关于脉冲式快速充电技术的研究

上海交通大学硕士学位论文关于脉冲式快速充电技术的申请学位级别：硕士·2001.10.1附件四,上海交通大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。2附件五上海交通大学学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于学位论文作者签名：上海交通大学硕士学位论文1摘要长期以来，世界各国为了加快铅酸蓄电池的充电速度，缩短充电时间，做了大量的工作。但由于蓄电池的快速充电对安全性，可靠性的要求更高，因此快速充放电技术一直较为落后。近年来，随着人们对快充放电理论研究的不断深入和电力电子技术的广泛应用，为蓄电池快速充电技术进一步改进提供了条件和可能。本文对脉冲式快速充电装置进行系统的研究，研制过程分为以下几个方面的工作：1.通过对密封式铅酸蓄电池及蓄电池快速充电机理的研究，找出最优充电方式一脉冲式充放电。实现快速充电同时避免蓄电池的极化现象；2.由于电力电子器件的发展是电力电子技术发展的基础，本文将重点研究本装置变换器电路(整流和蓄电池充放电)所采用的开关元件IGBT和其驱动电路，同时也分析了开关元件的安全工作区及其保护；3.本装置采用目前较为先进的开关电源技术而非采用过去普遍使用的可控硅整流技术，故大大缩小了装置的体积和重量。整流部分采用半桥变换器，通过详细分析半桥变换器的特性，设计出主电路的各器件参数，包括IGBT的规格，变压器的设计等；研究目前开关电源设计中常采用的脉宽调制式PWM技术，介绍PWM控制集成电路的选取；4.研究脉冲式快速充电技术在实际装置中如何实现，着重介绍了本装置所采用的分级、定电流、定周期、限电压脉冲快速充电法和双环反馈控制技术。本文着重于工程的实际设计，通过对试验样机的测试，证明该装置性能可靠，实现了对蓄电池组的快速充电。关键词：蓄电池IGBT半桥变换器PWM脉冲式快速充放电上海交通大学硕士学位论文2controltechnology.Thisthesisfocusonpracticalengtesting.4电力电子技术是应用于电力技术领域的电子技术，它以利用大功率电子器件对能量进行变换和控制为主要内容，是一门横跨电子，电力和自动控制的综合学科。其包括电力电子器件，电力电子电路等基础学科，电力电子装置及系统则是对上述基础学科的综合应用，其具体应用体现为各类稳压电源，充放电装置，开关电源，UPS电源，感应加热电源等。蓄电池脉冲充放电装置为其中的一种应用。蓄电池充电装置一般分为两个部分，将交流电转化为适合着电池充电电压的直流电的整流部分和对蓄电池充电的充电部分。1.传统装置传统三相可控硅全控整流技术采用工频变压器隔离交流电源通过调整可控硅触发角实现对输出电压Uo的控制。其电路原理图如图0-1传统三相可控硅全控整流由于受电力电子器件发展的影响，在很长的一段时间里，可控硅是唯一具有大功率特性的半可控器件，所以该电路曾在整流装置中得到广泛应用，其特点是性能可靠，且容量大，其功率范围可从几KVA直至上百KVA,但是其缺点亦是显而易见。上海交通大学硕士学位论文5a.有体积大，笨重的工频变压器，一般变压器的重量即可占电源总重的30%-50%;工频变压器在工作中会发出较大的噪声；c.效率低，特别是轻载时，可控硅导通角变小，效率更低。随着现代半导体技术的发展，大功率开关器件得到长足发高频开关电源创造了条件。无工频变压器开关电源具有如下优点：a.效率高，一般在80%-90%以上；b.体积小，重量轻，这一特点随着频率增加，效果更好；c.噪声低，开关电源工作频率>20KHz,已是人耳听不到的超声波。本装置整流部分将采用半桥式开关电源，具体将在后面章节详快速充电技术大致发展过程为美国是最早研究快速充电技术的国家之一，20世纪50年代，电，但该装置的基本原理和设计原则都不完善。2.理论研究阶段1967年美国人J.A.Mas研究了充电过程中气体的析出问题，找出了蓄电池能够接受的最大充电电流和可接受大充电电流曲线。对上海交通大学硕士学位论文6蕃电池快速充电的理论也进行了探讨，并在实践的基础上提出了蓄电池快速充电的一些基本规律-马斯三定律。3.实际应用阶段60年代以来，电力电子技术的发展，给快速充放电技术的实际应用创造了有利条件。70年代，美国Mcculloch电子公司制成铅酸蓄电池快速充电装置。除美国外，日、英、法、德、前苏联也都在快速充电技术方面有不同程度的发展。我国对快速充电技术研究起步较晚，现在较常见的快速充电技术为：一般采用的加速充电目前有两种形式：二阶段(恒流-恒压)和三阶段(恒流-恒压-恒流)充电，这两种充电形式都不能将蓄电池的容量充足，而且析气量大，充电时间也较长。与加速充电方式相比，多级恒流充电的最大特点是充电曲线更接近蓄电池接受电流能力曲线，所以时间较短，得到较为广泛的应用。以上两种充电方法都没有放电脉冲，无法消除极化现象对充电速度的影响。3.