基于SG3525的電機剎車系統(tǒng)電源設(shè)計

近年來，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)用越來越成熟。本文采用SG3525控制器設(shè)計電機剎車系統(tǒng)的脈沖電源，其是目前較為理想的一種電機剎車系統(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。

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，其不僅可通過調(diào)節(jié)外接電阻大小的方式來調(diào)節(jié)死區(qū)時間，還具有軟起動方式和脈沖控制封鎖保護等功能。通過調(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PWM的頻率，調(diào)節(jié)第9腳COMP的電壓可改變輸出脈寬，通過以上功能可大幅改善開關(guān)電源的動態(tài)性能，并簡化控制電路的設(shè)計。其外接電路結(jié)構(gòu)簡單且使用方便，輸出驅(qū)動為拉輸出形式，增加了驅(qū)動能力。內(nèi)部含有欠壓鎖定電路、軟啟動控制電路、鎖存器。此外，其還具備過流保護功能，頻率可調(diào)，同時能限制最大占空比。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。

13腳的輸出電壓Vc作為基準電壓調(diào)整器15腳的輸入電壓。當Vc>8 V時，基準電壓調(diào)整器的16腳輸出幅值為5.1 V、精度為+1%。當Vc8 V時，基準電壓調(diào)整器的輸出降低、精度也會下降。由于芯片內(nèi)部有欠壓鎖定器的存在，當15引腳出現(xiàn)欠壓時，欠壓鎖定器輸出一個高電平。經(jīng)過一個或非門后變?yōu)橐粋€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)動電路輸出至功率場效應(yīng)管的控制脈沖消失，變換器無電壓輸出，從而實現(xiàn)了欠壓鎖定保護的目的。

SG3525內(nèi)部的晶體管T3基極通過一個電阻與芯片的10腳相連，當系統(tǒng)有過流信號時，輸出一個高電平經(jīng)過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，達到保護的目的。

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

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電源通過穩(wěn)壓芯片78M15由24 V轉(zhuǎn)為15 V供給。通過對5腳、6腳和7腳設(shè)置11腳和14腳的輸出頻率。產(chǎn)生的兩路方波信號分別控制兩個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)化而來的15 V電源，脈沖變壓器的兩個輸出分別接兩個IGBT，從而對由380 V交流電壓經(jīng)整流橋整流后的540 V直流電壓進行斬波，形成電機所需的額定電壓。電機得電后剎車系統(tǒng)松離，電機運行;失電時呈抱死狀態(tài)，電機停止運行。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.1 驅(qū)動設(shè)計

如圖2所示，系統(tǒng)以SG3525為主控制芯片，通過設(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。

電路的軟啟動電容C10為4.7μF，只有當此電容充電到控制芯片8腳為高電平時，芯片才能正常工作。11腳和14腳構(gòu)成推挽式輸出，兩個MOSFET管依次導(dǎo)通和截止。當Q2門極為高電平時，Q2導(dǎo)通，此時Q3截止。脈沖變壓器中問觸頭15 V電源通過變壓器的上半部分和Q2形成回路。此時，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，此電壓通過濾波后可驅(qū)動IGBT導(dǎo)通;當Q2門極為低電平時，Q2截止，此時Q3門極為高電平，Q3導(dǎo)通。脈沖變壓器的中間觸頭15 V電源通過脈沖變壓器下半部分和Q3形成回路。此時，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，同時也防止產(chǎn)生了諧波干擾。在EMI輸出端接入一個小容量耐高壓的無感電容，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不能無限大，為了達到系統(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

電機制動系統(tǒng)是在電機的尾部有一個電磁報剎系統(tǒng)，當電磁報剎系統(tǒng)得電時，剎片分離，電機運行;失電時，報剎片在彈簧的作用下使電機制動。所選剎車的勵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)過整流和降壓后，使輸出的電壓約為190 V直流電時，才能保證電機能正常運行。

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。負載為直流電機的線圈，所選的直流電機的額定電壓為190 V，所以要求方波信號的占空比為