大功率直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計--畢業(yè)論文

1、北華大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）本科畢業(yè)設(shè)計(論文)題目名稱： 大功率直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計 學(xué) 院： 電氣信息工程學(xué)院 專業(yè)年級： 自動化04 級 學(xué)生姓名： 李曉君 班級學(xué)號： 04-02-15 指導(dǎo)教師： 張錫鶴 二八年六月十日 北華大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）畢業(yè)設(shè)計題目： 大功率直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計 李曉君作者：_ 指 導(dǎo) 教 師： 張錫鶴 單位： 北華大學(xué) 協(xié)助指導(dǎo)教師： 單位： 單位： 完 成 日 期：2008年 06月 10日摘要本文針對目前國內(nèi)用于電源是晶閘管靜態(tài)逆變器。其逆變頻率限制在8khz以下，實際產(chǎn)品一般僅為1khz左右。晶閘管靜態(tài)逆變器的頻率范圍窄，如感應(yīng)器改變時，不能進行頻率調(diào)節(jié)。本文

2、通過應(yīng)用igbt逆變器以設(shè)計大功率的直流穩(wěn)壓電源。本文首先介紹了所設(shè)計的大功率直流穩(wěn)壓電源的組成結(jié)構(gòu)和控制原理，并就電源主電路、控制電路、保護電路以及控制系統(tǒng)軟件的設(shè)計做了詳細(xì)地分析。主電路系統(tǒng)由輸入濾波整流電路、逆變電路、高頻變壓器、輸出整流濾波電路組成。逆變電路采用輸出功率較大的igbt全橋式逆變結(jié)構(gòu)，絕緣柵雙極晶體管（igbt）具有輸入阻抗高、工作速度快、通態(tài)電壓低、阻斷電壓高、承受電流大等優(yōu)點。根據(jù)大功率直流穩(wěn)壓電源的外特性的要求，設(shè)計中使用電壓、電流雙閉環(huán)反饋系統(tǒng)來控制電源外特性，得到的電源特性既有較好的功率特性，又有外拖特性，故系統(tǒng)有很好的外特性。文中詳細(xì)討論了上述電路的設(shè)計要點及

3、參數(shù)確定，以16位單片機80c196kc為控制核心，組成大功率直流穩(wěn)壓電源的控制系統(tǒng)。單片機通過采樣電路中的電壓、電流值，與給定值比較后可自動調(diào)節(jié)，同時還可顯示電路中的電壓、電流值，具有監(jiān)控功能。所以此系統(tǒng)不僅具有較高的可靠性，還具有良好的工藝性能。由于使用了高頻器件，整個系統(tǒng)具有小型化、輕量化、高效率等優(yōu)點，符合現(xiàn)代大功率直流穩(wěn)壓電源的發(fā)展潮流。故本系統(tǒng)具有較好的發(fā)展前景。關(guān)鍵詞是為了文獻標(biāo)引工作從論文中選取出來用以表示全文主題內(nèi)容信息款目的單詞或術(shù)語。如有可能，應(yīng)盡量用漢語主題詞表等詞表提供的規(guī)范詞。不用此信息時，刪除此框。關(guān)鍵詞：大功率直流穩(wěn)壓電源 ；80c196kc；igbt逆變器；微

4、機控制系統(tǒng)abstractthis article in view of present domestic uses in the power source is the thyristor static state invertor. its inversion frequency restriction below 8khz, the actual product is only about generally 1khz. the thyristor static state invertors frequency range is narrow, if time sensor chang

5、e, cannot carry on the frequency control. developed adapted using the igbt invertor in the high efficiency cocurrent voltage-stabilized sources development work.this article first introduced designs the high efficiency cocurrent voltage-stabilized sources composition structure and the control princi

6、ple, and on the power source main circuit, the control circuit, the protection circuit as well as the control system softwares design did have analyzed in detail.the contravariant welding machine main circuit system by the input filter leveling circuit, the contravariant electric circuit, the high-f

7、requency transformer, the output rectification filter circuit is composed. the contravariant electric circuit uses the output big igbt entire bridge-type inversion structure, insulates the grid bipolar transistor (igbt) to have the input impedance to be high, the working speed quick, passes conditio

8、n the voltage to be low, the breakdown voltage is high, withstanding electric current big and so on merits. according to the high efficiency cocurrent voltage-stabilized sources external characteristic request, in the design uses the voltage, the electric current double closed loop feedback system c

9、ontrol supply external characteristic, obtains the power source characteristic both has the good power characteristic, and outside has tows the characteristic, therefore the system has the very good external characteristic.the design key points and parameters are discussed in detail. high performanc

10、e 16-bit micro-processor 80c196kc is adopted for control kernel. the single chip can self-regulate after comparing the given value with the voltage and current value of sampling circuit, and at the same time show the voltage and current value of circuit. because has used the high frequency component

