劉謙

摘要：起動(dòng)機(jī)是飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)上重要的起動(dòng)裝置，在實(shí)際維修中為了測(cè)試它的性能通常采用蓄電池或可控硅整流電源才能滿(mǎn)足數(shù)百安的電源輸出要求，前者由于調(diào)壓困難操作不便已基本淘汰，后者由于電源柜體巨大價(jià)格昂貴逐漸被以IGBT為核心的開(kāi)關(guān)電源所取代，本文基于SG3525和M57963AL芯片設(shè)計(jì)了一套用于低壓大電流開(kāi)關(guān)電源控制用的電路，成功用于一臺(tái)起動(dòng)機(jī)測(cè)試用電源，現(xiàn)將控制電路、驅(qū)動(dòng)電路、顯示電路、保護(hù)電和輔助電路的設(shè)計(jì)做一個(gè)介紹。

Abstract： The starter is an important starting device on the aircraft engine. In actual maintenance， in order to test its performance， the Storage battery or SCR rectifier power supply rectifier power supply is usually used to meet the power output requirements of hundreds of amperes. The former has been basically eliminated due to the difficulty of voltage regulation and the inconvenience of operation. The latter is gradually replaced by a switching power supply with IGBT as the core due to the huge and expensive power supply cabinet. Based on the SG3525 and M57963AL chips， a set of circuits for low-voltage and high-current switching power supply control is designed in this paper， and it is successfully used in a starter test. With the power supply， the design of the control circuit， drive circuit， display circuit， protection circuit and auxiliary circuit will now be introduced.

關(guān)鍵詞：開(kāi)關(guān)電源;SG3525;M57963AL;控制電路

Key words： switching power;SG3525;M57963AL;control circuit

中圖分類(lèi)號(hào)：TN47 ? ? ? ? ? ? ? ?; ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1674-957X（2022）01-0123-03

0 ?引言

隨著功率器技術(shù)、軟件開(kāi)關(guān)技術(shù)的發(fā)展，開(kāi)關(guān)電源已經(jīng)應(yīng)用到生活的各個(gè)方面。開(kāi)關(guān)電源從電路結(jié)構(gòu)上主要由主電路、控制電路、檢測(cè)電路、輔助電源組成，在實(shí)際設(shè)計(jì)中，由于工作需求的不同，在低壓大電流拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中我們會(huì)采取不同主結(jié)構(gòu)方式，本文涉及的開(kāi)關(guān)電源由于主要應(yīng)用于起動(dòng)電機(jī)測(cè)試，對(duì)輸出電壓的精度要求不高，為此我們采取了正激電路結(jié)構(gòu)作為主電路結(jié)構(gòu)，負(fù)責(zé)處理電能的轉(zhuǎn)換，而控制電路主要處理各種取樣信號(hào)，通過(guò)對(duì)比標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定進(jìn)而控制逆變器，改變其頻率或脈寬，達(dá)到輸出穩(wěn)定的電壓值，同時(shí)通過(guò)保護(hù)電路設(shè)計(jì)，為系統(tǒng)提供過(guò)壓、過(guò)流等保護(hù)，電源的精度、紋波、輸出特性等指標(biāo)均與控制電路的設(shè)計(jì)相關(guān)。由于SG3525芯片和M57963AL芯片功能強(qiáng)大，周邊電路豐富，以此兩芯片為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)了控制電路和驅(qū)動(dòng)電路等?，F(xiàn)在就主要針對(duì)控制電路作一設(shè)計(jì)說(shuō)明。

1 ?主控制電路的設(shè)計(jì)

SG3525的脈沖寬度調(diào)制芯片是一款由國(guó)半導(dǎo)體公司研發(fā)和生產(chǎn)，具有各種必需的功能和通用性的芯片，由于其優(yōu)異的性能在開(kāi)關(guān)電源領(lǐng)域得到普遍的應(yīng)用，其主要的組成結(jié)構(gòu)包括振蕩器、PWM比較器、誤差放大器等，其內(nèi)部組成框圖、引腳功能、芯片功能、主控芯片內(nèi)部工作原理在此就不再贅述。

在主控制電路設(shè)計(jì)過(guò)程中，對(duì)各種可能會(huì)對(duì)電路造成損害的故障情況都進(jìn)行了充分的考慮，并充分利用了芯片中的電路保護(hù)功能，降低各種突發(fā)情況對(duì)電路的損壞。

