電動旅游車用開關(guān)電源設(shè)計
1 引言
電動旅游車的動力來源主要是電機,而電機的控制系統(tǒng)和驅(qū)動系統(tǒng)都需要穩(wěn)定的電源供電才能正常工作,為了提供穩(wěn)定的工作電源輸入,設(shè)計一種多路輸出的開關(guān)電源就顯得十分必要。文中所述的電動旅游車電機為5.5KW異步電機,主開關(guān)驅(qū)動模塊為IPM。
反激變換器具有電路結(jié)構(gòu)簡單、輸入輸出電氣隔離、電壓調(diào)節(jié)范圍寬、易于多路輸出等特點,因而適合于電力電子設(shè)備內(nèi)的輔助開關(guān)電源。本文所設(shè)計的開關(guān)電源系統(tǒng)是一種小型車載電源,通過蓄電池供電,為電動車內(nèi)的主控制系統(tǒng)和驅(qū)動系統(tǒng)提供所需的工作電源,此電源具有多組隔離輸出、結(jié)構(gòu)簡單、性能可靠、成本低廉等特點。
開關(guān)電源的控制電路可分為電壓控制型和電流控制型,前者是一個單閉環(huán)電壓控制系統(tǒng),系統(tǒng)響應(yīng)慢,很難達(dá)到較高的電壓調(diào)整率;后者是一個電壓、電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng),較電壓控制型有不可比擬的優(yōu)點。因此,本文所設(shè)計的電源選擇了UC3843電流型控制器作為隔離開關(guān)穩(wěn)壓電源的核心。
2 UC3843介紹
UC3843是單端隔離式電流控制型DC/DC脈寬調(diào)制器,可直接驅(qū)動MOSFET和雙極功率管,它采用恒定頻率方式,其內(nèi)部原理方框圖如圖1所示。它有一個振蕩器,振蕩頻率最高可達(dá)500kHz,有+5VR的基準(zhǔn)電壓Vref;有一個增益高達(dá)90dB的誤差放大器;啟動電流低(<1mA);對輸入電壓Vcc有滯后欠壓保護;對+5VR基準(zhǔn)電壓也有滯后欠壓保護;有每一個周期的電流限制鎖存器。該電流型脈寬調(diào)制器有體積小、成本低、外圍組件少、電路簡單、可靠性高、故障率低等優(yōu)點。各引腳功能如下:
腳1為補償端子,外接RC網(wǎng)絡(luò)可補償誤差放大器的頻率響應(yīng);
腳2是電壓反饋端,取樣電壓加在誤差放大器的反相輸入端。與2.5 V的基準(zhǔn)電壓進行比較,產(chǎn)生誤差電壓;
腳3為電流檢測輸入端,外接檢測電阻??蓸?gòu)成過流保護電路,當(dāng)腳3電壓等于或高于1 V時,電流檢測比較器輸出高電平,復(fù)位PWM鎖存器。從而關(guān)閉輸出脈沖,達(dá)到限流保護的目的。因此,被檢測的峰值電流為
(1)
式中: 為功率開關(guān)管的電流檢測電阻。在本設(shè)計方案中Rs選擇0.5Ω;
腳4外接定時電阻和電容,用以確定振蕩器的工作頻率;
腳5為接地端;
腳6為輸出端,采用圖騰式輸出,輸出平均電流為200mA,最大電流為1A;
腳7是其電源端,芯片工作的開啟電壓為8.5V,欠壓鎖定電壓為7.6V,0.9V的啟動與關(guān)閉差值可有效地防止電路在門限值電壓附近時產(chǎn)生振蕩;
腳8是其內(nèi)部基準(zhǔn)電壓(5V)。
圖1 UC3843代表性原理方框圖
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UC3843脈寬調(diào)制器是將開關(guān)變壓器初級繞組中電流的變化進行電流取樣,將變化的電流轉(zhuǎn)換成變化的電壓,再用負(fù)反饋的方式來控制脈沖寬度的變化,最后給電流檢測比較器輸入。電流檢測比較器的另一個輸入端是誤差放大器輸出的信號,電流信號與電壓信號進行比較,共同來控制占空比的變化,從而抑制了輸出電壓的變化,使輸出電壓穩(wěn)定。這樣在電路上既有電流負(fù)反饋控制環(huán)節(jié),又有電壓負(fù)反饋控制環(huán)節(jié),使開關(guān)穩(wěn)壓電源的電壓穩(wěn)定性有很大的提高。
3 系統(tǒng)電路設(shè)計與原理
本文設(shè)計的多路隔離輸出反激式變換器,輸入為144V汽車用電池,輸出為1路+5V/0.5A用于繼電器供電,1路+5V/1A用于DSP等芯片的供電,1路+15V/0.5A用于光電編碼器,1路±15V/1A用于A/D采集,4路隔離+15V/0.3A用于IPM驅(qū)動供電。設(shè)計原理圖如圖2所示。
