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UC3875 的貨源和報(bào)價(jià) UC3875 的相關(guān)技術(shù)信息

其他型號(hào)

基于UC3875 控制的電機(jī)車充電電源設(shè)計(jì)

     摘要: 文中設(shè)計(jì)了一種礦用電機(jī)車的高效自動(dòng)充電電源,闡述了ZVZCS PWM 全橋變換電路的工作過程。以UC3875 為控制芯片,設(shè)計(jì)了電源的控制和保護(hù)電路,并分析了控制和保護(hù)電路的工作原理。最后給出了基于Saber 軟件的電源仿真波形,驗(yàn)證了該充電電源具有恒流- 恒壓輸出特性,是一種比較理想的蓄電池充電電源。

　　以動(dòng)力蓄電池為能源的礦用電機(jī)車是煤礦主要機(jī)電設(shè)備之一,擔(dān)負(fù)著礦井人員、設(shè)備、材料等運(yùn)輸任務(wù),尤其是采區(qū)至掘進(jìn)工作面的運(yùn)輸任務(wù),將直接影響煤礦的安全生產(chǎn)和企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。目前電機(jī)車的電池充電技術(shù)不完善,使用傳統(tǒng)的恒壓或恒流充電方法一般需要大約20 個(gè)小時(shí)才能充滿,嚴(yán)重影響蓄電池的壽命;電池的充電裝置大多采用可控硅SCR 及小容量的GTR , IGB T 等開關(guān)功率器件,效率低、能耗大,存在嚴(yán)重的過充電和析氣等現(xiàn)象。本文設(shè)計(jì)了一種新型的高效充電電源,該電源在充電過程中實(shí)現(xiàn)了DC/ DC 轉(zhuǎn)換電路的ZVZCS PWM 控制,能自動(dòng)完成恒流- 恒壓充電控制的轉(zhuǎn)換,具有輸出過流、過壓以及功率管的過熱保護(hù)功能。

　　1 　充電電源總體設(shè)計(jì)方案

　　充電電源總體設(shè)計(jì)框圖如圖1 所示。市電220 V交流電經(jīng)整流濾波,再經(jīng)高頻逆變電路和高頻變壓器變壓后,整流輸出直流電壓用于蓄電池充電。檢測(cè)信號(hào)和保護(hù)控制信號(hào)均送給由UC3875 構(gòu)成的控制電路,控制電路產(chǎn)生PWM 控制信號(hào)來控制開關(guān)管的導(dǎo)通和截止,從而控制輸出電壓。

圖1 　充電電源總體設(shè)計(jì)方案

　　2 　主電路設(shè)計(jì)

　　該電源主電路如圖2 所示,圖中以直流電Uin代替市電220 V 經(jīng)過整流濾波后的直流電。Q1 ～ Q4 為開關(guān)管,構(gòu)成橋式電路。Cb 為隔直電容,L1k 為變壓器漏感。變壓器TR 和二極管DR1 、DR2 構(gòu)成全波整流。

圖2 　主電路拓?fù)?/P>

　　電感Lf 、電容Cf 構(gòu)成輸出高頻濾波器。圖中Q1 ～Q4均采用IGB T , IGB T 兼有功率MOSFET 和功率GTR 的優(yōu)點(diǎn),是比較理想的開關(guān)器件,為了減少IG2B T 在關(guān)斷時(shí)電流拖尾現(xiàn)象而產(chǎn)生的較大關(guān)斷損耗,主電路采用了ZVZCS 移相全橋軟開關(guān)變換器。其中最核心的高頻變壓器的設(shè)計(jì)采用了Kg (鐵心幾何參數(shù)) 法,并選取原邊繞組Np = 42 匝,實(shí)際取Ns = 23匝。IGB T 采用了Eupec 公司的BSM50 GB60DLC 型號(hào)的IGB T 模塊。

