高壓開關(guān)電源設(shè)計(jì)

1、分類號(hào) U D C密級(jí): 編號(hào):工學(xué)碩士碩士學(xué)位論文(高校教師高壓開關(guān)電源設(shè)計(jì)碩士研究生:指導(dǎo)教師 :學(xué)位級(jí)別 :學(xué)科、專業(yè);所在單位 :論文提交日期:論文答辯日期:學(xué)位授予單位:孟繁榮葉秀芬教授高校教師控制理論與控制工程自動(dòng)化學(xué)院2005年12月15日2006年03月05目哈爾濱工程大學(xué)Y.936219晗爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文摘 要高壓直流電源在日常的生產(chǎn)、生活中有著廣泛的應(yīng)用,尤其在軍事、醫(yī) 療和絕緣測(cè)試等領(lǐng)域應(yīng)用更為頻繁。傳統(tǒng)的高壓直流電源采用線性電源技術(shù) 的較多,這種結(jié)構(gòu)形式造成電源整體效率較低,性能一般,體積大,重量沉。 隨著開關(guān)電源技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展,各類用途的直流電源都傾向于采用

2、開關(guān)電 源技術(shù)。開關(guān)電源以其線性電源無法比擬的特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)已經(jīng)成為電源行業(yè)的 主流形式。開關(guān)電源技術(shù)應(yīng)用于高壓直流電源領(lǐng)域,使高壓直流電源變得體 積小,重量輕,效率高,性能更好。本次論文研究工作是針對(duì)x射線發(fā)生裝置設(shè)計(jì)所需高壓電源。論文首先 介紹了目前高壓直流電源領(lǐng)域的發(fā)展情況,和X光管工作的基本原理,論證 了各種開關(guān)電源主電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),由于單一結(jié)構(gòu)形式的變換器難以滿足系 統(tǒng)功能和性能指標(biāo)的要求,提出了一種組合式結(jié)構(gòu),以半橋式變換器組合降 壓斬波電路的主電路結(jié)構(gòu)形式,應(yīng)用MATLB仿真驗(yàn)證了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可行 性。然后論文針對(duì)主電路中各主要元件參數(shù)進(jìn)行了具體計(jì)算,對(duì)變換器中較 為關(guān)鍵的高壓變壓器進(jìn)

3、行了具體設(shè)計(jì),并指出了變壓器制造過程中影響性能 指標(biāo)的關(guān)鍵因素和解狹辦法?？刂齐娐吩O(shè)計(jì)中選用開關(guān)電源專用芯片TL494作為主要控制芯片,應(yīng)用精密運(yùn)算放大器和隔離反饋元件構(gòu)成系統(tǒng)的反饋和 PI調(diào)節(jié)控制器,應(yīng)用控制領(lǐng)域使用晟為廣泛的5l系列單片機(jī)構(gòu)成控制電路 中的數(shù)字控制部分,結(jié)合信號(hào)檢測(cè)技術(shù),組成具有完善控制和保護(hù)功能的電 源系統(tǒng)。在論文的系統(tǒng)調(diào)試部分記錄了此次設(shè)計(jì)的電源的調(diào)試步驟和過程, 以及每步調(diào)試的波形和數(shù)據(jù),尤其重要的是發(fā)現(xiàn)并記錄了TL494的設(shè)計(jì)缺陷, 提出了補(bǔ)救方法。經(jīng)過多次試驗(yàn)和反復(fù)補(bǔ)充修改設(shè)計(jì),最終制成了一臺(tái)具有 較高性能指標(biāo)的高壓開關(guān)電源樣機(jī)。關(guān)鍵詞i 開關(guān)電源;半橋;TL49

4、4哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文A6s昀cfHi曲Voltage direct cuH_em power supply(DcPsis applied broadly in daily life a11d prodljction,especially used fequently in military,medical arld insul ation teSt.Tmditi伽Ial HVDCPS mainlv ado口ts technolo蝌of 1inear power supply Such type ofs仃ucture makes the whole e硒ciency ofpower su

5、pply be 10w, common p幽Hnance, large and heavy.With t11e development and advancementof s“tch power supply technology(SPST, dircct current power supplies in difrerent use are iIldined t0adopt SPST,Switch power Supply(SPShas been the mainstre跏of power supply indus虹y due to its chamctcristics and advant

6、age wim whjch linear power supply cannot be compared.SPS applies in the field of HVDCPS,n makes HVDCPS be small,lig蛾,11i曲e撬ciency and be讎er perfonrmce.The research、ork in this paper aims at HVDCPS needed by design of X.ray generation device.At firsL伍e curr即t development of HVDCPS field is introduced

7、,鉦ld also the b硒ic p血1ciple of X.r科mbe.It demonstrates yarious topology st】mctllres of main circuits of SPS.Because也e convertor wit上1single type ofstrucnlre cannot mcet tlle needofsystemction and pebnnance index, it presents a combiIled曲nlcture,mat is,tlle maill circuit type of sml種ure of half-bridg

8、e convertor co瑚bined b00st chopDer.The feasibili坪0f system desi蛐is 把stified by Matlab simlllation.Then,the paraIIleters ofmajn components ofmain circuit are comp啦ed.The key 11igh voltage trans南mler in cOnver幻r is eIesigned. At the s鋤e time,it poims out也e key factors,which have e埔;ct on perfomlaIlce

9、index in也e process of desi掣ling趾d prodllction of仃ansfonner,and gives the solution.At last,TL494洲p is selected船tlle main control cIlip in designmg of control circuit.The system feedlack and PI controller coIlSist of prccision operation amplifier觚d separated feedback cOmponent.And dig“a1control is mad

10、e of 51series SCM蛐chistllemost謝dclyusedin協(xié)efield ofcon訂01.111e techn0109y Ofdetection is combincd t0compose也e power suppIy system,which has me perfect con訂ol and p眥ection fIlnction.The debuggIlg procedure a11d process oftlle design are recorded in也e part of s”tem debugging,孤d also n玲聃氌ves卸d data h e

11、ach step ofdebu髂ing.What is import趾t is that it finds and records t11e desi呈皿defcct of TL494.And the remedy wav is presented.ARer r啪v times tests and modi母ing design,a s鋤ple machine ofswitch hi曲voltage power supply wi也high peff0HnaIlce index is finished.Keywords:Switch power supply;half-bridge;TL494

