永磁直流(PMDC)電機在要求高效率、高起動轉(zhuǎn)矩和線性轉(zhuǎn)速/轉(zhuǎn)矩的應(yīng)用中提供了一種相對簡單可靠的直流驅(qū)動解決方案。隨著鐵氧體和稀土磁體材料以及電子控制技術(shù)的發(fā)展，PMDC電機是一種具有成本競爭力的解決方案，尤其在高啟動電流和轉(zhuǎn)矩要求的應(yīng)用。永磁直流電機區(qū)別于其他直流電機的一個設(shè)計特點是用永磁體代替繞組磁場，它消除了在磁場繞組中單獨勵磁以及伴隨的電氣損耗。
    永磁直流 (PMDC) 電機在便攜式真空吸塵器和無繩電動工具等應(yīng)用中提供更小的解決方案尺寸和更高的效率。在為 PMDC 電機設(shè)計隔離式電源時，需要牢記幾個考慮因素——瞬態(tài)響應(yīng)、所需的峰值負載、解決方案尺寸和成本——這些因素直接影響電源架構(gòu)的設(shè)計和所選的電源轉(zhuǎn)換器拓撲。
    與 PMDC 電機相關(guān)的一個特殊挑戰(zhàn)是電機的峰值電流可能比其穩(wěn)態(tài)電流大幾倍。這種峰值負載直接影響隔離電源的電源拓撲選擇和成本。為了說明 PMDC 的這一特性，請考慮直流電機的基本工作電壓方程(方程 1)：
    V s = V b + V L + I a R a (1)
    這里，V s是施加的電機電源電壓，V b 是電機的反電動勢 (EMF)，V L 是轉(zhuǎn)子電感上的電壓，I a和R a分別是電樞電流和電阻. 這種工作電壓關(guān)系如圖 1 所示。

    圖 1 直流電機的簡化模型說明了 PMDC 特性。
    當電機完全靜止時，反電動勢等于 0 V——假設(shè)沒有任何旋轉(zhuǎn)運動——電機所需的電流僅受電樞電阻的限制。由于電樞電阻通常小于 1 Ω，因此在產(chǎn)生反電動勢之前施加完整的標稱電源電壓時，電機的初始電流需求可能比穩(wěn)態(tài)電流高幾倍。
    解決峰值電流應(yīng)力的方法
    大的初始電流需求對隔離式電源提出了特殊的挑戰(zhàn)，需要仔細考慮以確定終產(chǎn)品可以接受的折衷方案。我們的選擇包括：
    · 設(shè)計隔離式轉(zhuǎn)換器以處理啟動期間的峰值功率
    如果峰值電機電流值與穩(wěn)態(tài)電機電流值相似，則此方法可能是可接受的。但是，如果峰值負載大幾倍，它可能會變得昂貴，因為我們必須為更高的峰值負載設(shè)計功率因數(shù)校正 (PFC) 和隔離式 DC/DC 功率級。這種方法在功率級中需要更昂貴的元件——甚至需要改變所需的功率轉(zhuǎn)換器拓撲結(jié)構(gòu)——如果我們需要更大的磁性元件來避免飽和，還可能會增加電源的整體尺寸和重量。
    · 使用大型電容器組
    在這種方法中，隔離電源在連接到電源輸出的電容器組中積累了大量電荷，而電機未啟用。一旦啟用電機，存儲的電荷將提供電機指令的峰值負載，同時允許輸出電壓出現(xiàn)一些可接受的下降。這種方法很簡單，但需要能夠斷開電機與電源的連接，以便隔離電源可以在沒有連接電機負載的情況下啟動。對于更高功率的 PMDC，使用大型電容器組也不是一個好主意，因為所需的電容器組尺寸變得不合理地大。
    · 輸出恒流限制
    如果在隔離式電源反饋回路中構(gòu)建輸出電流限制，則電源能夠調(diào)節(jié)輸出電流。這種方法可以降低電源的峰值功率設(shè)計要求，并避免需要大型電容器組。但輸出電流調(diào)節(jié)電路確實需要一個單獨的偏置電源，以便在啟動期間正確調(diào)節(jié)輸出電流，除了電流檢測電路外，這還轉(zhuǎn)化為一個單獨的隔離輔助電源，如圖 2所示。