　　移相PWM 控制的基本工作原理為:每個(gè)橋臂的兩個(gè)開關(guān)管(斜對(duì)角的兩開關(guān)管) 180°互補(bǔ)導(dǎo)通,兩個(gè)橋臂的導(dǎo)通之間相差一個(gè)移相角。通過調(diào)節(jié)此移相角的大小,來調(diào)節(jié)輸出電壓脈沖寬度,從而達(dá)到調(diào)節(jié)相應(yīng)的輸出電壓的目的。這種控制方式實(shí)際上是諧振變換技術(shù)與常規(guī)PWM變換技術(shù)的結(jié)合,該技術(shù)使開關(guān)器件在較低的電壓、電流應(yīng)力下實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)。軟開關(guān)ZVZCS ,指的是開關(guān)管在開通或關(guān)斷前管壓降或管中電流已經(jīng)為零,從而實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通損耗和關(guān)斷損耗為零,達(dá)到高效的目的。ZVZCS 的實(shí)現(xiàn)可以簡(jiǎn)單描述為:在Q1 和Q3 導(dǎo)通前,利用C1 和C3 的充放電特性,使Q1 和Q3的反并二極管D1 、D3 自然導(dǎo)通,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)Q1 和Q3 的零電壓關(guān)斷和零電壓導(dǎo)通。隔直電容Cb 在Q1 和Q4導(dǎo)通時(shí)充電,當(dāng)Q1 (或Q3 ) 關(guān)斷, Q3 (或Q1 ) 的反并二極管D3 (或D1 ) 導(dǎo)通后,變換器工作在原邊復(fù)位狀態(tài), Cb上的電壓使變壓器原邊電流ip 減小到零,利用二極管反向截止的作用,實(shí)現(xiàn)Q2 和Q4 的零電流開關(guān)。

　　3 　控制電路設(shè)計(jì)

　　電源采用Unitrode 公司的移相控制芯片UC3875 ,UC3875 是專門為全橋移相電路而開發(fā)的,既可工作在電壓模式,也可工作在電流模式;能輸出驅(qū)動(dòng)能力為2 A 的四個(gè)圖騰柱式的驅(qū)動(dòng)波形;帶有軟啟動(dòng)功能;配有5 V 的基準(zhǔn)電壓;內(nèi)部帶有10 MHz 的誤差放大器。

　　3. 1 　控制電路

　　控制電路如圖3 所示,它主要包含兩個(gè)部分: (1)脈沖產(chǎn)生電路設(shè)置; (2) 平均電流模式閉環(huán)控制設(shè)置。

　　其中,恒流充電時(shí)采用電流閉環(huán)控制,恒壓充電時(shí)采用電壓電流雙閉環(huán)控制。電壓閉環(huán)由運(yùn)算放大器U2A、R1 、R2 、R3 和C2 構(gòu)成,它是一個(gè)PI 調(diào)節(jié)器。反饋信號(hào)uf 經(jīng)電壓跟隨器U1A 輸出,再經(jīng)PI 調(diào)節(jié)和后續(xù)的限幅濾波電路(由Rw1 , Rw2 , DR1 , DR2 ,R4 ,R5 , C2 構(gòu)成) ,其最終輸出接內(nèi)部運(yùn)放的同相輸入端,作為電流閉環(huán)的電流給定信號(hào)。電流閉環(huán)由UC3875 內(nèi)部的運(yùn)算放大器和R7 、R8 、R9 和C5 構(gòu)成,它也是一個(gè)PI 調(diào)節(jié)器,其給定是電壓閉環(huán)的輸出。

　　3. 2 　恒流- 恒壓充電轉(zhuǎn)換過程

　　恒流電路由1 5V電源、R10 、Rw3 及UC3 8 7 5內(nèi)部運(yùn)放構(gòu)成的電流環(huán)組成。

　　恒壓電路由U1A、U2A 以及UC3875 內(nèi)部運(yùn)放電路構(gòu)成。假定輸出電流不變,恒壓過程如下:若某種原因引起輸出電壓升高,則圖3中U1A 的同相輸入端電壓升高,U2A 的輸出電壓降低,即UC3875 內(nèi)部的誤差放大器的同相輸入端的電壓升高,UC3875 輸出相移角變小,輸出電壓降低。

　　為了防止輸出電流超過限定電流,控制電路中設(shè)置了輸出限流電路,圖3 中的if 是由磁環(huán)構(gòu)成的電流互感器檢測(cè)的輸出電流, 圖3 　UC3875 控制電路假定輸出電壓不變,輸出電流限制過程如下:若輸出電流增加, UC3875 內(nèi)部的誤差放大器的反相輸入端的電壓升高,UC3875 輸出相移角變小,輸出電壓降低,減小電流,從而穩(wěn)定電流。

