摘要：阐述了应用于高速无刷直流电机调压调速系统的BucK直流调压器的功率器件选型计算和硬件保护电路设计过程，分析了该Buck调压器在设计调试中遇到的问题和解决办法，并设计制造了一台样机。实验验证了该样机硬件保护电路叫靠有效，改进后的高频吸收单元有效地减了小开关损耗及其对系统运行造成的影响。实验样机性能良好，可以为高速电机驱动系统提供稳定可靠的调压性能，符合设计要求
关键词：BucK；硬件保护；高频吸收单元；无刷直流电机
引 言
Buck电压变换电路是一种降压型Dc／Dc变换器，将固定的直流电压变换成输出可变的直流电压。
本文研究的Buck调压器应用f额定转速为8000O r/min、额定功率为9 kw的高速无刷直流电机(HsBLDC)驱动系统。对丁Hs—BLDc驱动系统，由于转速高，需要在转子的磁钢外面加一个不导磁的金属护套[1-2]。当采用逆变器PwM控制方式调速时，其开关过程在电机中产生的高频交变磁场会在转子护套中感应出一定量的涡流，相对于不采用PwM控制驱动的状态可带来超过50 K的温升，进而造成磁钢的温度过高而退磁。另外对于Hs-BLDc通常采用无位置传感器控制。最常见也是******的易行的方法是对电机端电压中包含的反电势进行信号处理[2]。
如果采用逆变器PwM驱动方式，通过电压传感器采集到的反电势中会存在大量的PwM引起的高频分量。虽然可以采用滤波的方式处理，但滤波产生的相移在高速系统中会变得十分明显，给信号处理带来一定问题。若采用数宁滤波，则计算所需要的时问相对电周期而言也是比较长的，进而影响系统的动态性能[3]、综上所述，Hs—BLDc驱动系统往往需要在电源和逆变器之间采用Buck直流调压器，以此来实现调压调速。本文研究的闶压器驱动的是较大功率(10 kw)的高速电机，因此，有效地实现系统保护并减小对控制器和电源的干扰是非常重要的。
Buck调压器的保护部分包括硬件保护和软件保护，其中硬件保护是对电流、温度等控制量进行监测并根据其状态直接提供保护，具有动作迅速、保护有效等优点；软件保护作为硬件保护的辅助保护措施．可以根据系统当前参数确定保护措施，如关断PwM输出、改变PwM占空比等，但保护反应时 该信号与一个过流基准电压比较，可以生成一个低电平有效的过流保护信号(OC)；本系统过流保护阀值设定为70 A。这两种保护信号作为硬件保护的输入信号，经过由逻辑门和单稳触发器组成的保护电路，输出的信号作为IPM的保护信号。
由于lPM开通和关断需要一定的时间，如果在导通过程中关断或者在关断过程中导通，会使IPM运行于线性放大区。短时间的反复通断就会引起IPM的发热甚至损坏。由74Hcl23构成的单稳触发电路可以在输入信号为任意宽度的低电平脉冲的情况下，输出一个固定宽度的低电平脉冲信号。
2实验验证
实验室测试系统由供电单元、Buck调压器、负载单元构成。供电单元将380 V三相交流电经过自耦变压器，再通过三相整流滤波电路，作为试验用输入电源。负载单元采用数个l Ω／2 kw的功率电阻经过不同的串并联组合作为负载。当系统输入电压为200V．PWM占空比为50％、周期为100us，负载为5 Ω时的输出电压和电流波形输出功率约为2 kw此时控制器的供电电压和控制波形已经出现严重干扰，经过分析研究发现，lGBT两端的cBB电容不足以有效的吸收IGBT开关时产生的高频分量，需要对吸收电路进行改进经过调试，将IcBT两端的(：BB电容换成由5 Ω的功率电阻R和5uF／500V的薄膜吸收电容cl串联的吸收电路。该电路与系统中的电感构成准谐振的软丌关电路，可以有效地减小IcBT开关时产生的高频干扰和开关损耗。同时存IPM的Cl极和E2极之问并联一个5uF500V的薄膜吸收电容晓，吸收IPM在开关时产生的高频信号以减小列实验室电网的干扰。
经过改进后，输入电压400 V，PwM占窄比55％，周期为100uF，负载为5Ω时的实验波形。此时峰值输出功率实际已经超过9 kw，达到设计要求，且系统运行稳定，未出现保护误动作现象。当系统负载继续增加，电流达到70 A时，硬件保护单元开始对系统保护，保证输出电流不超过70 A。当重新负载减小至70 A以下时，系统继续正常运行，未出现运行异常。
高速无刷直流电机驱动系统中使用的电压变换电路在设计和调试过程中存在一系列的难点，设计性能稳定、干扰小的功率变换器是研究的重点。本文着重对Buck调压器功率器件的选型计算和硬件保护电路的设计过程进行了阐述和分析，并对在设计凋试中遇到的问题进行分析和解决。根据要求设计制造了一台BucK调压器样机。通过负载实验，验证了Buck调压器的硬件保护电路可靠有效，改进后的高频吸收单元有效地减小了开关损耗和开关应力及其对系统运行造成的影响。实验系统符合设计要求，硬件保护有效可靠，具备良好的电压凋节能力。 |
