基于SG3525的電機(jī)剎車系統(tǒng)電源設(shè)計(jì)

近年來(lái)，功率電子器件、PWM技術(shù)在電子技術(shù)方面及電源系統(tǒng)上的應(yīng)用越來(lái)越成熟。本文采用SG3525控制器設(shè)計(jì)電機(jī)剎車系統(tǒng)的脈沖電源，其是目前較為理想的一種電機(jī)剎車系統(tǒng)電源。該電路具有體積小、控制方便、系統(tǒng)穩(wěn)定、性能可靠等特點(diǎn)。

1 SG3525的結(jié)構(gòu)及主要性能

SG3525是電流控制型PWM脈寬調(diào)制控制器，其不僅可通過(guò)調(diào)節(jié)外接電阻大小的方式來(lái)調(diào)節(jié)死區(qū)時(shí)間，還具有軟起動(dòng)方式和脈沖控制封鎖保護(hù)等功能。通過(guò)調(diào)節(jié)SG3525第5腳上CT的電容和第6腳上RT的電阻，便可改變輸出控制信號(hào)PWM的頻率，調(diào)節(jié)第9腳COMP的電壓可改變輸出脈寬，通過(guò)以上功能可大幅改善開關(guān)電源的動(dòng)態(tài)性能，并簡(jiǎn)化控制電路的設(shè)計(jì)。其外接電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且使用方便，輸出驅(qū)動(dòng)為拉輸出形式，增加了驅(qū)動(dòng)能力。內(nèi)部含有欠壓鎖定電路、軟啟動(dòng)控制電路、鎖存器。此外，其還具備過(guò)流保護(hù)功能，頻率可調(diào)，同時(shí)能限制最大占空比。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。

13腳的輸出電壓Vc作為基準(zhǔn)電壓調(diào)整器15腳的輸入電壓。當(dāng)Vc>8 V時(shí)，基準(zhǔn)電壓調(diào)整器的16腳輸出幅值為5.1 V、精度為+1%。當(dāng)Vc8 V時(shí)，基準(zhǔn)電壓調(diào)整器的輸出降低、精度也會(huì)下降。由于芯片內(nèi)部有欠壓鎖定器的存在，當(dāng)15引腳出現(xiàn)欠壓時(shí)，欠壓鎖定器輸出一個(gè)高電平。經(jīng)過(guò)一個(gè)或非門后變?yōu)橐粋€(gè)低電平輸入到T1和T5的基極，使T1和T5關(guān)斷，13腳輸出為Vc，11腳和14腳脈沖禁止。功率驅(qū)動(dòng)電路輸出至功率場(chǎng)效應(yīng)管的控制脈沖消失，變換器無(wú)電壓輸出，從而實(shí)現(xiàn)了欠壓鎖定保護(hù)的目的。

SG3525內(nèi)部的晶體管T3基極通過(guò)一個(gè)電阻與芯片的10腳相連，當(dāng)系統(tǒng)有過(guò)流信號(hào)時(shí)，輸出一個(gè)高電平經(jīng)過(guò)電阻與欠壓鎖定的輸出端的或非門相連，結(jié)果也導(dǎo)致11腳和14腳的輸出禁止，達(dá)到保護(hù)的目的。

芯片的軟啟動(dòng)功能主要是由8腳的外接電容C3和晶體管T3實(shí)現(xiàn)。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)欠壓時(shí)，系統(tǒng)的欠壓鎖定器輸出一個(gè)高電平到T3的基極，使T3導(dǎo)通，此時(shí)C3開始放電。當(dāng)C3電壓放到為零時(shí)，PWM比較器輸出一個(gè)高電平，經(jīng)過(guò)PWM鎖存器后，此高電平接到兩個(gè)或非門，使T1和T5截止，11腳和14腳脈沖禁止。當(dāng)過(guò)壓信號(hào)正常時(shí)，欠壓鎖定器輸出的低電平使T3截止，C3緩慢充電。當(dāng)C3充電至高電平時(shí)，PWM比較器輸出低電平，經(jīng)PWM鎖存器后，使T1和T5恢復(fù)正常工作狀態(tài)。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

SG3525芯片需要的供電電流較小，為十幾mA，所以其供電電源由24 V電源通過(guò)穩(wěn)壓芯片78M15由24 V轉(zhuǎn)為15 V供給。通過(guò)對(duì)5腳、6腳和7腳設(shè)置11腳和14腳的輸出頻率。產(chǎn)生的兩路方波信號(hào)分別控制兩個(gè)MOSFET管，接到脈沖變壓器的輸入兩端。脈沖變壓器的輸入端中間觸頭接由24 V轉(zhuǎn)化而來(lái)的15 V電源，脈沖變壓器的兩個(gè)輸出分別接兩個(gè)IGBT，從而對(duì)由380 V交流電壓經(jīng)整流橋整流后的540 V直流電壓進(jìn)行斬波，形成電機(jī)所需的額定電壓。電機(jī)得電后剎車系統(tǒng)松離，電機(jī)運(yùn)行;失電時(shí)呈抱死狀態(tài)，電機(jī)停止運(yùn)行。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.1 驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

