（电工理论与新技术专业论文）数字化智能充电系统的设计与实现.pdf

西北工业大学硕上论文人bs tr act abs t rac t a d i g it a l i n t e l l i g e n t c h a r g i n g s y s t e m t h a t c a n c h a r g e b a tt e r i e s o f v a r i o u s s p e c i f i c a t i o n s a n d t y p e s i s d e s i g n e d i n t h i s t h e s i s . t h e res e a r c h i s c o n d u c t e d b a s e d o n t h e c u r r e n t d e v e l o p m e n t o f q u i c k c h a r g i n g t e c h n o l o g y a n d i n t h e l i g h t o f a r m y d e ma n d . i n t h e f i r s t p l a c e , t h e w o r k i n g p r i n c i p l e o f t h e s y s t e m i s i n t r o d u c e d . a n i n t e g r a t e d c o n t r o l m e t h o d o f b a tt e ry c h a r g i n g i s p r o p o s e d , w h i c h i n t e g r a t e s v o l t a g e c o n t r o l , t i m i n g c o n t r o l a n d b a tt e ry t e m p e r a t u r e c o n t r o l . s e c o n d l y , t h e h a r d w a r e d e s i g n o f t h e s y s t e m a n d i t s r e a l i z a t i o n p r o c e s s i s d i s c u s s e d i n f u l l d e t a i l . h o w t o r e a l i z e t h e p o w e r f a c t o r c o r r e c t i o n t e c h n o l o g y a n d t h e t w o - t r a n s i s t o r f o r w a r d c o n v e r t e r o f t h e s y s t e m i s e x p o u n d e d e m p h a t i c a l l y . t h e c o n t r o l c i r c u i t w i t h 1 6 - b i t m i c r o p r o c e s s o r ( x c 1 6 4 ) a s een hha ttc i t s c o r e i s d e s i g n e d , t h u s l e a d i n g t o t h e d i g i t a l o f t he e l e c t r o ma g n e t i c c o m p a t i b i l it y o f t h e s y s t e m i s e x p c o n t r o l i c a t e d a s we l l . s y s t e m t h i r d l y , s o ft w a r e d e s i g n o f t h e s y s t e m i s p r e s e n t e d . s p e c i f i c a l l y , a f u z z y c o n tr o l t h a t c o n d u c t r e a l t i m e c o n tr o l a c c o r d i n g t o b a tt e r i e s c h a r g e d s t a t e i s d e s i g n e d i n t h e l i g h t o f e n g i n e e r in g r e a l i t y , t h u s r e s u l t i n g in t h e i n t e l l i g e n t a n d o p t i m i z a t i o n c o n tr o l i n t h e c h a r g i n g p r o c e s s . p r e c i s e t e s t s o f s i g n a l a m o u n t a r e g u a r a n t e e d b y u s i n g d i g i t a l f i l t e r a n d s l i d i n g w i