韓冬林， 徐琤穎， 陳　愚

(天津中德應(yīng)用技術(shù)大學(xué)，天津300350)

基于超級(jí)電容的后備式UPS系統(tǒng)設(shè)計(jì)

韓冬林， 徐琤穎， 陳愚

(天津中德應(yīng)用技術(shù)大學(xué)，天津300350)

采用高性能數(shù)字信號(hào)控制器dsPIC33FJ16GS504和新型的電源管理芯片XL4501，完成了基于超級(jí)電容的后備式UPS系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)，給出了超級(jí)電容充電管理電路和UPS逆變控制電路設(shè)計(jì)方法，討論了基于數(shù)字信號(hào)控制器芯片的算法程序流程，并且用樣機(jī)驗(yàn)證了設(shè)計(jì)。

超級(jí)電容；后備式UPS；dsPIC33FJ16GS504；XL4501

在UPS電源中，儲(chǔ)能系統(tǒng)是一個(gè)重要的角色，影響到UPS體積、壽命及成本，常見為鉛酸電池模塊，具有價(jià)格便宜、穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)，但廢棄時(shí)需要回收，否則會(huì)造成環(huán)境污染[1]，大量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)資料表明，目前12 V系列鉛酸蓄電池其平均使用壽命大約只有3～4年[2]，因此UPS電源的環(huán)保安全問題值得進(jìn)一步加深研究，傳統(tǒng)的以鉛酸蓄電池模塊作為儲(chǔ)能單元的UPS電源系統(tǒng)需要尋找長(zhǎng)壽命、環(huán)保型的儲(chǔ)能元件。超級(jí)電容器是近幾十年來，國(guó)內(nèi)外發(fā)展起來的一種介于常規(guī)電容器與化學(xué)電池二者之間的新型儲(chǔ)能元件，它具備傳統(tǒng)電容器的放電功率，同時(shí)也具備化學(xué)電池儲(chǔ)備電荷的能力[3]，超級(jí)電容具有極其優(yōu)良的充放電性能，在額定電壓范圍內(nèi)，可以以極快的速度充電至任意電壓值，放電時(shí)則可以釋放出所存儲(chǔ)的全部電能，而且沒有蓄電池快速充電和放電的損壞問題[4]，此外,超級(jí)電容還具有內(nèi)阻小,充放電效率高(90%以上)，循環(huán)壽命長(zhǎng)(幾萬至十萬次)，無環(huán)境污染等獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)[5]。基于超級(jí)電容器的優(yōu)良特性，本文設(shè)計(jì)了一種后備式UPS系統(tǒng)，給出了超級(jí)電容充電管理電路、推挽式DC-DC轉(zhuǎn)換電路、全橋逆變整流電路硬件方案，討論了基于數(shù)字信號(hào)控制器芯片的算法程序流程，實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化電源管理系統(tǒng)軟硬件的多參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1　超級(jí)電容充電管理電路設(shè)計(jì)

1.1超級(jí)電容特性分析

本設(shè)計(jì)采用凱美能源公司的高功率HP型超級(jí)電容器作為儲(chǔ)能單元，型號(hào)為HP-2R7-J407UY-LR，該超級(jí)電容器單體的外形尺寸為35mm(直徑)×62mm(長(zhǎng)度)，額定電容量為400 F，額定工作電壓為2.7 V，直流內(nèi)阻為20 mΩ，1 kHz下的交流內(nèi)阻為10 mΩ，額定工作電流為60 A，最大工作電流為108 A，24 h漏電流僅為4 mA，最大能量為405 mWh，能量密度為5 790 mWh/kg，最大功率為91.1 W，常溫25℃條件下充放電循環(huán)工作壽命可達(dá)100萬次。HP-2R7-J407UY-LR超級(jí)電容器單體的循環(huán)壽命曲線如圖1所示[6]。

