小功率開關磁阻電動機驅動系統設計

孫博城，王 艷，殷天明

(北京交通大學，北京 100044)

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小功率開關磁阻電動機驅動系統設計

孫博城，王 艷，殷天明

(北京交通大學，北京 100044)

針對低速電動車使用的小功率開關磁阻電動機，設計了對應的驅動系統。采用不對稱半橋結構作為主電路，應用鋁基板散熱方案，解決了主開關器件功率MOSFET的散熱問題。針對控制電路和驅動電路的要求，設計了輔助開關電源。基于IR2110設計了MOSFET的驅動電路，給出了自舉回路和過電流保護電路的計算和設計方法。同時，基于數據采集卡PCI-6220和LabVIEW設計了一套開關磁阻電動機測試系統。該系統在低速電動車和觀光車等特種車輛上實踐成功，并在貴州新能源汽車基地實現產業化。

開關磁阻電動機；不對稱半橋電路；MOSFET驅動電路；反激式開關電源；IR2110；LabVIEW

0 引 言

目前低速電動車在應用時面臨輸出轉矩不夠、爬坡能力不強的問題，尤其是在貴州地區，以山區為主，道路坡度較大，更對低速電動車的普及帶來較大困難。且低速電動車控制器空間有限，難以設計水冷系統，對散熱提出了更高要求。為解決以上問題，本文設計了基于不對稱半橋結構的小功率開關磁阻電動機驅動系統，并采用鋁基板散熱方案，有效地解決了輸出轉矩小和散熱問題。并設計了基于DPA425R芯片的反激式開關電源，取代了傳統的基于UC3842芯片的開關電源，在降低紋波的同時，大幅壓縮了體積，更適于低速電動車的控制器。

1 驅動系統設計

1.1 功率變換器主電路及散熱系統設計

開關磁阻電動機功率變換器的形式多種多樣，其中不對稱半橋電路最為簡單明了，同時結合開關磁阻電動機各相繞組相互獨立的特點，避免了上下橋臂直通的危險。不對稱半橋電路拓撲結構如圖1所示。

圖1 不對稱半橋電路拓撲結構

圖1中，Us為電池組電壓，Cs為電源濾波電容，當上下橋臂主開關管VT1，VT4同時導通時，電源Us加至繞組兩端，產生相電流，促使電機運轉；當上下橋臂主開關管VT1，VT4同時關斷時，繞組產生反向電動勢，使續流二極管VD1，VD4導通，繞組電流經過VD1，VD4將能量回饋到電池組上[1-3]。

本設計應用于低速電動車，車載電池電壓為60 V，主電路器件和續流二極管的耐壓值需滿足：

對于主開關器件功率MOSFET，有效值定額是決定器件選型的最主要參數。對續流二極管而言，因其能承受較大的沖擊電流, 故也把有效值電流定額作為選型依據。功率變換器中所用續流二極管必須正向導通和反向截止均具有快恢復特性。已知開關磁阻電動機額定電流：

因為開關磁阻電動機起動電流小, 因此在確定電流定額時, 只要考慮到電動運行時的一定過載倍數(一般選為1.2～ 1.4倍)。MOSFET有效值電流定額[4]：

結合成本散熱等因素考慮，本設計選擇IRFS4010為主開關管，該MOSFET有較大的導通電流和較小的熱阻。因為本設計主開關工作頻率在2 kHz左右，會產生較大的開通損耗并且通斷大電流時發熱較為嚴重，為解決功率電路散熱問題，本文采用了鋁基板散熱的方案，結合IRFS4010源級通流時等效導通面積大的封裝特點，可將產生的熱量通過鋁基板及時傳導至散熱片，配合散熱片在汽車高速行駛時通過的風力自然快速降溫，從而很好地解決了發熱問題，在實際汽車運行過程中，MOSFET表面溫度能穩定在60°，能保證MOSFET安全運行。