12、哈爾濱工程大學(xué)學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明:本論文的所有工作,是在導(dǎo)師的指導(dǎo)下, 由作者本人獨(dú)立完成的。有關(guān)觀點(diǎn)、方法、數(shù)據(jù)和文獻(xiàn)等的 引用已在文中指出,并與參考文獻(xiàn)相對(duì)應(yīng)。除文中已經(jīng)注明 引用的內(nèi)容外,本論文不包含任何其他個(gè)人或集體已公開發(fā) 表的作品成果。對(duì)本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體, 均已在文中以明確方式標(biāo)明。本人完全意識(shí)到本聲明的法律 結(jié)果由本人承擔(dān)。作者(簽字:至絲 臼 期:。年月(口曰哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文第1章緒論1.1高壓直流電源簡(jiǎn)介咖帥1在當(dāng)今的軍事、工業(yè)、日常生活等領(lǐng)域,高壓直流電源有著廣泛的應(yīng)用, 尤其在絕緣測(cè)試和醫(yī)學(xué)方面。在電工材料和絕緣測(cè)試領(lǐng)域經(jīng)常用高壓直

13、流電 源去檢測(cè)絕緣材料和高壓電氣設(shè)備的介電強(qiáng)度,有時(shí)還用高壓直流電源代替 高壓交流電源進(jìn)行電力電容器、電力電纜等的耐壓試驗(yàn);在醫(yī)學(xué)方面高壓直 流電源是經(jīng)常用于x光機(jī)、cT等大型設(shè)備。傳統(tǒng)的高壓直流電源通常用工頻交流電源經(jīng)升壓變壓器升壓、整流濾波 而得。如圖1.1所示,其中T為升壓變壓器,C為濾波電容,R1、R2為電阻主要起限流保護(hù)的作用。對(duì)于電壓不是很高的場(chǎng)合,可用半波整流電、j 路,全波或橋式整流電路得到直流電t一壓。 在實(shí)際應(yīng)用中升壓變壓器之前要加自藕調(diào)壓器,通過調(diào)整自藕調(diào)壓器實(shí)現(xiàn)調(diào)整高壓直流輸出的目的。T R1I毪 一一口一廠、 士 C=二 圖1.1整流電路 這類整流電路優(yōu)點(diǎn)是接線簡(jiǎn)單,

14、缺點(diǎn)是所用設(shè)備、組件的電壓較高,體 積、重量和占地面積大,一般只能作為試驗(yàn)室內(nèi)使用。上述高壓整流線路所能獲得的最高直流電壓,只能是接近變壓器輸出7. 電壓的峰值。對(duì)于要獲得比峰值更高的直流電壓,而且電流比較小的情況,就要采用倍壓整流電路,如圖l_2所示。 電路工作過程是這樣的,在正弦波負(fù)半周電源通過V2對(duì)C1充電,在正弦C1V11 l丕c2, V:p 圖1.2倍壓整流電路 。哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文波的正半周,電源和C2同時(shí)對(duì)c1充電,c2上獲得的電壓約為電源電壓的峰 值和C1上電壓的和,因此,經(jīng)過幾個(gè)周期后,c2上的電壓約為變壓器輸出 電壓峰值的2倍。若要更高的直流電壓,可以把幾級(jí)倍壓電路

15、串接在一起, 每一級(jí)都能獲得約2倍峰值電壓的直流電壓。著有:n級(jí)串聯(lián),則可得到2n 倍的直流電壓,但級(jí)數(shù)越多,內(nèi)阻抗越大,實(shí)際輸出電壓比預(yù)期值小得越多, 同時(shí)脈動(dòng)系數(shù)也越大。因此,級(jí)數(shù)不宜太多,一般不超過5級(jí)。1.2高壓開關(guān)電源簡(jiǎn)介H1隨著電力電子器件和相關(guān)應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展,作為用電設(shè)備心臟的電源系 統(tǒng)發(fā)生了很大的變化。以開關(guān)方式工作的直流穩(wěn)壓電源以其體積小、重量輕、 效率高、穩(wěn)壓效果好的特點(diǎn),正逐步取代傳統(tǒng)電源的位置,成為電源行業(yè)的 主流形式。高壓直流電源領(lǐng)域也同樣深受開關(guān)電源技術(shù)影響,并己廣泛地應(yīng) 用于系統(tǒng)之中。應(yīng)用電力電子器件產(chǎn)生高壓直流的結(jié)構(gòu)框圖見圖1.3,交流電源經(jīng)整流 單元整流、濾波

16、后,變成低壓直流,逆變單元由控制單元控制,使低壓直流 電壓逆變成高頻方波電壓,經(jīng)高頻變壓器形成高頻高壓的方波電壓,然后經(jīng) 高壓整流輸出變成直流高壓,電壓反饋單元將輸出的高壓信號(hào)反饋到控制單控制單元卡電壓反饋單元圖1.3應(yīng)用電力電子器件的高壓直流電源的結(jié)構(gòu)圖元,只要調(diào)整控制單元的設(shè)定電壓,就可調(diào)節(jié)直流高壓的輸出電壓。其中整 流單元通常采用不可控橋式整流,結(jié)合電感和電容加以濾波;逆變單元根據(jù) 所含開關(guān)管數(shù)量,可以分為單管、雙管(半橋式和推挽式和四管(H橋式, 根據(jù)開關(guān)頻率和電流電壓參數(shù)不同,開關(guān)組件多用IGBT和MOSFET;高頻變 壓器最重要的參數(shù)是頻率,通常頻率在幾KHz至幾十I(Hz之間。采

17、用開關(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, 2哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文穩(wěn)定度高,紋波系數(shù)低,保護(hù)速度快等優(yōu)點(diǎn),因此它必然在高壓直流電源中 有更廣泛的應(yīng)用。1.3高壓開關(guān)電源發(fā)展趨勢(shì)口1在國(guó)外,從70年代開始,日本的一些公司開始采用開關(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一2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,高壓開關(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關(guān)組件,將電源的開關(guān)頻率提高到20kH以上。 并將干式變壓器技術(shù)成功的應(yīng)用于高頻高壓

18、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。近十年來,隨著電力電予技術(shù)的進(jìn)步和開 關(guān)器件的發(fā)展,高壓開關(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:如Philips公司30kw以下移動(dòng)式x光機(jī)的x線發(fā)生裝置頻率達(dá)30kHz以上, 德國(guó)的霍夫曼公司高壓發(fā)生器頻率高達(dá)40kHz。98年以后通用電氣公司和瓦 瑞安公司都研制成功100kHzx線機(jī)發(fā)生器。另外,高壓開關(guān)電源的功率也在 不斷地提高,lO一30kw的大功率高壓開關(guān)電源在產(chǎn)品上己很成熟,更高功率 的高壓開關(guān)電源也有很快的發(fā)展,如:用于雷達(dá)發(fā)射機(jī)的140kw高壓開關(guān)電 源(俄羅斯;用于脈沖功率技術(shù)中的300kw大功率恒流充電電

