應(yīng)用于壓縮機(jī)電機(jī)控制器的電源設(shè)計(jì)

周 峰 蔣 偉 張安東

（1. 蘇州航天林泉電機(jī)有限公司，江蘇 蘇州 215011；2. 揚(yáng)州大學(xué)水利與能源動(dòng)力工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225127）

反激開(kāi)關(guān)電源因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、效率高、成本低等特性在電機(jī)控制領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[1]。在電力電子領(lǐng)域已經(jīng)具備大量的開(kāi)關(guān)電源研究成果，但在電機(jī)控制的相關(guān)應(yīng)用上還存在著很多問(wèn)題。傳統(tǒng)的反激開(kāi)關(guān)電源的穩(wěn)壓反饋回路基本是采用電阻分壓采樣形式，不具備隔離性，抗干擾能力較差，響應(yīng)速度慢，造成輸出電壓紋波大[2-3]。隨著不斷改進(jìn)，大多采用光耦隔離反饋輸出電壓的設(shè)計(jì)也是單路反饋，另一路依靠變壓器次級(jí)繞組匝比控制，依然存在輸出電壓紋波較大等缺點(diǎn)。

本文針對(duì)上述問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一款帶隔離反饋控制的雙輸出反激電源，一路3.3V輸出提供給控制系統(tǒng)中控制芯片，其輸出電壓通過(guò)光耦PC817和穩(wěn)壓芯片TLV431進(jìn)行直接反饋。另一路15V輸出給驅(qū)動(dòng)芯片供電，該路電壓的輸出控制一方面通過(guò)變壓器次級(jí)線(xiàn)圈的匝比調(diào)節(jié)控制，同時(shí)還在15V和3.3V之間跨接一個(gè)電阻作為虛擬負(fù)載，利用該電阻實(shí)現(xiàn)間接反饋控制。

電動(dòng)空調(diào)壓縮機(jī)電機(jī)控制系統(tǒng)并不是一個(gè)長(zhǎng)期不間斷運(yùn)行的系統(tǒng)，因此為了節(jié)約能耗，本設(shè)計(jì)增加了電源工作喚醒功能，利用了整個(gè)控制系統(tǒng)中的CAN通信信號(hào)作為電源工作的喚醒信號(hào)。

1 電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)主電路采用的是雙輸出反激電路拓?fù)?，兩路輸出分別為15V/0.1A和3.3V/0.3A，輸入電壓為壓縮機(jī)控制系統(tǒng)的低壓控制電壓 8V DC～17V DC，該輸入電壓恰好在電源控制芯片的供電和起動(dòng)電壓范圍內(nèi)，因此相比常規(guī)設(shè)計(jì)，這里不需要輔助繞組給電源芯片供電。為了抑制變壓器漏感引起了尖峰電壓，變壓器的原邊并聯(lián)了RCD吸收電路，這里的R2采用的是快恢復(fù)二極管，同時(shí)考慮到優(yōu)化開(kāi)關(guān)性能，降低損耗，MOS管兩端也增加了吸收電路，主電路圖如圖1所示。

電路輸入部分利用差模、共模電感和對(duì)地電容，抑制瞬態(tài)電流和外殼之間絕緣性達(dá)到相應(yīng)的電磁兼容指標(biāo)，電磁兼容指標(biāo)包括電磁輻射電磁抗干擾。電磁輻射要求測(cè)試電源端子騷擾電壓和輻射騷擾的場(chǎng)強(qiáng)，電源工作時(shí)產(chǎn)生的輻射低于GB 9254—2008規(guī)定。電磁輻射抗干擾要求按照GB/T 17618—1998規(guī)定的測(cè)量條件下電源能夠正常工作[4]，具體電路如圖2所示。

圖1 主電路圖

圖2 電磁兼容輸入電路

穩(wěn)壓反饋控制電路核心是電源控制芯片UC2845、穩(wěn)壓器TLV431和光耦PC817A。UC2845是Unitrode公司生產(chǎn)的高性能電流控制型脈寬調(diào)制芯片。其具有低起動(dòng)和工作電流、過(guò)流保護(hù)欠壓鎖定等特性，同時(shí)體積小、效率高、成本低，最大占空比50%，開(kāi)關(guān)頻率根據(jù)，這里R17取10kΩ，C22取1000pF，則開(kāi)關(guān)頻率為172kHz。利用穩(wěn)壓器TLV431作為電壓基準(zhǔn)源和誤差放大器，采樣 3.3V輸出電壓，將電壓誤差通過(guò)光耦 PC817A傳送給UC2845的1腳，產(chǎn)生占空比控制MOS管D11的通斷，TLV431內(nèi)部自帶高增益誤差放大器，可實(shí)現(xiàn)高精度輸出穩(wěn)壓控制[5]。同時(shí)電阻R18將經(jīng)過(guò)MOS管的電流轉(zhuǎn)化為電壓送給UC2845的3腳，起到了過(guò)流保護(hù)的作用，如圖3所示。為了解決兩路輸出帶載差別較大時(shí)輸出不穩(wěn)問(wèn)題，本設(shè)計(jì)在15V和3.3V輸出間接了一個(gè)10kΩ的虛擬負(fù)載R21，當(dāng)15V輸出因負(fù)載較小時(shí)，會(huì)出現(xiàn)電壓偏高，此時(shí)部分電流會(huì)通過(guò)虛擬負(fù)載R21流向反饋回路，實(shí)現(xiàn)對(duì)15V輸出的穩(wěn)壓控制。

