CN110350809A - 一种用于高速电主轴驱动器的隔离ac-dc电源 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于高速电主轴驱动器的隔离AC‑DC电源，输入单相AC电源经过EMI滤波器、继电器后连接PFC变换器，PFC变换器输出直流电压经过隔离DC‑DC变换器后得到直流输出电压传输至功率模块；交流输入电压经辅助单相整流电路得到直流电压为反激变换器供电，反激变换器输出电压为PFC控制芯片、隔离DC‑DC控制芯片、反激控制芯片、保护信号处理模块和控制模块供电；PFC控制芯片检测PFC变换器的相关信号后，输出控制信号控制PFC变换器；反激控制芯片检测反激变换器的相关信号后输出控制信号控制反激变换器；隔离DC‑DC控制芯片检测隔离DC‑DC变换器的相关信号后输出控制信号控制隔离DC‑DC变换器；保护信号处理模块检测隔离DC‑DC变换器的副边相关信号后向控制模块输出过压、过流信号。

Description

一种用于高速电主轴驱动器的隔离AC-DC电源
技术领域
本发明涉及一种AC-DC电源，特别是关于一种用于高速电主轴驱动器的隔离AC-DC电源。
背景技术
高速电主轴驱动器是一种将直流电(DC)变换为高频交流电(AC)，驱动数控机床中高速电主轴的设备。而一般工厂原有用电都是交流形式，因此需要一个隔离AC-DC电源将原有交流电转换为直流电为高速电主轴驱动器供电。高速电主轴驱动器是一种对供电可靠性要求很高的设备，需要具备各种故障工况的可靠保护功能及安全的启动待机功能。此外，高速电主轴驱动器对集成度和成本也有较高要求，需要尽可能减小AC-DC电源复杂度和体积，从而降低整个设备的成本和大小，使其更好地应用于数控机床中。
现有用于高速电主轴驱动器的隔离AC-DC电源如图1所示。其包括EMI滤波器1、PFC变换器2、隔离DC-DC变换器3、PFC控制芯片4、反激控制芯片5、第一隔离模块6、第二隔离模块7、反激变换器8、第三隔离模块9、采样模块及通用数字控制芯片10，电源负载为高速电主轴驱动器11。整个隔离AC-DC电源包括功率回路和控制回路两个回路，隔离DC-DC变换器3、第一隔离模块6、第二隔离模块7、反激变换器8和第三隔离模块9都具有隔离功能，将整个电源分隔为原边和副边两部分。功率电回路中输入单相AC电源经过EMI滤波器1后连接到PFC变换器2，PFC变换器具有将输入交流电压Vac转换为直流电压Vbus的功能，同时可以实现输入交流电网的单位功率因数。直流电压Vbus连接隔离DC-DC变换器3后输出直流压Vout供给高速主轴驱动器的功率模块11a，完成主功率的传输。为了保证高速主轴驱动器和整个隔离AC-DC电源的正常工作，电源中还有一个控制电回路，为高速主轴驱动器的控制模块11b和隔离AC-DC电源中的控制芯片供电，这一功能由反激变换器8实现，其分别输出辅助直流电压Vaux和隔离直流电压Viso为原边和副边的控制电路供电。PFC控制芯片4输出的控制信号Cntl_PFC用来控制PFC变换器，反激控制芯片5输出的控制信号Cntl_aux用来控制反激变换器，通用数字控制芯片10输出的控制信号Cntl_main经过第二隔离模块7后用于控制隔离DC-DC变换器。
但是上述技术方案存在三方面缺点：第一，整体成本高、集成度差。这种方案使用通用数字控制芯片(如单片机、现场可编程门阵列FPGA等)实现对隔离DC-DC电源的控制，虽然这种方式方便从控制模块11b接收控制信号控制隔离DC-DC电源，但其必须使用隔离模块7将控制信号Cntl_main传输到隔离DC-DC电源的原边控制其中的功率半导体器件，同时还可能需要为通用数字控制芯片外扩采样模块来采集原边和副边的模拟信号Sig_pri和Sig_sec，或者使用自带采样模块的数字控制芯片。使用通用数字控制芯片控制隔离DC-DC变换器必须自行设计软件控制算法，研发成本和电源的复杂度都比较高，同时通用数字控制芯片和第二隔离模块7的成本一般都较高，通用数字控制芯片在PCB(印刷电路板)上所占面积也较大，因此这种方案存在整体成本高、集成度差的缺点。第二，电源待机时静态损耗较大。这种方案在电源待机时只是暂停了隔离DC-DC变换器的运行，而PFC变换器还需要继续工作，为反激变换器和控制电路供电。