高压开关电源设计

1、分类号 U D C密级: 编号:工学硕士硕士学位论文(高校教师高压开关电源设计硕士研究生:指导教师 :学位级别 :学科、专业;所在单位 :论文提交日期:论文答辩日期:学位授予单位:孟繁荣叶秀芬教授高校教师控制理论与控制工程自动化学院2005年12月15日2006年03月05目哈尔滨工程大学Y.936219晗尔滨工程大学硕士学位论文摘 要高压直流电源在日常的生产、生活中有着广泛的应用,尤其在军事、医 疗和绝缘测试等领域应用更为频繁。传统的高压直流电源采用线性电源技术 的较多,这种结构形式造成电源整体效率较低,性能一般,体积大,重量沉。 随着开关电源技术的进步和发展,各类用途的直流电源都倾向于采用

2、开关电 源技术。开关电源以其线性电源无法比拟的特点和优点已经成为电源行业的 主流形式。开关电源技术应用于高压直流电源领域,使高压直流电源变得体 积小,重量轻,效率高,性能更好。本次论文研究工作是针对x射线发生装置设计所需高压电源。论文首先 介绍了目前高压直流电源领域的发展情况,和X光管工作的基本原理,论证 了各种开关电源主电路的拓扑结构,由于单一结构形式的变换器难以满足系 统功能和性能指标的要求,提出了一种组合式结构,以半桥式变换器组合降 压斩波电路的主电路结构形式,应用MATLB仿真验证了系统设计的可行 性。然后论文针对主电路中各主要元件参数进行了具体计算,对变换器中较 为关键的高压变压器进

3、行了具体设计,并指出了变压器制造过程中影响性能 指标的关键因素和解狭办法。控制电路设计中选用开关电源专用芯片TL494作为主要控制芯片,应用精密运算放大器和隔离反馈元件构成系统的反馈和 PI调节控制器,应用控制领域使用晟为广泛的5l系列单片机构成控制电路 中的数字控制部分,结合信号检测技术,组成具有完善控制和保护功能的电 源系统。在论文的系统调试部分记录了此次设计的电源的调试步骤和过程, 以及每步调试的波形和数据,尤其重要的是发现并记录了TL494的设计缺陷, 提出了补救方法。经过多次试验和反复补充修改设计,最终制成了一台具有 较高性能指标的高压开关电源样机。关键词i 开关电源;半桥;TL49

4、4哈尔滨工程大学硕士学位论文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雠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、,钲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种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锄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谢dclyusedin协efield ofcon订01.111e techn0109y Ofdetection is combincd t0compose也e power suppIy system,which has me perfect con订ol and p眦ection fIlnction.The debuggIlg procedure a11d process oftlle design are recorded in也e part of s”tem debugging,孤d also n玲聃氇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锄ple machine ofswitch hi曲voltage power supply wi也high peff0HnaIlce index is finished.Keywords:Switch power supply;half-bridge;TL494

12、哈尔滨工程大学学位论文原创性声明本人郑重声明:本论文的所有工作,是在导师的指导下, 由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献等的 引用已在文中指出,并与参考文献相对应。除文中已经注明 引用的内容外,本论文不包含任何其他个人或集体已公开发 表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体, 均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律 结果由本人承担。作者(签字:至丝 臼 期:。年月(口曰哈尔滨工程大学硕士学位论文第1章绪论1.1高压直流电源简介咖帅1在当今的军事、工业、日常生活等领域,高压直流电源有着广泛的应用, 尤其在绝缘测试和医学方面。在电工材料和绝缘测试领域经常用高压直

13、流电 源去检测绝缘材料和高压电气设备的介电强度,有时还用高压直流电源代替 高压交流电源进行电力电容器、电力电缆等的耐压试验;在医学方面高压直 流电源是经常用于x光机、cT等大型设备。传统的高压直流电源通常用工频交流电源经升压变压器升压、整流滤波 而得。如图1.1所示,其中T为升压变压器,C为滤波电容,R1、R2为电阻主要起限流保护的作用。对于电压不是很高的场合,可用半波整流电、j 路,全波或桥式整流电路得到直流电t一压。 在实际应用中升压变压器之前要加自藕调压器,通过调整自藕调压器实现调整高压直流输出的目的。T R1I毪 一一口一厂、 士 C=二 图1.1整流电路 这类整流电路优点是接线简单,

14、缺点是所用设备、组件的电压较高,体 积、重量和占地面积大,一般只能作为试验室内使用。上述高压整流线路所能获得的最高直流电压,只能是接近变压器输出7. 电压的峰值。对于要获得比峰值更高的直流电压,而且电流比较小的情况,就要采用倍压整流电路,如图l_2所示。 电路工作过程是这样的,在正弦波负半周电源通过V2对C1充电,在正弦C1V11 l丕c2, V:p 图1.2倍压整流电路 。哈尔滨工程大学硕士学位论文波的正半周,电源和C2同时对c1充电,c2上获得的电压约为电源电压的峰 值和C1上电压的和,因此,经过几个周期后,c2上的电压约为变压器输出 电压峰值的2倍。若要更高的直流电压,可以把几级倍压电路

