蓄電池作為備用電源在直流系統(tǒng)中起著極其重要的作用,，從而在電力,、通信、金融,、交通等各行各業(yè)中得到廣泛的應(yīng)用,。平時蓄電池組處于浮充電備用狀態(tài)，負荷由交流供電,，只有當交流電失電時,，蓄電池組才向負荷提供能量。為了檢驗蓄電池組的實際容量,，保證系統(tǒng)的正常運行,，一般情況要對蓄電池組每年進行一次核對性放電。目前在國內(nèi)市場上的放電設(shè)備主要使用可變電阻,、電阻盤,、碳棒等，而且需要人工調(diào)節(jié)放電電流,，控制精度低,，工作繁復(fù)。針對現(xiàn)狀,，我們研制了自動恒流放電系統(tǒng),。本系統(tǒng)采用先進的IGBT大功率電子器件和PWM脈寬調(diào)制控制技術(shù)，同時利用康銅電阻合金作為放電電阻,，并使放電電流在大范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào),，且有較高的恒流精度。該放電系統(tǒng)采用大功率的電子負載和恒流控制技術(shù)后,，能瞬間承受高達100A的沖擊電流及長時間20A恒流負載,，以實現(xiàn)對電池負荷能力的檢測和對電池容量的核對性檢測。
　　主要技術(shù)指標如表1所示,。

1 放電系統(tǒng)工作原理
　　放電系統(tǒng)的組成包括了IGBT功率器件部分,、PWM集成驅(qū)動電路部分、采樣放大,、比較,、反饋部分,。系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

　　根據(jù)設(shè)計電流精度要求,，利用分流器采樣,，分流器的規(guī)格為75mV、20A,。采樣信號經(jīng)濾波,，進入精密儀表放大器INA128，INA128是BB公司生產(chǎn)的精密,、低功耗儀表放大器,。INA128實際上是一個窗口(雙限)比較器，特別適合微電壓的放大,，只要選擇合適的外部增益電阻R_G,，就可調(diào)到合適的放大倍數(shù)G＝2/0.075＝26.7。根據(jù)公式G＝1+50kΩ/R_G,，可算出R_G＝50kΩ/(G－1)＝1.948kΩ,選1.2kΩ的電阻和1kΩ的精密電位器串聯(lián)即可,。
　　經(jīng)過INA128放大的電壓再經(jīng)一級RC濾波，濾波后的電壓反饋到W3524的反饋端(W3524的1腳),，作為W3524內(nèi)部比較放大器的取樣電壓,。
2 控制驅(qū)動電路
　　驅(qū)動電路原理圖如圖2所示。圖中的W3524是最為流行的開關(guān)電源集成控制器,，它包括了所有無電源變壓器開關(guān)電源所要求的基本功能,，如控制、保護,、取樣放大的功能,，且使用方便靈活，同時在制造上采用常規(guī)的平面工藝,。W3524可為脈寬調(diào)制式推挽、橋式,、單端及串聯(lián)型SMPS提供全部控制電路系統(tǒng)的控制單元,。它提供電源變壓器開關(guān)電源的全部功能，而且增加了取樣比例放大器,、限流保護以及內(nèi)部電路的過流和短路保護,。由于采用斜波后沿作為死區(qū)控制，因而節(jié)省了死區(qū)時間控制器,；內(nèi)部基準源既向內(nèi),、外電路提供基準電壓，又作為內(nèi)部各部分的工作電壓,，并提供50mA輸出電流,，輸出晶體管T1,、T2集電極和發(fā)射極都懸空，這樣使用增加了靈活性,?；鶞试磳儆诔Ｒ?guī)的串聯(lián)式線性直流穩(wěn)壓電源，它向單片內(nèi)部的斜波發(fā)生器,、比較放大器,、脈寬調(diào)制器、T型觸發(fā)器等以及通過16腳向外均提供+5V的工作電壓和基準電壓,，使斜波發(fā)生器產(chǎn)生幅度在1.2～3.6V的連續(xù)不對稱三角波,，由內(nèi)部直接輸入到脈寬調(diào)制器的同相端。與此同時,，斜波發(fā)生器又向下一級的T型觸發(fā)器和“或非”門提供一個同步方波脈沖,。它們的頻率由6、7腳的外接電阻R_T和電容C_T所決定,，一般可以從100kHz調(diào)到500kHz,，由它構(gòu)成的PWM型開關(guān)電源的工作頻率可達100kHz。當取樣電壓和基準電壓分別通過1,、2腳送入內(nèi)部的比較放大器比較放大時,，輸出的控制電壓送到脈寬調(diào)制器的反向端。脈寬調(diào)制器把控制電壓與斜波基準電壓進行比較,，輸出一個寬度受控制電壓所調(diào)制的方波脈沖,，然后同時送往兩個前級“或非”門的輸入端。

