PMDC 电机负载的交流直流电源启动注意事项

永磁直流 (PMDC) 电机在便携式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，需要牢记几个注意事项：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 电机相关的一项特殊挑战是电机的峰值电流可能比其稳态电流大几倍。该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)

其中，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 是转子电感两端的电压，I a和R a分别是电枢电流和电阻。该工作电压关系如图 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)，并且电机所需的电流仅受电枢电阻的限制。由于电枢电阻通常 <1 Ω，因此在反电动势形成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哪些权衡。您的选择包括：

· 设计隔离转换器以处理启动期间的峰值功率

如果峰值电机电流的值与最大稳态电机电流相似，则这种方法可能是可接受的。然而，如果峰值负载大几倍，它可能会变得昂贵，因为您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。这种方法需要在功率级中使用更昂贵的元件，甚至需要更改所需的电源转换器拓扑，并且如果您需要更大的磁性元件以避免饱和，还可能会增加电源的整体尺寸和重量。

· 使用大电容器组

在这种方法中，当电机未启用时，隔离电源会在连接到电源输出的电容器组中积聚大量电荷。一旦电机启动，存储的电荷就会提供电机控制的峰值负载，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，但需要能够将电机与电源断开，以便隔离电源可以在不连接电机负载的情况下启动。对于高功率 PMDC 来说，使用大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

如果将输出电流限制构建到隔离电源反馈环路中，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，除了电流感应电路之外，这还需要一个单独的隔离辅助电源，如图2所示。

图 2交流/直流电源框图突出显示了恒流和恒压调节环路。

通过占空比限制降低峰值电流应力

如果电机的初始速度和启动时间对时间要求不高，并且应用中可以接受较长的启动时间，另一种方法是在启动过程中钳位隔离式 DC/DC 转换器的输出电压，持续时间长于电机的电气时间常数。使用固定频率控制器，您可以限制最大占空比。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。

使用钳位器可以在足够长的时间内在隔离式 DC/DC 转换器的输出上形成一个小的初始电压，从而使电机缓慢转动并开始产生反电动势，如图3所示。由于初始电源电压较小，电机的电流需求被限制为更接近其稳态值的值。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升至标称输出电压，同时避免转换器内出现过大的电流应力。

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 5.6V 的固定 FB 引脚电压，可充当半桥 LLC 谐振转换器的最小频率钳位。

图 4初级侧钳位电路使用通用比较器和几个小信号晶体管。

在钳位的初始状态下，Q1 和 Q2 均导通，C1 和 C2 上的初始电压均为 0 V。由于 Q1 将 Q2 的基极下拉至接地，因此与 V FB – 0.7V/R 6成比例的电流 从隔离式 DC/DC 控制器的 FB 引脚中吸收。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吸收器) × 100 kΩ)，从而提供频率钳位功能。钳位有效的时间由 C1、R1 和 R2 形成的 RC 时间常数以及 C1 上的电压变得大于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 引脚拉出的电流量缓慢减少，从而软、逐渐释放频率钳位电路。 D1 和 D2 用作钳位电路的快速复位，以便在初级侧电路移除偏置时(例如在发生故障保护时)快速对 C1 和 C2 进行放电。

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车间真空吸尘器并为其供电。图 6所示的波形说明了无频率钳位时电源的输出电压 (10 V/div) 和电机的电流需求 (50 A/div)。电机的峰值电枢电流为 186 A。在电机开始转动后 300 ms 内稳定到 25 A 的稳态电流之前，存在 200 ms 的显着电流应力。

图 6波形显示没有频率钳位的电机电源电压和电流。

图 7中的波形显示了启动期间启用频率钳位时电源的输出电压 (10V/div) 和电机的电流需求 (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3秒内电机电流达到稳定状态。

图 7波形显示具有频率钳位的电机电源电压和电流。

包含简单的钳位电路可以满足启动直流电机的目标，同时避免交流/直流电源内的高电流应力，并且与其他方法相比，可以节省大量物料清单 (BOM)。这种方法可以与非 LLC 拓扑配合使用，也可以通过连接到 PWM 控制器的 COMP 引脚来充当占空比钳位。设计一个交流/直流电源来支持电机所要求的满峰值负载，需要能够提供超过稳态电机电流五倍的电流。

这种巨大的功率水平和电流压力将需要更昂贵的 PFC 和隔离式 DC/DC 拓扑(例如交错式 CCM PFC 和相移全桥)，这会显着增加 BOM 成本。与输出恒流限制相比，钳位电路不需要单独的隔离辅助电源，因此还可以节省 BOM 成本，并且比包含大型电容器组更小。使用占空比或频率限制可以实现更便宜、更小的隔离电源，同时仍然满足 PMDC 的电源需求。