全橋型LLC碳化硅礦用三電平充電機的設計研究

安徽理工大學 陳宏茂 李 靜

傳統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，對環境將產生巨大的污染。本文設計研究一種全橋型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（三電平拓撲結構）、LLC串并聯諧振電路以及二極管整流及濾波電路構成，降低充電機開關損耗并提高效率，減少充電機的體積和重量，直接減少電池材料對環境的污染，可應用于高壓、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。現如今，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以及微控制器技術的發展，針對充電時間效率需求，高頻逆變器技術被研發使用，實現在開關電源技術應用范圍內，充電機內的功率器件工作頻率的高頻化。

1 國內外現狀

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攻克，蓄電池可以重復使用，充電機的發展速度大大加快，進入了快速的發展階段，充電機發展為以下四個階段：

（1）充電探索階段：蓄電池充電工藝下一個難關于二十世紀的五十年代被研發攻克，針對充電狀態電流不可控這一難點，第一臺在小電流狀態下可以調控設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無法穩定充電的技術難關。

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

（3）充電技術的實際應用階段：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）高速發展階段：隨著全球電力電子技術以及微控制器技術的發展，電力電子功率器件也在不斷開發更新，鉛酸蓄電池技術也不斷完善。

充電機技術的研究在國內起步較晚，通過國內外其它行業的充電機技術發展，我國也有突出的研究技術，未來充電機研發趨勢將朝著以下方向研發：

（1）充電機結構一體化。將多臺充電機組合發展一體化與未來功率器件器的一體化統稱為充電機結構一體化。現如今，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，充電機結構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。煤礦設備相對于地面設備，設備體積在應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電源技術應用范圍內，充電機內的功率器件工作頻率的高頻化。

（3）充電工藝智能化。現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以及微控制器技術的發展，充電工藝將趨向于智能化，趨向于無人值守的充電工藝。

2 系統硬件設計

本文研究設計一種全橋型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（三電平拓撲結構）、LLC串并聯諧振電路以及二極管整流及濾波電路構成。其中三相660VAC交流電壓經過三相整流電路得1140VDC的直流電壓，再經單相全橋逆變電路轉換輸出504V AC交流電壓，經LLC串并聯諧振電路變成504VAC交流電壓，再經二極管整流及濾波電路將電流變換為0-100A連續可調的直流電流與0-504VDC的可控直流電壓，再輸出到外部，完成蓄電池的充電。系統結構圖如圖1所示。

圖1 系統結構圖

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）構成。LLC串并聯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

本文研究的充電機主電路采用三電平拓撲結構單相全橋逆變技術，具有能承受更大的輸入電壓的創新優勢、能夠更好地抑制或處理高頻諧波的優勢，開關頻率達10KHZ，電源工作高頻化可在達到充電機輕量化設計的基礎上，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串并聯諧振這一技術可以使整流二極管在關斷狀態實現零電流關斷，還可以在全負載范圍內，使功率開關管的導通狀態實現零電壓接通，這一技術不但可以有效的提高效率，還可以大幅度降低充電機開關損耗。