超级电容快速初充电电路研究

　　超级电容具有功率密度高，充放电时间端，循环寿命长，工作温度范围宽等显著的优点，适合应用在大功率能量流动的场合。超级电容容值通常达到几千法拉，但是可耐受的电压低，在实际使用时必须大量串联使用[1]。同时，超级电容自漏电速率大大超过锂电池等传统的化学储能元件，无法长期保存能量，这要求超级电容在初次使用，或者长期静置再次投入电气设备使用之前需要进行快速的初充电，使超级电容内部维持一定的能量[2]。

　　超级电容快速初充电与电池充电技术有很大的不同，电池制造完成后，内部存储有一定的化学能，电　池端压随着电池内部能量的储存和释放只在较窄的范围内变化[3]。而超级电容的储能方式为电场储能，能量以电荷的形式存储的电容器内部，因此在充电前期存在短路状态，且会存在长时间接近短路充电状态。针对这种长时间的短路充电状态，必须要对充电电流进行限制，否则会引起短时间大电流冲击，对充电电路造成不可恢复的损坏。同时，超级电容内部等效串联电阻 ESR(ESR, Equivalent Series Resistance)造成的发热问题限制了超级电容的充放电电流，大电流冲击也会对超级电容性能造成影响。充电电流的纹波也是造成超级电容发热的原因之一，因此，超级电容快速充电技术要求对充电电流的纹波进行限制，减小超级电容的发热，同时可以减少损耗，提高效率[4]。超级电容组的容值从几十法拉到几百法拉之间，将合适的能量在一定的时间内存储在超级电容组内，超级电容快速充电需要保持基本不变的充电电流，使整个充电过程中超级电容电压上升速度比较均匀[5][6]。

　　本文研究了一种基于反激变换器的快速充电电路

　　[1]，对该电路工作原理、设计过程进行了详细的分析，设计了实验电路，对电路原理和性能进行了实验验证。

　　2 快充电路工作原理

　　图 1 为基于反激变换器的超级电容快速充电电路拓扑及控制框图。包括输入整流桥，反激变压器，串联在原边的开关器件，副边续流二极管，电流传感器，副边隔离电压检测及控制 PWM 信号产生电路。与传统的反激电路相比，该超级电容快速充电电路去除了输入端滤波电解电容，增加了电路的可靠性;将电流检测电阻改为磁耦合检测，降低损耗，并且可以同时检测变压器原边和副边电流，用以限制副边充电电流;副边电压隔离检测，用以控制超级电容充电截至电压。主电路工作原理基本上与反激电路原理类似，但是控制电路结合超级电容初充电特性进行了设计，以满足超级电容初次充电时长时间短路限流充电的要求。

　　图 2 中 A 为电流检测(Current Sensor)波形。用与变压器相同的比例检测原边电流和变压器副边电流，由于变压器原副边与匝比成反比，检测电流成为连续的电流波形。电压比较器(Voltage Comparator)，将检测电流值与限幅值 Limit1 比较，当原边电流值>=限幅值 Limit1 时，产生信号 B，以产生驱动信号关断功率管。功率管关断，原边电流耦合至变压器副边绕组，副边等效电路如图 3 所示。副边电感 L2将能量释放至超级电容中，当副边电流下降至某一电流值，电流检测(Current Sensor)输出值下降至限幅值 Limit2时，产生信号 C，以产生开通驱动信号，功率管开通，副边二极管阻断，输入电压 Vin加在原边电感两端，电感电流上升，当电流值再次上升至限幅值 Limit1 时，关断功率管，依此逻辑进行控制。副边超级电容在功率管关断时进行充电。在充电开始阶段，超级电容电压很低，变压器副边电流下降缓慢，开关频率很低(通常低至数百赫兹)，如图 2 第一阶段所示。随着超级电容电容电压的上升，副边电流下降速度加快，开关频率增加，如图 2 第二阶段所示。当超级电容电压增加至充电截止电压时，此时开关频率最高(通常设计为初始频率的 10~20 倍)。通过限幅值的设计，可以对工作频率范围进行调整。与传统的反激电路不同，该电路不需要频率发生器，整个充电过程中，工作频率自动调整。

　　由于超级电容电压的升高，快速充电电路工作频率增加，增加速率近似为线性变化。输出电流平均值随着超级电容电压升高及工作频率的增加会有所下降，但是通过合理的设计可以使输出电流 IC变化范围控制在 5%以内，可以看作为近似的恒流充电。根据超级电容充电特性

　　也可以看作为线性增加。整个超级电容快速充电过程为平滑变化的曲线。通常超级电容组模块电压为 24V 或者 48V，容值为 30F~165F。因此设计超级电容快速充电电路，设计指标可以按照 48V，165F超级电容组为对象进行设计。

　　2.2 控制电路工作原理

控制电路通过同时采样变压器原边电流 IL1和副边电流 IL2，将采样电流与上限幅值 L