电动汽车车载智能快速充电器设计方案

2.2.3 半桥变换器功率管的选择
　　设计中，采用半桥式拓扑，开关管Q1 和Q2上的电压即为变换器的输入电压，有下式成立：

　　

　　二极管D2 和D6 上的电压为：

　　

　　整流二极管D3 和D5 上的电压为：

　　

　　流过开关管的最大电流值为：

　　

　　式中： Io 为负载电流； L f 为变压器原边漏感。

　　

　　图4半桥变换器驱动波形的产生示意图

　　由以上计算分析， 功率管Q1 和Q2 选择型号为FCH47N60的MOS管， 可承受600V 的电压和47A的电流， 整流二极管选择型号为MRB40250的肖特基管，其正向平均电流为40A， 反向耐压最大为250V.
　　2.2.4 吸收回路及滤波回路的设计
　　为解决关断时器件的过压问题， 在图3 中由D1， R1， C4 组成RCD 缓冲器， 通过减缓Q1 漏源极电压的上升速度使下降的电流波形同上升的电压波形之间的重叠尽量小， 以达到减小开关管损耗的目的。
　　同理由D4， R4， C8 对Q2 的关断过程进行保护。
　　在输出整流二极管之后采用LC 滤波电路减小输出电流电压纹波。滤波电感L1 的作用是使负载电流的波动减小，滤波电容C5 的作用是使输出电压的纹波减小。当负载突减时， 滤波电容储能； 负载突增时，电容C5 上的储能首先向负载补充能量，以减小输出电压的峰- 峰值。
　　2.3 控制保护电路
　　控制保护电路主要完成3个功能：①控制充电系统按照当前的设定的输出电压电流值产生占空比可变的PWM波， 对开关管进行驱动， 实现功率变换；②当出现过压、欠压、过流、过温等故障时， 控制充电电源的主回路停止工作， 从而将电源的损坏程度控制在最小范围； ③ 在充放电过程中，对相应的电压、电流、温度等参数实时显示。
　　2.3.1 驱动信号的产生
　　驱动信号的产生过程如下： 将电阻分压获取的输出电压信号以及电流霍尔传感器采集的输出电流信号送至SG3525的误差放大器的反相输入端， 由其产生两路PWM 方波信号， 6N137对该方波信号光耦隔离， 并送至FAN7390 进行功率放大和波形转换， 以驱动半桥变换器。该部分的设计中主要涉及到以下关键技术：
　　①振荡频率及死区时间的设置。
　　参考SG3525 的有关设计资料， SG3525振荡电路的输出是频率减半的互补方波信号， 该充电器的设计中， 后级电路的变换频率设计为50kH z， 故SG3525 正当电路的工作频率设置为100kH z.如下式：

　　

　　死区时间的设定为：

　　

　　当设定电路振荡频率为50kH z， 死区时间为3？？3？？s时， 该部分元件参数的取值为：

　　

　　②反馈补偿网络的设计。
　　为满足系统稳定性和静态误差的要求， 该部分设计采用无静差的PI调节器作为补偿网络。由于充电器的负载是铅酸蓄电池， 蓄电池的电压和内阻在充电过程中会发生变化， 这样我们反馈控制中PI调节器难度增大， 由理论推导的RC 参数值参考价值不大。对于这个PI调节器， 我们更注重从实验的角度出发， 反复尝试得到一个比较适合的网络。
　　经过反复的实验验证， 我们采用含有Ⅱ 型误差放大器的正激变换器反馈补偿网络。为防止电压和电流环同时起作用时的系统振荡， 我们在补偿网络的设计中， 通过提高比例积分环节中积分环节的作用， 同时加大时间常数， 使得补偿网络在整个系统中占主导地位， 从而使闭环系统更像一个一阶惯性环节， 使系统能够很好地稳定下来， 抵抗各种扰动引起的电压和电流波动。
　　③半桥驱动自举电路的设计。
　　由于半桥变换器上桥臂MOSFET的源极接下端开关管而处于悬浮状态， 需要同步的自举电路来抬升栅极驱动电压。在该设计中由R1、D1、C2 组成自举电路， 对上桥臂高端栅极驱动电路进行供电。
　　自举电容的选择为：

　　

　　式中： Qg 为MOSFET栅极提供的电荷。
　　自举二极管D1 选择时应该遵循其击穿电压大于Uin、恢复时间足够快的原则， 以减少自举电容反馈给电源Vcc的电荷。
　　自举电阻R1 的取值不能太大（一般为5 ~10 ） ， 否则会增加VBS时间常数。
　　2.3.2 保护电路的设计
　　保护电路具有过压、欠压、过流、过温等保护功能， 在出现上述故障时， 控制系统首先对故障的紧急程度进行判断， 当出现过欠压或者过温警示信号时， 实行限制输出功率保护方案； 在出现过流、短路等故障时， 控制主电路停止工作， 保护充电电源免受损坏。要使系统正常工作， 需要重新开机。
　　2.3.3 单片机控制部分介绍
　　该系统的总体控制采用NEC 的F0881单片机作为充电器的“智能”中心， 对充电过程进行控制。
　　由于采用智能充电， 铅酸蓄电池每个阶段所需的充电电压和充电电流都不同， 则在充电时该单片机对电池端的电流电压信号进行采集，分析处理， 模糊推理、模糊决策等， 根据不同的状态采用对应的慢脉冲快速充电方法以及保证在各充电阶段之间的稳定切换。对出现的各种故障和报警信号进行处理。该部分还包括对电流、电压和温度的采集以及显示等。