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大功率铝空气电池升压电源的研制
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一、 引言
1．1 铝空气电池的特点
文章[1]，及专利[2]，[3]中对铝空电池都有过较为详细的描述，特别是专利[2]，[3]对铝空电池的特性及升压电源原理等都有较为深入的表述。铝空电池的静态内阻特性在正常使用阶段与普通的干电池相似，比优质锌锰电池差；但其动态特性却比其它电池要差。由于其电解液----盐水的导电性较其它化学电解液的导电性差，造成其动态内阻大的固有缺陷，使该电池的使用范围大大减小。另外，由于铝空电池自身的原因在许多场合都不能串联或不能串联太多的电池，因而在这些场合的使用都必须配备大功率升压电源，本文所介绍的正是这类电源。
1．2 大功率升压电源电路设计的难点
在文章[1]中较为详细的介绍了小功率升压电源的研制，小功率升压电源的主要用途是为蓄电池提供涓流充电，由于负载特性较为简单且输出功率也较小，所以研制小功率升压电源时考虑的相关因素要少些。相对于小功率升压电源，开发大功率铝空气电池升压电源要考虑的相关因素就要多些；首先是升压电源的功耗，表现为能量的转换效率。“低电压（1.5V~5V）大功率（100W以上）”，一定会在升压电源的输入端形成“低电压（1.5V~5V）大电流（100A以上）”的设计难题，以及由此带来的一系列问题。这使得铝空气电池的大功率升压电源无论是在电路设计、元器件选择、印刷电路板设计还是在生产工艺上都要进行特别的处理。
二、 开发升压电源的几个关键技术点
2．1 限制冲击电流的措施
由于铝空气电池的动态特性较差，开路电压与逆变过程的动态波形最高电压值之间的差值——“动态差值”，就是电路设计的第一个难点。实测一组串联的铝空电池组：开路电压为9V（有效值），带载后其电源端电压就降为5V（有效值）左右。这样的电池特性对电源变换电路的设计就提出了很高的要求：如何减少变换电路工作时对电池的冲击，也就是尽可能的限制冲击电流；用通俗的话讲：如何使铝空气电池的化学能变化产生的能量能跟得上变换电路提取能量的速度。为了尽可能的使电池输出能量与变换电路要求的输入能量相匹配，必须在升压电源的输入端（铝空气电池的输出端）加一“蓄能池”。
如下的电路为升压电源的主变换电路：
图1
大容量的电容C1~C3在MOS管导通期间向主电路供电，在MOS管截止期间由电源向大容量的电容C1~C3充电，这样可从电路结构上改善铝空气电池动态特性造成的影响，减少对铝空气电池的冲击电流。
6绕组的变压器也可以在不减少整体电路转换效率及不增加成本（高价且复杂的防冲击电流控制电路）的基础上达到减少冲击电流。变压器T1的原边为并联的3绕组，分别接电源输入端VIN及MOS管的漏极；次极为串联的3绕组，分别接电源的输入端VIN及整流二极管D1。初级与次极的绕组比率N=1：4。
MOS管的导通，在变压器T1的原边内产生一较大的电流值I PRE，电流I PRE将在T1的原边内产生磁场，当电流达到某一限定值时，控制电路将关断MOS管。根据LENZ’S LEW，这电流的突然改变将产生一阻碍电流变化的磁场，该磁场的方向正好使整流二极管导通，在变压器T1的次极产生电流ISEC= I PRE/N。这样，变压器将使流过整流二极管向电容C4充电的瞬间峰值电流减少75%，同时也使MOS管的漏极源极间的耐压减少75%。通过以合适比例来减少升压电源最大的平均输出电流，以降低75%的瞬间变压器次极电流来限制对铝空气电池输出电流所造成的冲击。
通过以上两种特殊设计可以大大减小由于铝空气电池动态特性差而造成的对电路的影响。另外，输出电容可用ESR较小的大容量的涤纶电容，这样即可降低电路造价又可减小电路的体积。
2．2 变压器设计
变压器（T1）是升压电源极为重要的组成部分，它对升压电源的效率、工作可靠性以及输出电气性能都起着极为重要的作用，因此该变压器的设计是非常重要的。高频变压器的合理设计对升压电源的工作过程和输出电压、电流纹波都有重要影响，但高频磁性器件的精确设计是不容易的，有时也没有必要，在工程设计中，可以按照一定的原则、方法和步骤进行估算和核算，就可设计出基本合适的高频变压器。
