36V/30A鎳氫電池充電電源的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)
摘要:主電路采用全橋變換拓?fù)湫问?,控制電路以UC3825集成控制芯片為核心設(shè)計(jì)了36V/30A鎳氫電池充電電源。為滿足充電特性的要求,設(shè)計(jì)了恒壓限流電路及PI調(diào)節(jié)電路,從而提高了電源的穩(wěn)態(tài)性能和動(dòng)態(tài)性能。設(shè)計(jì)的過(guò)流、過(guò)壓保護(hù)電路,有效地提高了電源的可靠性。
關(guān)鍵詞:PI調(diào)節(jié);恒壓限流;過(guò)流過(guò)壓保護(hù);斜波補(bǔ)償
引言
高頻開(kāi)關(guān)電源由于具有更高的效率、更小的體積和重量以及更快的動(dòng)態(tài)響應(yīng),而被廣泛地應(yīng)用在各種領(lǐng)域。鎳氫電池是性能優(yōu)異的綠色環(huán)保產(chǎn)品,是電池發(fā)展的新潮流,需求前景十分看好。本文介紹的充電電源就是針對(duì)一種機(jī)器人使用的大容量鎳氫電池設(shè)計(jì)的,具體要求如下:
輸入電壓 AC 220(110%)V,50Hz(45~60Hz);
輸出電壓 DC 36V;
輸出電流 30A;
最大輸出功率 1080W;
效率 >85%;
負(fù)載調(diào)整率 0.5%。
為滿足設(shè)計(jì)要求,功率管選用MOSFET,基于峰值電流控制模式,設(shè)計(jì)了36V/30A全橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)鎳氫電池充電電源。
1 主電路和驅(qū)動(dòng)電路
主電路設(shè)計(jì)中,首先要確定主電路的拓?fù)湫问?。因?yàn)槿珮蚪Y(jié)構(gòu)功率管電壓應(yīng)力較小,因此采取該拓?fù)湫问?。此外,為防止合閘時(shí)電流沖擊,設(shè)計(jì)了合閘電流限制電路。為使功率管可靠地工作,驅(qū)動(dòng)電路必須有良好的驅(qū)動(dòng)能力。
1.1 主電路拓?fù)?/P>
主電路如圖1所示,功率開(kāi)關(guān)管S1~S4組成逆變橋,S1、S4和S2、S3由驅(qū)動(dòng)電路以PWM方式控制而交替通斷,將直流輸入電壓VDC變換成高頻方波交流電壓。變壓器副邊電壓經(jīng)全橋整流、Lf及Cf濾波后,輸出穩(wěn)定的直流電壓。
由于S1、S4和S2、S3的導(dǎo)通時(shí)間不可能完全一致,因此變壓器會(huì)出現(xiàn)偏磁現(xiàn)象,致使鐵心飽和,破壞了電路的正常工作,甚至引發(fā)故障。為此在高頻變壓器一次側(cè)串入隔直電容C,以防止偏磁現(xiàn)象的發(fā)生。C值由式(1)決定。
式中:Lf輸出濾波電感;
n是變壓器原副邊匝數(shù)比;
fs是功率管的開(kāi)關(guān)頻率。
當(dāng)一組功率管(例如S1和S4)導(dǎo)通時(shí),截止功率管(S2和S3)上施加的電壓為輸入電壓VDC。為減小功率管上的電壓應(yīng)力,改善開(kāi)關(guān)管的工作環(huán)境,在每個(gè)開(kāi)關(guān)管上并聯(lián)了RC關(guān)斷緩沖電路,限制了開(kāi)關(guān)管的電壓上升率dv/dt,改變了其關(guān)斷時(shí)的開(kāi)關(guān)軌跡,確保了功率管在其反偏安全工作區(qū)運(yùn)行。功率管的關(guān)斷損耗大部分轉(zhuǎn)移到緩沖電路中,改善了其工作環(huán)境。緩沖電路R及C參數(shù)的選擇,應(yīng)保證在功率管開(kāi)通過(guò)程中,C放電完畢,一般取RC=(1/3~1/5)ton(ton為功率管的開(kāi)通時(shí)間)。
1.2 合閘電流限制電路
合閘沖擊電流限制電路,采用限流電阻與SCR并聯(lián)電路。合閘時(shí),輸入電壓經(jīng)過(guò)限流電阻向?yàn)V波電容充電。當(dāng)電容電壓到達(dá)一定值時(shí),逆變電路開(kāi)始工作。在高頻變壓器上附加繞組輸出電壓經(jīng)整流后,輸出控制信號(hào),觸發(fā)SCR的導(dǎo)通,限流電阻被短接。此種限流電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,并且即時(shí)響應(yīng),沒(méi)有延時(shí)。限流電阻值太小,合閘時(shí)電流過(guò)大,電阻消耗功率很大;限流電阻值太大,充電緩慢。一般情況下,限流電阻的阻值應(yīng)能保證合閘電流為電路穩(wěn)定工作電流的8~10倍。
