新型高频开关充电电源研究

电及蓄电池充电对控制系统的要求

1)在电网正常运行时，高频开关充电电源向直流系统供电并给蓄电池浮充电，此时要求输出电压有良好的稳压特性。

2)当蓄电池容量欠亏时，需进行补充充电，为提高充电速度，需采取恒流充电方式，此时则要求电源有良好的稳流特性。

3)能在一定范围内实现对电流、电压的连续调节。 4)各种充电方式能自动转换。

5)蓄电池充满时能自动停充。

6)能对电流、电压、温度等各种参数进行检测以及作出判断，并采取相应保护措施。

7)具有四遥功能，即要求在远方设定参考值、测量充电电流和充电电压，并且对系统运行方式进行远方控制，还能实现对工作状态和故障信号等的远方采集。

3.2控制系统组成

如图2所示，高频开关充电电源的控制系统主要由取样电路、信号变换电路、检测保护电路、PWM信号生成电路和驱动电路等组成。取样电路从主电路的输出采集电流、电压等信号，采样信号与给定值进行比较后得到的差值信号经过误差放大器进行放大，以便调整PWM信号生成电路的输出信号脉宽。检测保护电路通过检测蓄电池的温度、端电压变化、出气率以及输入、输出电路的过压、过流等情况，使PWM生

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图3逆变控制信号的形成原理

成电路改变输出脉宽或终止脉冲输出。驱动电路用于对PWM信号生成电路的输出PWM信号进行功率放大，以满足高频开关管门(栅)极驱动要求，同时实现控制电路与主电路的隔离。

3.3逆变控制电路

逆变控制电路包括PWM脉冲形成电路及IGBT驱动电路。为了实现对直流系统的遥信、遥测、遥控和遥调，并且满足高频开关充电电源高频变换控制的要求，本方案采用INTEL公司生产的87C196KC型单片机作为主控芯片。87C196KC软硬件资源丰富，内含8路A/D转换输入通道和3路PWM信号输出口，速度快、效率高、功能齐全[3]。它不仅能完全取代模拟控制器，方便地实现PID调节，而且可以通过改变软件实现诸如自适应控制、智能控制等各种新型控制策略。此外，还可利用其通信接口与其他微机进行通信，便于实现远方监控。

采用87C196KC型单片机，有两种方法可以实现PWM控制信号的输出：其一是通过PWM信号输出口。此时，信号的最高开关频率为31.25kHz（16M晶振），这样开关电源实际能达到的开关频率为15.625kHz。然而，高频开关充电电源的开关频率在20kHz以上，所以这种方法虽然软件开销小，却不能满足高频开关电源对开关频率的要求。另一种方法是采用高速输出口HSO实现。HSO输出的PWM信号频率可调，但控制精度较低，而且软件开销很大。由上可知，87C196KC输出的PWM信号都不适宜直接作为高频开关充电电源的逆变控制信号，因此，本方案采用专用的集成PWM控制器SG3525产生PWM脉冲。其实现原理如图3所示。

在图3中，87C196KC的PWM0口作为模拟输出接口（D/A转换）。经CPU运算后得到的占空比控制信号由PWM0口输出，并被转换电路变换为直流电压信号，然后再被加到集成PWM控制器（SG3525）的输入端口上。集成控制器产生两路相位相反的PWM信号，信号经驱动电路隔离放大后便可控制高频开关管（IGBT）的通断。

SG3525带有软启动电路、基准电压源、误差放大器、PWM比较器、欠压锁定电路、输出限流和关断电路、输出驱动电路等，驱动能力达到100mA。在本文的控制方案中，误差放大器接为电压跟随器方式，闭环控制功能由单片机完成。

驱动电路采用EXB841集成芯片[4]。它采用单电源工作，内装有高隔离电压（2500V）的光电耦合器、过流检测和过流保护低速切断电路以及驱动电路，其信号延迟最大1.5μs，适用于在40kHz以下频段工作。其额定工作电压为25V，光耦合器输入电流额定值10mA，显然，SG3525的输出信号可与之配合。光耦合器的输出电流为4A，输出电压为0～20V，完全能满足IGBT对栅极驱动信号的要求。

4结语

本文针对应用于变电站直流系统的新型高频开关充电电源展开讨论，主要介绍了其主电路和逆变控制电路。研究表明，半桥式高频开关充电电源主电路抗不平衡能力强、变压器利用率高、输出功率较大、相应的驱动电路不太复杂，是高频开关充电电源较为理想的主电路形式。以87C196KC型单片机和SG3525型集成PWM控制器为主构成的逆变控制电路响应速度快、控制精度高，具有比较优势。由于采用87C196KC作为主控芯片，充电电源控制系统的各种监控功能齐备，完全能满足变电站综合自动化技术对直流系统性能的要求。