15、串接在一起, 每一级都能获得约2倍峰值电压的直流电压。着有:n级串联,则可得到2n 倍的直流电压,但级数越多,内阻抗越大,实际输出电压比预期值小得越多, 同时脉动系数也越大。因此,级数不宜太多,一般不超过5级。1.2高压开关电源简介H1随着电力电子器件和相关应用技术的发展,作为用电设备心脏的电源系 统发生了很大的变化。以开关方式工作的直流稳压电源以其体积小、重量轻、 效率高、稳压效果好的特点,正逐步取代传统电源的位置,成为电源行业的 主流形式。高压直流电源领域也同样深受开关电源技术影响,并己广泛地应 用于系统之中。应用电力电子器件产生高压直流的结构框图见图1.3,交流电源经整流 单元整流、滤波

16、后,变成低压直流,逆变单元由控制单元控制,使低压直流 电压逆变成高频方波电压,经高频变压器形成高频高压的方波电压,然后经 高压整流输出变成直流高压,电压反馈单元将输出的高压信号反馈到控制单控制单元卡电压反馈单元图1.3应用电力电子器件的高压直流电源的结构图元,只要调整控制单元的设定电压,就可调节直流高压的输出电压。其中整 流单元通常采用不可控桥式整流,结合电感和电容加以滤波;逆变单元根据 所含开关管数量,可以分为单管、双管(半桥式和推挽式和四管(H桥式, 根据开关频率和电流电压参数不同,开关组件多用IGBT和MOSFET;高频变 压器最重要的参数是频率,通常频率在几KHz至几十I(Hz之间。采

17、用开关电源技术的高压直流电源具有体积小,重量轻,控制精度高, 2哈尔滨工程大学硕士学位论文稳定度高,纹波系数低,保护速度快等优点,因此它必然在高压直流电源中 有更广泛的应用。1.3高压开关电源发展趋势口1在国外,从70年代开始,日本的一些公司开始采用开关电源技术,将市 电整流后逆变为3kHz左右的中频,然后升压,美国GE公司生产的AMx一2移 动式x线机把蓄电池供给的直流电逆变成500Hz的中频方波送入高压发生器, 从而减小体积和重量。进入80年代,高压开关电源技术迅速发展。德国西门 子公司采用功率晶体管做主开关组件,将电源的开关频率提高到20kH以上。 并将干式变压器技术成功的应用于高频高压

18、电源,取消了高压变压器油箱, 使变压器系统的体积进一步减小。近十年来,随着电力电予技术的进步和开 关器件的发展,高压开关电源技术不断发展。突出的表现是频率在不断提高:如Philips公司30kw以下移动式x光机的x线发生装置频率达30kHz以上, 德国的霍夫曼公司高压发生器频率高达40kHz。98年以后通用电气公司和瓦 瑞安公司都研制成功100kHzx线机发生器。另外,高压开关电源的功率也在 不断地提高,lO一30kw的大功率高压开关电源在产品上己很成熟,更高功率 的高压开关电源也有很快的发展,如:用于雷达发射机的140kw高压开关电 源(俄罗斯;用于脉冲功率技术中的300kw大功率恒流充电电

19、源(美国EEv 公司等等。可以看出,高压开关电源的发展的主要趋势是:(1频率不断提高(2功率不断增加我国自80年代初开始对高频化的高压大功率开关电源技术进行研究,分 别列入了“七.五”、“八.五”、“九五”国家重点攻关项目。国家“八五” 攻关项目(8580501,200kV高压直流开关电源的研制,输出功率达20Kw:国家自然基金资助项目(69871002产生高浓度臭氧用20kHz高压逆变电源的 研制,电源的转换效率80%,输出功率最高达20kw,电源体积降至原体积1/5, 臭氧发生器体积降为原来1/6,还减少了原材料消耗;静电除尘高压直流电 源也实现了高频化,采用全桥零电流开关串联谐振逆变电路

20、将直流电压逆变 为高频电压,然后由高频变压器升压,最后整流为直流高压,在电阻负载条 1哈尔滨工程大学硕士学位论文件下,输出直流电压达到55kV,电流达到15IIlA,工作频率为25.6kHz. 总之,我国高压开关电源技术己取得了很大的进步,但同国外相比还有 很大的差距,特别是大功率高压开关电源技术仍处在研发之中。1.4x光管介绍X射线的发生主要是应用x光管。中小型x光管,功耗较低,采用自然 冷却的方式,管体的尺寸小,使用寿命长。工作时在钨丝两端加上灯丝电压 加热使其发射热电子,再通过x光管阴极、阳极间的高压使其加速成为高速 电子。当它轰击阳极时,会激发出x射线。要使钨丝中的电子能够克服金属表面

