大功率直流穩(wěn)壓電源整流逆變IGBT單片機(jī)控制PWM整流

1、南京信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文作者 學(xué)號10714D20系部 電子信息工程系專業(yè)電子信息工程技術(shù)題目 大功率直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)指導(dǎo)教師評閱教師完成時間：2010 年 05 月 10 日 畢業(yè)論文中文摘要(題目)：大功率直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)摘要：本文首先介紹了所設(shè)計(jì)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(hù)電路以及控制系統(tǒng)軟件做了詳細(xì)地分析。文中詳細(xì)討論了上述電路的設(shè)計(jì)要點(diǎn)及參數(shù)確定，以16位單片機(jī)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(jī)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

2、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(diǎn)，符合現(xiàn)代大功率直流穩(wěn)壓電源的發(fā)展潮流。關(guān)鍵詞：大功率直流穩(wěn)壓IGBT逆變器 微機(jī)控制系統(tǒng)畢業(yè)論文外文摘要Title :high efficiency current voltage-stabilized source Abstract:This article first introduced designs the high efficiency cocurrent voltage-stabilized source's composition structure and

3、 the control principle, and on the power source main circuit, the control circuit, the protection circuit as well as the control system software's design did have analyzed in detail.The design key points and parameters are discussed in detail. high performance 16-bit micro-processor 80C196KC is

4、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, the overall system has merits and s

5、o on miniaturization, lightweight, high efficiency, is in keeping with the modern high efficiency cocurrent voltage-stabilized source's development tidal current.keywords: High efficiency Direct current IGBT inverter Microprocessor control systems目錄1引言52概述52.1電源穩(wěn)定問題的提出52.2電壓不穩(wěn)定的因素62.3穩(wěn)壓電源的分類62.4

6、本文主要工作73電源硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)73.1單片機(jī)控制的直流穩(wěn)壓電源的總體設(shè)計(jì)7電源的主電路8驅(qū)動電路8輸出電路9直流電源設(shè)計(jì)103.2元件選擇13逆變電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)選擇13逆變頻率的確定13開關(guān)元件的選擇14逆變控制方式的選擇154參數(shù)計(jì)算154.1輸入電路參數(shù)計(jì)算154.2逆變電路參數(shù)計(jì)算164.3輸出電路計(jì)算184.4紋波的抑制185輔助電路205.1電壓驅(qū)動型脈寬調(diào)制器205.2電流檢測電路205.3電壓檢測電路226單片機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)226.1單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)226.2數(shù)模轉(zhuǎn)換電路23結(jié)論26致謝27參考文獻(xiàn)27附錄A 電路圖281引言自70年代末以來，國外迅速發(fā)展功率場效應(yīng)晶閘管（

7、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(diǎn)，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(diǎn)，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，耐壓可達(dá)到1200V（有的可達(dá)到140

8、0V），開關(guān)時間在600ns以下。其實(shí)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(diǎn)，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(jì)與制造提出了新的要求，并且需要快速而有效的保護(hù)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(jī)、自行火炮、坦克、導(dǎo)彈等武器裝備的起動電源。應(yīng)用在我國的重

9、型工業(yè)中。2概述2.1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(jì)了電子管直流穩(wěn)壓電源。到四十年代后期，電子器件與磁飽和元件相結(jié)合，構(gòu)成了電子控制的磁飽和

10、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(jìn)步，電子設(shè)備開始從分立元件進(jìn)入集成電路時代，體積日益減小，裝機(jī)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。2.2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)量好壞直接影響著電子設(shè)備的可靠性，而且電子設(shè)備的故障6

11、0%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(jì)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看輸入電壓的變化和負(fù)載變化引起的輸出電壓的變化

12、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。2.3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(shí)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

13、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，使輸出電壓得到補(bǔ)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。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

14、源，晶體管穩(wěn)壓電源，可控硅穩(wěn)壓電源等。按調(diào)整元件的工作狀態(tài)分，有線性穩(wěn)壓電源和開關(guān)穩(wěn)壓電源。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。2.4本文主要工作本課題主要是進(jìn)行用單片機(jī)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(jī)為控制核心的微機(jī)控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)單片機(jī)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。所研制的單片機(jī)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；3電源硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.1單片機(jī)控制