驅(qū)動(dòng)電路采用變壓器耦合的驅(qū)動(dòng)方式,變壓器副邊接成互補(bǔ)推挽功率放大電路,增大了驅(qū)動(dòng)能力。因?yàn)樵谌珮螂娐方Y(jié)構(gòu)中,對(duì)管的驅(qū)動(dòng)脈沖應(yīng)該相同,所以變壓器采用單路輸入雙路輸出形式,如圖2所示。
在圖2中,電阻R1與R2組成了箝位網(wǎng)絡(luò),保證了輸出脈沖的電平,R3用來(lái)抑制寄生振蕩。與其它驅(qū)動(dòng)電路形式相比,該驅(qū)動(dòng)電路不需要過(guò)多的輔助電源,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)。
2 控制電路
控制電路主要包括恒壓限流電路和保護(hù)電路。為解決峰值電流控制模式自身存在的缺點(diǎn),設(shè)計(jì)了斜波補(bǔ)償電路,合理設(shè)計(jì)斜波補(bǔ)償電路的參數(shù),也有助于抑制偏磁現(xiàn)象。
電路如圖3所示,A1和A2是兩個(gè)運(yùn)算放大器,Vref是基準(zhǔn)電壓,VV和VI分別是反饋電壓和反饋電流信號(hào)。其工作原理是:當(dāng)負(fù)載電流還沒(méi)有達(dá)到Viref值時(shí),運(yùn)放A1處于調(diào)節(jié)狀態(tài),A2輸出高電平,二極管D反向截止,此時(shí)誤差放大器的輸出只受A1控制,處于恒壓調(diào)節(jié)過(guò)程。當(dāng)VV>VVref時(shí),誤差放大器的輸出低電平,當(dāng)VVVVref時(shí),誤差放大器的輸出高電平。當(dāng)反饋電流等于Viref時(shí)且輸出反饋電壓等于VVref,兩個(gè)運(yùn)放同時(shí)起作用。當(dāng)反饋電流大于Viref值時(shí),輸出反饋電壓必然小于VVref,A1輸出高電平,而A2處于調(diào)節(jié)狀態(tài)。因?yàn)锳2優(yōu)先級(jí)比A1高,達(dá)到了限流的目的。
2.2 PI調(diào)節(jié)器參數(shù)的設(shè)計(jì)
在恒壓限流電路中,必然涉及PI調(diào)節(jié)器參數(shù)的確定。采用超前-滯后補(bǔ)償方式。在低頻增加一個(gè)積分環(huán)節(jié),也就是有一個(gè)-20dB/oc的衰減。使穩(wěn)態(tài)無(wú)靜差;中頻以-20dB/oc穿越剪切頻率,使系統(tǒng)有足夠的穩(wěn)定裕度;高頻以-40dB/oc衰減,使高頻信號(hào)被迅速地衰減。
3個(gè)點(diǎn)的設(shè)計(jì)如下:
1)零點(diǎn)f1 將零點(diǎn)配置在輸出濾波器最低極點(diǎn)頻率或以下,以補(bǔ)償濾波器極點(diǎn)引起的滯后。這種補(bǔ)償?shù)膶?shí)質(zhì)是減少誤差放大器零點(diǎn)與極點(diǎn)間的相位滯后量。
2)極點(diǎn)f2 極點(diǎn)用以抵消輸出濾波電容ESR引起的零點(diǎn)作用。極點(diǎn)頻率應(yīng)在零點(diǎn)頻率附近。
3)剪切點(diǎn)f3 也就是閉環(huán)的穿越頻率,它應(yīng)該小于開(kāi)關(guān)頻率的1/5。設(shè)控制到輸出特性增益為GDC,系統(tǒng)輸出極點(diǎn)頻率為fo。
以上有三個(gè)等式構(gòu)成的方程組,但是存在4個(gè)未知數(shù)。在實(shí)際的參數(shù)確定過(guò)程中,要先確定其中的一個(gè)參數(shù),再確定其它的參數(shù)。為保證數(shù)值的合理性,要注意電阻與電容的搭配問(wèn)題。通過(guò)PSPICE,SABER等仿真工具,進(jìn)行模擬,可以減少計(jì)算量,得到合理的數(shù)值。最終選擇的參數(shù)是:C1=1μF,C2=22nF,R1=16kΩ,R2=18kΩ。
2.3 保護(hù)電路
此電路用于實(shí)現(xiàn)過(guò)流保護(hù)和過(guò)壓保護(hù),由于過(guò)壓保護(hù)與過(guò)流保護(hù)電路結(jié)構(gòu)完全相同,僅取一個(gè)單元來(lái)說(shuō)明,其電路如圖4所示。當(dāng)發(fā)生過(guò)壓(或過(guò)流)時(shí),即VVf>VVref,運(yùn)放A3輸出高電平。從圖4可以看出,該電路為正反饋電路,通過(guò)Rv2和Dv1支路,將高電平狀態(tài)保持。同時(shí)運(yùn)放輸出到UC3825的限流保護(hù)端,鎖住輸出脈沖,達(dá)到保護(hù)功能。Dv1的作用是當(dāng)出現(xiàn)過(guò)壓時(shí),此信號(hào)被保持,保護(hù)電路起作用。只有斷電以后,此信號(hào)才被復(fù)位,電路正常工作。
