低温等离子体织物表面改性电源的设计

桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第1页 共34页编号：毕业设计(论文)说明书题 目：低温等离子体织物表面改性电源的设计摘 要低温等离子电源体是靠气体辉光放电产生的电离气体，形成低温气体等离子体的方法有很多，常用的方法有直接辉光放电、射频放电、微波辉光放电等。低温等离子体织物表面改性的机理可粗略认为：在低温等离子体反应室内，低压工作气体中的电子在电场加速作用下，由于电子碰撞及派生离子、原子的碰撞使气体电离，从而产生的低温等离子体。低温等离子体中粒子的能量一般约为几个至几十电子伏特，大于聚合物材料的结合键能(几个至十几电子伏特)，完全可以破裂有机大分子的化学键而形成新键；但它的能量又远低于高能放射性射线，只涉及材料表面，不影响基体的性能。所以处于非热力学平衡状态下的低温等离子体中，电子具有较高的能量，可以断裂材料表面分子的化学键，提高粒子的化学反应活性(大于热等离子体)，而中性粒子的温度接近室温，这些优点为热敏性高分子聚合物表面改性提供了适宜的条件。本课题重点在于设计一个低温等离子体电源，它主要由整流滤波电路，全桥逆变电路，升压变压器，PWM控制电路以及驱动保护电路组成，其输出峰值电压为5-30kV连续可调，峰值电流为1-5A，频率为5-20kHz连续可调。本论文对于该电源的设计做了详细的介绍，同时进行了相关的仿真，基本完成了符合要求的低温等离子体电源设计。桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第2页 共34页关键词：等离子体；整流电路； PWM控制；全桥逆变AbstractByenoughelectronsimpactontheneutralgasatoms/molecules,theseneutralgaswillbedecomposedtolow-temperatureplasmaphenomenon.Therearemanymethodstobringthelow-temperatureplasma.Themethodsincommonusearedirectlydischarge、radio-frequencydischargeandmicro-wavedischargeect.Themechanismofmodificationtothepropertiesoftheplasmasurfacebylow-temperatureplasmacanberoughlythat:withinthereactionchamberoflow-temperatureplasma,undertheacceleratingoftheelectricfield,byemployingthelow-pressure,electronscollisionswithelectronsandderiveionsoratoms,generatingthelow-temperatureplasma.Theparticle'senergyinlowtemperatureplasmaisgenerallyaboutseveraltoseveraltensofelectronvolts,bondgreaterthanthepolymermaterialofthebondenergy(afewtoadozenelectronvolts),canbreakthechemicalbondsoforganicmacromoleculesformednewkey;butwellbelowthehigh-energyradioactiverays,involvesonlythesurface,doesnotaffecttheperformanceofthematrix.Lowtemperatureplasmainthenon-thermodynamicequilibriumstate,theelectronhashigherenergy,canfracturechemicalbondsofsurfacemoleculestoenhancethechemicalreactivityofparticles(greaterthanthethermalplasma),andtheneutral桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第3页 共34页particletemperatureclosetoroomtemperature,thesurfacemodificationoftheseadvantagesforheat-sensitivepolymerstoprovidetheappropriateconditions.Thistopicfocusesonthedesignofalowtemperatureplasmapower,whichismainlycomposedbytherectifierandfiltercircuit,thefull-bridgeinvertercircuit,thestep-uptransformerandthePWMcontrolcircuitanddriveprotectioncircuit,theoutputpeakvoltageiscontinuouslyadjustablein5-30kV,theoutputpeakcurrentis1-5A,thefrequencyof5-20kHzcontinuouslyadjustable.Thisthesisisthedesignofthepowermadeadetailedintroductiontothesimulation,thebasiccompletionofthelowtemperatureplasmapowersupplydesigntomeettherequirements.Keywords: plasma；rectifier；circuitPWM；controlfull-bridgeinverter目 录绪论····································································································51.1课题研究背景···························································································51.2低温等离子体织物表面改性应用进展···························································51.3课题研究内容和目标·················································································71.4论文内容·································································································72等离子体基本理论·················································································72.1等离子体概念···························································································72.2低温等离子体基本概念和分类····································································82.3低温等离子体产生方法··············································································82.4低温等离子体电源介绍··············································································9电源电路设计························································································103.1工作原理概述··························································································103.2 