等離子射流電源設(shè)計(jì)

1、第一章緒論等離子體的概念1.1 等離子體的分類等離子體的產(chǎn)生及原理1.2 等離子體的應(yīng)用第二章控制電路與驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)2.1 mega16的簡(jiǎn)要介紹基于mega16的控制電路設(shè)計(jì)2.3基于mega16的顯示電路設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)1.4 輔助電源的設(shè)計(jì)第三章逆變電源主電路的設(shè)計(jì)高頻變壓器設(shè)計(jì)3.1 逆變電路的設(shè)計(jì)緩沖電路的設(shè)計(jì)第四章實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析4.1 PWM的調(diào)制信號(hào)仿真負(fù)載的記錄第五章結(jié)論致謝摘要在工業(yè)中等離子體技術(shù)應(yīng)用越來(lái)越普遍。由于等離子體的環(huán)保、清潔性，因此，它在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用非常的廣泛。經(jīng)等離子處理過(guò)的材料表面的親水性很好，而且材料表面的物理性質(zhì)得到改變，因?yàn)樗倪@個(gè)特性，它在紙盒包裝材料

2、領(lǐng)域做出了非常大的貢獻(xiàn)。等離子體具有的獨(dú)特的環(huán)保、清潔及化學(xué)性質(zhì)，它的使用已經(jīng)取替了學(xué)多污染化學(xué)物質(zhì)的使用，使工業(yè)生產(chǎn)變得更加的清潔，高效。本論文主要介紹了低溫等離子體在工業(yè)中的應(yīng)用以及設(shè)計(jì)了介質(zhì)阻擋放電的等離子電源。本論文由緒論介紹了等離子的應(yīng)用廣泛和在工業(yè)中起到的重要作用，由此，介紹了在紙盒包裝材料領(lǐng)域的貢獻(xiàn)。論文主體對(duì)電源控制電路、驅(qū)動(dòng)電路、逆變電路、緩沖電路和主電路中器件的的設(shè)計(jì)和保護(hù)等進(jìn)行了詳細(xì)的闡述。由于IGBT驅(qū)動(dòng)的要求很嚴(yán)格，所要我們選用了設(shè)計(jì)已經(jīng)很成熟的驅(qū)動(dòng)模塊，它具有很強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)和過(guò)流保護(hù)能力，使我們的模塊工作在可靠安全的狀態(tài)。最后我們合理的選擇設(shè)計(jì)了IGBT緩沖電路，更加的

3、保證了功率模塊的可靠工作。關(guān)鍵字：等離子體；逆變電路；緩沖電路AbstractApplicationofplasmatechnologyintheindustryisbecomingmorecommon.Becauseoftheplasma,cleanenvironmentalprotection,therefore,itiswidelyappliedinthefieldofindustrial.Treatedbytheplasmahydrophilicityonthesurfaceofthematerialisverygood,andthephysicalpropertiesofmateri

4、alsurfaceischanged,becauseofhisthisfeature,itinthecartonpackagingmaterialfieldhasmadetheverybigcontribution.Plasmahasauniqueenvironmentalprotection,clean,andchemicalproperties,itsusehasbeentakenfortheuseofmanychemicalpollution,industrialproductionhasbecomemoreclean,efficient.Thispapermainlyintroduce

5、stheapplicationoflowtemperatureplasmaintheindustrialanddielectricbarrierdischargeplasmapowersupplyisdesigned.Widelyusedbytheintroductionofplasmaareintroducedinthispaper,andplaysanimportantroleintheindustry,asaresult,thecontributioninthefieldofcartonpackagingmaterialareintroduced.Papersubjecttothepow

6、ersupplycontrolcircuit,drivecircuit,invertercircuit,snubbercircuitandmaincircuitdevicesinthedesignandprotectionaredetaileddescribed.ByIGBTdriveisverystrict,willwechoosethedrivermoduledesignhasbeenverymature,ithasastrongdriveandovercurrentprotectionability,makeourmoduleworkinareliablesafetycondition.

7、Finally,wereasonablechoiceIGBTsnubbercircuitisdesigned,moretoensurethereliableworkofpowermodule.Keywords:plasma;Invertercircuit;Thebuffercircuit第一章緒論1.1等離子體的概念在自然界中的各種物質(zhì)，由于溫度的不同變現(xiàn)出不同的狀態(tài)，主要分為以下三種，分別是固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)。這些三種狀態(tài)都是由微觀粒子組合成的實(shí)實(shí)在在物體的集合狀態(tài)，所處條件的不同會(huì)以不同的狀態(tài)存在。在物質(zhì)的各種狀態(tài)中，結(jié)合最緊密的物質(zhì)是固態(tài)粒子，結(jié)合較緊密的是液態(tài)粒子，最分散的是氣態(tài)粒子子。

8、要使物質(zhì)從緊密的固態(tài)轉(zhuǎn)化到分散的氣態(tài)，就需要吸收額外的能量。例如物質(zhì)從固態(tài)轉(zhuǎn)化成液態(tài)時(shí)，就需要吸收足夠多的能量，只有使固態(tài)物質(zhì)吸收足夠的能量才能使粒子的平均動(dòng)能超過(guò)粒子的固態(tài)結(jié)合能，才能使固態(tài)物質(zhì)轉(zhuǎn)變成液態(tài)的。從液態(tài)到氣態(tài)的變化也是如此。在氣態(tài)中的粒子，再給于提供更多的能量，這是時(shí)候組成氣態(tài)物質(zhì)的粒子物理鍵會(huì)斷裂，電離成帶成帶正、負(fù)電荷的離子和電子。等離子體是物質(zhì)存在的第四種狀態(tài)。它由電離的導(dǎo)電氣體組成，其中包括六種典型的粒子，即電子、正離子、負(fù)離子、激發(fā)態(tài)的原子或分子、基態(tài)的原子或分子以及光子。等離子體的明確定義是:“等離子體是由大量正負(fù)帶電粒子和中性粒子組成的，并表現(xiàn)出集體行為的一種中性氣