圖3 反饋控制電路

該電源所供的電動(dòng)空調(diào)壓縮機(jī)控制器并不是長(zhǎng)期不間斷運(yùn)行系統(tǒng)，本設(shè)計(jì)設(shè)有工作喚醒功能，在電源的輸入端加入一個(gè)晶體管D9和一個(gè)晶閘管Q1，利用壓縮機(jī)控制系統(tǒng)工作時(shí) CAN通信信號(hào)作為觸發(fā)源實(shí)現(xiàn)電源工作喚醒，電路如圖4所示。當(dāng)壓縮機(jī)系統(tǒng)正常工作時(shí)，上位機(jī)和控制器之間會(huì)有實(shí)時(shí)參數(shù)收發(fā)，一旦通信正常，通信芯片IC5的7腳就會(huì)產(chǎn)生高電平信號(hào)，通過(guò)D10給到晶體管D9的基極，晶體管導(dǎo)通，此時(shí)開(kāi)關(guān)管Q1也開(kāi)通，實(shí)現(xiàn)電源輸入導(dǎo)通。

圖4 工作喚醒電路

2 電源參數(shù)設(shè)計(jì)

2.1 反饋回路參數(shù)設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中穩(wěn)壓反饋控制電路核心是電源控制芯片UC2845、穩(wěn)壓器TLV431和光耦PC817A。TLV431參考電壓VREF=1.24，參考端電流參考值IREF=0.15μA，通常限流電阻在參考電流100倍以上取得[6-7]，因此根據(jù)式（1），R9、R14分別取值5.1kΩ和1.3kΩ，即

根據(jù)TLV431數(shù)據(jù)手冊(cè)可知，IK為0.1～15mA，因此其必須要達(dá)到0.1mA才能正常工作，故

PC817A的CTR為80%～160%，導(dǎo)通壓降VF為1.2V，正向?qū)娏鱅F為5mA，故

由式（3）和式（4）可得，R13=200Ω，R19=2kΩ。

2.2 變壓器設(shè)計(jì)

1）磁心選擇

變壓器磁心選擇采用了窗口面積法（AP法）來(lái)選擇所需要的磁心[8-10]。AP計(jì)算公式如下：

式中， fS為變壓器工作頻率，取 172kHz；BW工作磁通密度，取 1.2T； Kf為波形系數(shù)，方波取 4；J為繞組電流密度的比例系數(shù)，取400A/cm2；K為窗口系數(shù)，取0.4；PT=10W，將這些參數(shù)帶入算得AP=0.86cm4，通過(guò)查表，因此這里選擇EE13錳鋅鐵氧體磁心。

2）繞組匝數(shù)

變壓器原邊繞組匝數(shù)NP為

式中，ΔB為磁心工作磁感應(yīng)強(qiáng)度變化值。由式（6）計(jì)算得，NP=23匝。

副邊匝數(shù)NS為

由式（7）計(jì)算得，15V輸出線(xiàn)圈，NS1=49匝，3.3V輸出線(xiàn)圈，NS2=13匝。

3）變壓器氣隙

為了防止變壓器飽和，必須留有一定氣隙，即

式中，IPK為變壓器原邊繞組的峰值電流。

根據(jù)式（8）可得，變壓器氣隙 lg=0.25mm。

2.3 功率管選型

功率開(kāi)關(guān)管最小電壓應(yīng)力UDS為

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，通常選擇功率管時(shí)其 UDS電壓會(huì)高于式（9）計(jì)算值。本設(shè)計(jì)選用的開(kāi)關(guān)功率管是Nexperia公司的UDS=55V，ID=12A的BUK9832-55A功率管。

3 試驗(yàn)結(jié)果及波形

實(shí)驗(yàn)條件如下：輸入電壓VDC（8～17V），額定電壓為12V，輸出電壓分別為15V和3.3V，開(kāi)關(guān)頻率172kHz，負(fù)載為電動(dòng)空調(diào)壓縮機(jī)電機(jī)控制器（15V負(fù)載為電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，3.3V負(fù)載為控制器MCU和運(yùn)放模塊）。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，輸出電壓 1的平均值為15.10V，輸出電壓2的平均值為3.35V。

滿(mǎn)載運(yùn)行時(shí)，輸入電壓VDC在8～17V內(nèi)變化，輸出電壓 1平均電壓為 15.1V，紋波峰峰值為166mV，紋波系數(shù)為1.1%；輸出電壓2平均電壓為3.28V，紋波峰峰值為31.2mV，紋波系數(shù)為0.95%，兩路電壓輸出波形和紋波分別如圖5、圖6所示。

圖5 兩路電壓輸出波形

圖6 兩路輸出紋波

根據(jù)以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果及實(shí)驗(yàn)波形可證實(shí)，該電源性能完全符合指標(biāo)要求，具備可行性和穩(wěn)定性，并在相關(guān)產(chǎn)品上已經(jīng)多次實(shí)際應(yīng)用。

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一款應(yīng)用于壓縮機(jī)電機(jī)控制器的雙路輸出反激開(kāi)關(guān)電源。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，該電源成功克服了傳統(tǒng)的雙路輸出電源的負(fù)載差別大輸出電壓不穩(wěn)、紋波大等弊端，同時(shí)還充分結(jié)合壓縮機(jī)系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行工況增加工作喚醒功能。該電源輸入輸出隔離，穩(wěn)壓率高，紋波系數(shù)低，反饋動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快，具備良好的通用性，可廣泛應(yīng)用于其他電機(jī)控制器。