1、1緒論1.1 論文的研究背景電源設(shè)備用以實(shí)現(xiàn)電能變換和功率傳遞， 是一種技術(shù)含量高、 知識(shí)面寬、更新?lián)Q代快的產(chǎn)品?，F(xiàn)今已廣泛應(yīng)用到工業(yè)、能源、交通、運(yùn)輸、信息、航空、航天、航運(yùn)、國(guó)防、教育、文化等領(lǐng)域。在信息時(shí)代，上述各行各業(yè)都在迅猛地發(fā)展，發(fā)展的同時(shí)又對(duì)電源產(chǎn)業(yè)提出了更多更高的要求。 顯然，電源技術(shù)的發(fā)展將帶動(dòng)相關(guān)技術(shù)的發(fā)展， 而相關(guān)技術(shù)的發(fā)展反過來又推動(dòng)了電源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。 當(dāng)前在電源產(chǎn)業(yè)，占主導(dǎo)地位的產(chǎn)品有各種線性穩(wěn)壓電源、通訊用的 acdc 開關(guān)電源、 dc dc 開關(guān)電源、交流變頻調(diào)速電源、電解電鍍電源、高頻逆變式整流焊接電源、中頻感應(yīng)加熱電源、電力操作電源、正弦波逆變電源、大功率高頻

2、高壓直流穩(wěn)壓電源、綠色照明電源、化學(xué)電源、 ups、可靠高效低污染的光伏逆變電源、風(fēng)光互補(bǔ)型電源等。而與電源相關(guān)的技術(shù)有高頻變換技術(shù)、功率轉(zhuǎn)換技術(shù)、數(shù)字化控制技術(shù)、全諧振高頻軟開關(guān)變換技術(shù)、 同步整流技術(shù)、高度智能化技術(shù)、電磁兼容技術(shù)、功率因數(shù)校正技術(shù)、保護(hù)技術(shù)、并聯(lián)均流控制技術(shù)、脈寬調(diào)制技術(shù)、變頻調(diào)速技術(shù)、智能監(jiān)測(cè)技術(shù)、智能化充電技術(shù)、微機(jī)控制技術(shù)、集成化技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、各種形式的驅(qū)動(dòng)技術(shù)和先進(jìn)的工藝技術(shù)。1.2 脈沖電源的特點(diǎn)及發(fā)展動(dòng)態(tài)脈沖電源是各種電源設(shè)備中比較特殊的一種，顧名思義，它的電壓或電流波形為脈沖狀。按脈沖電源的輸出特性分類，有高頻、低頻、單向、雙向、高壓、低壓等不同的分類，

3、具體選擇怎樣的輸出電壓、 輸出電流和開關(guān)頻率， 根據(jù)具體的應(yīng)用場(chǎng)合而定。按脈沖波形分，有矩形波、三角波、梯形波、鋸齒波等多種形式，如圖 11 所示。圖 11 各種脈沖波形由于矩形波具有較好的可控性和易操作性，所以這種波形的應(yīng)用居多。 究其本質(zhì)，脈沖電源實(shí)質(zhì)上是一種通斷的直流電源，它的基本工作原理是： 首先經(jīng)過慢儲(chǔ)能，使初級(jí)能源具有足夠的能量，然后向中間儲(chǔ)能和脈沖成形系統(tǒng)放電 ( 或流入能量 ) ，能量經(jīng)過儲(chǔ)存、壓縮、形成脈沖或轉(zhuǎn)化等復(fù)雜過程之后，形成了脈沖電源。1.3 脈沖電源的應(yīng)用及研究現(xiàn)狀由于脈沖電源斷續(xù)供電的特性， 在很多領(lǐng)域都獲得了廣泛的應(yīng)用， 其應(yīng)用領(lǐng)域包括：脈沖電鍍、極性相和非極性

4、相的相分離、工業(yè)廢氣處理、脈沖電解污水處理、高頻脈沖感應(yīng)加熱、高功率激光泵、產(chǎn)生高功率帶電粒子束、電弧焊接、電火花加工、靜電除塵、臭氧制取和表面熱處理等。在軍事上，脈沖電源還用于電磁軌道炮、電磁脈沖模擬、粒子束武器、液電爆炸等領(lǐng)域。下面簡(jiǎn)要介紹脈沖電源的幾種典型應(yīng)用。（1）脈沖電源在電加工領(lǐng)域的應(yīng)用傳統(tǒng)電鍍采用直流電流， 而采用脈沖電鍍具有比直流電鍍更優(yōu)異的性能。 脈沖電鍍能控制金屬電沉積， 通過改變脈沖參數(shù)來改善鍍層的物理化學(xué)性能， 從而可以節(jié)約貴金屬和獲得功能性鍍層。脈沖電流的波形有方波、三角波、鋸齒波、階梯波等，但就目前的應(yīng)用情況來看， 方波脈沖在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用最為普遍， 對(duì)脈沖電鍍的研

