【參考】基于dsp（數(shù)字信號(hào)處理器）的高壓直流開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)正文

1、0 引言開(kāi)關(guān)電源1是利用現(xiàn)代電力電子技術(shù)，控制開(kāi)關(guān)管開(kāi)通和關(guān)斷的時(shí)間比率，維持穩(wěn)定輸出電壓的一種電源，開(kāi)關(guān)電源一般由脈沖寬度調(diào)制（pwm）控制ic和igbt構(gòu)成。開(kāi)關(guān)電源和線性電源相比，二者的成本都隨著輸出功率的增加而增長(zhǎng)，但二者增長(zhǎng)速率各異。線性電源成本在某一輸出功率點(diǎn)上，反而高于開(kāi)關(guān)電源，這一點(diǎn)稱為成本反轉(zhuǎn)點(diǎn)。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展和創(chuàng)新，使得開(kāi)關(guān)電源技術(shù)也在不斷地創(chuàng)新，這一成本反轉(zhuǎn)點(diǎn)日益向低輸出電力端移動(dòng)，這為開(kāi)關(guān)電源提供了廣闊的發(fā)展空間。開(kāi)關(guān)電源高頻化是其發(fā)展的方向，高頻化使開(kāi)關(guān)電源小型化，并使開(kāi)關(guān)電源進(jìn)入更廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，特別是在高新技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用，推動(dòng)了高新技術(shù)產(chǎn)品的小型化、輕便化

2、。另外開(kāi)關(guān)電源的發(fā)展與應(yīng)用在節(jié)約能源、節(jié)約資源及保護(hù)環(huán)境方面都具有重要的意義。 目前，開(kāi)關(guān)電源以小型、輕量和高效率的特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于以電子計(jì)算機(jī)為主導(dǎo)的各種終端設(shè)備、通信設(shè)備等幾乎所有的電子設(shè)備，是當(dāng)今電子信息產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展不可缺少的一種電源方式。目前市場(chǎng)上出售的開(kāi)關(guān)電源中采用雙極性晶體管制成的100khz、用mos-fet制成的500khz電源，雖已實(shí)用化，但其頻率有待進(jìn)一步提高。要提高開(kāi)關(guān)頻率，就要減少開(kāi)關(guān)損耗，而要減少開(kāi)關(guān)損耗，就需要有高速開(kāi)關(guān)元器件。然而，開(kāi)關(guān)速度提高后，會(huì)受電路中分布電感和電容或二極管中存儲(chǔ)電荷的影響而產(chǎn)生浪涌或噪聲。這樣，不僅會(huì)影響周圍電子設(shè)備，還會(huì)大大降低電源本身的

3、可靠性。其中，為防止隨開(kāi)關(guān)啟-閉所發(fā)生的電壓浪涌，可采用r-c或l-c緩沖器，而對(duì)由二極管存儲(chǔ)電荷所致的電流浪涌可采用非晶態(tài)等磁芯制成的磁緩沖器。不過(guò)，對(duì)1mhz以上的高頻，要采用諧振電路，以使開(kāi)關(guān)上的電壓或通過(guò)開(kāi)關(guān)的電流呈正弦波，這樣既可減少開(kāi)關(guān)損耗，同時(shí)也可控制浪涌的發(fā)生。這種開(kāi)關(guān)方式稱為諧振式開(kāi)關(guān)。因?yàn)椴捎眠@種方式不需要大幅度提高開(kāi)關(guān)速度就可以在理論上把開(kāi)關(guān)損耗降到零，而且噪聲也小，可望成為開(kāi)關(guān)電源高頻化的一種主要方式。當(dāng)前，世界上許多國(guó)家都在致力于數(shù)兆hz的變換器的實(shí)用化研究。1 緒論1.1 高壓直流電源概況高壓直流電源在日常生活中，應(yīng)用于廣泛的領(lǐng)域，在電力系統(tǒng)中，廣泛的應(yīng)用于高壓電氣

4、設(shè)備的直流耐壓和泄露試驗(yàn)，例如，電纜、避雷器、變壓器繞組及發(fā)電機(jī)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)；在醫(yī)學(xué)方面，常用在ct機(jī)、x光機(jī)等設(shè)備；在工業(yè)生產(chǎn)中，通過(guò)放電來(lái)達(dá)到靜電除塵、激光器、污水處理等等；此外，在科研、軍事上也大有用處1。傳統(tǒng)的高壓直流電源通常用于工頻交流電源經(jīng)升壓、直流濾波而獲得直流高壓。直流高壓電源的接線方式很多，有半波整流電路，橋式、全波、倍壓、多相整流電路及串級(jí)電路等。半波整流電路優(yōu)點(diǎn)是接線簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是設(shè)備、元件的電壓較高，體積、重量、占地面積較大，一般只在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)使用。橋式、全波、倍壓整流電路等電路較半波整流電路來(lái)說(shuō)，紋波小，但在體積、重量的小型化方面，優(yōu)越性不太明顯。要求容量較大，紋波較小的直流

5、電源還可采用三相或多相交流電源經(jīng)整流濾波后而獲得。高電壓、小電流的直流電源通常用串級(jí)直流電路。串級(jí)直流電路可大大減小試驗(yàn)電源的體積、重量，電路簡(jiǎn)單，過(guò)載能力強(qiáng)，故障率低，但由于采用工頻倍壓，一般無(wú)閉環(huán)反饋，因而穩(wěn)定度差。隨著電力電子技術(shù)及開(kāi)關(guān)器件的發(fā)展，新器件、新材料的進(jìn)步以及控制的智能化等等，開(kāi)關(guān)電源技術(shù)已廣泛地應(yīng)用于高壓直流電源技術(shù)中。采用開(kāi)關(guān)電源技術(shù)產(chǎn)生比工頻高上千倍頻率的方波或正弦波可以大大減小高壓電源的體積和重量，這是高壓直流電源的重要發(fā)展趨勢(shì)。用電力電子器件產(chǎn)生直流高壓的方框圖如圖1-1所示，交流電源經(jīng)整流單元1整流、濾波后，變成低壓直流，再經(jīng)過(guò)逆變單元2逆變成高頻方波電壓，然后經(jīng)

6、高頻高壓變壓器和串級(jí)直流倍壓?jiǎn)卧?將電壓升高到直流高壓，反饋單元6將輸出的高壓信號(hào)反饋到控制單元5，控制單元5觸發(fā)逆變單元2電路中開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通，只要通過(guò)調(diào)整控制單元5的觸發(fā)預(yù)置電壓，就可調(diào)節(jié)直流高壓的輸出電壓。單元4是觸發(fā)單元5的輔助電源2。圖1-1 電力電子器件產(chǎn)生直流高壓原理框圖fig.1-1 dc high voltage power electronic devices produced block diagram利用開(kāi)關(guān)電源技術(shù)的高壓直流電源具有體積小、重量輕、控制精度高、穩(wěn)定度高、紋波系數(shù)低、保護(hù)速度快等優(yōu)點(diǎn)，因此在高壓直流電源中有著更廣泛的應(yīng)用。1.2 高壓開(kāi)關(guān)電源技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

7、在國(guó)外，從70年代開(kāi)始，日本的一些公司開(kāi)始采用開(kāi)關(guān)電源技術(shù)，將市電整流后逆變?yōu)?khz左右的中頻，然后升壓，美國(guó)ge公司生產(chǎn)的amx-2移動(dòng)式x線機(jī)把蓄電池供給的直流電逆變成500hz的中頻方波送入高壓發(fā)生器，從而減小體積和重量。進(jìn)入80年代后，高壓開(kāi)關(guān)電源技術(shù)迅速發(fā)展，德國(guó)西門子公司采用功率晶體管做主開(kāi)關(guān)元件，將電源的開(kāi)關(guān)頻率提高到20khz以上，并將干式變壓器技術(shù)成功地應(yīng)用于高頻高壓電源，取消了高壓變壓器油箱，使變壓器系統(tǒng)的體積進(jìn)一步減小。近十幾年來(lái)，隨著電力電子技術(shù)的進(jìn)步和開(kāi)關(guān)器件的發(fā)展，高壓開(kāi)關(guān)電源技術(shù)不斷發(fā)展。突出的表現(xiàn)是頻率在不斷提高，高壓開(kāi)關(guān)電源的功率也在不斷地提高，10kw30