15、的直流穩(wěn)壓電源的總體設(shè)計(jì)圖1 單片機(jī)控制的逆變電源的總體框圖單片機(jī)控制的逆變電源的總體框圖如圖1所示，整套裝置主要由電源主電路、PWM控制電路、驅(qū)動電路和單片機(jī)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(shí)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(shí)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(diǎn)超出安全工作區(qū)時提供保護(hù)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(jī)輸出的電流給定值與實(shí)際電流反

16、饋值的差值，通過調(diào)節(jié)輸出脈沖的占空比來實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的輸出。3)單片機(jī)控制電路的功能為實(shí)現(xiàn)直流穩(wěn)壓電源，單片機(jī)系統(tǒng)控制電路用來輸出其所需的電壓、電流。以實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)所要求的電源的電流和電壓的穩(wěn)定性電源的主電路圖2 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

17、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：(3.1)驅(qū)動電路驅(qū)動電路的作用主要是對驅(qū)動信號進(jìn)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

18、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(shí)用，具有對IGBT的自保護(hù)功能，并有較強(qiáng)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(hù)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)I

19、GBT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管。3IGBT的保護(hù)將IGBT用于逆變器時，應(yīng)采取保護(hù)措施以防損壞器件。常用保護(hù)措施有：1）通過檢出的過電流信號切斷門極控制信號，實(shí)現(xiàn)過電流保護(hù)。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(shí)現(xiàn)過熱保護(hù)。輸出電路本設(shè)計(jì)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(jìn)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存儲能的電感，以產(chǎn)生低噪音的輸

20、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4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?yàn)楫?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：2.4Vo·Vimax / Vimin2功率整流器的特點(diǎn)全橋式逆變器的輸出電路如圖3所示：圖3 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(diǎn)，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?yàn)樗鼈兓謴?fù)得慢，并且效率低。在電源中，可以使用三種類型的整流二極

21、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(diǎn)，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?yàn)樵谝话闱闆r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(jì)的，因?yàn)榇似骷嵌鄶?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。3.1.4直流電源設(shè)計(jì)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(dú)電源的直流穩(wěn)壓電源供電。有驅(qū)動器模塊的

22、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?yàn)橐筝敵鲋绷麟妷?5V，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)選定直流輸入電壓通常選(3.2)在此我們?nèi)?0V。3)求限流電阻 假定變化±10%，則1.1×6066V (3.3)0.954V(3.4)(3.5)取1000。82.5V (3.6) 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(3.7)則變壓器副邊的最大反向有效值為：(3.8)二極管承受的

23、最大反向電壓為：(3.9)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(3.10)F (3.11) 取100F，耐壓為63V的電解電容器。2運(yùn)算放大器用穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)該電源主要給運(yùn)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(yùn)算放大器穩(wěn)壓電源電路如圖4所示。圖4 運(yùn)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 (3.12)同理實(shí)取1667F，=

24、 =3333F 耐壓63V。整流器選用3A/100V整流模塊。3單片機(jī)用 +5V穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)單片機(jī)用+5V穩(wěn)壓電源，要求能夠輸出200mA電流。單片機(jī)穩(wěn)壓電源電路如圖5所示：圖5 單片機(jī)穩(wěn)壓電源電路負(fù)載電阻為：(3.13)0.05/252000F(3.14)實(shí)取 3300F，耐壓25V。通常5+(34) 89V取 9V。變壓器二次側(cè)電壓有效值為：(3.15)3.2元件選擇逆變電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)選擇表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 V<E同全橋輸出相同功率時集電極電流IcIc2Ic功率開關(guān)管數(shù)

25、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(jì)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)。3.2.2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(jì)性。按照正弦波分析，變壓器有以下的基本公式：(3.48)(3.49)式中，S為鐵心截面積；B為磁感應(yīng)強(qiáng)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

26、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(shí)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(jī)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。3.2.3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

27、型和全控型器件。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?；谝陨峡紤]，全控型器件是應(yīng)優(yōu)先考慮選用的器件。表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(shí)現(xiàn)大電流，主要應(yīng)用于小型和輕型設(shè)備中；IGBT是MOSFET與雙極晶體管的復(fù)合器件，它兼有MOSFET易驅(qū)動和