n d o w a l g o r i t h m . t h e i n f o r m a t i o n t r a n s m i s s i o n b e t w e e n t h e s y s t e m a n d d i g i t a l b a t t e ry i s r e a l iz e d b y m e a n s o f s m b u s . t o c o n c l u d e , a s e r ie s o f e x p e r i me n t s h a v e d e m o n s tr a t e d t h a t t h i s s y s t e m e n j o y s c h a r g i n g o f e f f i c i e n c y a n d re l i a b i l i t y , a d a p t a b i l i t y t o c o m p l i c a t e d s i t u a t i o n , a n d h i g h p o w e r f a c t o r s a n d t h u s s l i g h t e l e c t r i c n e t w o r k p o l l u t i o n . i n a d d i t i o n , r e l a t e d d e p a r t m e n t s h a v e p r o v e d t h a t t h i s s y s t e m o p e r a t e s w e l l a n d i t c a n s a t i s f y u s e r s d e ma n ds . k e y w o r d s : i n t e l l i g e n t c h a r g i n g , f u z z y c o n t r o l , p o w e r f a c t o r c o r r e c t i o n , t w o - t r a n s i s t o r f o r w a r d c o n v e rt e r , s li d i n g w i n d o w a l g o r i t h m 西北工业大学硕 卜 论文绪 论 绪 论 1 .研究背景 电 源技 术是一切电 设备的 基础技术， 其水平的高低， 直接影响整体性能。 形 象地讲， 电源犹如心脏， 是电 设备的 供血系统， 维持着全系统的正常运 行。 标志 电 源特性的参数 有功率、电压、 频率、 噪声及带载时参数的变化等等， 在同一参 数的要求下，又有体积、重量、 效率和可靠性等指标。因此，一个优秀的电源系 统， 必须既满足特性参数要求， 又要满足特定指 标的要求。 军用智能供电 系统是一种典型的a c - d c 供/ 充电系统， 它不但要把交流2 2 0 v 市电转换成需要的低压直流电， 输入给军用无线通信机，还能给通信机内的蓄 电池 ( 包括锉离子、 镍锅、镍氢等种类) 充电，以 备移动时给 通信机供电。目 前，这种通信系统主要 配备给陆军连队、 消防大队、 森警巡逻队等，以 及应用 于武警执勤、野外勘探等无法 交流供电的工作环境中。 目 前， 配备给通信机的电 源系统，由 于大都属于7 0 年代开发的产品， 技术 上存在如下问题: ( 1 )故障率高，而且维修困难，经常影响作训的正常进行; ( 2 ) 由 于国 产的同 类电池一致性差， 充电 器缺乏自 适应性， 经常出现因“ 过充” 而损坏 电池或因 “ 充不满”而影响作训的非常情况; ( 3 )体积大，笨重，而且效率低，不适应现代化装备要求; ( 4 )不具备对新一代 “ 数字化 电池”的充电功能。 针对如上缺点，使用部 门多年来一直寻求一种高性能新型电源系统，以便 满足国防建设和特殊行业的需求。 2 .项目来源 本论文所涉及的数字化智能 充电系统是通信兵部重点规划项目 ，由西安烽 力新电源有限公司 委托我校研制。 该项目 始于2 0 0 3 年 1 0 月， 于2 0 0 4 年9 月己 经研制成功，并交付该公司生产。 西北工业大学硕士论文 绪论 3 .国内外发展情况 近年来，电设备越来越广泛地应用于各个领域，而且越来越复杂，对供电 系统的要求也越来越高。 除了 传统的可 靠性、效率、体积和重量 等要求之外， 一些新的 要求在不断 提出，例如 e m c( 电 磁兼容) 的要求、 智能 化程度和自 适 应性等。一个新型的充电器，不但具有传统充电器的功能，还能识别被充电电 池的类别，然后根据电池的参数，以 及环境温度等自 适应地生成充电曲 线， 使 得被充电电池在最短时间内 ，以 最佳的 方式 完成充电 工作。 在充电 过程中， 要 不断地检测被充电电 池的电 压、电流和温度的变化情况， 及时 调整充电曲 线。 为了 适应电设备科技发展的需要，近年来，在充电电 源的 研究方面主 要呈 现如下几个特点: ( 1 ) 集成化、高密度化:它包括了两层含义， 一是构成 m o s f e t 大功率器件的 元件微型化、密集化;二是 指m o s f e t 集成在单片i c 中， 从而使系统控制、 驱 动、保护、检测和末级功率放大集成为一体。 ( 2 ) 高频化: 提高主功率变换 器件的开关 速度， 可明显减少磁性变压器材料和 大电 解电容体积、 重量等。这也使得开关器件的 研制从改进电 压、电 流的两维 体系发 展到提高频率的三维体系。 高频化的 实现建立在高开关速度功率器件的 基础上，电力电子技术的发展为其创造了条件。 ( 3 ) 智能 化:主要体现在对被充电电 池的自 适 应性和对环境的自 适应性方面。 智能化具体表现为能识别 被充电 电池的类型， 能检测到当前 状态，并能根据被 充电电 池的这些信息自 动生 成最佳充电曲 线，保证在最短时间内，高效 地将电 池充满。由于自 动生成最佳充电曲 线与制造厂提供的曲 线一 致，也 保证了电 池 在充电过程中一直处于理想状态，从而延长了电池的使用寿命。 为了适应这些特点，世界各国都在研究智能化快速充电技术。目前已经研 制出了 几十种各类电 池快速充电 集成电路， 譬如，针对镍福/ 镍氢电 池充电的 t e a 1 1 0 0 / t e a 1 1 0 1和 m a x 2 0 0 3等控制芯片，针对铿离子电池充电的 f a n 7 5 6 3 , f a n 7 5 6 4 , l m 3 4 2 0 和 b q 2 0 5 4 等控制芯片; 主要用于镍福/ 镍氢、 铿离子等电 池 的充电 的6 g 2 0 0 0 系列控制芯片;还有 铅酸电池充电控制器u c 3 9 0 6 , u c 3 9 0 9 和 6 g 2 0 3 1 等。 利用这些控制芯片很容易设 计成智能化快 速充电器。 这些控制芯片 针对不同类型的电池，具有明显的特色。通过最佳组合，可以设计成多种用途 西北工业大学硕士论文绪 论 的智能充电器。但是，由于这些芯片功能单一，无法满足本文涉及项 目的特殊 需要。 另外， 新型充电 器还应该能满足 “ 数字电 池”的充电 要求。 这种电池是上 世纪后期才出 现的 新型电池， 它是 现代微电子技术和传统化学电 池相结合的 产 物。数字电池的优点是: ( 1 ) 能 利用s m b u s 总线和外部设备 ( 充电 器或用电设备) 进行数字通信， 交换 当前电 池的 各种信息 ( 电量、 电压、 温度、 状 态等) ， 以便使外部设 备进行相关 处理 。 ( 2 )电 池本身具有完整的 保护功能， 如过充电 保护、 过放电保护、 短路保 护和 过热保护等，从而降低了故障率。 由于数字电池具有这些优点，己经被国外发达国家应用于军事、探险和考 察等特殊领域。目 前， 国内己有少量厂家开始生 产数字电 池， 相应地数字电 池 充电器也逐渐成为电源行业研究的热点。 4 .本文研究的内容 根据我们承担的 研制 任务， 要求的充电 系统不仅要能给铿离子、 镍锅/ 镍氢 电池充电， 而且还要能直接给移动电 台供电 ; 不仅要具备很多专用的保护功能， 而且还要能 对数 字电池进行识别。 对任何同一类电 池， 还要能适应几种不同 规 格。例如在给理离子电 池充电时，要能 适应7 . 2 v / 2 a h , 1 4 . 4 v / 2 a h , 2 5 . 2 v / 4 a h 等不同规格要求。 将所有功能进行 组合后， 该充电 器具有2 6 种不同 的工作模式。 这些工作模式有的 要求通过面板控制进行转换，有的要求自 适应转换;同时还 要求面板显示各种供电、充电的 相关信息，以及在电 源出 现故障后的故障类型 信息等。 经过对充电 / 供电 功能的充分分 析、 论证， 拟选定由m c u 控制的全数字式控 制模式，用来完成显示、 充电控制、供电 和故障诊断等功能。 主要应用的 m c u 芯片是 i n f i n e o n公司的 x c 1 6 4 o 另外，为了满足军用设备电磁兼容标准的要求，还增加了以 b o o s t电路结 构为主的a p f c ( a c t i v e p o w e r f a c t o r c o r r e c t i o n ) 电路。该电 路的控制芯片为 i n f i n e o n 公司推出的t d a 1 6 8 8 8 。 该芯片有双路输出， 既包括了p f c电路所需要 西北工业大学硕士论文绪 论 的智能充电器。但是，由于这些芯片功能单一，无法满足本文涉及项 目的特殊 需要。 另外， 新型充电 器还应该能满足 “ 数字电 池”的充电 要求。 这种电池是上 世纪后期才出 现的 新型电池， 它是 现代微电子技术和传统化学电 池相结合的 产 物。数字电池的优点是: ( 1 ) 能 利用s m b u s 总线和外部设备 ( 充电 器或用电设备) 进行数字通信， 交换 当前电 池的 各种信息 ( 电量、 电压、 温度、 状 态等) ， 以便使外部设 备进行相关 处理 。 ( 2 )电 池本身具有完整的 保护功能， 如过充电 保护、 过放电保护、 短路保 护和 过热保护等，从而降低了故障率。 由于数字电池具有这些优点，己经被国外发达国家应用于军事、探险和考 察等特殊领域。目 前， 国内己有少量厂家开始生 产数字电 池， 相应地数字电 池 充电器也逐渐成为电源行业研究的热点。 4 .