脉冲快速充放电为了提高蓄电池充电速度，减少析气量和消除极化现象，有些单位研究了新一代蓄电池快速充电装置。根据蓄电池容量状况，自动采用脉冲式恒压或恒流充电，同时增加负脉冲放电，消除蓄电池极化，以使蓄电池达到最大充电容量。上海交通大学硕士学位论文7第一章密封式铅酸蓄电池及目前，以铅酸蓄电池为例，常用的充电方法有恒压、恒流、分段慎流及脉冲充电等，其中脉冲充电随着电池快速充电理论研究的兴起已逐渐成为发展趋势。但是，根据马斯的电池充电电流接受率曲线来看以上方法均不理想，以恒流充电方法为例，在蓄电池充电的初始阶段充电电流远远低于蓄电池的接受能力，而在充电末期，充电电流又大于蓄电池的接受能力，大量的电能不能转换成化学能而被存储，这就引起了电池的容量不足、温升剧烈、电解液大量分解、电池极化和硫化严重、极板腐蚀加剧等一系列问题，不仅严重影响蓄电池的使用寿命和供电能力，而且危及工作人员的人身安全。简单的脉冲充电方式虽然能有效地解决充电速度的问题，但是由于电流脉冲的强度难以用准确关系式表达，因此电池温升仍然过高，而且容易导致极板上的活性物质脱落，严重影响电池的使用寿命，效果也不理想。本装置是对密封式铅酸蓄电池进行快速充电，为了得到工程中理想的快速充电方式，我们首先应对密封式铅酸蓄电池及蓄电池的充电机理进行了解。密封式免维护铅酸蓄电池具有密封好、无泄漏、无污染等优点，能够保证人体和各种用电设备的安全，而且在整个寿命期间，无需任可维护，近年来得到了广泛的应用。电池容量、放电终止电压和充电终止电压为蓄电池的主要参数。蓄电池的容量指的是：采用规定的放电速率(通常为10小时放电率)充足电的电池能够放出的安时数。电池容量通常用Ah(安时)表示，上海交通大学硕士学位论文8与电池容量相关的另一参数是蓄电池的充电电流。蓄电池的充电电流通常用充电速率C表示，C为蓄电池的额定容量。例如用200A的电流对100Ah的电池充电，充电速率就是2C;如果充电电流变为400A,则充电速率就是4C。蓄电池充足电时，极板上的活性物质已达到饱和状态，再继.续充电，蓄电池的电压也不会上升，此时的电压称为充电终止电压。放电终止电压是指蓄电池放电时允许的最低电压。如果电压低于放电终止电压后蓄电池继续放电，电池两端电压会迅速下降，形成深度放电，这样，极板上形成的生成物在正常充电时就不易再恢复，从而影响电池的寿命，放电终止电压和放电速率有关。放电速率越快，则允许的放电终止电压越低。二.密封免维护铅酸蓄电池的结构密封免维护铅酸蓄电池由正负极板、隔板、电解液、安全阀、气塞、外壳等部分组成，如图1-1所示。正负极板均采用涂浆式极板，活性材料涂在特制的铝钙合金骨架上，这种极板的耐酸性强，导电性好，寿命较长。隔板采用超细玻璃纤维制成，全部电解液吸附在极板和隔板中，电池内无流动的电解液。电池顶部装有安全阀，当电池内部气压达到一定数值时，安全阀自动开启，排出多余气体。顶盖上还有内装陶瓷过滤器的气塞，可以防止酸雾从蓄电池中溢出。正负极接线端子用铝合金制成，采用全密封结构。在免维护电池中，电解液全部吸附在隔板和极板中，负极活性物质在潮湿的条件下活性很高，能与氧气快速反应。充电过程中，正极板产生的氧气通过隔板扩散到负极板，与负极板活性物质快速反应，化合成水。因此，在整个使用过程中，无需加水补酸，所以称为免维护蓄电池。上海交通大学硕士学位论文9图1-1密封免维护铅酸蓄电池的结构蓄电池充电通常要完成两个任务，首先是尽可能快地使电池恢复额定容量，另一个任务是用涓流充电补充电池因自放电而损失的电量，以维持电池的额定容量。在充电过程中，铅酸电池负极板上的硫酸铅逐渐变为铅，正极板上的硫酸铅逐渐变为二氧化铅。当正负极板上的硫酸铅完全变成铅和二氧化铅后，电池开始发生过充电反应，产生氢气和氧气。过量的80%以前就开始过充电反应，只有充电速率小于C/100,才能使电池后，单个电池的电压迅速上升，达到一定数值后，上升率减小，然后电池电压开始缓慢下降。由此可知，电池充足电后，维持电池容量即涓流充电的最佳方法是在电池组的两端加入恒定的电压，即充电器应输出恒定的浮充电压。在实际应用中，我们不可能采用C/100如此之小的充电速率完成对蓄电池组的充电，所以应运而生了马斯快速充电理论，通过负脉冲放电，去极化以消除过充电。认期即认期即春悬饮复与分数图1-2密封铅酸蓄电池的充电特性蓄电池充电技术的高低不仅影响蓄电池的寿命，而且影响性能的发挥，因此在保证低析气量的前提下，提高充电速度，缩短充电时间，是充电技术的改进原则。一.马斯三定律马斯三定律是美国科学家JA.Mas提出的，它对蓄电池的快速充电有着重要的指导意义。第一定律：对于任何给定的放电电流，蕃电池充电时的电流接受比与电池放出的容量的平方根成反比。式中K₁为放电电流常数，视放电电流的大小而定，C为蓄电池放出的容量。由于蓄电池的初始接受电流I₀=aC,所以这一定律说明：蓄电池充电时，如果放出的容量越大，则允许的初始最大充电电流也就越大。因为放电越多，则极板上生成的硫酸铅(PbSO4)越多，允许进行电化反应面积也就越大，所以允许充入的最大电流就会有所增加。