28、功率晶體管電壓、電流容量大的優(yōu)點(diǎn)，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)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 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（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，這樣可以降低功耗提高電源效率。3.2.4逆變控制方式的

29、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(shí)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(jī)為核心的控制系統(tǒng)，最方便的是PWM控制方式。4參數(shù)計(jì)算4.1輸入電路參數(shù)計(jì)算1整流器的選擇：輸入整流采用三相橋式整流器，其整流電壓為：(4.1)整流二極管的額定電流為：=(1.52)×0.367××1=9.713A(4.2) 實(shí)取10A，選取

30、額定電流為10A，耐壓1200V的整流模塊。2濾波電容的計(jì)算三相交流電經(jīng)過整流器后輸出波形如圖6所示：圖6 電源經(jīng)整流濾波后的波形電源輸入功率近似為： (4.3)為電容器的電壓從放電到所需的時間。根據(jù)整流器的參數(shù)可近似認(rèn)為： (4.4)(4.5)電路的輸出功率為：(4.6) 輸出電路的功率按80%計(jì)，則整流器的輸入功率為：(4.7)(4.8)C7耐壓值為： ，實(shí)取1200V。3輸入瞬間電壓保護(hù)器件的選擇壓敏電阻的作用是削掉電網(wǎng)峰值電壓。RY1 額定電壓： (4.9)取750V。由于RY1、RY2、RY3 分別為輸入電路線間瞬時過電壓保護(hù) ，所以它們的額定電壓取相同的值，即都取750V。RY4的

31、額定電壓應(yīng)為：(4.10)取500V。RY5是作為整流后的電壓保護(hù)壓敏電阻，故其額定電壓應(yīng)為：(4.11) 實(shí)取1000V。4.2逆變電路參數(shù)計(jì)算1.放電電容的選擇電源經(jīng)過整流、濾波后的平均電壓約為526V，電網(wǎng)波動系數(shù)取±10%，計(jì)算電容時按下降情況考慮，即：(4.12)電源在IGBT管未導(dǎo)通前給電容C12和C13充電，因?yàn)榫鶋弘娮鑂/T 的阻值相同，所以兩電容兩端的電壓相等且為/ 2，即： (4.13)設(shè)IGBT的管壓降為2V，PWM輸出=2V，信號占空比為40%(=0.4)，開關(guān)管頻率 f=20kHZ，則：(4.14)與C7計(jì)算相同。 (4.15)實(shí)取C12=C13=30mF。

32、電容耐壓：(1.52)=805.981074.64V (4.16)取1000V 即可。最好用兩組容量為0.68mF，耐壓1000V的聚丙烯電容并聯(lián)使用，或用兩只4.7mF，耐壓1000V的高頻電解電容器。2.IGBT管的選擇1)集射極間的擊穿電壓采用380V交流電供電，電網(wǎng)電壓向上波動10%，并考慮由變壓器漏感起的尖峰電壓等因素。(4.17)取1200V。2)集電極電流全橋式逆變電路中，IGBT的集電極電流為：(4.18)取200A。3)IGBT的關(guān)斷時間選用1200V，145A的全橋模塊，可取型號SKM145GAR128D的管子。=210ns =430ns 逆變器頻率f=20KHZ，T=1/

33、f =50ms，=0.4T=20ms。最小控制死區(qū)時間：，故可使用。4)功率損耗開通瞬間損耗：(4.19)準(zhǔn)飽和管壓降為 =3V，=20ms，準(zhǔn)飽和導(dǎo)通時損耗：(4.20) 關(guān)斷時損耗：(4.21)(4.23)3.變壓器T1的選擇變壓器原邊工作電壓為：(4.24)副邊電壓為：(4.25)所以T1的變比為：(4.26) 實(shí)取5變壓器即可。4.3輸出電路計(jì)算1.輸出濾波電抗器電抗器的頻率為，為使電抗器電流連續(xù)以維持濾波效果，必須保證，即保證，即： (4.27)當(dāng)=5A時，(4.28)(4.29)只要保證的電抗值大于36.31mH即可滿足要求。2濾波電容的計(jì)算允許的電壓脈沖值(4.30)(4.31)