19、源(美國(guó)EEv 公司等等?？梢钥闯?高壓開關(guān)電源的發(fā)展的主要趨勢(shì)是:(1頻率不斷提高(2功率不斷增加我國(guó)自80年代初開始對(duì)高頻化的高壓大功率開關(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(8580501,200kV高壓直流開關(guān)電源的研制,輸出功率達(dá)20Kw:國(guó)家自然基金資助項(xiàng)目(69871002產(chǎn)生高濃度臭氧用20kHz高壓逆變電源的 研制,電源的轉(zhuǎn)換效率80%,輸出功率最高達(dá)20kw,電源體積降至原體積1/5, 臭氧發(fā)生器體積降為原來1/6,還減少了原材料消耗;靜電除塵高壓直流電 源也實(shí)現(xiàn)了高頻化,采用全橋零電流開關(guān)串聯(lián)諧振逆變電路

20、將直流電壓逆變 為高頻電壓,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 1哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文件下,輸出直流電壓達(dá)到55kV,電流達(dá)到15IIlA,工作頻率為25.6kHz. 總之,我國(guó)高壓開關(guān)電源技術(shù)己取得了很大的進(jìn)步,但同國(guó)外相比還有 很大的差距,特別是大功率高壓開關(guān)電源技術(shù)仍處在研發(fā)之中。1.4x光管介紹X射線的發(fā)生主要是應(yīng)用x光管。中小型x光管,功耗較低,采用自然 冷卻的方式,管體的尺寸小,使用壽命長(zhǎng)。工作時(shí)在鎢絲兩端加上燈絲電壓 加熱使其發(fā)射熱電子,再通過x光管陰極、陽(yáng)極間的高壓使其加速成為高速 電子。當(dāng)它轟擊陽(yáng)極時(shí),會(huì)激發(fā)出x射線。要使鎢絲中的電子能夠克服金屬表面

21、勢(shì)壘的吸引而逸出,必須獲得一定 的能量用來做逸出功。若不考慮外加電場(chǎng),發(fā)射的電子流密度與金屬溫度的關(guān)系如下:一“L,o=Ar28百 (11 其中:一=刪oe?！?0啪一芷。,D為平均透射系數(shù),A為常數(shù) 120.4(彳繃足.2,邑為r=O時(shí)的逸出功,足為常數(shù)、丁為絕對(duì)溫度。 可見金屬的熱電子發(fā)射電流密度與溫度丁和逸出功E。是指數(shù)關(guān)系。 考慮到外加電場(chǎng),則:ln以:ln挈睦罐 (1_2。di其中:圪為陽(yáng)極電壓,d為陰、陽(yáng)極間距離(cm。由于陰陽(yáng)極材料不同,%、k分別為陰極、陽(yáng)極的逸出功, %一=蘭生翌表示接觸電位差。平均發(fā)射一個(gè)熱電子所需要的能量為:E。:EM+2尼71(13 若熱陰極發(fā)射電流為J

22、。,則維持其穩(wěn)定發(fā)射的功率為:尸:!:皇! (卜4 由于在鎢絲兩端加上燈絲電壓,鎢絲流過電流產(chǎn)生發(fā)熱,導(dǎo)致溫度上升, 4哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文根據(jù)能量守恒定律有Q=矽,即:坐:生:坐:墾 (15 R B其中:【,鎢絲兩端的電壓,。=J。s+圖1.4x射線管供電示意圖綜合以上各式可以求出電子流與陰極高壓及燈絲電壓的關(guān)系式。然而,實(shí)際上我們無法確切知道x光管的某些參數(shù),還有存在其它的物 理變化,因此,很難在定量上確定它們之間的關(guān)系式。從定性上分析它們之 間近似為指數(shù)關(guān)系。由于x射線管的特性,要求高壓電源的輸出穩(wěn)定性好,大范圍連續(xù)可調(diào), 轉(zhuǎn)換效率高。1.5論文的主要工作本論文研究工作主要是結(jié)合與

23、地方企業(yè)合作的科研項(xiàng)目高壓直流電源 進(jìn)行的。主要內(nèi)容是研制用于x射線發(fā)生的高壓開關(guān)電源,電源性能指標(biāo)如 下:(1輸入Ac220V,輸出:高壓回路DC530KV,330mA,燈絲回路:AClOV,O4A;(2室溫環(huán)境下能夠24小時(shí)連續(xù)工作;(3具有輸出過壓、過流保護(hù);(4在輸入電壓波動(dòng)10%的情況下,輸出電壓穩(wěn)定度不劣于0.1%;(5輸出電壓紋波不大于O.1%。針對(duì)技術(shù)指標(biāo)要求,論文將主要針對(duì)以下幾個(gè)方面的工作進(jìn)行深入研究 5哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文和設(shè)計(jì):(1選擇并設(shè)計(jì)系統(tǒng)主電路:設(shè)計(jì)主電路的結(jié)構(gòu)形式,并對(duì)主要參數(shù)進(jìn) 行計(jì)算;(2設(shè)計(jì)高壓變壓器;(3設(shè)計(jì)控制電路:(4系統(tǒng)調(diào)試。論文的結(jié)構(gòu)如下

24、:第一章為綜述,簡(jiǎn)單說明高壓直流電源基本情況,介 紹國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀,闡述本論文工作的重點(diǎn):第二章主要將介紹系統(tǒng)主電路 的設(shè)計(jì);第三章介紹高壓變壓器的設(shè)計(jì);第四章介紹系統(tǒng)控制電路的設(shè)計(jì); 第五章為系統(tǒng)調(diào)試。最后,論文進(jìn)行總結(jié),并對(duì)將來的研究工作進(jìn)行展望。墮堡堡三堡奎蘭堡主堂篁絲壅第2章主電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)本章的主要目的是研究常用開關(guān)電源主回路結(jié)構(gòu),提出自己的結(jié)構(gòu)形式, 并對(duì)其中關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。2.1主電路結(jié)構(gòu)介紹由于主電路形式直接關(guān)系到電源的重要性能指標(biāo),論文設(shè)計(jì)要求的性能 指標(biāo)又較高,因此,要對(duì)各種結(jié)構(gòu)加以比較分析。2.1.1正激電路31圖2.1正激電路的原理圖正激電路原理圈如圖2.1所示。電路的