圖1　HP-2R7-J407UY-LR超級(jí)電容器單體循環(huán)壽命曲線

分析以上技術(shù)數(shù)據(jù)可以得出HP系列超級(jí)電容器的主要特性如下：

(1)器件體積小，電容量大。

(2)電容器內(nèi)阻小，充放電損耗小，具有很高的充放電效率。

(3)允許大電流工作，可以快速充放電循環(huán)工作，大電流能量循環(huán)效率高。

(4)常溫條件下可以達(dá)到百萬次的循環(huán)工作壽命。

(6)超級(jí)電容器的能量密度雖然顯著高于普通的電解電容器，但是還遠(yuǎn)未達(dá)到鉛酸蓄電池的能量密度等級(jí)。

(7)超級(jí)電容器的額定工作電壓較低，需要采用電容器串聯(lián)的方法構(gòu)成儲(chǔ)能單元組件，串聯(lián)的超級(jí)電容器組件需要加有串聯(lián)均壓裝置才能正常工作。

1.2恒流源充電電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)選用XLSEMI公司的XL4501作為超級(jí)電容器恒流限壓充電控制芯片，該芯片是一款高效降壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器，可工作在8～36 V直流輸入電壓范圍，內(nèi)部集成恒流源控制環(huán)路和功率MOSFET，固定150 kHz的PWM開關(guān)頻率，輸出電壓從1.25～32 V可調(diào)，最大5 A開關(guān)電流輸出，芯片最小工作壓差僅為0.3 V，主要應(yīng)用于充電電源和大功率LED驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)。XL4501芯片內(nèi)部功能如圖2所示[7]。

圖2　XL4501芯片內(nèi)部功能圖

XL4501芯片的FB管腳為輸出電壓反饋輸入端，可以通過外部電阻分壓網(wǎng)絡(luò)檢測(cè)輸出電壓值并進(jìn)行PWM占空比的調(diào)整，芯片內(nèi)部參考電壓值VREF為1.25 V。XL4501芯片的CS管腳為輸出電流檢測(cè)引腳，通過調(diào)整外部電流檢測(cè)電阻的阻值就可以限定最大輸出電流值。

XL4501恒流源限壓充電電路如圖3所示。在本設(shè)計(jì)中，由于采用了6個(gè)串聯(lián)工作的超級(jí)電容器作為儲(chǔ)能單元，每個(gè)電容器的額定電壓為2.7 V，所以充電電壓最大值限定為16.2 V。圖3中充電電路的最大輸出電壓VOUT計(jì)算公式如下[7]：

圖3　XL4501恒流源限壓充電電路圖

因?yàn)殡娐分械腞1=1 kΩ，R2=12 kΩ，VREF=1.25 V，所以最大輸出電壓VOUT計(jì)算值為16.25 V，滿足6個(gè)串聯(lián)工作的超級(jí)電容器最大充電電壓限定值的要求。圖3中充電電路的輸出電流IOUT計(jì)算公式如下[7]：

因?yàn)殡娐分械腞3=30 mΩ，VCS=110 mV，所以最大輸出電流IOUT計(jì)算值約為3.67 A，超級(jí)電容器儲(chǔ)能單元的充電電流被限制在3.67 A以內(nèi)。

1.3串聯(lián)均壓電路設(shè)計(jì)

超級(jí)電容器在生產(chǎn)制造過程中，存在著工藝和材質(zhì)的不均勻問題，同批次同規(guī)格的電容在內(nèi)阻、容量等參數(shù)上存在著某些差異，因此超級(jí)電容器組件在使用時(shí)需要加有串聯(lián)均壓裝置，來提高組件的能量利用率和安全性[8]。本設(shè)計(jì)選用TOREX公司的XC61CC2702MR作為串聯(lián)均壓電路控制芯片，該芯片是一款高精度低功耗電壓檢測(cè)器，電壓檢測(cè)精度高達(dá)1%，溫度漂移特性低至100 PPM/℃，適用于微處理器復(fù)位電路和電池充電電壓檢測(cè)電路設(shè)計(jì)。XC61CC2702MR芯片內(nèi)部功能如圖4所示[9]。