第二定律：对于任何给定的放电量，蓄电池充电电流接受比a与放电电流Id的对数成正比。式中K₂为放电量常数，视放电电量的多少而定，K为计算常数。这一定律说明：蓄电池充电时，如果放电电流的数值越大，则允许充入的最大电流也就越大。这是因为放电电流的幅值越大，其去极化的作用就越强，而且在极板上生成的活化点就越多，因此蓄电池的接受能力就越大。第三定律：蓄电池在以不同的放电速率放电后，其最终的允许充电电流lt(接受能力)是各个放电率下的允许充电电流的总和，即lk=l₁+l₂+l₃+l₄+…为各个放电速率下的允许充电电流。可以推出，蓄电池的总接受比为：为各次放电量的总和，即蓄电池放出的全部电量。第三定律说明：蓄电池在以各种不同的放电速率放电之后，其总的允许充电电流以及接受比均与每次放电的情况有关，蓄电池对每次放电的情况都具有“记忆”的能力。从式1-4可以看出，如果放电过程中某些次数的放电电流值大，而放出的电量很少，则式中分子增加的多，分母增加的少，因此蓄电池总的接受比就会得到较大的提高。马斯定律从数量上说明了蓄电池的充电能力与蓄电池过去放电量变化的相依关系，同时还表明蓄电池过去的放电变化也可在放电前或充电过程中被记录下来。因此只有当充电的电流接受力降至低于所要求的充电率时，蓄电池的快速放电才有利于提高蓄电池的电流接受能力，但放电时间应限于使充电电流的接受力恢复到要求的水平所需要的通过对马斯三定律含义的分析，我们知道蓄电池的放电速率和放电量对蓄电池的充电接受比影响是不同的。如果蓄电池在充电前或在充电过程中进行高速率的放电，则蓄电池的充电接受比可得到提高。相反，如果在低速率下加大了放电量，则接受比就会下降。特别是按照第三定律，在充电过程中多次进行高速率放电(小放电量),则充电接受比可以得到较大的提高。这里所讲的多次放电，是为提高蓄电池的接受比而专门进行的放电，即只有当充电电流低于所要求的数值时才放电，而且放电时间也是以使充电电流接受力恢复到所要求的数值为准，否则放电只会延长充电时间。二.马斯三定律在实际快速充电技术中的应用1.以蓄电池接受力下降的幅值控制放电蓄电池在充电过程中，每当电池的接受能力从100%|降到90%l。时，立即进行高速率放电(放电时间的长短以能恢复到原有的接受能力即100%l。为准)。接着再以100%l。值充电。如此循环下去，就会形成图1所示充电特性曲线，蓄电池所充入的电量即为锯齿型折线下面的面积。随着充电的进行，由于蓄电池已充入的容量在不断增加，因此各锯齿的间距就会不断地减少，也就是说每次充电的时间会越来越短，而放电频率会越来越快，当充电时间与放电时间大致相等时，充电即告结束。上海交通大学硕士学位论文图1-3以蓄电池接受力下降的幅值控制放电2.按照一定的间隔时间进行放电蓄电池在充电过程中，每经过一定的时间进行一次高速率的放电，其间隔的时间以不产生极化现象为准。当放电脉冲一定时(不必保证将接受能力恢复到100%l₀),每次放电后，蓄电池的接受能力就会逐渐下降，形成了如图2所示的充电特性曲线。蓄电池所充入的电量为锯齿型折线下面的面积，显然其充电时间也很短。图1-4按照一定的间隔时间进行放电按照以上两种方法进行充电，尽管其充电电流较高，但由于重复地采用高速率放电去极化所以电池不会产生气饱和温升，充电状况理想。本论文采用方案2进行脉冲式快速充放电控制，我们将在第四章中详细讨论。上海交通大学硕士学位论文第二章变换器电路开关元件-IGBT开关元件特性及其驱动是开关变换器中很关键的问题。本论文无论是在前级半桥式整流电路还是在后级脉冲式充放电电路中都需要使用到开关元件。本章将从元件特性出发，介绍参数定义，开关开通，关断方法，缓冲器和保护环节等。开关元件具有许多种类，例如：可控硅SCR,双极型晶体管GTR,场效应晶体管MOSFET和绝缘栅型晶体管IGBT等。MOSFET管具有开关速度快，电压控制的优点，缺点是导通电压降稍大，电流和电压值不高；双椒型晶体管于MOSFET的优缺点互易；本论文所使用的开关元件为目前较为先进的IGBT。IGBT结合了MOSFET和双极型晶体管的优点，控制时有IGBT结构上与MOSFET相似，但是多了一个P+层，引出作为发射极，栅极、集电极与MOSFET完全相似。按其缓冲区不同分对称型和非对称。对称型具有正反向特性对称，都有阻断能力；非对称型正向有阻断能力，反向阻断能力低，但它的正向导通压降小，关断的快，电流拖尾，均属优点。简化等效电路如图2-1所示。EEIGBT由栅极电压正、负来控制。当加上正栅极电压时，绝缘栅下形成沟道，MOSFET导通，相当于Rar接到E,为PNP晶体管提供了流动的基极电流，从而使PNP管(即整个IGBT)导通。反之，当加上负栅极电压时，IGBT工作过程相反，形成关断。第二节IGBT的工作特性静态工作特性有图2-2所示伏安特性，图2-3转移特性和图2-4开关图2—2伏安特性图2-3转移特性图2-4开关特性伏安特性：随着控制电压V的增加，特性曲线上移。每一条特性曲线分饱和区、放大区和击穿区。V=0时，Ic值很小，为截止状态，开关.