開關(guān)磁阻電機(jī)系統(tǒng)多路隔離DC_DC變換器設(shè)計(jì)

1、開關(guān)磁阻電機(jī)系統(tǒng)多路隔離DC-DC 變換器設(shè)計(jì)劉羨飛1,2,方天治2,趙徳安2,劉星橋2(1.南通工學(xué)院,江蘇南通226007;2.江蘇大學(xué),江蘇鎮(zhèn)江212013摘要電源問題是開關(guān)磁阻電機(jī)系統(tǒng)在應(yīng)用過程中遇到的突出問題之一。為此,設(shè)計(jì)了一個(gè)多路輸出的單端反激式DC-DC 變換器,并對(duì)其進(jìn)行了原理分析、參數(shù)設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)研究。關(guān)鍵詞電氣工程;開關(guān)磁阻電機(jī);研究設(shè)計(jì);DC-DC 變換器;脈寬調(diào)制;UC3842中圖分類號(hào)TM352文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A文章編號(hào)1003188X(2004010170031引言開關(guān)磁阻電機(jī)由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、容錯(cuò)性好、運(yùn)行可靠及效率高等特點(diǎn),已在越來越多的場(chǎng)合得到應(yīng)用。但開關(guān)磁阻電機(jī)系統(tǒng)

2、中主電路的上下功率管及相間功率管的驅(qū)動(dòng)電源均不共地(雖然一些驅(qū)動(dòng)模塊可產(chǎn)生浮地電壓,但往往成本較高,再加上控制電路需要的電源與驅(qū)動(dòng)電路也不共地,因此作為一個(gè)產(chǎn)品,在應(yīng)用過程中,一個(gè)多路隔離電源是必不可少的。為此,設(shè)計(jì)制作了一個(gè)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、運(yùn)行可靠的單端反激式DC-DC 變換器。2系統(tǒng)的原理與設(shè)計(jì)2.1DC-DC 變換器工作原理2.1.1UC3842PWM 控制器簡(jiǎn)介 DC-DC 變換器采用的PWM 控制器是低成本、高性能的UC3842芯片,它是一種固定頻率的電流型控制器。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖1UC3842的管腳配置和內(nèi)部等效電路UC3842芯片主要特點(diǎn)有:起動(dòng)電流和工作電流低;開關(guān)頻

3、率高,最高可達(dá)500kHz;可調(diào)整振蕩器的放電電流以產(chǎn)生精確的占空比;帶鎖定的PWM,可以實(shí)現(xiàn)逐個(gè)脈沖的電流限制;內(nèi)有5V 精密基準(zhǔn)電壓,具有完備的欠壓、過壓及過流保護(hù);起動(dòng)電壓閾值(16V與關(guān)閉電壓閾值(10V之間的差值,可有效地防止電路在閾值電壓附近工作時(shí)產(chǎn)生的振蕩;圖騰柱輸出電路最大電流可達(dá)1A,可直接驅(qū)動(dòng)MOSFET。2.1.2DC-DC 變換器工作原理變換器原理圖如圖2所示。該系統(tǒng)是一個(gè)反激式的DC-DC 變換器。2030V 的直流電壓經(jīng)T1共模抑制及C 1、C 3濾波后提供系統(tǒng)工作電壓。此工作電壓經(jīng)R 1給C 5充電,當(dāng)充至16V 時(shí),UC3842實(shí)現(xiàn)軟起動(dòng),6腳有輸出,使Q1開通

