开关磁阻电机系统多路隔离DC_DC变换器设计

1、开 关 磁 阻 电 机 系 统 多 路 隔 离 DC-DC 变 换 器 设 计 刘羡飞1,2,方天治 2,赵徳安 2,刘星桥2(1.南通工学院,江苏南通226007;2.江苏大学,江苏镇江212013摘要电源问题是开关磁阻电机系统在应用过程中遇到的突出问题之一。为此,设计了一个多路输出 的单端反激式 DC-DC 变换器,并对其进行了原理分析、参数设计及实验研究。 关键词电气工程;开关磁阻电机;研究设计;DC-DC 变换器;脉宽调制;UC3842中图分类号TM352文献标识码A文章编号1003188X(2004010170031引言开关磁阻电机由于其结构简单、容错性好、运 行可靠及效率高等特点,

2、已在越来越多的场合得到 应用。但开关磁阻电机系统中主电路的上下功率管 及相间功率管的驱动电源均不共地(虽然一些驱动 模块可产生浮地电压, 但往往成本较高 , 再加上控 制电路需要的电源与驱动电路也不共地,因此作为 一个产品,在应用过程中,一个多路隔离电源是必 不可少的。为此,设计制作了一个结构简单、成本 低、运行可靠的单端反激式 DC-DC 变换器。2系统的原理与设计 DC-DC 变换器采用的 PWM 控制器是低成本、高 性能的 UC3842芯片, 它是一种固定频率的电流型控 制器。其内部结构如图 1所示。 图 1UC3842的 管 脚 配 置 和 内 部 等 效 电 路 UC3842芯片主要

3、特点有:起动电流和工作电流 低;开关频率高,最高可达 500kHz;可调整振荡器 的放电电流以产生精确的占空比;带锁定的 PWM,可以实现逐个脉冲的电流限制; 内有 5V 精密基准电 压,具有完备的欠压、过压及过流保护;起动电压 阈值(16V与关闭电压阈值(10V之间的差值, 可有效地防止电路在阈值电 压附近工作时产生的振 荡;图腾柱输出电路最大电流可达 1A,可直接驱动 MOSFET。变换器原理图如图 2所示。该系统是一个反激 式的 DC-DC 变换器。 2030V 的直流电压经 T1共模 抑制及 C 1、 C 3滤波后提供系统工作电压。此工作 电压经 R 1给 C 5充电, 当充至 16V

4、 时, UC3842实现 软起动,6脚有输出,使 Q1开通,能量得以在变压 器原边储存。 此时, 由于副边整流二极管反向偏置, 故能量无法传递给副边。R7是电流采样电阻,采样 到的电压经滤波后与 UC3842第 3脚内部基准电压 1V 相比较,当高过 1V 时,Q1关断。此时,变压器 原边储存的能量传输给副边的输出电容器中,产生 输出电压。输出的+5V 主电源电压经光耦 PC817A 反馈, 光耦输出经分压后送到 UC3842误差放大器的 反相输入端(2脚 ,和同相输入端的 2.5V 基准电 压作比较以调整驱动脉宽,从而实现对输出电压的 控制。 2.2参数设计电路中各器件参数详见图 2。这里需

5、指出的有 以下几个方面:(1光耦的选择及光耦周边电阻参数的设计。 一般来说,建议采用线性度较好的光耦,而不宜采收 稿 日 期 2003-06-23作 者 简 介 刘 羡 飞 (1974- , 男 , 江 苏 海 门 人 , 南 通 工 学 院 助 教 , 江 苏 大 学 电 力 电 子 及 电 力 传 动 专 业 在 读 硕 士 , 主 要 研 究 功 率 变 换 器 及控 制 技 术 和 开 关 电 源 。用具有明显开关特性的光耦(如 4Nxx。 因为两者相 比,一方面,前者的电流传输比 CTR 较高。保证了 调节的灵敏度;另一方面,前者的 CTR 与正向输入 电流 I F 的线性关系要比后

6、者好得多,使输出与输入的线性关系得以保证。我们这里采用了 CTR 较高, 线性度较好的 PC817A。 至于周边电阻参数的设计应 考虑如下几个方面:表 1要求的输出技术指标电 压 /v电 流 /mA 功 率 /W+5(±5% (主 电 源 I =302000 +15(±3% I =20500 -15(±3% I =20300 第 一 组 (用 于 开 关 磁 阻 电 机 系 统 的 控 制 电 路 -15(±5% I =20500 24.5 +15(±7% I =10100 第 二 组 第 四 组 (用 于 开 关 磁 阻 电 机 系 统 主

