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【關(guān)鍵詞】高頻 開關(guān)電源 變壓器 優(yōu)化設(shè)計(jì) 應(yīng)用

電源變壓器具備的主要功能是隔離絕緣、傳送功率以及變換電壓。電源變壓器是一種主要軟磁電磁元件，被廣泛運(yùn)用于電力電子技術(shù)和電源技術(shù)中。開關(guān)電源變壓器是開關(guān)電源的核心部件，能夠轉(zhuǎn)換和傳輸能量。此外，在開關(guān)電源變壓器的開關(guān)電源中，主要的體積與重量占有者，也是發(fā)熱源，可以使得開關(guān)電源向小型輕量方向發(fā)展，并且實(shí)現(xiàn)平面智能等目標(biāo)。因此，開關(guān)電源的高頻化是重中之重。

1 高頻開關(guān)電源變壓器的主要構(gòu)成以及分類

通常從廣義角度而言，凡是將半導(dǎo)體功率的開關(guān)器件作為開關(guān)管，經(jīng)對開關(guān)管，進(jìn)行高頻開通，或者是進(jìn)行關(guān)斷控制，均會(huì)促使電能形態(tài)向其他電能形態(tài)裝置轉(zhuǎn)化，即開關(guān)轉(zhuǎn)換器。開關(guān)電源是指將開關(guān)轉(zhuǎn)換器作為主要組成部件，通過采取閉環(huán)自動(dòng)控制的方式，實(shí)現(xiàn)輸出電壓保持穩(wěn)定的目標(biāo)，并且實(shí)現(xiàn)在電路中增加保護(hù)環(huán)節(jié)電源。高頻開關(guān)電源是指采用高頻DC/DC轉(zhuǎn)換器，作為開關(guān)電源工作狀態(tài)下的開關(guān)轉(zhuǎn)換器。

高頻開關(guān)電源的基本路線主要是由開關(guān)型功率變換器，整流濾波電路，交流直線轉(zhuǎn)換電路及控制電路幾部分組成。高頻開關(guān)電源變壓器分為他激式和自激式、隔離式和非隔離式、硬開關(guān)以及軟開關(guān)幾類。

2 高頻開關(guān)電源變壓器的優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)參數(shù)選取

高頻變壓器的設(shè)計(jì)參數(shù)彼此聯(lián)系，所以，在具體設(shè)計(jì)時(shí)，針對各個(gè)參數(shù)應(yīng)該在合理范圍內(nèi)進(jìn)行有效折中?；诟黝悜?yīng)用場景應(yīng)當(dāng)首，首先符合占支配地位的重要影因素，其次權(quán)衡剩余其他參數(shù)帶來的影響。因?yàn)楦鲄?shù)間緊密聯(lián)系，在設(shè)計(jì)時(shí)，想把一切參數(shù)均達(dá)到最佳基本上不太可能。如變壓器體積和效率二者之間存在的矛盾，漏感合分布電容二者難以同時(shí)減小。所以，在高頻開關(guān)電源變壓器優(yōu)化設(shè)計(jì)的整個(gè)過程中，本文選取了三個(gè)相對比較重要的參數(shù)，以此展開分析。

2.1.1 溫升

在變壓器具體工作的整個(gè)過程中，鐵芯和繞組中的損耗必定會(huì)產(chǎn)生一定熱量，從而促使變壓器溫度逐漸升高，與此同時(shí)，這些熱量通常會(huì)采取輻射和對流的方法，在周圍環(huán)境中相互傳遞。因此，應(yīng)該有效控制溫升，進(jìn)而以防繞組被燒，或者是防止變壓器熱擊穿、防止磁芯性能下降的現(xiàn)象出現(xiàn)。并且，在計(jì)算變壓器的溫升時(shí)，通常是會(huì)將磁芯和繞組的損耗歸在，假設(shè)熱量經(jīng)過磁芯與繞組后，整個(gè)表面積會(huì)發(fā)生均勻消散的現(xiàn)象。

2.1.2 分布參數(shù)

高頻變壓器的主要分布參數(shù)通常是漏感、分布電容。在高頻下，分布參數(shù)對開關(guān)電源性能會(huì)產(chǎn)生關(guān)鍵影響。在開關(guān)式的變換器上，漏感可以致使電壓尖峰，此時(shí)電路中的部分器件會(huì)受此影響，發(fā)生不必要的破壞。同時(shí)，分布電容可能會(huì)引起電流尖峰，且可以大幅度延長充電時(shí)間，從而開關(guān)和二極管會(huì)受此影響，發(fā)生大規(guī)模損耗，進(jìn)而降低變壓器效率及可靠性。因此，在這樣的工作模式種，需要盡量降低變壓器的分布參數(shù)。此外，對于諧振式的變換器而言，能夠吸收、利用變壓器分布參數(shù)。所以在這種模式下，要求必須準(zhǔn)確設(shè)計(jì)分布電容和漏感的值。

2.1.3 損耗與效率

本文將輸入功率和輸出功率二者的差視為變壓器功率損耗值，并且，將其分成兩個(gè)分量，即繞組損耗和磁芯損耗。通常，在額定電壓運(yùn)行的條件下，隨著負(fù)載電流的不斷變化，鐵損不會(huì)發(fā)生變化，所以鐵損也被稱作是不變損耗。如果忽視勵(lì)磁電流，銅損和負(fù)載電流的平方成正比，所以銅損也被稱作是可變損耗。筆者對變壓器分別進(jìn)行了兩項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，即短路試驗(yàn)實(shí)驗(yàn)和空載實(shí)驗(yàn)，在額定電壓下，分別測得鐵損耗和額定負(fù)載下銅損耗，結(jié)果得出鐵損在正常工作時(shí)依舊保持不變，而隨著負(fù)載的變化，銅損會(huì)發(fā)生一系列變化。

2.2 優(yōu)化目標(biāo)

高頻開關(guān)電源變壓器優(yōu)化的目標(biāo)是盡量使變壓器體積向更小的方向發(fā)展，因?yàn)橹挥兄亓窟_(dá)到更輕，頻率達(dá)到更高，才能保證溫升，從而使得分布參數(shù)和絕緣滿足設(shè)計(jì)的前提條件。為將變壓器的效率實(shí)現(xiàn)最大化，需要注意的是，在設(shè)計(jì)的過程中，應(yīng)該遵循以下兩個(gè)基本原則：

（1）保證變壓器的銅損和鐵損二者相等。

（2）保證在初次繞組時(shí)，變壓損耗相呈相等狀態(tài)。

此外，為使得變壓器的體積盡量縮小，在設(shè)計(jì)時(shí)必須采用合適的磁芯和繞組結(jié)構(gòu)，以此保證設(shè)計(jì)的正常進(jìn)行。

2.3 優(yōu)化設(shè)計(jì)方法

現(xiàn)階段，納米晶帶材的可用磁心結(jié)構(gòu)主要分為矩形與環(huán)形。在磁心結(jié)構(gòu)確定后，根據(jù)變壓器自身指定的工作條件，初級繞組匝數(shù)和繞組結(jié)構(gòu)直接決定了變壓器的磁芯截面積大小，繞組尺寸和磁心的窗口面積。因此，對于矩形和環(huán)形這類磁心結(jié)構(gòu)，一般是需要對不同層次和匝數(shù)下，變壓器的體積、重量以及損耗等進(jìn)行具體的比較，進(jìn)而對高頻開關(guān)電源變壓器采取更加優(yōu)質(zhì)的設(shè)計(jì)方案。

3 高頻開關(guān)電源變壓器的應(yīng)用

通過將本文的設(shè)計(jì)進(jìn)行應(yīng)用分析可后可知，在變壓器功率相同時(shí)，矩形磁心比環(huán)形磁心更緊湊，主要原因是：

（1）環(huán)形變壓器通常是會(huì)占用部分磁心，從而使變壓器保持固定狀態(tài)，但是矩形變壓器可以利用下側(cè)磁心，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)固定變壓器的目標(biāo)。

