（电力电子与电力传动专业论文）单片机控制连续固体激光器高频开关电源的研制.pdf

湖北工业大学硕士学位论文 a bs t r a c t 1 1 1 i sp a p e rp u tf o r w a r dt oa d o p tn e w t y p ed e v i c ea n dn e wc o n t r o lt e c h n o l o g yo f m o d e r ne l e c t r i ca n de l e c t r o n i ct e c h n o l o g yt od e v e l o ph i g h - p o w e rs o l i di a s e ri n s t r u m e n t p o w e ri ns u c c e s s i o ni no r d e rt of i g h ta g a i n s tt h ed e f e c to ft h ec o n t i n u o u s1 a s e r i n s t r u m e n ts w i t c hm o d e p o w e rs u p p l yw h i c hu s e s t h et h y r i s t o ra st h ei n v e a i n g c o m p o n e n te x t e n s i v e l ya tp r e s e n t t h ea u t h o ri n t r o d u c e dt h ei g b tm o d u l eo ft h em i t s u b i s h ic o m p a n y , a c c o r d i n gt o t h ew o r k i n gc h a r a c t e r i s t i co fs o l i dc o n t i n u o u s 1 a s e rp o w e r , p r o v i d e dd e t a i l e dd e s i g n p r o j e c to f t h e m a i nc i r c u i ta n d t h ec o n t r o lc i r c u i to f t h es w i t c hm o d ep o w e rs y s t e mo f t h e 4 k ws o l i dl a s c rb a s e do ni g bt a n da l s od e s i g n e dt h em a i nc i r c u i ta n dc o n t r o ic i r c u i t p a r a m e t e r a m o n gt h e m ，t h em a i nc i r c u i th a sc a r r i e do nt h ed e t a i l e dd e s i g nt ot h e c h a r g i n gc i r c u i to fe n e r g ys t o r a g ec a p a c i t o r t h ec o n t r o ls i g n a lo fi g b tm o d u l ei s p r o d u c e db yt h em i c r o c o n t r o l l e r t h ec o n t r o lc i r c u i tt o o kt h ep i cm i c r o c o n t r o l l e r - - p i c l 6 c 7 4a st h ec o r ew h i c hi su s e de x t e n s i v e l yd a yb vd a y , i tr e a l i z e dt h el a s e r i n s t r u m e n tp o w e rw o r k i n gw i t ht h ei n v a r i a b l ev o l t a g ea n dc u r r e n tu n d e rt h ec o n t r o lo f t h em i c r o e o n t r o l l e r a n di tc a na d j u s tt h eo u t p u ts i z eo ft h e v o l t a g ea n dc u r r e n t a u t o m a t i c a l l ya c c o r d i n gt ot h en e e dt h a tt h el a s e ri n s t r u m e n tw o r k ，t h es a m p l i n gc i r c u i t u t i l i z e sh a l l 。