1.2 反激式開關電源設計

本設計需要輔助開關電源給控制部分和驅動部分供電。輸入為48 V車載電源供電，開關電源可以正常工作的范圍為36～60 V。控制部分主要是對IC供電，需要+5 V,+15 V,-15 V;驅動部分主要給功率變換器MOSFET及其驅動電路和過電流保護電路供電，該路電源需要和控制部分的各路電源不共地。本設計開關電源輸出功率為47 W。

反激式開關電源結構簡單并能提供高效的直流輸出，具有較強的自動均衡各路輸出的能力，但是輸出電壓有較大紋波，負載精度不高，因此輸出功率受到限制，本設計所需輔助電源功率較小，非常適合采用這種結構[5-6]。本設計以PI公司單片電源控制芯片DPA425R為主控芯片，芯片集成度高，外圍簡單，在低壓小功率電源中應用較多。其工作頻率在300 kHz與400 kHz間可選，有利于減小濾波器件容量。

初步使用了PI Expert及PIXls軟件進行了基本設計及優化，并以AP法對變壓器容量及其他基本參數進行了驗證。

為了防止電源電壓輸出在輕載或空載時電壓升高，在各路電壓輸出端并聯1 kΩ的虛擬負載電阻。實驗證明這樣的配置增加了輸出電壓的穩定性。

經驗證，本文所設計開關電源體積較小，結構緊湊，輸出電壓紋波在2%～4%，在電動汽車運行時仍能正常輸出穩定電壓。圖2是本設計開關電源電路圖。圖中，+15 V(C),-15 V(C)及+5V (C)為控制電路電源;+15 V(D)為驅動電路電源。

圖2 反激式開關電源

1.3 RCD吸收回路

在RCD吸收回路中，R的能量損耗和C的大小呈正比，C的值應選小來降低損耗，但過小的C會削弱吸收效果，因此要綜合考慮C的取值，設關斷時流過C的電流為峰值電流的80%，電壓上升時間為MOSFET的關斷時間。

吸收回路要求在每次MOSFET關斷前將C中的電荷釋放到5%以下，由此確定散熱電阻R的阻值：

吸收回路的功率：

圖3為電機在500 r/min、負載轉矩為50 N·m、斬波電流峰值為210 A時MOSFET的DS電壓波形。

圖3 DS電壓波形

從圖3中可以看出，在電流峰值達到210 A時，MOSFET的DS電壓只有很小的尖峰，峰值電壓為65 V，尖峰值只有母線電壓的10%左右，說明RCD吸收回路和濾波電容有效地起到了吸收關斷過電壓的作用。

1.4 基于IR2110的驅動電路設計

根據不對稱半橋電路的結構特點，本文設計了基于IR2110的MOSFET 驅動電路。該芯片體積小(DIP14)、集成度高(可驅動同一橋臂的兩路)、響應速度快(典型值Ton=120 ns，Toff=94 ns)、驅動能力強、內設欠壓封鎖，非常適合本設計的要求。上橋臂三組不共地的主開關管采用自舉回路供電，下橋臂三組共地的開關管共用一路電源供電，這樣僅需三片IR2110和一路電源就能實現對功率電路的驅動，在降低成本的同時提高了可靠性[7]。

在該芯片的外圍電路中，確保自舉回路能否正常工作尤為關鍵，自舉電容C171的取值要根據所驅動MOSFET的特性來選擇。MOSFET開通時，需要在極短的時間內向門極提供足夠的柵電荷。假定在器件開通后，自舉電容兩端電壓比器件充分導通所需要的電壓(10 V，高壓側鎖定電壓為8.7/8.3 V)要高；再假定在自舉電容充電路徑上有1.5 V的壓降(包括VD1的正向壓降)；最后假定有1/2的柵電壓(柵極門檻電壓VTH通常3～5 V)因泄漏電流引起電壓降。綜合上述條件，此時對應的自舉電容可用下式表示：