5、究也多圍繞方波進(jìn)行展開。 由方波脈沖演變過來的脈沖形式有直流疊加脈沖、周期換向脈沖和間斷脈沖。 直流疊加脈沖是在直流基波上疊加了一個(gè)方波脈沖，這種方法的電鍍效果與單脈沖基本相當(dāng)。 周期換向脈沖電鍍實(shí)際就是雙向脈沖電鍍， 是指在正向陰極脈沖之后引入反向陽極脈沖的電流形式， 這種方式目前在國(guó)內(nèi)應(yīng)用較多， 主要是為了得到高致密性且具有一定光潔度的鍍層。 間斷脈沖是脈沖的一種周期性中斷， 由于有間歇時(shí)間的存在， 利于放電離子的充分恢復(fù)，可使脈沖極限電流密度提高。（2）脈沖電源在環(huán)境工程領(lǐng)域的應(yīng)用及研究現(xiàn)狀脈沖電源技術(shù)最近幾十年在環(huán)境治理和保護(hù)領(lǐng)域中蓬勃發(fā)展， 顯示出了廣闊的應(yīng)用前景，因此脈沖電源技術(shù)在

6、環(huán)境工程領(lǐng)域的應(yīng)用自然而然的成為國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)的研究熱點(diǎn)。主要表現(xiàn)在以下一個(gè)方面。1）脈沖電暈等離子體法凈化工業(yè)廢氣脈沖電暈等離子體法凈化廢氣是近十年發(fā)展起來的新技術(shù)， 是目前國(guó)內(nèi)外環(huán)境治理新技術(shù)的研究熱點(diǎn)。 其機(jī)理是利用前沿陡峭、 窄脈寬 ( 納秒級(jí) ) 的高壓脈沖電暈放電，在常溫下獲得非平衡等離子體，即產(chǎn)生大量的高能電子和 o, oh等活性粒子，對(duì)工業(yè)廢氣中的有害氣體分子進(jìn)行氧化、 降解等反應(yīng)， 使污染物最終轉(zhuǎn)化為低毒或無毒物質(zhì)。 該類脈沖電源常見的結(jié)構(gòu)形式有脈沖變壓器式電源、 空心變壓器 (tesla ) 諧振充電式電源和磁壓縮式電源。 其中脈沖變壓器式電源技術(shù)較為成熟，因此獲得了廣泛的應(yīng)用

7、。 從國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有的研究資料看， 可利用納秒級(jí)高壓脈沖電暈放電產(chǎn)生等離子體化學(xué)技術(shù)凈化的廢氣有 :so2, nox、甲苯、二甲苯、二氯甲烷、已醇等。脈沖電暈等離子體法脫硫脫氮技術(shù)具有很強(qiáng)的應(yīng)用前景， 是國(guó)內(nèi)外普遍關(guān)注的熱點(diǎn)。美國(guó)、日本、荷蘭、俄羅斯、大利等國(guó)積極開展研究，國(guó)內(nèi)曾將該研究列為 “九五” 攻關(guān)項(xiàng)目。脈沖電暈等離子體法脫硫脫氮技術(shù)的主要研究熱點(diǎn)是高壓窄脈沖電源的研制、 反應(yīng)器結(jié)構(gòu)優(yōu)化、 脫硫脫氮、等離子體化學(xué)反應(yīng)機(jī)理及添加劑的選取等。2）高壓脈沖放電廢水處理由于高電壓技術(shù)易于實(shí)現(xiàn)高能化， 近年來將高電壓技術(shù)用于處理難處理工業(yè)污水的研究己引起了國(guó)內(nèi)外研究者們的極大的興趣。 李勁、李勝利等

