摘要：介紹了采用IGBT功率器件、PWM控制和康銅電阻合金為放電電阻的放電系統(tǒng)，其放電電流在4～20A的大范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)，且有較高的恒流精度，實(shí)現(xiàn)了對(duì)大容量蓄電池負(fù)荷能力和容量的核對(duì)性檢測(cè)。結(jié)果表明，此系統(tǒng)的研制改變了以往蓄電池監(jiān)測(cè)設(shè)備精度低、可靠性不高的狀況。

    蓄電池作為備用電源在直流系統(tǒng)中起著極其重要的作用，從而在電力、通信、金融、交通等各行各業(yè)中得到廣泛的應(yīng)用。平時(shí)蓄電池組處于浮充電備用狀態(tài)，負(fù)荷由交流供電，只有當(dāng)交流電失電時(shí)，蓄電池組才向負(fù)荷提供能量。為了檢驗(yàn)蓄電池組的實(shí)際容量，保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行，一般情況要對(duì)蓄電池組每年進(jìn)行一次核對(duì)性放電。目前在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上的放電設(shè)備主要使用可變電阻、電阻盤(pán)、碳棒等，而且需要人工調(diào)節(jié)放電電流，控制精度低，工作繁復(fù)。

    針對(duì)現(xiàn)狀，我們研制了自動(dòng)恒流放電系統(tǒng)。本系統(tǒng)采用先進(jìn)的IGBT大功率電子器件和PWM脈寬調(diào)制控制技術(shù)，同時(shí)利用康銅電阻合金作為放電電阻，并使放電電流在大范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)，且有較高的恒流精度。該放電系統(tǒng)采用大功率的電子負(fù)載和恒流控制技術(shù)后，能瞬間承受高達(dá)100A的沖擊電流及長(zhǎng)時(shí)間20A恒流負(fù)載，以實(shí)現(xiàn)對(duì)電池負(fù)荷能力的檢測(cè)和對(duì)電池容量的核對(duì)性檢測(cè)。

    主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

    1 放電系統(tǒng)工作原理

    放電系統(tǒng)的組成包括了IGBT功率器件部分、PWM集成驅(qū)動(dòng)電路部分、采樣放大、比較、反饋部分。系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

    根據(jù)設(shè)計(jì)電流精度要求，利用分流器采樣，分流器的規(guī)格為75mV、20A。采樣信號(hào)經(jīng)濾波，進(jìn)入精密儀表放大器INA128，INA128是BB公司生產(chǎn)的精密、低功耗儀表放大器。INA128實(shí)際上是一個(gè)窗口(雙限)比較器，特別適合微電壓的放大，只要選擇合適的外部增益電阻RG，就可調(diào)到合適的放大倍數(shù)G＝2/0.075＝26.7。根據(jù)公式G＝1+50kΩ/RG，可算出RG＝50kΩ/(G－1)＝1.948kΩ，選1.2kΩ的電阻和1kΩ的精密電位器串聯(lián)即可。

    經(jīng)過(guò)INA128放大的電壓再經(jīng)一級(jí)RC濾波，濾波后的電壓反饋到W3524的反饋端(W3524的1腳)，作為W3524內(nèi)部比較放大器的取樣電壓。