圖4　XC61CC2702MR芯片內(nèi)部功能圖

XC61CC2702MR芯片的檢測(cè)電壓額定值為2.7 V，與超級(jí)電容器單體的額定電壓相匹配，當(dāng)圖3中的VIN達(dá)到2.7 V以后，芯片的圖騰柱電壓輸出管腳VOUT電平翻轉(zhuǎn)。超級(jí)電容器串聯(lián)均壓電路如圖5所示。

圖5　XC61CC2702MR串聯(lián)均壓電路原理圖

如圖5所示：超級(jí)電容器單體C1上的充電電壓由XC61CC2702MR芯片的VIN管腳檢測(cè)。當(dāng)電容單體上的充電電壓低于2.7 V時(shí)，XC61CC2702MR芯片的輸出管腳VOUT為低電平0 V，MOSFET開關(guān)Q1截止；當(dāng)電容單體上的充電電壓高于2.7 V時(shí)，XC61CC2702MR芯片的輸出管腳VOUT為高電平，輸出電壓值為VIN，MOSFET開關(guān)Q1導(dǎo)通，超級(jí)電容器單體C1上的多余的電荷經(jīng)R1～R3限流后泄放掉，從而保證了串聯(lián)超級(jí)電容器組件中每個(gè)單體上的充電電壓均衡在額定工作電壓2.7 V附近。Q1選用了TOREX公司的低驅(qū)動(dòng)電壓型功率MOSFET開關(guān)，型號(hào)為XP161A1355PR，該器件的門極驅(qū)動(dòng)電壓僅為1.5 V，從而保證了當(dāng)電容單體上的充電電壓高于2.7 V時(shí)Q1能夠可靠導(dǎo)通。

2　UPS逆變電路設(shè)計(jì)

2.1推挽式DC-DC轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

推挽式DC-DC轉(zhuǎn)換電路工作原理如圖6所示。當(dāng)Q1導(dǎo)通時(shí)，輸入電流從+VIN通過變壓器T1初級(jí)的上半繞組饋入，經(jīng)過MOSFET開關(guān)Q1進(jìn)入輸入電源地端，此時(shí)變壓器T1次級(jí)的整流二極管D1截止、D2導(dǎo)通，次級(jí)的感生電壓經(jīng)過D2和L1給輸出電容C2充電；當(dāng)Q1截止并經(jīng)過PWMH/PWML驅(qū)動(dòng)脈沖死區(qū)延時(shí)后，Q2開始導(dǎo)通，輸入電流從+VIN通過變壓器T1初級(jí)的下半繞組饋入，經(jīng)過MOSFET開關(guān)Q2進(jìn)入輸入電源地端，此時(shí)變壓器T1次級(jí)的整流二極管D1導(dǎo)通、D2截止，次級(jí)的感生電壓經(jīng)過D1和L1給輸出電容C2充電，如此循環(huán)往復(fù)，實(shí)現(xiàn)DC-DC轉(zhuǎn)換功能。推挽式DC-DC轉(zhuǎn)換電路的輸出電壓VOUT計(jì)算公式如下：

