基于軟開關技術的三相應急電源充電電路設計

畢海泉，李群富，周斌

(河南南車重型裝備有限公司，河南 義馬 472300)

基于軟開關技術的三相應急電源充電電路設計

畢海泉，李群富，周斌

(河南南車重型裝備有限公司，河南 義馬 472300)

提出了一種三相應急電源快速充電控制策略，在蓄電池充電初期采用多級恒流充電，且在充電過程中引入窄脈沖放電以消除蓄電池的極化，在充電末期采用恒壓涓流充電。采用移相控制零電壓開關全橋變換電路對蓄電池充電，降低了電能損耗，提高了效率。仿真結果證明了理論分析的正確性和可行性。

三相應急電源;軟開關技術;蓄電池

1 引言

隨著工業和科學技術的快速發展，社會生活越來越現代化、信息化，對電的依賴以及對供電質量的要求越來越高。突然的斷電必然會給人們的正常生活秩序和社會正常運轉造成破壞，特別是對于一級負荷中重要的負荷，一旦事故發生中斷供電，必將造成重大的事故和經濟損失。然而，電力故障突發性強，斷電在所難免，這就需要在市電供應中斷時，提供高性能應急電源為設備提供電能。EPS應急電源是以CPU為核心，加上整流充電模塊、逆變放電模塊、旁路切換模塊和蓄電池組成的智能供電模塊，采用電子集成模塊化結構的強弱電一體化系統，是一種高科技環保產品。它在緊急的情況下作為重要負荷的第二或第三電源供給，替代了不少場合的柴油發電機組和UPS［1］。采用智能芯片控制，維護簡單，自動操作，市電異常時，一般指市電小于187V或高于242V，自動切換，切換時間小于0.5s，可無人值守［2］;采用 IGBT 逆變橋 PWM 控制，供電電壓穩定，逆變頻率穩定，波形好;平時處于睡眠狀態(浮充)，逆變橋不工作，電能損耗小，放電效率高。主要適用于電梯、消防、安防、應急照明、醫院手術室和實驗室等重要場合。

2 應急電源的工作原理

圖1給出了EPS的系統結構圖，其主要包括輸入整流充電電路、蓄電池組、逆變器、轉換開關和控制電路組成。工作原理是［3］:(1)當市電正常時，EPS工作在旁路工作狀態，市電向負載供電，同時市電通過整流電路向蓄電池充電;(2)當市電出現故障(無市電，市電電壓過高或過低)時，轉換開關切換到逆變器輸出端，EPS工作在逆變狀態，由蓄電池經逆變器轉換成交流電給負載供電。

圖1 應急電源系統結構

整流充電是把經二極管不控整流得到的直流電供給蓄電池組，補充蓄電池放電后損失的電能。常采用的充電方法有恒壓充電、恒流充電、分階段充電。恒壓充電充電時間短，能耗低，但不適用蓄電池的初充電和去硫充電;恒流充電可任意選擇和調整充電電流，但充電時間長，能耗高;分階段充電法的時間控制比較簡單，因為沒有監控蓄電池的實時信息，控制比較粗糙[4]。本設計中提出了一種快速充電控制策略，在充電初期采用多級恒流充電，且在充電過程中引入窄脈沖放電以消除蓄電池的濃度極化問題，在充電末期采用恒壓涓流充電。

3 充電電路的軟開關控制

充電電路主電路如圖2所示，系統主要由輸入整流濾波電流、DC/DC全橋變換電路、輸出整流濾波電路、放電能量回饋電路組成。

圖2 充電電路主電路

本系統采用的是移相控制零電壓開關全橋變換電路［5，6］。這種電路的特點是結構簡單，和硬開關相比，并沒有增加輔助開關元件，僅增加了一個諧振電感，使電路中四個開關器件在零電壓的條件下開通。其中D1～D4分別是Q1～Q4的內部寄生二極管，C1～C4分別是Q1～Q4的寄生電容或外接電容。Lr是諧振電感，它包括了變壓器的漏感。每個橋臂的兩個功率管成1800互補導通，兩個橋臂的導通相差一個相位，即移相角，通過調節移相角的大小來調節輸出電壓，Q1和Q3分別超前于Q2和Q4一個相位，因此稱Q1和Q3組成的橋臂為超前橋臂，Q2和Q4組成的橋臂為滯后橋臂。

從移相控制零電壓全橋變換器的工作原理可以知道，要實現開關管的零電壓開通，必須有足夠的能量用來抽走將要開通的開關管寄生電容(外接電容)上的電荷，同時給同一個橋臂關斷的開關管的寄生電容(或外接電容)充電，考慮到變壓器的原邊繞組電容，還要有一部分能量用來抽走變壓器原邊繞組寄生電容CTR上的電荷，因此必須滿足下式:

對超前橋臂，在開關過程中，輸出濾波電感Lf是與諧振電感Lr串聯的，此時用來實現ZVS的能量是Lf和Lr的能量。一般Lf很大，在超前開關過程中，其電流近似不變，類似一個恒流源，這個能量很容易滿足式(1)。

對滯后橋臂，在開關過程中，變壓器副邊是短路的，此時整個變換器就被分成兩部分，一部分是原邊電流改變流通方向，其流通路徑由逆變橋提供;另一部分是負載電流由整流橋提供續流回路，負載側與變壓器原邊沒有關系。此時用來實現ZVS的能量只是諧振電感中的能量，要實現ZVS，則必須滿足:

由上式可以看出，超前橋臂容易實現ZVS，而滯后橋臂比較困難。只要滿足條件使滯后橋臂實現ZVS，那么超前橋臂就肯定可以實現ZVS。

4 脈沖放電及能量反饋電路

脈沖放電及能量反饋電路如圖3所示，電路由開關器件Q5及濾波電感Lf組成，此電路的功能是提供脈沖放電通道并將放電電能反饋到濾波電容Cb，在正脈沖充電末期，為消除充電產生的電池極化現象，DC/DC變換電路的開關器件全部斷開，存儲在濾波電感Lf中的能量全部轉移到電池組中，在負脈沖放電期間，Q5開通放電通道，蓄電池的放電電能通過Lf反饋到濾波電容Cb中，從而在消除極化現象的同時也避免了不必要的能量消耗。

圖3 脈沖放電能量反饋電路

5 系統仿真及結果分析

利用Matlab的Simulink上述設計電路進行仿真。仿真模型的參數設置如下:電網電壓為70V，輸入濾波電容為Cb為1100μF，諧振電感Lr為7μH，輸出濾波電感Lf為900μH，輸出穩壓電容為470μF，蓄電池采用一個電壓源和一個電阻串連等效。仿真結果如圖4～6所示。

圖4 移相控制變換電路各橋臂觸發信號波形

圖5 輸出電壓波形

圖6 移相控制變換電路開關管Q1的電壓電流波形

由上圖可以明顯看出，通過改變各橋臂的觸發脈沖的相位來調節移相控制零電壓開關全橋變換電路輸出電壓，同時由于開關器件是在零電壓條件下開通，即開通時開關器件兩端電壓和流過的電流不發生重疊，開關損耗大大降低，效率明顯提高。

6 總結

由于蓄電池充電過程中存在極化現象，充電電流越大，極化現象越嚴重，所以要想對蓄電池快速充電比較困難。本文提出了一種快速充電的控制策略，采用移相控制零電壓開關全橋變換電路，同時引入脈沖放電及能量反饋，大大減少了開關器件的損耗，提高了效率，并可以消除充電過程的極化現象。

［1］ 俞先鋒，錢照明，郭志俊．新型三相應急電源系統的DSP控制方法［J］．電力電子技術，2007，41(3):76 －78，96．

［2］ 周莉梅，范明天，張祖平．基于重要用戶的應急電源優化配置［J］．電力系統自動化，2007，31(6):99 －102．

［3］ 李明月，錢照明，俞先鋒，等．一種三相應急電源電路的探討［J］．電力電子技術，2006，40(1):106 －107，111．

［4］ 周志敏，周紀海，紀愛華．閥控式密封鉛酸蓄電池實用技術［M］．北京:中國電力出版社，2004，10．

［5］ 楊明，全橋變換器軟開關［J］．艦船電子對抗，2007，30(3):98－101．

［6］ 許峰，徐殿國，王健強，等．軟開關大功率全橋PWM變換器拓撲結構的對比分析［J］．電力電子技術，2002，36(6):51 －53．

Design of Charge Circuit for Three-Phase EPS on the Based on ZVS

BIHai-quan，LIQun-fu，ZHOU Bin
(Henan Nanche Heavy-duty Equipment Co．，Ltd．，Yima 472300，China)

The paper proposed a fast charge control strategy for three-phase EPS，multi-constant current charge was adopted at first stage，the narrow pulse dischargewas used to eliminate battery polarization in the course of charging，constant-voltage trickle charge was adopted at the terminal stage．Because phase-shifted zero-voltage-switching full-bridge converter was introduced to the accumulator charge circuit，the power loss was reduced and the efficiency increased markedly．The simulation results are proved correct and feasible．

three-phase emergency power supply;zero-voltage-switching;accumulator

TM91

B

1004－289X(2013)04－0022－03

2013－02－17

畢海泉(1973－)，男，河南焦作人，工程師，從事機電設備的設計和研究工作。