11、, the overall system has merits and so on miniaturization, lightweight, high efficiency, is in keeping with the modern high efficiency cocurrent voltage-stabilized sources development tidal current. therefore this system has the good prospects.key words：high efficiency current voltage-stabilized sou

12、rce， 80c196kc， igbt inverter， microprocessor control systems- 2 -目錄摘要1abstract2引言11 概述21.1 電源穩(wěn)定問題的提出21.2 輸出電壓不穩(wěn)定的因素21.3 直流穩(wěn)壓電源的技術(shù)指標(biāo)31.4 穩(wěn)壓電源的分類51.5 本文主要工作62 電源硬件系統(tǒng)設(shè)計72.1 單片機控制的直流穩(wěn)壓電源的總體設(shè)計72.1.1 電源的外特性72.2 元件選擇72.2.1 逆變電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)選擇72.2.2 逆變頻率的確定82.2.3 開關(guān)元件的選擇92.2.4 逆變控制方式的選擇102.3 單片機控制的直流穩(wěn)壓電源的總體設(shè)計102.3.1

13、 電源的主電路122.3.2 驅(qū)動電路132.3.3 hl402模塊的分析132.3.4 輸出電路152.3.5 直流穩(wěn)壓電源設(shè)計162.4 逆變器的控制電路202.5 電流閉環(huán)仿真263主電路的參數(shù)計算293.1輸入電路參數(shù)計算293.2逆變電路參數(shù)計算313.3輸出電路計算343.4紋波的抑制354輔助電路384.1電壓驅(qū)動型脈寬調(diào)制器384.2電流檢測電路394.3電壓檢測電路414.4脈沖調(diào)制工作點的選擇425單片機控制系統(tǒng)的設(shè)計435.1單片機最小系統(tǒng)設(shè)計435.2數(shù)模轉(zhuǎn)換電路446軟件設(shè)計45結(jié)論48參 考 文 獻49附錄a電路圖51致謝54北華大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）引言自70年代末

14、以來，國外迅速發(fā)展功率場效應(yīng)晶閘管（power mosfet）,絕緣門級雙級性晶閘管（igbt）和mos柵控晶閘管（mct）等新型功率開關(guān)器件，由于這些新型器件具有開關(guān)頻率高，器件自身的功率損耗小，因而轉(zhuǎn)換效率高，電路結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點，在加熱電源領(lǐng)域中，正在得到廣泛的應(yīng)用。其中igbt器件，其輸出管壓降低，一般在3v以下，器件本身的功耗小，具有晶閘管的優(yōu)點，適合于大電流工作，其控制端采用了場效應(yīng)管的技術(shù)，驅(qū)動非常小，適應(yīng)于高速開關(guān)，且沒有二次擊穿的問題，工作比較安全，因此屬于目前國際上有限發(fā)展的大功率開關(guān)器件。國外器件制造廠商推出了一系列大功率igbt模塊，其最大單管電流已達(dá)到1000a以上，耐

15、壓可達(dá)到1200v（有的可達(dá)到1400v），開關(guān)時間在600ns以下。其實際工作頻率可達(dá)到50khz，功率較小時可達(dá)到100khz，因此是極有前途的功率開關(guān)器件。但是，上述這些新型功率開關(guān)器件也存在一些弱點，如電壓與電流的過載能力弱，當(dāng)工作參數(shù)超過其安全范圍是，非常容易損壞。因此給電路結(jié)構(gòu)的設(shè)計與制造提出了新的要求，并且需要快速而有效的保護措施由于igbt逆變器的逆變頻率高，節(jié)能效果好，在各種電源中均有重要的應(yīng)用。但到目前為止，我國在應(yīng)用大功率igbt模塊制造大功率直流穩(wěn)壓電源還是比較少，大功率直流穩(wěn)壓電源主要應(yīng)用與我國的軍事和航天事業(yè)當(dāng)中，如適用于大功率沖擊負(fù)載和飛機、自行火炮、坦克、導(dǎo)彈等

16、武器裝備的起動電源。應(yīng)用在我國的重型工業(yè)中。1 概述1.1 電源穩(wěn)定問題的提出 許多電子設(shè)備都需要良好穩(wěn)定的直流供電電源，而外部提供的能源大多為交流電網(wǎng)電源，通常是通過火力發(fā)電、水利發(fā)電、核子發(fā)電及風(fēng)力發(fā)電獲得的。直流電源設(shè)備擔(dān)負(fù)著把交流電源轉(zhuǎn)換為電子設(shè)備所需的各種類別直流電源的任務(wù)。轉(zhuǎn)換后的直流電源要具有良好的穩(wěn)定性，當(dāng)電網(wǎng)或負(fù)載變化時，它能保持穩(wěn)定的輸出電壓，并具有較低的紋波。我們通常稱這種直流電源為直流穩(wěn)壓電源。說到穩(wěn)壓問題可以追溯到上一個世紀(jì)愛迪生發(fā)明電燈時，就曾考慮過穩(wěn)壓電源。到二十世紀(jì)初，就有了鐵磁穩(wěn)壓電源。電子管問世不久，就有人設(shè)計了電子管直流穩(wěn)壓電源。到四十年代后期，電子器件與