4、,能量得以在變壓器原邊儲(chǔ)存。此時(shí),由于副邊整流二極管反向偏置,故能量無法傳遞給副邊。R7是電流采樣電阻,采樣到的電壓經(jīng)濾波后與UC3842第3腳內(nèi)部基準(zhǔn)電壓1V 相比較,當(dāng)高過1V 時(shí),Q1關(guān)斷。此時(shí),變壓器原邊儲(chǔ)存的能量傳輸給副邊的輸出電容器中,產(chǎn)生輸出電壓。輸出的+5V 主電源電壓經(jīng)光耦PC817A 反饋,光耦輸出經(jīng)分壓后送到UC3842誤差放大器的反相輸入端(2腳,和同相輸入端的2.5V 基準(zhǔn)電壓作比較以調(diào)整驅(qū)動(dòng)脈寬,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電壓的控制。2.2參數(shù)設(shè)計(jì)2.2.1系統(tǒng)要求的技術(shù)指標(biāo)開關(guān)磁阻電機(jī)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)此DC-DC 變換器所要求的各項(xiàng)輸出技術(shù)指標(biāo)見表1所示。2.2.2電路參數(shù)設(shè)計(jì)電路

5、中各器件參數(shù)詳見圖2。這里需指出的有以下幾個(gè)方面:(1光耦的選擇及光耦周邊電阻參數(shù)的設(shè)計(jì)。一般來說,建議采用線性度較好的光耦,而不宜采收稿日期2003-06-23作者簡(jiǎn)介劉羨飛(1974-,男,江蘇海門人,南通工學(xué)院助教,江蘇大學(xué)電力電子及電力傳動(dòng)專業(yè)在讀碩士,主要研究功率變換器及控制技術(shù)和開關(guān)電源。用具有明顯開關(guān)特性的光耦(如4Nxx。因?yàn)閮烧呦啾?一方面,前者的電流傳輸比CTR 較高。保證了調(diào)節(jié)的靈敏度;另一方面,前者的CTR 與正向輸入電流I F 的線性關(guān)系要比后者好得多,使輸出與輸入的線性關(guān)系得以保證。我們這里采用了CTR 較高,線性度較好的PC817A。至于周邊電阻參數(shù)的設(shè)計(jì)應(yīng)考慮如

6、下幾個(gè)方面:表1要求的輸出技術(shù)指標(biāo)電壓/v電流/mA功率/W+5(±5%(主電源I =302000+15(±3%I =20500-15(±3%I =20300第一組(用于開關(guān)磁阻電機(jī)系統(tǒng)的控制電路-15(±5%I =2050024.5+15(±7%I =10100第二組第四組(用于開關(guān)磁阻電機(jī)系統(tǒng)主電路的上功率管驅(qū)動(dòng)-5(±10%I =101002+15(±7%I =10300第五組(用于開關(guān)磁阻電機(jī)系統(tǒng)主電路的下功率管驅(qū)動(dòng)-5(±10%I =103002 圖2DC-DC 變換器器原理圖一是輸入電流I F 與CTR

7、 (電流傳輸比的關(guān)系:I F =(U 0-U F -Udz /R 10其中:U F 為光耦輸入二極管的正向壓降,Udz 、R 10見圖2所示。這里I F 考慮5mA 左右,使CTR 可達(dá)120%左右。注意:CTR 一般不要超過200%,否則調(diào)節(jié)靈敏度過高,易導(dǎo)致輸出不穩(wěn)定。二是考慮U CE 大小。一方面,不能使光敏三極管進(jìn)入飽和;另一方面,要注意功耗不能超過限定范圍(這里U CE 考慮5V 左右。(2開關(guān)頻率的設(shè)定。f s 1.8/R 8C 10(R 8、C 10見圖2。這里設(shè)定頻率為100KHz。(3MOSFET 漏源極并聯(lián)RCD 吸收網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)應(yīng)滿足RC (1/31/5T S 式中:T S