如圖1所示，為應(yīng)用SG3525芯片設(shè)計(jì)完成的控制電路的原理圖，通過(guò)其關(guān)斷控制功能避免了逆變器電源出現(xiàn)故障時(shí)給電路帶來(lái)的損害。電源的輸入輸出電壓、電流信號(hào)經(jīng)分壓、濾波及縮放后與各自的保護(hù)限值比較，通過(guò)最終的輸出信號(hào)來(lái)控制芯片的運(yùn)行情況;如果電源出現(xiàn)工作故障等突發(fā)情況時(shí)，會(huì)依次造成比較器的電平值以及芯片的引腳8輸出水平的降低，從而啟動(dòng)前路的保護(hù)功能，停止脈沖的輸出，避免電源故障給電路帶來(lái)進(jìn)一步的破壞。

其控制電路的產(chǎn)生PWM脈沖信號(hào)的基本工作原理是：首先將電路反饋的電源電壓值或者電流值與預(yù)先設(shè)定好的理論值相比確定兩者之間存在的偏差，對(duì)該信號(hào)進(jìn)行PI調(diào)節(jié)之后將其傳輸至放大器的正引腳2進(jìn)行處理，之后在引腳9輸出結(jié)果并與附加的鋸齒波進(jìn)行對(duì)比，最終生成PWM脈沖信號(hào)[1]。

2 ?驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

M57963AL驅(qū)動(dòng)芯片是一款日本三菱公司研發(fā)和生產(chǎn)的M57963AL驅(qū)動(dòng)芯片，它不僅實(shí)現(xiàn)了輸入與輸出信號(hào)之間的光電隔離，同時(shí)還具備短路保護(hù)功能以及較高的驅(qū)動(dòng)效率，是一種驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)中較為理想的驅(qū)動(dòng)芯片，由于該芯片相關(guān)資料較多，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖、引腳功能、芯片參數(shù)及其芯片特點(diǎn)在此也就不再贅述。

作為飛機(jī)起動(dòng)電機(jī)的測(cè)試設(shè)備電源，起動(dòng)電機(jī)測(cè)試用電源需0～24V可調(diào)，功率應(yīng)不低于4.2kW，輸出電流應(yīng)不低于430A，經(jīng)過(guò)開(kāi)關(guān)管IGBT的計(jì)算在考慮實(shí)際損耗以及轉(zhuǎn)換效率的情況下，我們采用了比亞迪公司的BG100B12LY，該開(kāi)關(guān)管可以實(shí)現(xiàn)大功率開(kāi)關(guān)控制，能夠滿(mǎn)足在低壓條件下大電流的輸出。驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)情況見(jiàn)圖2，其中設(shè)置了2個(gè)IGBT，并且為其分別配置了一臺(tái)驅(qū)動(dòng)器，保證其工作效率和電路的可靠性。

如圖2所示，本次電路設(shè)計(jì)方案中采用了M57962AL驅(qū)動(dòng)芯片，電路當(dāng)中配置了兩個(gè)電源進(jìn)行供電，其電壓分別為+15V和-9V。其中-9V電壓起到關(guān)斷電壓的作用，通過(guò)其能夠有效消除電路中的其他干擾，保證關(guān)斷功能的順利實(shí)現(xiàn)，為電路的正常工作提供可有力的保障。其中R3的值可以在IGBT開(kāi)關(guān)損耗與尖峰電壓值之間起到良好的融合和調(diào)節(jié)作用，適當(dāng)降低其取值能夠降低開(kāi)關(guān)運(yùn)行的時(shí)間并進(jìn)一步減小其損耗，適當(dāng)增大其取值則能夠有效減小尖峰電壓值;但是當(dāng)R3取值過(guò)大或者過(guò)小時(shí)都會(huì)對(duì)電路的正常工作造成影響，極大地提高開(kāi)關(guān)的損耗值以及電路中的尖峰電壓。經(jīng)過(guò)論證，本次R3取值為2，既能夠起到調(diào)節(jié)作用，又不會(huì)對(duì)電路造成損害。

正常狀態(tài)下，芯片管腳5的輸出電平會(huì)隨著管腳13、14輸入的變化而進(jìn)行相應(yīng)的變化;當(dāng)輸出電平較高時(shí)，電路會(huì)實(shí)現(xiàn)開(kāi)功能，此時(shí)僅有Q1導(dǎo)通，IGBT的供電電壓為+15V;而當(dāng)輸出電平較低時(shí)，電路會(huì)實(shí)現(xiàn)關(guān)功能，此時(shí)僅有Q2導(dǎo)通，IGBT的供電電壓為-9V。

