便攜式測(cè)試儀器中恒功率蓄電池充電器的研制?

鄒家奇

（海軍駐無(wú)錫地區(qū)軍事代表室 無(wú)錫 214061）

1 引言

電與現(xiàn)代人類社會(huì)息息相關(guān)，是人類生活的源泉，電源是產(chǎn)生電的裝置，隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，電源裝置的需求量日益增長(zhǎng)，因而對(duì)其體積、重量、效率、可靠性和性能等方面提出了更高的要求［1］。在電力系統(tǒng)中，直流系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性及技術(shù)性能直接影響到電網(wǎng)的正常運(yùn)行和設(shè)備的安全；在通信網(wǎng)絡(luò)中，通信的質(zhì)量和效果受到通信電源品質(zhì)的制約，因此人們極為重視電源的質(zhì)量和技術(shù)性能，而研制新型電源也就變得有十分重要的意義［2］。由于不可再生能源日漸枯竭，而太陽(yáng)能、風(fēng)能等新能源的儲(chǔ)備都嚴(yán)重依賴于蓄電池，移動(dòng)型高性能動(dòng)力電池市場(chǎng)發(fā)展迅猛，蓄電池將逐步占據(jù)未來(lái)市場(chǎng)的重要地位。研究發(fā)現(xiàn)電池充電過(guò)程對(duì)電池壽命的影響最大，放電過(guò)程的影響較小。也就是說(shuō)，絕大多數(shù)的蓄電池的損壞是由不良的充電方式造成的。由此可見(jiàn)，一個(gè)高品質(zhì)的充電器對(duì)蓄電池的使用壽命具有舉足輕重的作用。本課題旨在充分利用恒功率源的輸出特征優(yōu)勢(shì)，設(shè)計(jì)一種高效、安全、快速的蓄電池充電器。延長(zhǎng)蓄電池的使用壽命，減少原材料的浪費(fèi)和環(huán)境污染，保證用戶的便利和高效使用，為新能源的優(yōu)化配置創(chuàng)造有利條件。

2 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

系統(tǒng)功率電路采用“高頻隔離+同步整流”的結(jié)構(gòu)體系。雖然高頻變壓器前的電路需要工作在較高的電壓環(huán)境當(dāng)中，對(duì)元器件的要求高、調(diào)試較困難，但是高頻變壓器具有的高功率密度和高轉(zhuǎn)換效率的優(yōu)點(diǎn)，使其有利于系統(tǒng)的小型化和高效化［3］。同步整流采用通態(tài)電阻極低的專用MOSFET代替肖特基二極管實(shí)現(xiàn)低損耗整流，有利于系統(tǒng)的散熱、高效以及延長(zhǎng)使用壽命。整個(gè)系統(tǒng)由輸入電路、功率變換電路、輸出電路和控制電路四部分組成。其系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框圖

輸入電路包含EMI濾波和一次整流環(huán)節(jié)，85V～265V交流電直接經(jīng)EMI濾波和橋式整流后得到脈動(dòng)直流電壓。功率變換電路中高頻電子開(kāi)關(guān)將直流電壓變換成受控的、符合設(shè)計(jì)要求的高頻脈沖電壓，再經(jīng)過(guò)高頻脈沖變壓器變換成合適幅度的脈沖電壓。輸出電路用于將高頻方波脈沖電壓經(jīng)同步整流以及LC濾波后變成直流電壓輸出，此電壓受控于輸入電壓的波動(dòng)和負(fù)載的變化。控制電路將輸出電壓、電流經(jīng)采樣后與電路的基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較、放大成為控制信號(hào)，控制信號(hào)通過(guò)調(diào)整PWM脈寬，使輸出電壓或電流保持恒定。

3 功率電路

功率電路包括功率變換電路和輸出電路，其主要功能是將橋式整流后的脈動(dòng)直流電壓轉(zhuǎn)換為一定幅值的直流輸出，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率起著決定性的作用［4］。功率變換器由電子開(kāi)關(guān)和高頻變壓器組成，等同于一個(gè)隔離DC-DC模塊。輸出電路是穩(wěn)定、低紋波直流輸出的基礎(chǔ)，它通過(guò)二次整流和LC濾波實(shí)現(xiàn)。