21、势垒的吸引而逸出,必须获得一定 的能量用来做逸出功。若不考虑外加电场,发射的电子流密度与金属温度的关系如下:一“L,o=Ar28百 (11 其中:一=删oe。“60啪一芷。,D为平均透射系数,A为常数 120.4(彳绷足.2,邑为r=O时的逸出功,足为常数、丁为绝对温度。 可见金属的热电子发射电流密度与温度丁和逸出功E。是指数关系。 考虑到外加电场,则:ln以:ln挈睦罐 (1_2。di其中:圪为阳极电压,d为阴、阳极间距离(cm。由于阴阳极材料不同,%、k分别为阴极、阳极的逸出功, %一=兰生翌表示接触电位差。平均发射一个热电子所需要的能量为:E。:EM+2尼71(13 若热阴极发射电流为J

22、。,则维持其稳定发射的功率为:尸:!:皇! (卜4 由于在钨丝两端加上灯丝电压,钨丝流过电流产生发热,导致温度上升, 4哈尔滨工程大学硕士学位论文根据能量守恒定律有Q=矽,即:坐:生:坐:垦 (15 R B其中:【,钨丝两端的电压,。=J。s+图1.4x射线管供电示意图综合以上各式可以求出电子流与阴极高压及灯丝电压的关系式。然而,实际上我们无法确切知道x光管的某些参数,还有存在其它的物 理变化,因此,很难在定量上确定它们之间的关系式。从定性上分析它们之 间近似为指数关系。由于x射线管的特性,要求高压电源的输出稳定性好,大范围连续可调, 转换效率高。1.5论文的主要工作本论文研究工作主要是结合与

23、地方企业合作的科研项目高压直流电源 进行的。主要内容是研制用于x射线发生的高压开关电源,电源性能指标如 下:(1输入Ac220V,输出:高压回路DC530KV,330mA,灯丝回路:AClOV,O4A;(2室温环境下能够24小时连续工作;(3具有输出过压、过流保护;(4在输入电压波动10%的情况下,输出电压稳定度不劣于0.1%;(5输出电压纹波不大于O.1%。针对技术指标要求,论文将主要针对以下几个方面的工作进行深入研究 5哈尔滨工程大学硕士学位论文和设计:(1选择并设计系统主电路:设计主电路的结构形式,并对主要参数进 行计算;(2设计高压变压器;(3设计控制电路:(4系统调试。论文的结构如下

24、:第一章为综述,简单说明高压直流电源基本情况,介 绍国内外研究现状,阐述本论文工作的重点:第二章主要将介绍系统主电路 的设计;第三章介绍高压变压器的设计;第四章介绍系统控制电路的设计; 第五章为系统调试。最后,论文进行总结,并对将来的研究工作进行展望。堕堡堡三堡奎兰堡主堂篁丝壅第2章主电路结构设计本章的主要目的是研究常用开关电源主回路结构,提出自己的结构形式, 并对其中关键参数进行计算。2.1主电路结构介绍由于主电路形式直接关系到电源的重要性能指标,论文设计要求的性能 指标又较高,因此,要对各种结构加以比较分析。2.1.1正激电路31图2.1正激电路的原理图正激电路原理圈如图2.1所示。电路的

25、工作过程:开关S开通后,变压器绕组N1两端的电压为上正下负, 与其耦合的N2绕组两端的电压也是上正下负。因此VDl处于通态,VD2为断 态,电感L的电流逐渐增长;S关断后,电感L通过vD2续流,VDl关断。S 关断后变压器的激磁电流经N3绕组和VD3流回电源,所以s关断后承受的电 压为:r%=(1+导u, (21V2变压器的磁心复位:开关s开通后,变压器的激磁电流由零开始,随着 时间的增加而线性的增长,直到S关断。为防止变压器的激磁电感饱和,必 须设法使激磁电流在S关断后到下一次再开通的一段时间内降回零,这一过 程称为变压器的磁心复位。变压器的磁心复位时间为:7哈尔滨工程大学硕士学位论文 ,一

26、3,一一百m 输出电压在电感电流连续的情况下:吣等u (22 (23输出电感电流不连续时,输出电压将高于上式的计算值,并随负载减 小而升高,在负载为零的极限情况下,输出电压为:吣铷 (2-4 三口 口叫 图2.2正激电路的理想化波形J .o. 一0. 1 .r f 杉黝 1. 蕊汰沁 f f / 占 &BR Dfo fl f2图2.3磁心复位过程原理图 2.1.2反激电路嘲哈尔滨工程大学硕士学位论文反激电路如图2.4所示。反激电路中的变压器起着储能组件的作用,可以看作是一对相互耦合的 电感。电路的工作过程:S开通后,VD处于断态,Nl绕组的电流线性增长,电 感储能增加;S关断后,Nl绕组的电流

