畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）-高壓軟開關(guān)充電電源硬件設(shè)計(jì)

PAGEPAGE1.論文題目：高壓軟開關(guān)充電電源硬件設(shè)計(jì)姓名：摘要電源對(duì)于所有用電設(shè)備是必不可少的。開關(guān)電源取消了傳統(tǒng)電源采用的笨重的工頻變壓器，使得電源的體積大大縮小。電源中的電力電子器件工作在開關(guān)狀態(tài)，使整機(jī)效率很高。由于它具有體積小、重量輕和效率高的優(yōu)點(diǎn)，因而發(fā)展非常迅速，應(yīng)用范圍日益擴(kuò)大。本文簡要介紹了開關(guān)電源的基本結(jié)構(gòu)、工作原理以及其發(fā)展?fàn)顩r和技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，并對(duì)開關(guān)電源的分類和優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了闡述。本文還介紹了減小開關(guān)電源體積和開關(guān)損耗的技術(shù)——軟開關(guān)技術(shù)。在前面知識(shí)的基礎(chǔ)上，本論文利用諧振開關(guān)技術(shù)設(shè)計(jì)了一臺(tái)給高壓脈沖電容充電的高壓軟開關(guān)電源。在諧振開關(guān)技術(shù)中最適合給脈沖電容充電的電路是串聯(lián)諧振開關(guān)電路,輸出近似為恒流源或稱“等臺(tái)階充電”,突出的優(yōu)點(diǎn)是充電效率高且電路本身具有短路保護(hù)能力。整個(gè)裝置利用DSP實(shí)現(xiàn)電路的控制、PWM信號(hào)形成及電路的保護(hù)。由于采用了全數(shù)字的控制,充電的穩(wěn)定度很高。裝置的開關(guān)頻率是20kHz,屬于高頻,因此使得每次開關(guān)所充的電量較小,這大大提高了充電的精度。關(guān)鍵詞開關(guān)電源；軟開關(guān)；充電目錄摘要 1第1章緒論 31.1開關(guān)電源的發(fā)展?fàn)顩r 31.2開關(guān)電源的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì) 51.3本論文的研究目的 6第2章開關(guān)電源原理 72.1開關(guān)電源基本工作原理 72.2開關(guān)電源的分類 82.3開關(guān)電源優(yōu)缺點(diǎn) 92.3.1開關(guān)電源的優(yōu)點(diǎn) 92.3.2開關(guān)電源的缺點(diǎn) 102.4軟開關(guān)技術(shù)簡介 112.4.1硬開關(guān)與軟開關(guān) 112.4.2軟開關(guān)的分類 122.5本章小結(jié) 13第3章高壓軟開關(guān)充電電源硬件設(shè)計(jì) 143.1主電路設(shè)計(jì) 143.1.1主要技術(shù)指標(biāo) 143.1.2主電路選型 143.1.3電路的工作原理及方式 153.1.4主電路的各項(xiàng)參數(shù) 193.2控制及觸發(fā)電路的設(shè)計(jì) 223.2.1電壓電流檢測(cè) 223.2.2IGBT的驅(qū)動(dòng) 233.2.3DSP的選擇 243.2.4PWM波的形成 283.3電路的理想波形 293.4本章小結(jié) 30第4章結(jié)論 31參考文獻(xiàn) 32致謝 33緒論開關(guān)電源的發(fā)展?fàn)顩r開關(guān)電源屬于電力電子技術(shù)，他運(yùn)用功率變換器進(jìn)行電能變換，經(jīng)過變換電能，他可以滿足各種用電要求。開關(guān)電源是美國NASA用于宇宙火箭搭載電源目的而開發(fā)的。與線性電源相比開關(guān)電源具有體積小、重量輕、效率高的特點(diǎn)，被廣泛用于電視機(jī)、計(jì)算機(jī)、自動(dòng)控制裝置、產(chǎn)業(yè)機(jī)械、通信裝置等各個(gè)領(lǐng)域。