一种矿用超宽输入电压范围自适应电源

2020-09-27林引孟小红刘亚辉

工矿自动化 2020年9期

林引，孟小红，刘亚辉

(1.瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室，重庆 400037；2.中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆 400039)

0 引言

矿用电源是矿井监控、通信、人员定位等系统中的主要配套设备，其可靠性是影响系统稳定运行的重要因素。目前使用较多的矿用电源主要有2种：① 单一输入电压等级的矿用电源，其输入电压范围较窄(一般为AC85～265 V)，然而煤矿井下电压等级多，取电十分不便[1-3]。② 多输入电压等级的矿用电源，其采用工频变压器加抽头方式[4-5]，可实现输入电压等级的切换和隔离，但存在冲击电流大、效率低、抗波动能力差、体积大等缺点。

宽输入电压范围电源将高频脉宽调制技术与高频变压器相结合[6-8]，具有效率高、体积小等优点，是矿用电源的发展方向。文献[9]介绍了一种基于全控桥移相整流技术的AC80～830 V输入自适应电源；文献[10]采用Buck拓扑与反激拓扑相结合的方式，设计了一款AC80～900 V宽输入电压范围电源；文献[11]介绍了一种基于三电平变换器的AC95～825 V宽输入电压范围开关电源。但上述电源存在电路复杂、成本高等缺点，且高输入电压下功率开关管承受高电压应力，容易造成功率开关管损坏，影响电源稳定性。本文提出了一种矿用超宽输入电压范围自适应电源设计方案，采用功率开关管串联方式来降低功率开关管电压应力，具有电路简单、成本低、安全性高等优点。

1 电源设计指标

为兼容煤矿常用的AC127/220/380/660 V电压等级并考虑输入电压的波动，确定矿用超宽输入电压范围自适应电源的输入电压为AC85～900 V。考虑到电源负载一般为本质安全设备，所需功率相对较小，确定电源输出功率为36 W，输出电压为DC24 V。

2 电源设计方案

矿用超宽输入电压范围自适应电源主要由整流滤波电路、输入串联型反激变换器、辅助电源电路、脉冲驱动电路及反馈控制电路组成，如图1所示。

图1 矿用超宽输入电压范围自适应电源组成Fig.1 Composition of mine-used adaptive power supply with super wide input voltage range

2.1 输入串联型反激变换器

输入串联型反激变换器如图2所示。最高交流输入电压经整流后的直流电压达1 260 V，而常规的功率开关管耐压值为DC600～800 V，因此采用功率开关管串联方式[12-14]，使每个功率开关管在断开状态时所承受的电压应力被3个均压电容Cd1，Cd2，Cd3有效钳制在输入电压的1/3，从而实现高输入电压的直流变换。电路工作原理：功率开关管Q1，Q2，Q3同时导通期间，变压器T1存储能量，输出二极管D4反向截止，由输出电容Cd4向负载供电；功率开关管Q1，Q2，Q3同时截止期间，变压器T1将存储的能量通过输出二极管D4向输出电容Cd4充电和负载供电。根据变压器的伏秒平衡原理[15]，输出电压为

(1)

式中：Vin为输入电压；D为占空比；n为变压器绕组比。

图2 输入串联型反激变换器Fig.2 Input-series flyback converter

2.2 反馈控制电路

反馈控制电路如图3所示。主控芯片U1采用高集成度PWM控制器NCP1253，其在轻载条件下可降频，仅需增加1个补偿电阻即可解决次谐波振荡问题。由可控精密稳压源U3、反馈电阻R8和R9、光耦U2A和U2B、偏置电阻R6、电容C4等组成电压反馈电路，通过调整电阻R8和R9的比值可确定输出电压，通过调整电阻R6和电容C4可实现电源环路稳定性。