　　恒流- 恒壓轉(zhuǎn)換過程為:剛開始充電的時(shí)候,充電電壓達(dá)不到電壓限定值,充電電流比較大,以防止損壞電池,此時(shí)充電方式選擇開關(guān)連接于上方電路,即在初期選擇恒流充電,此時(shí)只有電流環(huán)起作用。充電電源在電流環(huán)的作用下恒流充電,達(dá)到恒流的輸出控制效果。隨著充電進(jìn)行,充電電壓逐漸上升,而充電電流逐漸回落減小,采用時(shí)間控制的充電方式開關(guān)此時(shí)自動(dòng)連接于下方電路,此時(shí)控制電路主要由電壓電流雙閉環(huán)反饋調(diào)節(jié),輸出由恒流控制方式自動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)楹銐合蘖骺刂品绞?直到充電電壓達(dá)到設(shè)定的極限值,此時(shí)電壓限定在極限值,不再升高,充電電流將急劇降低。

圖3 　UC3875 控制電路

　　4 　檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

　　為了保證電源主電路和控制電路的電氣隔離,設(shè)計(jì)采用了L EM 傳感器檢測(cè)電壓電流。充電控制電路的電流電壓檢測(cè)位置如圖4 所示。設(shè)計(jì)采用了平均電流取樣,這是考慮平均電流控制模式抗干擾性好,電流控制精度高,鋸齒波電感電流本身提供了較合適的斜率,不用進(jìn)行斜率補(bǔ)償就能保證工作穩(wěn)定。而對(duì)電壓控制取樣點(diǎn)設(shè)在蓄電池端(即DR3 后) 。根據(jù)鉛酸蓄電池特性,在充電開始時(shí),充電電流大,蓄電池端電壓升高速度較快,約在整個(gè)充電時(shí)間的1/ 4 時(shí)即可達(dá)到蓄電池的額定電壓,但此時(shí)電壓不能保持,一旦停充會(huì)自行回落,在此狀態(tài)下應(yīng)繼續(xù)保持恒壓充電,直到最后電池端電壓升高到接近單節(jié)鉛酸蓄電池的極限值約2. 36 V 。如果此時(shí)將充電電壓限定在此極限值,不再升高,充電電流將急劇降低,甚至為0 。

圖4 　電流電壓檢測(cè)位置顯示圖

　　5 　驅(qū)動(dòng)和保護(hù)電路設(shè)計(jì)

　　根據(jù)所用IGB T 驅(qū)動(dòng)電路的要求, 本系統(tǒng)選用IGB T 的三菱混合IC 專用驅(qū)動(dòng)模塊M57962L 。電源設(shè)計(jì)了輸出過壓、過流以及開關(guān)管的過熱保護(hù)電路,其設(shè)計(jì)過程類似,在此僅以輸出過壓保護(hù)為例。過壓保護(hù)電路如圖5 所示。根據(jù)電源的設(shè)計(jì)指標(biāo),額定輸出電壓為110 V ,現(xiàn)設(shè)定當(dāng)輸出電壓達(dá)到額定電壓值的110 %時(shí)過壓保護(hù)。此時(shí)由運(yùn)放構(gòu)成的比較器的反相端為給定2. 75 V ,電壓反饋信號(hào)經(jīng)濾波后,送入運(yùn)放的同相端。運(yùn)放正常處于低電平狀態(tài),二極管導(dǎo)通,將UC3875 的5 腳鉗位于低電平。當(dāng)輸出電壓達(dá)到保護(hù)電壓值時(shí),運(yùn)放輸出高電平,二極管截止。R7 ,R8 ,R9 ,構(gòu)成分壓電路, 并將分壓所得2. 5 V 電壓送給UC3875 的5 腳,UC3875 內(nèi)部電流比較器輸出高電平,使輸出驅(qū)動(dòng)脈沖關(guān)斷,同時(shí)將軟啟動(dòng)端6 腳的電平拉到0 。當(dāng)過流故障消除后,軟啟動(dòng)電路重新工作,輸出級(jí)的相移角從0 開始慢慢增大。

圖5 　輸出過壓保護(hù)電路

　　6 　仿真結(jié)果

　　設(shè)計(jì)中,基于Saber 軟件搭建了仿真模型,并給出了仿真結(jié)果。由于兩橋臂是對(duì)稱的,現(xiàn)僅以超前臂開關(guān)管Q3 和滯后臂開關(guān)管Q4 上的波形為例。

