劉謙

摘要：起動機是飛機發(fā)動機上重要的起動裝置，在實際維修中為了測試它的性能通常采用蓄電池或可控硅整流電源才能滿足數(shù)百安的電源輸出要求，前者由于調(diào)壓困難操作不便已基本淘汰，后者由于電源柜體巨大價格昂貴逐漸被以IGBT為核心的開關(guān)電源所取代，本文基于SG3525和M57963AL芯片設(shè)計了一套用于低壓大電流開關(guān)電源控制用的電路，成功用于一臺起動機測試用電源，現(xiàn)將控制電路、驅(qū)動電路、顯示電路、保護電和輔助電路的設(shè)計做一個介紹。

Abstract： The starter is an important starting device on the aircraft engine. In actual maintenance， in order to test its performance， the Storage battery or SCR rectifier power supply rectifier power supply is usually used to meet the power output requirements of hundreds of amperes. The former has been basically eliminated due to the difficulty of voltage regulation and the inconvenience of operation. The latter is gradually replaced by a switching power supply with IGBT as the core due to the huge and expensive power supply cabinet. Based on the SG3525 and M57963AL chips， a set of circuits for low-voltage and high-current switching power supply control is designed in this paper， and it is successfully used in a starter test. With the power supply， the design of the control circuit， drive circuit， display circuit， protection circuit and auxiliary circuit will now be introduced.

關(guān)鍵詞：開關(guān)電源;SG3525;M57963AL;控制電路

Key words： switching power;SG3525;M57963AL;control circuit

中圖分類號：TN47 ? ? ? ? ? ? ? ?; ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2022）01-0123-03

0 ?引言

隨著功率器技術(shù)、軟件開關(guān)技術(shù)的發(fā)展，開關(guān)電源已經(jīng)應(yīng)用到生活的各個方面。開關(guān)電源從電路結(jié)構(gòu)上主要由主電路、控制電路、檢測電路、輔助電源組成，在實際設(shè)計中，由于工作需求的不同，在低壓大電流拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中我們會采取不同主結(jié)構(gòu)方式，本文涉及的開關(guān)電源由于主要應(yīng)用于起動電機測試，對輸出電壓的精度要求不高，為此我們采取了正激電路結(jié)構(gòu)作為主電路結(jié)構(gòu)，負(fù)責(zé)處理電能的轉(zhuǎn)換，而控制電路主要處理各種取樣信號，通過對比標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定進而控制逆變器，改變其頻率或脈寬，達到輸出穩(wěn)定的電壓值，同時通過保護電路設(shè)計，為系統(tǒng)提供過壓、過流等保護，電源的精度、紋波、輸出特性等指標(biāo)均與控制電路的設(shè)計相關(guān)。由于SG3525芯片和M57963AL芯片功能強大，周邊電路豐富，以此兩芯片為基礎(chǔ)設(shè)計了控制電路和驅(qū)動電路等。現(xiàn)在就主要針對控制電路作一設(shè)計說明。

1 ?主控制電路的設(shè)計

SG3525的脈沖寬度調(diào)制芯片是一款由國半導(dǎo)體公司研發(fā)和生產(chǎn)，具有各種必需的功能和通用性的芯片，由于其優(yōu)異的性能在開關(guān)電源領(lǐng)域得到普遍的應(yīng)用，其主要的組成結(jié)構(gòu)包括振蕩器、PWM比較器、誤差放大器等，其內(nèi)部組成框圖、引腳功能、芯片功能、主控芯片內(nèi)部工作原理在此就不再贅述。

在主控制電路設(shè)計過程中，對各種可能會對電路造成損害的故障情況都進行了充分的考慮，并充分利用了芯片中的電路保護功能，降低各種突發(fā)情況對電路的損壞。

如圖1所示，為應(yīng)用SG3525芯片設(shè)計完成的控制電路的原理圖，通過其關(guān)斷控制功能避免了逆變器電源出現(xiàn)故障時給電路帶來的損害。電源的輸入輸出電壓、電流信號經(jīng)分壓、濾波及縮放后與各自的保護限值比較，通過最終的輸出信號來控制芯片的運行情況;如果電源出現(xiàn)工作故障等突發(fā)情況時，會依次造成比較器的電平值以及芯片的引腳8輸出水平的降低，從而啟動前路的保護功能，停止脈沖的輸出，避免電源故障給電路帶來進一步的破壞。

其控制電路的產(chǎn)生PWM脈沖信號的基本工作原理是：首先將電路反饋的電源電壓值或者電流值與預(yù)先設(shè)定好的理論值相比確定兩者之間存在的偏差，對該信號進行PI調(diào)節(jié)之后將其傳輸至放大器的正引腳2進行處理，之后在引腳9輸出結(jié)果并與附加的鋸齒波進行對比，最終生成PWM脈沖信號[1]。