25、工作過程:開關(guān)S開通后,變壓器繞組N1兩端的電壓為上正下負(fù), 與其耦合的N2繞組兩端的電壓也是上正下負(fù)。因此VDl處于通態(tài),VD2為斷 態(tài),電感L的電流逐漸增長(zhǎng);S關(guān)斷后,電感L通過vD2續(xù)流,VDl關(guān)斷。S 關(guān)斷后變壓器的激磁電流經(jīng)N3繞組和VD3流回電源,所以s關(guān)斷后承受的電 壓為:r%=(1+導(dǎo)u, (21V2變壓器的磁心復(fù)位:開關(guān)s開通后,變壓器的激磁電流由零開始,隨著 時(shí)間的增加而線性的增長(zhǎng),直到S關(guān)斷。為防止變壓器的激磁電感飽和,必 須設(shè)法使激磁電流在S關(guān)斷后到下一次再開通的一段時(shí)間內(nèi)降回零,這一過 程稱為變壓器的磁心復(fù)位。變壓器的磁心復(fù)位時(shí)間為:7哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文 ,一

26、3,一一百m 輸出電壓在電感電流連續(xù)的情況下:吣等u (22 (23輸出電感電流不連續(xù)時(shí),輸出電壓將高于上式的計(jì)算值,并隨負(fù)載減 小而升高,在負(fù)載為零的極限情況下,輸出電壓為:吣銣 (2-4 三口 口叫 圖2.2正激電路的理想化波形J .o. 一0. 1 .r f 杉黝 1. 蕊汰沁 f f / 占 &BR Dfo fl f2圖2.3磁心復(fù)位過程原理圖 2.1.2反激電路嘲哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文反激電路如圖2.4所示。反激電路中的變壓器起著儲(chǔ)能組件的作用,可以看作是一對(duì)相互耦合的 電感。電路的工作過程:S開通后,VD處于斷態(tài),Nl繞組的電流線性增長(zhǎng),電 感儲(chǔ)能增加;S關(guān)斷后,Nl繞組的電流

27、被切斷,變壓器中的磁場(chǎng)能量通過N2繞組和VD向輸出端釋放。S關(guān)斷后的電壓為:,%=u+導(dǎo) (25圖2.4反激電路原理圖反激電路的工作模式:電流連續(xù)模式:當(dāng)S開通時(shí),N2繞組中的電流尚未下降到零。輸出屯壓關(guān)系:絲:絲立Uj N。T(26圖2.5反激電路的理想化波形電流斷續(xù)模式:s開通前,N2繞組中的電流已經(jīng)下降到零。輸出電壓高 9窿哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文于式的計(jì)算值,并隨負(fù)載減小而升高,在負(fù)載為零的極限情況下,砜呻。因 此,反激電路不應(yīng)工作于負(fù)載開路狀態(tài)。2.1.3半橋電路羽半橋變換器電路如圖2.6所示Sl S2圖2.6半橋電路原理圖loII l l個(gè)圖2.7半橋電路的理想化波形 f f U

28、 r U, f f r f哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文電路的工作過程:S1與s2交替導(dǎo)通,使變壓器一次側(cè)形成幅值為u,/2的交流電壓。改變開關(guān)的占空比,就可咀改變二次側(cè)整流電壓%的平均值,也就改變了輸出電壓璣。Sl導(dǎo)通時(shí),二極管VDl處于通態(tài),S2導(dǎo)通時(shí),二極管VD2處于通態(tài),當(dāng) 兩個(gè)開關(guān)都關(guān)斷時(shí),變壓器繞組N1中的電流為零,VDl和VD2都處于通態(tài), 各分擔(dān)一半的電流。Sl或S2導(dǎo)通時(shí)電感L的電流逐漸上升,兩個(gè)開關(guān)都關(guān) 斷時(shí),電感L的電流逐漸下降。S1和S2斷態(tài)時(shí)承受的最高電壓為U.。由于電容的隔離作用,半橋電路對(duì)由于兩個(gè)開關(guān)導(dǎo)通時(shí)間不對(duì)稱而造成 的變壓器一次側(cè)電壓的直流分量有自動(dòng)平衡作用,因

29、此不容易發(fā)生變壓器的 偏磁和直流磁飽和。當(dāng)濾波電感L的電流連續(xù)時(shí)輸出電壓的計(jì)算:堡:絲壘(27U。l丁如果輸出電感電流不連續(xù),輸出電壓砜將高于上式的計(jì)算值,并隨負(fù)載減小而升高,在負(fù)載為零的極限情況下,輸出電壓為:u.:絲絲(282.1.4全橋電路全橋電路如圖2.8所示。Isls3VDl_-二:s3Z Zl+T C一+受 _L_蜥wlK2Z、VD4Is:s4場(chǎng)圖2.8全橋電路原理圖電路的工作過程:全橋逆變電路中,互為對(duì)角的兩個(gè)開關(guān)同時(shí)導(dǎo)通,同11哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文一側(cè)半橋上下兩開關(guān)交替導(dǎo)通,使變壓器一次側(cè)形成幅值為u。的交流電壓, 改變占空比就可以改變輸出電壓。當(dāng)S1與S4開通后,二極管

30、VDl和VD4處于通態(tài),電感L的電流逐漸上 升;s2與s3開通后,二極管VD2和VD3處于通態(tài),電感L的電流也上升。當(dāng) 4個(gè)開關(guān)都關(guān)斷時(shí),4個(gè)二極管都處于通態(tài),各分擔(dān)一半的電感電流,電感L 的電流逐漸下降。S1和S2斷態(tài)時(shí)承受的最高電壓為U.。如果s1、s4與S2、 s3的導(dǎo)通時(shí)間不對(duì)稱,則交流電壓鞏中將含有贏流分量,會(huì)在變壓器一次 側(cè)產(chǎn)生很大的直流電流,造成磁路飽和,因此全橋電路應(yīng)注意避免電壓直流 分量的產(chǎn)生,也可以在一次側(cè)回路串聯(lián)一個(gè)電容,以阻斷直流電流。一fonl I 一 丁 一二一 毛毛歸.臼. 毛弋土L 七文匕3乏笠. oI b2“33泣二!豎L l 一 1l , q, ,哈爾濱工程

31、大學(xué)碩士學(xué)位論文墜:絲堡 (29 u, 12輸出電感電流斷續(xù)時(shí),輸出電壓“將高于上式計(jì)算值,并隨負(fù)載減小而 升高,在負(fù)載為零的極限情況下,輸出電壓:Uo=等u (2-102.1.5推挽電路推挽電路如圖2.10所示。S2圖2.10推挽電路原理圖電路的工作過程:推挽電路中兩個(gè)開關(guān)s1和s2交替導(dǎo)通,在繞組N1和N1兩端分別形成相位相反的交流電壓,改變占空比就可以改變輸出電壓。 s1導(dǎo)通時(shí),二極管VDl處于通態(tài),電感L的電流逐漸上升。s2導(dǎo)通時(shí), 二極管vD2處于通態(tài),電感L的電流也逐漸上升。當(dāng)兩個(gè)開關(guān)都關(guān)斷時(shí),VDl 和vD2都處于通態(tài),各分擔(dān)一半的電流。S1和S2斷態(tài)時(shí)承受的峰值電壓均 為2倍U

