军用模块化充电电源的设计与实现
电源联盟 · 2017-04-25
军用模块化充电电源的设计与实现
引言
蓄电池作为一种可移动电源, 在军事装备中具有不可替代的重要作用。蓄电池的特点是它的可移动性, 并且在向直流负载提供电能的电源装置中, 蓄电池是供电品质最高的一种。因此, 蓄电池应用技术已引起世界上众多发达国家政府与科学家们的关注, 成为继信息技术之后的又一研究热点。蓄电池由铅酸蓄电池、镉镍蓄电池发展到现在广泛使用的免维护铅酸蓄电池、燃料电池等, 基本上做到了小体积、大容量、无腐蚀气体逸出, 并免去了人工维护。相应的蓄电池充电设备也由磁饱和充电机、可控硅充电机发展到现在被广大用户看好的高频开关电源式的模块化充电机。紧跟世界先进技术的发展, 通过多年的努力, 我们用IGBT 作为开关执行元件, 选用当今国际电源界认为可靠性很高的单端双正激调制方案, 采用独特的控制设计和工艺技术, 研制出了体积小、无噪音、重量轻、输出纹波小、动态特性好、转换效率高的模块化高频开关电源充电机。其结构原理如图1 所示。
为了提高功率输出, 将两个单端双正激开关电源交错并联在一起, 交错并联的好处是: ( 1) 可用更小的变压器得到更大的功率输出。除了使每个变压器分别传输部分能量,减小功率损耗和热应力外, 交错并联技术可使每个功率级电路流过更小的功率, 从而使每个器件的功率损耗和热应力减少, 是消除功率设备热点的有效办法。此外,电路的功率级并联, 通常比采用单级结构的开关频率高, 即电路的输出频率可以提高一倍。由于每个功率级流过的功率小, 小功率、高速的半导体器件可以进一步提高整体的开关频率, 同时减小了变压器的铁心体积和功率器件的要求。( 2)并联使导通比为原来的2 倍。在保持输出电压平均值不变的情况下, 导通比越大输出电压最大。峰值越小, 可以采用耐压小的功率器件。( 3) 由于采用交错并联结构, 输入电压和电流的脉动减小一半, 频率则可提高一倍, 输入滤波器的体积就可以减小, 从而减小了整个装置的体积。
1主电路工作原理及构成
该装置以IGBT 作为主要执行开关元件, 由工频整流滤波、脉冲调制、功率驱动、高频隔离、高频整流滤波5 部分组成。主电路如图2 所示, 三相380V 交流电源经交流滤波器和桥式整流器, 输出513V 高压直流, 经过阻容滤波后给IGBT供电。IGBT 将稳定的直流斩波成高频脉冲, 经由脉冲变压器降压隔离后, 经整流、滤波输出。调节高频脉冲宽度的占空比即可调节输出直流电压和电流的大小。由于IGBT 的工作频率很高, 在研制中设计其工作频率为60K, 这样充电机即无噪声污染, 调节速度又快。又由于整个装置工作在高频段,能量转换速率高, 脉冲变压器可设计得体积很小, 并且直流滤波的电容电感的体积也非常小, 这样整个装置就具有体积小、重量轻、无噪音、纹波小的特点。
下面分析电路工作过程:
T1、T 2 同时导通或关断。在导通时, 三相电源经桥式整流后的电压VIN 加到变压器TR1 的原边绕组上。在稳态下, 由于上一周期工作时, 电感线圈L 已建立的电流, 通过VT2 导通, 构成了负载Io的续流回路。
新周期开始, 副边绕组由于原边绕组T 1、T 2 的导通有了感应电动势。副边绕组、二极管VT1 的电流建立, 二极管VT 2的电流必随之快速减小。当VT 1 中的正向电流超过原先流过VT 2 的电流值时, VT 2 则转为关断, 而且L 的输入端电压将增加到副边线圈电压( 减去VD3) , 与此同时开始正向能量传递状态。
前面的动作只占到整个传递期间非常小的部分, 其大小以漏感而定。一般电流在1μs 内就建立。但是, 在低电压大电流传递时, 漏感影响电流的建立非常明显, 甚至占到全导通时间的相当比例, 这时就影响了能量的传递, 因此漏感应尽可能的小。
一般情况下T 导通, 则输入电压就加到变压器初级绕组N 1 上, 那么, 变压器次级绕组N 2 就感应出电压, 此电压通过二极管VT 1 整流为直流电压。T 截止时, 电感L 中蓄积的能量通过二极管V T2 整流, 经L 和C 平滑后供给负载。T 导通时, 次级绕组N 2 上感应的电压, 即输出电压V0 为:
V0= V 2×TON / T = N 2/ N1×V 1×TON / T ( 1)
式中: V 0—— T1、T2 导通时输出电压
V 1—— TR1 原边绕组电压
V 2—— TR1 副边绕组电压
N 1、N2 ——T R1 原边绕组、副边绕组匝数
T ON ——T 1、T 2 导通时间
T —— T 1、T 2 导通时间和关断时间之和
T 导通时V 1 等于V IN , 因此:
除了这个折算副边电流外, 一个原边电感L 所定义的磁化电流将流过原边线圈。这个磁化电流使变压器的磁区储存能量, 并且个储存能量在关断瞬间产生反激。线路中, 通过二极管D1 、D2 的作用, 把反激能量回馈到电源VS 中。由于D1、D2 的导通, T 1、T2 电压都限制在V S 值上, 因此称“钳位作用”。
