摘 要本文介紹了交流感應電機控制器功率驅動電路的功能結構和各個部分的工作原理和設計方法，并以電路功率因素校正為核心詳細介紹了功率因數控制芯片MC34262的工作原理，給出了boost型有源功率因數校正（APFC）電路的原理圖，及電路各部分的參數設計和選擇方法。 關鍵詞　功率驅動　功率因數校正　交流感應電機　電源 中圖分類號　TM383.6 [align=right]Penglai of Shandong Xiaoya Washing Equipment Co., Ltd. Yong-Xia Wang Zip code 265607 Penglai City in Shandong Province Chinese medicine hospitals Yan-Min Sun Zip code 265600 Penglai of Shandong Xiaoya Washing Equipment Co., Ltd. Xiao-Dong Jiang Zip code 265607 山東蓬萊小鴨洗滌設備有限公司 王永霞 郵編 265607 山東省蓬萊市中醫院 孫艷敏 郵編 265600 山東蓬萊小鴨洗滌設備有限公司 姜曉東 郵編 265607[/align] 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 近年來，隨著高性能數字IC和DSP技術的發展，交流電機的矢量控制成為電機控制的一個熱點。交流電機控制器功率級主電路一般都采取交直交的控制方式[1]。即先通過整流濾波將交流變換為穩定的直流，然后利用逆變電路得到電機控制所需要的變頻或者變幅的交流。因此一個性能穩定、響應快速的功率驅動級設計是實現交流電機控制器的關鍵。 整個功率驅動級電路包括四個組成部分：支持功率因數校正的AC-DC 轉換電路，DC-AC的逆變電路，電壓和電流的采樣電路，以及輔助電源。 2、支持功率因數校正的AC-DC 轉換電路 從220v交流電網經整流供給直流，是電力電子技術及電子儀器中應用極為廣泛的一種基本變流方案。如在AC-DC開關電源的輸入端，AC電源經全波整流后，接一個大電容器，以得到較為平直的直流電壓，再通過DC－DC 變換器獲得所需電壓。整流器－電容濾波是一種非線性元件和儲能元件的組合，雖然輸入交流電壓是正弦的，但輸入交流電流波形卻嚴重畸變，呈脈沖狀[2] 。大量應用整流電路，要求電網供給嚴重畸變的非正弦電流，造成輸入端功率因數下降。因此國際上有關標準，如MIL2STD21399, Bell2co re001089 以及IEC55522，對電氣設備產生的諧波量作出了相應的規定。為增大功率因數，減小對電網的污染，本文采用了臨界導電模式的有源功率因數校正（Active Power Factor Correction, APFC）電路。 市面上有很多公司提供基于臨界導電模式設計的有源功率因數校正集成芯片，如ST公司的L6561，Fairchild的FAN7527，Onsemi公司的MC34262，TI公司的UCC28050等。它們都可以用于恒導通時間控制技術的乘法器方式Boost有源功率因數校正電路。本文采用了外圍電路簡單、基于跨導型誤差放大器的MC34262。 2.1 功率因數校正電路原理 MC34262是美國Motorola公司生產的一種高性能、臨界導通、電流型功率因數控制器，具有功率因數高、功率開關管零電流導通、功率二極管的損耗小、控制電路簡單等優點。 MC34262（圖1）主要包括：乘法器、零電流檢測電路、電流比較放大器、低頻反饋誤差放大器、基準電壓、過壓保護電路和欠電壓鎖定電路等。 MC34262的APFC升壓式變換電路（圖2）主要由控制器IC 芯片MC34262 、整流橋D1、MOSFET功率管Q1 、升壓電感器L1 、升壓二極管D2 、輸出濾波電容C6 及反饋環路組成。 [align=center] 圖1 MC34262的原理框圖 圖2 MC34262的APFC升壓式變換電路[/align] APFC 變換器的工作原理是通過控制MOS管Q1的通斷，使升壓電感L1中的電流與電壓之間呈阻抗狀態，從而達到功率因數控制的目的。其工作過程如下： 1）開始時，電流檢測為0，功率開關管Q1導通，主電感L1中的電流線性增加，電感儲能，二極管D2處于反向截止狀態，負載由輸出電容C6供電。 2）當電流檢測腳4從功率開關管Q1檢測的電流達到乘法器的輸出時，功率開關管Q1關斷。此時，L1產生突變的電勢使D2 正向偏置導通，電源和主電感L1串聯向負載供電，電容C6充電，電感中的電流線性下降。 3）當電感中的電流降到零，則功率開關管中的電流相應地也降到零。零電壓檢測電路檢測到電流為0，另一個開關周期立刻開始，功率開關管在零電流狀態下開通。 4）輸出電壓信號經過反饋環節和誤差放大器的參考電壓相比較，通過誤差放大器補償環節得到一個包含輸出電壓誤差信息的電壓信號。