梅建偉,姜木霖,劉杰,魏海波
(湖北汽車工業(yè)學(xué)院電氣與信息工程學(xué)院,湖北十堰442002)
車載直流電源是將車上電池高壓直流轉(zhuǎn)換為低壓直流的一種直流變換器,特殊的使用環(huán)境要求電源變換器能適應(yīng)寬范圍的環(huán)境溫度的變化,同時車載電源的設(shè)計受到電池供電的制約,其性能的優(yōu)劣直接關(guān)系到車載電器電子設(shè)備能否安全可靠地工作,因此效率高、體積小、質(zhì)量輕的開關(guān)電源在車載直流變換裝置中應(yīng)用非常廣泛。傳統(tǒng)車載開關(guān)電源采用電壓型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),其存在輸出濾波電感較大、變壓器存在磁通不平衡等問題,本文提出的一種車載直流變換裝置采用電流饋電拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),體積小、可靠性高,具有一定的實用價值。
前期研制的車載直流變換裝置,采用電壓型推挽全橋逆變器,輸出使用全波不可控整流,實現(xiàn)DC-AC-DC的轉(zhuǎn)換,其主電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1 電壓拓?fù)渫仆烊珮蚪Y(jié)構(gòu)圖
該電壓型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),輸出電壓通過單獨的電壓檢測電路來檢測和直接控制電路來實現(xiàn)的恒壓控制的。在測試過程中主要存在以下問題[1-2]:
1)當(dāng)輸入電池電壓變化時會引起開關(guān)管導(dǎo)通時間的調(diào)整,輸出電壓的響應(yīng)只有等到輸出變化反饋到誤差放大器時才會發(fā)生,對輸入電池電壓變化的即時響應(yīng)速度較慢。
2)電流檢測時,輸出電流的平均值等于輸出濾波電感電流的平均值,占空比的調(diào)節(jié)實質(zhì)上改變了電感的峰值電流,就造成控制時恒定峰值電流實際需要是恒定電流,閉環(huán)調(diào)節(jié)時電路易產(chǎn)生振蕩。
3)由于輸出電流大,要求紋波小,造成輸出濾波電感的體積大且發(fā)熱嚴(yán)重。
4)易產(chǎn)生偏磁現(xiàn)象,特別是在重載時,在恒壓與恒流進行切換的瞬間產(chǎn)生偏磁現(xiàn)象而造成開關(guān)管的擊穿。
針對上述電壓型拓?fù)渫仆烊珮蚪Y(jié)構(gòu)在采用電壓模式控制時產(chǎn)生的問題以及前期樣機的實驗結(jié)果,課題中設(shè)計的電流拓?fù)潆p閉環(huán)控制的電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。
圖2 電流拓?fù)渫仆烊珮蚪Y(jié)構(gòu)圖
該電路結(jié)構(gòu)輸入直流側(cè),使用較大的電感L1將直流電壓源轉(zhuǎn)換成直流電流源,防止偏磁現(xiàn)象的發(fā)生,同時省去了原有的輸出電感L1,緩解了電路開關(guān)管導(dǎo)通瞬間的問題,沒有電壓型全橋電路共同導(dǎo)通問題,提高了電路的可靠性和控制特性。
工作時其等效電路為Boost型DC-DC變換器,采用硬件控制模式,電感電流工作在CCM工作模式,其電路如圖3所示。
圖3 等效電路圖
本系統(tǒng)中采用電流型控制芯片KA3846作為電源的控制芯片,利用模擬取樣電路獲得輸出實時電壓值作為電壓外環(huán)的反饋電壓,利用取樣電阻采集開關(guān)管的峰值電流作為電流內(nèi)環(huán)的反饋電流,采用硬件PI算法,改變KA3846的輸出脈沖的寬度,從而改變輸出側(cè)的直流電壓,控制原理圖見圖4。
圖4 控制原理圖
1)輸入電壓為120~180 VDC,輸出電壓為14.2~14.4VDC,輸出功率為600W。
2)輸出紋波電壓(峰-峰值)不大于1V,電壓精度不大于1%,滿載效率不小于92%。
3)具有軟啟動功能,輸入過壓欠壓保護、過熱保護、輸出過流保護、輸出短路保護、輸入輸出反接保護功能,輸出不接電池不啟動等功能。
正常工作時,開關(guān)管承受的最大正向電壓為
最大的漏極電流為
高頻變壓器隔離的開關(guān)電源效率與開關(guān)頻率密切相關(guān),經(jīng)實際測試在開關(guān)頻率為48kHz時效率最高,結(jié)合車載電源的特殊要求,選用NMOS管IXFH30N50P作為DC變換器的開關(guān)器件[3-4]。
變壓器的最大輸出電壓為
