电化学加工脉冲电源的设计论文

1、i 目 录 第 1 章 绪论.1 1.1 电化学加工的背景 .1 1.2 本设计的任务要求 .2 第 2 章 主电路的设计.3 2.1 设计内容简介 .3 2.2 主电路的组成 .3 2.3 可控整流模块设计 .4 2.3.1 可控整流模块设计指标.4 2.3.2 三相控整流主电路设计与计算.4 2.3.3 整流变压器的计算.8 2.3.4 晶闸管的选择及其保护电路设计 .9 2.4 中间滤波器设计 .12 2.5 斩波电路的设计 .14 2.5.1 斩波电路的选择.14 2.5.2 功率开关器件的选择.15 第 3 章 控制电路的设计.17 3.1 控制芯片的介绍 .18 3.2 零电压检测

2、电路的设计 .18 3.3 电压信号采样电路 .20 3.4 过电压保护电路的设计 .21 3.5 晶闸管驱动电路 .22 3.6 mosfet 驱动电路的设计.25 3.7 霍尔电流、电压传感器变送器模块的性能 .26 3.8 霍尔传感器的应用 .27 3.9 光耦的介绍 .28 3.10 辅助电源的设计 .28 第 4 章 软件的设计.31 4.1 主程序设计 .31 4.2 外部中断程序 .32 ii 4.3 a/d 转换程序.33 4.4 电压采样程序 .34 4.5 晶闸管触发程序的设计 .35 4.6 pid 控制程序的设计.37 结 论.40 外文原文.42 外文译文.51 致谢

3、.56 附录 1 .57 附录 2 .64 1 第 1 章 绪论 电化学加工自20世纪50年代问世以来，经过近半个世纪的发展，现已成为机械 制造学科中一个重要的分支，也是国防工业生产中的关键制造技术之一。但常规的 电解加工不易达到较高的加工精度，加工稳定性差。20世纪90年代出现高频 （1khz）、窄脉冲（s级）电流电解加工后，显著改善了电解加工间隙过程的理 化特性，简化了工艺，增强了加工稳定性，提高了加工精度、表面质量、加工效率， 为电解加工的应用开拓了新的领域，而脉冲电源是实现此项新工艺技术并使之用于 生产的关键设备。 1.1 电化学加工的背景 电化学加工也称为电解加工，是利用金属在外电场

4、作用下高速局部阳极通解的过 程，实现金属成型的加工工艺。中国电解加工工艺始于 60 年代初，首先用于航空工 业中用于加工叶片，兵器工业加工大炮膛线，后来推广到其它民用工业，如汽车， 拖拉机制造业加工锻模，汽轮机制造业加工整体叶轮，还用于花键，异型孔的加工。 电化学加工的工艺设备包括三部分：电解加工机床、支流电源、电解液系统。对 于电解加工机床的基本要求是进给速度均匀稳定、足够的刚性和不要的抗腐蚀性、 拍气措施。对于支流电源的要求：高的稳压精度和迅速、可靠的短路保护装置。这 是因为电解加工时电流很大，电气间隙小，为了保证加工精度和避免烧毁短路，应 该重视上述两项指标。对于电解液系统则要求供液稳定

5、，并具有处理电解产物的能 力 电解加工以其加工效率高、工具无损耗、加工后工件表面无热影响层、结构表面 光滑、无内应力、无裂纹、加工不受材料硬度的限制等优点,在航空航天发动机零件 加工领域中得到极为快速的发展。一般认为,电解加工存在着杂散腐蚀,有较大的加 工间隙,因此形状精度和尺寸精度较差,使其很难胜任微、纳米加工的要求。但从加 工机理上讲,电解加工是以离子状态进行的,并具有诸多独特的优点,所以可以应用于 微细加工领域。随着电化学理论的不断完善、微细加工技术的发展和高频、窄脉宽 脉冲电源在电解加工中的使用,加工间隙大大减小并加强了 集中蚀除能力, 脉冲电源的形式和用途有多种，其主要的应用领域包括

6、: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、臭氧的制取和 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 2 器、液电爆炸等领域。不同的应用场合，对电源的输出电压、输出电流及开关频率 的要求不同。按照输出特性的不同，可以将脉冲电源分为能量密度型、时间间隔型 和组合型三类。表面热处理用脉冲电源属于组合型，它对能量密度和时间都有要求。 脉冲电源的发展在促进开关器件发展的同时受制于开关器件的发展，尤其是大功 率脉冲电源更是依赖于开关器件的发展。随着 gto 等

7、自关断器件的出现，产生了斩 波型脉冲电源。斩波型脉冲电源的原理是将前级的直流经过大功率开关器件控制后， 输出周期和占空比由开关器件控制脉冲决定的大功率脉冲输出。这类型电源的最突 出缺点是输出与输入不隔离，对电网的污染太严重。如果增加输入隔离变压器，由 于电源功率太大，使得变压器的体积巨大。另外的一个缺点就是由于开关器件工作 频率的限制，使得脉冲电源输出的频率很低。 1.2 本设计的任务要求 1. 输入参数 电压：3ac 380v 50hz 2. 输出参数 脉冲电压频率：050hz 连续可调 脉冲电压幅值： 518v 连续可调 电流峰值： 8a 占空比： 50 频率误差：0.5 脉宽误差：1 幅

8、值误差：0.3 3. 控制系统以凌阳 16 位单片机作为控制核心； 4. 采用三相全控整流电路，整流桥选用 scr 作为功率元件； 5. 斩波主电路功率器件选用 mosfet。 第 2 章 主电路的设计 3 2.1 设计内容简介 电化学加工脉冲电源输出特性在很大程度上影响社电化学加工的加工效果。以 mosfet 期间为开关管设计的可变频新型脉脉冲电源，可增强加工稳定性，提高加工 精度，提高表面质量，加工效率。该电源将 380v 交流电经三相可控整流电路整流， 滤波输出可调的直流电压。然后通过斩波电路，输出占空比为 50%，频率在一定范 围内连续可调的脉冲电压，且脉冲上升和下降时间小于 20ns

