電氣工程及其自動化畢業(yè)設計-饋能式鉛酸蓄電池快速充電方法的研究

1、<p><b>　　本科畢業(yè)論文</b></p><p><b>　?。?0 屆）</b></p><p>　　饋能式鉛酸蓄電池快速充電方法的研究</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　摘要I</b><

2、;/p><p>　　AbstractII</p><p><b>　　1 緒論1</b></p><p>　　1.1 研究的背景及意義1</p><p>　　1.2 當前鉛酸蓄電池快速充電方法的研究情況1</p><p>　　1.3 本文的主要研究內(nèi)容、方案2</p><

3、p>　　1.3.1 本文的主要內(nèi)容2</p><p>　　1.3.2 本文的研究方案3</p><p>　　2 鉛酸蓄電池充放電原理4</p><p>　　2.1 鉛酸蓄電池簡介4</p><p>　　2.1.1 鉛酸蓄電池結(jié)構4</p><p>　　2.1.2 鉛酸蓄電池的工作原理4</p&g

4、t;<p>　　2.1.3 鉛酸蓄電池的工作特性6</p><p>　　2.2 高頻諧振式修復技術6</p><p>　　2.2.1 修復原理6</p><p>　　2.2.2 修復電路7</p><p>　　3 鉛酸蓄電池的充電方法8</p><p>　　3.1 供電電源主變換器的設計8&l

5、t;/p><p>　　3.1.1 主變換器的參數(shù)指標8</p><p>　　3.1.2 半橋型軟開關電路的工作原理8</p><p>　　3.1.3 半橋型軟開關電路參數(shù)設計10</p><p>　　3.2電源功率回路的設計11</p><p>　　3.2.1 EMI濾波器的設計11</p><

6、;p>　　3.2.2 輸入整流回路的設計12</p><p>　　3.2.3 功率器件選型13</p><p>　　3.2.4 高頻變壓器設計13</p><p>　　3.2.5 輸出整流回路設計16</p><p>　　3.3 PWM控制芯片及外圍電路設計17</p><p>　　3.3.1 TL49

7、4簡介17</p><p>　　3.3.2 TL494工作原理18</p><p>　　3.3.3 PWM控制器的構成18</p><p>　　3.4 高頻諧波電路功率回路設計19</p><p>　　3.4.1 高頻諧波電路結(jié)構及工作過程19</p><p>　　3.4.2 高頻諧波電路參數(shù)設計20<

8、;/p><p>　　3.5 高頻諧波電路控制回路設計21</p><p>　　3.5.1 SG3525簡介21</p><p>　　3.5.2 SG3525的工作原理22</p><p>　　3.5.3 PWM控制器的構成23</p><p>　　4正負脈沖充電電路分析與設計24</p><p

9、>　　4.1 傳統(tǒng)的正負脈沖充電電路分析24</p><p>　　4.2 饋能式正負脈沖充電電路框圖25</p><p>　　4.3 開關電源主電路設計26</p><p>　　4.3.1主電路的參數(shù)指標26</p><p>　　4.3.2全橋整流電路工作原理26</p><p>　　4.3.3主電路工

10、作原理27</p><p>　　4.3.4控制電路工作原理28</p><p>　　4.4充放電電路設計30</p><p><b>　　5 電路仿真32</b></p><p>　　5.1 電路仿真34</p><p>　　5.1.1 單端正激電路的仿真34</p>&

11、lt;p>　　5.1.2 雙向Buck-Boost電路的仿真35</p><p><b>　　結(jié)束語38</b></p><p><b>　　參考文獻39</b></p><p><b>　　致謝40</b></p><p>　　AbstractI</p&

12、gt;<p>　　1 Introduction1</p><p>　　1.1 Background and significance of the study1</p><p>　　1.2 Research on the current lead-acid battery fast charging method1</p><p>　　1.3 T

13、he main contents of this article, Scheme 2</p><p>　　1.3.1 The main content of this article2</p><p>　　1.3.2 Research programs of this article3</p><p>　　2 Lead-acid battery charge

14、and discharge principle 4</p><p>　　2.1 Lead-acid batteries Introduction4</p><p>　　2.1.1 Lead-acid battery structure4</p><p>　　2.1.2 Lead-acid battery works 4</p><p>

15、;　　2.1.3 Lead-acid battery performance characteristic6</p><p>　　2.2 High frequency resonant repair techniques6</p><p>　　2.2.1 Repair Principle6</p><p>　　2.2.2 Repair circuit 7&l

16、t;/p><p>　　3 Lead-acid battery charging method8</p><p>　　3.1 Design of the main power supply converter8</p><p>　　3.1.1 Parameter index of 11 main converter8</p><p>　　3.

17、1.2 It works half-bridge soft switching circuit 8</p><p>　　3.1.3 Half-bridge soft switching circuit parameters 10</p><p>　　3.2Power Circuit Design11</p><p>　　3.2.1 EMI filter des

18、ign 11</p><p>　　3.2.2 Design input rectifier circuit12</p><p>　　3.2.3 Power Devices Selection13</p><p>　　3.2.4 high-frequency transformer design13</p><p>　　3.2.5 O

19、utput rectification circuit design16</p><p>　　3.3 PWM control chip and peripheral circuit design 17</p><p>　　3.3.1 About TL49417</p><p>　　3.3.2 The Principle of TL49418</p>

20、;<p>　　3.3.3 Constitution of PWM 18</p><p>　　3.4 Harmonic circuit power circuit design 19</p><p>　　3.4.1 The harmonic structure and working process circuit 19</p><p>　　3.4

21、.2 Harmonic circuit parameters 20</p><p>　　3.5 Harmonic circuit control loop design21</p><p>　　3.5.1 About SG352521</p><p>　　3.5.2 The Principle of G352522</p><p>　

22、　3.5.3 Constitution of PWM23</p><p>　　4 Positive and negative pulse charging circuit analysis and design24</p><p>　　4.1 The traditional analysis of positive and negative pulse charging circui

23、24</p><p>　　4.2 Positive and negative pulse charging formula-fed can block circuit diagram25</p><p>　　4.3 The main circuit switching power supply design26</p><p>　　4.3.1Parameter

24、index of the main circuit26</p><p>　　4.3.2Full bridge rectifier circuit works26</p><p>　　4.3.3Main circuit works27</p><p>　　4.4Design of charge-discharge circuit30</p>&l

