058 硬件详细说明

xx型动力电池充电机硬件详细设计说明书作者：何吕涛版本：1.0日期：2010-1-12中原电子集团应用电子研发中心武汉中原电子集团有限公司应用电子研发中心中原电子集团应用电子研发中心地址：武汉市关东科技工业园2号1楼4300742/20网址：电话：[phone]传真：[phone]、引言本电路是设计一款AC220输入，DC60-90输出功率为1350W的车载动力电池充电机。XX型智能充电器硬件部分主要由三部分组成：辅助电源板，DSP控制板，主充电电路板，另加一些外围辅助电路充电器电路的总体结构图本文档的目的就是从电路拓扑结构方面及关键元器件的选型上进行一个详细的说明，方便工程师间互相交流及电路更改，为项目存档文件用2、子模块设计说明2.1主充电电路：2.1.1拓扑结构：AC/DC整流输入滤波DC/AC逆变高频变压器AC/DC整流输出滤波输入电池主充电电路拓扑图输入：90~264VAC主充电电路故障及状态显示辅助电源板CAN通讯DSP控制板电热膜加热控制电池管理系统输出：60~90VDC武汉中原电子集团有限公司应用电子研发中心中原电子集团应用电子研发中心地址：武汉市关东科技工业园2号1楼4300743/20网址：电话：[phone]传真：[phone]硬件设计：1.AC/DC整流电路部分：FU?15AJ?J?105C?105C?R?680V/20KL1D?ZP30AD?ZP30AD?ZP30AD?ZP30A475C?474C?10R?474C?10R?105C?474C?474C?AC220Input电路上图所述，AC部分输入后串联一个保险丝，规格为15A，并且并联压敏电阻一个，用于浪涌测试，并联安规电容一个，用于高频滤波，后面接着进行全桥不控整流，整流桥上的二极管分别并联上RC或C用于防止电压突变产生的大电流烧坏二极管，整流后加上用于消除差模与共模干扰的电容。二极管选用30EPH06PBF，此二极管可通过的平均电流为30A，反向峰值电压为600V，完全符合要求。2.输入滤波部分：10mHL?L122uF8ohmR?C?450V/4700uFAC/DC+AC/DC-C?450V/4700uF电路如上，滤波电感由一个共模电感与一个差模电感组成，滤波电容由一个RC电路及一个电容并联组成。武汉中原电子集团有限公司应用电子研发中心中原电子集团应用电子研发中心地址：武汉市关东科技工业园2号1楼4300744/20网址：电话：[phone]传真：[phone]共模电感的电感量较小，用于消除共模干扰，根据经验常取数百微亨到几豪亨间,此处取1mH,差模电感用于续流用，电容用于平稳电压用，因为脉冲频率为50HZ，所以感值或容值都较大，其中一路上加了电阻是为了限制充电电流。电容的选择有三种算法,分别为能量法、纹波法、上升时延控制法。其中纹波法与能量法类似，故仅以能量法与上升时延控制法作比较：1：能量法：一个市电周期中，电容提供的能量为Wi＝Pin/f=Po/η/f,取η＝90%，则有Wi＝1350/0.9/50=30，在任一时刻电容的能量计算公式为Wc(t)=1/2*Cu2(t)，在交流市电最低的情况下，取整流后的纹波为10%，则半个周期中全桥整流后电压最大与最小值分别为Vmax=220*0.9*1.414＝280,Vmin=220*0.9*1.414*(1-10%)=252，因采用全桥整流，频率加倍，所以只需计算半个周期即可，故有半个周期需提供的能量为武汉中原电子集团有限公司应用电子研发中心中原电子集团应用电子研发中心地址：武汉市关东科技工业园2号1楼4300745/20网址：电话：[phone]传真：[phone]Wo/2=1/2*C(V2max–V2min),因一个周期中电容吸收与释放的能量应相等，所以有Wi=Wo，故有C＝Wi/(V2max–V2min)=30/(280*280-252*252)=0.002014F=2014uF,取标准值2200uF。2：上升时延控制法：主要是考虑电容的等效上升沿要远远小于工频周期，那2*3.14*R*CT（此处T＝10mS）,取50倍周期，则有C＝50*T/(2*3.14*R),R为等效电阻，此处为30ohm,所以C＝0.01*50/(2*3.14*30)=0.002654F=2654uF,取标准值为2200uF，与上述相同。电压的选择根据电容上的峰值电压为220*0.9*1.1*1.414＝307V，取450V的标准电容，故所选电容为2200uF/450V。所加电阻为限制充电电流，并联一路为调整用。电感的选择主要考虑电流在额定负荷下不能断流，但频率过低，只能根据经验取2mH。3.DC/AC逆变部分：武汉中原电子集团有限公司应用电子研发中心中原电子集团应用电子研发中心地址：武汉市关东科技工业园2号1楼4300746/20网址：电话：[phone]传真：[phone]G1C2E3Q1Q3Q2Q4D730EPH06PBFD1230EPH06PBFD1130EPH06PBFD830EPH06PBFAC/DC+AC/DC-BRG_UP1_CBRG_UP1_GBRG_UP1_EBRG_DW1_CBRG_DW1_GBRG_DW1_EBRG_UP2_CBRG_UP2_GBRG_UP2_EBRG_DW2_CBRG_DW2_GBRG_DW2_E474C25474C26474C12474C14因本产品的输出功率不大，按70%的最低效率计算的话，输入部分的电流为9.7A,故全桥控制部分的功率管选用TO-247封装的IGBT，型号为G5N120CND，其特性为25A/1200V,同部有并联反向二极管，完全满足要求，CE间并联4个电容是为了消除电压脉冲，并联四个二极管为了调试过程中可能更换功率管并且该功率管没有内部并联的二极管而准备的。