本文研究的内容 根据我们承担的 研制 任务， 要求的充电 系统不仅要能给铿离子、 镍锅/ 镍氢 电池充电， 而且还要能直接给移动电 台供电 ; 不仅要具备很多专用的保护功能， 而且还要能 对数 字电池进行识别。 对任何同一类电 池， 还要能适应几种不同 规 格。例如在给理离子电 池充电时，要能 适应7 . 2 v / 2 a h , 1 4 . 4 v / 2 a h , 2 5 . 2 v / 4 a h 等不同规格要求。 将所有功能进行 组合后， 该充电 器具有2 6 种不同 的工作模式。 这些工作模式有的 要求通过面板控制进行转换，有的要求自 适应转换;同时还 要求面板显示各种供电、充电的 相关信息，以及在电 源出 现故障后的故障类型 信息等。 经过对充电 / 供电 功能的充分分 析、 论证， 拟选定由m c u 控制的全数字式控 制模式，用来完成显示、 充电控制、供电 和故障诊断等功能。 主要应用的 m c u 芯片是 i n f i n e o n公司的 x c 1 6 4 o 另外，为了满足军用设备电磁兼容标准的要求，还增加了以 b o o s t电路结 构为主的a p f c ( a c t i v e p o w e r f a c t o r c o r r e c t i o n ) 电路。该电 路的控制芯片为 i n f i n e o n 公司推出的t d a 1 6 8 8 8 。 该芯片有双路输出， 既包括了p f c电路所需要 西北工业大学硕 卜 论文 绪 论 的控制信号，还包括了后级开关电源的p w m 驱动信号。 主电路采用了目 前公认的故障率极低的双管正激变换电 路: 其 p w m信号来 自 于t d a 1 6 8 8 8 0 该数字化智能充电系统的主要研究工作是: ( 1 ) 适用于多种种类、多规格电 池充电 算法的 研究及软件设计; ( 2 ) 系统硬件设计， 包括a p f c 设计， 双管正激电路设计，内 部供电 系统 设计， m c u 及其外部电 路设计等， 特别是各种变压器、 滤波器等磁性元件的设 计等。 该产品研制成功后，必须按如下技术要求进行检验: g j b 3 6 7 . 1 - 5 - 8 7 ，军用通信设备 通用技术条件; g j b 3 6 8 . 1 - 5 - 8 7 ，装备维修性通用规范维修性管理大纲; g j b 4 5 0 - 8 8 ,装备研制与生产的 可靠性通用大纲; g j b 1 5 1 a - 9 7 ，军用设备和分系统电磁发射和敏感度要求: 本论文的撰写是结合该项 目进行的，本人参与了该项目所涉及的软、硬件 研制任务，主要负责方案论证， 硬件设 计、充电 算法研究、 部分软 件的设计以 及系统的调试工作。 5 .本论文内容安排 绪论 主要介绍该文设计研究内 容的研究背景、 项目 来源、 国内 外发展 状况、 本文研究主要内容及论文内容安排等。 第一章 系统的总体方案设计。 主要围绕系统的技术指标进行方案的论证和 设计。 第二章 系统硬件设计。主要对数字化智能 充电 系统的 硬件电 路进行研究， 包括p f c ( p o w e r f a c t o r c o r r e c t i o n ) 电 路的 设计、双 管正 激电 路的 设计、 控制 系统电路和其它电路的设计。 第三章 系统软件设计。首先介绍软件的总体设计，然后分别介绍了充电模 糊控制器的设计过程、信号的软件检测方法、s m b u s的通信编程以 及系统采取 的软件抗干扰措施。 第四章 试验结论。本章给出电路的工作波形和最终系统所达到的指标。 西北工业大学硕 卜 论文 绪 论 的控制信号，还包括了后级开关电源的p w m 驱动信号。 主电路采用了目 前公认的故障率极低的双管正激变换电 路: 其 p w m信号来 自 于t d a 1 6 8 8 8 0 该数字化智能充电系统的主要研究工作是: ( 1 ) 适用于多种种类、多规格电 池充电 算法的 研究及软件设计; ( 2 ) 系统硬件设计， 包括a p f c 设计， 双管正激电路设计，内 部供电 系统 设计， m c u 及其外部电 路设计等， 特别是各种变压器、 滤波器等磁性元件的设 计等。 该产品研制成功后，必须按如下技术要求进行检验: g j b 3 6 7 . 1 - 5 - 8 7 ，军用通信设备 通用技术条件; g j b 3 6 8 . 1 - 5 - 8 7 ，装备维修性通用规范维修性管理大纲; g j b 4 5 0 - 8 8 ,装备研制与生产的 可靠性通用大纲; g j b 1 5 1 a - 9 7 ，军用设备和分系统电磁发射和敏感度要求: 本论文的撰写是结合该项 目进行的，本人参与了该项目所涉及的软、硬件 研制任务，主要负责方案论证， 硬件设 计、充电 算法研究、 部分软 件的设计以 及系统的调试工作。 5 .本论文内容安排 绪论 主要介绍该文设计研究内 容的研究背景、 项目 来源、 国内 外发展 状况、 本文研究主要内容及论文内容安排等。 第一章 系统的总体方案设计。 主要围绕系统的技术指标进行方案的论证和 设计。 第二章 系统硬件设计。