首先要确定变压器T1初极绕组的电感量，以下给出计算方法：
1． 单元升压电路的输入电流（有效值）；
单元升压电源输出功率为100W，假定单元升压电源的转换效率为90%，则单元升压电源的输入功率将为110W。若电池组的输入电压为1.5V~5.0V，则单元升压电源将从电池组中提取25A~75A的电流。
即I PRE=25A~75A，也就是：IMAX=75A
2．变压器原边电感量的确定
在设计变压器（T1）时，首先要计算变压器（T1）初极电流的峰值，它等于MOS开关管电流的峰值。上面计算得到的单元升压电路的最大输入电流（有效值IMAX=75A）并不是MOS开关管电流的峰值，其电流峰值常常可根据具体电路在原电流（有效值IMAX=75A）的基础上再加上（10%~25%）。在求的原边最大电流后，即可由下式求变压器（T1）原边大概的电感量值。
LP=
；
LP：变压器初极电感量，单位是H；
：最低直流输入电压，单位是V；
：最大占空比；
：变压器初极电流峰值，单位是A；
：开关频率，单位是HZ；
值得一提的是：高频变压器的设计和试验是要结合进行的，在设计的基础上进行试验，再在试验的数据上修改设计，经过几个回合才能将具体的参数确定下来。
[p] 2．3 并联电路获取大功率
根据用途的区别，客户要求的铝空气电池升压电源输出功率各不相同，为适应这种需求，笔者特别设计了单元升压电源的并联控制系统电路。
图2
在实际应用中，不能将几个单元升压电路直接并联获取大功率输出。这是由于各单元升压电路的元件参数、工作状态不都不尽相同，若直接并联常常会造成各单元升压电路间的“出力”不均衡。甚至会出现某些升压电源块不仅不输出电源，反而向电源吸取功率，这样，有的电路单元由于带载太重以至损坏，有的单元电路却处于吸收功率或处于“空闲”状态。要想获得大功率的输出，必需解决各单元电路间的“共同出力”及“负荷均担”的问题，既单元电路的“均流”问题。
图2所示的电路结构为带“均流”控制IC的示意图。一块控制IC检测一个单元电路的输出电压及输出电流。单元1～单元N为铝空气电池的单元升压电路，IC01～IC０Ｎ为均流控制IC，RS01～RS0Ｎ为单元升压电路的电流传感器（电阻），将单元电路的电流值转换为电压值，并输入到IC01～IC０Ｎ等均流控制IC中的电流检测放大电路，将该反映单元升压电路电流大小的控制信号输出至均流控制IC的均流控制母线SHARE+、SHARE-上。
经过这样处理，N个单元中只有输出电流最大的一个电流放大器的输出电压才能使二极管导通，从而影响均流母线电压。在这种均流方式下，参于调节的单元由N个单元中的最大输出电流单元决定，一次只有这个最大输出电流单元工作，这个最大输出电流是随机的，它一旦工作既处于主控状态，别的单元就处于被控状态。均流控制IC将控制信号电压输出至各升压单元控制IC的FB输入端，从而调节各升压单元的输出电流值，取得良好的均流效果。
三、 元器件选择、生产工艺及电路板的设计
由于计算机及芯片技术的发展，CPU的运算速度越来越快，要求的输入电压越来越低（1V以下），这样就出现了目前困扰电源界的一大难题----“低电压大电流”，由此会带来诸如电源体积增大、稳定性降低、散热困难等问题，这自然会对电路设计、元器件特性及生产工艺等提出更高的要求。
但以上所说的都是将高电压变为低电压，由220V/380V的交流变为几十或几伏的交流或直流，或者由几十伏的交流或直流变为几伏的交流或直流。基本上没有将低电压变为大功率高电压的变换器。
笔者开发大功率铝空气升压电源采用的升压技术同样也存在这难题----“低电压大电流”。该“低电压大电流”是指在电源的输入端出现的“低电压大电流”，该升压电源对电路设计、元器件特性及生产工艺等的要求比降压变换器更高。
由于铝空气电池的输入电压低（1.5V）又需大电流输出，在开发大功率铝空气升压电源时，除要解决“低电压大电流”出现在电源输出端上的难题外，最重要的是要提高该电源的效率且降低其损耗。用句一位多年从事电源设计的专家的话来形容开发大功率铝空气升压电源的难点：“弄不好就找不到这1.5V的输入电压了，怎么去升压！？”
