PMDC 電機(jī)負(fù)載的交流直流電源啟動注意事項(xiàng)

永磁直流 (PMDC) 電機(jī)在便攜式吸塵器和無繩電動工具等應(yīng)用中提供更小的解決方案尺寸和更高的效率。在為 PMDC 電機(jī)設(shè)計(jì)隔離式電源時，需要牢記幾個注意事項(xiàng)：瞬態(tài)響應(yīng)、所需的峰值負(fù)載、解決方案尺寸和成本，這些因素直接影響電源架構(gòu)的設(shè)計(jì)和所選的電源轉(zhuǎn)換器拓?fù)洹?

與 PMDC 電機(jī)相關(guān)的一項(xiàng)特殊挑戰(zhàn)是電機(jī)的峰值電流可能比其穩(wěn)態(tài)電流大幾倍。該峰值負(fù)載直接影響隔離電源的電源拓?fù)溥x擇和成本。為了說明 PMDC 的這一特性，請考慮直流電機(jī)的基本工作電壓方程(方程 1)：

V s = V b + V L + I a R a (1)

其中，V s是施加的電機(jī)電源電壓，V b 是電機(jī)的反電動勢 (EMF)，V L 是轉(zhuǎn)子電感兩端的電壓，I a和R a分別是電樞電流和電阻。該工作電壓關(guān)系如圖 1所示。

圖 1直流電機(jī)的簡化模型說明了 PMDC 特性。

當(dāng)電機(jī)完全靜止時，反電動勢等于 0 V(假設(shè)沒有任何旋轉(zhuǎn)運(yùn)動)，并且電機(jī)所需的電流僅受電樞電阻的限制。由于電樞電阻通常 <1 Ω，因此在反電動勢形成之前施加完整的標(biāo)稱電源電壓時，電機(jī)的初始電流需求可能比穩(wěn)態(tài)電流高幾倍。

解決峰值電流應(yīng)力的方法

大的初始電流需求對隔離電源提出了特殊的挑戰(zhàn)，需要仔細(xì)考慮以確定最終產(chǎn)品可以接受哪些權(quán)衡。您的選擇包括：

· 設(shè)計(jì)隔離轉(zhuǎn)換器以處理啟動期間的峰值功率

如果峰值電機(jī)電流的值與最大穩(wěn)態(tài)電機(jī)電流相似，則這種方法可能是可接受的。然而，如果峰值負(fù)載大幾倍，它可能會變得昂貴，因?yàn)槟仨殲楦叩姆逯地?fù)載設(shè)計(jì)功率因數(shù)校正 (PFC) 和隔離式 DC/DC 功率級。這種方法需要在功率級中使用更昂貴的元件，甚至需要更改所需的電源轉(zhuǎn)換器拓?fù)?，并且如果您需要更大的磁性元件以避免飽和，還可能會增加電源的整體尺寸和重量。

· 使用大電容器組

在這種方法中，當(dāng)電機(jī)未啟用時，隔離電源會在連接到電源輸出的電容器組中積聚大量電荷。一旦電機(jī)啟動，存儲的電荷就會提供電機(jī)控制的峰值負(fù)載，同時允許輸出電壓出現(xiàn)一些可接受的下降。這種方法很簡單，但需要能夠?qū)㈦姍C(jī)與電源斷開，以便隔離電源可以在不連接電機(jī)負(fù)載的情況下啟動。對于高功率 PMDC 來說，使用大電容器組也不是一個好主意，因?yàn)樗璧碾娙萜鹘M尺寸變得不合理地大。

· 輸出恒流限制

如果將輸出電流限制構(gòu)建到隔離電源反饋環(huán)路中，則電源能夠調(diào)節(jié)最大輸出電流。這種方法可以降低電源的峰值功率設(shè)計(jì)要求，并避免需要大型電容器組。但輸出電流調(diào)節(jié)電路確實(shí)需要一個單獨(dú)的偏置電源，以便在啟動期間正確調(diào)節(jié)輸出電流，除了電流感應(yīng)電路之外，這還需要一個單獨(dú)的隔離輔助電源，如圖2所示。

圖 2交流/直流電源框圖突出顯示了恒流和恒壓調(diào)節(jié)環(huán)路。

通過占空比限制降低峰值電流應(yīng)力

如果電機(jī)的初始速度和啟動時間對時間要求不高，并且應(yīng)用中可以接受較長的啟動時間，另一種方法是在啟動過程中鉗位隔離式 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的輸出電壓，持續(xù)時間長于電機(jī)的電氣時間常數(shù)。使用固定頻率控制器，您可以限制最大占空比。在電感-電感-電容 (LLC) 諧振轉(zhuǎn)換器等變頻轉(zhuǎn)換器中，您可以鉗位最小開關(guān)頻率。