　　為了描述Q3 實(shí)現(xiàn)ZVS 的情形,圖6 *給出了3 個(gè)波形(將圖中從上至下3 個(gè)波形依次命名為波形1 、2 、3 ,下同) ,分別為Q3 的C、E 極間電壓波形(波形1) 和Q3 的驅(qū)動(dòng)波形(波形2) 以及兩者的比較圖(波形3) �？梢钥闯霎�(dāng)C、E 極間電壓為零時(shí),發(fā)出關(guān)斷信號(hào),實(shí)現(xiàn)了零電壓關(guān)斷。當(dāng)C、E 極間電壓近似為零時(shí),發(fā)出導(dǎo)通脈沖,基本實(shí)現(xiàn)零電壓開通。

圖6 　超前臂Q3的ZVS

　　為了描述Q4 實(shí)現(xiàn)ZCS 的情形,圖7 中給出了變壓器原邊電流波形(波形1) 和滯后臂開關(guān)管Q4 的驅(qū)動(dòng)波形(波形2) 以及兩者的比較圖(波形3) 。從圖中可以清楚看出當(dāng)變壓器一次側(cè)電流為零時(shí),Q4 發(fā)出導(dǎo)通脈沖,近似為零時(shí),發(fā)出關(guān)斷脈沖。Q4 實(shí)現(xiàn)了零電流導(dǎo)通和零電流關(guān)斷。

　　綜上, 所設(shè)計(jì)電路實(shí)現(xiàn)了超前臂ZVS , 滯后臂ZCS�；�本達(dá)到ZVZCS 的高效電源設(shè)計(jì)目標(biāo)。

　　一般每100 Ah 的蓄電池可以等效為一個(gè)1 . 5 F的電容和小電阻的串聯(lián),為了顯示充電過程的恒流特性,現(xiàn)設(shè)充電電源給100 Ah 的蓄電池充電,并以0. 1C的標(biāo)準(zhǔn)初始充電速率恒流充電,即充電電流為10 A。

　　測(cè)定的輸出電流仿真結(jié)果如圖8 所示�？梢钥闯�,在電流環(huán)的作用下,輸出電流最終可以穩(wěn)定在10 A ,達(dá)到恒流的效果。

圖7 　滯后臂Q4的ZCS

圖8 　恒流充電輸出電流

圖9 　突減負(fù)載時(shí)輸出電壓

　　為了顯示恒壓控制電路的特性并同時(shí)驗(yàn)證控制電路的動(dòng)態(tài)性能,現(xiàn)于10 ms 時(shí)突減負(fù)載,輸出電壓波形如圖9 所示�？梢钥闯�,輸出電壓波形在10 ms 時(shí)有明顯的波動(dòng),但在控制電路的調(diào)控下,很快就趨于平穩(wěn),達(dá)到110 V 恒壓的效果。

　　圖10 給出了突減負(fù)載時(shí)的各個(gè)控制取樣波形：

　　UC3875 內(nèi)部運(yùn)放輸出的電壓波形(波形1) ,電流采樣波形(波形2) 和電壓采樣波形(波形3) 。取樣波形的跟隨性和快速性都較好,由此可見控制電路設(shè)置合理。

　　圖11 顯示了突加負(fù)載直至穩(wěn)態(tài)時(shí)的UC3875 輸出脈沖的移相角,在此只以Q1 和Q4 的驅(qū)動(dòng)脈沖為例,可以看出對(duì)應(yīng)著輸出電壓變大,移相角變小,進(jìn)而控制輸出電壓減小,達(dá)到穩(wěn)定輸出電壓的目的。它反映了UC3875 移相控制的原理。

圖10 　突減負(fù)載時(shí)控制取樣信號(hào)

圖11 　UC3875 輸出脈沖移相角

　　7 　結(jié)束語

　　本文所設(shè)計(jì)電源輸入為單相交流電220 V ±10 % ,50 Hz ,充電對(duì)象為容量為100 Ah～200 Ah 的蓄電池,輸出直流充電電壓為110 V ,輸出直流電流0～20 A 連續(xù)可調(diào)。電源輸出穩(wěn)定,調(diào)節(jié)方便,控制簡(jiǎn)單可靠,是一種比較理想的高效蓄電池充電電源。