")); 无损充电及微功耗电驱动系统　

　郁百超
　　
　　(湖北省电力信息通信公司,湖北武汉430077)
　　
　　摘要:介绍蓄电池的无损充电及自行车、汽车、火车的微功耗电驱动系统。“整体串联恒流、单体并联恒压”的充电方法,实现无损耗充电。无损的含意有两层,一是充电功率基本无损耗,二是电池本身在充放电过程中完全无损害,该无损充电机仅由简单电路实现,无过充、过热、过放、过流、短路现象,充电终了时所有单体电池的端电压完全相等;“只需把输入功率中的极小部分进行传统功率变换,就可以全部转换成输出功率”,实现了微功耗电驱动,即输入功率中绝大部分既不必进行实际的功率变换,也不必通过磁芯变压器或电感传递,直接到达输出端而成为输出功率,该微功耗电驱动系统的主功率器件不采用脉宽调制(PWM),电路简单,功耗极小而寿命极长,其成本、体积、重量、功耗都是传统电驱动系统的十分之一。
　　
　　关键词:交流变频器;直流变幅器;无损充电;微功耗;整流升压器;微分逆变器　　

2．3电压切割电路[7]
　　
　　图13电压切割电路，V3是N型MOS管Q2的栅极驱动信号，频率100KHz，T1是P型MOS管，其栅极驱动信号V1与V3相同，极性相反，V2=13.5V是输入电压，要求输出电压Vo=12V。
　　
　　当V3为高电平时，T2饱和导通，输入直流电压V2经过电阻R1对电感L1充电，L1上的电流线性增加，同时存贮电能，在此期间，T2的源极电压，即输出电压Vo被栅极驱动信号钳位，电感L1上的电压由V2的脉宽决定。
　　
　　当V3为低电平时，T2截止，输入电压V2和电感L1上的电压叠加后通过二极管D1对电容C1充电，充电终了时，电容C1上的电压高于输入电压V2。当下一个周期到来的时候，电容C1上的电压与输入电压V2经过电阻R1共同对电感L1充电，充电过程已于前述。电容C2对输出电压Vo起平滑作用，由于T2的源极电压跟踪栅极电位，所以其栅极驱动信号的幅值应比输出电压Vo高一个栅源电压Vgs。
　　
　　MOS管T2饱和导通期间，输入电压V2=13.5V，输出电压Vo=12V，忽略T2管压降，则电感L1上的压降应略高于1.5V，MOS管T2截止期间，L1上的压降极性反转，与输入电压V2叠加（约15V），使电容C1上的电压充至大于输入电压V2，由于T1、T2同步，到下一个周期开始时，电容C1上的电压与输入电压V2同时通过相同的路径对L1充电，在负载电阻R1上产生输出电压Vo。由于在周期开始时，电容C1上的电压高于输入电压V2，电容C1上的电压一方面通过L1、T2、R1放电，另一方面对蓄电池充电。当C1上的电压放电到低于输入电压V2后，由V2单独对L1充电。

　　
　　
　　上述过程周而复始，MOS管T2饱和导通期间，相当于把输入电压13.5V中的12V切割下来作为输出电压Vo，MOS管T2截止期间，剩下的1.5V加上输入电压13.5V共15V存放在电容C1中，当下一个周期开始时，存放在电容C1中的15V电压与输入电压一起，在对L1充电的同时，还在负载电阻R1上形成输出电压Vo。在整个过程中，13.5V输入电压中的12V直接成为输出功率，这部份功率的变换效率可视为100%，剩余1.5V被转移到电容C1中，进行再生或反馈。
　　
　　MOS管T2栅极驱动信号是高频方波，其源极接有负载电阻R1和滤波大电容C2，对于高频信号而言，Q2的源极相当于接地，因此实际进行或参与PWM脉宽调制的电压仅仅只有1.5V，而输出电压却是12V，直接印证了“只要把输入功率中的极小部份进行功率变换，就可以得到全部输出功率，即输入功率中的绝大部份既不必参与实际的功率变换，也不必通过磁芯变压器或电感传递，直接到达输出端，成为输出功率”。图13右边是电压切割电路各点电压的仿真波形，从上到下依次是：输入电压Vi、输出电压Vo。
　　
　　2．4电压补偿电路[7]
　　
　　图14是直流电压补偿电路，设输入电压Vi=10.5V，要求输出电压Vo=12V，该电路产生一个补偿电压Vc=1.5V，叠加在输入电压之上，使得输出电压等于12V。V2是功率MOS管T2的栅极驱动信号，是100KHz的方波信号，V1是输入直流电压。电路启动后，T2饱和导通，电池电压V1通过T2的漏源极向电感L1充电，电感电流线性增加，电感中存贮的能量不断增多，与此同时，电容C2上的电压向负载R2放电。半个周期后，T2截止，存贮在电感L1中的电能通过T1的体内二极管向电容C1充电。C1上的电压叠加在电池电压V1之上，在向负载电阻R2供电的同时，也向电容C2充电。图13右边是各点电压的仿真波形，从上到下依次是：输出电压Vo、输入电压Vi、补偿电压Vc。从图可以看到，输出电压Vo（12V），是输入电压Vi（10.5V）和补偿电压Vc（1.5V）之和。

