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电动车控制器辅助直流电源的分析比较

引言

随着经济社会的发展,汽车已成为人们出行必不可少的交通工具,然而随着汽车数量的增加,一些问题也就显露出来了,首先是石油危机,据估计,世界上超过三分之一的石油都被汽车消耗掉,三十年后我们将面临无油可用的地步;其次是环境问题,据环境保护组织监测,目前空气中60%的污染物来自汽车的尾气。出于应对石油危机、保护环境的目的,各国政府和各大厂商纷纷投入大量人力物力来推动电动车的推广和研发。电动车控制器作为电动车的核心部件,担负着电力变换的重要角色。变换器中的辅助直流电源电路设计为控制部分提供可靠的电力支持,是控制器的重要组成部分。通常情况下,在控制器内部,电池经过一系列的降压直流电源电路设计得到接近于15V的直流电源电压。15V直流电源电压分为两路,一路到三相逆变器的驱动直流电源电路设计,另一路经过78L05得到5V的直流电源电压给芯片和其它直流电源电路设计提供基准。本文所涉及的辅助直流电源即为该降压直流电源电路设计。

1 两款辅助直流电源的原理

目前,应用在电动车中低压控制器主板上的辅助开关直流电源主要有两种,这两种辅助直流电源电路设计的结构如图1、图2所示。图1被称之为电阻式降压开关直流电源,图2被称之为自振反激式开关直流电源(RCC式开关直流电源)。两种开关直流电源电路设计都能够实现降压过程。

1.1电阻式降压开关直流电源

这是一个典型的开关直流电源电路设计。它通过电阻分压、结合集成运算放大器的输出特性实现降压过程,同时通过输出端负反馈得到稳定的5V和14.5V直流电源电压输出。该直流电源电路设计优点是结构简单、成本低、输入直流电源电压范围宽,在33V~80V输入直流电源电压范围内,都有稳定的5V和14.5V输出。

电阻式降压开关直流电源结构原理图

上电时,Q1和Q2两个开关管处于关断状态,电门锁直流电源电压(电池组)通过R1、R2、R3给直流电源电路设计供电,C1电容直流电源电压U1充电到7V左右时(即①点),78L05(V3端)基本就有稳定的5V输出。此时LM358的第3脚直流电源电压U4高于第2脚直流电源电压U2,LM358的第1脚输出电平,其中:U4= 5*[R5(R5+R10)]。

此时Q1和Q2打开,而且Q1处于饱和状态,电门锁直流电源电压直接加到R19,R20,R21三个并联电阻的输入端。因三个并联电阻阻值较小,给C54充电时间常数变短,使U1快速升高.当U1直流电源电压升高到14.5V时,因78L05 输出(U3还是5V,此时LM358的第3脚直流电源电压U4低于第2脚直流电源电压U2,则LM358第1脚输出低电平,Q1和Q2关断。直流电源供电回路又回到通过R1、R2、R3这个回路给直流电源电路设计供电,因这个回路电阻阻值比较大,U1端直流电源电压会下降,又导致LM358的第3脚直流电源电压U4高于第2脚直流电源电压U2,Q1和Q2又再次打开,供电回路又转化为通过R19,R20,R21三个并联电阻得到14.5V上来,U1直流电源电压又得到提高。如此反复,就有了稳定的14.5V和5V输出。R1、R2、R3这三个电阻又叫启动电阻.同时还有一个辅助功能,给直流电源电路设计起分流作用。


该直流电源电路设计由纯电阻和三极管搭建而成,其结构简单,只需少量的直流电源元器件即可实现降压过程,成本相对低廉;但由于是纯电阻降压,在电阻上消耗的功率大、静态工作直流电源电流大、发热量大,特别是3个1kΩ/3W 的功率电阻的发热量限制了它不能应用在大功率控制器上,否则容易造成过热。

1。2自振反激式开关直流电源

自振反激式开关直流电源的直流电源电路设计拓扑结构非常简单,具有输入输出隔离、输出直流电源电压范围宽等优点,已被广泛应用在很多小功率场合,也是很多功率小于50W 的直流电源经常使用的变换器。电动车控制器的辅助直流电源模块功率通常在10W 以下,采用该变换器是非常合理的。


