刘阳， 吴伟林， 王莉

(1.合肥同智机电控制技术有限公司，安徽 合肥　230000；2.华南理工大学，广东 广州　510641；3.合肥徽力电气技术有限公司，安徽 合肥　230000)

0　引　言

为满足国内和国外特种车辆对特种电源输入输出通用性和多样性的需求[1]，需将特种电源的单输入单功能模式拓展为多输入多功能模式。然而，特种电源输入输出通用性和多样性的实现，需要设计人员结合特种电源使用场所的供电情况、特种车辆的用电情况及使用场所的环境情况等进行综合考虑，以求在满足特种电源电气性能要求的同时，保证特种电源的安全性、可靠性和环境适应性[2]。特种电源是指为满足用户特殊需要而开发的产品[3]，下文即以数字信号控制器MC56F8037和微控制单元MC9S12G48为控制核心，设计一款通用型多输入多功能特种电源，该电源可将三相四线380 V/50 Hz交流电、三相四线208V/60 Hz交流电和250 V～650 V直流电三种输入转换为满足特种车辆起动、供电、焊接及蓄电池充电所需的直流电，其主要输出指标如下：起动峰值电流为DC2 000 A、供电输出电压为DC20 V～DC30 V连续可调、供电输出电流为DC350 A、充电输出电流为DC0 A～DC150 A连续可调、焊接输出电流为DC20 A～DC400 A连续可调。

1　硬件设计

1.1　主功率变换电路

特种电源的硬件设计主要包括主功率变换电路设计和控制电路设计[4]，特种电源的主功率变换电路采用有限双极性控制ZVZCS PWM全桥拓扑结构，采用这种拓扑结构容易实现全范围的ZVS和ZCS软开关，有利于提高特种电源效率、可靠性和响应速度，改善源效应和负载效应，降低输出纹波和电磁干扰[5]。特种电源主功率变换电路如图1所示。

图1中，Q1～Q4四个开关管(内带续流二极管)组成一个全桥电路。其中，Q1、Q2组成超前臂，两端分别并联吸收电容C1、C2，用来实现Q1、Q2的ZVS。L1为高频变压器T的漏感。C3为隔直电容，用来实现由Q3、Q4组成的滞后臂的ZCS。在有限双极性控制方式下，Q1、Q2的驱动信号为脉宽可调的定频率脉冲，Q3、Q4的驱动信号为脉宽固定的定频率互补方波。为了避免开关管直通，将Q3、Q4的驱动信号错开一个固定的死区时间，并使Q1、Q4的驱动信号的上升沿一致，Q2、Q3的驱动信号的上升沿一致。UAB为加在隔直电容C3及高频变压器T两端的电压。由于超前臂并联电容的存在，高频变压器T的端电压在下降时不会突然到零，而是有个过渡过程，其时间取决于并联电容的大小及负载电流等条件。设定Uc3为隔直电容C3上的电压，则Uc3的幅值取决于C3大小及其它条件，C3越小，Uc3幅值越大，ZCS实现得越好，但同时开关管电压应力增大，因此C3不能太小，且应使Uc3最大值小于直流输入电压的10%。

图1　主功率变换电路

在上述特种电源主功率变换电路中，主要参数和控制逻辑设计如下：开关频率为20 kHz；Q1～Q4为高速型IGBT；C1、C2为0.02 μF；C3为5 μF；高频变压器T的漏感L1为220 μH；当输入为三相四线380 V交流电时，接触器K1不动作，触点1和触点3接通，高频变压器匝数比为28：3：3。当输入为三相四线208 V交流电时，接触器K1动作，触点1和触点2接通，高频变压器匝数比为16：3：3。当输入为250 V～650 V直流电时，控制电路通过判断直流输入电压范围自动控制K1状态；V1、V2分别为5个200 V/400 A快恢复二极管并联；输出滤波电感L2感量为50 μH；换流电感L3匝数为18匝，与其对应高频变压器6、7间绕组匝数为3匝；输出滤波电容C4为30 000 μF；输出滤波电容C5为2 000 μF。

