新型高頻開關(guān)充電電源研究

關(guān)鍵詞：高頻開關(guān)充電電源；主電路；控制系統(tǒng)；逆變控制電路

1引言

充電電源是直流電源系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分。目前，在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上應(yīng)用的充電電源主要有磁飽和充電機(jī)、晶閘管整流器和高頻開關(guān)充電電源等三類，其中前二者技術(shù)成熟，推廣應(yīng)用的時(shí)間已久，使用面也很廣。但由于受控制技術(shù)和元器件特性的限制，仍存在許多不足之處，如體積龐大、笨重、效率低、可靠性差、系統(tǒng)紋波電壓大、不便于計(jì)算機(jī)監(jiān)控等。

高頻開關(guān)技術(shù)是采用高頻功率半導(dǎo)體器件和脈寬調(diào)制（PWM）技術(shù)的新型功率變換技術(shù)。開關(guān)電源的逆變單元工作在高頻開關(guān)狀態(tài)。由于工作頻率高，電路中濾波電感及電容的體積可大大縮小；同時(shí)，高頻變壓器取代了工頻變壓器，則變壓器的體積減小、重量降低；另外,由于開關(guān)管高頻工作，功率損耗小，因而開關(guān)電源效率高。開關(guān)管一般采用PWM控制方式，穩(wěn)壓穩(wěn)流特性較佳。將高頻開關(guān)技術(shù)應(yīng)用于充電電源，不但有利于充電電源的小型化和高效化，而且易于產(chǎn)生極性相反的高頻脈沖電流，從而實(shí)現(xiàn)蓄電池脈沖快速充電。本文運(yùn)用高頻開關(guān)技術(shù)，設(shè)計(jì)了針對(duì)變電站直流系統(tǒng)的新型高頻開關(guān)充電電源。 2高頻開關(guān)充電電源主電路設(shè)計(jì)

高頻開關(guān)充電電源的主電路主要由輸入整流、輸入濾波、高頻逆變、輸出整流、輸出濾波等環(huán)節(jié)構(gòu)成。按照高頻交流信號(hào)與輸出直流信號(hào)間的耦合方式不同，可將主電路中的直流變換器（DC/DC）分為隔離型和非隔離型兩大類。其中非隔離型DC/DC變換器又分為降壓式(Buck)、升壓式(Boost)、升降壓式(Buck?boost、Cuk)等幾種電路結(jié)構(gòu)，隔離型DC/DC變換器又可分為單端正激式(Forward)、單端反激式(Flyback)、推挽式(Push?pull)、半橋式(HalfBridge)、全橋式(Bridge)等電路形式[1]。

2.1主電路選取原則

首先設(shè)定充電設(shè)備的運(yùn)行方式為設(shè)備與蓄電池組并聯(lián)連接于直流母線上，正常運(yùn)行時(shí)，充電設(shè)備承擔(dān)經(jīng)常性負(fù)荷，同時(shí)向蓄電池浮充電以補(bǔ)充其自放電的損失。

根據(jù)開關(guān)電源的結(jié)構(gòu)特征，結(jié)合蓄電池的使用性能及其充放電特性，并考慮到直流系統(tǒng)運(yùn)行電壓的要求，確立了以下高頻開關(guān)充電電源主電路的選取原則：

1)充電電源額定輸出電壓應(yīng)為蓄電池組標(biāo)稱電壓的1.5倍以上，額定輸出電流應(yīng)大于蓄電池組的額定充放電容量，同時(shí)還要滿足直流系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)控制母線和合閘母線所需功率容量;

圖1半橋式高頻開關(guān)充電電源主電路

(a)充電電路(b)放電電路

圖2高頻開關(guān)充電電源控制系統(tǒng)框圖

2)輸出電流、電壓在一定范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)，并具有較好的穩(wěn)流、穩(wěn)壓特性;

3)使用高頻變壓器以隔離電網(wǎng);

4)變壓器線圈和磁芯利用率高、效率高;

5)輸入、輸出電流連續(xù)，以減輕輸入、輸出濾波任務(wù)，縮小裝置體積和降低對(duì)電網(wǎng)的損害;

6)具有較強(qiáng)的抗不平衡能力。

2.2主電路選型

依據(jù)上述選取原則，經(jīng)過對(duì)各類型開關(guān)電源主電路的分析比較，作者選取由雙端半橋式DC/DC變換器構(gòu)成的功率變換電路作為高頻開關(guān)充電電源的主電路形式，如圖1所示。

