小功率开关磁阻电动机驱动系统设计

孙博城，王 艳，殷天明

(北京交通大学，北京 100044)



小功率开关磁阻电动机驱动系统设计

孙博城，王 艳，殷天明

(北京交通大学，北京 100044)

针对低速电动车使用的小功率开关磁阻电动机，设计了对应的驱动系统。采用不对称半桥结构作为主电路，应用铝基板散热方案，解决了主开关器件功率MOSFET的散热问题。针对控制电路和驱动电路的要求，设计了辅助开关电源。基于IR2110设计了MOSFET的驱动电路，给出了自举回路和过电流保护电路的计算和设计方法。同时，基于数据采集卡PCI-6220和LabVIEW设计了一套开关磁阻电动机测试系统。该系统在低速电动车和观光车等特种车辆上实践成功，并在贵州新能源汽车基地实现产业化。

开关磁阻电动机；不对称半桥电路；MOSFET驱动电路；反激式开关电源；IR2110；LabVIEW

0 引 言

目前低速电动车在应用时面临输出转矩不够、爬坡能力不强的问题，尤其是在贵州地区，以山区为主，道路坡度较大，更对低速电动车的普及带来较大困难。且低速电动车控制器空间有限，难以设计水冷系统，对散热提出了更高要求。为解决以上问题，本文设计了基于不对称半桥结构的小功率开关磁阻电动机驱动系统，并采用铝基板散热方案，有效地解决了输出转矩小和散热问题。并设计了基于DPA425R芯片的反激式开关电源，取代了传统的基于UC3842芯片的开关电源，在降低纹波的同时，大幅压缩了体积，更适于低速电动车的控制器。

1 驱动系统设计

1.1 功率变换器主电路及散热系统设计

开关磁阻电动机功率变换器的形式多种多样，其中不对称半桥电路最为简单明了，同时结合开关磁阻电动机各相绕组相互独立的特点，避免了上下桥臂直通的危险。不对称半桥电路拓扑结构如图1所示。

图1 不对称半桥电路拓扑结构

图1中，Us为电池组电压，Cs为电源滤波电容，当上下桥臂主开关管VT1，VT4同时导通时，电源Us加至绕组两端，产生相电流，促使电机运转；当上下桥臂主开关管VT1，VT4同时关断时，绕组产生反向电动势，使续流二极管VD1，VD4导通，绕组电流经过VD1，VD4将能量回馈到电池组上[1-3]。

本设计应用于低速电动车，车载电池电压为60 V，主电路器件和续流二极管的耐压值需满足：

对于主开关器件功率MOSFET，有效值定额是决定器件选型的最主要参数。对续流二极管而言，因其能承受较大的冲击电流, 故也把有效值电流定额作为选型依据。功率变换器中所用续流二极管必须正向导通和反向截止均具有快恢复特性。已知开关磁阻电动机额定电流：

因为开关磁阻电动机起动电流小, 因此在确定电流定额时, 只要考虑到电动运行时的一定过载倍数(一般选为1.2～ 1.4倍)。MOSFET有效值电流定额[4]：

结合成本散热等因素考虑，本设计选择IRFS4010为主开关管，该MOSFET有较大的导通电流和较小的热阻。因为本设计主开关工作频率在2 kHz左右，会产生较大的开通损耗并且通断大电流时发热较为严重，为解决功率电路散热问题，本文采用了铝基板散热的方案，结合IRFS4010源级通流时等效导通面积大的封装特点，可将产生的热量通过铝基板及时传导至散热片，配合散热片在汽车高速行驶时通过的风力自然快速降温，从而很好地解决了发热问题，在实际汽车运行过程中，MOSFET表面温度能稳定在60°，能保证MOSFET安全运行。

1.2 反激式开关电源设计

本设计需要辅助开关电源给控制部分和驱动部分供电。输入为48 V车载电源供电，开关电源可以正常工作的范围为36～60 V。控制部分主要是对IC供电，需要+5 V,+15 V,-15 V;驱动部分主要给功率变换器MOSFET及其驱动电路和过电流保护电路供电，该路电源需要和控制部分的各路电源不共地。本设计开关电源输出功率为47 W。

反激式开关电源结构简单并能提供高效的直流输出，具有较强的自动均衡各路输出的能力，但是输出电压有较大纹波，负载精度不高，因此输出功率受到限制，本设计所需辅助电源功率较小，非常适合采用这种结构[5-6]。本设计以PI公司单片电源控制芯片DPA425R为主控芯片，芯片集成度高，外围简单，在低压小功率电源中应用较多。其工作频率在300 kHz与400 kHz间可选，有利于减小滤波器件容量。

初步使用了PI Expert及PIXls软件进行了基本设计及优化，并以AP法对变压器容量及其他基本参数进行了验证。

为了防止电源电压输出在轻载或空载时电压升高，在各路电压输出端并联1 kΩ的虚拟负载电阻。实验证明这样的配置增加了输出电压的稳定性。

经验证，本文所设计开关电源体积较小，结构紧凑，输出电压纹波在2%～4%，在电动汽车运行时仍能正常输出稳定电压。图2是本设计开关电源电路图。图中，+15 V(C),-15 V(C)及+5V (C)为控制电路电源;+15 V(D)为驱动电路电源。

图2 反激式开关电源

1.3 RCD吸收回路

在RCD吸收回路中，R的能量损耗和C的大小呈正比，C的值应选小来降低损耗，但过小的C会削弱吸收效果，因此要综合考虑C的取值，设关断时流过C的电流为峰值电流的80%，电压上升时间为MOSFET的关断时间。