主要对数字化智能 充电 系统的 硬件电 路进行研究， 包括p f c ( p o w e r f a c t o r c o r r e c t i o n ) 电 路的 设计、双 管正 激电 路的 设计、 控制 系统电路和其它电路的设计。 第三章 系统软件设计。首先介绍软件的总体设计，然后分别介绍了充电模 糊控制器的设计过程、信号的软件检测方法、s m b u s的通信编程以 及系统采取 的软件抗干扰措施。 第四章 试验结论。本章给出电路的工作波形和最终系统所达到的指标。 西北工业大学硕士论文 第一章 总体方案设计 第一章 总体方案设计 本文研究的数字化智能充电 系统主要是给军队的通讯电台充电 和供电的， 需要在复杂的坏境中可靠工作，因 此其性能指标要求严格。本章主要围绕系统 的技术指标介绍进行方案的设计。 ，1系统的技术指标和性能要求: ( 1 )工作电压范围:9 0 2 7 0 v ,频率波动范围:4 7 -5 3 h z o ( 2 )输出功率:150w. ( 3 ) 供电功能:给军用通讯电台 提供1 2 v 士0 . 3 v 和2 4 v 士 0 . 3 v 的稳压电 源。 额定电 流:5 a 1 0 . 2 a输出 纹波:毛1 % v p p 负载调整率:毛1 %电 压调整率:提1 % ( 4 )充电功能:具备对不同厂家的 1 2 v , 2 4 v 镍锅电池组、 镍氢电池组和 7 . 2 v , 1 4 . 4 v , 2 5 . 2 v 铿离子电 池以 及数字化电 池组 进行快速充电， 并提供电 池过 充电、电池过热、电池开路、电池失效保护和报警功能。 ( 5 ) 保护功能:具有输出 过流及短路保护，输出过压及欠压保护。 ( 6 )人机界面: 利用键盘输入完成与用户之间的交互，包括输出电压大小的 设定，充电 功能的选择;显示电 路显示系统的充/ 供电 的电 压，电流参 数以及当前的工作状态。 ( 7 )满足三防( 防雨水，防盐雾，防湿热) 、振动、e m c等军用标准的要求。 .2系统硬件方案 根据系统的技术指标，电路主要分为三部分:功率因素校正电 路，该部 分是a c / d c 变换: 双管正激电 路和二次 斩波电 路，该部分是d c / d c 变换; 控制电 路。系统的总体结构如图1 一1 所示。 下面分别对这几部分进行分析。 西北工业大学硕士论文 第一章 总体方案设计 第一章 总体方案设计 本文研究的数字化智能充电 系统主要是给军队的通讯电台充电 和供电的， 需要在复杂的坏境中可靠工作，因 此其性能指标要求严格。本章主要围绕系统 的技术指标介绍进行方案的设计。 ，1系统的技术指标和性能要求: ( 1 )工作电压范围:9 0 2 7 0 v ,频率波动范围:4 7 -5 3 h z o ( 2 )输出功率:150w. ( 3 ) 供电功能:给军用通讯电台 提供1 2 v 士0 . 3 v 和2 4 v 士 0 . 3 v 的稳压电 源。 额定电 流:5 a 1 0 . 2 a输出 纹波:毛1 % v p p 负载调整率:毛1 %电 压调整率:提1 % ( 4 )充电功能:具备对不同厂家的 1 2 v , 2 4 v 镍锅电池组、 镍氢电池组和 7 . 2 v , 1 4 . 4 v , 2 5 . 2 v 铿离子电 池以 及数字化电 池组 进行快速充电， 并提供电 池过 充电、电池过热、电池开路、电池失效保护和报警功能。 ( 5 ) 保护功能:具有输出 过流及短路保护，输出过压及欠压保护。 ( 6 )人机界面: 利用键盘输入完成与用户之间的交互，包括输出电压大小的 设定，充电 功能的选择;显示电 路显示系统的充/ 供电 的电 压，电流参 数以及当前的工作状态。 ( 7 )满足三防( 防雨水，防盐雾，防湿热) 、振动、e m c等军用标准的要求。 .2系统硬件方案 根据系统的技术指标，电路主要分为三部分:功率因素校正电 路，该部 分是a c / d c 变换: 双管正激电 路和二次 斩波电 路，该部分是d c / d c 变换; 控制电 路。系统的总体结构如图1 一1 所示。 下面分别对这几部分进行分析。 西北t业大学硕上论文第 一 章总 体 方 案 设 计 图 1 一1系统结构框图 2 . 1功率因数校正电路 ( p f c ) 传统的开关电 源存在一个致命的弱点: 功率因 数低，一般为 0 . 4 5 - 0 . 7 5 , 而且其无功分量基本上为高次谐波，其中三次谐波幅度约为基波幅度的9 5 %, 五次谐波幅度约为基波幅度的7 0 ， 七次谐波幅度约为基波幅度的4 5 % 0 。 高 次谐波 对电网 造成危害， 使用电 设备的 输入端功率因 数下降。 针对高次谐 波的 危害， 从 1 9 9 2 年起国际上开始以 立法的形式限制高 次谐波， 传统的开 关电 源形 式也在限制之列。 一般的开关电 源， 先对输入的2 2 0 v 交流市电整流， 然后经过滤 波电容 得到 约 3 0 0 v 的直流电， 再进行 d c / d c变换。 滤波电容使输出电压平滑， 但却使电流 变为不连续的脉冲，因此这样的电 源功率因数 低， 谐波多， 对电网 的污染大， 输入端的微小波动都有可能在输出端引起较大的干扰。