应用于交流伺服系统多路输出开关电源设计

1.引言

  与直流电机相比,交流电机不需要换向器和电刷,其结构更加简单。调速范围宽、稳态精度高、动态响应快、转子惯量小、输出功率大等诸多优点,使得交流电机在工业生产中得到较广泛地应用[1]。对伺服系统供电的电源性能的优劣,直接关系到整个系统的安全性和稳定性[2]。开关电源与低效率的线性电源相比,因为其效率高、体积小、重量轻而受到广泛地关注[3]。美国PI 公司生产的开关电源专用集成芯片TOPSwitch-II,是一种将PWM 和MOSFET 合二为一的新型芯片,此系列芯片以其体积小、重量轻、价格低等优势,一经推出便得到广泛的应用,展示了良好的应用前景。

  2.TOPSwitch-II 工作原理

  TOPSwitch-II芯片,将脉宽调制(PWM)控制系统的全部功能集成在一起,结构简单,只有三个引出端,分别为控制端C、源极S和漏极D[4]。内含脉宽调制器、功率开关场效应管、自动偏置电路、保护电路、高压启动电路和环路补偿电路,通过高频变压器使输出端与电网完全隔离,真正实现无工频变压器、隔离式开关电源单片集成化,使用安全可靠。TOPSwitch-II是电流控制型开关电源,控制端提供偏压Uc,对电流Ic的大小进行控制,就能连续调节脉冲占空比,实现脉宽调制。占空比D与控制端电流Ic呈线性关系(图1)。

  由图1 可知,在Ic=2.0~6.0mA 范围内,当Ic↑时D↓,Ic↓时D↑。ICD1 是并在C-S 极旁路电容的放电电流,为1.2mA 或1.4mA;IB 是外部偏置电流,

 

  3.多路开关电源设计原理

  TMS320F2812 是控制板中的最重要的器件一。它每秒可执行1.5 亿次指令,具备卓越的数据处理能力。对该芯片供电的优劣,直接影响控制板工作的可靠性。由于芯片的供电电压是3.3V,考虑到控制的需要,总共需要两路+5V 供电,分别是模拟5V和数字5V。另外,控制板还有±15V 供电的芯片。IPM 模块是交流伺服系统最重要的器件之一。它一般使用IGBT 作为功率开关元件,内藏电流传感器及驱动电路的集成结构,尤其适合于驱动电机的变频器和各种逆变电源。本系统所使用的IPM,总共需要4 路电气隔离的+15V 电源。综上所述,伺服系统需要+15V、-15V 和+5V三种电压等级供电,故需要设计一个能够提供上述电压等级的辅助电源。电源设计参数如下:

  ① 输入电压:VAC;

  ② 输出电压:U2~U9;

  ③ 最小功率:Pomin;

  ④ 最大功率:Pomax;

  ⑤ 转换效率:η;

  ⑥ 开关频率:fs;

  ⑦ 最大占空比:Dmax。

  根据如上设计技术指标,需要从如下几个部分进行。

  3.1 输入整流滤波电路

  输入整流滤波电路采用Π型滤波(图2):其中C17、C18 为差模电容,抑制差模干扰;C19、C20 为共模电容,抑制共模干扰;滤波电感L1 采用双线并绕。采用不可控的整流桥,整流器件的额定电流有效值ID,必须满足在低电压输入时最大平均电流值,

  则:

  1D 2( AC min ) omax I  V PF  P (1)式中,VACmin 为交流输入电压最小值;PF 为功率因数,一般取0.5。反向阻断电压VR,按高电压输入进行计算:max R 1.25 2 AC V   V (2)图2 中,输入滤波电容C21 的容值,可以按照比例系数1~3μF/W 与输出最大功率Pomax 的乘积进行取值。

  3.2 变压器

  单端反激式开关电源中的变压器,在开关管开通时,储存能量,阻断时释放能量而对负载供电[5]。对于多路输出,如果要求每路输出电压均具有高精度,则每路均需要有闭环的稳压回路。对于本设计的多路输出,U3 输出这一路精度要求较高,对这一路输出需加闭环控制,其它几路要求相对不高,不需要闭环控制。

