高压大功率脉冲电源的设计.doc

1绪论1.1论文的研究背景电源设备用以实现电能变换和功率传递，是一种技术含量高、知识面宽、更新换代快的产品。现今已广泛应用到工业、能源、交通、运输、信息、航空、航天、航运、国防、教育、文化等领域。在信息时代，上述各行各业都在迅猛地发展，发展的同时又对电源产业提出了更多更高的要求。显然，电源技术的发展将带动相关技术的发展，而相关技术的发展反过来又推动了电源产业的发展。当前在电源产业，占主导地位的产品有各种线性稳压电源、通讯用的ACDc开关电源、DCDC开关电源、交流变频调速电源、电解电镀电源、高频逆变式整流焊接电源、中频感应加热电源、电力操作电源、正弦波逆变电源、大功率高频高压直流稳压电源、绿色照明电源、化学电源、UPS、可靠高效低污染的光伏逆变电源、风光互补型电源等。而与电源相关的技术有高频变换技术、功率转换技术、数字化控制技术、全谐振高频软开关变换技术、同步整流技术、高度智能化技术、电磁兼容技术、功率因数校正技术、保护技术、并联均流控制技术、脉宽调制技术、变频调速技术、智能监测技术、智能化充电技术、微机控制技术、集成化技术、网络技术、各种形式的驱动技术和先进的工艺技术。1.2脉冲电源的特点及发展动态脉冲电源是各种电源设备中比较特殊的一种，顾名思义，它的电压或电流波形为脉冲状。按脉冲电源的输出特性分类，有高频、低频、单向、双向、高压、低压等不同的分类，具体选择怎样的输出电压、输出电流和开关频率，根据具体的应用场合而定。按脉冲波形分，有矩形波、三角波、梯形波、锯齿波等多种形式，如图11所示。图11各种脉冲波形由于矩形波具有较好的可控性和易操作性，所以这种波形的应用居多。究其本质，脉冲电源实质上是一种通断的直流电源，它的基本工作原理是：首先经过慢储能，使初级能源具有足够的能量，然后向中间储能和脉冲成形系统放电(或流入能量)，能量经过储存、压缩、形成脉冲或转化等复杂过程之后，形成了脉冲电源。1.3脉冲电源的应用及研究现状由于脉冲电源断续供电的特性，在很多领域都获得了广泛的应用，其应用领域包括：脉冲电镀、极性相和非极性相的相分离、工业废气处理、脉冲电解污水处理、高频脉冲感应加热、高功率激光泵、产生高功率带电粒子束、电弧焊接、电火花加工、静电除尘、臭氧制取和表面热处理等。在军事上，脉冲电源还用于电磁轨道炮、电磁脉冲模拟、粒子束武器、液电爆炸等领域。下面简要介绍脉冲电源的几种典型应用。（1）脉冲电源在电加工领域的应用传统电镀采用直流电流，而采用脉冲电镀具有比直流电镀更优异的性能。脉冲电镀能控制金属电沉积，通过改变脉冲参数来改善镀层的物理化学性能，从而可以节约贵金属和获得功能性镀层。脉冲电流的波形有方波、三角波、锯齿波、阶梯波等，但就目前的应用情况来看，方波脉冲在工业生产中应用最为普遍，对脉冲电镀的研究也多围绕方波进行展开。由方波脉冲演变过来的脉冲形式有直流叠加脉冲、周期换向脉冲和间断脉冲。直流叠加脉冲是在直流基波上叠加了一个方波脉冲，这种方法的电镀效果与单脉冲基本相当。周期换向脉冲电镀实际就是双向脉冲电镀，是指在正向阴极脉冲之后引入反向阳极脉冲的电流形式，这种方式目前在国内应用较多，主要是为了得到高致密性且具有一定光洁度的镀层。间断脉冲是脉冲的一种周期性中断，由于有间歇时间的存在，利于放电离子的充分恢复，可使脉冲极限电流密度提高。（2）脉冲电源在环境工程领域的应用及研究现状脉冲电源技术最近几十年在环境治理和保护领域中蓬勃发展，显示出了广阔的应用前景，因此脉冲电源技术在环境工程领域的应用自然而然的成为国内外学术的研究热点。主要表现在以下一个方面。1）脉冲电晕等离子体法净化工业废气脉冲电晕等离子体法净化废气是近十年发展起来的新技术，是目前国内外环境治理新技术的研究热点。其机理是利用前沿陡峭、窄脉宽(纳秒级)的高压脉冲电晕放电，在常温下获得非平衡等离子体，即产生大量的高能电子和O, OH等活性粒子，对工业废气中的有害气体分子进行氧化、降解等反应，使污染物最终转化为低毒或无毒物质。该类脉冲电源常见的结构形式有脉冲变压器式电源、空心变压器(Tesla )谐振充电式电源和磁压缩式电源。其中脉冲变压器式电源技术较为成熟，因此获得了广泛的应用。从国内外现有的研究资料看，可利用纳秒级高压脉冲电晕放电产生等离子体化学技术净化的废气有:SO2, NOx、甲苯、二甲苯、二氯甲烷、已醇等。脉冲电晕等离子体法脱硫脱氮技术具有很强的应用前景，是国内外普遍关注的热点。美国、日本、荷兰、俄罗斯、大利等国积极开展研究，国内曾将该研究列为“九五”攻关项目。脉冲电晕等离子体法脱硫脱氮技术的主要研究热点是高压窄脉冲电源的研制、反应器结构优化、脱硫脱氮、等离子体化学反应机理及添加剂的选取等。2）高压脉冲放电废水处理由于高电压技术易于实现高能化，近年来将高电压技术用于处理难处理工业污水的研究己引起了国内外研究者们的极大的兴趣。李劲、李胜利等提出了高压脉冲放电等离子体水处理技术。高压脉冲放电废水处理基于以下四种效应:高能电子轰击;臭氧杀菌;紫外线的光化学处理作用;放电等离子体中产生的活性自由基的作用。