永磁同步电机驱动系统辅助电源设计

叶帮红，李红梅

(合肥工业大学电气与自动化工程学院，安徽合肥230009)

永磁同步电机驱动系统辅助电源设计

叶帮红，李红梅

(合肥工业大学电气与自动化工程学院，安徽合肥230009)

基于单端反激式变换器原理，设计了电动汽车(EV)永磁同步电机(PMSM)驱动系统辅助电源方案。该方案采用电流型控制芯片UCC2813-0为主控芯片，利用电流互感器获取采样电流，再与斜坡补偿相结合实现系统在占空比大于50%条件下的稳定工作。最后，通过样件制作和实验测试证实PMSM驱动系统辅助电源设计方案的合理有效性。

电动汽车(EV)；永磁同步电机(PMSM)；电驱动系统；辅助电源；反激式变换器；斜坡补偿；PCB布局

在“低碳、环保”已经成为全球共识的背景下，世界各国汽车制造企业纷纷将未来研发的主要方向转移到电动汽车领域。电驱动系统作为电动汽车唯一的动力输出，其性能优劣直接影响到整车的动力性、舒适性和经济性等方面。而电驱动系统辅助开关电源是电驱动系统的核心部件之一，其稳定工作直接关系到电驱动系统的可靠性和稳定性。因单端反激式变换器具有拓扑简单、输入输出隔离和易于多路输出等特点，常用于150 W以下的功率电源[1]。为此，论文基于单端反激式变换器原理进行PMSM电驱动系统辅助电源的方案设计。

对于辅助电源的输入取电于动力电池组输出的高压设计方案已见文献[2]报道。因动力电池组输出电压波动范围较大，对辅助电源的设计要求较高，且存在较大的输出纹波，为此，论文建议采用电动汽车蓄电池+12 V输出作为辅助电源的输入[3-5]，设计低压宽范围(9～18 V)输入的PMSM驱动系统的多路输出辅助电源，避免直接使用动力电池组输出的高压，旨在满足电动汽车电驱动系统供电需求的同时，兼具输出电源质量高和电路可靠性的技术优势。

1 系统设计需求及工作原理

1.1 系统设计需求

基于单端反激式隔离变换器设计的辅助电源，为PMSM控制器和IGBT驱动等供电，设计需求是：(1)输入直流电源电压范围为9～18 V；(2)输出A组：+/-15 V，各1路，+15 V带载5.5 W，纹波为2%；-15 V，带载1.5 W，纹波为3%，供电运放；(3)输出B组：+24.5 V，3路，各路均带载3.5 W，供电IGBT上桥臂；(4)输出C组：+16 V、-8 V，各1路，共带载10.5 W，供电IGBT下桥臂；(5)输出D组：+24 V，1路，带载16 W，供电编码器和风扇；(6)一组输入和四组输出彼此隔离。

1.2 PWM控制芯片

辅助电源设计方案中采用UCC2813-0为PWM控制芯片，该芯片是汽车级(-65～150℃)电流型PWM控制芯片。PWM控制芯片内部逻辑结构框图如图1所示，主要由高频振荡器、误差放大器和RS触发器等部分组成，具有过流保护、软启动、过压和欠压保护等功能。启动电压7.2 V，关断电压6.9 V，启动电流仅100 μA，内置电流采样的前沿消隐电路，最大电流为1 A的图腾柱式输出，从电流采样到PWM脉冲输出仅70 ns的响应时间。

电路中，振荡器在每个周期开始时输出高电平，将RS触发器置位，使6引脚(OUT)输出高电平开通开关管，经过一定时间后振荡器输出低电平，将RS触发器复位，使6引脚输出低电平关断开关管。2引脚(FB)为电压反馈信号，与1/2的参考基准电压比较得到误差信号，通过补偿降额与3引脚(CS)送出的电流采样信号作比较，当实际电流超过设定值时，比较器通过RS触发器控制逻辑门关断开关管，实现对开关管驱动信号的脉冲宽度调制。

图1 PWM控制芯片的内部逻辑结构框图

1.3 系统工作原理

基于反激式变换器原理设计的电驱动系统辅助电源电路原理图如图2所示，系统工作原理如下：当输入电源接通后，电源电压经过限流电阻5和发光二极管LED1接至PWM芯片的7引脚(VCC)，其中发光二极管起到电路正常工作指示和防止输入电压反加(保护PWM芯片)的作用，当7引脚的电压上升至UCC2813-0的启动电压时，PWM芯片输出驱动脉冲，开关管导通，输入电流从电流互感器原边、高频变压器初级和开关管到电源负端，此时，变压器次级各绕组感应出正电压，整流二极管均因反向偏置而截止，变压器储能，此时电容为负载提供能量。当开关管由导通转为截止时，整流二极管正向导通，变压器释放能量，为电容充电，同时为负载供电。