此電路中，EMI濾波器主要用于抑制交流電網(wǎng)與直流變換電路之間的高頻噪聲干擾。D1～D6構(gòu)成三相橋式不可控整流電路，將380V交流電轉(zhuǎn)換為直流電，C0作濾波用，C1、C2、S1、S2、D01、D02構(gòu)成半橋式DC/AC變換器，將直流電壓逆變?yōu)楦哳l交流方波電壓，并經(jīng)高頻變壓器T送出。D7、D8、L、C3構(gòu)成變壓器次級(jí)整流濾波環(huán)節(jié)。GB為蓄電池，S3為控制蓄電池放電的開關(guān)管，R為放電電阻。充電電壓V0與開關(guān)管S1、S2工作的占空比及變壓器次初級(jí)線圈匝數(shù)比成正比，即[2]V0=·VC0(1)

式中：tON為開關(guān)管在一周期內(nèi)的導(dǎo)通時(shí)間；

T為開關(guān)周期。

因此，通過改變開關(guān)管的占空比就可調(diào)節(jié)輸出電壓。

充電時(shí)，S1、S2交替導(dǎo)通相等時(shí)段，以便產(chǎn)生等寬方波脈沖。放電時(shí)，關(guān)斷S1、S2，觸發(fā)S3導(dǎo)通，則蓄電池可通過電阻R放電，放電時(shí)間由S3導(dǎo)通時(shí)間決定。

半橋式高頻開關(guān)充電電源主電路的主要特點(diǎn)是：

1)輸出功率可達(dá)幾kW，可滿足蓄電池充電的要求。

2)只有兩只開關(guān)管進(jìn)行功率變換，簡(jiǎn)化了驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)（相對(duì)全橋式電路而言）。

3)高頻變壓器原邊繞組在方波脈沖的正負(fù)半周都工作，故繞組利用率高。 4)開關(guān)管截止期間承受電壓低，僅為輸入直流電壓值。

5)抗不平衡能力強(qiáng)。當(dāng)開關(guān)管特性不一致或?qū)〞r(shí)間不一致時(shí)，不會(huì)引起“單向偏磁”現(xiàn)象，這是推挽式和橋式變換器都不具備的一個(gè)突出優(yōu)點(diǎn)。

3高頻開關(guān)充電電源控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1直流系統(tǒng)供電及蓄電池充電對(duì)控制系統(tǒng)的要求

1)在電網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí)，高頻開關(guān)充電電源向直流系統(tǒng)供電并給蓄電池浮充電，此時(shí)要求輸出電壓有良好的穩(wěn)壓特性。

2)當(dāng)蓄電池容量欠虧時(shí)，需進(jìn)行補(bǔ)充充電，為提高充電速度，需采取恒流充電方式，此時(shí)則要求電源有良好的穩(wěn)流特性。

3)能在一定范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)電流、電壓的連續(xù)調(diào)節(jié)。 4)各種充電方式能自動(dòng)轉(zhuǎn)換。

5)蓄電池充滿時(shí)能自動(dòng)停充。

6)能對(duì)電流、電壓、溫度等各種參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)以及作出判斷，并采取相應(yīng)保護(hù)措施。

7)具有四遙功能，即要求在遠(yuǎn)方設(shè)定參考值、測(cè)量充電電流和充電電壓，并且對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行方式進(jìn)行遠(yuǎn)方控制，還能實(shí)現(xiàn)對(duì)工作狀態(tài)和故障信號(hào)等的遠(yuǎn)方采集。

3.2控制系統(tǒng)組成

如圖2所示，高頻開關(guān)充電電源的控制系統(tǒng)主要由取樣電路、信號(hào)變換電路、檢測(cè)保護(hù)電路、PWM信號(hào)生成電路和驅(qū)動(dòng)電路等組成。取樣電路從主電路的輸出采集電流、電壓等信號(hào)，采樣信號(hào)與給定值進(jìn)行比較后得到的差值信號(hào)經(jīng)過誤差放大器進(jìn)行放大，以便調(diào)整PWM信號(hào)生成電路的輸出信號(hào)脈寬。檢測(cè)保護(hù)電路通過檢測(cè)蓄電池的溫度、端電壓變化、出氣率以及輸入、輸出電路的過壓、過流等情況，使PWM生

()

圖3逆變控制信號(hào)的形成原理

成電路改變輸出脈寬或終止脈沖輸出。驅(qū)動(dòng)電路用于對(duì)PWM信號(hào)生成電路的輸出PWM信號(hào)進(jìn)行功率放大，以滿足高頻開關(guān)管門(柵)極驅(qū)動(dòng)要求，同時(shí)實(shí)現(xiàn)控制電路與主電路的隔離。