9、體，也就是高度電離的氣體?！辈还苁俏镔|(zhì)是部分電離還是全部電離，電離后的正、負(fù)電荷的完全相等的，氣體表現(xiàn)為中性，我們稱這種現(xiàn)象為離子體。1.2 等離子體的分類1、按等離子體火焰溫度分：（1）高溫等離子體；溫度高于108-109K并且完全電離的等離子體。（2）低溫等離子體：溫度不蓋于103-105K并且完全電離的等離子體。低溫等離子體又分為熱等離子體和冷等離子體。2、按等離子體所處的狀態(tài)分：（1）平衡等離子體：在較高的氣壓下，粒子的溫度跟電離的氣體的溫度差不多的等離子體。（2）非平衡等離子體：在常大氣壓或以下，粒子的溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)咼于電離氣體的溫度。1.3氣體放電等離子體當(dāng)前的等離子體主要是由氣體放電產(chǎn)

10、生的，主要包括：輝光放電、電暈放電、介質(zhì)阻擋放電（DBD）、射流放電和微波放電（如圖1-1所示）。通常輝光放電、射頻放電和微波放電要都在低氣壓條件下進(jìn)行。在大規(guī)模的工業(yè)生產(chǎn)中，低氣壓等離子體存在著重要的缺點(diǎn)：1、放電在低氣壓的環(huán)境中，真空環(huán)境必不可少，因此環(huán)境復(fù)雜，費(fèi)用昂貴；2、工作過(guò)程會(huì)大批量處理，無(wú)法在線產(chǎn)生連續(xù)生產(chǎn)，效率也難以提高，無(wú)法應(yīng)用于許多必需在線連續(xù)運(yùn)行處理的工業(yè)環(huán)境。大多數(shù)工業(yè)生產(chǎn)都是工作于在常壓環(huán)境中，因此，迫切需要探索在常氣壓環(huán)境下可以連續(xù)獲得大面積的低溫等離子體，滿足當(dāng)今工業(yè)應(yīng)用的需求，是具有非常重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值。圖1-1等離子的分類常見于大氣壓下的氣體放電有：電

11、弧放電、電暈放電、介質(zhì)阻擋放電（細(xì)絲放電）。大氣壓或高于大氣壓環(huán)境下產(chǎn)生大面積的低溫等離子體，在非真空和較低的溫度環(huán)境下，獲得化學(xué)反應(yīng)所需的活性粒子，因此在材料的表面處理、臭氧合成、等離子體平板顯示器、新物質(zhì)合成、環(huán)境保護(hù)等領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。輝光放電輝光放電屬于低氣壓放電，在封閉的容器內(nèi)放置兩個(gè)平行的電極板然后沖入低于10Mbar的氣體，利用電子將中性原子和分子激發(fā)，當(dāng)粒子由激發(fā)態(tài)降回至基態(tài)時(shí)會(huì)以光的形式釋放出能量。電源可以為直流電源也可以是交流電源。各種氣體都有它的特有的輝光放電的顏色（如下圖1-2所示），熒光燈的發(fā)光也是輝光放電。測(cè)試時(shí)如果等離子體表現(xiàn)的顏色有差異，通常說(shuō)明氣體在純度上有一

12、定的問(wèn)題，也就是熒光燈漏氣。輝光放電在化學(xué)等離子體實(shí)驗(yàn)中具有突出的作用，但受限于低氣壓環(huán)境，在工業(yè)應(yīng)用中難以實(shí)現(xiàn)連續(xù)化生產(chǎn)且成本高昂，從而無(wú)法廣泛應(yīng)用于工業(yè)制造中?，F(xiàn)在的應(yīng)用范圍僅僅局限于實(shí)驗(yàn)室、半導(dǎo)體工業(yè)和燈光照明產(chǎn)品等。圖1-2輝光放電色帶圖電暈放電電暈放電是氣體介質(zhì)在不均勻電場(chǎng)中的局部自持放電。是一種最常見的氣體放電形式。在曲率半徑很小的尖端電極附近，局部電場(chǎng)強(qiáng)度超過(guò)氣體的電離場(chǎng)強(qiáng)，使氣體發(fā)生電離和激勵(lì)，于是出現(xiàn)了放電，這就是電暈放電。電暈放電時(shí)在電極周圍可以看到光亮，并伴有清脆的咝咝聲。電暈放電可以存在于相對(duì)穩(wěn)定的放電，也可以存在不均勻電場(chǎng)中的間隙擊穿放電。介質(zhì)阻擋放電介質(zhì)阻擋放電是一

13、種不平衡的氣體放電，又稱為介質(zhì)阻擋電暈放電或無(wú)聲放電。介質(zhì)阻擋放電能工作于高氣壓和較寬頻率范圍下，一般工作在氣壓是104106Kbar。電源頻率在50Hz到1MHz自己都可以放電。電極結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)形式多種多樣。最簡(jiǎn)單的方法就是把絕緣介質(zhì)直接放于放電電極之間，然后在兩個(gè)電極上施加足夠高的交流電壓，電極間流動(dòng)的氣體會(huì)被擊穿而產(chǎn)生放電，這就是最簡(jiǎn)單的介質(zhì)阻擋放電。在實(shí)際應(yīng)用中，圓管式的電極結(jié)構(gòu)被廣泛的應(yīng)用在各種化學(xué)反應(yīng)器中，而平板式電極結(jié)構(gòu)則被廣泛的應(yīng)用在工業(yè)中的高分子和金屬薄膜及板材的改性、接枝、表面張力的提高、清洗和親水改性中。圖1-3常用介質(zhì)形式1.4大氣射流低溫等離子表面處理的原理被電離的空氣

14、氣流產(chǎn)生大量的氧原子在內(nèi)的氧基活性氣體，用氧基等離子體照射材料表面，可以使附著于材料表面上的有機(jī)污染物"C"元素的分子分離，并變成二氧化碳后被清除；同時(shí)可以提高接觸性能，從而可以提高接合強(qiáng)度和可靠性。1.5大氣射流低溫等離子表面處理的工業(yè)應(yīng)用a）不銹鋼薄板對(duì)焊處的焊前處理不銹鋼薄板對(duì)焊在工業(yè)中應(yīng)用很普遍。用等離子體氣體對(duì)薄板在焊接前進(jìn)行氣體清洗代替了化學(xué)試劑的清洗，使清洗更加清潔環(huán)保，并且降低了清洗成本。b）塑料板的表面處理木塑是一種可以取代木材的新型材料，如果想在材料表面刷漆那是非常難的，所要木塑材料的使用受到了限制。用等離子體氣體處理材料，可使材料表面會(huì)發(fā)生明顯的變化：