9、。 在设计过程中，要对整流电路中的晶闸管的参数进行计算几选型，滤波电容的 选择，斩波电路中 mosfet 管的选择，以及每一部分的保护电路，mosfet 驱动电路 的设计，这些都是主电路中的器件，在控制电路中利用凌阳 16 位单片机作为控制电 路，要实现对输出电流，电压的检测，以及对电压幅值的控制，输出频率的控制， 原理框图如下： 图 2-1 原理框图 此设计的电化学脉冲电源以具有高速开关频率的mosfet管为开关管，频率可在 一定范围内有级调节， 2.2 主电路的组成 电源是电化学加工设备的核心部分，电源的波形、电压、稳压精度和短路保护 的功能都直接影响电化学加工的阳极溶解。电化学加工采用的

10、电源主要有直流和脉 冲两种形式。随着电化学加工对精度的要求的不断提高，脉冲电源逐步替代了直流 电源。对于电化学加工，提高电源的脉冲频率有利于提高加工精度，也因此推动着 电化学加工制造技术的发展。目前，利用功率电子器件开发出的脉冲电源已成功地 应用于电化学加工。其脉冲频率达到数千赫兹，额定峰值电流亦达到数千安，已能 满足一般电化学加工的精度和效率要求。但当把电化学加工引入到微小型金属构件 的制造时，显然会由于加工特点的变化而使现行的脉冲电源满足不了要求。因此， 亟待研制开发新型脉冲形式的电源。现已出现的脉冲电化学加工电源主要有scr斩波、 380v 交流 电源 变压 与 整流 滤波 电路 斩波

11、电路 输出 脉冲 电压 凌阳 16 位 单片机 调频 角控制 电压采样 角， 给定 4 gto斩波和mosfet斩波3种类型。 本设计电源主电路由功率开关管及其驱动电路部分组成。首先，功率开关管必 须要适合常规电解加工电压低、电流大的特点，还要有比较快的响应速度，以实现 高频的开通与关断。mosfet作为低电压大电流器件，不但适合电解加工电源低电压、 大电流的特点，因其响应速度快（可达几十纳秒），故也可作为高频脉冲电源的功 率器件。其次是栅极驱动电路要有足够高的驱动速度。这两个因素对电源获得窄脉 冲至关重要，所以要选择合适的元器件来满足设计要求。 2.3 可控整流模块设计 可控整流模块的输入电

12、压为380v的工业电，根据电源系统要求，输出电压为5- 18v，电流为小于8a的可调直流电压。为了保证脉冲电源系统主回路的平稳启动，可 控整流模块还要设计软启动功能，不管外部设置的整流输出电压有多高，整流输出 电压都从0v开始逐渐增加为了保证脉冲电源系统的正常工作，可控整流模块还要设 计三_相交流输入过压、欠压和过流保护。只要这些故障信号出现，控制模块马上发 出封锁信号。 2.3.1 可控整流模块设计指标 可控整流采用三相全桥晶闸管整流，晶闸管驱动信号由控制模块提供，本章主 要讲述整流电路设计计算、晶闸管的选择与保护电路设计和晶闸管的驱动电路设计。 可控整流模块设计指标如下: 输入 : 主回路

13、输入三相380v电压: 门极驱动电路输入六路晶闸管驱动脉冲信号; 输 出 : 电压:5一18v直流可调: 电流 : 8a ; 2.3.2 三相控整流主电路设计与计算 三相全桥晶闸管整流主电路如下图，图中v1v6为晶闸管，cd为整流滤波电容， c1一c6为吸收电容，ri-r6为吸收电阻。 5 r7 c7 r8 c8 c9r9 rv1 rv2rv3 g1 k1 k4 g4 k6 g6 k3 g3 k5 g5 k2 g2 f1 f3 f5 f4 f6 f2 v1 v3 v5 v4 v6v2 r1 c1c1 r1 c1 r1 c4 r4 c6 r6 c2 r2 ld + cd vd1 c11 e1 c

14、1 g1 7 2 v42 6 rd 图2-2 主电路图 本设计中，对于可控整流模块来讲负载电流会发生变化，所以我们在分析可控 整流过程中可假设为阻性负载，在任意时刻电路必须有两个晶闸管同时导通，其中 一个属于共阴极组，另一个属于共阳极组，每个晶闸管的最大导通角为 120o。 晶闸管之间的换相是在同一结构组中进行的，即共阳极与共阳极的晶闸管换相， 共阳极与共阴极的晶闸管换相。在这种电路中一般采用双脉冲或宽脉冲的触发方式 保证每隔60o导通一个晶闸管，触发电路设计在后面章节给出。下面讲述 可控整流 电路在阻性负载情况下输出与输入的关系，为在触发角为0 o时的电路波形。ud1为相 电压波形，u d2

15、为线电压波形。由波形对应关系可以看出，各自然换相点既是相电压 的交点，同时也是线电压的交点。由于输出整流电压为共阴极组中处于通态的晶闸 管对应的相电压与共阳极组中处于通态的晶闸管对应的相电压的差，因此输出电压 为线电压在正半周期的包络线(图中ud2) 。从图中可以看出，当0oa60o时，输 出电流连续:当60oa120o时，输出电流不连续;当a =120o时输出平均电压为零，所 以应该分别对待 上图为三相全桥整流电路带阻性负载在触发角为时的波形,当0o a 60o电 流连续时输出电压平均值vd,与输入线电压有效值u2的关系为 v = d ttdsin2 3 2 3 2 3 u = cos35

