葉幫紅，李紅梅

(合肥工業(yè)大學電氣與自動化工程學院，安徽合肥230009)

永磁同步電機驅動系統(tǒng)輔助電源設計

葉幫紅，李紅梅

(合肥工業(yè)大學電氣與自動化工程學院，安徽合肥230009)

基于單端反激式變換器原理，設計了電動汽車(EV)永磁同步電機(PMSM)驅動系統(tǒng)輔助電源方案。該方案采用電流型控制芯片UCC2813-0為主控芯片，利用電流互感器獲取采樣電流，再與斜坡補償相結合實現(xiàn)系統(tǒng)在占空比大于50%條件下的穩(wěn)定工作。最后，通過樣件制作和實驗測試證實PMSM驅動系統(tǒng)輔助電源設計方案的合理有效性。

電動汽車(EV)；永磁同步電機(PMSM)；電驅動系統(tǒng)；輔助電源；反激式變換器；斜坡補償；PCB布局

在“低碳、環(huán)?！币呀洺蔀槿蚬沧R的背景下，世界各國汽車制造企業(yè)紛紛將未來研發(fā)的主要方向轉移到電動汽車領域。電驅動系統(tǒng)作為電動汽車唯一的動力輸出，其性能優(yōu)劣直接影響到整車的動力性、舒適性和經濟性等方面。而電驅動系統(tǒng)輔助開關電源是電驅動系統(tǒng)的核心部件之一，其穩(wěn)定工作直接關系到電驅動系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。因單端反激式變換器具有拓撲簡單、輸入輸出隔離和易于多路輸出等特點，常用于150 W以下的功率電源[1]。為此，論文基于單端反激式變換器原理進行PMSM電驅動系統(tǒng)輔助電源的方案設計。

對于輔助電源的輸入取電于動力電池組輸出的高壓設計方案已見文獻[2]報道。因動力電池組輸出電壓波動范圍較大，對輔助電源的設計要求較高，且存在較大的輸出紋波，為此，論文建議采用電動汽車蓄電池+12 V輸出作為輔助電源的輸入[3-5]，設計低壓寬范圍(9～18 V)輸入的PMSM驅動系統(tǒng)的多路輸出輔助電源，避免直接使用動力電池組輸出的高壓，旨在滿足電動汽車電驅動系統(tǒng)供電需求的同時，兼具輸出電源質量高和電路可靠性的技術優(yōu)勢。

1 系統(tǒng)設計需求及工作原理

1.1 系統(tǒng)設計需求

基于單端反激式隔離變換器設計的輔助電源，為PMSM控制器和IGBT驅動等供電，設計需求是：(1)輸入直流電源電壓范圍為9～18 V；(2)輸出A組：+/-15 V，各1路，+15 V帶載5.5 W，紋波為2%；-15 V，帶載1.5 W，紋波為3%，供電運放；(3)輸出B組：+24.5 V，3路，各路均帶載3.5 W，供電IGBT上橋臂；(4)輸出C組：+16 V、-8 V，各1路，共帶載10.5 W，供電IGBT下橋臂；(5)輸出D組：+24 V，1路，帶載16 W，供電編碼器和風扇；(6)一組輸入和四組輸出彼此隔離。

1.2 PWM控制芯片

輔助電源設計方案中采用UCC2813-0為PWM控制芯片，該芯片是汽車級(-65～150℃)電流型PWM控制芯片。PWM控制芯片內部邏輯結構框圖如圖1所示，主要由高頻振蕩器、誤差放大器和RS觸發(fā)器等部分組成，具有過流保護、軟啟動、過壓和欠壓保護等功能。啟動電壓7.2 V，關斷電壓6.9 V，啟動電流僅100 μA，內置電流采樣的前沿消隱電路，最大電流為1 A的圖騰柱式輸出，從電流采樣到PWM脈沖輸出僅70 ns的響應時間。

電路中，振蕩器在每個周期開始時輸出高電平，將RS觸發(fā)器置位，使6引腳(OUT)輸出高電平開通開關管，經過一定時間后振蕩器輸出低電平，將RS觸發(fā)器復位，使6引腳輸出低電平關斷開關管。2引腳(FB)為電壓反饋信號，與1/2的參考基準電壓比較得到誤差信號，通過補償降額與3引腳(CS)送出的電流采樣信號作比較，當實際電流超過設定值時，比較器通過RS觸發(fā)器控制邏輯門關斷開關管，實現(xiàn)對開關管驅動信號的脈沖寬度調制。