（2）環(huán)形變壓器的繞組內(nèi)側(cè)長度，會(huì)極大降低磁心窗口實(shí)際利用率，以使變壓器的中心出現(xiàn)較大冗余空間，但是矩形變壓器的磁心窗口利用率通常不會(huì)受到任何的影響。

參考文獻(xiàn)

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作者簡介

常樂（1984-），女，山西省晉中市壽陽縣人。現(xiàn)為山西職業(yè)技術(shù)學(xué)院本科碩士講師。主要研究方向?yàn)閼?yīng)用電子、通信工程。

篇2

【關(guān)鍵詞】變壓器耦合并聯(lián)型；開關(guān)電源；檢修

彩色電視機(jī)的電源系統(tǒng)包括開關(guān)穩(wěn)壓電源和行輸出變壓器脈沖整流電源兩大部分。開關(guān)穩(wěn)壓電源具有效率高、重量輕、穩(wěn)壓范圍寬、穩(wěn)定性和可靠性高、易于實(shí)現(xiàn)多路電壓輸出和遙控開關(guān)等優(yōu)點(diǎn)。按穩(wěn)壓控制方式分調(diào)寬式和調(diào)頻式，按開關(guān)變壓器與負(fù)載的連接方式分為串聯(lián)型和并聯(lián)型，按振蕩啟動(dòng)方式分為自激式和他激式。不同類型的開關(guān)電源電路，工作方式不同，在電路結(jié)構(gòu)上會(huì)有較大的差異。而且開關(guān)電源電路的損壞在彩電維修中占有很大的比例。現(xiàn)具體討論變壓器耦合、并聯(lián)輸出、自激式、調(diào)寬穩(wěn)壓型開關(guān)電源的檢修注意事項(xiàng)和檢修方法。

一、檢修注意事項(xiàng)

由于開關(guān)電源工作在高電壓、大電流的情況下，所以為了實(shí)現(xiàn)安全、快速的檢修，必須注意以下幾點(diǎn)：

1、為了避免事故發(fā)生，檢修時(shí)必須才取必要的措施。在被檢測電源輸入端外接1:1隔離變壓器，將檢修整機(jī)與電網(wǎng)火線隔離開來。另外最好把工作臺(tái)鋪上絕緣膠墊。

2、檢修時(shí)應(yīng)注意人身、儀器的安全。由于“熱底板”存在著與電網(wǎng)火線相通的可能，因此應(yīng)注意電源部分“熱底板”和“冷底板”的區(qū)域范圍。

3、市電輸入回路的延時(shí)熔絲管或供電回路的保險(xiǎn)電阻燒壞，不能采用導(dǎo)線短接的方法進(jìn)行檢修，以免擴(kuò)大故障范圍。

4、開關(guān)電源未起振時(shí)，大部分彩電的300V供電的濾波電容會(huì)在關(guān)機(jī)后存儲(chǔ)一定的電壓，必須先將存儲(chǔ)的電壓泄放掉后再檢修，以免損壞測量儀表或擴(kuò)大故障范圍。

5、檢測開關(guān)電源不同部位的電壓時(shí)，要選擇好接地線。即測開關(guān)電源初級部分的關(guān)鍵點(diǎn)電壓時(shí)，應(yīng)選擇300V供電的濾波電容負(fù)極為“地”，而測開關(guān)電源輸出端電壓時(shí)，應(yīng)該以高頻調(diào)諧器外殼或與其相通的部位為“地”，否則會(huì)導(dǎo)致所測電壓不準(zhǔn)。

6、開關(guān)管擊穿后，必須檢查故障確定原因后再通電試機(jī)，以免更換后的開關(guān)管再次擊穿。

7、檢修過壓保護(hù)電路動(dòng)作的故障時(shí)，不能輕易脫開保護(hù)電路進(jìn)行檢修，以免擴(kuò)大故障范圍。

8、需要暫時(shí)斷開負(fù)載，以判斷故障是在負(fù)載的行輸出級還是在開關(guān)電源部分時(shí)，必須在開關(guān)電源的輸出端接上一個(gè)假負(fù)載才能開機(jī)。假負(fù)載需接在B＋電壓的濾波電容兩端或B＋供電的整流管負(fù)極與地之間，而不能接在B＋整流管正極與地之間。當(dāng)采用斷開穩(wěn)壓電路檢修時(shí)，應(yīng)在交流電壓輸入端串接一個(gè)100W燈泡降壓，防止輸出電壓過高而燒壞元件。

二、檢修時(shí)的檢測要點(diǎn)

不同類型的開關(guān)電源電路，由于工作方式的不同會(huì)在電路結(jié)構(gòu)上有較大差異，但基本工作原理和方框結(jié)構(gòu)比較相近，檢測要點(diǎn)也基本相同。

1、輸入端“交～直變換”的檢測要點(diǎn)

輸入端的“交～直變換”是指220V輸入回路、整流、濾波這部分電路，它的任務(wù)是把220V的交流電壓變換成直流電壓，輸送到開關(guān)管的集電極。因此，通過檢測開關(guān)管集電極上有無250～340V左右的直流電壓，來判斷這部分電路工作是否正常。若此電壓為零，表明電路出現(xiàn)斷路故障，應(yīng)先對其進(jìn)行檢修，使其達(dá)到正常后，才能檢修其他電路。

2、開關(guān)振蕩電路的檢測要點(diǎn)

開關(guān)振蕩電路是開關(guān)電源的關(guān)鍵部位，它包括開關(guān)變壓器（主要是初級繞組和正反饋繞組）、開關(guān)管、啟動(dòng)電路和正反饋電路。

（1）開關(guān)振蕩電路是否起振的判斷方法如下：

1）直流電壓檢測法：檢測開關(guān)管基極有無0.1～0.2V的負(fù)電壓，有負(fù)電壓即表示已經(jīng)起振。

2）“dB”電壓檢測法：用萬用表的dB擋檢測開關(guān)管基極或集電極有無dB電壓，有dB電壓表示已經(jīng)起振。如萬用表沒有dB擋，可在表筆上串聯(lián)一個(gè)0.1μF/400V的無極性電容后，用交流電壓擋去測量。

3）示波器觀察法：用示波器觀察開關(guān)管基極或集電極有無開關(guān)脈沖信號。注意：用示波器檢測時(shí)，必須在220V輸入端加接1:1隔離變壓器。

（2）若通過以上檢測確定開關(guān)振蕩電路沒有起振，則應(yīng)重點(diǎn)檢查以下電路：

1）啟動(dòng)電路是否開路。檢查方法十分簡單，用萬能表的直流擋位測量開關(guān)管的B極，在開機(jī)瞬間如開關(guān)管B極電壓有跳變則說明啟動(dòng)電路正常，如果按動(dòng)開關(guān)時(shí)表筆沒有擺動(dòng)則說明啟動(dòng)電路開路了。

2）正反饋電路中有無元件開路或短路。檢修時(shí)，只要對正反饋回路中的阻容元件測量或采用代換法就可以查找出故障根源。

3）由取樣繞組、取樣比較、誤差放大和脈沖寬度調(diào)節(jié)電路組成的穩(wěn)壓電路是否有故障。必要時(shí)可暫時(shí)斷開穩(wěn)壓控制電路，使振蕩器單獨(dú)起振。

4）保護(hù)電路是否有故障，必要時(shí)可斷開保護(hù)電路。

3、輸出端“交～直變換”的檢測要點(diǎn)

輸出端的“交～直變換”是指開關(guān)變壓器次級繞組輸出的脈沖電壓經(jīng)整流、濾波后形成的直流輸出電壓。一般開關(guān)電源有多路直流輸出電壓，檢測各路輸出的直流電壓值，可以判斷開關(guān)電源的工作是否正常。

4、穩(wěn)壓控制電路的檢測要點(diǎn)