ss e n s o rt om e a s u r eo u t p u tv o l t a g ea n dc u r r e n t , u s e st h em i c r o c o n t r o l l e rt o c o n t r o l ，a n du s e sd o u b l ec l o s e dl o o p v o l t a g ea n dc u r r e n tl o o p ) t or e g u l a t et h es t a b i l i t y o f t h eo u t p u tv o l t a g ea n dc u r r e n t ，g u a r a n t e e st h es t a b i l i t yo f t h el a s e ri n s t r u r n e n tp o w e r , a n dt h e nm a k e st h eo u t p u tp r e c i s i o nr e a c ht h ei n d e xo fd e s i g n i n g n 忙w o r ke s t a b l i s h e d t h ep a r a m e t e rt os t o r et h r o u g hp i cm i c r o c o n t r o l l e r t h eo p e r a t i o np a r a m e t e ra n dt r o u b l e s t a t ecanb es h o w nt h r o u g ht h ef i g u r el i q u i dc r y s t a ld i s p l a y 1 1 1 ea r t i c l ep r o v i d e dt h e i n t e r f a c ec i r c u i tb e t w e e nt h el i q u i dc r y s t a ld i s p l a ya n dm i c r o c o n t r o l l e r , a n da l s os o m e a p p l i c a t i o ns o f t w a r es u b p r o g r a mi n v e n t o r i e si n c l u d e df l o wc h a r to f m a s t e ra n di n t e r r u p t s p r o c e d u r e o nt h eb a s i so ft h et h e o r ya n a l y s e s c o m b i n i n gt h ee x i s t i n gc o n d i t i o no ft h e l a b o r a t o r yt oc a r r yo ne x p e r i m e n tr e s e a r c h ，i th a sa c q u i r e dt h ek e ye x p e r i m e n tw a v e f o r m a n dv e r i f i e dt h er a t i o n a l i t yo ft h ed e s i g np l a na n de x a c t n e s so ft h et h e o r ya n a l y s e s t h e a u t h o rs u m m a r i z e dt h i st e x tf i n a l l y , p r o p o s e dn e e d i n gi m p r o v e dd i r e c t i o nf u r t h e ri nt h e f u t u r e k e yw o r d s ：c o n t i n u o u sl a s e ri n s t r u m e n t s w i t c hm o d ep o w e r s u p p l y i g b t p i c l 6 c 7 4 h i g h - f r e q u e n c yt r a n s f o r m e r h a l l sv o l t a g es e n s o r h a l l s ec u r r e n ts e n s o ra dc o n v e r s i o n l i q u i dc r y s t a ld i s p l a y 湖北工业大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 电力电子技术的发展u j 电力电子技术是以各类功率半导体器件为基础，用于电能变换和控制的现代电 子工业的技术。它的发端是2 0 世纪初用汞弧整流器代替机械式开关和换流器，但 当时很杂乱，也不实用，不能称为真正的技术学科。自2 0 世纪5 0 年代术第一只晶 闸管问世以来，电力电子技术开始登上现代电气传动技术舞台，以此为基础开发的 可控硅整流装置，是电气传动领域的一次革命，使电能的变换和控制从旋转变流机 组和静止离子变流器进入山屯力电子器件构成的变流器时代，这标志羞电力电子技 术的诞生。进入7 0 年代品闸管开始形成由低电压小电流到高电压大电流的系列产 品，普通品闸管不能自关断的半控型器件，被称为第一代电力电子器件。