特別是隨著半導(dǎo)體技術(shù)的進(jìn)步和信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，開關(guān)電源的需求量不斷擴(kuò)大。隨著現(xiàn)代半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，尤其是高性能的全控器件的產(chǎn)生，開關(guān)電源迎來了一個(gè)生機(jī)勃勃的春天。1．發(fā)展史1955年美國的科學(xué)家羅耶首先研制成功了利用磁芯的飽和來進(jìn)行自激振蕩的晶體管直流變換器。此后,利用這一技術(shù)的各種形式的晶體管直流變換器不斷地研制和涌現(xiàn)出來,從而取代了早期采用的旋轉(zhuǎn)式或機(jī)械振子式的壽命短、可靠性差、轉(zhuǎn)換效率低的換流設(shè)備。由于變換器中的功率開關(guān)管工作在開關(guān)狀態(tài),所以由此而制成的開關(guān)電源輸出的組數(shù)多、極性可變、效率高、體積小、重量輕,在當(dāng)時(shí)被廣泛地應(yīng)用于航天及軍事電子設(shè)備上。由于那時(shí)的微電子技術(shù)十分落后,不能制作出耐壓高、速度快、功率大的晶體管,所以這個(gè)時(shí)期的直流變換器只能采用低電壓輸入,并且轉(zhuǎn)換的速度也不能太高。60年代末,由于微電子技術(shù)的快速發(fā)展,高反壓的晶體管出現(xiàn)了,從此以后直流變換器就可以直接由市電經(jīng)整流濾波后輸入,不再需要有降壓變壓器了,從而極大地?cái)U(kuò)大了開關(guān)電源的應(yīng)用范圍,并在此基礎(chǔ)上誕生了無工頻降壓變壓器開關(guān)電源,省掉了工頻降壓變壓器,使開關(guān)電源的體積和重量大為減小。開關(guān)穩(wěn)壓電源才真正做到效率高、體積小、重量輕。70年代以后,與該技術(shù)有關(guān)的高頻高反壓的大功率晶體管、場(chǎng)效應(yīng)管、高頻電容、肖特基二極管、高頻磁芯材料等元器件也不斷地被研制和生產(chǎn)出來,使這一技術(shù)得到了飛速的發(fā)展,并且被廣泛地應(yīng)用于計(jì)算機(jī)、通信、航天、彩色電視等領(lǐng)域中,從而使無工頻變壓器開關(guān)電源成為各種電源中的佼佼者[1]。2．目前正在克服的困難隨著半導(dǎo)體技術(shù)和微電子技術(shù)的高速發(fā)展,集成度高、功能強(qiáng)的大規(guī)模集成電路的不斷出現(xiàn),使得電子設(shè)備的體積在不斷地縮小,重量在不斷地減輕,所以從事這方面的研究和生產(chǎn)的人們對(duì)電源中的開關(guān)變壓器還感到不是十分理想,他們正致力于研制出效率更高、體積和重量更小的開關(guān)變壓器或通過別的途徑來取代它,使之能滿足電子儀器和設(shè)備微小型化的要求。這就是從事開關(guān)電源研究的科技人員目前正在克服的第一個(gè)困難。開關(guān)電源的效率是與開關(guān)管的變換速度成正比的,并且由于采用了開關(guān)變壓器以后,才能使之由一組輸入得到極性、大小各不相同的多組輸出。要進(jìn)一步提高其效率,就必須提高其工作頻率。但是當(dāng)頻率提高以后,對(duì)整個(gè)電路中的元器件又有了新的要求。例如:高頻電容、開關(guān)管、開關(guān)變壓器、儲(chǔ)能電感、快速整流二極管等都會(huì)出現(xiàn)新的問題。進(jìn)一步研制出適應(yīng)高頻工作的有關(guān)電路元器件是從事開關(guān)電源研制的科技人員要解決的第二個(gè)問題。3.國內(nèi)發(fā)展概況我國的晶體管直流變換器及開關(guān)電源研制工作開始于60年代初,到60年代中進(jìn)入了實(shí)用階段,70年代初開始研制無工頻降壓變壓器開關(guān)電源。1.2開關(guān)電源的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)1.小型化由于電源小型花的關(guān)鍵是高頻化，因此國外目前都在致力于同步開發(fā)新型元器件，特別是改善二次整流的損耗，變壓器電容器小型化，同時(shí)采用SMT技術(shù)在電路板兩面布置元器件以確保開關(guān)電源的輕、小、薄。