【導讀】目前，在國內(nèi)市場上應用的充電電源主要有磁飽和充電機、晶閘管整流器和高頻開關充電電源等三類，其中前二者技術成熟，推廣應用的時間已久，使用面也很廣。但由于受控制技術和元器件特性的限制，仍存在許多不足之處。
高頻開關技術是采用高頻功率半導體器件和脈寬調(diào)制（PWM）技術的新型功率變換技術。開關電源的逆變單元工作在高頻開關狀態(tài)。由于工作頻率高，電路中濾波電感及電容的體積可大大縮小；同時，高頻變壓器取代了工頻變壓器，則變壓器的體積減小、重量降低；另外,由于開關管高頻工作，功率損耗小，因而開關電源效率高。開關管一般采用PWM控制方式，穩(wěn)壓穩(wěn)流特性較佳。將高頻開關技術應用于充電電源，不但有利于充電電源的小型化和高效化，而且易于產(chǎn)生極性相反的高頻脈沖電流，從而實現(xiàn)蓄電池脈沖快速充電。本文運用高頻開關技術，設計了針對變電站直流系統(tǒng)的新型高頻開關充電電源。
高頻開關充電電源主電路設計
高頻開關充電電源的主電路主要由輸入整流、輸入濾波、高頻逆變、輸出整流、輸出濾波等環(huán)節(jié)構成。按照高頻交流信號與輸出直流信號間的耦合方式不同，可將主電路中的直流變換器（DC/DC）分為隔離型和非隔離型兩大類。其中非隔離型DC/DC變換器又分為降壓式(Buck)、升壓式(Boost)、升降壓式(Buck?boost、Cuk)等幾種電路結構，隔離型DC/DC變換器又可分為單端正激式(Forward)、單端反激式(Flyback)、推挽式(Push?pull)、半橋式(HalfBridge)、全橋式(Bridge)等電路形式。
主電路選取原則
首先設定充電設備的運行方式為設備與蓄電池組并聯(lián)連接于直流母線上，正常運行時，充電設備承擔經(jīng)常性負荷，同時向蓄電池浮充電以補充其自放電的損失。
根據(jù)開關電源的結構特征，結合蓄電池的使用性能及其充放電特性，并考慮到直流系統(tǒng)運行電壓的要求，確立了以下高頻開關充電電源主電路的選取原則：
1)充電電源額定輸出電壓應為蓄電池組標稱電壓的1.5倍以上，額定輸出電流應大于蓄電池組的額定充放電容量，同時還要滿足直流系統(tǒng)正常運行時控制母線和合閘母線所需功率容量;
圖1：半橋式高頻開關充電電源主電路
圖2：高頻開關充電電源控制系統(tǒng)框圖
2)輸出電流、電壓在一定范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)，并具有較好的穩(wěn)流、穩(wěn)壓特性;
3)使用高頻變壓器以隔離電網(wǎng);
4)變壓器線圈和磁芯利用率高、效率高;
5)輸入、輸出電流連續(xù)，以減輕輸入、輸出濾波任務，縮小裝置體積和降低對電網(wǎng)的損害;
6)具有較強的抗不平衡能力。
主電路選型
依據(jù)上述選取原則，經(jīng)過對各類型開關電源主電路的分析比較，作者選取由雙端半橋式DC/DC變換器構成的功率變換電路作為高頻開關充電電源的主電路形式，如圖1所示。
此電路中，EMI濾波器主要用于抑制交流電網(wǎng)與直流變換電路之間的高頻噪聲干擾。D1～D6構成三相橋式不可控整流電路，將380V交流電轉換為直流電，C0作濾波用，C1、C2、S1、S2、D01、D02構成半橋式DC/AC變換器，將直流電壓逆變?yōu)楦哳l交流方波電壓，并經(jīng)高頻變壓器T送出。D7、D8、L、C3構成變壓器次級整流濾波環(huán)節(jié)。GB為蓄電池，S3為控制蓄電池放電的開關管，R為放電電阻。充電電壓V0與開關管S1、S2工作的占空比及變壓器次初級線圈匝數(shù)比成正比，即V0=•VC0(1)
式中：tON為開關管在一周期內(nèi)的導通時間；
T為開關周期。
因此，通過改變開關管的占空比就可調(diào)節(jié)輸出電壓。
充電時，S1、S2交替導通相等時段，以便產(chǎn)生等寬方波脈沖。放電時，關斷S1、S2，觸發(fā)S3導通，則蓄電池可通過電阻R放電，放電時間由S3導通時間決定。
半橋式高頻開關充電電源主電路的主要特點是：
1)輸出功率可達幾kW，可滿足蓄電池充電的要求。
2)只有兩只開關管進行功率變換，簡化了驅動電路設計（相對全橋式電路而言）。
3)高頻變壓器原邊繞組在方波脈沖的正負半周都工作，故繞組利用率高。
4)開關管截止期間承受電壓低，僅為輸入直流電壓值。
5)抗不平衡能力強。當開關管特性不一致或導通時間不一致時，不會引起“單向偏磁”現(xiàn)象，
這是推挽式和橋式變換器都不具備的一個突出優(yōu)點。
高頻開關充電電源控制系統(tǒng)設計
直流系統(tǒng)供電及蓄電池充電對控制系統(tǒng)的要求
