王海，朱恩玉，王春艷

(沈陽廣角成套電器股份有限公司，遼寧 沈陽 110045)

1 引言

傳統(tǒng)煤礦蓄電池電機(jī)車用隔爆型充電機(jī)大都采用晶閘管整流式直流電源，存在體積大、重量重、效率低、可靠性差等缺點(diǎn)。為解決上述問題，我們開發(fā)了逆變式充電機(jī)，主電路采用半橋變換器，逆變頻率為10kHz，額定充電電流為100A，額定充電電壓為300V，效率達(dá)到了90.5%。由于輸出功率大，開關(guān)頻率高，開關(guān)管損耗較大，而充電機(jī)為隔爆型結(jié)構(gòu)，散熱比較困難。采用熱管技術(shù)雖可解決問題，但成本較高。為了減小開關(guān)管的開關(guān)損耗，要求實(shí)現(xiàn)開關(guān)管的軟開通和軟關(guān)斷。

逆變式充電機(jī)由于是高輸入(660V交流電壓，有時(shí)可達(dá)750V)/高輸出(300V/100A)功率變換場合，開關(guān)管承受電壓應(yīng)力較大，而高壓IGBT的價(jià)格較高，因此將三電平逆變器技術(shù)應(yīng)用于充電機(jī)中，具有降低開關(guān)管的電壓應(yīng)力、減小輸入、輸出濾波器等優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)開關(guān)管的軟開通的軟關(guān)斷。

2 三電平逆變式充電機(jī)電路結(jié)構(gòu)

三電平逆變式充電機(jī)的原理框圖如圖1所示。

圖1 三電平逆變式充電機(jī)原理方框圖

三相660V、50Hz交流電經(jīng)過三相全橋整流、濾波后變換為直流電，直流電壓經(jīng)過ZVZCSPWM半橋三電平變換器變換為頻率f2=10kHz的交流方波，經(jīng)中頻變壓器耦合，通過輸出整流器整流成直流電，經(jīng)輸出電抗器濾波后變?yōu)槠交绷麟姽┏潆娛褂谩１Ｗo(hù)電路中設(shè)計(jì)了過壓、過流、過熱等保護(hù)，防止開關(guān)管損壞。

3 ZVZCS PWM半橋三電平變換器原理

圖2為ZVZCS PWM半橋三電平變換器的主電路。

圖2 ZVZCS PWM三電平變換器主電路

圖中，Cd1和Cd2為半橋橋臂電容，容量相等，它們的電壓均為輸入電壓的一半，即Vd1=Vd2=Vin/2。L1k是高頻變壓器原邊漏感，D5和D6為續(xù)流二極管，Q1和Q4為超前管，Q2和Q3為滯后管，C1和C4為超前管并聯(lián)電容，C1、C4和L1k一起實(shí)現(xiàn)超前管 Q1、Q4的ZVS。Css為飛跨電容，分別將兩只超前管和兩只滯后管的開關(guān)過程連接起來。Cb是阻斷電容，它使中頻變壓器原邊電流ip，在零狀態(tài)時(shí)減小到零，三極管D7和D8用于防止ip減小到零后反方向流動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)滯后管Q2和Q3的ZCS。

圖3示出ZVZCSPWM半橋三電平變換器的一個(gè)開關(guān)周期的工作波形。

變換器在一個(gè)開關(guān)周期中有10種開關(guān)模態(tài):

(1)開關(guān)模態(tài)0［t0時(shí)刻］。在t0時(shí)刻Q1和Q2導(dǎo)通，VAB=Vin/2，原邊電流給阻斷電容Cb充電。原邊電流Ip0=Io/k，其中I0為輸出充電電流，K為高頻變壓器原副邊匝比。

(2)開關(guān)模式 1［t0，t1］。t0時(shí)刻關(guān)斷 Q1，ip給C1充電，同時(shí)通過Css給C4放電，由于有C1、C4，Q1是零電壓關(guān)斷。t1時(shí)刻，續(xù)流二極管D5導(dǎo)通。

