參數設定電源箱設計

摘 要： 為了滿足艦船陸地和岸基作業的需要，設計的電源箱系統的三種工作模式，即AC/DC模式、充電模式和電池輸出模式。AC/DC模式和充電模式主電路拓撲選用同一雙管正激電路。分別做了電池放電實驗，電池充電實驗和恒壓輸出實驗，其技術指標滿足艦船供電系統的需要。

關鍵字： 工作模式； 同一拓撲； 循環使用； 電源箱

中圖分類號： TN710?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2013）22?0147?03

0 引 言

多功能電源系統共用一個主電路拓撲結構，通過外部參數設定，控制電源系統工作在不同的狀態，滿足不同場合的需求。本文設計的電源箱系統，通過三波段開關切換，能夠滿足艦船遠洋和陸路兩種場合的應用。

由于電源箱系統最大輸出功率為400 W，功率變換器選擇正激電路拓撲是比較合適的[1]。但單管正激電路在主功率管關斷的時候，承受的反壓比較高，電壓越高功率管的價格也越高，而且極易造成擊穿，電路的可靠性也就下降。如果用雙管正激電路，兩個晶體管平均分擔關斷時的電壓，在降低電路成本的同時，也提高了電路的可靠性。

1 電源箱系統的設計方案

電源箱系統工作在三種模式，分別是有市電的情況下，DC 28 V恒壓輸出。無市電的情況下，電池電壓輸出；有市電輸入，不需對外供給能量時，給電池充電，以備下次使用。系統的總體框圖如圖1所示。在圖1中，“1”為切換開關的默認狀態，表示開關切換至市電AC 220 V輸入，DC 28 V輸出的工作方式；“2”表示開關切換至電池提供能量，輸出電壓為電池電壓的工作狀態，“3”表示有市電AC 220 V輸入，功率變換器給電池恒流充電的工作方式。圖中，表示控制信號的流向，→表示主功率的流向。

2 電源箱系統的電路設計

2.1 電池選擇及其參數計算

綜合電源箱對電池體積、重量和電量的要求，本文選擇材質為磷酸鐵鋰電池，每節電池滿電壓為3.3 V，容量為9 A·h，9節串聯，充電率為0.3 C，重量為2.5 kg，體積為275 mm×210 mm×75 mm。根據電池生產廠家提供的參數，可以算出電池滿電壓為[9×3.3=29.7 V]，功率變換器設置充電電壓不低于此電壓，考慮到電池本身的“虛電”特性，本文設計電池充滿電壓為30.3 V。電池的充電電流為[9×0.3=2.7 A]，為了保證電池的使用安全，設計充電電流為2 A，電池最低放電電壓不低于26 V。

2.2 功率變換器的拓撲結構及主功率管驅動電路

雙管正激電路拓撲如圖2所示，由于兩個嵌位二極管VD1和VD2的作用，限制了在VF1和VF2關斷時所受的最大反壓均為直流輸入電壓VDC與二極管壓降VD之和。電路的工作原理如下：

主功率管VF1和VF2同時導通或同時關斷。副邊繞組由于主功率管的導通有了感應電動勢。副邊繞組、二極管VD3很快建立電流，其速度受制于變壓器和副邊電路的漏電感。因為在導通瞬間L1上流過的電流IL在導通時保持不變。所以，由于VD3的電流建立，二極管VD4的電流比隨之同等的快速減小。當VD3中的正向電流增加到原先流過VD4的電流時，VD4轉為關斷。與此同時開始了正激電路能量傳遞的狀態。

圖2中的兩個主功率管VF1和VF2同時開通或關斷，但不共地，本文采用常用的UC2845系列驅動芯片，VF1和驅動芯片共地，可以直接由此芯片驅動，VF2的驅動信號由VF1的驅動信號變換得到，電路如圖3所示。圖中T2為驅動變壓器，VD5和VD6為18 V的穩壓二極管，C7為隔直電容。