圖1 PWM控制芯片的內部邏輯結構框圖

1.3 系統(tǒng)工作原理

基于反激式變換器原理設計的電驅動系統(tǒng)輔助電源電路原理圖如圖2所示，系統(tǒng)工作原理如下：當輸入電源接通后，電源電壓經過限流電阻5和發(fā)光二極管LED1接至PWM芯片的7引腳(VCC)，其中發(fā)光二極管起到電路正常工作指示和防止輸入電壓反加(保護PWM芯片)的作用，當7引腳的電壓上升至UCC2813-0的啟動電壓時，PWM芯片輸出驅動脈沖，開關管導通，輸入電流從電流互感器原邊、高頻變壓器初級和開關管到電源負端，此時，變壓器次級各繞組感應出正電壓，整流二極管均因反向偏置而截止，變壓器儲能，此時電容為負載提供能量。當開關管由導通轉為截止時，整流二極管正向導通，變壓器釋放能量，為電容充電，同時為負載供電。

圖2 電驅動系統(tǒng)輔助電源電路原理圖

2 功率回路設計

2.1 高頻變壓器

高頻變壓器具有能量傳遞和電氣隔離的作用，故在輔助電源的設計中，高頻變壓器的設計至為關鍵。其供電PMSM驅動系統(tǒng)中DSP、IGBT驅動和編碼器等核心器件，如果高頻變壓器設計不當，不僅會影響電源工作壽命，還會造成開關損耗增大，導致電源效率降低，甚至損壞IGBT和其他核心器件。所以，高頻變壓器的磁芯選擇、繞組匝數(shù)、初級電感量和氣隙長度等關鍵參數(shù)需要準確計算，且變壓器各個繞組的繞制需設計合理，做到耦合緊密。

2.2 RCD箝位電路

在反激式變換器中，由于漏感的存在：一方面，開關管關斷時會產生很高的電壓尖峰；另一方面，整流二極管反向恢復會引起開關管開通時的電流尖峰[6]。RCD構成的無源鉗位電路結構簡單、成本低，可以消除電路中存在的漏感帶來不利影響。

3 控制回路設計

3.1 電壓反饋電路

論文建議的輔助電源設計方案只對主輸出+15 V提供電壓反饋，用光耦2(PS2501)和可調精密并聯(lián)穩(wěn)壓管3(TL431)構成高速非線性反饋電路。電壓反饋電路中，14和16為輸出電壓采樣電阻網絡，對+15 V的輸出電壓進行分壓，22用于改善TL431的頻率特性。

3.2 電流反饋電路

在電流控制型反激變換器中，因內環(huán)采用峰值電流控制技術，能夠迅速準確地檢測出開關管中的瞬態(tài)電流，從而形成逐個電流脈沖檢測電路。電流環(huán)的工作原理為：當電路因負載加重等因素，引起功率回路中開關管電流的增大，導致PWM控制芯片的3引腳電壓超過內部的限幅值1 V，使得芯片內部電流比較器輸出高電平，將芯片內部鎖存器復位，達到保護開關管的目的；當負載減輕后，功率回路電流減小，使得3引腳電壓低于1 V，芯片內部鎖存器置位，電源自動恢復正常工作狀態(tài)。

因輸入電壓為9～18 V，原邊峰值電流可達到13.33 A，若采用電阻采樣，其上消耗的功率較大，故簡單的電阻采樣不適合此處。為此，論文建議采用電流互感器，可將原邊電流變小，再通過電阻采樣形成電流內環(huán)控制。

3.3 斜坡補償電路

UCC2813-0的占空比最大可以達到100%，為提高PWM控制芯片和功率器件的利用率，同時兼顧變壓器易于繞制等因素，選擇66%的占空比。然而，對于峰值電流控制技術，當占空比大于50%時，電感電流的初始擾動會周期性擴大，最終形成次諧波振蕩，導致系統(tǒng)不穩(wěn)定[7]。為此，需加入斜披補償電路以穩(wěn)定控制環(huán)路，提高抗干擾的能力。

論文建議的輔助電源設計方案采用射極跟隨器作為斜坡補償電路，由電路中1和6構成。其基本原理是將片內振蕩信號通過三極管和電阻疊加到采樣電流上，使得電感電流在外部初始擾動下快速收斂，從而使電路工作趨于穩(wěn)定[8]。

3.4 振蕩電路

根據UCC2813-0的數(shù)據手冊，其振蕩頻率即為開關頻率，且0=1.5/(718)。該款PWM控制芯片的工作頻率較寬，最高為1 MHz，推薦的振蕩電阻的范圍為10～200 kΩ，振蕩電容的范圍為0.1～1 nF，設計方案中選取7=24.9 kΩ，18=1 nF，則振蕩頻率0=60 kHz。

3.5 驅動電路

柵極驅動電阻一般根據開關管的數(shù)據手冊上取值，推薦值是25 Ω。論文建議的輔助電源設計方案采用不同的開通電阻(9)和關斷電阻(9//10)，以改變開關管開通和關斷時間。