圖3 ZVZCS PWM半橋三電平變換器主要波形圖

(3)開關(guān)模式2［t1，t2］。D5導(dǎo)通后，C4的電壓被箝在0，因此可以零電壓開通Q4。

(4)開關(guān)模式3［t2，t3］。開關(guān)模式 3 中，ip=0，VAB=Vcbp，此時(shí)Q2中沒有電流流過，因此Q2是零電流關(guān)斷。(5)開關(guān)模式4［t3，t4］。t3時(shí)刻，開通 Q3，由于漏感存在，ip不能突變Q3近似為零電流開通。

(6)開關(guān)模式 5［t4，t5］。從t4時(shí)刻開始，原邊為負(fù)載提供能量，同時(shí)給阻斷電容Cb反向充電。阻斷電容上的電壓為下一次Q3零電流關(guān)斷和Q2零電流開通做準(zhǔn)備。在t5時(shí)刻，關(guān)斷Q4，開始［t5，t10］的另一個(gè)半周期，其工作情況類似前面描述的［t0，t5］。

4 移相控制

逆變式充電機(jī)為了降低IGBT的開關(guān)應(yīng)力，應(yīng)用三電平技術(shù)，提出了ZVZCS PWM半橋三電平逆變器，這實(shí)質(zhì)上是移相諧振式軟開關(guān)電路。在圖1中，Q1和Q4是超前管，Q2和Q3是滯后管，通過調(diào)節(jié)超前管和滯后管導(dǎo)通的相位差來調(diào)節(jié)輸出功率。移相控制選用移相諧振全橋變換控制器UC3879作為控制芯片。

UC3879應(yīng)用電路如圖4所示。

圖4 UC3879應(yīng)用電路圖

(1)Vc=Vin=VUVSEL=15V。

(2)振蕩頻率f=4/RTCT=4/(R104+W101)*C109，設(shè)置f=10kHz。由于本電源模塊采用電壓控制方式，因此RAMP引腳直接與CT腳相接。

(3)電流反饋環(huán)節(jié)電流調(diào)節(jié)器是利用UC3879內(nèi)誤差放大器進(jìn)行的。該誤差放大器的同相輸入端在芯片內(nèi)固定為2.5V，作為電流給定的基準(zhǔn)信號。給定電流信號Ug與霍爾傳感器檢測到的電流反饋信號Uf經(jīng)過運(yùn)算后得到控制電壓Vk，Vk送到誤差放大器的反向輸入端EA－，誤差放大器輸出端COMP電平調(diào)節(jié)移相角的大小。電阻和電容跨接在反向輸入端和COMP端之間，作為補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，實(shí)質(zhì)上是一個(gè)比例積分(PI)調(diào)節(jié)器。

(4)保護(hù)電路為了保護(hù)主功率管不致過流、過熱、過壓而損壞，將各保護(hù)信號經(jīng)過或運(yùn)算后引到UC3879的電流檢測端CS實(shí)現(xiàn)保護(hù)。

(5)軟起動(dòng)電路軟起動(dòng)引腳接3.3μF電容，以保證有充足的軟起動(dòng)時(shí)間，VREF引腳產(chǎn)生一個(gè)精確度很高的5V電壓基準(zhǔn)信號。

(6)時(shí)間延遲電路超前管Q1和Q4的死區(qū)時(shí)間由接在DLYC－D引腳的電阻電容決定。決定超前管死區(qū)時(shí)間的因素有兩個(gè):①超前管實(shí)現(xiàn)零電壓的范圍;②受初級最大占空比的限制。滯后管Q2和Q3的死區(qū)時(shí)間由接在DLYA－B引腳的電阻電容來決定，滯后管的死區(qū)時(shí)間取決IGBT的少數(shù)載流子的復(fù)合時(shí)間。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