15、顏色略有變淺，反光度降低，呈亞光性；用手觸摸可以感覺到表面略有粗糙；使噴漆的附著性能大大增強(qiáng)。c) 橡膠制品的處理橡膠在我們?nèi)粘Ｉ钪写罅渴褂?，例如汽車的門封條。它的表面須要上漆或織絨。如果不經(jīng)過(guò)低溫等離子處理，則不易粘接。如果用化學(xué)清洗，既是離線的，又會(huì)污染環(huán)境。用在線等離子體處理是理想的解決辦法。d) 用于玻璃和金屬平板處理用等離子體氣體處理玻璃和金屬表面，可以使其表面更加的清潔并且還改變了表面的性能，能使它在較長(zhǎng)時(shí)間里表現(xiàn)這一性能。因而可以提高產(chǎn)品的接合強(qiáng)度。此外，常壓等離子體清洗還可以用于有機(jī)材料和金屬材料表面。F)對(duì)紙盒包裝材料的處理市場(chǎng)上的包裝紙盒越來(lái)越精美，不僅從以前的油紙發(fā)展成

16、為了現(xiàn)在的覆膜紙、上光紙、淋膜紙、鍍鋁紙、PPPET等塑料新材料，但是這些高品質(zhì)的材料加工難度也變大了，同時(shí)也給糊盒包裝產(chǎn)業(yè)帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)。面對(duì)這些新材料不能粘結(jié)或者是粘結(jié)不牢，企業(yè)通常采用特殊的膠水和表面打光、局部上光等辦法，但是這就增加了生產(chǎn)成本和造成了更重環(huán)境的污染。經(jīng)過(guò)等離子體氣體表面處理后，紙張的親水性變強(qiáng)了，編碼變得粗糙有附著性了，這樣使膠水的粘貼更牢。更為重要的是大大降低了生產(chǎn)成本。第二章控制脈寬調(diào)制電路及其供電穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)2.1mega16的簡(jiǎn)要介紹mega16是Atmel公司發(fā)行的一款具有AVR內(nèi)核的芯片。該芯片具有大量的外設(shè)資源，完全可以滿足我們控制電源的設(shè)計(jì)要求，它具有以

17、下的特點(diǎn)：1. ATmega16是一款基于增強(qiáng)的AVRRISC結(jié)構(gòu)的超低功耗的8位CMO微控制器。由于其先進(jìn)的指令集以及單時(shí)鐘周期指令執(zhí)行時(shí)間，ATmega16的數(shù)據(jù)吞吐率高達(dá)1MIPS/MHz可以緩減系統(tǒng)在功耗和處理速度之間的矛盾。2. 大容量的存儲(chǔ)器芯片集成有可編程Flash16K字節(jié)(具有同時(shí)讀寫的能力，即RWW，512字節(jié)EEPRQM1K字節(jié)SRAM3. 32個(gè)通用I/O口，32個(gè)通用工作寄存器，三個(gè)具有比較模式的靈活的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器(T/C),多個(gè)片內(nèi)/外中斷。4. 8路10位具有可選差分輸入級(jí)可編程端口，具有可編程片內(nèi)振蕩器和看門狗定時(shí)器，一個(gè)SPI串行端口，以及六個(gè)可以設(shè)置選擇的

18、省電模式。5. 具有4個(gè)外部中斷和內(nèi)部中斷6. ATmega16的編程軟件與系統(tǒng)開發(fā)工具齊全包括：C語(yǔ)言編譯器、宏匯編、程序調(diào)試器/軟件仿真器、仿真器及評(píng)估板。2.2基于mega16的控制電路設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)采用5V電源供電，為使系統(tǒng)更穩(wěn)定更高效的工作我們?yōu)榭刂葡到y(tǒng)設(shè)計(jì)了專門的5V電源，后面的小節(jié)為大家介紹。如圖2-1是基于mega16的最小系統(tǒng)圖。圖中的RXDTXD引腳是為現(xiàn)實(shí)顯示模塊的串口引出線。傳感器采集的數(shù)據(jù)都是經(jīng)過(guò)串口發(fā)送給顯示模塊，再由顯示模塊處理顯示的。OCR1AOCR1B引腳是比較輸出腳，也就是控制半橋模塊的PWM輸出引腳。它們的信號(hào)經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)器的放大而驅(qū)動(dòng)我們的功率模塊。MOSI、

19、MISOSCK引腳是單片機(jī)的程序燒寫引腳，程序都是經(jīng)過(guò)它們燒錄給單片機(jī)的。U1険宙乂-丘CuTEEEVlJugVcI相旦aVaJiba_*尊JGBT_JGETOv«Cufl«LtIBPAO(ADC®)PAI(ADC1)PA2(ADC2)PC0(SCL)PCI(SDA)J*C2(TCK)PA3(ADC5JFC3(TM3)PA4<ADC4>POIfTDO)PA5fADC幻PCSCTO1)PA6CADC6)PC6(TOSC1)PA?(ADC7)pc?crossPBJCPWJ(KXD)PQ1(T1)WD1CT3£D)PEtZJOTL'AINO

20、)PD2(pTTO)PB3(OCOAINUP-D30NT1)P出(SS)PEH(0C1B)PB5(MOS3)PD5(OCIA)PB6(MISO)PD6QCP1)PB:(3CK>PD?(OC-i)>3CTAL1XTAL2AVCCRESETVCCVCCGKDGKDGKDGNDV6JLREFATrr-?sa16-16AUXTALL吃耳丁心：丁士XKJM鼻HK.OvaCumsMT.CMPUfipGRIBOCR1XGKD圖2-1最小系統(tǒng)圖復(fù)位電路復(fù)位電路對(duì)微機(jī)抗干擾起著非常重要的作用，一個(gè)系統(tǒng)在上電后能正常工作必須對(duì)其正確的復(fù)位。我們的系統(tǒng)復(fù)位采用上電低電平復(fù)位，如圖2-2所示，復(fù)位電路上電