25、t;p>　　5  Circuit simulation 32</p><p>　　5.1Circuit simulation34</p><p>　　5.1.1 Single-ended forward circuit simulation34</p><p>　　5.1.2 Bidirectional Buck-Boost circuit s

26、imulation 35</p><p>　　Conclusion 38</p><p>　　References 39</p><p>　　Acknowledge40</p><p>　　饋能式鉛酸蓄電池快速充電方法的研究</p><p>　　摘要：二十一世紀以來，在電動自行車、電動汽車、互聯(lián)網(wǎng)、通訊、等各個

27、領域，鉛酸蓄電池的應用范圍十分廣泛。隨之而來，電池的失效、報廢、修復等問題日益突出。針對鉛酸蓄電池在充電、放電過程中存在的電解液結(jié)晶、極板硫化等問題，本文設計了一種新型的高頻諧振式修復系統(tǒng)。該系統(tǒng)運用恒壓電源疊加高頻諧波信號的方法，產(chǎn)生頻率范圍極寬的諧波信號。該諧波信號將與硫酸鉛晶體發(fā)生諧振，將各種體積和形狀的硫酸鉛晶體溶解，從而消除了鉛酸蓄電池的硫化，進而恢復蓄電池原有容量。本文的研究內(nèi)容如下：研究分析半橋軟開關電源拓撲電路。分析該電

28、路的工作過程、分析該電路電壓和電流波形，設計與之適應的EMI濾波器、輸入整流電路、高頻變壓器、輸出整流回路等相關電路，另外，設計供電電路的PWM控制電路。高頻諧波電路中主電路的設計。分析了高頻諧波回路的電路結(jié)構及其工作過程，同時對電路中元件的參數(shù)進行計算并選型，另外，設計高頻諧波回路的控制電路，該電路以SG3525控制芯片為核心，本文介紹了SG3525工作原理和PWM控制器電路的構成。修復儀控制系統(tǒng)的軟件設計。本文以ATmega32單片

29、機為基礎，設計了主要包括開關管控制、容量選擇等多個智能</p><p>　　關鍵詞： 鉛酸蓄電池 高頻諧振 ATmega32單片機 充電修復系統(tǒng)</p><p><b>　　窗體頂端</b></p><p>　　Research fed lead-acid batteries can be fast charging method</p&

30、gt;<p>　　Abstract：In recent years, electric vehicles, automobiles, IT communications, electricity and other lines in various fields, lead-acid batteries have been widely used. At the same time, the failure of the

31、battery, scrap, repair issues become increasingly prominent. For the plate curing issues such as lead-acid batteries in the charge-discharge process, we designed a new type of high-frequency resonant repair system. The s

32、ystem utilizes a constant voltage power supply method of superposition of hi</p><p>　　Keywords：Lead-acid battery High-frequency harmonics ATmega32Microcontroller Charge-Repair System</p><p>&

33、lt;b>　　1 緒論</b></p><p>　　1.1 研究的背景及意義</p><p>　　1859年，法國人普朗特發(fā)明了鉛酸蓄電池，至今已有一百多年的歷史，在這段時間中，鉛酸蓄電池在發(fā)展中不斷改進，最重要的是由開口式發(fā)展成為密封式，提高了它的安全性，并大大減少了對環(huán)境的污染。隨著節(jié)能減排的提倡和人們環(huán)保意識的提高，人們將視野從有尾氣排放的燃油汽車，轉(zhuǎn)向了電動汽車

34、、電動摩托車等環(huán)保交通工具，鉛酸蓄電池憑借它技術發(fā)展成熟，價格低廉，電壓穩(wěn)定成為了他們的主要動力來源，并且鉛酸蓄電池還廣泛應用于通訊、金融、鐵路行業(yè)，我國2013年鉛酸蓄電池累積總產(chǎn)量205,027,428千伏安時，同比增長15.36%，充分顯示出我國鉛酸蓄電池行業(yè)正在蓬勃發(fā)展。 鉛酸蓄電池在動力車市場中的應用需求很大，不論是從穩(wěn)定可靠、經(jīng)濟效益等方面考慮，還是從性價比、維護的簡單性考慮，鉛酸蓄電池都是最佳選擇。鉛酸蓄電池的特點

35、之一是使用維護過程簡單、可以回收利用，產(chǎn)品回收利用率高達95%，既方便可靠又有一定的經(jīng)濟效益，因此，鉛酸蓄電池行業(yè)的市場存在著巨大的市場潛力。從行業(yè)本身的發(fā)展情況來看，鉛酸蓄電池自發(fā)明至今已有155年的歷史，其用量越來越大，生產(chǎn)技和效率也在不斷發(fā)展提高。 鉛酸蓄電池的使用壽命和</p><p>　　1.2 當前鉛酸蓄電池快速充電方法的研究情況</p><p>　　隨著電力電子技術

36、的發(fā)展和科研人員的不懈努力，鉛酸蓄電池充電技術發(fā)展至今已得到極大的改進和發(fā)展。早期鉛酸蓄電池充電技術很不完善，主要問題在于充電時極化現(xiàn)象不斷加劇、溫度升高、出氣量大導致蓄電池充電速度降低，更為重要的是它會嚴重影響蓄電池的使用壽命，導致它提前報廢。早在20世紀50年代，國外科學家對鉛酸蓄電池的快速充電展開了研究，60年代取得了一定的發(fā)展。在上世紀60年代中期美國科學家馬斯的大量實驗，在盡可能減小對蓄電池壽命影響的情況下可以將充電時間大大縮

37、短。他又在1972年提出了馬斯三定律為鉛酸蓄電池的快速充電奠定了基礎。我國于上世紀70年代也對鉛酸蓄電池的快速充電進行了研究，雖然進展比較慢，但也得到了一定的發(fā)展。 為了保證在充電時盡可能的減小對鉛酸蓄電池的損害，許多以馬斯三定律為基礎的充電方法出現(xiàn)，如恒壓、恒流充電法、恒壓限流充電法、分級定流充電法、慢脈沖充電法、正負脈沖充電法等。恒壓、恒流充電法在充電時僅能部分滿足馬斯曲線，會使兩極的活性物脫落，影響鉛酸蓄電池的使用壽命。恒