4.高频变压部分：高频变压部分主要是高频变压器的设计，高频变压器首先要确定磁芯材料与磁芯结构，材料主要有锰锌铁氧体，镍锌铁氧体及铜镁锌铁氧体，前者有很高的磁导率及但频率较低，中间磁导率与频率均适中，后者磁导率很低，但频率极高，本设计中用到的频率为20KHz,因高频变压器为本设计的关键点，所以本设计武汉中原电子集团有限公司应用电子研发中心中原电子集团应用电子研发中心地址：武汉市关东科技工业园2号1楼4300747/20网址：电话：[phone]传真：[phone]选用锰锌铁氧体及镍锌铁氧体分别作一计算，电路调试中优选一个作为最后的高频变压器。1）：选用材料为锰锌铁氧体结构为PM型的进行设计，设计方法采用AP设计法。1：变压器的视在功率PT计算：PT=PO*(1+1/η)*1.414＝1350*(1+1/0.9)*1.414=4029W2：计算AP：AP＝PT/(K0KfFSBWJ)=4029/(0.4*4.0*20000*0.2*400*10-4)=15.7cm4上式中K0为窗口使用系数，取0.4，Kf为波形系数，取4.0，FS为频率，取20KHZ，BW为工作磁通密度，取0.2T，J为电流密度，取400A/CM2对于PM50,Ae=3.7CM2,Aw=5.05CM2,所以AP＝Ae*Aw=3.7*5.05=18.6cm4满足要求但裕量不够，对PM62有Ae=5.7CM2,Aw=7.78CM2,所以AP＝Ae*Aw=5.7*7.78=44.36cm4,完全满足要求，所以选取PM62。3：计算线匝及线径：由技术条件可得：Uimin=220*0.9*0.9*1.414=252VIimax=1350/0.9/252=6A武汉中原电子集团有限公司应用电子研发中心中原电子集团应用电子研发中心地址：武汉市关东科技工业园2号1楼4300748/20网址：电话：[phone]传真：[phone]Uomax=90VIomax=25A故有：原边绕组裸线面积为Axp=Iimax/J=6/4=1.5mm2原边匝数Np＝Uimin/(Kf*Fs*Bw*Ae)=252*104/(4.0*20000*0.2*5.7)=27.6取Np=28副边匝数Ns=Np*Vomax/Vimin=28*90/252=10副边绕组裸线面积Axs=Iomax/J=25/4=6.25mm2取Axs=6.5mm25.输出AC/DC整流部分：整流二极管的选择与输入AC/DC相同，为30EPH06PBF。6.输出滤波部分：1：电感的选择：电感的选择主要是使输出电流不断流为原则，Lc=(Vo2/(2*Po*f))*(1-D)Po为输出功率，Vo为输出电压，f为频率，D为占空比，取50%，所以有：Lc=（75*75/(2*1350*20000)*（1-0.5）＝0.052mH,最后取Lc=0.5mH2：电容的选择：本设计中电容的选择主要是考虑是输出电压的纹波，武汉中原电子集团有限公司应用电子研发中心中原电子集团应用电子研发中心地址：武汉市关东科技工业园2号1楼4300749/20网址：电话：[phone]传真：[phone]本设计中取电压纹波为1%，由公式C＝Vo*(1-D)/(8*L*△V*f*f)得：C＝75*(1-0.5)/(8*0.0005*0.75*20*20*106)=31.25uF,本设计中取的是C＝2200uF;最大耐压为90*（1+1%）*2＝181.8V，取220V；电容的选择为2200uF/220V;图中串联一个电阻为限制电容的充电电流，并联一个电容为调试过程中调整用。2.2辅助电源板：根据充电机外围电路的需要，辅助电源需提供12V-5A风扇和加热模块工作电压，三路不共地20V-0.1A电源以供主充电路中的IGBT芯片驱动工作，及两路12V-0.006A偏置电路输出电压，以及5V-2A电源给DSP供电，15V-0.1A和-15V-0.1A供霍尔电流电压互感器工作。采用反激式电路设计隔离式开关电源，开关电源的输入电压范围为85V-265V，输出额定功率为85W。2.2.1拓扑结构该开关电源的主要由以下几个模块组成：保护电路、输入整流、钳位电路、开关电源控制芯片、高频变压器、输出滤波电路模块、反馈电路。开关电源拓武汉中原电子集团有限公司应用电子研发中心中原电子集团应用电子研发中心地址：武汉市关东科技工业园2号1楼43007410/20网址：电话：[phone]传真：[phone]扑结构图如下图所示：1212345685V-265V多路输出输入整流输入滤波电路钳位电路变压器输出整流滤波芯片电路反馈电路TOPswitch辅助电路拓扑图2.2.2硬件设计1、保护电路包括熔丝管，压敏电阻、负温度系数功率热敏电阻。FU185--265VRV1tRT1INPUT2INPUT1保险管选择的是3.15A方形熔断型熔丝管过载或短路情况下将会快速熔断，压敏电阻MYG10D681K交流输入最大连续工作电压达420V满足要求，起到过压保护作用。负温度系数功率热敏电阻MF72-10D9起到通电时瞬间限流保护作用。2、EMI滤波电路包括滤除网间串模干扰的滤波电容，共模扼流圈，串模扼流圈，安全电容等。武汉中原电子集团有限公司应用电子研发中心中原电子集团应用电子研发中心地址：武汉市关东科技工业园2号1楼43007411/20网址：电话：[phone]传真：[phone]