當(dāng)電路發(fā)生短路時(shí)可通過(guò)管腳1來(lái)檢測(cè)電路中通過(guò)的電流值，其發(fā)送的較高電流檢測(cè)信號(hào)會(huì)提升IGBT的集電極電壓，當(dāng)達(dá)到或者超過(guò)15V的限值時(shí)會(huì)啟動(dòng)芯片的保護(hù)功能，降低管腳8、5的輸出電平，此時(shí)僅有Q2導(dǎo)通，從而實(shí)現(xiàn)IGBT的關(guān)斷。為了縮短短路保護(hù)功能的單次持續(xù)時(shí)間，在電路設(shè)計(jì)中為管腳2配置了電容C1，并通過(guò)其連接至+15V電源;短路保護(hù)功能的單次持續(xù)時(shí)間與其電容大小成正比，在該裝置的作用下，短路保護(hù)啟動(dòng)后1～2ms后會(huì)停止保護(hù)功能并進(jìn)行新一次的短路檢測(cè)，并視檢測(cè)結(jié)果來(lái)決定是否恢復(fù)驅(qū)動(dòng)芯片的正常工作。當(dāng)電路短路故障長(zhǎng)時(shí)間存在時(shí)管腳8會(huì)向IGBT發(fā)送周期為1～2ms的連續(xù)脈沖信號(hào)，本次設(shè)計(jì)中在兩者之間設(shè)置了光耦U1進(jìn)行了光電隔離，從而有效提高了電路的安全性。本次采用的驅(qū)動(dòng)芯片具有相對(duì)簡(jiǎn)單的周邊電路，同時(shí)還具有短路保護(hù)的功能，能夠有效降低甚至避免IGBT由于電路短路故障等情況帶來(lái)的損害，從而在很大程度上提高了系統(tǒng)的可靠性。

3 ?顯示電路設(shè)計(jì)

為了便于輸出電壓和輸出電流的讀取，設(shè)計(jì)當(dāng)中在開(kāi)關(guān)電源箱體部門(mén)設(shè)置了相應(yīng)的顯示模塊，這樣在實(shí)際操作過(guò)程中可以直接從箱體上觀察到開(kāi)關(guān)電源的實(shí)際輸出電流和電壓值。其顯示電路板電路圖如圖3所示。

圖3右上方所示，這是數(shù)字顯示表的輔助電源，將220AC通過(guò)變壓器降為5V的交流電后，通過(guò)17，19（18，20）接線端口經(jīng)橋式整流電路D4（D5）整流，整流后得到一個(gè)電壓波動(dòng)很大的直流電源，在其后加入104的小電容與470uF的電解電容進(jìn)行紋波濾波，同時(shí)為了得到穩(wěn)定的需要的數(shù)顯電表電壓源，接入三端穩(wěn)壓電源（直接整流出的直流電源由于會(huì)隨著負(fù)載變化產(chǎn)生電壓變化，所以不能作為穩(wěn)壓電源直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載。）其中C2，C3為顯示輔助電源的濾波電容。圖的右下方，從電流分配器到的電流信號(hào)和輸出端得到的電壓信號(hào)經(jīng)C9，C10濾波電容后接到數(shù)顯表上，數(shù)顯表就可顯示出當(dāng)前的電壓、電流數(shù)值;圖的左上方為當(dāng)設(shè)備檢測(cè)到故障信號(hào)或過(guò)熱信號(hào)時(shí)，會(huì)將1，2端置為低電平，供電段12與1（2）腳端形成壓差，二極管D1、D2指示燈點(diǎn)亮。正常情況下1，2端為高電平信號(hào)，指示燈滅;當(dāng)4腳接入電源后，在4，5兩腳間形成回路，工作指示燈亮;穩(wěn)壓，穩(wěn)流輸出切換通過(guò)聯(lián)動(dòng)開(kāi)關(guān)S1實(shí)現(xiàn)，調(diào)節(jié)可變電阻R1改變基準(zhǔn)電壓，實(shí)現(xiàn)電壓調(diào)節(jié)，S2為電源啟動(dòng)開(kāi)關(guān)。

4 ?保護(hù)電路設(shè)計(jì)

