礦用本安電源開(kāi)關(guān)變換器濾波電容消解方案

陳慧麗， 李杰

(鄭州科技學(xué)院 電氣工程學(xué)院，河南 鄭州 450064)

0 引言

礦用本質(zhì)安全(簡(jiǎn)稱本安)[1]電源主要包括線性電源和開(kāi)關(guān)電源兩種。其中本安開(kāi)關(guān)電源應(yīng)用越來(lái)越廣泛[2]，正逐步取代傳統(tǒng)的本安線性電源。但現(xiàn)有本安開(kāi)關(guān)電源存在輸出電壓紋波較大、本安性能較差等問(wèn)題[3]。鑒于本安開(kāi)關(guān)電源主要由各類開(kāi)關(guān)變換器(如AC-DC變換器、DC-DC變換器等)組成[4]，本文從開(kāi)關(guān)變換器輸出本安特性角度出發(fā)，研究提高礦用本安電源輸出本安性能的方法。

開(kāi)關(guān)變換器輸出本安特性主要與電感和電容有關(guān)。開(kāi)關(guān)變換器輸出側(cè)通常有較大的濾波用電解電容[5]，導(dǎo)致輸出電壓紋波較大，因此常采用無(wú)電解電容或電解電容消解方案[6-7]，以減小紋波，提高輸出本安性能。無(wú)電解電容方案的核心思想是采用其他電容器件或網(wǎng)絡(luò)代替電解電容，如采用陶瓷電容或薄膜電容等非電解電容作為直流母線電容進(jìn)行濾波，通過(guò)單個(gè)或多個(gè)電容并聯(lián)方式滿足一定的性能要求[8-9]。該方案存在容值過(guò)小、耐壓低、成本高等缺點(diǎn)，且適用性較差。電解電容消解方案通過(guò)控制直流母線電壓，將瞬時(shí)功率差轉(zhuǎn)移給非直流母線電容進(jìn)行平衡，具有控制靈活、適用性強(qiáng)等特點(diǎn)，是目前的研究熱點(diǎn)。文獻(xiàn)[10]提出一種雙端輸入增頻法，可減小開(kāi)關(guān)變換器輸出濾波電容，從而抑制輸出短路放電火花，但該方法電路結(jié)構(gòu)和控制過(guò)程較復(fù)雜，不易實(shí)現(xiàn)。文獻(xiàn)[11]通過(guò)分析開(kāi)關(guān)變換器工作范圍，優(yōu)化濾波電容參數(shù)選取范圍，使其滿足輸出電壓紋波要求。文獻(xiàn)[12]提出了一種通過(guò)提高開(kāi)關(guān)頻率來(lái)減小濾波電容的方法。

有源電容技術(shù)[13-14]作為一種新的電解電容消解方案，可采用非電解電容作為儲(chǔ)能電容，在不影響開(kāi)關(guān)變換器性能的情況下實(shí)現(xiàn)電解電容容量消解。本文將有源電容技術(shù)應(yīng)用于礦用本安電源中，以有效減小開(kāi)關(guān)變換器濾波電容，提升其輸出本安性能。

1 基于全橋拓?fù)涞挠性措娙菁夹g(shù)

基于全橋拓?fù)涞挠性措娙萁Y(jié)構(gòu)如圖1所示。其主要由直流母線電容C1及與其串聯(lián)的低電壓全橋變換器組成。全橋變換器包括功率開(kāi)關(guān)器件、非直流母線電容C2和C3、電感L等，主要用來(lái)抵消直流母線電容C1的電壓和電流紋波，電壓和電流等級(jí)較低。圖1中vAB為有源電容端口電壓；vC1,vC2,vC3分別為C1，C2，C3兩端電壓；t為時(shí)間。有源電容只包括A，B 2個(gè)端口，在實(shí)際使用時(shí)僅表現(xiàn)出電解電容的特性。

圖1 基于全橋拓?fù)涞挠性措娙萁Y(jié)構(gòu)

將有源電容代替電解電容并聯(lián)于直流母線上時(shí)，通過(guò)控制全橋變換器，將母線瞬時(shí)功率差轉(zhuǎn)移至有源電容內(nèi)部?jī)?chǔ)能電容C2和C3，從而實(shí)現(xiàn)有源電容兩端能量波動(dòng)平衡。由于儲(chǔ)能電容不直接與直流母線相連，所以允許有較大的電壓波動(dòng)，在平衡相同直流母線紋波能量的情況下，可大大減小直流和非直流母線電容，從而達(dá)到電容消解目的，且不會(huì)增大直流母線紋波。

2 有源電容控制策略及數(shù)學(xué)模型

2.1 有源電容控制策略

有源電容控制目標(biāo)是調(diào)節(jié)A，B端口的等效阻抗，使其等于采用電解電容時(shí)的阻抗，控制原理如圖2所示。vC2,ref為vC2參考電壓，GHPF(s)和GLPF(s)分別為高通、低通濾波器傳遞函數(shù)，G2(s)為電壓環(huán)傳遞函數(shù)，s為拉普拉斯算子，vcon1和vcon2分別為vC1和vC2調(diào)節(jié)輸出，m為調(diào)制信號(hào)。

圖2 有源電容控制原理

由圖2可知，有源電容控制過(guò)程中只需將vC1和vC2作為輸入信號(hào)，無(wú)需任何外部電路的反饋信號(hào)。vC1經(jīng)高通濾波器濾波后獲取其紋波信號(hào)，vC2經(jīng)低通濾波器濾波后獲取其直流偏置信號(hào)，之后經(jīng)PI控制器進(jìn)行誤差調(diào)節(jié)，得到調(diào)制信號(hào)m，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)全橋變換器的功率開(kāi)關(guān)器件。

