【導讀】自中國邁入20世紀，127V照明電源被應用于煤礦開采中。如今，煤礦井下應用的照明器材是將組合開關、工頻變壓器、綜合保護裝置整合在一起裝在防爆外殼中的電源設備。近年來大容量6kVA、8kVA乃至10kVA的電源被廣泛應用。本文深入研究了應用于井下照明電源的單級三相高頻隔離AD/DC變換器方案設計。
使用電力電子變壓器進行調壓近年來得到快速發展，其主要性能有：無電網污染；輸出電壓穩定；功率因數可調；具有高度的可控性；具有可靠的電路檢測保護功能 。因此，研究體積小、質量小、效率高的電力電子變壓器來取代工頻變壓器成為了現階段的一個主要研究課題。
電力電子變壓器交流調壓
電力電子變壓器的設計思路源于具有高頻鏈接的AC/AC變換電路。它是一種含有電力電子變換器且通過高頻變壓器實現磁耦合的變換裝置，其突出特點在于通過變換器實現對其交流側電壓幅值和相位的實時控制，可實現變壓器原副邊電壓、電流、功率的靈活調節 。電力電子變壓器的實現方案主要分兩種：一是變換中不含直流環節的AC/AC變換；二是在變換中含有直流環節的AC/DC/DC/AC變換。其中第二種方案的主電路結構圖如圖1所示。
圖1：主電路結構圖
由圖1可以看到，該電力電子變壓器主要分為三個模塊：輸入整流級、DC-DC變換級和輸出逆變級。基于現代電力電子技術，使用適當的方法對圖中的開關管進行控制，該裝置就可以實現與傳統的工頻變壓器相同的功能。二者相比較，傳輸功率一定時，電力電子變壓器不僅體積、質量比工頻變壓器小的多，而且其性能要比工頻變壓器好。
但基于傳統的整流和逆變方法的電力電子變壓器有兩個主要缺點：一是對于大功率、高電壓的電路來說，開關管的耐壓能力有限；二是整流和逆變中用到了太多的開關管，降低了電路運行的穩定性，增加了能量的損耗，提高了電路成本。因此，針對電力電子變壓器前端的AC/DC整流部分，文章給出了一種的單級高頻隔離的三相AC/DC變換器 ，并且在理論上證明了其用于煤礦井下無工頻變壓器照明電源設計的可行性。其具體結構如圖2所示，該結構可以取代圖1中虛線框中的輸入整流級和DC/DC變換級。通過圖1與圖2的對比可以看出，該結構在實現AC/DC的過程中只使用了三個開關管，開關器件使用的減少可以簡化電路結構，減少電路損耗；輸入端采用PWM整流方法，功率因數可調且可實現高功率因數運行；DC/DC環節基于正反激電路設計，可穩定輸出電壓。
[page]
該單級高頻隔離三相AC/DC變換器的工作原理為：在輸入整流端采用PWM整流的方法，從而在變壓器原邊Np兩端產生PWM方波；原邊的功率通過副邊線圈N5傳遞給負載， Lo和Dd組成了續流回路，保證了負載電壓的穩定性；變壓器副邊線圈Nd和二極管Dd以及負載組成的回路作用是給變壓器去磁。這樣就使變換器工作在負載電流連續(CCM)和輸人電流斷續(DCM)的模式下，可以實現上述各種優良性能。
圖2：單級AD/DC 變換器拓撲結構
使用高頻變壓器的DC/DC環節可以等效成一個單向的Buck變換器，其等效電路結構如圖3所示。該電路的工作狀態可以簡化描述為三個階段：① 開關閉合，變壓器磁芯被磁化，電能通過副邊線圈N 由直流電源E傳遞給負載；② 開關斷開，電感Lo中的電流通過二極管Dd續流，變壓器磁芯通過去磁繞組Nd經負載回路產生的去磁電流開始去磁；③ 開關仍然斷開，去磁已經完成，但電感Lo仍然通過Dd續流。
圖3：DC/DC 環節等效電路
[page]
電路仿真及分析
為了證實該電路的有效性，在該電路的基礎上設計仿真，其主要參數為： 相輸入線電壓660V；開關頻率20kHz；輸 功率10kVA；輸出電壓為225V，可以為逆變輸出127V交流提供穩定的直流電源。
輸入端電感和電容值分別為175μH和23μH，Np=28，Ns= 12，Nd=3，輸出端電感和電容分別為130μH 和1000μF。輸入電壓及輸入電流的波形和輸出電壓的波形如圖4所示。
圖4：仿真輸入電壓電流及輸出電壓波形
仿真結果說明了該電路拓撲結構在理論上可以實現煤礦井下照明電源需要的輸入端整流級及隔離部分的D/DC變換級，其與傳統的電力電子變壓器中相應的結構相比結構簡單，較容易實現。
結語
本文解析了單級三相隔離AD/DC變換器的設計。電路拓撲結構僅用了三個開關管，簡化了電路結構，能夠更加靈活的應用于煤礦井下的供品變壓器電源設計。電路采用PWM整流方法，輸入端功率因數高，輸出電壓穩定可以實現單位功率因數運行。隨著電子電子技術的發展，相信這種采用電力電子技術的電源設備能夠得到推廣。
相關閱讀：
影響DC/DC 轉換器效率提高的元兇
八大要素PK，看DC/DC變換器該如何選擇？
工程師分享：隔離反激AD/DC電源參考設計