高压脉冲放电等离子体水处理技术使放电生产的臭氧与水直接作用，简化了传统臭氧净水技术中气体干燥、电极冷却、水气混合等程序，使装置小型化，不仅避免了臭氧质量浓度随时间的衰减，而且充分发挥放电产生的活性粒子的净化作用。因此，与传统的臭氧净水方法相比，高压脉冲等离子体水处理显然具有更好的应用前景。高压脉冲放电废水处理的研究热点主要集中在高压脉冲电源的设计和等离子体生成法的优化设计。脉冲静电除尘传统静电除尘采用直流高压供电方式。在这种供电方式下，由于粉尘层等效电容效应会造成反电晕现象，导致除尘率下降。当采用脉冲供电时，除尘器粉尘层的等效电容在脉冲施加期间只充上很少的电荷，在脉冲消失期间所充电荷基本放完，所以除尘器粉尘层上不会因积累电荷形成高电压而使粉尘造成反电晕。因此与常规直流电源供电的除尘器相比，脉冲供电电源除尘器的除尘效果更佳。此外，对于不同比电阻的粉尘，可通过调整直流基压、脉冲频率和占空比，使之达到最佳除尘效果。脉冲静电除尘是一种先进的空气净化技术，如果将之与脱硫脱氮技术相结合，采用微秒级或纳秒级的脉冲供电电源，可以实现脱硫脱氮技术与除尘技术一体化。目前国内外电除尘脉冲供电电源大多采用在直流基础电压上迭加脉冲电压的设计方案，这种电源设计方案需要用两台变压器构成两套电源，分别用于产生直流基压和脉冲电压，因此电源的结构和控制系统都比较复杂，价格昂贵，在一定程度上限制了其的推广应用。（3）脉冲电源在其他领域的应用1）脉冲焊接电源电弧焊是焊接方法中应用最为广泛的一种，它通过电弧供给加热能量，使工件熔合在一起，达到原子间的接合。弧焊电源是电弧焊机中的主要部分，是对焊接电弧提供能量的一种装置，它必须具有电弧焊接所要求的主要电气性能。没有性能良好工作稳定的弧焊电源，很难保证电弧稳定燃烧和焊接过程顺利进行，同时也很难得到良好的焊接接头，最终先进的焊接工艺更是不可能实现的。弧焊电源常用脉冲形式，脉冲焊接可独立地调节峰值电流、基值电流、脉冲宽度、脉冲周期或频率等规范参数，表现在焊接工艺上，可增大焊缝的深宽比、防止烧穿、减小热影响区、增加熔池的搅拌作用。逆变弧焊电源重量轻、省材料、节能，而且控制性能好，动态响应快。目前在工业发达国家，手工电弧焊、钨极氢弧焊TIG)、氢气电弧焊CMIG)、C02电弧焊(MAG)和等离子切割等己广泛采用逆变电源。目前逆变焊接电源的发展和研究主要集中在以下一些方面:功率开关器件向IGBT更新换代;磁性材料的发展;功率控制方式的发展;自动化及智能控制技术的应用。逆变弧焊电源采用传统的模拟控制方式，存在着一些弊端，很大程度上制约了逆变弧焊电源的进一步发展，由此产生并推动了数字化焊接电源的发展。目前，国外已有数字化焊接电源产品问世，最具代表性的如奥地利FRONIIJS公司生产的TR.ANSPi.USSYNERGiC系列TPS2700/400015000全数字化焊接电源。它的心脏部分是一个数字信号处理器，由它集中处理所有焊接数据，监测和控制整个焊接过程，焊机具有引弧、精确控制电弧、专家系统、一机多功能、焊接数据接口和评价系统等功能。在国内，数字化焊接电源尚处于探索性研究阶段，某些高校和科研机构己在这方面开展了工作。上海交通大学焊接研究所1999年提出了“数字化焊接电源”的研究课题，北京工业大学材料学院分析了数字化焊接电源的特征，提出了“全数字化控制焊接电源的方案”，华南理工大学提出了基于DSP的弧焊逆变电源数字化控制系统。2）脉冲激光电源激光器在工业生产中广泛应用，其中尤以C仇激光器，灯泵浦YAG固体激光器，以及准分子激光器为主。激光电源是激光系统中一个重要的组成部分，是决定激光器整体性能的重要因素。目前国内应用较广，技术上比较成熟的脉冲激光电源主要包括谐振充电式激光电源，开关型高频脉冲电源。谐振充电式激光电源在激光器电源中应用十分广泛，它的原理简单，经过长期应用，技术上较为成熟，但整套装置体积庞大，可控硅全桥整流的控制和驱动电路复杂，成本较高。开关型高频脉冲电源主要利用开关器件将一种形式的电能转变为另一种形式的电能，这类激光电源的体积小，重量轻，高效节能，动态响应速度快。70年代中后期出现了MOS场效应晶体管，特别是80年代问世的功率MOSFET，以及派生的MOS型绝缘栅双极型晶体管IGBT，其特性和功能的改善和发展，使激光电源技术得到了极大的促进。1.4课题的主要内容由于脉冲电源拥有广阔的应用领域，因此研制高效、高可靠性、智能化、输出特性优良的脉冲电源对工程应用有重要的实际意义。同时，脉冲电源的研究涉及电力电子、新型功率开关器件的应用、自动控制技术、电磁理论、材料科学和电路系统建模、优化等多方面内容，因此具有广泛的理论和学术意义。本文的研究重点在于高压脉冲电源采用单片机控制高频PWM调制芯片SG3525工作时间的方法，改变逆变电路工作状态，最终使系统输出脉冲波形。其输出脉冲电压幅度连续可调，脉宽和频率也均可由用户在规定范围内调整。同时还采取了有效的电源输出保护策略，当系统过流时，立即进行保护动作，且不会因为实现保护功能而引起其他器件的损坏或对用户造成人身伤害，研究出一种安全性高，稳定可靠的可调高压脉冲电源。2脉冲电源总体结构2.1脉冲实现方式实现脉冲电源的方式有很多，但归结起来大致可分为三种。