关键词 功率驱动 功率因数校正 交流感应电机 电源
中图分类号 TM383.6
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Abstract: In this paper the functional configuration of the power stage for AC induction motor controller is firstly introduced, and followed by the description of the operating principles and design methods for each part in the configuration. And then the operating principle of MC34262, a monolithic power factor control IC, is presented in great details centered by PFC （Power factor correction）. Lastly, the schematic design for boost-type APFC （Active Power Factor Correction） circuit is given, along with the parameter design and selection for each part of the circuit.
Keywords: power stage, power factor correction, induction motor, power supply
1、概述
近年来，随着高性能数字IC和DSP技术的发展，交流电机的矢量控制成为电机控制的一个热点。交流电机控制器功率级主电路一般都采取交直交的控制方式[1]。即先通过整流滤波将交流变换为稳定的直流，然后利用逆变电路得到电机控制所需要的变频或者变幅的交流。因此一个性能稳定、响应快速的功率驱动级设计是实现交流电机控制器的关键。
整个功率驱动级电路包括四个组成部分：支持功率因数校正的AC-DC 转换电路，DC-AC的逆变电路，电压和电流的采样电路，以及辅助电源。
2、支持功率因数校正的AC-DC 转换电路
从220v交流电网经整流供给直流，是电力电子技术及电子仪器中应用极为广泛的一种基本变流方案。如在AC-DC开关电源的输入端，AC电源经全波整流后，接一个大电容器，以得到较为平直的直流电压，再通过DC－DC 变换器获得所需电压。整流器－电容滤波是一种非线性元件和储能元件的组合，虽然输入交流电压是正弦的，但输入交流电流波形却严重畸变，呈脉冲状[2] 。大量应用整流电路，要求电网供给严重畸变的非正弦电流，造成输入端功率因数下降。因此国际上有关标准，如MIL2STD21399, Bell2co re001089 以及IEC55522，对电气设备产生的谐波量作出了相应的规定。为增大功率因数，减小对电网的污染，本文采用了临界导电模式的有源功率因数校正（Active Power Factor Correction, APFC）电路。
市面上有很多公司提供基于临界导电模式设计的有源功率因数校正集成芯片，如ST公司的L6561，Fairchild的FAN7527，Onsemi公司的MC34262，TI公司的UCC28050等。它们都可以用于恒导通时间控制技术的乘法器方式Boost有源功率因数校正电路。本文采用了外围电路简单、基于跨导型误差放大器的MC34262。
2.1 功率因数校正电路原理
MC34262是美国Motorola公司生产的一种高性能、临界导通、电流型功率因数控制器，具有功率因数高、功率开关管零电流导通、功率二极管的损耗小、控制电路简单等优点。
MC34262（图1）主要包括：乘法器、零电流检测电路、电流比较放大器、低频反馈误差放大器、基准电压、过压保护电路和欠电压锁定电路等。
MC34262的APFC升压式变换电路（图2）主要由控制器IC 芯片MC34262 、整流桥D1、MOSFET功率管Q1 、升压电感器L1 、升压二极管D2 、输出滤波电容C6 及反馈环路组成。
图1 MC34262的原理框图
图2 MC34262的APFC升压式变换电路
APFC 变换器的工作原理是通过控制MOS管Q1的通断，使升压电感L1中的电流与电压之间呈阻抗状态，从而达到功率因数控制的目的。其工作过程如下：
1）开始时，电流检测为0，功率开关管Q1导通，主电感L1中的电流线性增加，电感储能，二极管D2处于反向截止状态，负载由输出电容C6供电。
2）当电流检测脚4从功率开关管Q1检测的电流达到乘法器的输出时，功率开关管Q1关断。此时，L1产生突变的电势使D2 正向偏置导通，电源和主电感L1串联向负载供电，电容C6充电，电感中的电流线性下降。