图2所示是一款简易的自振反激式开关直流电源,输入侧和输出侧是由少量的分立元件搭建而成。当直流电源接通后,直流电源电流由电门锁直流电源-K18 -启动电阻R13-Q3的基极-Q3的发射极-R17-C8/Q9-地,从而产生Q3的基极直流电源电流,也产生了Q3的集电极直流电源电流,其直流电源电流由电门锁直流电源-R18-T1的4脚-T1的3脚-Q3的集电极-Q3的发射极 R17-C8/Q9-地。当刚有基极直流电源电流时,集电极直流电源电流经T1的4〜3绕组使T1的2〜1绕组产生感应直流电源电压,此感应,直流电源电压T1的2脚为正,1脚为负。

直振反激式开关直流电源结构原理图

感应直流电源对C7充电(经过Q3的发射极),增加了基极直流电源电流,Q3的集电极直流电源电流也相应增加,反过来又增加感应直流电源电压,产生正反馈使Q3迅速饱和,饱和后感应直流电源电压不变。充直流电源电路设计径:T1的2端-C7-R16-Q3的发射极T1的1端。随着电容两端直流电源电压的增加,充电直流电源电流逐减少,当充电直流电源电流加上启动直流电源电流小于使Q3饱和的基极直流电源电流时Q3的集电极直流电源电流IC减少,使T1的3-4绕组的直流电源电流减少,从而减少T1的1-2绕组的感应直流电源电压,反过来使Q3的基极直流电源电流减少,正反馈使Q3的迅速截止。如此往复,便可以实现开关管的关断与开通。可见,该RCC式开关直流电源是通过电容的充放电实现自激振荡

从图2可以看出,电容C7两端的直流电源电压给Q3反偏,此时即使有启动电阻,Q3的基极直流电源电流Ib仍为零,Q3仍然是截止的。此时,直流电源电流由C7的正极-R16-Q3的发射极-T1的1〜2绕组-C7的负极,放电使C7两端直流电源电压逐步变小。R18和C5构成防浪涌直流电源电流直流电源电路设计,D4是开关变压器的输出整流二极管。G1,C6,R15组成过流保护直流电源电路设计,当过流时,G1迅速打开,抽掉Q3的基极直流电源电流,使Q3迅速关断。图中D3、R18和C8组成T300 4〜3绕组的 RCD箝位直流电源电路设计,该直流电源电路设计可抑制直流电源电压尖峰,防止箝位直流电源电路设计形成死负载,减小箝位直流电源电路设计损耗,提高变换器效率。

与电阻式开关直流电源相比,该直流电源由于采用了变压器隔离,其抗干扰能力增强,稳定性提高,发热量小,效率得到大大提高,也可适用于大功率控制器上;但该直流电源的成本比电阻式开关直流电源的要高,且体积大。

2 实验结果

在电机满载运行(即电机以额定转速运行时),用示波器分别测量两款直流电源的输出波形如图3。这两款直流电源都能很好地输出接近于15V的直流电源电压且输出都很稳定,该直流电源电压为控制器上的驱动直流电源电路设计提供基准直流电源电压。

15V的直流电源电压经过三端稳压器78L05输出稳定的5V直流电源电压,该5V直流电源电压可以为控制器上的转把直流电源电路设计、霍尔直流电源电路设计、直流电源电流采样直流电源电路设计和控制芯片提供基准直流电源电压,该基准直流电源电压的波形如图4所示。两个开关管Q2和Q3的基极直流电源电压波形如图5所示。

开关直流电源输出15V的波形图开关直流电源输出5V的波形图基极电压波形图基极电压波形图

3 结束语

辅助直流电源作为电动车控制器的重要组成部分,其性能直接影响到控制器能否正常运行。电阻式开关直流电源和自振反激式开关直流电源都能够很好地实现降压过程,都可以作为控制器的辅助直流电源,但在具体使用时要综合成本、发热量、效率等因素。自振反激式开关直流电源和电阻式开关直流电源由于其效率高、结构简单、成本相对低廉,目前已大量应用于电动车控制器上。

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