当输入的交流电压变化 较大时，整流输出的 直流电压也会有较大变化，该变化量传 递到后级， 影响输 出电压，p w n控制器得到采样电路的信号后，调整脉宽输出，以消除输入带来 西北t业大学硕上论文第 一 章总 体 方 案 设 计 图 1 一1系统结构框图 2 . 1功率因数校正电路 ( p f c ) 传统的开关电 源存在一个致命的弱点: 功率因 数低，一般为 0 . 4 5 - 0 . 7 5 , 而且其无功分量基本上为高次谐波，其中三次谐波幅度约为基波幅度的9 5 %, 五次谐波幅度约为基波幅度的7 0 ， 七次谐波幅度约为基波幅度的4 5 % 0 。 高 次谐波 对电网 造成危害， 使用电 设备的 输入端功率因 数下降。 针对高次谐 波的 危害， 从 1 9 9 2 年起国际上开始以 立法的形式限制高 次谐波， 传统的开 关电 源形 式也在限制之列。 一般的开关电 源， 先对输入的2 2 0 v 交流市电整流， 然后经过滤 波电容 得到 约 3 0 0 v 的直流电， 再进行 d c / d c变换。 滤波电容使输出电压平滑， 但却使电流 变为不连续的脉冲，因此这样的电 源功率因数 低， 谐波多， 对电网 的污染大， 输入端的微小波动都有可能在输出端引起较大的干扰。当输入的交流电压变化 较大时，整流输出的 直流电压也会有较大变化，该变化量传 递到后级， 影响输 出电压，p w n控制器得到采样电路的信号后，调整脉宽输出，以消除输入带来 西北工业大学硕士论义第一章 总体方案设计 的 变化， 显然此时p w m 控制器的响 应已 经滞后，降低了系 统的瞬态响应速度， 在输出可能产生较大的尖峰干扰。在整流电路后增加 p f c电路，会使输入交流 电流波形正弦化， 并与电 压波形同 相， 输入功率因数提高， 输入 谐波电 流减少， 降低了电 源对电网的干扰， 满足了 现行谐波限制 标准。由 于p f c有b o o s t 升 压斩波电 路，电源允许的输入电 压范围 扩大， 通常可达到 9 0 - 2 7 0 v ，提高了电 源的适应性， 并且因 为升压斩波电 路具有稳压作用， 整流输出的电 压是稳定的， 使得后级的d c - d c 变换电路的工作点稳定， 有利于 提高控制精度和效率。 1功率因 数校正的方法 提高功率因 数的办法是对电 流脉冲高 度进行抑制，使电流波形尽量接近正 弦波，这种技术称为功率因数校正。 根据采用的具体方法不同，功率因数校正 可分为无源功率因数校正和有源功率因数校正。 ( 1 )无源功率因数校正 无源功率因数校正是在输入端加 上一个由电感和电容组成的 l c无源 滤波网络 ( 如图 1 -2 所示) 。无源功 率因数校正技术简单， 工作可靠。但 滤波设备体积庞大， 提高功率因数的图1 -2无源功率因数校正电路拓扑 效果也不很理想 ( 通常， 功率因数达0 . 8 5 ) 。 而且运行情况受系 统阻抗的影响， 若不使用调谐电抗器，很可能会与系统电抗产生并联谐振。 ( 2 )有源功率因数校正 有源功率因数校正 ( a p f c ) 利用 有源开关式 a c / d c 变换技术， 采用全 控开关器件构成的开关电路对输入 电 流的波形进行控制( 如图 1 一3 所 示) 。使输入电流成为与电网电压同 相 位的正弦波。 这种方法对技术要求 较高， 但功率因数校正效果好， 在理 图1 一3有源功率因数校正电 路拓扑 论上可将功率因数校正到 0 . 9 9以上， 故在大容量的通信开关电源系统中使用较 普遍。本义介绍的数字化智能充电系统使用这种方法。 西北s业大学硕士论文 第一章 总体方案设计 2 a p f c 电路的拓扑 有源功率因 数校正的 基本思想是: 将输入交流电压进行全波整流，对所得 的全波整流电压进行 直流滤波，并通过适当 控制使输入电 流自 动跟随全波整流 后的电压波形，使输入电流正弦化。 从原理上讲， 任何一种d c / d c 变换器拓扑， 如降压式( b u c k ) 、 升压式( b o o s t ) , 反激式 ( f l y b a c k ) 、 升/ 降压式 ( b o o s t - b u c k ) 变换器等， 都可以 作为p f c 的 主 电路。这几种 p f c的特点如下: ，砰可八 一 谭 降压式 ( b u c k 升压式 ( b o o s t ) 癣 ” iu rl_f 反激式 ( f l y b a c k )升2 降 压式 ( b o o s t - b u c k ) 图1 -4 几种p f c 电路的拓扑 降压式p f c :噪声 ( 纹波) 大， 滤波困 难， 开关管上电 压应力大。 反激式 p f c :输入、输出之间隔离，输出电压可任意选择，属于简单电 压型控制器，适用于 1 5 0 w 以下的电源或镇流器。 升/ 降压式 p f c :需用两个电子开关，电路比较复杂，采用较少。 升压式 ( b o o s t ) p f c : 升压式 ( b o o s t ) 有源功率因 数校正电 路的电 感电 流连续，储能电感可作滤波器抑制 r f i 和 e m i噪声，并可防止电网对主电路的 高频瞬态冲击，由 于电 路有升压 斩波电路， 输出电 压大于 输入电压峰值，电 源 允许的输入电压范围扩大，通常可达到 9 0 - 2 7 0 v，提高了电源的适应性。