34、實(shí)取15F。耐壓值為, 實(shí)取50V。 耐壓值為50V，容量為15F的聚丙烯電容器。3肖特基二極管肖特基二極管作為輸出整流二極管必須提供的最小峰值正向電流為：(4.32)最大正向電流的額定值：(4.33)4.4紋波的抑制1、開關(guān)電源紋波產(chǎn)生的原因開關(guān)電源的工作機(jī)理在于把電網(wǎng)電壓全波整流變?yōu)橹绷麟?經(jīng)高頻開關(guān)逆變成交流電,由開關(guān)變壓器降壓,經(jīng)高頻二極管整流濾波后以直流電輸出。開關(guān)電源紋波產(chǎn)生來源的途徑有以下幾個：(1)低頻紋波低頻紋波是由于濾波電路中的電解電容容量不是足夠大所造成的,由于開關(guān)電源體積的限制,電解電容的容量不可能無限制地增加,所以導(dǎo)致低頻紋波的存在,該紋波頻率隨整流電路方式的不同而不

35、同。 (2)高頻紋波由于開關(guān)電源逆變橋中的開關(guān)管工作在開關(guān)狀態(tài),為了減小高頻開關(guān)變壓器的體積和重量,要求主開關(guān)管的開關(guān)頻率越來越高,在每次主開關(guān)管的開關(guān)過程中都要產(chǎn)生相應(yīng)的尖峰電壓過沖,因此引起共模紋波,使開關(guān)電源輸出電壓中包含兩倍于主開關(guān)管工作頻率的共模紋波。(3)閉環(huán)調(diào)節(jié)器引起的紋波一般開關(guān)電源要求對輸出電壓進(jìn)行閉環(huán)控制,因此,輸出端的紋波會通過反饋網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入調(diào)節(jié)器回路,導(dǎo)致調(diào)節(jié)器的自激振蕩,引起附加紋波,此紋波電壓一般沒有固定的工作頻率,另外,調(diào)節(jié)器參數(shù)設(shè)計(jì)得不適當(dāng)也會引起紋波。2、紋波抑制措施 (1)低頻紋波的抑制低頻紋波抑制有如下幾種常用的方法：采用有源濾波器來降低低頻紋波含量,該方法

36、利用晶體管發(fā)射極電流是基極電流的1+倍之原理,可使在基極所接的很小容量的電容在發(fā)射極等效為一很大容量的電容。在輸出端加低頻濾波器,該方案是在高頻開關(guān)整流電壓與輸出之間串入某一形式的濾波器同時濾去高頻開關(guān)逆變造成的因PWM調(diào)節(jié)引起的差模紋波和整流后的低頻紋波。(2)高頻紋波的抑制高頻紋波抑制的目的是給高頻紋波電壓提供通路,常用的方法有以下幾種:高頻逆變側(cè)與直流側(cè)地之間增加高頻耦合電容C在高頻開關(guān)變壓器的初級增加尖峰電壓抑制網(wǎng)絡(luò),在開關(guān)變壓器中增加屏蔽層,并將屏蔽層接地,有利于降低高頻紋波電壓。合理布線。降低逆變橋中開關(guān)元件與高頻整流管的開關(guān)應(yīng)力,共模紋波是由于開關(guān)元件通斷時電路中寄生電感L的存在

37、引起的Ldi/dt造成的,所以在開關(guān)元件上并聯(lián)限制開關(guān)應(yīng)力的過壓吸收網(wǎng)絡(luò)可以減小輸出紋波。3、本文采取的措施在抑制低頻紋波采取下圖所示的低頻濾波器，該方法是在高頻開關(guān)整流電壓與輸出之間串入某一形式的濾波器同時濾去高頻開關(guān)逆變造成的因PWM調(diào)節(jié)引起的差模紋波和整流后的低頻紋波。圖中L與C1或L與C2的取值要合理選用。一般L與C1或L與C2的取值應(yīng)按。式中的為開關(guān)電源逆變器的逆變頻率。圖7 低頻濾波器電路圖5輔助電路5.1電壓驅(qū)動型脈寬調(diào)制器TL494的特點(diǎn)與功能TL494是電壓驅(qū)動型脈寬調(diào)制器，可顯示器、計(jì)算機(jī)等系統(tǒng)，TL494的管腳如圖8所示：圖8 TL494管腳圖作為開關(guān)電源電路，TL494