电源中的IGBT,通过Vgo电平的变化，使其在饱和与截止两种状态交替工转移特性是(Ic-Vg)关系的描述。Ic与Vge大部分是线性的，只在Vgo很小时，才是非线性的。有一个开启电压Vg(h),关断状态。上海交通大学硕士学位论文开关特性是(Ic-Vce)曲线。可以看成开通时基本与纵轴重合，关断时与横轴重合。体现开通时压降小(1000V的管子只有2-3V,比MOSFET小),关断时漏电流小，与MOSFET相当。动态特性主要指开通，关断二个过程有关的特性，如电流，电压与时间的关系，图2-5为IGBT开通，关断的动态特性示意图。1图2-5IGBT开通，关断的动态特性示意图。开通过程包括t(on)(开通延迟时间),ti(电流上升时间),twi(MOSFET单独工作时的电压下降时间),t₂(MOSFET与PNP两器件同时工作时的电压下降时间)四个时间之和。当tt(on)+tr后集电极电流已达Ic,此后V。才开始下降，下降分两个阶段，后Vg。再指数上升至外加Ve值。关断过程也包括taom(关断延迟),tw(电压上升),tm(MOSFET电流下降)包括了晶体管存储电荷恢复后期时间，一般较长，对应损耗较大。上海交通大学硕士学位论文集成模块驱动电路目前较多使用EXB系列集成模块驱动IGBT。它比分立元件的驱动电路有体积小，效率高的特点。它是十六脚封装块，各脚的功能如表2-6所脚号功能说明1±Vc的地，与IGBT的发射极相接23驱动输出，经栅极电阻Rg与IGBT相连4外接电容器，防止过电流保护环节误动作5内设过电流保护电路输出端6经快速二极管连到IGBT集电极。监视集电极电平，作为过流可不接9电源地端可不接驱动信号输入(-)驱动信号输入(+)表2-6EXB系列各脚功能表EXB系列芯片内部结构简图如2-7。图2-7EXB系列芯片内部结构EXB840能驱动400A/600V以内及75A/1200V的IGBT管。加直流20V作为集成块工作电源。开关频率<40KHZ,整个驱动电路动作快，信号延时<1.5us。集成块采用高速光耦输入隔离，并有过流检测及过载慢速光栅等控制功能。当IGBT集电极产生的电压尖峰较大时，可调节IGBT门极串电阻R₄的数值，表2-8示出耐压为600V/1200V各IGBT管子对应推荐的Rg值。IGBT电流值(A)(600V)IGBT电流值(A)(1200V)Rg(欧姆)5表2-8EXB840(600/1200V)图2-9为本论文所采用的驱动电路。它具有过流检测输入和过流保护输出的功能。当IGBT出现过流时，脚5出现低电平，光耦SOl有输出，A点电平变为低电平，对PWM信号提供一个封锁信号，三极管截止，EXB840输出-5V电平，对T1实行关断。1.IGBT的擎住效应在晶闸管中擎住电流是指从断态转入通态并移去触发信号之后能维持通态所需的最小主电流。在IGBT管四层结构中从图2-10中可见有PNP和NPN二管相接的部分，这就是晶闸管的等效电路-寄生晶闸管。有此晶闸管，就有擎住效应。图2-10IGBT擎住效应原理图上海交通大学硕士学位论文擎住效应的产生原因：(1)J₃结体区电阻R有漏电流流过产生正偏压，大到一定程度时，NPN管开通，引起PNP开通并保持C一E端开通，这种开通属静态擎住压，产生与上面相似过程，这种开通属动态擎住效应。产生擎住效应后，栅极对C—E端无控制作用。为此，应尽量防止。所以使用IGBT时，不要超过规定的最大电流Icm,漏电流i值；尽量减小重加dveo/dt值，例如加大栅极电阻Rg,使关断过程变缓。2.IGBT的安全工作区(SOA)IGBT正向开通时的SOA,由电流、电压和功耗三条极限线包围而成。如图2-11所示。最大集极电流lcm是图2-11IGBT正向安全工作区温升限定，从而也限定了擎住效应；最大允许集发电压VcEM由管中PNP击穿电压限定；最大功耗由结温所限定，即图中的斜角线，它与通过电流及其时间t有关。IGBT的反向安全工作区如图2-12所示，与正向稍有差别。重加的电压变化率dve/dt越大，安全工作区越小，原因是擎住效应易产图2-12IGBT的反向安全工作区第五节R.C缓冲器开关管在关断过程时最易受损坏。基极驱动方法分析中提到，基极反向电流lbz加大，可使存储时间减少。但lb₂过大，又会使基一发结击穿，开关管损坏。有二个方法可防止损坏的产生。a.在集发极电压V。处于低值时，关断开关管，即所谓的零电压关b.通常在工程实践中采用R.C缓冲器保护法。即并联R.C缓冲器在c,e两端，管子关断集电极电压上升的同时，利用R.C回路，以减少集电极电流。其工作原理是：当IGBTTn关断时，电容C通过二极管D₁被充电到(Vc-Voi)。这样集电极电流有了分路，集电极电流能较快减少。Tr导通时，C通过电阻R和Tn放电。对于参数的选择，可按经验公式求得。在关断时，能量可写成：leVo(t+t)/2=CV²/2电容C的表示式为C=le(t+t)/Vo₈据上述，Tn关断时C充电，Tn开通时，充电的C经R和Tn放电，电容器两端电压为：Uc=Vce+ONRC。