基于交错并联LLC拓扑的井下充电机设计.pdf

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1、科技创新与应用2015年第8期科技创新基于交错并联LLC拓扑的井下充电机设计卢乐1周重阳1滕尚甫1高志宣1（中国矿业大学（北京）机电与信息工程学院，北京100083）摘要：文章介绍了交错并联LLC谐振变换器的原理，设计了LLC谐振参数，并进行了损耗计算。结合目前井下磷酸铁锂电池对充电机的要求，设计了采用DSP为主控芯片的大功率磷酸铁锂电池充电机方案，并进行了PSIM仿真，开发了实验样机。仿真与实验结果表明，采用交错并联LLC技术的充电机具有输出纹波小、效率高，稳定可靠等优点。关键词：交错并联LLC拓扑；磷酸铁锂电池；充电机

2、引言当前，我国煤矿井下电气紧急避险设施、井下运输车辆等对大容量磷酸铁锂电池的需求越来越多。磷酸铁锂电池是一种新型环保
材料的电池，具有体积小、重量轻、寿命长、耐高温、可避免过度充放[1]




电、安全性能好等优点。我国于2012年发布了《矿用隔爆（兼本安）
型锂离子蓄电池电源安全技术要求》试行版，该标准的实施必将进一步推进大容量锂电池在煤矿的大量应用[2]。但是，将磷酸铁锂电池应用在井下充电机车还存在一些问题。比如，现有充电机大多还是采用工频变压器带可

3、控硅整流充电，充电电流波动较大且难以实现按照电池特性曲线进行智能充电，无法满足磷酸铁锂电池的充电要
求。也有采用隔离开关电源方案的充电机，但并无功率因数校正环


节。因此开发具有功率因数校正功能、高效率煤矿井下充电机对于解决当前存在问题具有重要意义。煤矿充电机与地面充电机也有许多不同之处：（1）电压等级不同，煤矿输入电压1140Vac；（2）散热条件不同，井下采用自然风冷的冷却方式；（3）结构不同，井下充电机图3交并联LLC谐振变换器拓扑必须安装在隔爆壳中。基于以上论述提出了

4、一种前级采用二极管中点钳位式三电平PWM整流技术实现PFC和整流功能，后级采用交个是谐振电感Lr和谐振电容Cr的谐振频率fr，另一个是Lr、Cr和励错并联LLC技术实现DC-DC变换的解决方案。磁电感Lm的谐振频率fm。计算公式如下：文章仅论述交错并联LLC部分。它除具有一般LLC高频率、高1效率、高功率密度等优点，还具有输入耐压高，输出纹波小，滤波电fr
（1）容少等优点[3]。在高电压大功率的煤矿井下应用，具有良好的性2
LrCr能。11设计要求和总体方案f

（2）2
(LLC)总体设计方案如图1所示，煤矿井下交流

5、电压1140V经PFC
整流后Vin作为交错LLC的输入电压，输出电压Vo为锂电池充电。只有开关频率f＞fm时，才能保证开关管工作于ZVS模式，因此根据煤矿充电机实际需要，交错并联LLC设计要求如下：输入电压全桥LLC可分为三个工作模式，分别是f＞fr、fm＜f＜fr以及f=fr。Vin=2000V，输出电压Vo=400~200V，输出电流Io=37.5A，输出功率当f>fr时，IGBT在任何负载下都能实现ZVS，但变压器励磁电Po=30Kw，效率η=96%。感以Lr、Cr谐振槽的负载形式存在，而不参与谐振过程，LLC

6、谐振VinVo变换器特性倾向于串联谐振变换器。输出二极管电流连续不能够实
1140PFC现ZCS，在换流时会产生反向恢复损耗[4-6]。VACLLC当fm

7、与连续临界点，效率最高[7]。因此设定LLC额与控制器配合，通过驱动板来控制功率管开关。整个系统能够提供完整的保护功能包括过流、过欠压、过温保护。交错并联LLC主电路定状态下工作于谐振点fr，此时LLC模块效率可达97%以上。部分主要包括谐振元器件参数和变压器的设计，在下面小节中会具交错并联LLC谐振变换器原理本质上与全桥LLC的工作原理体的介绍。相同，但也有所不同。交错并联是指两个LLC模块的控制信号频率相同，相角互相错开的运行模式。如图4所示，上下全桥LLC模块开Vin
VoLLCLC关频率相同相位相差9

8、0°。具体来说，上半全桥Q1、Q3同时开关，
图2交错并联LLC设计方案2交错并联LLC谐振变换器工作原理交错并联LLC谐振变换器拓扑结构如图3所示，由两个全桥LrLmLLC通过输入级串联输出级并联得到。Q1-Q4和Q5-Q8选用两个inf