2 ?驅(qū)動電路設(shè)計

M57963AL驅(qū)動芯片是一款日本三菱公司研發(fā)和生產(chǎn)的M57963AL驅(qū)動芯片，它不僅實現(xiàn)了輸入與輸出信號之間的光電隔離，同時還具備短路保護功能以及較高的驅(qū)動效率，是一種驅(qū)動電路設(shè)計中較為理想的驅(qū)動芯片，由于該芯片相關(guān)資料較多，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖、引腳功能、芯片參數(shù)及其芯片特點在此也就不再贅述。

作為飛機起動電機的測試設(shè)備電源，起動電機測試用電源需0～24V可調(diào)，功率應(yīng)不低于4.2kW，輸出電流應(yīng)不低于430A，經(jīng)過開關(guān)管IGBT的計算在考慮實際損耗以及轉(zhuǎn)換效率的情況下，我們采用了比亞迪公司的BG100B12LY，該開關(guān)管可以實現(xiàn)大功率開關(guān)控制，能夠滿足在低壓條件下大電流的輸出。驅(qū)動電路的設(shè)計情況見圖2，其中設(shè)置了2個IGBT，并且為其分別配置了一臺驅(qū)動器，保證其工作效率和電路的可靠性。

如圖2所示，本次電路設(shè)計方案中采用了M57962AL驅(qū)動芯片，電路當(dāng)中配置了兩個電源進行供電，其電壓分別為+15V和-9V。其中-9V電壓起到關(guān)斷電壓的作用，通過其能夠有效消除電路中的其他干擾，保證關(guān)斷功能的順利實現(xiàn)，為電路的正常工作提供可有力的保障。其中R3的值可以在IGBT開關(guān)損耗與尖峰電壓值之間起到良好的融合和調(diào)節(jié)作用，適當(dāng)降低其取值能夠降低開關(guān)運行的時間并進一步減小其損耗，適當(dāng)增大其取值則能夠有效減小尖峰電壓值;但是當(dāng)R3取值過大或者過小時都會對電路的正常工作造成影響，極大地提高開關(guān)的損耗值以及電路中的尖峰電壓。經(jīng)過論證，本次R3取值為2，既能夠起到調(diào)節(jié)作用，又不會對電路造成損害。

正常狀態(tài)下，芯片管腳5的輸出電平會隨著管腳13、14輸入的變化而進行相應(yīng)的變化;當(dāng)輸出電平較高時，電路會實現(xiàn)開功能，此時僅有Q1導(dǎo)通，IGBT的供電電壓為+15V;而當(dāng)輸出電平較低時，電路會實現(xiàn)關(guān)功能，此時僅有Q2導(dǎo)通，IGBT的供電電壓為-9V。

當(dāng)電路發(fā)生短路時可通過管腳1來檢測電路中通過的電流值，其發(fā)送的較高電流檢測信號會提升IGBT的集電極電壓，當(dāng)達到或者超過15V的限值時會啟動芯片的保護功能，降低管腳8、5的輸出電平，此時僅有Q2導(dǎo)通，從而實現(xiàn)IGBT的關(guān)斷。為了縮短短路保護功能的單次持續(xù)時間，在電路設(shè)計中為管腳2配置了電容C1，并通過其連接至+15V電源;短路保護功能的單次持續(xù)時間與其電容大小成正比，在該裝置的作用下，短路保護啟動后1～2ms后會停止保護功能并進行新一次的短路檢測，并視檢測結(jié)果來決定是否恢復(fù)驅(qū)動芯片的正常工作。當(dāng)電路短路故障長時間存在時管腳8會向IGBT發(fā)送周期為1～2ms的連續(xù)脈沖信號，本次設(shè)計中在兩者之間設(shè)置了光耦U1進行了光電隔離，從而有效提高了電路的安全性。本次采用的驅(qū)動芯片具有相對簡單的周邊電路，同時還具有短路保護的功能，能夠有效降低甚至避免IGBT由于電路短路故障等情況帶來的損害，從而在很大程度上提高了系統(tǒng)的可靠性。

3 ?顯示電路設(shè)計

為了便于輸出電壓和輸出電流的讀取，設(shè)計當(dāng)中在開關(guān)電源箱體部門設(shè)置了相應(yīng)的顯示模塊，這樣在實際操作過程中可以直接從箱體上觀察到開關(guān)電源的實際輸出電流和電壓值。其顯示電路板電路圖如圖3所示。

