充電機充電電流采樣電路的設(shè)計
2017-7-12 9:41:21??????點擊：
充電機充電電流采樣電路的設(shè)計
文中研制了一套模擬蓄電池充電機充電系統(tǒng)，實現(xiàn)了頻率跟蹤、最大功率跟蹤、相位跟蹤、輸入欠壓保護、輸出過流保護、反孤島效應(yīng)等功能；采用Atmega16高速單片機，實現(xiàn)了內(nèi)部集成定時、計數(shù)器功能；利用定時器T／C2的快速PWM功能，實現(xiàn)SPWM信號的產(chǎn)生；采用T／C1的輸入捕獲功能，實現(xiàn)了頻率相位監(jiān)測和跟蹤以及對失真度、輸入充電機充電電壓、輸出充電機充電電流等物理量的檢測與控制。
1 充電機充電電路整體方案設(shè)計
設(shè)計采用Atmega16單片機為主體控制充電機充電電路，工作過程為：與基準(zhǔn)信號同頻率、同相位正弦波經(jīng)過SPWM調(diào)制后，輸出正弦波脈寬調(diào)制信號，經(jīng)驅(qū)動電胳放大，驅(qū)動H橋功率管工作，經(jīng)過濾波器和工頻變壓器產(chǎn)生于基準(zhǔn)信號通頻率、同相位的正弦波充電機充電電流。其中，過流、欠壓保護由硬件實現(xiàn)，同步信號采集、頻率的采集、控制信號的輸出等功能，均由Atmega16完成。系統(tǒng)總體設(shè)計框圖如圖1所示。
圖一：充電機充電系統(tǒng)樞圖
2 硬件充電機充電電路設(shè)計
分為DC／AC驅(qū)動充電機充電電路、DC／AC充電機充電電路和濾波充電機充電電路3部分和平滑電容C1，充電機充電電路原理如圖2所示。
圖二：AC\DC轉(zhuǎn)換充電機充電電路
是由R1、R2、R3、R4、R5、R6、Q3、Q4、P3和P4組成，其中P3和P4是控制信號輸入端，R3和R4為限流電阻。集電極的充電機充電電流直接影響波形上升沿的陡峭度，集電極充電機充電電流越大輸出的波形越陡峭。因為R2和R1與集電極pn節(jié)的寄生電容形成了一個RC充放電的時間常數(shù)，集電極pn結(jié)的寄生電容無法改變，只有通過改變R1和R2的值來改變時間常數(shù)，所以R1和R2值越小，Q3和Q4的集電極充電機充電電流就越大；RC的充電時間常數(shù)越小，波形的上升沿越陡峭，而增加集電極充電機充電電流，會增加系統(tǒng)的功耗，權(quán)衡利弊選擇一個合適的值。其次，射級pn結(jié)的寄生電容也會影響Q3和Q4的關(guān)斷時間和波形上升沿的陡峭度。所以在驅(qū)動充電機充電電路中各加了一個放電回路，即拉地電阻R5和R6，R5和R6的引入，加快了Q3和Q4的關(guān)閉速度，這樣就使集電極的波形更陡峭。同樣在保證基極射極pn不損壞的條件下，基極的充電機充電電流也是越大越好，但也會帶來損耗問題，權(quán)衡利弊選擇一個合適的值。關(guān)于兩個電阻的取值，這里假設(shè)三極管的放大倍數(shù)為β，基極充電機充電電流Ib，集電極充電機充電電流Ic，流過R5的充電機充電電流為I5，流過R3的充電機充電電流為I3，R3的壓降為V3，驅(qū)動信號為V，R5的壓降為V5，有
實際中R3和R5應(yīng)該比計算值小，這樣是為了讓三極管工作在飽和狀態(tài)，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。
2．2 DC-AC充電機充電電路
是由兩只p溝道MOSFET。Q1、Q2和兩只n溝道MOSFET Q5、Q6組成。在這里沒有采用4只n溝道MOSFET，原因是驅(qū)動充電機充電電路復(fù)雜，如果采用上面的驅(qū)動充電機充電電路接近電源的兩個導(dǎo)體管不能完全導(dǎo)通，發(fā)熱量為接近地一側(cè)導(dǎo)體管4倍以上，功耗增加，所以采用對管逆變即減小了功耗，而且驅(qū)動充電機充電電路簡單。通過控制4個導(dǎo)體管的開關(guān)速度再通過低通濾波器即可實現(xiàn)DC／AC功能。