8、提出了高壓脈沖放電等離子體水處理技術(shù)。高壓脈沖放電廢水處理基于以下四種效應(yīng) : 高能電子轟擊 ; 臭氧殺菌 ; 紫外線的光化學(xué)處理作用 ; 放電等離子體中產(chǎn)生的活性自由基的作用。高壓脈沖放電等離子體水處理技術(shù)使放電生產(chǎn)的臭氧與水直接作用，簡(jiǎn)化了傳統(tǒng)臭氧凈水技術(shù)中氣體干燥、 電極冷卻、 水氣混合等程序， 使裝置小型化，不僅避免了臭氧質(zhì)量濃度隨時(shí)間的衰減， 而且充分發(fā)揮放電產(chǎn)生的活性粒子的凈化作用。 因此，與傳統(tǒng)的臭氧凈水方法相比， 高壓脈沖等離子體水處理顯然具有更好的應(yīng)用前景。 高壓脈沖放電廢水處理的研究熱點(diǎn)主要集中在高壓脈沖電源的設(shè)計(jì)和等離子體生成法的優(yōu)化設(shè)計(jì)。脈沖靜電除塵傳統(tǒng)靜電除塵采用直流

9、高壓供電方式。 在這種供電方式下， 由于粉塵層等效電容效應(yīng)會(huì)造成反電暈現(xiàn)象， 導(dǎo)致除塵率下降。 當(dāng)采用脈沖供電時(shí)， 除塵器粉塵層的等效電容在脈沖施加期間只充上很少的電荷， 在脈沖消失期間所充電荷基本放完，所以除塵器粉塵層上不會(huì)因積累電荷形成高電壓而使粉塵造成反電暈。因此與常規(guī)直流電源供電的除塵器相比， 脈沖供電電源除塵器的除塵效果更佳。 此外，對(duì)于不同比電阻的粉塵，可通過調(diào)整直流基壓、脈沖頻率和占空比，使之達(dá)到最佳除塵效果。 脈沖靜電除塵是一種先進(jìn)的空氣凈化技術(shù)， 如果將之與脫硫脫氮技術(shù)相結(jié)合， 采用微秒級(jí)或納秒級(jí)的脈沖供電電源，可以實(shí)現(xiàn)脫硫脫氮技術(shù)與除塵技術(shù)一體化。目前國(guó)內(nèi)外電除塵脈沖供電電

10、源大多采用在直流基礎(chǔ)電壓上迭加脈沖電壓的設(shè)計(jì)方案， 這種電源設(shè)計(jì)方案需要用兩臺(tái)變壓器構(gòu)成兩套電源，分別用于產(chǎn)生直流基壓和脈沖電壓，因此電源的結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)都比較復(fù)雜，價(jià)格昂貴，在一定程度上限制了其的推廣應(yīng)用。（3）脈沖電源在其他領(lǐng)域的應(yīng)用1）脈沖焊接電源電弧焊是焊接方法中應(yīng)用最為廣泛的一種， 它通過電弧供給加熱能量， 使工件熔合在一起， 達(dá)到原子間的接合。 弧焊電源是電弧焊機(jī)中的主要部分， 是對(duì)焊接電弧提供能量的一種裝置， 它必須具有電弧焊接所要求的主要電氣性能。 沒有性能良好工作穩(wěn)定的弧焊電源， 很難保證電弧穩(wěn)定燃燒和焊接過程順利進(jìn)行， 同時(shí)也很難得到良好的焊接接頭， 最終先進(jìn)的焊接工藝更是

11、不可能實(shí)現(xiàn)的。 弧焊電源常用脈沖形式，脈沖焊接可獨(dú)立地調(diào)節(jié)峰值電流、基值電流、脈沖寬度、脈沖周期或頻率等規(guī)范參數(shù)，表現(xiàn)在焊接工藝上，可增大焊縫的深寬比、防止燒穿、減小熱影響區(qū)、增加熔池的攪拌作用。逆變弧焊電源重量輕、省材料、節(jié)能，而且控制性能好，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快。目前在工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家，手工電弧焊、鎢極氫弧焊tig)、氫氣電弧焊 cmig)、c02電弧焊 (mag)和等離子切割等己廣泛采用逆變電源。目前逆變焊接電源的發(fā)展和研究主要集中在以下一些方面 : 功率開關(guān)器件向 igbt 更新?lián)Q代 ; 磁性材料的發(fā)展 ; 功率控制方式的發(fā)展 ; 自動(dòng)化及智能控制技術(shù)的應(yīng)用。逆變弧焊電源采用傳統(tǒng)的模擬控制方式， 存