PFC变换器在工作时不仅有桥式整流电路中的二极管损耗，其中的功率器件处于硬开关状态，开关损耗较大，同时PFC电感上也有一定损耗，因此这种方案在电源待机时静态损耗较大。第三，控制电路供电与功率主电路耦合，无法保证电源可靠启动和待机。一方面，这种方案控制电路的供电来自于功率主电路的直流电压Vbus，启动过程中交流电压Vac会通过PFC变换器中的整流桥为直流电压Vbus供电，继而使反激变换器8工作为控制电路供电，因此这种方案必须保证功率主电路先上电控制电路才能有电。在控制电路启动的暂态，通用数字控制芯片输出的控制信号Cntl_main可能出现亚稳态的不确定电平，有可能使隔离DC-DC变换器中的功率器件出现短路直通，损坏整个电源和高速主轴驱动器。另一方面，这种方案在通过控制模块11b下发指令使电源待机时只保证最终直流输出直流电压Vout为0，无法断开输入AC电源与隔离AC/DC电源主功率回路的连接，直流电压Vbus总是带电，电源并未可靠待机，若因为电磁干扰或者其他原因导致通用数字控制芯片给出的控制信号Cntl_main出现异常，可能导致隔离DC-DC变换器误动作，严重的情况下也可能损坏整个电源和高速主轴驱动器。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种用于高速电主轴驱动器的隔离AC-DC电源，其成本较低，有效降低设计难度和待机功耗，提高其集成度，同时具备可靠的启动和待机功能。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种用于高速电主轴驱动器的隔离AC-DC电源，其负载为高速电主轴驱动器，所述高速电主轴驱动器内设置有功率模块和控制模块；其包括EMI滤波器、PFC变换器、隔离DC-DC变换器、PFC控制芯片、反激控制芯片、反激变换器、继电器、辅助单相整流电路、隔离DC-DC控制芯片和保护信号处理模块；输入单相AC电源经过所述EMI滤波器、继电器后连接所述PFC变换器，所述PFC变换器输出直流Vbus经过所述隔离DC-DC变换器后得到最终期望的直流输出电压Vout，直流输出电压Vout连接所述功率模块；交流输入电压Vac经过所述辅助单相整流电路得到直流电压Vbus_aux为所述反激变换器供电，所述反激变换器输出辅助直流电压Vaux和隔离直流电压Viso分别为原边的所述PFC控制芯片、隔离DC-DC控制芯片和反激控制芯片供电，以及为副边的所述保护信号处理模块和控制模块供电；所述PFC控制芯片检测所述PFC变换器的输出电压和输入电流后，输出控制信号Cntl_PFC控制所述PFC变换器；所述反激控制芯片检测所述反激变换器原边辅助绕组电流和副边输出电压后输出控制信号Cntl_aux控制所述反激变换器；所述隔离DC-DC控制芯片检测所述隔离DC-DC变换器原边的隔直电容或谐振电容电压和副边的输出电压、输出电流后，输出控制信号Cntl_main控制所述隔离DC-DC变换器；所述保护信号处理模块检测所述隔离DC-DC变换器的副边输出电压、输出电流后向所述控制模块输出过压、过流信号。
进一步，位于所述隔离DC-DC控制芯片与所述保护信号处理模块之间设置有第一隔离模块，位于所述反激控制芯片与所述反激变换器之间设置有第三隔离模块。
进一步，所述PFC变换器采用Boost电路，所述PFC控制芯片采用型号为UCC28180的芯片。
进一步，所述UCC28180芯片采集所述PFC变换器的输出电压Vbus_s和输入电流IPFC_s，向所述Boost电路内的第一驱动电路输出控制信号Cntl_PFC，所述第一驱动电路输出门极驱动信号Vg1控制所述Boost电路内的第一开关器件，从而控制所述PFC变换器。
进一步，所述隔离DC-DC变换器采用LLC谐振电路，所述隔离DC-DC控制芯片采用型号为UCC25600的芯片。
进一步，所述UCC25600芯片采集所述LLC谐振电路的谐振电压Vcr_s，经过隔离后的LLC谐振电路输出电压Vout_s和输出电流Iout_s，向所述LLC谐振电路内的第二驱动电路输出控制信号Cntl_main，所述第二驱动电路输出门极驱动信号控制所述LLC谐振电路，调节输出电压Vout为期望值。
进一步，所述反激控制芯片采用型号为UCC28740的芯片。
进一步，所述UCC28740芯片采集所述反激变压器副边侧的辅助绕组电流Iaux_s和经过隔离后的所述反激变换器输出电压Viso_s，输出门极驱动信号Vg4控制所述反激变换器，调节输出电压Viso为期望值。