为了承担Tn关断时全部的充电电压，选同样，可以选择RC使电容在每次导通时间ton假设3倍时间常数可放完，则同时，必须限制放电电流lde只是集电极电流lc的4,则lans=Voe/R<0.25lc电阻的功率为：大功率开关管的吸收电路对整个电源的可靠性起者主要作用，缓冲器消耗了过剩的关断能量。否则这一能量将由开关管本身消耗掉。第三章半桥变换器第一节几种变换器形式及其介绍本装置输入为三相380V交流电，要完成对24V蓄电池组的充电，首先应完成AC一DC的变化，以得到适合24V蓄电池组充电的恒定的直流电压。在引言中我们已谈到，本装置摒弃了传统的可控硅三相全控整流技术，采用离线式开关变换器(离线式开关变换器又称开关整流器，它不单是整流，而且整流后又作了DC-DC变换),高频开关技术的应用大大减少了装置的体积与重量，这是本装置较其它舰船蓄电池充电装置先进处按激励形式不同，变换器可分为自激式和他激式两种。自激式一般用于小功率，包括单管式和推挽式两种形式；他激式包括调频、调幅、调宽、谐振等几种。目前应用较广的是调宽型(PWM),它包括正激式、反激式、半桥式、全桥式。反激式变换器原理图如3-1所示，由于电路简单能高效提供直流输出，因此在要求有多组输出直流电压时常用。它的特点是简单、低耗。缺点是输出电压纹波较大，因此功率较小，通常在150W以下。图3—1反激式变换器原理图正澈式变换器原理图如3—2所示，相比反激式变换器，因为在一定输出负载时，输出电感和续流二极管的存在使得储能电容电流保持在较小数值上，副边纹波电流明显衰减，但是同时其又比反激式变换器线路复杂，工时、成本增加。虽然相比反激式变换器，其输出功率有较大提高，但通常在设计中上述两种变换器方式均用在较小的功率变换器桥式变换器是离线式变换器较好的拓扑结构。其又分为半桥式和全桥式(如图3-3)两种。全桥式变换器由四只开关管组成，相对半桥而言，开关管及驱动装置个数增加一倍，成本较高，但却能提高变换器输出功率。一般来说，在功率范围许可的情况下，通常采用半桥式结构，一是由于半桥式只有两只开关管，所以成本较低，另外，由于减少了主回路中功率元件个数，所以损耗相应减少。图3-3全桥式变换器第二节半桥变换器的工作原理图3-4半桥式变换器半桥式电路结构中，变压器原边绕组的一端接到串联电容器C₁C₂中间的浮动电位上，其值为V/2。绕组的另一端通过串联电容器C₃与T₁发射极和T²集电极的结点相连接。变换器输入直流为V,则当T;导通时，变压器上端接V₃产生幅值为V₂2的正方波。当T₁关断、T₂导通时，由于Cg接到零极，故变压器原边极性反向，产生幅值为V/2的负方波。随着T₁T₂交替开关，这样就产生幅值V;为方波电压，它们依次经过整流和滤波后，便可得到所需的直流输出电压。为保护IGBT管T₁T₂,在其C-E极之间反向并联高速钳位二极管D₅、D₆,这样，当高频变压器的漏感引起的尖峰电压超过输入电压V;时，二极管Ds或D₆便导通，使IGBT集一射极电压被钳位在电压V₃上。在半桥电路中，由于变压器上的电压减少为Vy2,所以在等功率输出情况下变压器的工作电流将加倍。忽略损耗，输出电压V₀如下式：因此，通过使用适合的控制线路调整占空比，在电源电压V,和负载l₀变化时可以保持输出电压不变。一.计算变换器输入电压。三相整流输出电压V₃=2.34U₂cosa为外加相电压有效值。由于采用三相不控全桥整流，所以触发移相角a=0,输入为三相380V交流电，故U₂=220V,变换器输入直流电压V₃=2.34×220=520V本装置输入为三相380V交流电，由表3-1可知，选择额定电压交流电压(V)380～440480～575 a为过载系数，一般为2～3;U为输入线电压；w为纹波系数；设效率η为80%,则输入为三相380V,线电压U为380V,r=3,根据U,和|,选择FUJI公司GMB150-120型管子，该型号IGBTUr为1200V,l,为50A,满足本装置应用条件。参照表2-8选择R₂的值为25欧姆。取R。为70欧姆，检查放电电流lan=V/R=V√2R=520/140=3.7A<0.25lc=0.25×18=4.5A计算电阻功耗P=kCV+=0.068×10⁶×310²×30×10³/2=98W第三节偏磁现象及其防止方法由于两个电容连接点A的电位随导通情况而浮动，所以能最大平衡每个IGBT开关的伏秒值。当浮动情况不能满足要求时，通过在变压器原边串联一个电容C₃,其工作波形见图3-5。假定两个IGBT具有不同的开关特性，即在相同的基极脉冲宽度t=t₁作用下T₁较T₂较慢关断，则对T₁连接点处的电压将有影响。图中画有圆点面积A₁和A₂表示了不平衡伏.秒值，其导致原因是T₁的延迟关断。由此可见，如果让这种不平衡的波形驱动变压器，将会发生偏磁现象，致使铁芯饱和并产生过大的集电极电流，从而降低了变换器的效率，使IGBT失控，甚至烧管。二.串联耦合电容的设计在变压器原边线圈中加入一个串联电容C₃后，则与不平衡的伏秒值成正比的直流偏压将被此电容滤掉，即移动了直流电平，这样在IGBT导通期间，就会平衡电压的伏秒值。