16、. 1 cos 23 2 2 u u 6 图2-3 三相全控桥阻性负载波形 通过晶闸管的电流ivt与负载平均电流id的关系为; 2 2 2 22 1 2 1 tdii vtvt 所以有: 4 2cos3 6 1 cos3 d vt i i 三相全桥整流电路输入电流有效值i2与负载平均电流id的关系为; 4 2cos3 6 2 cos3 4 2cos3 6 2 sin 2 2 4 2 3 2 3 2 2 22 2 1 d m m i i i tdtitdii 2.60o a 120o，电流不连续输出电压平均值与输入线电压的效值u。的关系为; 7 3 cos1 23 sin2 3 2 3 2 u

17、ttduvd 通过晶闸管的电流ivt与负载平均电流id的关系为: 3 cos1 3 3 cos1 23 4 2 3 sin 23 1 sin 1 2 3 2 m d d m mvt i r u r v i i tdtii 即有 4 2 3 sin 23 1 3 cos13 d vt i i 三相全桥整流电路输入电流有效值i2与负载平均电流i的关系为 4 2 3 sin 23 2 sin 2 2 4 2 3 3 2 22 m m i tdti tdii 即有 4 2 3 sin 23 2 3 cos13 2 d i i 8 2.3.3 整流变压器的计算 一、变压器二次相电压 ：为了较精确地计算二

18、次相电压可以从以下几方面 p u2 考虑： （一）最小控制角 : 对于可逆系统 取 30 35，不可逆系统 min min min 取 1015，电阻性负载： 可取 0。 min （二）电网电压波动：通常取波动系数 =0.9。 （三）变压器漏抗产生的换相压降： d e pdl dl i i uu m ix m u 2 2 r 22 （四）晶闸管或整流二极管的正向导通压降 ： 于是，变压器二次相电压 的计算公式为: 其中：a理想情况 时整流电压与二次电压之比，参考表 1-1。 c线路接线方式系数。 变压器短路电压比，100kv.a 以下取 =0.05，容量越大, 也越大。 变压器二次侧实际工作电

19、流与变压器二次侧额定电流之比。 表表 2-12-1 几种整流变压器电压计算系数几种整流变压器电压计算系数 电路型式 ac 电路型式 ac 单相全波 0.90.707 三相半波 1.170.866 单相桥式 0.90.707 三相桥式 2.340.5 对于中小容量调压的装置，可用理想情况时的电压计算值增加 15%来计算。 二、一次、二次电流与变压器装置： 变压器一次侧、二次侧电流的关系为： 2211 nini 22 1 2 1 1 i k i n n i 选 ，分析三相桥式大电感负载整流电路1 0 k 根据理论分析可知： d iii816 . 0 21 二次电压以理想情况计算， n dl d p

20、 i i cua unu u 2 2 min max 2 cos 9 34 . 2 2 d p u u 所以，变压器二次侧容量为： dd d p pi u ius15 . 0 816 . 0 34 . 2 33 222 变压器一次侧容量为： dpp piuius 5 . 1033 22111 根据设计的要求，输出电压和输出电流的要求，应选用容量为 150w 以上的三角星型 接法的二次侧电压为 24v 的三相变压器，型号为 bkz-10 的变压器即可满足设计要求。 2.3.4 晶闸管的选择及其保护电路设计 1、晶闸管的选择 晶闸管的选择是报证晶闸管工作在其安全工作区内，主要包括额定电压。额定 电

21、流。 晶闸管的额定电压 确定晶闸管额定电压时，考虑到晶闸管在恢复阻断时引起的换相过电压，以及 在操作和事故过程中产生的各种过电压影响，额定电压必须留有(2一3)倍的余量。 即其中vm为晶闸管承受的最大正反向峰值电压 mram vv32 闸管额定电流it 晶闸管额定电流的计算原则是必须使额定电流it大于实际流过晶闸管的电流平 均值it（av）考虑过载系数，通常取2倍。流过晶闸管的电流与输出电流平均值 的关系，晶闸管在使用中，因电路中电感的存在而导致换相过程产生ldi/dt，或系统自身出现 短路、过载等故障.所以要做好晶闸管的过电压、过电流保护 2、晶闸管的过电压保护 常见的晶闸管过电压有交流侧过

22、电压和直流侧过电压，交流侧过电压阻容保护 下图给出阻容保护常用的接线图，其中电阻r（）、c(uf)用下面关系式近似计算: 10 2 2 2 2 2 6 3 . 2 v s ic i v s v r o o 式中、v2 整流变压器的阻抗电压，以额定电压的百分数表示，对于本设计，v2, = 4%10%; io 变压器空载电流，以额定电流的百分数表示，对于本设计，io=4%一10% v2- 变压器一次相电压有效值(v); s- 变压器每相的平均视在容量(va)。 阻容保护三角形联接时，电容器的电容量小但耐压要求高联接时，电容器的电容量 要大但耐压要求低、电阻值也小，常增大c能降低作用到晶闸管上的过电

23、压ldi/dt和 叫dt，但过大的c值不仅增大体积，而且使r的功耗增大，并使晶闸管导通时的di/dt 上升。增大电阻r有利于抑制振荡但过大的r不仅使抑制振荡的作用不大，反而降低 了电容抑制ldi/dt的效果，并使r的功率增大，所以一般希望r小一些(约5-100)。为 降低电阻的温度电阻功率应选电阻上可消耗功率值的2倍左右。电阻r的功率近似计 算为 2 221 2 2 2 2 221232cvkcrkfpcvcrf r 其中c 、r 选用的交流侧保护电容和电阻; f电源频率 ; v2 变压器二次相电压有效值; 系数(23)和(12) 考虑降低电阻温度和电网电压身高等因素时取大的数值， 考虑缺口电