穩(wěn)壓控制電路一般包括取樣繞組、取樣電路、基準(zhǔn)電壓、比較放大、誤差放大和脈沖控制電路幾個(gè)部分。它的任務(wù)是通過自動(dòng)調(diào)整開關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間，從而調(diào)整高頻脈沖的占空比，使輸出電壓穩(wěn)定在負(fù)載所要求的電壓值上。檢測穩(wěn)壓控制電路的方法是用萬用表檢測輸出端的直流電壓，然后微調(diào)穩(wěn)壓電路中的可調(diào)電阻，看輸出端的電壓能否變化，能否重新穩(wěn)住，從而判斷整個(gè)穩(wěn)壓電路中是否正常。

三、常見故障的檢修方法

1、保險(xiǎn)絲熔斷

開機(jī)就燒保險(xiǎn)絲，且燒斷的保險(xiǎn)絲內(nèi)部呈現(xiàn)出黑色煙霧狀，表明電路中有嚴(yán)重的短路性，且一般都發(fā)生在開關(guān)電源本身，這時(shí)應(yīng)檢查消磁電路、整流、濾波電路或是開關(guān)管等重要元件是否被擊穿了；如果燒斷的保險(xiǎn)絲還呈透明狀，通常是電流過載而造成的，多數(shù)為行輸出有短路性故障。

維修方法：先采用串聯(lián)燈泡法簡捷地判斷出是開關(guān)電源本身故障還是行輸出電路的問題：在交流輸入端串入一個(gè)100w／220v的燈泡，開機(jī)觀察現(xiàn)象。如果在正常情況下，接通電源后，燈泡會(huì)瞬間很亮，隨后變成暗光；如果燈泡沒有發(fā)光，則說明是保險(xiǎn)絲或是電源開關(guān)損壞；如果燈泡在瞬間很亮后就再?zèng)]有發(fā)光了，則表明消磁之前的電路正常，應(yīng)把重點(diǎn)放到整流以后的電路；如果燈泡長時(shí)間保持很亮，則說明電源部分有短路性故障，應(yīng)著重檢查整流電路和穩(wěn)壓電路；如果燈泡亮了一下，隨后又變得較亮，則很大可能是行負(fù)載有短路，這時(shí)可對行輸出電路進(jìn)一步檢查。

如果判斷出是開關(guān)電源本身故障。先用觀察法檢查電路上有沒有燒焦或是炸裂的元件，聞一聞?dòng)袥]有異味。經(jīng)看，聞之后，再用萬用表進(jìn)行檢查。首先測量一下電源輸入端的電阻值，若太小，則說明后端有局部短路現(xiàn)象，然后分別測量四只整流二極管正、反向電阻和限流電阻的阻值，看其有無短路或燒壞；然后再測量一下電源濾波電容是否能進(jìn)行正常充放電，再就測量一下開關(guān)管是否擊穿損壞。需要說明的一點(diǎn)是：因是在路測量，有可能會(huì)使測量結(jié)果有誤，造成誤判。因此必要時(shí)可把元器件焊下來再進(jìn)行測量。

2、無直流電壓輸出

如果保險(xiǎn)絲是完好的，在有負(fù)載的情況下，各級直流電壓無輸出。這種情況主要是以下原因造成的：電源中出現(xiàn)開路，短路現(xiàn)象，過壓，過流保護(hù)電路出現(xiàn)故障，振蕩電路沒有工作，電源負(fù)載過重，高頻整流濾波電路中整流二極管被擊穿，濾波電容漏電等。

維修方法：首先，用萬用表測量開關(guān)管集電極有無300V直流電壓，若沒有應(yīng)往前查交流輸入，保險(xiǎn)絲、整濾波等電路是否正常；若集電極電壓正常，則檢查開關(guān)管b極電壓。測開關(guān)管b極電壓或者在關(guān)機(jī)瞬間，用指針萬用表R×lΩ擋，黑筆接b極，紅筆接整流濾波電容負(fù)極（熱地），聽電源有啟動(dòng)聲音，說明電源振蕩電路正常，僅缺乏啟動(dòng)電壓，是啟動(dòng)電阻開路或銅皮斷。若無啟動(dòng)聲，在測be結(jié)后，迅速將表轉(zhuǎn)到電壓檔，測c極電壓是否快速泄放。若是，說明開關(guān)管及其放電回路均正常，正反饋電路存在故障，包括反饋電阻、電容、續(xù)流二極管、正反饋繞組及其開關(guān)管故障。若c極電壓仍不泄放，說明開關(guān)管及其回路有開路故障或b極有短路接地故障。

3、有直流電壓輸出，但輸出電壓過高

這種故障往往來自于穩(wěn)壓取樣和穩(wěn)壓控制電路出現(xiàn)故障所致。在開關(guān)電源中，直流輸出、取樣電阻、誤差取樣放大管、光耦合器、脈沖控制電路等電路共同構(gòu)成了一個(gè)閉合的穩(wěn)壓控制環(huán)路，任何一處出問題都會(huì)導(dǎo)致輸出電壓升高。

維修方法：由于開關(guān)電源中有過壓保護(hù)電路，可以通過斷開過壓保護(hù)電路，使過壓保護(hù)電路不起作用。用分割法以穩(wěn)壓環(huán)路中的光耦為分水嶺，對電路實(shí)行分割，確定故障范圍。將光耦件熱地端的兩控制腳短路，觀察B＋變化，B＋嚴(yán)重下降或停止輸出，說明熱底板部分正常。故障點(diǎn)在B＋取樣電路及光耦；變化不明顯或無變化，說明熱底板部分有故障，要仔細(xì)檢查此部分的脈沖控制電路。檢查脈沖控制電路可采用調(diào)整交流電壓法：用交流調(diào)壓器調(diào)整交流輸入電壓，監(jiān)測+B輸出電壓。然后測脈寬調(diào)整電路中各級三極管的b、e、c極電壓、光耦端子間壓降變化，看其是否與穩(wěn)壓原理相符或變化趨勢一致。測到某一點(diǎn)與穩(wěn)壓原理應(yīng)得值相反，說明被測點(diǎn)的這一級有故障，應(yīng)逐一檢查相關(guān)元件。注意振蕩定時(shí)電容容量下降也會(huì)使輸出電壓過高。

對于具體的開關(guān)電源電路故障現(xiàn)象，可因故施修、因機(jī)施修，靈活掌握，采用不同的檢修方法和步驟，以達(dá)到準(zhǔn)確、快速、高質(zhì)量地完成檢修任務(wù)為目的。無論采取何種方法和步驟，原則是不能造成穩(wěn)壓電路開路、開關(guān)管失控，引起開關(guān)電源輸出電壓升高，造成大面積元件損壞，反而將故障擴(kuò)大。如果掌握了開關(guān)電源各電路和元件發(fā)生故障的規(guī)律，就能夠迅速地排除各種故障。

