【正文】 3種方法存在如下弊病 :放電脈沖量的最佳點(diǎn)無(wú)法確定。放電脈沖的深度和寬度對(duì)消除極化的效果影響甚大，其值太小難以消除極化，而其值太大不但降低充電效率同時(shí)又會(huì)引起新的極化電壓。 4 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 開(kāi)關(guān)電源原理 充電電源采用開(kāi)關(guān)電源，開(kāi)關(guān) 電源一般由功率變換主回路和控制回路兩部分組成。控制回路是實(shí)現(xiàn)電源各種性能要求的核心，其控制機(jī)理有調(diào)頻、調(diào)幅、調(diào)寬、諧振等。 圖 高頻開(kāi)關(guān)電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 從圖 ，高頻開(kāi)關(guān)電源主要由交流電網(wǎng)濾波電路、輸入整流濾波電路、高頻變換器、輸出整流濾波器、控制電路、保護(hù)電路等幾部分組成。 充電系統(tǒng)的主電路原理與設(shè)計(jì) 全橋變換電路的設(shè)計(jì) 本充電系統(tǒng)采用的是全橋移相控制的零電壓 PWM 變換電路。電路不能實(shí)現(xiàn)零電壓開(kāi)關(guān)時(shí)，將產(chǎn)生以下幾個(gè)后果。 di/dt，將會(huì)造成較大的 EML ，高頻變換器副邊漏感上的電流瞬變作用將在二極管上產(chǎn)生電壓過(guò)沖和震蕩，所以在實(shí)際應(yīng)用中需在副邊二極管上增設(shè) RC 吸收網(wǎng)絡(luò)。但是，采用這一方法后，電路仍不能達(dá)到全工作范圍的零電壓開(kāi)關(guān)。 空比的丟失，從而增大了原邊電流及副邊二極管的電壓應(yīng)力 。 改進(jìn)型全橋移相控制的零電壓 PWM 變換電路是針對(duì)上述缺點(diǎn)所提出的一種電路拓?fù)洹? 圖 PWM 變換電路。兩個(gè)元件組成的支路。 19 圖 改進(jìn)型全橋移相控制的零電壓 PWM變換電路 該變換電路采用移相控制方式，其主電路的工作原理和基本的零電壓 PWM 變換電路完全一樣。 GTR 和 GTO 是雙極型電流驅(qū)動(dòng)器件，由于具有電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，所以其通流能力很強(qiáng)，但開(kāi)關(guān)速度較低，所需驅(qū)動(dòng)功率大，驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜。而且它的導(dǎo)通電阻遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于雙極型晶體管 BJT 的導(dǎo)通電阻，這使得它能代替 BJT成為高頻開(kāi)關(guān)電源的主流開(kāi)關(guān)器件。 IGBT(Insulated Gate Bipolar Tranister)是 MOS 結(jié)構(gòu)的雙極型器件，屬于具有功率 M0SFET 的高速性能與雙極型器件20 的低電阻特性的功率元件。 IGBT 的工作原理和靜態(tài)特性 IGBT 是三端器件，具有柵極 G，集電極 C和發(fā)射極 E。當(dāng) U。由于具有電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，高耐壓的 IGBT 也具有很小的通態(tài)壓降。 IGBT 的驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì) IGBT 是電壓驅(qū)動(dòng)型器件，使 IGBT 開(kāi)通的柵射極間驅(qū)動(dòng)電壓一般取 1520V。