1)在電網(wǎng)正常運行時，高頻開關充電電源向直流系統(tǒng)供電并給蓄電池浮充電，此時要求輸出電壓有良好的穩(wěn)壓特性。
2)當蓄電池容量欠虧時，需進行補充充電，為提高充電速度，需采取恒流充電方式，此時則要求電源有良好的穩(wěn)流特性。
3)能在一定范圍內(nèi)實現(xiàn)對電流、電壓的連續(xù)調(diào)節(jié)。
4)各種充電方式能自動轉換。
5)蓄電池充滿時能自動停充。
6)能對電流、電壓、溫度等各種參數(shù)進行檢測以及作出判斷，并采取相應保護措施。
7)具有四遙功能，即要求在遠方設定參考值、測量充電電流和充電電壓，并且對系統(tǒng)運行方式進行遠方控制，還能實現(xiàn)對工作狀態(tài)和故障信號等的遠方采集。
控制系統(tǒng)組成
如圖2所示，高頻開關充電電源的控制系統(tǒng)主要由取樣電路、信號變換電路、檢測保護電路、PWM信號生成電路和驅動電路等組成。取樣電路從主電路的輸出采集電流、電壓等信號，采樣信號與給定值進行比較后得到的差值信號經(jīng)過誤差放大器進行放大，以便調(diào)整PWM信號生成電路的輸出信號脈寬。檢測保護電路通過檢測蓄電池的溫度、端電壓變化、出氣率以及輸入、輸出電路的過壓、過流等情況，使PWM生成電路改變輸出脈寬或終止脈沖輸出。驅動電路用于對PWM信號生成電路的輸出PWM信號進行功率放大，以滿足高頻開關管門(柵)極驅動要求，同時實現(xiàn)控制電路與主電路的隔離。
圖3：逆變控制信號的形成原理
逆變控制電路
逆變控制電路包括PWM脈沖形成電路及IGBT驅動電路。為了實現(xiàn)對直流系統(tǒng)的遙信、遙測、遙控和遙調(diào)，并且滿足高頻開關充電電源高頻變換控制的要求，本方案采用INTEL公司生產(chǎn)的87C196KC型單片機作為主控芯片。87C196KC軟硬件資源豐富，內(nèi)含8路A/D轉換輸入通道和3路PWM信號輸出口，速度快、效率高、功能齊全[3]。它不僅能完全取代模擬控制器，方便地實現(xiàn)PID調(diào)節(jié)，而且可以通過改變軟件實現(xiàn)諸如自適應控制、智能控制等各種新型控制策略。此外，還可利用其通信接口與其他微機進行通信，便于實現(xiàn)遠方監(jiān)控。
采用87C196KC型單片機，有兩種方法可以實現(xiàn)PWM控制信號的輸出：其一是通過PWM信號輸出口。此時，信號的最高開關頻率為31.25kHz（16M晶振），這樣開關電源實際能達到的開關頻率為15.625kHz。然而，高頻開關充電電源的開關頻率在20kHz以上，所以這種方法雖然軟件開銷小，卻不能滿足高頻開關電源對開關頻率的要求。另一種方法是采用高速輸出口HSO實現(xiàn)。HSO輸出的PWM信號頻率可調(diào)，但控制精度較低，而且軟件開銷很大。由上可知，87C196KC輸出的PWM信號都不適宜直接作為高頻開關充電電源的逆變控制信號，因此，本方案采用專用的集成PWM控制器SG3525產(chǎn)生PWM脈沖。其實現(xiàn)原理如圖3所示。
在圖3中，87C196KC的PWM0口作為模擬輸出接口（D/A轉換）。經(jīng)CPU運算后得到的占空比控制信號由PWM0口輸出，并被轉換電路變換為直流電壓信號，然后再被加到集成PWM控制器（SG3525）的輸入端口上。集成控制器產(chǎn)生兩路相位相反的PWM信號，信號經(jīng)驅動電路隔離放大后便可控制高頻開關管（IGBT）的通斷。
SG3525帶有軟啟動電路、基準電壓源、誤差放大器、PWM比較器、欠壓鎖定電路、輸出限流和關斷電路、輸出驅動電路等，驅動能力達到100mA。在本文的控制方案中，誤差放大器接為電壓跟隨器方式，閉環(huán)控制功能由單片機完成。
驅動電路采用EXB841集成芯片[4]。它采用單電源工作，內(nèi)裝有高隔離電壓（2500V）的光電耦合器、過流檢測和過流保護低速切斷電路以及驅動電路，其信號延遲最大1.5μs，適用于在40kHz以下頻段工作。其額定工作電壓為25V，光耦合器輸入電流額定值10mA，顯然，SG3525的輸出信號可與之配合。光耦合器的輸出電流為4A，輸出電壓為0～20V，完全能滿足IGBT對柵極驅動信號的要求。
本文針對應用于變電站直流系統(tǒng)的新型高頻開關充電電源展開討論，主要介紹了其主電路和逆變控制電路。研究表明，半橋式高頻開關充電電源主電路抗不平衡能力強、變壓器利用率高、輸出功率較大、相應的驅動電路不太復雜，是高頻開關充電電源較為理想的主電路形式。以87C196KC型單片機和SG3525型集成PWM控制器為主構成的逆變控制電路響應速度快、控制精度高，具有比較優(yōu)勢。由于采用87C196KC作為主控芯片，充電電源控制系統(tǒng)的各種監(jiān)控功能齊備，完全能滿足變電站綜合自動化技術對直流系統(tǒng)性能的要求。