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作者簡介：

篇3

【關(guān)鍵詞】納米晶；軟磁材料；鐵芯；鐵基合金

引言

八十年代以來，由于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和多媒體技術(shù)、高密度記錄技術(shù)和高頻微磁器件等的發(fā)展和需要，越來越要求所用各種元器件高質(zhì)量、小型、輕量，這就要求制造這些器件所用的軟磁合金等金屬功能材料不斷提高性能，向薄小且高穩(wěn)定性發(fā)展[1]。正是根據(jù)這種需要，1988年日本的Yoshizawa等人首先發(fā)現(xiàn)，在Fe—Si—B非晶合金的基體中加人少量Cu和M（M=Nb，F(xiàn)a，Mo，W等），經(jīng)適當(dāng)?shù)臏囟染Щ嘶鹨院?，可獲得一種性能優(yōu)異的具有b.c.c結(jié)構(gòu)的超細(xì)晶粒（D約10nm）軟磁合金[2]。這時(shí)材料磁性能不僅不惡化，反而非常優(yōu)良，這種非晶合金經(jīng)過特殊的晶化退火而形成的晶態(tài)材料稱為納米晶合金。其典型成份為Fe73.5CuNb3Si13.5B9，牌號為Finemet。其后，Suzuki等人又開發(fā)出了Fe—M—B（M=Zr，Hf，Ta）系。到目前為止，已經(jīng)開發(fā)了許多納米晶軟磁材料，包括：Fe基、Co基、Ni基[3]。由于Co基和Ni基易于形成K、λs、同時(shí)為零的非晶態(tài)或晶態(tài)合金，如果沒有特殊情況，實(shí)用價(jià)值不大。故本文主要介紹鐵基納米晶軟磁合金。鐵基納米晶合金是以鐵元素為主，加人少量的Nb、Cu、Si、B元素所構(gòu)成的合金經(jīng)快速凝固工藝所形成的一種非晶態(tài)材料，這種非晶態(tài)材料經(jīng)熱處理后可獲得直徑為l0—20納米的微晶，彌散分布在非晶母體上，被稱為微晶、納米晶材料或納米晶材料。納米晶材料具有優(yōu)異的綜合磁性能：高飽和磁感（1.2T）、高初始磁導(dǎo)率（8萬）、低Hc（0.32A/M），高磁感下的高頻損耗低（P0.5T/20kH=30W/kg），電阻率為80微歐厘米，比坡莫合金（50—60微歐厘米）高，經(jīng)縱向或橫向磁場處理，可得到高Br（0.9T）或低Br值（1000Gs）。是目前市場上綜合性能最好的材料。

1 納米晶軟磁合金的性能

1.1 軟磁合金的磁特性

對于納米晶軟磁合金，按性能要求，常分為高Bs型、高0型等。

（1）高型納米晶合金，其成份至今局限于FeSiB系。以FeCuNbSiB系磁性最佳，其性能參數(shù)達(dá)到：在磁場0.08A/m下，相對磁導(dǎo)率達(dá)14萬以上，矯頑力最低已達(dá)0 .16A/m，飽和磁感Bs高達(dá)135T，在頻率lOOkHz和磁感0.2T下鐵損低達(dá)250kW/1T。值得研究的是飽和磁致伸縮系數(shù)21×10-6，而不是0左右。

（2）高Bs型鐵基納米晶合金，其Fe含量在88at%以上，Bs值可達(dá)16～1.72T，典型成份為FeMB（M=Zr，Hf等）。對于FeZrB系合金，典型成份為Fe73.5CuNb3Si13.5B9，經(jīng)600℃退火1h，其Bs=166T，j（1kHz）=24000。對于FeHfB系，典型成份也是FeHf7B2在600退火1h，其Bs=1 6T，（1kHz）=18000。另外，對于Fe—P—C系合金，以Nd作為添加元素也可獲得高Bs的鐵基軟磁合金。FeCuNbSiB系納米晶合金是綜合性能優(yōu)秀的典型合金。曾將FeCuNbSiB系納米軟磁合金與其它軟磁材料的磁特性進(jìn)行過對比，發(fā)現(xiàn)其它各類軟磁材料都是在一兩項(xiàng)性能方面具有優(yōu)勢。

2 非晶納米晶軟磁材料的應(yīng)用

鑒于非晶納米晶軟磁材料的優(yōu)異特性 ，可應(yīng)用于電子儀器設(shè)備中的大功率中高頻變壓器、高頻開關(guān)電 源、電磁兼容器件、高精度電流互感器、高頻電流取樣器、磁傳感器等器件中

2.1 大功率中高頻變壓器

在 20～50 kHz頻率范 圍內(nèi)的變壓器 ，以往一般采用鐵氧體做變壓器磁芯 ，由于制造工藝的限制 ，大功率變壓器所需要的磁芯很難解決 ，不得不使用幾個(gè)磁芯。納米晶軟磁材料具備的優(yōu)異性能，為高頻變壓器 的小型化 、輕量化提供了理想材料。用納米晶軟磁材 料制造的變壓器具有以下優(yōu)點(diǎn)： 功率大：當(dāng) 10～20 kW時(shí)，功率密度可達(dá)到 15～ 20 kW/kg；漏感小 ：一般小于5 H；效率高：可達(dá)到 90%以上；體積小、質(zhì)量輕：15 kW變壓器的質(zhì)量僅為 3 kg左右，體積比鐵氧體降低 50%；溫升小 ：由于納米 晶軟磁材料的低損耗，可大幅度降低發(fā)熱，從而提高變壓器的使用可靠性。

2.2 高頻開關(guān)電源

納米晶軟磁材料的薄帶厚度和電阻率決定其最佳應(yīng)用頻率范圍在 kHz頻帶，這正好與目前的高頻開關(guān)電源頻帶相同，高頻開關(guān)電源就成了應(yīng)用非晶納米晶軟磁材料應(yīng)用的重要領(lǐng)域。高頻開關(guān)電源中使用的磁性器件較多。這些磁性器件均為開關(guān)電源的核心元件，如功率變壓器、電流互感器、共模電感、扼流圈、濾波電感、可飽和電感、尖峰信號抑制器 和抗噪聲干擾器等。 我國已開發(fā)出多種規(guī)格的非晶納米晶材料的 O 型 、C型、CD型等器件應(yīng)用于開關(guān)電源變壓器的磁芯，并廣泛應(yīng)用到了中頻電源 、逆變電源 、程控交換機(jī)及逆 變焊機(jī)等的電源變壓器。這些產(chǎn)品的成功推廣應(yīng)用，有效地提高了非晶納米晶軟磁材料及器件的技術(shù)與生產(chǎn)水平。

2.3 電磁兼容器件

在現(xiàn)代電子設(shè)備設(shè)計(jì)中，EMC（電磁兼容）與 EMI（抗電磁干擾）已越來越引起人們重視，解決這些問題的關(guān)鍵元件之一即是電感器件。對EMI器件中使用的 電感器設(shè)計(jì)，人們在磁芯材料選用上曾做過很多探討。選用價(jià)格低的硅鋼和鐵粉芯，其頻率特性不佳，易發(fā)熱，影響開關(guān)管工作；使用常規(guī)高性能鐵氧體材料，其飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度和居里點(diǎn)低，需要增大磁芯尺寸與加大氣隙；選用坡莫合金鐵芯，成本則較高，而且大電 流條件下使用時(shí)的性價(jià)比更高。因?yàn)檫@種電感器的工作頻帶在 kHz級，非晶納米晶材料正適合用于此頻 帶?，F(xiàn)在，通過改進(jìn)工藝加工技術(shù)和熱處理技術(shù)，研制出了有效磁導(dǎo)率從幾十到幾萬的系列材料，可以滿足不同的電感器件需要。

2.4高精度電流互感器

對于大電流、高精度的電流互感器，磁芯材料的磁特性是產(chǎn)生誤差的一個(gè)很大的影響因素。以往較常用 的材料是坡莫合金，但坡莫合金高昴的價(jià)格限制了其大規(guī)模應(yīng)用，納米晶軟磁材料是 目前最為理想的制造 大電流、高精度電流互感器磁芯的材料。納米晶軟磁 材料的高磁導(dǎo)率 （初始磁導(dǎo)率 ≥60000）和低損耗特性很好地滿足了電流互感器的精度要求磁芯材料的溫度穩(wěn)定性對測量精度有很大的影響。對納米晶軟磁材料進(jìn)行溫度穩(wěn)定性研究發(fā)現(xiàn)，在工作磁感應(yīng)強(qiáng)度低于0.8T、使用溫度低于 120℃時(shí)，磁芯的值隨溫度的升高而略有增加 ，這有利于減小互感器的測量誤差。近幾年來，國內(nèi)有關(guān)單位開展了電流互感器納米晶軟磁磁芯的研制生產(chǎn)工作，所生產(chǎn)的納米晶軟磁電流互感器不僅質(zhì)量要比坡莫合金輕 1/3， 而且精度可達(dá) 0.2S級水平。

