電機(jī)控制用多輸出開關(guān)電源設(shè)計

本文引見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)速控制器的工作牢靠性。該電源是為30 kW開關(guān)磁阻電機(jī)控制器設(shè)計的,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主回路計劃

  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]。采用反激變換器構(gòu)造[2],具有構(gòu)造簡單、損耗小的優(yōu)點,但輸出電壓紋波較大,通常用在150 W以下的電源中。詳細(xì)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)計的,其內(nèi)部構(gòu)造如圖2所示。

  他集成了振蕩器、有溫度補償?shù)母咴鲆嬲`差放大器、電流檢測比擬器、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。能夠完成逐一脈沖的電流限制,輸出電流可達(dá)1 A,可直接驅(qū)動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,R5和C2吸收電路啟動時的沖擊電流。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,取得輸出電壓信號。此信號經(jīng)可調(diào)穩(wěn)壓管TL431產(chǎn)生偏向信號,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,完成穩(wěn)壓的目的。電源的過流維護(hù)由1.8Ω電阻R19檢測到VMOS管的過流信號,電流超越域值時封鎖UC3842輸出信號,完成單周期過流維護(hù)。

  UC3842驅(qū)動VMOS管VT1以控制高頻變壓器一次繞組通斷,進(jìn)而取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。供應(yīng)三相逆變器各功率開關(guān)元件驅(qū)動(W6,W7,W8,W9)與PWM控制電路(W2,W4,W5)。電路穩(wěn)定工作時UC 3842的電源由W3,D3,C16組成的電源電路提供。

 。郑停希庸苓x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緩沖電路來抑止。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請求較高,但由于共用同一個變壓器很難經(jīng)過PWM完成反應(yīng)控制來穩(wěn)壓。為取得高質(zhì)量的控制電源,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。為避免輸出在輕載或空載時的電壓升高,在5 V整流輸出端并聯(lián)一個100Ω的負(fù)載電阻。

  2變壓器設(shè)計

  電機(jī)控制逆變器開關(guān)電源是一個具有多路輸出的直流電源。由高頻變壓器8個副邊繞組經(jīng)整流濾波后取得。開關(guān)電源的性能在很大水平上決議于變壓器的設(shè)計。

  2.1功率計算

  高頻變壓器的副邊繞組W6,W7,W8提供了三相逆變器3個上橋臂元件的驅(qū)動電源,W9提供了下橋臂3個元件的驅(qū)動電源(亦可用3個繞組分別提供,以防止穿插干擾,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)動電路電壓、電流的請求肯定功率。本電機(jī)控制功率變換器功率模塊為IGBT,驅(qū)動模塊為EXB841。選定W2,W3,W4電壓20V,電流100mA;W5電壓20V,電流200mA。W6,W7繞組提供其他模仿電路±15V,300mA電源。W8繞組提供5V給微處置器,輸出電流為2A。W2為開關(guān)電源本身的反應(yīng)繞組,其功率很小,可疏忽。

  由以上設(shè)定條件可知高頻變壓器的輸出功率為:

  設(shè)計效率為85%并留有一定裕量,設(shè)計目的為額定功率為40 W的高頻變壓器。

  2.2磁心的選用

  依據(jù)文獻(xiàn)[3]給出的高頻變壓器最大接受功率與磁心截面積的關(guān)系并思索窗口面積,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)確實定

  首先肯定開關(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。因而肯定工作頻率時要折衷思索,實踐選擇工作頻率為30 kHz。

  。校祝驼{(diào)制的占空比:

  思索工作環(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:

  依據(jù)一個導(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:

  實踐取300匝以便于繞制與計算。則變壓器副邊繞組匝數(shù)計算如下:

  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:

  實驗時由于氣隙的緣由產(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,此還擊電源變壓器兼有儲能的作用,流過直流電流成分時容易飽和。所以要運用帶有氣隙的磁芯。原理如圖3所示。

  有氣隙時,由于B-H特性曲線斜率減小。在Hdc不變的狀況下Bdc減小,磁滯回環(huán)遠(yuǎn)離飽和區(qū)。另外,有氣隙時剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度Br減小,ΔBac變化范圍增大。另外又由于有氣隙時B-H特性曲線向H軸靠攏,在ΔBac,Bdc不變的狀況下ΔHac,Hdc增大。由上可知,恰當(dāng)增加氣隙能夠加強(qiáng)電路的電流輸出才能和抗干擾才能。

  經(jīng)過實驗氣隙大小為0.3 mm時較為適宜。

  3實驗與結(jié)論

  此開關(guān)電源5 V時輸出的紋波如圖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,在成功油田已得到實踐應(yīng)用,工作牢靠。


【上一個】 現(xiàn)代電源技術(shù)的發(fā)展和低功耗集成電路的應(yīng)用 【下一個】 電源中的負(fù)載管理與負(fù)載開關(guān)設(shè)計與實現(xiàn)


 ^ 電機(jī)控制用多輸出開關(guān)電源設(shè)計