本文所使用的主開關MOSFET為IRFS4010，其充分導通時所需要的柵電荷Qg=150 nC(可由特性曲線查得)，VCC=15 V，那么C171=0.066 μF。

圖4 IR2110驅動電路

在此取C1=0.22 μF，耐壓為35 V的鉭電容。

在不對稱半橋電路中，上下MOFET保持同步開通關斷狀態，因此IR2110的HO、LO輸出同樣的電平信號。

圖5是驅動電路在正常工作時IR2110的輸入信號和輸出到MOSFET門極的驅動信號，能看出IR2110輸出了準確有效的觸發脈沖。

圖5 IR2110輸入輸出信號

1.5 主電路過電流保護電路設計

因為開關磁阻電動機在負載較大時采用電流斬波控制，而電流采樣和控制電路較為復雜，運算時間較長，在低速時，由于電機的旋轉電動勢壓降很小，相電流上升很快，為了避免過大的電流脈沖對功率器件以及電機造成損壞，必須采取保護措施。本設計基于MOSFET的VI特性曲線，利用了IR2110的快速保護功能，設計了過電流保護電路，如圖6所示。在當DS電壓超過預設值時，說明主電路電流

圖6 過電流保護電路

超過預期斬波電流，比較器輸出高電平，IR2110閉鎖二路輸出脈沖，使開關管迅速關斷。經驗證，該設計起到了保護作用，提高了系統的可靠性[8]。

2 實驗驗證

為檢測本系統的可靠性，本文采用NI的數據采集卡PCI-6220配合LabVIEW，設計了一套電機測試平臺系統，實時采集電機運行時的繞組電流、扭矩、轉速、功率等參數,并進行分析記錄[9-10]。圖7為測試平臺監測電機在繞組電流達到210 A斬波時的電機各相參數。

圖7 電機測試平臺檢測界面

測試系統表明，本文在通過大電流時系統運行穩定，三相電流平衡，并能提供較大扭矩，符合低速電動車應用要求。

3 實踐應用和產業轉化

本設計在完成了各項實驗驗證后，裝配到車載電池電壓為608 V的低速電動汽車上進行車載試驗，經驗證裝配有本系統的電動汽車各項符合設計要求[4]。

目前本設計已在貴州畢節新能源汽車基地實現產業轉化，目前以成功應用于家用小型電動車和旅游觀光車上，性能良好。

[1] 詹瓊華.開關磁阻電動機[M] .武漢：華中理工大學出版社，1992：68-70.

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[3] TDK.Ferrite for Switching Power Supplies[R].TDK株式會社，2008.

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[8] 韓德火.基于1ED020I12_FA的開關磁阻電動機驅動電路[J].微特電機，2013，49(9):49.

[9] 張凱.基于LabVIEW的開關磁阻電動機研究平臺的設計與開發[D].大連：大連理工大學，2013:11-15.

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Design of the Drive System for Low-Power Switched Reluctance Motor

SUNBo-cheng，WANGYan，YINTian-ming

(Beijing Jiaotog University，Beijing 100044，China)

The drive system for the low power switched reluctance motor for the low-speed electric vehicles was designed. The drive system was based on asymmetric half-bridge structure, and used aluminum plate cooling solution to solve the power MOSFET switching cooling problem. Assisted switching power supply was designed to meet the demands of control system and drive system. The power MOSFET use IR2110 to drive, and the bootstrap circuit and over-current protection circuit was designed to assure its stability. In the meantime, a special switched reluctance motor test system was also designed by PCI-6220 and LabVIEW. This system is successful applied in low-speed electric vehicles and tourist cars and other special vehicles, and achieve industrialization in the Guizhou New Energy Vehicles Base.

switched reluctance motor; symmetric half-bridge structure; MOSFET drive system; flybackswitching power supply; IR2110; LabVIEW

2015-04-15

TM352

A

1004-7018(2016)01-0068-03

孫博城(1989-)，男，碩士研究生，研究方向為電力電子與電力傳動、開關磁阻電動機驅動技術。