第一种是利用储能元件，如L，C的充放电实现脉冲输出；第二种是利用逆变将直流电变换为脉冲输出；第三种是利用直流斩波原理输出脉冲电压。比较而言，储能放电法结构简单，能获得高压窄脉冲，但脉冲波形不易控制，脉冲参数不易调节。逆变法是利用开关管将直流电转换成一定频率的脉冲，这种电路的结构较为复杂，由于采用了高频变压器使其体积、重量、效率均有所提高，但它的缺点也在于脉冲的幅值、频率、占空比不易调节。2.2脉冲电源总体结构 图22系统整体结构框图图2.2为系统整体结构框图。系统工作流程为：系统上电之后，用户通过键盘设定满足要求的系统输出脉宽和频率，其间全部设定操作过程均可在液晶页面上得以体现。当按下“ENTER键后，单片机立即产生高低电平控制SG3525工作时间，单片机引脚输出高电平时SG3525不工作，则无驱动脉冲，系统输出脉冲低电平；反之，系统输出脉冲高电平。通过输出信号采样及检测电路，系统输出的脉冲电压、电流、脉冲和频率都会显示到液晶屏幕上。系统运行过程中，可按下“MODIFY”键，进入修改页面进行输出参数的重新设定。3系统硬件电路的设计.1主电路拓扑结构3.1.1常用拓扑结构开关变换器的拓扑结构指能用于转换、控制和调节输入电压的功率开关元件和储能元件的不同配置。开关变换器拓扑结构可分为两种基本类型，非隔离型和隔离型6。非隔离型电路即各种直流斩波电路，根据电路形式的不同，可以分为降压型(Buck)电路、升压型(Boost)电路、升降压(BuckBoost)型电路、Cuk型电路。降压型电路只能升压不能降压，输出与输入同极性，输入电流脉动大，输出电流脉动小，结构简单。升压型电路只能升压不能降压，输出与输入同极性，输入电流脉动小，输出电流脉动大，不能空载工作，结构简单。隔离型电路指输入侧与输出侧通过一个高频变压器隔离，可实现多路输出。常用的有正激式、反激式、推挽式、半桥和全桥。正激型电路较简单，成本低，可靠性高，但变压器单向励磁，利用率低，适用于各种中小功率开关电源。反激型电路非常简单，成本很低，可靠性高，驱动电路简单，但难以达到较大的功率，适用于小功率场合。全桥型电路中变压器双向励磁，容易达到较大功率，但电路结构复杂，成本高，可靠性低，需要复杂的多组隔离驱动电路，有直通和偏磁问题，适用于大功率工业开关电源、焊接电源、电解电源等。由于本电源输出功率不高，输出最大电流为10mA，最大电压为50KV，最大输出功率为500W，属中小功率，故可采用半桥式逆变电路作为主电路拓扑结构。3.1.2半桥逆变式变换器工作原理半桥逆变电路具有高频变压器利用率高，截止开关管极间承受的电压低，抗不平衡能力强等优点，其工作原理如图31所示9-11。当上管VFl的栅极驱动脉冲变为高电平时，vFl饱和导通，此时加在VF2漏极的高压电源+300V经C31到变压器T1的原边绕组，再经C33到地，形成C33的充电回路。图3.1半桥式功率变换器简化电路而电容器C32则经Tl、C31、VFl放电。使2个电容器中点电位VA在前半周期结束时升高了AVEl。当VFl变为截止、2尚未导通时，两管中点电压Vo又恢复到接近12的半电源电压值。当桥壁下管VF2的栅极驱动脉冲变为高电平时，VF2饱和导通，电源电流又由+300V经C32、T1、C31到地，形成c32充电回路。此时VFl截止，C33则经T1、C31、饱和导通的VF2放电。因此中点电压V在后半周期结束时又下降了VE20如果电路参数对称，则AVEl=VE2，中点电位V在开关过程中将以电源电压一半值E2为中心，按VE幅度作指数规律的上升和下降变化。半桥逆变电路的工作波形如图32所示。其中a、b是两路驱动脉冲电压波形，它们的相位差为1800。在驱动电压的轮流开关作用下，半桥变换器的2只功率MOSFET交替导通和截止，在变压器T1的原边产生高压开关脉冲，从而在副边感应出交变的方波脉冲，实现功率转换。当开关管VFl(或2)导通时，加于变压器原边绕组上的电压是电容器C32(或C33)两端的电压。在电路中，由于开关管特性不一致，引起开关管VFl的导通时间比开关管VF2的长，则电容C32两端的平均电压就会比电容C33两端的低。故VFl导通时，加于变压器原边绕组两端电压的幅值，就会比2导通时的要低，从而就能够使加到变压器原边绕组两端正负方波的伏秒积分始终维持相等。因此，此电路的抗不平衡能力是比较强的。虽然半桥逆变电路自身具有抗不平衡能力，但在实际应用电路中，通常在高频变压器原边电路中，串入一只容量足够大的电容C31。其作用是用来进一步增强电路的抗不平衡能力，防止由于开关管的特性差异而造成变压器磁芯饱和。图3.2半桥式逆变电路工作原理波形3.2高频开关电源主要功能模块3.2.1全隔离单相交流调压模块由于本脉冲电源系统适用于不同负载，因此要求输出脉冲电压的幅值需要在10KV-,50KV连续可调，那么就需要设计电压调节电路。为了简化电路设计，本论文引入全隔离单相交流调压模块。该模块是集同步变压器、相位检测电路、移相触发电路和输出可控硅于一体，当改变控制电压的大小，就可改变输出可控硅的触发相角，即实现单相交流电的调压。