電動(dòng)旅游車用開關(guān)電源設(shè)計(jì)

1  引言
   
電動(dòng)旅游車的動(dòng)力來源主要是電機(jī)，而電機(jī)的控制系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)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(jì)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(dòng)旅游車電機(jī)為5.5KW異步電機(jī)，主開關(guān)驅(qū)動(dòng)模塊為IPM。

反激變換器具有電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(diǎn)，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(jì)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(dòng)車內(nèi)的主控制系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)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(jiǎn)單、性能可靠、成本低廉等特點(diǎn)。

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(gè)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(gè)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(diǎn)。因此，本文所設(shè)計(jì)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(dòng)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(gè)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(gè)增益高達(dá)90dB的誤差放大器；啟動(dòng)電流低（<1mA）；對(duì)輸入電壓Vcc有滯后欠壓保護(hù)；對(duì)+5VR基準(zhǔn)電壓也有滯后欠壓保護(hù)；有每一個(gè)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(jiǎn)單、可靠性高、故障率低等優(yōu)點(diǎn)。各引腳功能如下：

腳1為補(bǔ)償端子，外接RC網(wǎng)絡(luò)可補(bǔ)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(jìn)行比較，產(chǎn)生誤差電壓；

腳3為電流檢測(cè)輸入端，外接檢測(cè)電阻。可構(gòu)成過流保護(hù)電路，當(dāng)腳3電壓等于或高于1 V時(shí)，電流檢測(cè)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(hù)的目的。因此，被檢測(cè)的峰值電流為

         （1）

式中： 為功率開關(guān)管的電流檢測(cè)電阻。在本設(shè)計(jì)方案中Rs選擇0.5Ω；

腳4外接定時(shí)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(dòng)與關(guān)閉差值可有效地防止電路在門限值電壓附近時(shí)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

 [!--empirenews.page--]
UC3843脈寬調(diào)制器是將開關(guān)變壓器初級(jí)繞組中電流的變化進(jìn)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(cè)比較器輸入。電流檢測(cè)比較器的另一個(gè)輸入端是誤差放大器輸出的信號(hào)，電流信號(hào)與電壓信號(hào)進(jìn)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(jì)與原理
   
本文設(shè)計(jì)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(dòng)供電。設(shè)計(jì)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(dòng)電壓為8.5V，當(dāng)C1電壓充至8.5V時(shí)，UC3843實(shí)現(xiàn)軟起動(dòng)，芯片6腳有信號(hào)輸出，使開關(guān)管Q1開通，能量得以在變壓器原邊儲(chǔ)存，副邊有能量輸出。啟動(dòng)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(shí)，此電壓也作為電壓反饋信號(hào)，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(dòng)脈沖寬度，從而改變輸出電壓以實(shí)現(xiàn)對(duì)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(gè)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(cè)的電流中可能會(huì)有的毛刺，防止電流比較器的誤動(dòng)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(jì)中，?。篟5==6.8KΩ，C5==0.0033μF；則[!--empirenews.page--]=80KHz。
 
3.3  變壓器的設(shè)計(jì)

電動(dòng)汽車中電機(jī)專用的開關(guān)電源是一個(gè)具有多路輸出的直流電源，由高頻變壓器多個(gè)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(jì)。

3.3.1   計(jì)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(shí)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(jì)中變壓器磁心選用鐵氧體EE33磁心，所需氣隙長(zhǎng)度可由下式計(jì)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(jì)算得：

3.3.3   繞組匝數(shù)的確定

原邊繞組計(jì)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(jì)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(shí)驗(yàn)結(jié)果
   
實(shí)驗(yàn)波形如圖3所示，通道1所測(cè)量波形為UC3843的6腳輸出MOSFET的驅(qū)動(dòng)波形，通道2所測(cè)量波形為MOSFET的電壓波形。

圖3  MOSFET驅(qū)動(dòng)波形與波形

此開關(guān)電源在電機(jī)正常運(yùn)行負(fù)載下各路輸出及效率如表1所示。

表1  實(shí)際測(cè)得輸出數(shù)據(jù)表

實(shí)驗(yàn)得到的測(cè)試值與理論值基本符合，實(shí)驗(yàn)證明了設(shè)計(jì)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(dòng)旅游車中電機(jī)控制系統(tǒng)供電電源的設(shè)計(jì)思路，由多路輸出反激變換器為旅游車內(nèi)各個(gè)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(jì)原則。試驗(yàn)結(jié)果顯示，此開關(guān)電源作為5.5KW異步電機(jī)控制系統(tǒng)供電電源，符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，已在本電動(dòng)旅游車課題中得到實(shí)際應(yīng)用，運(yùn)行穩(wěn)定可靠。

參考文獻(xiàn)

[1]   Abraham Pressman(美)著，王志強(qiáng)譯. 開關(guān)電源設(shè)計(jì)(第二版)[M]．北京：電子工業(yè)出版社，2005．

[2]   張占松，蔡宣三. 開關(guān)電源的原理與設(shè)計(jì)(修訂版)[M]. 北京：電子工業(yè)出版社. 2004

[3]   劉勝利. 現(xiàn)代高頻開關(guān)電源實(shí)用技術(shù)[M]. 北京：電子工業(yè)出版社. 2001.

[4]   王正．UC3843控制多路輸出開關(guān)電源設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)．航空計(jì)算技術(shù)，2004，34(2)：88-90．