摘要：闡述了應用于高速無刷直流電機調壓調速系統的BucK直流調壓器的功率器件選型計算和硬件保護電路設計過程，分析了該Buck調壓器在設計調試中遇到的問題和解決辦法，并設計制造了一臺樣機。實驗驗證了該樣機硬件保護電路叫靠有效，改進后的高頻吸收單元有效地減了小開關損耗及其對系統運行造成的影響。實驗樣機性能良好，可以為高速電機驅動系統提供穩定可靠的調壓性能，符合設計要求
關鍵詞：BucK；硬件保護；高頻吸收單元；無刷直流電機
引 言
Buck電壓變換電路是一種降壓型Dc／Dc變換器，將固定的直流電壓變換成輸出可變的直流電壓。
本文研究的Buck調壓器應用f額定轉速為8000O r/min、額定功率為9 kw的高速無刷直流電機(HsBLDC)驅動系統。對丁Hs—BLDc驅動系統，由于轉速高，需要在轉子的磁鋼外面加一個不導磁的金屬護套[1-2]。當采用逆變器PwM控制方式調速時，其開關過程在電機中產生的高頻交變磁場會在轉子護套中感應出一定量的渦流，相對于不采用PwM控制驅動的狀態可帶來超過50 K的溫升，進而造成磁鋼的溫度過高而退磁。另外對于Hs-BLDc通常采用無位置傳感器控制。最常見也是******的易行的方法是對電機端電壓中包含的反電勢進行信號處理[2]。
如果采用逆變器PwM驅動方式，通過電壓傳感器采集到的反電勢中會存在大量的PwM引起的高頻分量。雖然可以采用濾波的方式處理，但濾波產生的相移在高速系統中會變得十分明顯，給信號處理帶來一定問題。若采用數寧濾波，則計算所需要的時問相對電周期而言也是比較長的，進而影響系統的動態性能[3]、綜上所述，Hs—BLDc驅動系統往往需要在電源和逆變器之間采用Buck直流調壓器，以此來實現調壓調速。本文研究的閌壓器驅動的是較大功率(10 kw)的高速電機，因此，有效地實現系統保護并減小對控制器和電源的干擾是非常重要的。
Buck調壓器的保護部分包括硬件保護和軟件保護，其中硬件保護是對電流、溫度等控制量進行監測并根據其狀態直接提供保護，具有動作迅速、保護有效等優點；軟件保護作為硬件保護的輔助保護措施．可以根據系統當前參數確定保護措施，如關斷PwM輸出、改變PwM占空比等，但保護反應時 該信號與一個過流基準電壓比較，可以生成一個低電平有效的過流保護信號(OC)；本系統過流保護閥值設定為70 A。這兩種保護信號作為硬件保護的輸入信號，經過由邏輯門和單穩觸發器組成的保護電路，輸出的信號作為IPM的保護信號。
由于lPM開通和關斷需要一定的時間，如果在導通過程中關斷或者在關斷過程中導通，會使IPM運行于線性放大區。短時間的反復通斷就會引起IPM的發熱甚至損壞。由74Hcl23構成的單穩觸發電路可以在輸入信號為任意寬度的低電平脈沖的情況下，輸出一個固定寬度的低電平脈沖信號。
2實驗驗證
實驗室測試系統由供電單元、Buck調壓器、負載單元構成。供電單元將380 V三相交流電經過自耦變壓器，再通過三相整流濾波電路，作為試驗用輸入電源。負載單元采用數個l Ω／2 kw的功率電阻經過不同的串并聯組合作為負載。當系統輸入電壓為200V．PWM占空比為50％、周期為100us，負載為5 Ω時的輸出電壓和電流波形輸出功率約為2 kw此時控制器的供電電壓和控制波形已經出現嚴重干擾，經過分析研究發現，lGBT兩端的cBB電容不足以有效的吸收IGBT開關時產生的高頻分量，需要對吸收電路進行改進經過調試，將IcBT兩端的(：BB電容換成由5 Ω的功率電阻R和5uF／500V的薄膜吸收電容cl串聯的吸收電路。該電路與系統中的電感構成準諧振的軟丌關電路，可以有效地減小IcBT開關時產生的高頻干擾和開關損耗。同時存IPM的Cl極和E2極之問并聯一個5uF500V的薄膜吸收電容曉，吸收IPM在開關時產生的高頻信號以減小列實驗室電網的干擾。
經過改進后，輸入電壓400 V，PwM占窄比55％，周期為100uF，負載為5Ω時的實驗波形。此時峰值輸出功率實際已經超過9 kw，達到設計要求，且系統運行穩定，未出現保護誤動作現象。當系統負載繼續增加，電流達到70 A時，硬件保護單元開始對系統保護，保證輸出電流不超過70 A。當重新負載減小至70 A以下時，系統繼續正常運行，未出現運行異常。
高速無刷直流電機驅動系統中使用的電壓變換電路在設計和調試過程中存在一系列的難點，設計性能穩定、干擾小的功率變換器是研究的重點。本文著重對Buck調壓器功率器件的選型計算和硬件保護電路的設計過程進行了闡述和分析，并對在設計凋試中遇到的問題進行分析和解決。根據要求設計制造了一臺BucK調壓器樣機。通過負載實驗，驗證了Buck調壓器的硬件保護電路可靠有效，改進后的高頻吸收單元有效地減小了開關損耗和開關應力及其對系統運行造成的影響。實驗系統符合設計要求，硬件保護有效可靠，具備良好的電壓凋節能力。 |
