便携型电能路由器的设计

韩力，刘金宁

（陆军工程大学石家庄校区车辆与电气工程系，河北石家庄，050003）

1 电能路由器方案设计

本文所设计的电能路由器能够实现电能的相互转换，当接入交流或光伏等电源时，可以给多种电池充电；当没有电源输入时，可以将一种电池作为电源给其他电池充电，优先保证关键设备的正常用电；当需要交流输出时，可以将直流转化成交流，提升电能路由器的适应性。其拓扑结构如图1所示，由双向AC-DC变换器、双向LLC变换器和BUCK-BOOT变换器三部分组成。双向AC-DC变换器采用单相全桥拓扑结构，开关管采用全控型器件 MOSFET 进行高频调制，能够与很好的控制系统动态响应速度，实现整流和逆变的快速切换[1]；双向LLC变换器采用半桥拓扑结构，拓扑结构简单、所用器件数量少、开关管易实现软开关，通过LLC变换器的高频变压器隔离后，可以实现高压侧和低压侧的隔离，增加电能路由器的安全性[2]；BUCK-BOOST变换器结构简单，使用元器件较少，利用DSP芯片进行智能控制，将LLC变换器输出的较高电压转换成电池标准充电电压，满足不同场合的需要。

图1 便携型电能路由器拓扑结构

2 硬件设计

2.1 电路原理

电能路由器原理示意图如图2所示，CN1为交流端口，CN2—CN4为直流端口，当接入交流时，DSP控制双向AC-DC变换器进行整流输出400V电压，经过电容滤波后送入LLC变换器初级侧，LLC变换器是由高频变压器隔离的降压转换器，变压器初级侧连接Q5、Q6开关管，次级侧连接Q7、Q8开关管，Q5、Q6在变压器初级产生脉冲交流电压。变压器用于降低脉冲初级电压，同时在输入电压源与输出电压之间提供隔离。LLC次级侧连接到低压直流母线，经过电容滤波后输出45V电压，与三个BUCK-BOOST转换器相接。控制芯片通过传感器输入的信号识别电池的种类，然后发出PWM方波控制BUCK-BOOST两个MOSFET的通断产生与接入电池相匹配的充电电压，经过由电感和电容组成的低通滤波器滤波后馈送给电池充电[3]。当接入光伏或其他直流电源时，先通过BUCK-BOOST升压至45V给低压直流母线供电，再给接入的电池充电。若CN1端有交流负载接入，LLC变换器的Q7、Q8开关管交替导通产生占空比相等的方波，采用变频控制使输出电压稳定在380V，双向AC-DC变换器采用单极性调制方式将直流转换为交流，从而给交流负载供电。

图2 设计方案原理示意图

2.2 主要器件选型

2.2.1 DSP芯片选型

考虑到所需要的资源和成本，选用Microchip公司的DSPIC33FJ32GS606，采用16位改进型哈佛架构，多达6个独立定时脉宽调制对，15通道、10位AD转换器，64个引脚，供电电压3.3V，完全满足设计要求。

2.2.2 MOSFET选型

综合考虑耐压、导通电流、导通电阻、价格等因素，AC-DC选择英飞凌的IPA70R360P7S ，700V/12.5A,导通电阻360mΩ，LLC初级侧选用英飞凌的IPD90R1K2C3，900V/5.1A，导通电阻1.2Ω，LLC次级侧选用英飞凌的IRLR3636TRP-BF，60V/50A，导通电阻6.8mΩ，BUCKBOOST选用安森美的NTD20N03L27T4G，30V/20A，导通电阻27mΩ。

2.2.3 MOSFET驱动电路设计

高压侧栅极驱动需要与主电路进行电气隔离，目前常用的驱动是变压器隔离驱动电路和光耦隔离加自举电路来驱动，对于变压器隔离驱动来说，本次设计的难点在于正负半周切换时，中间产生的死区时间可能会使隔离变压器的磁芯饱和而出现损毁；若采用光耦隔离加自举驱动，考虑到开关频率，为了减小延时必须采用高速光耦，但是高速光耦受外界的温度等影响较大且驱动能力一般较弱，需要配合驱动芯片使用[4]。综合以上考虑，为了使驱动电路可靠与稳定，AC-DC和LLC初级侧MOSFET采用芯科集成的隔离驱动芯片 SI8230 作为本次设计的驱动电路，原理图如图3所示。

图3 高压侧栅极驱动原理图

LLC次级侧和BUCK-BOOST的MOSFET驱动处于低压侧，不需要进行电气隔离，选用德州仪器的LM5101AMX/NOPB，通过外部电容实现自举电源，原理图如图4所示。

图4 低压侧栅极驱动原理图

2.3 采样电路设计

为了实现整个系统的正常运行，需要对电路中的电压和电流进行采样。由于 DSP 芯片输入电压范围只有 0～3V，而输出电压相对于 DSP 芯片过大，输入至芯片之前需要进行比例限幅。这里输入端采用分压电阻，通过选取合适的参数来保证 DSP 芯片正常工作，然后通过 ADC 进行转换。

由于电能路由器能够双向运行，导通电流会改变方向，因此采用带输出电压偏移的霍尔传感器来测量，本次设计选用CrossChip的CC6904SO-10A电流传感器是一款高性能单端输出的线性电流传感器，可以有效的测量交流和直流，静态输出点为2.65V，因此电流反向传感器输出的也是正向电压，无需额外增加电压偏置电路。电流检测电路如图5所示。

图5 电流检测电路原理图

3 软件设计

控制软件使用C语言和汇编语言混合编程。所有时间关键型函数均使用汇编语言编写。主循环、外设设置程序、初始化程序和非时间关键函数均使用C语言编写。软件主程序主要包括初始化、系统自检和故障检查，所用的控制环节均在ADC中断服务程序中执行,其工作流程如图6所示。

图6 中断服务程序工作流程图

4 结论

本文所设计的便携型电能路由器，采用双向三级式拓扑结构，实现电源和电池的即插即用和灵活接入功能，满足了应用需求。采用合适的采样电路，实现了对电能路由器主电路的电压、电流检测，确保控制芯片能够实时调节，使系统更加可靠稳定。通过DSP来控制系统的运行和数据处理，采集接入端口的电压和电流数据，识别不同类型的接入，然后通过程序设计实现电能的相互转换。本电能路由器分为高压侧和低压侧，控制芯片间采用光耦进行隔离通信，既增加了安全性，也防止信号的相互干扰。高压侧地驱动芯片采用带隔离的驱动芯片与主电路进行隔离，避免了采用变压器隔离会出现的磁芯饱和现象，提升了驱动能力，增强了系统稳定性。通过硬件和软件的设计，使系统具备丰富的功能，具有很好的实用价值。