根据输出可控硅器件不同分一只双向可控硅的普通型，两只单向可控硅反并联的增强型和一只单向可控硅的半波型等三类。按单相交流负载的额定电压分220V和380V两类，按控制信号的不同分E、F、G、H型等四类。根据要求，本系统采用普通型DTY220D40E型交流调压模块。图33为此模块220V交流电网控制电路图。图3.3 220V交流电网自动控制电路图 为输出端，即模块内部可控硅的两极，增强型和普通型的端无极性，半波型模块内部单向可控硅的阳极接端，阴极接端。为模块内部同步变压器初级，分220Vac和380Vac两种规格：220Vac规格的模块允许使用在165-240Vac范围的电网上，380Vac规格的模块允许使用在285-420Vac的电网上，不分极性。COM为内部地端，CON为控制端，+5V端为内部产生，只供电位器手动控制用。的强电部分和+5V、CON、COM端的弱电部分为全隔离，其应用电路如下所示。图34为其输入输出关系曲线及波形图。有关技术指标及应注意的问题为： (1)通过加在负载上的电压相位和端的电压相位必须一致，否则失控。电网频率须为50Hz。 (2)CON对COM必须为正，如极性相反则输出端失控(全开或全闭)。当控制端CON从0-5V改变时，交流负载上的电压从0V到最大值可调(对阻性负载而言)。其中CON在O08V左右时为全关闭区域，可靠关断模块的输出；CON在08V-一46V左右为可调区域，即随着控制电压的增大，导通角a从180。到0。线性减小，交流负载上的电压从0V增大到最大值；CON在46V5V左右时为全开通区域，交流负载上的电压为最大值。图3.4控制电压与可控硅输出导通角关系曲线及波形图 (3)CON对COM的输入阻抗分E、F和H型均为大于等于30Kf2；G型为250fl。+5V电压信号只提供给手控电位器用，不作它用，所选用的电位器阻值在2KCJ-10KQ间，注：4mA-20mA的G型不能用电位器手动调节，此时+5V端也没有用处。(4)单相交流异步电动机的调速原则上应采用变频器，只有风机类、水泵类单相电机在要求不高的场合可采用单相调压模块。(5)三只单相调压模块不能使用在三相电网上对三相负载调压。(6)弱电部分、强电部分、模块底板相互间绝缘电压均大于2000Vac。(7)整个模块的发热量按负载实际电流安培数乘15WA计算，散热器可选用的型号有E40、F70、F100及G系列。3.2.2辅助电源电路辅助电源电路是一个系统的核心，是保障系统正常运行的必要条件。开关电源的稳压精度高，但是只能稳定一路电压。本系统的信号处理电路和各种驱动电路需要多组直流稳压电源为系统供电。所以单纯的选择开关电源既不经济也无法满足系统的要求。所以本系统采用2个三端稳压块分别构成+12V和+5V稳压电路输出，如图35所示。+12V电源为脉宽调制芯片SG3525及各功能电路的运算放大器供电；+5V电源主要为单片机及其所有外围设备供电，包括AD转换芯片MAXl97，多路选择器CD4052，以及液晶模块及其背光电源。图3.5辅助电源电路电网电压经过变压器与桥式整流电路后变成直流电。在经过一个有极性电容和一个无极性电容后滤去低频和高频谐波分量，在稳压块的输入端产生一个基本稳定的电压，经过稳压块后产生一个稳定的直流电压。稳压块的输入端要满足在电网电压下降至最低时还至少比输出端的电压高3V。由于+5V所提供的负载电流很低所以可以直接将其连接至+12V稳压块的后端，这样节省了变压器副端的输出。3.2.3脉冲形成电路本系统选择AT89C51作为主控芯片，选择脉宽调制芯片SG3525提供半桥逆变电路开关管的驱动脉冲，通过主控芯片AT89C51产生控制脉冲改变SG3525驱动脉冲时间形成最终系统输出的高压脉冲。下面简要介绍所用到的芯片和脉冲产生电路12-13。 (1)SG3525简介SG3525采用双列直插式封装，CMOS工艺，具有功耗小、驱动能力强、开关动作快、外接元件少等优点。各引脚功能如下：1、2引脚分别为互差放大器的反相输入端和同相输入端，3脚为同步输出端，4脚为振荡器输出，5、6脚分别外接内部振荡器的时基电容和电阻，7脚接放电电阻，8脚为软启动，9脚为误差放大器的频率补偿端，10脚为关断控制端，11、14脚为驱动脉冲输出端，12脚为接地端，13脚接输出管集电极电源，15脚接SG3525的工作电源，16脚为51V基准电压引出端。SG3525内部结构框图如图36所示，它在第一代脉宽调制芯片SG3524的基础上作了较大的改进，克服了SG3524的不足成为第二代集成电路脉冲宽度调制器，特别适合于半桥逆变电路的驱动信号控制。主要表现在以下几个方面：第一，电路中设置了欠压锁定和限流关断电路。为了在欠压状态下(U25V时，欠电压封锁电路就开始工作，其上限值为8V，但在电路达到8V前，电路各部分已进入正常工作状态，而当从8V下降到75V时，锁定电路又开始恢复工作，其中有05V的回差电压，用于消除钳位电路在阈值点处的振荡。在锁定电路工作期间，输出一高电平，加至组合逻辑门电路的输入端，以封锁PWM的脉冲信号。SG3525没有电流限制放大器，它采用了关断控制电路来进行限流控制，只要将信号加于10脚就能实现限流控制。