電機控制用多輸出開關電源設計
本文引見了一種基于專用芯片UC3842的開關穩壓電源。在電機調速控制器中，該電源提供功率開關元件基極(柵極)驅動電壓和控制電路工作電壓。開關電源性能的好壞直接影響到電機調速控制器的工作牢靠性。該電源是為30 kW開關磁阻電機控制器設計的，也適用于采用功率ＭＯＳＦＥＴ或ＩＧＢＴ作為開關元件的中小功率感應電機調速控制器。
1主回路計劃
1.1電源電路
此電源是為30 kW開關磁阻電機控制器設計的，此電機功率變換器的主電路為不對稱半橋電路［1］。采用反激變換器構造［2］，具有構造簡單、損耗小的優點，但輸出電壓紋波較大，通常用在150 W以下的電源中。詳細電路如圖1所示。
此電源為單芯片集成穩壓電源，PWM芯片采用UC3842。UC3842是一種高性能的固定頻率電流型控制器，是專為脫線式直流變換電路設計的，其內部構造如圖2所示。
他集成了振蕩器、有溫度補償的高增益誤差放大器、電流檢測比擬器、圖騰柱輸出電路、輸入和基準欠電壓鎖定電路及PWM鎖存器電路。能夠完成逐一脈沖的電流限制，輸出電流可達1 A，可直接驅動MOSFET。
1.2工作原理
此電源電路工作原理為：220 V三相的交流輸入電壓先經三相不控整流，再經支撐電容平滑，為電源電路提供550 V直流工作電壓。當三相逆變器接通電源時，R5和C2吸收電路啟動時的沖擊電流。從逆變器主電路來的直流母線電壓經電阻R6降壓后，給ＵＣ3842提供約16V的起動電壓。進入正常工作后，二次繞組W3經D3，C16提供ＵＣ3842的工作電壓。另一繞組W2的高頻電壓經D2，C13整流濾波，再經7.5kΩ電阻R12，R13和2kΩ電位器RP1分壓，取得輸出電壓信號。此信號經可調穩壓管ＴＬ431產生偏向信號，再經光電隔離加到ＵＣ3842的誤差放大器放大，控制ＶＭＯＳ管的開通與截止，完成穩壓的目的。電源的過流維護由1.8Ω電阻R19檢測到ＶＭＯＳ管的過流信號，電流超越域值時封鎖ＵＣ3842輸出信號，完成單周期過流維護。
UC3842驅動VMOS管VT1以控制高頻變壓器一次繞組通斷，進而取得多組副邊電壓輸出。此輸出經二極管整流、電容濾波后得到多路直流電壓。供應三相逆變器各功率開關元件驅動(W6，W7，W8，W9)與ＰＷＭ控制電路(W2，W4，W5)。電路穩定工作時UC 3842的電源由W3，D3，C16組成的電源電路提供。
�。郑停希庸苓x用耐壓1000Ｖ，電流8Ａ的場效應管8N100。為了保證開關元件在快速開關過程中不產生過大的尖峰電壓，需用C8，R15，D1組成的ＲＣＤ緩沖電路來抑止。緩沖電路二極管V3選用快速恢復二極管FR107。
R8，R9和穩壓管D11用來限制柵極電壓和電流，進而限制ＶＭＯＳ管開關速度，有利于改善電磁兼容性。
+15V電源和-15V電源對控制電路電源精度請求較高，但由于共用同一個變壓器很難經過PWM完成反應控制來穩壓。為取得高質量的控制電源，應用線性穩壓芯片7815和7915(如圖1所示)構成了復合式開關穩壓電源。為避免輸出在輕載或空載時的電壓升高，在5 V整流輸出端并聯一個100Ω的負載電阻。
2變壓器設計
電機控制逆變器開關電源是一個具有多路輸出的直流電源。由高頻變壓器8個副邊繞組經整流濾波后取得。開關電源的性能在很大水平上決議于變壓器的設計。
2.1功率計算
高頻變壓器的副邊繞組Ｗ6，Ｗ7，Ｗ8提供了三相逆變器3個上橋臂元件的驅動電源，Ｗ9提供了下橋臂3個元件的驅動電源(亦可用3個繞組分別提供，以防止穿插干擾，此處只用一組是為了簡化系統)。按逆變器開關元件對驅動電路電壓、電流的請求肯定功率。本電機控制功率變換器功率模塊為IGBT，驅動模塊為EXB841。選定Ｗ2，Ｗ3，Ｗ4電壓20Ｖ，電流100mA；Ｗ5電壓20Ｖ，電流200mA。Ｗ6，Ｗ7繞組提供其他模仿電路±15Ｖ，300mA電源。Ｗ8繞組提供5Ｖ給微處置器，輸出電流為2Ａ。Ｗ2為開關電源本身的反應繞組，其功率很小，可疏忽。
由以上設定條件可知高頻變壓器的輸出功率為：
設計效率為85%并留有一定裕量，設計目的為額定功率為40 Ｗ的高頻變壓器。
2.2磁心的選用
依據文獻［3］給出的高頻變壓器最大接受功率與磁心截面積的關系并思索窗口面積，本開關電源選用EI-35磁心，其有效截面積為100 mm2。
2.3繞組匝數確實定
首先肯定開關電源功率和開關元件的工作頻率。若工作頻率小于20 kHz，則進入音頻范圍的噪聲較大，紋波增大。若開關頻率較高，則開關損耗增大，系統效率降低。因而肯定工作頻率時要折衷思索，實踐選擇工作頻率為30 kＨz。
取ＰＷＭ調制的占空比：
思索工作環境較為惡劣，最低直流輸入電壓：
EI35中心柱磁芯有效面積：Ae=100 mm2
鐵氧體磁芯磁感應強度取65%的飽和值：
依據一個導通期間的伏秒值與原邊匝數的關系，則變壓器的原邊匝數為：
實踐取300匝以便于繞制與計算。則變壓器副邊繞組匝數計算如下：
原邊繞組每匝伏數為：
取整流二極管壓降0.7 V，副邊繞組壓降0.6 V得：
實驗時由于氣隙的緣由產生漏磁，以上副邊匝數還需稍做調整。
2.4氣隙
與正激開關電源變壓器不同，此還擊電源變壓器兼有儲能的作用，流過直流電流成分時容易飽和。所以要運用帶有氣隙的磁芯。原理如圖3所示。
有氣隙時，由于B-H特性曲線斜率減小。在Hdc不變的狀況下Bdc減小，磁滯回環遠離飽和區。另外，有氣隙時剩余磁感應強度Br減小，ΔBac變化范圍增大。另外又由于有氣隙時B-H特性曲線向H軸靠攏，在ΔBac，Bdc不變的狀況下ΔHac，Hdc增大。由上可知，恰當增加氣隙能夠加強電路的電流輸出才能和抗干擾才能。
經過實驗氣隙大小為0.3 mm時較為適宜。
3實驗與結論
此開關電源5 V時輸出的紋波如圖4所示，峰值為15 mV，紋波不大于0.3％。該電源作為30 kW開關磁阻電機控制器電源，在成功油田已得到實踐應用，工作牢靠。
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