而且在柵極串入一只低值電阻 (數(shù)十歐左右 )可以減小寄生振蕩，該電阻阻值應(yīng)隨被驅(qū)動(dòng)器件電流額定值的增大而減小。此類(lèi)混合集成驅(qū)動(dòng)器種類(lèi)繁多，常用的有三菱公司的 M579 系列 (如 M57%2L和 M57959L)和富士公司 EXB 系列 (如 EXB840/EXB841 和 EXB850/EXB851)。本系統(tǒng)采用的 EXB841 屬于大容量高速型驅(qū)動(dòng)器 (最大 40kHz 運(yùn)行 )。一般充電系統(tǒng)采用的是當(dāng)蓄電池達(dá)到一定的極化程度后，通過(guò)附加的負(fù)載進(jìn)行放電，以消除極化。本充電系統(tǒng)采用圖 所示的結(jié)構(gòu) 框圖，蓄電池的放電通路由開(kāi)關(guān)元件 Q和濾波電感 L組成，稱(chēng)為能量回饋電路。在負(fù)脈沖放電期間，能量回饋電路開(kāi)始工作，它將電池的能量送回到濾波電容 6 中去，從而實(shí)現(xiàn)了蓄電池在充電過(guò)程中適時(shí)的放電，可消除電池的極化現(xiàn)象。 21 圖 能量回饋電路圖 主回路中建波與抗干擾電路的設(shè)計(jì) 主回路中建波 電路的設(shè)計(jì)整流濾波電路對(duì)降低電源中的噪聲干擾起到了重要作用。因此，在高頻開(kāi)關(guān)電源中，如何降低和消除噪聲干擾是一個(gè)非常重要的部分。 輸入濾波是指接在交流電網(wǎng)與開(kāi)關(guān)電源之間的濾波設(shè)備，一般由低通濾波和共模扼流圈等元件組成，其主 要作用是抑制開(kāi)關(guān)電源本身對(duì)交流電網(wǎng)的反干擾同時(shí)也抑制交流電網(wǎng)中的高頻干擾串入開(kāi)關(guān)電源。另外，由于是工頻濾波，頻率較低，電容量及電感量應(yīng)取很大，所以還可起到抑制高頻干擾的作用。本充電系統(tǒng)只設(shè)計(jì)了輸出濾波電路。并且，當(dāng)電網(wǎng)瞬間停電時(shí)，濾波電容器存儲(chǔ)的能量尚能使開(kāi)關(guān)電源直流輸出維持一定的時(shí)間。對(duì)電源輸出時(shí)的后級(jí)整流電路采用一個(gè)整流橋即可。 。 23 ，最大驅(qū)動(dòng)電流為 100mA。 。 。當(dāng) Ui(引腳 10)上的電壓低于欠電壓鎖定閥值時(shí)，控制器被禁止，直到腸才輸出的電壓達(dá)到 。該電容的 ESR尺和 ESL應(yīng)盡可能低，24 其大小取 比較合適。當(dāng)誤差放大器的輸出電壓低于 時(shí)，相移為零。該端接電阻分壓器，對(duì)變換器的輸出電壓進(jìn)行檢測(cè)。 CS(引腳 4):電流檢測(cè)信號(hào)輸入端。電流故障比較器的反相輸入端接大小為 的基準(zhǔn)電壓。當(dāng)該端上的電壓檢測(cè)信號(hào)超過(guò) 時(shí)，電流故障鎖存器置位，控制器的輸出端被強(qiáng)制關(guān)斷，然后控制器進(jìn)入軟啟動(dòng)工作周期。在新的軟啟動(dòng)工作周期內(nèi)，當(dāng) CS 引腳上的電壓降至 以下時(shí)，在 SS(引腳 6)上的電壓開(kāi)始上升之前，輸出端將從 0176。 DELSETAB(引腳 15)和 DELSETAB (引腳 5):輸出端 的延遲控制信號(hào)輸入端。由于諧振電容的充電電流在不同半橋的開(kāi)關(guān)工作過(guò)程中是不同的，因此相對(duì)應(yīng)的延遲時(shí)間也是不同的。該端與 GND 之間接軟啟動(dòng)電容，用以設(shè)置軟啟動(dòng)時(shí)間。 當(dāng) Ui 和 Uref 上的電壓處于正常范圍內(nèi)時(shí)，該端電壓將在內(nèi)部 9uA 電流源的作用下升至 。