24、压作用下电阻和线路其他部分分担损耗时取小的值 ; k1 对于三相电路,k1=3, k2一 对于三相桥式电路在阻容保护三角形联接时，k2=300 ;在本设计中，v2= 24v ,v2=io=8%, f=50hz，下面计算视在功率。输入电流有效值为 d ii 4 2cos3 66cos3 2 即视在功率为 2 ivs 11 o i v s v r 2 2 2 3 . 2 2 2 6 v s ic o 2、直流侧过电压阻容保护直流侧过电压保护一般采用在晶闸管两端并联阻容吸收的 方法。吸收电阻与吸收电容的经验计算公式为: 3010 1042 3 r fic t 电容耐压及电阻功率讨算公式为: 6 m

25、10 mr m vfcp vc vm. 作用于器件上的正、负峰值电压，在三相桥式中 2 6vvm 3、过电流保护 由于半导体器件体积小、热量小、特别像晶闸管这类高电压大电流的功率器件， 结时，热量降来不及散发，使得结温迅速升高，最终将导致结层被烧坏。 产生过电流的原因是多种多样的，例如，交流装置本身晶闸管损坏，触发电路 发生相邻设备故障影响等。 晶闸管过电流最常用的是快速熔断器。由于普通熔断器的熔断特性动作太慢， 在熔断器尚未熔断之前晶闸管已被损坏；所以不能用来保护晶闸管。快速熔断器由 银制熔丝埋于石英沙内，熔断时间极短，可以用来保护晶闸管。 常用的过电流保护有以下五种： (一)在交流进线中串

26、接电抗器或采用漏抗较大的变压器。 (二)灵敏过电流继电器保护。 (三)限流与脉冲保护。 (四)直流快速开关保护。 (五)快速熔断器保护。 本设计选用快速熔断器过电流保护。 快速熔断器的选择 通过晶闸管电流有效值=58a, t i 12 故选用 rls-70 的熔断器，熔体电流为 70a。 2.4 中间滤波器设计 在整流路中，通常采用大电容作中间滤波器。其作用为:整流输出滤波;形 成低内阻直流电压源。附加小电感l是为了对高频电流起抑制作用，有利于减小开通 损耗和实施过流短路保护。中间滤波器的优化设计关系到电源的输出品质及可靠性。 1、负载电流产生的纹波电压 在本设计中，电源系统输出为脉冲电压，假

27、设负载为阻性负载且保持不变，则 负载电流也为脉冲。设输出脉冲电压(或电流)的频率为so，周期为:电流高 f t 1 度为im，电流方波如图示，2m为脉冲宽度。则输出电流在一个周期内可以描述为: 整流输出电流方波 ttmt mttmti mttt tf m 2 1 , 0 , , 2 1 , 0 将其傅立叶变换，余弦项系数为： )2sin( 2 sin 2 cos 2 2 2 mn n i mt mt tn tn tdtntf t a m t tn 运算中应用了t=2的关系a,为波形的平均值即a0 = 2mim正弦项系数为 0sin 2 2 2 tdtntf t b t n t 于是得到: t

28、t m i t t m i mitf mm m 4 cos4sin 2 cos2sin 2 2 由上面分析可以发现，负载电流可以分解为直流分量和交流分量。等效到整流 输出母线也包括两个分量，只是峰值常量不同，假设为a。设计直流分量流过滤波电 13 感，交流分量必须流过电容，直流母线电流交流基波分量为: t t m a i 2 cos2sin 2 电流基波的正半周，电容输出电流使vd下降 m c a t t tm c a dtti c v t t 2sin 4 4 4 sin 1 2sin 21 4 4 1 最大值： m c a v m 2sin 4 1 电流基波的负半周期，电容吸收电流使vd上

29、升 m c a t t tm c a dtti c v t t 2sin 4 4 4 3 sin 1 2sin 21 4 3 4 2 最大值 m c a vv mm 2sin 4 12 负向电流向电容充电，取续流电流的最大宽度为，最大幅度为a，则t 2 2 a c adt c v t m 2 2 0 3 21 2滤波电容c的计算 由限制负载电流引起的纹波电压确定c的值，设允许的最大峰值纹波电压为vdk%,则： % 2 2sin 4 32 kva c m c a vvv dmm 14 % 2 2sin 4 kv am a c d 根据计算和经验应选择 450v 2200f 的一个电解电容即可达到

30、滤波要求 2.5 斩波电路的设计 2.5.1 斩波电路的选择 直流斩波器是一种把恒定直流电压变换成为负载所需的直流电压的变流装置。 它通过周期性的快速通、断，把恒定直流电压斩成一系列的脉冲电压，而改变这一 脉冲列宽度或频率就可实现输出电压平均值的调节。常见的斩波器有隔离式和非隔 离式两种。非隔离式有降压斩波器、升压斩波器、第二象限斩波器、多象限斩波器 等。 变压器型中按开关管输出电路的形式可分为单端开关电源和双端开关电源。 而双端开关电源又分为推挽型、半桥型、和全桥型。当功率开关管 v 导通时，整流 二极管 d1 同时导通，输入电能通过 d1 传递给负载 r. v 关断时，d1 停止导通，电

31、感通过 d2 继续向负载供电。脉冲电镀电源要求输出电压为 18v，电流小于 8a，所 以需要采用一般的斩波电路。可用于本电源设计的斩波器有正激式和桥式的，本设 计基于电路结构简单和成本低的优点选用这种斩波器。 2.5.2 功率开关器件的选择 工作于开关状态的功率半导体器件是现代电力电子技术的核心，晶闸管这种半 控型功率开关元件的问世标志着现代电力电子技术时代的开始。现代电力电子器件 是指全控型的电力半导体器件，可分为双极型、单极型和全控型三大类。现代电力 电子器件向着全控化、集成化、高频化、多功能化和智能化方向发展。 双极型功率开关器件的主要特点是通态压降低、阻断电阻高和电流容量大，适 用于较

