超级电容专用充电装置的制作方法

1.本实用新型涉及电子技术领域，更具体地说是一种超级电容专用充电装置。


背景技术：

2.超级电容专用充电装置用于对超级电容进行充电。
3.现有的超级电容充电装置主要有以下缺点：
4.(1)集成化程度不高，电路结构相对复杂；
5.(2)无针对超级电容的相关保护和容错功能；
6.(3)不便于远程软件升级。


技术实现要素：

7.为了克服现有技术的上述缺陷，本实用新型提供一种新型的超级电容充电装置，并在充电过程中对超级电容状态进行监控，在异常时发出报警。
8.为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：
9.一种超级电容专用充电装置，包括输入保护及emc滤波电路、预充电处理电路、pwm整流电路、buck恒流电路、igbt驱动、以及主控制器；
10.所述输入保护及emc滤波电路连接预充电处理电路和输入电压电流采样模块，输入电压先经输入保护及emc滤波电路处理后，进入预充电电路；输入电压采样模块和输入电流采样模块分别为主控制器提供电压采样信号和电流采样信号；
11.所述预充电电路输出与pwm整流电路连接；
12.所述主控制器分别通过对应的igbt驱动连接pwm整流电路、buck恒流电路。
13.进一步的，所述pwm整流电路由igbt和电抗器构成，igbt根据控制信号，通过不同占空比的开通和关断，实现boost升压，将三相ac输入电压变换成稳定的800v直流电压(ac/dc变换)。
14.进一步的，为实现恒定的直流输出，在第一级ac/dc变换的基础上，增加了第二级变换，即dc/dc变换，以输出恒定的电流或稳定的电压。
15.进一步的，主控制器外部通讯接口：rs485和can，可接收外部控制命令并传输实时数据：输入三相电压、电流、功率因数、输出dc电压、电流、温度。
16.进一步的，电流信号通过霍尔传感器进行采样。
17.本实用新型的技术效果和优点：
18.1、电路集成度更高、结构相对简单，体积小，可靠性更高；
19.2、本装置采用单电源供电的单片高速混合数字信号处理器，内部集成运算放大器、a/d转换及基础运算单元，没有传统外置运行所需的+5v(12v)、-5v(-12v)电源芯片、大量的运算放大器和模拟/数字转换器，无论是电路复杂程度，还是pcb布线面积和电路走线，都有较大简化，既提高了生产调试便捷性，也提高了产品合格率和可靠性；
20.3、增加针对超级电容的保护和容错功能；根据充电电量判断超级电容衰减；实时
判断绝缘及漏电流；
21.4、可通过rs485或can总线在线升级程序；支持不开箱在线升级软件。
附图说明
22.图1为本实用新型整体的系统结构示意图；
23.图2为输入保护及emc滤波电路；
24.图3为预充电处理电路；
25.图4为igbt模组内部线路图；
26.图5为igbt接口保护电路图；
27.图6为电压采样分压处理示意图；
28.图7为输入ac电流霍尔采样电路图；
29.图8为过流比较电路图；
30.图9为igbt驱动电路图；
31.图10为隔离电源电路图；
32.图11为主控芯片电路图。
具体实施方式
33.下面将对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
34.实施例一
35.硬件构成：
36.主电路由输入保护及emc滤波电路、预充电处理电路、pwm整流电路、buck恒流电路、igbt驱动、输入电压电流采样模块、输出电压电流采样模块以及主控组成，如图1；
37.输入电压先经输入滤波emc处理后，进入预充电电路，同步为控制电路提供电压和电流采样信号，为pwm整流控制提供基础数据。
38.预充电电路输出与igbt整流组件连接，pwm整流主体部分由igbt和电抗器构成，igbt根据控制信号，通过不同占空比的开通和关断，实现boost升压，将三相ac输入电压变换成稳定的800v直流电压(ac/dc变换)。
39.为实现恒定的直流输出，在第一级ac/dc变换的基础上，增加了第二级变换，即dc/dc变换，以输出恒定的电流或稳定的电压。
40.主控部分为整个装置的控制核心，其承担a/d转换、pwm整流控制、恒流(或定压)输出、过流、过压保护及通讯等功能。