    2 控制驅(qū)動(dòng)電路

    驅(qū)動(dòng)電路原理圖如圖2所示。圖中的W3524是最為流行的開(kāi)關(guān)電源集成控制器，它包括了所有無(wú)電源變壓器開(kāi)關(guān)電源所要求的基本功能，如控制、保護(hù)、取樣放大的功能，且使用方便靈活，同時(shí)在制造上采用常規(guī)的平面工藝。W3524可為脈寬調(diào)制式推挽、橋式、單端及串聯(lián)型SmPS提供全部控制電路系統(tǒng)的控制單元。它提供電源變壓器開(kāi)關(guān)電源的全部功能，而且增加了取樣比例放大器、限流保護(hù)以及內(nèi)部電路的過(guò)流和短路保護(hù)。由于采用斜波后沿作為死區(qū)控制，因而節(jié)省了死區(qū)時(shí)間控制器；內(nèi)部基準(zhǔn)源既向內(nèi)、外電路提供基準(zhǔn)電壓，又作為內(nèi)部各部分的工作電壓，并提供50mA輸出電流，輸出晶體管T1、T2集電極和發(fā)射極都懸空，這樣使用增加了靈活性。基準(zhǔn)源屬于常規(guī)的串聯(lián)式線性直流穩(wěn)壓電源，它向單片內(nèi)部的斜波發(fā)生器、比較放大器、脈寬調(diào)制器、T型觸發(fā)器等以及通過(guò)16腳向外均提供+5V的工作電壓和基準(zhǔn)電壓，使斜波發(fā)生器產(chǎn)生幅度在1.2～3.6V的連續(xù)不對(duì)稱三角波，由內(nèi)部直接輸入到脈寬調(diào)制器的同相端。

    與此同時(shí)，斜波發(fā)生器又向下一級(jí)的T型觸發(fā)器和“或非”門(mén)提供一個(gè)同步方波脈沖。它們的頻率由6、7腳的外接電阻RT和電容CT所決定，一般可以從100kHz調(diào)到500kHz，由它構(gòu)成的PWM型開(kāi)關(guān)電源的工作頻率可達(dá)100kHz。當(dāng)取樣電壓和基準(zhǔn)電壓分別通過(guò)1、2腳送入內(nèi)部的比較放大器比較放大時(shí)，輸出的控制電壓送到脈寬調(diào)制器的反向端。脈寬調(diào)制器把控制電壓與斜波基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，輸出一個(gè)寬度受控制電壓所調(diào)制的方波脈沖，然后同時(shí)送往兩個(gè)前級(jí)“或非”門(mén)的輸入端。

    工作頻率由6、7腳的外接電阻RT和電容CT所決定，fPWM＝1.15/(RT×CT)。考慮到對(duì)CT的充電電流為(1.2～3.6/RT一般為30μA到2mA)。因此RT取值為1.8kΩ到100kΩ。同時(shí)9腳對(duì)地串接有0.1μf的電容和30kΩ的電阻，以實(shí)現(xiàn)頻率補(bǔ)償，用作內(nèi)部誤差放大器的相位補(bǔ)償，否則會(huì)有自激產(chǎn)生。

    3 估算發(fā)熱

    根據(jù)上述對(duì)IGBT的分析研究，三棱H系列IGBT器件—CT60是基于第三代IGBT技術(shù)和續(xù)流二極管技術(shù)，為功率電路設(shè)計(jì)、緩沖電路(吸收回路)設(shè)計(jì)及熱設(shè)計(jì)而采用的大功率器件。它的最大允許峰值電壓VCES為1000V；最大通過(guò)峰值電流IC為60A；T＝25°C時(shí)IGBT的最大允許功耗為250W；T＝25°C時(shí)IGBT結(jié)溫的允許范圍為－40～150°C；在規(guī)定條件和額定集電極電流下，IGBT的飽和壓降(通態(tài)電壓)VCE(sat)為2.6V；開(kāi)通和過(guò)渡時(shí)間Td(on)為0.15μS；上升時(shí)間TR為0.3μS；關(guān)斷過(guò)渡時(shí)間Td(off)為0.3μS；續(xù)流二極管的正向壓降VEC為3V。

    由此可知最大導(dǎo)通功耗：

    在計(jì)算了IGBT的總平均功耗PC＝193.25W后，就可估算IGBT表面部分的平均結(jié)溫Tj＝TC+PC×RTH(j－C)，其中TC為環(huán)境溫度(假設(shè)環(huán)境溫度為30°C)，PC為總平均功耗，RTH(j－C)為標(biāo)定的結(jié)殼熱阻(查CT60的標(biāo)定結(jié)殼熱阻為0.4°C/W)，則IGBT的表面平均結(jié)溫：

