新穎的自動恒流放電系統(tǒng)的設計

1、新穎的自動恒流放電系統(tǒng)的設計時間：2010-03-09 20:58:30 來源： 作者：摘要：介紹了采用功率器件、控制和康銅電阻合金為放電電阻的放電系統(tǒng),其放電電流在的大范圍內連續(xù)可調,且有較高的恒流精度,實現(xiàn)了對大容量蓄電池負荷能力和容量的核對性檢測。結果表明,此系統(tǒng)的研制改變了以往蓄電池監(jiān)測設備精度低、可靠性不高的狀況。 關鍵詞： 放電系統(tǒng) 蓄電池作為備用電源在直流系統(tǒng)中起著極其重要的作用,從而在電力、通信、金融、交通等各行各業(yè)中得到廣泛的應用。平時蓄電池組處于浮充電備用狀態(tài),負荷由交流供電,只有當交流電失電時,蓄電池組才向負荷提供能量。為了檢驗蓄電池組的實際容量,保證系統(tǒng)的正常運行,一般

2、情況要對蓄電池組每年進行一次核對性放電。目前在國內市場上的放電設備主要使用可變電阻、電阻盤、碳棒等,而且需要人工調節(jié)放電電流,控制精度低,工作繁復。針對現(xiàn)狀,我們研制了自動恒流放電系統(tǒng)。本系統(tǒng)采用先進的大功率電子器件和PWM脈寬調制控制技術,同時利用康銅電阻合金作為放電電阻,并使放電電流在大范圍內連續(xù)可調,且有較高的恒流精度。該放電系統(tǒng)采用大功率的電子負載和恒流控制技術后,能瞬間承受高達的沖擊電流及長時間恒流負載,以實現(xiàn)對電池負荷能力的檢測和對電池容量的核對性檢測。 主要技術指標如表所示。表 1規(guī) 格HL-48HL-110HL-220使用電壓/V406090145180275放電電流/A440

3、420415恒流精度1%電壓精度0.5%(配合智能蓄電池組監(jiān)測系統(tǒng)使用）尺寸/mm540400130重量/kg8.51 放電系統(tǒng)工作原理 放電系統(tǒng)的組成包括了功率器件部分、集成驅動電路部分、采樣放大、比較、反饋部分。系統(tǒng)原理框圖如圖所示。 根據(jù)設計電流精度要求,利用分流器采樣,分流器的規(guī)格為、。采樣信號經(jīng)濾波,進入精密儀表放大器,是公司生產的精密、低功耗儀表放大器。實際上是一個窗口（雙限）比較器,特別適合微電壓的放大,只要選擇合適的外部增益電阻,就可調到合適的放大倍數(shù)。根據(jù)公式,可算出選的電阻和的精密電位器串聯(lián)即可。 經(jīng)過放大的電壓再經(jīng)一級濾波,濾波后的電壓反饋到的反饋端（的腳）,作為內部比較

4、放大器的取樣電壓。2 控制驅動電路 驅動電路原理圖如圖所示。圖中的是最為流行的開關電源集成控制器,它包括了所有無電源變壓器開關電源所要求的基本功能,如控制、保護、取樣放大的功能,且使用方便靈活,同時在制造上采用常規(guī)的平面工藝?？蔀槊}寬調制式推挽、橋式、單端及串聯(lián)型提供全部控制電路系統(tǒng)的控制單元。它提供電源變壓器開關電源的全部功能,而且增加了取樣比例放大器、限流保護以及內部電路的過流和短路保護。由于采用斜波后沿作為死區(qū)控制,因而節(jié)省了死區(qū)時間控制器;內部基準源既向內、外電路提供基準電壓,又作為內部各部分的工作電壓,并提供輸出電流,輸出晶體管、集電極和發(fā)射極都懸空,這樣使用增加了靈活性。基準源屬于

5、常規(guī)的串聯(lián)式線性直流穩(wěn)壓電源,它向單片內部的斜波發(fā)生器、比較放大器、脈寬調制器、型觸發(fā)器等以及通過腳向外均提供的工作電壓和基準電壓,使斜波發(fā)生器產生幅度在的連續(xù)不對稱三角波,由內部直接輸入到脈寬調制器的同相端。與此同時,斜波發(fā)生器又向下一級的型觸發(fā)器和“或非”門提供一個同步方波脈沖。它們的頻率由、腳的外接電阻和電容所決定,一般可以從調到,由它構成的型開關電源的工作頻率可達。當取樣電壓和基準電壓分別通過、腳送入內部的比較放大器比較放大時,輸出的控制電壓送到脈寬調制器的反向端。脈寬調制器把控制電壓與斜波基準電壓進行比較,輸出一個寬度受控制電壓所調制的方波脈沖,然后同時送往兩個前級“或非”門的輸入端

6、。 工作頻率由、腳的外接電阻和電容所決定,。考慮到對的充電電流為（一般為到）。因此取值為 到。同時腳對地串接有的電容和的電阻,以實現(xiàn)頻率補償,用作內部誤差放大器的相位補償,否則會有自激產生。3 估算發(fā)熱 根據(jù)上述對的分析研究,三棱系列器件是基于第三代技術和續(xù)流二極管技術,為功率電路設計、緩沖電路（吸收回路）設計及熱設計而采用的大功率器件。它的最大允許峰值電壓為;最大通過峰值電流為;時的最大允許功耗為;時結溫的允許范圍為;在規(guī)定條件和額定集電極電流下,的飽和壓降（通態(tài)電壓）（）為;開通和過渡時間為;上升時間為;關斷過渡時間為;續(xù)流二極管的正向壓降為。 由此可知最大導通功耗： （） 而開關損耗 （

