畢海泉，李群富，周斌

(河南南車重型裝備有限公司，河南 義馬 472300)

基于軟開關(guān)技術(shù)的三相應(yīng)急電源充電電路設(shè)計(jì)

畢海泉，李群富，周斌

(河南南車重型裝備有限公司，河南 義馬 472300)

提出了一種三相應(yīng)急電源快速充電控制策略，在蓄電池充電初期采用多級恒流充電，且在充電過程中引入窄脈沖放電以消除蓄電池的極化，在充電末期采用恒壓涓流充電。采用移相控制零電壓開關(guān)全橋變換電路對蓄電池充電，降低了電能損耗，提高了效率。仿真結(jié)果證明了理論分析的正確性和可行性。

三相應(yīng)急電源;軟開關(guān)技術(shù);蓄電池

1 引言

隨著工業(yè)和科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，社會生活越來越現(xiàn)代化、信息化，對電的依賴以及對供電質(zhì)量的要求越來越高。突然的斷電必然會給人們的正常生活秩序和社會正常運(yùn)轉(zhuǎn)造成破壞，特別是對于一級負(fù)荷中重要的負(fù)荷，一旦事故發(fā)生中斷供電，必將造成重大的事故和經(jīng)濟(jì)損失。然而，電力故障突發(fā)性強(qiáng)，斷電在所難免，這就需要在市電供應(yīng)中斷時(shí)，提供高性能應(yīng)急電源為設(shè)備提供電能。EPS應(yīng)急電源是以CPU為核心，加上整流充電模塊、逆變放電模塊、旁路切換模塊和蓄電池組成的智能供電模塊，采用電子集成模塊化結(jié)構(gòu)的強(qiáng)弱電一體化系統(tǒng)，是一種高科技環(huán)保產(chǎn)品。它在緊急的情況下作為重要負(fù)荷的第二或第三電源供給，替代了不少場合的柴油發(fā)電機(jī)組和UPS［1］。采用智能芯片控制，維護(hù)簡單，自動(dòng)操作，市電異常時(shí)，一般指市電小于187V或高于242V，自動(dòng)切換，切換時(shí)間小于0.5s，可無人值守［2］;采用 IGBT 逆變橋 PWM 控制，供電電壓穩(wěn)定，逆變頻率穩(wěn)定，波形好;平時(shí)處于睡眠狀態(tài)(浮充)，逆變橋不工作，電能損耗小，放電效率高。主要適用于電梯、消防、安防、應(yīng)急照明、醫(yī)院手術(shù)室和實(shí)驗(yàn)室等重要場合。

2 應(yīng)急電源的工作原理

圖1給出了EPS的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，其主要包括輸入整流充電電路、蓄電池組、逆變器、轉(zhuǎn)換開關(guān)和控制電路組成。工作原理是［3］:(1)當(dāng)市電正常時(shí)，EPS工作在旁路工作狀態(tài)，市電向負(fù)載供電，同時(shí)市電通過整流電路向蓄電池充電;(2)當(dāng)市電出現(xiàn)故障(無市電，市電電壓過高或過低)時(shí)，轉(zhuǎn)換開關(guān)切換到逆變器輸出端，EPS工作在逆變狀態(tài)，由蓄電池經(jīng)逆變器轉(zhuǎn)換成交流電給負(fù)載供電。

圖1 應(yīng)急電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

整流充電是把經(jīng)二極管不控整流得到的直流電供給蓄電池組，補(bǔ)充蓄電池放電后損失的電能。常采用的充電方法有恒壓充電、恒流充電、分階段充電。恒壓充電充電時(shí)間短，能耗低，但不適用蓄電池的初充電和去硫充電;恒流充電可任意選擇和調(diào)整充電電流，但充電時(shí)間長，能耗高;分階段充電法的時(shí)間控制比較簡單，因?yàn)闆]有監(jiān)控蓄電池的實(shí)時(shí)信息，控制比較粗糙[4]。本設(shè)計(jì)中提出了一種快速充電控制策略，在充電初期采用多級恒流充電，且在充電過程中引入窄脈沖放電以消除蓄電池的濃度極化問題，在充電末期采用恒壓涓流充電。

3 充電電路的軟開關(guān)控制

充電電路主電路如圖2所示，系統(tǒng)主要由輸入整流濾波電流、DC/DC全橋變換電路、輸出整流濾波電路、放電能量回饋電路組成。

圖2 充電電路主電路

本系統(tǒng)采用的是移相控制零電壓開關(guān)全橋變換電路［5，6］。這種電路的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，和硬開關(guān)相比，并沒有增加輔助開關(guān)元件，僅增加了一個(gè)諧振電感，使電路中四個(gè)開關(guān)器件在零電壓的條件下開通。其中D1～D4分別是Q1～Q4的內(nèi)部寄生二極管，C1～C4分別是Q1～Q4的寄生電容或外接電容。Lr是諧振電感，它包括了變壓器的漏感。每個(gè)橋臂的兩個(gè)功率管成1800互補(bǔ)導(dǎo)通，兩個(gè)橋臂的導(dǎo)通相差一個(gè)相位，即移相角，通過調(diào)節(jié)移相角的大小來調(diào)節(jié)輸出電壓，Q1和Q3分別超前于Q2和Q4一個(gè)相位，因此稱Q1和Q3組成的橋臂為超前橋臂，Q2和Q4組成的橋臂為滯后橋臂。

從移相控制零電壓全橋變換器的工作原理可以知道，要實(shí)現(xiàn)開關(guān)管的零電壓開通，必須有足夠的能量用來抽走將要開通的開關(guān)管寄生電容(外接電容)上的電荷，同時(shí)給同一個(gè)橋臂關(guān)斷的開關(guān)管的寄生電容(或外接電容)充電，考慮到變壓器的原邊繞組電容，還要有一部分能量用來抽走變壓器原邊繞組寄生電容CTR上的電荷，因此必須滿足下式:

對超前橋臂，在開關(guān)過程中，輸出濾波電感Lf是與諧振電感Lr串聯(lián)的，此時(shí)用來實(shí)現(xiàn)ZVS的能量是Lf和Lr的能量。一般Lf很大，在超前開關(guān)過程中，其電流近似不變，類似一個(gè)恒流源，這個(gè)能量很容易滿足式(1)。

對滯后橋臂，在開關(guān)過程中，變壓器副邊是短路的，此時(shí)整個(gè)變換器就被分成兩部分，一部分是原邊電流改變流通方向，其流通路徑由逆變橋提供;另一部分是負(fù)載電流由整流橋提供續(xù)流回路，負(fù)載側(cè)與變壓器原邊沒有關(guān)系。此時(shí)用來實(shí)現(xiàn)ZVS的能量只是諧振電感中的能量，要實(shí)現(xiàn)ZVS，則必須滿足:

由上式可以看出，超前橋臂容易實(shí)現(xiàn)ZVS，而滯后橋臂比較困難。只要滿足條件使滯后橋臂實(shí)現(xiàn)ZVS，那么超前橋臂就肯定可以實(shí)現(xiàn)ZVS。

4 脈沖放電及能量反饋電路

脈沖放電及能量反饋電路如圖3所示，電路由開關(guān)器件Q5及濾波電感Lf組成，此電路的功能是提供脈沖放電通道并將放電電能反饋到濾波電容Cb，在正脈沖充電末期，為消除充電產(chǎn)生的電池極化現(xiàn)象，DC/DC變換電路的開關(guān)器件全部斷開，存儲在濾波電感Lf中的能量全部轉(zhuǎn)移到電池組中，在負(fù)脈沖放電期間，Q5開通放電通道，蓄電池的放電電能通過Lf反饋到濾波電容Cb中，從而在消除極化現(xiàn)象的同時(shí)也避免了不必要的能量消耗。

圖3 脈沖放電能量反饋電路

5 系統(tǒng)仿真及結(jié)果分析

利用Matlab的Simulink上述設(shè)計(jì)電路進(jìn)行仿真。仿真模型的參數(shù)設(shè)置如下:電網(wǎng)電壓為70V，輸入濾波電容為Cb為1100μF，諧振電感Lr為7μH，輸出濾波電感Lf為900μH，輸出穩(wěn)壓電容為470μF，蓄電池采用一個(gè)電壓源和一個(gè)電阻串連等效。仿真結(jié)果如圖4～6所示。

圖4 移相控制變換電路各橋臂觸發(fā)信號波形

圖5 輸出電壓波形

圖6 移相控制變換電路開關(guān)管Q1的電壓電流波形

由上圖可以明顯看出，通過改變各橋臂的觸發(fā)脈沖的相位來調(diào)節(jié)移相控制零電壓開關(guān)全橋變換電路輸出電壓，同時(shí)由于開關(guān)器件是在零電壓條件下開通，即開通時(shí)開關(guān)器件兩端電壓和流過的電流不發(fā)生重疊，開關(guān)損耗大大降低，效率明顯提高。

6 總結(jié)

由于蓄電池充電過程中存在極化現(xiàn)象，充電電流越大，極化現(xiàn)象越嚴(yán)重，所以要想對蓄電池快速充電比較困難。本文提出了一種快速充電的控制策略，采用移相控制零電壓開關(guān)全橋變換電路，同時(shí)引入脈沖放電及能量反饋，大大減少了開關(guān)器件的損耗，提高了效率，并可以消除充電過程的極化現(xiàn)象。

［1］ 俞先鋒，錢照明，郭志俊．新型三相應(yīng)急電源系統(tǒng)的DSP控制方法［J］．電力電子技術(shù)，2007，41(3):76 －78，96．

［2］ 周莉梅，范明天，張祖平．基于重要用戶的應(yīng)急電源優(yōu)化配置［J］．電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2007，31(6):99 －102．

［3］ 李明月，錢照明，俞先鋒，等．一種三相應(yīng)急電源電路的探討［J］．電力電子技術(shù)，2006，40(1):106 －107，111．

［4］ 周志敏，周紀(jì)海，紀(jì)愛華．閥控式密封鉛酸蓄電池實(shí)用技術(shù)［M］．北京:中國電力出版社，2004，10．

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［6］ 許峰，徐殿國，王健強(qiáng)，等．軟開關(guān)大功率全橋PWM變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的對比分析［J］．電力電子技術(shù)，2002，36(6):51 －53．

Design of Charge Circuit for Three-Phase EPS on the Based on ZVS

BIHai-quan，LIQun-fu，ZHOU Bin
(Henan Nanche Heavy-duty Equipment Co．，Ltd．，Yima 472300，China)

The paper proposed a fast charge control strategy for three-phase EPS，multi-constant current charge was adopted at first stage，the narrow pulse dischargewas used to eliminate battery polarization in the course of charging，constant-voltage trickle charge was adopted at the terminal stage．Because phase-shifted zero-voltage-switching full-bridge converter was introduced to the accumulator charge circuit，the power loss was reduced and the efficiency increased markedly．The simulation results are proved correct and feasible．

three-phase emergency power supply;zero-voltage-switching;accumulator

TM91

B

1004－289X(2013)04－0022－03

2013－02－17

畢海泉(1973－)，男，河南焦作人，工程師，從事機(jī)電設(shè)備的設(shè)計(jì)和研究工作。