3.1 正激式BUCK變換器

正激式BUCK變換器具有拓?fù)浜?jiǎn)潔、輸入輸出電氣隔離、電壓降范圍寬、使用元器件少等優(yōu)點(diǎn)。與反激式相比，其變壓器銅損較低，且副邊紋波電壓和電流衰減明顯，因此被廣泛應(yīng)用于中小功率電源變換場(chǎng)合［5］。由于要求功率變換器提供低電壓、大電流輸出，二次整流損耗將成為變換器的主要損耗之一。為了提高變換器的轉(zhuǎn)換效率，系統(tǒng)改進(jìn)了變換器的結(jié)構(gòu)，采用低導(dǎo)通電阻的MOSFET代替有一定壓降的續(xù)流二級(jí)管進(jìn)行同步整流，改進(jìn)型正激變換器的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 改進(jìn)型正激變換器結(jié)構(gòu)圖

正激變換器必須附加復(fù)位電路來(lái)實(shí)現(xiàn)功率開(kāi)關(guān)截止期間變壓器鐵心磁復(fù)位，以避免變壓器飽和［6］。由于變壓器中的磁場(chǎng)能量可通過(guò)N3泄放，不同于消耗主要在電阻上的RCD磁通復(fù)位電路，因此還可減少發(fā)熱，提高效率。

3.2 同步整流

在低電壓、大電流輸出的功率變換器中，整流損耗是變換器的主要損耗。因此，為了提高變換器的轉(zhuǎn)換效率必須降低整流損耗。系統(tǒng)使用通態(tài)電阻極低的專用MOSFET代替肖特基二極管實(shí)現(xiàn)低損耗整流，即同步整流技術(shù)［7］。同步整流技術(shù)能很大程度地提高DC-DC變換器的轉(zhuǎn)換效率，并且不會(huì)出現(xiàn)因肖特基勢(shì)壘電壓而導(dǎo)致的死區(qū)電壓。MOSFET屬于電壓控制型器件，其導(dǎo)通時(shí)的伏安特性呈線性［8］。用MOSFET整流時(shí)，柵極電壓必須與被整流電壓保持相位同步才能完成整流功能。

為了進(jìn)一步提高電源轉(zhuǎn)換效率，優(yōu)化電路設(shè)計(jì)，本設(shè)計(jì)選用同步整流模塊FPP06R001。FPP06R001是一款正激式專用同步整流模塊，在12V輸出電壓時(shí)有很高的整流效率；模塊化使電路設(shè)計(jì)得以簡(jiǎn)化，減小了電源體積，提高了電路的工作可靠性。將同步整流技術(shù)應(yīng)用于傳統(tǒng)的正激變換器中時(shí)，死區(qū)時(shí)間內(nèi)續(xù)流MOSFET體二極管的導(dǎo)通增加了整流損耗，降低了整流效率，從而降低了變換器的效率［9］。為此，系統(tǒng)采用外驅(qū)動(dòng)方式，解決死區(qū)時(shí)間內(nèi)續(xù)流MOSFET體二極管的導(dǎo)通問(wèn)題，降低整流損耗，提高整流效率。外驅(qū)動(dòng)同步整流正激變換器的電路如圖3所示。

