史永胜;王雪丽;李娜;刘言新
【摘 要】In view of the existing problems of charging and discharging device,the compensation circuit is proposed to improve the efficiency of the charging and discharging device. Its working process is simply introduces and the key parts of the main circuit parameter design are completed such as the switch tube,excitation inductance,resonant inductance and resonant capacitance,filter capacitance,etc. Built 868 W,95 kHz experimental platform for testing. The experimental results show that the device can realize the charging and discharging of the battery independently, that is to say,in the charging process the 10 A is charged in a constant current,and the ripple is 4%,then the charge is constant at 90 V,and the ripple is about 0.7%. In the discharge process 10 A is discharged in a constant current. And stable and reliable,and prolongs the service life of the battery.%针对现有充放电装置存在的问题,提出通过补偿电路以提高充放电装置的效率.简单介绍了其工作过程并完成了主电路关键元件的参数设计如开关管、塑料薄膜连续封口机
励磁电感、谐振电感、谐振电容、滤波电容等.搭建了868W,95kHz的实验平台进行实验测试,实验结果表明:该装置可以实现对蓄电池自主充放电,即在充电过程中先以10A恒流充电,其纹波为4%,再以90V恒压充电,其纹波为0.7%.在放电过程中以10A恒流放电,且稳定可靠,延长了蓄电池的使用寿命. 【期刊名称】《电子器件》
【年(卷),期】2018(041)002
【总页数】4页(P329-332)
【关键词】双向DC-DC;高效率;充放电;蓄电池
【作 者】史永胜;王雪丽;李娜;刘言新
【作者单位】陕西科技大学电气与信息工程学院,西安710021;陕西科技大学电气与信息工程学院,西安710021;陕西科技大学电气与信息工程学院,西安710021;陕西科技大学电气与信息工程学院,西安710021
【正文语种】中 文
【中图分类】TM46
近年来,关于增加蓄电池装置的功率密度和提高效率的研究越来越多。这些研究主要集中在两级类型的AC/DC变换器包括AC/DC级即功率因数校正级[1]和DC/DC级,结构如图1所示。在这两部分中,本文主要研究DC/DC级,一些应用[2-5]要求当失去AC线电压后系统应该在一定的时间内保持输出电压,称为维持时间,然而这使DC/DC转换器具有受限的效率和低的功率密度。 图1 两级AC/DC变换器结构框图
目前,我国的蓄电池装置主要分为相控式电源以及开关电源两种,这两种装置已经在通讯网以及电力网中投入工作[6],其中,相控式电源的研究比较早,技术研究也比较成熟,但其中有较大的循环能量[7],使装置产生较大的能量损耗以及充电时间比较长。对于这个问题,很多不同的方法被提出[8-12]。文献[8-10]研究了关于变压器的次级侧维持时间补偿方法。文献[9]提出调节变压器次级侧匝数。在维持时间内,通过增加变压器次级侧匝数,变换器获得比传统变
换器更高的电压增益。然而,额外增加的变压器绕组增加变压器的体积,而且额外的开关管和二极管使变换器具有较低的功率密度,增加了电路的复杂性。文献[11-12]研究了关于系统的控制方法,并且提出在维持时间内通过使用PWM控制方法获得高电压增益。但是,磁化电感的直流偏置电流将会增加变压器的大小,而且其控制方法也比较复杂。本文提出对传统的全桥LLC谐振变换器进行改进,设计了一台86.8 V/868 W的实验样机,以检验其参数设计的正确性和可行性。结构如图2所示。
