電機(jī)控制用多輸出開關(guān)電源設(shè)計(jì)

本文介紹了一種基于專用芯片UC3842的開關(guān)穩(wěn)壓電源。在電機(jī)調(diào)速控制器中，該電源提供功率開關(guān)元件基極(柵極)驅(qū)動(dòng)電壓和控制電路工作電壓。開關(guān)電源性能的好壞直接影響到電機(jī)調(diào)速控制器的工作可靠性。該電源是為30 kW開關(guān)磁阻電機(jī)控制器設(shè)計(jì)的，也適用于采用功率MOSFET或IGBT作為開關(guān)元件的中小功率感應(yīng)電機(jī)調(diào)速控制器。

1主回路方案

1.1電源電路

此電源是為30 kW開關(guān)磁阻電機(jī)控制器設(shè)計(jì)的，此電機(jī)功率變換器的主電路為不對稱半橋電路[1]。采用反激變換器結(jié)構(gòu)[2]，具有結(jié)構(gòu)簡單、損耗小的優(yōu)點(diǎn)，但輸出電壓紋波較大，通常用在150 W以下的電源中。具體電路如圖1所示。

此電源為單芯片集成穩(wěn)壓電源，PWM芯片采用UC3842。UC3842是一種高性能的固定頻率電流型控制器，是專為脫線式直流變換電路設(shè)計(jì)的，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。

他集成了振蕩器、有溫度補(bǔ)償?shù)母咴鲆嬲`差放大器、電流檢測比較器、圖騰柱輸出電路、輸入和基準(zhǔn)欠電壓鎖定電路及PWM鎖存器電路。可以實(shí)現(xiàn)逐個(gè)脈沖的電流限制，輸出電流可達(dá)1 A，可直接驅(qū)動(dòng)MOSFET。

1.2工作原理

此電源電路工作原理為：220 V三相的交流輸入電壓先經(jīng)三相不控整流，再經(jīng)支撐電容平滑，為電源電路提供550 V直流工作電壓。當(dāng)三相逆變器接通電源時(shí)，R5和C2吸收電路啟動(dòng)時(shí)的沖擊電流。從逆變器主電路來的直流母線電壓經(jīng)電阻R6降壓后，給UC3842提供約16V的起動(dòng)電壓。進(jìn)入正常工作后，二次繞組W3經(jīng)D3，C16提供UC3842的工作電壓。另一繞組W2的高頻電壓經(jīng)D2，C13整流濾波，再經(jīng)7.5kΩ電阻R12，R13和2kΩ電位器RP1分壓，獲得輸出電壓信號。此信號經(jīng)可調(diào)穩(wěn)壓管TL431產(chǎn)生偏差信號，再經(jīng)光電隔離加到UC3842的誤差放大器放大，控制VMOS管的開通與截止，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓的目的。電源的過流保護(hù)由1.8Ω電阻R19檢測到VMOS管的過流信號，電流超過域值時(shí)封鎖UC3842輸出信號，實(shí)現(xiàn)單周期過流保護(hù)。

UC3842驅(qū)動(dòng)VMOS管VT1以控制高頻變壓器一次繞組通斷，進(jìn)而獲得多組副邊電壓輸出。此輸出經(jīng)二極管整流、電容濾波后得到多路直流電壓。供給三相逆變器各功率開關(guān)元件驅(qū)動(dòng)(W6，W7，W8，W9)與PWM控制電路(W2，W4，W5)。電路穩(wěn)定工作時(shí)UC 3842的電源由W3，D3，C16組成的電源電路提供。

VMOS管選用耐壓1000V，電流8A的場效應(yīng)管8N100。為了保證開關(guān)元件在快速開關(guān)過程中不產(chǎn)生過大的尖峰電壓，需用C8，R15，D1組成的RCD緩沖電路來抑制。緩沖電路二極管V3選用快速恢復(fù)二極管FR107。

R8，R9和穩(wěn)壓管D11用來限制柵極電壓和電流，進(jìn)而限制VMOS管開關(guān)速度，有利于改善電磁兼容性。

+15V電源和-15V電源對控制電路電源精度要求較高，但因?yàn)楣灿猛粋€(gè)變壓器很難通過PWM實(shí)現(xiàn)反饋控制來穩(wěn)壓。為獲得高品質(zhì)的控制電源，應(yīng)用線性穩(wěn)壓芯片7815和7915(如圖1所示)構(gòu)成了復(fù)合式開關(guān)穩(wěn)壓電源。為防止輸出在輕載或空載時(shí)的電壓升高，在5 V整流輸出端并聯(lián)一個(gè)100Ω的負(fù)載電阻。

