一種新穎的自動恒流放電系統(tǒng)的研制

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，實現(xiàn)了對大容量蓄電池負(fù)荷能力和容量的核對性檢測。結(jié)果表明，此系統(tǒng)的研制改變了以往蓄電池監(jiān)測設(shè)備精度低、可靠性不高的狀況。

關(guān)鍵詞：ＩＧＢＴ ＰＷＭ 放電系統(tǒng)

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，蓄電池組才向負(fù)荷提供能量。為了檢驗蓄電池組的實際容量，保證系統(tǒng)的正常運行，一般情況要對蓄電池組每年進(jìn)行一次核對性放電。目前在國內(nèi)市場上的放電設(shè)備主要使用可變電阻、電阻盤、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)。針對現(xiàn)狀，我們研制了自動恒流放電系統(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的沖擊電流及長時間２０Ａ恒流負(fù)載，以實現(xiàn)對電池負(fù)荷能力的檢測和對電池容量的核對性檢測。

主要技術(shù)指標(biāo)如表１所示。

表 1

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實際上是一個窗口（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ＩＮＡ１２８放大的電壓再經(jīng)一級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)動電路

驅(qū)動電路原理圖如圖２所示。圖中的Ｗ３５２４是最為流行的開關(guān)電源集成控制器，它包括了所有無電源變壓器開關(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，斜波發(fā)生器又向下一級的Ｔ型觸發(fā)器和“或非”門提供一個同步方波脈沖。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１、２腳送入內(nèi)部的比較放大器比較放大時，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，輸出一個寬度受控制電壓所調(diào)制的方波脈沖，然后同時送往兩個前級“或非”門的輸入端。

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９腳對地串接有０．１μＦ的電容和３０ｋΩ的電阻，以實現(xiàn)頻率補(bǔ)償，用作內(nèi)部誤差放大器的相位補(bǔ)償，否則會有自激產(chǎn)生。

3 估算發(fā)熱

根據(jù)上述對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、緩沖電路（吸收回路）設(shè)計及熱設(shè)計而采用的大功率器件。它的最大允許峰值電壓ＶＣＥＳ為１０００Ｖ；最大通過峰值電流ＩＣ為６０Ａ；Ｔ＝２５°Ｃ時ＩＧＢＴ的最大允許功耗為２５０Ｗ；Ｔ＝２５°Ｃ時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；開通和過渡時間ｔｄｏｎ為０．１５μｓ；上升時間ｔｒ為０．３μｓ；關(guān)斷過渡時間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：

ＰＳＳ＝ＶＣＥ（ｓａｔ）×ＩＣ×ｎ＝２．６×２５×０．８５＝５５．２５Ｗ

而開關(guān)損耗

ＰＳＷ＝（０．７＋６．２×２０＝６．９×２０＝１３８Ｗ

則ＩＧＢＴ的總功耗

ＰＣ＝ＰＳＳ＋ＰＳＷ＝１９３．２５Ｗ＜２５０Ｗ（額定功耗值）

在計算了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：

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

通過計算可知，不能忽視ＩＧＢＴ在運行中所發(fā)生的巨大導(dǎo)通功耗和開關(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，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)

由于實際的功率電路線路中總有寄生漏電感，當(dāng)ＩＧＢＴ被關(guān)斷時，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，該浪涌電壓會超過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，在使用大電流的器件時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)。有交錯鍍銅層和絕緣層構(gòu)層的迭層母線設(shè)計，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方面的區(qū)別：一是ＩＧＢＴ具有強(qiáng)大的開關(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時間常數(shù)，應(yīng)該設(shè)為該開關(guān)周期的約１／３（τ＝Ｔ／３＝１／３ｆ）。但對于大功率級別的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)計緩沖電路時，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在運行中會有導(dǎo)通功耗與開關(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)計不當(dāng)，功率器件將過熱并導(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)電流的乘積來計算的。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ＩＧＢＴ的額定ＶＣＥ（ｓａｔ）值與期待的器件平均電流值的乘積來得到，即ＰＳＳ＝ＶＣＥｓａｔ×Ｉｃ。開關(guān)損耗是在ＩＧＢＴ開通與關(guān)斷過渡過程期間的功率損耗。當(dāng)ＰＷＭ信號頻率高于５ｋＨｚ時，開關(guān)損耗會非常顯著，一定要在熱設(shè)計中予以考慮。得到開關(guān)損耗的最精確的方法是測量在開關(guān)過渡過程中Ｉｃ與Ｖｃｅ的波形。將此波形逐點相乘，從而得到功率的瞬時波形，此功率波形下面的面積就是以焦耳／脈沖為單位的開關(guān)能量，這一面積通常通過作圖積分來計算?？傞_關(guān)能量是開通與關(guān)斷過程所耗能量之和，平均開關(guān)損耗是由單脈沖總開關(guān)能量[１]與ＰＷＭ頻率相乘得到，即：平均開關(guān)功耗ＰＳＷ＝ｆＰＷＭ×[ＥＳＷ(ｏｎ)＋ＥＳＷ(ｏｆｆ)]。而總功耗為導(dǎo)通功耗與開關(guān)功耗之和，即ＰＣ＝ＰＳＳ＋ＰＳＷ。此放電系統(tǒng)也將利用該公式來估算ＩＧＢＴ器件的平均功耗。

5 ＰＣＢ的總體可靠性設(shè)計

良好的電路布局是保證設(shè)備和電路安全運行及長壽命的重要前提，同時工藝限制也對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)計應(yīng)做到系統(tǒng)集成化、專業(yè)化設(shè)計。總體考慮電源地線布置、去耦與排線設(shè)計。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，同時保證一點接地以及電源入口的去耦設(shè)計。

該自動恒流放電模塊可配合智能蓄電池組監(jiān)測系統(tǒng)使用，當(dāng)放電時放電電流連續(xù)可調(diào)，此時智能蓄電池組監(jiān)測系統(tǒng)將監(jiān)測每節(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（或交流停電），放電自動停止，顯示放電時間，并予以記錄。該模塊也可單獨使用，當(dāng)放電時放電電流連續(xù)可調(diào)，此時需人工監(jiān)測每節(jié)電池的電壓，控制放電模塊停止放電。本設(shè)備使用簡單，安全可靠，恒流精度高，可廣泛應(yīng)用于需要對蓄電池或電源進(jìn)行恒流負(fù)載放電的場合。