    圖 2 AC/DC 電源框圖突出顯示了恒流和恒壓調(diào)節(jié)環(huán)路。
    如果電機的初始速度和啟動時間不是時間關(guān)鍵的，并且在應(yīng)用中可以接受更長的啟動時間，另一種方法是在啟動期間將隔離式 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的輸出電壓鉗位一段比電機的電氣時間常數(shù)。使用固定頻率控制器，您可以鉗制占空比。在電感-電感-電容 (LLC) 諧振轉(zhuǎn)換器等變頻轉(zhuǎn)換器中，您可以鉗位開關(guān)頻率。
    使用鉗位可以使隔離式 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的輸出上產(chǎn)生一個很小的初始電壓并持續(xù)足夠長的時間，以使電機緩慢轉(zhuǎn)動并開始產(chǎn)生反電動勢，如圖 3所示。因為初始電源電壓很小，電機的電流需求被限制在一個更接近其穩(wěn)態(tài)值的值。在產(chǎn)生反電動勢并且電機電流達到穩(wěn)定狀態(tài)后，隔離式 DC/DC 的輸出電壓可以安全地上升到標稱輸出電壓，同時避免轉(zhuǎn)換器內(nèi)出現(xiàn)過電流應(yīng)力。

    圖 3 使用占空比鉗位啟動可實現(xiàn)較小的初始電壓。
    將鉗位電路置于隔離式 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的初級側(cè)，無需單獨的輔助電源。圖 4顯示了使用通用比較器和幾個小信號晶體管的示例實現(xiàn)。此特定示例將鉗位電路與UCC256402控制器配對，該控制器具有 5.6 V 的固定 FB 引腳電壓，用作半橋 LLC 諧振轉(zhuǎn)換器的頻率鉗位。

    圖 4 初級端鉗位電路使用一個通用比較器和一對小信號晶體管。
    在鉗位的初始狀態(tài)下，Q1 和 Q2 都導(dǎo)通，C1 和 C2 上的初始電壓均為 0 V。由于 Q1 將 Q2 的基極拉至地，與 V FB – 0.7V/R 6成比例的電流 從隔離式 DC/DC 控制器的 FB 引腳流出。對于 UCC256402 控制器，該電流吸收器將 VCR 柵極關(guān)斷閾值限制為 3 V ± ((82 ?A – I sink ) × 100 kΩ)，從而提供頻率鉗位功能。鉗位有效的時間量由 C1、R1 和 R2 形成的 RC 時間常數(shù)以及當 C1 上的電壓大于TL331比較器的參考電壓時設(shè)置，如圖 5所示。

   圖 5 顯示了鉗位電路狀態(tài)與輸出電壓上升的關(guān)系。
    由于 TL331 是一個集電極開路比較器，它會將 Q1 的柵極下拉至地，從而關(guān)閉 Q1。當 C2 上的電壓開始通過 R5 充電時，從 FB 引腳拉出的電流量會緩慢減少，從而使頻率鉗位電路逐漸釋放。D1 和 D2 用作鉗位電路的快速復(fù)位，以便在從初級側(cè)電路移除偏置時快速對 C1 和 C2 放電，例如在故障保護的情況下。
    峰值電流比較
    上述電路使 500W 連續(xù)導(dǎo)通模式 (CCM) PFC 升壓轉(zhuǎn)換器和隔離式半橋 LLC 轉(zhuǎn)換器參考設(shè)計能夠成功啟動并為車間真空吸塵器供電。圖 6所示的波形說明了電源的輸出電壓 (10 V/p) 和沒有頻率鉗位的電機的電流需求 (50 A/p)。電機的峰值電樞電流為 186 A。在電機開始轉(zhuǎn)動后的 300 ms 內(nèi)穩(wěn)定到 25 A 的穩(wěn)態(tài)電流之前，會出現(xiàn) 200 ms 的顯著電流應(yīng)力。

    圖 6 波形顯示了沒有頻率鉗位的電機電源電壓和電流。
    圖 7中的波形說明了電源的輸出電壓 (10V/p) 和啟動期間啟用頻率鉗位的電機的電流需求 (10A/p)。峰值電流略高于 35 A，更接近電機的 25 A 標稱額定值。電機開始轉(zhuǎn)動后，電機電流在 3 秒內(nèi)達到穩(wěn)定狀態(tài)。

    圖 7 波形顯示了帶頻率鉗位的電機電源電壓和電流。
    包含一個簡單的鉗位電路可滿足啟動 DC 電機的目標，同時避免 AC/DC 電源中的高電流應(yīng)力，并且與其他方法相比可節(jié)省大量材料清單 (BOM)。這種方法也可以與非 LLC 拓撲結(jié)合使用，通過連接到 PWM 控制器的 COMP 引腳來充當占空比鉗位。設(shè)計一個 AC/DC 電源來支持電機控制的全峰值負載需要能夠提供超過五倍于穩(wěn)態(tài)電機電流的能力。
    對于 PFC 和隔離式 DC/DC(例如交錯式 CCM PFC 和相移全橋)來說，這種顯著的功率水平和電流壓力需要更昂貴的拓撲結(jié)構(gòu)，這會顯著增加 BOM 成本。與輸出恒流限制相比，鉗位電路還可以節(jié)省 BOM 成本，因為它不需要單獨的隔離輔助電源，并且比包含大型電容器組要小。使用占空比或頻率限制可以實現(xiàn)更便宜、更小的隔離電源，同時仍能滿足 PMDC 的電源需求。