全波整流時二極管承受的電壓為
功率單元中全波整流二極管可能承受的最大平均電流為
此時二極管的工作頻率
選用DSSK60-015A作為全波整流二極管[3]。
推挽全橋電路采用雙端電流型開關(guān)電源控制芯片KA3846,是雙列16腳封裝專用芯片。為了抑制電路中的振蕩,采用斜率補償技術(shù),取自振蕩電容的電壓與開關(guān)管的電流取樣電壓進行疊加,設(shè)計時使得自振蕩電容的電壓斜率等于輸出電感電流下降斜率的一半,此時輸出電感電流的平均值與開關(guān)管的脈沖寬度無關(guān),解決了只恒定電感峰值電流而不是恒定電感平均電流而造成的問題,其控制和補償電路如圖5所示。
圖5 控制電路圖
電流信號的采集通過檢測開關(guān)管的峰值電流實現(xiàn)的,4腳的電壓是由電流信號和補償信號組成的,由于R49、R55與R41、R56并聯(lián),因此實際的斜率補償信號發(fā)生了改變,實際4腳的電壓信號由2個部分組成:開關(guān)管的峰值電流;電阻式分壓補償電路產(chǎn)生的電壓,其大小與8腳的振蕩電壓以及分壓比例有關(guān),此時分壓比例為
由于實際控制信號的頻率是固定不變的,故4腳的振蕩電壓的波形是不會發(fā)生改變的,由此可知電阻式分壓補償電路產(chǎn)生的電壓是固定不變的。由以上的分析可知,控制時電流信號是由上面兩部份信號組成的。[5-6]
由于采用電流型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),在圖2中保證開關(guān)管Q1,Q2的脈沖必須有一定的重疊區(qū)才能保證可靠換相,KA3846輸出脈沖為A、B兩路相位相差1800的脈沖,其最大占空比為46%,輸出驅(qū)動電路將兩路脈沖同時反相放大,驅(qū)動開關(guān)管Q1和Q2。
圖6中,Uo、Io是輸出電壓和輸出電流反饋,其中U1A的1腳是電流外環(huán)的輸出做為電壓內(nèi)環(huán)的參考值,R3、C1是電流環(huán)的反饋補償環(huán)節(jié),R14、C13是電壓環(huán)的反饋補償環(huán)節(jié),線性光藕U7的輸出是U14的5腳輸入,該輸入電壓是調(diào)節(jié)脈沖寬度的控制電壓。[5]
圖6 雙閉環(huán)控制電路圖
為了保證車載開關(guān)電源可靠工作,設(shè)計了電源的保護電路,包括:輸入過壓/欠壓保護、輸出過流保護、輸出過壓保護、輸出短路保護、空負(fù)荷保護、電池反接保護以及過熱保護,設(shè)計的保護電路的結(jié)構(gòu)框圖,如圖7所示。
通過硬件檢測電路對輸入信號進行采集,將電路運行狀態(tài)轉(zhuǎn)換為開關(guān)信號,電路運行狀態(tài)正常時,開關(guān)信號K為0,當(dāng)出現(xiàn)故障時,開關(guān)信號K為1,此時將KA3846的脈沖關(guān)閉,同時將繼電器斷開,電路停止工作。硬件不斷檢測故障是否排除,當(dāng)故障排除后,系統(tǒng)經(jīng)過一定時間的延時再重新合上繼電器,同時打開KA3846的脈沖,系統(tǒng)自動重新啟動。
圖7 保護電路結(jié)構(gòu)圖
系統(tǒng)部分測試波形如圖8所示。
1)圖8b所示,必須保證全橋推挽逆變器的兩個MOSFET管的驅(qū)動脈沖波形有一定的重疊角,才能使其可靠換相。
2)由圖3的等效電路可知,可以通過改變脈沖的占空比來調(diào)節(jié)輸出電壓的大小,實現(xiàn)系統(tǒng)的閉環(huán)控制。
3)由圖8c所示,通過將車載電池高壓直流經(jīng)過DC-AC-DC轉(zhuǎn)換實現(xiàn)低壓直流輸出。
圖8 測試波形
針對前期研制電壓饋電拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的缺點,本課題設(shè)計的車載開關(guān)穩(wěn)壓電源采用電流拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),利用KA3846作為主控芯片,采用電壓外環(huán),電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制策略,實現(xiàn)恒壓或者恒流輸出。該電源具有體積小、性能可靠、輸出電壓穩(wěn)定的特點,適合于電動汽車仍沿用原有汽車電器的電池供電12 V線束系統(tǒng),具有比較廣闊的應(yīng)用和推廣前景。
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