基于LLC拓扑的高效率井下隔爆充电机

赵振兴，曾志刚

（湖南工程学院 电气信息学院，湘潭 411101）

基于LLC拓扑的高效率井下隔爆充电机

赵振兴，曾志刚

（湖南工程学院 电气信息学院，湘潭 411101）

鉴于煤矿井下的应用环境，对充电机有严格的隔爆要求，因此给充电机的散热带来了挑战.提高充电机的整机效率是解决这一难题的唯一出路.采用半桥LLC谐振方式提高了煤矿井下隔爆充电机的效率，成功研制了新型煤矿井下高效率隔爆充电机.实验表明，所研制的井下隔爆充电机满载效率高达95.2%.

隔爆充电机；高效率；LLC谐振；散热

0 前 言

近年来，煤矿井下的主要运输设备是电机车，电机车的动力由隔爆型铅酸蓄电池提供.隔爆铅酸蓄电池具有成本低、使用安全、可循环充电的特点，在煤矿生产运输中起着重要作用，因此，用于对隔爆型铅酸蓄电池充电的隔爆充电机是煤矿生产的重要设备.

目前的矿山充电设备大多采用的是工频变压器降压、晶闸管可控整流技术，该技术应用在井下隔爆充电机中已有四十多年的历史.煤矿井下供电电压大都为660V、50Hz交流电能，机车蓄电池充电机用变压器降压（将660V交流电压降低到380V）、晶闸管整流得到可控直流电压给蓄电池充电.降压变压器的功率大、重量达60kg左右，要耗费大量的铜线和硅钢片，其体积大、笨重.而且晶闸管是半控型器件，其工作频率低，这就使这种矿山机车蓄电池充电机控制特性差、功率因数低、效率低（60%左右）、电压和电流纹波大，影响蓄电池寿命.近几年，高频开关电源技术也开始在隔爆充电机领域得到应用，但其效率一般只有85%左右［1－2］，散热设计压力仍然较大.

本文涉及的高效率660VAC井下隔爆充电机主回路采用了半桥LLC谐振，使新型井下隔爆充电机具有效率高（达95%左右）、体积小、重量轻、控制特性好、能延长蓄电池充放电次数等特点，是一种节能、省材的好产品.

1 LLC谐振式隔爆充电机整体结构

井下隔爆充电机的的整体结构如图1所示.其工作原理描述如下：660V三相50Hz交流电能经过三相整流器整流，经母排滤波电容滤波，得到稳定的920V直流电压，经过LLC谐振腔的高效转换，将能量传递到变压器的次级，再经次级整流滤波电路，得到我们所期望的稳定的直流电能为蓄电池充电.

图1 LLC谐振型隔爆充电机的主回路结构图

2 LLC谐振式腔的设计

2.1 LLC谐振腔的工作原理

谐振腔的原理图如图2所示.

图2 LLC谐振腔原理图

Us为母排电压，母排电容足够大，Us可近似为一个恒压源.开关管Q1、Q2构成半桥结构，谐振腔由谐振电容Cr，谐振电感Lr，变压器T构成，其中变压器的激磁电感为Lm，其等效电路可以视为一个Lm电感和一个理想变压器（变比为n＝n1∶n2）并联.DR1～DR4及E1为次级整流滤波电路.Q1、Q2的驱动信号为互补对称的PFM调节模式，占空比为0.5.因此谐振腔的输入可看做是幅值为Us，占空比为0.5的方波电压.该电压经傅里叶级数变换，得到的是基频和其他奇数倍高频分量组成的正弦电压.由于谐振腔对高频成分有良好的滤波作用，我们可近似认为只有基波电压成分作用于谐振腔.谐振腔有两个谐振频率，当变压器初级向次级传递能量时，变压器一次侧电压被钳位为nVo，Lm不参与谐振，这时的谐振频率为fr1；当变压器初级不向次级传递能量时，激磁电感Lm没有被输出端电压所钳位，这时的谐振频率为fr2.

2.2 LLC谐振腔直流增益曲线及工作区间分析

运用基频分析法，可以推导出半桥LLC谐振电路的直流电压增益表达式为：

半桥LLC谐振电路在不同的负载条件下的直流增益曲线如图3所示.

图3 电感系数固定品质因数变化的直流电压增益

如图3，令电感系数K＝1／6，品质因数Q变化，可以得到直流电压增益图形.一般的设计中，经常将fn＝1这一点设为负载独立工作点［3－4］.半桥LLC谐振电路应避免工作在容性区域（区域2），因为容性区域开关损耗大，不利于实现软开关.通常的恒压输出设计中往往将工作点设置在区域1，这样电路工作在谐振电流断续模式，可同时实现初级开关管零电压开通和次级整流管零电流关断.但在图3中我们可以看到，区域1中频率在一个较大的范围内变化而增益变化范围很小，无法实现宽输出电压调节范围的目的.同时，从最大增益点到fn这一点之间的曲线上，越接近谐振点增益越小，恒流输出设计中只能将满载工作点设计在增益最大点，即fs＜fr1的区间，轻载工作点设计在谐振点，这样满载效率得不到优化，效率低下.