图2 电驱动系统辅助电源电路原理图

2 功率回路设计

2.1 高频变压器

高频变压器具有能量传递和电气隔离的作用，故在辅助电源的设计中，高频变压器的设计至为关键。其供电PMSM驱动系统中DSP、IGBT驱动和编码器等核心器件，如果高频变压器设计不当，不仅会影响电源工作寿命，还会造成开关损耗增大，导致电源效率降低，甚至损坏IGBT和其他核心器件。所以，高频变压器的磁芯选择、绕组匝数、初级电感量和气隙长度等关键参数需要准确计算，且变压器各个绕组的绕制需设计合理，做到耦合紧密。

2.2 RCD箝位电路

在反激式变换器中，由于漏感的存在：一方面，开关管关断时会产生很高的电压尖峰；另一方面，整流二极管反向恢复会引起开关管开通时的电流尖峰[6]。RCD构成的无源钳位电路结构简单、成本低，可以消除电路中存在的漏感带来不利影响。

3 控制回路设计

3.1 电压反馈电路

论文建议的辅助电源设计方案只对主输出+15 V提供电压反馈，用光耦2(PS2501)和可调精密并联稳压管3(TL431)构成高速非线性反馈电路。电压反馈电路中，14和16为输出电压采样电阻网络，对+15 V的输出电压进行分压，22用于改善TL431的频率特性。

3.2 电流反馈电路

在电流控制型反激变换器中，因内环采用峰值电流控制技术，能够迅速准确地检测出开关管中的瞬态电流，从而形成逐个电流脉冲检测电路。电流环的工作原理为：当电路因负载加重等因素，引起功率回路中开关管电流的增大，导致PWM控制芯片的3引脚电压超过内部的限幅值1 V，使得芯片内部电流比较器输出高电平，将芯片内部锁存器复位，达到保护开关管的目的；当负载减轻后，功率回路电流减小，使得3引脚电压低于1 V，芯片内部锁存器置位，电源自动恢复正常工作状态。

因输入电压为9～18 V，原边峰值电流可达到13.33 A，若采用电阻采样，其上消耗的功率较大，故简单的电阻采样不适合此处。为此，论文建议采用电流互感器，可将原边电流变小，再通过电阻采样形成电流内环控制。

3.3 斜坡补偿电路

UCC2813-0的占空比最大可以达到100%，为提高PWM控制芯片和功率器件的利用率，同时兼顾变压器易于绕制等因素，选择66%的占空比。然而，对于峰值电流控制技术，当占空比大于50%时，电感电流的初始扰动会周期性扩大，最终形成次谐波振荡，导致系统不稳定[7]。为此，需加入斜披补偿电路以稳定控制环路，提高抗干扰的能力。

论文建议的辅助电源设计方案采用射极跟随器作为斜坡补偿电路，由电路中1和6构成。其基本原理是将片内振荡信号通过三极管和电阻叠加到采样电流上，使得电感电流在外部初始扰动下快速收敛，从而使电路工作趋于稳定[8]。

3.4 振荡电路

根据UCC2813-0的数据手册，其振荡频率即为开关频率，且0=1.5/(718)。该款PWM控制芯片的工作频率较宽，最高为1 MHz，推荐的振荡电阻的范围为10～200 kΩ，振荡电容的范围为0.1～1 nF，设计方案中选取7=24.9 kΩ，18=1 nF，则振荡频率0=60 kHz。

3.5 驱动电路

栅极驱动电阻一般根据开关管的数据手册上取值，推荐值是25 Ω。论文建议的辅助电源设计方案采用不同的开通电阻(9)和关断电阻(9//10)，以改变开关管开通和关断时间。

4 PCB布局及实验结果分析

4.1 电路板布局的合理性

对于开关电源系统而言，系统能否可靠工作，其PCB布局尤为关键。建议的PMSM驱动系统辅助电源PCB布局图如图3所示，其中实线框表示电路板外框，双点划线表示功率回路，虚线框表示控制回路。

图3 电驱动系统辅助电源PCB布局图

PCB布局中需要注意的问题：(1)对于电路中的滤波或去耦电容，应放置在离芯片引脚尽可能近的位置；(2)因功率回路易对控制回路产生干扰，在PCB布局时，彼此尽量远离；(3)对于PWM控制芯片的振荡电路部分，引脚的引线应短而粗，采用的电容性能要稳定，容值准确，且远离发热元器件；(4)为便于硬件调试，在PCB布局时，应预留重要信号的测试点。电路中的各种地，通过单排针引到电路板的周围，以方便与示波器相连，观察波形。