4 PCB布局及實驗結果分析

4.1 電路板布局的合理性

對于開關電源系統(tǒng)而言，系統(tǒng)能否可靠工作，其PCB布局尤為關鍵。建議的PMSM驅動系統(tǒng)輔助電源PCB布局圖如圖3所示，其中實線框表示電路板外框，雙點劃線表示功率回路，虛線框表示控制回路。

圖3 電驅動系統(tǒng)輔助電源PCB布局圖

PCB布局中需要注意的問題：(1)對于電路中的濾波或去耦電容，應放置在離芯片引腳盡可能近的位置；(2)因功率回路易對控制回路產生干擾，在PCB布局時，彼此盡量遠離；(3)對于PWM控制芯片的振蕩電路部分，引腳的引線應短而粗，采用的電容性能要穩(wěn)定，容值準確，且遠離發(fā)熱元器件；(4)為便于硬件調試，在PCB布局時，應預留重要信號的測試點。電路中的各種地，通過單排針引到電路板的周圍，以方便與示波器相連，觀察波形。

4.2 實驗結果分析

經樣件測試，設計的輔助電源系統(tǒng)在整個輸入電壓范圍內帶滿載時，電路工作穩(wěn)定。圖4為開關管的驅動波形(左圖是不加斜坡補償?shù)慕Y果，右圖是加斜坡補償?shù)慕Y果)，可知加斜坡補償后，開關管的驅動波形可以達到預期設定值，實現(xiàn)占空比大于50%的穩(wěn)定運行。

圖4 開關管的驅動波形

因電路板所引起的分布參數(shù)對高頻噪聲的影響，易產生差模干擾和共模干擾，相比于差模干擾，共模干擾的幅度大頻率高，可以通過電源線形成輻射，故共模干擾較大[9]。論文建議在初次級的地之間加合適的Y電容Y1，Y2抑制高頻噪聲，以減小輸出電壓的紋波。圖5為主反饋＋15 V的最大紋波(左圖是不加Y電容的結果，右圖是加Y電容的結果，示波器縱軸均為100 mV/格)。從圖中可以看出，輸出紋波被嚴格限制在100 mV以內，滿足設計需求。

圖5 主反饋＋15 V的最大紋波

5 結束語

為了避免直接使用動力電池組輸出的高壓，提高電動汽車電驅動系統(tǒng)的安全可靠性，架構了低壓輸入條件下的電動汽車PMSM驅動系統(tǒng)輔助電源設計方案，并給出了詳細設計步驟。建議的電動汽車電驅動系統(tǒng)輔助電源設計方案通過電流互感器獲取電流采樣信號，降低系統(tǒng)功耗并提高系統(tǒng)效率；利用斜坡補償電路實現(xiàn)了占空比大于50%條件下的系統(tǒng)穩(wěn)定運行。此外，為減小樣件電路板分布參數(shù)的高頻噪聲，使用Y電容抑制共模噪聲，使得輸出紋波滿足設計需求。樣件實測結果表明：建議的PMSM驅動系統(tǒng)輔助電源設計方案具有結構簡單、性能可靠和成本低的特點，在電動汽車領域具有廣泛的應用前景。

[1]BILLINGS K.開關電源手冊[M].張占松，王仁煌，謝莉萍，譯. 2版.北京：人民郵電出版社，2006：156-165.

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[3]張舟云，徐國卿，李秀濤，等.用于電動汽車電機驅動器的驅動電源分析[J].同濟大學學報：自然科學版，2005，33(7)：952-956.

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[6]劉國偉，董紀清.反激變換器中RCD箝位電路的研究[J].電工電氣，2011(1)：20-23.

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[9]和軍平，陳為，姜建國.開關電源共模傳導干擾模型的研究[J].中國電機工程學報，2005，25(8)：50-55.

Design of auxiliary power supply for drive system of permanent magnet synchronous motor

Based on the principle of the single-ended flyback converter,the auxiliary power scheme was designed for the drive system of permanent magnet synchronous motor(PMSM)in electric vehicle(EV).A current mode PWM control chip UCC2813-0 for the master control chip was adopted,using the current transformer for sampling current. Then it was combined with slope compensation to achieve the stability of the system under a duty cycle greater than 50%.Finally,through the prototype production and experimental testing,the rationality and validity of the auxiliary power scheme for the drive system of PMSM were confirmed.

electric vehicle(EV);permanent magnet synchronous motor(PMSM);electric drive system;auxiliary power supply;flyback converter;slope compensation;PCB layout

TM 351

A

1002-087 X(2015)10-2295-04

2015-03-01

安徽省教育廳重點項目(KJ2011A217)；安徽省變頻電機及控制系統(tǒng)工程技術研究中心資助項目(2010AKSY0273)

葉幫紅(1987—)，男，安徽省人，碩士，主要研究方向為電力電子與電力傳動；導師：李紅梅(1969—)，女，安徽省人，博士，教授，主要研究方向為電機控制和新能源汽車等。