因为此回馈电压与原来正向电压近似相等, 所以储存能量的回馈时间约等于之前的导通时间。因此, 对于这种形式的电路, 导通与关断时间各占周期的50%, 为可靠起见, 例如, 防止剩磁积累作用, 导通占空比还应小于50%。
在T 1、T 2 关断瞬间, 副边绕组电压反向, 且整流二极管V T1 关断。在L 反激下VT 2 导通, 构成回路。VT 2 导通后,“A ”点电位与负载端“- ”相同。因此, L 两端电压即为负载电压V 0。由于带载缘故L 续流逐渐减少, 降到原来启动值时,T 1、T 2 又导通, 开始新的工作周期。
由于T3 、T4 的工作时序与T1、T2 相差180°,其余相同, 故不再赘述。
2控制电路设计原理
控制电路是模块化充电机的核心, 其设计方案直接影响到整机性能。为提高控制精度和动态响应速度以及进一步提高系统的可靠性, 该电路的核心是采取了带逐脉冲比较控制的双闭环控制方式。其控制电路框图如图3 所示。
在双环控制系统中, 外环的电流控制器采用了PID 控制方式, 以保证输出电流的无静差调节。内环的脉冲比较控制器完成将电流控制器的输出直流信号转换为脉冲信号, 并将该脉冲信号送至脉冲分配电路。脉冲分配电路将脉冲比较控制器送来的单路脉冲信号转换为四路与四支主开关管相对应的脉冲驱动信号, 经驱动电路隔离放大后实现对主开关管的驱动。脉冲分配电路在形成四路脉冲驱动信号的同时,对最大脉冲占空比进行限制。由于采用的是正激变换, 根据变压器伏秒特性要求, 最大占空比Dma x应小于50%, 本次设计为Dmax = 45%。驱动电路设计为脉冲变压器的隔离驱动方式, 其优点为不需要独立的驱动隔离电源。
在该电路中, 除了具有完成恒流控制的双闭环外, 还有最高输出电压限制电路和软起动控制电路。最高输出电压限制电路的作用是保证在输出开路或高阻抗情况下, 限制最高输出电压为某一恒定值, 以避免过高的输出电压击穿输出滤波电容。软起动控制电路的作用是限制驱动脉冲宽度最小值, 并使驱动信号在起动过程中脉冲宽度由窄到宽缓慢展开, 以防止在启动时对开关管造成电流冲击。为保证恒流控制的精度, 除在控制电路中实现无静差控制外, 还选用了高精度的霍尔电流传感器提供电流反馈信号, 该传感器的电流检测精度、线性度好, 使用简单方便。控制电路中的电流转换电路则是根据国军标对恒流充电的要求实现的二阶段转换控制, 在接收到电流转换信号后自动将输出电流减半, 以防止充电后期电流过大。
充电模块中的控制电路, 功能齐全, 冗余度大, 调整简单方便, 控制精度高, 动态响应快, 特别是内环采用的逐脉冲比较控制方式, 最大程度地提高了系统的可靠性。
3保护电路设计
保护电路的作用是对模块化充电机进行各种保护并实施相应控制。其电路结构框如图4 所示。在保护电路中, 保护功能主要有直流输出过压保护、过流保护以及过温保护等。控制功能主要有二阶段恒流转换控制和关机判断控制。另外在该电路中还有其它的辅助控制功能。
3. 1过压保护电路
当充电机输出超过设定值时, 过压保护电路工作, 输出信号给综合控制电路, 综合控制电路发出关机信号, 同时点亮过压故障灯。
3. 2过流保护电路
当充电机输出电流超过最大电流设定值时, 过流保护电路起动, 使综合控制电路发出关机信号, 同时点亮过流故障指示灯。
3. 3蓄电池选择电路
主要完成对不同规格蓄电池的充电选择。以实现对多种类型蓄电池的自动充电功能。该电路的输出信号送给阶段转换控制电路, 使转换电路根据蓄电池类型自动设置其转换电压。同时利用该输出信号启动关机判断电路。
3. 4关机判断电路
其作用是完成蓄电池充电完毕后的自动关机, 以防止蓄电池过充电。该电路有两种关机判断依据, 一种是检测蓄电池端电压的dv / dt 变化量; 另一种是定时关机。蓄电池端电压的dv/ dt 变化量的检测是通过固定时间内的两次A/ D 采集到的数据进行比较获得, 若偏差小于某恒定值, 即可认为蓄电池端电压的dv / dt 不再变化, 可以关机。当两条件中任意一个满足时, 关机判断电路输出信号给综合控制电路, 并发出关机信号, 使充电模块停止工作, 同时点亮面板关机指示灯。
3. 5复位电路
复位电路包括上电复位和故障复位两种情况。上电复位可使模块充电机接通电源后各部分进入正常工作状态。故障复位是当故障发生后充电机进入故障关机状态, 待故障排除或者消失后, 通过外部复位按钮将故障信息清除, 消去故障记忆使充电机再次进入工作状态。
3. 6启/ 停控制电路
按操作员的要求, 启动或者停止充电机的运行。其电路设有消抖功能, 确保每次操作可靠。
4结论
按照以上设计, 研制了额定输入电压为380V, 额定输出电压为100V, 额定输出电流为20A, 开关频率为60KHZ 的模块化充电电源。由于工作频率高于20KHZ, 故无噪音。因为一般而言高频段能量转换速率高, 因此滤波电感、脉冲变压器可设计得非常小( 与工频变压器相比较) , 又由于高频调节速度快, 输出电压、电流的纹波系数非常小, 完全满足蓄电池恒流充电的要求。