38、壓限流充電法雖然符合馬斯曲線，但其充電時間較長，效率低。這三種充電方法屬于傳統(tǒng)的充電方法，充電時間較長，</p><p>　　1.3 本文的主要研究內(nèi)容、方案</p><p>　　1.3.1 本文的主要內(nèi)容</p><p>　　本課題擬采用饋能式正負脈沖充電法，即先通過正脈沖給蓄電池充電一段時間，然后進行間歇，再用負脈沖使蓄電池放電一段時間，并將放電的能量回饋給電

39、容。主要研究內(nèi)容如下： (1) 對整流橋電路進行設計。對整流橋電路進行了分析，根據(jù)輸出波形的要求確定整流橋電路上各元件的具體參數(shù)。 (2) 對單端正激電路進行設計。主要包括開關管控制、輸出電壓檢測、確定各元件具體參數(shù)，并采用UC3842作為控制電路。 (3) 對蓄電池充放電電路進行設計。對雙向Buck-Boost電路進行深入分析，包括開關管控制、輸出電壓監(jiān)測，掌握其工作原理，確定各元件的具體參數(shù)。 (4)

40、 理解PIC單片機中CCP模塊PWM的配置方法，及如何通過設置輸出PWM波形來驅(qū)動雙向buck-boost電路的開關管。 (5) 系統(tǒng)軟件進行仿真使用。介紹了Saber仿真軟件開發(fā)平臺，對前級單端正激電路和后級雙向Buck-Boost電路進行仿真，并對仿真波形進行分析。 </p><p>　　1.3.2 本文的研究方案</p><p>　　通過以上對蓄電池特性的了解和充電用開

41、關電源的研究，以下給出了鉛酸蓄電池正負脈沖充電法的總體結(jié)構，包括橋式整流電路、以UC3842芯片控制的單端正激電路、以PIC單片機控制的雙向Buck-Boost雙向電路等。首先市電經(jīng)過整流橋使交流電壓變?yōu)橹绷麟妷海ㄟ^單端正激電路變?yōu)?4V的直流電壓，再經(jīng)過雙向Buck-Boost電路變?yōu)?5V電壓給36V/10Ah的蓄電池進行充電，控制部分前級采用芯片UC3842驅(qū)動開關管M1，后級采用PIC單片機產(chǎn)生PWM輸出波形來驅(qū)動開關管M2、

42、M3。</p><p><b>　　1-1 原理圖</b></p><p>　　2 鉛酸蓄電池充放電原理</p><p>　　2.1 鉛酸蓄電池簡介</p><p>　　2.1.1 鉛酸蓄電池結(jié)構</p><p>　　鉛酸電池是一種化學電源，是一個應用成熟的歷史悠久的技術。具有其他電池無法比擬的優(yōu)

43、點，廣泛應用于工業(yè)，軍事，生活領域。鉛酸電池的正極和負極分別為絨狀的二氧化鉛和鉛，電解液與稀硫酸。鉛酸電池的基本結(jié)構如圖2-1所示，是由極板，隔板，電解液，安全閥，外殼等部分組成。</p><p>　　圖2-1 鉛酸蓄電池基本構造</p><p>　　2.1.2 鉛酸蓄電池的工作原理</p><p>　?。?） 電動勢的建立 ①正極板：在正極板用于紅色的二

44、氧化鉛的，在一個外部電路的情況下中的激活實質(zhì)內(nèi)容，在未接通外電路的情況下，在硫酸鉛溶液中少量的二氧化鉛與水分子的反應?？梢员环纸獾囊€的氫氧化的不穩(wěn)定性，附加到的正極板和負面的的的一價的氫氧根離子的四價的鉛離子的仍然在硫酸溶液中。因此，正電極板或缺乏電子。 ②負極板：負極板上活化物質(zhì)是深灰色的海綿狀鉛。在未接通外電路的情況下，電解液中的硫酸與鉛發(fā)生化學反應，生成正二價鉛離子以及負二價硫酸根離子。其中二價的鉛離子留在電解液中，而

45、負極板則多了兩電子。 ③在打開的電池中，還沒有連接到外部電路，在硫酸溶液中的化學產(chǎn)品的正極和負極板。少電子的化學作用，從而使正極板和負極板，將產(chǎn)生的多電子，正極和負極板的電位差建立電動勢。在正常情況下的電極板組之間的電動勢是2.1V。一個12V的鉛酸電池需要6個單體電池。圖2-3建立片組的電動勢的示意圖。</p><p>　　圖2-3 極板組電動勢的建立</p><p>　?。?/p>

46、2）鉛酸蓄電池放電過程</p><p>　　化學反應： ① 正極板：Pb4+ + 2e → Pb2+ ；Pb2+ + SO42- → PbSO4 ② 負極板：Pb - 2e → Pb2+；Pb2+ + SO42- → PbSO4 ③ 電解液：H+ + OH- → H2O；SO4 2- →減少 ④ 總反應式：PbO2 ＋ Pb＋ 2H2SO4 → 2PbSO4 ＋ 2H2O

47、</p><p>　　圖2-4 鉛酸蓄電池放電示意圖</p><p>　?。?）鉛酸蓄電池的充電過程（修復過程也是充電過程）</p><p>　　化學反應： ① 正極板：PbSO4 → Pb2+ + SO42- ；Pb2+ - 2e → Pb4+ ② 負極板：PbSO4 → Pb2+ + SO42- ；Pb2+ + 2e→ Pb

48、 ③ 電解液：H2O → H+ + OH-；SO4 2- →增加 ④ 總反應式：2PbSO4 ＋ 2H2O → PbO2 ＋ Pb ＋ 2H2SO4</p><p>　　圖2-5 鉛酸蓄電池充電過程</p><p>　　2.1.3 鉛酸蓄電池的工作特性</p><p><b>　?。?）內(nèi)阻</b></p><

49、p>　　蓄電池的內(nèi)阻主要來自極板電阻、電解液電阻、連接條。極板的正面和負面的的耐電極板性的板甲的的電阻，主要是取決于的的實質(zhì)內(nèi)容的變化的激活上時，電阻是一般的小的耐電解質(zhì)性是不僅是一個較高溫度和密度的電解液的兩者的關系，也受到由自身磁導率的影響，以及材料性質(zhì)的影響; 連接條材質(zhì)為鉛，電阻很小。</p><p><b>　?。?）充放電特性</b></p><p>