12、在著一些弊端， 很大程度上制約了逆變弧焊電源的進(jìn)一步發(fā)展， 由此產(chǎn)生并推動(dòng)了數(shù)字化焊接電源的發(fā)展。 目前，國(guó)外已有數(shù)字化焊接電源產(chǎn)品問世，最具代表性的如奧地利 froniijs公司生產(chǎn)的 tr.anspi.ussynergic系列 tps2700/400015000全數(shù)字化焊接電源。它的心臟部分是一個(gè)數(shù)字信號(hào)處理器， 由它集中處理所有焊接數(shù)據(jù)， 監(jiān)測(cè)和控制整個(gè)焊接過程，焊機(jī)具有引弧、精確控制電弧、專家系統(tǒng)、一機(jī)多功能、焊接數(shù)據(jù)接口和評(píng)價(jià)系統(tǒng)等功能。 在國(guó)內(nèi)，數(shù)字化焊接電源尚處于探索性研究階段，某些高校和科研機(jī)構(gòu)己在這方面開展了工作。上海交通大學(xué)焊接研究所1999 年提出了“數(shù)字化焊接電源” 的

13、研究課題，北京工業(yè)大學(xué)材料學(xué)院分析了數(shù)字化焊接電源的特征，提出了“全數(shù)字化控制焊接電源的方案”，華南理工大學(xué)提出了基于dsp的弧焊逆變電源數(shù)字化控制系統(tǒng)。2）脈沖激光電源激光器在工業(yè)生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用， 其中尤以 c仇激光器，燈泵浦 yag固體激光器，以及準(zhǔn)分子激光器為主。 激光電源是激光系統(tǒng)中一個(gè)重要的組成部分， 是決定激光器整體性能的重要因素。 目前國(guó)內(nèi)應(yīng)用較廣， 技術(shù)上比較成熟的脈沖激光電源主要包括諧振充電式激光電源， 開關(guān)型高頻脈沖電源。 諧振充電式激光電源在激光器電源中應(yīng)用十分廣泛， 它的原理簡(jiǎn)單，經(jīng)過長(zhǎng)期應(yīng)用，技術(shù)上較為成熟，但整套裝置體積龐大， 可控硅全橋整流的控制和驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜，

14、成本較高。開關(guān)型高頻脈沖電源主要利用開關(guān)器件將一種形式的電能轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N形式的電能，這類激光電源的體積小，重量輕，高效節(jié)能，動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快。 70 年代中后期出現(xiàn)了 mos場(chǎng)效應(yīng)晶體管，特別是 80 年代問世的功率 mosfet，以及派生的 mos 型絕緣柵雙極型晶體管 igbt，其特性和功能的改善和發(fā)展，使激光電源技術(shù)得到了極大的促進(jìn)。1.4 課題的主要內(nèi)容由于脈沖電源擁有廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域，因此研制高效、高可靠性、智能化、輸出特性優(yōu)良的脈沖電源對(duì)工程應(yīng)用有重要的實(shí)際意義。 同時(shí)，脈沖電源的研究涉及電力電子、新型功率開關(guān)器件的應(yīng)用、自動(dòng)控制技術(shù)、電磁理論、材料科學(xué)和電路系統(tǒng)建模、優(yōu)化等多方面內(nèi)容

15、，因此具有廣泛的理論和學(xué)術(shù)意義。本文的研究重點(diǎn)在于高壓脈沖電源采用單片機(jī)控制高頻 pwm調(diào)制芯片 sg3525 工作時(shí)間的方法，改變逆變電路工作狀態(tài)，最終使系統(tǒng)輸出脈沖波形。其輸出脈沖電壓幅度連續(xù)可調(diào)， 脈寬和頻率也均可由用戶在規(guī)定范圍內(nèi)調(diào)整。 同時(shí)還采取了有效的電源輸出保護(hù)策略， 當(dāng)系統(tǒng)過流時(shí)， 立即進(jìn)行保護(hù)動(dòng)作， 且不會(huì)因?yàn)閷?shí)現(xiàn)保護(hù)功能而引起其他器件的損壞或?qū)τ脩粼斐扇松韨Γ?研究出一種安全性高，穩(wěn)定可靠的可調(diào)高壓脈沖電源。2脈沖電源總體結(jié)構(gòu)2.1 脈沖實(shí)現(xiàn)方式實(shí)現(xiàn)脈沖電源的方式有很多， 但歸結(jié)起來大致可分為三種。 第一種是利用儲(chǔ)能元件，如 l，c 的充放電實(shí)現(xiàn)脈沖輸出；第二種是利用逆變

