30kW井下充電機設計及其結構的熱設計

摘 要：文章根據目前煤礦井下充電機的缺點提出了基于交錯并聯LLC電路拓撲的小型、高效的井下充電機及其散熱方案，介紹了該諧振變換器的工作原理并進行仿真，進行參數設計與損耗計算。由于煤礦井下獨特的工作環境，對其散熱器和散熱結構進行設計，利用熱仿真軟件FLOTHERM來做了熱仿真和結構優化，使其電子和電氣元件溫升和溫度都滿足其工作條件。對充電機的樣機生產起到指導作用。

關鍵詞：井下充電機；交錯并聯LLC；FLOTHERM熱仿真

引言

我國煤炭資源豐富的特點決定了我國電力結構主要以火力發電為主，因此煤炭消費在我國能源結構中占有主導地位[1]。相對于傳統的鉛蓄電池來說，磷酸鐵鋰電池具有體積小、重量輕、壽命長、安全性能好、環保等優點，因此在井下隔爆型充電機機車中的應用越來越廣泛。我國目前的井下隔爆型充電機主要有KGCK-190/300-dI、KGCK-150/35-210-KB等型號的快速/常規充電機，這些充電機有造價高、體積大、損耗大、功率因數偏低等缺點[2]。因此，設計一種體積小、安全可靠的高效充電機是非常有價值的。

鑒于煤礦井下特殊的工作環境，井下充電設備與地面充電設備有以下特點：（1）輸入電壓等級的不同，井下輸入電壓等級為1140V或660V。（2）煤礦井下瓦斯濃度較高，充電設備需要安裝在隔爆殼內。（3）散熱方式只能通過隔爆殼來進行自然散熱。

因此，有關文獻[3]提出一種前級采用三電平PWM整流技術實現PFC和整流功能，后級采用交錯并聯LLC諧振變換器的井下充電機的方案。文章主要進行對后級DC-DC部分的分析和設計。LLC諧振變換器具有可以在全負載范圍內實現ZVS、開關管關斷電流應力較小、整流二極管可以實現ZCS、電壓調節能力較強、效率高等顯著優點。交錯并聯LLC諧振變換器除了具備LLC高頻、高效等優點，同時具備了交錯并聯型DC-DC變換器的輸入耐壓高、輸出紋波小、濾波電容小等優點。

該方案可以提高開關頻率、減小體積從而提高功率密度，但是會引起功率器件和磁性元件產生大量的熱量。而溫度過高時引起電子器件故障的主要原因，文章通過利用FLOTHERM熱仿真軟件對后級DC-DC進行熱設計與熱仿真，對設備結構、原件安裝提供一定的參考依據。