便攜型電能路由器的設(shè)計(jì)

韓力，劉金寧

（陸軍工程大學(xué)石家莊校區(qū)車輛與電氣工程系，河北石家莊，050003）

1 電能路由器方案設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)的電能路由器能夠?qū)崿F(xiàn)電能的相互轉(zhuǎn)換，當(dāng)接入交流或光伏等電源時(shí)，可以給多種電池充電；當(dāng)沒(méi)有電源輸入時(shí)，可以將一種電池作為電源給其他電池充電，優(yōu)先保證關(guān)鍵設(shè)備的正常用電；當(dāng)需要交流輸出時(shí)，可以將直流轉(zhuǎn)化成交流，提升電能路由器的適應(yīng)性。其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，由雙向AC-DC變換器、雙向LLC變換器和BUCK-BOOT變換器三部分組成。雙向AC-DC變換器采用單相全橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，開(kāi)關(guān)管采用全控型器件 MOSFET 進(jìn)行高頻調(diào)制，能夠與很好的控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，實(shí)現(xiàn)整流和逆變的快速切換[1]；雙向LLC變換器采用半橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、所用器件數(shù)量少、開(kāi)關(guān)管易實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)，通過(guò)LLC變換器的高頻變壓器隔離后，可以實(shí)現(xiàn)高壓側(cè)和低壓側(cè)的隔離，增加電能路由器的安全性[2]；BUCK-BOOST變換器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用元器件較少，利用DSP芯片進(jìn)行智能控制，將LLC變換器輸出的較高電壓轉(zhuǎn)換成電池標(biāo)準(zhǔn)充電電壓，滿足不同場(chǎng)合的需要。

圖1 便攜型電能路由器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 電路原理

電能路由器原理示意圖如圖2所示，CN1為交流端口，CN2—CN4為直流端口，當(dāng)接入交流時(shí)，DSP控制雙向AC-DC變換器進(jìn)行整流輸出400V電壓，經(jīng)過(guò)電容濾波后送入LLC變換器初級(jí)側(cè)，LLC變換器是由高頻變壓器隔離的降壓轉(zhuǎn)換器，變壓器初級(jí)側(cè)連接Q5、Q6開(kāi)關(guān)管，次級(jí)側(cè)連接Q7、Q8開(kāi)關(guān)管，Q5、Q6在變壓器初級(jí)產(chǎn)生脈沖交流電壓。變壓器用于降低脈沖初級(jí)電壓，同時(shí)在輸入電壓源與輸出電壓之間提供隔離。LLC次級(jí)側(cè)連接到低壓直流母線，經(jīng)過(guò)電容濾波后輸出45V電壓，與三個(gè)BUCK-BOOST轉(zhuǎn)換器相接。控制芯片通過(guò)傳感器輸入的信號(hào)識(shí)別電池的種類，然后發(fā)出PWM方波控制BUCK-BOOST兩個(gè)MOSFET的通斷產(chǎn)生與接入電池相匹配的充電電壓，經(jīng)過(guò)由電感和電容組成的低通濾波器濾波后饋送給電池充電[3]。當(dāng)接入光伏或其他直流電源時(shí)，先通過(guò)BUCK-BOOST升壓至45V給低壓直流母線供電，再給接入的電池充電。若CN1端有交流負(fù)載接入，LLC變換器的Q7、Q8開(kāi)關(guān)管交替導(dǎo)通產(chǎn)生占空比相等的方波，采用變頻控制使輸出電壓穩(wěn)定在380V，雙向AC-DC變換器采用單極性調(diào)制方式將直流轉(zhuǎn)換為交流，從而給交流負(fù)載供電。

圖2 設(shè)計(jì)方案原理示意圖

2.2 主要器件選型

2.2.1 DSP芯片選型

考慮到所需要的資源和成本，選用Microchip公司的DSPIC33FJ32GS606，采用16位改進(jìn)型哈佛架構(gòu)，多達(dá)6個(gè)獨(dú)立定時(shí)脈寬調(diào)制對(duì)，15通道、10位AD轉(zhuǎn)換器，64個(gè)引腳，供電電壓3.3V，完全滿足設(shè)計(jì)要求。

2.2.2 MOSFET選型

綜合考慮耐壓、導(dǎo)通電流、導(dǎo)通電阻、價(jià)格等因素，AC-DC選擇英飛凌的IPA70R360P7S ，700V/12.5A,導(dǎo)通電阻360mΩ，LLC初級(jí)側(cè)選用英飛凌的IPD90R1K2C3，900V/5.1A，導(dǎo)通電阻1.2Ω，LLC次級(jí)側(cè)選用英飛凌的IRLR3636TRP-BF，60V/50A，導(dǎo)通電阻6.8mΩ，BUCKBOOST選用安森美的NTD20N03L27T4G，30V/20A，導(dǎo)通電阻27mΩ。