笔者在开发过程中，通过各种试验发现：该电源的难点主要是元器件的选择、生产工艺及电路板的设计。从图1所示的主电路可以看出：造成损耗及发热的主要原因有以下几处：（1）电池与升压电源的联接处。（2）大电流在线路板上造成的损耗。（3）大电流在变压器上的损耗。（4）大电流在MOS管上的损耗。
针对以上损耗原因可在电源开发时采取以下措施：（1）用特殊接插件联结电池与升压电源，最简单的是用电缆联结。（2）电路板设计时加大主电源的铜板面积，最好是电路板的一面是电源正极，另一面为电源的负极，这样除能减少电流损耗外，还可以利用线路板两面铜板间的电容在电源的输入端构成一极滤波。（3）变压器是该电源成败的关键元件，除要特别设计该高频变压器外，绕制该变压器的材料也要特别的留意。（4）大电流在MOS管上的损耗是电路设计时要重点关注的，除选用导通电阻小的MOS管外，还应采用多个MOS管并联等措施进一步减小其导通电阻。
四、 应用展望
电源技术是一门不断发展的应用技术，它随着高频磁材料、电子元器件、模块制造技术及工艺技术的发展而发展。我国对电源技术、对生产工艺技术等方面的研究，水平是比较高的，在许多方面是处在前沿水平，在某些方面还常有突破。大功率铝空气电池升压电源也是电源应用技术中一个具体的产品。
目前，该升压电源和市场上普通开关电源相比，随着燃料电池、便携式产品及某些特殊领域的需求的增加，该升压电源的市场才显露出一些头角，还处于培养和发展阶段，因而升压电源目前的市场总量还不大。但大功率直流升压电源应是一个电源系列产品，该系列产品的完善过程既是该产品的推广过程。该系列产品的形成之日，也就是一个产业的形成之时。它的重要意义不仅在于电源产品的一个分支市场的形成，更重要的是该电源系列产品的形成，必将带动一些行业的发展，在某些行业将有着非常广泛的应用，并对其造成某些深远的影响。
参考文献
1． 仲照东，用MAX1771开发的一种低电压大电流DC/DC升压器，电源技术应用 ，
2000年5月
2． 仲照东、徐爱华、陈明，铝--空气电池的升压及控制装置，中国，实用新型，2475152，02年1月30日
3． 李振亚、刘雅惠，中性--铝空气电池及其制备方法，中国，发明专利，1035408，1992年4月8日
1．1 铝空气电池的特点
文章[1]，及专利[2]，[3]中对铝空电池都有过较为详细的描述，特别是专利[2]，[3]对铝空电池的特性及升压电源原理等都有较为深入的表述。铝空电池的静态内阻特性在正常使用阶段与普通的干电池相似，比优质锌锰电池差；但其动态特性却比其它电池要差。由于其电解液----盐水的导电性较其它化学电解液的导电性差，造成其动态内阻大的固有缺陷，使该电池的使用范围大大减小。另外，由于铝空电池自身的原因在许多场合都不能串联或不能串联太多的电池，因而在这些场合的使用都必须配备大功率升压电源，本文所介绍的正是这类电源。
1．2 大功率升压电源电路设计的难点
在文章[1]中较为详细的介绍了小功率升压电源的研制，小功率升压电源的主要用途是为蓄电池提供涓流充电，由于负载特性较为简单且输出功率也较小，所以研制小功率升压电源时考虑的相关因素要少些。相对于小功率升压电源，开发大功率铝空气电池升压电源要考虑的相关因素就要多些；首先是升压电源的功耗，表现为能量的转换效率。“低电压（1.5V~5V）大功率（100W以上）”，一定会在升压电源的输入端形成“低电压（1.5V~5V）大电流（100A以上）”的设计难题，以及由此带来的一系列问题。这使得铝空气电池的大功率升压电源无论是在电路设计、元器件选择、印刷电路板设计还是在生产工艺上都要进行特别的处理。
二、 开发升压电源的几个关键技术点
2．1 限制冲击电流的措施
由于铝空气电池的动态特性较差，开路电压与逆变过程的动态波形最高电压值之间的差值——“动态差值”，就是电路设计的第一个难点。实测一组串联的铝空电池组：开路电压为9V（有效值），带载后其电源端电压就降为5V（有效值）左右。这样的电池特性对电源变换电路的设计就提出了很高的要求：如何减少变换电路工作时对电池的冲击，也就是尽可能的限制冲击电流；用通俗的话讲：如何使铝空气电池的化学能变化产生的能量能跟得上变换电路提取能量的速度。为了尽可能的使电池输出能量与变换电路要求的输入能量相匹配，必须在升压电源的输入端（铝空气电池的输出端）加一“蓄能池”。
