36V/30A镍氢电池充电电源的设计和实现
36v/30a镍氢电池充电电源的设计和实现
主电路采用全桥变换拓扑形式，控制电路以uc3825集成控制芯片为核心设计了36v/30a镍氢电池充电电源。为满足充电特性的要求，设计了恒压限流电路及pi调节电路，从而提高了电源的稳态性能和动态性能。设计的过流、过压保护电路，有效地提高了电源的可靠性。
关键词：pi调节；恒压限流；过流过压保护；斜波补偿 0 引言 高频开关电源由于具有更高的效率、更小的体积和重量以及更快的动态响应，而被广泛地应用在各种领域。镍氢电池是性能优异的绿色环保产品，是电池发展的新潮流，需求前景十分看好。本文介绍的充电电源就是针对一种机器人使用的大容量镍氢电池设计的，具体要求如下： 输入电压 ac 220（1±10％）v，50hz（45～60hz）； 输出电压 dc 36v； 输出电流 30a； 最大输出功率 1080w； 效率 >85％； 负载调整率 vvref时，误差放大器的输出低电平，当vvvvref，运放a3输出高电平。从图4可以看出，该电路为正反馈电路，通过rv2和dv1支路，将高电平状态保持。同时运放输出到uc3825的限流保护端，锁住输出脉冲，达到保护功能。dv1的作用是当出现过压时，此信号被保持，保护电路起作用。只有断电以后，此信号才被复位，电路正常工作。
图4 保护电路 2.4 斜波补偿 图5示出斜坡补偿电路。t1是电流互感器，接在变压器副边绕组，经d1～d4整流后在r1上得到对应的电压，再经过c1、r2、c2滤波，滤去初级电流ip中的前沿尖峰，避免误动作。再经过ri与经过rb和cb的ct信号合成，输入到脚v/i，叠加斜坡补偿信号到初级的电流波形，ri及rb值的比例决定了所加的斜坡补偿量。电容cb是交流耦合电容，隔离了直流分量使ct的交流分量耦合到ri。
图5 斜坡补偿电路 斜坡补偿设计步骤如下： 1）计算电感电流的下降沿 m2=di/dt=vout/l（a/s）； 2）计算反映到初级的电感电流下降沿 m2′=m2/n（n为高频变压器的匝比）； 3）计算初级测得的下降沿坡度vm2=m2′rsense（v/s）；
4）计算ct充电时的坡度 d(vosc)=vosc/ton（v/s） 应用叠加定理求斜坡补偿后电流输入端电压。斜坡补偿后加到芯片电流输入端的电压为 vramp=（6） 5）计算斜坡补偿值斜坡补偿电压vcomp为 vcomp=（7） 式中：m为补偿比例，应大于0.5，一般取0.75～1。 取补偿比例m=0.99，ri=4.7kω，经计算得rb=16kω 3 实验结果分析 驱动电路脉冲波形如图6所示，其中开关频率f=25khz，tr=0.423μs，tf=0.804μs，vgs=15.23v。上升沿和下降沿比较陡峭，驱动电平适中，符合要求，有良好的驱动能力。 v：5v/格 t:10μs/格 图6 驱动电路脉冲波形 如图7(a)所示，轻载时开关管漏源电压波形对称，不存在偏磁现象。当加载到一定程度时，开关管漏源电压波形出现不对称，说明同一桥臂的开关管导通不对称，从而出现偏磁现象。经分析，是由于斜波补偿不够导致，增大补偿量，偏磁现象得到明显抑制，开关管漏源电压波形基本对称，如图7(b)所示。 v：50v/格 t:10μs/格
（a）轻载时
v：50v/格 t:10μs/格 （b）满载时 图7 mosfet漏源间的电压波形 图8为合闸冲击电流限流电阻两端的电压波形，当scr未起作用时，电压开始缓慢上升，充电结束后，电位跌至零,如图8(a)所示；当scr起作用时，电压在开始很短的时间内有一个很小的幅值，这是scr导通的过程，此后电压为零，整个过程电压几乎保持水平，说明合闸时电路电流比较小，如图8(b)所示。 v：50v/格 t:10μs/格 （a）scr未起作用时
v：50v/格 t:10μs/格 （b）scr工作时 图8 限流电阻两端的电压波形 当满载运行时，即36v/30a输出时，输出电压纹波为1.327v，电源效率η=86.2％。当轻载运行时，输出电压纹波为0.223v，电源效率η=54.6％。当交流输入电压上下浮动10％时，输出电压浮动0.04v，基本不变，说明电源的负载调整率和电压调整率都很小。 4结语
实验结果表明，设计的36v/30a电源，输出电压纹波较小，满载时电源效率较高，电网电压浮动时，电源能正常工作，应用在镍氢电池充电，达到了良好的效果。为改善电源的动态响应，减小电源的静态误差，pi调节和斜波补偿的设计显得尤为重要。
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图4 保护电路 2.4 斜波补偿 图5示出斜坡补偿电路。t1是电流互感器，接在变压器副边绕组，经d1～d4整流后在r1上得到对应的电压，再经过c1、r2、c2滤波，滤去初级电流ip中的前沿尖峰，避免误动作。再经过ri与经过rb和cb的ct信号合成，输入到脚v/i，叠加斜坡补偿信号到初级的电流波形，ri及rb值的比例决定了所加的斜坡补偿量。电容cb是交流耦合电容，隔离了直流分量使ct的交流分量耦合到ri。
图5 斜坡补偿电路 斜坡补偿设计步骤如下： 1）计算电感电流的下降沿 m2=di/dt=vout/l（a/s）； 2）计算反映到初级的电感电流下降沿 m2′=m2/n（n为高频变压器的匝比）； 3）计算初级测得的下降沿坡度vm2=m2′rsense（v/s）；
4）计算ct充电时的坡度 d(vosc)=vosc/ton（v/s） 应用叠加定理求斜坡补偿后电流输入端电压。斜坡补偿后加到芯片电流输入端的电压为 vramp=（6） 5）计算斜坡补偿值斜坡补偿电压vcomp为 vcomp=（7） 式中：m为补偿比例，应大于0.5，一般取0.75～1。 取补偿比例m=0.99，ri=4.7kω，经计算得rb=16kω 3 实验结果分析 驱动电路脉冲波形如图6所示，其中开关频率f=25khz，tr=0.423μs，tf=0.804μs，vgs=15.23v。上升沿和下降沿比较陡峭，驱动电平适中，符合要求，有良好的驱动能力。 v：5v/格 t:10μs/格 图6 驱动电路脉冲波形 如图7(a)所示，轻载时开关管漏源电压波形对称，不存在偏磁现象。当加载到一定程度时，开关管漏源电压波形出现不对称，说明同一桥臂的开关管导通不对称，从而出现偏磁现象。经分析，是由于斜波补偿不够导致，增大补偿量，偏磁现象得到明显抑制，开关管漏源电压波形基本对称，如图7(b)所示。 v：50v/格 t:10μs/格
（a）轻载时
v：50v/格 t:10μs/格 （b）满载时 图7 mosfet漏源间的电压波形 图8为合闸冲击电流限流电阻两端的电压波形，当scr未起作用时，电压开始缓慢上升，充电结束后，电位跌至零,如图8(a)所示；当scr起作用时，电压在开始很短的时间内有一个很小的幅值，这是scr导通的过程，此后电压为零，整个过程电压几乎保持水平，说明合闸时电路电流比较小，如图8(b)所示。 v：50v/格 t:10μs/格 （a）scr未起作用时
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