如果故障發(fā)生在軟啟動(dòng)周期內(nèi)，輸出端將立即被禁止，而且在故障鎖存器復(fù)位之前，軟啟動(dòng)電容必須充滿。 OUTA/B/C/D(引腳 13/12/8/7):圖騰柱式驅(qū)動(dòng)輸出端。輸出對(duì)占空比的典型值為 50%。輸出端 C 一用于驅(qū)動(dòng)另一側(cè)半橋，其相位相對(duì)于輸出端 AB 而言產(chǎn)生了移動(dòng)。該端向驅(qū)動(dòng)電路及其相關(guān)偏執(zhí)電路供25 電。該端與 PWR GND 之間應(yīng)接低 ESR 和低 ESL 的旁路電容。該端主要向控制器內(nèi)部的邏輯電路和模擬電路供電。為了保證控制器可靠工作，只有在 Ui 上的電壓超過(guò)欠電壓鎖定上限闡值時(shí)，控制器才開(kāi)始工作。 PWR GND(引腳 11):功率地。為抑 制噪聲，并最代限度地減小直流電壓的跌落，功率地與信號(hào)地應(yīng)單點(diǎn)相連。線性占空比取值范圍的上限值由定時(shí)電阻 RT 決定。 UVSEL(引腳 16):欠電壓鎖定闡值設(shè)置端。當(dāng)該端懸空一時(shí)，欠電壓鎖定閩值電壓為，滯回電壓為 。該端是雙向的，作為 輸出端時(shí)，該端可以輸出時(shí)鐘信號(hào)。外部同步信號(hào)的頻率應(yīng)高于控制器的振蕩頻率。另外，為提高該端驅(qū)動(dòng)容性負(fù)載的能力，可以增加接地電阻。 UC3879 的振蕩器產(chǎn)生鋸齒波，鋸齒波的上升沿由定時(shí)電阻 Rr 和定時(shí)電容 Rc 組成的定時(shí)網(wǎng)絡(luò)決定。當(dāng) COMP(引腳 2)上的電壓超過(guò)振蕩器的峰值電壓時(shí) ，占空比將躍升為 100%， RT的取值范圍應(yīng)在 之間。該端為 PWM 比較器的輸入端，將其與 CT(引腳 14)相連可實(shí)現(xiàn)電壓模式控制。由 CT向該端輸入一定的斜坡電壓信號(hào)可實(shí)現(xiàn)斜率補(bǔ)償。布線時(shí)，定時(shí)電容、 Uref 和 Ui的旁路電容都應(yīng)盡可能安排在該端旁邊。在圖 中，由UC3879 組成的移相控制 電路輸出四路 PWM 信號(hào) A、 B、 C、 D， A、 B 控制一個(gè)橋臂， C、 D26 控制另一個(gè)橋臂， AB之間的死區(qū)時(shí)間由 R7 決定， CD之間的移相角受誤差電壓比較器控制，移相角可在 0180 度之間。在圖中，移相控制輸出 PWM 信號(hào) A、B、 c、 D分別直接接到每個(gè) EXB841 上，再由每個(gè) EXB841 驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的 IGBT。每個(gè) EXB841 需要 20V 驅(qū)動(dòng)電壓，因?yàn)槿珮蛘麟娐吠負(fù)浣Y(jié)構(gòu)的原因，使得四個(gè) EXB841至少需要 3 個(gè)相互隔離的 20V 電源。 RT腳和 CT 腳的設(shè)定決定開(kāi)關(guān)頻率的大小。在本充電系統(tǒng)中欲設(shè)計(jì)開(kāi)關(guān)頻率為 30kHZ 的開(kāi)關(guān)電源，取 C9=4700pF， R9=25K，則滿足 f=30KHz?？煞謩e對(duì) A、 B和 C、 D 兩對(duì)開(kāi)關(guān)器件進(jìn)行編程。 PWM 寬度的設(shè)置移相 PWM的相移控制是通過(guò)誤差放大器來(lái)實(shí)現(xiàn)的，在 UC3879中，誤差放大器的同相端與控制其內(nèi)部的 基準(zhǔn)電壓相連 。 