新型高頻開(kāi)關(guān)充電電源研究

3)高頻變壓器原邊繞組在方波脈沖的正負半周都工作，故繞組利用率高。 4)開(kāi)關(guān)管截止期間承受電壓低，僅為輸入直流電壓值。

5)抗不平衡能力強。當開(kāi)關(guān)管特性不一致或導通時(shí)間不一致時(shí)，不會(huì )引起“單向偏磁”現象，這是推挽式和橋式變換器都不具備的一個(gè)突出優(yōu)點(diǎn)。

3高頻開(kāi)關(guān)充電電源控制系統設計

3.1直流系統供電及蓄電池充電對控制系統的要求

1)在電網(wǎng)正常運行時(shí)，高頻開(kāi)關(guān)充電電源向直流系統供電并給蓄電池浮充電，此時(shí)要求輸出電壓有良好的穩壓特性。

2)當蓄電池容量欠虧時(shí)，需進(jìn)行補充充電，為提高充電速度，需采取恒流充電方式，此時(shí)則要求電源有良好的穩流特性。

3)能在一定范圍內實(shí)現對電流、電壓的連續調節。 4)各種充電方式能自動(dòng)轉換。

5)蓄電池充滿(mǎn)時(shí)能自動(dòng)停充。

6)能對電流、電壓、溫度等各種參數進(jìn)行檢測以及作出判斷，并采取相應保護措施。

7)具有四遙功能，即要求在遠方設定參考值、測量充電電流和充電電壓，并且對系統運行方式進(jìn)行遠方控制，還能實(shí)現對工作狀態(tài)和故障信號等的遠方采集。

3.2控制系統組成

如圖2所示，高頻開(kāi)關(guān)充電電源的控制系統主要由取樣電路、信號變換電路、檢測保護電路、PWM信號生成電路和驅動(dòng)電路等組成。取樣電路從主電路的輸出采集電流、電壓等信號，采樣信號與給定值進(jìn)行比較后得到的差值信號經(jīng)過(guò)誤差放大器進(jìn)行放大，以便調整PWM信號生成電路的輸出信號脈寬。檢測保護電路通過(guò)檢測蓄電池的溫度、端電壓變化、出氣率以及輸入、輸出電路的過(guò)壓、過(guò)流等情況，使PWM生

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圖3逆變控制信號的形成原理

成電路改變輸出脈寬或終止脈沖輸出。驅動(dòng)電路用于對PWM信號生成電路的輸出PWM信號進(jìn)行功率放大，以滿(mǎn)足高頻開(kāi)關(guān)管門(mén)(柵)極驅動(dòng)要求，同時(shí)實(shí)現控制電路與主電路的隔離。

3.3逆變控制電路

逆變控制電路包括PWM脈沖形成電路及IGBT驅動(dòng)電路。為了實(shí)現對直流系統的遙信、遙測、遙控和遙調，并且滿(mǎn)足高頻開(kāi)關(guān)充電電源高頻變換控制的要求，本方案采用INTEL公司生產(chǎn)的87C196KC型單片機作為主控芯片。87C196KC軟硬件資源豐富，內含8路A/D轉換輸入通道和3路PWM信號輸出口，速度快、效率高、功能齊全[3]。它不僅能完全取代模擬控制器，方便地實(shí)現PID調節，而且可以通過(guò)改變軟件實(shí)現諸如自適應控制、智能控制等各種新型控制策略。此外，還可利用其通信接口與其他微機進(jìn)行通信，便于實(shí)現遠方監控。

采用87C196KC型單片機，有兩種方法可以實(shí)現PWM控制信號的輸出：其一是通過(guò)PWM信號輸出口。此時(shí)，信號的最高開(kāi)關(guān)頻率為31.25kHz（16M晶振），這樣開(kāi)關(guān)電源實(shí)際能達到的開(kāi)關(guān)頻率為15.625kHz。然而，高頻開(kāi)關(guān)充電電源的開(kāi)關(guān)頻率在20kHz以上，所以這種方法雖然軟件開(kāi)銷(xiāo)小，卻不能滿(mǎn)足高頻開(kāi)關(guān)電源對開(kāi)關(guān)頻率的要求。另一種方法是采用高速輸出口HSO實(shí)現。HSO輸出的PWM信號頻率可調，但控制精度較低，而且軟件開(kāi)銷(xiāo)很大。由上可知，87C196KC輸出的PWM信號都不適宜直接作為高頻開(kāi)關(guān)充電電源的逆變控制信號，因此，本方案采用專(zhuān)用的集成PWM控制器SG3525產(chǎn)生PWM脈沖。其實(shí)現原理如圖3所示。

在圖3中，87C196KC的PWM0口作為模擬輸出接口（D/A轉換）。經(jīng)CPU運算后得到的占空比控制信號由PWM0口輸出，并被轉換電路變換為直流電壓信號，然后再被加到集成PWM控制器（SG3525）的輸入端口上。集成控制器產(chǎn)生兩路相位相反的PWM信號，信號經(jīng)驅動(dòng)電路隔離放大后便可控制高頻開(kāi)關(guān)管（IGBT）的通斷。

SG3525帶有軟啟動(dòng)電路、基準電壓源、誤差放大器、PWM比較器、欠壓鎖定電路、輸出限流和關(guān)斷電路、輸出驅動(dòng)電路等，驅動(dòng)能力達到100mA。在本文的控制方案中，誤差放大器接為電壓跟隨器方式，閉環(huán)控制功能由單片機完成。

驅動(dòng)電路采用EXB841集成芯片[4]。它采用單電源工作，內裝有高隔離電壓（2500V）的光電耦合器、過(guò)流檢測和過(guò)流保護低速切斷電路以及驅動(dòng)電路，其信號延遲最大1.5μs，適用于在40kHz以下頻段工作。其額定工作電壓為25V，光耦合器輸入電流額定值10mA，顯然，SG3525的輸出信號可與之配合。光耦合器的輸出電流為4A，輸出電壓為0～20V，完全能滿(mǎn)足IGBT對柵極驅動(dòng)信號的要求。

4結語(yǔ)

本文針對應用于變電站直流系統的新型高頻開(kāi)關(guān)充電電源展開(kāi)討論，主要介紹了其主電路和逆變控制電路。研究表明，半橋式高頻開(kāi)關(guān)充電電源主電路抗不平衡能力強、變壓器利用率高、輸出功率較大、相應的驅動(dòng)電路不太復雜，是高頻開(kāi)關(guān)充電電源較為理想的主電路形式。以87C196KC型單片機和SG3525型集成PWM控制器為主構成的逆變控制電路響應速度快、控制精度高，具有比較優(yōu)勢。由于采用87C196KC作為主控芯片，充電電源控制系統的各種監控功能齊備，完全能滿(mǎn)足變電站綜合自動(dòng)化技術(shù)對直流系統性能的要求。