8、kw的大功率高壓開(kāi)關(guān)電源已相當(dāng)成熟，更高功率的高壓開(kāi)關(guān)電源也得到了很快的發(fā)展。電力電子器件和控制技術(shù)的發(fā)展使得更高頻成為可能，出現(xiàn)了各種軟開(kāi)關(guān)電源。微電子集成技術(shù)的發(fā)展為電力電子控制技術(shù)提供了新的思路，由最初的分立元件發(fā)展到集成電路、大規(guī)模集成電路再到后來(lái)的微處理器的出現(xiàn)，都為高頻電源的控制技術(shù)帶來(lái)了極大的便利。近年來(lái)，ti、motorola、adi等公司相繼推出了適用于開(kāi)關(guān)電源使用的dsp芯片，且功能越來(lái)越完善，性能也越來(lái)越優(yōu)越。 綜上所述，60年代開(kāi)始出現(xiàn)開(kāi)關(guān)電源，80年代開(kāi)始出現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)技術(shù)，90年代開(kāi)始用dsp進(jìn)行控制開(kāi)關(guān)電源。開(kāi)關(guān)電源經(jīng)歷了由模擬控制到數(shù)字控制，由低頻到高頻的過(guò)程。由此

9、我們可知，高壓開(kāi)關(guān)電源有兩大發(fā)展方向：一是頻率不斷提高；二是功率不斷提高。我國(guó)自80年代初開(kāi)始對(duì)高頻化的高壓大功率開(kāi)關(guān)電源技術(shù)進(jìn)行研究，分別列入了“七五”、“八五”、“九五”國(guó)家重點(diǎn)攻關(guān)項(xiàng)目。國(guó)家“八五”攻關(guān)項(xiàng)目(85-805-01)，200kv高壓直流開(kāi)關(guān)電源的研制，輸出功率達(dá)20kw；靜電除塵高壓直流電源也實(shí)現(xiàn)了高頻化，采用全橋零電流開(kāi)關(guān)串聯(lián)諧振逆變電路將直流高壓逆變?yōu)楦哳l電壓，然后由高頻變壓器升壓，最后整流為直流高壓，在電阻負(fù)載條件下，輸出直流電壓達(dá)到55kv，電流達(dá)到15ma，工作頻率為25.6khz。在我國(guó)開(kāi)關(guān)電源的控制領(lǐng)域，dsp芯片的研制還處于起步階段，但其算法的研制已經(jīng)有了較大

10、的發(fā)展。dsp芯片和控制算法的出現(xiàn)，使得開(kāi)關(guān)電源的控制技術(shù)朝著全數(shù)字化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展，對(duì)電力電子技術(shù)的發(fā)展起到了巨大的推動(dòng)作用。總而言之，我國(guó)的高壓開(kāi)關(guān)電源技術(shù)已取得了很大的進(jìn)步，但與國(guó)外還是相差甚遠(yuǎn)，特別是大功率高壓開(kāi)關(guān)電源尚未研發(fā)成功。 1.3 選題思想及主要研究工作1.3.1 選題思想電源大致可分為線性穩(wěn)壓電源和開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源兩大類。所謂線性穩(wěn)壓電源，就是其調(diào)整管工作在線性放大區(qū)。線性穩(wěn)壓電源的主要缺點(diǎn)是變換效率低，一般只有35%65%；開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源的調(diào)整管工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，開(kāi)關(guān)頻率可以大幅度地提高，主要的優(yōu)點(diǎn)表現(xiàn)在變換效率高，可達(dá)75%95%。我們知道，傳統(tǒng)的大中功率電源大多是

11、線性穩(wěn)壓電源，采用工頻變壓器直接升壓，雖然電路比較簡(jiǎn)單，但是頻率低，體積、重量大、且紋波、穩(wěn)定性均差強(qiáng)人意。隨著現(xiàn)代電力電子技術(shù)和和新型電力電子器件如mosfet、igbt的迅速發(fā)展，使高壓電源高頻化得以順利實(shí)現(xiàn)，從而大大降低了電源的體積和重量。本文根據(jù)設(shè)計(jì)的要求，電源的開(kāi)關(guān)頻率達(dá)到20khz，電源效率達(dá)到85%以上。按照dc/dc變換器中開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)方式分類，dc/dc變換器可分為硬開(kāi)關(guān)和軟開(kāi)關(guān)兩種。硬開(kāi)關(guān)方式是指dc/dc變換器的開(kāi)關(guān)管在承受電壓、流過(guò)電流的情況下接通或斷開(kāi)，因此在開(kāi)通或關(guān)斷過(guò)程中伴隨著較大的損耗，即所謂的開(kāi)關(guān)損耗。在硬開(kāi)關(guān)方式下，當(dāng)dc/dc變換器工作狀態(tài)一定時(shí)，開(kāi)關(guān)管的

12、開(kāi)通和關(guān)斷損耗也是一定的，因此開(kāi)關(guān)頻率越高，開(kāi)關(guān)損耗越大，這是制約著開(kāi)關(guān)電源進(jìn)一步高頻化的關(guān)鍵因素。80年代迅速發(fā)展起來(lái)的諧振開(kāi)關(guān)技術(shù)為解決降低器件的開(kāi)關(guān)損耗和提高開(kāi)關(guān)頻率找到了有效方法，引起了電力電子技術(shù)領(lǐng)域和工業(yè)界同行的極大興趣和普遍的重視。研究本課題的主要理論意義有一下三點(diǎn)：一是dsp技術(shù)在開(kāi)關(guān)電源中的應(yīng)用；二是利用變壓器漏感來(lái)實(shí)現(xiàn)的軟開(kāi)關(guān)技術(shù)；三是高頻變壓器和倍加器的優(yōu)化設(shè)計(jì)。1.3.2 主要研究工作 本文預(yù)計(jì)設(shè)計(jì)一臺(tái)高壓直流開(kāi)關(guān)電源，具體參數(shù)如下：1） 輸入電壓：交流220v；2） 輸入頻率：50hz；3） 輸出電壓：100kv；4） 電源功率：100w；5） 開(kāi)關(guān)頻率：20khz；

13、6） 紋波系數(shù)：0.5%；7） 轉(zhuǎn)換效率：85%。2 開(kāi)關(guān)電源的原理及控制方案設(shè)計(jì)2.1 高頻開(kāi)關(guān)電源的pwm技術(shù)2.1.1 開(kāi)關(guān)電源的基本原理首先我們要了解的是高頻開(kāi)關(guān)電源主要組成部分，它主要由輸入整流濾波器、高頻開(kāi)關(guān)變換器、高頻變壓器、輸出整流濾波器、控制電路、保護(hù)電路、輔助電源等幾部分組成。其基本原理是：交流輸入電壓經(jīng)整流濾波后成為一粗糙的直流電壓，高頻變換器將這一直流電壓變換成高頻交流電壓，再經(jīng)高頻變壓器變壓和隔離，最后經(jīng)過(guò)輸出整流濾波電路，將變壓器輸出的高頻交流電壓整流濾波得到高質(zhì)量、高品質(zhì)的直流電壓。采用功率半導(dǎo)體器件作為開(kāi)關(guān)元件，通過(guò)周期性通斷工作，控制開(kāi)關(guān)元件的導(dǎo)通時(shí)間占空比來(lái)

14、調(diào)整輸出電壓。開(kāi)關(guān)電源中的dc/dc變換器進(jìn)行功率轉(zhuǎn)換，它是開(kāi)關(guān)電源的核心部分，此外還有啟動(dòng)電路、過(guò)流及過(guò)壓保護(hù)電路、噪聲濾波器等部分組成。反饋回路檢測(cè)輸出電壓變化，與基準(zhǔn)電壓比較，其誤差電壓通過(guò)放大器放大和脈寬調(diào)制(pwm)電路，再經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)器控制開(kāi)關(guān)器件的通斷時(shí)間比，從而調(diào)整輸出電壓的大小。圖2-1 開(kāi)關(guān)電源基本原理圖fig.2-1 the basic principles of map switching power supply1） 輸入電網(wǎng)濾波器：消除來(lái)自電網(wǎng)的各種干擾。同時(shí)也防止開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)生的高頻噪聲向電網(wǎng)擴(kuò)散而污染電網(wǎng)。2） 輸入整流濾波器：將電網(wǎng)輸入的交流電進(jìn)行整流濾波，為變換器