2.高效率開關(guān)電源高頻化使傳統(tǒng)的PWM開關(guān)（硬開關(guān)）功耗加大，效率降低，噪聲也提高了，達(dá)不到高頻、高效的預(yù)期效益，因此實(shí)現(xiàn)零電壓導(dǎo)通、零電壓關(guān)斷的軟開3.高可靠開關(guān)電源使用的元器件比連續(xù)工作電源多數(shù)十倍，因此降低了可靠性。追求壽命的延長要從設(shè)計(jì)方面著手，而不是從使用方面著想。美國一公司通過降低節(jié)溫、。4.模塊化可以用模塊電源組成分布式電源系統(tǒng)；可以設(shè)計(jì)成N+1冗余電源系統(tǒng)，從而提高可靠性；可5.低噪聲開關(guān)電源的又一缺點(diǎn)是噪聲大，單純追求高頻化，噪聲也隨之增大，采用部分諧振轉(zhuǎn)換回把變壓器設(shè)計(jì)成一二次分離阻燃密封，自身具備對(duì)付噪聲功能的共模無噪聲隔離變壓器，既節(jié)省了噪聲濾波器，又減少了噪聲。6.抗電磁干擾（EMI）當(dāng)開關(guān)電源在高頻下工作時(shí)，其噪聲通過電源線產(chǎn)生對(duì)其他電子設(shè)備的干擾，世界各國已經(jīng)有了抗EMI的規(guī)范或標(biāo)準(zhǔn)。7.電源系統(tǒng)的管理和控制應(yīng)用微處理器或微機(jī)集中控制與管理，可以及時(shí)反映開關(guān)電源環(huán)境的各種變化，中央處理單元實(shí)現(xiàn)智能控制，可自動(dòng)診斷故障，減少維護(hù)工作量，確保正常運(yùn)行。8.計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）利用計(jì)算機(jī)對(duì)開關(guān)電源進(jìn)行CAD設(shè)計(jì)和模擬試驗(yàn)十分有效，是最為快速經(jīng)濟(jì)的設(shè)計(jì)方法。9.產(chǎn)品更新加快目前的開關(guān)電源產(chǎn)品要求輸入電壓通用（適用世界各國電網(wǎng)電壓規(guī)范），出電壓規(guī)范擴(kuò)大（如計(jì)算機(jī)和工作站需要增加3.3V這一電壓）、輸入端功率因數(shù)進(jìn)一步提高，并具有安全、過壓保護(hù)等方面的功能[3]。1.3本論文的研究目的本論文是結(jié)合當(dāng)前開關(guān)電源的發(fā)展趨勢(shì)，以及今后將從事電源設(shè)計(jì)與制造工作的需要而完成的。通過完成本論文作者希望完成以下目的：1．在系統(tǒng)學(xué)習(xí)開關(guān)電2．在整個(gè)過程中3．在設(shè)計(jì)過程中掌4．通過對(duì)開關(guān)電源的開關(guān)電源原理開關(guān)電源基本工作原理開關(guān)K以一定的頻率重復(fù)的接通或斷開。在開關(guān)K接通時(shí)，輸入電源通過開關(guān)K當(dāng)電子開關(guān)K按一定的頻率開關(guān)時(shí)，導(dǎo)通時(shí)間越長，輸出電壓越高；導(dǎo)通時(shí)間越短，圖2-1開關(guān)電源示意圖開關(guān)電源的形式有很多種，其中尤其以脈沖寬度調(diào)制型（PWM）最為盛行，現(xiàn)在就以此種形式的開關(guān)電源介紹以下開關(guān)電源的工作原理。構(gòu)成。對(duì)于PWM方式而言，將頻率固定的震蕩源稱為時(shí)鐘震蕩器，這種電源利用檢測(cè)電路反開關(guān)電源的分類在電子技術(shù)和應(yīng)用飛速發(fā)展的今天,對(duì)電子儀器和設(shè)備的要求是,在性能上更加1.按激勵(lì)方式劃分分為他激式和自激式。他激式開關(guān)電源電路中專設(shè)激勵(lì)信號(hào)振蕩器；自激式開關(guān)功率管兼作振蕩管。該形式的開關(guān)電源電路結(jié)構(gòu)簡單,元器件少,可以做成低成本的開關(guān)電源。2.按調(diào)制方式劃分分為脈寬調(diào)制型、頻率調(diào)整型和混合調(diào)整型。