　　
　　
　　功率MOS管T1没有驱动信号，那是因为只利用功率MOS管T1体内二极管的正向特性，其饱和压降小，通过电流大。图14右边是各点电压的仿真波形，从上到下依次是：输出电压Vo，输入电压Vi，补偿电压Vc。
　　
　　2．5变幅器实际电路[8]

　　
　　图15是接有PWM控制芯片UC1825的变幅器实际电路。功率MOS管T1、T2、电感L1、二极管D2、电阻R16电容C18等组成了电压切割电路，与图13电路相同，功率MOS管T3、T4、电感L1、二极管D3、电容C2等组成了电压补偿电路，与图14电路相同。比较器U2、U3对输入电压V2进行比较，V2经过电阻R1、R19分压后得到参考电压Vz，Vz同时接U2的同相输入端和U3的反相输入端，当代表输入电压V2的参考电压Vz大于U2反相端参考电压Vx时（调节电阻R2、R7，使得Vx对应输出电压Vo的上限），U2输出高电平，S1接通，脉宽调制芯片驱动信号输出脚OUT_A接到功率MOS管Q2的栅极，进行电压切割操作，使输出电压Vo小于其上限电压，与此同时，U2输出的高电平通过二极管D1、R7加到三极管T3的基极，T3饱和导通，其集电极低电平，开关S2断开；当代表输入电压Vi的参考电压Vz小于U3同相端参考电压Vy时（调节电阻R12、R23，使得Vy对应输出电压Vo的下限），U3输出高电平，S3接通，脉宽调制芯片驱动信号输出脚OUT_A接到功率MOS管T4的栅极，进行电压补偿操作，使输出电压Vo大于其下限电压，与此同时，U3输出的高电平通过二极管D2、R15加到三极管T3的基极，T3饱和导通，其集电极低电平，开关S2断开；当代表输入电压Vi的参考电压Vz小于U2反相端参考电压Vx，大于U3反相端参考电压Vy时，U2、U3都输出低电平，T3截止，其集电极输出高电平，S2接通，18V电压V1接到T2的栅极，T2饱和导通，输入电压Vi通过TX1的原边输出，使输出电压Vo保持Vo的上、下限之间。
　　
　　上述控制过程的结果是：输入电压Vz大于基准电压Vx、小于基准电压Vy时，微功耗直流稳压器进行电压切割或电压补偿操作，使输出电压Vo保持在额定范围之内，即输出电压Vo保持在以基准电压为中心的一个范围内变化，Vx、Vy的幅值代表了这个变化范围，由于电压Vx、Vy的幅值是可以人为设置的，所以输出电压Vo的变化范围（精度或调整率）也是可以人为设置的。
　　
　　电压切割电路的输出端T2的源极，和电压补偿电路的输出端（T1的漏极和电阻R13）接在一起，共同组成整机的输出端Vo,当输入电压Vz大于Vx、小于Vy时，开关S1、S3不动作，脉宽驱动信号OUT_A加不到T2、T4的栅极，在此期间，开关S2动作，高电平V1加到电压切割电路的功率MOS管T2的栅极，使得T2常通，成为一个直流开关，输入电压Vi通过饱和导通的T2漏源极直接到达输出端Vo。
　　

（未完待续）

【红尘有你】