7、 則的總功耗 （額定功耗值） 在計算了的總平均功耗后,就可估算表面部分的平均結溫（）,其中為環(huán)境溫度（假設環(huán)境溫度為）,為總平均功耗,（）為標定的結殼熱阻（查的標定結殼熱阻為）,則的表面平均結溫： （） 通過計算可知,不能忽視在運行中所發(fā)生的巨大導通功耗和開關功耗。而這些功耗通常表現(xiàn)為熱,所以必須采用散熱器把這些熱量從功率芯片傳導到外部環(huán)境中去。當把安裝在散熱器上時,還應注意避免安裝受力不均勻,因此使用平面度為的散熱器。為了達到有效地把熱量傳導到外部散熱器,在傳熱界面要選擇使用在工作溫度內性能穩(wěn)定并且在裝置壽命期內性能不發(fā)生變化的導熱硅脂。4 系統(tǒng)保護 由于實際的功率電路線路中總有寄生漏電感,

8、當被關斷時,感性負載中的電流不可能立刻發(fā)生變化,該負載電感兩端產生阻止母線電流減少的電壓（）。它與電源電壓相迭加并以浪涌電壓的形式加在的兩端。在極端情況下,該浪涌電壓會超過的額定值并導致它損壞。在功率回路中引起浪涌電壓的能量與成比例,是母線的寄生電感,是工作電流。由此可見,在使用大電流的器件時更加需要降低功率回路的電感。因此為了得到一種適合大電流工作的低母線電感電路,就需要特殊的母線結構。有交錯鍍銅層和絕緣層構層的迭層母線設計,可以使電感量降低。迭層母線中被絕緣層隔離的寬板用于正極和負極母線的連接,這種寬板起到了防止功率回路中寄生電感的作用。 其次,好的緩沖電路可以有效控制浪涌電壓的關斷和用續(xù)

9、流二極管恢復浪涌電壓,用以減少功率器件的開關損耗。緩沖電路與傳統(tǒng)的雙極晶體管緩沖電路存在兩個方面的區(qū)別：一是具有強大的開關工作區(qū),緩沖電路只需控制瞬態(tài)電壓而不需要保護就可以抑制伴生達林頓晶體管的二次擊穿超限;二是常工作在比達林頓高得多的頻率范圍。三種緩沖電路如圖所示。 緩沖電路“”使用快恢復二極管可箝住瞬變電壓,從而抑制振蕩的發(fā)生。緩沖電路“”的時間常數(shù),應該設為該開關周期的約（）。但對于大功率級別的工作,緩沖電路“”的回路寄生電感將變得很大,以至不能有效地控制瞬變電壓。由于大功率電路需要極低電感量的緩沖電路,而且緩沖電路必須盡可能地聯(lián)到上,設計緩沖電路時,得考慮二極管封裝內的寄生電感和緩沖電

10、容引線的寄生電感。通常,小電容并聯(lián)或二極管并聯(lián)產生的電感量比大的單電容或單二極管產生的電感量更低。 在運行中會有導通功耗與開關功耗發(fā)生。這些功耗通常表現(xiàn)為熱,所以必須采用散熱器把這些熱量從功率芯片傳導到外部環(huán)境中去。如熱系統(tǒng)設計不當,功率器件將過熱并導致?lián)p壞。導通損耗伴隨處于通態(tài)并傳導電流而發(fā)生。導通期間的總功耗是由通態(tài)飽和電壓與通態(tài)電流的乘積來計算的。在的應用中,導通損耗須與占空比因子相乘,從而得到平均功率。導通損耗的一次近似可通過的額定（）值與期待的器件平均電流值的乘積來得到,即。開關損耗是在開通與關斷過渡過程期間的功率損耗。當信號頻率高于時,開關損耗會非常顯著,一定要在熱設計中予以考慮。

11、得到開關損耗的最精確的方法是測量在開關過渡過程中與的波形。將此波形逐點相乘,從而得到功率的瞬時波形,此功率波形下面的面積就是以焦耳脈沖為單位的開關能量,這一面積通常通過作圖積分來計算。總開關能量是開通與關斷過程所耗能量之和,平均開關損耗是由單脈沖總開關能量與頻率相乘得到,即：平均開關功耗()()。而總功耗為導通功耗與開關功耗之和,即。此放電系統(tǒng)也將利用該公式來估算器件的平均功耗。5 的總體可靠性設計 良好的電路布局是保證設備和電路安全運行及長壽命的重要前提,同時工藝限制也對提出了嚴格的要求,應遵循以下幾條原則： 可靠性設計應做到系統(tǒng)集成化、專業(yè)化設計。總體考慮電源地線布置、去耦與排線設計。區(qū)域分配應注意模擬電路、數(shù)字電路、功率器件的布局。 可靠的電源、地線設計應做到模擬、數(shù)字的分別供電,減少地線公共阻抗,防止形成地線回路,同時保證一點接地以及電源入口的去耦設計。 該自動恒流放電模塊可配合智能蓄電池組監(jiān)測系統(tǒng)