2.4 斜波補(bǔ)償
圖5示出斜坡補(bǔ)償電路。T1是電流互感器,接在變壓器副邊繞組,經(jīng)D1~D4整流后在R1上得到對(duì)應(yīng)的電壓,再經(jīng)過(guò)C1、R2、C2濾波,濾去初級(jí)電流Ip中的前沿尖峰,避免誤動(dòng)作。再經(jīng)過(guò)Ri與經(jīng)過(guò)Rb和Cb的CT信號(hào)合成,輸入到腳V/I,疊加斜坡補(bǔ)償信號(hào)到初級(jí)的電流波形,Ri及Rb值的比例決定了所加的斜坡補(bǔ)償量。電容Cb是交流耦合電容,隔離了直流分量使CT的交流分量耦合到Ri。
斜坡補(bǔ)償設(shè)計(jì)步驟如下:
1)計(jì)算電感電流的下降沿 m2=di/dt=Vout/L(A/s);
2)計(jì)算反映到初級(jí)的電感電流下降沿 m2′=m2/n(n為高頻變壓器的匝比);
3)計(jì)算初級(jí)測(cè)得的下降沿坡度Vm2=m2′RSENSE(V/s);
4)計(jì)算CT充電時(shí)的坡度 d(Vosc)=Vosc/ton(V/s)
應(yīng)用疊加定理求斜坡補(bǔ)償后電流輸入端電壓。斜坡補(bǔ)償后加到芯片電流輸入端的電壓為
5)計(jì)算斜坡補(bǔ)償值斜坡補(bǔ)償電壓VCOMP為
式中:M為補(bǔ)償比例,應(yīng)大于0.5,一般取0.75~1。
取補(bǔ)償比例M=0.99,Ri=4.7kΩ,經(jīng)計(jì)算得Rb=16kΩ
3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析
驅(qū)動(dòng)電路脈沖波形如圖6所示,其中開(kāi)關(guān)頻率f=25kHz,tr=0.423μs,tf=0.804μs,Vgs=15.23V。上升沿和下降沿比較陡峭,驅(qū)動(dòng)電平適中,符合要求,有良好的驅(qū)動(dòng)能力。
如圖7(a)所示,輕載時(shí)開(kāi)關(guān)管漏源電壓波形對(duì)稱,不存在偏磁現(xiàn)象。當(dāng)加載到一定程度時(shí),開(kāi)關(guān)管漏源電壓波形出現(xiàn)不對(duì)稱,說(shuō)明同一橋臂的開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通不對(duì)稱,從而出現(xiàn)偏磁現(xiàn)象。經(jīng)分析,是由于斜波補(bǔ)償不夠?qū)е?,增大補(bǔ)償量,偏磁現(xiàn)象得到明顯抑制,開(kāi)關(guān)管漏源電壓波形基本對(duì)稱,如圖7(b)所示。
V:50V/格 t:10μs/格
(a)輕載時(shí)
V:50V/格 t:10μs/格
(b)滿載時(shí)
圖8為合閘沖擊電流限流電阻兩端的電壓波形,當(dāng)SCR未起作用時(shí),電壓開(kāi)始緩慢上升,充電結(jié)束后,電位跌至零,如圖8(a)所示;當(dāng)SCR起作用時(shí),電壓在開(kāi)始很短的時(shí)間內(nèi)有一個(gè)很小的幅值,這是SCR導(dǎo)通的過(guò)程,此后電壓為零,整個(gè)過(guò)程電壓幾乎保持水平,說(shuō)明合閘時(shí)電路電流比較小,如圖8(b)所示。
圖7、8
(a)SCR未起作用時(shí)
V:50V/格 t:10μs/格
(b)SCR工作時(shí)
當(dāng)滿載運(yùn)行時(shí),即36V/30A輸出時(shí),輸出電壓紋波為1.327V,電源效率η=86.2%。當(dāng)輕載運(yùn)行時(shí),輸出電壓紋波為0.223V,電源效率η=54.6%。當(dāng)交流輸入電壓上下浮動(dòng)10%時(shí),輸出電壓浮動(dòng)0.04V,基本不變,說(shuō)明電源的負(fù)載調(diào)整率和電壓調(diào)整率都很小。
4 結(jié)語(yǔ)
實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,設(shè)計(jì)的36V/30A電源,輸出電壓紋波較小,滿載時(shí)電源效率較高,電網(wǎng)電壓浮動(dòng)時(shí),電源能正常工作,應(yīng)用在鎳氫電池充電,達(dá)到了良好的效果。為改善電源的動(dòng)態(tài)響應(yīng),減小電源的靜態(tài)誤差,PI調(diào)節(jié)和斜波補(bǔ)償?shù)脑O(shè)計(jì)顯得尤為重要。
評(píng)論