基于Buck—Boost结构的永磁发电机稳压电路设计

    王勇¹，林林²，孙立功¹

(1河南科技大学，河南洛阳471003；2．洛阳LYc轴承有限公司，河南洛阳471039)

    摘要：根据PwM控制原理，采用Buck-Boost拓扑结构，设计了一种应用于水磁发电机的新型稳压电路。相对于目前永磁发电机普遍采用的并联式和串联式稳压电路，该电路输出为平滑直流电、功耗更低且能够实现升降双向稳压，稳压效果突出。

    关键词：稳压电路；永磁发电机；Buck—B00st；PwM

    中图分类号：TM351    文献标识码：A    文章编号：1004—7018(2008)01—0028—03

0引  言

    永磁发电机具有结构简单、效率高、比功率大、无需外加励磁电源等特点^[1,2]，在农用运输车上应用十分普遍。但是，因其输出为交流电，不能直接为暖风机、刮雨器等直流用电器供电；并且输出电压随转速及负载的变化而波动较大，存在着“低速灯不亮，高速烧灯泡”的现象。因此，设计一种直流输出的永磁发电机稳压电路十分必要。目前，普遍采用的稳压方式有两种：并联式和串联式。前者输出为交流电，后者输出为脉动成分较大的直流，更重要的是：两者功耗较大，且只能在高速时使输出的高电压降至稳定值，而不能在低速时使输出的低电压升高，即只能解决“高速烧灯泡的问题，而不能解决“低速灯不亮”的问题。为提高低速输出电压，往往需要采用高磁性的永磁材料，并对发电机结构、电机绕组进行改造^[3]，这种方法不但成本高，而且费时费力。而根据PwM控制原理，采用Buck—Boost拓扑结构设计的新型稳压电路，能够克服上述两种电路的不足。

1并联式稳压电路

    并联式稳压电路^[4]如图1所示。发电机空载即电路中无电流通过时，微型电流互感器M的次级线圈无信号输出，可控硅scRl不导通，scR2也不导通。在白天工作时，由于不使用照明灯，电路中无电流通过，尽管皮带轮转动但发电机空载无功率输出，稳压电路不工作。

    当发电机有负载时，即电路中有电流通过，微型电流互感器M的次级线圈有信号输出，可控硅scRl导通。随着发电机转速的升高，输出电压随之升高，三极管T的发射极电压也随之升高，当电压达到一定值后，稳压管Dw被击穿，使T导通，从而可控硅sCR2被触发而导通，这时发电机瞬时短路，将电压波形削去一部分，以降低输出电压：另外，由于scR2导通，产生短路性质的感性电流，进而产生去磁作用和直流磁化作用，也将输出电压幅值降低，从而达到稳压的目的。

    此电路虽然保证了高速时输出电压的稳定性，但并不能使低速时的输出电压达到额定值，并且发电机高速旋转时，由于scR2导通，导致发电机瞬时短路，致使发电机温度升高，浪费能源。同时，并联式稳压电路输出交流电，不能直接为需要直流电源的电器供电。

2串联式稳压电路

    串联式稳压电路^[5]如图2所示。JFl、JF2为交流发电机完全相同的两个绕组，JFl的首端为a，JFl的尾端与J融的首端为同一端b，b亦即为电子稳压器的正极输出端，JF2的尾端为c。当发电机开始转动时，由于转速低，输出电压U。也低,小于目标稳压值，三极管Q1的发射极与A点的电压小于稳压管D2的击穿电压，二极管Ql处于截止状态。而三极

管Q2的发射极与基极之间的电压大于0．7V，因此，三极管Q2导通，集电极电流通过电阻R8、二极管D5、D6分别向可控硅scRl、scR2提供触发信号，使可控硅导通，发电机输出的交流电经过scRl、scR2双半波整流输出直流电。

    当发电机转速进一步升高，输出电压u。升高，三极管Q1发射极与A点的电压也升高。当输出电压u。大于目标稳压值时，三极管Q1发射极与4点的电压大于稳压管D2的击穿电压，三极管Q1由截止状态变为导通状态，其发射极与集电极之间的电压为0．2～0 3 V，小于三极管Q2发射极与基极之的开启电压O．7 V，三极管Q2由导通变为截止：不再向可控硅scRl、scR2提供触发电流，可控硅延时到无正向电压时截止，发电机输出电压u．．迅速下降,三极管Ql发射极与A点的电压也下降。当输出电压u。低于目标稳压值时，三极管Q1截止，Q2导通，可控硅再次导通．输出直流电。当输出电压u。再升高，大于目标稳压值时，稳压管D2再击穿，三极管Q1导通，Q2再截止，周而复始，三极管Q1、Q2反复处于通断状态。