15、提供紋波較小的直流電壓。而且，當(dāng)電網(wǎng)瞬時(shí)停電時(shí)，濾波電容器儲(chǔ)存的能量尚能使開(kāi)關(guān)電源輸出維持一定的時(shí)間。3） 高頻開(kāi)關(guān)變換器：把直流電壓變換成高頻交流電，經(jīng)過(guò)高頻變壓器再變成所需要的隔離輸出交流電壓。4） 輸出整流濾波：將變換器輸出的高頻交流電壓濾波得到需要的直流電壓。同時(shí)還防止高頻噪音對(duì)負(fù)載的干擾。5） 控制電路：檢測(cè)輸出直流電壓，與基準(zhǔn)電壓比較，進(jìn)行隔離放大，調(diào)制振蕩器輸出的脈沖寬度，從而控制變換器以保證輸出電壓的穩(wěn)定。6） 保護(hù)電路：在開(kāi)關(guān)電源發(fā)生過(guò)電壓、過(guò)電流或短路時(shí)，保護(hù)電路使開(kāi)關(guān)電源停止工作以保護(hù)負(fù)載和開(kāi)關(guān)電源本身。 7） 輔助電源：整個(gè)電源電路設(shè)計(jì)要用到一些芯片，而這些芯片都需要單

16、獨(dú)供電，為控制電路和保護(hù)電路提供滿足一定技術(shù)要求的直流電源以保證它們工作穩(wěn)定可靠。2.1.2 pwm技術(shù) 1） 高頻開(kāi)關(guān)電源的電路結(jié)構(gòu)： a. 按驅(qū)動(dòng)方式分：自激式和他激式。 b. 按電路組成分：諧振型和非諧振型。 c. 按隔離和耦合方式分：有隔離式和非隔離式，有變壓器耦合及光耦合等。 d. 按控制方式分：pwm；pfm；pwf與pfm混合式。以上的組合可構(gòu)成多種方式的開(kāi)關(guān)電源。在工程應(yīng)用中，我們經(jīng)常要求電力電子變換器能對(duì)輸出電流、電壓、功率及頻率進(jìn)行有效靈活的控制。采用基頻控制的逆變器輸出為方波，含較多諧波，動(dòng)態(tài)響應(yīng)慢，效率低，只能應(yīng)用于小功率設(shè)備。針對(duì)基頻控制的不足，60年代提出了脈寬調(diào)制

17、控制法，解決了當(dāng)時(shí)變換器存在的問(wèn)題，為近代交流調(diào)速開(kāi)辟了新的發(fā)展領(lǐng)域。pwm控制器通過(guò)重復(fù)通/斷開(kāi)關(guān)工作方式把一種直流電壓(電流)變換為高頻方波電壓(電流)，再經(jīng)過(guò)整流平滑后變?yōu)榱硪环N直流電壓輸出。pwm變換器由功率開(kāi)關(guān)管、整流二極管和濾波電路等元件組成。pwm控制器對(duì)逆變電路開(kāi)關(guān)器件的通斷進(jìn)行控制，輸出一系列幅值相等而脈寬不相等的脈沖，用這些脈沖代替正弦波或所需的波形。按一定的規(guī)則對(duì)各脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，既可改變逆變電路輸出電壓的大小，也可改變輸出頻率。采用pwm的逆變電路可同時(shí)解決改善電壓和波形的雙重任務(wù)。 2） 軟開(kāi)關(guān)技術(shù)的提出目前開(kāi)關(guān)電源普遍采用脈寬調(diào)制技術(shù)，在這種變換方式中，開(kāi)關(guān)器件

18、在高電壓、大電流下導(dǎo)通關(guān)斷。如圖2-2是開(kāi)關(guān)管開(kāi)關(guān)時(shí)的電壓和電流波形。圖2-2 開(kāi)關(guān)管硬開(kāi)關(guān)時(shí)的電壓電流波形fig.2-2 switch hard-switching voltage and current waveforms when 由于開(kāi)關(guān)管不是理想器件，在開(kāi)通時(shí)開(kāi)關(guān)管的電壓不是立即下降到零，而是有一個(gè)下降時(shí)間，同時(shí)它的電流也不是立即上升到負(fù)載電流，也有一個(gè)上升時(shí)間。在這段時(shí)間里，電流和電壓有一個(gè)交疊區(qū)，產(chǎn)生損耗，我們稱之為開(kāi)通損耗(turn-on loss)。當(dāng)開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí)，開(kāi)關(guān)管的電壓不是立即從零上升到電源電壓，而是有一個(gè)上升時(shí)間，同時(shí)它的電流也不是立即下降到零，也有一個(gè)下降時(shí)間。在

19、這段時(shí)間里，電流和電壓也有一個(gè)交疊區(qū)，產(chǎn)生損耗，我們稱之為關(guān)斷損耗(turn-off loss)。因此在開(kāi)關(guān)管開(kāi)關(guān)工作時(shí)，要產(chǎn)生開(kāi)通損耗和關(guān)斷損耗，統(tǒng)稱為開(kāi)關(guān)損耗(switching loss)3。在一定條件下，開(kāi)關(guān)管在每個(gè)開(kāi)關(guān)周期中的開(kāi)關(guān)損耗是恒定的，變換器總的開(kāi)關(guān)損耗與開(kāi)關(guān)頻率成正比，開(kāi)關(guān)頻率越高，總的開(kāi)關(guān)損耗越大，變換器的效率就越低。開(kāi)關(guān)損耗的存在限制了變換器開(kāi)關(guān)頻率的提高，從而限制了變換器的小型化和輕量化。同時(shí)由于受到開(kāi)關(guān)器件寄生電容和變壓器漏感的影響，開(kāi)關(guān)器件承受了較大的du/dt和di/dt，工作中產(chǎn)生較強(qiáng)的電磁干擾。為了解決上述問(wèn)題，國(guó)際上開(kāi)始研究軟開(kāi)關(guān)技術(shù)，即開(kāi)關(guān)器件的導(dǎo)通與關(guān)

20、斷都在零電流或零電壓下進(jìn)行，減小了開(kāi)關(guān)器件的損耗及電磁干擾，提高了開(kāi)關(guān)電源的頻率及功率水平。2.2 軟開(kāi)關(guān)技術(shù)的發(fā)展2.2.1 軟開(kāi)關(guān)的優(yōu)點(diǎn)按開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)條件，直流變換器可以分為硬開(kāi)關(guān)和軟開(kāi)關(guān)兩種。傳統(tǒng)pwm變換器中的開(kāi)關(guān)器件工作在硬開(kāi)關(guān)狀態(tài)，硬開(kāi)關(guān)工作有開(kāi)通和關(guān)斷損耗大、感性關(guān)斷問(wèn)題、容性開(kāi)通問(wèn)題及二極管反向恢復(fù)等四大缺陷，妨礙了開(kāi)關(guān)器件工作頻率的提高。為了克服以上缺點(diǎn)，我們采用了軟開(kāi)關(guān)技術(shù)。最理想的軟開(kāi)通過(guò)程：電壓先下降到零后，電流再緩慢上升到通態(tài)值，此時(shí)開(kāi)通損耗近似為零。另外，因器件開(kāi)通前電壓已下降到零，器件結(jié)電容上的電壓亦為零，故解決了容性開(kāi)通問(wèn)題，意味著二極管已經(jīng)截止，其反向恢復(fù)過(guò)程