式中：N2/N1為變壓器T1的次級(jí)/初級(jí)匝數(shù)比；DUTY為PWMH/PWML驅(qū)動(dòng)脈沖的占空比(0%～50%)。

圖6　推挽式DC-DC轉(zhuǎn)換電路工作原理圖

推挽式DC-DC轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)中有2個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)需要考慮，其一是MOSFET開關(guān)Q1和Q2不允許同時(shí)導(dǎo)通，PWMH和PWML驅(qū)動(dòng)脈沖導(dǎo)通切換時(shí)必須要加入死區(qū)時(shí)間控制；其二是Q1和Q2的器件耐壓值至少要高于工作電壓兩倍以上才能保證正常工作時(shí)不被擊穿。在本設(shè)計(jì)中，推挽式DC-DC轉(zhuǎn)換電路的VIN為6個(gè)串聯(lián)工作的超級(jí)電容器儲(chǔ)能單元的輸出電壓，理論上VIN的最大值為16.2 V，所以選用FAIRCHILD公司的N溝道MOSFET開關(guān)FDP2532，該器件的耐壓值為150 V，工作電流79 A，導(dǎo)通電阻16 mΩ，完全能夠滿足DC-DC轉(zhuǎn)換電路中Q1和Q2的器件耐壓設(shè)計(jì)要求，另外本設(shè)計(jì)采用MICROCHIP公司的dsPIC33FJ16GS504數(shù)字信號(hào)控制器作為主控芯片，該芯片內(nèi)部集成了高速PWM功能模塊，支持多種PWM工作模式和輸出形式，非常適用于電源轉(zhuǎn)換應(yīng)用。dsPIC33FJ16GS504芯片內(nèi)部的PWM模塊具備4個(gè)獨(dú)立的PWM發(fā)生器，提供8路PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出管腳，支持標(biāo)準(zhǔn)邊沿對(duì)齊輸出模式和推挽互補(bǔ)輸出模式，最高死區(qū)分辨率1.04 nS[10]，完全滿足本設(shè)計(jì)對(duì)于DC-DC轉(zhuǎn)換電路PWMH/PWML驅(qū)動(dòng)信號(hào)控制的要求?；赿sPIC33FJ16GS504數(shù)字信號(hào)控制器的推挽式DC-DC轉(zhuǎn)換器控制算法流程如圖7所示。

如圖7所示：控制算法軟件首先根據(jù)推挽式DC-DC轉(zhuǎn)換器的額定輸出電壓設(shè)定控制程序參考電壓VREF，并且通過dsPIC33FJ16GS504數(shù)字信號(hào)控制器內(nèi)部的采樣保持電路(S&H)和模數(shù)轉(zhuǎn)換電路(ADC)，將DC-DC轉(zhuǎn)換器的實(shí)際輸出電壓VOUT數(shù)字化并讀取到控制程序，然后計(jì)算出誤差電壓數(shù)值(Voltage Error)，經(jīng)過PID程序計(jì)算出所需要的PWM信號(hào)的占空比(DUTY)，最后通過PWMH/PWML管腳輸出PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)給MOSFET開關(guān)Q1和Q2，推動(dòng)變壓器T1工作，實(shí)現(xiàn)推挽式DC-DC轉(zhuǎn)換器閉環(huán)算法控制功能。

圖7　基于數(shù)字信號(hào)控制器的推挽式DC-DC轉(zhuǎn)換器算法流程圖

2.2全橋逆變整流電路設(shè)計(jì)

全橋逆變整流電路工作原理如圖8所示，當(dāng)Q1/Q4導(dǎo)通、Q2/Q3截止時(shí)，輸入電流從+VIN通過MOSFET開關(guān)Q1正向饋入變壓器T1初級(jí)繞組，再經(jīng)過MOSFET開關(guān)Q4進(jìn)入輸入電源地端，此時(shí)變壓器T1次級(jí)的整流二極管D1導(dǎo)通、D2截止，次級(jí)的感生電壓經(jīng)過D1和L1給輸出電容C2充電；當(dāng)Q1/Q4截止、Q2/Q3導(dǎo)通時(shí)，輸入電流從+VIN通過MOSFET開關(guān)Q3反向饋入變壓器T1初級(jí)繞組，再經(jīng)過MOSFET開關(guān)Q2進(jìn)入輸入電源地端，此時(shí)變壓器T1次級(jí)的整流二極管D1截止、D2導(dǎo)通，次級(jí)的感生電壓經(jīng)過D2和L1給輸出電容C2充電，如此循環(huán)，實(shí)現(xiàn)全橋逆變整流功能。全橋逆變整流電路的輸出電壓VOUT計(jì)算公式如下：