27、被切断,变压器中的磁场能量通过N2绕组和VD向输出端释放。S关断后的电压为:,%=u+导 (25图2.4反激电路原理图反激电路的工作模式:电流连续模式:当S开通时,N2绕组中的电流尚未下降到零。输出屯压关系:丝:丝立Uj N。T(26图2.5反激电路的理想化波形电流断续模式:s开通前,N2绕组中的电流已经下降到零。输出电压高 9窿哈尔滨工程大学硕士学位论文于式的计算值,并随负载减小而升高,在负载为零的极限情况下,砜呻。因 此,反激电路不应工作于负载开路状态。2.1.3半桥电路羽半桥变换器电路如图2.6所示Sl S2图2.6半桥电路原理图loII l l个图2.7半桥电路的理想化波形 f f U

28、 r U, f f r f哈尔滨工程大学硕士学位论文电路的工作过程:S1与s2交替导通,使变压器一次侧形成幅值为u,/2的交流电压。改变开关的占空比,就可咀改变二次侧整流电压%的平均值,也就改变了输出电压玑。Sl导通时,二极管VDl处于通态,S2导通时,二极管VD2处于通态,当 两个开关都关断时,变压器绕组N1中的电流为零,VDl和VD2都处于通态, 各分担一半的电流。Sl或S2导通时电感L的电流逐渐上升,两个开关都关 断时,电感L的电流逐渐下降。S1和S2断态时承受的最高电压为U.。由于电容的隔离作用,半桥电路对由于两个开关导通时间不对称而造成 的变压器一次侧电压的直流分量有自动平衡作用,因

29、此不容易发生变压器的 偏磁和直流磁饱和。当滤波电感L的电流连续时输出电压的计算:堡:丝垒(27U。l丁如果输出电感电流不连续,输出电压砜将高于上式的计算值,并随负载减小而升高,在负载为零的极限情况下,输出电压为:u.:丝丝(282.1.4全桥电路全桥电路如图2.8所示。Isls3VDl_-二:s3Z Zl+T C一+受 _L_蜥wlK2Z、VD4Is:s4场图2.8全桥电路原理图电路的工作过程:全桥逆变电路中,互为对角的两个开关同时导通,同11哈尔滨工程大学硕士学位论文一侧半桥上下两开关交替导通,使变压器一次侧形成幅值为u。的交流电压, 改变占空比就可以改变输出电压。当S1与S4开通后,二极管

30、VDl和VD4处于通态,电感L的电流逐渐上 升;s2与s3开通后,二极管VD2和VD3处于通态,电感L的电流也上升。当 4个开关都关断时,4个二极管都处于通态,各分担一半的电感电流,电感L 的电流逐渐下降。S1和S2断态时承受的最高电压为U.。如果s1、s4与S2、 s3的导通时间不对称,则交流电压巩中将含有赢流分量,会在变压器一次 侧产生很大的直流电流,造成磁路饱和,因此全桥电路应注意避免电压直流 分量的产生,也可以在一次侧回路串联一个电容,以阻断直流电流。一fonl I 一 丁 一二一 毛毛归.臼. 毛弋土L 七文匕3乏笠. oI b2“33泣二!竖L l 一 1l , q, ,哈尔滨工程

31、大学硕士学位论文坠:丝堡 (29 u, 12输出电感电流断续时,输出电压“将高于上式计算值,并随负载减小而 升高,在负载为零的极限情况下,输出电压:Uo=等u (2-102.1.5推挽电路推挽电路如图2.10所示。S2图2.10推挽电路原理图电路的工作过程:推挽电路中两个开关s1和s2交替导通,在绕组N1和N1两端分别形成相位相反的交流电压,改变占空比就可以改变输出电压。 s1导通时,二极管VDl处于通态,电感L的电流逐渐上升。s2导通时, 二极管vD2处于通态,电感L的电流也逐渐上升。当两个开关都关断时,VDl 和vD2都处于通态,各分担一半的电流。S1和S2断态时承受的峰值电压均 为2倍U

32、。s1和S2同时导通,相当于变压器一次侧绕组短路,因此应避免 两个开关同时导通。当滤波电感L电流连续时,输出电压:堡:堕坠 (211 u. 1丁当输出电感电流不连续时,输出电压U0将高于上式的计算值,并随负载 减小而升高,在负载为零的极限情况下,输出电压:S】 S2 哈尔滨工程大学硕士学位论文吣等u (2-12一。l 1.1I印图2.1l推挽电路的理想化波形 下面对各种不同电路进行比较如下表:表2.1各种电路比较 f f 2Uf 2Uf电路 优点 缺点 功率范围 应用领域 电路较简单,成变压器单向激 几百瓦各种中、小功率电 正激 本低,可靠性高,驱动电路简单磁,利用率低 几千瓦 源电路简单,成