32、。s1和S2同時(shí)導(dǎo)通,相當(dāng)于變壓器一次側(cè)繞組短路,因此應(yīng)避免 兩個(gè)開關(guān)同時(shí)導(dǎo)通。當(dāng)濾波電感L電流連續(xù)時(shí),輸出電壓:堡:墮墜 (211 u. 1丁當(dāng)輸出電感電流不連續(xù)時(shí),輸出電壓U0將高于上式的計(jì)算值,并隨負(fù)載 減小而升高,在負(fù)載為零的極限情況下,輸出電壓:S】 S2 哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文吣等u (2-12一。l 1.1I印圖2.1l推挽電路的理想化波形 下面對(duì)各種不同電路進(jìn)行比較如下表:表2.1各種電路比較 f f 2Uf 2Uf電路 優(yōu)點(diǎn) 缺點(diǎn) 功率范圍 應(yīng)用領(lǐng)域 電路較簡(jiǎn)單,成變壓器單向激 幾百瓦各種中、小功率電 正激 本低,可靠性高,驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單磁,利用率低 幾千瓦 源電路簡(jiǎn)單,成

33、本 適合小功率,變 小功率電子設(shè)備、反激 很低,可靠性高, 壓器單向激磁, 幾瓦幾計(jì)算機(jī)設(shè)各、消費(fèi) 十瓦驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單 利用率低 電子設(shè)備電源。 14哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文 結(jié)構(gòu)復(fù)雜,成本變壓器雙向激 高,有直通問大功率工業(yè)用電全橋 磁,容易達(dá)到大題,可靠性低, 幾百瓦 需要復(fù)雜的多 幾百千瓦 源、焊接電源、電功率 解電源等組隔離驅(qū)動(dòng)電路變壓器雙向激有直通問題,可磁,沒有變壓器 幾百瓦各種工業(yè)用電源, 半橋 靠性低,需要隔偏磁問題,開關(guān) 十幾千瓦 計(jì)算機(jī)電源等較少,成本低離驅(qū)動(dòng)電路變壓器雙向激磁,變壓器一次側(cè)電流回路中 幾百瓦推挽 有偏磁問題 低輸入電壓的電源 只有一個(gè)開關(guān), 十幾千瓦通態(tài)損

34、耗較小,驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)單綜合以上各電路特點(diǎn),結(jié)合此次設(shè)計(jì)的要求,決定選用半橋式變換器作 為高壓回路和燈絲回路的主變換器。半橋式變換器是目前應(yīng)用較多的變換器 形式,它所適用的功率范圍滿足設(shè)計(jì)要求,電路結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單。功率開關(guān)組 件較少。至于存在的上下開關(guān)直通問題,通?？梢赃x擇合適的PwM控制芯片 和通過設(shè)置死區(qū)時(shí)間來解決。在功率器件的隔離驅(qū)動(dòng)問題上,由于電力電子 技術(shù)的完善和成熟,隔離驅(qū)動(dòng)已經(jīng)成為大功率器件必不可少的控制方式,因 此不構(gòu)成不利因素。由于技術(shù)指標(biāo)中要求輸出電壓大范圍可調(diào)并且對(duì)紋波和穩(wěn)壓精度的要求 較高,為了達(dá)到要求并獲得好的效果,在半橋電路之前加入直流降壓斬波電 路。電路如圖2.12所示。燈

35、絲加熱回路采用與高壓回路相同的結(jié)構(gòu),這樣可以簡(jiǎn)化控制電路,縮 短設(shè)計(jì)周期,節(jié)省調(diào)試時(shí)間,并方便日后維護(hù)。哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文ACI遼。:斗0麓融廠 牛 c1自T1。 時(shí)雕1辛 B1圖2.12主電路結(jié)構(gòu)圖高壓整流電路大多采用倍壓整流電路,論文設(shè)計(jì)采用的高壓倍壓整流電 路如圖2.13所示。其中D91、D92為高壓硅堆,選用耐壓5KV,最大電流 100mA,導(dǎo)通壓降約為2V;cgl、c醇為2uF高壓電容R91、R92為用于 電壓反饋的分壓電阻,阻值分別為100M和33K;Rjl為電流采樣電阻,主 要用于儀表顯示;Rb為保護(hù)電阻,防止輸出短路,參數(shù)為27K,150w。圖2.13高壓倍壓整流電路主

36、電路結(jié)構(gòu)確定以后,根據(jù)技術(shù)要求要分別對(duì)功率元件、電感、電容等 重要器件進(jìn)行選型和參數(shù)計(jì)算。2.2功率開關(guān)元件設(shè)計(jì)2.2.1功率開關(guān)元件選擇丌關(guān)電源中的功率開關(guān)元件主要是功率晶體管、功率MOSFET、功率 IGBT。由于功率晶體管在開關(guān)過程中損耗高,而功率MOSFET、功率IGBT 隨著制造工藝的不斷改進(jìn),性能越來越好,因此,在應(yīng)用領(lǐng)域功率MOSFET、哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文功率IGBT占據(jù)著主流地位。功率IGBT是在功率MOSFET的漏極側(cè)追加一層P+得到的。眾所周知, 功率MOSFET在ON狀態(tài)時(shí)成為單一的N型半導(dǎo)體,漏極與源極間的電阻 與N基極的厚度有關(guān)。隨著該厚度的增加,MOSFET

37、難以大容量化。IGBT 在加上尸+層的同時(shí),N基極厚度也減小了,從而減小了通態(tài)電阻。另外,通 過在柵極上施加大于閾值電壓的正偏壓,使P型硅表面形成強(qiáng)反應(yīng)層,相應(yīng) 地也降低了溝道內(nèi)阻。因此,IGBT的飽和壓降比MOSFET低。IGBT的N+緩沖層比MOsFET加厚,并采用了雜質(zhì)濃度最優(yōu)化,有效地 抑制了注入到P基極的過?？昭?是積聚的載流子空穴壽命受限,以加快其 消失過程,從而提高了IGBT的開關(guān)速度。IGBT相當(dāng)于一個(gè)MOsFET與一 個(gè)PNPN四層的晶閘管相并聯(lián)。為了避免發(fā)生晶閘管的栓鎖(LatchUD現(xiàn)象,工藝上應(yīng)盡量減小IGBT 的等效電阻值,并通過上述加厚+緩沖層和雜質(zhì)濃度的最優(yōu)化及載

