基于Buck—Boost結(jié)構(gòu)的永磁發(fā)電機(jī)穩(wěn)壓電路設(shè)計(jì)
王勇1，林林2，孫立功1
(1河南科技大學(xué)，河南洛陽471003；2．洛陽LYc軸承有限公司，河南洛陽471039)
摘要：根據(jù)PwM控制原理，采用Buck-Boost拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了一種應(yīng)用于水磁發(fā)電機(jī)的新型穩(wěn)壓電路。相對于目前永磁發(fā)電機(jī)普遍采用的并聯(lián)式和串聯(lián)式穩(wěn)壓電路，該電路輸出為平滑直流電、功耗更低且能夠?qū)崿F(xiàn)升降雙向穩(wěn)壓，穩(wěn)壓效果突出。
關(guān)鍵詞：穩(wěn)壓電路；永磁發(fā)電機(jī)；Buck—B00st；PwM
中圖分類號：TM351 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1004—7018(2008)01—0028—03
0引 言
永磁發(fā)電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單、效率高、比功率大、無需外加勵(lì)磁電源等特點(diǎn)[1,2]，在農(nóng)用運(yùn)輸車上應(yīng)用十分普遍。但是，因其輸出為交流電，不能直接為暖風(fēng)機(jī)、刮雨器等直流用電器供電；并且輸出電壓隨轉(zhuǎn)速及負(fù)載的變化而波動較大，存在著“低速燈不亮，高速燒燈泡”的現(xiàn)象。因此，設(shè)計(jì)一種直流輸出的永磁發(fā)電機(jī)穩(wěn)壓電路十分必要。目前，普遍采用的穩(wěn)壓方式有兩種：并聯(lián)式和串聯(lián)式。前者輸出為交流電，后者輸出為脈動成分較大的直流，更重要的是：兩者功耗較大，且只能在高速時(shí)使輸出的高電壓降至穩(wěn)定值，而不能在低速時(shí)使輸出的低電壓升高，即只能解決“高速燒燈泡的問題，而不能解決“低速燈不亮”的問題。為提高低速輸出電壓，往往需要采用高磁性的永磁材料，并對發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)、電機(jī)繞組進(jìn)行改造[3]，這種方法不但成本高，而且費(fèi)時(shí)費(fèi)力。而根據(jù)PwM控制原理，采用Buck—Boost拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的新型穩(wěn)壓電路，能夠克服上述兩種電路的不足。
1并聯(lián)式穩(wěn)壓電路
并聯(lián)式穩(wěn)壓電路[4]如圖1所示。發(fā)電機(jī)空載即電路中無電流通過時(shí)，微型電流互感器M的次級線圈無信號輸出，可控硅scRl不導(dǎo)通，scR2也不導(dǎo)通。在白天工作時(shí)，由于不使用照明燈，電路中無電流通過，盡管皮帶輪轉(zhuǎn)動但發(fā)電機(jī)空載無功率輸出，穩(wěn)壓電路不工作。
當(dāng)發(fā)電機(jī)有負(fù)載時(shí)，即電路中有電流通過，微型電流互感器M的次級線圈有信號輸出，可控硅scRl導(dǎo)通。隨著發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的升高，輸出電壓隨之升高，三極管T的發(fā)射極電壓也隨之升高，當(dāng)電壓達(dá)到一定值后，穩(wěn)壓管Dw被擊穿，使T導(dǎo)通，從而可控硅sCR2被觸發(fā)而導(dǎo)通，這時(shí)發(fā)電機(jī)瞬時(shí)短路，將電壓波形削去一部分，以降低輸出電壓：另外，由于scR2導(dǎo)通，產(chǎn)生短路性質(zhì)的感性電流，進(jìn)而產(chǎn)生去磁作用和直流磁化作用，也將輸出電壓幅值降低，從而達(dá)到穩(wěn)壓的目的。
此電路雖然保證了高速時(shí)輸出電壓的穩(wěn)定性，但并不能使低速時(shí)的輸出電壓達(dá)到額定值，并且發(fā)電機(jī)高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，由于scR2導(dǎo)通，導(dǎo)致發(fā)電機(jī)瞬時(shí)短路，致使發(fā)電機(jī)溫度升高，浪費(fèi)能源。同時(shí)，并聯(lián)式穩(wěn)壓電路輸出交流電，不能直接為需要直流電源的電器供電。