33、本 适合小功率,变 小功率电子设备、反激 很低,可靠性高, 压器单向激磁, 几瓦几计算机设各、消费 十瓦驱动电路简单 利用率低 电子设备电源。 14哈尔滨工程大学硕士学位论文 结构复杂,成本变压器双向激 高,有直通问大功率工业用电全桥 磁,容易达到大题,可靠性低, 几百瓦 需要复杂的多 几百千瓦 源、焊接电源、电功率 解电源等组隔离驱动电路变压器双向激有直通问题,可磁,没有变压器 几百瓦各种工业用电源, 半桥 靠性低,需要隔偏磁问题,开关 十几千瓦 计算机电源等较少,成本低离驱动电路变压器双向激磁,变压器一次侧电流回路中 几百瓦推挽 有偏磁问题 低输入电压的电源 只有一个开关, 十几千瓦通态损

34、耗较小,驱动简单综合以上各电路特点,结合此次设计的要求,决定选用半桥式变换器作 为高压回路和灯丝回路的主变换器。半桥式变换器是目前应用较多的变换器 形式,它所适用的功率范围满足设计要求,电路结构较为简单。功率开关组 件较少。至于存在的上下开关直通问题,通常可以选择合适的PwM控制芯片 和通过设置死区时间来解决。在功率器件的隔离驱动问题上,由于电力电子 技术的完善和成熟,隔离驱动已经成为大功率器件必不可少的控制方式,因 此不构成不利因素。由于技术指标中要求输出电压大范围可调并且对纹波和稳压精度的要求 较高,为了达到要求并获得好的效果,在半桥电路之前加入直流降压斩波电 路。电路如图2.12所示。灯

35、丝加热回路采用与高压回路相同的结构,这样可以简化控制电路,缩 短设计周期,节省调试时间,并方便日后维护。哈尔滨工程大学硕士学位论文ACI辽。:斗0麓融厂 牛 c1自T1。 时雕1辛 B1图2.12主电路结构图高压整流电路大多采用倍压整流电路,论文设计采用的高压倍压整流电 路如图2.13所示。其中D91、D92为高压硅堆,选用耐压5KV,最大电流 100mA,导通压降约为2V;cgl、c醇为2uF高压电容R91、R92为用于 电压反馈的分压电阻,阻值分别为100M和33K;Rjl为电流采样电阻,主 要用于仪表显示;Rb为保护电阻,防止输出短路,参数为27K,150w。图2.13高压倍压整流电路主

36、电路结构确定以后,根据技术要求要分别对功率元件、电感、电容等 重要器件进行选型和参数计算。2.2功率开关元件设计2.2.1功率开关元件选择丌关电源中的功率开关元件主要是功率晶体管、功率MOSFET、功率 IGBT。由于功率晶体管在开关过程中损耗高,而功率MOSFET、功率IGBT 随着制造工艺的不断改进,性能越来越好,因此,在应用领域功率MOSFET、哈尔滨工程大学硕士学位论文功率IGBT占据着主流地位。功率IGBT是在功率MOSFET的漏极侧追加一层P+得到的。众所周知, 功率MOSFET在ON状态时成为单一的N型半导体,漏极与源极间的电阻 与N基极的厚度有关。随着该厚度的增加,MOSFET

37、难以大容量化。IGBT 在加上尸+层的同时,N基极厚度也减小了,从而减小了通态电阻。另外,通 过在栅极上施加大于阈值电压的正偏压,使P型硅表面形成强反应层,相应 地也降低了沟道内阻。因此,IGBT的饱和压降比MOSFET低。IGBT的N+缓冲层比MOsFET加厚,并采用了杂质浓度最优化,有效地 抑制了注入到P基极的过剩空穴,是积聚的载流子空穴寿命受限,以加快其 消失过程,从而提高了IGBT的开关速度。IGBT相当于一个MOsFET与一 个PNPN四层的晶闸管相并联。为了避免发生晶闸管的栓锁(LatchUD现象,工艺上应尽量减小IGBT 的等效电阻值,并通过上述加厚+缓冲层和杂质浓度的最优化及载

38、流子寿命 受限等措施使得PNP晶体管的。得到控制。可以把IGBT看成是以双极晶 体管为主导组件,以MOSFET为驱动组件的达林顿结构器件。在功率转换应用中,MOSFET的导通损耗与开关损耗之比约为3:1,相 比之下IGBT的导通损耗与开关损耗之比约为1:40。MOSFET较高的导通 损耗是由较高的通态电阻引起的,而IGBT较高的开关损耗是由关断时的电 流拖尾产生的。有趣的是IGBT的总损耗,接近或者小于它要取代的功率 MOSFET的总损耗。目前在国内,在开关频率满足要求的前提下,耐压高的 IGBT比MOSFET更容易找到,因此,论文设计选用IGBT作为功率开关元 件,开关频率定为lOKHz。2