整流滤波电路··························································································113.2.1基本原理······························································································123.2.2主要数量关系·······················································································14桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第4页 共34页3.2.3 滤波电路的软启动················································································143.3 逆波电路································································································153.3.1全桥逆波电路······················································································153.3.2开关器件的选取···················································································163.3.3本设计中的逆变电路·············································································163.4PWM控制电路·························································································183.4.1PWM控制技术及其原理···········································································183.4.2本设计中的PWM控制·············································································193.4.3三角波的产生电路················································································213.5 栅极驱动电路 ························································································223.5.1IGBT栅极驱动电路设计原则···································································223.5.2TLP250介绍·························································································223.5.3本设计中的驱动电路·············································································233.6 高频高压变压器的设计·············································································243.6.1变压器的性能指标················································································243.6.2主要参数的确定···················································································26总结····································································································26谢辞···········································································································27参考文献····································································································28附录···········································································································29桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第5页 共34页绪论1.1课题研究的背景低温等离子体技术因其具有安全，快捷和高效率等优点而在国内外被广泛研究。从60年代初的空间等离子体研究到 80年代和90年代以材料为导向研究的转变，高速发展的环境科学、能源材料科学等为低温等离子体技术的发展带来了新的机遇和挑战。目前，低温等离子体技术已经是一个具有全球影响的重要的科学与工程，其对高科技经济的发展及传统工业的改造有着巨大的影响。 例如，1995年全球微电子工业的销售额达1400亿美元，而三分之一微电子器件设备采用等离子体技术。塑料包装材料百分之九十都要经过低温等离子体的表面处理和改性。科学家预测：二十一世纪低温等离子桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第6页 共34页体科学与技术将会产生突破。据估计，低温等离子体技术在半导体工业、聚合物薄膜、材料防腐蚀、等离子体电子学、等离子体合成、等离子体冶金、等离子体煤化工、等离子体三废处理等领域的潜在市场每年将达一千几百亿美元。同时，等离子体辅助加工被用来制造特种优良性能的新材料、研制新的化学物质和化学过程，加工、改造和精制材料及其表面，具有极其广泛的工业应用 --从薄膜沉积、等离子体聚合、微电路制造到焊接、工具硬化、超微粉的合成、等离子体喷涂、等离子体冶金、等离子体化工、微波源。等离子体辅助加工已开辟的和潜在的应用领域包括：半导体集成电路及其它微电子设备的制造，工具、模具及工程金属的硬化，药品的生物相溶性包装材料的制备，表面防蚀及其它薄层的沉积，特殊陶瓷（包括超导材料） ，新的化学物质及材料的制造，金属的提炼，聚合物薄膜的印刷和制备，有害废物的处理，焊接，磁记录材料和光学波导材料，精细加工，照明及显示等。1.2低温等离子体织物表面改性的应用进展随着人类信息时代的发展和各国在高科技领域内的激烈竞争， 低温等离子体技术渐渐在一些方面取代了传统的加工工艺。低温等离子体技术具有工艺简单、操作方便、加工速度快、处理效果好、环境污染小、节能等优点，而其在表面改性中广泛的应用主要分三种：表面处理通过低温等离子体表面处理，材料表面发生多种的物理、化学变化，或产生刻蚀而粗糙，或形成致密的交联层，或引入含氧极性基团，使亲水性、粘结性、可染色性、生物相容性及电性能分别得到改善。用几种常用的等离子体对硅橡胶进行表面处理，结果表明N2、Ar、O2、CH4-O2及Ar-CH4-O2等离子体均能改善硅橡胶的亲水性，其中CH4-O2和Ar-CH4-O2的效果更佳，且不随时间发生退化。