1 矿用直流电源变换器工况和产品现状
矿用直流电源变换器近30年来一直困扰着我国煤炭工业架线电机车制造厂和煤矿电机车运输管理和使用人员，其主要原因是矿用架线电机车工况相当恶劣，装在架线电机车上的矿用直流电源变换器时时刻刻在机械上受到冲击、碰撞、震动，在电气上受到浪涌电流的冲击、尖峰电压的冲击、大范围的电压波动和集电弓与架空接触线不良接触取流状态的影响；在使用环境方面还受到潮湿、煤尘、温差(从硐里到硐外)、高温(夏天烈日暴晒下电机车驾驶室内钢板温度可达60℃以上)的考验。另一个原因就是目前产品质量仍存在电气性能不稳定、电气指标落后和使用寿命过短的问题，更不能满足发展中的机车通信、控制仪表、信号装置等车载设备对电源的技术要求。
我国矿用直流电源变换器产品现状不容乐观，表现在目前矿山使用的大量产品仍为可控硅直流电源变换器，这是70年代初设计的；还有部份是80年代设计的晶体管直流变换器。存在的主要问题是使用寿命短、性能指标落后，噪声大。额定输出电压24 v的产品在输入电源上下限之间输出电压偏移就达6 v之多，电源效率十分低下；有的产品现场使用几个月就丢弃；产品噪声也严重损害使用人员的健康。
不管是可控硅直流电源变换器还是晶体管直流电源变换器在电子技术飞速发展尤其是大规模集成电路广泛应用的今天，都面临着被淘汰的局面，都要被采用场效应管和igbt管作功率控制器件的开关电源所取代，这是不以人们的主观愿望为转移的。为发展我国的矿用直流电源变换器事业，我们必须顺应历史潮流，开发研制采用新型功率控制器件的矿用直流电源变换器产品。
kdb3型矿用架线电机车照明和警铃用电源(以下简称电源变换器)就是在这一背景下于1995年起开始研制开发的。
2 用 途
电源变换器适用于矿用架线电机车机车头的照明和电气警铃以及其它车载设备。电源变换器及配套件解决了三个主要问题，一是解决了产品使用可靠性问题；二是解决了供电电压不稳定的问题；三是解决了普通灯炮不耐震的问题。电源变换器配套设计的前后照明大灯采用耐震动的钨卤素灯；前后红色信号采用高亮度长寿命led发光管作为发光元件，彻底解决了信号灯泡断丝的问题；电源机芯采用环氧树脂整体浇铸。完全符合《煤矿安全规程》第324条和第326条的规定。
3 工作原理
3.1 电源变换器的工作原理
电源变换器采用场效应管作为功率控制器件高频直流开关的电源稳压工作原理(图1)，采用固定频率脉冲宽度(pwm)调制，当输入电源电压忽高忽低变化时，自动控制调节的结果使输出到负载(灯泡和警铃)的直流电压保持稳定，使灯泡的发光亮度保持不变。
图1 kdb3型开关电源原理接线图
脉冲宽度调制(pwm)变换器就是重复通/断开关，把直流电压(电流)变换为高频方波电压(电流)，再经整流滤波平滑变为直流电压输出。
对于pwm变换器，加在开关s两端电压us与通过开关s的电流is的波形近似为方波，占空比d的定义为
式中 ts——开关工作周期；
ton——开关导通时间；
toff——开关断开时间。
很显然，对于pwm变换器，只要控制占空比d就可以控制输出电压。而控制占空比的方法有两种，我们是采用保持开关工作周期ts不变，控制开关导通时间的脉冲宽度调制方式。
pwm变换器的输出电压通过集成电路ic进行反馈控制，控制ton时间，使输出电压稳定，从而获得高稳定度输出电压的电源。输出电压上升时ton变窄，从而使输出电压下降；输出电压下降时ton变宽，从而使输出电压上升；这样不断调节控制的结果使输出电压保持不变。
3.2 电源变换器主回路
电源变换器的主回路采用半桥式变换器电路。在半桥式变换器电路中，变压器的初级在整个周期中都流过电流，磁芯利用得更加充分，半桥式变换器电路克服了推挽式电路的缺点，它在电路中所使用的功率开关管的耐压要求较低，决不会超过线路峰值电压，其次功率开关管的饱和压降也减少到最小，不再是重要影响因素。再者，对其输入滤波电容使用电压要求也较低。但在半桥式变换器电路中，高频变压器上施加的电压只有输入电源电压的一半，与推挽式变压器电路相比，要输出相同的功率，则开关功率管必须流过两倍的电流，因此，半桥式电路是利用降压扩流的方法实现相同的功率输出的。
3.3 电源变换器的控制回路
电源变换器的控制采用sg3525a集成电路的脉冲宽度调制控制来对输出电压的稳定进行调整控制。sg3525a是第二代pwm控制器，它的用法、电路组成及特点如下：
3.3.1 软起动