2.2.3 MOSFET驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

高壓側(cè)柵極驅(qū)動(dòng)需要與主電路進(jìn)行電氣隔離，目前常用的驅(qū)動(dòng)是變壓器隔離驅(qū)動(dòng)電路和光耦隔離加自舉電路來(lái)驅(qū)動(dòng)，對(duì)于變壓器隔離驅(qū)動(dòng)來(lái)說(shuō)，本次設(shè)計(jì)的難點(diǎn)在于正負(fù)半周切換時(shí)，中間產(chǎn)生的死區(qū)時(shí)間可能會(huì)使隔離變壓器的磁芯飽和而出現(xiàn)損毀；若采用光耦隔離加自舉驅(qū)動(dòng)，考慮到開(kāi)關(guān)頻率，為了減小延時(shí)必須采用高速光耦，但是高速光耦受外界的溫度等影響較大且驅(qū)動(dòng)能力一般較弱，需要配合驅(qū)動(dòng)芯片使用[4]。綜合以上考慮，為了使驅(qū)動(dòng)電路可靠與穩(wěn)定，AC-DC和LLC初級(jí)側(cè)MOSFET采用芯科集成的隔離驅(qū)動(dòng)芯片 SI8230 作為本次設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)電路，原理圖如圖3所示。

圖3 高壓側(cè)柵極驅(qū)動(dòng)原理圖

LLC次級(jí)側(cè)和BUCK-BOOST的MOSFET驅(qū)動(dòng)處于低壓側(cè)，不需要進(jìn)行電氣隔離，選用德州儀器的LM5101AMX/NOPB，通過(guò)外部電容實(shí)現(xiàn)自舉電源，原理圖如圖4所示。

圖4 低壓側(cè)柵極驅(qū)動(dòng)原理圖

2.3 采樣電路設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行，需要對(duì)電路中的電壓和電流進(jìn)行采樣。由于 DSP 芯片輸入電壓范圍只有 0～3V，而輸出電壓相對(duì)于 DSP 芯片過(guò)大，輸入至芯片之前需要進(jìn)行比例限幅。這里輸入端采用分壓電阻，通過(guò)選取合適的參數(shù)來(lái)保證 DSP 芯片正常工作，然后通過(guò) ADC 進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

由于電能路由器能夠雙向運(yùn)行，導(dǎo)通電流會(huì)改變方向，因此采用帶輸出電壓偏移的霍爾傳感器來(lái)測(cè)量，本次設(shè)計(jì)選用CrossChip的CC6904SO-10A電流傳感器是一款高性能單端輸出的線性電流傳感器，可以有效的測(cè)量交流和直流，靜態(tài)輸出點(diǎn)為2.65V，因此電流反向傳感器輸出的也是正向電壓，無(wú)需額外增加電壓偏置電路。電流檢測(cè)電路如圖5所示。

圖5 電流檢測(cè)電路原理圖

3 軟件設(shè)計(jì)

控制軟件使用C語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言混合編程。所有時(shí)間關(guān)鍵型函數(shù)均使用匯編語(yǔ)言編寫。主循環(huán)、外設(shè)設(shè)置程序、初始化程序和非時(shí)間關(guān)鍵函數(shù)均使用C語(yǔ)言編寫。軟件主程序主要包括初始化、系統(tǒng)自檢和故障檢查，所用的控制環(huán)節(jié)均在ADC中斷服務(wù)程序中執(zhí)行,其工作流程如圖6所示。

圖6 中斷服務(wù)程序工作流程圖

4 結(jié)論

本文所設(shè)計(jì)的便攜型電能路由器，采用雙向三級(jí)式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)電源和電池的即插即用和靈活接入功能，滿足了應(yīng)用需求。采用合適的采樣電路，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電能路由器主電路的電壓、電流檢測(cè)，確保控制芯片能夠?qū)崟r(shí)調(diào)節(jié)，使系統(tǒng)更加可靠穩(wěn)定。通過(guò)DSP來(lái)控制系統(tǒng)的運(yùn)行和數(shù)據(jù)處理，采集接入端口的電壓和電流數(shù)據(jù)，識(shí)別不同類型的接入，然后通過(guò)程序設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)電能的相互轉(zhuǎn)換。本電能路由器分為高壓側(cè)和低壓側(cè)，控制芯片間采用光耦進(jìn)行隔離通信，既增加了安全性，也防止信號(hào)的相互干擾。高壓側(cè)地驅(qū)動(dòng)芯片采用帶隔離的驅(qū)動(dòng)芯片與主電路進(jìn)行隔離，避免了采用變壓器隔離會(huì)出現(xiàn)的磁芯飽和現(xiàn)象，提升了驅(qū)動(dòng)能力，增強(qiáng)了系統(tǒng)穩(wěn)定性。通過(guò)硬件和軟件的設(shè)計(jì)，使系統(tǒng)具備豐富的功能，具有很好的實(shí)用價(jià)值。