21、時(shí)。復(fù)位電容使RESET呆持在低電平狀態(tài)，然后有上拉電路使其變高電平。圖2-2復(fù)位電路晶振振蕩器XTAL1與XTAL2是mega16的片外振蕩器的輸入和輸出，如圖2-3所示，振蕩器可以是石英晶體材料的晶振，也可以是陶瓷諧振器。內(nèi)部熔絲位CKOPT的設(shè)置是選擇這兩種放大器模式。熔絲位CKOPT被我們置1時(shí)振蕩器在輸出引腳上產(chǎn)生滿幅度的振蕩，它被用于噪聲環(huán)境中。熔絲位CKOPT被我們置0時(shí)振蕩器的輸出信號(hào)幅度比較小。這樣的狀態(tài)在很大程度上降低了功耗，不過(guò)工作在較窄的頻率范圍，而且同時(shí)驅(qū)動(dòng)其他時(shí)鐘緩沖器。對(duì)于諧振器，CKOP未編程時(shí)的最大頻率為8MHz,CKOPTS程時(shí)為16MHzC1和C2的容值要

22、相等，無(wú)論使用的是晶體還是諧振器。我們的控制電路C1C2為22P晶振為8MKZ這樣我們選用的就是外部的晶振對(duì)單片機(jī)起振提供外部的頻率。晶振的周圍最好是用地線包圍起來(lái)，這樣可以提高晶振的抗干擾能力，同時(shí)是單片機(jī)工作在最佳的狀態(tài)。C37*XIAL2GND-|iC39HF22pFIIY1T8MXTAL1圖2-3晶振振蕩器連接圖欠壓及過(guò)壓保護(hù)要對(duì)主電路進(jìn)行欠壓或過(guò)壓保護(hù)，首先就要對(duì)主電路的直流電壓進(jìn)行采樣測(cè)量，也就是采樣經(jīng)全橋整流及濾波后的直流電壓，而本電源的交流輸入為AC220V(50Hz，所以此直流電壓的正常值應(yīng)該在310V左右，要對(duì)這個(gè)電壓進(jìn)行采樣就必需在主電路分壓后，再送入單片機(jī)進(jìn)行處理，并判

23、斷主電路電壓是否正常。另外，要在分壓電路和采樣電路之間加入一級(jí)電壓跟隨器，起到緩沖和隔離的作用。電壓跟隨器的原理圖如圖2-4所示。VCC圖2-4電壓跟隨器原理圖然后，單片機(jī)對(duì)電壓跟隨器輸出電壓進(jìn)行AD采樣，并在程序中判斷主電路的工作狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)主電路的欠壓及過(guò)壓保護(hù)。過(guò)流保護(hù)主電路的過(guò)流保護(hù)采用電流互感器對(duì)主電路工作電流進(jìn)行采樣，通過(guò)整流濾波后，經(jīng)一級(jí)跟隨器后送入AD采樣，由程序處理判斷主電路工作狀態(tài)，并將采樣到的數(shù)據(jù)發(fā)送至顯示模塊，由顯示模塊顯示當(dāng)前的工作電流及功率。同時(shí)，又將跟隨器輸出電壓接入比較器同向輸入端，當(dāng)采樣電壓高于預(yù)設(shè)值時(shí)，比較器輸出由低電平轉(zhuǎn)換為高電平，弓I發(fā)中斷并保護(hù)電路，

24、通過(guò)調(diào)整R11與R15的值,即可改變預(yù)設(shè)保護(hù)值，采樣電路如圖2-5所示。圖2-5過(guò)流保護(hù)采樣電路無(wú)風(fēng)故障保護(hù)渦流式氣泵故障保護(hù)采用壓差開關(guān)來(lái)判斷風(fēng)機(jī)是否正常工作，壓差開關(guān)有常開和常閉兩個(gè)觸點(diǎn)，當(dāng)風(fēng)機(jī)故障時(shí)，壓差開關(guān)即動(dòng)作，在此，采用壓差開關(guān)的常開觸點(diǎn)，常開觸點(diǎn)閉合后將使光耦動(dòng)作，在LosePump弓腳產(chǎn)生由低電平向高電平的轉(zhuǎn)換，此上升沿將引發(fā)單片機(jī)中斷對(duì)電源進(jìn)行保護(hù)。渦流式氣泵故障保護(hù)原理圖如圖2-6所示。wC=圖2-6風(fēng)機(jī)故障保護(hù)原理圖2.3基于mega16的顯示電路設(shè)計(jì)我們采用的是四位共陽(yáng)極的數(shù)碼管顯示，四位數(shù)碼可以提高精確度。為了使數(shù)據(jù)更好的反應(yīng)出來(lái)，我們?cè)O(shè)計(jì)了電流顯示模塊和功率顯示模塊

25、。數(shù)顯模塊也具有一定的數(shù)據(jù)接收和處理能力。數(shù)據(jù)的傳送都是采用了串口，因?yàn)榇趥魉蛿?shù)據(jù)可以減少控制系統(tǒng)對(duì)大量數(shù)據(jù)的運(yùn)算，減少占用主控的資源。主控只需要把采集回來(lái)的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)串口放松給顯示模塊，數(shù)據(jù)的處理就由顯示模塊處理和現(xiàn)實(shí)。下圖是顯示模塊的電路圖。2.4驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)絕緣柵雙極晶體管（IGBT）是一種新型的電力半導(dǎo)體器件，IGBT既具有功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOSFET）高速、高輸入阻抗、易驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn)，又具有雙極達(dá)林頓功率晶體管GTO飽和電壓低、電流容量大等優(yōu)點(diǎn)的電力電子開關(guān)器件。IGBT也是一款采用電壓型驅(qū)動(dòng)、高輸入阻抗、開關(guān)速度快（可正常工作在幾十千赫茲頻率范圍內(nèi)）的電力電子開關(guān)器件。由于他的這么

