高頻電磁閥單電源驅動電路設計

史艷博 林勝輝 陳大杰 徐益寶

摘要：為了優化高頻電磁閥動態響應特性，提高高頻電磁閥開啟速度，通過控制兩個開關管（Q1和Q2）的通斷，為電磁閥建立高壓驅動回路、能量回收回路及續流回路，實現將高頻電磁閥的釋放能量臨時存儲在電容中并重復利用，將電容與直流電源串聯實現高壓驅動電磁閥，并同步實現節能。該設計利用單一低壓電源實現了高壓電源的驅動效果。

關鍵詞：高頻電磁閥；動態響應；高壓驅動；儲能

中圖分類號：TH35? ? 文獻標志碼：A? ? 文章編號：1671-0797（2024）12-0011-03

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.12.003

0? ? 引言

高頻電磁閥適用于液態介質或氣態介質管路傳輸流量的柔性控制，電磁閥的開關頻率越高，介質傳輸流量控制越平滑、越穩定。70 MPa儲氫系統安全應用的關鍵環節就是對高頻瓶口電磁閥的精確控制。現階段驅動電磁閥廣泛使用單電源，基于Peak-Hold模式[1-2]，采用PWM（Pulse width modulation）大占空比調制電磁閥Peak電流短時間強激電磁閥啟動，電磁閥啟動后，小占空比調制Hold電流長時間維持電磁閥的啟動狀態。典型的意大利OMB生產的OTV-70 MPa高頻電磁閥采用Peak-Hold模式驅動，Peak電流為3.2 A/800～3 000 ms，Hold電流為1.1 A。但單電源驅動方案中電磁閥動態響應特性較差，為優化電磁閥的開啟響應速度，可采用雙電源驅動高頻電磁閥，在開啟階段，控制高邊開關管導通，采用高壓電源對電磁閥線圈施加高電壓強激啟動[3]，在維持階段，控制高邊開關管導通，采用低壓電源對電磁閥線圈施加低電壓維持電磁閥啟動狀態[4-5]。但該方案系統結構復雜，需要一個高壓電源及一個低壓電源。為優化電磁閥的動態響應特性，本文基于單電源設計高頻電磁閥驅動電路，通過將電磁閥的釋放電能回收再利用，利用低壓電源實現高壓電源驅動效果，并同步實現節能。

1? ? 拓撲結構

高頻電磁閥的驅動結構為導線線圈纏繞磁芯組成，其驅動線圈可以等效為電阻R和電感L串聯。高頻電磁閥單電源驅動電路拓撲如圖1所示，高頻電磁閥單電源驅動電路由直流電源、電磁閥、兩個開關管（Q1和Q2）及三個鉗位二極管（VD1、VD2、VD3）構成。通過控制兩個開關管（Q1和Q2）的通斷，形成不同工作模態。

高頻電磁閥單電源驅動電路的電壓及電流波形理論分析如圖2所示，其中，開關管Q1和開關管Q2的觸發脈沖一致，流過的電流相同。

通過控制兩個開關管（Q1和Q2）的通斷，為高頻電磁閥建立高壓驅動回路、能量回收回路及續流回路。當兩個開關管（Q1和Q2）同時關斷時，建立電磁閥能量回收回路，將電磁閥的釋放電能存儲在電容中；當兩個開關管（Q1和Q2）同時開啟時，建立電磁閥高壓驅動回路，電容與直流電源串聯，共同驅動電磁閥。鉗位二極管VD1將電容電壓鉗位至直流電源電壓，防止電容電壓過充，并通過鉗位二極管VD1為高頻電磁閥提供續流回路。

2? ? 工作模態研究

高頻電磁閥單電源驅動電路具有三種工作模態，分別是：高壓驅動模態、能量回收模態、續流模態。在一個驅動周期內，三種工作模態交替運行。

2.1? ? 高壓驅動模態

如圖2所示，在0—t1時刻，高頻電磁閥單電源驅動電路處于高壓驅動模態，電路運行模態如圖3所示，此時脈沖觸發開關管Q1和開關管Q2同時導通，開關管Q1、開關管Q2、電容C1、高頻電磁閥及直流電源構成電氣回路，電容和直流電源串聯共同為高頻電磁閥提供驅動電能，電容電壓逐漸下降，高頻電磁閥線圈電流快速上升，高頻電磁閥線圈存儲電能。高頻電磁閥線圈電壓uOTV為：

uOTV=ui+uc? ? ? ? ? （1）

式中：ui為直流電源電壓；uc為電容兩端電壓。

2.2? ? 能量回收模態

如圖2所示，在t1—t2時刻，高頻電磁閥單電源驅動電路處于能量回收模態，電路運行模態如圖4所示，此時開關管Q1和開關管Q2均關斷，迫使鉗位二極管VD2、電容C1、鉗位二極管VD3、直流電源及高頻電磁閥構成電氣回路，直流電源和高頻電磁閥共同釋放電能為電容充能，高頻電磁閥線圈電流逐漸下降，電容電壓逐漸上升至直流電源電壓。高頻電磁閥線圈電壓uOTV為：

ui=uOTV+uc? ?（2）

2.3? ? 續流模態

如圖2所示，在t2—t3時刻，高頻電磁閥單電源驅動電路處于續流模態，電路運行模態如圖5所示，此時開關管Q1和開關管Q2均關斷，高頻電磁閥線圈電流繼續逐漸下降。在能量回收模態，電容電壓逐漸上升至直流電源電壓，由于鉗位二極管VD1的鉗位作用，電容電壓被鉗位至直流電源電壓，停止為電容繼續充電，鉗位二極管VD1為高頻電磁閥線圈提供續流回路。鉗位二極管VD2、鉗位二極管VD1及高頻電磁閥共同構成電氣回路。

3? ? 實驗研究

為驗證理論的正確性及方法的可行性，在Matlab/

Simulink中搭建模型進行仿真實驗研究。直流電源電壓為24 V，高頻電磁閥等效電阻為5 Ω，等效電感為3 mH。采用Peak-Hold模式驅動高頻電磁閥，仿真波形如圖6～11所示，圖中模態1為高壓驅動模態，模態2為能量回收模態，模態3為續流模態。高壓驅動模態時高頻電磁閥的初始驅動電壓為48 V，是直流電源電壓的2倍。鉗位二極管VD1將電容電壓鉗位至24 V。圖12為高頻電磁閥在0～0.1 s時間內的線圈電流波形圖，與傳統驅動電路相比，本設計可以利用單一低壓電源實現高壓電源的驅動效果，并同步實現節能。

4? ? 結論

本設計通過優化控制兩個開關管（Q1和Q2）的通斷，為高頻電磁閥建立高壓驅動回路及能量回收回路，做到了采用低壓電源實現高壓電源的驅動效果。當兩個開關管（Q1和Q2）同時關斷時，建立電磁閥能量回收回路，將電磁閥的釋放電能存儲在電容中；當兩個開關管（Q1和Q2）同時開啟時，建立電磁閥高壓驅動回路，電容與直流電源串聯，共同驅動電磁閥。實驗證明了理論的正確性及方法的可行性。

[參考文獻]

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收稿日期：2024-02-23

作者簡介：史艷博（1995—），男，內蒙古赤峰人，碩士研究生，工程師，研究方向：電力系統調度優化、儲氫系統控制技術。