50、;　　① 放電特性：恒流放電一般包括開始放電、穩(wěn)定放電、快速下降三個階段。不同溫度條件下，放電特性曲線也有所不同。放電終止：兩種放電終止判斷方法：電池端電壓下降到終止電壓；電解液密度達到終止密度。</p><p>　?、?充電特性：充電一般包括恒流、涓流兩個階段。充電終止：同樣兩種判斷方法，電池端電壓上升到最大值；電解液開始冒泡，說明已經(jīng)開始電解水。</p><p>　　2.2 高頻諧振式

51、修復技術</p><p>　　2.2.1 修復原理</p><p>　　根據(jù)上一節(jié)介紹的鉛酸蓄電池工作原理，可以清楚的知道，在放電的過程中正、負極板生成正二價的鉛離子，在電解液中與負二價的硫酸根離子發(fā)生化學反應，生成難溶于水的硫酸鉛晶體。以原子物理學的角度分析，硫酸鉛晶體的形成原因是：硫離子從能量較高且不穩(wěn)定的自由離子狀態(tài)變成能量最低且穩(wěn)定的共價鍵能級狀態(tài)。倘若想要溶解硫酸鉛晶體，原子需要

52、吸收一定的能量，能量過高則會使得遷躍原子處于不穩(wěn)定狀態(tài)，最終又回到共價鍵能級狀態(tài)；相反，能量過低則不足以遷躍。每個能級都有唯一的諧振頻率，因此硫酸鉛晶體也有各自獨有的唯一的諧振頻率。其諧振頻率從幾kHz到幾十kHz不等。 本課題是利用高頻諧波回路產(chǎn)生豐富的高頻諧波。這些諧波使硫原子得到適當?shù)哪芰繌亩w躍至離子狀態(tài)，即與硫酸鉛晶體實現(xiàn)共振，進而溶解硫酸鉛晶體，最終達到了去硫化的目的。</p><p>　　2

53、.2.2 修復電路</p><p>　　由上節(jié)的修復原理可知，產(chǎn)生高頻諧波與硫酸鉛晶體發(fā)生諧振是修復電路的首要目的。然而由于硫酸鉛晶體顆粒大小不一，諧振頻率也從幾kHz到幾十kHz不等，本課題共振頻率取20kHz。與此同時，修復系統(tǒng)的修復過程與鉛酸蓄電池的充電過程是同時進行的。高頻諧波電路設計如圖2-6所示。</p><p>　　圖2-6 高頻諧波電路設計</p><p

54、>　　高頻諧波電路如圖2-6所示。15V直流穩(wěn)壓電源為該電路供電，負載為鉛酸蓄電池。該電路工作過程如下： ·工作狀態(tài)1：電路中，電感L1起到濾波的作用。修復系統(tǒng)開始工作， 15V直流電源通過電感L2為電容C1充電，二極管D1關斷；當電容C1充電結(jié)束后，電感L2電流為零，供電電源開始為電池恒壓充電。 ·工作狀態(tài)2：開關管S1導通，二極管D1仍處于關斷狀態(tài)，此時電容C1與電感L3、S1構成回路開始放

55、電，電容C1放電過程中，其端電壓不斷減小，供電電源通過L1、L2開始給電容C1充電，同時，蓄電池也通過電感L2開始放電過程，此過程時間極短，修復電流會出現(xiàn)反向，修復電壓、電流會出現(xiàn)振蕩現(xiàn)象。 ·工作狀態(tài)3：開關管S1再次關斷，由于L3電動勢的存在，二極管D1導通，電容C1、電感L3通過二極管D1為蓄電池充電，修復電壓立馬上升。同時，電感L3、二極管D1與電感L2構成放電回路，供電電源通過L1、L2繼續(xù)給電容C1充

56、電，修復電壓、電流會出現(xiàn)振蕩現(xiàn)象。此過程中L3電動勢逐漸減小直到D1關斷，重新回到狀態(tài)1。 工作狀態(tài)2、3的切換令高頻諧波電路輸出電壓產(chǎn)生尖峰振蕩，從而得</p><p>　　3 鉛酸蓄電池的充電方法</p><p>　　3.1 供電電源主變換器的設計</p><p>　　3.1.1 主變換器的參數(shù)指標</p><p>　　設計一個半

57、橋型軟開關穩(wěn)壓電源，其具體的設計技術參數(shù)如下： 輸入電壓單相：190~250V； 輸入交流電頻率：45~65Hz； 輸出直流電壓：45V恒定； 最大輸出直流電流：14A； 最大輸出功率：300W； 輸出紋波電壓：； 變換器效率：80%；</p><p>　　變換器工作頻率：100kHz</p><p>　　3.1.2 半橋型軟開關電路

58、的工作原理</p><p>　　該變換器選擇半橋軟開關進行設計，主回路原理圖如下圖3-1：</p><p>　　圖3-1 半橋軟開關的主電路</p><p>　　輸入電壓經(jīng)過整流濾波得到直流電壓Ui，圖中用直流源Ui代替，隨后進入半橋逆變。C1、C2和L1形成諧振回路，實現(xiàn)諧振，續(xù)流二極管D1和D2用以限制諧振幅度，S1和S2是開關管。該電路不需要增加任何可控開關，

59、能夠簡單地實現(xiàn)主回路開關的軟開關條件。開關S1和S2工作在零電流關斷狀態(tài)，這將大大減小電路的開關損耗。</p><p>　　該變換器的工作過程可分成四種工作模式。以下是各個模式下的等效拓撲。</p><p><b>　　工作模式1</b></p><p><b>　　工作模式2</b></p><p&g

60、t;<b>　　工作模式3</b></p><p><b>　　工作模式4</b></p><p>　　圖3-2 主電路的四個工作模式（a）~（d）</p><p>　　該電路的各個部分波形圖如下：</p><p>　　圖3-3 各個部分波形圖</p><p>　　T0 時刻

