PMDC 电机负载的 ACDC 电源启动注意事项

永磁直流(PMDC)电机在要求高效率、高起动转矩和线性转速/转矩的应用中提供了一种相对简单可靠的直流驱动解决方案。随着铁氧体和稀土磁体材料以及电子控制技术的发展，PMDC电机是一种具有成本竞争力的解决方案，尤其在高启动电流和转矩要求的应用。永磁直流电机区别于其他直流电机的一个设计特点是用永磁体代替绕组磁场，它消除了在磁场绕组中单独励磁以及伴随的电气损耗。

永磁直流 (PMDC) 电机在便携式真空吸尘器和无绳电动工具等应用中提供更小的解决方案尺寸和更高的效率。在为 PMDC 电机设计隔离式电源时，需要牢记几个考虑因素——瞬态响应、所需的峰值负载、解决方案尺寸和成本——这些因素直接影响电源架构的设计和所选的电源转换器拓扑。

与 PMDC 电机相关的一个特殊挑战是电机的峰值电流可能比其稳态电流大几倍。这种峰值负载直接影响隔离电源的电源拓扑选择和成本。为了说明 PMDC 的这一特性，请考虑直流电机的基本工作电压方程(方程 1)：

V s = V b + V L + I a R a (1)

这里，V s是施加的电机电源电压，V b 是电机的反电动势 (EMF)，V L 是转子电感上的电压，I a和R a分别是电枢电流和电阻. 这种工作电压关系如图 1 所示。

图 1 直流电机的简化模型说明了 PMDC 特性。

当电机完全静止时，反电动势等于 0 V——假设没有任何旋转运动——电机所需的电流仅受电枢电阻的限制。由于电枢电阻通常小于 1 Ω，因此在产生反电动势之前施加完整的标称电源电压时，电机的初始电流需求可能比稳态电流高几倍。

解决峰值电流应力的方法

大的初始电流需求对隔离式电源提出了特殊的挑战，需要仔细考虑以确定最终产品可以接受的折衷方案。我们的选择包括：

· 设计隔离式转换器以处理启动期间的峰值功率

如果峰值电机电流值与最大稳态电机电流值相似，则此方法可能是可接受的。但是，如果峰值负载大几倍，它可能会变得昂贵，因为我们必须为更高的峰值负载设计功率因数校正 (PFC) 和隔离式 DC/DC 功率级。这种方法在功率级中需要更昂贵的元件——甚至需要改变所需的功率转换器拓扑结构——如果我们需要更大的磁性元件来避免饱和，还可能会增加电源的整体尺寸和重量。

· 使用大型电容器组

在这种方法中，隔离电源在连接到电源输出的电容器组中积累了大量电荷，而电机未启用。一旦启用电机，存储的电荷将提供电机指令的峰值负载，同时允许输出电压出现一些可接受的下降。这种方法很简单，但需要能够断开电机与电源的连接，以便隔离电源可以在没有连接电机负载的情况下启动。对于更高功率的 PMDC，使用大型电容器组也不是一个好主意，因为所需的电容器组尺寸变得不合理地大。

· 输出恒流限制

如果在隔离式电源反馈回路中构建输出电流限制，则电源能够调节最大输出电流。这种方法可以降低电源的峰值功率设计要求，并避免需要大型电容器组。但输出电流调节电路确实需要一个单独的偏置电源，以便在启动期间正确调节输出电流，除了电流检测电路外，这还转化为一个单独的隔离辅助电源，如图 2所示。

图 2 AC/DC 电源框图突出显示了恒流和恒压调节环路。

如果电机的初始速度和启动时间不是时间关键的，并且在应用中可以接受更长的启动时间，另一种方法是在启动期间将隔离式 DC/DC 转换器的输出电压钳位一段比电机的电气时间常数。使用固定频率控制器，您可以钳制最大占空比。在电感-电感-电容 (LLC) 谐振转换器等变频转换器中，您可以钳位最小开关频率。