2變壓器設(shè)計(jì)

電機(jī)控制逆變器開關(guān)電源是一個(gè)具有多路輸出的直流電源。由高頻變壓器8個(gè)副邊繞組經(jīng)整流濾波后獲得。開關(guān)電源的性能在很大程度上決定于變壓器的設(shè)計(jì)。

2.1功率計(jì)算

高頻變壓器的副邊繞組W6，W7，W8提供了三相逆變器3個(gè)上橋臂元件的驅(qū)動(dòng)電源，W9提供了下橋臂3個(gè)元件的驅(qū)動(dòng)電源(亦可用3個(gè)繞組分別提供，以避免交叉干擾，此處只用一組是為了簡化系統(tǒng))。按逆變器開關(guān)元件對驅(qū)動(dòng)電路電壓、電流的要求確定功率。本電機(jī)控制功率變換器功率模塊為IGBT，驅(qū)動(dòng)模塊為EXB841。選定W2，W3，W4電壓20V，電流100mA;W5電壓20V，電流200mA。W6，W7繞組提供其他模擬電路±15V，300mA電源。W8繞組提供5V給微處理器，輸出電流為2A。W2為開關(guān)電源自身的反饋繞組，其功率很小，可忽略。

由以上設(shè)定條件可知高頻變壓器的輸出功率為：

設(shè)計(jì)效率為85%并留有一定裕量，設(shè)計(jì)目標(biāo)為額定功率為40 W的高頻變壓器。

2.2磁心的選用

根據(jù)文獻(xiàn)[3]給出的高頻變壓器最大承受功率與磁心截面積的關(guān)系并考慮窗口面積，本開關(guān)電源選用EI-35磁心，其有效截面積為100 mm2。

2.3繞組匝數(shù)的確定

首先確定開關(guān)電源功率和開關(guān)元件的工作頻率。若工作頻率小于20 kHz，則進(jìn)入音頻范圍的噪聲較大，紋波增大。若開關(guān)頻率較高，則開關(guān)損耗增大，系統(tǒng)效率降低。因此確定工作頻率時(shí)要折衷考慮，實(shí)際選擇工作頻率為30 kHz。

取PWM調(diào)制的占空比：

考慮工作環(huán)境較為惡劣，最低直流輸入電壓：

EI35中心柱磁芯有效面積：Ae=100 mm2

鐵氧體磁芯磁感應(yīng)強(qiáng)度取65%的飽和值：

根據(jù)一個(gè)導(dǎo)通期間的伏秒值與原邊匝數(shù)的關(guān)系，則變壓器的原邊匝數(shù)為：

實(shí)際取300匝以便于繞制與計(jì)算。則變壓器副邊繞組匝數(shù)計(jì)算如下：[!--empirenews.page--]

原邊繞組每匝伏數(shù)為：

取整流二極管壓降0.7 V，副邊繞組壓降0.6 V得：

試驗(yàn)時(shí)由于氣隙的原因產(chǎn)生漏磁，以上副邊匝數(shù)還需稍做調(diào)整。

2.4氣隙

與正激開關(guān)電源變壓器不同，此反擊電源變壓器兼有儲(chǔ)能的作用，流過直流電流成分時(shí)容易飽和。所以要使用帶有氣隙的磁芯。原理如圖3所示。

有氣隙時(shí)，由于B-H特性曲線斜率減小。在Hdc不變的情況下Bdc減小，磁滯回環(huán)遠(yuǎn)離飽和區(qū)。另外，有氣隙時(shí)剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度Br減小，ΔBac變化范圍增大。另外又由于有氣隙時(shí)B-H特性曲線向H軸靠攏，在ΔBac，Bdc不變的情況下ΔHac，Hdc增大。由上可知，適當(dāng)增加氣隙可以增強(qiáng)電路的電流輸出能力和抗干擾能力。

經(jīng)過試驗(yàn)氣隙大小為0.3 mm時(shí)較為合適。

3實(shí)驗(yàn)與結(jié)論

此開關(guān)電源5 V時(shí)輸出的紋波如圖4所示，峰值為15 mV，紋波不大于0.3%。該電源作為30 kW開關(guān)磁阻電機(jī)控制器電源，在勝利油田已得到實(shí)際應(yīng)用，工作可靠。