21、結(jié)束，因此二極管反向恢復(fù)問(wèn)題也得到解決。最理想的軟關(guān)斷過(guò)程：電流先下降到零，電壓再緩慢上升到斷態(tài)值，關(guān)斷損耗近似為零。由于器件關(guān)斷前電流己下降到零，即線路電感中電流亦為零，所以感性關(guān)斷問(wèn)題也得到解決。由上可知，軟開(kāi)關(guān)技術(shù)可以解決硬開(kāi)關(guān)pwm變換器的開(kāi)關(guān)損耗問(wèn)題、容性開(kāi)通問(wèn)題、感性關(guān)斷問(wèn)題、二極管反向恢復(fù)問(wèn)題，大大提高了開(kāi)關(guān)器件的工作頻率。同時(shí)也能解決由硬開(kāi)關(guān)引起的電磁干擾問(wèn)題。變換器的軟開(kāi)關(guān)技術(shù)實(shí)際上是利用電感和電容來(lái)對(duì)開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)軌跡進(jìn)行調(diào)整，最早的方法是采用有損緩沖電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。從能量的角度來(lái)看，它是將開(kāi)關(guān)損耗轉(zhuǎn)移到緩沖電路消耗掉，從而改善開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)條件。這種方法對(duì)變換器的變換效率沒(méi)有提高，

22、甚至?xí)剐视兴档?。目前所研究的軟開(kāi)關(guān)技術(shù)不再采用有損緩沖電路，這是真正減小開(kāi)關(guān)損耗，而不是開(kāi)關(guān)損耗的轉(zhuǎn)移。2.2.2 軟開(kāi)關(guān)技術(shù)的分類 全諧振型變換器，一般稱之為諧振變換器。該類變換器實(shí)際上是負(fù)載諧振型變換器，按照諧振元件的諧振方式，分為串聯(lián)諧振變換器和并聯(lián)諧振變換器兩類。按負(fù)載與諧振電路的連接關(guān)系，諧振變換器可分為兩類：一類是負(fù)載與諧振回路相串聯(lián)，稱為串聯(lián)負(fù)載諧振變換器；另一類是負(fù)載與諧振回路相并聯(lián)，稱為并聯(lián)負(fù)載諧振變換器。在諧振變換器中，諧振元件一直諧振工作，參與能量變換的全過(guò)程。該變換器與負(fù)載關(guān)系很大，對(duì)負(fù)載的變化很敏感，一般采用頻率調(diào)制方法。 1） 準(zhǔn)諧振變換器和多諧振變換器。這是

23、軟開(kāi)關(guān)技術(shù)的一次飛躍，這類變換器的特點(diǎn)是諧振元件參與能量變換的某一階段，不是全程參與。根據(jù)諧振開(kāi)關(guān)的用途，準(zhǔn)諧振變換器分為零電流開(kāi)關(guān)準(zhǔn)諧振變換器和零電壓開(kāi)關(guān)準(zhǔn)諧振變換器。多諧振變換器一般實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)管的零電壓開(kāi)關(guān)。這類變換器需要采用頻率調(diào)制控制方法。 2） 零開(kāi)關(guān)pwm變換器。它可分為零電壓開(kāi)關(guān)pwm變換器和零電流開(kāi)關(guān)pwm變換器。該類變換器是在準(zhǔn)諧振變換器的基礎(chǔ)上，加入一個(gè)輔助開(kāi)關(guān)管，來(lái)控制諧振元件的諧振過(guò)程，實(shí)現(xiàn)恒定頻率控制，即實(shí)現(xiàn)pwm控制。與準(zhǔn)諧振變換器不同的是，諧振元件的諧振工作時(shí)間與開(kāi)關(guān)周期相比很短，一般為開(kāi)關(guān)周期的1/101/5。 3） 零轉(zhuǎn)換pwm變換器。它可分為零電壓轉(zhuǎn)換pwm變

24、換器和零電流轉(zhuǎn)換pwm變換器。這類變換器是軟開(kāi)關(guān)技術(shù)的又一飛躍。它的特點(diǎn)是變換器工作在pwm方式下，輔助諧振電路只是在主開(kāi)關(guān)管開(kāi)關(guān)時(shí)工作一段時(shí)間，實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)管的軟開(kāi)關(guān)，其他時(shí)間則停止工作，從而減小了輔助電路的損耗。 在直流開(kāi)關(guān)電源的軟開(kāi)關(guān)技術(shù)中，還有無(wú)源無(wú)損軟開(kāi)關(guān)技術(shù)，即不附加有器件，只是采用電感、電容和二極管來(lái)構(gòu)成無(wú)損緩沖網(wǎng)絡(luò)。2.3 移相控制zvs pwm dc/dc全橋變換器2.3.1 變換器的控制方式控制電路是高頻開(kāi)關(guān)電源的很重要的部分，是電源系統(tǒng)可靠工作的保證。開(kāi)關(guān)電源的控制方式基本上都采用時(shí)間比率控制（trc）方式。此方式可分為三類：寬度調(diào)制方式、脈沖頻率調(diào)制方式、混合頻率調(diào)制方式。

25、目前,以脈沖調(diào)制pwm應(yīng)用最廣，本設(shè)計(jì)采用pwm，即脈沖寬度調(diào)制型變換器來(lái)電路的占空比進(jìn)行控制而得到理想的輸出電壓。圖2-3是脈寬調(diào)制原理圖。圖2-3 脈寬調(diào)制原理圖fig.2-3 pwm schematic基準(zhǔn)芯片：芯片內(nèi)大部分電路由它供電，同時(shí)，兼作誤差放大器的基準(zhǔn)電壓輸入。振蕩器：由恒流充電快速放電電路以及電壓比較器組成，震蕩頻率由外接rc元件所決定，頻率f=1/rc。差放大器：將取樣電壓和基準(zhǔn)電壓比較放大，送至脈寬調(diào)制電路輸入端。門電路：門電路輸入分別受分頻器和脈寬調(diào)制器的輸入控制。分頻器：將振蕩器的輸入分頻后輸出，控制門電路輸出脈沖的頻率。2.3.2 全橋直流變換器pwm控制方式全橋

26、變換器的控制方式為雙極性控制方式，工作在硬開(kāi)關(guān)狀態(tài)下。開(kāi)關(guān)管q1和q4、q2和q3同時(shí)開(kāi)通和斷開(kāi)，兩對(duì)開(kāi)關(guān)管以pwm方式交替開(kāi)通和關(guān)斷，其開(kāi)通時(shí)間均不超過(guò)半個(gè)開(kāi)關(guān)周期，即它們的導(dǎo)通角小于180度。當(dāng)q1和q4導(dǎo)通時(shí)，q2和q3上的電壓為ui，反之亦然；當(dāng)四個(gè)開(kāi)關(guān)管都處于截止?fàn)顟B(tài)時(shí)，每個(gè)開(kāi)關(guān)管承受的電壓為ui/2。由高頻變壓器的漏感與開(kāi)關(guān)結(jié)電容在開(kāi)關(guān)過(guò)程中產(chǎn)生的高頻振蕩引起的電壓尖峰，當(dāng)其值超過(guò)輸入電壓時(shí)，鉗位二極管d1-d4導(dǎo)通，使開(kāi)關(guān)管兩端的電壓波形被鉗制在輸入電壓上4。這種控制方式下，功率變換是通過(guò)中斷功率流和控制占空比的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)的，其工作頻率是恒定的；其工作波形如圖2-4所示。圖2-4

27、 雙極性控制方式工作波形圖fig.2-4 bipolar waveform control method of work2.3.3 開(kāi)關(guān)電源移相控制軟開(kāi)關(guān)基本原理本電源主電路采用的是移相控制方式，在這種方式下，全橋變換器可以實(shí)現(xiàn)零電壓開(kāi)關(guān)、零電壓零電流開(kāi)關(guān)和零電流開(kāi)關(guān)三種軟開(kāi)關(guān)方式。由于本文研究的電源輸出電流很小，所以重點(diǎn)介紹零電壓開(kāi)關(guān)pwm全橋變換器。下面詳細(xì)介紹移相控制pwm軟開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)的過(guò)程。由四只開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通情況可知，dc/dc全橋變換器存在+1,0，-1三種工作狀態(tài)。在討論軟開(kāi)關(guān)的實(shí)現(xiàn)之前，先說(shuō)明全橋變換器的三種工作狀態(tài)。第一種就是+1狀態(tài)，當(dāng)q1和q4同時(shí)導(dǎo)通時(shí)，加在變壓器原邊ab兩

