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隨著電力電子技術的不斷發展，變頻調速技術在工業傳動領域的應用也越來越廣泛，其中尤以交-直-交變頻調速應用最為普遍。交-直-交變頻調速電路包括整流及逆變部分，其中逆變部分典型為6個開關單元(IGBT或MOS管)，上、下臂各3個，也有的加上制動單元為7個開關單元。因為上臂3個單元的控制觸發脈沖信號的參考地是懸浮的，故觸發脈沖一般需要相互隔離的4組電源(上臂3個單元分別供電，下臂共用一組電源)。當然，若軟件配合控制，給出充電脈沖，上臂3個單元的電源采用自舉電路，則只用一組電源即可。這里只討論采用4組電源的情況。逆變器的控制輔助電源有3個特點：1)具有多路輸出電壓。本文介紹的電源就有5V、±15V、四組16V觸發脈沖電源、12V偏置電源、24V共9路輸出電壓。其中，5V、±15V輸出電壓共地，其余輸出電壓均為獨立輸出電壓。2)四組脈沖電源要求輸出電壓一致性較好，穩壓精度較高。3)四組脈沖電源要求能提供較大的瞬時功率，但平均功率較小。要滿足上述要求而又簡單、成本低，采用美國PI公司的TOPSwitch系列產品不失為一種較好的選擇。TOPSwitch系列產品將MOS管和PWM控制器集成在一個芯片之中，外圍電路十分簡單，功率范圍涵蓋了數瓦到數百瓦，芯片封裝形式多種多樣，有的芯片還具有過溫、過流及輸入電壓過、欠壓等保護功能，能靈活適應許多電源的設計。PI公司還推出了TOPSwitch系列產品的輔助設計軟件，以方便使用者快速、準確地設計出所需要的電源。筆者在做一個伺服控制器項目時其輔助電源就選用了TOPSwitch產品來設計，作為一個典型例子，下面簡要介紹其設計方法及要點。 電路沒計 電源設計要求 輸入電壓VIN范圍：180VAc～240VAc。各輸出電壓幅值及額定負載分別為：Vo1：5.8V，1A；Vo2：15V，0.2A；Vo3：-15V，0.2A；Vo4：24V，0.1A；Vo5：16V，0.2A；Vo6：16V，0.1A；Vo7：16V，0.1A；Vo8：16V，0.1A；VBIA：12V，0.02A。要求工作可靠，所占空間小，成本較低。 TOPSwitch器件選型 在本電源中，Po=22.44w，電源工作于密閉的控制柜中，為了工作可靠應具有過溫、過流及輸入過、欠壓等保護措施，綜合考慮后，我們選擇了TOPSwitch-GX系列的TOP243R器件。該器件在輸入電壓為230VAC±15％時，在適配器工作環境下(對應于密閉環境)最大輸出功率為29W，且有過溫、過流及輸入過、欠壓等保護功能，"R"型封裝便于利用PCB覆銅層散熱，省去散熱器。 高頻變壓器設計 針對采用TOPSwitch系列產品的電源設計，PI公司推出了PI Expert輔助設計軟件。只要輸入電源設計要求，該軟件會快速、準確地給出設計結果，包括推薦采用的TOPSwitch系列產品、變壓器磁芯及變壓器初、次級繞組參數等。但目前版本只支持最多5組次級輸出繞組，若輸出繞組大于5組，則可按下述步驟手工計算變壓器繞組參數： 式中VACMIN為最小輸入交流電壓，Po為輸出功率，fL為輸入線電壓頻率，tC為橋式整流傳導時間，典型值為3ms，η為效率(一般取0.8)，CIN為輸入濾波電容(一般取輸出功率(w)的2～3倍(μF))。 式中VOR為反射電壓。對TOP2XX系列器件而言，VOR≤135V，這里取135V。VDS為主開關導通時D、S端間壓降，典型值為10V。 則式中KRP為紋波電流與峰值電流比。在連續工作模式下，對230VAC輸入，KRP≥0.6，這里KRP取0.6。 則式中fs為工作開關頻率，這里fs=132KHz，則 次級繞組匝數Ns：對TOPSwitch器件來說，在85～265VAC或230VAC輸入時，Ns取0.6匝/V，故Ns=(Vo+VD)×0.6。式中Vo為輸出電壓，VD為輸出二極管正向壓降。一般對肖特基二極管VD取0.4V，對超快恢復二極管VD取0.7V。本電源中，5.8V輸出二極管采用新電元公司的DE3S4M，根據資料其VD=0.55V。因此，5.8V輸出電壓的繞組匝數N5.8V=(5.8V+0.55)×0.6=3.81(匝)，取整數為4匝。 取16匝。 以上主要介紹了變壓器繞組匝數及初級繞組電感的計算，變壓器磁芯氣隙長度及繞組線徑等參數的計算選 擇在此不再贅述。電源電路如圖1所示。 設計要點 根據筆者的經驗，設計中應注意以下3方面： 變壓器繞制工藝 為使初、次級繞組耦合好，漏感小，應采用"初包次"的繞法。另外，因為5V、15V繞組共地，故在繞制15V繞組時可采用堆疊式繞法，即將5V繞組作為15V繞組的一部分，這樣可加強磁耦合，改善15V電壓輕載時的穩壓性能，減少需要的骨架引腳，降低制造成本。對于不共地的其他繞組只能采用分離式繞法，其優點是可靈活排列。為了減小漏感引起的能量損失，應將輸出電流較大的繞組靠近里層初級繞組。 因為4組觸發脈沖電源平均功率較小，為使其電壓一致性(亦即輕載穩壓性能)較好，應將4組繞組并繞。若不夠繞滿一層，可采用多根并繞的方式使其繞滿一層，這樣雖然成本有所提高，但可有效地提高4組脈沖電源的電壓一致性。筆者繞制的變壓器采用上述工藝后，4組電源最高、最低輸出電壓差減小為0.25V。 TOPSwitch器件散熱設計 因為該電源功率不大，故選用TOP243R型器件，利用PCB板覆銅層散熱。在散熱設計時應注意：1)將散熱面設計成鍍錫層，即在散熱面的覆銅層上只鍍一層錫，不加阻焊漆，一來有利于散熱，二來可保護覆銅層以免受潮、氧化。但這樣覆銅層絕緣性能受到影響，不適用于直接裸露無外罩的電源。2)盡可能加大散熱面積。3)若為雙面板或多層板，應在各層、面間加適當金屬化過孔以降低熱阻，利于散熱。 PCB設計 應注意電源及變壓器的初、次級在空間上保持適當距離，避免相互干擾。初、次級分別"鋪地"，一來可減小電磁干擾，二來方便連接。"一點接地"原則，即TOPSwitch器件的控制端的參考地、偏置電源的參考地與其"S"端(主電路的參考地)必須盡量接在"一點"，這里的"一點"即指電路原理上的"一點"，也指PCB板上物理位置的"一點"。其目的是避免主電路上的較大脈沖電流流經控制電路地線從而引起控制地線上的壓降，干擾正常的控制信號。 結語 該電源已用于筆者設計的伺服電機控制器中，經實際試驗表明，該電源性能良好，工作可靠，元件少，所占空間小，成本低，滿足使用要求，也可廣泛適用于類似的逆變器應用場合。 |
