基于AN8026變頻器高性能電源設(shè)計(jì)方案

1.前言

變頻器在能源節(jié)約、電力環(huán)保方面意義重大，電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)是電能消耗大戶，約消耗全國(guó)65%發(fā)電量，近三十多年來(lái)變頻調(diào)速已在鋼鐵、冶金、石油、化工、電力等工作中得到廣泛運(yùn)用，其他家用電器例如變頻冰箱，變頻洗衣機(jī)、變頻微波爐等也已相繼出現(xiàn)，因此設(shè)計(jì)可靠高性能的變頻器電源尤為重要。本文設(shè)計(jì)的電源采用開(kāi)關(guān)電源控制集成電路AN8026,AN8026為松下公司開(kāi)發(fā)的反激式單端輸出開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)控制器，其內(nèi)部采用RC充放電控制的RS觸發(fā)器作為驅(qū)動(dòng)信號(hào)源，其輸出脈沖可直接驅(qū)動(dòng)MOSFET開(kāi)關(guān)管，而不必外設(shè)灌流電路。

變頻技術(shù)目前得到了廣泛的應(yīng)用，而變頻器的可靠穩(wěn)定運(yùn)行決定了變頻器性能指標(biāo)，作為基礎(chǔ)硬件，變頻器電源的高效可靠運(yùn)行至關(guān)重要。如圖1所示為變頻器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，主要由整流單元、預(yù)充電電路、制動(dòng)單元和逆變單元組成，從圖中可知，變頻器電源為驅(qū)動(dòng)電路和控制電路提供直流電源，驅(qū)動(dòng)電路則為逆變單元提供驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)響應(yīng)速度快的驅(qū)動(dòng)脈沖，因而設(shè)計(jì)高效可靠變頻器電源硬件顯得尤為重要。

2.電源軟開(kāi)關(guān)技術(shù)及電路原理

AN8026為松下公司開(kāi)發(fā)的反激式單端輸出RCC型準(zhǔn)諧振軟開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)控制器，封裝為SIP 9腳封裝，各個(gè)腳號(hào)的定義如表1所示，內(nèi)部框圖如圖2所示，其特點(diǎn)如下[4]:

·供電電壓為下限8.6V到上限34V;

·輸出脈沖為單端圖騰柱式驅(qū)動(dòng)脈沖;

·輸出驅(qū)動(dòng)電流為+1A,直接驅(qū)動(dòng)M0SFET管;

·啟動(dòng)電流為8uA,減小啟動(dòng)電阻功耗;

·內(nèi)置逐周控制過(guò)流保護(hù)電路;

·內(nèi)置滯回特性的輸入欠壓8.6V保護(hù)電路;

·外置穩(wěn)壓管的過(guò)壓保護(hù)電路。

AN8026的極限參數(shù)如表2所示，圖3為AN8026的電路原理圖。軟開(kāi)關(guān)電源主要由控制芯片AN8026、MOSFET K2225、TL431、脈沖變壓器TR1等組成。VCC通過(guò)啟動(dòng)電阻R1、R3、R5、R6限流分壓由直流母線供電，輸入直流母線電壓等級(jí)不同可以調(diào)節(jié)啟動(dòng)電阻的阻值，當(dāng)達(dá)到啟動(dòng)電壓時(shí)，變換器開(kāi)始工作，此后控制芯片由副邊+18V輔助繞組供電。

R8將TR1輔助繞組的感應(yīng)脈沖限流，二極管D6負(fù)向箝位，將2.8V的正脈沖送入第①腳用作TR1的磁通復(fù)位檢測(cè)，可以避免TR1磁能未釋放完畢時(shí)開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通產(chǎn)生的沖擊電流，同時(shí)保證輸出電壓的穩(wěn)定;第②腳外接C10、R14設(shè)定最小關(guān)斷時(shí)間，C10設(shè)定最小導(dǎo)通時(shí)間;第④腳外圍以R15作為開(kāi)關(guān)管源極電流傳感器，正比于開(kāi)關(guān)電流峰值電壓;第⑧腳的過(guò)壓保護(hù)由穩(wěn)壓管ZD4從Vcc端取樣，使啟動(dòng)工作電壓不超出上限值34V,DZ選用22V穩(wěn)壓管，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)脈沖失控時(shí)輸出過(guò)壓保護(hù);為了防止AN8026啟動(dòng)前啟動(dòng)電壓瞬間超過(guò)28V產(chǎn)生誤動(dòng)作使電路不能啟動(dòng)，電路中由C13對(duì)瞬間超壓尖蜂進(jìn)行吸收。

開(kāi)關(guān)電源的軟開(kāi)關(guān)主要是通過(guò)C5、C6、C7和初級(jí)繞組電感Lp組成的準(zhǔn)諧振電路來(lái)實(shí)現(xiàn)，具體的器件參數(shù)需根據(jù)開(kāi)關(guān)電源的開(kāi)關(guān)頻率來(lái)計(jì)算;同時(shí)第④腳電流檢測(cè)實(shí)現(xiàn)過(guò)流保護(hù);第⑧腳通過(guò)R16和C18進(jìn)行啟動(dòng)時(shí)的過(guò)壓鎖定，實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)電源軟啟動(dòng);通過(guò)TL431組成的反饋回路實(shí)現(xiàn)輸出電壓的穩(wěn)定。

3.實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)電路原理圖設(shè)計(jì)，利用軟件AltiumDesigner Summer 09繪制PCB,并調(diào)試樣機(jī)，圖4所示為軟開(kāi)關(guān)電源實(shí)驗(yàn)波形。

從開(kāi)關(guān)電源實(shí)驗(yàn)波形可知開(kāi)關(guān)電源的MOSFET開(kāi)關(guān)管開(kāi)通和關(guān)斷時(shí)電壓應(yīng)力幾乎為零，開(kāi)關(guān)管損耗近似為零，這樣大大提高了開(kāi)關(guān)電源效率，同時(shí)增加了開(kāi)關(guān)管的壽命，提高了電源的可靠性，進(jìn)而提高了變頻器的可靠穩(wěn)定性。

4.結(jié)論

本設(shè)計(jì)方案中的變頻器電源板具有高效穩(wěn)定的工作性能，基于AN8026控制芯片設(shè)計(jì)的軟開(kāi)關(guān)電源效率高、穩(wěn)定可靠，能夠驅(qū)動(dòng)板和控制板的供電需求，從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，MOSFET開(kāi)關(guān)管開(kāi)通和關(guān)斷時(shí)電壓應(yīng)力幾乎為零，開(kāi)關(guān)管損耗近似為零，這樣大大提高了開(kāi)關(guān)電源效率，同時(shí)增加了開(kāi)關(guān)管的壽命，提高了變頻器的可靠穩(wěn)定性，進(jìn)而證實(shí)了該方案的可行性。