如下的电路为升压电源的主变换电路：
大容量的电容C1~C3在MOS管导通期间向主电路供电，在MOS管截止期间由电源向大容量的电容C1~C3充电，这样可从电路结构上改善铝空气电池动态特性造成的影响，减少对铝空气电池的冲击电流。
6绕组的变压器也可以在不减少整体电路转换效率及不增加成本（高价且复杂的防冲击电流控制电路）的基础上达到减少冲击电流。变压器T1的原边为并联的3绕组，分别接电源输入端VIN及MOS管的漏极；次极为串联的3绕组，分别接电源的输入端VIN及整流二极管D1。初级与次极的绕组比率N=1：4。
MOS管的导通，在变压器T1的原边内产生一较大的电流值I PRE，电流I PRE将在T1的原边内产生磁场，当电流达到某一限定值时，控制电路将关断MOS管。根据LENZ’S LEW，这电流的突然改变将产生一阻碍电流变化的磁场，该磁场的方向正好使整流二极管导通，在变压器T1的次极产生电流ISEC= I PRE/N。这样，变压器将使流过整流二极管向电容C4充电的瞬间峰值电流减少75%，同时也使MOS管的漏极源极间的耐压减少75%。通过以合适比例来减少升压电源最大的平均输出电流，以降低75%的瞬间变压器次极电流来限制对铝空气电池输出电流所造成的冲击。
通过以上两种特殊设计可以大大减小由于铝空气电池动态特性差而造成的对电路的影响。另外，输出电容可用ESR较小的大容量的涤纶电容，这样即可降低电路造价又可减小电路的体积。
2．2 变压器设计
变压器（T1）是升压电源极为重要的组成部分，它对升压电源的效率、工作可靠性以及输出电气性能都起着极为重要的作用，因此该变压器的设计是非常重要的。高频变压器的合理设计对升压电源的工作过程和输出电压、电流纹波都有重要影响，但高频磁性器件的精确设计是不容易的，有时也没有必要，在工程设计中，可以按照一定的原则、方法和步骤进行估算和核算，就可设计出基本合适的高频变压器。
首先要确定变压器T1初极绕组的电感量，以下给出计算方法：
1． 单元升压电路的输入电流（有效值）；
单元升压电源输出功率为100W，假定单元升压电源的转换效率为90%，则单元升压电源的输入功率将为110W。若电池组的输入电压为1.5V~5.0V，则单元升压电源将从电池组中提取25A~75A的电流。
即I PRE=25A~75A，也就是：IMAX=75A
2．变压器原边电感量的确定
在设计变压器（T1）时，首先要计算变压器（T1）初极电流的峰值，它等于MOS开关管电流的峰值。上面计算得到的单元升压电路的最大输入电流（有效值IMAX=75A）并不是MOS开关管电流的峰值，其电流峰值常常可根据具体电路在原电流（有效值IMAX=75A）的基础上再加上（10%~25%）。在求的原边最大电流后，即可由下式求变压器（T1）原边大概的电感量值。
LP=
LP：变压器初极电感量，单位是H；
值得一提的是：高频变压器的设计和试验是要结合进行的，在设计的基础上进行试验，再在试验的数据上修改设计，经过几个回合才能将具体的参数确定下来。
[p] 2．3 并联电路获取大功率
根据用途的区别，客户要求的铝空气电池升压电源输出功率各不相同，为适应这种需求，笔者特别设计了单元升压电源的并联控制系统电路。
在实际应用中，不能将几个单元升压电路直接并联获取大功率输出。这是由于各单元升压电路的元件参数、工作状态不都不尽相同，若直接并联常常会造成各单元升压电路间的“出力”不均衡。甚至会出现某些升压电源块不仅不输出电源，反而向电源吸取功率，这样，有的电路单元由于带载太重以至损坏，有的单元电路却处于吸收功率或处于“空闲”状态。要想获得大功率的输出，必需解决各单元电路间的“共同出力”及“负荷均担”的问题，既单元电路的“均流”问题。
图2所示的电路结构为带“均流”控制IC的示意图。一块控制IC检测一个单元电路的输出电压及输出电流。单元1～单元N为铝空气电池的单元升压电路，IC01～IC０Ｎ为均流控制IC，RS01～RS0Ｎ为单元升压电路的电流传感器（电阻），将单元电路的电流值转换为电压值，并输入到IC01～IC０Ｎ等均流控制IC中的电流检测放大电路，将该反映单元升压电路电流大小的控制信号输出至均流控制IC的均流控制母线SHARE+、SHARE-上。