图3-5在变压器原边串联C₃工作波形图 耦合电容，是一种无极性的薄膜电容器。为了减少电流作用下的升温，必须使用具有较低等效串联电阻的电容器。下面介绍耦合电容的选择方法。分析线路工作可知，一开关导通，电容充电，另一开关导通，则为放电并反向充电。电容上电压有变化率，为使其变化率不致过大，以免产生充放电电压不宜大，要求在(10~20%)V/2为好。式中Vca--充电电压(V);而充电电流和流过开关管的电流相等，其计算公式为：开关频率为30KHZ,设效率η为80%,占空比为0.4;则稳态下流过IGBT的电流为：假设输入电压波动<10%,则恒功率输出下，电流要上升1/1-0.1=1.11倍，故最大集电极电流lc=18×1.11=20A因本电容参与传送功率，需选ESR小的薄膜电容。耐压选为450V,第四节软启动及双倍磁通效应当半桥变换器刚加上电压V₃时，如果驱动脉冲逐渐增加宽度到设定值，而输出电压V。慢慢建立，这个过程叫作软启动。没有软启动功能，可能在负载电流I₀或输入电流I₃上有一个大的冲击电流，负载电压V。超调，更主要的是可能产生双倍磁通效应。所谓双倍磁通是指：启动瞬时饱和的现象，它存在于半桥、全桥和推挽电路中。为了减少绕组的匝数，在半桥、全桥和推挽变压器中因双向磁化，所以在设计中磁感应强度增量值，取单向磁化值的两倍，即其摆幅值在峰一峰之间。稳态工作时，磁芯在tom(关断)时间，因续流作用(输出电感和续流二极管的存在)已经钳位至这个值。磁通在每半周期开始的位置不是在+B就是在-B。最大磁感应强度摆幅值，在稳态半周期将是2B。然而，这种设计存在潜在的问题，例如可能在变换器刚加电V3,开关开始导通及稳态运行下发生瞬变情况之时，可发生磁芯中在双倍磁通。因为原始磁通起始点(当系统第一次接通或在非常轻负载，脉冲宽度很窄)磁偏称非常接近于0,从这个开始点，2B的突变磁通(即峰一峰摆幅)将导致在第一个半周内就磁芯饱和，引起毁坏元件。为了防止这种双倍磁通效应，一是可把工作磁通密度减小，但这样减小磁芯的利用率；二是增加软启动环节，启动减小导通脉冲宽度，直至磁芯在每周期开始工作时，逐渐建立在不是一B,就是+B时为止。本装置为避免双倍磁通效应，采用软启动电路，本装置PWM调制芯片选用的1525A,具有软启动功能，从而有效的避免了双倍磁通效应。第五节高频变压器设计变压器尺寸选择要满足在工作频率下、温升在允许范围内、输出额定功率的要求。变压器的设计包括选用铁芯材料、计算原副边线圈匝数和线径等首先选定磁芯材料。常见的铁芯材料有金属铁芯、铁粉磁芯、和铁氧体磁芯。金属铁芯的特点为磁感应强度高、电阻率低，适用于30KHZ以下频铁粉磁芯的特点为低导磁率、高磁感应强度、低损失，适用于铁氧体磁芯导磁率高、磁感应强度中等、电阻率高、损失低，价格宜高频使用。本装置选用C型铁氧体磁芯。见图3-6所示铁芯示意图。铁芯截面积A。=a×b=2.7×2.7=7.29cm²窗口面积Aw=c×L。=5×2.7=13.5cm²饱和磁通密度B,可取500高斯原边线圈匝数W₁=V₁×10°/4.44×A。×f×B₂V₁=260V,为原边电压；f=30KHZ,为半桥变换器开关频率，取B。为500高斯。W₂=W₁/n=8,24取W₁为54匝；(副边输出电压V₂取40W)效率η=0.8为了尽量减少趋肤效应造成的铜耗，初次级绕组用直径为1mm高强度交股漆包线绕制。图3-6变压器铁芯示意图如本章第二节所阐述，调节变换器占空比，可使输出电压不随负载变化或输入电压变化而变化。这种方法实质是对开关管导通脉宽进行调节和控制，故称脉宽调制法(PWM)。这一节介绍本装置使用的PWMIC片，说明它们如何完成调节功能的，并介绍隔离技术中用到的光电耦合器。一.开关电源系统的隔离技术开关电源一般由两部分组成：一是功率主回路，二是控制回路。本装置离线变换器功率主回路进线与三相380V连接，电压高；但输出回路和控制回路由低压电子元件组成，为了人身和控制回路的安全，功率主回路与输出回路应该电气隔离，即两者不共地。图3-7为两个常见的电气隔离方案。图a是通过变压器T₂隔离；图b采用光耦元件。光耦元件由发光二极管和光敏三极管组成，依靠光传输信号，因此是较好的隔离元件。光耦元件的发光二极管与输出整流滤波器有共地点1;光耦元件的三极管、PWMIC片、功率开关管和市电的整流滤波有共地点。单1地和2地严格分开。2三2王王2市电VoTYo2图3-7两个常见的电气隔离方案上海交通大学硕士学位论文光耦元件的三极管集电极电流le的大小与发光二极管电流lF及光耦转换系数h成正比。即：式中lc-集电极电流(mA)lF—二极管电流(mA)H-光电耦合转换系数当在光敏三极管的发射极串上电阻RL时，可得到控制占空比的信Uout=lcRL光电耦合技术可以大大简化控制电路的设计，为了增加线路负反馈的灵敏度，应尽可能选择h值高的光敏元件。二.PWM开关电源的集成电路(IC)片国外70年代中开始研制集成脉冲调制器，并很快进入实用阶段。