61、，S2 關斷，因此時Io 為零，故US2為0，US1、UC1 為Us，UC2、UL1、UN1均為零。</p><p>　　T1 時刻，S1 開通，US1 為零，US2 承受電壓為Us，UN1躍變?yōu)閁o；C2、C3 與L2 構成諧振，UL1開始按余弦下降，承受峰值電壓Us-Uo，Io 開始按正弦上升。</p><p>　　T2 時刻，UC1＝Uo，此時UL1 電壓降至零，Io 開始達到最大值

62、。</p><p>　　T3 時刻，UC1 諧振至零，UC2 諧振至Vs，續(xù)流二極管U7 導通；此時開始UL1 保持Uo，Io按固定斜率下降。</p><p>　　T4 時刻，Io 下降至零，UN1躍變至零，滿足S1零電流關斷條件。</p><p>　　T5 時刻，S1 關斷，上半周期結(jié)束。</p><p>　　T5-T6 為死區(qū)時間，T6

63、時刻，S2 開通，下半周期開始，其過程與上半周期相同。</p><p>　　通過對上述時序分析可知，當變壓器原邊N1電壓低于1/2 輸入電壓，即 Us ＞2Uo 時，系統(tǒng)構成穩(wěn)定諧振條件。通過S1和S2 控制振蕩頻率，即調(diào)節(jié)T4至T5時間的長短，從而可控制輸出功率。</p><p>　　3.1.3 半橋型軟開關電路參數(shù)設計</p><p>　　輸入單相220V

64、77;10%，頻率50Hz ，輸出額定電壓DC15V±2%，輸出額定電流14A。</p><p>　　選擇主回路工作頻率為100 kHz， 根據(jù)公式：</p><p><b>　?。?-1）</b></p><p><b>　?。?-2）</b></p><p>　　則為滿足功率P=300

65、W 的需要，所需電容為 C1＋C2=＝13nF?？紤]開關死區(qū)，輸入電壓下限，效率等因素，電容容量需要+40%左右的冗余，因此最終選定諧振電容C1=C2=10nF。</p><p>　　根據(jù) LC 諧振周期計算公式 ，則滿足諧振頻率100 kHz 時的諧振電感量為L2=127 μH。</p><p>　　根據(jù)變壓器原邊電壓必須低于輸入電壓一半的原則，當輸入為AC220V 單相整流電壓時，變壓

66、器原邊電壓應低于110V， 因輸出須滿足DC15V，則變壓器變比選定為7：1。</p><p>　　3.2電源功率回路的設計 </p><p>　　3.2.1 EMI濾波器的設計</p><p>　　該電路采用典型的EMI濾波器，圖3-7中所示，該電路的總的五個端口，兩個輸入，兩個輸出端和接地端。電路L1，L2被稱為共模扼流圈，共模干擾時，可以產(chǎn)生共模扼流線圈電感

67、了很多，不讓它通過，起到抑制共模干擾的作用。 C3和C4的輸出連接到兩端，點接地，而且還發(fā)揮的作用，抑制共模干擾，C1，C2，一般采用薄膜電容器，主要用于濾除串模干擾。</p><p>　　圖3-7 EMI濾波器基本電路</p><p>　　EMI濾波器主要的技術參數(shù)包括：插入損耗，漏電流，額定電壓，額定電流，測試電壓，絕緣電阻，重量，外形尺寸等。 插入損耗表示EMI濾波器前后負載

68、上噪聲電壓的對數(shù)比，單位為dB，數(shù)值越大表明抑制噪聲干擾的能力越強，其計算公式為：</p><p><b>　　（3-3）</b></p><p>　　EMI濾波器另一個重要的技術參數(shù)——漏電流，其公式為：</p><p><b>　?。?-4）</b></p><p>　　上式中f為電網(wǎng)頻率，C是

69、C3與C4數(shù)值之和，UC 為C3和C4上的電壓壓降。若我們?nèi)3、C4值為4700pF，可以算得C=4700pF+4700pF=9400Pf，電網(wǎng)頻率為50Hz，C3、C4上的電壓壓降約為110V。</p><p>　　由公式可以計算得ILD =0.32mA。對漏電流的要求一般為幾百微安到幾微安，所以C3、C4的選值符合要求。C1、C2的容量范圍一般為0.01~0.47uF，選取C1、C2為0.10uF。L的電感

70、量與EMI濾波器的額定電流I有關，如表3-1所示，本電路中共模扼流圈取50uH。</p><p>　　表3-1 電感量范圍與額定電流的關系</p><p>　　3.2.2 輸入整流回路的設計</p><p>　　輸入整流回路由整流橋和輸入濾波電容兩個部分組成，如圖3-8所示。圖3-8 輸入整流回路的結(jié)構</p><p>　　整流橋采用橋式

71、結(jié)構。整流橋共有四個端子，包括兩個交流輸入端和兩個直流輸出端，具有體積小、重量輕、使用方便等優(yōu)點，廣泛地應用于開關電源的輸入整流電路。 整流橋的主要技術參數(shù)包括耐壓值、額定電流。其反向擊穿電UBR 應滿足下面公式的要求： （3-5） 整流橋的Umax =220V，計算可得URRM =388.85V，考慮到裕量，取

72、整流橋的耐壓值為600V。 整流橋的有效值電流為IRMS ，計算IRMS 的公式如下：</p><p><b>　　(3-6)</b></p><p>　　其中，P0為開關電源的輸出功率；是開關電源的效率；Umin為交流輸入電壓的最小值；cos為開關電源的功率因數(shù)，取 P0 為300W，為0.8，Umin 為180V，cos取0.7，計算可得=2.976A，考

73、慮到裕量，取整流橋的額定有效值為4A。由此選擇KBL06型整流橋，其耐壓值為600V，額定電流值為4A。 輸入濾波電容的主要功能是降低整流濾波的輸出紋波，每單位輸出功率所需的輸入濾波電容器的容量(uF)存在著比例關系k，當交流電壓U=85~265V時，一般取k=1~3；下面介紹計算輸入濾波電容的準確值的方法，公式如下：</p><p><b>　　(3-7)</b></p>

74、;<p>　　其中，取 P0 為300W，為0.8，f為50Hz，tc =3ms，umin 為160V，UImin 為200V，計算可得c=468.75uH,本電路用兩個330uF/250V的電解電容串聯(lián)。</p><p>　　3.2.3 功率器件選型</p><p>　　常用的功率開關器件有MOSFET和IGBT，兩者均為電壓驅(qū)動型器件，具有驅(qū)動電路簡單、驅(qū)動功率小、性能穩(wěn)