26、多的優(yōu)點(diǎn)讓IGBT廣泛應(yīng)用于大中功率開關(guān)電源、逆變器、高頻感應(yīng)加熱、有源濾波器、家用電器等需要電流變換場(chǎng)合。IGBT的額定工作電流較高，可以應(yīng)用于輸出數(shù)百安電流的變頻裝置，也可應(yīng)用于數(shù)碼相機(jī)的閃光燈控制電源。近幾年來(lái)，變頻技術(shù)在交流傳動(dòng)領(lǐng)域的應(yīng)用風(fēng)起云涌，IGBT作為變頻器的功率輸出器件，其應(yīng)用也是日趨廣泛。在快速低損耗的電力電子應(yīng)用中，在中、低頻功率控制應(yīng)用中，IGBT最具獨(dú)特性能。IGBT有逐步取代MOSFET和GTO之趨勢(shì)。IGBT與其它半導(dǎo)體開關(guān)器件一樣，其工作特性依賴于具體電路條件和開關(guān)環(huán)境。因此，IGBT的驅(qū)動(dòng)電路及保護(hù)電路是電路設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。采用性能優(yōu)良的驅(qū)動(dòng)電路，能夠保證IGBT

27、開關(guān)的可靠運(yùn)行，提高設(shè)備的穩(wěn)定性。以下是本論文所采用的驅(qū)動(dòng)電路：驅(qū)動(dòng)信號(hào)是兩路輸出分別驅(qū)動(dòng)IGBT的上半橋和下半橋。驅(qū)動(dòng)模塊包括DC/DC電源模塊和隔離驅(qū)動(dòng)模塊。結(jié)構(gòu)框圖如下:輛人n珞PWM佶號(hào)輛人n珞PWM佶號(hào)驅(qū)動(dòng)特性（均為在以下條件時(shí)測(cè)得：Ta=25C,Vp=15V,Fop=50KHz,模擬負(fù)載電容CL=220nF）如附表參數(shù)符號(hào)最小值典型值最大值單位輸入脈沖電壓幅值Vpwm215V輸入脈沖電流幅值Ipwm91012mA輸出電壓VOH14.5VVOL-8輸出電流IOHP6AIOLP-6柵極電阻Rg1.510Q輸出總電荷Qout22.8卩C工作頻率Fop060KHz占空比S0100%最小工作

28、脈寬Tonmin0.5卩S上升延遲Trd0.3卩S下降延遲Tfd0.4使能端電平CMA2.218/ENA0.4V絕緣電壓VISO3500Vrms共模瞬態(tài)抑制CMR30KV/卩SDC/DC輔助電源電性能參數(shù)(均為在以下條件時(shí)測(cè)得：Ta=25C,Vp=15V)，如附表0參數(shù)符號(hào)最小值典型值最大值單位輸入電壓(1)Vdc121520V電源輸入電流Idc0.05A0.5輸出電壓Vo24.2V輸出功率Po6W效率n75%短路保護(hù)性能(均為在以下條件時(shí)測(cè)得:Ta=25C,Vp=24V,Fop=50KHz模擬負(fù)載電容CL=220nF),如附表三。參數(shù)符號(hào)最小值典型值最大值單位保護(hù)動(dòng)作閾值(1)Vn8.5V保

29、護(hù)盲區(qū)(2)Tblind1.2卩S軟關(guān)斷時(shí)間(3)Tsoft4卩S故障后再啟動(dòng)時(shí)間(4)Trst1.110mS故障信號(hào)延遲Talarm5卩S故障信號(hào)輸出電流Ialarm10mA電路板的輸出接線示意圖，如圖2-8。本驅(qū)動(dòng)電路模塊既可以驅(qū)動(dòng)一只IGBT,也可以驅(qū)動(dòng)兩只并聯(lián)的IGBTo圖2-8驅(qū)動(dòng)電路接線圖二二1111.輸出插座Jo到IGBT柵極和發(fā)射極的引線要短一些，并使用絞線，以減小寄生電感，但集電極的反饋連線不要絞在一起。2謹(jǐn)防柵極和發(fā)射極輸出短路，短路時(shí)間超過(guò)幾秒，可能損壞板上器件。3.盡量減小雜散電感，并設(shè)置良好的IGBT過(guò)壓吸收回路，避免尖峰電壓擊穿IGBTo4輸入電源接反，電源插座上并

30、聯(lián)的二極管將短路外部輸入電源，做實(shí)驗(yàn)時(shí)請(qǐng)注意報(bào)警信號(hào)輸出由于提高輸入輸出的抗干擾力，我們應(yīng)用光耦對(duì)信號(hào)隔離。報(bào)警信號(hào)輸出可以是高電平輸出也可以是低電平輸出我們的系統(tǒng)應(yīng)用了高電平輸出。當(dāng)IGBT過(guò)流時(shí)，烯烴會(huì)檢測(cè)到高電平。圖2-9是報(bào)警電路的設(shè)計(jì)：7cc圖2-9報(bào)警信號(hào)電路2.5輔助電源設(shè)計(jì)系統(tǒng)電源采用5V、12V、15V供電，5V電源是供給芯片的消耗電源和串口的顯示電源。12V是作為系統(tǒng)版的隔離電源，為了增大控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗干擾力。我們用12V電源讓他對(duì)輸出進(jìn)行隔離。15V是開關(guān)器件IGBT的驅(qū)動(dòng)電源供電。由于單片機(jī)和驅(qū)動(dòng)的可靠工作，對(duì)電源的可靠性和穩(wěn)定性要求很高。并且IGBT的驅(qū)動(dòng)工作電

31、流很大，所要對(duì)電源穩(wěn)壓芯片的要求比較高。我們?cè)O(shè)計(jì)用LM1085電源穩(wěn)壓芯片滿足大電流可靠供電的要求。LM1085的正常工作通流能力3A最大帶負(fù)載功率可達(dá)幾十瓦。圖2-10是由LM1085設(shè)計(jì)的電源原理圖。電容是為了濾波、穩(wěn)壓、儲(chǔ)能的作用。-T-£口冃E:弦一廿圖2-10電源電路第三章逆變電源主電路的設(shè)計(jì)與構(gòu)成3.1高頻變壓器設(shè)計(jì)1）高頻變壓器的定義與分類高頻變壓器是相對(duì)于音頻和工頻變壓器而言的。由于高頻的范圍涉及很廣，要?jiǎng)澐置鞔_是困難的。工作頻率在音頻以上的變壓器統(tǒng)稱為高頻變壓器。應(yīng)該說(shuō)，這種叫法是不嚴(yán)格的。其工作頻率的不同，我們把高頻變壓器按以下進(jìn)行分類： 按頻率范圍可分為kHz級(jí)