17、磁飽和元件相結(jié)合，構(gòu)成了電子控制的磁飽和交流穩(wěn)壓電源，至今還在應(yīng)用。五十年代，隨著半導(dǎo)體工業(yè)的飛躍發(fā)展，晶體管的誕生使晶體管串聯(lián)調(diào)整穩(wěn)壓電源，成了穩(wěn)壓電源的核心，這種局面一直維持到六十年代中期。隨著電子設(shè)備的進步，電子設(shè)備開始從分立元件進入集成電路時代，體積日益減小，裝機密度不斷提高，規(guī)模容量逐漸增大。這種晶體管串聯(lián)型常規(guī)電源難以滿足形勢發(fā)展的趨勢日益顯露。六十年代后期，科技工作者對穩(wěn)壓電源技術(shù)做了一次新的總結(jié)，使開關(guān)電源，可控硅電源得到了快速發(fā)展。與此同時，將穩(wěn)壓電源的大部分元器件都集成在一塊硅基片上的集成穩(wěn)壓電源也不斷發(fā)展。1.2 輸出電壓不穩(wěn)定的因素電源是電子設(shè)備的重要部分，其質(zhì)量好壞直

18、接影響著電子設(shè)備的可靠性，而且電子設(shè)備的故障60%來自電源。因此電源越來越受到人們的重視。電子電路及電子設(shè)備對電源最基本的要求就是電源的輸出電壓或輸出電流要穩(wěn)定。穩(wěn)壓電源的輸出電壓不是絕對不變的，只是變化很小。從穩(wěn)壓電路的原理分析，最主要的引起輸出電壓變化的因素有兩個：一是輸入電壓的變化引起的輸出電壓的變化；另一個是輸出電流的變化(由于負(fù)載變化)引起輸出電壓的變化。輸出電壓的變化很微小，但正是這個微小的變化經(jīng)放大后才能反饋去抵消原有的大部分變化。一般來說，穩(wěn)壓電路的設(shè)計首先要考慮輸入電壓和負(fù)載這兩個因素?；蛘哒f，首先要“抵制”的是這兩個因素引起的輸出電壓變化;也就是穩(wěn)壓電源穩(wěn)定電壓的能力首先要

19、看輸入電壓的變化和負(fù)載變化引起的輸出電壓的變化被限制到多小的程度。當(dāng)人為地保持輸入電壓和負(fù)載不變時，輸出電壓仍有變化。引起這種變化的因素很多，其中最主要的是溫度的變化，電路要工作起來，元器件上就有電流通過，就要消耗功率，引起溫升。取樣電阻和基準(zhǔn)源溫度的變化對輸出電壓的影響更大。1.3 直流穩(wěn)壓電源的技術(shù)指標(biāo)衡量一臺穩(wěn)壓電源的好壞，一方面要從功能角度來看，即容量大小(輸出電壓和輸出電流)、調(diào)節(jié)范圍大小、效率高低等，人們稱其為使用指標(biāo)或性能指標(biāo);另一方面要從外觀、形狀、體積、重量等直觀形象來看，這些稱為電氣指標(biāo);更重要的是要看它的質(zhì)量高低，即輸出電壓的穩(wěn)定度等，一般稱為質(zhì)量指標(biāo)。下面重點介紹質(zhì)量指

20、標(biāo)。(1)、描述輸入交流電壓變化對輸出電壓影響的技術(shù)指標(biāo)1.穩(wěn)壓系數(shù)穩(wěn)壓系數(shù)有絕對穩(wěn)壓系數(shù)和相對穩(wěn)壓系數(shù)兩種。絕對穩(wěn)壓系數(shù)表示負(fù)載不變而輸入交流電壓變化時，穩(wěn)壓電源輸出直流電壓變化量u0與輸入交流電壓變化量ui之比，即 (1.1) 它表示輸入交流電壓變化u，引起輸出電壓變化u0越小輸出電壓就越穩(wěn)定。這種表示方法在工程中常常用到。相對穩(wěn)壓系數(shù)表示負(fù)載不變時，穩(wěn)壓電源輸出直流電壓u0的相對變化量u0/ u0與輸入交流電壓u，的相對變化量ui/ u0之比，即 (1.2)2.電壓調(diào)整率電壓調(diào)整率表示負(fù)載電流為額定值時輸入交流電壓在額定值上下變化10%時，穩(wěn)壓電源輸出電壓的相對變化量(百分?jǐn)?shù))，即 (1