脈寬調(diào)制型保持振蕩頻率保持不變,通過調(diào)節(jié)脈沖寬度來改變輸出電壓的大??；頻率調(diào)整型保持占空比保持不變(脈沖寬度保持不變),通過改變振蕩頻率來改變輸出電壓大??；混合調(diào)整型是脈沖寬度和振蕩頻率均可進(jìn)行調(diào)節(jié)的開關(guān)電源。3．按開關(guān)管電流的工作方式劃分分開關(guān)型和諧振型。開關(guān)型用開關(guān)晶體管把直流變成高頻標(biāo)準(zhǔn)方波,其電路形式類似于他激式；諧振型用開關(guān)晶體管與LC諧振回路將直流變成標(biāo)準(zhǔn)正弦波,其電路形式類似于自激式開關(guān)電源。4．按開關(guān)晶體管的類型劃分分為晶體管型和可控硅型。晶體管型采用晶體管(包括場(chǎng)效應(yīng)管)作為開關(guān)功率管；可控硅型采用可控硅作為開關(guān)功率管。這種電路的特點(diǎn)是直接輸入交流電壓,不需要一次整流部分。5．按儲(chǔ)能電感與負(fù)載的連接方式劃分分串聯(lián)型和并聯(lián)型。串聯(lián)型儲(chǔ)能電感串聯(lián)在輸入與輸出電壓之間；并聯(lián)型儲(chǔ)能電感并聯(lián)在輸入與輸出電壓之間。6．按晶體管的連接方法劃分分為單端式、推挽式、半橋式和全橋式。單端式僅使用7．按電路結(jié)構(gòu)劃分分為散件式和集成電路式。散件式整個(gè)開關(guān)電源電路都是采用分立式元器件組成的。這種電路的缺點(diǎn)是電路結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜；集成電路式整個(gè)開開關(guān)電源優(yōu)缺點(diǎn)開關(guān)電源的優(yōu)點(diǎn)1．功耗小、效率高開關(guān)電源結(jié)構(gòu)原理方框圖中的晶體管在激勵(lì)信號(hào)的驅(qū)動(dòng)下,其工作狀態(tài)處于導(dǎo)通—截止和截止—導(dǎo)通的開關(guān)狀態(tài),轉(zhuǎn)換速度很快,頻率一般為50kHz左右2．體積小、重量輕沒有了笨重的工頻降壓變壓器。由于調(diào)整管上的耗散功率大幅度地降低,因而省去了體積和重量都較大的散熱片。由于這兩方面的原因,故開關(guān)電源的體積小、重量輕。3．穩(wěn)壓范圍寬開關(guān)電源的輸出電壓是通過激勵(lì)信號(hào)的占空比來調(diào)節(jié)的,輸入電壓的波動(dòng)變化,較靈活,設(shè)計(jì)人員可以根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的需要和要求,靈活選用各種形式的穩(wěn)壓方法。4．濾波效率高,不需要較大容量的濾波電容開關(guān)電源的工作頻率目前基本上是工作在50kHz左右,是線性電源的1000倍,這使整流后的濾波效率幾乎也提高5．電路形式靈活多樣例如：有自激式和他激式；有調(diào)寬型和調(diào)頻型;有單端式和雙端式;有開關(guān)元件為晶體管式和開關(guān)元件為可控硅式等等。設(shè)計(jì)者可以發(fā)揮各種類型電路的特長,設(shè)計(jì)出能滿足各種不同應(yīng)用場(chǎng)合的開關(guān)電源。開關(guān)電源的缺點(diǎn)開關(guān)電源最為突出的缺點(diǎn)就是開關(guān)干擾較為嚴(yán)重。開關(guān)電源中的開關(guān)功率管軟開關(guān)技術(shù)簡介硬開關(guān)與軟開關(guān)現(xiàn)代電力電子裝置的發(fā)展趨勢(shì)是小型化、輕量化，同時(shí)對(duì)裝置的效率和電磁兼容在很多電路中，開關(guān)元件在電壓很高或電流很大的條件下，在門極的控制下開通或（a）軟開關(guān)的開通過程（b）軟開關(guān)的關(guān)斷過程圖2-2軟開關(guān)的開關(guān)過程軟開關(guān)的分類根據(jù)電路中主要開關(guān)元件是零電壓開通還是零電流關(guān)斷，可以將軟開關(guān)電路零電壓電路成準(zhǔn)諧振電路、零開關(guān)PWM電路和零轉(zhuǎn)換PWM電路。下面分別介紹上述三類軟開關(guān)電路。