超级电容快速初充电电路研究

imit1 与下限幅值Limit2 比较，通过控制开关管的开通和关断，将电流控制在上下限幅之间。图 4 为输入电压波形与电流采样波形图。

　　素提高，当 Limit2=0V 时，可以达到输入电流最高功率因素。

　　3.快速充电电路设计

　　超级电容快速充电部分分为控制电路逻辑设计和主功率部分参数设计。按照上一节所述控制电路逻辑控制部分由于没有现成的控制芯片可以采用，因此采用分离的通用集成芯片即可实现控制部分的设计。

　　3.1 控制电路

　　如果在整流输出侧接入电解电容，可以得到稳定的直流输入电压。由于铝电解电容可能存在失效问题，以及寿命限制，使电路稳定性及工作寿命受到一定的影响，因此在快速充电电路中避免使用输入铝电解电容。将经过整流之后的脉动直流电压，作为上限幅值Limit1 的参照，使输入电流跟随输入电压的波动调整，可以提高输入功率因数。若将下限幅值 Limit2 设置为0，可使功率因数得到进一步的提高，但会增加输出电流纹波量。

　　控制电路原理图如图 5 所示。控制电路由运算放大器 LM358、比较器 LM393 和 RS 触发芯片 CD4043等构成。采用与变压器相同匝比的互感器进行电流检测，互感器的同名端与反激变压器一致。电流检测信号经过 LM358 调理后与电流限幅值 Limit1 与 Limit2进行比较。二个比较器的输出经过触发器 RS4043 锁存后作为 MOSFET 管驱动信号。输出侧电压检测作为充电终止信号，控制 CD4043 使能端。

　　设计指标:

　　充电对象：165F 48V 超级电容组

　　快充要求：

　　充电时间 <20min

　　输入电压 220Vac

　　输出电压 0~24V

　　功率等级 <250W

　　电流纹波 <50%

　　3.2 功率电路

　　根据上述分析可以归纳出超级电容快速充电器的设计步骤为：首先根据超级电容所需要充电的能量，以及充电时间，预估快速充电电路功率等级 Po;根据超级电容对充电纹波电流的限制，计算出开关管工作频率 fsw及开关管开通时间 ton，同时确定检测比例 ki、kv和限幅 Limit2 电压值 Vref;由检测比例 kv、ki与 ton，计算变压器原边电感量 L1;根据超级电容最终充电截止电压，结合功率 MOSFET 管耐压，合理地确定变压器变比 N;根据以上确定的参数循环迭代计算快充充电时间，并校核快充的工作频率及工作功率。如果频率与功率设计不合理，需要重新循环计算。通过应用数学计算工具 MathCAD 编程可进行循环数值计算，可以计算出在充电整个过程中开关频率的变化。

　　4.实验验证

　　为了验证该电路工作情况和设计方法的正确性，根据设计结果搭建了试验平台，对电路原理进行了验证。在 220Vac 输入下为 Maxwell 公司 BoostCAP 系列165F 超级电容组进行充电，图 7 为开关管 DS 端电压和电流检测波形。

　　由图 7 可以看出，检测变压器原副边电流作为开关管开通和关断信号，可实现恒流充电的要求，同时限幅值 Limit1 跟随电网电压变化，可以提高功率因数。图 8 为限幅值 Limit1 跟随电网电压变化，电流互感器输出的包络线与电网正弦波一致。

　　5.结论

　　超级电容在初期使用或者长期静置后，自身存储能量为 0。在将超级电容投入电气设备中使用前，需要对超级电容进行快速充电。本文介绍的超级电容快速充电电路可以适应超级电容初充电时存在的长时间短路要求，并且该电路具有恒流充电、控制简单、输入功率因数高、低成本等优点。

　　参考文献

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