图2 全桥LLC谐振变换器的拓扑结构
1 补偿电路的工作原理
图2所示是全桥LLC谐振变换器的拓扑结构。
基于基波分析法可以得到LLC谐振变换器的电压增益[13]:
上式为归一化后的表达式,其中LC的谐振频率的谐振频率电感系数k=Lm/Lr,品质因数是副边交流等效负载,Re是交流等效负载,Re=RL,n为原副边匝数比。
从上式可以看出,LLC谐振变换器的电压增益受电感系数k和品质因数Q两个因素的影响。基于此原因设计补偿电路。补偿电路如图1虚线部分所示,在维持时间内保持较大励磁电感Lm的情况下,增加一个开关管与一个电容来获得较大的电压增益。根据输入电压的大小控制开关管Qf的导通和关断以改变谐振电容Cr的值。输入电压V1与基准电压值Vref(其值比额定输入电压要小)进行比较。在维持时间内,输入电压V1下降到基准电压值Vref时,比较器输出高电平,Qf就打开。在正常输入电压范围内,该开关管是断开的,由于开关管Qf的寄生电容Cf比较小,其上的电压几乎与Cra上的电压相等,因此开关管的体二极管是不导通的。Cf与附加电容Crf进行串联,并且Cf与附加电容Crf相比是足够小。所以谐振电容Cr就变成了Cra,即Cr=Cra+Crf//Cf。开关管Qf的寄生电容Cf很小,所以不会影响原电路的运行,这样在额定电压输入时,变换器工作在一个较大的磁化电感下,可减小导通和关断损耗,获得高效率。在维持时间时,该开关管Qf导通,Crf与Cra进行并联,谐振电容Cr就变成了Cra+Crf。这就意味着在维持时间内谐振电容Cr比输入额定电压时要大,因此获得较低的品质因数Q以实现了高增益。除此之外,此补偿电路的控制方法也非常简单,把输入电压充当判断其开关管Qf导通和断开的条件,其控制流程图如图3所示。
图3 补偿电路控制流程图
2 主电路重要参数设计
2.1 设计指标
蓄电池采用6块12 V,15 Ah的铅酸蓄电池串联起来作为蓄电池组。当设置每块蓄电池充电电压为14.3 V时,则本文应将充电电压设置为86.8 V。
在设计该变换器之前,先确定其输入、输出参数和具体性能指标,详细参数为:
输入电压V1为200 V～300 V;输出功率Po为868 W;输出电压V2为86.8 V;输出电流I2为10 A;工作频率fs为95 kHz。
2.2 初级开关管的选择
由于本装置输入的最大电压为300 V,因此MOSFET管所承受的最大电压:
VDS_max=V1_max=300 V
其允许的最小电流为:
考虑一定的裕量,选择Infineon公司的MOSFET:IPW65R080CFD,其耐压值是650 V,常温下其最大导通电流为43.3 A,通态电阻0.08 Ω,正向导通压降为0.9 V。
机器人电主轴家谱管理系统2.3 谐振槽参数设计
2.3.1 励磁电感设计
在传统的LLC变换器中,Lm值的设计通常既要考虑它的最大电压增益,又要考虑初级开关管的ZVS条件。然而,在本文所提出的变换器结构中,由于在维持时间内,通过增加谐振电容Cr来获得最大电压增益,因此Lm值的设计只需要考虑在正常输入条件下初级开关管的ZVS,即Lm的值由下式[14]计算可得:
式中:td为MOS管驱动信号之间的死区时间,Coss为MOS管漏源间的寄生电容。
从上式可以看出,考虑到初级侧开关管小的导通和关断损耗以及ZVS范围,取Lm=644.64 μH。
近视回归镜2.3.2 谐振电感和谐振电容的设计
隧道隔音降噪施工由于励磁电感Lm的值一定,所以谐振电感Lr的值就由电感系数k值决定,即k=Lm/Lr。一般情况下,在正常输入时LLC变换器需要选择一个中低k值以获得较窄的开关频率范围,所以要选择一个中低k值。在正常输入时LLC变换器一般被设计工作在谐振频率fr附近,谐振电容Cr就由谐振电感Lr决定,即考虑到较大值Lm和中小值电感系数k,本文提出,在维持时间内仅通过增加Cr的值就能够满足最大电压增益。通过这种方法,在正常输入时电感系数k值的选择只需考虑工作频率范围和效率。在考虑工作频率范围时,谐振电感Lr的值不能太大。大的谐振电感会导致磁芯损耗和导通损耗的增加。根据补偿电路的工作原理和所需要的电压增益来选择Crf的值。
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