32、大容量的变流系统。其主要有电力晶体管(gtr)、门极可关断晶闸管(gto)和 静电感应晶闸管(sith)等。其中 gtr 具有控制方便和通态压降低的优点，但存在二 次击穿问题和耐压难以提高的缺点。一般应用于几十千伏安以下、开关频率低于 10k hz 的场合。gto 是目前能做到耐压最高、电流容量最大的功率开关器件之一， 现在最大容量可达 5000v, 4500a。但其关断增益小，门极反向关断电流较大，需设 置专门的驱动电路，开关频率一般为 12k hz,多应用在 200kva 以上的大容量变流 设备中。sith 是大功率场控开一准器件。它的通态电阻小、开关速度快，可用于高 频感应加热电源。但其

33、制造工艺复杂，成本较高。单极型功率开关器件的典型产品 主要有功率场效应晶体管(mosfet)和静电感应晶体管(sit)。它们属于电压控制器件， 驱动功率小。mosfet 的电流容量和耐压难以提高，多用于中小容量、开关频率较高 的场合。sit 的输出功率大，多用于高音质音频放大器、通讯设施和空间技术等领 15 域。 混合型功率开关器件是由单极型和双极型功率开关器件集成混合制造，利用耐 压高、电流密度大、导通压降低的双极型器件作为输出级，同时利用输入阻抗高、 响应速度快的单极型 mos 器件作为输入级，兼有两者的优点。这类器件的典型产品 有绝缘栅双极晶体管(igbt )、mos 晶闸管(mct)和

34、功率集成电路(pic)等。mct 是晶 闸管和 mosfet 的混合集成，它阻断电压高，电流容量大，通态压降和损耗小，开关 速度高，开关损耗小，是最有发展前景的全控型功率半导体器件。但现在实际应用 很少。pic 是指功率开关器件与驱动电路、控制电路、保护电路等的总体集成，使 强电和弱电达到完美的结合，完成了信息与动力的统一，推动电力电子技术进入智 能化时代。但其耐压和电流容量很小。igbt 是 mosfet 与 gtr 复合形成的一种新型 器件，自八十年代中期以来发展十分迅速，开关频率已超过 20khz。它既具有功率 mosfet 的电压驱动、开关频率高、无二次击穿问题等优点，又具有 gtr

35、通态电流大、 反向阻断电压高等优点。近年来，在开关电源、电机控制以及其它要求开关频率高、 损耗低的中小容量变流设备中，igbt 有取代功率 mosfet 和 gtr 的趋势，成为应用 最广泛的功率开关器件之一。 基于以上对各种常用全控型功率开关器件的对比分 析，本文设计采用 mosfet。根据设计要求，选用 imbh25d-120 即可达到设计要 求。 16 第 3 章 控制电路的设计 控制电路的合理设计，不仅能达到尽量简单实现电源基本功能的目的，还将对 电源整体性能和可靠性提供强有力的保障。 1. 检测三相同步过零信号，将信号隔离后送给单片机参与整流模块可控硅驱动 信号控制 ; 与电流闭环控

36、制; 2. 检测三相交流输入过电流、将信号隔离后送给单片机参与故障保护控制; 3 检测整流模块输出直流电流，将线性隔离后得电流反馈信号送给单片机参 ; 4.检测频率给定和占空比给定，将模拟信号送给单片机参与mosfet的驱动控 制 5.检测mosfet故障信号，隔离后送给单片机参与故保护控制 。 控制电路采用凌阳 16 位单片机作为控制核心，凌阳的 16 位单片机的 cpu 内核 采用凌阳最新推出的 nsp（microcontroller and signal processor）16 位微 处理器芯片。围绕 nsp所形成的 16 位 nsp系列单片机（以下简称 nsp家族）采用的是模块式集成

37、结构，它以 nsp内核为中心集成不同规模的 rom、ram 和功能丰富的各种外设接口部件， 有以下特点: 体积小、集成度高、可 靠性好且易于扩展 ，内部采用总线结构，因而减少了各功能部件之间的连线，提高 了其可靠性和抗干扰能力。另外，模块化的结构易于系统扩展，以适应不同用户的 需求。 具有较强的中断处理能力 ：nsp家族的中断系统支持 10 个中断向量及 10 余个中断源，适合实时应用领域。 高性能价格比 ：nsp家族片内带有高寻 址能力的 rom、静态 ram 和多功能的 i/o 口。另外，nsp的指令系统提供具有 较高运算速度的 16 位16 位的乘法运算指令和内积运算指令，为其应用增添了

38、 dsp 功能，使得 nsp家族运用在复杂的数字信号处理方面既很便利，又比专用的 dsp 芯片廉价。 电源的要求频率可调，电压可调，占空比一定。设计中主要用单片机来控制晶 闸管的触发角以达到调节输出电压的大小，其中要先检测出电压波形的过零点，方 法是先把 220v 的正弦波信号变换成 5v 的方波信号，然后送进单片机，单片机检测 到后开始计时，然后来控制触发角。 斩波电路中对 mosfet 管的控制端的控制，以及管子的驱动电路，通过控制管子 的通断来控制输出脉冲电压的频率的大小，为了保护控制芯片，抗干扰能力，以及 电平匹配和转移，在控制芯片与 mosfet 管的驱动电路之间要用光电偶合电路对它