75、定等優(yōu)點，因此廣泛地應用于中小功率的高頻開關電源，考慮到性價比問題，本課題選用MOSFET作為功率開關器件。 MOSFET功率開關管的技術指標包括直流參數(shù)和交流參數(shù)，漏極電流ID 、漏極功耗PD 、漏源擊穿電壓U(BR)DS 、漏源通態(tài)電阻RDS(ON) 是主要的直流參數(shù)。開啟時間td(ON) 、關斷時間td(OFF) 、輸入輸出電容為主要的交流參數(shù)。下表3-2是常用的幾種MOSFET功率開關管的主要技術指標。</p>

76、;<p>　　表3-2 常用MOSFET功率開關管的主要技術指標</p><p>　　其中，漏極電流ID 、漏源擊穿電壓U(BR)DS 是選擇器件比考慮的兩個技術指標，考慮到電路電壓尖峰，波動等情況，漏極電流ID 一般取實際電流最大有效值的1.5~2倍，考慮到一定裕量，ID 選10A，漏源擊穿電壓U(BR)DS 一般取加在MOSFET管上最大電壓的2~3倍，U(BR)DS 取500V，因此選用型號為

77、IFRP840 的MOS管。</p><p>　　3.2.4 高頻變壓器設計</p><p>　　高頻變壓器是開關電源的重要部件之一，也是設計開關電源的關鍵，其作用是存儲和傳遞能量。本節(jié)將介紹高頻變壓器磁芯的選擇、磁芯密度的計算、原副邊匝數(shù)的計算、導線的選擇等內(nèi)容。 （1）磁芯的選擇</p><p>　　以下公式為磁芯截面積的經(jīng)驗公式</p>&

78、lt;p><b>　　(3-8)</b></p><p>　　其中，SJ 為磁芯截面積，單位為CM2 ，PM 為高頻變壓器最大承受功率，單位為W，本課題設計的供電用開關電源最大輸出功率為P0 為210W，設開關電源的效率值為0.8，可以計算出高頻開關電源的最大輸人功率為PI 為262.5W，考慮到裕量問題，可取PM 為280W，由公式計算可得，SJ =2.51cm2 ，由下表3-3可知

79、，E-60磁芯符合要求。</p><p>　　表3-3 部分國產(chǎn)E型磁性規(guī)格</p><p>　?。?）原邊電感量和匝數(shù)的計算</p><p>　　高頻變壓器的原邊繞組的電感量L1的計算公式如下：</p><p><b>　　(3-9)</b></p><p>　　其中，=80%，約為120V，考

80、慮到直通問題，并留有裕量，=45%，約為210W，f=40kHz，代入式中得到=0.14(mH)， 滿載時的峰值電流為，短路保護時的過載電流為，以下是其計算公式：</p><p><b>　　(3-10)</b></p><p><b>　　(3-11)</b></p><p>　　由以上公式可以求得=9.6A，=

81、12.6A。</p><p>　　原邊繞組的電能的計算公式為，由此計算可得，W=11.1(mJ)。原邊繞組的匝數(shù)計算公式如下：</p><p><b>　　(3-12)</b></p><p>　　E-60磁芯的飽和磁通密度=400mT,為防止磁飽和現(xiàn)象出現(xiàn)而損害開關管，取磁通密度B=250mT，代入前面的數(shù)據(jù)，可得N1 =28.1(匝)，實取

82、30匝。 （3）副邊匝數(shù)的計算</p><p>　　變壓器的副邊電壓值的計算公式子如下：</p><p><b>　　(3-13)</b></p><p>　　式中，V0 =15V，Vd 為二極管的管壓降，Vc 為扼流圈壓降，取Vd + Vc =1.5V，取0.8，計算可得U2 =20.625 V。 副邊的匝數(shù)計算公式子如下：&

83、lt;/p><p><b>　　(3-14)</b></p><p>　　計算可得N2 =5(匝)，在實際情況中取6匝。</p><p><b>　?。?）空氣隙的計算</b></p><p>　　高頻變壓器發(fā)生磁飽和現(xiàn)象往往導致開關功率管損壞，從而使得開關電源工作發(fā)生故障。為了防止磁飽和現(xiàn)象的發(fā)生，在

84、E-60磁芯的兩側(cè)面各留出一定的空氣隙，其計算公式如下：</p><p><b>　?。?-15）</b></p><p>　　代入前面已知的數(shù)據(jù)，可得=0.19(mm)，每邊可取1mm的空氣隙。</p><p><b>　?。?）導線的選擇</b></p><p>　　選擇導線的時候，首先得確定導

85、線的線徑，當考慮到集膚效應的影響，一般要求導線的直徑D要小于兩倍的穿透深度，的計算公式子如下：</p><p><b>　　（3-16）</b></p><p>　　其中的，是角頻率，；是導線的磁導率；為導線電導率，公式簡化得：</p><p><b>　　（3-17）</b></p><p>　　

86、f取40kHz，計算地=0.33mm，=0.66mm。選用0.6mm的公制漆包線。 原邊需求的導線股數(shù)計算公式子為：</p><p><b>　?。?-18）</b></p><p>　　其中，=210W，為0.8，為120V，J取3A/mm2 ，SW =，代入公式得,k1 =2.58，取3股并繞。 副邊需要的導線股數(shù)計算公式為：</p>

87、<p><b>　　（3-19）</b></p><p>　　其中，為14A，J取3A/mm2 ，SW =，代入公式得，K2 =11.67，取12股并繞。</p><p>　　3.2.5 輸出整流回路設計</p><p>　　輸出整流回路如圖3-9所示，高頻變壓器產(chǎn)生的高頻交變電壓（電流）通過快恢復二極管的整流和濾波電容、電感的濾波

88、變換成符合要求的直流電壓（電流）。副邊采用全橋式整流，下面是對各部分器件的分析與計算。</p><p>　　圖3-9 輸出整流回路的結(jié)構</p><p>　?。?） 整流二極管的選擇</p><p>　　由于整流二極管工作在高頻狀態(tài)，選用快恢復二極管，主要考慮參數(shù)包括耐壓值和電流值。</p><p>　　變壓器副邊的輸出電壓峰值計算公式如下：