27 圖 UC3879的外圍電路圖 UC3879 各個(gè) 管腳的限制要求，設(shè)計(jì)其它參數(shù)如下 :C1=1uF， C2=47uF/25V， C3=270pf/16V， C4=1uf， C7=， CS=， C5=，R1=200K， R2=2K， R3=3K， R5=150K。在本電路的設(shè)計(jì)中，將高頻脈沖變壓器輸出的電流經(jīng)電路互感器耦合輸出，再經(jīng)過(guò)整流、濾波及分壓后，送至 UC3879的電流控制端，與比較器的同相端電壓進(jìn)行比較，當(dāng)輸 入電壓高于 時(shí)， UC3879 的過(guò)流保護(hù)電路將開(kāi)始工作。 充電系統(tǒng)的控制回路原理與設(shè)計(jì) 該充電系統(tǒng)的控制回路框圖如圖 : 28 圖 充電機(jī)控制系統(tǒng)硬件框圖 它主要由以下幾個(gè)部分組成 :80C196KB 單片機(jī)最小系統(tǒng)、模擬量檢測(cè)電路、鍵盤(pán)電路、顯示電路、執(zhí)行電路。 80Cl96KB 單片機(jī)最小系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 該單元是控制系統(tǒng)的中心環(huán)節(jié)，由 80C196KB 單片機(jī)、程序存儲(chǔ)器 276地址鎖存器 74HCT57地址譯碼器 74LS13 12MHZ 晶體振蕩器、上電復(fù)位電路等組成。 80C196KB 單片機(jī)是一種片內(nèi)不帶 ROM 的 16 位單片機(jī)，它特別適用于各類(lèi)自動(dòng)控制系統(tǒng)，如工業(yè)過(guò)程控制系統(tǒng)、侍服系統(tǒng)、變頻調(diào)速電機(jī)控制系統(tǒng)等 。這些系統(tǒng)均要求實(shí)時(shí)控制 、實(shí)時(shí)處理。CPU的操作直接面向 256 字節(jié)的寄存器，消除了一般 CPU 結(jié)構(gòu)中存在的累加器的“瓶頸”效應(yīng)，提高了其操作速度和數(shù)據(jù)吞吐能力。其通用寄存器的數(shù)量遠(yuǎn)比一般 CPU 的寄存器數(shù)量多，這樣就有可能為中斷服務(wù)程序中的局部變量指定專(zhuān)門(mén)的寄存器，免除了中斷服務(wù)過(guò)程中保護(hù)寄存器現(xiàn)場(chǎng) 和恢復(fù)寄存器現(xiàn)場(chǎng)所支付的軟件開(kāi)銷(xiāo)，大大方便了程序設(shè)計(jì)。16 乘 16 位指令的執(zhí)行時(shí)間為 。還有符號(hào)擴(kuò)展、數(shù)據(jù)規(guī)格化等指令。因 80C196KB 單片機(jī)只有 4 個(gè)模擬 量輸入通道，我們通過(guò)模擬開(kāi)關(guān) (74HCT4053)實(shí)現(xiàn)充電機(jī)輸出電流和環(huán)境溫度之間的切換。電壓、電流的檢測(cè)分別選用北京萊姆公司生產(chǎn)的 CHV25 型電壓傳感器和 LA50p型電流傳感器。 鍵盤(pán)電路 該控制系統(tǒng)設(shè)有 4個(gè)輸入鍵，分別為主充鍵 、浮充鍵、均充鍵和報(bào)警屏蔽鍵。為提高抗干擾能力，鍵盤(pán)部分要加電容濾波，該 4個(gè)鍵通過(guò) 80C196KB 單片機(jī)的高速輸入口 ， ， ， 輸入 CPU。常用充電方式為電池制造廠家提供的，人們所普遍采用的從主充電、均充電到浮充電的充電方式。鍵盤(pán)采用檢測(cè)法編程，每檢測(cè)一次延時(shí) 10ms，延時(shí)采用對(duì)主程序自然周期計(jì)數(shù)的方式實(shí)現(xiàn)，以提高程序運(yùn)行效率，連續(xù) 3次檢測(cè)到某鍵被按下，才執(zhí)行該鍵處理程序。