7、电 路 的 上 功 率 管 驱 动 -5(±10% I =10100 2 +15(±7% I =10300 第 五 组 (用 于 开 关 磁 阻 电 机 系 统 主 电 路 的 下 功 率 管 驱 动 -5(±10% I =103002 图 2DC-DC 变 换 器 器 原 理 图 一是输入电流 I F 与 CTR (电流传输比 的关系:I F =(U 0-U F -Udz /R 10其 中:U F 为 光 耦 输 入 二 极 管 的 正 向 压 降 , Udz 、 R 10见图 2所示。 这里 I F 考虑 5mA 左右, 使 CTR 可达 120%左右。注意:

8、CTR 一般不要超过 200%,否则调节灵 敏度过高,易导致输出不稳定。二是考虑 U CE 大小。 一方面,不能使光敏三极管 进入饱和;另一方面,要注意功耗不能超过限定范 围(这里 U CE 考虑 5V 左右 。(2开 关 频 率 的 设 定 。 f s 1.8/R 8C 10 (R 8、 C 10见图 2。这里设定频率为 100KHz。(3MOSFET 漏源极并联 RCD 吸收网络的参数应 满足RC (1/31/5 T S 式中:T S =1/f s 为开关周期。(4因为是高频设计,所以二极管应采用快恢 复或超快恢复二极管。(5高频变压器的设计。在反激式变换器中,高频变压器的设计是重要的一部

9、分,设计工作量相 应也比较大。其设计参数一是通过电感及气隙长度 的计算,并考虑铁芯截面积,得到 N 1=12匝,又考 虑电流大小及集肤效应,经计算,这里选用标称直 径为 0.4mm 的漆包线 8股并绕;二是按照与原边电 压比及考虑占空比, 计算得到 N c=13匝, 选用标称 直径为 0.31mm 的漆包线 1股; 三是 N 2=N 3=N 4=N 5=5匝,选用标称直径为 0.4mm 的漆包线 8股并绕,其 中+5V、GND1、-5V 采用抽头形式取出;四是 N 6=8匝、 N 7=4匝,GND2同样采用抽头形式取出。此绕 组选用标称直径为 0.31mm 的漆包线 1股。 第三组和 第四组绕

10、组分别跟此绕组对称,但第五组绕组匝数 虽和此绕组相同, 但需选用标称直径为 0.31mm 的漆 包线 2股并绕;五是变压器骨架采用卧式骨架,铁 芯采用 EI40铁氧体铁芯,气隙长度为 0.643mm。3实验结果3.1实验数据DC-DC 变换器各路输出的实验数据,如表 2所 示。表 2实 验 数 据 测 试 条 件 (V i n =20V 结 果 第 1组 I =30mA2A +5V±200mV I =20mA0.5A +15V±310mV I =20mA0.3A -15V±250mV I =20mA0.5A -5V±130mV 第 2组 第 4组 I =

11、10mA0.1A +15V±70mV I =10mA0.1A -5V±25mV 第 5组 I =10mA0.3A +15V±250mV I =10mA0.3A -5V±120mV 3.2实验波形图 3示出了该 DC-DC 变换器的主要实验波形。 其中(a为 UC3842第 6脚输出的开关管的驱动波 形; (b为加 RCD 吸收网络后 MOSFET 漏源极波形; (c 为 UC3842第 3脚电流采样波形; (d 为 UC3842第 4脚振荡波形。4结论DC-DC 变换器已应用到开关磁阻电机的实验系 统中。 它的可靠性、 运行稳定性以及抗干扰性良好。 此电

12、路结构简单、成本低廉,非常实用。按此法设 计的 DC-DC 变换器也适用于其它电机的驱动和控制 系统, 完全可以在 50W 以下小功率的应用场合推广, 具有很好的应用前景。(aUC3842(6脚 驱 动 波 形 (bMOSFET 漏 源 极 波 形 (cUC3842(3脚 波 形 图 (dUC3842(4脚 波 形 图 3DC-DC 变 换 器 的 主 要 实 验 波 形 参考文献1何 希 才. 新 型 开 关 电 源 设 计 与 应 用M. 北 京:科 学 出版社,2001.2叶 慧 贞. 新 颖 开 关 稳 压 电 源M. 北 京:国 防 工 业 出 版社,1999.3沙占友.新颖单片开关

13、电源的设计与应用M.北京:电子工业出版社,2001. The Design of DC-DC Converter with Multi-output Voltage for the System 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 thi