在图3所示区域3内fs＞fr1，LLC工作在谐振电流连续模式，初级开关管可实现ZVS开通，次级整流管不能实现ZCS关断，会有反向恢复损耗，但在轻载的情况下影响并不大.这一区间增益曲线斜率较大，直流增益可调的范围大，可满足充电机恒流宽电压范围输出设计的要求.所以我们将充电机的工作点设计在区域3内.

2.3 LLC谐振腔参数设计

2.3.1 谐振频率fr1的选择

依据输入电压等级及最大输出功率，Q1、Q2我们选择电压等级为1700V，电流等级为150A的IGBT半桥模块.该模块的最佳工作频率为10kHz左右，所以，电路工作在负载独立点时的工作频率设计在10kHz左右较为理想.为保证半载工作效率，半载频率不能太高.所以应当选择增益曲线中斜率较大的一段，即Mdc＜1.电路实际的开关频率始终大于fr1，所以应选fr1≤10kHz，故设计在9～10 kHz较为合理.

2.3.2 谐振腔内谐振电容Cr及谐振电感Lr的设计

2.3.3 变压器绕组匝比n及激磁电感的设计

实际变压器绕组的匝比应比期望的变压器绕组匝比小，即n＜nnor.匝比n减小，半载时的工作频率降低，但同时满载的工作频率增高，工作点偏离谐振点较远，电路工作在连续的状态.这时开关管和整流管的开关损耗会增大，在大电流场合更加明显.所以匝比n不宜取值过小.

激磁电感Lm的值越大，效率越高.但谐振电感Lr确定后，Lm越大则K越小，增益曲线的斜率会变小，输出调节范围变窄.所以，在保证一定的输出调节范围的前提下，激磁电感越大越好.

3 实验结果

根据上述分析，设计了一台总功率为23kW的充电机样机，并进行了效率优化.输入660VAC，经过整流后母排电压约920VDC.输出电流15～80 A，输出电压144～288V.开关管选用MMG150D170B6EN，次级整流二极管选用MMF200N090DA和MMF200N090DK.nnor按输出电压最大值设计：nnor＝Uin／（2U0max）＝1.6.实际变压器初次级匝比n＜Nnor.经过反复实验，得到的最佳参数为：fr1＝9.5kHz，n＝1.3；Cr＝2μF，Lr＝140μH，K 取1／6，Lm＝840μH，fs＝10～20kHz；半载和满载时一次侧电流波形和次级整流二极管电压波形如图4所示.

图4 一次侧电流波形和二次整流二极管电压波形

输出电流恒定为80A，改变负载，使输出电压变化.效率测试结果如图5所示.可见，满载时效率达到了95.2%，开关频率fs越接近谐振频率效率越高.

图5 整机效率曲线

4 结 论

本文设计的660V输入隔爆充电机，满载时整机效率达到了95.2%，同时在较宽的负载变化范围内开关频率的变化范围并不大.整机效率的大幅度提高，使设备的功率密度加大，隔爆外壳加工难度降低，散热器体积减小，产品成本降低，很好地解决了隔爆充电机的设计难点.

［1］曹以龙，郑昌陆，江友华.煤矿井下660VAC隔爆充电机的研制［J］.上海电力学院学报，2010，26（5）：443－446.

［2］张 弛，贺明智，李金芝，田 远.矿用660VAC防爆充电机设计［J］.电源技术应用，2013（7）：184－189.

［3］赵 晨，石 洋，吴新科，等.三元件串联LLC谐振变流器的优化设计策略［J］.电工技术学报，2008，23（1）：66－70.

［4］周伟成，马 皓，张海军.半桥LLC谐振变换器效率优化方案的研究［J］.电力电子技术，2007，41（9）：57－59.

［5］Teng Liu，Ziying Zhou，Aiming Xiong，et al.A Novel Precise Design Method for LLC Series Resonant Converter［A］.Telecommunications Energy Conference，2006［C］.2006：150－155.

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High Efficiency Explosion Proof Charger in Mines Based on LLC Topology

ZHAO Zhen－xing，ZENG Zhi－gang
（College of Electrical ＆Information Hunan Institue of Engineering，Xiangtan 411101，China）

ecause of the application environment in coal mines，there are strict explosion proof requirements on charger.So，it challenges the heat dissipate of the machine.The only solution is to improve the efficiency.Half－bridge LLC resonant be used to improve the efficiency of explosion proof charger in coal mines，so the novel explosion proof charger is developed.Experiments showed that the full load efficiency of the explosion proof charger up to 95.2%.

explosion Proof Charger；high efficiency；LLC resonant；heat dissipate

TM910.6

A

1671－119X（2014）02－0005－03

2014－01－12

湖南省教育厅科研资助项目（09C265）

赵振兴（1976－），男，讲师，研究方向：电力电子技术及其应用.