    通過(guò)計(jì)算可知，不能忽視IGBT在運(yùn)行中所發(fā)生的巨大導(dǎo)通功耗和開(kāi)關(guān)功耗。而這些功耗通常表現(xiàn)為熱，所以必須采用散熱器把這些熱量從功率芯片傳導(dǎo)到外部環(huán)境中去。當(dāng)把IGBT安裝在散熱器上時(shí)，還應(yīng)注意避免安裝受力不均勻，因此使用平面度為150μm的散熱器。為了達(dá)到有效地把熱量傳導(dǎo)到外部散熱器，在傳熱界面要選擇使用在工作溫度內(nèi)性能穩(wěn)定并且在裝置壽命期內(nèi)性能不發(fā)生變化的導(dǎo)熱硅脂。

    4 系統(tǒng)保護(hù)

    由于實(shí)際的功率電路線路中總有寄生漏電感，當(dāng)IGBT被關(guān)斷時(shí)，感性負(fù)載中的電流不可能立刻發(fā)生變化，該負(fù)載電感兩端產(chǎn)生阻止母線電流減少的電壓V(V＝LdI/dT)。它與電源電壓相迭加并以浪涌電壓的形式加在IGBT的兩端。在極端情況下，該浪涌電壓會(huì)超過(guò)IGBT的額定值VCES并導(dǎo)致它損壞。在IGBT功率回路中引起浪涌電壓的能量與1/2LPI2成比例，LP是母線的寄生電感，I是工作電流。由此可見(jiàn)，在使用大電流的器件時(shí)更加需要降低功率回路的電感。因此為了得到一種適合大電流工作的低母線電感電路，就需要特殊的母線結(jié)構(gòu)。有交錯(cuò)鍍銅層和絕緣層構(gòu)層的迭層母線設(shè)計(jì)，可以使電感量降低。迭層母線中被絕緣層隔離的寬板用于正極和負(fù)極母線的連接，這種寬板起到了防止功率回路中寄生電感的作用。

    其次，好的緩沖電路可以有效控制浪涌電壓的關(guān)斷和用續(xù)流二極管恢復(fù)浪涌電壓，用以減少功率器件的開(kāi)關(guān)損耗。IGBT緩沖電路與傳統(tǒng)的雙極晶體管緩沖電路存在兩個(gè)方面的區(qū)別：一是IGBT具有強(qiáng)大的開(kāi)關(guān)工作區(qū)，緩沖電路只需控制瞬態(tài)電壓而不需要保護(hù)就可以抑制伴生達(dá)林頓晶體管的二次擊穿超限；二是IGBT常工作在比達(dá)林頓高得多的頻率范圍。三種IGBT緩沖電路如圖3所示。

    緩沖電路“B”使用快恢復(fù)二極管可箝住瞬變電壓，從而抑制振蕩的發(fā)生。緩沖電路“B”的RC時(shí)間常數(shù)，應(yīng)該設(shè)為該開(kāi)關(guān)周期的約1/3(τ＝T/3＝1/3f)。但對(duì)于大功率級(jí)別的IGBT工作，緩沖電路“B”的回路寄生電感將變得很大，以至不能有效地控制瞬變電壓。由于大功率IGBT電路需要極低電感量的緩沖電路，而且緩沖電路必須盡可能地聯(lián)到IGBT上，設(shè)計(jì)緩沖電路時(shí)，得考慮二極管封裝內(nèi)的寄生電感和緩沖電容引線的寄生電感。通常，小電容并聯(lián)或二極管并聯(lián)產(chǎn)生的電感量比大的單電容或單二極管產(chǎn)生的電感量更低。