28、點(diǎn)上的電壓為正的輸入電壓，即vab=(+1)vin。第二種就是0狀態(tài)，當(dāng)q1(d1)q2和(d2)同時(shí)導(dǎo)通或q3(d3)和q4(d4)同時(shí)導(dǎo)通，vab=0=（0）vin。第三種就是-1狀態(tài)，當(dāng)q2和q3同時(shí)導(dǎo)通時(shí)，vab=(-1)vin。根據(jù)開(kāi)關(guān)管的三種工作狀態(tài)，全橋變換器有三種切換方式：(+1/01或01/+1)；（+1/0或-1/0）；(0/+1或0/-1)。圖2-5 移相控制zvs pwm dc/dc全橋變換器主電路fig.2-5 phase shift control zvs pwm dc / dc full-bridge converter main circuit如上圖，lr是變壓

29、器的漏感。當(dāng)q1和q4（或q2和q3）同時(shí)關(guān)斷時(shí)，由于lr的存在，原邊電流ip不會(huì)立即減小到零，這時(shí)q1和q4（或q2和q3）中的電流立即轉(zhuǎn)到d2和d3（d1和d4）中，vab=(-1)vin或vab=(+1)vin，出現(xiàn)+1/-1(或-1/+1)切換方式。這個(gè)電壓使原邊電流減小到零。為了實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)管的軟開(kāi)關(guān)的特性，給他們分別并聯(lián)吸收電容，如圖2-5所示，c1、c2、c3、c4即為吸收電容。當(dāng)開(kāi)關(guān)管斷開(kāi)時(shí)，原邊電流給關(guān)斷管如q1和q4的并聯(lián)電容c1和c4充電，同時(shí)給c2和c3放電。這樣就限制了q1和q4的電壓上升率，實(shí)現(xiàn)了q1和q4的軟關(guān)斷。當(dāng)c1和c4的電壓上升到vin時(shí)，c2和c3的電壓同時(shí)

30、下降為零，q2和q3的反并二極管d2和d3導(dǎo)通，為q2和q3提供了零電壓開(kāi)通的條件。但是如果此時(shí)開(kāi)通q2和q3，變壓器原邊出現(xiàn)的就是占空比為1的交流方波電壓，不能實(shí)現(xiàn)pwm控制。為了實(shí)現(xiàn)pwm控制，在q2和q3的反并二極管d2和d3導(dǎo)通時(shí)，不能開(kāi)通q2和q3。由于vab=(-1)vin，原邊電流ip將在此負(fù)電壓的作用下減小，并回到零。由于四只開(kāi)關(guān)管都處于關(guān)斷狀態(tài)，其并聯(lián)電容就會(huì)與漏感產(chǎn)生諧振。原邊電流ip反向增加，c1和c4放電，c2和c3充電。那么當(dāng)q2和q3開(kāi)通時(shí)，其并聯(lián)電容c2和c3的電壓不為零，其電荷直接通過(guò)開(kāi)關(guān)管釋放，電容的能量全部消耗在q2和q3中，導(dǎo)致開(kāi)關(guān)管發(fā)熱，而且在開(kāi)關(guān)管中產(chǎn)

31、生開(kāi)通電流尖峰，損壞開(kāi)關(guān)管，也不能實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)。由上面分析可知，在斜對(duì)角兩只開(kāi)關(guān)管同時(shí)關(guān)斷的切換方式下，出現(xiàn)了+1/-1或-1/+1的切換方式，無(wú)法實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)管的軟開(kāi)關(guān)。但是，如果將斜對(duì)角兩只開(kāi)關(guān)管的一導(dǎo)通時(shí)間相對(duì)錯(cuò)開(kāi)一個(gè)時(shí)間，即一直開(kāi)關(guān)管提前開(kāi)通一段時(shí)間，關(guān)斷時(shí)間不變；另一只開(kāi)關(guān)管開(kāi)通時(shí)間不變，關(guān)斷時(shí)間延遲一段時(shí)間。就會(huì)改善開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)狀態(tài)。將開(kāi)關(guān)管q1和q3提前開(kāi)通，并定義q1和q3組成的橋臂為超前橋臂，開(kāi)關(guān)管q2和q4滯后關(guān)斷，并定義q2和q4組成的橋臂為滯后橋臂。采用移相控制方式時(shí)，在圖2-5所示的電路中，當(dāng)q1，q4均導(dǎo)通的時(shí)刻，變壓器原邊上的電壓為(+1)vin，電流ip流經(jīng)q1、變壓

32、器原邊、q4。關(guān)斷時(shí)，首先關(guān)斷q1，ip給c1充電，給c3放電。由于c1和c3的存在，限制了q1端電壓的上升率，q1實(shí)現(xiàn)零電壓關(guān)斷。由于變壓器漏感和濾波電感的存在，ip近似不變。當(dāng)c3電壓降到零時(shí)，d3自然導(dǎo)通，為q3的零電壓開(kāi)通創(chuàng)造條件，此時(shí)提前開(kāi)通q3，q3的開(kāi)通損耗基本為零。在此狀態(tài)下，變壓器原邊的電壓為零，該切換方式為(+1)/0切換方式。在斜對(duì)角兩只開(kāi)關(guān)管工作時(shí)，q3的關(guān)斷和q1的開(kāi)通，其工作原理是完全一樣的。接下來(lái)如果ip足夠大，當(dāng)q4關(guān)斷時(shí)，ip給c4充電，同時(shí)給c2放電。由于有c2，c4存在，q4是零電壓關(guān)斷。當(dāng)c2電壓下降到零時(shí)，d2自然導(dǎo)通，此時(shí)可以零電壓開(kāi)通q2。這時(shí)高頻

33、變壓器原邊電壓為(-1)vin，所以該切換方式為0/-1切換方式。這種零電流開(kāi)關(guān)方式，開(kāi)關(guān)管兩端不能并聯(lián)電容。另外當(dāng)一次電流減到為零后，不能反向增加，不然就失去了零電流開(kāi)關(guān)的條件。由以上分析可知，直流全橋變換器在移相pwm的控制方式下，超前臂容易實(shí)現(xiàn)zvs，而滯后橋臂既可以實(shí)現(xiàn)zvs，也可以實(shí)現(xiàn)zcs。3 主電路的設(shè)計(jì)3.1 高壓直流電源整體電路框圖 本系統(tǒng)由主電路和控制電路兩部分組成，如圖3-1所示。主電路部分主要包括變換器和升壓電路兩個(gè)部分。電源的輸入為220v工頻交流市電，在進(jìn)行了整流濾波后，得到大約300v左右的直流電。變換器的核心部分采用lcc負(fù)載諧振移相式零電壓全橋變換器，實(shí)現(xiàn)高頻

34、化，得到頻率為20khz的交流信號(hào)，再經(jīng)過(guò)高頻升壓變壓器和倍壓整流器得到直流高壓輸出?？刂撇糠?，采用快速穩(wěn)定的dsp作為核心控制器，產(chǎn)生pwm波形，通過(guò)光耦隔離，并有igbt自保護(hù)的專業(yè)集成驅(qū)動(dòng)器ir2110來(lái)驅(qū)動(dòng)主電路中的開(kāi)關(guān)管，與采樣電路配合，可對(duì)輸出進(jìn)行穩(wěn)壓5。圖3-1 基于dsp控制的高壓直流電源框圖fig.3-1 dsp-based control of high voltage dc power supply diagram3.2 諧振變換器本高壓直流電源采用lcc諧振移相控制全橋逆變電路，本節(jié)介紹幾種常見(jiàn)的負(fù)載諧振電路：lc串聯(lián)負(fù)載串聯(lián)諧振變換器、lc并聯(lián)負(fù)載并聯(lián)諧振變換器和lc

35、c串并聯(lián)諧振變換器。3.2.1 串聯(lián)諧振變換器串聯(lián)諧振變換器如圖3-2所示，負(fù)載與諧振回路l-c以串聯(lián)形式輸出稱為串聯(lián)諧振變換器。圖中v2為輸入直流電源，由工頻整流得到，m1m4及d1d4組成全橋逆變器，cr為諧振電容，lr為諧振電感，l為變壓器漏感，c為高壓變壓器的分布電容，為輸出濾波電容，為負(fù)載電阻，t為理想變壓器。串聯(lián)諧振變換器通過(guò)l、 lr、 cr的串聯(lián)諧振來(lái)實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)，它的主要優(yōu)點(diǎn)是串聯(lián)諧振電容可以作為隔直電容，因此這種電路可以不加任何其它結(jié)構(gòu)而用于全橋逆變器中，并避免了磁路的不平衡。而且當(dāng)開(kāi)關(guān)頻率低于諧振頻率1/2值后，隨負(fù)載的變化，輸出電流基本保持不變，即具有電流源特性，使電路具

