参数设定电源箱设计
摘 要： 为了满足舰船陆地和岸基作业的需要，设计的电源箱系统的三种工作模式，即AC/DC模式、充电模式和电池输出模式。AC/DC模式和充电模式主电路拓扑选用同一双管正激电路。分别做了电池放电实验，电池充电实验和恒压输出实验，其技术指标满足舰船供电系统的需要。
关键字： 工作模式； 同一拓扑； 循环使用； 电源箱
中图分类号： TN710?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2013）22?0147?03
0 引 言
多功能电源系统共用一个主电路拓扑结构，通过外部参数设定，控制电源系统工作在不同的状态，满足不同场合的需求。本文设计的电源箱系统，通过三波段开关切换，能够满足舰船远洋和陆路两种场合的应用。
由于电源箱系统最大输出功率为400 W，功率变换器选择正激电路拓扑是比较合适的[1]。但单管正激电路在主功率管关断的时候，承受的反压比较高，电压越高功率管的价格也越高，而且极易造成击穿，电路的可靠性也就下降。如果用双管正激电路，两个晶体管平均分担关断时的电压，在降低电路成本的同时，也提高了电路的可靠性。
1 电源箱系统的设计方案
电源箱系统工作在三种模式，分别是有市电的情况下，DC 28 V恒压输出。无市电的情况下，电池电压输出；有市电输入，不需对外供给能量时，给电池充电，以备下次使用。系统的总体框图如图1所示。在图1中，“1”为切换开关的默认状态，表示开关切换至市电AC 220 V输入，DC 28 V输出的工作方式；“2”表示开关切换至电池提供能量，输出电压为电池电压的工作状态，“3”表示有市电AC 220 V输入，功率变换器给电池恒流充电的工作方式。图中，表示控制信号的流向，→表示主功率的流向。
2 电源箱系统的电路设计
2.1 电池选择及其参数计算
综合电源箱对电池体积、重量和电量的要求，本文选择材质为磷酸铁锂电池，每节电池满电压为3.3 V，容量为9 A·h，9节串联，充电率为0.3 C，重量为2.5 kg，体积为275 mm×210 mm×75 mm。根据电池生产厂家提供的参数，可以算出电池满电压为[9×3.3=29.7 V]，功率变换器设置充电电压不低于此电压，考虑到电池本身的“虚电”特性，本文设计电池充满电压为30.3 V。电池的充电电流为[9×0.3=2.7 A]，为了保证电池的使用安全，设计充电电流为2 A，电池最低放电电压不低于26 V。
2.2 功率变换器的拓扑结构及主功率管驱动电路
双管正激电路拓扑如图2所示，由于两个嵌位二极管VD1和VD2的作用，限制了在VF1和VF2关断时所受的最大反压均为直流输入电压VDC与二极管压降VD之和。电路的工作原理如下：
主功率管VF1和VF2同时导通或同时关断。副边绕组由于主功率管的导通有了感应电动势。副边绕组、二极管VD3很快建立电流，其速度受制于变压器和副边电路的漏电感。因为在导通瞬间L1上流过的电流IL在导通时保持不变。所以，由于VD3的电流建立，二极管VD4的电流比随之同等的快速减小。当VD3中的正向电流增加到原先流过VD4的电流时，VD4转为关断。与此同时开始了正激电路能量传递的状态。
图2中的两个主功率管VF1和VF2同时开通或关断，但不共地，本文采用常用的UC2845系列驱动芯片，VF1和驱动芯片共地，可以直接由此芯片驱动，VF2的驱动信号由VF1的驱动信号变换得到，电路如图3所示。图中T2为驱动变压器，VD5和VD6为18 V的稳压二极管，C7为隔直电容。
2.3 电源箱系统工作方式的实现
电源箱系统的第“1”和第“3”工作方式共用一套主功率变换器，通过外部的三波段开关切换工作模式。图4为模式切换的控制电路。在图4中，充电控制开关在默认状态下为低电平，三极管VT4和VT5不导通。电阻R19和R20是主功率回路的采样电阻，当主回路的电流小于120%的额定电流时，输出的Iout信号小于2.5 V，低于电流控制的给定电压（运算放大器N2B的负向输入端）2.5 V，N2B输出低电平，二极管VD10不导通。电压环的给定电压也为2.5 V，电压反馈取自R43，R44和R49的分压，合理分配它们之间的比值，主功率变换器输出恒定的DC 28 V电压。如果主回路的电流超过120%的额定电流， N2B输出高电平，二极管VD10导通，R44分压得到的电压升高，从而使输出电压降低，电路转入恒流控制，输出功率不再增加，电路保护。
当波段开关切换到模式“3”，充电控制开关信号为高电平，三极管VT4和VT5导通。此时的电流控制给定电压为0.5 V，如果主回路的电流超过2 A时，VD10就能够导通，从而拉低了输出电压，使充电电流一直维持在2 A，一直到电池充满。VT4导通后，R44和R37并联后的等效电阻比R44小，而电压环的给定电压信号不变，致使电路输出电压高于模式“1”的输出电压，克服了电池的“虚电”特性。当波段开关切换到模式“2”，电池对外提供能量，此时输出电压即为电池的电压。由于无市电AC 220 V输入，正激电路不工作。
3 电源箱系统试验数据
电池试验参数如下：
在做电源箱试验时，应首先使波段开关切换至模式“3”，对电池进行充电。充满后，才能切换至模式“2”的工作方式，进行电池放电性能的测试。根据任务书要求，先对电池进行大电流放电，后进行小电流放电。充电试验数据如表1所示。
在30 min的时间内，电池电压达到30.1 V，电池充满，此模式的纹波电压均小于100 mV。充满后进行放电试验，试验数据如表2所示。在空载时，电池电压为29.9 V，加入大负载后，分别在第1，11，21 min测试输出电压，由于切换开关消耗的电压，此时输出电压略低于电池本身的电压，但高于26 V，满足设计要求。表3是工作在模式“1”，在额定负载的条件下测试的输出电压及其纹波电压，在1 h之内，功率变换器达到稳定状态，纹波也小于100 mV，满足设计需要。
4 结 语
本文设计的电源箱系统能够实现三种功能：即为市电输入，DC 28 V输出；市电输入，电池充电；无市电输入，电池输出。三种工作方式通过手动开关切换。电路拓扑选择采用双管正激电路，控制方式既能实现恒压，也能实现电池恒流充电。试验指标合格，能够满足舰船陆地和岸基供电系统的要求。
表2 放电试验和纹波参数记录表格
表3 市电输入时，功率变换器的实验数据
参考文献
[1] 张占松 蔡宣三.开关电源的原理与设计（修订版）[M].北京：电子工业出版社，2004.
[2] 李定宣.开关稳定电源设计与应用[M].北京：中国电力出版社，2006.
[3] 王金保.新编电子变压器手册[M].沈阳：辽宁科学技术出版社，2007.
[4] 李建林.电池储能技术控制方法研究[J].电网与清洁能源，2012（12）：61?65.
[5] 赵锦成，解璞，刘金宁，等.混合能源互补供电在武器装备中应用研究[J].电网与清洁能源，2011（3）：53?59.
[6] 杨水丽，李建林，李蓓，等.电池储能系统参与电网调频的优势分析[J].电网与清洁能源，2013（2）：43?47.
[7] 张海瑞，张涛.一种DC-DC升压型开关电源的低压启动方案[J].现代电子技术，2011，34（16）：192?194.
