一種新型恒功率超級電容器快速充電機設計

2 硬件系統(tǒng)設計

　　本設計擬對Maxwell公司的產(chǎn)品BMOD0165(額定電壓為48 V，額定容值為165 F)超級電容模組進行充電，系統(tǒng)結構如圖3所示。硬件系統(tǒng)由單相整流電路、雙管正激變換器、電流電壓檢測反饋電路及保護電路等部分組成。系統(tǒng)首先將單相220 V交流電經(jīng)過整流濾波后得到直流電壓，然后通過雙管正激變換器實現(xiàn)降壓，并在電氣上實現(xiàn)輸入輸出的隔離。引入電流反饋環(huán)節(jié)，通過峰值電流控制實現(xiàn)恒功率充電。

　　2.1 雙管正激電路

　　雙管正激電路[5]是一種可靠的DC-DC電路，廣泛使用于低壓大電流場合中，雙管正激拓撲如圖4所示。如果電路工作在CCM方式，假定MOS開關管Q1、Q2漏源電容電壓為零，則漏源電壓就能瞬時變化。如圖5所示，Vgs1、Vgs2是MOS管柵源驅動信號，兩者時序相同，即Q1、Q2同時開通、同時關斷。

t0~t1：t0時刻，Q1、Q2同時開通，變壓器T1原邊電壓為直流母線電壓Vdcin，設變比為1：n，則副邊電壓為Vdcin×n，電壓極性不變。輸出電流線性增大，經(jīng)過副邊整流管D3、扼流圈后進入超級電容。扼流圈存儲能量，此時，開關管電流is1、is2由副邊反射電流和勵磁電流組成，且線性增大。

　　t1~t2：Q1、Q2同時關斷，變壓器T1原邊電流經(jīng)過原邊續(xù)流二極管D1、D2進入母線，變壓器磁芯復位，此時變壓器主側電壓為-Vdcin，則副邊電壓為-Vdcin×n，電壓極性不變。Q1、Q2開關管漏源兩端電壓Vds1、Vds2為Vdcin。此時，副邊整流管D3截止，扼流圈電流通過續(xù)流管D4續(xù)流，輸出電流線性減小，進入超級電容。扼流圈釋放能量，此時，開關管電流is1、is2減小到0。

　　t2~t3：t2時刻，原邊續(xù)流管關斷，續(xù)流結束，變壓器磁芯復位，變壓器T1原邊電壓為零。此時，Q1、Q2漏源兩端電壓Vds1、Vds2為Vdcin/2。副邊續(xù)流仍繼續(xù)，t3時刻續(xù)流副邊續(xù)流結束，下一個驅動高電平到來，開關管Q1、Q2開通。進入下一個開關周期。

　　2.2 電流電壓雙閉環(huán)控制回路

　　本設計中采用雙閉環(huán)的結構實現(xiàn)充電電流和充電電壓的控制，使用ST公司的UC3844A控制芯片。UC3844A是一款高性能電流型PWM控制器，其內(nèi)部結構如圖6所示；內(nèi)部有一個誤差放大器和電流放大器可以方便地組建電流電壓雙閉環(huán)，在實際使用中，為了具有更快的響應速度，可略去誤差放大器，使用電壓調(diào)整器TL431和光耦PC817構成電壓反饋。電流環(huán)通過使用LEM公司的電流傳感器LAH 25-NP來組建。