  3.2.1 变压器铁芯

  一般选软磁铁氧体作为变压器铁芯,根据式

  (3)~(4)确定铁芯型号。

  8 1max max ( ) 2 10 ( C ) o ON SQ B K K j P T 计 (3)式中,S 为铁芯的截面积(cm2);Q 为铁芯的窗口面积(cm2)。Bs 为选用的铁氧体饱和磁感应强度,考虑到高温时Bs会下降,选定工作最大磁感应强度Bm;TONmax为最大占空比Dmax对应的TOPSwitch-II 最大导通时间;△B 为铁芯磁感应强度的变化量,工作磁感应强为B,最小功率与最大功率的比值为K。上述几个量相互之间的对应关系为:

 

  式中,Kc 为铁芯填充系数,Kμ 为窗口利用系数,j为导线电流密度。在确定铁芯型号时,铁芯实际的截面积与窗口面积乘积SeQe,应不小于SQ。

  3.2.2 原边电感和气隙

  反激式开关电源,当工作在连续工作模式时,电感电流临界连续,变压器原边绕组最小电感值L1min 为:1 2 21min min min max (2 o S ) i ON L  P T  U T  (5)式(5)中,Uimin 为变压器原边直流输入电压最小值,文献[6]指出,它与VACmin 的关系为:2 1 1 1 1/2min min 21 max i 2 AC 2( ) (2 ) o U   V  C   f   t P  (6)式中, f 为工频交流电网频率; t 为二极管的导通时间,一般取3ms。铁芯所开气隙δ 为:8 2 10 max 10 (2 e ) o S   K S B   P T (7)3.2.3 原副边绕组匝数计算及电感校核图2 中,原副边绕组匝数N1~N10,按式(8)~(17)

  计算:4 1 1/21 0 1min 10 ( e ) N    S  L   (8)(1)匝比计算:U2~U3 输出,匝数为N2、N3。考虑到肖特基二极管压降U5D,由反激电路输入输出电压关系可以得到:113 12 max 2 5 max min ( ON )( D ) ON i n n T T U U T U      (9)U4~U9 输出,匝数为N4~N9。考虑到超快速二极管压降U15D,同理得:114 max 4 15 max min ( ON )( D ) ON i n T T U U T U     (10)15 16 17 18 19 14 n  n  n  n  n  n (11)反馈绕组电压为U10,匝数为N10,考虑到超快速二极管压降U12D,同理得:1110 max 10 12 max min ( ON )( D ) ON i n T T U U T U     (12)

  (2)各绕组匝数计算:12 3 12 1 N  N  (n ) N (13)以U2 为参考标准,计算其它副边绕组匝数及重新计算原边匝数:1 2 12 N  N  n (14)14 2 5 4 15 2 ( D ) ( D ) N  U U  U U N (15)

  N5  N6  N7  N8  N9  N4 (16)110 2 5 10 12 2 ( D ) ( D ) N  U U  U U N (17)式(13)~(17)实际取值时,因为匝数一般都取整数,故需对上述计算值进行进位取整(例如计算结果为7.13 和7.83 时,均取为8)。(3)原边电感校核:' 8 1 '21min 1 0 10 c L     N  S (18)式(18)的计算结果应不小于式(5)的值。同理,可计算出副边各个绕组最小电感值。考虑高频集肤效应,当开关频率为fs 时,铜线的透入深度△为:1/20 ( s )    f    (19)式中,γ 为铜线的电导率。在确定导线线径时,其值不能超过2△。3.3 箝位保护电路采用瞬态电压抑制器(TVS)和超快恢复二极管(SRD)组成的箝位电路。电路的主要原理是利用TVS 的瞬态电压抑制特性来抑制脉冲电压[7]:当TVS 管两端经受瞬间的高能量冲击时,它能以极高的速度使其阻抗骤然降低,同时吸收一个大电流,将其两端的电压箝位在一个预定的数值上,从而确保后面的电路元件免受瞬态高能量的冲击而损坏。D11 为TVS,它与D12(SRD)组成箝位电路,如图2 所示。D11 承受的耐压值U11、D12 承受的耐压值U12 分别按式(20)、式(21)计算:111 2 2 1 U  1.5U (N ) N (20)12 max 2 AC U  V (21)式中,N'1 为校核后的原边匝数。3.4 反馈电路光耦反馈电路实际由两部分构成:①由反馈绕组N10、高频整流滤波器构成的非隔离式反馈电路,反馈电压U10 为光敏晶体管提供偏压;②由取样电路、TL431、PC817 构成的隔离式反馈电路,它将输出电压U3 的变化量直接转换为控制电流Ic:在Ic=2~6mA 的范围内,输出电压U3 减小时,经过光耦反馈电路使得Ic 减小,D 增大,U3 增大,最终保证输出电压稳定。4.八路开关电源设计及性能测试4.1 参数设计考虑IPM 和DSP 及其他芯片的工作电流,功率选为75W。由TOPSwitch-II 最大输出功率与型号