用于钨卤素灯灯泡在冷态时直流电阻很小，为避免起动时的大电流冲击，延长灯泡和电源的使用寿命，电源应设计有软起动功能。
sg3525a的软起动电路是由在8脚外接软起动电容cs并由内部的50 μa恒流充电，达到50%输出占空比的时间是
3.3.2 基准电压源
sg3525a内部设有高精度基准电压源，精确度为+5 v(±1%)，免除了放大器反馈中的电位器调整。
3.3.3 误差放大器
sg3525a中的误差放大器由参考电压供电改为由输入电压进行供电，从而扩大了该误差放大器的共模电压输入范围。
3.3.4 输出限流和关断电路
sg3525a采用关断控制电路进行限流控制，它包括逐个脉冲电流的限制和直流输出电流的控制，一般用法是将过流脉冲信号送至关断控制端第10脚，当10脚电压超过0.7 v时，芯片将进行限流操作，当10脚电压超过1.4 v时，将使pwm锁存器关断输出，直至下一个时钟周期才能恢复，如果10脚信号持续时间较长，则由软起动电路重新启动电路工作。由于芯片内部工作速度极快，故通过10脚可达到逐个过流脉冲的限流功能。
3.3.5 脉宽调制比较器
sg3525a的比较器的输出送到pwm锁存器，然后再送到双路输出的或非门。该锁存器由关断电路置位，并由时钟脉冲复位。这样它可保证每周期内只有pwm比较器送来的单脉冲，而将误差放大器上的噪声及系统所有的振荡消除掉，当一个电流信号引起电路关断时，即使该信号消失，锁存器仍可维持一个周期关断输出，直到下一周期的时钟信号使锁存器复位时为止，所以关断电路能有效地控制输出。
3.3.6 振荡器及可调节的死区时间
sg3525a中的振荡器的时标电容ct还单独设有放电电路，电容ct通过外接放电电阻rd至管脚第7脚，改变rd就可以改变ct的放电时间，也就改变了死区时间。而ct的充电电源则是rt规定的电流源决定的。sg3525a的振荡频率f由下式确定
3.3.7 输出电路
sg3525a输出驱动mosfet功率管的电路极简单，半桥式变换器驱动mosfet功率管的电路输出可直接接一个脉冲变压器，此变压器初级不用中心抽头，它既能使次电平位移，又能与主变换器电路隔离。
3.4 电源变换器的起动
电源变换器的输入电压是从架空滑触线上经滑触方式馈入的，因此跳弓是在所难免的，换句话说开关电源需要经常起动，这在设计电源变换器的起动回路时是需要着重考虑的，否则不是起动回路烧毁就是只能起动一次。
所谓起动回路就是指电源变换器控制回路的辅助供电电源。这个辅助供电电源看似简单却很难设计，特别是550 v电压规格的电源变换器设计难度更大。我们巧妙设计的起动回路可以适应开关电源经常起动的需要，同时在电源变换器输出端长期短路的情况下也不会损坏。
起动回路应能提供12 v，40 ma的稳定电源。
3.5 电源变换器的节能原理
电源变换器的节能原理，一是采用高频开关稳压、变压工作原理，能量转换效率高，在变压和稳压过程中能量损失小；二是采用冷光束钨卤素灯，冷光束钨卤素灯是目前国内外流行的一种新光源，它具有体积小，发光效率高、寿命长、显色性好的特点，冷光束钨卤素灯在同等功率条件下，供电电压越低其发光效率越高(比普通白炽灯高60%)，且寿命也越长。一般采用12 v或24 v电压，本产品采用24 v电压。电子变压器的高效率和钨卤素灯灯泡的高效率奠定了电源变换器的节能基础。
3.6 电源变换器的防震原理
电源变换器的集成电路机芯用环氧树脂整体浇铸，能够防震、防潮、防尘、防水。同时采用耐震动长寿命的钨卤素灯灯泡和超高亮led发光管。
4 电源变换器的保护
电源变换器的保护采用脉冲过电压和防雷保护、浪涌电流保护、过电流和短路保护、过载保护、低电压保护及温度保护。
4.1 脉冲过电压和防雷保护
在一般情况下，直流牵引电网上的电压最高为额定电压的150%左右，但有时也会有高压的尖峰出现，比如电机车上有电感性元件如串激电机，暴风雨天气时的雷电现象，都是产生高尖峰电压的因素。受严重的雷电影响，地面架空接触网上的高压尖峰可达5 kv。
虽然电压尖峰持续的时间很短，但是它确有足够的能量使电源变换器的输入滤波器、功率开关管等造成致命的损坏。所以必须采取措施加以避免。
用在这种环境中最好的抑制干扰器件是瞬态电压抑制器tvs。tvs是一种高效能的保护器件，当tvs的两极受到反向瞬态高能量电压冲击时，它能以10－12s数量级的速度将其两极间的高阻抗变为低阻抗，吸收高达数kw的浪涌功率，使两极间的电压箝位于一个预定值，有效地保护电子线路中的精密元器件，免受各种浪涌电压脉冲的损坏，由于它具有响应时间快、瞬态功率大、漏电流低、击穿电压偏差小、箝位电压较易控制、没有损坏极限，体积小等优点。
