永磁直流 (PMDC) 電機在便攜式吸塵器和無繩電動工具等應用中提供更小的解決方案尺寸和更高的效率。在為 PMDC 電機設計隔離式電源時，需要牢記幾個注意事項：瞬態(tài)響應、所需的峰值負載、解決方案尺寸和成本，這些因素直接影響電源架構的設計和所選的電源轉換器拓撲。
與 PMDC 電機相關的一項特殊挑戰(zhàn)是電機的峰值電流可能比其穩(wěn)態(tài)電流大幾倍。該峰值負載直接影響隔離電源的電源拓撲選擇和成本。為了說明 PMDC 的這一特性，請考慮直流電機的基本工作電壓方程(方程 1)：
V s = V b + V L + I a R a (1)
其中，V s是施加的電機電源電壓，V b 是電機的反電動勢 (EMF)，V L 是轉子電感兩端的電壓，I a和R a分別是電樞電流和電阻。該工作電壓關系如圖 1所示。
圖 1直流電機的簡化模型說明了 PMDC 特性。
當電機完全靜止時，反電動勢等于 0 V(假設沒有任何旋轉運動)，并且電機所需的電流僅受電樞電阻的限制。由于電樞電阻通常 <1 Ω，因此在反電動勢形成之前施加完整的標稱電源電壓時，電機的初始電流需求可能比穩(wěn)態(tài)電流高幾倍。
解決峰值電流應力的方法
大的初始電流需求對隔離電源提出了特殊的挑戰(zhàn)，需要仔細考慮以確定最終產品可以接受哪些權衡。您的選擇包括：
· 設計隔離轉換器以處理啟動期間的峰值功率
如果峰值電機電流的值與最大穩(wěn)態(tài)電機電流相似，則這種方法可能是可接受的。然而，如果峰值負載大幾倍，它可能會變得昂貴，因為您必須為更高的峰值負載設計功率因數校正 (PFC) 和隔離式 DC/DC 功率級。這種方法需要在功率級中使用更昂貴的元件，甚至需要更改所需的電源轉換器拓撲，并且如果您需要更大的磁性元件以避免飽和，還可能會增加電源的整體尺寸和重量。
· 使用大電容器組
在這種方法中，當電機未啟用時，隔離電源會在連接到電源輸出的電容器組中積聚大量電荷。一旦電機啟動，存儲的電荷就會提供電機控制的峰值負載，同時允許輸出電壓出現一些可接受的下降。這種方法很簡單，但需要能夠將電機與電源斷開，以便隔離電源可以在不連接電機負載的情況下啟動。對于高功率 PMDC 來說，使用大電容器組也不是一個好主意，因為所需的電容器組尺寸變得不合理地大。
· 輸出恒流限制
如果將輸出電流限制構建到隔離電源反饋環(huán)路中，則電源能夠調節(jié)最大輸出電流。這種方法可以降低電源的峰值功率設計要求，并避免需要大型電容器組。但輸出電流調節(jié)電路確實需要一個單獨的偏置電源，以便在啟動期間正確調節(jié)輸出電流，除了電流感應電路之外，這還需要一個單獨的隔離輔助電源，如圖2所示。
圖 2交流/直流電源框圖突出顯示了恒流和恒壓調節(jié)環(huán)路。
通過占空比限制降低峰值電流應力
如果電機的初始速度和啟動時間對時間要求不高，并且應用中可以接受較長的啟動時間，另一種方法是在啟動過程中鉗位隔離式 DC/DC 轉換器的輸出電壓，持續(xù)時間長于電機的電氣時間常數。使用固定頻率控制器，您可以限制最大占空比。在電感-電感-電容 (LLC) 諧振轉換器等變頻轉換器中，您可以鉗位最小開關頻率。
使用鉗位器可以在足夠長的時間內在隔離式 DC/DC 轉換器的輸出上形成一個小的初始電壓，從而使電機緩慢轉動并開始產生反電動勢，如圖3所示。由于初始電源電壓較小，電機的電流需求被限制為更接近其穩(wěn)態(tài)值的值。產生反電動勢并且電機電流達到穩(wěn)定狀態(tài)后，隔離式 DC/DC 的輸出電壓可以安全地升至標稱輸出電壓，同時避免轉換器內出現過大的電流應力。