由于 升压斩波电 路的稳压作用， 整流输出的电压是稳定的， 有利于 后级工作稳定， 提高控制精度和效率。 升压式p f c 控制简单，适用于7 5 -2 0 0 0 w 功率电 源， 应 用最为普遍，因此本设计采用该电路形式。 3 a p f c 的控制方法 西北工业大学硕士论文第一章 总体方案设计 常用来实现 a p f c的控制方法有三种: 电 流峰值控制: 检测开关电 流， 开关频率固定， 工作在c c m ( 电 流连续模式: 方式下，采用b o o s t 电路结构。 该方法的主要问 题是:电感电流的峰值 ( 控湘 的基准)对噪声敏感，容易产生控制误差。 电流滞环控制:检测电感电 流， 开关频率可变，工作在 c c m方式下， 采用 b o o s t电路结构。该方法的不足是:负载大小对开关频率的影响甚大，由于开 关频率的变化幅度大，设计输出 滤波器时，需按最低开关 频率考虑，故 难以得 到体积和重量最小的设计。 平均电流控制: 检测电 感电流，开关频率固定， 工作 模式任意，需要对电 流误差信号放大。这种方法的 特点是: 工频电流的峰值是高频电流的平均值， 因此高频电流的 峰值比工频电流的 峰值更高， t h d ( 总 谐波畸变) 很小， 对噪声 不敏感，电感电 流峰值与平均值之间的 误差小，可工作于c u 和d c m 模式下， 适合于任何拓扑。 这三种常用控制方法的 基本 特点如表叽 一1 所示。 表 1 一1常见的 p f c控制方法 控制方法检测电流开关频率工作模式对噪声适用拓扑注 电流峰值开关电流j厦定 c c m 敏感 b o o s t 需斜率补偿 电流滞环电感电流变频 c c m 敏感 b o o s t 需逻辑控制 平均电流电感电流恒定任意不敏感任意需电流误差放大 综合考虑，本设计采用平均电流控制方法。 4 b o o s t a p f c的i作原理 图 1 -5所示为平均电流控制的 b o o s t 功率因数校正器电路原理图。图中， 电感电流 1 l 被检测，得到信号 i , r ; ，该信号送入电流误差放大器 c a中，电流 基准值 由乘法器输出 z给出，乘法器有两个输入，一个为 x ，是输出电压 v , ,/ h 与 基准电压v r e f 之间的误差信号;另一个输入y 为电 压v 、 的检 测值v ,x / k , v ,w 为 输入正弦电 压的全波整流 值。平均电 流法的电流 环调节输入电 流平均值， 使 与输入整流电压同相位，接近正弦波形。输入电流信号被直接检测，与基准电 流比较后，其高频分量的变化，通过电流误差放大器，被平均化处理。放大后 的平均电流误差 与 锯齿波斜坡比较后， 给开关 t r 动信 号， 并决定了其应有的 西北_ 业大学硕士论文 第一章 总体方案设计 占空比， 于是电流误差被迅速而精确地校正。由 于电流环有较高的增益一 带宽 ( g a i n - b a n d w i d t h ) ，使跟踪误差产生的 畸变小于 1 % ， 容易实现接近于 1 的功 率因数。 经过校正后的 输入电压v、 电流i , 的 波形和整流电 压v x 、 电感电 流i , 的波形如图 1 -6 所示。 图 1 -5 平均电流控制法原理图 图 1 -6 校正后输入电压 v、电流 i ; 和整流输出电压 v a 、电流 i l 波形 2 . 2 d c / d c 变换电 路 将一种直流电 压转换为另一 种直流电压的 过程称为 d c / d c变换。 d c / d c 变换一般是先将直流逆变为交流，再整流为直流，因此有时也叫做直一交一直 变换电路。 1主电路拓扑的选择 d c / d c变换电 路的结构较多，各有其优点和不足，常 见的几种隔离型电 路 结构如 表 1 - 2 所示。分析表 1 - 2 并参考国外的成熟电 路可以 发现， 在保证系 统可 靠性的前提下， 正激式结构的电路是一 种理想的 选择。因此主电路采取正 激式结构。因为该级电路输入的直流电压约 3 8 0伏，据 l 程经验，开关管的耐 西北_ 业大学硕士论文 第一章 总体方案设计 占空比， 于是电流误差被迅速而精确地校正。由 于电流环有较高的增益一 带宽 ( g a i n - b a n d w i d t h ) ，使跟踪误差产生的 畸变小于 1 % ， 容易实现接近于 1 的功 率因数。 经过校正后的 输入电压v、 电流i , 的 波形和整流电 压v x 、 电感电 流i , 的波形如图 1 -6 所示。 图 1 -5 平均电流控制法原理图 图 1 -6 校正后输入电压 v、电流 i ; 和整流输出电压 v a 、电流 i l 波形 2 . 2 d c / d c 变换电 路 将一种直流电 压转换为另一 种直流电压的 过程称为 d c / d c变换。 d c / d c 变换一般是先将直流逆变为交流，再整流为直流，因此有时也叫做直一交一直 变换电路。 1主电路拓扑的选择 d c / d c变换电 路的结构较多，各有其优点和不足，常 见的几种隔离型电 路 结构如 表 1 - 2 所示。分析表 1 - 2 并参考国外的成熟电 路可以 发现， 在保证系 统可 靠性的前提下， 正激式结构的电路是一 种理想的 选择。因此主电路采取正 激式结构。