如圖2所示，系統(tǒng)以SG3525為主控制芯片，通過(guò)設(shè)置5腳、6腳和7腳的電阻和電容的參數(shù)，控制芯片的輸出方波頻率。11腳和14腳方波輸出頻率為3腳振蕩器鋸齒波的1/2。振蕩器輸出頻率為f，11腳和14輸出的頻率為f0

f=1/[CT(0.7RT+3RD)] (1)

fo=f/2 (2)

其中，CT，RT和RD分別為5腳外接電容C9，6腳外接電阻R20和5腳與7腳之間跨接的電阻R39?？紤]到IGBT的開關(guān)損耗和脈沖變壓器的體積大小，選C9=2.4 nF，R20=10 kΩ，R39=100 Ω，可得到11腳和14腳的輸出頻f0=30 kHz。

電路的軟啟動(dòng)電容C10為4.7μF，只有當(dāng)此電容充電到控制芯片8腳為高電平時(shí)，芯片才能正常工作。11腳和14腳構(gòu)成推挽式輸出，兩個(gè)MOSFET管依次導(dǎo)通和截止。當(dāng)Q2門極為高電平時(shí)，Q2導(dǎo)通，此時(shí)Q3截止。脈沖變壓器中問(wèn)觸頭15 V電源通過(guò)變壓器的上半部分和Q2形成回路。此時(shí)，脈沖變壓器的輸出端同名端5腳和1腳產(chǎn)生約15 V的電壓，此電壓通過(guò)濾波后可驅(qū)動(dòng)IGBT導(dǎo)通;當(dāng)Q2門極為低電平時(shí)，Q2截止，此時(shí)Q3門極為高電平，Q3導(dǎo)通。脈沖變壓器的中間觸頭15 V電源通過(guò)脈沖變壓器下半部分和Q3形成回路。此時(shí)，脈沖變壓器輸出端6腳和2腳產(chǎn)生約15 V的電壓，此電壓加到IGBT的發(fā)射極上，使IGBT能夠可靠截止。

2.2 整流電路

系統(tǒng)整流電路如圖3所示，三相交流電經(jīng)EMI濾波電感濾波后，大幅減小了交流成分產(chǎn)生的電磁干擾，同時(shí)也防止產(chǎn)生了諧波干擾。在EMI輸出端接入一個(gè)小容量耐高壓的無(wú)感電容，消除高頻干擾。為了提高電容的容量和耐壓值，在整流橋輸出端接兩個(gè)并聯(lián)的耐高壓的大電容，C20和C27的容量要足夠大，以減小輸出電壓的紋波和低頻振蕩。但C20和C27不能無(wú)限大，為了達(dá)到系統(tǒng)輸出電壓紋波輸出要求，此電容應(yīng)滿足

式中，C為濾波電容，單位為F;f為整流電路脈沖頻率，單位Hz;U為整流電路最大輸出電壓，單位V;I為整流電路最大輸出電流，單位A。ACv為紋波系數(shù)，單位是%。

2.3 BUCK電路

電機(jī)制動(dòng)系統(tǒng)是在電機(jī)的尾部有一個(gè)電磁報(bào)剎系統(tǒng)，當(dāng)電磁報(bào)剎系統(tǒng)得電時(shí)，剎片分離，電機(jī)運(yùn)行;失電時(shí)，報(bào)剎片在彈簧的作用下使電機(jī)制動(dòng)。所選剎車的勵(lì)磁線圈的額定電壓為直流190 V，額定電流為0.55 A。而系統(tǒng)的電源為AC380V交流電，所以必須要經(jīng)過(guò)整流和降壓后，使輸出的電壓約為190 V直流電時(shí)，才能保證電機(jī)能正常運(yùn)行。

在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖2中，斬波降壓電路選用的開關(guān)管為IGBT，選用兩IGBT，提高了系統(tǒng)的可靠性。380 V交流電源通過(guò)三相硅橋整流為540 V直流電壓后接到IGBT的集電極，發(fā)射極接濾波電感和電容，門極接脈沖變壓器的輸出端，作為IGBT的驅(qū)動(dòng)。負(fù)載為直流電機(jī)的線圈，所選的直流電機(jī)的額定電壓為190 V，所以要求方波信號(hào)的占空比為