经过这样处理，N个单元中只有输出电流最大的一个电流放大器的输出电压才能使二极管导通，从而影响均流母线电压。在这种均流方式下，参于调节的单元由N个单元中的最大输出电流单元决定，一次只有这个最大输出电流单元工作，这个最大输出电流是随机的，它一旦工作既处于主控状态，别的单元就处于被控状态。均流控制IC将控制信号电压输出至各升压单元控制IC的FB输入端，从而调节各升压单元的输出电流值，取得良好的均流效果。
三、 元器件选择、生产工艺及电路板的设计
由于计算机及芯片技术的发展，CPU的运算速度越来越快，要求的输入电压越来越低（1V以下），这样就出现了目前困扰电源界的一大难题----“低电压大电流”，由此会带来诸如电源体积增大、稳定性降低、散热困难等问题，这自然会对电路设计、元器件特性及生产工艺等提出更高的要求。
但以上所说的都是将高电压变为低电压，由220V/380V的交流变为几十或几伏的交流或直流，或者由几十伏的交流或直流变为几伏的交流或直流。基本上没有将低电压变为大功率高电压的变换器。
笔者开发大功率铝空气升压电源采用的升压技术同样也存在这难题----“低电压大电流”。该“低电压大电流”是指在电源的输入端出现的“低电压大电流”，该升压电源对电路设计、元器件特性及生产工艺等的要求比降压变换器更高。
由于铝空气电池的输入电压低（1.5V）又需大电流输出，在开发大功率铝空气升压电源时，除要解决“低电压大电流”出现在电源输出端上的难题外，最重要的是要提高该电源的效率且降低其损耗。用句一位多年从事电源设计的专家的话来形容开发大功率铝空气升压电源的难点：“弄不好就找不到这1.5V的输入电压了，怎么去升压！？”
笔者在开发过程中，通过各种试验发现：该电源的难点主要是元器件的选择、生产工艺及电路板的设计。从图1所示的主电路可以看出：造成损耗及发热的主要原因有以下几处：（1）电池与升压电源的联接处。（2）大电流在线路板上造成的损耗。（3）大电流在变压器上的损耗。（4）大电流在MOS管上的损耗。
针对以上损耗原因可在电源开发时采取以下措施：（1）用特殊接插件联结电池与升压电源，最简单的是用电缆联结。（2）电路板设计时加大主电源的铜板面积，最好是电路板的一面是电源正极，另一面为电源的负极，这样除能减少电流损耗外，还可以利用线路板两面铜板间的电容在电源的输入端构成一极滤波。（3）变压器是该电源成败的关键元件，除要特别设计该高频变压器外，绕制该变压器的材料也要特别的留意。（4）大电流在MOS管上的损耗是电路设计时要重点关注的，除选用导通电阻小的MOS管外，还应采用多个MOS管并联等措施进一步减小其导通电阻。
四、 应用展望
电源技术是一门不断发展的应用技术，它随着高频磁材料、电子元器件、模块制造技术及工艺技术的发展而发展。我国对电源技术、对生产工艺技术等方面的研究，水平是比较高的，在许多方面是处在前沿水平，在某些方面还常有突破。大功率铝空气电池升压电源也是电源应用技术中一个具体的产品。
目前，该升压电源和市场上普通开关电源相比，随着燃料电池、便携式产品及某些特殊领域的需求的增加，该升压电源的市场才显露出一些头角，还处于培养和发展阶段，因而升压电源目前的市场总量还不大。但大功率直流升压电源应是一个电源系列产品，该系列产品的完善过程既是该产品的推广过程。该系列产品的形成之日，也就是一个产业的形成之时。它的重要意义不仅在于电源产品的一个分支市场的形成，更重要的是该电源系列产品的形成，必将带动一些行业的发展，在某些行业将有着非常广泛的应用，并对其造成某些深远的影响。
参考文献
1． 仲照东，用MAX1771开发的一种低电压大电流DC/DC升压器，电源技术应用 ，
2000年5月
2． 仲照东、徐爱华、陈明，铝--空气电池的升压及控制装置，中国，实用新型，2475152，02年1月30日
3． 李振亚、刘雅惠，中性--铝空气电池及其制备方法，中国，发明专利，1035408，1992年4月8日
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