基于软开关技术的三相应急电源充电电路设计

毕海泉，李群富，周斌

(河南南车重型装备有限公司，河南 义马 472300)

基于软开关技术的三相应急电源充电电路设计

毕海泉，李群富，周斌

(河南南车重型装备有限公司，河南 义马 472300)

提出了一种三相应急电源快速充电控制策略，在蓄电池充电初期采用多级恒流充电，且在充电过程中引入窄脉冲放电以消除蓄电池的极化，在充电末期采用恒压涓流充电。采用移相控制零电压开关全桥变换电路对蓄电池充电，降低了电能损耗，提高了效率。仿真结果证明了理论分析的正确性和可行性。

三相应急电源;软开关技术;蓄电池

1 引言

随着工业和科学技术的快速发展，社会生活越来越现代化、信息化，对电的依赖以及对供电质量的要求越来越高。突然的断电必然会给人们的正常生活秩序和社会正常运转造成破坏，特别是对于一级负荷中重要的负荷，一旦事故发生中断供电，必将造成重大的事故和经济损失。然而，电力故障突发性强，断电在所难免，这就需要在市电供应中断时，提供高性能应急电源为设备提供电能。EPS应急电源是以CPU为核心，加上整流充电模块、逆变放电模块、旁路切换模块和蓄电池组成的智能供电模块，采用电子集成模块化结构的强弱电一体化系统，是一种高科技环保产品。它在紧急的情况下作为重要负荷的第二或第三电源供给，替代了不少场合的柴油发电机组和UPS［1］。采用智能芯片控制，维护简单，自动操作，市电异常时，一般指市电小于187V或高于242V，自动切换，切换时间小于0.5s，可无人值守［2］;采用 IGBT 逆变桥 PWM 控制，供电电压稳定，逆变频率稳定，波形好;平时处于睡眠状态(浮充)，逆变桥不工作，电能损耗小，放电效率高。主要适用于电梯、消防、安防、应急照明、医院手术室和实验室等重要场合。

2 应急电源的工作原理

图1给出了EPS的系统结构图，其主要包括输入整流充电电路、蓄电池组、逆变器、转换开关和控制电路组成。工作原理是［3］:(1)当市电正常时，EPS工作在旁路工作状态，市电向负载供电，同时市电通过整流电路向蓄电池充电;(2)当市电出现故障(无市电，市电电压过高或过低)时，转换开关切换到逆变器输出端，EPS工作在逆变状态，由蓄电池经逆变器转换成交流电给负载供电。

图1 应急电源系统结构

整流充电是把经二极管不控整流得到的直流电供给蓄电池组，补充蓄电池放电后损失的电能。常采用的充电方法有恒压充电、恒流充电、分阶段充电。恒压充电充电时间短，能耗低，但不适用蓄电池的初充电和去硫充电;恒流充电可任意选择和调整充电电流，但充电时间长，能耗高;分阶段充电法的时间控制比较简单，因为没有监控蓄电池的实时信息，控制比较粗糙[4]。本设计中提出了一种快速充电控制策略，在充电初期采用多级恒流充电，且在充电过程中引入窄脉冲放电以消除蓄电池的浓度极化问题，在充电末期采用恒压涓流充电。

3 充电电路的软开关控制

充电电路主电路如图2所示，系统主要由输入整流滤波电流、DC/DC全桥变换电路、输出整流滤波电路、放电能量回馈电路组成。

图2 充电电路主电路

本系统采用的是移相控制零电压开关全桥变换电路［5，6］。这种电路的特点是结构简单，和硬开关相比，并没有增加辅助开关元件，仅增加了一个谐振电感，使电路中四个开关器件在零电压的条件下开通。其中D1～D4分别是Q1～Q4的内部寄生二极管，C1～C4分别是Q1～Q4的寄生电容或外接电容。Lr是谐振电感，它包括了变压器的漏感。每个桥臂的两个功率管成1800互补导通，两个桥臂的导通相差一个相位，即移相角，通过调节移相角的大小来调节输出电压，Q1和Q3分别超前于Q2和Q4一个相位，因此称Q1和Q3组成的桥臂为超前桥臂，Q2和Q4组成的桥臂为滞后桥臂。