进一步，所述反激变换器启动时直流电压Vbus_aux为所述UCC28740芯片提供初始启动能量，所述反激变换器正常运行后辅助直流电压Vaux会为所述UCC28740芯片供电。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明使用相应的控制芯片控制电源中的隔离DC-DC变换器，降低了隔离AC-DC电源的成本和设计难度，提高了其集成度，从而降低了高速主轴驱动器整机设备的成本和体积，使其可以更好地应用于数控机床中。2、本发明电源待机时功率主电路元件不需要工作，有效降低了电源的待机损耗。3、本发明通过分离功率主电路和控制电路，实现了电源启动时先建立控制电，后接入功率主电路；电源待机时完全切断功率主电路，控制电仍然保持的功能，从而提升了电源在启动和待机时的可靠性。
附图说明
图1是现有用于高速电主轴驱动器的隔离AC-DC电源技术方案；
图2是本发明的整体结构示意图；
图3是本发明实施例中PFC变换器及其控制部分的电路原理图；
图4是本发明实施例中隔离DC-DC变换器及其控制部分的电路原理图；
图5是本发明实施例中反激变换器及其控制部分的电路原理图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。
如图2所示，本发明提供一种用于高速电主轴驱动器的隔离AC-DC电源，其负载为高速电主轴驱动器11，本发明包括EMI滤波器1、PFC变换器2、隔离DC-DC变换器3、PFC控制芯片4、反激控制芯片5、第一隔离模块6、反激变换器8、第三隔离模块9、继电器13、辅助单相整流电路14、隔离DC-DC控制芯片15和保护信号处理模块16；其中，高速电主轴驱动器11内设置有功率模块11a和控制模块11b。
输入单相AC电源经过EMI滤波器1、继电器13后连接PFC变换器2，PFC变换器2输出直流电压Vbus经过隔离DC-DC变换器3后得到最终期望的直流输出电压Vout，实现对直流输出电压Vout与交流输入电压Vac之间的隔离，直流输出电压Vout连接负载高速电主轴驱动器11的功率模块11a，这是整个隔离AC-DC电源的主功率电路。交流输入电压Vac经过辅助单相整流电路14得到直流电压Vbus_aux为反激变换器8供电，反激变换器8输出辅助直流电压Vaux和隔离直流电压Viso。其中，辅助直流电压Vaux与原边共地，用于为原边的PFC控制芯片4、隔离DC-DC控制芯片15和反激控制芯片5供电；隔离直流电压Viso与副边共地(即与原边隔离)，用于为副边的保护信号处理模块16和高速电主轴驱动器11的控制模块11b供电。PFC控制芯片4检测PFC变换器2的相关信号Sig_PFC(包括PFC变换器2的输出电压和输入电流等)后，输出控制信号Cntl_PFC控制PFC变换器2。反激控制芯片5检测反激变换器8原边的相关信号Sig_aux(包括反激变换器2原边辅助绕组电流等)，和副边的相关信号Sig_iso(包括副边输出电压等)后，输出控制信号Cntl_aux控制反激变换器8。隔离DC-DC控制芯片15检测隔离DC-DC变换器8原边的相关信号Sig_pri(包括隔直电容或谐振电容的电压等)，和副边的相关信号Sig_sec，(包括副边输出电压、输出电流等)后，输出控制信号Cntl_main控制隔离DC-DC变换器3。保护信号处理模块16检测隔离DC-DC变换器3的副边相关信号Sig_sec(包括副边输出电压、输出电流等)后，向高速电主轴驱动器11内的控制模块11b输出过压、过流等信号，使控制模块11b可以判断隔离DC-DC变换器3的运行状态与故障信息，从而可以控制继电器13实现对电源和驱动器整机的保护。其中，位于隔离DC-DC控制芯片15与保护信号处理模块16之间设置有第一隔离模块6，位于反激控制芯片5与反激变换器8之间设置有第三隔离模块9。
与现有技术方案不同的是，本发明采用了隔离DC-DC控制芯片15来控制隔离DC-DC变换器3，相比于使用通用数字控制芯片，这种方式不仅可以降低元件的硬件成本，还不需要编写软件控制算法，大大减小了电源的研发成本，缩短了研发周期。本发明在功率主电路中加入了继电器13，同时使用了独立的辅助单相整流电路14为控制电路供电。这样有两方面优点，一方面在电源待机后继电器13断开，功率主电路完全不工作，电源待机损耗大大降低；另一方面控制电路的供电与功率主电路完全分离，启动/待机时都可以保证控制电时刻存在，大大提高了电源在启动/待机时的可靠性。
