新颖的自动恒流放电系统的设计

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。

    关键词：ＩＧＢＴ  ＰＷＭ  放电系统

    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。

表 1

规  格	HL-48	HL-110	HL-220
使用电压/V	40～60	90～145	180～275
放电电流/A	4～40	4～20	4～15
恒流精度	1%
电压精度	0.5%(配合智能蓄电池组监测系统使用）
尺寸/mm	540×400×130
重量/kg	8.5

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。

3 估算发热

    根据上述对ＩＧＢＴ的分析研究,三棱Ｈ系列ＩＧＢＴ器件—ＣＴ６０是基于第三代ＩＧＢＴ技术和续流二极管技术,为功率电路设计、缓冲电路（吸收回路）设计及热设计而采用的大功率器件。它的最大允许峰值电压ＶＣＥＳ为１０００Ｖ;最大通过峰值电流ＩＣ为６０Ａ;Ｔ＝２５°Ｃ时ＩＧＢＴ的最大允许功耗为２５０Ｗ;Ｔ＝２５°Ｃ时ＩＧＢＴ结温的允许范围为－４０～１５０°Ｃ;在规定条件和额定集电极电流下,ＩＧＢＴ的饱和压降（通态电压）ＶＣＥ（ｓａｔ）为２．６Ｖ;开通和过渡时间ｔｄ?ｏｎ　为０．１５μｓ;上升时间ｔｒ为０．３μｓ;关断过渡时间ｔｄ?ｏｆｆ　为０．３μｓ;续流二极管的正向压降ＶＥＣ为３Ｖ。

    由此可知最大导通功耗：

    ＰＳＳ＝ＶＣＥ（ｓａｔ）×ＩＣ×ｎ＝２．６×２５×０．８５＝５５．２５Ｗ

    而开关损耗?

    ＰＳＷ＝（０．７＋６．２　×２０＝６．９×２０＝１３８Ｗ

    则ＩＧＢＴ的总功耗?

    ＰＣ＝ＰＳＳ＋ＰＳＷ＝１９３．２５Ｗ＜２５０Ｗ（额定功耗值）

    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：

    Ｔｊ＝Ｔｃ＋Ｐｃ×Ｒｔｈ（ｊ－ｃ）＝３０＋１９３．２５×０．４＝１０７．３°Ｃ

    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,因此使用平面度为１５０μｍ的散热器。为了达到有效地把热量传导到外部散热器,在传热界面要选择使用在工作温度内性能稳定并且在装置寿命期内性能不发生变化的导热硅脂。

4 系统保护

    由于实际的功率电路线路中总有寄生漏电感,当ＩＧＢＴ被关断时,感性负载中的电流不可能立刻发生变化,该负载电感两端产生阻止母线电流减少的电压Ｖ（Ｖ＝Ｌｄｉ／ｄｔ）。它与电源电压相迭加并以浪涌电压的形式加在ＩＧＢＴ的两端。在极端情况下,该浪涌电压会超过ＩＧＢＴ的额定值Ｖｃｅｓ并导致它损坏。在ＩＧＢＴ功率回路中引起浪涌电压的能量与１／２ＬｐＩ２成比例,Ｌｐ是母线的寄生电感,Ｉ是工作电流。由此可见,在使用大电流的器件时更加需要降低功率回路的电感。因此为了得到一种适合大电流工作的低母线电感电路,就需要特殊的母线结构。有交错镀铜层和绝缘层构层的迭层母线设计,可以使电感量降低。迭层母线中被绝缘层隔离的宽板用于正极和负极母线的连接,这种宽板起到了防止功率回路中寄生电感的作用。

    其次,好的缓冲电路可以有效控制浪涌电压的关断和用续流二极管恢复浪涌电压,用以减少功率器件的开关损耗。ＩＧＢＴ缓冲电路与传统的双极晶体管缓冲电路存在两个方面的区别：一是ＩＧＢＴ具有强大的开关工作区,缓冲电路只需控制瞬态电压而不需要保护就可以抑制伴生达林顿晶体管的二次击穿超限;二是ＩＧＢＴ常工作在比达林顿高得多的频率范围。三种ＩＧＢＴ缓冲电路如图３所示。

