摘要：闡述了應(yīng)用于高速無刷直流電機(jī)調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)的BucK直流調(diào)壓器的功率器件選型計(jì)算和硬件保護(hù)電路設(shè)計(jì)過程，分析了該Buck調(diào)壓器在設(shè)計(jì)調(diào)試中遇到的問題和解決辦法，并設(shè)計(jì)制造了一臺(tái)樣機(jī)。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該樣機(jī)硬件保護(hù)電路叫靠有效，改進(jìn)后的高頻吸收單元有效地減了小開關(guān)損耗及其對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行造成的影響。實(shí)驗(yàn)樣機(jī)性能良好，可以為高速電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)提供穩(wěn)定可靠的調(diào)壓性能，符合設(shè)計(jì)要求
關(guān)鍵詞：BucK；硬件保護(hù)；高頻吸收單元；無刷直流電機(jī)
引 言
Buck電壓變換電路是一種降壓型Dc／Dc變換器，將固定的直流電壓變換成輸出可變的直流電壓。
本文研究的Buck調(diào)壓器應(yīng)用f額定轉(zhuǎn)速為8000O r/min、額定功率為9 kw的高速無刷直流電機(jī)(HsBLDC)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。對(duì)丁Hs—BLDc驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，由于轉(zhuǎn)速高，需要在轉(zhuǎn)子的磁鋼外面加一個(gè)不導(dǎo)磁的金屬護(hù)套[1-2]。當(dāng)采用逆變器PwM控制方式調(diào)速時(shí)，其開關(guān)過程在電機(jī)中產(chǎn)生的高頻交變磁場(chǎng)會(huì)在轉(zhuǎn)子護(hù)套中感應(yīng)出一定量的渦流，相對(duì)于不采用PwM控制驅(qū)動(dòng)的狀態(tài)可帶來超過50 K的溫升，進(jìn)而造成磁鋼的溫度過高而退磁。另外對(duì)于Hs-BLDc通常采用無位置傳感器控制。最常見也是******的易行的方法是對(duì)電機(jī)端電壓中包含的反電勢(shì)進(jìn)行信號(hào)處理[2]。
如果采用逆變器PwM驅(qū)動(dòng)方式，通過電壓傳感器采集到的反電勢(shì)中會(huì)存在大量的PwM引起的高頻分量。雖然可以采用濾波的方式處理，但濾波產(chǎn)生的相移在高速系統(tǒng)中會(huì)變得十分明顯，給信號(hào)處理帶來一定問題。若采用數(shù)寧濾波，則計(jì)算所需要的時(shí)問相對(duì)電周期而言也是比較長(zhǎng)的，進(jìn)而影響系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能[3]、綜上所述，Hs—BLDc驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)往往需要在電源和逆變器之間采用Buck直流調(diào)壓器，以此來實(shí)現(xiàn)調(diào)壓調(diào)速。本文研究的閌壓器驅(qū)動(dòng)的是較大功率(10 kw)的高速電機(jī)，因此，有效地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)保護(hù)并減小對(duì)控制器和電源的干擾是非常重要的。
Buck調(diào)壓器的保護(hù)部分包括硬件保護(hù)和軟件保護(hù)，其中硬件保護(hù)是對(duì)電流、溫度等控制量進(jìn)行監(jiān)測(cè)并根據(jù)其狀態(tài)直接提供保護(hù)，具有動(dòng)作迅速、保護(hù)有效等優(yōu)點(diǎn)；軟件保護(hù)作為硬件保護(hù)的輔助保護(hù)措施．可以根據(jù)系統(tǒng)當(dāng)前參數(shù)確定保護(hù)措施，如關(guān)斷PwM輸出、改變PwM占空比等，但保護(hù)反應(yīng)時(shí) 該信號(hào)與一個(gè)過流基準(zhǔn)電壓比較，可以生成一個(gè)低電平有效的過流保護(hù)信號(hào)(OC)；本系統(tǒng)過流保護(hù)閥值設(shè)定為70 A。這兩種保護(hù)信號(hào)作為硬件保護(hù)的輸入信號(hào)，經(jīng)過由邏輯門和單穩(wěn)觸發(fā)器組成的保護(hù)電路，輸出的信號(hào)作為IPM的保護(hù)信號(hào)。