圖 3使用占空比鉗位啟動可實現較小的初始電壓。
將鉗位電路置于隔離式 DC/DC 轉換器的初級側，無需單獨的輔助電源。圖 4顯示了使用通用比較器和幾個小信號晶體管的示例實現。此特定示例將鉗位電路與UCC256402控制器配對，該控制器具有 5.6V 的固定 FB 引腳電壓，可充當半橋 LLC 諧振轉換器的最小頻率鉗位。
圖 4初級側鉗位電路使用通用比較器和幾個小信號晶體管。
在鉗位的初始狀態(tài)下，Q1 和 Q2 均導通，C1 和 C2 上的初始電壓均為 0 V。由于 Q1 將 Q2 的基極下拉至接地，因此與 V FB – 0.7V/R 6成比例的電流 從隔離式 DC/DC 控制器的 FB 引腳中吸收。對于 UCC256402 控制器，該電流吸收器將 VCR 柵極關斷閾值限制為 3 V ± ((82 μA – I吸收器) × 100 kΩ)，從而提供頻率鉗位功能。鉗位有效的時間由 C1、R1 和 R2 形成的 RC 時間常數以及 C1 上的電壓變得大于TL331比較器的參考電壓時設置，如圖 5所示。
圖 5顯示了鉗位電路狀態(tài)與輸出電壓上升的關系。
由于 TL331 是一個集電極開路比較器，它將 Q1 的柵極下拉至地，從而關閉 Q1。當 C2 上的電壓開始通過 R5 充電時，從 FB 引腳拉出的電流量緩慢減少，從而軟、逐漸釋放頻率鉗位電路。 D1 和 D2 用作鉗位電路的快速復位，以便在初級側電路移除偏置時(例如在發(fā)生故障保護時)快速對 C1 和 C2 進行放電。
峰值電流比較
上述電路使 500W 連續(xù)導通模式 (CCM) PFC 升壓轉換器和隔離式半橋 LLC 轉換器參考設計能夠成功啟動車間真空吸塵器并為其供電。圖 6所示的波形說明了無頻率鉗位時電源的輸出電壓 (10 V/div) 和電機的電流需求 (50 A/div)。電機的峰值電樞電流為 186 A。在電機開始轉動后 300 ms 內穩(wěn)定到 25 A 的穩(wěn)態(tài)電流之前，存在 200 ms 的顯著電流應力。
圖 6波形顯示沒有頻率鉗位的電機電源電壓和電流。
圖 7中的波形顯示了啟動期間啟用頻率鉗位時電源的輸出電壓 (10V/div) 和電機的電流需求 (10A/div)。峰值電流略高于 35 A，更接近電機的 25 A 標稱額定值。電機開始轉動后3秒內電機電流達到穩(wěn)定狀態(tài)。
圖 7波形顯示具有頻率鉗位的電機電源電壓和電流。
包含簡單的鉗位電路可以滿足啟動直流電機的目標，同時避免交流/直流電源內的高電流應力，并且與其他方法相比，可以節(jié)省大量物料清單 (BOM)。這種方法可以與非 LLC 拓撲配合使用，也可以通過連接到 PWM 控制器的 COMP 引腳來充當占空比鉗位。設計一個交流/直流電源來支持電機所要求的滿峰值負載，需要能夠提供超過穩(wěn)態(tài)電機電流五倍的電流。
這種巨大的功率水平和電流壓力將需要更昂貴的 PFC 和隔離式 DC/DC 拓撲(例如交錯式 CCM PFC 和相移全橋)，這會顯著增加 BOM 成本。與輸出恒流限制相比，鉗位電路不需要單獨的隔離輔助電源，因此還可以節(jié)省 BOM 成本，并且比包含大型電容器組更小。使用占空比或頻率限制可以實現更便宜、更小的隔離電源，同時仍然滿足 PMDC 的電源需求。
下載文檔