1.準(zhǔn)諧振電路這是最早出現(xiàn)的軟開關(guān)電路，其中有些現(xiàn)在還在大量使用。準(zhǔn)諧振電路可分為(1)零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振電路；(2)零電流開關(guān)準(zhǔn)諧振電路；(3)零電壓開關(guān)多諧振電路；(4)用于逆變器的諧振直流環(huán)電路。2.零開關(guān)PWM電路這類電路中引入了輔助開關(guān)來控制諧振的開始時(shí)刻，使諧振僅發(fā)生與開關(guān)過程前后。零開關(guān)PWM電路可以分為1）零電壓開關(guān)PWM電路；2)零電流開關(guān)PWM電路和準(zhǔn)諧振電路相比，這類電路有很多明顯的優(yōu)勢(shì)：電壓和電流基本上是方波，只是上升沿和下降沿圖2-3。a零電壓開關(guān)PWM基本開關(guān)單元b零電流開關(guān)PWM基本單元圖2-3零開關(guān)PWM電路的基本開關(guān)單元3.零轉(zhuǎn)換PWM電路這類軟開關(guān)電路還是采用輔助開關(guān)控制諧振時(shí)刻的開始時(shí)刻，所不同的是，諧振電路是與主開關(guān)并聯(lián)的，因此輸入電壓和負(fù)載電流對(duì)電路本章小結(jié)本章簡要介紹了開關(guān)電源的工作原理，并從多方面闡述了開關(guān)電源的詳細(xì)分類。討論了開關(guān)電源在應(yīng)用中的優(yōu)點(diǎn)和不足。本章還簡要介紹了軟開關(guān)技術(shù)以及軟開關(guān)和傳統(tǒng)的硬開關(guān)之間的不同，指出軟開關(guān)是實(shí)現(xiàn)開關(guān)電源高頻化、小型化和輕量化的理想途徑。第3章高壓軟開關(guān)充電電源硬件設(shè)計(jì)3.1主電路設(shè)計(jì)3.1.1主要技術(shù)指標(biāo)1．輸入電壓220V交流，輸出充電電壓0～2400V，直流；2．負(fù)載電容容量3133uF；3．輸出電流2安培直流；電源容量5kW；4．開關(guān)頻率20kHz，諧振頻率40kHz；5．電流檢測(cè)與電壓檢測(cè)；6．用DSP實(shí)現(xiàn)PWM控制。3.1.2主電路選型在諧振開關(guān)技術(shù)中最適合脈沖電容充電的電路是串聯(lián)諧振開關(guān)電路,輸出近似為恒流源或稱“等臺(tái)階充電”,突出的優(yōu)點(diǎn)是充電效率高且具有固有短路保護(hù)能力[6]。其主電路如圖3-1所示。由于電源功率大，采用全橋型電路，高頻變壓器的副邊也采用二極管整流橋進(jìn)行整流。圖3-1電容充電電源主電路示意圖圖中為串聯(lián)諧振電感(含變壓器漏感和線路分布電感);為串聯(lián)諧振電容。其工作原理和具體參數(shù)將在下面給出。3.1.3電路的工作原理及方式直流電壓（由市電經(jīng)過整流得到）經(jīng)過逆變電路逆變?yōu)轭l率很高的方波交流電，此高頻方波交流電在經(jīng)高頻變壓器生壓后，由二極管整流橋整流輸1方式一(</2)電流斷續(xù)工作,此方式下開關(guān)損耗低且干擾小,可實(shí)現(xiàn)開通時(shí)電流緩慢增加,關(guān)斷時(shí)為零電流關(guān)斷；2方式二(/2<<)電流連續(xù)工作,可實(shí)現(xiàn)零電流關(guān)斷。但開通時(shí),同一橋臂上的兩個(gè)開關(guān)管存在強(qiáng)迫換流,故開關(guān)損耗較大,干擾大；3方式三(>)電流連續(xù)工作,零電壓開通和硬關(guān)斷,開關(guān)損耗和干擾較大。因線路存在電感,斷時(shí)產(chǎn)生的電壓尖峰較高,極易損壞開關(guān)器件[7]。現(xiàn)在以圖3-2的電路來分析一下串聯(lián)負(fù)載DC—DC變換器的這三種運(yùn)行方式。a串聯(lián)負(fù)載DC/DC變換電路b等效電路圖3-2串聯(lián)負(fù)載DC/DC變換電路及等效電路由圖可知，電感和電容形成串聯(lián)諧振，并與負(fù)載串聯(lián)，經(jīng)過諧振的電流在負(fù)載來說，可有如下四種狀態(tài)：(1)當(dāng)>0時(shí)T+導(dǎo)通:=+，；D-導(dǎo)通:=，。