2.5 高頻電流取樣器

高頻電流取樣器由于其使用頻帶寬、測量精度高， 用常規(guī)軟磁材料難于滿足其全頻段幅值和相位的高精度測量，通常用適合于不同頻段的幾種軟磁材料制作 電流取樣器，進(jìn)行分頻段測試，這不但大幅度地增加了測量儀器的質(zhì)量和體積，設(shè)備操作不便，且對測試精度 有著較大的影響。通過對納米晶軟磁材料的成分及處理工藝進(jìn)行設(shè)計(jì)和調(diào)整，用該種材料制備的納米晶軟磁磁芯制作高頻電流取樣器，其性能與國外同類產(chǎn)品相當(dāng)。

2.6巨磁阻抗傳感材料及器件

材料的交流阻抗隨外加直流磁場的改變而變化的特性稱為磁阻抗效應(yīng)。最初對這一效應(yīng)研究得最多的是具有零或負(fù)磁致伸縮系數(shù)的鈷基非晶態(tài)軟磁合金細(xì)絲，隨著研究的深入以及新型納米軟磁材料一鐵基納米晶軟磁合金的研制成功，由于其具有非常優(yōu)異的軟磁性能，是研究 GMI效應(yīng)的最佳材料，正日益受到國內(nèi)外學(xué)者的重視。當(dāng)這種細(xì)絲通以高頻電流時(shí) ，絲兩端感生的電壓振幅隨沿絲長方向所加外磁場強(qiáng)度的改變而變化，這種變化無磁滯效應(yīng)，而且響應(yīng)快 、靈敏度高，這種特別大的磁阻抗效應(yīng)即為巨磁阻抗效應(yīng)（Giant Magneto—impedance）。它的靈敏度一般情況下可達(dá) 0.25%/（A·m ），比傳統(tǒng)的霍爾元件高出兩個(gè)數(shù)量級，同時(shí)比最近幾年才發(fā)展起來的巨磁電阻效應(yīng) （Giant Magneto—Resistance，GMR）還高一個(gè)數(shù)量級，巨磁阻抗效應(yīng)一般簡寫為 GMI。

參考文獻(xiàn)：

[1]盧志超，周少雄.非晶合金發(fā)展的歷史、現(xiàn)狀與展望.

篇4

【關(guān)鍵詞】LED筒燈；驅(qū)動(dòng)電源電路；反激式；BP3105

1.引言

在全球能源日益短缺、環(huán)保要求不斷提高的情況下，LED燈具正逐漸成為當(dāng)下及未來照明市場的發(fā)展方向。LED照明具有光效高、易控制、壽命長、節(jié)能環(huán)保等顯著優(yōu)勢，是人類繼白熾燈、熒光燈之后新的照明革命。目前LED燈具已廣泛應(yīng)用于室內(nèi)、室外、景觀照明，在室內(nèi)照明LED燈具中使用較普遍的是筒燈、射燈、平板燈、球泡燈。隨著LED技術(shù)的迅猛發(fā)展，LED在照明市場被業(yè)界認(rèn)為在未來10年成為最被看好的市場以及最大的市場，LED燈具也將是取代白熾燈、熒光燈的最大潛力商品。

2.LED筒燈市場分析

筒燈是在工程建設(shè)中用量最大的室內(nèi)工程燈具，它廣泛用于在商場、賓館、寫字樓和家庭裝修中，它是一種點(diǎn)光源燈具，通常是嵌入在天花上作為空間照明使用。筒燈的光源主要是節(jié)能燈、LED兩大類。相比較而言，LED除了價(jià)格較貴外，其他主要性能都明顯高于節(jié)能燈，例如光效方面：螺旋節(jié)能燈為60lm/W、2010白光LED為120lm/W；壽命方面：螺旋節(jié)能燈

筒燈根據(jù)安裝方式主要分為嵌入式和明裝式，其中嵌入式占據(jù)近95%的市場；根據(jù)燈杯尺寸主要可分為2.5、3、4英寸（民用）和3、4、5、6、8、10英寸（工程），其中4英寸使用最多；根據(jù)結(jié)構(gòu)可分為自帶控制裝置式（即一體式）和控制裝置分離式，其中一體式LED筒燈市場很少見。

3.LED筒燈設(shè)計(jì)方案

結(jié)合市場分析和成本控制，本設(shè)計(jì)任務(wù)確定為一款4英寸一體式LED筒燈。主要光電性能符合國家《LED筒燈節(jié)能認(rèn)證技術(shù)規(guī)范》CQC3128-2010。

3.1 LED筒燈技術(shù)參數(shù)

功率：一般市場常見4英寸筒燈匹配緊湊型節(jié)能燈功率為9-15W左右，根據(jù)工程常規(guī)通用換算公式LED1W=節(jié)能燈1.5-2W，確定本設(shè)計(jì)輸出功率為10W。

功率因數(shù)≥0.8，電源效率≥80%，初始發(fā)光效率≥80lm/W。

3.2 LED筒燈總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

LED筒燈由以下幾部分組件構(gòu)成，總體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

（1）外殼：由反光杯和散熱器構(gòu)成。散熱器選用散熱良好的車鋁型材構(gòu)成，選用常見的太陽花形式。散熱器底部通過導(dǎo)熱硅脂在外側(cè)與反光杯底部緊密連接，反光杯底部內(nèi)側(cè)與LED光源的鋁基板通過導(dǎo)熱硅脂緊密相連。

（2）燈罩：選用亞克力導(dǎo)光板，其具有超薄、亮度高、導(dǎo)光均勻、節(jié)能環(huán)保、無暗區(qū)燈特點(diǎn)，配合多顆均勻散布的小功率LED燈珠，使燈具發(fā)光更加均勻，沒有光斑。

（3）LED光源：由鋁基板（MCPCB，35μm銅層及1.5mm鋁合金）和30個(gè)標(biāo)稱0.32W的LED燈珠組成，避免了使用少量大功率燈珠帶來的發(fā)光不均勻的弊病。選用30顆首爾STW8Q14BLED燈珠組成10串3并的結(jié)構(gòu)。STW8Q14BLED典型光電參數(shù)：色溫2600-7000K，光通量30.5lm（2600-3700k），32lm（3700-7000k），正向電壓降VLED=3.2V，正向電流ILED=110mA，結(jié)溫RJC=18℃。LED的散熱墊與PCB的敷銅層采用回流焊焊在一起。

（4）驅(qū)動(dòng)電源：因?yàn)閱蝹€(gè)LED工作電壓為低電壓，且工作電壓范圍很窄，通常不能直接供電，否則極易損壞。本設(shè)計(jì)選用恒流驅(qū)動(dòng)，可以避免LED燈珠正向電壓變化所導(dǎo)致的工作電流變化，從而提高LED發(fā)光的光視效能和穩(wěn)定度，延緩光衰。所以采用恒流驅(qū)動(dòng)芯片，電源沿用常用的單開關(guān)反激式電路。驅(qū)動(dòng)電路板設(shè)計(jì)成環(huán)形，外裝塑料外殼，與燈具外殼固定相連，散熱器從其中間穿過，構(gòu)成一體式結(jié)構(gòu)。

4.電路設(shè)計(jì)

