一种用于高速电主轴驱动器的隔离AC-DC电源制造技术

本发明专利技术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。

An isolated AC-DC power supply for high speed motorized spindle driver

【技术实现步骤摘要】
一种用于高速电主轴驱动器的隔离AC-DC电源
本专利技术涉及一种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。
技术介绍
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。
技术实现思路
针对上述问题，本专利技术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，本专利技术采取以下技术方案：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本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。...

【技术特征摘要】
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...

【专利技术属性】
技术研发人员：王超，罗智文，王治国，黄凯，李锴，郭婧，高凤霞，
申请(专利权)人：清正源华北京科技有限公司，
类型：发明
国别省市：北京,11