(2)當(dāng)<0時(shí)T-導(dǎo)通:=，；D+導(dǎo)通:=+，。諧振槽上的電壓取決于電流的方向以及哪個(gè)開關(guān)器件導(dǎo)通。上述方程所描斷續(xù)導(dǎo)通(</2)應(yīng)用諧振方程可計(jì)算出電流和電壓的穩(wěn)態(tài)波形，如圖3-3所示。在時(shí)刻，開關(guān)T+開通，電感電流從零開始建立，電容電壓的初始值為，電流和電壓在各區(qū)間的等效電路示于圖3-3中。圖3-3電流斷續(xù)運(yùn)行.連續(xù)導(dǎo)通(/2<<)當(dāng)/2<<時(shí)，開關(guān)T+在處開通。開通條件不是零電流和零電壓條件流二極管反向，所以開關(guān)是在零電流、零電壓條件下自然關(guān)斷的。.連續(xù)導(dǎo)通(>)這種運(yùn)行狀態(tài)與以前討論的連續(xù)導(dǎo)通狀態(tài)有所不同，當(dāng)/2<<時(shí)在期間:在期間:充電電流平均值:==（3-1）由上式可見,在諧振參數(shù)和輸入電壓一定時(shí),充電電流與開關(guān)頻率成正比。開關(guān)頻率恒定,則充電電流恒定。充電電流與負(fù)載電壓無關(guān),因而具有較強(qiáng)的抗負(fù)載短路能力[8]。圖3-4諧振電感電流波形3.1.4.主電路的各項(xiàng)參數(shù)諧振參數(shù)充電電路的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖3-5。圖3-5系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖圖中R1、R2、D1為放電保護(hù)電路;為串聯(lián)諧振電感(含變壓器漏感和線路分布電感);Cr為串聯(lián)諧振電容。因，負(fù)載電容的影響可忽略不計(jì)。故有為諧振周期，為開關(guān)頻率，為開關(guān)周期[9]?，F(xiàn)已取高頻變壓器變比n=15；變壓器原邊電壓為311V方波電壓供電，其基波有效值198V；取26.4H，C取0.6F。這樣有=41.1Hz輸入整流如圖3-6，為了使電路給逆變器提供一個(gè)穩(wěn)定的電壓，輸入整流段需進(jìn)行變壓器隔離和濾波，且在電流輸入端設(shè)置一熔斷器，為電源提供保護(hù)，防止電流過大而損害設(shè)備。圖3-6輸入整流電路輸出整流由于功率大，輸出整流采用橋式整流電路。但由于輸出電壓較高，將超過單個(gè)二極管所承受的最高反向電壓，為安全起見，下圖3-7中的每個(gè)二極管將由三個(gè)二極管串聯(lián)起來一起使用，并選用快恢復(fù)二極管。圖3-7輸出整流電路逆變參數(shù)在主電路中，IGBT選擇富士電機(jī)公司的2MBI175N-120，電流控制電路如圖3-8，其具體參數(shù)和電路見表3-1。圖3-8IGBT電流控制電路表3-1IGBT具體參數(shù)項(xiàng)目符號(hào)額定值單位集電極電壓1200V門極電壓V集電極電流連續(xù)75A1ms脈沖150A連續(xù)-75A1ms-脈沖150A最大能量消耗600W工作溫度+150℃存儲(chǔ)溫度-40到+125℃絕緣電壓交流2500（1分鐘）V調(diào)節(jié)扭矩裝備13.5接線端13.53.2控制及觸發(fā)電路的設(shè)計(jì)3.2.1電壓電流檢測(cè)如圖3-9所示，電路的控制及觸發(fā)信號(hào)的產(chǎn)生均由DSP芯片產(chǎn)生。電路的控制很簡單，在圖3-9霍爾傳感器端子說明：IN+：輸入電壓正；IN–：輸入電壓負(fù)；+：正電源；—：負(fù)電源；M：輸出端；⊥：公共地?；魻杺鞲衅鞯妮敵龆薓接A/D轉(zhuǎn)換器，把數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)輸入給DSP[10]。