另外，10脚也可提供各种程序控制的需要。第二，改进了振荡电路。主要是将时基电容CT的放电电路与充电电源分开，单独设立引脚7，CT放电通过外接电阻RD来实现，改变RD即可改变CT的放电时间常数，从而改变了死区时间，而CT的充电是由Ib规定的内部电流源决定的。振荡器的振荡频率为：第三，输出电路的改进。SG3525输出级采用了图腾柱输出电路，它能使输出管更快地关断，Vl由达林顿管组成，最大驱动能力为100mA，Vz作为开关器件，在其导通时可以迅速把外接MOS管栅极上的电荷从它的集电极泄放至地，最大吸收电流为50mA。SG3525的脉宽调制过程为：SG3525的15脚为电源输入端，其启动电压为8V以上。当电压从8V降低至75V时，欠压锁定电路开始工作。输出端11和14无脉冲输出。当15脚建立正常工作电压后，其内部即建立恒压源和恒流源，为其内部电路正常工作提供能源。通过5，6脚外接定时元件以及7脚放电端，使5脚产生锯齿波信号，加于内部比较器的输人端。当误差放大器输出端9脚电压上升时，比较器输出的脉冲宽度变窄，11或14脚输出的脉冲宽度反而变宽；当误差放大器输出端9脚电压下降时，情况与上述相反，从而实现输出脉宽调制，并控制脉宽调制信号的频率。2脚接基准电压，1脚为输出电压取样端。当1脚电压升高时，经误差放大9脚电压下降，反之，9脚电压上升。9脚上电压的上升和下降；最终都表现在11，14脚输出脉冲的宽窄变化上，以实现电路的自动稳压调节。10脚为检测电路输入端，即可用作过流检测或过压检测。当10脚输人高电位时，将关闭11，14脚的脉冲输出，以保护开关管不受损坏。图3.6 SG3525内部结构框图 (2)控制脉冲产生电路设计本系统通过单片机AT89C51控制SG3525的工作时间来产生半桥逆变电路的驱动信号，具体电路如图37所示。用户通过键盘把要求的系统输出脉宽和频率值输入单片机，使其P10引脚输出控制脉冲，高低电平时间可以通过程序算法求得。单片机P10引脚接到SG3525的关断控制引脚。当P10为高电平时，触发SG3525关断引脚使其关断，同时引脚11、14停止输出驱动脉冲。这样，半桥逆变电路的开关管无触发信号无法工作，此时刻开始为系统输出脉冲的低电平时间；反之，当单片机P10引脚输出低电平时，此时刻开始为系统输出脉冲的高电平时间。图3.7脉冲产生电路 设输出频率设定值为fre_set，脉宽设定值为pl_wid_set，则AT89C51的P10引脚输出高电平的时间为： 低电平时间为： 当P10引脚输出电平由高电平变到低电平时，由于SG3525有软启动功能，系统软启动。为了提高系统动作的及时性，应把软启动延时电容值取得小一些。本论文取软启动电容为1000pF2000pF。否则软启动时间过长，系统输出电压上升过慢，致使整个脉冲波形无法满足要求。3.2.4高压脉冲电源的控制及稳定整个系统的控制由TMS320F2812 DSP芯片和IGBT驱动器来实现，主要通过恒定导通时间-恒频控制的方法实现LCC串并联谐振充电电路的软开关，减少开关损耗，调节输出电压;及利用变频变宽的控制方法实现后级脉冲形成电路的输出脉冲控制和IGBT同步触发等。TMS320F2812开发板，内部集成了16路12位A/D转换器、两个事件管理器模块、一个高性能CPLD器件XC95144XL,可实现过压、过流保护在内的电源系统运行全数字控制，提高输出电压的精度和稳定度。且采用软件编程实现控制算法，使得系统升级、修改更为灵活方便。 根据开关稳压电源的相关原理，结合本系统的设计要求，论文采用脉宽调制控制芯片SG3525实现稳压功能，利用单相交流调压模块实现电压调节功能，设计了一个稳压调压电路，如图38所示。图3.8稳压调压电路电路中取8KQ的同轴电位器，取4个RPl=10MQ串联分压，R47=160Kf2，R48=R49=2KQ。桥式整流滤波电路和系统输出端分压电阻的选取，可以保证当同轴电位器滑到最上端和最下端时，分别对应输出电压的最大值和最小值，同时A点和A7点的分压值均为25V。下面详细介绍此电路工作过程。 稳压过程：稳压过程其实即为PWM控制芯片SG3525常见应用。当输出电压升高时，电压反馈信号经过同轴电位器后进入SG3525的1脚，与2脚的基准电压进行比较，1脚电压比2脚高时，内部放大器输出端为低电平，随之9脚电压降低，11脚和14脚的输出脉冲变窄，然后驱动逆变电路缩短开关管导通时间，所以输出电压又下降，最终系统维持动态平衡于输出电压值。输出电压降低时与上述情况相反。调压过程：首先可以明确，图38中的同轴电位器与交流调压模块和桥式整流滤波电路形成一个负反馈回路。当需要升高输出电压时，将同轴电位器向上滑动，则A点分压值降低，小于比较器ICl同相输入端的25V基准电压，输出高电平。由于电容C49的存在，调压模块输出电压缓慢升高，输出电压升高。同时A点电位随之升高，由负反馈作用A点电位最终动态平衡于25V基准电压。这样，保证了输入控制电压稳定，控制更加精确。调低输出电压过程与上述过程相反。本电路的一大特色的引入了同轴电位器，其用意是为了使输出电压纹波减小。