8、 =1/f s 為開關(guān)周期。(4因?yàn)槭歉哳l設(shè)計(jì),所以二極管應(yīng)采用快恢復(fù)或超快恢復(fù)二極管。(5高頻變壓器的設(shè)計(jì)。在反激式變換器中,高頻變壓器的設(shè)計(jì)是重要的一部分,設(shè)計(jì)工作量相應(yīng)也比較大。其設(shè)計(jì)參數(shù)一是通過電感及氣隙長(zhǎng)度的計(jì)算,并考慮鐵芯截面積,得到N 1=12匝,又考慮電流大小及集膚效應(yīng),經(jīng)計(jì)算,這里選用標(biāo)稱直徑為0.4mm 的漆包線8股并繞;二是按照與原邊電壓比及考慮占空比,計(jì)算得到N c=13匝,選用標(biāo)稱直徑為0.31mm 的漆包線1股;三是N 2=N 3=N 4=N 5=5匝,選用標(biāo)稱直徑為0.4mm 的漆包線8股并繞,其中+5V、GND1、-5V 采用抽頭形式取出;四是N 6=8匝、N

9、7=4匝,GND2同樣采用抽頭形式取出。此繞組選用標(biāo)稱直徑為0.31mm 的漆包線1股。第三組和第四組繞組分別跟此繞組對(duì)稱,但第五組繞組匝數(shù)雖和此繞組相同,但需選用標(biāo)稱直徑為0.31mm 的漆包線2股并繞;五是變壓器骨架采用臥式骨架,鐵芯采用EI40鐵氧體鐵芯,氣隙長(zhǎng)度為0.643mm。3實(shí)驗(yàn)結(jié)果3.1實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)DC-DC變換器各路輸出的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),如表2所示。表2實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)測(cè)試條件(V i n=20V結(jié)果第1組I=30mA2A+5V±200mVI=20mA0.5A+15V±310mVI=20mA0.3A-15V±250mVI=20mA0.5A-5V±130m

10、V第2組第4組I=10mA0.1A+15V±70mVI=10mA0.1A-5V±25mV第5組I=10mA0.3A+15V±250mVI=10mA0.3A-5V±120mV3.2實(shí)驗(yàn)波形圖3示出了該DC-DC變換器的主要實(shí)驗(yàn)波形。其中(a為UC3842第6腳輸出的開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)波形;(b為加RCD吸收網(wǎng)絡(luò)后MOSFET漏源極波形;(c為UC3842第3腳電流采樣波形;(d為UC3842第4腳振蕩波形。4結(jié)論DC-DC變換器已應(yīng)用到開關(guān)磁阻電機(jī)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中。它的可靠性、運(yùn)行穩(wěn)定性以及抗干擾性良好。此電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉,非常實(shí)用。按此法設(shè)計(jì)的DC-DC變換

11、器也適用于其它電機(jī)的驅(qū)動(dòng)和控制系統(tǒng),完全可以在50W以下小功率的應(yīng)用場(chǎng)合推廣,具有很好的應(yīng)用前景。(aUC3842(6腳驅(qū)動(dòng)波形(bMOSFET漏源極波形 T1 Ref B: 1 Volt 5 us (cUC3842(3腳波形圖(dUC3842(4腳波形圖3DC-DC變換器的主要實(shí)驗(yàn)波形參考文獻(xiàn)1何希才.新型開關(guān)電源設(shè)計(jì)與應(yīng)用M.北京:科學(xué)出版社,2001.2葉慧貞.新穎開關(guān)穩(wěn)壓電源M.北京:國(guó)防工業(yè)出版社,1999.3沙占友.新穎單片開關(guān)電源的設(shè)計(jì)與應(yīng)用M.北京:電子工業(yè)出版社,2001.The Design of DC-DC Converter with Multi-output Volt

12、age for theSystem of Switched-reluctance MotorLIU Xian-fei1,2, FANG Tian-zhi, ZHAO An2,LIU Xing-qiao2(1.Nantong Institute of Technology, Nantong 226007, China; 2.Jiangsu University, Zhenjiang 212013, China Abstract Because the problem of power supply is one of the serious problems that the switched-reluctance motor faces during its application, an off-line flyback DC-DC converter with multi-output voltage is designed in this paper, and the t