随着电力 电子技术理论研究和制造工艺水平的不断提高，电力电子器件在容量和类型等方面 得到了很大发展，是电力电子技术的又一次飞跃，先后研制出g t r 、g t o ，功率 m o s f e t 等自关断全控型第二代电力电子器件。而以绝缘栅双极晶体管( i g b t ) 为 代表的第三代电力电子器件，开始向大容量高频率、响应快、低损耗方向发展。随 着科学技术的不断进步，i g b t 向提高耐压能力和开关频率、降低损耗以及开发集 成保护功能的智能产品。在i g b t 的基础上发展起来了一种新型的电力电子器件一 电子增强型绝缘栅极晶体管i e g t ( i n j e c t i o ne n h a n c e m e n tg a t et r a n s i s t o r ) ，i e g t 首先是由日本东芝公司半导体器件实验室提出，目前已研制出4 5 0 0 v 6 0 0 0 a 的平 板压接式1 e g t 样品。而i g c t 是2 0 世纪未发展起来的新型器件，它是在( 1 t o 基 础上发展起来的器件，称为集成门极换流品闸管，也有人称之为发射极关断品闸管， 它的瞬时开关频率可达2 0 k h z ，关断时间为1 口s ，d i d t 为4 k a m s ，d u d t 为 1 0 - 2 0 k w m s ，交流阻断电压6 k v ，直流阻断电压3 9 k v ，开关时f n j 1 0 0 0 h z 。进入2 l 世纪。在近几年出现了很 多性能优良的新型化合物半导体材料，如砷化镓( g a a s ) 、碳g g t ( s i c ) 、磷化铟( i n p l 及锗化硅( s i g e ) 等，由它们作为基础材料制成的电力电子器件正不断涌现，这些器 湖北s - - 业大学硕士学位论文 件的各种性能比硅材料半导体器件的性能提高了许多。图1 j 给出了b j t 、m o s f e t 和i g b t 三种器件的技术结构。 总之，由于电力电子器件的应用已深入到工业生产和社会生活的各个方面，实 际的需要极大地推动器件的不断创新。从结构看，器件将复合型、模块化：从性 能看，发展方向将是提高容量和工作频率、降低通态压降、减小驱动功率、改 n p n 功率取极晶体管n 沟道功牢m o s f e tn 沟道功率i g b t 。j 二 j a 脚- 1 凡 吨11 习。f 。 ，1， 弋1 气 由于屯导剥制而其彳 低通志压嘲! 口为电流蛩控制器件驱动功率太 口开关速j 韭般 口由于多子导电通态压降高 一为电压控制型器忭驱动功率小 一开关速度报快 一由于电导调制而使通志压降居中 一为电压控制型器件驱动功率小 一开关速度较快 优点 口缺点 图卜1b j t 、m o s f e t 和i g b t 三种器件的技术结构 善动态参数和多功能化；从应用看，m o s f e t 、i g b t 、m c t 是最有发展前景的器 件。今后研制工作的重点将是提高i g b t 的开关频率和额定容量，研制智能m o s f e t 和i g b t 模块，发展功率集成电路以及其它功率器件。g t o 将继续在超高压、大功 率领域发挥作用；功率m o s f e t 在高频、低压、小功率领域具有竞争优势；超高 压( 8 0 0 0 v 以上) 、大电流普通品闸管在高压直流输电和静止无功功率补偿装置中的 作用将会得到延续，而低压普通晶闸管和g t r 则将逐步被功率m o s f e t ( 6 0 0 v 以 下) 和1 g b t ( 6 0 0 v 以上) 所代替。可以预见，电力电子器件的发展将会日新月异，电 力电子器件的未来将充满生机，电力电子技术会越来越完善。 篓 湖北工业大学硕士学位论文 1 2 开关电源1 2 电力i 乜子器件、电力电子技术的高速发展，电子系统的应用领域越来越广泛， 电力电子设备的种类越来越多，对电源的要求更加灵活多样。电力电子设备的小型 化和低成本化使电源以轻、薄、小和高效率为发展方向。传统的晶体管串联调整稳 压电源( 简称线性电源) 是连续控制的线性稳压电源，这种传统稳压电源技术比较 成熟。并且已有大量集成化的线性稳压电源模块，具有稳定性能好、输出纹波电压 小、使用可靠等特点，但其通常都需要体积大且笨重的工频变压器隔离，滤波器的 体积和重量也很大。电源效率很低，一般只有4 5 左右，另外，由于调整管上消耗 较大的功率，所以需要采用大功率调整管并装有体积很大的散热器，于是它很难满 足电子设备发展的要求。从而促成了高效率、体积小、重量轻的开关稳压电源( 简 称开关电源) 的迅速发展。开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关晶体管开 通和关断的时间比率，维持稳定输出电压韵一种电源，开关电源一般由脉冲宽度调 制( p w m ) 控制1 c 和m o s f e t 、i g b t 等构成。开关电源和线性电源相比，二者 的成本都随着输出功率的增加而增长，但二者增长速率各异。线性电源成本在某一 输出功率点上，反而高于开关电源，这一成本反转点。随着电力电子技术的发展和 创新，使得开关电源技术在不断地创新，这一成本反转点日益向低输出电力端移动， 这为开关电源提供了广泛的发展空间。 