　　工作頻率由6,、7腳的外接電阻R_T和電容C_T所決定,，f_pwm＝1.15/(R_T×C_T)?？紤]到對C_T的充電電流為(1.2～3.6)/R_T(一般為30μA到2mA),。因此R_T取值為 1.8kΩ到100kΩ。同時9腳對地串接有0.1μF的電容和30kΩ的電阻,，以實現(xiàn)頻率補償,，用作內(nèi)部誤差放大器的相位補償，否則會有自激產(chǎn)生,。
3 估算發(fā)熱
　　根據(jù)上述對IGBT的分析研究,，三棱H系列IGBT器件—CT60是基于第三代IGBT技術(shù)和續(xù)流二極管技術(shù)，為功率電路設(shè)計,、緩沖電路(吸收回路)設(shè)計及熱設(shè)計而采用的大功率器件,。它的最大允許峰值電壓V_CES為1000V；最大通過峰值電流I_C為60A；T＝25°C時IGBT的最大允許功耗為250W,；T＝25°C時IGBT結(jié)溫的允許范圍為－40～150°C,；在規(guī)定條件和額定集電極電流下，IGBT的飽和壓降(通態(tài)電壓)V_CE(sat)為2.6V,；開通和過渡時間t_d(on)為0.15μs,；上升時間t_r為0.3μs；關(guān)斷過渡時間t_d(off)為0.3μs,；續(xù)流二極管的正向壓降V_EC為3V,。
　　由此可知最大導(dǎo)通功耗：
　　P_SS＝V_CE(sat)×I_c×n＝2.6×25×0.85＝55.25W
　　而開關(guān)損耗:
　　P_SW＝(0.7+6.2)×20＝6.9×20＝138W
　　則IGBT的總功耗:
　　P_C＝P_SS+P_SW＝193.25W＜250W(額定功耗值)
　　在計算了IGBT的總平均功耗P_C＝193.25W后，就可估算IGBT表面部分的平均結(jié)溫T_j＝T_c+P_C×R_th(j－c),，其中T_c為環(huán)境溫度(假設(shè)環(huán)境溫度為30°C),P_C為總平均功耗,，R_th(j－c)為標定的結(jié)殼熱阻(查CT60的標定結(jié)殼熱阻為0.4°C/W),則IGBT的表面平均結(jié)溫：
　　T_j＝T_c+P_C×R_th(j－c)＝30+193.25×0.4＝107.3°C
　　通過計算可知，不能忽視IGBT在運行中所發(fā)生的巨大導(dǎo)通功耗和開關(guān)功耗,。而這些功耗通常表現(xiàn)為熱,，所以必須采用散熱器把這些熱量從功率芯片傳導(dǎo)到外部環(huán)境中去。當把IGBT安裝在散熱器上時,，還應(yīng)注意避免安裝受力不均勻,，因此使用平面度為150μm的散熱器。為了達到有效地把熱量傳導(dǎo)到外部散熱器,，在傳熱界面要選擇使用在工作溫度內(nèi)性能穩(wěn)定并且在裝置壽命期內(nèi)性能不發(fā)生變化的導(dǎo)熱硅脂,。
4 系統(tǒng)保護
　　由于實際的功率電路線路中總有寄生漏電感，當IGBT被關(guān)斷時,，感性負載中的電流不可能立刻發(fā)生變化,，該負載電感兩端產(chǎn)生阻止母線電流減少的電壓V(V＝Ldi/dt)。它與電源電壓相迭加并以浪涌電壓的形式加在IGBT的兩端,。在極端情況下,，該浪涌電壓會超過IGBT的額定值V_ces并導(dǎo)致它損壞。在IGBT功率回路中引起浪涌電壓的能量與1/2LpI2成比例,，Lp是母線的寄生電感,，I是工作電流。由此可見,，在使用大電流的器件時更加需要降低功率回路的電感,。因此為了得到一種適合大電流工作的低母線電感電路，就需要特殊的母線結(jié)構(gòu),。有交錯鍍銅層和絕緣層構(gòu)層的迭層母線設(shè)計，可以使電感量降低,。迭層母線中被絕緣層隔離的寬板用于正極和負極母線的連接,，這種寬板起到了防止功率回路中寄生電感的作用。
　　其次，好的緩沖電路可以有效控制浪涌電壓的關(guān)斷和用續(xù)流二極管恢復(fù)浪涌電壓,，用以減少功率器件的開關(guān)損耗,。IGBT緩沖電路與傳統(tǒng)的雙極晶體管緩沖電路存在兩個方面的區(qū)別：一是IGBT具有強大的開關(guān)工作區(qū)，緩沖電路只需控制瞬態(tài)電壓而不需要保護就可以抑制伴生達林頓晶體管的二次擊穿超限,；二是IGBT常工作在比達林頓高得多的頻率范圍,。三種IGBT緩沖電路如圖3所示。

