全橋型LLC碳化硅礦用三電平充電機的設(shè)計研究

安徽理工大學(xué) 陳宏茂 李 靜

傳統(tǒng)硅器件的充電機主要回路使用三相半控整流電路，再配合工頻變壓器進行工作，采用大量的鋼鐵材料和稀有金屬，以及由于充電工藝落后對電池造成的損害，對環(huán)境將產(chǎn)生巨大的污染。本文設(shè)計研究一種全橋型LLC碳化硅礦用三電平充電機，功率變換電路由順次連接的三相整流電路、單相全橋逆變電路（三電平拓撲結(jié)構(gòu)）、LLC串并聯(lián)諧振電路以及二極管整流及濾波電路構(gòu)成，降低充電機開關(guān)損耗并提高效率，減少充電機的體積和重量，直接減少電池材料對環(huán)境的污染，可應(yīng)用于高壓、高頻、高溫的大功率場合。

煤礦的運輸以及煤礦人員運輸井下材料都離不開蓄電池電機車?，F(xiàn)如今，礦用防爆電機車需要使用充電機對其進行補充電量，所使用的充電機主要回路使用三相半控整流電路，再配合工頻變壓器進行工作。人力資源浪費、智能化水平低等一系列問題也伴隨著這種充電機充電工藝過程，需要配有專門的看守人員，隨著電池析氣狀況的改變，再結(jié)合充電時間的因素，手動進行切換電流。隨著全球電力電子技術(shù)以及微控制器技術(shù)的發(fā)展，針對充電時間效率需求，高頻逆變器技術(shù)被研發(fā)使用，實現(xiàn)在開關(guān)電源技術(shù)應(yīng)用范圍內(nèi)，充電機內(nèi)的功率器件工作頻率的高頻化。

1 國內(nèi)外現(xiàn)狀

蓄電池充電工藝在國外一開始也阻礙重重，多個項目難點無法攻克。直到十九世紀五十年代，蓄電池充電工藝的重大難點之一被法國的普朗泰研發(fā)攻克，蓄電池可以重復(fù)使用，充電機的發(fā)展速度大大加快，進入了快速的發(fā)展階段，充電機發(fā)展為以下四個階段：

（1）充電探索階段：蓄電池充電工藝下一個難關(guān)于二十世紀的五十年代被研發(fā)攻克，針對充電狀態(tài)電流不可控這一難點，第一臺在小電流狀態(tài)下可以調(diào)控設(shè)置的商用充電機在美國誕生，這臺商用充電機還攻克了大電流狀態(tài)無法穩(wěn)定充電的技術(shù)難關(guān)。

（2）充電理論研究階段：在上一階段基礎(chǔ)上，最大充電電流被馬斯關(guān)注研發(fā)，他根據(jù)其數(shù)值繪制出曲線，馬斯充電曲線為攻克無法快速充電這一難關(guān)指明了理論研究方向。

（3）充電技術(shù)的實際應(yīng)用階段：美國的Mcculloch電氣公司在馬斯充電理論提出后，開始開展鉛酸蓄電池的快速充電型的充電機研究，針對充電時間效率進行研究，整個充電過程僅需半小時。

（4）高速發(fā)展階段：隨著全球電力電子技術(shù)以及微控制器技術(shù)的發(fā)展，電力電子功率器件也在不斷開發(fā)更新，鉛酸蓄電池技術(shù)也不斷完善。

充電機技術(shù)的研究在國內(nèi)起步較晚，通過國內(nèi)外其它行業(yè)的充電機技術(shù)發(fā)展，我國也有突出的研究技術(shù)，未來充電機研發(fā)趨勢將朝著以下方向研發(fā)：

（1）充電機結(jié)構(gòu)一體化。將多臺充電機組合發(fā)展一體化與未來功率器件器的一體化統(tǒng)稱為充電機結(jié)構(gòu)一體化?，F(xiàn)如今，充電硐室需要十幾臺充電機，甚至于更多的充電機，才能滿足充電任務(wù)，充電機結(jié)構(gòu)一體化可能需要一到兩臺充電機即可，還能有效的縮減充電機在硐室的占用空間。

（2）充電機工作頻率高頻化。煤礦設(shè)備相對于地面設(shè)備，設(shè)備體積在應(yīng)用中有極大的限制以及更高的要求，電機工作頻率高頻化主要是指在開關(guān)電源技術(shù)應(yīng)用范圍內(nèi)，充電機內(nèi)的功率器件工作頻率的高頻化。

（3）充電工藝智能化?，F(xiàn)如今在充電過程中人力需求比較嚴重，需人員進行看守，智能化水平較低，隨著全球電力電子技術(shù)以及微控制器技術(shù)的發(fā)展，充電工藝將趨向于智能化，趨向于無人值守的充電工藝。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

本文研究設(shè)計一種全橋型LLC碳化硅礦用三電平充電機，其特征在于所述功率變換電路由順次連接的三相整流電路、單相全橋逆變電路（三電平拓撲結(jié)構(gòu)）、LLC串并聯(lián)諧振電路以及二極管整流及濾波電路構(gòu)成。其中三相660VAC交流電壓經(jīng)過三相整流電路得1140VDC的直流電壓，再經(jīng)單相全橋逆變電路轉(zhuǎn)換輸出504V AC交流電壓，經(jīng)LLC串并聯(lián)諧振電路變成504VAC交流電壓，再經(jīng)二極管整流及濾波電路將電流變換為0-100A連續(xù)可調(diào)的直流電流與0-504VDC的可控直流電壓，再輸出到外部，完成蓄電池的充電。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

三相整流電路這一部分由整流模塊（QT1、QT2、QT3、QT4、QT5、QT6）、電壓濾波電路（C1、C2）構(gòu)成。三電平逆變電路這一部分由IGBT（QT7、QT8、QT9、QT10、QT11、QT12、QT13、QT14）、功率二極管（VD1、VD2、VD3、VD4）構(gòu)成。LLC串并聯(lián)諧振電路這一部分由諧振電容C3、諧振電感L1、勵磁電感L2、高頻變壓器T1構(gòu)成。二極管整流及濾波電路這一部分由高頻整流模塊（VD5、VD6、VD7、VD8）、濾波電感L3、濾波電容C4構(gòu)成。電氣原理圖如圖2所示。

圖2 全橋型LLC碳化硅礦用三電平充電機電氣原理圖

3 總結(jié)

本文研究的充電機主電路采用三電平拓撲結(jié)構(gòu)單相全橋逆變技術(shù)，具有能承受更大的輸入電壓的創(chuàng)新優(yōu)勢、能夠更好地抑制或處理高頻諧波的優(yōu)勢，開關(guān)頻率達10KHZ，電源工作高頻化可在達到充電機輕量化設(shè)計的基礎(chǔ)上，進一步有效的減小主回路變壓器及周邊器件的重量與體積。LLC串并聯(lián)諧振這一技術(shù)可以使整流二極管在關(guān)斷狀態(tài)實現(xiàn)零電流關(guān)斷，還可以在全負載范圍內(nèi)，使功率開關(guān)管的導(dǎo)通狀態(tài)實現(xiàn)零電壓接通，這一技術(shù)不但可以有效的提高效率，還可以大幅度降低充電機開關(guān)損耗。