39、们 进行连接。 17 3.1 控制芯片的介绍 spce061a是继mnsp系列产品spce500a等之后凌阳科技推出的又一个16位结 构的微控制器。目前有两种封装形式：84引脚的plcc84封装和80引脚的lqfp80贴 片封装。主要性能如下： 1 16位mnsp微处理器； 2 工作电压：vdd为2.43.6v(cpu), vddh为2.45.5v(i/o)； 3 cpu时钟：32768hz49.152mhz ； 4 内置2k字sram、内置32k flash； 5 可编程音频处理； 6 32位通用可编程输入/输出端口； 7 32768hz实时时钟，锁相环pll振荡器提供系统时钟信号； 8 2

40、个16位可编程定时器/计数器(可自动预置初始计数值)； 9 2个10位dac(数-模转换)输出通道； 10 7通道10位电压模-数转换器(adc)和单通道语音模-数转换器； 11 声音模-数转换器输入通道内置麦克风放大器自动增益控制(agc)功能； 12 系统处于备用状态下(时钟处于停止状态)耗电小于2ma3.6v； 13 14个中断源：定时器a / b，2个外部时钟源输入，时基，键唤醒等； 14 具备触键唤醒的功能； 15 使用凌阳音频编码sacm_s240方式(2.4k位/秒)，能容纳210秒的语音数据； 16 具备异步、同步串行设备接口； 17 具有低电压复位(lvr)功能和低电压监测(

41、lvd)功能； 18 内置在线仿真电路接口ice（in- circuit emulator） ； 19 具有保密能力； 20 具有watchdog功能（由具体型号决定） 3.2 零电压检测电路的设计 一、同步的概念： 正确选择同步信号电压相位以便得到不同相位同步信号，使触发电路分别在各 晶闸管需要触发脉冲的时刻输出脉冲，这个过程称为同步。 二、实现同步的方法： 步骤： （一）根据不同触发电路与脉冲移相范围的要求，确定同步信号电压 与对应晶 体管阳极电压之间的相位关系。 18 （二）根据 ts 的接法，以电网任一线电压作参考矢量，画出整流变压器二次侧即晶 闸管阳极电压的矢量，再根据已确定的 与晶

42、闸管阳极电压的相位关系，画出对 应的同步相电压矢量和同步线电压的矢量。 （三）根据已获得的同步变压器二次线电压的矢量关系，确定同步变压器 ts 的钟点 数和接法 三相同步信号的正确是保证整流输出的首要前提，由于在本设计中整流模块的 软启动靠给可控硅的驱动脉冲相位来控制，即驱动脉冲的相位从保证输出为零的最 大导通角开始，所以同步信号相位的延迟与错误可能造成整流器件的损坏 甚至造成 逆变模块igbt的损坏。 零电压检测电路通过检测交流电压波形的过零点通知单片机在晶闸管需要导通 的时刻输出高电平，从而保证经闸管可以按顺序进行触发，使触发电路与主电路晶 闸管在工作上一致。 零电压检测电路图如图： n

43、l1 r2 r1 vd1r4 + + +15v - r3 +15v c1 r5 iob2 -15v 图3-1 零电压检测电路 此电路选用lm339比较器。lm339集成块内部装有四个独立的电压比较器，该 电压比较器的特点是：1）失调电压小，典型值为2mv；2）电源电压范围宽，单电 源为2-36v，双电源电压为1v-18v；3）对比较信号源的内阻限制较宽；4）共 模范围很大，为0（ucc-1.5v）vo；5）差动输入电压范围较大，大到可以等于电 源电压；6）输出端电位可灵活方便地选用。 lm339 类似于增益不可调的运算放大器。每个比较器有两个输入端和一个输出 端。两个输入端一个称为同相输入端，

44、用“+”表示，另一个称为反相输入端，用 “-”表示。用作比较两个电压时，任意一个输入端加一个固定电压做参考电压（也 称为门限电平，它可选择 lm339 输入共模范围的任何一点） ，另一端加一个待比较的 信号电压。当“+”端电压高于“-”端时，输出管截止，相当于输出端开路。当“- ”端电压高于“+”端时，输出管饱和，相当于输出端接低电位。两个输入端电压差 别大于 10mv 就能确保输出能从一种状态可靠地转换到另一种状态，因此，把 lm339 19 用在弱信号检测等场合是比较理想的。lm339 的输出端相当于一只不接集电极电阻 的晶体三极管，在使用时输出端到正电源一般须接一只电阻（称为上拉电阻，选

45、 3- 15k） 。选不同阻值的上拉电阻会影响输出端高电位的值。因为当输出晶体三极管截 止时，它的集电极电压基本上取决于上拉电阻与负载的值。另外，各比较器的输出 端允许连接在一起使用。 3.3 电压信号采样电路 因为电压传感器在采样的时候已经将强/弱电进行了电气隔离，所以在这部分 电路中进行了信号的放大处理，即将采样的信号变化范围经运放调节到单片机的0- 5v的范围内， ，电流采样电路如图4-6所示，图中ua1是电压传感器的输出信号。 r14 ua1 r19 -15v +15v c3 r17 + r15 - + rp2 5v + -15v + +15v - r16r18 图3-2 电压幅值检测

46、电路 电路原理： 设第一个运算放大器输出电压u1，第二个运算放大器输出电压为u2。 由虚短、虚断可知 u1= -1 15 16ua r r u2=-1 2 18 u rp r 所以 u2=1 215 1618 ua rpr rr 选择适当的电阻及电位器可以将ua1变换为单片机的模拟量输入信号 20 3.4 过电压保护电路的设计 电解加工的极间间隙极小，精密加工及脉冲电流加工中可小于0.05mm。由于阳 极的不断蚀除和阴极的不断进给，极间间隙处于动态平衡的状态，一旦极间间隙过 小，发生电解液供给不充分，进而形成电解液的空穴、局部沸腾，会导致工件表面 局部钝化停止加工而出现尖点，最终钝化膜被顶穿而