由于誤差放大器的帶寬很低，所以誤差放大器的輸出電壓信號在一個工頻周期內近似為一個恒定的值。而輸入電壓的采樣信號作為輸入電流整形的依據，和誤差放大器的輸出在乘法器內相乘，得到包含輸出電壓和輸入電壓相位信息的輸出電壓信號。 5）乘法器的輸出作為電流給定，和開關中的電流反饋信號以及零電流檢測的信號比較，經脈寬調制器控制功率開關。從而達到既保證輸出電壓的穩定又使輸入電流的相位跟蹤輸入電壓的目的。 圖3給出了臨界導電模式在恒導通時間情況下半個工頻周期內主電感中的電流波形。 [align=center] 圖3 電感電流波形和MOS管門電壓驅動波形[/align] 2.2 功率因數校正電路參數設計 2.2.1升壓電感器設計 變壓器的初級線圈是APFC預調整器的升壓電感器，變壓器次級線圈的作用有二：（1）用作零電流檢測傳感器，（2）組成功率驅動板的輔助電源電路。 電感峰值電流： 將數據代入（2）式，得到電感為250uH 。 鐵芯尺寸及繞組匝數可用常規的設計方法求出。升壓電感器副繞組電壓為15V，取該繞組的匝數為原邊繞組的1：10。 2.2.2其他參數的計算 1） R1及R2的計算： 式中:VCS——電流檢測腳門限值，取0.5V 由（5）式可得R7為0.069Ω，取0. 0.06Ω。 5） 輸出電容器的計算: 輸出電容器的數值由下式決定： 實際選取為330μF，耐壓不低于450V，并要求其具有較小的等效串聯電阻值（ESR）。 3、DC-AC 逆變電路 DC-AC逆變電路采用了國際整流公司（IR）的一款智能功率模塊IRAMS10UP60A。該模塊是為電子驅動式變速電機控制而設計和優化的，在一個單獨的隔離的封裝內提供了非常緊湊的、高性能的AC驅動器。IRAMS10UP60A集成了6個IGBT高電壓柵驅動器，并融合多元化的保護功能，其內部原理框圖如圖4所示。 [align=center] 圖4 IRAMS10UP60A的內部原理框圖[/align] IRAMS10UP60A集成電路和分散的IGBT驅動模式相比除了結構緊湊、可靠性高以外，還具有以下特點： 1）低的di/dt門極驅動器，具有較好的噪聲抑制性，開關管高頻工作時能耗低。 2）集成了門極驅動器和自舉二級管，電路連接簡單：只需要把V+連接到DC的高壓端，Le1、Le2和 Le3連接到DC上的低壓端，電機的三相分別接到U、V和W。6路從控制器來的PWM信號分別接到15到21腳的對應位置并選擇適合的頻率的母線電容就可以控制控制U、V、W的輸出。 3）帶死區控制的控制方式防止上下兩個IGBT同時導通。當電路過流或者過壓時會自動關閉。 4）提供了溫度和電流檢測的引腳。 4、電流采樣電路 為準確測量感應電機的相電流，本模塊在U、V、W的接地端串聯一個3W的精密電阻R，根據電阻R的阻值和在其兩端所測的壓差 就可以求得得到電機相電流。壓差的測量原理圖如圖5所示，其中： [align=center] 圖5 電流檢測原理圖[/align] Ra=R4006=R4007 Rb=R4000=R4001 R4006接1.65v 的V[sub]ref[/sub]，R4000接輸入電壓高端，R4001接輸入電壓低端，V[sub]d[/sub]為要測量電壓差，Vout為實測電壓，則根據運放的工作原理有： 由（10）式就可以求得V[sub]d[/sub]。 5、輔助電源 為了給驅動芯片以及采樣芯片提供可靠穩定的直流電源，采用如圖6所示的電路結構。通過PFC電感輔助繞組取得交流信號，經過整流，濾波并通過7815芯片為控制電路提供15V的電源。 采樣芯片所需的5V電源由7815再轉接7805提供。采樣電路中的1.65V基準電壓通過LM317和可變電阻調節得到。 [align=center] 圖6 采用7815的輔助直流電源[/align] 6、結束語 經試驗證明，本功率驅動級的APFC電路能提供5％紋波、功率因數為0.99的穩定的高壓直流電，并與自行設計的基于Freescale 56F8356 DSP的控制器配合，能帶動300W的交流感應電機穩定工作，實現交流感應電機的矢量控制。 參考文獻 [1]爾桂花、竇曰軒，運動控制系統[M]，北京：清華大學出版社，2002年10月 [2]張占松，蔡宣三，開關電源的原理與設計[M],北京:電子工業出版社，2002 [3]沙占友等編著，特種集成電源最新應用技術[M],北京：人民郵電出版社，2002 [4]Nave, Mark J. Power line filter design for switched-mode power supplies [M], New York, Van Nostrand Reinhold, 1991 作者簡介： 王永霞 ：1970年出生 高級工程師 工業洗滌行業資深機械設計師 孫艷敏 ：1976年出生 網絡工程師 弱電控制專家 姜曉東 ：1974年出生 電氣工程師 工業洗滌行業資深電氣設計師