1 2 1 开关电源分类 开关电源作为电力电子技术的实际应用，它随着电力电子器件，开关变频技术 的发展而进步，开关电源每年以超过两位数字的增长率向着轻、小、薄、低噪声、 高可靠、抗干扰的方向发展。开关电源可分为a c d c 和d c d c 两大类，d c d c 变换器现已实现模块化，且设计技术及生产工艺在国内外均已成熟和标准化，并已 得到用户的认可，但a c d c 的模块化，因其自身的特性使得在模块化的进程中， 遇到较为复杂的技术和工艺制造问题。 d c d c 变换是将固定的直流电压变换成可变的直流电压，也称为直流斩波。 湖北工业大学硕士学位论文 斩波器的工作方式有两种：一是脉宽调制方式t s 不变，改变t o n ；二是频率调制 方式t o n 不变，改变t s ( 易产生干扰) 。其具体的电路有以下几类： ( 1 ) 、b u c k 电路降压斩波器，其输出平均电压u o 小于输入电压u i ，极性 相同。 ( 2 ) 、b o o s t 电路升压斩波器，其输出平均电压u o 大于输入电压u i ，极性 相同。 ( 3 ) 、b u c k b o o s t 电路降压或升压斩波器，其输出平均电压u o 大于或小于 输入电压u i ，极性相反，电感传输。 ( 4 ) 、c u k 电路降压或升压斩波器，其输出平均电压u o 大于或小于输入电 压u i ，极性相反，电容传输。 当今软开关技术使得d c d c 发生了质的飞跃，美国v i c o r 公司设计制造的多 种e c i 软开关d c d c 变换器，其最大输出功率有3 0 0 w 、6 0 0 w 、8 0 0 w 等，相应 的功率密度为( 6 、2 、1 0 ) w c m l ，效率为( 8 0 9 0 ) 。日本n e m i c l a m b d a 公司 最新推出的一种采用软开关技术的高频开关电源模块r v l 系列，其开关频率为 ( 2 0 0 - 3 0 0 ) k h z ，功率密度已达到2 7 w c m 3 。 a c d c 变换是将交流变换为直流，其功率流向可以是双向的，功率流由电源 流向负载的称为“整流”，功率流由负载返回电源的称为“有源逆变”。a c d c 变 换器输入为5 0 6 0 h z 的交流电，因必须经整流、滤波，因此体积相对较大的滤波电 容器是必不可少的，同时因遇瓢安全标准( 如u l 、c c e e 等) 及e m c 指标的限制 ( 如i e c 、f c c 、c s a ) ，交流输入侧必须加e m c 滤波及使用符合安全标准的元件， 这样就限制a c d c 电源体积的小型化，另外，由于内部的高频、高压、大电流开 关动作，使得解决e m c 电磁兼容问题难度加大，也就对内部高密度安装电路设计 提出了很高的要求，出于同样的原因，高电压、大电流开关使得电源工作消耗增大， 限制了a c d c 变换器模块化的进程，因此必须采用电源系统优化设计方法才能使 其工作效率达到一定的满意程度。a c d c 变换按电路的接线方式可分为。半波电 湖北工业大学硕士学位论文 路、全波电路。按电源十数可分为单项、三相、多相。按电路工作缘限又可分为 一象限、二致限、三象限、四象限。 1 2 ，2 开关电源可靠性设计 本课题- 作为丌关电源研究领域中的一部分，根据研究实践表明我先来谈谈丌 关电源在设计中的一些要求。 丌关电源的电路拓扑结构一般采用单端正激式、单端反激式、双管正激式、双 单端正激式、双正激式、推挽式、半桥、全桥等八种拓扑。单端花激式、单端反激 式、双单端正激式、推挽式的丌关管的承压在两倍输入电压以上，如按6 0 降额使 用，则使开关管不易选型。在推挽和全桥拓扑中可能出现单向偏磁饱和，使开关管 损坏，而半桥电路因为具有自动抗不平衡能力，所以就不会出现这个问题。双管正 激式和半桥电路丌关管的承压仅为电源的最大输入电压，即使按6 0 降额使用，选 用开关管也比较容易。在高可靠性工程上一般选用这两类电路拓扑。 开关电源的控制方式在中小功率中，电流型p w m 控制是大量采用的方法，它 较电压控制型有如下优点：逐周期电流限制，比电压型控制更快，不会因过流丽使 开关管损坏，大大减小过载与短路的保护；优良的电网电压调整率；迅捷的瞬态响 应；环路稳定，易补偿：纹波比电压控制型小得多。生产实践表明电流控制型的5 0 w 开关电源的输出纹波在2 5 m v 左右，远优于电压控制型。另外硬开关控制技术因开 关损耗的限制，开关频率一般在3 5 0 k h z 以下，采用软开关控制技术是应用谐振原 理，使开关器件在零电压或零电流状态下通断。实现开关损耗为零，从而可将开关 频率提高到兆赫级水平，这种应用软开关技术的变换器综合了p w m 变换器和谐振 变换器两者的优点，接近理想的特性，如低开关损耗、恒频控制、合适的储能元件 尺寸、较宽的控制范围及负载范围，但是此项技术主要应用于大功率电源，中小功 率电源中仍以p w m 技术为主。 丌关电源主要由各种电力电子元器件构成，元器件的可靠性直接关系到电源系 统的可靠性。为剔除不符合使用婴求的元器件。