21、.3)一般直流穩(wěn)壓電源的電壓調(diào)整率為1%，0.1%，0.01%等。有的也可以用絕對值表示。(2)、描述負(fù)載變化對輸出電壓影響的技術(shù)指標(biāo)1.負(fù)載調(diào)整率(也稱電流調(diào)整率)在交流電源額定電壓的條件下，負(fù)載電流從零變化到最大時，輸出電壓的最大相對變化量，用百分?jǐn)?shù)表示。 (1.4)輸出電阻(也稱內(nèi)阻)在額定輸出電壓的條件下，負(fù)載電流變化引起輸出電壓變化u0，則輸出電阻為 (1.5)(3)、紋波電壓(現(xiàn)稱周期和隨機漂移，用pard表示)1.最大紋波電壓在額定輸出電壓和額定輸出電流條件下，輸出紋波(包括噪聲)電壓的絕對值大小，通常以峰值或有效值表示。2.紋波系數(shù)在額定輸出電壓和額定電流條件下，輸出紋波電壓的

22、有效值urms與輸出直流電壓u0之比，即 (1.6)(4)、溫度漂移和溫度系數(shù)環(huán)境溫度的變化會影響元器件參數(shù)的變化，從而引起穩(wěn)壓電源輸出電壓的變化，稱為溫度漂移。常用溫度系數(shù)表示溫度漂移的大小，溫度每變化1c所引起輸出電壓值的變化稱為絕對溫度系數(shù)，單位是v/c或mv/c。溫度每變化1c所引起的輸出電壓相對變化u0r/ u0t稱為相對溫度系數(shù)，單位是%/c。(5)、漂移穩(wěn)壓電源在輸入電壓、負(fù)載電流和環(huán)境溫度保持一定的情況下，經(jīng)過一定的工作時間后元器件參數(shù)的不穩(wěn)定也會造成輸出電壓的變化，慢變化叫做漂移，快變化叫噪聲。在一般使用中只考慮漂移就可以了。表示漂移的方法有兩種，一種是用指定時間內(nèi)輸出電壓值

23、的變化u0來表示;另一種是用指定時間內(nèi)輸出電壓的相對變化uot/uo、來表示。考察漂移時間可以定為1分鐘、10分鐘、1小時、8小時或更長。1.4 穩(wěn)壓電源的分類現(xiàn)代應(yīng)用的穩(wěn)壓電源的種類比較多，分類方式也很多。按穩(wěn)定對象分有交流穩(wěn)壓電源和直流穩(wěn)壓電源。是交流還是直流要看穩(wěn)壓電源的輸出電壓是交流還是直流。按穩(wěn)定方式分，有參數(shù)穩(wěn)壓電源和反饋調(diào)整穩(wěn)壓電源。參數(shù)穩(wěn)壓電源電路簡單，利用元件的非線性實現(xiàn)穩(wěn)壓，結(jié)構(gòu)也簡單。比如，用一只電阻和一只可控硅穩(wěn)壓管就能構(gòu)成參數(shù)穩(wěn)壓電源。反饋調(diào)整型穩(wěn)壓電源是一個負(fù)反饋閉環(huán)自動調(diào)整系統(tǒng)，它根據(jù)穩(wěn)壓電源的輸出電壓的變化量，經(jīng)過取樣、比較放大、再反饋給控制調(diào)整元件，使輸出電壓

24、得到補償而趨于原值，從而達(dá)到穩(wěn)定。此電路較復(fù)雜，但穩(wěn)定度高。按穩(wěn)壓電源的調(diào)整元件與負(fù)載的聯(lián)接方式來分類，可以分為并聯(lián)穩(wěn)壓電源和串聯(lián)穩(wěn)壓電源兩種。調(diào)整元件與負(fù)載并聯(lián)的叫并聯(lián)穩(wěn)壓電源或分流穩(wěn)壓電源，它通過改變調(diào)整管元件流過的電流的多少來適應(yīng)輸入電網(wǎng)電壓的變化及負(fù)載電流的變化，以保持輸出電壓的穩(wěn)定。這種穩(wěn)壓電源效率較低，只有某些專用場合才適用。調(diào)整元件與負(fù)載串聯(lián)的穩(wěn)壓電源叫做串聯(lián)穩(wěn)壓電源。在這種穩(wěn)壓電源中，調(diào)整元件串聯(lián)在輸入端和輸出端之間，輸出電壓就依靠調(diào)整元件改變自身的等效電阻來維持恒定。按調(diào)整元件分，有輝光放電管穩(wěn)壓電源，穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電源，電子管穩(wěn)壓電源，晶體管穩(wěn)壓電源，可控硅穩(wěn)壓電源等。按調(diào)整元