  故需对上述计算值进行进位取整(例如计算结果为

  的关系,选择TOP226Y。按照上述分析,设计了基于TOP226Y 的八路输出开关电源,其电路原理图,如图2 所示,设计物理量及数值如表1 所示:表1 八路输出开关电源设计物理量及数值

 

  在绕制变压器时,选择了EI33 型铁芯。为了使得各输出绕组间紧密耦合,先绕N1 的一半,再绕N10,之后依次绕N2~N9,最后绕N1 的另一半。变压器的各个绕组电感测量值和最小计算值如表2 所示:表2 变压器各个绕组电感测量值与最小计算值比较

 

 

 

 

图2 开关电源电路原理图

  从表2 可以看出,变压器各个绕组电感测量值均不小于最小计算值,满足设计要求。另外,将副边绕联立式(1)~(20),结合表1,可以求得开关电源各个主要待定物理量(按公式排列顺序)如表3 所示:

  表3 八路输出开关电源待定物理量及数值

  4.2 性能测试

  交流输入电压给定187~253V 时,对开关电源进行了上电试验。为了证明钳位电路的设计,图3 给出了交流输入电压为220V 时,TOP226Y 的D 与S两端的电压应力波形,用差分探头20 倍衰减,可以看到电压被TVS 箝位在200V,使得TOP226Y 得到了很好地保护。图4~图11 是交流输入电压为220V时,测得的八路输出电压波形,从图中可以看到各路输出较稳定,纹波小。组短路,测得原边绕组漏感量为26.28μH,小于原边电感量5%。综上所述,变压器能够正常工作。

  5.结论

  本文采用TOP226Y 设计了一款多路输出的开关电源,对各个模块给出了理论分析和参数计算,最后通过实测结果分析,得到以下结论:

  (1)TOPSwitch-II 系列开关电源,与MOSFET 及PWM 控制器集成电路相比,有高集成度、最简外围电路等优点,降低了设计难度,缩短了开发周期。

  (2)交流输入电压给定为220V±15%时,输出电压波动较小,能够满足交流伺服系统供电要求,验证了理论分析和参数设计的正确性。

  参考文献

  [1] 崔伟荣. 永磁同步电动机功率因数的仿真分析[D]. 南京:南京航空航天大学, 2006.

  [2] 孙祖勇, 陈志辉. 多路隔离输出全数字伺服系统开关电源设计[J]. 电源技术应用, 2007, 10(6):33-37.

  [3] YANG Yueru. A DSP-based bipolar switching powersupply[C]. Proceedings of the 2011 IEEE 9th InternationalConference on Power Electronics and Drive Systems,

  2011:1020-1024.

  [4] 沙占友. 单片开关电源最新应用技术[M]. 北京:机械工业出版社,2003.

  [5] 陈坚. 电力电子学——电力电子变换和控制技术(第二版)[M]. 北京:高等教育出版社, 2004.

  [6] 马瑞卿, 任先进. 一种基于TOP224Y 的单片开关电源设计[J]. 计算机测量与控制, 2007, 15(2): 235-238.

 


【上一个】 我国开关电源行业将顺势而上 【下一个】 开关电源集成控制器概述


 ^ 应用于交流伺服系统多路输出开关电源设计

东方心经2021全年免费资料大全