4.1 BP3105芯片簡介

BP3105是一款高精度的LED恒流控制芯片，適用于輸入全電壓范圍的反激式隔離LED恒流電源。采用原邊反饋模式，無需次級反饋電路，也無需補(bǔ)償電路即可實(shí)現(xiàn)恒流，系統(tǒng)成本低。芯片內(nèi)帶有高精度的電流取樣電路，使得LED輸出電流精度達(dá)到±3%以內(nèi)。BP3105采用小體積SOT23-5封裝，管腳封裝圖見圖2。其中GATE為外接NMOS管驅(qū)動(dòng)端；CS為電流采樣端，采樣電阻RCS接在CS與GND之間；FB為輔助繞組的反饋端。BP3105具有多重保護(hù)功能，包括LED開路保護(hù)、LED短路保護(hù)、芯片過溫保護(hù)、過壓保護(hù)、欠壓保護(hù)、FB短路保護(hù)等。當(dāng)Vcc電壓高于16V時(shí)，芯片關(guān)斷外部功率管，芯片自動(dòng)重啟直到外部過壓狀態(tài)解除；Vcc內(nèi)部自帶19V鉗位電路，以防止異常條件下芯片損壞。芯片內(nèi)部熱保護(hù)電路檢測結(jié)溫度。過熱保護(hù)閾值設(shè)置在160℃，遲滯為30℃。當(dāng)結(jié)溫度超過閾值（160℃）時(shí)，將關(guān)斷功率MOSFET，直到結(jié)溫度下降30℃后，MOSFET才會(huì)重新使能。當(dāng)輸出出現(xiàn)LED短路或LED開路時(shí)，系統(tǒng)將自動(dòng)進(jìn)入低功耗模式，同時(shí)不斷檢測負(fù)載狀態(tài)，直到故障解除。當(dāng)故障解除后，系統(tǒng)自動(dòng)恢復(fù)正常工作。

4.2 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

LED筒燈驅(qū)動(dòng)電路見圖3和圖4。其中圖3為輸入EMI濾波電路和橋式整流電路，圖4為基于BP3105芯片的恒流驅(qū)動(dòng)電路。

圖3中F1為保險(xiǎn)絲，起過流保護(hù)作用；RV為壓敏電阻，起過壓保護(hù)作用；D1-D4為橋式整流電路。Ld1、Ld2、C1、C2組成EMI低通濾波器，Ld1=Ld2，C1=C2，用于共模方式的EMI抑制。共模電感Ld1、Ld2對稱地繞在同一磁芯上，在正常工作電流范圍之內(nèi)，由于磁性材料產(chǎn)生的磁性互相補(bǔ)償，從而能避免磁飽和，對共模干擾信號呈現(xiàn)高阻抗，而對差模信號和電源電流呈現(xiàn)低阻抗，這樣就保證了對電源電流的衰減很小，而同時(shí)又抑制了電流噪聲。EMI濾波器既抑制了來自電網(wǎng)的電磁干擾，同時(shí)對驅(qū)動(dòng)電源自身產(chǎn)生的電磁干擾也起衰減作用，以保證電網(wǎng)不受污染。

圖4中C1、C2、R2、D5-D7構(gòu)成逐流濾波無源功率因數(shù)校正電路，C3作為直流端濾波電容。加入逐流電路后在每半周期內(nèi)，將交流輸入電壓高于直流輸出電壓的時(shí)間拉長，圖3中整流二極管D1-D4的導(dǎo)通角就可以增大達(dá)到120度以上，交流電源輸入電流為零的死區(qū)時(shí)間則縮短，電流波形也更趨接近正弦波，減小了電流畸變因子，從而提高電路輸入功率因數(shù)，由0.6變到0.9，同時(shí)降低輸出直流電壓，至少比橋式整流電容濾波電路的直流輸出電壓低15%。經(jīng)過逐流電路后，由T1、Q1、D7、C6構(gòu)成的反激式開關(guān)電源電路完成隔離輸出和變壓功能，控制芯片IC1實(shí)現(xiàn)反激式開關(guān)電源電路的開關(guān)控制功能。反激式開關(guān)電源電路具有電路結(jié)構(gòu)簡單、安全隔離、成本低的優(yōu)點(diǎn)，特別適合小功率LED驅(qū)動(dòng)電源的要求。D6、R6、C5構(gòu)成反激式開關(guān)電源電路的吸收電路，在開關(guān)Q1關(guān)斷后，吸收開關(guān)上的尖峰電壓。

BP3105芯片僅需要25uA的啟動(dòng)電流，系統(tǒng)上電后啟動(dòng)電阻R5對電容C4進(jìn)行充電，當(dāng)電壓達(dá)到芯片開啟閾值14V時(shí)，芯片內(nèi)部控制電路開始工作。系統(tǒng)啟動(dòng)后，其由輔助繞組對Vcc端進(jìn)行供電。芯片逐周期檢測變壓器主級側(cè)的峰值電流，CS端連接到內(nèi)部的峰值電流比較器的輸入端，與內(nèi)部500mV閾值電壓進(jìn)行比較。當(dāng)CS外部電壓達(dá)到500mV時(shí)，功率管Q1關(guān)斷，系統(tǒng)工作在電感電流斷續(xù)模式。BP3105芯片通過FB來反饋輸出電流的狀態(tài)，F(xiàn)B的閾值電壓設(shè)置在1V。R9、R10為反饋網(wǎng)絡(luò)的檢測電阻可以設(shè)置到300KΩ～750KΩ，同時(shí)利用分壓可以進(jìn)行線電壓補(bǔ)償。變壓器T1主級側(cè)峰值電流：Ip=500（mV）/RCS，實(shí)際為了便于調(diào)整阻值，RCS用兩個(gè)電阻R3和R8并聯(lián)。

4.3 變壓器設(shè)計(jì)

根據(jù)BP3105芯片使用要求，系統(tǒng)工作在電感電流斷續(xù)模式，最大占空比為Dmax=0.42，中心工作頻率f=44KHz（在40KHz～48KHz之間便于通過EMI測試）。輸入直流平均電壓為200-280V，輸出直流平均電壓Uo=VLED*10=32V，輸出直流平均電流Io=ILED*3=330mA。

（1）確定變比

假設(shè)工作在斷續(xù)臨界點(diǎn)，最大占空比情況下，根據(jù)伏秒積分為零的公式（1）可算出變比，取7。其中Np 是變壓器初級的匝數(shù)，Ns 是變壓器次級的匝數(shù)，TR為次級電流流通時(shí)間。

（1）

（2）確定初級電感量

根據(jù)次級電流公式（2）和磁勢平衡公式（3），可以算出變壓器原邊峰值電流Ip=180mA。公式（4）為臨界連續(xù)時(shí)原邊電感量計(jì)算公式，其中電源效率取0.7，在斷續(xù)工作狀態(tài)下，電感取值應(yīng)小于該計(jì)算值。根據(jù)實(shí)際實(shí)驗(yàn)結(jié)果，變壓器初級電感量定為1.7mH。

（2）

（3）

（4）

（3）確定繞組匝數(shù)

根據(jù)輸出功率10W選擇變壓器E19磁芯，4+3引腳骨架，變壓器骨架尺寸見圖5。鐵芯材料選常用的PC40錳鋅鐵氧體，Bs=3000G，Br=95G，Ae=0.23cm2。根據(jù)公式（5）確定初級繞組匝數(shù)，其中ΔB=Bs-Br，余量系數(shù)F取0.6。最終選擇N1初級繞組（4、5引腳）167匝，線徑0.25；N3次級繞組（6、7引腳）24匝，線徑0.15；N2反饋繞組（1、3引腳）66匝，線徑0.35。繞組之間覆蓋2層聚酯膜。

（5）

5.散熱器設(shè)計(jì)

在熱的傳導(dǎo)過程中，各種材料的導(dǎo)熱性能不同，即有不同的熱阻。熱阻越小，其導(dǎo)熱性能越好。太陽花形散熱器是LED筒燈廣泛采用的一種散熱形式。設(shè)Y為最優(yōu)翅片長度，X為芯片功率，根據(jù)線性擬合公式Y(jié)=4.0333（X-12）+34.422nn，可以計(jì)算出最佳翅片長度為26.355mm。翅片厚度的增加，并不能有效增大翅片散熱面積，相反卻會(huì)造成散熱器重量的增加，提高成本。但考慮到散熱器翅片采用擠壓工藝成型，對厚度有一定下限要求，在保證大于1mm前提下，盡量減薄以降低散熱器的制造成本。根據(jù)計(jì)算經(jīng)驗(yàn)，翅片間隔需要大于4mm，才能保證自然對流的順利進(jìn)行。本設(shè)計(jì)采用一體化結(jié)構(gòu)，散熱器放從環(huán)形驅(qū)動(dòng)電源中間穿過，外形圖見圖6，總直徑只能限制在70mm內(nèi)，本設(shè)計(jì)中所用太陽花散熱器翅片長20mm，厚1mm，數(shù)量36*2=72，翅片間隔3mm。