47、引发火花放电甚至短路，尖峰 电流就会损坏电路的电子器件，引起的电弧也会烧伤工件。所以必须对电路加以保 护，防止短路现象的发生。本电源保护电路采用电压保护的方式比较器输出电平反 转，当单片机检测到比较器的反转后即发出指令切断脉冲电源，保护电路的电子元 器件免受损伤和防止电弧烧伤工件 过电压保护电路的主要作用是防止电压的峰值电流超过功率开关元件额定值而 造成元件损坏。当电流较大，达到比较器lm339的设定值时，限压保护电路动作， 输出低电平信号给控制电路，再由控制电路输出关断信号给功率开关，从而保护该 相功率开关不被损坏，同时，此信号被传递给单片机产生外部中断，使单片机进行 相应处理。过电流保护的

48、电路如图 c2 - + + iob3 +15v +15v +5v r8 r9r10 r11 r12 r13 rp1 图3-3 过电压检测电路 在此电路中用到迟滞比较器，迟滞比较器又可理解为加正反馈的单限比较器。 前面介绍的单限比较器，如果输入信号 uin 在门限值附近有微小的干扰，则输出电 压就会产生相应的抖动（起伏） 。在电路中引入正反馈可以克服这一缺点。 图 1a 给出了一个迟滞比较器，人们所熟悉的“史密特”电路即是有迟滞的比较 器。图 1b 为迟滞比较器的传输特性。 21 图 3-4 迟滞比较器 不难看出，当输出状态一旦转换后，只要在跳变电压值附近的干扰不超过 u 之值，输出电压的值就将

49、是稳定的。但随之而来的是分辨率降低。因为对迟滞比较 器来说，它不能分辨差别小于 u 的两个输入电压值。迟滞比较器加有正反馈可以 加快比较器的响应速度，这是它的一个优点。除此之外，由于迟滞比较器加的正反 馈很强，远比电路中的寄生耦合强得多，故迟滞比较器还可免除由于电路寄生耦合 而产生的自激振荡。 如果需要将一个跳变点固定在某一个参考电压值上，可在正反馈电路中接入一 个非线性元件，如晶体二极管，利用二极管的单向导电性，便可实现上述要求。 3.5 晶闸管驱动电路 晶闸管导通的条件是在晶闸管阳极加正向电压期间，给门极施加正的控制信号。 当晶闸管导通后，将不再受门极信号的控制，直到阳极电流小于维持电流，

50、晶闸管 自行关断。晶闸管驱动信号的基本要求是: l触发信号只能在门极为正，阴极为负时起作用。为了减小门极的损耗，触发 信号常采用脉冲形式。 2触发脉冲应有足够的功率。触发电压和触发电流应大于晶闸管门极触发电压 和触发电流。因为晶闸管的特性有很大的分散性，且随温度而变化，因此，在设训 触发电路时，触发电流通常应大于晶闸管门极触发电流的23倍，触发电流的前沿应 达到门极电流的5倍以上。保证晶闸管可靠触发。 3触发脉冲的移相范围能满足整流要求，在本设计中要求移相范围为120. 4触发脉冲的宽度和陡度：触发脉冲的宽度一般应保证晶闸管阳极电流在脉冲 消失前能达到擎住电流，使晶闸管能保持导通状态，这是最小

51、的允许宽度一般要求 触发脉冲前沿陡度大于10v/s. 5根据系统设计指标，本设计中驱动信号还必须经过隔离，以保证主回路与控制模 块电位隔离。 晶闸管驱动电路如图： 图 3-4 晶闸管驱动电路 22 脉冲变压器的作用： 1、起阻抗匹配作用。降低脉冲电压幅值增大输出电流，更好地触发晶闸管。 2、可改变脉冲正负极性或同时送出两组独立脉冲。 3、将低电压的触发电路与高电压的主电路在电气上加以隔离。 脉冲变压器的特性： 一般变压器传递的是正弦交流电压，而脉冲变压器传递的是前沿陡削的单方向 脉冲电压。 我所选用的 kcb 系列可控硅触发变压器，结构紧凑、坚固、抗震、防潮、阻燃。 其显著特点是： 1）全封闭

52、印刷线路板直接焊接安装。 2）机械和环境隔离能力强。 3）各绕组间的抗电强度高。 4）可自行构成所需变比以适应触发要求。 5）能与所有容量的可控硅配套。 6）可作为普通脉冲变压器使用。 本触发变压器与可控硅配套使用，通常接在可控硅设备中控制触发单元与可控 硅控制极之间(见下图)一方面传递触发脉冲，另一方面对强弱电之间起到可靠的隔 离作用。该系列触发变压器可广泛应用于： 调压、调速设备 整流设备 电焊机 逆变变频设备 电梯 自控装置 中频电源 其它可控硅装置 图 3-5 脉冲变压器触发可控硅 使用指南： 1. 首先根据系统的工作电压 v。(有效值)来确定所需的抗电强度 vp。可按表 3-1 推

53、荐选择： 表 3-1： 工作电 压 v。 220v380v500v800v1100v 抗电强 度 vp 1.9kv3.1kv4.5kv6kv8.3kv 23 2. 根据伏微秒积(udt)及触发脉冲的频率(fp)，按已知触发脉冲的伏微 秒积应小于等于该频率范围内 kcb 触发变压器的额定伏微秒积的原则选型。 以 50hz 单脉冲为触发信号的用户：根据已知伏微秒积按上述原则选型即可。 例如：已知触发脉冲电压为 8v，脉冲宽度为 250s，其伏微秒积 udt=82502000vs，应选择 kcb-05。 以调制脉冲(脉冲串)为触发信号的用户，则按调制脉冲的参数来计算。例如： 调制脉冲的频率为 7kh

