电机控制用多输出开关电源设计

　　在电机调速控制器中，该电源提供功率开关元件基极(栅极)驱动电压和控制电路工作电压。开关电源性能的好坏直接影响到电机调速控制器的工作可靠性。该电源是为30 kW开关磁阻电机控制器设计的，也适用于采用功率ＭＯＳＦＥＴ或ＩＧＢＴ作为开关元件的中小功率感应电机调速控制器。 

　　1、主回路方案 

　　1.1电源电路 

　　此电源是为30kW开关磁阻电机控制器设计的，此电机功率变换器的主电路为不对称半桥电路［1］。采用反激变换器结构［2］，具有结构简单、损耗小的优点，但输出电压纹波较大，通常用在150 W以下的电源中。此电源为单芯片集成稳压电源，PWM芯片采用UC3842。UC3842是一种高性能的固定频率电流型控制器，是专为脱线式直流变换电路设计的。

　　他集成了振荡器、有温度补偿的高增益误差放大器、电流检测比较器、图腾柱输出电路、输入和基准欠电压锁定电路及PWM锁存器电路。可以实现逐个脉冲的电流限制，输出电流可达1 A，可直接驱动MOSFET。 

　　1.2工作原理 

　　此电源电路工作原理为：220 V三相的交流输入电压先经三相不控整流，再经支撑电容平滑，为电源电路提供550 V直流工作电压。当三相逆变器接通电源时，R5和C2吸收电路启动时的冲击电流。从逆变器主电路来的直流母线电压经电阻R6降压后，给ＵＣ3842提供约16V的起动电压。进入正常工作后，二次绕组W3经D3，C16提供ＵＣ3842的工作电压。另一绕组W2的高频电压经D2，C13整流滤波，再经7.5kΩ电阻R12，R13和2kΩ电位器RP1分压，获得输出电压信号。此信号经可调稳压管ＴＬ431产生偏差信号，再经光电隔离加到ＵＣ3842的误差放大器放大，控制ＶＭＯＳ管的开通与截止，实现稳压的目的。电源的过流保护由1.8Ω电阻R19检测到ＶＭＯＳ管的过流信号，电流超过域值时封锁ＵＣ3842输出信号，实现单周期过流保护。 

　　UC3842驱动VMOS管VT1以控制高频变压器一次绕组通断，进而获得多组副边电压输出。此输出经二极管整流、电容滤波后得到多路直流电压。供给三相逆变器各功率开关元件驱动(W6，W7，W8，W9)与ＰＷＭ控制电路(W2，W4，W5)。电路稳定工作时UC 3842的电源由W3，D3，C16组成的电源电路提供。 

　　VMOS管选用耐压1000Ｖ，电流8Ａ的场效应管8N100。为了保证开关元件在快速开关过程中不产生过大的尖峰电压，需用C8，R15，D1组成的ＲＣＤ缓冲电路来抑制。缓冲电路二极管V3选用快速恢复二极管FR107。R8，R9和稳压管D11用来限制栅极电压和电流，进而限制ＶＭＯＳ管开关速度，有利于改善电磁兼容性。 

　　+15V电源和-15V电源对控制电路电源精度要求较高，但因为共用同一个变压器很难通过PWM实现反馈控制来稳压。为获得高品质的控制电源，应用线性稳压芯片7815和7915(如图1所示)构成了复合式开关稳压电源。为防止输出在轻载或空载时的电压升高，在5 V整流输出端并联一个100Ω的负载电阻。 

　　2、变压器设计 

　　电机控制逆变器开关电源是一个具有多路输出的直流电源。由高频变压器8个副边绕组经整流滤波后获得。开关电源的性能在很大程度上决定于变压器的设计。 

　　2.1功率计算 

　　高频变压器的副边绕组Ｗ6，Ｗ7，Ｗ8提供了三相逆变器3个上桥臂元件的驱动电源，Ｗ9提供了下桥臂3个元件的驱动电源(亦可用3个绕组分别提供，以避免交叉干扰，此处只用一组是为了简化系统)。按逆变器开关元件对驱动电路电压、电流的要求确定功率。本电机控制功率变换器功率模块为IGBT，驱动模块为EXB841。选定Ｗ2，Ｗ3，Ｗ4电压20Ｖ，电流100mA；Ｗ5电压20Ｖ，电流200mA。Ｗ6，Ｗ7绕组提供其他模拟电路±15Ｖ，300mA电源。Ｗ8绕组提供5Ｖ给微处理器，输出电流为2Ａ。Ｗ2为开关电源自身的反馈绕组，其功率很小，可忽略。 

　　由以上设定条件可知高频变压器的输出功率为： 设计效率为85%并留有一定裕量，设计目标为额定功率为40 Ｗ的高频变压器。 

　　2.2磁心的选用 

　　根据高频变压器最大承受功率与磁心截面积的关系并考虑窗口面积，本开关电源选用EI-35磁心，其有效截面积为100 mm2。 

　　2.3绕组匝数的确定 

　　首先确定开关电源功率和开关元件的工作频率。若工作频率小于20 kHz，则进入音频范围的噪声较大，纹波增大。若开关频率较高，则开关损耗增大，系统效率降低。因此确定工作频率时要折衷考虑，实际选择工作频率为30 kＨz。 

　　2.4气隙 

　　与正激开关电源变压器不同，此反击电源变压器兼有储能的作用，流过直流电流成分时容易饱和。所以要使用带有气隙的磁芯。有气隙时，由于B-H特性曲线斜率减小。在Hdc不变的情况下Bdc减小，磁滞回环远离饱和区。另外，有气隙时剩余磁感应强度Br减小，ΔBac变化范围增大。另外又由于有气隙时B-H特性曲线向H轴靠拢，在ΔBac，Bdc不变的情况下ΔHac，Hdc增大。由上可知，适当增加气隙可以增强电路的电流输出能力和抗干扰能力。 

　　经过试验气隙大小为0.3 mm时较为合适。