利用ZVZCSPWM半橋三電平變換器，研制了一臺(tái)300V/100A的充電機(jī)樣機(jī)，用于煤礦蓄電池電機(jī)車充電。其主要技術(shù)指標(biāo)為:Vin=660V/50Hz，電壓波動(dòng)范圍為±15%;額定充電電壓U0=300V;額定充電電流I0=100A;開關(guān)頻率為10kHz。

元件選擇:Q1－Q4為 FF300R12KT4，D5－D8為MZC200TS120S，D9－ D10為 APTDF400KK120G，D11－D12為 APTDF400AA120G，中頻變壓器鐵芯為 2只ONL165115050納米晶鐵芯，變壓器變比為1.1∶1。

圖5示出了UC3879輸出的移相控制信號波形。

UC3879輸出4路移相控制信號:OUT－A，OUTB，OUT－C，OUT－D。波形圖中:波形1為 OUT－D，對應(yīng)驅(qū)動(dòng)Q1;波形2為OUT－A，對應(yīng)驅(qū)動(dòng)Q2;波形3為OUT－B，對應(yīng)驅(qū)動(dòng)Q3;波形4為 OUT－C，對應(yīng)驅(qū)動(dòng)Q4;UC3879輸出的移相控制信號通過集成驅(qū)動(dòng)電路 M57962K，驅(qū)動(dòng) IGBT:Q1－Q4。

圖6、圖7示出超前管Q4在不同負(fù)載時(shí)的開關(guān)波形。

圖5 UC3879移相控制波形

圖6 超前管Q4(U0=62.5、I0=20A)開關(guān)波形

圖7 超前管Q4(U0=247V、I0=80A)開關(guān)波形

其中波形1為Q4的VGE波形，波形2為 Q4的VCE波形，波形3為中頻變壓器初級電流ip波形。圖中可見驅(qū)動(dòng)信號VGE升至15V前，VCE=0V，所以Q4為ZVS開通。當(dāng)驅(qū)動(dòng)信號VGE降至0V后，VCE才升至高電壓，所以Q4為ZVS關(guān)斷。

圖8、圖9示出滯后管Q3在不同負(fù)載時(shí)的開關(guān)波形。

其中波形1為Q3的驅(qū)動(dòng)信號VGE，當(dāng)VGE升至15V時(shí)，波形2即Q3的VCE=0V，此時(shí)波形3即中頻變壓器初級電流ip=0，所以Q3是ZCS開通。當(dāng)Q3的VGE降至0前，VCE=0V，ip=0，所以Q3是ZCS關(guān)斷。

圖8 滯后管Q3(U0=61V、I0=20A)開關(guān)波形

圖9 滯后管Q3(U0=308V、I0=100A)開關(guān)波形

實(shí)驗(yàn)樣機(jī)在V0=307V，I0=100A滿載時(shí)，效率達(dá)到了η=93.2%。

6 結(jié)論

實(shí)驗(yàn)表明，ZVZCS PWM半橋三電平逆變式充電機(jī)的研制，實(shí)現(xiàn)了主開關(guān)管的零電壓和零電流開關(guān)，而且零電壓零電流開關(guān)范圍較大。軟開關(guān)的實(shí)現(xiàn)降低了開關(guān)管的開關(guān)損耗，中頻變壓器初級的導(dǎo)通損耗也大大減小，沒有大的附加環(huán)流使得充電機(jī)效率得到提高。這些特點(diǎn)使得該電路在高電壓輸入、大功率輸出方面有突出的優(yōu)點(diǎn)。采用移相諧振控制器UC3879，使得充電機(jī)控制簡單、方便、外圍元件少，且具有軟起動(dòng)、逐周限流和完善的保護(hù)功能。

［1］阮新波，嚴(yán)仰光.直流開關(guān)電源的軟開關(guān)技術(shù)［M］.北京:科學(xué)出版社，2000.

［2］張之梁，阮新波.零電壓開關(guān)PWM全橋三電平變換器［J］.中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2005，25(16):17 －22.

［3］陸治國.實(shí)用電源技術(shù)手冊開關(guān)電源分冊［M］.沈陽:遼寧科學(xué)技術(shù)出版社，2008.