25、件的工作狀態(tài)分，有線性穩(wěn)壓電源和開關(guān)穩(wěn)壓電源。所謂線性穩(wěn)壓，就是其調(diào)整管工作在線性放大區(qū)。這種穩(wěn)壓電源的主要優(yōu)點是調(diào)壓范圍寬、穩(wěn)定度高，但變換效率低;開關(guān)穩(wěn)壓電源的調(diào)整管工作在開關(guān)狀態(tài)，主要的優(yōu)越性就是變換效率高，可達(dá)70%一95%。根據(jù)需要，還可以有其他分類方法，例如集成電極輸出型、發(fā)射極輸出型;高壓、低壓;通用、專用等。1.5 本文主要工作本課題主要是進行用單片機來控制直流穩(wěn)壓電源的研制工作。要求電源具有高可靠性。所以本文的主要工作有：在逆變電源的基礎(chǔ)上建立以80c196kc單片機為控制核心的微機控制系統(tǒng)，設(shè)計單片機控制系統(tǒng)硬件，在滿足控制系統(tǒng)要求的條件下，力求軟硬件的最佳組合。所研制的單

26、片機控制穩(wěn)壓電源的技術(shù)指標(biāo)如下： 輸入電壓： 380v三相交流50hz；輸出電壓 24v輸出電流 800a；2 電源硬件系統(tǒng)設(shè)計2.1 單片機控制的直流穩(wěn)壓電源的總體設(shè)計2.1.1 電源的外特性圖2.1 電壓電流外特性2.2 元件選擇2.2.1 逆變電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)選擇逆變電路拓?fù)溆型仆煨?、全橋、半橋等，如?.1所示。表2.1逆變電路的比較電路參數(shù)推挽式全橋式半橋式功率開關(guān)管集射極間施加電壓穩(wěn)態(tài)為2e,漏感引起的尖峰v 2e穩(wěn)態(tài)為e,二級管相位 ve同全橋輸出相同功率時集電極電流icic2ic功率開關(guān)管數(shù)量242輸出濾波電容數(shù)量112宜獲得的輸出數(shù)量大大中等由上表可以看出，要獲得大容量的輸出，宜

27、選用推挽式或全橋式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，但是推挽式電路中由于漏感引起的尖峰電壓是全橋式的2倍，這給電路設(shè)計與調(diào)試帶來了困難，并對開關(guān)管的耐壓提出了更高的要求，因而本系統(tǒng)采用已被廣泛應(yīng)用的全橋式電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。2.2.2 逆變頻率的確定選擇逆變頻率時應(yīng)考慮： 1、能有效地減少變壓器的體積和重量； 2、所采用的開關(guān)元器件的頻率特性； 3、經(jīng)濟性。按照正弦波分析，變壓器有以下的基本公式： (2.1) (2.2)式中，s為鐵心截面積；b為磁感應(yīng)強度的最大值。顯然，當(dāng)b一定時，提高逆變頻率不僅可降低變壓器的體積和重量，而且使控制精度提高。因此，通常認(rèn)為最佳逆變頻率是在考慮到電路固有頻率(電路的l、r、c決定電流衰減速

28、度)的基礎(chǔ)上，選用功率開關(guān)器件所能接受的最高頻率(常以次級整流管的開關(guān)特性為參考基準(zhǔn))。但是經(jīng)過實際調(diào)試發(fā)現(xiàn)，隨著逆變工作頻率提高，管子的功耗也增大，相應(yīng)的散熱器體積總量增大，不利于電源整機體積的縮小，而且還會導(dǎo)致變壓器漏抗惡化，從而影響電源的正常工作。綜合以上因數(shù)，結(jié)合參考國內(nèi)外的研究水平和使用情況，本研究中的電源逆變工作頻率選為20khz。2.2.3 開關(guān)元件的選擇逆變器中最重要的一個器件就是功率開關(guān)元件，而功率開關(guān)元件正朝著高壓大容量、集成化、全控化、高頻化及多功能化方向發(fā)展。從可控性來分，可以大致分為半控型和全控型器件。全控型器件的開通和關(guān)斷是由柵極控制，具有導(dǎo)通電阻小、正向壓降低、開

29、關(guān)速度快、開關(guān)損耗低、di/dt及dv/dt耐量大的優(yōu)點。在逆變電源中，對功率半導(dǎo)體器件(尤其是開關(guān)管)有如下基本要求：1、耐電壓值高；2、開關(guān)速度快，開關(guān)損耗低；3、動態(tài)特性di/dt及dv/dt耐量要高；4、耐沖擊電流大，可靠工作范圍大；5、熱穩(wěn)定性好。基于以上考慮，全控型器件是應(yīng)優(yōu)先考慮選用的器件。表2.2給出了達(dá)林頓gtr、功率mosfet和igbt三種全控型器件的特性比較。gtr開關(guān)速度較低，對di/dt有影響，而且是電流驅(qū)動方式，驅(qū)動功率較大，還存在二次擊穿問題；功率mosfet有較好的高速控制性能，然而容量小，難以實現(xiàn)大電流，主要應(yīng)用于小型和輕型設(shè)備中；igbt是mosfet與雙

