Design of mine cascade converter with wide input voltage range
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摘要: 针对目前用于电源的变换器电压增益低、功率管电压应力大、电气非隔离、控制复杂等问题，为满足煤矿 AC127～1 140 V供电电压等级，设计了一种矿用宽输入电压范围级联变换器，能够自适应AC70～1 400 V电压输入。该变换器采用3路Buck变换器与LLC变换器串联方式提高变换器电压增益；采用电容串联分压方式降低功率管电压应力；Buck变换器采用输入电压前馈补偿降低输入电压波动影响，同时通过输出电压闭环PI调节以提高变换器稳定性；LLC变换器具有输入输出电气隔离性能，采用脉冲频率调制技术对输出电压进行闭环PI调节，再通过压控振荡器对功率管进行变频驱动，调节变换器谐振频率，从而稳定输出电压。仿真和实验结果表明，在输入电压为AC70～1 400 V时，变换器负载效应在5%以内，输出电压偏离值在5%以内，满足MT/T 408—1995《煤矿用直流稳压电源》要求。Abstract: The converter used in the power supply has problems of low voltage gain, high voltage stress of power tube, non-electrical isolation and complex control. In order to solve the above problems, a mine cascaded converter with wide input voltage range is designed to meet the requirements of AC127-1 140 V power supply voltage level of coal mine. The cascaded converter can adapt to AC70-1 400 V voltage input. The converter adopts 3-way Buck converter and LLC converter in series to improve the voltage gain of the converter. Capacitor series voltage divider is used to reduce the voltage stress of power tube. Buck converter adopts input voltage feedforward compensation to reduce the influence of input voltage fluctuation. At the same time, Buck converter improves converter stability through output voltage closed-loop PI regulation. LLC converter has the performance of input and output electrical isolation. Pulse frequency modulation technology is used to perform closed-loop PI regulation on the output voltage. Then the power tube is driven by a voltage controlled oscillator with frequency conversion to adjust the resonant frequency of the converter, thus stabilizing the output voltage. The simulation and experimental results show that when the input voltage is AC70-1 400 V, the load effect of the converter is less than 5% and the output voltage deviation is less than 5%. These results meet the requirements of MT/T 408-1995 DC stabilized power supply for coal mine.
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Keywords:
- mine power supply /
- cascade converter /
- wide input voltage range /
- Buck converter /
- LLC converter
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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。
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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 range1.1 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。
占空比扰动与输出电压扰动的传递函数为
$$ {G_{{\rm{vd}}}(s)} = \dfrac{U_{\rm{in}}}{{s^2}{L_{11}}{C_{12}} +{\dfrac{sL_{11}}{R}}+1}$$ (1) 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。
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]
$$\begin{aligned} & M = \left| {\frac{{{\omega ^2}{C_{{\rm{r}}1}}{R_{{\rm{ac}}}}{L_{{\rm{m}}1}}}}{{{\rm{j}}\omega {L_{{\rm{m}}1}}(1 - {\omega ^2}{L_{{\rm{r}}1}}{C_{{\rm{r}}1}}) + {R_{{\rm{ac}}}}\left[ {1 - {\omega ^2}{C_{{\rm{r}}1}}({L_{{\rm{m}}1}} + {L_{{\rm{r}}1}})} \right]}}} \right| \hfill \\&{} \end{aligned}$$ (2) 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：
$${ {M_{\min}}= \frac{{L_{{\rm{m}}1} + {L_{{\rm{r}}1}}}}{{L_{{\rm{m}}1}}} = \frac{{k + 1}}{k} }$$ (3) 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：
$${{ M_{\max}} = \frac{{U_{{\rm{inmax}}} }}{{U_{{\rm{inmin}} }}}{M_{\min}} }$$ (4) 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
$$ n = \frac{{U_{{\rm{inmax}} }}}{{2(U_{\text{out}} + 2U_{\rm{f}})}}{M_{\min}} $$ (5) 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：
$$ R_{\rm{ac}} = \frac{{8{n^2}U_{{\rm{out}}}^2}}{{{\text{π} ^2}P_{{\rm{out}}}}}E $$ (6) 谐振电容为
$$ {C_{{\rm{r}}1}} = \frac{1}{{2 \text{π} Qf_{\min}R_{{\rm{ac}}}}} $$ (7) 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
$$ {L}_{{\rm{r}}1}=\frac{1}{(2\text{π} f_{\min}{)}^{2}C_{{\rm{r}}1}} $$ (8) 谐振变压器励磁电感为
$$ {L_{{\text{m}}1}} = \frac{{{{(k + 1)}^2}}}{{2k + 1}}{L_{{\rm{r}}1}} $$ (9) 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 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。
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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。
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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。
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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。
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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。
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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 V3. 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。
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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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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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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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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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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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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
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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