36、有固有的短路保護(hù)能力。它的主要缺點(diǎn)是，在沒(méi)有負(fù)載時(shí)，電路沒(méi)有了電壓調(diào)節(jié)能力，負(fù)載越來(lái)越輕時(shí)，電壓調(diào)節(jié)性能越來(lái)越差。另一個(gè)缺點(diǎn)是在輸出整流濾波電路中，電流的紋波會(huì)很大，這種缺點(diǎn)在低壓大電流情況下尤為突出，因此這種電路更適合于高壓小電流的應(yīng)用場(chǎng)合。圖3-2 串聯(lián)諧振變換器電路fig.3-2 series resonant converter circuit3.2.2 并聯(lián)諧振變換器并聯(lián)諧振變換器如圖3-3所示，負(fù)載與l-c諧振回路以與諧振電容并聯(lián)形式輸出稱為并聯(lián)諧振變換器。圖中cr為并在變壓器兩端的諧振電容。這種電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)將高壓變壓器的分布參數(shù)全部包括在諧振回路中了，若高壓變壓器設(shè)計(jì)合理，分布參

37、數(shù)匹配得當(dāng)，可以省去諧振電容及電感的設(shè)計(jì)，使電路更簡(jiǎn)化。同串聯(lián)諧振變換器相比，此種電路結(jié)構(gòu)在空載情況下，可以進(jìn)行電壓調(diào)節(jié)。它的主要缺點(diǎn)是，相對(duì)于串聯(lián)諧振變換器輸入電流隨負(fù)載變化比較大，當(dāng)負(fù)載電阻r2增大時(shí)(即負(fù)載變輕時(shí))通過(guò)提高頻率來(lái)調(diào)節(jié)電壓，但此時(shí)電流并未減小，反而有所增大，使電源的損耗增加，效率不會(huì)很高。因此這種結(jié)構(gòu)的變換器更適合于固定負(fù)載電路或負(fù)載變化不大的低壓大電流中的場(chǎng)合。圖3-3 并聯(lián)諧振變換器電路fig.3-3 parallel resonant converter circuit3.2.3 lcc串并聯(lián)諧振變換器 負(fù)載在l-c諧振回路中以與諧振電容的一部分并聯(lián)形式輸出稱為串并聯(lián)

38、混合諧振變換器(sprc)6，如圖3-4所示，圖中負(fù)載與cp以并聯(lián)形式輸出，與cr以串聯(lián)形式輸出。這種電路形式在一定頻率下具有并聯(lián)諧振變換器的特點(diǎn)，而在一定頻率下又具有串聯(lián)諧振變換器的特點(diǎn)。因此這種變換器的頻率特性較為顯著。該變換器在不用輸出變壓器時(shí)的輸出電壓也可高于或低于電源電壓。圖3-4 串并聯(lián)混合變換器電路fig.3-4 series-parallel hybrid converter circuit綜上的三種諧振變換器電路，由于電壓和電流波形均為正弦波，其emi很小，在中頻感應(yīng)加熱場(chǎng)合得到了廣泛地應(yīng)用。有些通訊用開(kāi)關(guān)電源也可采用諧振變換器，其開(kāi)關(guān)頻率范圍為180450khz。它們的基本

39、控制方式都是頻率調(diào)制，通過(guò)控制頻率來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓，這是這類變換器共同的缺點(diǎn)。變化的開(kāi)關(guān)頻率使得變換器的高頻變壓器、輸入濾波器和輸出濾波器的優(yōu)化設(shè)計(jì)變得十分困難。本文結(jié)合串并聯(lián)諧振變換器的優(yōu)點(diǎn)，主逆變電路采用lcc混合諧振電路，由于其頻率控制方式的諸多缺點(diǎn)，在保證lcc諧振電路實(shí)現(xiàn)零電壓開(kāi)關(guān)的基礎(chǔ)上，本文采用移相控制zvs pwm全橋逆變器技術(shù)。3.3 負(fù)載諧振式全橋逆變電路的結(jié)構(gòu)圖3-5 主電路結(jié)構(gòu)fig.3-5 circuit structure如圖3-5所示，主電路采用igbt作為主開(kāi)關(guān)元件，為lcc全橋逆變電路。lcc諧振電路為開(kāi)關(guān)元件提供零電壓開(kāi)通條件，變壓器二次側(cè)為高頻高壓變壓器和倍

40、壓整流器件。采用lcc諧振電路主要原因是：變壓器二次側(cè)輸出為高電壓小電流，無(wú)法采用濾波電感，這使得傳統(tǒng)的靠電感傳遞能量的dc/dc型變換電路不再適用；lc串聯(lián)諧振串聯(lián)負(fù)載電路不能開(kāi)路，lc串聯(lián)諧振并聯(lián)負(fù)載電路不能短路，而lcc串并聯(lián)諧振電路兼顧了串聯(lián)和并聯(lián)諧振電路優(yōu)點(diǎn)以及克服了它們的缺點(diǎn)，輸出電壓可以高于或低于輸入電壓，而且負(fù)載變化范圍寬，因此獲得了廣泛重視和應(yīng)用7。3.4 高頻高壓變壓器及倍壓整流電路的設(shè)計(jì)3.4.1 高頻高壓變壓器的設(shè)計(jì)高壓電源的高頻化可以使電源裝置小型化，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)反應(yīng)速度加快；電源裝置效率提高；并能有效的抑制環(huán)境噪聲污染。但高壓電源高頻化發(fā)展的阻礙主要體現(xiàn)在高頻高壓變壓

41、器上，其主要問(wèn)題為：頻變壓器體積減小，但絕緣問(wèn)題突出；電壓輸出高則變壓器的變比較高，而大變比必然使變壓器的非線性嚴(yán)重，使其漏感和分布電容大大增加。本文中變壓器的設(shè)計(jì)采用一級(jí)隔離和二級(jí)升壓的方式，設(shè)計(jì)成兩個(gè)變壓器，把逆變器同高壓倍加器分開(kāi)，升壓變壓器同倍壓電路一起密封在油箱內(nèi)，把低壓和高壓部分分開(kāi)，這樣安裝和使用時(shí)既安全又可靠，第一級(jí)變壓器只起隔離變壓器的作用，在設(shè)計(jì)上第一級(jí)變壓器的初級(jí)和次級(jí)線圈匝數(shù)與第二級(jí)變壓器的初級(jí)線圈匝數(shù)是一樣的。因此下面重點(diǎn)介紹第二級(jí)變壓器的設(shè)計(jì)。圖3-6為高頻高壓變壓器等效電路簡(jiǎn)化模型，它由漏感l(wèi)d、副邊分布電容cp和理想變壓器組成。漏感相同時(shí)工作于高頻fs下的感抗較

42、工頻下增加fs/50，嚴(yán)重限制了功率輸出；分布電容相同時(shí)高頻下的容抗較工頻下減小至fs/50，導(dǎo)致空載電流大，功率因數(shù)低，空載發(fā)熱問(wèn)題突出。本設(shè)計(jì)恰恰利用變壓器漏感大的特點(diǎn)，通過(guò)串入諧振電容組成諧振變換器，大大提高了轉(zhuǎn)換效率，并減小了電磁干擾。圖3-6 高頻高壓變壓器等效電路fig.3-6 high-frequency high-voltage transformer equivalent circuit磁芯選用鐵氧體磁芯，雖然鐵氧體在飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度、溫度特性、機(jī)械強(qiáng)度等方面都不如硅鋼片，但是它的最大特點(diǎn)是電阻率非常大(一般為)，比硅鋼片大百萬(wàn)倍，因此鐵氧體的渦流損耗很小，即它有非常小的高頻損