3）当电感中的电流降到零，则功率开关管中的电流相应地也降到零。零电压检测电路检测到电流为0，另一个开关周期立刻开始，功率开关管在零电流状态下开通。
4）输出电压信号经过反馈环节和误差放大器的参考电压相比较，通过误差放大器补偿环节得到一个包含输出电压误差信息的电压信号。由于误差放大器的带宽很低，所以误差放大器的输出电压信号在一个工频周期内近似为一个恒定的值。而输入电压的采样信号作为输入电流整形的依据，和误差放大器的输出在乘法器内相乘，得到包含输出电压和输入电压相位信息的输出电压信号。
5）乘法器的输出作为电流给定，和开关中的电流反馈信号以及零电流检测的信号比较，经脉宽调制器控制功率开关。从而达到既保证输出电压的稳定又使输入电流的相位跟踪输入电压的目的。
图3给出了临界导电模式在恒导通时间情况下半个工频周期内主电感中的电流波形。
图3 电感电流波形和MOS管门电压驱动波形
2.2 功率因数校正电路参数设计
2.2.1升压电感器设计
变压器的初级线圈是APFC预调整器的升压电感器，变压器次级线圈的作用有二：（1）用作零电流检测传感器，（2）组成功率驱动板的辅助电源电路。
电感峰值电流：
将数据代入（2）式，得到电感为250uH 。
铁芯尺寸及绕组匝数可用常规的设计方法求出。升压电感器副绕组电压为15V，取该绕组的匝数为原边绕组的1：10。
2.2.2其他参数的计算
1） R1及R2的计算：
式中:VCS——电流检测脚门限值，取0.5V
由（5）式可得R7为0.069Ω，取0. 0.06Ω。
5） 输出电容器的计算:
输出电容器的数值由下式决定：
实际选取为330μF，耐压不低于450V，并要求其具有较小的等效串联电阻值（ESR）。
3、DC-AC 逆变电路
DC-AC逆变电路采用了国际整流公司（IR）的一款智能功率模块IRAMS10UP60A。该模块是为电子驱动式变速电机控制而设计和优化的，在一个单独的隔离的封装内提供了非常紧凑的、高性能的AC驱动器。IRAMS10UP60A集成了6个IGBT高电压栅驱动器，并融合多元化的保护功能，其内部原理框图如图4所示。
图4 IRAMS10UP60A的内部原理框图
IRAMS10UP60A集成电路和分散的IGBT驱动模式相比除了结构紧凑、可靠性高以外，还具有以下特点：
1）低的di/dt门极驱动器，具有较好的噪声抑制性，开关管高频工作时能耗低。
2）集成了门极驱动器和自举二级管，电路连接简单：只需要把V+连接到DC的高压端，Le1、Le2和 Le3连接到DC上的低压端，电机的三相分别接到U、V和W。6路从控制器来的PWM信号分别接到15到21脚的对应位置并选择适合的频率的母线电容就可以控制控制U、V、W的输出。
3）带死区控制的控制方式防止上下两个IGBT同时导通。当电路过流或者过压时会自动关闭。
4）提供了温度和电流检测的引脚。
4、电流采样电路
为准确测量感应电机的相电流，本模块在U、V、W的接地端串联一个3W的精密电阻R，根据电阻R的阻值和在其两端所测的压差 就可以求得得到电机相电流。压差的测量原理图如图5所示，其中：
图5 电流检测原理图
Ra=R4006=R4007
Rb=R4000=R4001
R4006接1.65v 的Vref，R4000接输入电压高端，R4001接输入电压低端，Vd为要测量电压差，Vout为实测电压，则根据运放的工作原理有：
（10）由（10）式就可以求得Vd。
5、辅助电源
为了给驱动芯片以及采样芯片提供可靠稳定的直流电源，采用如图6所示的电路结构。通过PFC电感辅助绕组取得交流信号，经过整流，滤波并通过7815芯片为控制电路提供15V的电源。
采样芯片所需的5V电源由7815再转接7805提供。采样电路中的1.65V基准电压通过LM317和可变电阻调节得到。
图6 采用7815的辅助直流电源
6、结束语
经试验证明，本功率驱动级的APFC电路能提供5％纹波、功率因数为0.99的稳定的高压直流电，并与自行设计的基于Freescale 56F8356 DSP的控制器配合，能带动300W的交流感应电机稳定工作，实现交流感应电机的矢量控制。
参考文献
[1]尔桂花、窦曰轩，运动控制系统[M]，北京：清华大学出版社，2002年10月
[2]张占松，蔡宣三，开关电源的原理与设计[M],北京:电子工业出版社，2002
[3]沙占友等编著，特种集成电源最新应用技术[M],北京：人民邮电出版社，2002
[4]Nave, Mark J. Power line filter design for switched-mode power supplies [M], New York, Van Nostrand Reinhold, 1991
作者简介：
王永霞 ：1970年出生 高级工程师 工业洗涤行业资深机械设计师
孙艳敏 ：1976年出生 网络工程师 弱电控制专家
姜晓东 ：1974年出生 电气工程师 工业洗涤行业资深电气设计师