89、</p><p><b>　　（3-20）</b></p><p>　　其中，，代入得，38.9（V）考慮到安全裕量，整流二極管的耐壓值取200V。輸出整流管的最大電流有13.8A,考慮到安全裕量，取二極管的額定電流為20A，由此，我們選用快恢復二極管ESAD92M-02RR。</p><p>　?。?）濾波電感的選擇 選取濾波電感時，

90、應該保證輸出電流連續(xù)，濾波電感的計算公式子如下：</p><p><b>　　（3-21）</b></p><p>　　其中，f=40KHz，值取額定輸出電流的20%，代入公式得，L=41.16 uH, 實際取50uH。</p><p>　?。?）濾波電容的選擇</p><p>　　輸出濾波電容的選擇直接決定輸出直流電源

91、的紋波大小，輸出濾波電容的最小值的計算公式如下：</p><p><b>　?。?-22）</b></p><p>　　其中，取0.2A，取0.02V，代入公式計算可得，=31.25uF，為改善濾波效果，實際容量應大于計算值，并考慮到幾個電容并聯(lián)會使寄生電阻更小，濾波效果更好，本設計采用三個2200uF/25V的電容并聯(lián)。</p><p>　　

92、3.3 PWM控制芯片及外圍電路設計</p><p>　　采用脈寬調(diào)制控制電路TL494作為供電電源電路的PWM控制芯片。本節(jié)將介紹TL494的管腳功能、其工作原理及PWM控制器電路的構成。</p><p>　　3.3.1 TL494簡介</p><p>　　TL494為頻率固定式脈寬調(diào)制電路，被廣泛地應用于正激、半橋、全橋等開關電源中，其具有以下特點： (

93、1) 脈寬調(diào)制電路集成為一 (2) 內(nèi)含誤差放大器 (3) 內(nèi)含線性鋸齒波振蕩器，外置振蕩元件 (4) 內(nèi)含5V基準電壓 (5) 可調(diào)整死區(qū)時間 (6) 具有推、拉兩種輸出方式</p><p>　　TL494的DIP16封裝圖及內(nèi)部電路圖如圖3-10、3-11所3-10 TL494管腳結(jié)構圖</p><p>　　3-11 TL494內(nèi)部電路圖<

94、;/p><p>　　TL494的內(nèi)部電路由振蕩電路中，相位調(diào)整電路，誤差放大電路，比較器和脈沖寬度調(diào)制電路的輸出的電路配置的間歇。分別在圖3-11中，5,6引腳如圖外部振蕩電容，電阻器和內(nèi)部振蕩器的振蕩電路，間歇期由4英尺的可調(diào)支腳，上加0到3.3V的電壓信號，調(diào)整截止時間1; ，2的誤差放大器1的腳同相和反相輸入端，16,15，分別為誤差放大器的反相和同相輸入端，3腳為相位控制和增益控制;8,9引腳與引腳11,10

95、分別為兩個輸出晶體管的集電極和發(fā)射極，12腳為電源側(cè)，13腳輸出控制終端，選擇輸出方式，14腳為 5V參考電壓輸出端。</p><p>　　3.3.2 TL494工作原理</p><p>　　TL494是頻率固定的脈寬 調(diào)制電路，其振蕩頻率可由外部的電阻和電容進行調(diào)節(jié)，其最高頻率為300kHz，本設計取RT 取25K ，CT 取102，計算可得，公式如下：</p><p

96、><b>　　(3-23)</b></p><p>　　輸出 脈沖寬度的調(diào)整是通過電容CT上，另外兩個控制信號的鋸齒 波電壓的正極性的比較來實現(xiàn)的鋸齒 波電壓信號的正極性期間的控 制信號功率輸出管大于頻閃。當控制信號增大，輸出的脈沖 寬度變窄。</p><p>　　3.3.3 PWM控制器的構成</p><p>　　一個閉環(huán)反饋信號通過二

97、階低通濾波器和1引腳的分壓輸出電壓，給TL494的誤差放大器的同相輸入端。設置信號來訪問2引腳、14引腳，是由分壓誤差放大器的反相輸入端的5V參考電壓源。反饋信號與設定信號由誤差放大器放大，然后控制脈沖寬度。 8,11腳，即兩個輸出晶體管的集電極輸出信號放大后控制開啟和關閉MOS管的控制電壓。具體的PWM控制器和外部電路如圖3-12所示。</p><p>　　圖3-12 PWM控制器及外圍電路</p>

98、<p>　　電源過電流保護電路，如圖3-13所示。 R13，R15康銅絲電阻，電流信號被加載后的電壓信號輸出電路的電阻器R14到TL494的引腳15。圖3-11所示，引腳15是誤差放大器2的反相輸入端。過大到15引腳的電壓信號輸出電路的電流過大，8,11腳的輸出電壓信號的脈沖寬度的控制將是較小的，為了實現(xiàn)過電流保護。</p><p>　　圖3-13 供電電源過流保護電路</p><

99、;p>　　3.4 高頻諧波電路功率回路設計</p><p>　　高頻諧波電路的鉛酸電池的一個重要組成部分，由此電路產(chǎn)生的諧波電壓，然后由前所述電力供給部，其次是鉛酸蓄電池修復儀所需的高頻諧波，這部分高頻諧波回路結(jié)構，工作流程及參數(shù)設計。</p><p>　　3.4.1 高頻諧波電路結(jié)構及工作過程</p><p>　　高頻諧波電路如圖3-14所示。每個維修單元包

100、括兩個電感器和一個電容器，一個二極管和一個開關管，如圖所示的設備連接，如圖3-14所示。由高頻脈沖控制的開關管Q3，Q4導通和關斷，鉛酸電池中的電路產(chǎn)生的高頻諧波信號，導致干燥晶體諧振使硫酸鉛結(jié)晶溶解，從而避免硫化的鉛酸電池。修復本機設計修復系統(tǒng)修復電池容量范圍，如圖3-13所示，儀器修復單位在并聯(lián)電路。</p><p>　　圖3-14 高頻諧波電路結(jié)構圖</p><p>　　圖3-14所