优选的，如图3所示，PFC变换器2可以采用Boost电路，PFC控制芯片4可以采用型号为UCC28180的芯片。Boost电路包括由四个二极管构成的整流电路、第一驱动电路17、电感L1、输入电容Cin、第一开关器件Q1和第一二极管D1；继电器13的输出端与整流电路输入端连接，整流电路输出端经输入电容Cin和电感L1与第一二极管D1连接后输出；第一开关器件Q1的漏极连接至电感L1与第一二极管D1之间，第一开关器件Q1的栅极连接第一驱动电路17，第一开关器件Q1的源极接地。UCC28180芯片采集PFC变换器2的输出电压Vbus_s和输入电流IPFC_s，向第一驱动电路17输出控制信号Cntl_PFC，第一驱动电路17输出门极驱动信号Vg1控制第一开关器件Q1，从而控制PFC变换器2，实现稳定直流母线电压Vbus和输入交流单位功率因数的功能。UCC28180的供电使用反激变换器8输出的辅助直流电压Vaux。
优选的，如图4所示，隔离DC-DC变换器3可以采用LLC谐振电路，LLC谐振电路的隔离DC-DC控制芯片15可以采用型号为UCC25600的芯片。LLC谐振电路包括第二驱动电路18、第二开关器件Q2、第三开关器件Q3、谐振电感Lr、谐振电容Cr、第二二极管D2、第三二极管D3和变压器T1；PFC变换器2输出端与第二开关器件Q2的漏极，第二开关器件Q2的源极与第三开关器件Q3的漏极连接，第二开关器件Q2的栅极和第三开关器件Q3的栅极都连接至第二驱动电路18，第三开关器件Q3的源极接地；谐振电感Lr和谐振电容Cr构成的谐振电路与变压器T1的原边侧连接，且谐振电感Lr的一端连接至第二开关器件Q2的源极与第三开关器件Q3的漏极之间，谐振电容Cr的一端接地；变压器T1的副边侧经第二二极管D2和第三二极管D3后输出。UCC25600芯片采集LLC谐振电路的谐振电压Vcr_s，经过隔离后的LLC谐振电路输出电压Vout_s和输出电流Iout_s，向第二驱动电路18输出控制信号Cntl_main，第二驱动电路18输出门极驱动信号Vg2、Vg3分别控制第二开关器件Q2、第三开关器件Q3，从而控制LLC谐振电路，调节输出电压Vout为期望值。UCC25600芯片的供电使用反激变换器输出的辅助直流电压Vaux。需要说明的是隔离DC-DC变换器3的拓扑并不局限于LLC谐振电路，凡是能实现隔离DC-DC变换的拓扑，如移相全桥、双有源桥等都适用于本发明。
优选的，如图5所示。反激控制芯片5可以采用型号为UCC28740的芯片。反激变换器8包括第四开关器件Q4、第二变压器T2和第四二极管D4；第四开关器件Q4的栅极与UCC28740芯片连接，漏极与第二变压器T2的第一原边侧连接，源极接地；第二变压器T2的第二原边侧与UCC28740芯片连接，副边侧经第四二极管D4输出。UCC28740芯片采集反激变压器8副边侧的辅助绕组电流Iaux_s和经过隔离后的反激变换器8输出电压Viso_s，输出门极驱动信号Vg4控制第四开关器件Q4，从而控制反激变换器8，调节输出电压Viso为期望值。反激变换器8启动时直流电压Vbus_aux会为UCC28740芯片提供初始启动能量，反激变换器8正常运行后辅助直流电压Vaux会为UCC28740芯片供电。
综上，本发明涉及用于高速电主轴驱动器的隔离AC-DC电源，输入单相AC电源经过EMI滤波器1、继电器13后连接到PFC变换器2，PFC变换器2具有将交流电转换为直流电的功能，同时可以实现输入交流电网的单位功率因数，继电器13用于控制整个AC-DC电源主功率电路的通断。PFC变换器2输出直流连接隔离DC-DC变换器3输入，通过隔离DC-DC变换器3变压和隔离后得到最终的直流输出电压Vout，实现Vout与输入交流电压Vac的隔离。与此同时，为了保证整个电源的可靠启动和待机，Vac在连接辅助整流桥电路后连接反激变换器8，反激变换器8输出辅助直流电压Vaux和隔离直流电压Viso，为整个AC-DC电源和高速电主轴驱动器的控制芯片和控制电路供电。AC-DC电源的启动/待机由高速电主轴驱动器11控制，AC-DC电源的故障保护信号也会上传至高速电主轴驱动器11。