脉冲过电压防护采用二级，第一级额定反向关断电压选定为最高可能出现的使用电压的1.10～1.15倍，第二级额定反向关断电压选定为最高可能出现的使用电压的1.05～1.10倍，其中第二级主要防护功率开关管关断过程中产生的浪涌电压。
4.2 浪涌电流保护
电源变换器在加电时会产生极高的浪涌电流，矿用直流电源变换器的电源引入装置导电弓频繁跳弓造成的电源变换器经常掉电和加电，浪涌电流随时都会产生。浪涌电流主要是由滤波电容充电引起的，如果不采取任何保护借施，浪涌电流值可接近几百安培。因此必须在电源的输入端采取一些限流措施，才能有效地将浪涌电流减小到允许的范围之内。采用ntc材料负温度系数热敏电阻作为涌流限制保护，为了解决由于矿用直流电源变换器的电源引入装置导电弓频繁跳弓造成的电源变换器经常起动问题，这里引入了使用热敏电阻的热态电阻作为限流阻值的概念。
4.3 过电流和短路保护
在电力系统中，当短路这种最危险的故障发生时，我们无法控制短路电流的大小，保护回路只能根据已经发生的短路电流值来起动跳闸回路。在矿用直流变换器中过流和短路保护如果也是根据过电流原理来设计的话，那么当短路发生时无法控制短路电流的大小，使得电流变换器的半导体元件瞬间流过太大的电流而损伤。最明显的例子就是可控硅直流电源变换器的过流和短路保护，它采用串联的主回路中的空气开关电流脱扣器，由于空气开关动作时间较长，每发生短路一次，可控硅就受到较长时间的瞬间短路大电流的冲击，特别是电网电压较高时，可控硅受到冲击电流值更大，这就是现有产品550 v额定电压等级的矿用直流电源变换器频繁损坏的原因。因此，我们必须摒弃传统的过电流保护原理，寻找更有效的保护工作原理。
在电力系统中我们无法控制短路电流的大小，而在矿用直流电源变换器中当采用先进的功率半导体元件如场效应管、igbt管时，配合以优良设计的控制、保护回路，其输出回路发生的短路电流却是可以控制的。这样，当短路发生时，流过半导体管的瞬间最大电流值仍在管子允许范围内，这无疑大大提高了矿用直流电源变换器的使用寿命。
在这里我们就采用了这种新型独特的过流和短路保护工作原理，当输出回路发生短路时，场效应管和整流管还未流过短路电流时即被关断，这时输出回路的短路电流和关断信号是由二次回路的电解电容器提供的。
4.4 输入滤波电路
输入滤波电路采用高频电感线圈和高频电解电容器，这里要特别指出的是对高频电解电容器要求特别高，一是耐压值要足够高，二是漏电流要足够小，三是要采取措施限制电解电容器的放电电源，否则电解电容器很容易损坏。
5 技术数据
电源变换器的主要技术性能指标如下：
电源输入指标
额定电压/v kdb3－250型为直流250
kdb3－550型为直流550
电源电压波动范围/% 65～135
电源输出指标
输出电压/v 直流24±0.24
额定输出功率/w 80
最大输出功率/w 150(600 s，仅供警铃短时使用)
电源效率 ≥0.80(在额定输入电压和额定输出功率时)
6 电源变换器的特点和技术关键
电源变换器的特点是线路先进，工作特别可靠，整机牢固、耐用，在许可的工作电压范围内能够可靠使用，长期短路不会损坏，能够耐受谐波电流冲击，节能效果特别显著；配套的钨卤素灯灯泡和led红色信号灯耐震动、高亮度、长寿命。
电源变换器的技术关键是尖峰电压防护、浪涌电流防护、脉冲过电压防护及能够随时起动。
7 电源变换器的试用情况
电源变换器从1996年9月起分别在福建省龙岩矿务局、天湖山矿务局、苏邦煤矿、漳平煤矿、黄坑煤矿试用，受到机车司机的欢迎，取得极佳效果，一致认为该产品坚固耐用，工作稳定，大灯高亮度长寿命，led红灯省电长寿命，电气喇叭声音洪亮悦耳；已被福建省煤矿机械厂列为与该厂制造的工矿架线电机车配套使用；该产品的企业标准已通过煤炭工业部煤矿专用设备标准化技术委员会通信监控设备分会和有关专家的审定，业经福建省技术监督局和福建省煤炭工业局核准备案；已通过福建省经济贸易委员会新产品技术鉴定。
作者简介林兆水 1950年生，高级工程师，1975年毕业于山东矿业学院机电系，现为福建省龙岩矿务局供电所所长，龙岩市电机工程学会副理事长，曾发表论文20多篇，获省部级科技奖4项，获国家专利3项。地址：福建省龙岩市，邮码：364014。
作者单位：福建省龙岩矿务局