    可见，通过可控硅的移相、削波、整流，保证了发电机输出电压稳定的直流电。但是，串联式稳压电路同样不能使低速时的输出电压达到额定值，且输出的直流电脉动成分较大。

3基于Buck—Boost结构稳压电路设计

3．1 Buck—B00st型稳压电路工作原理^[6]

    Buck B00st型稳压电路构成如图3中的虚线部分所示。当开关管Q导通时，电感L₁上有电流流过，L₁存储能量。当开关管Q断开时，L₁上电流有减小的趋势，电感线圈产生自感电势反向，为下正上负，二极管D₂受正向偏压而导通，负载RL上产生输出电压U。，电容c₂充电储能，以备Q转至导通时放电维持U₀不变。电感L₂、电容C₂构成滤波电

路，进一步保证u。的平滑。

    开关管Q的通断受其栅极脉冲信号控制，此信号为高电平，Q导通，反之，Q截止。设D为控制信号占空比，电路分析可得输出电压：

其中：u_s为发电机输出直接经整流滤波后得到的直流电压。由上式可得，D>百分之50时，u。>U_s，电路实现升压；D<百分之50时，u。<u_s，电路实现降压。因此，当输出电压随发电机转速和负载不同而上下波动时，通过同步调节占空比D，可以实现升降双向稳压。

3．2 PwM控制电路

    要实现双向稳压，关键在于产生与U0同步变化的PwM控制信号，此电路以sG3525为核心进行设，如图3所示：SC3525是一款常用PwM专用集成电路，其内部结构及工作原理’。为我们所熟知这里不再赘述，下面仅就电路的设计进行讨论。

    (1)比较调节电路：电阻R₆、R7，R8峨构成输出电检测电路，将u。波动情况反馈到sG3525内部误放大器的反相输入端1脚，误差放大器同相输入端2脚接基准电压，此电压由16脚输出的内部参考电压U_ref经R₁，R₂分压得到。U。波动情况经误差放大器放大后接内部电压比较器的反相端，与同相端的锯齿波信号进行比较，得到频率固定脉宽可调的

PWN信号，再经锁存器、或非门等输出。

    (2)锯齿波生成电路：Cr、RT、RD分别接5、6、7脚，与内部振荡电路生成锯齿波。RD决定死区电压，CT、RT、RD共同决定振荡频率。振荡频率过低会使滤波困难、纹波分量高、噪声大；振荡频率过高开关管难以承受。因此本电路设定f=21 kHz，实践证明较为理想。

    (3)双路PWl信号输出[8]：SG3525由11、14脚输出两路相位相差180。的PwM信号，分别经R4、R5见接到开关管Q的栅极，两路并联，从而使PwM信号在u。较小时****脉宽调制接近百分之98，即实现占空比D在O～百分之98范围内可调，满足了u。的宽范

围稳压需求：

    (4)软起动电路：8脚外接软起起动电容G4，在电路启动时，由内部恒流源对其充电，与8脚相连的电压比较器另一反相端电位逐渐上升，使比较器输出的PwM信号脉宽由窄逐渐变宽，实现软起动。从而避免了开关管在起动时受大电流冲击而损坏。在电路停止工作时，电阻R9为C4提供放电回路，二极管D3用来防止C4放电时引起sG3525的误起动。

3．3芯片供电电源电路

    SG：3525工作电压范围是8～35V。倘若将发电机的交流输出直接经整流滤波后为芯片供电，则发电机低速运行时，输出电压过低(如小于8V)，SG3525会因欠电压而停止工作。因此，电路先用小型变压器对发电机输出进行升压，再经整流滤波，然后用三端稳压器LM7815稳压，得到稳定的15 V直流输出，电路如图4所示。此电路虽然为线性电源，但因sG3525功耗极低，工作电流小，所以电路自身功耗不大。

3．4电路特点

    (1)电路通过自动调节开关管的导通时间(即占空比)实现稳压，而不象并联式和串联式电路那样，利用电路内部的瞬间短路实现降压，因而功耗更低。

    (2)Buck—Boost型电路具有升降双向稳压功能，从而在无需对发电机内部结构进行改造的前提下，保证了输出电压的稳定性。

    (3)软起动电路的设计，有效避免了开关管及负载受到起动大电流的冲击；通过进一步滤波，使输出的直流电更为平滑。

4结语

    根据PWM控制原理，采用Buck—Boost拓扑结构设计的永磁发电机稳压电路，实现了既能升又能降的双向稳压，并且运行功耗低，输出为平滑直流电，从而能够更好地满足农用车车内电设备的用电需求。此设计虽然主要针对农用运输车永磁发电机的稳压问题，但是对于前景更为广阔的汽车用永磁发电机的发展同样具有借鉴意义。