輸出電流采用霍爾電流傳感器采集信號(hào)，為DSP提供控制信號(hào)和保護(hù)信號(hào).3.2.2IGBT的驅(qū)動(dòng)IGBT的驅(qū)動(dòng)信號(hào)充分利用了DSP的功能，DSP產(chǎn)生PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)，但此PWM信號(hào)圖3-10EXB系列集成驅(qū)動(dòng)器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖EXB系列驅(qū)動(dòng)器的各引腳功能如下：腳1：連接用于反向偏置電源的濾波電容器；腳2：電源（＋20V）；腳3：驅(qū)動(dòng)輸出；腳４：用于連接外部電容器，以防止過流保護(hù)電路誤動(dòng)作（大多數(shù)場(chǎng)合不需要該電容器）；腳5：過流保護(hù)輸出；腳6：集電極電壓監(jiān)視；腳7、8：不接；腳9：電源；腳10、11：不接；腳14、15：驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸入（—，＋）[11]。3.2.3DSP的選擇目前市場(chǎng)上DSP品種繁多，數(shù)不勝數(shù)，僅是大的DSP生產(chǎn)廠家就有TI公司、Lucent.、T&T、AD、Motorola等公司，其中TI公司被公認(rèn)為DSP領(lǐng)域的技術(shù)領(lǐng)導(dǎo)者和開拓者。本課題決定采用TI公司專為數(shù)字電機(jī)控制而設(shè)計(jì)的TMS320F240芯一個(gè)不犧牲系統(tǒng)精度和性能的數(shù)字解決方案。TMS320F240外型見圖3-1圖3-11DSP引腳圖TMS320CALU。ARAU的主要功能是對(duì)8個(gè)輔助寄存器(從AR0到AR7)執(zhí)行算術(shù)操作，該操作可與CALU中的操作并行進(jìn)行。以下是F240的特點(diǎn)：1．TMS320F2XX核心（1）32位的中央算術(shù)邏輯單元(CALU);（2）32位加法器;（3）16位X16位并行乘法器，32位乘積;（4）三個(gè)定標(biāo)移位寄存器;（5）8個(gè)16位輔助寄存器，帶有一個(gè)專用的算術(shù)單元，用來做數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的間接尋址。2．存儲(chǔ)器（1）片內(nèi)544X16位的雙端口數(shù)據(jù)/程序RAM;（2）16K字X16位的片內(nèi)PROM或閃存EPROM;（3）224K字X16位的最大可尋址存儲(chǔ)器空間(64K字的程序空間，64K字的數(shù)據(jù)空間，64K字的I/O空間和32K字的全局空間)；（4）有軟件等待狀態(tài)發(fā)生器的外部存儲(chǔ)器接口模塊，具有16位地址總線和16位數(shù)據(jù)總線；（5）支持硬件等待狀態(tài)。 3．程序控制（1）4級(jí)管道操作;中斷。4．指令系統(tǒng)（1）與TMS320家族的C2X,C2XX,CSX定點(diǎn)產(chǎn)品在源代碼級(jí)兼容；（2）單指令重復(fù)操作；5．電源（1）靜態(tài)CMOS技術(shù)；（2）4種低電源模式以降低電源損耗；（6．事件管理器（1）12個(gè)比較/脈寬調(diào)制(PWM)通道(其中9個(gè)相互獨(dú)立)；8．28個(gè)獨(dú)立可編程的多路復(fù)用110引腳。9．基于鎖相環(huán)的時(shí)鐘模塊。10．帶實(shí)時(shí)中斷(RTI)的看門狗（WD）定時(shí)器模塊。11．串行通訊接口(SCI)[12]。3.2.4PWM波的形成PWM波形的產(chǎn)生主要利用了TMS32OF240的事件管理器模塊?，F(xiàn)在重點(diǎn)介紹其中的通用定時(shí)器，與全比較和簡單比較單元相關(guān)的PWM單元。輸出以及和比較單元的匹配信號(hào)等。通用定時(shí)器的計(jì)數(shù)方式有六種，分別為：停止/保持、單個(gè)遞增計(jì)數(shù)、連續(xù)遞增計(jì)數(shù)、雙向遞增/遞減計(jì)數(shù)、單個(gè)遞增/遞減計(jì)數(shù)以及連續(xù)遞增/遞減計(jì)數(shù)。