式中：N2/N1為變壓器T1的次級(jí)/初級(jí)匝數(shù)比；DUTY為PWM1H/PWM1L和PWM2H/PWM2L驅(qū)動(dòng)脈沖的占空比(0%～50%)。

圖8　全橋逆變整流電路工作原理圖

基于數(shù)字信號(hào)控制器的全橋逆變整流電路設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于正弦波輸出電壓、輸出電流的實(shí)時(shí)采樣與PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)占空比實(shí)時(shí)調(diào)整之間的控制算法設(shè)計(jì)與優(yōu)化，基于dsPIC33FJ16GS504數(shù)字信號(hào)控制器的全橋逆變整流器控制算法流程如圖9所示。

如圖9所示：控制算法軟件首先根據(jù)程序中的正弦波查找表得到第一個(gè)正弦波電壓參考值 (Sinusoidal Reference)，并且通過dsPIC33FJ16GS504數(shù)字信號(hào)控制器內(nèi)部的采樣保持電路(S&H)和模數(shù)轉(zhuǎn)換電路(ADC)，將正弦波輸出電壓和輸出電流的實(shí)際值讀取到控制程序，然后計(jì)算出誤差電壓數(shù)值(Voltage Error)，經(jīng)過PI程序計(jì)算出所需要的正弦波電流參考值(Current Reference)，并將該數(shù)值與實(shí)際輸出電流的反饋值(Current Feedback)相比較，計(jì)算出誤差電流數(shù)值(Current Error)，最后由P調(diào)節(jié)器程序計(jì)算出PWM驅(qū)動(dòng)脈沖的占空比數(shù)據(jù)，通過PWM1H/PWM1L和PWM2H/PWM2L管腳輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)給MOSFET開關(guān)Q1/Q4和Q2/Q3，推動(dòng)全橋逆變整流輸出電路工作，如此循環(huán)往復(fù)，實(shí)現(xiàn)了正弦波輸出電壓、輸出電流的實(shí)時(shí)采樣與PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)占空比實(shí)時(shí)調(diào)整之間的軟硬件協(xié)同控制功能。

圖9　基于數(shù)字信號(hào)控制器的全橋逆變整流器算法流程圖

3　結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的基于超級(jí)電容器的后備式UPS系統(tǒng)樣機(jī)采用了高性能的數(shù)字信號(hào)控制器dsPIC33FJ16GS504和新型的電源管理芯片XL4501，實(shí)現(xiàn)了對(duì)超級(jí)電容器充電管理電路和UPS逆變控制電路的優(yōu)化設(shè)計(jì)。該樣機(jī)已經(jīng)通過了工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明：基于超級(jí)電容器的后備式UPS系統(tǒng)非常適用于嵌入式工業(yè)控制計(jì)算機(jī)中對(duì)于掉電后實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)備份存儲(chǔ)的應(yīng)用需求，相比于以鉛酸蓄電池作為儲(chǔ)能單元的傳統(tǒng)UPS電源，以超級(jí)電容器作為儲(chǔ)能單元的新型UPS電源系統(tǒng)在使用壽命和環(huán)保性能方面均占有明顯優(yōu)勢(shì)。

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Design of backup UPS system based on super capacitors

HAN Dong-lin,XU Zheng-ying,CHEN Yu
(Tianjin Sino-German University of Applied Sciences，Tianjin 300350，China)

Using high performance digital signal controller dsPIC33FJ16GS504 and a new type of power management chip XL4501,completed hardware and software designs of backup UPS system based on super capacitors,listed the design method of super capacitor charge control circuits and UPS inverter control circuits,discussed the algorithm program flow of digital signal controller,at last using prototype verify the design.

super capacitor;backup UPS;dsPIC33FJ16GS504;XL4501

TM 53

A

1002-087 X(2016)10-2036-04

2016-03-20

韓冬林（1966—），男，天津市人，正高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)閭鞲衅髋c電控技術(shù)。