3.3逆變控制電路

逆變控制電路包括PWM脈沖形成電路及IGBT驅(qū)動(dòng)電路。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)直流系統(tǒng)的遙信、遙測(cè)、遙控和遙調(diào)，并且滿足高頻開關(guān)充電電源高頻變換控制的要求，本方案采用INTEL公司生產(chǎn)的87C196KC型單片機(jī)作為主控芯片。87C196KC軟硬件資源豐富，內(nèi)含8路A/D轉(zhuǎn)換輸入通道和3路PWM信號(hào)輸出口，速度快、效率高、功能齊全[3]。它不僅能完全取代模擬控制器，方便地實(shí)現(xiàn)PID調(diào)節(jié)，而且可以通過改變軟件實(shí)現(xiàn)諸如自適應(yīng)控制、智能控制等各種新型控制策略。此外，還可利用其通信接口與其他微機(jī)進(jìn)行通信，便于實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)方監(jiān)控。

采用87C196KC型單片機(jī)，有兩種方法可以實(shí)現(xiàn)PWM控制信號(hào)的輸出：其一是通過PWM信號(hào)輸出口。此時(shí)，信號(hào)的最高開關(guān)頻率為31.25kHz（16M晶振），這樣開關(guān)電源實(shí)際能達(dá)到的開關(guān)頻率為15.625kHz。然而，高頻開關(guān)充電電源的開關(guān)頻率在20kHz以上，所以這種方法雖然軟件開銷小，卻不能滿足高頻開關(guān)電源對(duì)開關(guān)頻率的要求。另一種方法是采用高速輸出口HSO實(shí)現(xiàn)。HSO輸出的PWM信號(hào)頻率可調(diào)，但控制精度較低，而且軟件開銷很大。由上可知，87C196KC輸出的PWM信號(hào)都不適宜直接作為高頻開關(guān)充電電源的逆變控制信號(hào)，因此，本方案采用專用的集成PWM控制器SG3525產(chǎn)生PWM脈沖。其實(shí)現(xiàn)原理如圖3所示。

在圖3中，87C196KC的PWM0口作為模擬輸出接口（D/A轉(zhuǎn)換）。經(jīng)CPU運(yùn)算后得到的占空比控制信號(hào)由PWM0口輸出，并被轉(zhuǎn)換電路變換為直流電壓信號(hào)，然后再被加到集成PWM控制器（SG3525）的輸入端口上。集成控制器產(chǎn)生兩路相位相反的PWM信號(hào)，信號(hào)經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路隔離放大后便可控制高頻開關(guān)管（IGBT）的通斷。

SG3525帶有軟啟動(dòng)電路、基準(zhǔn)電壓源、誤差放大器、PWM比較器、欠壓鎖定電路、輸出限流和關(guān)斷電路、輸出驅(qū)動(dòng)電路等，驅(qū)動(dòng)能力達(dá)到100mA。在本文的控制方案中，誤差放大器接為電壓跟隨器方式，閉環(huán)控制功能由單片機(jī)完成。

驅(qū)動(dòng)電路采用EXB841集成芯片[4]。它采用單電源工作，內(nèi)裝有高隔離電壓（2500V）的光電耦合器、過流檢測(cè)和過流保護(hù)低速切斷電路以及驅(qū)動(dòng)電路，其信號(hào)延遲最大1.5μs，適用于在40kHz以下頻段工作。其額定工作電壓為25V，光耦合器輸入電流額定值10mA，顯然，SG3525的輸出信號(hào)可與之配合。光耦合器的輸出電流為4A，輸出電壓為0～20V，完全能滿足IGBT對(duì)柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)的要求。

4結(jié)語

本文針對(duì)應(yīng)用于變電站直流系統(tǒng)的新型高頻開關(guān)充電電源展開討論，主要介紹了其主電路和逆變控制電路。研究表明，半橋式高頻開關(guān)充電電源主電路抗不平衡能力強(qiáng)、變壓器利用率高、輸出功率較大、相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電路不太復(fù)雜，是高頻開關(guān)充電電源較為理想的主電路形式。以87C196KC型單片機(jī)和SG3525型集成PWM控制器為主構(gòu)成的逆變控制電路響應(yīng)速度快、控制精度高，具有比較優(yōu)勢(shì)。由于采用87C196KC作為主控芯片，充電電源控制系統(tǒng)的各種監(jiān)控功能齊備，完全能滿足變電站綜合自動(dòng)化技術(shù)對(duì)直流系統(tǒng)性能的要求。

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