38、的輸出三極管可接成共發(fā)射極及射極跟隨器兩種方式，因而可以選擇雙端推挽輸出或單端輸出方式，在推挽輸出方式時，它的兩路驅(qū)動脈沖相差180度，而在單端方式時，其兩路驅(qū)動脈沖為同頻同相。5.2電流檢測電路1電路設(shè)計(jì)電流檢測是實(shí)現(xiàn)電流負(fù)反饋控制的基礎(chǔ)，檢測電路如4.2圖所示,逆變器輸入電流If流經(jīng)傳感器TA時，在電阻R1兩端產(chǎn)生相應(yīng)的電壓，經(jīng)跟隨器IC1輸出，再經(jīng)組成濾波器濾波后，進(jìn)入單片機(jī)系統(tǒng)A/D轉(zhuǎn)換口，由A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。2參數(shù)計(jì)算1)電流轉(zhuǎn)換器的計(jì)算：電流轉(zhuǎn)換器一次測電流額定值為1000A式，選用LEM塊，現(xiàn)選用LA1000-7型號的LEM作為檢測元件，其檢測范圍為0800A。匝數(shù)比為1

39、:10000，內(nèi)阻=50，LEM塊內(nèi)功率輸出管飽和壓降=0.5V，電源電壓為15V。由于，在額定一次電流下，流過測量電阻的電流為：(5.1)實(shí)取70。(5.2)對應(yīng)的一次電流值為：(5.3)轉(zhuǎn)換后的電壓最大值為：(5.4)2)濾波器參數(shù)的計(jì)算電流檢測電路如圖9所示：圖9 電流檢測電路圖由于最大電流時的反檢測電壓小于單片機(jī)A/D轉(zhuǎn)換器允許的最大輸入電壓5V，因此濾波器的放大倍數(shù)為：(5.5)取、均為20kW，300W，30W，則：(5.6)(5.7)電容C可在調(diào)試時根據(jù)情況確定。運(yùn)算放大器選用LM324普通運(yùn)算放大器即可。3)輸出調(diào)整及保護(hù)為了輸入到單片機(jī)A/D轉(zhuǎn)換器的電壓在5V以下，故增設(shè)一只

40、穩(wěn)壓管起保護(hù)作用，防止由于運(yùn)算放大器損壞時，輸出正負(fù)高電壓而導(dǎo)致A/D轉(zhuǎn)換器，甚至單片機(jī)系統(tǒng)損壞，穩(wěn)壓管VDW1的穩(wěn)壓值選定為5V。電位器RP1為10K，用來調(diào)整輸入A/D轉(zhuǎn)換器電壓的大小，即改變電流反饋系數(shù)。5.3電壓檢測電路1電壓檢測電路電壓檢測元件采用HV100轉(zhuǎn)換模塊，匝數(shù)比為10000：2000，電壓轉(zhuǎn)換系數(shù)為1，當(dāng)逆變器空載時，輸入HV100的電壓為：(5.8)取80V。電壓檢測電路如10圖所示：圖10 電壓檢測電路圖取運(yùn)算放大器IC1D的輸入電阻，輸入電流為10mA。6單片機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)單片機(jī)控制電路由以下幾部分組成：80C196KC最小系統(tǒng)、D/A轉(zhuǎn)換電路、數(shù)碼顯示及鍵盤輸入

41、電路、I/O接口電路。下面簡要介紹一下這幾部分的功能：1)80C196KC最小系統(tǒng)：它是單片機(jī)控制系統(tǒng)的核心部分，通過程序的運(yùn)行使它與外圍芯片交換信息，來實(shí)現(xiàn)所需的控制功能。2)I/O接口電路實(shí)現(xiàn)單片機(jī)的輸入輸出控制，并使單片機(jī)數(shù)字電路和其控制對象隔離開來，增強(qiáng)單片機(jī)的抗干擾能力。6.1單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖11為單片機(jī)80C196KC內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖。本系統(tǒng)由CPU、鎖存器、譯碼器、EEPROM組成，采用8M晶振，為與外圍的常用接口芯片配合，采用8位總線方式，為減小功耗并考慮接線的方便，外圍接口芯片均采用高速CMOS芯片。圖11 單片機(jī)80C196KC內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖雖然單片機(jī)本身具有豐富的軟、硬件資