当用户调低输出电压时，若半桥逆变电路的输入电压没有相应的减小，很容易出现系统输出电压纹波过大的现象。若半桥逆变电路的输入电压不随之下降，SG3525输出触发脉冲宽度将明显减小，进而变压器副边绕组输出电压脉冲宽度明显变窄，纹波增大。为此，在调压电路中增设同轴电位器。当需要调低输出电压时，向下滑动同轴端，A点电位升高，经比较器ICl后，单相交流调压模块的控制端电压随之降低，即输入电压降低，保证变压器副边绕组输出脉冲脉宽基本保持不变，有效减小输出电压纹波。3.2.5驱动电路 驱动电路是电力电子主电路与控制电路之间的接口，是电力电子装置的重要环节，对整个装置的性能有很大的影响14-15。采用性能良好的驱动电路，可使电力电子器件工作在较理想的开关状态，缩短开关时间，减小开关损耗，对装置的运行效率、可靠性和安全性都有很重要的意义。本系统采用双端全隔离型驱动电路，如图39所示。 从SG3525驱动输出端输出幅值约为15V的方波电压，经过耦合电容C34后，直接加在驱动变压器两端，电阻R31及R32是用来抑制寄生振荡的，而电阻R33与R34是用来加速场效应管关断的。 综上所述，本系统所采取的驱动电路开关频率高、驱动功率大、结构简单且工作稳定可靠，保证功率级与控制级安全隔离。一般的驱动电路还可以采用光耦隔离，使桥臂分别导通。但是光耦隔离最大的问题在于：如果某一个光耦驱动出现故障坏掉，那么此通路可能将一直保持高电平的通路状态，不会使场效应管关断，那么这将导致同一桥臂的两个管子同时导通，这是十分危险，也是万万不能的。如果采用变压器隔离驱动的形式控制场效应管的导通和关断，绝对不会出现两个开关管同时导通的现象。如果驱动出现故障，最坏的情况就是两个管子都保持关断的状态，通过以上的考虑，所以没有采用光耦驱动。图3.9驱动电路 图39中也包括变压器初级绕组的吸收电路16-18。开关稳压电源中的最高的反冲电压，是在开关管截止时产生的，这个很高的反冲电压就产生在开关变压器初级绕组的两端，同时也加在功率场效应管漏极和源极之间，这样就对开关管是一个很大的威胁，为了消除或减少这种威胁，将吸收电路加在开关变压器初级绕组的两端，这样就保证了开关管的安全，也保证了电路的安全。 图39中采用的是电容器c36和电阻R35串联后，与初级绕组两端并联，其目的是为了使高频自由振荡变成低频自由振荡，自由振荡频率低了，那么向外辐射的干扰就会降低很多。当开关管截止时，由于在初级绕组两端并联了比分布电容大得多的电容C36(一般在几百几千pF)，结果使其自由振荡频率降低了，又由于在电路中串联了消耗能量的电阻R35(一般在几百几千Q)，所以使振荡很快衰减下去。3.2.6倍压整流电路 一般的高压电源均采用变压器进行升压，但容易增大电源设备体积。为了使设备小型化，本系统采用了倍压电路升压。倍压电路具有升压变压器的作用，并且不使用滤波电容。倍压整流电路的作用是，不仅可以将交流电换成直流电(整流)，而且能够在一定的变压器副边电压之下，得到高出若干倍的直流电压(倍压)。只要倍压电路中使用电容的总体积不是很大，就可以减小整个电源设备的体积19-24。图3.10普通倍压电路 图310所示为普通的多倍压电路，以正弦波输入为例。U2为正半周，电源电压通过VD3l将电容C37充电到2U2，然后在负半周时(如图310(c)，VD32导通，此时电容C37上的电压Uc37与U，的极性一致，它们共同将电容C38充电到22Uz。到下一个正半周时(如图310(b)，通过VD33向C39充电，Uc39=u2+uc38-Ue37=22U2。而在另一个负半周时(如图310(c)，通过VD3向C40充电，Uc40=u2+uc37+Ue39-u。3s=22U2。依此类推，可以分析出电容C41、C42等也都充电到22U2，它们的极性如图310所示。最后，只要把负载接到有关电容组的两端，就可以得到相应的多倍压直流输出。 图310所示电路的优点是每个电容上的电压不会超过变压器次级峰值电压的2倍，所以可以选用耐压较低的电容。缺点是电容串联放电，纹波大。这样会带来很多危害： (1)容易在用电器上产生谐波，而谐波会产生较多的危害； (2)降低了电源的效率； (3)较强的纹波会造成浪涌电压或电流的产生，导致烧毁用电器； (4)会干扰数字电路的逻辑关系，影响其正常工作； (5)会带来噪音干扰，使图像设备、音响设备不能正常工作。图3.11双向4倍压整流电路 由于本电源输出10KV50KV高压，对于纹波大小的控制更是至关重要。所以本论文采用了一种双向倍压整流的方案，即把高压变压器安装在倍压电路的中间，如图311所示，这样整个电路相当于两个4倍压电路串联。这样做的目的主要是为了减小倍压电路内部压降，提高直流电源的稳定度和效率，增强负载能力，可以大幅度地减小电源输出的纹波系数。倍压整流电路内部压降计算公式为：整个倍压整流电路直流输出电压为： vacp为倍压整流电路的输入电压，也即高压变压器的输出电压，由分析知，变压器的输入电压为100V，变比60，考虑变压器内部的损耗，取变压器效率为80，则Vacl,=6250V，通过计算取n=4，f=20KHz，输出电流Io为10mA，选用的电容参数为耐压15KV，容量为5000pF，硅堆的耐压参数为30KV。