39、.2.2lGBT特性n儿伽IGBT的各项特性如下:(1静态特性IGBT的静态特性包括伏安特性、转移特性、通态特性及断态特性。如图 2.14、图2.15所示。IGBT的伏安特性是指以栅射电压K。为参变量时,集电极电流和集射极 电压间的关系曲线。输出集电极电流t受栅射电压圪。的控制,越高,厶 17哈尔滨工程大学硕士学位论文越大。图2.14IGBT的伏安特性IGBT的转移特性是指输出集电极电流t与栅极控制之间的关系曲 线。当栅射极电压p岛小于开启电压(。时,IGBT处于关断状态。在IGBT 导通后的大部分漏极电流范围内,与呈线性关系。最高栅射电压受最 大集电极电流限制,其最佳值一般取为15V左右。”

40、 , %E m5图2.15转移特性与开关特性IGBT处于通态时,由于它的PNP晶体管为宽基区晶体管,所以其卢值 极低。尽管等效电路为达林顿结构,但流过MOsFET的电流成为IGBT总电 流的主要部分。(2动态特性IGBT在开通过程中,大部分时间是作为MOsFET来运行的,只是在集哈尔滨工程大学硕士学位论文射电压琢,下降过程后期,PNP晶体管由放大区至饱和区,又增加了一段延 缓时间,使集射极电压波形变为两段。因为MOsFET关断后,PNP晶体管中 的存储电荷难以迅速消除,造成集电极电流较长的尾部时间。IGBT的击穿电 压于通态压降和关断时间也是十分矛盾的参数。高压器件的N基区必须有足 够的宽度和

41、较高的电阻率,这会引起通态压降怎大和关断时间的延长。1200v 的器件不容易做到关断时间瓦,1s(3擎住效应IGBT为四层机构,使体内存在一个寄生晶闸管,在NPN晶体管的基极 与发射极之间存在一个体区短路电阻R,在此电阻上,P型体区的横向空穴 流会产生一定压降,在规定的集电极电流范围内,这个正偏置电压不大,NPN 晶体管不会导通。当L大到一定程度时,该正偏置电压足以使NPN晶体管 开通,进而使NPN和PNP晶体管处于饱和状态。于是寄生晶闸管开通,栅 极失去控制作用,这就是所谓的擎住效应。IGBT发生擎住效应后,集电极电 流增大,造成过高的功耗,导致器件损坏。温度升高也会加重IGBT发生擎住现象

42、的危险。使IGBT发生自锁的集 电极电流在常温(25下一般是额定电流的6倍以上,但温度升高后, 会严重下降。当温度由常温(25上升到150时,擎住电流下降了一半。主 要原因是IGBT体内的NPN和PNP晶体管的放大系数都会随温度的上升而 增大,而体区电阻R随温度升高而增大,也是自锁条件形成的一个因素。 (4安全工作区IGBT开通时的正偏置安全工作区(FBsOA,由电流、电压和功耗三条编 辑极限包围而成。最大集电极电流b是根据避免动态擎住而确定的;最大集射极电压K。 是由IGBT中PNP晶体管的击穿电压所确定;最大功耗择优最高允许结温所 决定。导通时间长、因而安全工作区变窄如下图所示。正像偏置安

43、全工作区 (FBSOA是IGBT在开通工作状态下的参数极限范围。FBSOA有导通脉宽 Pw=1ms时的最大集电极电流%(一般为额定直流的2倍最大集射极间电 压K。和最大功耗三条边界线包围而成。IGBT的反向偏置安全工作区 (RBSOA如上图。它随IGBT关断时的再加d诈。Mf而改变,dK,。/df越高, RBSOA越窄。反向偏置安全工作区是IGBT在关断工作状态下的参数极限范 19哈尔滨工程大学硕士学位论文围。RBsOA是由最大集电极电流,cP、最大集射极间电压%。和电压上升率 dMf三条极限边界线围成的。如前所述过高的d/d r会使IGBT产生 动态擎住效应。d p&/d r越大,RBsOA

44、越小。50图2.16正偏置安全工作区FBSOA1000图2.17反向偏置安全工作区RBsoA(5栅极特性IGBT的栅极通过一层氧化膜与射极实现电隔离。由于此氧化层很薄,其 击穿电压一般只能达20v到30V,因此栅极击穿是IGBT失效的常见原因。哈尔滨工程大学硕士学位论文在应用中,有时虽然保证了栅极驱动电压没有超过栅极最大额定电压,但栅 极连线的寄生电感和栅-集极问的电容耦合,也会产生使氧化层损坏的振荡电 压。为此,通常采用绞线来传送驱动信号,以减小电感。在栅极连线中,串 联小阻值电阻或小磁环也可以抑制不希望的振荡电压。在栅.射和栅.集极间 存在着电容cG。和c&,在它的射极回路中存在着漏电感k