2．3 濾波充電機充電電路
兩個肖特基整流二極管1N5822為續(xù)流二極管，這里為防止產(chǎn)生負充電機充電電壓，C2、C3、C4、C5、L1、L2組成低通濾波器，其中C5、C6為瓷片電容，C2、C3用電解電容，充放電充電機充電電流可以流進地，L1、L2為帶鐵芯的電感，帶鐵芯的電感對高頻的抑制比空心電感更好，電感值更高。關(guān)于參數(shù)的選取和截止頻率的計算如下
3 采樣充電機充電電路
3．1 充電機充電電流采樣電路的設(shè)計
由于終端負載一定，所以充電機充電電流采樣實際等同于一個峰值檢測的過程，此充電機充電電路實際是一個峰值檢測充電機充電電路，P3為信號的2個輸入端，調(diào)整R10，R11和R17、R18取值來實現(xiàn)峰值測功能，充電機充電電路中的阻值并不準(zhǔn)確，需要實際中根據(jù)信號的幅值來調(diào)整R10、R11和R17、R18阻值和比值。R14、R15、R19、R20的充電機充電電流為模擬比較器內(nèi)部偏置充電機充電電流的10倍以上，電阻的阻值盡可能大，這樣既減小了功耗也保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。Y3采用模擬比較器LM393，LM393內(nèi)部為開集電極輸出，應(yīng)用的時候輸出端要接一個上拉電阻，充電機充電電路如圖3所示。
圖三：充電機充電電流采樣電路
3．2 MPPT采樣充電機充電電路
在蓄電池充電機充電系統(tǒng)中，通常要求蓄電池的輸出功率始終最大，系統(tǒng)要能跟蹤充電機充電電池輸出的最大功率點。如果負載不能工作在電池提供的最大功率點，就不能充分利用在當(dāng)前條件下電池所能提供的最大功率。因此，必須在蓄電池和負載之間加入阻抗變換器，使得變換后的工作點正好和蓄電池的最大功率點重合，使蓄電池以最大功率輸出，這就是蓄電池的最大功率跟蹤。即最大功率跟蹤MPPT，是本套蓄電池充電機充電蓄電池充電機充電模擬裝置研究的一個重要方向。由于蓄電池充電機充電電池的最大功率輸出點是隨光強、負載和溫度變化的。為充分利用太陽能，系統(tǒng)必須實現(xiàn)最大功率點的跟蹤。本套蓄電池充電機充電蓄電池充電機充電模擬采用恒定充電機充電電壓控制方法，其優(yōu)點是簡單易行，且可以跟蹤最大功率點。充電機充電電路的工作原理：本模塊充電機充電電路的核心也是模擬比較器LM393，TL431提供7．5 V的基準(zhǔn)充電機充電電壓，在這里基準(zhǔn)充電機充電電壓取值建議≥7．5 V，取值可以比7．5 V稍大，以提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，應(yīng)保證流過R3、R9的充電機充電電流為模擬比較器LM393偏置充電機充電電流的10倍以上，R3、R9的取值盡可能大。R1、R2并聯(lián)是為了調(diào)試方便，現(xiàn)實中很難找到阻值很合適的電阻，滑動變阻器昂貴，所以用兩個電阻并聯(lián)調(diào)試效果比較理想。假設(shè)R為R1、R2并聯(lián)值，流過R的充電機充電電流為I，則有
式(9)中的，可以認為是TL431的灌充電機充電電流的最小值，流過R6的充電機充電電流和模擬比較器LM393的偏置充電機充電電流忽略不計。R6和R13阻值選取，應(yīng)參考TL431內(nèi)部1腳的偏置充電機充電電流，流過R6和R13的充電機充電電流應(yīng)該10倍于TL431內(nèi)部1腳的偏置充電機充電電流，在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下盡量減小功耗。