32、高頻變壓器，指工作頻率在幾kHz到幾百kHz之間的高頻變壓器；a. MHz級(jí)高頻變壓器，指工作頻率在1MHz以上的高頻變壓器。 按工作頻帶可分為窄頻帶高頻變壓器，指工作在一個(gè)很窄頻率范圍內(nèi)的變壓器，例如變換器變壓器、振蕩器變壓器；a. 寬頻帶高頻變壓器，指工作在一個(gè)很寬頻率范圍內(nèi)的變壓器，例如阻抗變換器變壓器、通訊變壓器。2）磁芯材料的選擇提高逆變電源效率的關(guān)鍵因素就是合理選擇變壓器的磁芯材料和結(jié)構(gòu)以及降低變壓器的能耗。高頻變壓器工作在頻率較高的環(huán)境下。選擇飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度、電阻率及磁導(dǎo)率較高的磁芯材料就能可靠的使變壓器工作在損耗小、輸出脈沖上升速度快、結(jié)構(gòu)緊湊的環(huán)境中。鐵氧體材料均為軟磁鐵氧體

33、材料多用于高頻變壓器中。軟磁鐵氧體材料的咼頻損耗小，電阻率咼，并且易于生產(chǎn)加工，成本低，是目前高頻變壓器中使用量最大的磁性材料。軟磁鐵氧體材料主要分為Mn-Zn鐵氧體和Ni-Zn鐵氧體兩大類。在0.51MHz的頻率場(chǎng)所主要用Mn-Zn鐵氧體的高頻變壓器，在1MHz以上的產(chǎn)生主要用Ni-Zn鐵氧體的高頻變壓器。我們采用的是Mn-Zn鐵氧體磁性材料做成的U型磁芯。3）變壓器的計(jì)算與制作變壓器的一次側(cè)電壓為方波電壓，幅值是電網(wǎng)輸入電壓經(jīng)過(guò)整流后的輸出電壓值，按電網(wǎng)峰值電壓計(jì)算：=一U=1.414220=311（V）整流后的最大值一個(gè)周期的導(dǎo)通時(shí)間=DTD是占空比，T是周期，考慮到為了防止IGBT的直

34、導(dǎo)通我們留有3的死區(qū)時(shí)間。=44一次側(cè)匝數(shù)：N=11匝=0.4T與磁導(dǎo)率無(wú)關(guān)，只與飽和磁密度和剩余磁通密度有關(guān)故一次側(cè)按11匝設(shè)計(jì)計(jì)算二次測(cè)匝數(shù)變壓器二次測(cè)電壓按空載電壓7500V計(jì)算。由計(jì)算公式：由于我們測(cè)得的電感=1.7mH=4.3H=553匝一二次繞組盡可能緊密禍合，減小漏感。3.2逆變電路的設(shè)計(jì)逆變器是把直流電能轉(zhuǎn)變成能的電力電子裝置，換句話說(shuō)，逆變器就是一種將直流電轉(zhuǎn)變?yōu)榈难b置。逆變器按照輸出的相數(shù)分類，可分為單相逆變器、三相逆變器兩種。三相半橋結(jié)構(gòu)可組成三相逆變器，3個(gè)相位互差120°的單相逆變器也可組成三相逆變器。因此，單相逆變器的技術(shù)可以應(yīng)用到三相逆變器中。半橋逆變器

35、半橋逆變器的主電路如圖3-1（A）所示，由兩個(gè)相等的電容C1和C2構(gòu)成一個(gè)橋臂，開關(guān)管Q1和Q2及其反并聯(lián)二極管D1和D2構(gòu)成另一個(gè)橋臂，兩個(gè)橋臂的中點(diǎn)A和B為輸出端，可以直接由這兩端輸出，也可以通過(guò)變壓器輸出。由于電容C1和C2容量相等，而且容量較大，所以Vc1=VC2=Vin/2,中間點(diǎn)B的電位基本保持不變，且V°=Vin/2。A點(diǎn)的電位則取決于Q1和Q2的工作情況。若Q1導(dǎo)通，則VAB=Vin/2,若Q2導(dǎo)通，則VAB=-Vin/2。所以變壓器二次側(cè)空載輸出電壓V0是一個(gè)方波交流電，寬度等于Ton，Ton為Q1或Q2的導(dǎo)通時(shí)間。幅值Vo=W2/Wl.Vin/2,Vo的頻率fs取

36、決于開關(guān)頻率，fs=1/TsTs為開關(guān)周期。若輸出端接電阻負(fù)載Rid，則負(fù)載電流波形和輸出端接電阻負(fù)載Rid，則負(fù)載電流波形和Vo相同，幅值IRd=Vo/RLd如圖3-1(B)所示。如果輸出C1C1VinC2TrW2Vo、圖3-1（B）圖3-1（A）端接電感負(fù)載L,則負(fù)載L的電流iL是三角波，當(dāng)Q1或Q2的導(dǎo)通時(shí)，在電容的作用下，線性增長(zhǎng)。電流的最大值iL=Vn/2Lf.WTW.D,D為Q1和Q2的占空比，D=Tn/T/2。當(dāng)Q1截止后il維持原方向不變，變壓器一次側(cè)電流經(jīng)二級(jí)管D2續(xù)流，于是電源電壓變負(fù),Vab=-V./2。由于電源的負(fù)壓變壓器電路下降，下降速度與增長(zhǎng)速度相同。感性負(fù)載的時(shí)候