英国派克制笔公司将等离子体技术用于控制墨水流量塑料元件的改性工艺中，提高了塑料的润湿率。塑料、橡胶、纤维等高分子材料在成形过程中加入的增塑剂、引发剂及残留单体和降解物等低分子物质很容易析出而汇集于材料表面，形成无定形层，使润湿性等性能变差。尤其对医用材料，低分子物渗出会影响到生物机体的正常功能。低温等离子体技术可在高分子材料表面形成交联层，成为低分子物渗出的屏障。2.表面聚合大多数有机物气体在低温等离子体作用下， 聚合并沉积在固体表面形成连续、均匀、无针孔的超薄膜，可用作材料的防护层、绝缘层、气体和液体分离膜以及激光光导向膜等，应用于光学、电子学、医学等许多领域。以聚甲基丙烯酸甲酯或聚碳酸酯塑料均可制成价廉且易于加工的光学透镜，但其表面硬度太低，易产生划痕。采用有机氟或有机硅单体，采用低温等离子体聚合技术在透镜表面沉积出 10nm的薄层，可改善其抗划痕性和反射指数。国外还有等离子体化学气相沉积技术应用于塑料窗用玻璃、汽车百叶窗桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第7页 共34页和氖灯、卤天灯的反光镜的报道。等离子体聚合膜具有多种性能，可使同样的基材应用于很多领域。在金属和塑料上涂类金刚石碳耐磨涂料的化学气相沉积技术是把含碳气体导入等离子体中，该涂层耐化学药品、无针孔、不渗透，能防止各种化学药品侵蚀基材。同样还可将减摩涂料涂于挡风玻璃雨刮器上，或将低摩涂层涂于计算机磁盘上以降低磁头磁撞。等离子聚乙烯膜沉积于硅橡胶表面后，硅橡胶对氧气的透过系数明显降低。由含氮单体制备反渗透膜，最高可阻出98%的食盐。生物体内的缓释药物一般采用高分子微囊，亦可采用等离子体聚合技术在微囊表面形成反渗透膜层。等离子体聚合物膜在传感元件上的应用研究表明，放电功率等因素对膜电阻值有较大影响。用各种乙烯基单体和Ar辉光放电处理织物，其疏水性及染色性能在极短时间里便有改善。3.表面接枝以等离子体接枝聚合进行材料表面改性，接枝层同表面分子以共价键结合，可获得优良、耐久的改性效果。美国曾将聚酯纤维进行辉光放电等离子体处理与丙烯酸接枝聚合，改性后纤维吸水性大幅度提高，同时抗静电性能也有改善。白敏冬等用 Ar等离子体处理尼龙绸表面，引入丙烯酸，接枝聚合使尼龙绸抗静电性增强。低温等离子体接枝改性毛织物原料及成品，可改善毛绒表面性能、增强着色性、软化织物、降低缩水率，且毛织物本体不受影响。涤纶纤维坚固耐穿，但其结构紧密、吸水性差、难染色，用低温氮等离子体引发丙烯酰胺对涤纶织物进行接枝改性，接枝后涤纶织物的上染百分率、染色深度及亲水性都有明显提高。低温等离子体对医用材料表面处理，可引入氨基、羰基等基团，生物活性物质与这些基团接枝反应可固定于材料表面。用等离子体处理聚丙烯膜，引入氨基，再通过共价键接枝，固定上葡萄糖氧化酶，经测定，接枝率分别达52μg/cm2和34μg/cm2。1.3课题研究内容和目标学习了解低温等离子体相关知识以及其在织物表面改性处理的应用，掌握该等离子体电源的研制方法；建立用于织物表面改性的常压低温等离子体电源的数学模型，并分析其稳态和动态工作过程；绘制原理图，弱电部分PCB板图及强电部分连线图；制作可供演示的模拟样机，或用相应仿真软件进行仿真。1.4论文主要内容本文对低温等离子体技术作出简略介绍，重点在于设计一个可调压调频的低温等离子体电源，其中对整流滤波电路，全桥逆变电路，PWM控制电路，IGBT驱动保护电路,桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第8页 共34页高频高压变压器的选取做出了相关的分析和介绍。同时建立用于织物表面改性的常压低温等离子电源的数学模型，并分析了其稳态和动态工作过程，用相应仿真软件相关环节进行了仿真。低温等离子体基本理论2.1等离子体概念等离子体英文名称为 Plasma，这个词来自于希腊语，指能够成型的东西，在生物学上意味血浆、原形质。等离子体是分子、原子及其被电离后产生的正负电子组成的气体状物质，并表现出集体行为的一种准中性非凝聚系统，它是除固、液、气、三态外的第四态。自然界中很多物质都是以等离子体的状态存在的，例如闪电、南北极的极光、太阳及所有的恒星、星云等。我们在日常生活中见到的日光灯、霓虹灯在点燃时其中的气体也是等离子体。等离子体具有独特的物理、化学性质，其温度高，粒子动能大，具有类似金属的导电性能。它化学性质活泼，容易发生反应，具有发光特性等，因此等离子体具有广泛的应用范围。2.2.低温等离子体的基本概念及分类等离子体主要包括热平衡等离子体和非平衡等离子体(低温等离子体)，在热平衡等离子体中，电子的温度和其它粒子的温度基本相同，它们处于完全的热平衡状态。弧光放电是热平衡等离子体中的一种，它一般不能用于高分子材料的表面处理，它的高热会导致高分子材料的损坏。低温等离子体主要是由气体放电产生的，其中的电子温度一可达10K4以上，而离子和中性离子的温度却可低至300-500K。低温等离子中的电子有足够的能量使反应物分子激发、离解和电离，而整个的反应系统又可以处于低温状态，因此它在半导体刻蚀、材料表面改性、等离子体化学工程等领域具有重要的应用价值。2.3低温等离子体产生方法低温等离子体的产生方法很多，常见的有气体放电法和电子束照射法。气体放电法又包括电晕放电法、介质阻挡放电法、表面放电法、火花放电法、电弧放电法等。主要分为以下几种形式:辉光放电在密闭腔体中设置正负电极形成电场，用真空泵把容器抽到一定真空度，随着气体越来越稀薄，气体分子间距及分子或离子的自由运动距离也越来越长，受电场作用，它们发生碰撞而形成等离子体，这时容器内会产生辉光放电，放电电压因气体的种类、桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第9页 共34页气压的不同而有较大差异，辉光放电中有发光部分和暗区部分，各种气体的各个发光部分都有其独特的颜色。从阴极发射出来的电子，被在放电电压中占大部分的阴极位元降所加速，在阴极层达到相当于气体分子最大激发函数的能量。在阴极暗区，电子能量超过分子激发。此后电子能量降到很小，与离子再复合而发光变弱。电场慢慢增强，形成正柱区，此区内的场强一样，电子密度和离子密度相等。由于靠近电极的电子没有产生迁移速度，分子的电离不是由电场引起的电子的移动速度产生的，而是依赖于无秩序速度。在阳极附近，电子阳极吸引，离子被排斥而形成暗区。由于阳极的气体被加速了的电子所激发，阳极被阳极辉光覆盖。电晕放电电晕放电是使用曲率半径很小的电极，如针状电极或细线状电极，并在电极上加高电压，由于电极的曲率半径很小，而靠近电极区域的电场特别强，电子溢出阳极电子溢出阳极，发生非均匀放电，称为电晕放电。在放电时会产生臭氧、自由基、电子、紫外线等介质阻挡放电介质阻挡放电是将绝缘材料插入放电空间的一种气体放电形式，介质的插入可以防止放电空间形成局部火花或弧光放电，电极上的交流电压足够高时，电极间的气体在标准大气压下也会击穿，形成均匀稳定的放电。介质阻挡放电属于非平衡等离子体，电子温度为1^}lOeV，周围气体温度300K左右，比传统的电晕放电更易控制，均匀性更好。射频放电射频放电又称无电极放电，分为电容偶合式、电感偶合式。电容偶合式放电以高频电容电场来获得等离子体，电感偶合式放电以涡流电场来获得等离子体。微波放电微波放电是电磁控制管产生的微波经波导管和微波窗传入放电室，当放电室内的磁场强度使得电子的回旋频率和输入的微波频率，微波电子加速，促发等离子体。微波放电的电离度高，气体具有更高的活化程度，因而能在更低温度下获得和维持具有更高能量的等离子体。2.4低温等离子体电源介绍目前在等离子体的研究领域内对于等离子体生成的研究中， 大部分是介质阻挡放电的方式，与之相应的电源多采用的是高频高压电源。其电压幅值从几千伏到几十千伏，频率从1KHz到几百KHz的高频高压电源应用广泛。下面先对介质阻挡放电作相关介绍：介质阻挡放电（DBD）等离子体是一种低温非热平衡等离子体，不需要真空设备就能在较低的温度下，获得化学反应所需的活性粒子，介质阻挡放电能够在高气压和很宽的频率范围内工作，通常的工作气压为 104至106Pa，电源频率可从 50Hz至1MHz，其效率与电压的大小以及频率有直接的关系。目前国内对 DBD的研究正在逐步展开。桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸

第10页共34页典型的介质阻挡放电结构如1-1所示，其中结构a和b只有一个电极表面，被绝缘介质覆盖，特点是结构简单，它们常用于臭氧发生器和材料表面处理。结构c是绝缘介质直接插入放电空间的形式，它可以在绝缘介质两边同时生成两种成分不同的等离子体。结构d是两个电极表面都有绝缘介质覆盖的形式，它的特点是放电发生在两层介质之间，可以防止等离子体直接与金属接触，对于具有腐蚀性气体或高纯度等离子体，这种结构具有独特的优点。在电极间安插绝缘介质可以防止在放电空间形成局部火花和弧光放电，能够形成大气压下的稳定的气体放电。常用作绝缘介质的材料包括:玻璃、石英、陶瓷、橡胶等。因为有绝缘介质的存在，DBD外加的激励电压必须是交流或直流脉冲电压。典型的DBD操作条件见表1-1所示。图1-1典型介质阻挡放电的电极结构表1-2典型的DBD操作条件采用高频高压电源可避免直流电源抑制弧光放电速度较慢且不可靠的缺点， 同时避免直流电源中限流电阻对于电能的浪费，降低电子器件的耐压等级，从而降低成本。电源电路设计本章对电源设计的各部分如整流滤波电路，直流斩波电路，全桥逆变电路， PWM控制电路，IGBT驱动保护电路等的原理做了分析，给出了电源的设计方法。桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第11页共34页3.1工作原理概述因为本设计整流负载容量较大，并且要求直流电压脉动较小，所以采用三相整流电路，其交流侧由三相交流电源供电，大小为 380V。经桥式整流后，可得约 537V的直流电压，该电压经DC/DC直流升压斩波电路得到一个输出可调的直流电压，可变直流电压经DC/AC全桥逆变电路得到方波输出。该方波经高压高频变压器升压得到所需要的高压方波。输出电压的大小和频率通过控制电路的脉冲波控制 IGBT的关断来实现。其结构图如下图3.1：图3.1PWM控制结构框图3.2整流滤波电路整流电路是电力电子电路中出现最早的一种，它是将交流电转为直流电，应用十分广泛。整流电路的分类方法有很多种，主要分类方法为：按组成的器件可分为不可控、半控、全控三种；按交流输入相数分为单相电路和多相电路；按电路结构可分为桥式电路和零式电路；按变压器二次侧电流方向是单向或双向，可分为单拍和双拍电路。因为本设计中整流负载容量较大，并且要求直流电压脉动较小，所以采用三相整流电路，其交流侧由三相电源供电。三相整流电路分为可控和不可控两种，三相可控整流电路有三相半波可控整流电路，三相半控桥式整流电路，三相全控桥式整流电路。因为三相整流裝置三相是平衡的，输出的直流电压和电流脉动小，对电网影响小，且控制滞后時间短，采用三相全控桥式桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第12页共34页整流电路时，输出电压交变分量的最低频率是电网频率的6倍，交流分量与直流分量之比也较小，因此滤波器的电感量比同容量的单相或三相半波电路小得多。另外，晶闸管的额定电压值也较低。因此，这种电路适用于大功率变流装置；三相不可控整流就是把全控整流电路中的晶闸管用整流二极管代替，主要由于近年来，在交—直—交变频器、不间断电源、开关电源等应用场合中大都采用不可控整流电路经电容滤波后直接提供的直流电源供后级（逆变器、斩波器等）使用，这类电路也称为二极管整流电路，本设计中采用后者。3.2.1基本原理该电路中，当某一对二极管导通时，输出直流电压等于交流侧线电压中最大的一个，该线电压既向电容供电，也向负载供电。当没有二极管导通时，由电容向负载放电， ud按指数规律下降。设二极管在距线电压过零点