因为该级电路输入的直流电压约 3 8 0伏，据 l 程经验，开关管的耐 西北工业大学硕士论文 第一章 总体方突设计 压值至少为8 0 0 v以上， 限于当前的工艺水平， f e t 管的耐压不高， 因此在功率 较大的情况下，高耐压、大电 流的 开关管不 好选择。考虑把两个开关管串 联起 来当 作一个管子用，则每个开关管的 耐压值可降低一半，器件容易 选择且可靠 性增加。 因此本部分采用双管正激型电路结构。 表1 -2 隔离性d c / d c变换电 路的比较 电路优点 缺点功率范围应用领域 正激型 电路较简单 ，成本 低，可靠性高，驱 动电路简单 变压器单向励磁，利用率 较低 i l百 瓦 一 几千瓦 各种中小功率开 关 电源 反激型 电路简单，成本低， 可靠性高，驱动 电 路简单 难以达到较大功率，变压 器单向励磁，利用率低 几 瓦 几 十瓦 小功率和消费电 子设备、计算机 设备开关电源 全桥型 变压器双向励磁， 容易达到大功率 电 路复杂， 成本高，可靠 性低，需要复杂的多组隔 离驱动电路，有直通和偏 磁问题 几 百 瓦 一 几百千 瓦 大功率工业用开 关电源、焊接电 源，电解电源 半 桥 型 变压器双 向励磁， 无变 压 器 偏 磁 问 题，开关较少 ，成 本低 有直通问题，可靠性低， 需要复杂的隔离驱动电 路 几 百 瓦 一 几千瓦 各种工业用开关 电源，计算机设 备用开关电源等 推挽型 变压器双向励磁， 变压器一次电流回 路 中 只有 一 个 开 关，通态损耗较小， 驱动简单 有偏磁现象 ) 七百 瓦 一 几千瓦 低输入电压的开 关电源 图1 - 7 所示为双管正激变换器的结构图 2 ， 工作原理如下: 图 l - 7双管!f 激变换器主电路结构图 西北工业大学硕士论文 第一章 总体方案设计 q 、 和 q s 同时导通或同时关断。在导通时，电源电压 v 、 加到变压器 t的原边 绕组上。在稳态下，由于上一周期工作时，电 感线圈l 己 建立的电流， 通过d , 导通，构成负载 l ， 的续流回路。 新周期开始， 副边绕组由 于原 边绕组q ， 和q z 的导通有了 感应电 动势。副边 绕组、二极管 d :, 很快建立电流，其速度受制于变压器和副边电路的漏感。因为 在导 通瞬间l 上流过的电 流 工 l 保持不变， 所以，由于流过d ， 的电 流的建 立，二 极 管d ; 的电流随之等同地快速减小。 当d 3 中的正向电 流增加到原先 流过d ; 的电 流 值时， d 。 则转为关断。 而且 l的 输入端 ( a点)电 压将增加到 副边线圈电 压 v s . ( 减去v d , ) 。 与此同时开始了正 激能量 传递状态。 一般 情况下， 在导通期间， l c 滤波器上的电 压为v - v，电 流i l 按 下式变 化 : d i , = d t v 一 v l , (1 一 i ) 同时， 变压器原边电感所产生的磁化电 流将流过原边线圈，使变压器的 磁 区存储能量， 这个存储能量在开 关管关断瞬间 产生反激作用。 通过二极管 d d z 的作用，把反激能量回馈到电 源线中，由 于d d p 的导通， q q : 上的电 压限 在 v s 值上。 因为此时 馈电压与原来正向电压近似相等， 所以 存储能量的回馈时间约等 于关断前的开通时间， 因此双管正激变换器的导 通和关断时间 各占5 0 % 的周期， 甚至为了可靠起见，导通时间小 于5 0 %. 在 q , q : 关断瞬间，副边绕组电压反向，整流二极管 d 。 关断，在 l的反激 下 d 、 导通，构成续流回路。此时 l 两端的电压即为负载端电压 v o ，且续流逐渐 减小。当 q、q z 再次开通时，又开始新的工作周期，如此周而复始。 在这个工作过程中，漏感对电 路的影响很大，漏感太大会导致不能传 输所 需电源功率，因为在关断期间大部分的原边电流回馈到电源 v , 中，这导致能量 在开关元件和二极管中的 徒然损耗，因此变压器的设 计和印制 板的 布局就非常 重要。 2 .二次斩波电 路 根据设计指标，要求系统能给多种电池进行充电，而各种电池的充电特性 西北工业大学硕士论文第一章 总体方案设计 不同， 所需充电电压不同，因此双管正激变换器输出的直流电 压不能直接用来 给电池充电， 通过设计二次斩波电 路，由 控制电 路产生p w m 波来控制充电时的 电压，就可以 保证给多 种电池进行快速、 安全的 充电。 二次斩波电 路选用b u c k 电路结构， 图1 -8 是由开关管q 、 二极管d , 、电 感 l 和电 容c 构 成的b u c k 电 路， 设 其占 空比 为d 。 电 路完成把直流电 压v i 变成直 流电压 v 。的功能。 图 1 -8 b u c k 变换器电 路 当开关管导通时， 输入电流 i : 流过电感，电感 电流 i , = i ，电感电流线性增 加，负载 r 上流过电流 i o .输出电压v v ， 极性上正下负，当 i l. i 。 时，电容充电， 此时二极管 d , 承受反向电 压;当开关管截止时，电 感线圈中的磁场将改变电 感 两端的电 压极性，以 保持其电流i l 不变， 负 载电阻r 上电压极性不变， 当1 l d v。因此通过控制占空比就可输出