinmax为LLC变换器最高输入电压；Uinmin为LLC变换器最低输入电压。

LLC变换器中谐振变压器匝比为

式中Uf为谐振变压器次级整流二极管压降。

由式（5）及LLC变换器整体效率E和输出功率Pout计算谐振变压器初级等效负载：

式中：Q为品质因数；fmin为最低谐振频率。

谐振变压器漏磁电感为

谐振变压器励磁电感为

2 仿真与实验

为验证矿用宽输入电压范围级联变换器的有效性，利用Matlab建立级联变换器仿真模型，并搭建样机进行实验。Buck变换器功率管采用耐压1 200 V 的 IGBT，LLC 变换器功率管采用耐压 100 V的MOSFET。级联变换器参数见表1。

表1 矿用宽输入电压范围级联变换器参数Table 1 Parameters of mine cascaded converter with wide input voltage range

仿真模拟负载突变情况下输出电压的稳定性，如图4所示。当输出电流由0.4 A突增至2.4 A，并经0.1 s后突减至0.4 A时，负载效应在3%以内，满足MT/T 408−1995中负载效应不大于5%的要求。

图4 负载突变时输出电压和电流仿真波形Fig.4 Output voltage and current simulation waveforms under load mutation

当输入电压为AC70 V时，Buck变换器、LLC变换器功率管驱动实验波形如图5所示。可看出Buck变换器功率管IGBT开关频率为35 kHz，占空比为0.95，未出现全开通现象；LLC变换器功率管MOSFET开关频率为 40 kHz，占空比固定为 0.5，MOSFET工作于脉冲频率调制。

图5 输入电压 AC70 V 时功率管驱动实验波形Fig.5 Power tube drive experimental waveforms under input voltage AC70 V

输入电压为AC70 V且空载、满载条件下，输出电压和电流实验波形如图6所示。可看出输出电压平均值由空载时的34.91 V变化至满载时的34.90 V，输出电压偏离值在0.3%以内，满足MT/T 408−1995中输出电压偏离值不超过5%的要求。

图6 输入电压 AC70 V 时输出电压和电流波形Fig.6 Output voltage and current waveforms under input voltage AC70 V

当输入电压为 AC1 400 V 时，Buck 变换器、LLC变换器功率管驱动实验波形如图7所示。可看出Buck变换器功率管IGBT开关频率为35 kHz，占空比为0.05，未出现全关闭现象；LLC变换器功率管MOSFET开关频率为 60 kHz，占空比固定为 0.5，MOSFET工作于脉冲频率调制。

图7 输入电压 AC1 400 V 时功率管驱动实验波形Fig.7 Power tube drive experimental waveforms under input voltage AC1 400 V

输入电压为AC1 400 V且空载、满载条件下，输出电压和电流实验波形如图8所示。可看出输出电压平均值由空载时的35.01 V变化至满载时的34.98 V，输出电压偏离值在0.3%以内，满足MT/T 408−1995中输出电压偏离值不超过5%的要求。

图8 输入电压 AC1 400 V 时输出电压和电流波形Fig.8 Output voltage and current waveforms under input voltage AC1 400 V

3 结语

矿用宽输入电压范围级联变换器能够在AC70～1 400 V输入电压波动范围内，输出电压稳定，电压偏离值在5%以内，且负载效应在5%以内，满足MT/T 408−1995要求，同时具有输入输出电气隔离性能，可应用于多电压等级的矿用电气设备。