δ角处开始导通，并以二极管

VD6

和

VD1

开始导通的时刻为时间零点，则线电压为：

uab=U2sin(

ωτ＋δ)而相电压为

ua=U2sin(

ωτ＋δ－π/6)在ωt=0时，二极管VD6和VD1开始同时导通，直流侧电压等于 uab；下一次同时导通的一对管子是 VD1和VD2，直流侧电压等于 uac。这两段导通过程之间的交替有两种情况，一种是在 VD1和VD2同时导通之前VD6和VD1是关断的，交流侧向直流侧的充电电流id是断续的，如图1所示，另一种是VD1一直导通，交替时由 VD6导通换相至VD2导通，id是连续的。介于二者之间的临界情况是，VD6和VD1同时导通的阶段与VD1和VD2在ωt＋δ＝2π/3处恰好衔接了起来，id恰好连续。由前面所述“电压下降速度相等”的原则，可以确定临界条件。假设在ωt＋δ＝2π/3的时刻“速度相等”恰好发生，则有可得：WRC3这就是临界条件。WRC3和WRC3分别是电流id断续和连续的条件。图2给出了ωRC等于和小于3时的电流波形。对一个确定的装置来讲，通常只有R是可变的，它的大小反映了负载的轻重。因此可以说，在轻载时直流侧获得的充电电流是断续的，重载时是连续的，分界点就是R=3/(wc)。桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第13页共34页当WRC3时，交流侧电流和电压波形如图1所示，其中δ和θ的求取可仿照单相电路的方法。δ和θ确定之后，即可推导出交流侧线电流ia的表达式，在此基础上可对交流侧电流进行谐波分析。由于推导过程十分繁琐，这里不再详述。以上分析的是理想的情况，未考虑实际电路中存在的交流侧电感以及为抑制冲击电流而串联的电感。当考虑上述电感时，电路的工作情况发生变化,其电路图和交流侧电流波形如图3所示，其中图3a为电路原理图，图3b、c分别为轻载和重载时的交流侧电流波形。将电流波形与不考虑电感时的波形比较可知，有电感时电流波形的前沿平缓了许多，有利于电路的正常工作。随着负载的加重,电流波形与电阻负载时的交流侧电流波形逐渐接近。图3.2电容滤波的三相桥式不可控整流电路及其波形a）电路（b）波形图3.3电容滤波的三相桥式整流电路当 wRC等于和小于 3时的电流波形（a）WRC 3 （b）WRC 3桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第14页共34页图3.4考虑电感时电容滤波的三相桥式整流电路及其波形a）电路原理图（b）轻载时的交流侧电流波形（c）重载时的交流侧电流波形3.2.2主要数量关系(1)输出电压平均值空载时，输出电压平均值最大，为Ud6U22.45U2。随着负载加重，输出电压平均值减小，至WRC3进入id连续情况后，输出电压波形成为线电压的包络线，其平均值为 Ud=2.34U2。可见，Ud在2.34U2~2.45U2之间变化。与电容滤波的单相桥式不可控整流电路相比， Ud的变化范围小得多，当负载加重到一定程度后，Ud就稳定在2.34U2不变了。电流平均值输出电流平均值IR为：IR=Ud/R与单相电路情况一样，电容电流iC平均值为零，因此： Id=IR.在一个电源周期中，id有6个波头，流过每一个二极管的是其中的两个波头，因此二极管电流平均值为 Id的1/3，即：IVD=Id/3=IR/3二极管承受的电压二极管承受的最大反向电压为线电压的峰值，其大小为6U2最后整流滤波后输出电压根据经验公式取： U0 2.34U2 2 380 514V3.2.3滤波电路的软启动由于整流电路中的滤波电容比较大，经整流后的直流电压有 514V左右，如果这个电压直接加在电容上，会导致过大的冲击电流。为减小冲击，避免烧坏整流块，可以在直流后的电路中串联一个 20Ω。限流电阻，在电容充电接近饱和时，再短接电阻。充满后再将可控硅打开，如图 3.5所示。工作原理如下:单相交流电整流成直流后，经限流电阻R.给电解电容C2充电，同时也给电容C1充电。则C1电压上升，上升到一定电压后，可控硅导通，从而将限流电阻短路。这就达到了软启动的目的。桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第15页共34页图3.5滤波电路软启动3.3逆变电路与整流相对应，把直流电变成交流电的过程称为逆变。当交流测接上电网上，即交流侧接有电源时，称为有源逆变；当交流侧直接和负载连接时，称为无缘逆变。逆变电路是与整流电路（Rectifier）相对应，将低电压变为高电压，把直流电变成交流电的电路称为逆变电路。逆变电路是通用变频器核心部件之一，起着非常重要的作用。它的基本作用是在控制电路的控制下将中间直流电路输出的直流电源转换为频率和电压都任意可调的交流电源。将直流电能变换为交流电能的变换电路。可用于构成各种交流电源，在工业中得到广泛应用。生产中最常见的交流电源是由发电厂供电的公共电网（中国采用线电压方均根值为380V，频率为50Hz供电制）。由公共电网向交流负载供电是最普通的供电方式。但随着生产的发展，相当多的用电设备对电源质量和参数有特殊要求，以至难于由公共电网直接供电。为了满足这些要求，历史上曾经有过电动机－发电机组和离子器件逆变电路。但由于它们的技术经济指标均不如用电力电子器件（如晶闸管等）组成的逆变电路，因而已经或正在被后者所取代。3.3.1全桥逆变电路逆变电路根据直流侧电源性质的不同可分为两种： 直流侧是电压源的称为电压型逆变电路；直流侧是电流源的称为电流型逆变电路。它们也分别也被称为电压源逆变电路和电流源逆变电路。本设计中选用的是电压型逆变电路，图 3.6是我们设计中用到的电压型逆变电路中的一种：全桥逆变电路 。桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第16页共34页图3.6全桥逆变主电路原理图及波形图图3.6是根据理想开关原理表示的单相电压型逆变器主电路的构成。直流电源电压E如图3.6中极性是一定的。其中开关从S1到S4中，首先设S1和S4导通，S2和S3关断。这时负载电阻R上施加的电压Vr如图所示方向为+E。然后转换开关设S1和S4关断，S2和S3导通。于是，施加在电阻R上的电压极性改变，成为-E。由于这样反复地转换，+E和-E交替出现，在电阻R上施加了交流电压。这就是从直流转换交流的原理。电源是直流电压源，从负载看，逆变器似乎是单相交流的电压源，所以称为单相电压型逆变器。根据在等间隔 1秒间切换多少次决定了输出交流的频率。当电路中有电感负载时，开关器件还应并联二极管，起到续流作用。3.3.2开关器件的选取在调压及逆变电路中，开关器件起着核心的作用。开关器件有很多种，如按功率等级来分类，有微功率器件、小功率器件、大功率器件等等；按制造材料分类有锗管、硅管等；按导电机理分类有双极型器件、 单极型器件、混合型器件等；按控制方式来分类，可分为不可控器件、半可控器件和全可控器件三类器件：不可控器件包括整流二极管、快速恢复二极管、肖特基二极管等；半可控器件包括普通晶闸管、高频晶闸管、双向晶闸管、光控晶闸管等；全可控器件包括功率晶体管 (BJT)、功率场效应管(PowerMOSFET),绝缘栅双极型晶体管(IGBT)、静电感应晶体管(SIT)、可关断晶闸管(GTO)、静电感应晶闸管(SITH)等。在选取开关器件时，主要可从以下五个方面考查电器件的性能特点：(1)导通压降。半导体器件工作在饱和导通时仍产生一定的管耗，管耗与器件导通压降成正比，所以应尽量选择低导通压降的电力半导体器件。(2)运行频率。除电力半导体本身外，还受到开关损耗和系统控制分辨率的限制，器件的开、关时间越短，器件可运行的频率越高。(3)器件容量。器件容量包括输出功率、电压及电流等级、功率损耗等参数。高电压等级的功率MOSFET，导通电阻大，通态功率损耗大，一般应用在中、小功率的高频装置中。近年来IGBT发展很快，IGBT取代BJT己成为现实，甚至有取代 GTO的趋势。(4)耐冲击能力。主要是指器件短时间内承受过电流的能力。 半可控器件的耐冲击能桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第17页共34页力远高于全可控器件。例如普通晶闸管在工频半个周期内 (lOms)可承受20倍以上的额定电流冲击而不损坏。(5)可靠性。主要是指器件防止误导通的能力。 半可控器件一旦受到干扰信号产生了误导通，则无法通过控制信号将其关断，因此在主要承受正向阻断电压的有源逆变系统中，容易造成系统的颠覆。而全可控器件可以通过控制信号迅速关断误导通的器件，因此系统工作可靠性高。器件运行频率除了与器件的最小开、关时间有关。此外，诸如控制功率、可串并联运行的难易程度、价格等也是选择电力半导体器件应考虑的因素。主要电力半导体器件特性比较见表 3.7：在本系统中，需要全控性的(能够自关断)开关器件，有GTR,GTO,MOSFET和IGBT。GTR和GTO属于门极负电流脉冲关断，通流能力很强，但其开关速度相对较低，驱动电路复杂。MOSFET开关速度快，工作频率最高，但电流容量相对较小，耐压较低，导通压降较大。IGBT是具有功率MOSFET高速开关特性和双极晶体管的低导通电压特性的两者优点并存的电力半导体器件。可以高速开关、耐高压和大电流，所以本设计选取IGBT作为开关器件。表3.7主要电力半导体器件特性比较为了提高IGBT的抗噪性能，一般都采用大容量的IGBT模块，但是增加了成本。本设计采用通用型IGBT芯片25N120，最大电流25A，耐压1200V。在降低成本的情况下为了提高可靠性，保护电路设计尤其重要，我们采用安全可靠的保护电路对IGBT进行保护，保护电路介绍下面的章节。3.3.3本设计中逆变电路原理图及逆变后波形图桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第18页共34页在实际中由于全桥逆变电路使用器件较少，结构简单而得到广泛的应用，本设计逆变电路如图3.8所示。其工作原理如下：设在t1时刻前VT1和VT4导通，输出电压u0为Ud，t1时刻VT3和VT2栅极信号反向，VT4截止，而因负载电感中的电流i0不能突变，VT3不能立刻导通，VD3导通续流。因为VT1和VD3同时导通，所以输出电压为零。到t2时刻VT1和VT2栅极信号反向，VT1截止，而VT2不能立刻导通，VD2导通续流，和VD3构成电流通道，输出电压为-Ud。到负载电流过零并开始反向时，VD2和VD3截止，VT2和VT3开始导通，u0仍为-Ud。t3时刻VT3和VT4栅极信号再次反向，VT3截止，而VT4不能立刻导通，VD4导通续流，u0再次为零。以后的过程和前面类似。这样，输出电压u0的正负脉冲宽度就各为?。改变?，就可以调节输出电压。图3.8全桥逆变电路原理图及波形图3.4PWM控制电路3.4.1 PWM控制技术及其原理PWM（PulseWidthModulation）控制就是对脉冲的宽度进行调制的技术。即通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效的获得所需要的波形（含形状和幅值） ；理论基础：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。冲量指窄脉冲的面积。效果基本相同，是指环节的输出响应波形基本相同。 低频段非常接近，仅在高频段略有差异。图3.9形状不同而冲量相同的各种窄脉冲桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸

第19页共34页面积等效原理：分别将如图

3.9所示的电压窄脉冲加在一阶惯性环节（

R-L

电路）上，如图

3.10（a）所示。其输出电流

i(t)对不同窄脉冲时的响应波形如图

3.10（b）所示。从波形可以看出，在i(t)的上升段，i(t)的形状也略有不同，但其下降段则几乎完全相同。脉冲越窄，各 i(t)响应波形的差异也越小。如果周期性地施加上述脉冲，则响应 i(t)也是周期性的。用傅里叶级数分解后将可看出，各 i(t)在低频段的特性将非常接近，仅在高频段有所不同。图3.10冲量相同的各种窄脉冲的响应波形用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波，把图 3.11（a）正弦半波N等分，看成N个相连的脉冲序列，它们宽度相等，但幅值不等；如果把脉冲序列用等幅不等宽矩形脉冲代替，使矩形脉冲的中点与相应正弦波的中点重合，且使它们面积（冲量）相等，就得到图3.11（b）所示的脉冲序列。根据面积等效原理，PWM波形和正弦半波是等效的。对于正弦波的负半周，也可以用同样的方法得到PWM波形，像这种脉冲宽度按正弦规律变化的而和正弦波等效的PWM波形也称为SPWM（SinusoidalPWM）波形。桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第20页共34页图3.11用PWM波代替正弦半波要改变等效输出正弦波幅值，按同一比例改变各脉冲宽度即可。等幅PWM波和不等幅PWM波：由直流电源产生的 PWM波通常是等幅PWM波，如直流斩波电路及 PWM逆变电路，PWM整流电路。输入电源是交流，得到不等幅 PWM波，如斩控式交流调压电路，矩阵式变频电路。基于面积等效原理，本质是相同的。PWM电流波：电流型逆变电路进行 PWM控制，得到的就是 PWM电流波。PWM波形可等效的各种波形：直流斩波电路：等效直流波形SPWM波：等效正弦波形，还可以等效成其他所需波形，如等效所需非正弦交流波形等，其基本原理和SPWM控制相同，也基于等效面积原理。3.4.2本设计中的PWM控制控制电路用于产生一定占空比和特定频率的方波，用于控制 IGBT的关断。如果固定开关管的工作频率，调节其导通的时间比例a，从而调节输出量(供给负载的电压和电流)的大小。其工作原理如下：如图3.12所示，其为调节a的电子电路的原理。首先，用比较器对指令电压和按三角波变化的电压进行比较。指令电压与要输出的直流电压成正比。当三角波电压高于指桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第21页共34页令电压时，比较器的输出为 1，是使晶体管导通的信号；相反，当三角波信号低于指令电压时，比较器的输出为 0，是使晶体管关断的信号。在普通的逻辑 IC中，输出1对应于5V电压，再通过将其放大，作为进行开关动作 IGBT基极信号。在此方法中，是通过调节指令电压的大小而使 a间接变化。图3.12三角波脉宽调制原理3.4.3三角波的产生电路本设计中采用分离元件产生三角波，通过比较器与反馈电路出来的电压（后面称信号电压）进行比较，当三角波电压高于信号电压时，比较器输出高电平；当三角波电压低于信号电压时，比较器输出低电平。电路图如图 3.13图3.13三角波发生电路3.5栅极驱动电路3.5.1IGBT 栅极驱动电路设计原则桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第22页共34页IGBT栅极输入阻抗很高，输入阻抗基本上是纯电容性的。驱动它时，只需输入电容的充放电电流，驱动电路功耗很小，电路设计非常简单。总的而言，

IGBT

的驱动电路设计可按以下原则进行：(1)用内阻小的驱动源对栅极输入电容充电和放电，以保证栅极电压

UGE

有足够陡的前后沿，使

IGBT

的开关损耗尽量小。(2)栅极电压UGE的大小必须综合考虑，正的UGE增大，IGBT通态压降和开通损耗下降，但负载短路时IC增大。对其保护和安全不利，一般选取正UGE=12~30V(3)关断过程中，为尽快使栅极输入电容放完电，并将IGBT置于反偏的最大安全工作区，应施加一负偏压UGE，但它受IGBT的GE间最大反向耐压限制，一般取-2到-10V(4)IGBT多应用于高电压场合，因此驱动电路与控制电路在电位上应严格隔离，并保证能传递几十千赫兹的脉冲信号。目前，除了使用由分离元件组成IGBT的栅极驱动电路之外，大量使用的是模块式的集成专用驱动电路。3.5.2TLP250介绍电源的BUCK调压电路和逆变器的 PWM信号都来自于三角波控制电路，由于它输出的PWM信号驱动能力不够，因此，需要进行功率放大。这里选用TLP250。TLP250是一种可直接驱动小功率MOSFET和IGBT的功率型光祸，由日本东芝公司生产，其最大驱动能力达1.5A.选用TLP250光耦既保证了功率驱动电路与PWM脉宽调制电路的可靠隔离，又具备了直接驱动IGBT的能力，使驱动电路特别简单。TLP250包含一个GaAlAs光发射二极管和一个集成光探测器，是8脚双列封装，适合于IGBT或功率MOSFET栅极驱动电路。TLP250驱动主要具备以下特征：(1)输入阀值电流IF=SmA;(2)电源电流ICC=11mA;(3)电源电压VCC=10~35V;(4)输出电流Io=±0.5A;(5)开关时间TPLH/TPHL=0.5usTLP250引脚及内部结构如图 3.14所示:桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第23页共34页图3.14TLP250内部结构及管脚图3.5.3本设计的驱动电路图本设计中驱动部分是由 TLP250芯片驱动逆变电路的 IGBT，如下图3.15所示：桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第24页共34页图3.15驱动电路使用光耦驱动IGBT时，不共地光耦的供电需要隔离，这里采用三组隔离电源分别供电，供电电源采用24V三端稳压电源。3.6高频高压变压器的设计本节结合铁氧体的性能指标，结合本设计的要求，介绍了本变压器性能参数的选择和设计方法，给出了该开关电源变压器的主要设计公式及计算结果。3.6.1变压器的性能指标及电路形式高频高压变压器兼有高压变压器，逆变变压器，脉冲变压器的特点，于是产生了绝缘、能量传输、波形畸变等等问题，高频高压变压器设计必须综合考虑各方面问题。本设计电路采用的是全桥逆变电路，工作频率5~20kHz可调，变压器输入电压Ui为AC537V；变压器输出为交流最大值30kV；输出电流峰值为5A。工作环境温度为：-55°C~+125°C.(1)变压器磁芯的选择开关电源变压器磁芯的选择包括磁芯材料和磁芯结构两个方面。 综合考虑我们选用Mn-Zn铁氧体材料的磁芯，本铁氧体价格低廉、饱和磁感应较高，温度稳定好，可以满足设计要求，并可望在提高磁芯的磁感应强度的基础上，减小变压器的体积、重量，满桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第25页共34页足工业环境的使用要求，提高变压器的可靠性。开关电源的磁芯有多种结构可供选择。其结构选择取决于变压器的工作体制、磁芯材料、工作频率、输出功率、绝缘耐压及使用环境等因素。使用铁氧体，磁芯可设计成 E形结构。E形结构磁芯输出功率大，线圈穿绕方便，分布参数影响小，磁芯窗口利用率高，散热性好，系统绝缘可靠，在本设计中，选择E形磁芯可以满足变压器的设计要求。(2)变压器设计开关电源变压器工作时对磁芯所需的功率容量即为开关电源变压器的计算功率， 其大小取决于变压器的输出功率。当使用全桥变换器时，其计算功率的公式 :Pt=Po（1+1/η）（1）式中:Po——变压器负载功率;η——变压器输出效率。工作磁感应强度是开关电源变压器设计中的一个重要指标，与磁芯结构形式、材料性能、工作频率、及输出功率的因素有关。若工作频率低，则变压器的体积重量增加，线圈匝数增加，分布参数性能下降;如工作磁感应强度高，则变压器温升高，磁芯易饱和，工作状态不稳定。根据铁氧体的电磁特性，在工作频率为