4.1 過(guò)壓欠壓保護(hù)電路設(shè)計(jì) ?根據(jù)其工作原理，開(kāi)關(guān)電源的輸出電壓值會(huì)在開(kāi)始工作的極短時(shí)間內(nèi)從0V提升至最大電壓值，同時(shí)電路中的電流也會(huì)相應(yīng)的急速升高;如果沒(méi)有設(shè)置相應(yīng)的防護(hù)裝置，瞬間產(chǎn)生的強(qiáng)大電流會(huì)對(duì)其中IGBT開(kāi)關(guān)管造成加大的損傷甚至破壞，因此需要對(duì)開(kāi)關(guān)電源采取降壓?jiǎn)?dòng)或窄脈沖啟動(dòng)等措施。本設(shè)計(jì)的保護(hù)電路主要采用兩個(gè)LM393組成且與SG3525芯片的10管腳相連，將輸入電壓與參考電壓進(jìn)行比較，當(dāng)輸入電壓出現(xiàn)過(guò)壓或欠壓時(shí)會(huì)時(shí)SG3525芯片的10管腳直接拉低從而對(duì)電路起到保護(hù)作用。另外，在芯片的反相端即軟啟動(dòng)控制端上連接了一個(gè)電容值為100pF的電容，該電容內(nèi)部為5V基準(zhǔn)參考電壓且50uA恒流源，在軟啟動(dòng)過(guò)程中其內(nèi)部的恒流源給外部電容充電，因此可以實(shí)現(xiàn)窄脈沖啟動(dòng)，從而對(duì)電路進(jìn)行保護(hù)作用。

4.2 過(guò)流保護(hù)設(shè)計(jì) ?本次控制電路中的過(guò)流保護(hù)電路;其基本原理和實(shí)現(xiàn)過(guò)程為：首先通過(guò)在電路中的電壓輸出接口處串聯(lián)一個(gè)精密電阻，其具體的參數(shù)為0.33Ω/5W，并通過(guò)其來(lái)檢測(cè)電路中通過(guò)的電流;然后再將其檢測(cè)結(jié)果傳輸至線性光耦PC817處，并將其與預(yù)先設(shè)置好的控制值進(jìn)行比較，如果檢測(cè)值過(guò)大則能夠使其中的發(fā)光二極管工作并輸出高電平信號(hào)到與之相連接的腳10，通過(guò)其他元件的工作停止PWM脈沖的輸出和變壓器的工作，避免電路受到損害。

5 ?輔助電源設(shè)計(jì)

開(kāi)關(guān)電源的正常工作需要為主控電路、IGBT開(kāi)關(guān)器件以及其他的外圍電路提供相應(yīng)的直流電壓。本次設(shè)計(jì)的主控芯片SG3525工作需要+12V工作電壓，且外圍電路需要對(duì)應(yīng)的-12V電壓作為參考電壓，因此在主控電路上通過(guò)變壓器轉(zhuǎn)換成需要的兩路電壓。輸入電源在經(jīng)過(guò)橋式電路、電容、電感整流濾波后，送入到正極性三端穩(wěn)壓器MC7812和負(fù)極性三端穩(wěn)壓器MC7912，輸出分別為+12V和-12V兩路電壓，輸出電流為1A，從而維主控電路正常工作。另外，本次選取的開(kāi)關(guān)器件IGBT導(dǎo)通電壓為+9V的正向柵極驅(qū)動(dòng)電壓，且本次設(shè)計(jì)共使用了兩個(gè)IGBT開(kāi)關(guān)器件，因此在開(kāi)關(guān)器件驅(qū)動(dòng)電源上選擇兩路電壓輸出，相應(yīng)的交流電壓經(jīng)過(guò)全橋整流和濾波電容后進(jìn)入三端穩(wěn)壓芯片7809后得到+9V電壓。

6 ?總結(jié)

控制電路關(guān)系著開(kāi)關(guān)電源運(yùn)行的可靠性，因此，在對(duì)相關(guān)控制電路設(shè)計(jì)時(shí)需要了解并掌握相關(guān)的芯片知識(shí)，才能對(duì)控制電路進(jìn)行合理有效的設(shè)計(jì)，使開(kāi)關(guān)電源能安全高效地進(jìn)行工作。本文對(duì)主控制電路和IGBT驅(qū)動(dòng)電路在吸收了前人經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了新的方案，同時(shí)對(duì)顯示電路、保護(hù)電路、輔助電源進(jìn)行了設(shè)計(jì)，經(jīng)過(guò)實(shí)踐驗(yàn)證，電源設(shè)備滿(mǎn)足了起動(dòng)機(jī)的測(cè)試需求。

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