6.測試結(jié)果分析

使用遠(yuǎn)方電參數(shù)測試儀、積分球?qū)φ麩暨M(jìn)行測試。

光電實(shí)際測試結(jié)果：功率因數(shù)=0.9，實(shí)際輸出功率=10.2W，電源效率=80%，初始發(fā)光效率=82lm/W，全部符合設(shè)計(jì)要求。

溫度測試結(jié)果：環(huán)境溫度TA=25℃，LED散熱墊的溫度TC=70℃。LED工作狀態(tài)：VLED=3.2V，正向電流ILED=110mA，極限工作結(jié)溫TJmax=125℃。TJ=RJC（VLED×ILED）+TC=18℃/W（3.2V×110mA）+70℃=76.3℃

7.結(jié)論

文章結(jié)合LED照明發(fā)展現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)了一種基于BP3105恒流驅(qū)動(dòng)芯片的小功率LED筒燈。本設(shè)計(jì)把控制電源設(shè)計(jì)成環(huán)形，與燈具外殼連接在一起形成整體，這種一體式的結(jié)構(gòu)非常方便用戶安裝；利用多顆小功率LED燈珠構(gòu)成燈盤，配合導(dǎo)光板，很好地實(shí)現(xiàn)了光源的均光性；利用逐流電路提高功率因數(shù)到0.9；利用恒流芯片構(gòu)成的反激式開關(guān)電源結(jié)構(gòu)簡單，性能穩(wěn)定，成本較低。經(jīng)測試光效達(dá)82lm/W，燈具內(nèi)部LED散熱墊溫度70℃，可以大大延展壽命。目前經(jīng)過小批量試產(chǎn)的產(chǎn)品應(yīng)用情況良好，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方案的可行性和正確性。

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篇5

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關(guān)鍵詞：永磁同步電機(jī)；DC/DC；控制策略

1 驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制原理

永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子為永磁體，采用旋轉(zhuǎn)變壓器作為電機(jī)位置傳感器，以電機(jī)相電流作為反饋量，控制方式為轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制，控制系統(tǒng)原理如圖1所示。

高壓直流電源經(jīng)電機(jī)控制器DC/AC變換為電壓幅值和頻率可調(diào)的三相交流電，驅(qū)動(dòng)永磁同步電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)：同時(shí)，通過檢測當(dāng)前的轉(zhuǎn)子位置信號和對電機(jī)的相電流進(jìn)行實(shí)時(shí)采樣，并送入電機(jī)控制單元。電機(jī)控制單元通過CAN總線與整車控制器進(jìn)行通信，從整車控制器獲得當(dāng)前轉(zhuǎn)矩指令、運(yùn)行模式和旋轉(zhuǎn)方向，并根據(jù)反饋得到電流和電機(jī)位置信號，控制電機(jī)控制器產(chǎn)生所需要的三相交流電，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)正常運(yùn)行。

2 控制器硬件功能描述及組成

2.1電機(jī)控制器具有如下功能

（1）過流、過壓、過溫、欠壓、超速、電源極性連接錯(cuò)誤等保護(hù)功能；

（2）轉(zhuǎn)矩監(jiān)控功能；

（3）具有CAN電路接口用于通訊，232通訊接口用于程序燒寫、監(jiān)控和標(biāo)定：

（4）控制永磁同步電機(jī)運(yùn)行。

2.2控制器硬件組成

控制器硬件主要由低壓DC-DC控制電源單元、DSP控制單元、功率變換單元、接口電路、檢測單元（溫度傳感器，電流傳感器）構(gòu)成?？刂破饔布Y(jié)構(gòu)框圖，如圖2所示。

2.3 DC-DC控制電源單元

DC-DC控制電源在寬范圍輸入電壓下，為DSP及驅(qū)動(dòng)電路和控制電路提供多路相互隔離的電源。根據(jù)控制器實(shí)際需求，DC-DC控制電源采用多個(gè)反激式開關(guān)電源來滿足需求。

2.4 DSP控制單元

DSP控制單元以驅(qū)動(dòng)S320LF2407為主控芯片，采用永磁同步電機(jī)變壓變頻矢量控制方法，實(shí)現(xiàn)對永磁同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制。

DSP控制單元主要功能包括：控制算法的實(shí)現(xiàn)：SVPWM信號的產(chǎn)生：電流、電壓及溫度信號的采樣與計(jì)算：電機(jī)轉(zhuǎn)子位置與轉(zhuǎn)速的檢測與計(jì)算：通過CAN總線通訊接收整車控制命令；各種保護(hù)功能（欠壓，過壓，過流，過溫等）的實(shí)現(xiàn)。

DSP控制單元的電路主要包括：時(shí)鐘電路；復(fù)位電路；JTAG接口電路：外部中斷電路、PWM驅(qū)動(dòng)控制電路：AD采樣電路、旋變信號檢測電路；CAN/232接口電路；D/A轉(zhuǎn)換電路；外擴(kuò)EEPROM電路；I/O控制電路等。

2.5功率變換單元

控制器的功率變換單元由直流濾波電容、大功率器件IGBT及其驅(qū)動(dòng)電路構(gòu)成。

功率模塊驅(qū)動(dòng)電路主要接受DSP開關(guān)信息并反饋相關(guān)信息（保護(hù)信號）；放大開關(guān)信號并驅(qū)動(dòng)IGBT；提供電壓隔離和保護(hù)功能?？刂破黩?qū)動(dòng)電路以隔離型驅(qū)動(dòng)芯片為核心，對控制單元提供的PWM信號進(jìn)行隔離放大，驅(qū)動(dòng)大功率器件IGBT，實(shí)現(xiàn)D C-AC轉(zhuǎn)換?？刂破鞑捎糜w凌的FS400R07AIE3（400A/650V， PinFin結(jié)構(gòu)）作為大功率開關(guān)器件。直流濾波電容采用國內(nèi)領(lǐng)先的AAEV42872膜電容，配套與IGBT模塊組成模塊式結(jié)構(gòu)。

2.6檢測電路

檢測電路主要包括電機(jī)相電流（A/C相）、母線電流、母線電壓、電機(jī)溫度、控制器溫度及電機(jī)位置和速度進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測，并將采集到的信息送給DSP控制單元，是電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可靠運(yùn)行的保證。

3 控制器關(guān)鍵器件選型

3.1 DSP控制單元

電子控制技術(shù)已從模擬控制發(fā)展到以集成度高的微處理器為核心的數(shù)字控制，與傳統(tǒng)的模擬控制技術(shù)相比，數(shù)字控制擁有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）體積小、重量輕、能耗低，硬件成本低：

（2）硬件線路連接少、無故障工作時(shí)間長、可靠性更高：

（3）受溫度及其它參數(shù)變化影響??；

（4）提高了整個(gè)系統(tǒng)信息存儲(chǔ)、監(jiān)控、診斷及實(shí)時(shí)性的能力：

（5）可以通過軟件編程實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的算法功能，使系統(tǒng)具有較高的適應(yīng)能力，容易應(yīng)用現(xiàn)代控制理論，提高了系統(tǒng)的綜合性能。

以電力電子控制技術(shù)的數(shù)字化發(fā)展作為條件，電機(jī)控制系統(tǒng)在硬件結(jié)構(gòu)上也發(fā)生了很大的變化。尤其是DSP的出現(xiàn)和快速發(fā)展，既簡化了電機(jī)控制的硬件結(jié)構(gòu)，同時(shí)還實(shí)現(xiàn)了電機(jī)控制的高性能、低成本和高可靠性。本系統(tǒng)選用了TI TMS320LF 2407DSP作為主控制器芯片。