包括电参数不合格、密封性能不合 湖北工业大学硕士学位论文 格、外观不合格、稳定性差、早j 锯失效等，应进行筛选试验。通过筛选可使元器件 失效率降低i 2 个数量级，当然筛选试验代价( 时间与费用) 很大，但综合维修、 后勤保障、整架联试等还是合算的，研制周期也不会延长。 开关电源是一种实用性的技术，在设计中还需要考虑各种问题，比如热可靠性， 电源安全性( 主要是防止触电和烧伤) ，防潮、防盐雾和防霉菌等设计问题。为使 电源更完善，还应通过各种试验取得反馈数据来完善设计，进一步提高电源的可靠 性。 1 2 3 开关电源的发展方向 开关电源的发展方向是高频、高可靠、低耗、低噪声、抗干扰和模块化。由于 开关电源轻、小、薄的关键技术是高频化，因此国外各大开关电源制造商都致力于 同步开发新型高智能化的元器件，特别是改善二次整流器件的损耗，并在功率铁氧 体( m n - z n ) 材料上加大科技创新，以提高在高频率和较大磁通密度( b s ) 下获得 高的磁性能，而电容器的小型化也是一项关键技术。开关电源的高频化就必然对传 统的p w m 开关技术进行创新，实现z v s 、z c s 的软开关技术已成为开关电源的主 流技术，并大幅提高了开关电源工作效率。对于高可靠性指标，美国的开关电源生 产商通过降低运行电流，降低结温等措施以减少器件的应力，使得产品的可靠性大 大提高。模块化是开关电源发展的总体趋势，可以采用模块化电源组成分布式电源 系统，可以设计成n + 1 冗余电源系统，并实现并联方式的容量扩展。针对开关电 源运行噪声大这一缺点，若单独追求高频化其噪声也必将随着增大，而采用部分谐 振转换电路技术，在理论上即可实现高频化又可降低噪声，但部分谐振转换技术的 实际应用仍存在着技术问题，故仍需在这一领域开展大量的工作，以使得该项技术 得以实用化。 电力电子技术的不断创新，使丌关电源产业有着广阔的发展前景。要加快我国 开关电源产业的发展速度，就必须走技术创新之路，走出有中国特色的产学研联合 发展之路，为我国国民经济的高速发展做出贡献。 6 湖北工业大学硕士学位论文 1 3 激光器电源 激光器电源，作为开关电源中的一种特种电源，顾名恩义为激光器上的电源。 激光器是2 0 世纪6 0 年代的一项重要发明成果，经过4 0 多年的发展，现已广泛用 于工业生产、通讯、信息处理、医疗卫生、军事、文化教育以及科学研究等各个领 域，取得了很好的经济效益和社会效益，但我国的现状与德国、美国、f 1 本相比， 还存在很大的差距。 激光器电源是激光器装置的重要组成部分，激光器电源因激光器不同而异，它 随着激光器技术的发展而不断完善。激光器由激光工作物质、激励系统、光学共振 腔三部分组成。激励方式一般采用光激励、气体放电激励、化学反应激励、热激励 和核能激励。采用光激励和放电激励时，激光器必须配有一台与其相适应的供电电 源。激光器电源分为气体激光器电源、固体激光器电源和半导体激光器电源，不管 是气体、固体还是半导体激光器电源，都有脉冲式和连续式两种类型。如图l 之所 示： r 单次或低重复频率型 i i 商重复频率型 弋 厂脉冲式1 高压气体脉冲放电型 i l 火电流毫微秒脉冲型 激光器电源， i 低压人电流弧光放电型 l 连续式 1 5 1 7 5 = 2 6 2 5 a 。由于输入整流滤波电 容的存在和电网波动( 1 0 ) ，i g b t 承受的最大电压为3 3 0 v ，考虑到i g b t 换流 时会产生尖峰电压，安全系数取1 5 ，则i g b t 的耐压应大于3 3 0 x1 5 = 4 9 5 v 因此 实际选用额定电流( 1 ，) 为5 0 a ，耐压为6 0 0 v 的c m 5 0 d y - 1 2 h 模块。 c m 5 0 d y - 1 2 h 模块是f 1 本三菱公司生产的，具有驱动功率低、集一射饱和压降 低、丌关频率高、易散热等特点。模块内的每个i g b t 都并联了一个续流二极管； i g b t 模块内部元器件之间由严格的高压线与汇流排连接，减少了寄生电感：三菱 模块由具有热膨胀系数特性相近的材料做成，减少了热应力。i g b t 模块结构简单， 驱动电路和保护电路需要外加。c m 5 0 d y - 1 2 h 内部等效电路如图2 8 所示： 。；史雨嚣 世：曜g b t i ；e l 图2 - 8c m s o d y 一1 2 h 电路图 i 璺| 2 - 9 全桥结构电路图 上管的集电极c 2 与下管的射极e 1 相连，形成半桥式结构。模块c m 5 0 d y - 1 2 h 的集一射极额定电压为6 0 0 v ：当t c = 2 5 时，集电极电流额定值为5 0 a 、集电极 6 湖北_ 3 2 业大学硕士学位论文 损耗的最大功率为2 5 0 w ；导通延迟吐间t d ( o h ) 为2 0 0 u s ，导通上升时间f ，为3 0 0 n s ； 关断延迟时间t a ( 谚) 为2 0 0 n s ，关断下降时问t 为3 0 0 n s ：续流二极管反相恢复时 间t 。为l l o n s 。在p w m 输入频率为3 0 4 0 k h z ，为防止模块的同桥臂同时导通， 设置死区时间为7 s 。在主电路中，用两个模块组成全桥结构，电路如图2 - 9 所示。 