45、,由于这些分布 参数的影响,使得IGBT的驱动波形与理想驱动波形产生了较大的变化,并 产生不利于IGBT开通和关断的因素。栅极串联电阻以的大小必须根据实际 电路折衷考虑,选择合适的阻值。IGBT的栅极串联电阻通常采用表2.1所推 荐的值,如工作频率较低,可采用前一档电阻值较大的值。图2.18具有寄生晶闸管的IGBT等效图表2.1IGBT推荐的栅极串联电阻值额定电 600V 50100150200300400600800流/A 1200V 255075lOO 150200300400 R cQ 512515128.25.13.32.22.2.3高压回路lGBT参数选择从应用角度来说,对IGBT最

46、关心的参数是集电极-发射极额定电压U。、 集电极额定电流,。、栅极一发射极额定电压U。、集电极一发射极饱和电压哈尔滨工程大学硕士学位论文U。、开通时间和关断时间。其中最主要的是集电极一发射极额定电压U。和 集电极额定电流L,这两个参数确定以后可以通过查找相关厂家技术资料, 选择其它参数合适的组件。(1确定电压额定值u。由主回路电路图可知,各IGBT承受的最大电压为整流桥的输出电压, IGBT的输入端与电力电容相联,大的滤波电容起到了缓冲波动和减少干扰的 作用,因此,安全系数不必取得很大。本设计电网电压为220v,平波后的直 流电压由(2一13确定,式中1.1为波动系数,一般取安全系数cc=1.

47、1。 日_220压1.1萨377V (2一13 关断时的峰值电压按(2一14计算。U=(3771.1+150值=621V (214 式中,1.1为过电压保护系数:旺为安全系数,般取l-1;150为由Ldi/dt 引起的尖峰电压。对于普通的开关电源可以选择U。=600v的IGBT,对于高压电源,为 了提高整体的可靠性,采取并向上靠拢IGBT电压等级,取C,c。=1200V。 (2确定电流额定值L此次设计的高压电源负载的最大功率为:只=300000.03=900 设电源的最低转换效率为O.7,交流输入电压为220v,电源的整流系数 为1.2,流过低压侧IGBT的电流约为:,=900/(O.7220

48、1.2=4.9爿 (215 七=Ji1.51.4=14.6一 (216 式中,2为,波动的最大值:1.5为允许1分钟过载容量:1.4为t减小 系数。因为IGBT器件手册上给出的L是在结温t=25条件下,在实际工作 时,由于热损耗,r总要升高,实际允许值将下降(1,1.470%。综合考虑各方面因素,根据lGBT的等级,实取50A,即501200V。 横向比较各厂家产品资料,综合各方砸信息,最后选定使用德国西门康 的IGBT,型号为:S蹦50GBl23其它各项参数为:栅极.发射极额定电压己,。:+15V,一5V集电极一发射极饱和电压U。:2.5V22堕堑遗三里奎堂堡主兰壁笙壅开通时间和关断时间:1

49、30ns;445ns图2.19SKM50GBl23型IGBT外形和内部结构图2.2.4吸收电路在IGBT快速关断过程中,线路中由于配线等原因产生的电感中积蓄能 量的释放和辅助回路中续流二极管反向恢复而产生很高的浪涌电压,在电路 中必须采取措施抑制或减小浪涌电压的幅值。常用的办法是加缓冲吸收电路。 缓冲吸收电路有多种形式,对于不同的线路电压,频率和IGBT容量应选用 不同的形式。对于此设计的主电路,选用在直流母线上并联0.22uF无感电容 的方式。2.3电感、电容的计算主回电路中的电感具有非常重要的作用,它起着减小电流上升率,平滑 直流回路电流的重要作用。从理论角度讲,电感值越大越好,但这会给使

50、用 带来很大的不方便,因此,为了使电感值不大,而又达到预期的效果,必须 对电感值加以计算。对于本设计。设定:当母线电压为240V时,高压侧输出30KV,则可以 推算出,直流母线的电压变化范围为:40V240V,为保证后级输出谐波电压 不大于O.1%,此处谐波电压取小于O.05%。电网电压整流后的变化范围约为 270V340V。使电流连续的电感临界值:上,:燮:业 (217。2厶 2,o其中:f。,开关管在一个周期中的关断时间(s 21哈尔滨工程大学硕士学位论文U输出电压(V:咒开关工作频率的倒数;D,占空比的补数,即(1一D。,8为占空比取输出电压最低,电流最小时的情况(此时电流最不容易连续L

51、.:塑!二型!:!:!坚:2.82聊H。20.625选取电感量为I临界连续电感量的1.5倍,则上=1.50=4.2材Z电容应为c=酱=罢篱等战s取计算电容值的2倍作为选用值,C=1050,。在实际电路中,电感值为工=4.2mH,电容取两只C=2200,/250y的 电容串联。2.4主回路仿真为了验证主回路结构设计的可行性,对设计进行仿真验证。应用 MAll。AB中的S“uLINK对主回路仿真的系统结构如图2.20。图2.20系统仿真结构图系统负载为纯电阻负载,半桥功率管的占空比为O35,系统为闭环方式。 仿真结果如图所示:哈尔滨工程大学硕士学位论文100 50 0 -50 1001.5105.