2串聯(lián)式穩(wěn)壓電路
串聯(lián)式穩(wěn)壓電路[5]如圖2所示。JFl、JF2為交流發(fā)電機(jī)完全相同的兩個(gè)繞組，JFl的首端為a，JFl的尾端與J融的首端為同一端b，b亦即為電子穩(wěn)壓器的正極輸出端，JF2的尾端為c。當(dāng)發(fā)電機(jī)開始轉(zhuǎn)動時(shí)，由于轉(zhuǎn)速低，輸出電壓U。也低,小于目標(biāo)穩(wěn)壓值，三極管Q1的發(fā)射極與A點(diǎn)的電壓小于穩(wěn)壓管D2的擊穿電壓，二極管Ql處于截止?fàn)顟B(tài)。而三極
管Q2的發(fā)射極與基極之間的電壓大于0．7V，因此，三極管Q2導(dǎo)通，集電極電流通過電阻R8、二極管D5、D6分別向可控硅scRl、scR2提供觸發(fā)信號，使可控硅導(dǎo)通，發(fā)電機(jī)輸出的交流電經(jīng)過scRl、scR2雙半波整流輸出直流電。
當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)一步升高，輸出電壓u。升高，三極管Q1發(fā)射極與A點(diǎn)的電壓也升高。當(dāng)輸出電壓u。大于目標(biāo)穩(wěn)壓值時(shí)，三極管Q1發(fā)射極與4點(diǎn)的電壓大于穩(wěn)壓管D2的擊穿電壓，三極管Q1由截止?fàn)顟B(tài)變?yōu)閷?dǎo)通狀態(tài)，其發(fā)射極與集電極之間的電壓為0．2～0 3 V，小于三極管Q2發(fā)射極與基極之的開啟電壓O．7 V，三極管Q2由導(dǎo)通變?yōu)榻刂梗翰辉傧蚩煽毓鑣cRl、scR2提供觸發(fā)電流，可控硅延時(shí)到無正向電壓時(shí)截止，發(fā)電機(jī)輸出電壓u．．迅速下降,三極管Ql發(fā)射極與A點(diǎn)的電壓也下降。當(dāng)輸出電壓u。低于目標(biāo)穩(wěn)壓值時(shí)，三極管Q1截止，Q2導(dǎo)通，可控硅再次導(dǎo)通．輸出直流電。當(dāng)輸出電壓u。再升高，大于目標(biāo)穩(wěn)壓值時(shí)，穩(wěn)壓管D2再擊穿，三極管Q1導(dǎo)通，Q2再截止，周而復(fù)始，三極管Q1、Q2反復(fù)處于通斷狀態(tài)。
可見，通過可控硅的移相、削波、整流，保證了發(fā)電機(jī)輸出電壓穩(wěn)定的直流電。但是，串聯(lián)式穩(wěn)壓電路同樣不能使低速時(shí)的輸出電壓達(dá)到額定值，且輸出的直流電脈動成分較大。
3基于Buck—Boost結(jié)構(gòu)穩(wěn)壓電路設(shè)計(jì)
3．1 Buck—B00st型穩(wěn)壓電路工作原理[6]
Buck B00st型穩(wěn)壓電路構(gòu)成如圖3中的虛線部分所示。當(dāng)開關(guān)管Q導(dǎo)通時(shí)，電感L1上有電流流過，L1存儲能量。當(dāng)開關(guān)管Q斷開時(shí)，L1上電流有減小的趨勢，電感線圈產(chǎn)生自感電勢反向，為下正上負(fù)，二極管D2受正向偏壓而導(dǎo)通，負(fù)載RL上產(chǎn)生輸出電壓U。，電容c2充電儲能，以備Q轉(zhuǎn)至導(dǎo)通時(shí)放電維持U0不變。電感L2、電容C2構(gòu)成濾波電
路，進(jìn)一步保證u。的平滑。
開關(guān)管Q的通斷受其柵極脈沖信號控制，此信號為高電平，Q導(dǎo)通，反之，Q截止。設(shè)D為控制信號占空比，電路分析可得輸出電壓：
其中：us為發(fā)電機(jī)輸出直接經(jīng)整流濾波后得到的直流電壓。由上式可得，D>百分之50時(shí)，u。>Us，電路實(shí)現(xiàn)升壓；D<百分之50時(shí)，u。<us，電路實(shí)現(xiàn)降壓。因此，當(dāng)輸出電壓隨發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速和負(fù)載不同而上下波動時(shí)，通過同步調(diào)節(jié)占空比D，可以實(shí)現(xiàn)升降雙向穩(wěn)壓。
3．2 PwM控制電路