43、耗，本文選用了ee型mx0-2000鐵氧體鐵芯，查表得到，它的鐵芯截面積為，窗口面積為。初級(jí)匝數(shù)： (3-1)為了使np滿足變換電路輸出最高電壓的要求，輸入直流電壓e及導(dǎo)通脈寬寬度均應(yīng)取最大值，故取e=300v，由于變換器工作頻率為20khz，t=50us，取=25us。在選擇磁感應(yīng)強(qiáng)度時(shí)，為防止鐵芯飽和，取b=3000gs，=1.2，則為52。實(shí)際選為50。高壓變壓器的輸出電壓直接供給倍壓電路，輸出電壓的值越高越好，變壓比越大越好，但要考慮到初次級(jí)間的絕緣問(wèn)題，因此把變壓比定在20，次級(jí)匝數(shù)=1000。繞組導(dǎo)線的線徑：(mm) (3-2)根據(jù)設(shè)計(jì)要求，變換器最大輸出功率為100w，考慮到30

44、%40%的損耗，電源提供的功率150w，直流供電電壓最大值為300v，因此初級(jí)供電電流為：(3-3)次級(jí)電流：(3-4) 則第一級(jí)變壓器初、次級(jí)繞組、第二級(jí)變壓器初級(jí)繞組線徑d1為：(3-5)第二級(jí)變壓器次級(jí)繞組線徑為： (3-6)實(shí)際制作中，采用的是0.51mm的漆包線，采用的是0.12mm漆包線。3.4.2 高頻倍壓整流電路的設(shè)計(jì)在本電源設(shè)計(jì)中，采用升壓變壓器和倍壓整流電路來(lái)進(jìn)行兩級(jí)升壓的理由為：變壓器的工藝有限，很難做到如此高變比的變壓器；即使采用高變比的高頻變壓器，則其分布參數(shù)將變得更加復(fù)雜，使得前級(jí)的逆變電路的設(shè)計(jì)變得困難。所以采用升壓變壓器和倍壓整流電路來(lái)進(jìn)行兩級(jí)升壓。現(xiàn)就圖3-7

45、所示的四倍壓整流電路進(jìn)行分析。在分析過(guò)程中，均假設(shè)各電容的充電速度遠(yuǎn)大于放電速度，并將導(dǎo)通的二極管用短路線來(lái)代替。此電路是將整流電路串聯(lián)連接，電容器按每隔一接點(diǎn)的方式接入，分布在兩側(cè)，呈疊層形。由于電容器是層疊串聯(lián)，其結(jié)果可產(chǎn)生ne電壓，并且使用耐壓為e的電容器即可滿足要求。圖3-7 四倍壓整流電路fig.3-7 four times the pressure circuit 開(kāi)始工作后，在第一周期的正半周，電壓u經(jīng)二極管給電容充電到，在負(fù)半周u與上的電壓串聯(lián)起來(lái)給充電。在下一周期的正半周，電壓u在給充電的同時(shí)，由于已導(dǎo)通，上尚無(wú)電壓，故將通過(guò)、向充電；在負(fù)半周，u與在向充電的同時(shí)也向尚無(wú)電壓

46、的充電8。四倍壓電路在這個(gè)周期正、負(fù)半周的工作過(guò)程如圖3-8所示：(a)(b)圖3-8 倍壓電路工作過(guò)程fig.3-8 voltage circuit process 由此可看出，在這種倍壓整流電路中其能量是由前向后逐步傳遞的，每過(guò)半個(gè)周期便向后傳遞一步。四倍壓整流電路經(jīng)過(guò)4個(gè)半周期，即兩個(gè)周期就有一部分能量傳到最后的電容c4上。在以后的各周期中，正半周重復(fù)圖3-8(a)的過(guò)程，負(fù)半周重復(fù)圖3-8(b)的過(guò)程。經(jīng)過(guò)若干個(gè)周期后，除電容c1上的電壓為u0外，其余電容上的電壓均為2u0。負(fù)載rl上得到的電壓為c2、c4上電壓之和，即4u0，見(jiàn)圖3-8所示。以此類推，對(duì)于三級(jí)(六倍壓)整流電路，也可

47、以得到相同的結(jié)論。 本文采用了一種雙向倍加器的方案，即把高壓變壓器安裝在倍壓電路的中間，如圖3-9所示，這樣整個(gè)電路相當(dāng)于兩個(gè)六級(jí)倍加器串聯(lián)。這樣做的目的主要是為了減小倍加器內(nèi)部壓降，提高直流電源的穩(wěn)定度和效率，增強(qiáng)負(fù)載能力，可以大幅度地減小電源輸出的紋波系數(shù)。變壓器內(nèi)部壓降計(jì)算公式為：(3-7)整個(gè)倍加器的直流輸出電壓為： (3-8)圖3-9 雙向倍壓器電路原理圖fig.3-9 bi-directional voltage multiplier circuit schematic為倍加器的輸入電壓，也即高壓變壓器的輸出電壓，由前面的分析知，變壓器的輸入最大電壓為300v，變比為20，考慮變壓

48、器內(nèi)部的損耗，取變壓器效率為70%，則=4200v，通過(guò)計(jì)算取n=6，f=20khz，輸出電流為2ma，選用的電容參數(shù)為耐壓25kv，容量為5000pf，硅堆的參數(shù)為耐壓30kv，漏電流小于8ua，這些電容和硅堆都是向廠家定制的。則(3-9)實(shí)際中可以通過(guò)調(diào)整身高來(lái)達(dá)到額定的最大輸出電壓100kv。3.5 主電路功率元器件的選擇在本設(shè)計(jì)中，功率元器件選用的是igbt管。首先，我們要了解igbt管的工作原理：igbt由柵極電壓正負(fù)來(lái)控制，當(dāng)加上正柵極電壓時(shí)，絕緣柵下形成溝道，igbt導(dǎo)通，pnp晶體管提供了流動(dòng)的基極電流，從而使pnp管導(dǎo)通。當(dāng)加上負(fù)柵極電壓時(shí)，igbt工作過(guò)程相反，形成關(guān)斷。3

49、.5.1 igbt管的特點(diǎn)簡(jiǎn)介igbt有如下特點(diǎn)： 1） 一種電壓控制器件。在g-e間加正電壓時(shí)igbt導(dǎo)通，相當(dāng)于在pnp管接了一個(gè)低值電阻，于是pnp管導(dǎo)通；當(dāng)g-e間電壓為0時(shí)，igbt關(guān)斷，pnp管由于無(wú)基極電流流通，所以也關(guān)斷。2） igbt比mosfet耐壓高，電流容量比mosfet大。3） 開(kāi)關(guān)速度比雙極型晶體管快。4） 通過(guò)控制柵壓實(shí)現(xiàn)過(guò)電流保護(hù)。3.5.2 igbt管的驅(qū)動(dòng)在本電源中，全橋逆變電路中的功率開(kāi)關(guān)器件igbt是由dsp發(fā)出的pwm波來(lái)控制的。但是dsp發(fā)出的信號(hào)為小信號(hào)，難以直接驅(qū)動(dòng)igbt，所以需要在二者之間加驅(qū)動(dòng)電路。接下來(lái)對(duì)全橋逆變電路中igbt的驅(qū)動(dòng)電路加

50、以介紹。本設(shè)計(jì)中的驅(qū)動(dòng)信號(hào)由dsp產(chǎn)生幅值為3v的pwm信號(hào)，經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)電路輸入到igbt管的柵極。因dsp事件管理器模塊輸出為100khz的pwm信號(hào)，所以本設(shè)計(jì)中的光耦合采用高安華生產(chǎn)的高速光耦hcpl-0710，它的速度可達(dá)15m。驅(qū)動(dòng)芯片采用國(guó)際整流公司的半橋逆變電路ir2181，該芯片具有速度快，驅(qū)動(dòng)電壓高等特點(diǎn)，特別適合于驅(qū)動(dòng)igbt等器件9。具體設(shè)計(jì)電路見(jiàn)下圖3-10，左側(cè)為dsp事件管理器輸出pwm信號(hào)，然后經(jīng)過(guò)高速光耦hcpl-0710，輸出給半橋式逆變芯片ir2181，從而去控制功率管igbt開(kāi)通與關(guān)斷。圖3-10 全橋逆變電路的驅(qū)動(dòng)電路fig.3-10 full-bridg