吸收回路要求在每次MOSFET关断前将C中的电荷释放到5%以下，由此确定散热电阻R的阻值：

吸收回路的功率：

图3为电机在500 r/min、负载转矩为50 N·m、斩波电流峰值为210 A时MOSFET的DS电压波形。

图3 DS电压波形

从图3中可以看出，在电流峰值达到210 A时，MOSFET的DS电压只有很小的尖峰，峰值电压为65 V，尖峰值只有母线电压的10%左右，说明RCD吸收回路和滤波电容有效地起到了吸收关断过电压的作用。

1.4 基于IR2110的驱动电路设计

根据不对称半桥电路的结构特点，本文设计了基于IR2110的MOSFET 驱动电路。该芯片体积小(DIP14)、集成度高(可驱动同一桥臂的两路)、响应速度快(典型值Ton=120 ns，Toff=94 ns)、驱动能力强、内设欠压封锁，非常适合本设计的要求。上桥臂三组不共地的主开关管采用自举回路供电，下桥臂三组共地的开关管共用一路电源供电，这样仅需三片IR2110和一路电源就能实现对功率电路的驱动，在降低成本的同时提高了可靠性[7]。

在该芯片的外围电路中，确保自举回路能否正常工作尤为关键，自举电容C171的取值要根据所驱动MOSFET的特性来选择。MOSFET开通时，需要在极短的时间内向门极提供足够的栅电荷。假定在器件开通后，自举电容两端电压比器件充分导通所需要的电压(10 V，高压侧锁定电压为8.7/8.3 V)要高；再假定在自举电容充电路径上有1.5 V的压降(包括VD1的正向压降)；最后假定有1/2的栅电压(栅极门槛电压VTH通常3～5 V)因泄漏电流引起电压降。综合上述条件，此时对应的自举电容可用下式表示：

本文所使用的主开关MOSFET为IRFS4010，其充分导通时所需要的栅电荷Qg=150 nC(可由特性曲线查得)，VCC=15 V，那么C171=0.066 μF。

图4 IR2110驱动电路

在此取C1=0.22 μF，耐压为35 V的钽电容。

在不对称半桥电路中，上下MOFET保持同步开通关断状态，因此IR2110的HO、LO输出同样的电平信号。

图5是驱动电路在正常工作时IR2110的输入信号和输出到MOSFET门极的驱动信号，能看出IR2110输出了准确有效的触发脉冲。

图5 IR2110输入输出信号

1.5 主电路过电流保护电路设计

因为开关磁阻电动机在负载较大时采用电流斩波控制，而电流采样和控制电路较为复杂，运算时间较长，在低速时，由于电机的旋转电动势压降很小，相电流上升很快，为了避免过大的电流脉冲对功率器件以及电机造成损坏，必须采取保护措施。本设计基于MOSFET的VI特性曲线，利用了IR2110的快速保护功能，设计了过电流保护电路，如图6所示。在当DS电压超过预设值时，说明主电路电流

图6 过电流保护电路

超过预期斩波电流，比较器输出高电平，IR2110闭锁二路输出脉冲，使开关管迅速关断。经验证，该设计起到了保护作用，提高了系统的可靠性[8]。

2 实验验证

为检测本系统的可靠性，本文采用NI的数据采集卡PCI-6220配合LabVIEW，设计了一套电机测试平台系统，实时采集电机运行时的绕组电流、扭矩、转速、功率等参数,并进行分析记录[9-10]。图7为测试平台监测电机在绕组电流达到210 A斩波时的电机各相参数。

图7 电机测试平台检测界面

测试系统表明，本文在通过大电流时系统运行稳定，三相电流平衡，并能提供较大扭矩，符合低速电动车应用要求。

3 实践应用和产业转化

本设计在完成了各项实验验证后，装配到车载电池电压为608 V的低速电动汽车上进行车载试验，经验证装配有本系统的电动汽车各项符合设计要求[4]。

目前本设计已在贵州毕节新能源汽车基地实现产业转化，目前以成功应用于家用小型电动车和旅游观光车上，性能良好。

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[6] BROWN M.开关电源设计指南[M].北京：机械工业出版社，2004:78-85.

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Design of the Drive System for Low-Power Switched Reluctance Motor

SUNBo-cheng，WANGYan，YINTian-ming

(Beijing Jiaotog University，Beijing 100044，China)

The drive system for the low power switched reluctance motor for the low-speed electric vehicles was designed. The drive system was based on asymmetric half-bridge structure, and used aluminum plate cooling solution to solve the power MOSFET switching cooling problem. Assisted switching power supply was designed to meet the demands of control system and drive system. The power MOSFET use IR2110 to drive, and the bootstrap circuit and over-current protection circuit was designed to assure its stability. In the meantime, a special switched reluctance motor test system was also designed by PCI-6220 and LabVIEW. This system is successful applied in low-speed electric vehicles and tourist cars and other special vehicles, and achieve industrialization in the Guizhou New Energy Vehicles Base.

switched reluctance motor; symmetric half-bridge structure; MOSFET drive system; flybackswitching power supply; IR2110; LabVIEW

2015-04-15

TM352

A

1004-7018(2016)01-0068-03

孙博城(1989-)，男，硕士研究生，研究方向为电力电子与电力传动、开关磁阻电动机驱动技术。