圖2 開關(guān)電源原理圖
3.1 電源電路的工作原理
如圖2所示,直流電壓經(jīng)L12共模抑制及電容C54、C55 濾波后提供系統(tǒng)工作電壓。此工作電壓經(jīng)R1給C1充電,由于UC3843的啟動電壓為8.5V,當(dāng)C1電壓充至8.5V時,UC3843實現(xiàn)軟起動,芯片6腳有信號輸出,使開關(guān)管Q1開通,能量得以在變壓器原邊儲存,副邊有能量輸出。啟動過程完成后,UC3843的正常工作電壓由副邊饋電繞組上的高頻電壓經(jīng)整流濾波后提供。同時,此電壓也作為電壓反饋信號,經(jīng)RV1、R13、R2分壓后送到電壓比較器的反相輸入端(腳2)與UC3843內(nèi)部的2.5V基準(zhǔn)電壓作比較來調(diào)整驅(qū)動脈沖寬度,從而改變輸出電壓以實現(xiàn)對輸出的控制,其中RV1為可調(diào)電阻。R15、C12、D4和R29、C80、D17分別作為兩個變壓器的緩沖回路,以吸收原邊漏感所產(chǎn)生的尖峰,以防止功率器件的損壞。R4、C4構(gòu)成濾波器以濾去由R18、R30檢測的電流中可能會有的毛刺,防止電流比較器的誤動作。
3.2 工作頻率設(shè)定
UC3843的頻率由(2)式設(shè)定,即:
(2)
式中:為腳4與腳8問電阻,為腳4接地電容。
UC3843的工作頻率很寬,最高工作頻率為500kHz。本設(shè)計中,取:R5==6.8KΩ,C5==0.0033μF;則[!--empirenews.page--]=80KHz。
3.3 變壓器的設(shè)計
電動汽車中電機專用的開關(guān)電源是一個具有多路輸出的直流電源,由高頻變壓器多個副邊繞組經(jīng)整流濾波后獲得,開關(guān)電源的性能在很大程度上決定于變壓器的設(shè)計。
3.3.1 計算原邊電感量
首先確定輸出功率,設(shè)定工作的占空比為0.5。在確定工作頻率的基礎(chǔ)上可得輸出功率為:
(3)
式中:為變壓器原邊電感值;為原邊電感電流峰值。
變換器工作在斷續(xù)狀態(tài)模式,則有
(4)
式中:為開通時間,為最大占空比,為原邊輸入電壓值。
由式(3)和(4)可得:
(5)
式中:=30W,=0.5,=144V,代入式(5)得:=0.83A。
原邊電感值為:
(6)
則=1.08mH
3.3.2 變壓器磁心及氣隙[!--empirenews.page--]
本設(shè)計中變壓器磁心選用鐵氧體EE33磁心,所需氣隙長度可由下式計算:
(7)
式中:為磁心有效截面積;,為磁心材料飽和磁通密度,查表的飽和磁通密度=3840GS,則GS。
磁心有效截面積代入上式計算得:
3.3.3 繞組匝數(shù)的確定
原邊繞組計算公式為:
(8)
代入各量得匝。雙變壓器原邊繞組=匝。
副邊繞組計算公式為:
(9)
式中:=1V為整流二極管正向壓降。
以5V輸出為例,代入上式得:匝,取2匝。由此可得其他繞組匝數(shù),電壓反饋供電回路=6匝,5V輸出==2匝,15V輸出[!--empirenews.page--]=6匝,±15V輸出==6匝,四路隔離15V輸出6匝。
4 實驗結(jié)果
實驗波形如圖3所示,通道1所測量波形為UC3843的6腳輸出MOSFET的驅(qū)動波形,通道2所測量波形為MOSFET的電壓波形。
圖3 MOSFET驅(qū)動波形與波形
此開關(guān)電源在電機正常運行負(fù)載下各路輸出及效率如表1所示。
表1 實際測得輸出數(shù)據(jù)表
實驗得到的測試值與理論值基本符合,實驗證明了設(shè)計電路達(dá)到了預(yù)定的性能指標(biāo)。
4 結(jié)語
本文提供了一種用于電動旅游車中電機控制系統(tǒng)供電電源的設(shè)計思路,由多路輸出反激變換器為旅游車內(nèi)各個設(shè)備提供所需的電源,介紹了UC3843的工作原理以及系統(tǒng)電路的設(shè)計原則。試驗結(jié)果顯示,此開關(guān)電源作為5.5KW異步電機控制系統(tǒng)供電電源,符合設(shè)計標(biāo)準(zhǔn),已在本電動旅游車課題中得到實際應(yīng)用,運行穩(wěn)定可靠。
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