宽范围输入矿用电动车用电源的设计与实现

图1
双管正激电路
④输出端的滤波电感足够大，输出端用幅值 为 Io 的恒流源代替； 图 2 给出了双管正激变换器的主要工作波形，其 中 VG1、 VG2 为开关管驱动电压， im 为变压器励磁电流， ip 为变压器原边电流，VAB 为变压器原边电压。在一个 开关周期中，该变换器有 8 种开关状态，图 3 给出了 在不同开关状态下的等效电路，下面详细分析各个开 关状态的工作情况。 t0 时刻，如图 3(a)，变压器副边电流从“*”流出。 此时原边电流为:
t7 时刻，原边电流增加至能够提供负载电流，本 模态结束。 (8) 开关模态 8 [t7, t8] t7 时刻， D4 截止， D3 通过全部负载电流， 如图 3(a) 所示。直到 t8 时刻，下一周期开始。
1 Vc1 (t ) = Vc 2 (t ) = Vin + I p (t0 ) Z m sin ωm (t − t1 ) 2 i p (t ) = I p (t0 ) cos ωm (t − t1 )
其中 L1K 与 C1、C2 特征阻抗 Z m = 2 Llk C1 ；L1K 与 C1、C2 的谐振角频率 ωm = 2 Llk C1 ； 到 t2 时刻，ip 谐振下降到励磁电流的最大值，变 压器副边完成换流，本模态结束。 (3) 开关模态 3 [t2, t3] 对应于图 3(d)，到 t2 时刻，变压器原边电流 Io。 L1k、 Lmag 继续和 C1、C2 进行谐振，使结电容 C1、C2 电压继 续上升，变压器磁复位。原边电流继续下降，为： i p (t ) = I M ( + ) cos ωm (t − t2 ) (5)
矿用电动车在远离地面的环境下工作， 条件恶劣， [1] 维修困难 ，这就对它以及相关设备的可靠性和稳定 性提出了极高的要求，尤其是地下电网电压不稳定， 因此矿用电动车的电源必须能够适应宽范围的输入电 压，而且能够可靠、稳定的工作。 目前，中、大功率应用场合的直流电源，主要用 半桥变换器，全桥变换器以及双管正激变换器。半桥 变换器结构简单，但在相同输出功率的情况下，开关 管的电流应力高，且存在桥臂直通的问题；全桥变换 器需要四只开关管，结构复杂，并且也存在桥臂直通 的危险，所以，这两种变换器都不适合应用在可靠性 要求比较高的场合。双管正激变换器的结构简单，通 过两个二极管给励磁电流提供回路， 实现磁心磁复位， 去除了复杂的磁复位电路，励磁能量回馈给电源，减 小了损耗，同时这两个二极管起着箝位作用，将开关 电压箝位在输入电压，所以开关管电压应力低；另外， 双管正激电路驱动容易，没有直流偏磁和桥臂直通问 题[2]，可靠性高。因此，综合考虑矿用电动车特定的 工作环境，其电源输入电压范围比较宽，要求工作可 靠性高，本文选择双管正激变换器为其电源的电路拓 扑。
i p (t ) = 1 I o + I M ( + ) = I p (t 0 ) K (1)
2．双管正激变换器的工作原理
图 1 给出了双管正激变换器的电路结构图，Q1 和 Q2 为主开关管，D1 和 D2 是复位二极管，D3 和 D4 整分 别为整流二极管和输出续流二极管。Ｌmag 表示变压器 的激磁电感，L1k 为变压器的漏感。 为方便分析，现作如下假设： ① Q1、 Q2、 为理想开关管， D1、 D2 为理想二极管； ② C1、C2 为开关管 Q1、Q2 的寄生电容； ③ 输入电容非常大，Vin 用幅值为 Vin 的恒压源代 替；
其中，K 为变压器的变比，I（M+为励磁电流的最大值。 (1) 开关模态 1 [t0, t1] 对应于图 3(b)，在 t0 时刻，开关管 Q1、Q2 关断， ip 从开关管 Q1、Q2 中转移到其结电容中，变压器同名 端“*”仍然为正，在这段时间内，L1k 和 Lf 串联，因 Lf 较大，ip 近似不变地对 C1、C2 恒流充电，C1、C2 的电 压线性上升，为：
Vc (t ) = 1 ⋅ I P (t0 ) ⋅ (t − t0 ) C
(2)
到 t1 时刻，C1、C2 上的电压上升至 1/2Vin，此时 变压器原边电压 VAB=0，本模态结束。 (2) 开关模态 2 [t1, t2] 对应于图 3(c)，t1 时刻，VAB=0，变压器同名端“*” 要变负，则副边二极管 D3、D4 同时导通，变压器各绕 组电压被箝位于零，L1k 和 Q1、Q2 的结电容 C1、C2 开 始谐振，C1、C2 电压谐振上升，ip 开始谐振下降，表 示为：
结构简单，可靠性高的双管正激电路。文中详细分析了主电路的工作原理，给出了双管正激电路主要参数的设计以及外围相 关电路的设计，在此基础上研制了一台交流输入为180V~280V的双管正激变换器，该变换器性能良好，运行可靠，实验结果 验证了理论分析的正确性。 关键词 宽范围输入，开关电源，双管正激
1．引言
中国电工技术学会电力电子学会第十一届学术年会
VG1 VG 2
ip
im
VAB
t0 t1 t2 t3
t 4 t5
t6 t7
t8
图2
工作波形
对应于图 3(g)，t5 时刻，变压器同名端“*”要变正， 则副边二极管 D3、D4 同时导通，L1k 和 Q1、Q2 的结电 容 C1、C2 谐振，最终达到稳态。变压器励磁电流流经 D3，保持不变，变压器原边电流为零。 (7) 开关模态 7 [t6, t7] 对应于图 3(h)，t6 时刻，开关 Q1、Q2 开通，原边 电流正向增大，由于原边电流不足以提供负载电流， 副边 D3、D4 同时导通，原边绕组电压仍然为零，L1k 两端电压为电源电压 Vin，原边电流线性增加。 (3) (4) i p (t ) = V in (t − t6 ) L1K (9)
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宽范围输入矿用电动车用电源的设计与实现
王立伟 1 羊绛军 2 贲洪奇 3
1)
哈尔滨工业大学电气工程学院，哈尔滨 150001 2) Email：wangliwei15522@ Email：bigpunk@
摘
要
针对矿用电动车在地下工作，环境恶劣，输入电压范围较宽的情况，本文设计了一款开关电源，主电路选用