30、極晶體管的復(fù)合器件，它兼有mosfet易驅(qū)動和功率晶體管電壓、電流容量大的優(yōu)點，其頻率特性介于mosfet與功率晶體管之間，可正常工作于幾十千赫茲頻率范圍內(nèi)，在較高頻率的大中功率應(yīng)用中占據(jù)了主導(dǎo)地位。本文選用igbt作為電路主控開關(guān)功率器件。表2.2 gtr 、mosfet和igbt器件名稱達(dá)林頓gtr功率mosfetigbt開關(guān)速度100.312安全工作區(qū)小大大額定電流密度（a/)203051050100驅(qū)動功率大小小驅(qū)動方式電流電壓電壓高壓化易難易大電流化易難易高速化難極易易飽和壓降極低高低并聯(lián)使用較易易易對于次級整流元件，肖特基勢壘二極管其正向壓降很小，反向恢復(fù)時間也極短，應(yīng)是首選元件，

31、這樣可以降低功耗提高電源效率。2.2.4 逆變控制方式的選擇逆變技術(shù)的輸出控制方式常用“時間比率控制”方式，通過改變導(dǎo)通時間ton和工作周期比例亦即脈沖的占空比來實現(xiàn)?？刂品绞接腥N：(1)脈沖寬度調(diào)制型(pwm )：開關(guān)周期恒定，調(diào)節(jié)導(dǎo)通脈沖的寬度；(2)脈沖頻率調(diào)制型(pfm)：導(dǎo)通脈沖寬度恒定，調(diào)節(jié)開關(guān)工作頻率；(3)混合調(diào)制型：把pwm和pfm結(jié)合在一起?？刂葡到y(tǒng)采用單片機為核心的控制系統(tǒng)，最方便的是pwm控制方式2.3 單片機控制的直流穩(wěn)壓電源的總體設(shè)計圖2.2 單片機控制的逆變電源的總體框圖單片機控制的逆變電源的總體框圖如圖2.2所示，整套裝置主要由電源主電路、pwm控制電路、驅(qū)動

32、電路和單片機控制電路四部分組成。下面簡要介紹一下這幾部分的電路功能：1)主電路及驅(qū)動電路的功能主電路用來實現(xiàn)輸入功率到輸出功率的能量轉(zhuǎn)換，驅(qū)動電路用來將脈寬調(diào)制電路輸出的控制脈沖轉(zhuǎn)換成符合開關(guān)功率器件要求的電平和阻抗形式，同時實現(xiàn)主電路和控制電路之間的電氣隔離，其對功率開關(guān)元件的開關(guān)時間、損耗等有著直接的影響。另外，還需要在開關(guān)器件的工作點超出安全工作區(qū)時提供保護信號。2)基本控制電路的功能基本控制電路的任務(wù)是根據(jù)單片機輸出的電流給定值與實際電流反饋值的差值，通過調(diào)節(jié)輸出脈沖的占空比來實現(xiàn)穩(wěn)定的輸出。3)單片機控制電路的功能為實現(xiàn)直流穩(wěn)壓電源，單片機系統(tǒng)控制電路用來輸出其所需的電壓、電流。以實

33、現(xiàn)設(shè)計所要求的電源的電流和電壓的穩(wěn)定性2.3.1 電源的主電路圖2.3 電源主電路由圖可見，電源主電路遵循一般逆變的ac-dc-ac-dc形式，三相工頻交流網(wǎng)路電壓經(jīng)過整流模塊整流和濾波，得到大約540v的直流電壓。該直流電壓施加到由功率開關(guān)管igbt和中頻變壓器組成的逆變器上。功率開關(guān)管vt1、vt2、vt3、vt4組成橋的四臂，中頻變壓器ti連接在它們中間，相對橋臂上的一對功率開關(guān)管vti、vt3和vt2、vt4由柵極驅(qū)動電路以脈沖方式激勵而交替地通斷，將直流電壓變換成20khz的中頻交變電壓，中頻變壓器同時將大約540v電壓降為24v左右的電壓，然后經(jīng)輸出整流器整流濾波，輸出直流電壓。在