2.3 電源箱系統工作方式的實現

電源箱系統的第“1”和第“3”工作方式共用一套主功率變換器，通過外部的三波段開關切換工作模式。圖4為模式切換的控制電路。在圖4中，充電控制開關在默認狀態下為低電平，三極管VT4和VT5不導通。電阻R19和R20是主功率回路的采樣電阻，當主回路的電流小于120%的額定電流時，輸出的Iout信號小于2.5 V，低于電流控制的給定電壓（運算放大器N2B的負向輸入端）2.5 V，N2B輸出低電平，二極管VD10不導通。電壓環的給定電壓也為2.5 V，電壓反饋取自R43，R44和R49的分壓，合理分配它們之間的比值，主功率變換器輸出恒定的DC 28 V電壓。如果主回路的電流超過120%的額定電流， N2B輸出高電平，二極管VD10導通，R44分壓得到的電壓升高，從而使輸出電壓降低，電路轉入恒流控制，輸出功率不再增加，電路保護。

當波段開關切換到模式“3”，充電控制開關信號為高電平，三極管VT4和VT5導通。此時的電流控制給定電壓為0.5 V，如果主回路的電流超過2 A時，VD10就能夠導通，從而拉低了輸出電壓，使充電電流一直維持在2 A，一直到電池充滿。VT4導通后，R44和R37并聯后的等效電阻比R44小，而電壓環的給定電壓信號不變，致使電路輸出電壓高于模式“1”的輸出電壓，克服了電池的“虛電”特性。當波段開關切換到模式“2”，電池對外提供能量，此時輸出電壓即為電池的電壓。由于無市電AC 220 V輸入，正激電路不工作。

3 電源箱系統試驗數據

電池試驗參數如下：

在做電源箱試驗時，應首先使波段開關切換至模式“3”，對電池進行充電。充滿后，才能切換至模式“2”的工作方式，進行電池放電性能的測試。根據任務書要求，先對電池進行大電流放電，后進行小電流放電。充電試驗數據如表1所示。

在30 min的時間內，電池電壓達到30.1 V，電池充滿，此模式的紋波電壓均小于100 mV。充滿后進行放電試驗，試驗數據如表2所示。在空載時，電池電壓為29.9 V，加入大負載后，分別在第1，11，21 min測試輸出電壓，由于切換開關消耗的電壓，此時輸出電壓略低于電池本身的電壓，但高于26 V，滿足設計要求。表3是工作在模式“1”，在額定負載的條件下測試的輸出電壓及其紋波電壓，在1 h之內，功率變換器達到穩定狀態，紋波也小于100 mV，滿足設計需要。

4 結 語

本文設計的電源箱系統能夠實現三種功能：即為市電輸入，DC 28 V輸出；市電輸入，電池充電；無市電輸入，電池輸出。三種工作方式通過手動開關切換。電路拓撲選擇采用雙管正激電路，控制方式既能實現恒壓，也能實現電池恒流充電。試驗指標合格，能夠滿足艦船陸地和岸基供電系統的要求。

表2 放電試驗和紋波參數記錄表格

表3 市電輸入時，功率變換器的實驗數據

參考文獻

[1] 張占松 蔡宣三.開關電源的原理與設計（修訂版）[M].北京：電子工業出版社，2004.

[2] 李定宣.開關穩定電源設計與應用[M].北京：中國電力出版社，2006.

[3] 王金保.新編電子變壓器手冊[M].沈陽：遼寧科學技術出版社，2007.

[4] 李建林.電池儲能技術控制方法研究[J].電網與清潔能源，2012（12）：61?65.

[5] 趙錦成，解璞，劉金寧，等.混合能源互補供電在武器裝備中應用研究[J].電網與清潔能源，2011（3）：53?59.

[6] 楊水麗，李建林，李蓓，等.電池儲能系統參與電網調頻的優勢分析[J].電網與清潔能源，2013（2）：43?47.

[7] 張海瑞，張濤.一種DC-DC升壓型開關電源的低壓啟動方案[J].現代電子技術，2011，34（16）：192?194.