本发明具有低成本、低待机功耗、高可靠性的优点，其中PFC变换器2、隔离DC-DC变换器3和反激变换器8均使用相应的控制芯片控制，从而降低了AC-DC电源的成本和设计复杂度；电源待机时功率主电路完全切断，电源待机功耗低；控制电路所用电源来自独立的辅助供电整流桥电路，可以保证在电源启动过程中先建立控制电，而后接通主功率电路，从而提高了AC-DC电源的可靠性。
上述各实施例仅用于说明本发明，各部件的结构、尺寸、设置位置及形状都是可以有所变化的，在本发明技术方案的基础上，凡根据本发明原理对个别部件进行的改进和等同变换，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (9)

1.一种用于高速电主轴驱动器的隔离AC-DC电源，其负载为高速电主轴驱动器，所述高速电主轴驱动器内设置有功率模块和控制模块；其特征在于：包括EMI滤波器、PFC变换器、隔离DC-DC变换器、PFC控制芯片、反激控制芯片、反激变换器、继电器、辅助单相整流电路、隔离DC-DC控制芯片和保护信号处理模块；
输入单相AC电源经过所述EMI滤波器、继电器后连接所述PFC变换器，所述PFC变换器输出直流Vbus经过所述隔离DC-DC变换器后得到最终期望的直流输出电压Vout，直流输出电压Vout连接所述功率模块；交流输入电压Vac经过所述辅助单相整流电路得到直流电压Vbus_aux为所述反激变换器供电，所述反激变换器输出辅助直流电压Vaux和隔离直流电压Viso分别为原边的所述PFC控制芯片、隔离DC-DC控制芯片和反激控制芯片供电，以及为副边的所述保护信号处理模块和控制模块供电；所述PFC控制芯片检测所述PFC变换器的输出电压和输入电流后，输出控制信号Cntl_PFC控制所述PFC变换器；所述反激控制芯片检测所述反激变换器原边辅助绕组电流和副边输出电压后输出控制信号Cntl_aux控制所述反激变换器；所述隔离DC-DC控制芯片检测所述隔离DC-DC变换器原边的隔直电容或谐振电容电压和副边的输出电压、输出电流后，输出控制信号Cntl_main控制所述隔离DC-DC变换器；所述保护信号处理模块检测所述隔离DC-DC变换器的副边输出电压、输出电流后向所述控制模块输出过压、过流信号。
2.如权利要求1所述隔离AC-DC电源，其特征在于：位于所述隔离DC-DC控制芯片与所述保护信号处理模块之间设置有第一隔离模块，位于所述反激控制芯片与所述反激变换器之间设置有第三隔离模块。
3.如权利要求1所述隔离AC-DC电源，其特征在于：所述PFC变换器采用Boost电路，所述PFC控制芯片采用型号为UCC28180的芯片。
4.如权利要求3所述隔离AC-DC电源，其特征在于：所述UCC28180芯片采集所述PFC变换器的输出电压Vbus_s和输入电流IPFC_s，向所述Boost电路内的第一驱动电路输出控制信号Cntl_PFC，所述第一驱动电路输出门极驱动信号Vg1控制所述Boost电路内的第一开关器件，从而控制所述PFC变换器。
5.如权利要求1所述隔离AC-DC电源，其特征在于：所述隔离DC-DC变换器采用LLC谐振电路，所述隔离DC-DC控制芯片采用型号为UCC25600的芯片。
6.如权利要求5所述隔离AC-DC电源，其特征在于：所述UCC25600芯片采集所述LLC谐振电路的谐振电压Vcr_s，经过隔离后的LLC谐振电路输出电压Vout_s和输出电流Iout_s，向所述LLC谐振电路内的第二驱动电路输出控制信号Cntl_main，所述第二驱动电路输出门极驱动信号控制所述LLC谐振电路，调节输出电压Vout为期望值。
7.如权利要求1所述隔离AC-DC电源，其特征在于：所述反激控制芯片采用型号为UCC28740的芯片。
8.如权利要求7所述隔离AC-DC电源，其特征在于：所述UCC28740芯片采集所述反激变压器副边侧的辅助绕组电流Iaux_s和经过隔离后的所述反激变换器输出电压Viso_s，输出门极驱动信号Vg4控制所述反激变换器，调节输出电压Viso为期望值。
9.如权利要求8所述隔离AC-DC电源，其特征在于：所述反激变换器启动时直流电压Vbus_aux为所述UCC28740芯片提供初始启动能量，所述反激变换器正常运行后辅助直流电压Vaux会为所述UCC28740芯片供电。
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