34、全橋電路中，變壓器的電壓為，如果我們假定逆變器的效率為85%，占空比為0.8，則igbt管的工作電流為： (2.3)2.3.2 驅(qū)動電路驅(qū)動電路的作用主要是對驅(qū)動信號進行功率放大，并保證一定的脈沖前沿、后沿陡度，使其有足夠的能力使igbt飽和導(dǎo)通。同時，驅(qū)動電路還起到控制電路與主電路的電氣隔離作用和故障信號的采集作用。根據(jù)igbt靜特性和動特性，對igbt的驅(qū)動電路提出下列要求和條件：(1)由于是容性輸入阻抗，因此igbt對門極電荷集聚很敏感，驅(qū)動電路必須可靠，要保證有一條低阻值的放電回路。(2)用低內(nèi)阻的驅(qū)動源對門極電容充放電，以保證門極控制電壓u有足夠陡降的前后沿，使igbt的開關(guān)損耗盡量

35、小。另外，igbt開通后，門極驅(qū)動源應(yīng)提供足夠的功率使igbt不致退出飽和而損壞。(3)門極電路的正偏電壓為+12v+15v，負(fù)偏電壓應(yīng)為-2v-10v。(4)igbt多用于高壓場合，故驅(qū)動電路應(yīng)與整個控制電路在電位上嚴(yán)格隔離。(5)門極驅(qū)動電路應(yīng)盡可能簡單、實用，具有對igbt的自保護功能，并有較強的抗干擾能力。(6)若為大電感負(fù)載，igbt的關(guān)斷時間不宜過短，以限制尖峰電壓，保護igbt安全。大多數(shù)igbt生產(chǎn)廠家為了解決igbt的可靠性問題，都生產(chǎn)與其相配套的混合集成電路。根據(jù)igbt管的型號，選用hl402（400a/600v及300a/1200v）快速型igbt專用模塊來驅(qū)動igbt

36、管。3igbt的保護將igbt用于逆變器時，應(yīng)采取保護措施以防損壞器件。常用保護措施有：1）通過檢出的過電流信號切斷門極控制信號，實現(xiàn)過電流保護。2）利用緩沖電路抑制并限制過量的du/dt。3）利用溫度傳感器檢測igbt的殼溫，當(dāng)超過允許溫度時主電路跳閘，實現(xiàn)過熱保護。2.3.3 hl402模塊的分析hl402是17腳單列直插式結(jié)構(gòu)，內(nèi)置有靜電屏蔽層的高速光耦合器實現(xiàn)信號隔離，抗干擾能力強，響應(yīng)速度快，隔離電壓高。它具有對igbt進行降柵壓、軟關(guān)斷雙重保護功能，在軟關(guān)斷及降柵壓的同時能輸出報警信號，實現(xiàn)封鎖脈沖或分?jǐn)嘀骰芈返谋Ｗo。它輸出驅(qū)動電壓幅值高，正向驅(qū)動電壓可達(dá)1517v，負(fù)向偏置電壓可

37、達(dá)1012v，因而可用來直接驅(qū)動容量為400a/600v及300a/1200v以下的igbt。hl402結(jié)構(gòu)圖如圖2.4所示。圖2.4中，vl1為帶靜電屏蔽的光耦合器，它用來實現(xiàn)與輸入信號的隔離。由于它具有靜電屏蔽，因而顯著提高了hl402抗共模干擾的能力。圖2.4中u1為脈沖放大器，s1、s2實現(xiàn)驅(qū)動脈沖功率放大，u2為降柵壓比較器，正常情況下由于腳9輸入的igbt集電極電壓vce不高于u2的基準(zhǔn)電壓vref，u2不翻轉(zhuǎn)，s3不導(dǎo)通，故從腳17和腳16輸入的驅(qū)動脈沖信號經(jīng)s2整形后不被封鎖。該驅(qū)動脈沖經(jīng)s2、s2放大后提供給igbt使其導(dǎo)通或關(guān)斷，一旦igbt退飽和，則腳9輸入集電極電壓給i

38、gbt使其導(dǎo)通或關(guān)斷，并且腳9輸入的集電極電壓采樣信號vce高于u2的基準(zhǔn)電壓vref，比較器u2翻轉(zhuǎn)輸出高電平，使s3導(dǎo)通，由穩(wěn)壓管dz2將驅(qū)動器輸出的柵極電壓vge降低到10v。此時，軟關(guān)斷定時器u3在降柵壓比較器u2翻轉(zhuǎn)達(dá)到設(shè)定的時間后，輸出正電壓使s4導(dǎo)通，將柵極電壓軟關(guān)斷降到igbt的柵射極門限電壓，給igbt提供一個負(fù)的驅(qū)動電壓，保證igbt可靠關(guān)斷。圖2.4 hl402 驅(qū)動結(jié)構(gòu)圖2.3.4 輸出電路本設(shè)計的輸出電壓是直流低電壓，具有一定的輸出功率。輸出電路上對高頻變壓器次級的高頻方波電壓進行整流濾波。為了獲得高質(zhì)量的直流輸出電壓，需要一些特殊的元器件，如肖特基勢壘整流二極管以及