要實(shí)現(xiàn)雙向穩(wěn)壓，關(guān)鍵在于產(chǎn)生與U0同步變化的PwM控制信號，此電路以sG3525為核心進(jìn)行設(shè)，如圖3所示：SC3525是一款常用PwM專用集成電路，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)及工作原理’。為我們所熟知這里不再贅述，下面僅就電路的設(shè)計(jì)進(jìn)行討論。
(1)比較調(diào)節(jié)電路：電阻R6、R7，R8峨構(gòu)成輸出電檢測電路，將u。波動情況反饋到sG3525內(nèi)部誤放大器的反相輸入端1腳，誤差放大器同相輸入端2腳接基準(zhǔn)電壓，此電壓由16腳輸出的內(nèi)部參考電壓Uref經(jīng)R1，R2分壓得到。U。波動情況經(jīng)誤差放大器放大后接內(nèi)部電壓比較器的反相端，與同相端的鋸齒波信號進(jìn)行比較，得到頻率固定脈寬可調(diào)的
PWN信號，再經(jīng)鎖存器、或非門等輸出。
(2)鋸齒波生成電路：Cr、RT、RD分別接5、6、7腳，與內(nèi)部振蕩電路生成鋸齒波。RD決定死區(qū)電壓，CT、RT、RD共同決定振蕩頻率。振蕩頻率過低會使濾波困難、紋波分量高、噪聲大；振蕩頻率過高開關(guān)管難以承受。因此本電路設(shè)定f=21 kHz，實(shí)踐證明較為理想。
(3)雙路PWl信號輸出[8]：SG3525由11、14腳輸出兩路相位相差180。的PwM信號，分別經(jīng)R4、R5見接到開關(guān)管Q的柵極，兩路并聯(lián)，從而使PwM信號在u。較小時(shí)****脈寬調(diào)制接近百分之98，即實(shí)現(xiàn)占空比D在O～百分之98范圍內(nèi)可調(diào)，滿足了u。的寬范
圍穩(wěn)壓需求：
(4)軟起動電路：8腳外接軟起起動電容G4，在電路啟動時(shí)，由內(nèi)部恒流源對其充電，與8腳相連的電壓比較器另一反相端電位逐漸上升，使比較器輸出的PwM信號脈寬由窄逐漸變寬，實(shí)現(xiàn)軟起動。從而避免了開關(guān)管在起動時(shí)受大電流沖擊而損壞。在電路停止工作時(shí)，電阻R9為C4提供放電回路，二極管D3用來防止C4放電時(shí)引起sG3525的誤起動。
3．3芯片供電電源電路
SG：3525工作電壓范圍是8～35V。倘若將發(fā)電機(jī)的交流輸出直接經(jīng)整流濾波后為芯片供電，則發(fā)電機(jī)低速運(yùn)行時(shí)，輸出電壓過低(如小于8V)，SG3525會因欠電壓而停止工作。因此，電路先用小型變壓器對發(fā)電機(jī)輸出進(jìn)行升壓，再經(jīng)整流濾波，然后用三端穩(wěn)壓器LM7815穩(wěn)壓，得到穩(wěn)定的15 V直流輸出，電路如圖4所示。此電路雖然為線性電源，但因sG3525功耗極低，工作電流小，所以電路自身功耗不大。
3．4電路特點(diǎn)
(1)電路通過自動調(diào)節(jié)開關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間(即占空比)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓，而不象并聯(lián)式和串聯(lián)式電路那樣，利用電路內(nèi)部的瞬間短路實(shí)現(xiàn)降壓，因而功耗更低。
(2)Buck—Boost型電路具有升降雙向穩(wěn)壓功能，從而在無需對發(fā)電機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造的前提下，保證了輸出電壓的穩(wěn)定性。
(3)軟起動電路的設(shè)計(jì)，有效避免了開關(guān)管及負(fù)載受到起動大電流的沖擊；通過進(jìn)一步濾波，使輸出的直流電更為平滑。
4結(jié)語
根據(jù)PWM控制原理，采用Buck—Boost拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的永磁發(fā)電機(jī)穩(wěn)壓電路，實(shí)現(xiàn)了既能升又能降的雙向穩(wěn)壓，并且運(yùn)行功耗低，輸出為平滑直流電，從而能夠更好地滿足農(nóng)用車車內(nèi)電設(shè)備的用電需求。此設(shè)計(jì)雖然主要針對農(nóng)用運(yùn)輸車永磁發(fā)電機(jī)的穩(wěn)壓問題，但是對于前景更為廣闊的汽車用永磁發(fā)電機(jī)的發(fā)展同樣具有借鑒意義。
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