38、流子壽命 受限等措施使得PNP晶體管的。得到控制?？梢园袸GBT看成是以雙極晶 體管為主導(dǎo)組件,以MOSFET為驅(qū)動(dòng)組件的達(dá)林頓結(jié)構(gòu)器件。在功率轉(zhuǎn)換應(yīng)用中,MOSFET的導(dǎo)通損耗與開關(guān)損耗之比約為3:1,相 比之下IGBT的導(dǎo)通損耗與開關(guān)損耗之比約為1:40。MOSFET較高的導(dǎo)通 損耗是由較高的通態(tài)電阻引起的,而IGBT較高的開關(guān)損耗是由關(guān)斷時(shí)的電 流拖尾產(chǎn)生的。有趣的是IGBT的總損耗,接近或者小于它要取代的功率 MOSFET的總損耗。目前在國(guó)內(nèi),在開關(guān)頻率滿足要求的前提下,耐壓高的 IGBT比MOSFET更容易找到,因此,論文設(shè)計(jì)選用IGBT作為功率開關(guān)元 件,開關(guān)頻率定為lOKHz。2

39、.2.2lGBT特性n兒伽IGBT的各項(xiàng)特性如下:(1靜態(tài)特性IGBT的靜態(tài)特性包括伏安特性、轉(zhuǎn)移特性、通態(tài)特性及斷態(tài)特性。如圖 2.14、圖2.15所示。IGBT的伏安特性是指以柵射電壓K。為參變量時(shí),集電極電流和集射極 電壓間的關(guān)系曲線。輸出集電極電流t受柵射電壓圪。的控制,越高,厶 17哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文越大。圖2.14IGBT的伏安特性IGBT的轉(zhuǎn)移特性是指輸出集電極電流t與柵極控制之間的關(guān)系曲 線。當(dāng)柵射極電壓p島小于開啟電壓(。時(shí),IGBT處于關(guān)斷狀態(tài)。在IGBT 導(dǎo)通后的大部分漏極電流范圍內(nèi),與呈線性關(guān)系。最高柵射電壓受最 大集電極電流限制,其最佳值一般取為15V左右?！?/p>

40、 , %E m5圖2.15轉(zhuǎn)移特性與開關(guān)特性IGBT處于通態(tài)時(shí),由于它的PNP晶體管為寬基區(qū)晶體管,所以其盧值 極低。盡管等效電路為達(dá)林頓結(jié)構(gòu),但流過MOsFET的電流成為IGBT總電 流的主要部分。(2動(dòng)態(tài)特性IGBT在開通過程中,大部分時(shí)間是作為MOsFET來運(yùn)行的,只是在集哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文射電壓琢,下降過程后期,PNP晶體管由放大區(qū)至飽和區(qū),又增加了一段延 緩時(shí)間,使集射極電壓波形變?yōu)閮啥?。因?yàn)镸OsFET關(guān)斷后,PNP晶體管中 的存儲(chǔ)電荷難以迅速消除,造成集電極電流較長(zhǎng)的尾部時(shí)間。IGBT的擊穿電 壓于通態(tài)壓降和關(guān)斷時(shí)間也是十分矛盾的參數(shù)。高壓器件的N基區(qū)必須有足 夠的寬度和

41、較高的電阻率,這會(huì)引起通態(tài)壓降怎大和關(guān)斷時(shí)間的延長(zhǎng)。1200v 的器件不容易做到關(guān)斷時(shí)間瓦,1s(3擎住效應(yīng)IGBT為四層機(jī)構(gòu),使體內(nèi)存在一個(gè)寄生晶閘管,在NPN晶體管的基極 與發(fā)射極之間存在一個(gè)體區(qū)短路電阻R,在此電阻上,P型體區(qū)的橫向空穴 流會(huì)產(chǎn)生一定壓降,在規(guī)定的集電極電流范圍內(nèi),這個(gè)正偏置電壓不大,NPN 晶體管不會(huì)導(dǎo)通。當(dāng)L大到一定程度時(shí),該正偏置電壓足以使NPN晶體管 開通,進(jìn)而使NPN和PNP晶體管處于飽和狀態(tài)。于是寄生晶閘管開通,柵 極失去控制作用,這就是所謂的擎住效應(yīng)。IGBT發(fā)生擎住效應(yīng)后,集電極電 流增大,造成過高的功耗,導(dǎo)致器件損壞。溫度升高也會(huì)加重IGBT發(fā)生擎住現(xiàn)象

42、的危險(xiǎn)。使IGBT發(fā)生自鎖的集 電極電流在常溫(25下一般是額定電流的6倍以上,但溫度升高后, 會(huì)嚴(yán)重下降。當(dāng)溫度由常溫(25上升到150時(shí),擎住電流下降了一半。主 要原因是IGBT體內(nèi)的NPN和PNP晶體管的放大系數(shù)都會(huì)隨溫度的上升而 增大,而體區(qū)電阻R隨溫度升高而增大,也是自鎖條件形成的一個(gè)因素。 (4安全工作區(qū)IGBT開通時(shí)的正偏置安全工作區(qū)(FBsOA,由電流、電壓和功耗三條編 輯極限包圍而成。最大集電極電流b是根據(jù)避免動(dòng)態(tài)擎住而確定的;最大集射極電壓K。 是由IGBT中PNP晶體管的擊穿電壓所確定;最大功耗擇優(yōu)最高允許結(jié)溫所 決定。導(dǎo)通時(shí)間長(zhǎng)、因而安全工作區(qū)變窄如下圖所示。正像偏置安

43、全工作區(qū) (FBSOA是IGBT在開通工作狀態(tài)下的參數(shù)極限范圍。FBSOA有導(dǎo)通脈寬 Pw=1ms時(shí)的最大集電極電流%(一般為額定直流的2倍最大集射極間電 壓K。和最大功耗三條邊界線包圍而成。IGBT的反向偏置安全工作區(qū) (RBSOA如上圖。它隨IGBT關(guān)斷時(shí)的再加d詐。Mf而改變,dK,。/df越高, RBSOA越窄。反向偏置安全工作區(qū)是IGBT在關(guān)斷工作狀態(tài)下的參數(shù)極限范 19哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文圍。RBsOA是由最大集電極電流,cP、最大集射極間電壓%。和電壓上升率 dMf三條極限邊界線圍成的。如前所述過高的d/d r會(huì)使IGBT產(chǎn)生 動(dòng)態(tài)擎住效應(yīng)。d p&/d r越大,RBsOA

