一種新型恒功率超級電容器快速充電機設計

2 硬件系統設計

　　本設計擬對Maxwell公司的產(chǎn)品BMOD0165(額定電壓為48 V，額定容值為165 F)超級電容模組進(jìn)行充電，系統結構如圖3所示。硬件系統由單相整流電路、雙管正激變換器、電流電壓檢測反饋電路及保護電路等部分組成。系統首先將單相220 V交流電經(jīng)過(guò)整流濾波后得到直流電壓，然后通過(guò)雙管正激變換器實(shí)現降壓，并在電氣上實(shí)現輸入輸出的隔離。引入電流反饋環(huán)節，通過(guò)峰值電流控制實(shí)現恒功率充電。

　　2.1 雙管正激電路

　　雙管正激電路[5]是一種可靠的DC-DC電路，廣泛使用于低壓大電流場(chǎng)合中，雙管正激拓撲如圖4所示。如果電路工作在CCM方式，假定MOS開(kāi)關(guān)管Q1、Q2漏源電容電壓為零，則漏源電壓就能瞬時(shí)變化。如圖5所示，Vgs1、Vgs2是MOS管柵源驅動(dòng)信號，兩者時(shí)序相同，即Q1、Q2同時(shí)開(kāi)通、同時(shí)關(guān)斷。

t0~t1：t0時(shí)刻，Q1、Q2同時(shí)開(kāi)通，變壓器T1原邊電壓為直流母線(xiàn)電壓Vdcin，設變比為1：n，則副邊電壓為Vdcin×n，電壓極性不變。輸出電流線(xiàn)性增大，經(jīng)過(guò)副邊整流管D3、扼流圈后進(jìn)入超級電容。扼流圈存儲能量，此時(shí)，開(kāi)關(guān)管電流is1、is2由副邊反射電流和勵磁電流組成，且線(xiàn)性增大。

　　t1~t2：Q1、Q2同時(shí)關(guān)斷，變壓器T1原邊電流經(jīng)過(guò)原邊續流二極管D1、D2進(jìn)入母線(xiàn)，變壓器磁芯復位，此時(shí)變壓器主側電壓為-Vdcin，則副邊電壓為-Vdcin×n，電壓極性不變。Q1、Q2開(kāi)關(guān)管漏源兩端電壓Vds1、Vds2為Vdcin。此時(shí)，副邊整流管D3截止，扼流圈電流通過(guò)續流管D4續流，輸出電流線(xiàn)性減小，進(jìn)入超級電容。扼流圈釋放能量，此時(shí)，開(kāi)關(guān)管電流is1、is2減小到0。

　　t2~t3：t2時(shí)刻，原邊續流管關(guān)斷，續流結束，變壓器磁芯復位，變壓器T1原邊電壓為零。此時(shí)，Q1、Q2漏源兩端電壓Vds1、Vds2為Vdcin/2。副邊續流仍繼續，t3時(shí)刻續流副邊續流結束，下一個(gè)驅動(dòng)高電平到來(lái)，開(kāi)關(guān)管Q1、Q2開(kāi)通。進(jìn)入下一個(gè)開(kāi)關(guān)周期。

　　2.2 電流電壓雙閉環(huán)控制回路

　　本設計中采用雙閉環(huán)的結構實(shí)現充電電流和充電電壓的控制，使用ST公司的UC3844A控制芯片。UC3844A是一款高性能電流型PWM控制器，其內部結構如圖6所示；內部有一個(gè)誤差放大器和電流放大器可以方便地組建電流電壓雙閉環(huán)，在實(shí)際使用中，為了具有更快的響應速度，可略去誤差放大器，使用電壓調整器TL431和光耦PC817構成電壓反饋。電流環(huán)通過(guò)使用LEM公司的電流傳感器LAH 25-NP來(lái)組建。