其中常见的有美国半导体公司的LM1524系列，美国硅通用公司的SG1524系列及以后的1525、1526系列，德克萨斯公司的TL494系列。国产化后又有GW1524/2524/3524系列。所谓1524系军品，适于—55~125环境温度；2524系工业品，适于-40～85环境温度；3524系民品，适于一10～70环境温度。上述芯片均为第一代PWM集成调制器。它们在各类开关电源中得到广泛的应用，但是由于其开发时间较早，所以有些功能存在欠缺或不足，如无软启动；考虑开关电源组成不同，增加不同附加电路的灵活性较少；在IC满足工作频率的要求下，再不能调节死区的时间；没有低工作电源电压锁定的功能等。为了满足客户更广泛的需要，美国硅通用公司设计了第二代PWM调制芯片。型号为SG1525A适用N沟道；SG1上海交通大学硕士学位论文6633SC1325ARVaafX欠压镇定1525A/27A与第一代1524系列芯片的主要区别在于：内部电路锁定，停止工作(基准源及必要恒流源充电，达到2.5V所经时间为t=2.5V×Cg/50uA,占空比由小到大(<50%)变化。1524引脚4是电流限制监测十，引脚5是电流限制监测一，引脚4、5制脉冲的宽度。当+与一端之间加200mV的限流检测电压时，输出占空比的整定输入信号电压，一般不超过一0.7V到1.0V的输入共模范围。该电路增益较低，控制脉宽时存在较大的延迟，电流开始限制值与实际工作会有一定的差值。的电流限制功能改由引脚10的关断电路实现。实际电路中，10脚接入过流检测信号，过流信号维持时间长时，软启动电容Cg被放电，因此，过流一关闭一放电一重新软启动连成有机配合的作用过程。1524的误差放大器、电流控制器和关闭控制三个信号共用一个反相输入端，现改为增加一个反相输入端，误差放大器与关闭电路各自送至比较器的反相端，这样避免了彼此相互影响，有利于误差放大器和补偿网络工作精度的提高。比较器输出送达PWM锁存器。锁存器由关闭电路置位，由振荡器输出时间脉冲复位，当关闭电路动作，即使过流信号立即消失，锁存器也可维持一个周期的关闭控制，直到下一个周期时钟信号使锁存器复位为另外，由于PWM锁存器对比较器来的置位信号锁存，将误差放大器的噪音、振铃及系统所有的跳动和振荡信号消除了，只有在下一个周期才能重新置位，有利于可靠性的提高。1524的振荡器只有CT、Rr两端，充放电回路相同。1525A/27A中，除CT、Rr两端，增加了放电7、同步端3。Rr阻值决定了内部恒流值对Cr充的放电则由5、7之间外接的Ro决定。充放电回路分开，有利于通过Rp来调节死区时间，因此是重大改进。1525A的振荡频率可表为：f=1/Cr(0.7Rr+3Rp)图3-91525APWM发生电路图3-9为本装置的PWM发生电路，2脚为反馈信号输入，11脚产生驱动电路，驱动半桥式变换器IGBT管工作。在第一章中我们已经详细论述了蓄电池快速充电的理论。本章将讨论如何在本论文中实现蓄电池组的快速充电。第一节常用脉冲快速充电法脉冲快速充电、放电去极化方式发展至今天已形成多种类型：1.定电流、定周期脉冲快速充电法采用该充电法时，充电放电脉冲的幅值、宽度和周期在整个充电过程中均不变，控制较简单，但在充电过程的后期，即充电量接近饱和时，蓄电池的极化现象会越来越严重，容易产生过量充电。2.定电流、定出气率脉冲快速充电法在整个充电过程中，充电电流脉冲的幅值和蓄电池的出气率始终保持不变，但充电电流的脉冲宽度由出气率来控制。充电过程的初期，充电电流可采取略低于初始接受电流，但经过一段时间充电后，其充电电流超过蓄电池可接受电流，蓄电池内将产生较多的气体，出气率显著增加，此时气体检测元件能及时检测出信号迫使充电停止，进行短时脉冲放电，使蓄电池内部的极化作用很快消失，因而出气率下降，始终保持在较低数值，然后继续充电，周而复始。随着充电过程的进行，充电周期不断缩短，脉冲频率不断提高，直至蓄电池达到额定容量。由于本装置是对封闭式蓄电池组进行充电，而封闭式蓄电池组的检测较困难，所以此方式不适用。3.定电流、定电压脉冲快速充电法蓄电池的出气量与它的端电压有十分密切的关系，蓄电池经过一段时间充电后，出气量开始增加，端电压也开始上升，当端电压达到某一值时，蓄电池开始冒气，因此控制蓄电池端电压可以变相控制蓄电池的出气率，这就是定电流、定电压脉冲快速充电法的基本原理。充电过程初期以恒定的大电流连续对蓄电池充电，当端电压上升到蓄电池极化冒气时，电压检测装置发出控制信号，切断充电电路，并使蓄电池短时大电流放电，极化迅速消失，继续大电流充电。随着充入蓄电池的电量不断增加，极化现象加快，充电电流脉冲的宽度逐渐减小，放电脉冲频率加快，当达到一定程度时应结束充电，否则会导致充、放电的高频振荡现象。方案2和3当蓄电池初充或放电量较深时，由于连续大电流充电，会造成蓄电池内部温升过高，对蓄电池寿命有影响。综合上述方法的讨论，提出本装置的脉冲式快速充电法一采用分限电压脉冲快速充电法。一.