44、越小。50圖2.16正偏置安全工作區(qū)FBSOA1000圖2.17反向偏置安全工作區(qū)RBsoA(5柵極特性IGBT的柵極通過一層氧化膜與射極實(shí)現(xiàn)電隔離。由于此氧化層很薄,其 擊穿電壓一般只能達(dá)20v到30V,因此柵極擊穿是IGBT失效的常見原因。哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文在應(yīng)用中,有時(shí)雖然保證了柵極驅(qū)動(dòng)電壓沒有超過柵極最大額定電壓,但柵 極連線的寄生電感和柵-集極問的電容耦合,也會(huì)產(chǎn)生使氧化層損壞的振蕩電 壓。為此,通常采用絞線來傳送驅(qū)動(dòng)信號(hào),以減小電感。在柵極連線中,串 聯(lián)小阻值電阻或小磁環(huán)也可以抑制不希望的振蕩電壓。在柵.射和柵.集極間 存在著電容cG。和c&,在它的射極回路中存在著漏電感k

45、,由于這些分布 參數(shù)的影響,使得IGBT的驅(qū)動(dòng)波形與理想驅(qū)動(dòng)波形產(chǎn)生了較大的變化,并 產(chǎn)生不利于IGBT開通和關(guān)斷的因素。柵極串聯(lián)電阻以的大小必須根據(jù)實(shí)際 電路折衷考慮,選擇合適的阻值。IGBT的柵極串聯(lián)電阻通常采用表2.1所推 薦的值,如工作頻率較低,可采用前一檔電阻值較大的值。圖2.18具有寄生晶閘管的IGBT等效圖表2.1IGBT推薦的柵極串聯(lián)電阻值額定電 600V 50100150200300400600800流/A 1200V 255075lOO 150200300400 R cQ 512515128.25.13.32.22.2.3高壓回路lGBT參數(shù)選擇從應(yīng)用角度來說,對(duì)IGBT最

46、關(guān)心的參數(shù)是集電極-發(fā)射極額定電壓U。、 集電極額定電流,。、柵極一發(fā)射極額定電壓U。、集電極一發(fā)射極飽和電壓哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文U。、開通時(shí)間和關(guān)斷時(shí)間。其中最主要的是集電極一發(fā)射極額定電壓U。和 集電極額定電流L,這兩個(gè)參數(shù)確定以后可以通過查找相關(guān)廠家技術(shù)資料, 選擇其它參數(shù)合適的組件。(1確定電壓額定值u。由主回路電路圖可知,各IGBT承受的最大電壓為整流橋的輸出電壓, IGBT的輸入端與電力電容相聯(lián),大的濾波電容起到了緩沖波動(dòng)和減少干擾的 作用,因此,安全系數(shù)不必取得很大。本設(shè)計(jì)電網(wǎng)電壓為220v,平波后的直 流電壓由(2一13確定,式中1.1為波動(dòng)系數(shù),一般取安全系數(shù)cc=1.

47、1。 日_220壓1.1薩377V (2一13 關(guān)斷時(shí)的峰值電壓按(2一14計(jì)算。U=(3771.1+150值=621V (214 式中,1.1為過電壓保護(hù)系數(shù):旺為安全系數(shù),般取l-1;150為由Ldi/dt 引起的尖峰電壓。對(duì)于普通的開關(guān)電源可以選擇U。=600v的IGBT,對(duì)于高壓電源,為 了提高整體的可靠性,采取并向上靠攏IGBT電壓等級(jí),取C,c。=1200V。 (2確定電流額定值L此次設(shè)計(jì)的高壓電源負(fù)載的最大功率為:只=300000.03=900 設(shè)電源的最低轉(zhuǎn)換效率為O.7,交流輸入電壓為220v,電源的整流系數(shù) 為1.2,流過低壓側(cè)IGBT的電流約為:,=900/(O.7220

48、1.2=4.9爿 (215 七=Ji1.51.4=14.6一 (216 式中,2為,波動(dòng)的最大值:1.5為允許1分鐘過載容量:1.4為t減小 系數(shù)。因?yàn)镮GBT器件手冊(cè)上給出的L是在結(jié)溫t=25條件下,在實(shí)際工作 時(shí),由于熱損耗,r總要升高,實(shí)際允許值將下降(1,1.470%。綜合考慮各方面因素,根據(jù)lGBT的等級(jí),實(shí)取50A,即501200V。 橫向比較各廠家產(chǎn)品資料,綜合各方砸信息,最后選定使用德國(guó)西門康 的IGBT,型號(hào)為:S蹦50GBl23其它各項(xiàng)參數(shù)為:柵極.發(fā)射極額定電壓己,。:+15V,一5V集電極一發(fā)射極飽和電壓U。:2.5V22墮塹遺三里奎堂堡主蘭壁笙壅開通時(shí)間和關(guān)斷時(shí)間:1

49、30ns;445ns圖2.19SKM50GBl23型IGBT外形和內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖2.2.4吸收電路在IGBT快速關(guān)斷過程中,線路中由于配線等原因產(chǎn)生的電感中積蓄能 量的釋放和輔助回路中續(xù)流二極管反向恢復(fù)而產(chǎn)生很高的浪涌電壓,在電路 中必須采取措施抑制或減小浪涌電壓的幅值。常用的辦法是加緩沖吸收電路。 緩沖吸收電路有多種形式,對(duì)于不同的線路電壓,頻率和IGBT容量應(yīng)選用 不同的形式。對(duì)于此設(shè)計(jì)的主電路,選用在直流母線上并聯(lián)0.22uF無感電容 的方式。2.3電感、電容的計(jì)算主回電路中的電感具有非常重要的作用,它起著減小電流上升率,平滑 直流回路電流的重要作用。從理論角度講,電感值越大越好,但這會(huì)給使

50、用 帶來很大的不方便,因此,為了使電感值不大,而又達(dá)到預(yù)期的效果,必須 對(duì)電感值加以計(jì)算。對(duì)于本設(shè)計(jì)。設(shè)定:當(dāng)母線電壓為240V時(shí),高壓側(cè)輸出30KV,則可以 推算出,直流母線的電壓變化范圍為:40V240V,為保證后級(jí)輸出諧波電壓 不大于O.1%,此處諧波電壓取小于O.05%。電網(wǎng)電壓整流后的變化范圍約為 270V340V。使電流連續(xù)的電感臨界值:上,:燮:業(yè) (217。2厶 2,o其中:f。,開關(guān)管在一個(gè)周期中的關(guān)斷時(shí)間(s 21哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文U輸出電壓(V:咒開關(guān)工作頻率的倒數(shù);D,占空比的補(bǔ)數(shù),即(1一D。,8為占空比取輸出電壓最低,電流最小時(shí)的情況(此時(shí)電流最不容易連續(xù)L