通過這種方法，所產(chǎn)生的輸出脈沖的開關(guān)時(shí)間就會(huì)與比較寄存器的值成比例。圖3-12DSP內(nèi)部PWM發(fā)生電路框圖圖3-12所示為F240內(nèi)部PWM控制信號(hào)發(fā)生電路框圖。為了獲得對(duì)稱PWM輸出，我們?cè)谲浖现豁氉鲆韵鹿ぷ鳎海?）配置ACTR來定義全比較輸出引腳的極性；不會(huì)互相重疊以至擊穿，6路PWM脈沖還帶有可編程死區(qū)。設(shè)置死區(qū)定時(shí)器的控制寄存器(DBTCON)的相應(yīng)位來確定死區(qū)時(shí)間[13]。3.3電路的理想波形如下圖3-13所示，分別是諧振電流波形Z，及Z和Z的理想驅(qū)動(dòng)波形。圖3-13諧振電流波形及Z、和Z、Z的驅(qū)動(dòng)波形電源輸出波形如圖3-14。圖3-14電源輸出電流波形脈沖電容的理想波形如下圖3-15。圖3-15脈沖電容C上的電壓3.4本章小結(jié)本章主要介紹了高壓軟開關(guān)充電電源的設(shè)計(jì)過程。詳細(xì)討論了串聯(lián)負(fù)載型DC—DC變換電路的工作原理和三種工作方式，并指出串聯(lián)負(fù)載型DC—DC變換電路是最適合與給高壓脈沖電容充電的電路形式。本章還介紹了用霍爾傳感器進(jìn)行電壓和電流的檢測(cè)方法，以及用EXB841對(duì)IGBT進(jìn)行驅(qū)動(dòng)的方法，以及用DSP產(chǎn)生PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)所要做的工作。給出了充電電源的理想驅(qū)動(dòng)波形和電容電壓波形。第4章結(jié)論經(jīng)過一個(gè)學(xué)期的學(xué)習(xí)和研究，我對(duì)開關(guān)電源的理論和設(shè)計(jì)方法有了更深刻的認(rèn)識(shí)，結(jié)合作者在完成論文過程中所學(xué)到的知識(shí)及獲得的經(jīng)驗(yàn)，可得到以下結(jié)論：1．串聯(lián)諧振開關(guān)電路工作于恒流源狀態(tài)。綜合考慮充電效率、電路實(shí)現(xiàn)難易程度、體積等該電路是最適合電容器充電的。在基本電路的基礎(chǔ)上進(jìn)行技術(shù)革新,提高充電穩(wěn)定度,能使其適應(yīng)大范圍的重復(fù)頻率及儲(chǔ)能電容的容量變化。應(yīng)用前景將十分廣泛是傳統(tǒng)充電電源的升級(jí)換代品。2．采用了當(dāng)前比較流行的PWM與諧振變換相結(jié)合的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)，這大大減小了開關(guān)損耗。采用高頻開關(guān)功率DC/DC變換技術(shù)，從而大大減小了電源的體積和電源的噪聲，基本消除了噪聲對(duì)環(huán)境的污染。3．采用DSP技術(shù)應(yīng)用于開關(guān)電源的控制系統(tǒng)，有效地簡化了線路設(shè)計(jì)、增加了輸出電流和電壓的穩(wěn)定性、減少了輸出電流波形失真度，從而提供更加穩(wěn)定、精確、高質(zhì)量的電壓波形。同時(shí)，數(shù)字化的控制較模擬化控制更加智能化、網(wǎng)絡(luò)化，調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)更加方便，滿足對(duì)高質(zhì)量開關(guān)電源的可靠性和實(shí)時(shí)控制的要求。本論文的完成過程只有一個(gè)學(xué)期，時(shí)間很短，加之本人知識(shí)水平有限，對(duì)各種開關(guān)電源的理解還不夠深入，所以論文只能在一個(gè)教淺的層面進(jìn)行討論。特別是缺乏實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，使得所有的研究只限于理論，不足之處我深感遺憾，并爭取在今后的學(xué)習(xí)、工作中進(jìn)一步提高認(rèn)識(shí)，彌補(bǔ)欠缺。參考文獻(xiàn)1黃剛.開關(guān)電源及其功率