原理分析考虑到蓄电池初次充电或深度放电因素，定电压充电会产生蓄电池内部温升过高，故采用限电压定电流充电。将电流分成3级，开始充电电流取大，随着充电容量的增加，电压升高，电流等级下降，在保持充电电流脉冲周期不变的前提下，使充电电流的脉冲幅度随蓄电池端电压的升高而分级减小。采用这种方法也可消除充电接近充满时造成的振荡现象及过充电问题。1.在充电过程的初期，充电接受率大的情况下，采用尽量大的电流，本装置的输出功率为3KW,蓄电池组的容量为200AH,考虑装置整体的经济性和蓄电池的接受能力，分为3级，0.3C,0.2C,0.1C充电。放电脉冲设定为0.6C。2.充电电流分级的依据。充电电流的切换是根据蓄电池的端电压来判断的。直接决定切换充电电流大小的因素是充电量的变化，而充电量大小会反映在蓄电池端电压上，根据在工程实践中对蓄电池端电压及充电量多少的经验数据，本装置选取3个端电压数值作为切换电压。当蓄电池端电压U<29V时，采用0.3C速率；当29V<=U<30V时，采用0.2C速3.充电、放电周期见图4-1。整个充放电过程中，周期设定如下：当采用0.3C和0.2C速率充电时，周期设定为12.5S,充电10S,停止1S,放电0.5S,再停止1S。当采用0.1C速率充电时，周期设定为7.1S,充电5S,停止1S,放电0.1S,再停止1S。周期的设定是基于在蓄电池充电的初期，充电电流较大，采用0.5S的放电脉冲放出较多的电量有利于快速取消极化，避免蓄电池组产生析气并使蓄电池内部的温度降低，延长蓄电池的寿命；而采用0.1C的充电速率后，此时蓄电池组已充至85%-90%的电量，接受能力已经大为下降，若充电周期同样采用10S,则面临蓄电池产生极化的危险，所以充电时间从10S降为5S,同样，若放电时间采用0.5S,则又会出现放电量较多，延长蓄电池组充满时间。上述充放电时间的设定是基于大量试验基础上得出的。本系统采用在充电过程中检测端电压的变化来判断蓄电池的充电程度。充电过程中不停的检测蓄电池的端电压，当蓄电池充电至预先设定的电压值时，不是马上停止充电，而是经过2-3次放电去极化后，若蓄电池端电压保持不变，才确认充电量真正达到充足，此时终止放电，结束充电过程。主电路原理图如图4-2所示，KK为充电选择开关，实现浮充和脉冲式快速充电的转换。T3为充电脉冲IGBT管，T4为放电脉冲IGBT管。通过T3和T4的交替开关，实现脉冲式快速充放电。图4-2脉冲式充放电主电路原理图上海交通大学硕士学位论文脉冲周期和脉冲宽度由单片机程序控制，图4-3为单片机原理框图。输入信号包括脉冲式充放电启动信号Start,端电压反馈信号Uo,以及充放电终止信号Stop。输出信号包括控制T3和T4脉冲信号，控制继电脉冲分级、定电流充电的实现由双环反馈实现，外环为电压环，内环为电流环，反馈信号输入包括外环的电压反馈信号和内环的电流皮馈信号，双环反馈系统的输出为FeedbackSingal信号，输入1525A,产生PWM调制脉冲，从而控制半桥式开关电源输出。我们先看该反馈系统在不限流的情况下如何实现半桥式开关电源的稳压功能。输出电压U。+,则A1输出一，A2输入也一，A2输出+,Feedbacksignal+,FeedbackSingal接入1525A的2(+)脚，则PWM信号输出脉冲变窄，输出电压U。一，从而实现稳压功能；反之依然。我们知道蓄电池在充电初期储电量低，内阻小，若加恒定电压在蓄电池上，则会产生较大的充电电流，不光会对蓄电池的寿命产生影响，严重时会引起充电装置的损坏，所以限流是必须的。传统的蓄电池浮充装置只限定装置输出所允许的最大电流，而本装置根据充电不同阶段的要求给出了三档限流。限流的等级选择由图4-2单片机的输出控制继电器K1、K2及K3的线圈导通实现。上海交通大学硕士学位论文当单片机检测到蓄电池端电压U。为29V时，K1线圈导通，则图4-3当单片机检测到蓄电池端电压U。为30V时，则图4-3中K2的常闭触点k2打开，常开触点k22闭合，电流反馈通路从R22变为R33;当单片机检测到蓄电池端电压U。为31V时，不但K3的常闭触点k3打开，同时输出封闭信号Stop,停止脉冲式充放电。当对下一组蓄电池开始充电时，充电启动按钮会对单片机输入Start信号，同时也是单片机复位信号，继电器K1、K2和K3会复位，及初始电流反馈通路始终为R11。R11通路限流为0.3C,R22通路限流为0.2C,R33通路限流为0.1C。电流反馈信号l₀直接接至A2的输入端，从图4-2主电路图可知，电流互感器接在接地点后端，电流反馈信号lA1输出同时接入A2的输入。现在讨论定电流、限电压功能是如何实现的。因为脉冲式充电时蓄电池的充电终止电压为31V,所以空载电压设定值应高于31V,考虑到充电后期蓄电池端电压增加，若要继续保持0.1C的定电流充电，则装置输出电压不可太小，本装置设定空载输出电压为36V。当装置接通开始对蓄电池充电时，由于初始充电状态的蓄电池蓄电量低，端电压低，所以充电电流会迅速上升，同时装置输出端电压会被迅