41.主控的igbt输出为ttl电平，不可与igbt直连，因此需要增加驱动隔离电路，将0～5v的ttl转换成隔离的-9v～+15v，同时将igbt状态(瞬态过流、击穿状态)反馈给主控电路，在发生过流故障时，以便主控及时关断igbt脉冲信号，避免部件损坏或故障范围扩大。
42.装置同时还具有外部通讯接口：rs485和can，可接收外部控制命令并传输实时数据：输入三相电压、电流、功率因数、输出dc电压、电流、温度。
43.实施例二
44.(1)输入保护及emc
45.如图2所示，因输入电源可能存在暂态线路过压现象，因此需要增加过压保护(压敏电阻)、保险丝等防护措施。
46.由于后级igbt工作在开关状态，其工作时，交流输入侧会产生较大的高频纹波电流，影响同线路其他电子设备的正常工作，因此需要相关滤波电路，滤除高频纹波，减少或降低对线路上其他负载的影响。
47.(2)预充电
48.如如3所示，装置初次上电时，后级电路中直流母线电容因无电压或与输入电压峰值压差较大，如果直接接通电源，会产生很大的涌流，导致输入侧保险烧毁或保护开关动作，同时对igbt内部二极管也会有很大冲击，严重时可能导致其击穿损坏，因此在输入侧需要增加限流电阻，降低上电涌流，待电流稳定后，再闭合继电器，旁路限流电阻。
49.(3)pwm整流
50.如如4所示，传统大功率ac/dc变换，通常采用6脉整流实现，其结构简单，但其工作时回产生较大的谐波电流和较低的功率因数，工作效率低，干扰大。
51.本装置中，ac/dc变换由pwm整流方式实现，其功率组件由滤波电容、滤波电抗器和igbt模块组成，为后级提供恒定dc800v输出，在主动功率因数矫正控制算法下，实现输入侧电流的低thdi(＜5％)和高功率因数(≥0.99)。
52.igbt采用专用模块，其内部封装有6只igbt，合并组成3对桥臂，模块整体性较好，外部线路简单，便于安装。
53.igbt模块要可靠的工作，除需要优质的驱动信号外，控制端还需要相应的保护，其输入侧保护电路见图5。
54.(4)恒流输出
55.恒流采用2路交错输出方式，相比单管电路，在保持单管igbt开关频率不变前提下，整体输出开关频率提升一倍，输出电流纹波降低，同时igbt及电抗器的发热更小。
56.(5)电压采样
57.要保证高功率因数和低谐波的pwm整流控制，需要精准的同步电压信号，以计算有效值、相位、频率信息。
58.输入电压为强电高压(最高400v)，不可直接接入控制板(最高3.3v)，为提高采样精度及低相位延迟，此处采用电阻分压方式进行电平幅值转换，分压处理见图6
59.(6)电流采样
60.装置电流信号既有交流，也有直流，因此只能采用霍尔传感器，以实现交、直流电流的采样。本装置中的霍尔传感器工作在电磁干扰较大的环境下，为提高采样精度及稳定性，因此电源端需要增加滤波处理，相关外围电路如图7。
61.因输出端可能存在短路的意外，在输出短路时，依靠速度相对较慢的a/d采样和软件作过流判断，几乎不能满足保护响应所需的速度，因此本处采用窗口比较器作为过流判断，主控以中断方式响应，可实现快速过流或短路保护。如图8。
62.(7)igbt驱动
63.如图9和图10所示。
64.igbt和主控芯片有超过500v的压差，且其驱动电平范围为-9v～+15v，因此无法被主控芯片直接驱动，二者之间需要驱动板来实现电源隔离、电平转换和功率驱动功能。
65.(8)主控芯片
66.如如11所示，主控芯片采用st公司的stm32g474ret6混合信号控制器，其内置支持硬件过采样16bit分辨率的adc、比较器和运放，可节省相关外围模拟器件。
67.stm32g4系列内置运行速度可达170mhz的32位内核(支持fpu和dsp指令集)与3种不同的硬件加速器：art accelerator
tm
、ccm-sram程序执行加速器和数学运算加速器，此资源完全可满足控制所需的数学计算、pwm控制要求。
68.主控芯片是整个装置的核心，其主要实现以下功能：
69.a.控制内置a/d对输入交流电压、交流电流进行采样、计算；
70.b.特定算法计算并锁定电压频率、相位等数据
71.c.控制pwm模块，实现pwm整流
72.d.控制内置a/d采集输出dc电压和输出dc电流
73.e.控制igbt实现buck降压、恒流
74.f.rs485及can通讯
75.g.输入、输出过压保护
76.h.电容状态判断。
77.以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。