42、源，但也只能滿足較為簡單的實(shí)時系統(tǒng)的要求，對于較復(fù)雜的系統(tǒng)需要在其外圍配置一些接口芯片，而CPU同這些芯片交往必須知道它們的地址，即必須采取有效的方法合理分配單片機(jī)地址資源，將每個I/O設(shè)備映像于單片機(jī)地址空間。80C196KC單片機(jī)整個存儲空間中，片內(nèi)、片外存儲空間一共可達(dá)64K字節(jié)，由于80C196KC程序運(yùn)行首地址為2080H，應(yīng)以2000H開始安排程序存儲空間，擴(kuò)展的存儲空間的順序一般為EPROMEEPROM RAMI/O芯片。單片機(jī)地址資源進(jìn)進(jìn)行分配后，運(yùn)行CPU則根據(jù)分配的地址查找單片機(jī)外圍I/O設(shè)備，以進(jìn)行輸入/輸出操作，即CPU對I/O空間的尋址。上述譯碼方法實(shí)質(zhì)是將EEPRO

43、M存儲單元首地址浮高以滿足單片機(jī)復(fù)位后PC指針的要求。顯然不取Y0作為片選是因?yàn)槌绦蜻\(yùn)行首地址為2080H。當(dāng)A13=1，A15=A14=0時，138輸出Y1為低電平有效，選中2864；當(dāng)A14=1，A15=A13=0時，Y2有效，選中DAC0832：當(dāng)A15=0，A14=A13=1時，Y3有效，選中8279。80C 196KC片內(nèi)無程序存儲器，為此系統(tǒng)擴(kuò)展了芯片2764，它能夠在斷電時保持?jǐn)?shù)據(jù)不丟失，又能實(shí)時地更新內(nèi)容。由于80C196KC片內(nèi)有256個8位寄存器，除25個特殊功能寄存器外都可用作累加器，采用垂直窗口技術(shù)，可擴(kuò)展為512個寄存器，因此無需擴(kuò)充片外RAM，即可完成用于控制過程的

44、絕大部分運(yùn)算。6.2數(shù)模轉(zhuǎn)換電路在連續(xù)量控制場合，單片機(jī)輸出的數(shù)字量必須經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后，才能驅(qū)動執(zhí)行元件，從而實(shí)現(xiàn)單片機(jī)對系統(tǒng)的有效控制。為了實(shí)現(xiàn)電源恒流外特性，需要單片機(jī)輸出連續(xù)的模擬信號作為電流閉環(huán)調(diào)節(jié)中的電流給定量。而且面板上的電流表顯示也需單片機(jī)輸出的模擬信號加以控制。將單片機(jī)輸出的數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量的方法有多種，80C196KC本身提供的PWM輸出和高速輸出口(HSO)都可用作D/A轉(zhuǎn)換用，其實(shí)現(xiàn)D/A輸出的外部接口電路一般原理見圖18所示，從圖可知，為保持模擬量的平衡，都必須通過阻容濾波，但即使濾波后也有細(xì)小的紋波存在，而直接采用D/A轉(zhuǎn)換芯片來產(chǎn)生電流給定所需的模擬量，輸出精度高，響應(yīng)時間也相對快一些。D/A轉(zhuǎn)換器按字長分有8位、12位、14位、16位等不同字長的D/A。其中14位、16位D/A用得較少，一是價(jià)格高，二是12位以下己基本滿足一般工業(yè)系統(tǒng)的要求。本焊機(jī)系統(tǒng)對電流調(diào)節(jié)所需的分辨率要求不是很高，因此選用8位DAC0832即可滿足要求。它內(nèi)部是T型電阻網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的D/A轉(zhuǎn)換器，并帶有數(shù)據(jù)鎖存器，數(shù)字量為并行輸入，轉(zhuǎn)換速度很快，輸出形式為電流源輸出，電流建立時間小于l us。7軟件設(shè)計(jì)1、主程序設(shè)計(jì)圖12 主程序流程圖2、LED顯示及A/D轉(zhuǎn)換子程序設(shè)計(jì)要實(shí)現(xiàn)電源外特性控制，