1.2　控制单元

数字信号控制器MC56F8037继承了数字信号处理器(DSP)和微控制单元(MCU)两方面优势，即可进行数据处理，也具有微控制单元功能，且功能可靠、运算速度快、成本低廉、配置灵活、代码简洁[6]。微控制单元MC9S12G48保持了传统16位微控制单元的优势和效率，便于8位和16位单片机系列的使用者使用，且成本低廉、高效节能，在众多微控制单元中保持着明显的优势[7]。本文所述的特种电源即以数字信号控制器MC56F8037和微控制单元MC9S12G48为控制核心，其中，微控制单元MC9S12G48采集操控信息，并通过CAN总线与数字信号控制器MC56F8037进行通讯，实现操控信息上报及显示信息接收，而数字信号控制器MC56F8037则根据接收的操控信息自动调节起动、供电、焊接、充电工作过程，实现整机的集中控制。

1.3　采样电路

采样电路主要包括电压采样、电流采样和温度采样。具体采样电路设计如下：

1.3.1电压采样电路

特种电源电压采样电路包括交流输入电压采样电路、直流输入电压采样电路和直流输出电压采样电路。在交流输入电压采样电路中，交流输入电压信号经交流电压传感器及对应的分压电路处理后，送到ADE7858采样端口。ADE7858经过对交流输入电压信号进行检测、补偿、校准及计算，得到交流输入电压、相位等参数，并通过ADE7858与微控制单元MC9S12G48之间的通讯，将交流输入电压采样信息上报微控制单元MC9S12G48，从而实现整机交流输入电压检测；在直流输入电压采样电路中，高压直流输入电压信号经精密电阻R1～R5分压后送达高速线性光耦U1的输入端，经U1隔离后再经差分放大电路、跟随电路、限幅电路送达数字信号控制器MC56F8037的采样口。该过程中，高速线性光耦U1实现了高压直流输入与数字信号控制器MC56F8037 “工作地”之间的隔离，防止有电连接引起的干扰；在直流输出电压采样电路中，直流输出信号经二阶低通滤波电路处理后，得到相对干净的直流信号，后经差分放大电路进行降压、零点漂移抑制及噪声干扰抑制后，再经一阶低通滤波电路及跟随电路处理，使其输入电路呈高阻状态、对后级电路呈低阻状态，从而将前后级电路进行“隔离”。最后，经限幅电路后送到数字信号控制器MC56F8037采样端口。

直流输入电压采样和直流输出电压采样电路分别如图2、图3所示。

图2　直流输入电压采样电路

图3　直流输出电压采样电路

1.3.2电流采样电路

电流采样电路主要有两种，一种用于起动和供电输出电流采样，一种用于焊接和充电输出电流采样。由于起动过程时间短、电流大，所以采用瞬间过电流能力强的分流器进行电流采样，而焊接和充电电流相对较小、变化速度快，所以采用霍尔传感器进行电流采样，所采电流经过处理后送到数字信号控制器MC56F8037采样端口。

1.3.3温度采样电路

温度采样电路主要用于采集特种电源的散热器温度及工作环境温度，以实现整机的过温保护及对充电过程的充电电压进行温度补偿。温度采样电路采用温度传感器检测散热器温度和环境温度，当散热器温度达到设定温度点时，经数字信号控制器MC56F8037限制整机输出功率或直接关断输出；当环境温度变化时，温度传感器采集温度信号并按照设定的控制算法对充电电压进行调节，以降低环境温度变化对蓄电池充电过程的影响。

1.4　驱动电路

驱动电路以双端输出的电流型PWM控制芯片UC3846为核心[8]，以误差基准加峰值功率控制模式进行电压、电流闭环控制，其原理如图4、图5所示。

图4　驱动电路(a)

图5　驱动电路(b)

图4中，R6、C10～C12构成了振荡器，振荡频率f=2.2/R6(C10//C11//C12)，为主功率变换电路的开关频率(20 kHz)。为防止主功率变换电路中开关管的直通，设定了死区时间T=145(C10//C11//C12)[12/(12-3.6/R6)]。UC3846的1脚经电容C7接到“地”，上电后，随着电容C7的充电，驱动脉冲逐渐变宽，实现驱动信号的软启动。误差基准给定信号Adjust经U2构成的跟随电路及R16送达UC3846的5脚(即误差放大器同相输入端)，实现闭环控制。高频变压器的原边电流采样信号经V1～V4、R23、R24、R26、R28、R31组成的电流电压转换电路送达UC3846的16脚，实现高频变压器的原边限流保护。数字信号控制器MC56F8037发出的关断信号Shutoff经比较及分压电路送达UC3846的16脚，实现整机故障状态下关断驱动信号输出。同时，驱动电路设有斜坡补偿网络，以保证驱动电路的稳定性。图5中，因主电路采用全桥变换电路且开关管容量较大，故采用M1～M8、T1、T2构成图腾柱式脉冲变压器功率驱动电路，以提高驱动电路的驱动能力及实现开关管的负压关断。可见，该驱动电路具有开关频率高、驱动功率大、结构简单、成本低廉等优点，且具有优越的控制特性和稳定性。