輸出用了光電耦合器U4把控制充電機充電電路和主充電機充電電路隔離，防止主充電機充電電路干擾控制充電機充電電路，R4和R5的取值太大影響穩(wěn)定性，取值太小則使流過R4、R5的充電機充電電流大功耗增加甚至損壞器件。
模擬比較器LM393的正相輸入端3腳位固定充電機充電電壓7．5 V，正常狀態(tài)下PD4采集到的為高電平，當(dāng)2腳的充電機充電電壓高于7．5 V時輸出端1腳輸出低電平，光耦導(dǎo)通，PD4采集到的為低電平開始處理SPWM信號調(diào)整輸出阻抗來實現(xiàn)恒充電機充電電壓跟蹤，最終實現(xiàn)最大功率點跟蹤。充電機充電電路如圖4所示。
3．3 欠壓采樣充電機充電電路設(shè)計
如圖5與圖4充電機充電電路相似，模擬比較器的反相輸入端為基準(zhǔn)充電機充電電壓7．5 V，而R22換成電位器，目的是為了便于調(diào)整使本裝置適用于不同欠壓值控制。輸出采用光電耦合器U4把控制充電機充電電路和主充電機充電電路隔離，防止主充電機充電電路干擾控制充電機充電電路，R22、R24的取值太大影響穩(wěn)定性，取值太小則使流過R22、R24的充電機充電電流大功耗增加甚至損壞器件，R21、R23的取值大小參見4N25的輸入輸出特性曲線。
模擬比較器LM393的反相輸入端6腳位固定充電機充電電壓7．5 V，正常狀態(tài)下欠壓采樣輸出為高電平，當(dāng)5腳充電機充電電壓<7．5 V時，輸出端7腳輸出為低電平，光耦導(dǎo)通，欠壓輸出端采集到的低電平欠壓保護充電機充電電路開始工作，切斷主充電機充電電路供電，實現(xiàn)欠壓保護。
4 欠壓過流保護充電機充電電路設(shè)計
充電機充電電路如圖6所示，當(dāng)系統(tǒng)正常工作時，此過流保護的輸入端過流信號和欠壓即CD4011的1腳和2腳，檢測到的信號都是高電平，C04011的3腳輸出低電平，經(jīng)過U10B和U10C兩級反相最終CD4011的10腳輸出低電平，三極管2N3904截止，繼電器常閉端處于導(dǎo)通狀態(tài)，系統(tǒng)處于正常工作狀態(tài)。當(dāng)輸出流過負載的充電機充電電流過大或者輸入充電機充電電壓不足時低電平觸發(fā)CD4011的1腳2腳，這時候3腳輸出高電平，電容C10充電經(jīng)過U10B和U10C兩級反相后10腳輸出高電平，三極管2N3904導(dǎo)通，繼電器的常閉端斷開，主充電機充電電路停止供電，處于保護狀態(tài)。由于主充電機充電電路電源被切斷U10A的輸入端檢測到高電平，3腳輸出低電平，由于CD4011的高輸入阻抗和開關(guān)二極管D6單向?qū)ㄗ饔茫珻10的電荷只能通過R27釋放，當(dāng)U10B的輸入端電位低于門限充電機充電電壓，經(jīng)過U10B和U10C兩級反相后，三極管2N3904關(guān)閉，主充電機充電電路開始供電。這樣實現(xiàn)了系統(tǒng)過流、欠壓故障排除后，裝置自動恢復(fù)為正常狀態(tài)。
此部分充電機充電電路的設(shè)計采用雙輸入四與非門CD4011做反相器、開關(guān)二極管D6、電阻R27、電解電容C10、三極管2N3904和繼電器。R26的選取由繼電器的驅(qū)動充電機充電電流和2N3904的放大倍數(shù)β來決定，過小則增加功耗，過大則不能驅(qū)動繼電器。R27和C10的放電時間就是系統(tǒng)過流欠壓保護后檢測的間隔時間。時間T=2×R27×C10。
圖6：欠壓過流保護充電機充電電路設(shè)計
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