充電方式指示電路 。充電方式指示電路和過(guò)電壓、過(guò)電流、交流電源失電等故障指示電路分別使用 、 、 HSQ3 和 、 、 等輸出口，后經(jīng) 74LS06 緩沖，驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管進(jìn)行狀態(tài)和故障指示。地址譯碼器 74LS138 的 3 腳分別接低位地址線 A0、 A31 A2， 4腳接 CPU 的寫(xiě)信號(hào)線 WRITE， 5 腳接 80C196KB 單片機(jī)最小系統(tǒng)中 D4 的 11 腳， 6腳接高電平， 1 1 1 1 15 為譯碼器輸出，經(jīng)反相 器 74LS04 以作為數(shù)碼管顯示的位選線，接 74HCT573 的 11腳。根據(jù)上述接法， 8 個(gè)數(shù)碼管的地址分別為 8000H到 8007H。主充電為恒壓限流充電，實(shí)現(xiàn)辦法是通過(guò) 輸出主充電流的給定值，從 輸出高電平，通過(guò)模擬開(kāi)關(guān) 74HCT4053 的 10 腳，將反饋信號(hào)切換為電池組充電電流。均充電為恒壓充電，此時(shí)從 輸出均充電壓給定值， 為低電平，電壓閉環(huán)。 系統(tǒng)保護(hù)措施的設(shè)計(jì) 過(guò)流保護(hù) 過(guò)流保護(hù)是很重要的一個(gè)部分，可以想象，如果功率變換器逆變失 敗，會(huì)造成變換器橋臂短路，開(kāi)關(guān)管因瞬間流過(guò)大電流而燒毀。 在變換器前直流側(cè)采用霍爾傳感器進(jìn)行檢測(cè)，如圖 。當(dāng)變換器橋臂因逆變失敗造成短路時(shí)，瞬間增大的電流會(huì)在逆變橋輸入直流側(cè)表現(xiàn)出來(lái)，此時(shí)霍爾傳感器檢測(cè)輸出電壓信號(hào)送入U(xiǎn)C3879 的 4 腳，與基準(zhǔn) 比較，若 4 腳電壓超過(guò) 5V 時(shí)，輸出脈沖被立即封鎖，由此達(dá)到快速過(guò) 流保護(hù)的目的。 在驅(qū)動(dòng)模塊 EXB841 的 6 腳接快恢復(fù)二極管，用以檢測(cè) IGBT 集電極電位變化來(lái)識(shí)別32 是否過(guò)流，如過(guò)流就快速關(guān)斷 IGBT。 圖 霍爾傳感器檢測(cè)電路 軟啟動(dòng)保護(hù) 軟啟動(dòng)保護(hù)是指在系統(tǒng) 開(kāi)機(jī)工作時(shí)，要保證系統(tǒng)的輸出電壓由最小電壓開(kāi)始逐漸加大到正常電壓，以達(dá)到系統(tǒng)保護(hù)的目的。每次關(guān)機(jī)時(shí)，由程序控制將移相控制角設(shè)置為 0 再關(guān)機(jī)。 5 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 充電系統(tǒng)的主程序設(shè)計(jì) 軟件設(shè)計(jì)采用匯編語(yǔ)言，采用模塊化、結(jié)構(gòu)化的設(shè)計(jì)方法，軟件程序包括主程序以及中斷子程序、去極化子程序等。 33 圖 充電系統(tǒng)的主程序框圖 開(kāi)機(jī)后進(jìn)行系統(tǒng)初始化、并允許實(shí)時(shí)時(shí)鐘中斷、通用定時(shí)器 1 中斷，然后開(kāi)總中斷。 開(kāi)始 初始化 開(kāi)中斷 實(shí)時(shí)時(shí)鐘中斷服務(wù)程序 通用計(jì)時(shí)器 1 中斷服務(wù)程序 報(bào)警及故障顯示 去極化程 序 切回主電路 實(shí)時(shí)時(shí)鐘中斷 通用計(jì)時(shí)器 1中斷 蓄電池是否極化 充電是否結(jié)束 有故障碼 Y N