1.5　辅助电源

特种电源正常工作时，所需的辅助电源包括：DC±24 V、DC±15 V、DC5 V、DC3.3 V，其中DC±24 V采用宽范围输入的DC/DC电源模块获得。DC±24 V主要用于接触器线包供电、风机供电及产生DC±15 V电源，DC±15 V主要用于霍尔传感器及电路板供电，DC5 V主要用于微控制单元MC9S12G48和高速线性光耦供电，DC3.3 V主要用于数字信号控制器MC56F8037供电。其中，DC±24 V设计功率300 W，DC±15 V设计功率15 W，DC5 V设计功率5 W，DC3.3 V设计功率3 W。

2　软件设计

特种电源软件设计充分利用了数字信号控制器(DSC)MC56F8037和微控制单元(MCU)MC9S12G48的内部资源，实现输入输出采样、需求判断、逻辑控制和状态监测，具体流程如图6和图7所示。

3　应用试验

根据多输入多功能特种电源的硬件设计和软件设计方法，在综合考虑了整机的热设计和电磁兼容性设计的基础上研制了原理样机。在三相四线380 V/50 Hz交流输入模式和起动输出模式下，原理样机部分特征试验波形如图8～11所示。其中，图8为驱动信号波形，对应图4所示的驱动电路四路隔离驱动输出，驱动信号的幅值约15 V、周期约50 μs、死区时间约5 μs，满足工作频率20 kHz要求，同时预留了必要的死区时间，保证功率变换过程的安全性和可靠性要求。三相四线208 V/60 Hz交流电和250 V～650 V直流电两种输入模式和起动、焊接和蓄电池充电三种输出模式下，原理样机对应部分的特征波形与如图8～11相似，此处不予赘述。可见，原理样机设计合理，满足设计要求。

图6　微控制单元(MCU)MC9S12G48软件流程图

图7　数字信号控制器(DSC)MC56F8037软件流程图

图8　驱动信号波形

图9　空载时高频变压器原边波形

图10　80%负载时高频变压器原边波形

图11　快恢复二极管波形

4　结束语

针对特种车辆起动、供电、焊接及蓄电池充电的实际需求，在着重考虑整机的输入条件和输出要求的基础上，综合考虑技术先进性、安全性、可靠性、环境适应性、经济性等因素，从硬件和软件两个方面给出了具体的设计方法，即以数字信号控制器(DSC)MC56F8037和微控制单元(MCU)MC9S12G48为控制核心，采用CAN通信实现数字信号控制器(DSC)MC56F8037和微控制单元(MCU)MC9S12G48之间的信息交互，采用有限双极性控制ZVZCS PWM控制方法实现整机的功率变换，同时设计了相应的主功率变换电路、采样电路、驱动电路和辅助电源，并通过应用试验验证原理样机设计的合理性，满足推广应用条件。

参考文献：

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[2] 周堃，钱翰博，刘伟庆，等. 浅谈装备环境适应性与可靠性[J].装备环境工程，2014，11(1)：72-76.

[3] 沙占友，于国庆. 特种开关电源关键电路的设计方案[J].电源技术应用,2012，15(4)：60-64.

[4] 王文婧. 多功能微弧氧化电源的改进[D].吉林：吉林大学,2011.

[5] 何淼磊，李志忠，王振民，等. 数字化有限双极性软开关电镀电源的研究[J].电力电子技术,2012，46(7)：55-57.

[6] 李昕颖，李彬，张睿. 基于MC56F8037的水泵可调叶片压力测试装置研究[J].中国农村水利水电，2014，56(2)：125-127，132.

[7] 胡恩伟. 基于S12G CAN总线通信的独立NVM驱动安全bootloader设计[J]. 电子产品世界，2016，23(8)：73-76.

[8] 黄春梅. 基于UC3846的开关电源核心控制电路设[D].郑州：郑州大学，2013.