圖3右上方所示，這是數(shù)字顯示表的輔助電源，將220AC通過變壓器降為5V的交流電后，通過17，19（18，20）接線端口經(jīng)橋式整流電路D4（D5）整流，整流后得到一個電壓波動很大的直流電源，在其后加入104的小電容與470uF的電解電容進行紋波濾波，同時為了得到穩(wěn)定的需要的數(shù)顯電表電壓源，接入三端穩(wěn)壓電源（直接整流出的直流電源由于會隨著負(fù)載變化產(chǎn)生電壓變化，所以不能作為穩(wěn)壓電源直接驅(qū)動負(fù)載。）其中C2，C3為顯示輔助電源的濾波電容。圖的右下方，從電流分配器到的電流信號和輸出端得到的電壓信號經(jīng)C9，C10濾波電容后接到數(shù)顯表上，數(shù)顯表就可顯示出當(dāng)前的電壓、電流數(shù)值;圖的左上方為當(dāng)設(shè)備檢測到故障信號或過熱信號時，會將1，2端置為低電平，供電段12與1（2）腳端形成壓差，二極管D1、D2指示燈點亮。正常情況下1，2端為高電平信號，指示燈滅;當(dāng)4腳接入電源后，在4，5兩腳間形成回路，工作指示燈亮;穩(wěn)壓，穩(wěn)流輸出切換通過聯(lián)動開關(guān)S1實現(xiàn)，調(diào)節(jié)可變電阻R1改變基準(zhǔn)電壓，實現(xiàn)電壓調(diào)節(jié)，S2為電源啟動開關(guān)。

4 ?保護電路設(shè)計

4.1 過壓欠壓保護電路設(shè)計 ?根據(jù)其工作原理，開關(guān)電源的輸出電壓值會在開始工作的極短時間內(nèi)從0V提升至最大電壓值，同時電路中的電流也會相應(yīng)的急速升高;如果沒有設(shè)置相應(yīng)的防護裝置，瞬間產(chǎn)生的強大電流會對其中IGBT開關(guān)管造成加大的損傷甚至破壞，因此需要對開關(guān)電源采取降壓啟動或窄脈沖啟動等措施。本設(shè)計的保護電路主要采用兩個LM393組成且與SG3525芯片的10管腳相連，將輸入電壓與參考電壓進行比較，當(dāng)輸入電壓出現(xiàn)過壓或欠壓時會時SG3525芯片的10管腳直接拉低從而對電路起到保護作用。另外，在芯片的反相端即軟啟動控制端上連接了一個電容值為100pF的電容，該電容內(nèi)部為5V基準(zhǔn)參考電壓且50uA恒流源，在軟啟動過程中其內(nèi)部的恒流源給外部電容充電，因此可以實現(xiàn)窄脈沖啟動，從而對電路進行保護作用。

4.2 過流保護設(shè)計 ?本次控制電路中的過流保護電路;其基本原理和實現(xiàn)過程為：首先通過在電路中的電壓輸出接口處串聯(lián)一個精密電阻，其具體的參數(shù)為0.33Ω/5W，并通過其來檢測電路中通過的電流;然后再將其檢測結(jié)果傳輸至線性光耦PC817處，并將其與預(yù)先設(shè)置好的控制值進行比較，如果檢測值過大則能夠使其中的發(fā)光二極管工作并輸出高電平信號到與之相連接的腳10，通過其他元件的工作停止PWM脈沖的輸出和變壓器的工作，避免電路受到損害。

5 ?輔助電源設(shè)計

開關(guān)電源的正常工作需要為主控電路、IGBT開關(guān)器件以及其他的外圍電路提供相應(yīng)的直流電壓。本次設(shè)計的主控芯片SG3525工作需要+12V工作電壓，且外圍電路需要對應(yīng)的-12V電壓作為參考電壓，因此在主控電路上通過變壓器轉(zhuǎn)換成需要的兩路電壓。輸入電源在經(jīng)過橋式電路、電容、電感整流濾波后，送入到正極性三端穩(wěn)壓器MC7812和負(fù)極性三端穩(wěn)壓器MC7912，輸出分別為+12V和-12V兩路電壓，輸出電流為1A，從而維主控電路正常工作。另外，本次選取的開關(guān)器件IGBT導(dǎo)通電壓為+9V的正向柵極驅(qū)動電壓，且本次設(shè)計共使用了兩個IGBT開關(guān)器件，因此在開關(guān)器件驅(qū)動電源上選擇兩路電壓輸出，相應(yīng)的交流電壓經(jīng)過全橋整流和濾波電容后進入三端穩(wěn)壓芯片7809后得到+9V電壓。

6 ?總結(jié)

控制電路關(guān)系著開關(guān)電源運行的可靠性，因此，在對相關(guān)控制電路設(shè)計時需要了解并掌握相關(guān)的芯片知識，才能對控制電路進行合理有效的設(shè)計，使開關(guān)電源能安全高效地進行工作。本文對主控制電路和IGBT驅(qū)動電路在吸收了前人經(jīng)驗的基礎(chǔ)上設(shè)計了新的方案，同時對顯示電路、保護電路、輔助電源進行了設(shè)計，經(jīng)過實踐驗證，電源設(shè)備滿足了起動機的測試需求。

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