51、.:塑!二型!:!:!堅(jiān):2.82聊H。20.625選取電感量為I臨界連續(xù)電感量的1.5倍,則上=1.50=4.2材Z電容應(yīng)為c=醬=罷籬等戰(zhàn)s取計(jì)算電容值的2倍作為選用值,C=1050,。在實(shí)際電路中,電感值為工=4.2mH,電容取兩只C=2200,/250y的 電容串聯(lián)。2.4主回路仿真為了驗(yàn)證主回路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的可行性,對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行仿真驗(yàn)證。應(yīng)用 MAll。AB中的S“uLINK對(duì)主回路仿真的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2.20。圖2.20系統(tǒng)仿真結(jié)構(gòu)圖系統(tǒng)負(fù)載為純電阻負(fù)載,半橋功率管的占空比為O35,系統(tǒng)為閉環(huán)方式。 仿真結(jié)果如圖所示:哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文100 50 0 -50 1001.5105.

52、0.5.1_邗_邗_ 翎:02974旺羽75n29760羽77O.硼 0297902孵 n2981s 圖2.2l半橋上二個(gè)IGBT驅(qū)動(dòng)信號(hào)波形 由 一 坩 黼 _- 一 冉 舟 J。 V V V V 可 V 弭05嘟 n705075n5噙 05呻5s 圖2.22高壓變壓器原邊電壓波形圖2.23高壓變壓器副邊電壓波形S哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文35 3 25 2 15 1 n5 0 x10v八f r. /f3 2.9995 2螞9 2鯽衢4H10v02n3n4050.607 s圖2.24高壓整流輸出波形(3mAr卵 ,刪. 刪. .刪 ij刪 I刪. .j054180542n飄220542405

53、4260-54掬s 圖2.25高壓整流輸出紋波(負(fù)載3mA圖2.26高壓整流輸出紋波(負(fù)載30mA哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文從仿真結(jié)果來看,IGBT的驅(qū)動(dòng)信號(hào)死區(qū)明顯,可有效防止直通;由變 壓器原副邊波形來看,輸出正常,變壓器無偏磁和梯度飽和問題;由高壓整 流的電壓波形可以看出,電壓建立時(shí)間較快,在輕載和負(fù)載時(shí)電壓的幅值和 紋波均滿足要求。由此證明,主回路設(shè)計(jì)方案可以滿足設(shè)計(jì)要求。2.5本章小結(jié)本章首先在充分論證了常用開關(guān)電源的主回路結(jié)構(gòu)優(yōu)缺點(diǎn)和適用功率范 圍的基礎(chǔ)上,根據(jù)性能指標(biāo)要求,提出了一種降壓斬波與半橋變換器相結(jié)合 的結(jié)構(gòu)形式。然后對(duì)主電路中所用開關(guān)元件進(jìn)行了比較、選擇、參數(shù)計(jì)算; 對(duì)

54、電路中的電感和電容等進(jìn)行了參數(shù)設(shè)計(jì)。最后,通過電路仿真,驗(yàn)證了設(shè) 計(jì)的正確性。27哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文第3章高壓變壓器設(shè)計(jì)高壓變壓器是電源的核心器件之一,主要作用有:磁能轉(zhuǎn)換、電壓變換 和絕緣隔離。在開關(guān)管的開關(guān)作用下,直流電轉(zhuǎn)換為方波施加于開關(guān)電源變 壓器上,經(jīng)變壓器的電磁轉(zhuǎn)換,將輸入功率傳遞到負(fù)載,輸出所需的電壓。 由于變壓器頻率高,它的體積和熏量比工頻變壓器小得多,但它分布參數(shù)的 影響變得更大。變壓器性能的好壞不僅影響變壓器自身發(fā)熱和效率,而且還 會(huì)影響到開關(guān)電源的技術(shù)性能和可靠性,所以在設(shè)計(jì)制作時(shí),對(duì)磁芯材料的 選擇,磁芯與線圈的結(jié)構(gòu),繞制工藝等都要周密考慮。3。1高壓變壓器的分

55、布參數(shù)開關(guān)電源變壓器工作在高頻狀態(tài),分布參數(shù)不能忽略,這些分布參數(shù)有 漏感、分布電容、電流在導(dǎo)體中流動(dòng)的趨膚效應(yīng)。一般根據(jù)開關(guān)電源電路的 要求提出漏感和分布電容限定值,在變壓器的線圈結(jié)構(gòu)中實(shí)現(xiàn),而趨膚效應(yīng) 影響則作為選擇導(dǎo)線規(guī)格的條件之一。C1Lm,上|一77州一 Cp二二。一臀一 丫 一。L 丌 L 一 、 一哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文變壓器的漏感主要為勵(lì)磁電感Lm、原邊漏感Ll、副邊漏感L2,如圖2.1所示。其中勵(lì)磁電感Lm很大,并且與原邊繞組并聯(lián),因此可以忽略。副邊的 漏感L2折合到原邊,和原邊的漏感L1的和為變壓器的等效漏感Ls。變壓器 中的分布電容主要是:原副邊繞組之間電容Cl;原副

56、邊繞組各層之間電容C2、 C3;原、副邊各匝間及對(duì)鐵芯或屏蔽層的電容C4、C5。在各分布電容中,C4、 C5較其它分布電容都小,可以忽略;C1、C2、C3的容值大約為10一100pF, 而C3折合到原邊后則比C1和C2大得多,因此C1和C2可以忽略。在各分布 是容中c3起著主導(dǎo)作用,將其折合到原邊用cp表示。因此得到簡(jiǎn)化后的變 壓器的等效電路圖,如圖2.4所示,它由等效漏感Ls,等效電容Cp和理想 變壓器組成。開關(guān)變壓器傳遞的是高頻方波電壓,在瞬變過程中,漏感和分布電容會(huì) 引起浪涌電流和尖峰電壓及脈沖頂部震蕩,造成損耗增加,嚴(yán)重會(huì)造成開關(guān) 管損壞,因此應(yīng)加以控制。普通的開關(guān)電源設(shè)計(jì)主要考慮漏感的影響,在高 壓開關(guān)電源中,由于副邊匝數(shù)多,層數(shù)多,分布電容的影響尤為突出,因此, 應(yīng)重點(diǎn)考慮分布電容。以圖2.3的變壓器為例,若高壓邊等效分布電容為100pF,折合到原邊 的電容量約為1uF,若工作頻率為50Hz時(shí),容抗為3.2千歐。若頻率為10kHz, 則原邊容抗為16歐姆。工作在