37、Q1和Q2D1和D2都是輪流導(dǎo)通的。由于二極管的續(xù)流，電壓Vab和Vo形成一個(gè)負(fù)的電壓，如圖3-2所示。電感負(fù)載時(shí)如果Q1或者Q2導(dǎo)通時(shí)間超過(guò)了T/4時(shí)，V0是180°的方波，il變成了正負(fù)面積對(duì)稱的三角波，就不會(huì)再受Q1和Q2導(dǎo)通時(shí)間變化的影響。圖3-2電感負(fù)載輸出全橋逆變器全橋逆變器的主電路如圖3-3(A)所示，由四只功率管Q1Q4,反并聯(lián)二極管D1D4和變壓器Tr等組成。輸入直流電源電壓Vn，輸出交流電壓為Vo。變壓器Tr的一次繞組接于AB兩端，變壓器一次側(cè)繞組匝數(shù)為W1二次測(cè)繞組為W2變比為K=WW全橋逆變器有三種控制方式分別為雙極性控制、有限雙極性控制和移相控制。如圖3-3

38、(B)是雙極性控制方式下的波形。開關(guān)管為PW工作方式，在一個(gè)開關(guān)周期Ts的前半周期，Q1和Q4導(dǎo)通時(shí)間為Ton，Dy為占空比,Dy=Ton/Ts/2,后半周期為Q2和Q3導(dǎo)通，導(dǎo)通時(shí)間也為監(jiān)。Q1和Q4導(dǎo)通時(shí)，若不計(jì)開關(guān)管通態(tài)壓降，則變壓器一次側(cè)繞組上的電壓為VAFVn，Q2和Q3導(dǎo)通時(shí)VAB=Vn;Q1和Q4與Q2和Q3均截止時(shí)，VAfO。當(dāng)變壓器二次側(cè)開路時(shí)，變壓器一次側(cè)電壓VAB的波形，是一個(gè)方波電壓。調(diào)節(jié)開關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間，也就是調(diào)節(jié)占空比Dy,可以調(diào)節(jié)VAb的寬度，并調(diào)節(jié)VAb的有效值大小。二次側(cè)電壓Vo波形與VAB的波形相同，幅值為Vn/K。若變壓器二次側(cè)接電阻負(fù)載Rd，則有電流is

39、流過(guò)電阻，is的波形與Vo、VAb相同，幅值IS薩Vn/K.1/RLD。變壓器一次側(cè)電流ip的波形和二次側(cè)電流is相同，幅值Ipm=Vn/K2.1/RLD,此式可寫成lpm=Vn/R1,R1=K2.Rld，R1可以看成是二次側(cè)電阻Rd折算到一次側(cè)的值。在Q1和Q4導(dǎo)通時(shí)，流過(guò)的電流為Vn/R1,Q2和Q3導(dǎo)通時(shí)的電流也為Vn/R1，此時(shí)功率管的反并聯(lián)二極管時(shí)的電流也為Vn/R1，此時(shí)功率管的反并聯(lián)二極管D1D4中沒有電流流過(guò)。Q1Q2TD1D2TrVinW1W2RVoQ3D4圖3-3（A）全橋式圖3-3（B）全橋式逆變器主要波形若為電感負(fù)載L,Q1和Q4導(dǎo)通時(shí)，VAE=Vn,V。二Vn/K。在

40、V0的作用下，負(fù)載電流自零增加，Ima=Vn/K.1/L.DTs/2。Q1和Q4斷開后電流不可能突然變化，仍會(huì)沿著原來(lái)的方向流動(dòng)，所要會(huì)是D3和D4導(dǎo)通，及VAp-Vin，Vo的極性反向。在這種負(fù)電壓的作用下，電感電流會(huì)減小，減小的速度與Q1、Q4開通時(shí)的增長(zhǎng)速度一樣。在這種情況下，變壓器一次側(cè)和二次側(cè)電壓波形和阻性負(fù)載時(shí)有很大不同，出現(xiàn)一塊相同陰影的電壓面積（如圖3-4）。因此輸出電壓的波形不僅有Q1和Q4的導(dǎo)通狀態(tài)決定，而且與負(fù)載的性質(zhì)有關(guān)。圖3-4電感負(fù)載有限雙極性控制方式全橋控制的另一種控制方式是有限雙極性控制，有限雙極性控制的步驟為：首先讓橋臂的兩個(gè)管子（Q1和Q3為PWM工作方式，

41、另一個(gè)橋臂（Q2和Q4）輪流導(dǎo)通半個(gè)周期。在這種控制方式下，逆變器空載和電阻負(fù)載時(shí)的電壓和電流波形和雙極性的控制方式相同。電壓VB和輸出電壓Vo只與開關(guān)器件工作的狀態(tài)有關(guān)，與負(fù)載性質(zhì)和大小無(wú)關(guān)。移相控制方式全橋逆變器的第三種控制方式是移相控制方式，這種控制方式是Q1和Q3輪流導(dǎo)通，各導(dǎo)通180°角。Q3和Q4也一樣導(dǎo)通180°角。Q1先導(dǎo)通，Q4后導(dǎo)通，兩者導(dǎo)通相差一定的角度。其中Q1和Q3分別先于Q4和Q2導(dǎo)通，所以Q1和Q3組成的橋臂為超前橋臂，Q2和Q4組成的橋臂為滯后橋臂。移相控制時(shí)輸出電壓波形會(huì)畸變，方波電壓VaB的寬度僅與移相角有關(guān)，移相角越大，則VB波形越窄。

42、推挽逆變器推挽逆變器的主電路如圖（3-5）所示，主要有具有中心抽頭的變壓器、兩只開關(guān)管Q1和Q2與兩只二極管D1和D2組成，是完全對(duì)稱的結(jié)構(gòu)，而且Q1和Q2的發(fā)射極接電源的負(fù)端，驅(qū)動(dòng)十分方便，不需要隔離。變壓器兩個(gè)原邊繞組匝數(shù)相等，也就是Wil=Wi2=Wi，副邊繞組的匝數(shù)為W20若Q1和Q2工作在180°互補(bǔ)導(dǎo)通模式下，當(dāng)Q1導(dǎo)通時(shí)，電源電壓Vn加在W上，在W中感應(yīng)出與V相等的電勢(shì)，“*”端為“正”極性。Q2導(dǎo)通時(shí),Vn加在W上,W的電勢(shì)“*”端為“負(fù)”極性，所以W繞組中的電勢(shì)是一個(gè)180°的交變的方波電勢(shì)，幅值為Ew=WW.Vin。開關(guān)管Q1和Q2判斷時(shí)所承受的電壓Vq

