一种新型的自动恒流放电系统的研制

摘要：介绍了采用IGBT功率器件、PWM控制和康铜电阻合金为放电电阻的放电系统，其放电电流在4～20A的大范围内连续可调，且有较高的恒流精度，实现了对大容量蓄电池负荷能力和容量的核对性检测。结果表明，此系统的研制改变了以往蓄电池监测设备精度低、可靠性不高的状况。

蓄电池作为备用电源在直流系统中起着极其重要的作用，从而在电力、通信、金融、交通等各行各业中得到广泛的应用。平时蓄电池组处于浮充电备用状态，负荷由交流供电，只有当交流电失电时，蓄电池组才向负荷提供能量。为了检验蓄电池组的实际容量，保证系统的正常运行，一般情况要对蓄电池组每年进行一次核对性放电。目前在国内市场上的放电设备主要使用可变电阻、电阻盘、碳棒等，而且需要人工调节放电电流，控制精度低，工作繁复。

针对现状，我们研制了自动恒流放电系统。本系统采用先进的IGBT大功率电子器件和PWM脉宽调制控制技术，同时利用康铜电阻合金作为放电电阻，并使放电电流在大范围内连续可调，且有较高的恒流精度。该放电系统采用大功率的电子负载和恒流控制技术后，能瞬间承受高达100A的冲击电流及长时间20A恒流负载，以实现对电池负荷能力的检测和对电池容量的核对性检测。

主要技术指标如表1所示。

1 放电系统工作原理

放电系统的组成包括了IGBT功率器件部分、PWM集成驱动电路部分、采样放大、比较、反馈部分。系统原理框图如图1所示。

根据设计电流精度要求，利用分流器采样，分流器的规格为75mV、20A。采样信号经滤波，进入精密仪表放大器INA128，INA128是BB公司生产的精密、低功耗仪表放大器。INA128实际上是一个窗口(双限)比较器，特别适合微电压的放大，只要选择合适的外部增益电阻RG，就可调到合适的放大倍数G＝2/0.075＝26.7。根据公式G＝1+50kΩ/RG，可算出RG＝50kΩ/(G－1)＝1.948kΩ，选1.2kΩ的电阻和1kΩ的精密电位器串联即可。

经过INA128放大的电压再经一级RC滤波，滤波后的电压反馈到W3524的反馈端(W3524的1脚)，作为W3524内部比较放大器的取样电压。

2 控制驱动电路

驱动电路原理图如图2所示。图中的W3524是最为流行的开关电源集成控制器，它包括了所有无电源变压器开关电源所要求的基本功能，如控制、保护、取样放大的功能，且使用方便灵活，同时在制造上采用常规的平面工艺。W3524可为脉宽调制式推挽、桥式、单端及串联型SmPS提供全部控制电路系统的控制单元。它提供电源变压器开关电源的全部功能，而且增加了取样比例放大器、限流保护以及内部电路的过流和短路保护。由于采用斜波后沿作为死区控制，因而节省了死区时间控制器；内部基准源既向内、外电路提供基准电压，又作为内部各部分的工作电压，并提供50mA输出电流，输出晶体管T1、T2集电极和发射极都悬空，这样使用增加了灵活性。基准源属于常规的串联式线性直流稳压电源，它向单片内部的斜波发生器、比较放大器、脉宽调制器、T型触发器等以及通过16脚向外均提供+5V的工作电压和基准电压，使斜波发生器产生幅度在1.2～3.6V的连续不对称三角波，由内部直接输入到脉宽调制器的同相端。

与此同时，斜波发生器又向下一级的T型触发器和“或非”门提供一个同步方波脉冲。它们的频率由6、7脚的外接电阻RT和电容CT所决定，一般可以从100kHz调到500kHz，由它构成的PWM型开关电源的工作频率可达100kHz。当取样电压和基准电压分别通过1、2脚送入内部的比较放大器比较放大时，输出的控制电压送到脉宽调制器的反向端。脉宽调制器把控制电压与斜波基准电压进行比较，输出一个宽度受控制电压所调制的方波脉冲，然后同时送往两个前级“或非”门的输入端。

工作频率由6、7脚的外接电阻RT和电容CT所决定，fPWM＝1.15/(RT×CT)。考虑到对CT的充电电流为(1.2～3.6/RT一般为30μA到2mA)。因此RT取值为1.8kΩ到100kΩ。同时9脚对地串接有0.1μf的电容和30kΩ的电阻，以实现频率补偿，用作内部误差放大器的相位补偿，否则会有自激产生。

由此可知最大导通功耗：

在计算了IGBT的总平均功耗PC＝193.25W后，就可估算IGBT表面部分的平均结温Tj＝TC+PC×RTH(j－C)，其中TC为环境温度(假设环境温度为30°C)，PC为总平均功耗，RTH(j－C)为标定的结壳热阻(查CT60的标定结壳热阻为0.4°C/W)，则IGBT的表面平均结温：

通过计算可知，不能忽视IGBT在运行中所发生的巨大导通功耗和开关功耗。而这些功耗通常表现为热，所以必须采用散热器把这些热量从功率芯片传导到外部环境中去。当把IGBT安装在散热器上时，还应注意避免安装受力不均匀，因