使用鉗位器可以在足夠長的時間內(nèi)在隔離式 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的輸出上形成一個小的初始電壓，從而使電機(jī)緩慢轉(zhuǎn)動并開始產(chǎn)生反電動勢，如圖3所示。由于初始電源電壓較小，電機(jī)的電流需求被限制為更接近其穩(wěn)態(tài)值的值。產(chǎn)生反電動勢并且電機(jī)電流達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后，隔離式 DC/DC 的輸出電壓可以安全地升至標(biāo)稱輸出電壓，同時避免轉(zhuǎn)換器內(nèi)出現(xiàn)過大的電流應(yīng)力。

圖 3使用占空比鉗位啟動可實(shí)現(xiàn)較小的初始電壓。

將鉗位電路置于隔離式 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的初級側(cè)，無需單獨(dú)的輔助電源。圖 4顯示了使用通用比較器和幾個小信號晶體管的示例實(shí)現(xiàn)。此特定示例將鉗位電路與UCC256402控制器配對，該控制器具有 5.6V 的固定 FB 引腳電壓，可充當(dāng)半橋 LLC 諧振轉(zhuǎn)換器的最小頻率鉗位。

圖 4初級側(cè)鉗位電路使用通用比較器和幾個小信號晶體管。

在鉗位的初始狀態(tài)下，Q1 和 Q2 均導(dǎo)通，C1 和 C2 上的初始電壓均為 0 V。由于 Q1 將 Q2 的基極下拉至接地，因此與 V FB – 0.7V/R 6成比例的電流 從隔離式 DC/DC 控制器的 FB 引腳中吸收。對于 UCC256402 控制器，該電流吸收器將 VCR 柵極關(guān)斷閾值限制為 3 V ± ((82 μA – I吸收器) × 100 kΩ)，從而提供頻率鉗位功能。鉗位有效的時間由 C1、R1 和 R2 形成的 RC 時間常數(shù)以及 C1 上的電壓變得大于TL331比較器的參考電壓時設(shè)置，如圖 5所示。

圖 5顯示了鉗位電路狀態(tài)與輸出電壓上升的關(guān)系。

由于 TL331 是一個集電極開路比較器，它將 Q1 的柵極下拉至地，從而關(guān)閉 Q1。當(dāng) C2 上的電壓開始通過 R5 充電時，從 FB 引腳拉出的電流量緩慢減少，從而軟、逐漸釋放頻率鉗位電路。 D1 和 D2 用作鉗位電路的快速復(fù)位，以便在初級側(cè)電路移除偏置時(例如在發(fā)生故障保護(hù)時)快速對 C1 和 C2 進(jìn)行放電。

峰值電流比較

上述電路使 500W 連續(xù)導(dǎo)通模式 (CCM) PFC 升壓轉(zhuǎn)換器和隔離式半橋 LLC 轉(zhuǎn)換器參考設(shè)計(jì)能夠成功啟動車間真空吸塵器并為其供電。圖 6所示的波形說明了無頻率鉗位時電源的輸出電壓 (10 V/div) 和電機(jī)的電流需求 (50 A/div)。電機(jī)的峰值電樞電流為 186 A。在電機(jī)開始轉(zhuǎn)動后 300 ms 內(nèi)穩(wěn)定到 25 A 的穩(wěn)態(tài)電流之前，存在 200 ms 的顯著電流應(yīng)力。

圖 6波形顯示沒有頻率鉗位的電機(jī)電源電壓和電流。

圖 7中的波形顯示了啟動期間啟用頻率鉗位時電源的輸出電壓 (10V/div) 和電機(jī)的電流需求 (10A/div)。峰值電流略高于 35 A，更接近電機(jī)的 25 A 標(biāo)稱額定值。電機(jī)開始轉(zhuǎn)動后3秒內(nèi)電機(jī)電流達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

圖 7波形顯示具有頻率鉗位的電機(jī)電源電壓和電流。

包含簡單的鉗位電路可以滿足啟動直流電機(jī)的目標(biāo)，同時避免交流/直流電源內(nèi)的高電流應(yīng)力，并且與其他方法相比，可以節(jié)省大量物料清單 (BOM)。這種方法可以與非 LLC 拓?fù)渑浜鲜褂?，也可以通過連接到 PWM 控制器的 COMP 引腳來充當(dāng)占空比鉗位。設(shè)計(jì)一個交流/直流電源來支持電機(jī)所要求的滿峰值負(fù)載，需要能夠提供超過穩(wěn)態(tài)電機(jī)電流五倍的電流。

這種巨大的功率水平和電流壓力將需要更昂貴的 PFC 和隔離式 DC/DC 拓?fù)?例如交錯式 CCM PFC 和相移全橋)，這會顯著增加 BOM 成本。與輸出恒流限制相比，鉗位電路不需要單獨(dú)的隔離輔助電源，因此還可以節(jié)省 BOM 成本，并且比包含大型電容器組更小。使用占空比或頻率限制可以實(shí)現(xiàn)更便宜、更小的隔離電源，同時仍然滿足 PMDC 的電源需求。