54、z，脉冲幅度为 8v，脉宽为 100s，则其伏微秒积 udt8100800vs，应选择 kcb-04。 触发脉冲类型 ： 单脉冲： 图 3-6 单脉冲触发 脉冲串 图 3-7 脉冲串触发 外形图、线圈图及详细技术参数 说明： 1. 上述各表中所给出的参数是在室温下测得的典型值。 2. 各参数的意义： u变压比： vp各绕组之间施加的抗电强度试验电压之有效值，持续时间 60s。 fp测试脉冲频率(tp 为周期)。100hz 表示单脉冲，其余表示脉冲串。脉 冲串的宽度设定为 td2ms。 udt额定伏微秒积v1tn(在一定频率范围内其值基本不变) v1输入脉冲幅度(初级脉冲电压)。 tn在相应的

55、v1 和 fp 下变压器的额定传输脉宽。 24 v2输出脉冲幅度(次级脉冲电压)。 rl可控硅控制板等效电阻。 表 3-2 型号 u vp (kv) 触发 方式 fp (hz) udt (vs) v1 (v) tn (s) v2 (v) rl () kcb419/301a 3:1 5单脉冲 触 发 1003000241256.57 3.6 mosfet 驱动电路的设计 mosfet驱动电路在脉冲电源电路中起着非常重要的作用，电力mosfet是电压 型驱动器件，电力mosfet的栅源极之间有数千皮法左右的极间电容，为快速建立 极间电压，要求驱动电路具有较小的输出电阻，使电力mosfet开通的栅源

56、极间驱动 电压一般取1015v，关断时施加一定幅值的负驱动电压（一般取-5-15v）有利于 减小关断时间和关断损耗，在本次设计中，采用m57959集成电路作为驱动电路的主 驱动芯片。 m57959 是一种 n 型门极放大的 igbt 和 mos 的集成电路驱动模块，这种集成驱 动模块在输入输出之间相当于光耦隔离器，在电路中可以起到光电隔离的作用，内 置短路保护电路，如果短路保护电路动作，它就会发出一个错误信号。这种模块隔 离效果很好，而且输入信号可以用 ttl 电平，它提供两种拓扑电路，内有短路保护 输出管脚。 用于驱动 igbt 以及 mosfet 芯片，交流伺服系统，不间断供电电源（ups

57、），焊接 领域等。 这种模块的电气性能很好，用双电源供电，内部电路图如下： 图 3-8 m57959 内部电路图 近年来，新一代功率半导体器件进入电力电子领域后，交流变频调速、逆变装置、 开关电源等日渐普及，原有的电流、电压检出元件，已不适应中高频、高出di/dt 25 电流波形的传递和检测。霍尔电流电压传感器模块，是近十几年发展起来的测量控 制电流、电压的新一代工业用电量传感器，是弥补这一空缺的高性能电检测元件。 3.7 霍尔电流、电压传感器变送器模块的性能 霍尔电流电压传感器模块有优越的电性能，是一种先进的能隔离主电流回路与 电子控制电路的电检测元件，它综合了互感器和分流器的所有优点，克服

58、了互感器 和分流器的不足（如：互感器只适用于50hz 工频测量；分流器无法进行隔离检测。 ）同一只检测元件即可以检测交流也可以检测直流甚至检测瞬态峰值，是替代互感 器和分流器的新一代产品 随着电力电子技术的发展，现有检出和测量电流的元件（如分流器、互感器） 已不能满足中、高频，高di/dt，宽频谱电流波形的传递，电流传感器是弥补这一空 缺的主要电流检测元件。霍尔电流、电压传感器用来测量直流、交流和脉动电流、 电压以及利用这些测量值进行显示、控制的系统均可使用。例如：在电力机车、地 下铁道、无轨电车、铁路等许多领域得到应用，并且在变换器，逆变器，整流器、 变频调速器和逆变焊机上得到广泛应用，电力

59、电子电路中的电流往往有很大的 di/dt，非正弦，直流成分等，要真实地检测出这种电流波形，霍尔元件是目前最适 当的元件，利用霍尔电流传感器工作频带宽的特点，可用于检测非 正弦电源供谐波分析，峰值测量等。 3.8 霍尔传感器的应用 霍尔电流传感器在直流检测中同样具有电隔离，因而扩展了它的应用范围，在 输出直流的电力电子设备中，可以利用霍尔电流传感器测得与生电路隔离的直流测 量信号，通过电子控制电路用于直流测过流、短路路保护和显示等，还可用于电流 反馈，稳流调节等作用 随着电力电子设备单机容量的提高，设备从电网中吸取的电流谐波增大，可用 霍尔传感器检测交流进线电流中的谐波，利用脉冲宽度调制控制（p

60、wm），以改善电 力电子设备输入或输出电流波形的技术已得到广泛应用要分析轻微的电流波形畸变 霍尔电流、电压传感器变送器模块的原理： 霍尔电流电压传感器、变送器模块是一种新型的电检测元件下面简要介绍一下 它的工作原理，霍尔电流传感器是根据霍尔原理制成的，有两种工作方式，即磁平 衡式和直测式传感器，由原边电路、聚磁环、霍尔器件、次级线圈和放大电路等组 成。 26 电压传感器（chv25p、chv100）电压传感器有五只接线端子。其中两只为原边端子： 被测电压输入端十；被测电压输入端一。另外三只为副边端子：十端：电源+15v；一端：电源- 15v；m 端：信号输出端。根据用户所测电压的大小，须将被测