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

Figure  1.  Topology of mine cascaded converter with wide input voltage range

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1.1   Buck变换器

交流输入电压经整流后得到的直流电压U_dc被电容C₁₁，C₂₁，C₃₁分压，每个电容电压约为U_dc/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，U_ref1为Buck变换器给定电压，U_{bus_set}为前馈补偿环基准电压，U_in为输入电压，G_vd(s)为占空比扰动与输出电压扰动的传递函数，U_Buck为输出电压，K_vf1为Buck变换器电压反馈系数。

图  2  Buck变换器控制原理

Figure  2.  Control principle of Buck converter

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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C_r1，C_r2，C_r3和谐振变压器 T₁，T₂，T₃组成谐振网络，其中L_r1，L_r2，L_r3分别为谐振变压器T₁，T₂，T₃漏磁电感，L_m1，L_m2，L_m3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，U_ref2为LLC变换器给定电压，K_vf2为LLC变换器电压反馈系数，U_out为LLC变换器输出电压。

图  3  LLC变换器控制原理

Figure  3.  Control principle of LLC converter

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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]

式中：ω为谐振角频率；R_ac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：U_inmax为LLC变换器最高输入电压；U_inmin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U_f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P_out计算谐振变压器初级等效负载：

谐振电容为

式中：Q为品质因数；f_min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

参数	数值		参数	数值
输入电压/V	70～1 400		LLC变换器漏磁电感/μH	12
输出电压/V	35		LLC变换器励磁电感/μH	1.3
额定功率/W	200		LLC变换器谐振电容/μF	1
Buck变换器电感/mH	1		LLC变换器输出电容/μF	1 000
Buck变换器电容/μF	1 000		变压器匝比	2∶3∶3
IGBT开关频率/kHz	35		LLC变换器PI调节器 比例系数	65
Buck变换器PI调节器比例系数	15		LLC变换器PI调节器 积分系数	1
Buck变换器PI调节器积分系数	2		LLC变换器压控振荡器 转换精度比例因数	8

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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

Figure  4.  Output voltage and current simulation waveforms under load mutation

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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

Figure  5.  Power tube drive experimental waveforms under input voltage AC70 V

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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

Figure  6.  Output voltage and current waveforms under input voltage AC70 V

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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

Figure  7.  Power tube drive experimental waveforms under input voltage AC1 400 V

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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

Figure  8.  Output voltage and current waveforms under input voltage AC1 400 V

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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。