采用全桥电路是由于这种电路的输出功率高，适合本课题的设计要求。 2 5 2i g b t 保护设计 c m 5 0 d y - 1 2 h 本身不带保护功能，在使用过程中，为防止诸多因素对器件的 损坏，必须要加保护电路。在本课题里，有硬件保护也有软件保护，采用双重保护 来确保主电路安全稳定的工作。先来介绍硬件保护。 i g b t 的保护主要包括d u d t 保护、过流保护( 包括短路保护) 、热保护和非工 作状态保护等。 1 d u d t 保护 i g b t 的c 、e 之间能承受的电压上升率d u d r 虽然很高，但仍然是有限的。 为了保证d u d t 产生的位移电流不致于使i g b t 误导通，因此要对c 、e 之间的 d u d t 加以限制。保护措施除了加关断缓冲电路以外，还要注意以下几点： ( 1 ) 、在断态时，有必要加一个足够的负栅压幻) ( 至少一5 v ) ； ( 2 ) 、在关断过程中，r g 应为一个较低的值： ( 3 ) 、栅极电路引线电感k 要尽可能降到最低。 2 过流和过压保护 电路在运行过程中，会出现电路短路等诸多原因引起的过电流、过电压造成丌 关器件的永久性损坏。在设计中为了保护好功率器件和整个电路的安全，设计了过 流、过压保护电路。 7 湖北工业大学硕士学位论文 图2 一l o 过流保护电路 当注入激光器的电流超过3 0 a 时即作为过流处理，并向封锁电路发出信号， 图2 1 0 所示为过流保护电路。电流信号通过取样电路得到并转换为电压信号，通 过与比较器反相端的基准电压比较来决定是否过流。在反相端设置了一个稳压二极 管d l ，稳压电压为2 2 v 。在同相端利用分压原理，取r 2 上的电压输入同相端的 电压大于2 2 v 时，比较器输出高电平，引入后级封锁电路来封锁系统的工作。过 压保护电路的原理与之一样，就不再说明。另外在主电路上配装了一个5 0 a 的快 速熔丝，当电路发生严重过流时，用来切断电网电源，保证主电路的安全。 另外在全桥电路上，为保证功率器件因过电压而损坏，加了r c 吸收电路。利 用电容两端电压不能突变的特性来限制电压上升率。因为电路总是存在电感的( 变 压器漏感或负载电感) 所以与电容c 串联电阻r 可起阻尼作用，它可以防止r 、 l 、c 电路在过渡过程中，因振荡在电容器两端出现的过电压损坏i g b t 。同时，避 免电容器通过i g b t 放电电流过大，造成过电流而损坏i g b t 。电路图如图2 1 1 所 示。 剀2 - 1 1 带r c 缓冲的逆变电路 湖北工业大学硕士学位论文 图2 一1 1 电路中，采用r c 吸收缓冲电路结构，它由四组与曷、c l 同样参数的 器件组成。 ( 1 ) 、电容c ，的选择1 5 】 电容c i 的值由公式( 2 5 ) 得到，如下所示： c 1 ：掣 ( 2 - 5 ) e i c ：最大集电极电流( a ) ：最大集电极一发射极电压( v ) f ，：开通上升时问( s ) t ，：关断下降时间( s ) 由i g b t 的参数得：i c 2 5 0 a ，p & 2 6 0 0 v ，t r = 3 0 0 n s ，t f = 3 0 0 n s ，则c l = 5 0 啦 应选用标称值为4 7 n f ，耐压1 2 0 0 v 的无感电容，在实验过程中，就用瓷片电容代 替。 ( z ) 、电阻尼的选择 n r ，的值由公式( 2 r 1 = t o n ( 2 - 6 ) 3 c 1, t 。：放电时问( i g b t 的最小导通时间) t 。由公式( 2 7 ) 得： t 。= d t ，= d f( 2 - 7 ) 在公式( 2 7 ) 中d 为本电源的最小占空比，d = 0 2 ；f 为逆变频率，f = 3 0 k h z 由此f 。2 6 7 p s ，在软件设计中，这个时间取7 p s 。所以由公式( 2 6 ) 得兄= 5 3 4 q ， 电阻r 所需最大功率由公式( 2 - 8 ) 得： 湖北工业大学硕士学位论文 珞= 去c l e 2 厂 ( 2 8 ) 二 由上面所述参数得最= 2 3 0 w 。山于吸收电路是短时工作，且放电电压( 电流) 是按指数规律下降的囚此选用r g c 型平板无感电阻器，其标称电阻值为5 0 f 2 ， 1 0 w 。在实验过程中，用陶瓷电阻代替。山图2 1 1 得，在每只i g b t 的g 极和e 极之叫并联了一只1 0 k f 2 的1 4 w 的电阻，是为了提高栅极抗干扰能力。 3 过热保护1 6 j 功率半导体元件在工作时，自身必然要产生热损耗。但若发热量太大，且又来 不及向周围媒质消散，元件就会因超过其难常工作的保证温度而失效，就会严重影 响系统的工作稳定性。在实验过程中，采用一台交流2 2 0 v 、0 1 4 a 的电风扇给功 率器件散热，保证其可靠性；另外使用温度检测电路( 如图2 1 2 所示) ，用来保护 功率器件能在可靠的温度下工作。图2 1 2 为温度检测、保护电路。其中足为负温 。 度系数的热敏电阻，它固定在功率器件的散热器外壳表面上，检测器件外壳的温度。 随着温度的升高，r 相应下降，当达到6 0 1 2 左右时，比较器输出由低电平反转为高 电平。