51、e inverter circuit drive circuit3.6 輸入整流濾波 單相交流電經(jīng)整流、濾波后，為逆變橋提供一個(gè)平滑的直流電壓。在電源模塊啟動(dòng)時(shí)，沖擊電流比較大，已損壞設(shè)備。為了抑制沖擊電流，在整流電路中采用了軟啟動(dòng)；為了防止電網(wǎng)的浪涌電壓，電路中接有壓敏電阻ry1和ry2。由于單相整流后的直流電壓高達(dá)280v左右，且一般電解電容的耐壓為450v，可以采用多個(gè)電容并聯(lián)濾波，不必采用電容串聯(lián)的方式減小電容的耐壓。另一方面，為了抑制電網(wǎng)的高次諧波進(jìn)入本電源系統(tǒng)，同時(shí)也可以避免本電源內(nèi)部產(chǎn)生的電磁干擾進(jìn)入電網(wǎng)，所以，應(yīng)該在220v交流市電和整流電路之間加一濾波電路。所加的輸入濾波電路

52、是為變換器的電磁干擾電平和外界的電磁干擾源設(shè)計(jì)的一種低阻抗通道，以抑制或取出電磁干擾，達(dá)達(dá)電磁兼容的目的，所加的開(kāi)關(guān)電源工頻濾波器如圖3-11所示。圖3-11 開(kāi)關(guān)電源低通濾波器fig.3-11 switch power supply low links filter其中l(wèi)1，c5，c6濾除共模噪聲，c1，c2濾除差膜噪聲，c1，c2，c5，c6為小容量高頻電容器，l2，c3，c4，c7，c8為常態(tài)濾波元件，c3，c4為大容量電解電容，c7，c8為小容量無(wú)感電容，用來(lái)補(bǔ)償大容量電解電容器的高頻特性，其高頻旁路作用，l2，c3，c4組成低頻濾波器，其余電感電容組成高頻濾波器。3.7 輸出濾波電路

53、 濾波電路利用電抗性元件對(duì)交、直流阻抗的不同，實(shí)現(xiàn)濾波。電容器c對(duì)直流開(kāi)路，對(duì)交流阻抗小，所以c應(yīng)該并聯(lián)在負(fù)載兩端。經(jīng)過(guò)濾波電路后，既可保留直流分量，又可濾掉一部分交流分量，改變了交直流成分的比例，減小了電路的脈動(dòng)系數(shù)，改善了直流電壓的質(zhì)量。圖3-12 輸出濾波電路fig.3-12 output filter circuit4 控制電路設(shè)計(jì)4.1 控制電路主要硬件的介紹及設(shè)計(jì)現(xiàn)有的電源廣泛采用tl494， uc3875等專用電源芯片來(lái)驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)管，特定的電源芯片本身不可編程，可控性較差，難以擴(kuò)展，不易升級(jí)維修，同時(shí)電源芯片為模擬型芯片，具有模擬電路難以克服的由溫漂和老化所引起的誤差，無(wú)法保證系統(tǒng)

54、始終具有的高精度和可靠性。隨著數(shù)字控制技術(shù)的日益成熟，常用單片機(jī)來(lái)對(duì)電源進(jìn)行控制。由于在本電源中，需要一個(gè)微處理器來(lái)集中快速實(shí)現(xiàn)全橋逆變技術(shù)、高壓直流電源的電壓調(diào)節(jié)等功能，這就對(duì)微處理器的運(yùn)算速度和控制功能提出了很高的要求，常用的單片機(jī)由于其通道數(shù)目和運(yùn)算速度的限制難以滿足本電源系統(tǒng)，因而在本電源的設(shè)計(jì)中，根據(jù)實(shí)際情況選用dsp作為電源的控制核心。本文采用ti公司的tms320lf2407型dsp芯片設(shè)計(jì)了一種新的智能型高頻高壓開(kāi)關(guān)電源，對(duì)電源主電路實(shí)現(xiàn)了全數(shù)字控制，提高了輸出電壓的精度和穩(wěn)定度?？刂扑惴ㄍㄟ^(guò)軟件編程實(shí)現(xiàn)使得系統(tǒng)升級(jí)方便，也便于用戶根據(jù)各自的需要靈活地選擇不同的控制功能。4.1

55、.1 tms320lf2407的介紹及應(yīng)用本電源以tms320lf2407 dsp芯片為控制核心。其體系結(jié)構(gòu)專為實(shí)時(shí)信號(hào)處理而設(shè)計(jì)，將實(shí)時(shí)處理能力和控制器外設(shè)功能集于一身，為控制系統(tǒng)應(yīng)用提供了一個(gè)理想的解決方案10。1） tms320lf2407是美國(guó)ti公司于1999年推出的一種高性能16位定點(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理器(digit signal processor)，是ti公司c2xx系列成員之一，它采用靜態(tài)cmos集成電路制造技術(shù)，先進(jìn)的哈佛結(jié)構(gòu)，片內(nèi)外圍模塊，片內(nèi)存儲(chǔ)器和高度專業(yè)化指令系統(tǒng)的結(jié)合是c240器件靈活高速工作的基礎(chǔ)。該系列產(chǎn)品專為馬達(dá)、開(kāi)關(guān)電源等的數(shù)字控制而設(shè)計(jì)。tms320lf240

56、7 dsp芯片處理數(shù)據(jù)的能力很強(qiáng)，可以高速完成各項(xiàng)復(fù)雜工作。結(jié)合本電源的應(yīng)用，其特點(diǎn)如下： a. 采用高性能靜態(tài)cmos技術(shù)，使得供電電壓降為3.3v，減小了控制器的功耗；30mips的執(zhí)行速度使得指令周期縮短到33ns，從而提高了控制器的實(shí)時(shí)控制能力。b. 該芯片有兩個(gè)事件管理器模塊eva和evb，每個(gè)模塊包括8個(gè)16位的pwm通道，這樣就可以用一個(gè)2407 dsp芯片對(duì)全橋逆變電路進(jìn)行控制。c. 該芯片有16個(gè)a/d轉(zhuǎn)換通道，可同時(shí)接受電壓、電流及反應(yīng)器反饋參數(shù)等信號(hào)。 d. 片內(nèi)有高達(dá)32k字的程序存儲(chǔ)器；高達(dá)1.5k字的數(shù)據(jù)/程序ram；可擴(kuò)展的外部存儲(chǔ)器總共192k字空間；64k字程

57、序存儲(chǔ)器空間；64k字?jǐn)?shù)據(jù)存儲(chǔ)器空間；64k字i/o尋址空間。這些都保證了在芯片內(nèi)可進(jìn)行大量的編程，從而快速實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的功能。 e. 10位a/d轉(zhuǎn)換器最小轉(zhuǎn)換時(shí)間為500ns，可選擇由兩個(gè)事件管理器來(lái)觸發(fā)兩個(gè)8通道輸入的a/d轉(zhuǎn)換器或一個(gè)16通道輸入的a/d轉(zhuǎn)換器。這樣可以提高操作的完成速度。 f. 電源管理包括了3種低功耗模式，能獨(dú)立將外設(shè)器件轉(zhuǎn)入低功耗模式。 g. 串行通信接口(sci)模塊。 h. 16位串行外設(shè)(spi)接口模塊。 i. 基于鎖相環(huán)的時(shí)鐘發(fā)生器。2） tms32olf24o7幾乎所有的指令都可在50ns的單周期內(nèi)完成，配合其強(qiáng)大的指令運(yùn)算功能，很容易實(shí)現(xiàn)各種控制算法及高速的實(shí)時(shí)采樣，為了改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)品質(zhì)，并減小系統(tǒng)的靜差，采用了閉環(huán)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的控制。本電源系統(tǒng)中dsp的主要功能及軟件實(shí)現(xiàn)如下： a. 產(chǎn)生pwm波形：用于對(duì)全橋逆變器中mosfet的驅(qū)動(dòng)。根據(jù)輸出的采樣，設(shè)定和調(diào)整定時(shí)器中周期寄存器的值和比較寄存器的值來(lái)改變輸出pwm波的周期和脈沖寬度。定時(shí)器t1、t3被設(shè)定為下溢和周期匹配中斷方式，用作pwm輸出，工作在連續(xù)增/減計(jì)數(shù)模式。 b. 實(shí)時(shí)采樣：采