图3 反馈控制电路Fig.3 Feedback control circuit

2.3 脉冲驱动电路

功率开关管Q1，Q2，Q3的开关一致性是保证电源可靠性的关键，因此设计了3路脉冲驱动电路，如图4所示。电阻R13、二极管D6、三极管Q4和三极管Q5组成图腾柱驱动电路以扩展主控芯片U1的驱动能力。单路脉冲驱动电路工作原理：驱动信号正向时，正电压经电容C8和二极管D12加到功率开关管的栅源级充电，功率开关管导通，电容C11辅助加速三极管Q6截止；驱动信号反向时，电容C8中的电量通过二极管D9和限流电阻R15快速放电，同时电容C11辅助加速三极管Q6导通，功率开关管的栅源级放电，功率开关管截止。

图4 脉冲驱动电路Fig.4 Pulse drive circuit

2.4 辅助电源电路

为提高电源效率，设计了如图5所示的辅助电源电路。其工作原理：电源启动时电压通过电阻R25、开关管Q10、二极管D16为主控芯片U1供电，正常运行后由变压器辅助绕组通过三极管Q9、二极管D17为主控芯片U1和驱动电路供电，同时通过二极管D14、电阻R24、三极管Q8和二极管D15关闭开关管Q10，达到降低功耗的目的。

图5 辅助电源电路Fig.5 Auxiliary power circuit

2.5 变压器

变压器是电源中的关键部件，其绕组参数及绕制工艺将影响电源的稳定性、效率和绝缘性。

对于反激变换器，当输入电压由低压向高压变化时，其工作模式将从连续模式过渡到断续模式。对于2种模式，均在最恶劣条件(最低输入电压和满载)下设计变压器的输入绕组电感：

(2)

式中：Vinmin为输入电压最小值；Dmax为最大占空比；Pin为输入功率；f为变压器工作频率；Ki为电流纹波系数。

流过输入绕组的平均电流Iav和电流峰值Ipk为

(3)

Ipk=Iav(1+2Ki)

(4)

输入绕组匝数为

(5)

式中：ΔB为磁芯变化磁通；Ae为磁芯横截面积。

输出绕组和辅助绕组匝数为

(6)

式中：Vox为输出绕组和辅助绕组的输出电压；Vor为输入绕组反射电压。

通过式(2)—式(6)计算出变压器的输入绕组电感为1.33 mH、输入绕组96圈、输出绕组18圈、辅助绕组16圈。

为提高变压器的绝缘性能，在输入绕组与输出绕组间增加一定厚度的挡墙，输出绕组采用3层绝缘线，且输入绕组与输出绕组间增加多层电气绝缘胶带，每层胶带覆盖从骨架的一侧边缘至另一侧边缘的整个骨架宽度，同时在进出引线上使用一定厚度的绝缘套管。为保证变压器的安全性能，输入绕组与输出绕组分开布线，绕组之间有铜质屏蔽层并接地，且绕组之间的屏蔽铜箔最小厚度为0.1 mm。

3 试验结果

在输入电压分别为AC85，900 V且满载条件下，变压器输入绕组电流波形如图6(a)和图6(b)所示；在输入电压为AC900 V且满载条件下，功率开关管电压波形如图6(c)所示。可看出在低压和高压输入情况下，变压器输入绕组均未出现饱和现象；在高压输入情况下，功率开关管的峰值电压为516 V，小于开关管的耐压值(800 V)，且功率开关管的开关一致性好。

以AC1 000 V可调变压器作为输入，输出接36 W额定负载，电源常规性能测试结果见表1，绝缘耐压测试结果见表2。

从表1可看出，在AC85～900 V输入电压波动范围内，电源输出电压的最大误差仅为1.1%，纹波电压不超过139 mV，效率高达87.4%。从表2可看出，漏电流不大于1.53 mA，绝缘电阻不小于50 MΩ，满足GB 3836.4—2010《爆炸性环境第4部分：由本质安全型“i”保护的设备》中漏电流不超过5 mA、绝缘电阻不小于50 MΩ的要求。