由于lPM開通和關(guān)斷需要一定的時(shí)間，如果在導(dǎo)通過程中關(guān)斷或者在關(guān)斷過程中導(dǎo)通，會(huì)使IPM運(yùn)行于線性放大區(qū)。短時(shí)間的反復(fù)通斷就會(huì)引起IPM的發(fā)熱甚至損壞。由74Hcl23構(gòu)成的單穩(wěn)觸發(fā)電路可以在輸入信號(hào)為任意寬度的低電平脈沖的情況下，輸出一個(gè)固定寬度的低電平脈沖信號(hào)。
2實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
實(shí)驗(yàn)室測(cè)試系統(tǒng)由供電單元、Buck調(diào)壓器、負(fù)載單元構(gòu)成。供電單元將380 V三相交流電經(jīng)過自耦變壓器，再通過三相整流濾波電路，作為試驗(yàn)用輸入電源。負(fù)載單元采用數(shù)個(gè)l Ω／2 kw的功率電阻經(jīng)過不同的串并聯(lián)組合作為負(fù)載。當(dāng)系統(tǒng)輸入電壓為200V．PWM占空比為50％、周期為100us，負(fù)載為5 Ω時(shí)的輸出電壓和電流波形輸出功率約為2 kw此時(shí)控制器的供電電壓和控制波形已經(jīng)出現(xiàn)嚴(yán)重干擾，經(jīng)過分析研究發(fā)現(xiàn)，lGBT兩端的cBB電容不足以有效的吸收IGBT開關(guān)時(shí)產(chǎn)生的高頻分量，需要對(duì)吸收電路進(jìn)行改進(jìn)經(jīng)過調(diào)試，將IcBT兩端的(：BB電容換成由5 Ω的功率電阻R和5uF／500V的薄膜吸收電容cl串聯(lián)的吸收電路。該電路與系統(tǒng)中的電感構(gòu)成準(zhǔn)諧振的軟丌關(guān)電路，可以有效地減小IcBT開關(guān)時(shí)產(chǎn)生的高頻干擾和開關(guān)損耗。同時(shí)存IPM的Cl極和E2極之問并聯(lián)一個(gè)5uF500V的薄膜吸收電容曉，吸收IPM在開關(guān)時(shí)產(chǎn)生的高頻信號(hào)以減小列實(shí)驗(yàn)室電網(wǎng)的干擾。
經(jīng)過改進(jìn)后，輸入電壓400 V，PwM占窄比55％，周期為100uF，負(fù)載為5Ω時(shí)的實(shí)驗(yàn)波形。此時(shí)峰值輸出功率實(shí)際已經(jīng)超過9 kw，達(dá)到設(shè)計(jì)要求，且系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，未出現(xiàn)保護(hù)誤動(dòng)作現(xiàn)象。當(dāng)系統(tǒng)負(fù)載繼續(xù)增加，電流達(dá)到70 A時(shí)，硬件保護(hù)單元開始對(duì)系統(tǒng)保護(hù)，保證輸出電流不超過70 A。當(dāng)重新負(fù)載減小至70 A以下時(shí)，系統(tǒng)繼續(xù)正常運(yùn)行，未出現(xiàn)運(yùn)行異常。
高速無刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中使用的電壓變換電路在設(shè)計(jì)和調(diào)試過程中存在一系列的難點(diǎn)，設(shè)計(jì)性能穩(wěn)定、干擾小的功率變換器是研究的重點(diǎn)。本文著重對(duì)Buck調(diào)壓器功率器件的選型計(jì)算和硬件保護(hù)電路的設(shè)計(jì)過程進(jìn)行了闡述和分析，并對(duì)在設(shè)計(jì)凋試中遇到的問題進(jìn)行分析和解決。根據(jù)要求設(shè)計(jì)制造了一臺(tái)BucK調(diào)壓器樣機(jī)。通過負(fù)載實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了Buck調(diào)壓器的硬件保護(hù)電路可靠有效，改進(jìn)后的高頻吸收單元有效地減小了開關(guān)損耗和開關(guān)應(yīng)力及其對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行造成的影響。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)符合設(shè)計(jì)要求，硬件保護(hù)有效可靠，具備良好的電壓凋節(jié)能力。 |