52、0.5.1_邗_邗_ 翎:02974旺羽75n29760羽77O.硼 0297902孵 n2981s 图2.2l半桥上二个IGBT驱动信号波形 由 一 坩 黼 _- 一 冉 舟 J。 V V V V 可 V 弭05嘟 n705075n5噙 05呻5s 图2.22高压变压器原边电压波形图2.23高压变压器副边电压波形S哈尔滨工程大学硕士学位论文35 3 25 2 15 1 n5 0 x10v八f r. /f3 2.9995 2蚂9 2鲫衢4H10v02n3n4050.607 s图2.24高压整流输出波形(3mAr卵 ,删. 删. .删 ij删 I删. .j054180542n飘220542405

53、4260-54掬s 图2.25高压整流输出纹波(负载3mA图2.26高压整流输出纹波(负载30mA哈尔滨工程大学硕士学位论文从仿真结果来看,IGBT的驱动信号死区明显,可有效防止直通;由变 压器原副边波形来看,输出正常,变压器无偏磁和梯度饱和问题;由高压整 流的电压波形可以看出,电压建立时间较快,在轻载和负载时电压的幅值和 纹波均满足要求。由此证明,主回路设计方案可以满足设计要求。2.5本章小结本章首先在充分论证了常用开关电源的主回路结构优缺点和适用功率范 围的基础上,根据性能指标要求,提出了一种降压斩波与半桥变换器相结合 的结构形式。然后对主电路中所用开关元件进行了比较、选择、参数计算; 对

54、电路中的电感和电容等进行了参数设计。最后,通过电路仿真,验证了设 计的正确性。27哈尔滨工程大学硕士学位论文第3章高压变压器设计高压变压器是电源的核心器件之一,主要作用有:磁能转换、电压变换 和绝缘隔离。在开关管的开关作用下,直流电转换为方波施加于开关电源变 压器上,经变压器的电磁转换,将输入功率传递到负载,输出所需的电压。 由于变压器频率高,它的体积和熏量比工频变压器小得多,但它分布参数的 影响变得更大。变压器性能的好坏不仅影响变压器自身发热和效率,而且还 会影响到开关电源的技术性能和可靠性,所以在设计制作时,对磁芯材料的 选择,磁芯与线圈的结构,绕制工艺等都要周密考虑。3。1高压变压器的分

55、布参数开关电源变压器工作在高频状态,分布参数不能忽略,这些分布参数有 漏感、分布电容、电流在导体中流动的趋肤效应。一般根据开关电源电路的 要求提出漏感和分布电容限定值,在变压器的线圈结构中实现,而趋肤效应 影响则作为选择导线规格的条件之一。C1Lm,上|一77州一 Cp二二。一臀一 丫 一。L 丌 L 一 、 一哈尔滨工程大学硕士学位论文变压器的漏感主要为励磁电感Lm、原边漏感Ll、副边漏感L2,如图2.1所示。其中励磁电感Lm很大,并且与原边绕组并联,因此可以忽略。副边的 漏感L2折合到原边,和原边的漏感L1的和为变压器的等效漏感Ls。变压器 中的分布电容主要是:原副边绕组之间电容Cl;原副

56、边绕组各层之间电容C2、 C3;原、副边各匝间及对铁芯或屏蔽层的电容C4、C5。在各分布电容中,C4、 C5较其它分布电容都小,可以忽略;C1、C2、C3的容值大约为10一100pF, 而C3折合到原边后则比C1和C2大得多,因此C1和C2可以忽略。在各分布 是容中c3起着主导作用,将其折合到原边用cp表示。因此得到简化后的变 压器的等效电路图,如图2.4所示,它由等效漏感Ls,等效电容Cp和理想 变压器组成。开关变压器传递的是高频方波电压,在瞬变过程中,漏感和分布电容会 引起浪涌电流和尖峰电压及脉冲顶部震荡,造成损耗增加,严重会造成开关 管损坏,因此应加以控制。普通的开关电源设计主要考虑漏感的影响,在高 压开关电源中,由于副边匝数多,层数多,分布电容的影响尤为突出,因此, 应重点考虑分布电容。以图2.3的变压器为例,若高压边等效分布电容为100pF,折合到原边 的电容量约为1uF,若工作频率为50Hz时,容抗为3.2千欧。若频率为10kHz, 则原边容抗为16欧姆。工作在