从移相控制零电压全桥变换器的工作原理可以知道，要实现开关管的零电压开通，必须有足够的能量用来抽走将要开通的开关管寄生电容(外接电容)上的电荷，同时给同一个桥臂关断的开关管的寄生电容(或外接电容)充电，考虑到变压器的原边绕组电容，还要有一部分能量用来抽走变压器原边绕组寄生电容CTR上的电荷，因此必须满足下式:

对超前桥臂，在开关过程中，输出滤波电感Lf是与谐振电感Lr串联的，此时用来实现ZVS的能量是Lf和Lr的能量。一般Lf很大，在超前开关过程中，其电流近似不变，类似一个恒流源，这个能量很容易满足式(1)。

对滞后桥臂，在开关过程中，变压器副边是短路的，此时整个变换器就被分成两部分，一部分是原边电流改变流通方向，其流通路径由逆变桥提供;另一部分是负载电流由整流桥提供续流回路，负载侧与变压器原边没有关系。此时用来实现ZVS的能量只是谐振电感中的能量，要实现ZVS，则必须满足:

由上式可以看出，超前桥臂容易实现ZVS，而滞后桥臂比较困难。只要满足条件使滞后桥臂实现ZVS，那么超前桥臂就肯定可以实现ZVS。

4 脉冲放电及能量反馈电路

脉冲放电及能量反馈电路如图3所示，电路由开关器件Q5及滤波电感Lf组成，此电路的功能是提供脉冲放电通道并将放电电能反馈到滤波电容Cb，在正脉冲充电末期，为消除充电产生的电池极化现象，DC/DC变换电路的开关器件全部断开，存储在滤波电感Lf中的能量全部转移到电池组中，在负脉冲放电期间，Q5开通放电通道，蓄电池的放电电能通过Lf反馈到滤波电容Cb中，从而在消除极化现象的同时也避免了不必要的能量消耗。

图3 脉冲放电能量反馈电路

5 系统仿真及结果分析

利用Matlab的Simulink上述设计电路进行仿真。仿真模型的参数设置如下:电网电压为70V，输入滤波电容为Cb为1100μF，谐振电感Lr为7μH，输出滤波电感Lf为900μH，输出稳压电容为470μF，蓄电池采用一个电压源和一个电阻串连等效。仿真结果如图4～6所示。

图4 移相控制变换电路各桥臂触发信号波形

图5 输出电压波形

图6 移相控制变换电路开关管Q1的电压电流波形

由上图可以明显看出，通过改变各桥臂的触发脉冲的相位来调节移相控制零电压开关全桥变换电路输出电压，同时由于开关器件是在零电压条件下开通，即开通时开关器件两端电压和流过的电流不发生重叠，开关损耗大大降低，效率明显提高。

6 总结

由于蓄电池充电过程中存在极化现象，充电电流越大，极化现象越严重，所以要想对蓄电池快速充电比较困难。本文提出了一种快速充电的控制策略，采用移相控制零电压开关全桥变换电路，同时引入脉冲放电及能量反馈，大大减少了开关器件的损耗，提高了效率，并可以消除充电过程的极化现象。

［1］ 俞先锋，钱照明，郭志俊．新型三相应急电源系统的DSP控制方法［J］．电力电子技术，2007，41(3):76 －78，96．

［2］ 周莉梅，范明天，张祖平．基于重要用户的应急电源优化配置［J］．电力系统自动化，2007，31(6):99 －102．

［3］ 李明月，钱照明，俞先锋，等．一种三相应急电源电路的探讨［J］．电力电子技术，2006，40(1):106 －107，111．

［4］ 周志敏，周纪海，纪爱华．阀控式密封铅酸蓄电池实用技术［M］．北京:中国电力出版社，2004，10．

［5］ 杨明，全桥变换器软开关［J］．舰船电子对抗，2007，30(3):98－101．

［6］ 许峰，徐殿国，王健强，等．软开关大功率全桥PWM变换器拓扑结构的对比分析［J］．电力电子技术，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

毕海泉(1973－)，男，河南焦作人，工程师，从事机电设备的设计和研究工作。