3.2功率變換單元

功率變換單元的驅(qū)動(dòng)電路選用汽車級隔離型IGBT驅(qū)動(dòng)芯片，能夠?qū)崿F(xiàn)對SVPWM信號的放大，強(qiáng)弱電的電氣隔離以及IGBT短路保護(hù)等功能。

IGBT（Insulated Gate BipolarTransistor），絕緣柵雙極型晶體管，是由BJT（雙極型三極管）和MOS（絕緣柵型場效應(yīng)管）組成的復(fù)合全控型電壓驅(qū)動(dòng)式功率半導(dǎo)體器件，兼有MOSFET的高輸入阻抗和GTR的低導(dǎo)通壓降兩方面的優(yōu)點(diǎn)，驅(qū)動(dòng)功率小而飽和壓降低。非常適合應(yīng)用于直流電壓為600V及以上的車用電機(jī)及其控制系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域。

本系統(tǒng)功率模塊選用英飛凌汽車專用IGBTFS400R07AIE3（400A/650V， PinFin結(jié)構(gòu)）作為大功率開關(guān)器件，如圖3所示。

3.3濾波電容

電機(jī)控制器直流濾波電容主要是用于濾除lOkHz的高頻紋波，瞬時(shí)功能及諧波補(bǔ)償?shù)茸饔?。要求直流濾波電容具有高的有效值電流和抗浪涌能力，以及緊湊的體積。

膜電容具有介電常數(shù)較高、體積小、容量大、穩(wěn)定性較好的特性，能夠承受高的有效值電流，能承受兩倍于額定電壓的過壓，能承受反向電壓，能承受高峰值電流，擁有較長的使用壽命。與電解電容相比，實(shí)現(xiàn)相同的功能，其所需的容值要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于電解電容，可以大大減小系統(tǒng)的體積。

4 驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選型

由于新能源轎車頻繁啟動(dòng)及加減速，低速大扭矩，高速高功率運(yùn)行工況特點(diǎn)，對驅(qū)動(dòng)電機(jī)技術(shù)要求總體歸納如下：

（1）滿足電池能量利用最大化：要求高效率及寬效率區(qū)間特點(diǎn)，布置空間體積最優(yōu)，重量輕量化的高密度要求；

（2）滿足動(dòng)力性能要求：需要高速寬調(diào)速性能，大啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩及強(qiáng)過載能力，快速轉(zhuǎn)矩相應(yīng)及高速高功率特定；

（3）滿足整車舒適性、可靠性要求：電機(jī)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)小、控制成熟、電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、可靠；

（4）滿足成本要求：需要電機(jī)制造工藝簡單，價(jià)格合理。

國內(nèi)永磁同步電機(jī)技術(shù)不斷發(fā)展，中國稀土資源也相對豐富，永磁同步電機(jī)滿足新能源轎車技術(shù)需求的全部要求：具有高效、高功率密度、高轉(zhuǎn)矩密度、控制成熟、具有較寬效率區(qū)間和調(diào)速性能等技術(shù)特點(diǎn)，相對于直流電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、可靠、制造工藝成熟、工藝簡單、成本適中。

本文描述驅(qū)動(dòng)電機(jī)基于以上特點(diǎn)，采用永磁同步電機(jī)方案，基于成熟車型電機(jī)V型磁鋼沖片平臺(tái)進(jìn)行擴(kuò)容設(shè)計(jì)，具有技術(shù)平臺(tái)成熟，成本控制能力強(qiáng)等特點(diǎn)。

5 控制器接口電路

永磁同步電動(dòng)機(jī)控制器有兩個(gè)接口電路（完全相同），使用23PIN的AMP接插件與整車及電機(jī)相連，提供控制電源、CAN通信、RS232下載等功能。

RS232接口電路，如圖4所示。

6 電磁兼容性設(shè)計(jì)

控制器EMC設(shè)計(jì)主要從強(qiáng)電、弱點(diǎn)、結(jié)構(gòu)三部分開展工作。

6.1強(qiáng)電部分

（1）電機(jī)三相動(dòng)力電纜采用屏蔽電纜，電機(jī)和控制器兩端接地屏蔽；

（2）正負(fù)母線與機(jī)殼見加Y電容，消除共模干擾，正負(fù)母線加X電容消除差模干擾：

（3）正負(fù)采用疊層母排，降低線路寄生電感。

6.2弱電部分

（1）電源輸入/輸出增加濾波電路：

（2）開關(guān)電源變壓器設(shè)計(jì)盡量減小分部電容；

（3）所有輸入/輸出信號增加濾波電路：

（4）CAN通訊采用隔離電路，采用典型CAN接口電路，并使用雙絞線。

6.3結(jié)構(gòu)部分

（1）箱體采用封閉式，對控制器進(jìn)行整體屏蔽；

（2）控制器內(nèi)部強(qiáng)弱電路分開布置，避免相互干擾；

（3）優(yōu)化線束布置，避免交叉造成相互干擾。

7 永磁同步電機(jī)控制技術(shù)

對于轉(zhuǎn)子磁鋼內(nèi)嵌式永磁同步電機(jī)控制，基速以下采用最大轉(zhuǎn)矩/電流比控制，基速以上采用恒功率弱磁控制，如圖5所示。

圖5中交流永磁電機(jī)最佳電流矢量控制策略的基本思想如下：

（1）區(qū)間ω≤ω1，時(shí)，定子電流矢量規(guī)定在A1點(diǎn)，電機(jī)采用最大轉(zhuǎn)矩/電流比控制，電機(jī)以最大恒轉(zhuǎn)矩運(yùn)行。此時(shí)，定子電流滿足：|is| =ilimilim，為電流極限圓半徑；定子電壓滿足：|μ|≤μlim，μlim為定子相電壓極限值：

（2）區(qū)間ω1

（3）區(qū)間ω>ω2：時(shí)，電流矢量沿著最大功率軌跡從A2移動(dòng)至A3點(diǎn)，此時(shí)轉(zhuǎn)速為理想的極限轉(zhuǎn)速。此時(shí)，|is|=ilim，|μ|≤μlim。

由上述分析可以看出，定子電流最佳控制過程中，電機(jī)處于驅(qū)動(dòng)工況下的的定子電流運(yùn)行軌跡為OA1A2A2。

基于電壓前饋的永磁同步電機(jī)矢量控制基本框圖如圖6所示。

圖6中，給定電機(jī)的輸入電流，由最大轉(zhuǎn)矩一電流控制策略給出d、q軸電流，同時(shí)與弱磁電流進(jìn)行運(yùn)算產(chǎn)生給定的d、q軸給定電流。給定的電流與反饋的電流比較，經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器的作用產(chǎn)生給出的d，q軸電壓經(jīng)過變換產(chǎn)生電機(jī)的三相電壓對電機(jī)進(jìn)行控制。由于采用了轉(zhuǎn)子磁場定向的矢量控制，可直接實(shí)現(xiàn)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩，實(shí)現(xiàn)四象限的運(yùn)行。電流控制策略依照不同輸入轉(zhuǎn)矩需求和當(dāng)前轉(zhuǎn)速狀態(tài)，按照圖6所示的交流永磁電機(jī)電流最優(yōu)控制方法，計(jì)算得到各個(gè)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩需求下的id和iq電流值，并作為指令值控制實(shí)際輸出電流。

當(dāng)車載動(dòng)力電池電壓隨著負(fù)載、SoC狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，Udc發(fā)生變化，電壓控制量Uslw隨著變化，通過電壓閉環(huán)調(diào)解，使得電機(jī)輸出能力隨著電壓變化而改變?；谥绷髂妇€電壓可變得永磁電機(jī)控制以交流電壓輸出恒定為控制目標(biāo)，使得電機(jī)在弱磁運(yùn)行情況下輸出電壓恒定，充分發(fā)揮電機(jī)輸出能力。Uslw經(jīng)與實(shí)際電機(jī)電壓的比較，通過PI調(diào)節(jié)輸出電流補(bǔ)償量，補(bǔ)償電流控制策略中的id電流。