这一高电平信号同时送到封锁电路来封锁系统的工作，防止意外事故的发生。 l 划2 1 2 温度检测、保护电路 4 非工作状态保护【，】 i g b t 不仅工作时要保护，非工作状态也要进行有效的保护措旌。i g b t 的栅极 是薄的绝缘栅，在任何时候都要小心，防止栅极静电击穿。1 g b t 模块在出厂时一 睁 湖北_ 3 2 业大学硕士学位论文 般都在控制极与发射极上装有导电泡沫塑料或粘有导电铜箔，要直保留到往栅极 上压线或进行无静电焊线时再拿下来。另外使用i g b t 还要注意：( 1 ) 、在工作台 上安装时，工作台要求可靠接地；( 2 ) 、测量时，在栅极上串联4 0 q 电阻；( 3 ) 、 系统接通电源以后，不能再安装i g b t ：( 4 ) 、焊接栅极端子时，烙铁必须可靠接地 或断电焊接。 2 6 主电路参数设计 电源系统的可靠运行与主电路参数的设计是否合理有直接的关系。电源主电路 原理图如图2 7 所示。下面分别介绍主要器件的参数选择。 2 6 1 输入滤波电容及抑制电阻的选择l b l 1 电容的选择 ， 对于中小功率电源来讲，一般是采用单相2 2 0 v 交流电输入。单相2 2 0 v 5 0 h z 的交流电经过全桥整流后得到脉动的直流电压k ，输入滤波电容c l 用来平滑这 一直流电压，使其脉动减小。c 的选择是比较关键的。 如果c l 太小，直流电压k 的脉动就会比较大。为了得到所要求的输出电压， 需要过大的占空比调节范围和过高的控制闭环增益，同时，直流电压k 的最小值 k 抽也会较小，要求高频变压器的原副边匝比变小。导致开关管电流增大，输出 整流二极管的反向电压增大。 如果c ，太大，其充电电流脉宽变窄，幅度增加，导致输入功率因数降低， e m i 增加，过高的输入电流( 有效值) 使得输入整流管和滤波电容的损耗增加：同 时。电容加大成本也会增高。 下面，就本电源的设计要求，并结合一些经验算法对整流滤波电容进行计算。 一般而言：在最低输入交流电时，整流滤波后的直流电压的脉动值是最低输入 2 l 湖北工业大学硕士学位论文 交流电压峰值的2 0 一2 5 。已知输入交流电压的变化范围v o 。i 。一v o ，频率范围 厂m 。一f m 。，按照下面的方法来计算c i 的容量。 ( 1 ) 、线电压有效值：。一一。：1 7 6 v - 2 5 3 v ( a c ) ，4 5 h z 一6 5 h z ( 2 ) 、线电压峰值：4 2 g 嘶。一一4 2 g 。：2 4 9 v - 3 5 8 v ( 3 ) 、整流滤波后直流电压的最大脉动值： y ，= i 晌( 2 0 一2 5 ) = 4 9 8 v 6 2 2 5 v ( 2 9 ) 取为5 0 v 。 ( 4 ) 、整流滤波后的直流电压： 吒= 陋。i 。一) j 。：2 0 0 v _ 。5 8 v ( 2 1 0 ) 由于开关电源的损耗也来自于输入整流电路，因此输入功率匕为： 匕= e o u f r ( 2 1 1 ) 公式( 2 1 1 ) 中r 是电源的变换效率，矗和只。，的单位为瓦特( w ) 。为了保 证直流电压最d 、值符合要求，每个周期中c i 提供的能量约为： 彬= 只。厶。= 只。，( 秘0 i 。) = 4 0 0 0 4 0 5 = 9 8 8 j ( 2 - 1 2 ) 每个半周期输入滤波电容所能提供的能量为： 2 3 0 由于e e 型磁芯具有品种多，用途广，引线空间大，接线操作方便等特点，在 湖北工业大学硕士学位论文 本课题蚺，就选用了e e 型的磁芯。图2 1 4 给出了e e 型磁芯的几何形状。 固国 幽2 1 4e e 型磁芯的儿何形状 表2 2 列出了部分e e 型磁芯相关的几何尺寸。主要数据山南京会宁无线电器 材厂提供。 表2 - 2 部分e e 型磁芯几何参数( m i l l ) 型号abcdef le e l 8 41 8 4 - - + 4 21 0 2 3 。13 0 l6 0 l9 8 也1 卯- + 2 i 上 2e e l 4 8 1 4 8 3 01 0 0 4 i4 8 士054 9 0 57 2 + l 1 1 8 l 3e e l 2 8 1 2 9 - + 3 28 8 士084 0 士0 84 0 士054 0 4 - 07 6 0 0 b 4e e l l 01 1 0 27 2 2 13 6 l 3 3 3 6 + 0 5 5 4 + 08 5e e 8 5 b盯2 f5 5 + 22 9 0s3 l + i2 9 + 252 1 05 6e e 8 5 a 8 5 2 15 5 + 22 8 0 52 s 032 8 + 2s 7e e 7 0 7 0 l2 1 4 9 5 , 0i t - + 0 , 050 , 053 5 5 - 0 5 8e e 7 0 a 7 0 i2 i 4 9 5 + l 1 7 士0 05 2 s 0 33 5s _ 05 9e e 7 0 b7 0 i2 l4 95 + ln n m 53 l 033 55 - 05 e e 6 56 5 - 254 j + ，2 0 0 32 5 o32 0 卧053 l 5 说明：x x x + a ，b表示x x x + a 雨jx x x b 即x x x 的正负误莘。 