3.3磁性元件设计3.3.1磁性材料和结构 开关电源中的磁性元件常用的材料是软磁材料。软磁材料指的是剩磁和矫顽力均很小的铁磁材料，特点是易磁化、易去磁且磁滞回线较窄。软磁材料按照主要成分、磁性特点、结构特点，大致可分为三类25： (1)金属磁芯：硅钢片、坡莫合金、非晶及纳米晶合金。除非晶及纳米晶合金外，这类材料常用在频率低于30KHz的场合，因而在开关电源中用得较少。 (2)磁粉芯：磁粉芯是由铁磁性粉粒与绝缘介质混合压制而成的一种软磁材料，一方面可以隔绝涡流，故适用于较高频率：另一方面，材料具有低导磁率及恒导磁特性，直流电流叠加性能好，主要用于高频电感。常用的磁粉芯有铁粉芯、坡莫合金粉芯及铁硅铝粉芯三种。 (3)铁氧体磁芯t铁氧体是复合氧化物烧结体，有锰锌铁氧体、镍锌铁氧体、铜镁锌铁氧体等几类，其中锰锌铁氧体的产量和用量最大。铁氧体在应用上很方便，而且电阻率远大于金属磁性材料，可抑制涡流的产生，磁导率随频率的变化特性稳定，在150KHz以下基本保持不变。此外，铁氧体具有高的饱和磁感应强度。随频率增大，损耗上升不大，随温度提高，损耗变化不大。广泛应用于功率扼流圈、并列式滤波器、开关电源变压器、开关电源电感、功率因数校正电路。 磁芯的基本结构有26： (1)叠片型：通常由硅钢或镍钢薄片冲剪成E，I，F，O等形状，叠成一个铁芯。 (2)环形铁芯：由O型薄片叠成，也可由窄长的硅钢、合金钢带卷绕而成，此形铁芯绕线困难。 (3)C形铁芯：此种铁芯可免去环形铁芯绕线困难的缺点，由两个C形铁芯对接而成，因此可用机械绕线，线圈可填满整个窗口。 (4)罐形铁芯(POT)：它是磁芯在外，铜线圈在里，免去了环形线圈绕线不便的一种结构形式，可以减少EMI。3.3.2绝缘问题 高压变压器的绝缘包括高压边对原边的绝缘、高压边对铁芯的绝缘、高压边端部的绝缘。提高绝缘一个困难在于高频变压器的体积较小，绝缘距离受到限制；另一个困难在于提高绝缘强度和降低漏感是一对矛盾，提高绝缘强度要求高压边对原边及对铁芯的距离越远越好；而降低漏感则要求高压边对原边及对铁芯的距离越近越好。同时，为了降低变压器的分布电容，绝缘材料的介电常数一定要小。3.4人机接口电路 本系统需要用户使用键盘进行必要的操作，同时把操作进程显示在液晶屏幕上供用户实时查看，因此需要设计一个良好、简洁、清晰的人机接口电路。3.4.1键盘输入模块的设计 当系统首次启动后，用户需要通过键盘输入频率和脉宽的初始设定值；当系统正常运行过程中，根据负载的变化，用户需要改变输出的频率和脉宽值，同样需要使用键盘进行修改。下图即为键盘输入的硬件结构图。 本系统设置了6个键盘按钮，一端分别与AT89C51的P2OP25引脚相连，另一端均接地。程序设计采用查询方式检测键盘接口，单片机通过读取P20-P25引脚的电平状态来判断用户动作。当没有键按下时，P20P25引脚呈现高电平，单片机不动作，当有键按下时，其对应的单片机引脚电平被拉低，芯片内检测到低电平后，进入相应程序语句执行对应的操作。各按钮定义如下： SURE键：此键为多功能复用按钮。其一为在设定脉宽和频率数值时，选项确定之后按下此键即可开始进行数值修改；其二为当数值修改完成后按下此键即表示确定同时将修改值送入单片机程序进行运算。 CANCEL键：此键为取消功能按钮，或者也可理解为返回按钮。按下此键表示取消上一操作。 UP键：此键为多功能复用按钮。其一为进行脉宽和频率的数值修改选择；其二为数值加1功能按钮，按下一次即实现数值加1。 DOWN键：此键为多功能复用按钮。其一为进行脉宽和频率的数值修改选择；其二为数值减1功能按钮，按下一次即实现数值减1。 MODIFY键：此键为修改按钮。当系统正常运行过程中，按下此键，即可进入脉宽和频率修改界面进行修改数值操作，同时单片机持续发送高电平，系统进入待机状态。 ENTER键：此键为开始运行按钮。本系统需要用户设定的只有脉宽和频率这两项数值，当在液晶初始设定界面和修改界面完成操作之后，按下此键，系统立即进入运行状态，单片机开始发送控制脉冲给SG3525。图3.14键盘接口电路3.4.2液晶接口电路由于液晶模块要兼顾到用户操作界面和系统正常运行过程中输出信息的显示，而控制芯片CD4052只有2个定时器，已经在输出控制脉冲程序中使用，所以，本系统采用拥有3个定时器的单片机CD4052来执行输出信息采集及其数据处理和液晶显示工作. (1) CD4052是一个双4选一的多路模拟选择开关，具有低导通阻抗和非常低的关断泄漏电流。其使用真值表如表33所示。表3.3 CD4052真值表 应用时可以通过单片机对A，B的控制来选择与液晶模块连接通路。例如：需要从4路输入中选择第2路输入，假设使用的是1X，1Y，那么单片机只需要分别给A和B送1和O即可选中该路，然后进行相应的处理。注意，第6脚为使能脚，只有为低电平时，才会有通道被选中输出。 (2)液晶接口电路本系统中所采用的是深圳市精锐通实业有限公司生产的WGM12864K3型图形点阵式液晶显示模块。