20kHz

的条件下，全桥式开关电源变压器工作磁感应强度选取一般在

0.16T到

0.3T之间。在本设计中，根据特定的工作频率、温升、工作环境等因素，把工作磁感应强度定在

0.2T。磁芯的材料确定以后，磁芯面积的乘积反映了变压器输出功率的能力。其磁芯面积乘积为

:Ap=AcAm

（2）式中:Ap

为磁芯截面积乘积，单位

cm4;Ac

为磁芯截面积，单位

cm2;Am

为磁芯窗口截面积，单位为

cm2.AP=(Pt*104/4Bm*f*K

w*Kj)

（3）式中：Ap

磁芯截面积乘积，单位为

cm4;Pt

变压器计算功率，单位为

w:Bm

工作磁感应强度，单位

T;工作频率，单位Hz;KwKf

窗口占空系数电流密度系数

;;(温升为

50℃时，矩形磁芯取

468，E形磁芯取

534,)绕组铜导线截面积在磁芯窗口面积中所占的比值称窗口占空系数，典型取值Kw=0.4由以上公式看出，在磁芯工作状态确定后，选择的磁芯结构参数应接近 AP值。磁芯截面积与磁芯窗口截面积成反比关系。提高磁芯截面积，可减小变压器体积，降低铜耗，但是制造难度大，绝缘处理复杂，变压器性能的一致性差。提高窗口截面积，可降低制造难度，改善散热性能，但线包匝数增加，分布参数性能恶化，随着工作频率的提高，其影响的程度也越来越大，同时变压器的体积也相应增大。桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第26页共34页(3)变压器主要参数的计算①初级绕组匝数W1=UP1*Ton*10-2/2Bm*Ac(4)式中：W1—初级绕组匝数;Bm—工作磁感应强度(T);Up1—初级输入电压幅值(V);Ac一磁芯截面积(cm2);Ton一初级输入脉冲电压宽度②次级绕组匝数:W2=UP2*W1/UP1(5)式中:W1初级绕组匝数:W2W3W4次级绕组匝数;UP1初级输入电压幅值(V)Up2...次级输出电压幅值(V)③电流密度-2-0.14(6)J=KjAp10式中:J电流密度(A/mmz);Ap磁芯截面积乘积(cm4)。④导线计算绕组的导线根据变压器各绕组的工作电流和电流密度来确定:Smi=Ij/J(7)式中:Smi各绕组导线所需截面积。如变压器的工作频率过高，需要考虑电流集肤效应的影响，导线直径应小于两倍的穿透深度。对于工作电流较大的初级绕组通常采用多线并绕的方法来处理。3.6.2主要参数的确定(1)变压器输出功率P0=U0I0=30*5=150(KW)(2)变压器计算功率Pt=Po（1+1/η）=150*(1+1/0.8)=337.5(KW)效率n为设计值为80%.(3)设计输出能力AP=(Pt*104/4Bm*f*Kw*Kj)=(337.5*107/4*0.2*20*103*0.2*534)=0.1970(cm4)(4)线圈的计算：W1=Up1*Ton*10-2/2Bm*Ac其中UP1=537V 占空比a取30%,Ton=1*a/f=15（us）Bm=0.2

AC=2.5*2.5=6.25(cm

2)桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸

第27页共34页算得W1=51.4

匝

取整得

W1=52匝W

2=Up2*W1/Up1Up2=30000V

W1=52

Up1=537V算得W2=2905.02匝取整为：W