2 确定工作磁感应乩 在主电路的设计中，采用全桥逆交，属于对称式变换电路。对于对称式功率变 换电路中应用的变压器来说，每工作一个周期，磁通密度的变化如公式( 2 1 6 ) 所 刁。 a b = 吃一( - 战) = 2 b m ( 2 1 6 ) 湖北工业大学硕士学位论文 查得r 2 k b d 的饱和磁感应强度的参数b s = 5 1 0 0 g s ( 高斯) ，考虑到高温时b s 会下降，同时为防止合闸瞬州高频变压器进入饱和，并要保证变压器在磁化曲线的线 性区工作，故选定： 乩= ；= 1 7 0 0 函 ( z m ) 3 确定磁芯尺寸 首先计算变压器在工作时，磁芯所需的功率容量。因变压器工作在逆变桥的输 出端，故按公式( 2 1 8 ) 得： 尼：墨 叩 ( 2 1 8 ) 为甩跆输出功率，r - - - 4 k w ：r 为变压器的效率，设计为9 0 a 故圪= 4 4 k w 。 再来确定磁芯的尺寸，由公式( 2 1 9 ) 得： 似= ( 去) 1 0 9 6 ) 亿 公式( 2 1 9 ) 中各参数的单位是：岛一矿，4 一c m 2 ，4 一c m 2 ，吃一q ， ，一h z ，鼻一c 肌2 ，彳。爿c - - c 棚4 。k w 为窗口占空系数，4 为磁芯的有效截面 积，a 。为磁芯的窗口面积。在本设计选用的铁氧体中k w 取0 3 ；鼻取3 0 0 纠c m 2 ； = 3 0 k h z ，按公式( 2 1 9 ) 计算得： 僻 ( 志 1 0 1 6 = 4 0 0 0 赢枷8 | 6 划引c 州47 0 0 o _ 3 3 0 0 。i 由表2 - 2 可查得e e 8 5 b 的月何尺寸计笪得到 湖北工业大学硕士学位论文 铲2 出竿= 2 x 2 8 x 掣以s 6 甜( 2 - 2 0 ) a 。= c x d = 2 8 x3 1 = 8 6 8 c m 2 4 4 = 7 5 6 x 8 6 8 = 6 5 。6 2c 用4 e e 8 5 b 磁芯的4 4 值大于计算值，选定该铁芯型号。 ( 2 2 1 ) ( 2 2 2 ) 4 确定原副边绕组匝数 按公式( 2 2 3 ) 计算原边绕组匝数： n l ：盟1 0 8 ( 2 2 3 ) 2 b a 在低压满载时【，1 7 _ ( l 。为i g b t 导通时间，u l 为整流及电容滤波后直流输 入电压) 最大，故按输入电压最低及输出满载的情况下( 此时占空比最大) 计算原、 副边绕组匝数。 u 。i 。= 1 7 6 v 经整流及电容滤波后直流输入电压u 。为： uimm=12x176=2112v(2-24) 设最大占空比d 。= o 9 ，乙。按公式( 2 - 2 5 ) 取值： l = d 。7 1 = d 一了1 = 3 0 印 ( 2 2 5 ) 考虑到死区时间，t o 。取2 5 s ，代入公式( 2 2 3 ) 得： n：坠墅塾婴。los：型：!兰垄兰!坚10s。1198t 2 取& 2 1 7 0 0 x 1 2 。9 6 。墩1 2 匝。 计算副边绕组匝数n ：，按公式1 2 - 2 6 ) 计算。其中u o 为输出电压，取2 0 0 v ， 湖北工业大学硕士学位论文 u ，为二极管管压降，由于有两个二极管串联，取u 。= l 2 v ，。r 为回路电阻压降 l ，墩为5 v ，代入下式得到： ”盟等d u 型i = 罴09 鬻2 1 12 地娟瞄沼：s ， ” ”7 n 2 取1 4 匝。 核算实际最大、最小占空比d 及d 。，设输出电压砜恒定输入电压 u i 。2 2 1 1 2 v ，u 1 m a x = 1 2 2 5 3 = 3 0 3 6 v 低压满载时占空比最大，可算得： d m “= u o + ud + i 矿 ；筹一o s 。 2 1 1 2 高压空载时占空比最小，设空载时【，。+ l o r ：0 3v ，则 砜n2 拦2 砩2 0 0 + 0 3 她5 6 5 ( 2 2 7 ) ( 2 2 8 ) ( 2 2 9 ) 相应的导通脉宽： t o m a x = d m a x x t = d u ，m “= 0 8 4 x3 。i 丽= 2 8 卢( 2 - 3 0 ) t o n m i n = d m i nx t = 争= 0 5 6 5 x 。1 ，堋s , u s ( 2 - 3 1 ) 以上占空比在合适范围内，这样绕组n 及n ：匝数就确定了。 5 确定导线线经 首先计算原副边绕组电流有效值。不考虑流过j ：和滤波电感的电流纹波，则 生m nn u 湖北工业大学硕士学位论文 流过n ：的电流幅值等于流过电感电流的平均值，即负载电流d 2 2 0 a 。流过副边绕 组n ：的电流是半波电流，在一个周期内只在正。期间有电流，所以流过n ：的电流 有效值为： 仁，。厚蛐浮础舶爿 协s z ， 原边电流幅值，。为： ，。= 。s ( 2 0 x 警= 2 4 s 彳 c z 一， 绕组n 。流过全波电流，其有效值，为： ，1 = l l m = 2 4 5 而丽“2