　　緩沖電路“B”使用快恢復(fù)二極管可箝住瞬變電壓,，從而抑制振蕩的發(fā)生,。緩沖電路“B”的RC時間常數(shù)，應(yīng)該設(shè)為該開關(guān)周期的約1/3(τ＝T/3＝1/3f),。但對于大功率級別的IGBT工作,，緩沖電路“B”的回路寄生電感將變得很大，以至不能有效地控制瞬變電壓,。由于大功率IGBT電路需要極低電感量的緩沖電路,，而且緩沖電路必須盡可能地聯(lián)到IGBT上，設(shè)計緩沖電路時,，得考慮二極管封裝內(nèi)的寄生電感和緩沖電容引線的寄生電感,。通常，小電容并聯(lián)或二極管并聯(lián)產(chǎn)生的電感量比大的單電容或單二極管產(chǎn)生的電感量更低,。
　　IGBT在運行中會有導(dǎo)通功耗與開關(guān)功耗發(fā)生,。這些功耗通常表現(xiàn)為熱，所以必須采用散熱器把這些熱量從功率芯片傳導(dǎo)到外部環(huán)境中去,。如熱系統(tǒng)設(shè)計不當,，功率器件將過熱并導(dǎo)致?lián)p壞。導(dǎo)通損耗伴隨IGBT處于通態(tài)并傳導(dǎo)電流而發(fā)生,。導(dǎo)通期間的總功耗是由通態(tài)飽和電壓與通態(tài)電流的乘積來計算的,。在PWM的應(yīng)用中，導(dǎo)通損耗須與占空比因子相乘,，從而得到平均功率,。導(dǎo)通損耗的一次近似可通過IGBT的額定V_CE(sat)值與期待的器件平均電流值的乘積來得到，即P_SS＝V_CE(sat)×I_c,。開關(guān)損耗是在IGBT開通與關(guān)斷過渡過程期間的功率損耗,。當PWM信號頻率高于5kHz時，開關(guān)損耗會非常顯著,，一定要在熱設(shè)計中予以考慮,。得到開關(guān)損耗的最精確的方法是測量在開關(guān)過渡過程中I_c與V_CE的波形。將此波形逐點相乘,，從而得到功率的瞬時波形,，此功率波形下面的面積就是以焦耳/脈沖為單位的開關(guān)能量,，這一面積通常通過作圖積分來計算?？傞_關(guān)能量是開通與關(guān)斷過程所耗能量之和,，平均開關(guān)損耗是由單脈沖總開關(guān)能量^[1]與PWM頻率相乘得到，即：平均開關(guān)功耗P_SW＝f_PWM×[E_SW(on)+E_SW(off)],。而總功耗為導(dǎo)通功耗與開關(guān)功耗之和,，即P_C＝P_SS+P_SW。此放電系統(tǒng)也將利用該公式來估算IGBT器件的平均功耗,。
5 PCB的總體可靠性設(shè)計
　　良好的電路布局是保證設(shè)備和電路安全運行及長壽命的重要前提,，同時工藝限制也對PCB提出了嚴格的要求，應(yīng)遵循以下幾條原則：
　　·PCB可靠性設(shè)計應(yīng)做到系統(tǒng)集成化,、專業(yè)化設(shè)計,。總體考慮電源地線布置,、去耦與排線設(shè)計,。區(qū)域分配應(yīng)注意模擬電路、數(shù)字電路,、功率器件的布局^[2],。
　　·可靠的電源、地線設(shè)計應(yīng)做到模擬,、數(shù)字的分別供電,，減少地線公共阻抗，防止形成地線回路,，同時保證一點接地以及電源入口的去耦設(shè)計,。
　　該自動恒流放電模塊可配合智能蓄電池組監(jiān)測系統(tǒng)使用，當放電時放電電流連續(xù)可調(diào),，此時智能蓄電池組監(jiān)測系統(tǒng)將監(jiān)測每節(jié)電池的電壓變化,，當有任一節(jié)電池電壓低于設(shè)定值時(或交流停電)，放電自動停止,，顯示放電時間,，并予以記錄。該模塊也可單獨使用,，當放電時放電電流連續(xù)可調(diào),，此時需人工監(jiān)測每節(jié)電池的電壓，控制放電模塊停止放電,。本設(shè)備使用簡單,，安全可靠，恒流精度高,，可廣泛應(yīng)用于需要對蓄電池或電源進行恒流負載放電的場合,。
參考文獻
1 張 惠.電源大全. 西南交通大學(xué)出版社,，1993
2 何立民.MCU應(yīng)用系統(tǒng)的可靠性設(shè)計綱要V0.5.電子技術(shù)應(yīng)用,1999；25(5)：4～6