使用钳位可以使隔离式 DC/DC 转换器的输出上产生一个很小的初始电压并持续足够长的时间，以使电机缓慢转动并开始产生反电动势，如图 3所示。因为初始电源电压很小，电机的电流需求被限制在一个更接近其稳态值的值。在产生反电动势并且电机电流达到稳定状态后，隔离式 DC/DC 的输出电压可以安全地上升到标称输出电压，同时避免转换器内出现过电流应力。

图 3 使用占空比钳位启动可实现较小的初始电压。

将钳位电路置于隔离式 DC/DC 转换器的初级侧，无需单独的辅助电源。图 4显示了使用通用比较器和几个小信号晶体管的示例实现。此特定示例将钳位电路与UCC256402控制器配对，该控制器具有 5.6 V 的固定 FB 引脚电压，用作半桥 LLC 谐振转换器的最小频率钳位。

图 4 初级端钳位电路使用一个通用比较器和一对小信号晶体管。

在钳位的初始状态下，Q1 和 Q2 都导通，C1 和 C2 上的初始电压均为 0 V。由于 Q1 将 Q2 的基极拉至地，与 V FB – 0.7V/R 6成比例的电流 从隔离式 DC/DC 控制器的 FB 引脚流出。对于 UCC256402 控制器，该电流吸收器将 VCR 栅极关断阈值限制为 3 V ± ((82 µA – I sink ) × 100 kΩ)，从而提供频率钳位功能。钳位有效的时间量由 C1、R1 和 R2 形成的 RC 时间常数以及当 C1 上的电压大于TL331比较器的参考电压时设置，如图 5所示。

图 5 显示了钳位电路状态与输出电压上升的关系。

由于 TL331 是一个集电极开路比较器，它会将 Q1 的栅极下拉至地，从而关闭 Q1。当 C2 上的电压开始通过 R5 充电时，从 FB 引脚拉出的电流量会缓慢减少，从而使频率钳位电路逐渐释放。D1 和 D2 用作钳位电路的快速复位，以便在从初级侧电路移除偏置时快速对 C1 和 C2 放电，例如在故障保护的情况下。

峰值电流比较

上述电路使 500W 连续导通模式 (CCM) PFC 升压转换器和隔离式半桥 LLC 转换器参考设计能够成功启动并为车间真空吸尘器供电。图 6所示的波形说明了电源的输出电压 (10 V/div) 和没有频率钳位的电机的电流需求 (50 A/div)。电机的峰值电枢电流为 186 A。在电机开始转动后的 300 ms 内稳定到 25 A 的稳态电流之前，会出现 200 ms 的显着电流应力。

图 6 波形显示了没有频率钳位的电机电源电压和电流。

图 7中的波形说明了电源的输出电压 (10V/div) 和启动期间启用频率钳位的电机的电流需求 (10A/div)。峰值电流略高于 35 A，更接近电机的 25 A 标称额定值。电机开始转动后，电机电流在 3 秒内达到稳定状态。

图 7 波形显示了带频率钳位的电机电源电压和电流。

包含一个简单的钳位电路可满足启动 DC 电机的目标，同时避免 AC/DC 电源中的高电流应力，并且与其他方法相比可节省大量材料清单 (BOM)。这种方法也可以与非 LLC 拓扑结合使用，通过连接到 PWM 控制器的 COMP 引脚来充当占空比钳位。设计一个 AC/DC 电源来支持电机控制的全峰值负载需要能够提供超过五倍于稳态电机电流的能力。

对于 PFC 和隔离式 DC/DC(例如交错式 CCM PFC 和相移全桥)来说，这种显着的功率水平和电流压力需要更昂贵的拓扑结构，这会显着增加 BOM 成本。与输出恒流限制相比，钳位电路还可以节省 BOM 成本，因为它不需要单独的隔离辅助电源，并且比包含大型电容器组要小。使用占空比或频率限制可以实现更便宜、更小的隔离电源，同时仍能满足 PMDC 的电源需求。