101、示電路工作原理與第二章介紹的高頻諧波電路一致，只是本修復儀采用了兩個修復單元并聯(lián)的方式來增強高頻諧波電路輸出電壓尖峰振蕩效果，以此獲得更好的修復效果。具體工作過程如下： ·工作狀態(tài)1：修復儀開始工作，電感L1起到濾波作用，15V直流電源通過電感L2、L3給電容C1、C2充電，二極管D1為關斷狀態(tài)，當電容C1、C2充滿后，電感L2、L3電流為零，供電電源開始為電池恒壓充電。 ·工作狀態(tài)2：開關管Q3，Q

102、4導通時，二極管D1，開關管Q4保持在OFF狀態(tài)時，電容器C1和電感器L5構成一個循環(huán)開始放電的電容器C2與電感器L4，開關管Q3構成一個循環(huán)開始放電，電容器C1，C2discharging過程，端電壓降低，電源通過電感L2，L3，電容器C1，C2被充電時，電池通過電感L2，L3開始放電過程，此過程是一個非常短的時間內(nèi)，電流恢復會出現(xiàn)反固定的電壓，電流的振蕩現(xiàn)象。 ·工作狀態(tài)3：開關管Q3，Q4再次關斷時，電池的

103、充電，由于電感器L4，L5的電動勢的二極管D1的導通，電容器C1，電感器L2通過二極管D1，電容器C2，二極管D1，電感器L3通過給電池充</p><p>　　3.4.2 高頻諧波電路參數(shù)設計</p><p>　　電路開關Q3，Q4和開關頻率為20kHz，占空比為0.1的設計要求。開關管承受的最大電壓值不大于15V時，電流值不超過13.8A，這兩種修復電路并聯(lián)連接，每個開關管的電流流過的電

104、路結(jié)構，通過最大值不超過7A因此選擇IRFS740 VDS，ID為10A400V。考慮C1，C2，電解電容，電解電容的電壓必須大于直流輸出電壓15V，考慮保證金，所以選擇100V/100u電容。圖3.13所示的二極管的反向電壓不超過20V，電流不超過10A，因此選擇MUR1620，額定電流為16A，反向電壓值為200V。濾波電感值的計算公式如下：</p><p><b>　　(3-24)</b&g

105、t;</p><p>　　其中，f=20 kHz時，20％的額定輸出電流值，代入式中，L=82.32 UH，考慮到利潤率和實際350uH的過濾效果。電感器L3，L2從限制電容器C1，C2的充電電流被應用，以防止充電電流過大，對電容器的損壞，阻抗的計算公式為：</p><p><b>　　(3-25)</b></p><p>　　取電容充電電流最

106、大為100mA，最小阻抗值150，式（3-25）在L2，3=1.95mH考慮保證金的電路采取6.75mH。電感器L4，L5，然后播放產(chǎn)生的修復電壓尖峰的作用，需要修復的陡峭的電壓尖峰，電感小，流過電感器L4，L5的最小電流值1A，最大阻抗15代入公式(3-25）有L4，5=195uH，考慮到保證金的電路142uH。</p><p>　　3.5 高頻諧波電路控制回路設計</p><p>　　

107、本節(jié)重點介紹上的高頻諧波的PWM調(diào)變方式控制芯片和外圍電路，其中包括的SG3525的引腳功能相關的回路，其工作原理和PWM控制器電路。</p><p>　　3.5.1 SG3525簡介</p><p>　　SG3525是電流控制型PWM控制器，用于N溝道功率MOSFET，在開關變換器中廣泛使用，SG3525的DIP16封裝圖及內(nèi)部電路圖如圖3-15、3-16所示。</p>&

108、lt;p>　　3-15 SG3525管腳結(jié)構圖</p><p>　　3-16 SG3525內(nèi)部電路圖</p><p>　　如圖3-15所示，引腳16是一個參考的功率輸出，精度可以達到（5.1±1％）V；腳15偏置電源接入端，12腳信號地腳4振蕩器輸出端子腳3振蕩器外部同步輸入端子，實現(xiàn)同步與外部電路5,6腳振蕩器的定時電容，電阻器輸入端子;腳7振蕩器放電結(jié)束。外部之間的放電

109、電阻器的引腳5的端部，構成的放電電路;腳9 PWM比較器補償信號輸入端。訪問不同類型的反饋網(wǎng)絡之間的引腳2月底可以構成比例，比例，積分和積分型調(diào)節(jié)器;1,2腳，分別為誤差放大器反相和同相輸入端；軟啟動8英尺的電容訪問。通常連接到一個軟啟動電容，步行10外部關斷信號輸入端子。高終端控制器輸出被禁止。端連接的保護電路，以實現(xiàn)故障保護，腳11，14的兩個互補的輸出端，輸出級的偏置電壓接入13端口。 </p><p>　

110、　3.5.2 SG3525的工作原理</p><p>　　SG3525的振蕩器充電和放電回路是分開的，RT的阻值決定了內(nèi)部恒流源對CT充電電流的大小，而CT的放電則由引腳5和引腳7之間的外接電阻RD決定。其振蕩頻率計算公式如下：</p><p><b>　　(3-26)</b></p><p>　　其中，RT 取6.8K，CT 取10nF，RD

111、 取100，計算可得約為20kHz。 SG3525的常用電源開關調(diào)節(jié)器的開關驅(qū)動器電路，誤差放大器的輸入和反相輸入端連接到參考電壓和輸出電壓的采樣電壓。當采樣到的電壓，即該誤差放大器的反相輸入端子的輸出電壓的增加時，誤差放大器的輸出信號的減小，輸出晶體管的導通時間變小，導致的電壓下降到一個穩(wěn)定值，當誤差放大器抗 - 采樣到的電壓降低時，輸出電壓的反相輸入端，誤差放大器的輸出信號增加時，輸出晶體管的導通時間變長，電壓下降到一個穩(wěn)定

112、值。</p><p>　　3.5.3 PWM控制器的構成</p><p>　　PWM控制器的設計的目的是產(chǎn)生一個頻率為20kHz和0.1的占空比的PWM脈沖信號，用于驅(qū)動管的開關電路的高頻諧波。在9英尺，即補償?shù)腜WM比較器的信號輸入端直接訪問的電壓信號，內(nèi)部振蕩器的輸出電壓信號比較，從而控制PWM鎖存器輸出高電平，控制輸出晶體管的導通時間，以獲得所需的占空比。 SG3525的PWM信號產(chǎn)