開關磁阻電機系統(tǒng)多路隔離DC_DC變換器設計

1、開關磁阻電機系統(tǒng)多路隔離DC-DC 變換器設計劉羨飛1,2,方天治2,趙徳安2,劉星橋2(1.南通工學院,江蘇南通226007;2.江蘇大學,江蘇鎮(zhèn)江212013摘要電源問題是開關磁阻電機系統(tǒng)在應用過程中遇到的突出問題之一。為此,設計了一個多路輸出的單端反激式DC-DC 變換器,并對其進行了原理分析、參數(shù)設計及實驗研究。關鍵詞電氣工程;開關磁阻電機;研究設計;DC-DC 變換器;脈寬調制;UC3842中圖分類號TM352文獻標識碼A文章編號1003188X(2004010170031引言開關磁阻電機由于其結構簡單、容錯性好、運行可靠及效率高等特點,已在越來越多的場合得到應用。但開關磁阻電機系統(tǒng)

2、中主電路的上下功率管及相間功率管的驅動電源均不共地(雖然一些驅動模塊可產(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動電路也不共地,因此作為一個產(chǎn)品,在應用過程中,一個多路隔離電源是必不可少的。為此,設計制作了一個結構簡單、成本低、運行可靠的單端反激式DC-DC 變換器。2系統(tǒng)的原理與設計2.1DC-DC 變換器工作原理2.1.1UC3842PWM 控制器簡介 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)部結構如圖1所示。圖1UC3842的管腳配置和內(nèi)部等效電路UC3842芯片主要特點有:起動電流和工作電流低;開關頻

3、率高,最高可達500kHz;可調整振蕩器的放電電流以產(chǎn)生精確的占空比;帶鎖定的PWM,可以實現(xiàn)逐個脈沖的電流限制;內(nèi)有5V 精密基準電壓,具有完備的欠壓、過壓及過流保護;起動電壓閾值(16V與關閉電壓閾值(10V之間的差值,可有效地防止電路在閾值電壓附近工作時產(chǎn)生的振蕩;圖騰柱輸出電路最大電流可達1A,可直接驅動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,當充至16V 時,UC3842實現(xiàn)軟起動,6腳有輸出,使Q1開通

4、,能量得以在變壓器原邊儲存。此時,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)部基準電壓1V 相比較,當高過1V 時,Q1關斷。此時,變壓器原邊儲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 基準電壓作比較以調整驅動脈寬,從而實現(xiàn)對輸出電壓的控制。2.2參數(shù)設計2.2.1系統(tǒng)要求的技術指標開關磁阻電機實驗系統(tǒng)對此DC-DC 變換器所要求的各項輸出技術指標見表1所示。2.2.2電路參數(shù)設計電路

5、中各器件參數(shù)詳見圖2。這里需指出的有以下幾個方面:(1光耦的選擇及光耦周邊電阻參數(shù)的設計。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作者簡介劉羨飛(1974-,男,江蘇海門人,南通工學院助教,江蘇大學電力電子及電力傳動專業(yè)在讀碩士,主要研究功率變換器及控制技術和開關電源。用具有明顯開關特性的光耦(如4Nxx。因為兩者相比,一方面,前者的電流傳輸比CTR 較高。保證了調節(jié)的靈敏度;另一方面,前者的CTR 與正向輸入電流I F 的線性關系要比后者好得多,使輸出與輸入的線性關系得以保證。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)的設計應考慮如

6、下幾個方面:表1要求的輸出技術指標電壓/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(用于開關磁阻電機系統(tǒng)的控制電路-15(±5%I =2050024.5+15(±7%I =10100第二組第四組(用于開關磁阻電機系統(tǒng)主電路的上功率管驅動-5(±10%I =101002+15(±7%I =10300第五組(用于開關磁阻電機系統(tǒng)主電路的下功率管驅動-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120%左右。注意:CTR 一般不要超過200%,否則調節(jié)靈敏度過高,易導致輸出不穩(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開關頻率的設定。f s 1.8/R 8C 10(R 8、C 10見圖2。這里設定頻率為100KHz。(3MOSFET 漏源極并聯(lián)RCD 吸收網(wǎng)絡的參數(shù)應滿足RC (1/31/5T S 式中:T S

8、 =1/f s 為開關周期。(4因為是高頻設計,所以二極管應采用快恢復或超快恢復二極管。(5高頻變壓器的設計。在反激式變換器中,高頻變壓器的設計是重要的一部分,設計工作量相應也比較大。其設計參數(shù)一是通過電感及氣隙長度的計算,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,經(jīng)計算,這里選用標稱直徑為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,計算得到N c=13匝,選用標稱直徑為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稱,但第五組繞組匝數(shù)雖和此繞組相同,但需選用標稱直徑為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,氣隙長度為0.643mm。3實驗結果3.1實驗數(shù)據(jù)DC-DC變換器各路輸出的實驗數(shù)據(jù),如表2所示。表2實驗數(shù)據(jù)測試條件(V i n=20V結果第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實驗波形圖3示出了該DC-DC變換器的主要實驗波形。其中(a為UC3842第6腳輸出的開關管的驅動波形;(b為加RCD吸收網(wǎng)絡后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結論DC-DC變換器已應用到開關磁阻電機的實驗系統(tǒng)中。它的可靠性、運行穩(wěn)定性以及抗干擾性良好。此電路結構簡單、成本低廉,非常實用。按此法設計的DC-DC變換

11、器也適用于其它電機的驅動和控制系統(tǒng),完全可以在50W以下小功率的應用場合推廣,具有很好的應用前景。(aUC3842(6腳驅動波形(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變換器的主要實驗波形參考文獻1何希才.新型開關電源設計與應用M.北京:科學出版社,2001.2葉慧貞.新穎開關穩(wěn)壓電源M.北京:國防工業(yè)出版社,1999.3沙占友.新穎單片開關電源的設計與應用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