    缓冲电路“Ｂ”使用快恢复二极管可箝住瞬变电压,从而抑制振荡的发生。缓冲电路“Ｂ”的ＲＣ时间常数,应该设为该开关周期的约１／３（τ＝Ｔ／３＝１／３ｆ）。但对于大功率级别的ＩＧＢＴ工作,缓冲电路“Ｂ”的回路寄生电感将变得很大,以至不能有效地控制瞬变电压。由于大功率ＩＧＢＴ电路需要极低电感量的缓冲电路,而且缓冲电路必须尽可能地联到ＩＧＢＴ上,设计缓冲电路时,得考虑二极管封装内的寄生电感和缓冲电容引线的寄生电感。通常,小电容并联或二极管并联产生的电感量比大的单电容或单二极管产生的电感量更低。

    ＩＧＢＴ在运行中会有导通功耗与开关功耗发生。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。如热系统设计不当,功率器件将过热并导致损坏。导通损耗伴随ＩＧＢＴ处于通态并传导电流而发生。导通期间的总功耗是由通态饱和电压与通态电流的乘积来计算的。在ＰＷＭ的应用中,导通损耗须与占空比因子相乘,从而得到平均功率。导通损耗的一次近似可通过ＩＧＢＴ的额定ＶＣＥ（ｓａｔ）值与期待的器件平均电流值的乘积来得到,即ＰＳＳ＝ＶＣＥ?ｓａｔ　×Ｉｃ。开关损耗是在ＩＧＢＴ开通与关断过渡过程期间的功率损耗。当ＰＷＭ信号频率高于５ｋＨｚ时,开关损耗会非常显著,一定要在热设计中予以考虑。得到开关损耗的最精确的方法是测量在开关过渡过程中Ｉｃ与Ｖｃｅ的波形。将此波形逐点相乘,从而得到功率的瞬时波形,此功率波形下面的面积就是以焦耳／脉冲为单位的开关能量,这一面积通常通过作图积分来计算。总开关能量是开通与关断过程所耗能量之和,平均开关损耗是由单脉冲总开关能量[１]与ＰＷＭ频率相乘得到,即：平均开关功耗ＰＳＷ＝ｆＰＷＭ×[ＥＳＷ(ｏｎ)＋ＥＳＷ(ｏｆｆ)]。而总功耗为导通功耗与开关功耗之和,即ＰＣ＝ＰＳＳ＋ＰＳＷ。此放电系统也将利用该公式来估算ＩＧＢＴ器件的平均功耗。

5 ＰＣＢ的总体可靠性设计

    良好的电路布局是保证设备和电路安全运行及长寿命的重要前提,同时工艺限制也对ＰＣＢ提出了严格的要求,应遵循以下几条原则：

    ·ＰＣＢ可靠性设计应做到系统集成化、专业化设计。总体考虑电源地线布置、去耦与排线设计。区域分配应注意模拟电路、数字电路、功率器件的布局[２]。

    ·可靠的电源、地线设计应做到模拟、数字的分别供电,减少地线公共阻抗,防止形成地线回路,同时保证一点接地以及电源入口的去耦设计。

    该自动恒流放电模块可配合智能蓄电池组监测系统使用,当放电时放电电流连续可调,此时智能蓄电池组监测系统将监测每节电池的电压变化,当有任一节电池电压低于设定值时（或交流停电）,放电自动停止,显示放电时间,并予以记录。该模块也可单独使用,当放电时放电电流连续可调,此时需人工监测每节电池的电压,控制放电模块停止放电。本设备使用简单,安全可靠,恒流精度高,可广泛应用于需要对蓄电池或电源进行恒流负载放电的场合。