有源電容控制策略通過(guò)控制vC3與vC1的紋波具有相同幅值和相反相位，使A，B端口紋波盡可能小，從而使等效電容更大。

2.2 有源電容數(shù)學(xué)模型

可通過(guò)有源電容數(shù)學(xué)模型分析其阻抗特性。理想的有源電容阻抗特性應(yīng)與電解電容基本相同。

為便于分析，假設(shè)采用理想變換器和理想電解電容，即變換器沒(méi)有損耗，電解電容等效串聯(lián)電阻為零。根據(jù)基爾霍夫電路定律，有源電容大信號(hào)數(shù)學(xué)模型為

(1)

使用小信號(hào)建模方法，忽略二階交流成分，所得有源電容小信號(hào)數(shù)學(xué)模型為

(2)

式中：ΔvC1，ΔvC2，ΔvC3，Δm分別為小信號(hào)建模時(shí)引入的vC1,vC2,vC3,m擾動(dòng)量；M為調(diào)制系數(shù)。

根據(jù)有源電容控制原理，Δm可表示為

(3)

式中Vtric為PWM三角載波幅值。

根據(jù)式(2)、式(3)，可推導(dǎo)出ΔvC1到ΔvC3的傳遞函數(shù)：

(4)

有源電容等效阻抗為

(5)

式中ΔiC1為小信號(hào)建模時(shí)引入的有源電容電流擾動(dòng)量。

3 有源電容技術(shù)在本安電源中的應(yīng)用

以采用Buck變換器的電源為例，介紹有源電容技術(shù)在本安電源中的應(yīng)用。該電源中Buck變換器用于I類環(huán)境，設(shè)計(jì)指標(biāo)：輸入電壓Vi=25 V，輸出電壓Vu=18 V，輸出紋波電壓Vpp最大為1%Vu，負(fù)載電阻RL=20～200 Ω。變換器工作頻率fs=100 kHz，電感Ls=75 μH，輸出濾波電容C=50 μF。根據(jù)文獻(xiàn)[10]對(duì)該變換器的本安特性進(jìn)行判斷。

(6)

式中：Imax為變換器在工作范圍內(nèi)的最大電感電流；RL,min為最小負(fù)載電阻。

RL,min=20 Ω，因此Imax=1.236 A。

根據(jù)文獻(xiàn)[1]中容性電路火花放電最小點(diǎn)燃電壓曲線，可確定變換器輸出的最大本安參數(shù)。取安全系數(shù)為1.5，查得變換器輸出電壓為1.5Vu=27 V時(shí)，能引起點(diǎn)燃的最小電容為3.75 μF，對(duì)應(yīng)的最小點(diǎn)燃能量為0.61 mJ。根據(jù)以上條件，變換器輸出短路時(shí)釋放的最大能量為8.7 mJ，大于0.61 mJ，說(shuō)明該變換器不滿足輸出本安要求。

為保證該Buck變換器實(shí)現(xiàn)工作范圍內(nèi)的電氣性能指標(biāo)，且能滿足本安要求，將輸出濾波電容替換為有源電容，如圖3所示，其中S為功率開(kāi)關(guān)器件，DS為反并聯(lián)二極管，DV為二極管。

圖3 應(yīng)用有源電容的Buck變換器拓?fù)?/p>

設(shè)置2組有源電容參數(shù)，見(jiàn)表1，分別進(jìn)行仿真，并與采用傳統(tǒng)電解電容的變換器進(jìn)行對(duì)比。Buck變換器直流側(cè)電壓波形如圖4所示。

表1 有源電容參數(shù)

圖4 Buck變換器直流側(cè)電壓波形

從圖4可看出，Buck變換器采用電解電容時(shí)，輸出紋波電壓Vpp為0.83%Vu，滿足設(shè)計(jì)要求，但不滿足輸出本安要求。將電解電容替換為有源電容1,2后，輸出紋波電壓Vpp分別為0.33%Vu，0.72%Vu，均滿足設(shè)計(jì)要求，且采用有源電容2時(shí)滿足輸出本安要求。

分別對(duì)采用有源電容1,2的Buck變換器進(jìn)行試驗(yàn)，C1，C3電壓波形如圖5所示?？煽闯霾捎糜性措娙?的變換器輸出紋波電壓Vpp為0.62%Vu，采用有源電容2的變換器輸出紋波電壓Vpp為0.91%Vu，較仿真結(jié)果稍大，但仍滿足設(shè)計(jì)要求。

(a)有源電容1

(b)有源電容2

有源電容中C2沒(méi)有直接連接直流母線，其大小對(duì)變換器輸出本安特性沒(méi)有影響。因此，分析變換器輸出本安特性時(shí)只需考慮C1，C3即可。有源電容1中C1+C3= 5.17 μF，有源電容2中C1+C3=1.10 μF，而變換器輸出電壓為27 V時(shí)最小點(diǎn)燃電壓對(duì)應(yīng)的電容為3.75 μF，因此有源電容1無(wú)法滿足變換器輸出本安要求，有源電容2滿足變換器輸出本安要求。

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)礦用本安電源開(kāi)關(guān)變換器因?yàn)V波電容較大而難以滿足輸出本安要求的問(wèn)題，提出采用有源電容代替?zhèn)鹘y(tǒng)電解電容的方案。有源電容端口特性與電解電容類似，但其連接直流母線的電容容量可大大減小。仿真及試驗(yàn)結(jié)果表明，通過(guò)合理設(shè)置有源電容參數(shù)，可使開(kāi)關(guān)變換器滿足輸出本安要求，為有源電容技術(shù)在礦用本安電源中的應(yīng)用提供了參考。