圖3 外驅(qū)動(dòng)同步整流正激變換器結(jié)構(gòu)圖

在電路中，同步整流模塊的驅(qū)動(dòng)信號(hào)來(lái)自主開(kāi)關(guān)管的門極驅(qū)動(dòng)，因此，同步整流管的導(dǎo)通時(shí)間與變壓器的復(fù)位方式無(wú)關(guān)，僅取決于門極驅(qū)動(dòng)信號(hào)的時(shí)間參數(shù)［10］。由圖3可見(jiàn)，當(dāng)從控制電路驅(qū)動(dòng)同步整流模塊時(shí)，Q2的導(dǎo)通時(shí)間達(dá)到最大，不影響在死區(qū)期間通過(guò)二極管D1的磁化電流的導(dǎo)通時(shí)間。在死區(qū)時(shí)間內(nèi)，MOSFET的Q1是關(guān)閉的（對(duì)Q1的門極驅(qū)動(dòng)較低），對(duì)于外驅(qū)動(dòng)的同步整流管，在死區(qū)時(shí)間內(nèi)，二極管D1的導(dǎo)通與自驅(qū)動(dòng)完全相同。為避免MOSFET同時(shí)導(dǎo)通，需在兩個(gè)門極驅(qū)動(dòng)信號(hào)之間加入了死區(qū)延遲。而在延遲期間內(nèi)，因?yàn)闆](méi)有門極驅(qū)動(dòng)信號(hào)作用于MOSFET，MOSFET的體二極管導(dǎo)通，從而增加了導(dǎo)通損耗，并且還增加了反向恢復(fù)的損耗?？刂仆秸黩?qū)動(dòng)的效果主要取決于門極驅(qū)動(dòng)的時(shí)間安排，因此系統(tǒng)在保證電路安全穩(wěn)定的前提下，最大限度地縮短了死區(qū)延遲時(shí)間。

4 控制電路

控制電路以UC3843為核心，采用雙回路控制策略，以實(shí)現(xiàn)快速、準(zhǔn)確的控制，獲得寬范圍、穩(wěn)定的恒功率輸出特性［11］。

驅(qū)動(dòng)電路由高端MOSFET的驅(qū)動(dòng)電路和低端MOSFET的驅(qū)動(dòng)電路組成，由于兩個(gè)驅(qū)動(dòng)電路布局在高頻變壓器的兩側(cè)，兩驅(qū)動(dòng)信號(hào)必須隔離。系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)電路如圖4所示。

圖4 驅(qū)動(dòng)電路

UC3843的輸出級(jí)為圖騰柱式，輸出晶體管的平均值為200mA，最大峰值電流可達(dá)l A，可直接驅(qū)動(dòng)，也可隔離驅(qū)動(dòng)［12］。本電路采用隔離驅(qū)動(dòng)。設(shè)計(jì)時(shí)，盡可能減少M(fèi)OSFET各端點(diǎn)的連線長(zhǎng)度，特別是柵極引線，如無(wú)法縮短，則可在靠近柵極處串聯(lián)一個(gè)小電阻R1以便抑制由MOSFET輸入電容和在柵-源電路中任何串聯(lián)引線電感所產(chǎn)生的高頻寄生振蕩。R2是用來(lái)給柵源間的電容放電，且可防止未使用時(shí)，柵源間電容有電荷積累，造成柵源擊穿，并聯(lián)在R1上的反向二極管D是用來(lái)給MOSFET結(jié)電容放電，加速M(fèi)OSFET關(guān)斷。選取R6為10Ω/0.25W，R7為10k/0.25W，D為1N4148。

5 結(jié)語(yǔ)

對(duì)電源設(shè)計(jì)深入研究的基礎(chǔ)上，本文緊密結(jié)合國(guó)內(nèi)外電源發(fā)展動(dòng)向，根據(jù)要求研制了一款高效、安全、快充、低電磁污染、低紋波的蓄電池充電裝置，同時(shí)具有體積小、功率密度大、工作性能穩(wěn)定等特點(diǎn)。

打破了傳統(tǒng)電源只能恒壓輸出或恒流輸出的工作模式，采用自動(dòng)調(diào)整、電壓負(fù)反饋穩(wěn)定輸出、光耦調(diào)整誤差放大器的放大量，使得通過(guò)MOSFET的峰值電流大為降低，不但為電源的恒流輸出創(chuàng)造了條件，還為功率開(kāi)關(guān)管的管溫、管耗、不受現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境影響產(chǎn)生的高消耗、高污染和優(yōu)化電源電氣參數(shù)性能奠定了基礎(chǔ)。在二次整流部分，采用外驅(qū)動(dòng)型同步整流工作方式，很大程度上提高了整流效率。為了減小整個(gè)電路系統(tǒng)中變壓器和電感線圈的銅損耗，變壓器初級(jí)繞組全部采用多股絞線并繞方法，另外電路中大電感也采用多股絞線并繞法，這一措施有效地降低了器件的銅損耗。