4.2 实验结果分析

经样件测试，设计的辅助电源系统在整个输入电压范围内带满载时，电路工作稳定。图4为开关管的驱动波形(左图是不加斜坡补偿的结果，右图是加斜坡补偿的结果)，可知加斜坡补偿后，开关管的驱动波形可以达到预期设定值，实现占空比大于50%的稳定运行。

图4 开关管的驱动波形

因电路板所引起的分布参数对高频噪声的影响，易产生差模干扰和共模干扰，相比于差模干扰，共模干扰的幅度大频率高，可以通过电源线形成辐射，故共模干扰较大[9]。论文建议在初次级的地之间加合适的Y电容Y1，Y2抑制高频噪声，以减小输出电压的纹波。图5为主反馈＋15 V的最大纹波(左图是不加Y电容的结果，右图是加Y电容的结果，示波器纵轴均为100 mV/格)。从图中可以看出，输出纹波被严格限制在100 mV以内，满足设计需求。

图5 主反馈＋15 V的最大纹波

5 结束语

为了避免直接使用动力电池组输出的高压，提高电动汽车电驱动系统的安全可靠性，架构了低压输入条件下的电动汽车PMSM驱动系统辅助电源设计方案，并给出了详细设计步骤。建议的电动汽车电驱动系统辅助电源设计方案通过电流互感器获取电流采样信号，降低系统功耗并提高系统效率；利用斜坡补偿电路实现了占空比大于50%条件下的系统稳定运行。此外，为减小样件电路板分布参数的高频噪声，使用Y电容抑制共模噪声，使得输出纹波满足设计需求。样件实测结果表明：建议的PMSM驱动系统辅助电源设计方案具有结构简单、性能可靠和成本低的特点，在电动汽车领域具有广泛的应用前景。

[1]BILLINGS K.开关电源手册[M].张占松，王仁煌，谢莉萍，译. 2版.北京：人民邮电出版社，2006：156-165.

[2]夏亮.电动汽车驱动器用开关电源的设计研究[D].上海：同济大学，2008.

[3]张舟云，徐国卿，李秀涛，等.用于电动汽车电机驱动器的驱动电源分析[J].同济大学学报：自然科学版，2005，33(7)：952-956.

[4]李秀涛，徐国卿，王晓东，等.电流控制型PWM控制芯片LT1247在电动汽车逆变器开关电源中的应用[J].变流技术与电力牵引，2004(5)：40-42.

[5]张晓峰，姜徳来，吕征宇，等.小型车用辅助电源的设计[J].机电工程，2005，22(10)：38-41.

[6]刘国伟，董纪清.反激变换器中RCD箝位电路的研究[J].电工电气，2011(1)：20-23.

[7]杨汝.峰值电流控制模式中斜坡补偿电路的设计[J].电力电子技术，2001，35(3)：35-38.

[8]张磊，赵艳雷，王迎春，等.反激式开关电源用UC384x芯片的斜坡补偿[J].通信电源技术，2011，28(5)：19-21.

[9]和军平，陈为，姜建国.开关电源共模传导干扰模型的研究[J].中国电机工程学报，2005，25(8)：50-55.

Design of auxiliary power supply for drive system of permanent magnet synchronous motor

Based on the principle of the single-ended flyback converter,the auxiliary power scheme was designed for the drive system of permanent magnet synchronous motor(PMSM)in electric vehicle(EV).A current mode PWM control chip UCC2813-0 for the master control chip was adopted,using the current transformer for sampling current. Then it was combined with slope compensation to achieve the stability of the system under a duty cycle greater than 50%.Finally,through the prototype production and experimental testing,the rationality and validity of the auxiliary power scheme for the drive system of PMSM were confirmed.

electric vehicle(EV);permanent magnet synchronous motor(PMSM);electric drive system;auxiliary power supply;flyback converter;slope compensation;PCB layout

TM 351

A

1002-087 X(2015)10-2295-04

2015-03-01

安徽省教育厅重点项目(KJ2011A217)；安徽省变频电机及控制系统工程技术研究中心资助项目(2010AKSY0273)

叶帮红(1987—)，男，安徽省人，硕士，主要研究方向为电力电子与电力传动；导师：李红梅(1969—)，女，安徽省人，博士，教授，主要研究方向为电机控制和新能源汽车等。