WGM12863K3是一种图形点阵液晶显示模块，它主要由行驱动器、列驱动器及128x64全点阵液晶显示器组成。可完成图形显示，也可以显示4x8个(16x16点阵)汉字。下面介绍一下主要技术参数和性能：电源(VDD)：+5V。显示内容：128(列)x64(行)点，全屏幕点阵。七种指令。IC内带8139个16x16点阵中文字库，126个16x8字母符号，并提供4个16x16点阵的自定义字功能。与CPU接口采用串行控制方式。(D占空比(DuTY)：132。工作温度：20+70，存储温度：30+85。模块工作电流约为3mA(5V)，背光工作电流约为40mA(5v)。 WGM-12864系列液晶采用台湾矽创电子公司生产的ST7920作为液晶驱动控制芯片。其IO接口特性如表3.4所示：表34液晶驱动控制芯片I0接口特性 本系统采用双单片机芯片通过CD4052多路选择开关与液晶模块进行分时选通控制，单片机AT89C51串行控制的时钟端和数据端分别选择P26、P27引脚，AT89C52的则分别为P20、P21引脚。两个单片机、CD4052和液晶模块的电源输入端都接在同一个+5V辅助电源上。多路开关CD4052的INH、Vee和Vss引脚均接地，与其共地的还有AT89C51和AT89C52的接地端，液晶模块电源负极和背光灯接地端。图315为液晶接口模块的硬件连接图。图3.15液晶接口电路 如图315所示，主控芯片AT89C51的P11和P12引脚与CD4052的A、B引脚相连，在单片机程序的控制下，通过改变AT89C51单片机上P11与P12引脚上的高低电平，即可实现使多路选择开关选通不同的数据通路。3.5信号采集电路3.5.1输出信号采集电路系统输出信号包括输出电流、输出电压、输出电压的频率和脉宽这4个需要被采集的信号。输出信号采集电路如图316所示。 电压采样电路在系统输出端采用若干分压电阻串联方式，经过电压跟随器后输出电压采样信号。电路中取RF为200Kf2，Rv为320Kf，选用志耕电子有限公司精密金属膜电阻器MELF系列的0204型号，分压电阻RP取值400Mf2，选用北京酒安迅达公司R18型号的片状玻璃釉电阻器，耐压15KV。因为输出端为10KV-一50KV高压，为保护后续电路安全，需要8个400M92的分压电阻使采样电路电流在安全范围之内。信号采样电路的主体形式为电压跟随器，其输入端接有限流电阻，稳压管和滤波电容，稳压管稳压值为后续电路中运放的电源电压值，这样保证了即使在过压情况下后续电路元器件的安全。电压采样电路分压电阻的选取可以保证当系统输出电压在最大到最小值之间变化时，B点电位在5V到1V之间呈线性变化。由于系统输出端为脉冲形式，经过射随器IC6后的电压波形仍为脉冲形式，所以在其输出端选取参数值合适的阻容电路将脉冲波形转化为直流波形，之后送入A，D转换芯片MAXl97的1号通道。由于输出频率要求在1Hz-一50Hz内变化，再考虑安全佘量，则RC时间常数应大于或等于1s。电压采样电容cv应大于或等于10uF；电流采样与电压采样类似，最后电流采样信号送入AD转换芯片MAXl97的2号通道。对于输出脉冲的频率和脉宽采样电路，其实现方法是采用比较器输出高低电平模拟实际系统输出脉冲的方式。图316中A点电位是脉冲形式，其分压电阻的选取与电压采样中分压电阻的选取相同，但是为了保证两路采样信号的精确性，没有在同一支路上取样。A点分压值对应输出电压10KV-一50KV在1V-一5V范围内变化。这样，当输出电压处于10KV50KV的高电平时，A点电位处于1V-5V的高电平，大于比较器IC7反相输入端的05V基准电压，比较器输出高电平；反之，比较器输出低电平，最后形成的脉冲信号送入AT89C52的相应引脚进行脉宽与频率检测。图3.16输出信号采样电路352AD转换电路 AD转换电路是系统输出的模拟信号与单片机所能识别的数字信号沟通的桥梁，本系统采用MAXIM公司推出的12位逐次渐进式AD转换器MAXl97。下面首先介绍其主要性能特点35-36。MAXl97具有12位分辨率和12LSB的线性度；单-+5V电源供电；可选择的输入电压范围为：0-5V、010V、+5V、10V；8路可独立编程的模拟输入通道；转换时间：6,ts；采样速率：100kbps；内部或外部时钟；内部406V基准电压源或外接基准源：内部或外部采集控制；两种掉电工作模式：待掉电模式和全掉电模式：输入通道耐压至165V。 其次介绍MAXl97引脚及其功能。MAXl97有28脚DIP(窄型)、宽型SO、SSOP等封装形式。本系统采用DIP封装。D0-D11为输出数据线；CH0-CH7为模拟量输入通道；CS为片选端；RD，WR为读写控制端；CLK为时钟输入；INT为转换结束信号。HBEN为12位转换结果输出端，HBEN=I-高4位输出；HBEN=0：低8位输出。SHDN为省电控制端，SHDN=0时，MAXl97进入省电模式。REFADJ为带隙电压基准输出/外部调整端；REF为基准缓冲输出舱DC基准输入；VDD接+5V，DGND为数字地，AGND为模拟地。 最后说明