39、存儲能的電感，以產(chǎn)生低噪音的輸出電壓。1輸出整流和濾波電路全橋式逆變電器的輸出電路如圖2.5所示，由于二極管d7、d8都給輸出端提供半周期的電流，所以它們分擔(dān)著相等的負(fù)荷電流，它們不需要續(xù)流二極管，因為當(dāng)一個二極管截止時，另一個二極管就導(dǎo)通起到了續(xù)流的作用。但是，對二極管的反向截止電壓參數(shù)的要求就高了，它的最小值應(yīng)是：2.4vovimax / vimin2功率整流器的特點全橋式逆變器的輸出電路如圖2.5所示：圖2.5 全橋式逆變器的輸出電路輸出電路中的整流二極管必須具有正向降低、快速恢復(fù)的特點，還應(yīng)有具有足夠的輸出功率。普通的pn結(jié)二極管不適于作為開關(guān)使用，因為它們恢復(fù)得慢，并且效率低。在電源

40、中，可以使用三種類型的整流二極管：1) 高效快速恢復(fù)二極管2) 高效超快恢復(fù)二極管3) 肖特基勢壘整流二極管肖特基勢壘整流二極管即使在大的正向電流作用下，其正向壓降也很低，僅有0.4v左右。由于它具有這一優(yōu)點，使得肖特基勢壘整流二極管特別適用于5v左右的低電壓輸出電路中。因為在一般情況下，低電壓輸出所驅(qū)動的負(fù)載電流都很大。而且隨著結(jié)溫的增加，其正向壓降更低。肖特基勢壘整流二極管的反向恢復(fù)時間是可以忽略不計的，因為此器件是多數(shù)載流子半導(dǎo)體器件，在器件的開關(guān)過程中，沒有消除少數(shù)載流存儲電荷的問題。肖特基勢壘整流二極管存在著兩個主要缺點：1)其反向截止電壓的承受能力較低，目前的產(chǎn)品大約是100v。2

41、)它們有較大的反向漏電流，使得該器件比其它類型的整流器件更容易受熱。當(dāng)然，這些缺點也可以通過增加瞬時過壓保護電路及適應(yīng)控制結(jié)溫來克服。2.3.5 直流穩(wěn)壓電源設(shè)計1igbt驅(qū)動器用電源每塊igbt驅(qū)動器模塊(hl402)均需要一個單獨電源的直流穩(wěn)壓電源供電。有驅(qū)動器模塊的內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)得知，需要穩(wěn)壓電源提供25v直流電源，最大輸出電流不大于50ma即可。1)選穩(wěn)壓管因為要求輸出直流電壓25v，即25v，所以穩(wěn)壓管vd5的穩(wěn)壓值25v。設(shè)電源輸出電流50ma時，流過穩(wěn)壓管vd5的電流5ma。當(dāng)負(fù)載開路時，流過vd5的電流增加到。 (2.4)2)選定直流輸入電壓通常選 (2.5) 在此我們?nèi)?0v。

42、3)求限流電阻 假定變化10%，則1.11.16066v (2.6) 0.90.96054v (2.7) 限流電阻的值范圍為： (2.8)0.8kr16.8k取1000。 1.55510-31000=82.5v (2.9) 取84v。4)選擇整流二極管流過二極管的電流： 帶負(fù)載時，整流電壓1.2 （2.10）則變壓器副邊的最大反向有效值為： (2.11) 二極管承受的最大反向電壓為： (2.12) 因此，可選用最大整流電流為50ma，最大反向工作電壓為100v三相橋式整流塊即可。5)選擇濾波電容c一般要求。式中為整流電源的總負(fù)載，即t為直流電源周期，t0.02s (2.13)f (2.14) 取100f，耐壓為63v的電解電容器。2運算放大器用穩(wěn)壓電源的設(shè)計該電源主要給運算放大器，電流、電壓轉(zhuǎn)換器以及過電流繼電器供電。輸出直流電壓為15v，正電源輸出電流為1a，負(fù)電源輸出電流為500ma。運算放大器穩(wěn)壓電源電路如圖2.6所示。圖2.6 運算放大器穩(wěn)壓電源電源采用7815、7915穩(wěn)壓塊穩(wěn)壓，最大輸出電流可達(dá)1.5a。負(fù)載電阻 (2.15) 同理實取1667f，= =3333f 耐壓63v。整流器選用3a/100v整流模塊。3單片機用 +5v穩(wěn)壓電源的設(shè)計單片機用+5v穩(wěn)壓電源，要求能夠輸出200ma電流。單片機穩(wěn)壓電源電路如圖2.7所示：圖2.7 單片機穩(wěn)壓電源