    IGBT在運(yùn)行中會(huì)有導(dǎo)通功耗與開(kāi)關(guān)功耗發(fā)生。這些功耗通常表現(xiàn)為熱，所以必須采用散熱器把這些熱量從功率芯片傳導(dǎo)到外部環(huán)境中去。如熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)不當(dāng)，功率器件將過(guò)熱并導(dǎo)致?lián)p壞。導(dǎo)通損耗伴隨IGBT處于通態(tài)并傳導(dǎo)電流而發(fā)生。導(dǎo)通期間的總功耗是由通態(tài)飽和電壓與通態(tài)電流的乘積來(lái)計(jì)算的。在PWM的應(yīng)用中，導(dǎo)通損耗須與占空比因子相乘，從而得到平均功率。導(dǎo)通損耗的一次近似可通過(guò)IGBT的額定VCE(sat)值與期待的器件平均電流值的乘積來(lái)得到，即PSS＝VCE(sat)×IC。開(kāi)關(guān)損耗是在IGBT開(kāi)通與關(guān)斷過(guò)渡過(guò)程期間的功率損耗。當(dāng)PWM信號(hào)頻率高于5kHz時(shí)，開(kāi)關(guān)損耗會(huì)非常顯著，一定要在熱設(shè)計(jì)中予以考慮。得到開(kāi)關(guān)損耗的最精確的方法是測(cè)量在開(kāi)關(guān)過(guò)渡過(guò)程中IC與VCE的波形。將此波形逐點(diǎn)相乘，從而得到功率的瞬時(shí)波形，此功率波形下面的面積就是以焦耳/脈沖為單位的開(kāi)關(guān)能量，這一面積通常通過(guò)作圖積分來(lái)計(jì)算。總開(kāi)關(guān)能量是開(kāi)通與關(guān)斷過(guò)程所耗能量之和，平均開(kāi)關(guān)損耗是由單脈沖總開(kāi)關(guān)能量^[1]與PWM頻率相乘得到，即：平均開(kāi)關(guān)功耗PSW＝fPWM×[ESW(on)+ESW(off)]。而總功耗為導(dǎo)通功耗與開(kāi)關(guān)功耗之和，即PC＝PSS+PSW。此放電系統(tǒng)也將利用該公式來(lái)估算IGBT器件的平均功耗。

    5 PCB的總體可靠性設(shè)計(jì)

    良好的電路布局是保證設(shè)備和電路安全運(yùn)行及長(zhǎng)壽命的重要前提，同時(shí)工藝限制也對(duì)PCB提出了嚴(yán)格的要求，應(yīng)遵循以下幾條原則：

    ·PCB可靠性設(shè)計(jì)應(yīng)做到系統(tǒng)集成化、專業(yè)化設(shè)計(jì)。總體考慮電源地線布置、去耦與排線設(shè)計(jì)。區(qū)域分配應(yīng)注意模擬電路、數(shù)字電路、功率器件的布局^[2]。

    ·可靠的電源、地線設(shè)計(jì)應(yīng)做到模擬、數(shù)字的分別供電，減少地線公共阻抗，防止形成地線回路，同時(shí)保證一點(diǎn)接地以及電源入口的去耦設(shè)計(jì)。

    該自動(dòng)恒流放電模塊可配合智能蓄電池組監(jiān)測(cè)系統(tǒng)使用，當(dāng)放電時(shí)放電電流連續(xù)可調(diào)，此時(shí)智能蓄電池組監(jiān)測(cè)系統(tǒng)將監(jiān)測(cè)每節(jié)電池的電壓變化，當(dāng)有任一節(jié)電池電壓低于設(shè)定值時(shí)(或交流停電)，放電自動(dòng)停止，顯示放電時(shí)間，并予以記錄。該模塊也可單獨(dú)使用，當(dāng)放電時(shí)放電電流連續(xù)可調(diào)，此時(shí)需人工監(jiān)測(cè)每節(jié)電池的電壓，控制放電模塊停止放電。本設(shè)備使用簡(jiǎn)單，安全可靠，恒流精度高，可廣泛應(yīng)用于需要對(duì)蓄電池或電源進(jìn)行恒流負(fù)載放電的場(chǎng)合。

    參考文獻(xiàn)

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