43、i=V；2=Vn+el，e1為W或W的感應(yīng)電勢(shì)，且有e仁Vh,則諒=乂2=27。為了減小Q1和Q2關(guān)斷所產(chǎn)生的峰值電壓，W和W2繞組應(yīng)該緊密耦合。若輸出端接電阻負(fù)載，電阻為Rd，負(fù)載電流ird和輸出電壓V0的波形相同，電流幅值Ird=V0/Rld,如圖3-6所示。in1W1TTTTtf圖3-6推挽式逆變器主要波形3.3 逆變器對(duì)比半橋電路電壓利用率較低，其輸出端的電壓波形幅值只有直流母線電壓值的一半；但是在半橋電路中，可以利用兩個(gè)大電容C1和C2自動(dòng)補(bǔ)償不對(duì)稱波形，這是半橋電路的一大優(yōu)點(diǎn)，而且開關(guān)管承受的電壓為電源電壓，所以可以用在電源電壓較高的場(chǎng)合。全橋電路和推挽電路的電壓利用率是一樣的，都

44、比半橋電路的電壓大一倍。但全橋和推挽電路都存在變壓器直流不平衡問(wèn)題，需要采取解決措施。推挽電路有以下的優(yōu)點(diǎn)：1、電壓損失??；2、直流母線電壓只有一個(gè)開關(guān)管的管壓降損失；3、兩個(gè)開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)電路電源可以共用，可以不隔離，驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單。在低壓輸入的場(chǎng)合推挽式比較適用，低壓輸入的推挽式變壓器，原邊繞組匝數(shù)少，通常為了增加兩個(gè)繞組的對(duì)稱性采用并繞的方式，但是在變壓器制造工藝上加大了難度。中、大容量逆變器多采用全橋結(jié)構(gòu)，它的控制方法比較靈活，有多種控制方式。在不同的容量范圍里學(xué)著不同的開關(guān)器件，小容量的逆變器多用電力MOSFET大容量的逆變器多用IGBT,特大容量的逆變器則常用GTQ半橋式相對(duì)于全橋

45、式電路的開關(guān)管數(shù)量少，成本也就相應(yīng)的低。全橋式電路有四只開關(guān)管，需要兩組相位相反的驅(qū)動(dòng)脈沖分別控制兩對(duì)開關(guān)管，那就難免導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)電路的復(fù)雜。半橋式電路由于只有兩只開關(guān)管，不涉及同時(shí)通斷地問(wèn)題，驅(qū)動(dòng)電路相應(yīng)簡(jiǎn)單。半橋和全橋電路的適用場(chǎng)合也不相同。半橋式電路變壓器原邊電壓為±Vn/2，而全橋式電路變壓器原邊電壓為土Vn。功率的計(jì)算：P=V原邊*1輸入，要使輸出相同的功率，則半橋式電路的輸入電流是全橋式電路輸入電流的2倍；換句話說(shuō)，如果它們的開關(guān)電流相等，輸入電壓也相等，半橋式電路的輸出功率將是全橋式電路的一半。因此，半橋式電路不適用于大功率的逆變電路。由于其輸入電壓電流的不同，在變壓器的設(shè)

46、計(jì)上也存在一定的區(qū)別，半橋式電路變壓器原邊線徑要粗一些，圈匝數(shù)少一些。全橋式電路的原邊線徑要細(xì)一些，線圈匝數(shù)則要相對(duì)多一些。半橋式電路和全橋式電路與其他電路相比還有一個(gè)共同的優(yōu)點(diǎn)，他們?cè)诠ぷ鲿r(shí)都不需要泄放電阻，漏感中儲(chǔ)存的能量會(huì)直接回饋給主線路，電路的效率就相對(duì)變高。3.4緩沖電路的設(shè)計(jì)緩沖電路也稱為吸收電路，它是大功率變流技術(shù)中必不可少的組成部分。IGBT等功率器件在高頻電路中工作時(shí)，主電路中會(huì)存在一定的雜散電感和電容，在關(guān)斷時(shí)主電路的電流急劇變化，雜散電感上會(huì)誘發(fā)較高的電壓沖擊，是功率器件在關(guān)斷瞬間承受很大的涌浪電壓。還有IGBT反并聯(lián)的續(xù)流二極管反向恢復(fù)時(shí)兩端電壓會(huì)異常升高，也會(huì)產(chǎn)生相似

47、的涌浪電壓。這種涌浪電壓會(huì)影響IGBT的正常工作，如果開關(guān)損耗大，器件會(huì)過(guò)熱，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)斐蒊GBT的損壞。緩沖電路的工作原理目前應(yīng)用最多最成熟的IGBT緩沖電路有以下三種：RC緩沖電路、充放電型RCD緩沖電路、放電阻止型緩沖電路(A)RC型吸收(B)RCD型吸收?qǐng)D3-7(C)放電阻止型吸收如圖3-7(A)所示的RC型吸收電路，RC型吸收電路的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)很簡(jiǎn)單，它是現(xiàn)在工程實(shí)踐中運(yùn)用最多的吸收電路，缺點(diǎn)是它易于造成過(guò)沖電壓，并且在使用大容量的IGBT時(shí)，會(huì)引起集電極電流的升高，所以必須要增大電阻R，這樣IGBT的功能會(huì)受到一定的限制。RC型吸收電路適用于斬波電路和小容量、低頻率裝置。如圖3-7(B)所示的RCD吸收電路，此電路可以有效地避免阻容吸收電路所產(chǎn)生的振蕩，此緩沖電路中的快恢復(fù)二極管可有效的箝住瞬變電壓，有效的減小振蕩。在設(shè)計(jì)電路時(shí)，在快速二極管上并聯(lián)的電阻阻值可以適當(dāng)增加，也就是增加了緩沖電阻，避開了IGBT功能受限制的問(wèn)題。但功率進(jìn)一步增大時(shí)，主回路中寄生電感則會(huì)相應(yīng)的變得很大，也無(wú)法有效的控制瞬變電壓，它雖然能較好地克服過(guò)沖電壓的能力，但是它還是會(huì)引起集電極電流升高。放電阻止型緩沖電路如圖3-7（C）所示。該吸