16、將直流電變換為脈沖輸出；第三種是利用直流斬波原理輸出脈沖電壓。比較而言， 儲(chǔ)能放電法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能獲得高壓窄脈沖，但脈沖波形不易控制，脈沖參數(shù)不易調(diào)節(jié)。逆變法是利用開關(guān)管將直流電轉(zhuǎn)換成一定頻率的脈沖， 這種電路的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜， 由于采用了高頻變壓器使其體積、 重量、效率均有所提高， 但它的缺點(diǎn)也在于脈沖的幅值、頻率、占空比不易調(diào)節(jié)。2.2 脈沖電源總體結(jié)構(gòu)圖 2 2 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖圖 2.2 為系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖。 系統(tǒng)工作流程為： 系統(tǒng)上電之后， 用戶通過鍵盤設(shè)定滿足要求的系統(tǒng)輸出脈寬和頻率， 其間全部設(shè)定操作過程均可在液晶頁(yè)面上得以體現(xiàn)。當(dāng)按下“ enter鍵后，單片機(jī)立即產(chǎn)生高低電平控制

17、sg3525工作時(shí)間，單片機(jī)引腳輸出高電平時(shí) sg3525不工作，則無驅(qū)動(dòng)脈沖，系統(tǒng)輸出脈沖低電平；反之，系統(tǒng)輸出脈沖高電平。通過輸出信號(hào)采樣及檢測(cè)電路，系統(tǒng)輸出的脈沖電壓、電流、脈沖和頻率都會(huì)顯示到液晶屏幕上。系統(tǒng)運(yùn)行過程中，可按下“ modify”鍵，進(jìn)入修改頁(yè)面進(jìn)行輸出參數(shù)的重新設(shè)定。3系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì).1 主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)3.1.1 常用拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)開關(guān)變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)指能用于轉(zhuǎn)換、 控制和調(diào)節(jié)輸入電壓的功率開關(guān)元件和儲(chǔ)能元件的不同配置。 開關(guān)變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可分為兩種基本類型， 非隔離型和隔離型 6 。非隔離型電路即各種直流斬波電路， 根據(jù)電路形式的不同， 可以分為降壓型 (buck) 電

18、路、升壓型 (boost) 電路、升降壓 (buck boost) 型電路、 cuk 型電路。降壓型電路只能升壓不能降壓， 輸出與輸入同極性， 輸入電流脈動(dòng)大， 輸出電流脈動(dòng)小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。升壓型電路只能升壓不能降壓，輸出與輸入同極性，輸入電流脈動(dòng)小，輸出電流脈動(dòng)大，不能空載工作，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。隔離型電路指輸入側(cè)與輸出側(cè)通過一個(gè)高頻變壓器隔離，可實(shí)現(xiàn)多路輸出。常用的有正激式、反激式、推挽式、半橋和全橋。正激型電路較簡(jiǎn)單，成本低，可靠性高，但變壓器單向勵(lì)磁，利用率低，適用于各種中小功率開關(guān)電源。反激型電路非常簡(jiǎn)單， 成本很低，可靠性高，驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單， 但難以達(dá)到較大的功率，適用于小功率場(chǎng)合。 全橋型電

19、路中變壓器雙向勵(lì)磁， 容易達(dá)到較大功率， 但電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高，可靠性低，需要復(fù)雜的多組隔離驅(qū)動(dòng)電路，有直通和偏磁問題，適用于大功率工業(yè)開關(guān)電源、焊接電源、電解電源等。由于本電源輸出功率不高，輸出最大電流為 10ma，最大電壓為 50kv，最大輸出功率為 500w，屬中小功率，故可采用半橋式逆變電路作為主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。3.1.2 半橋逆變式變換器工作原理半橋逆變電路具有高頻變壓器利用率高， 截止開關(guān)管極間承受的電壓低， 抗不平衡能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，其工作原理如圖 31 所示 9-11 。當(dāng)上管 vfl 的柵極驅(qū)動(dòng)脈沖變?yōu)楦唠娖綍r(shí)， vfl 飽和導(dǎo)通，此時(shí)加在 vf2 漏極的高壓電源 +300v 經(jīng)

20、 c31 到變壓器 t1 的原邊繞組，再經(jīng) c33 到地，形成 c33 的充電回路。圖 3.1 半橋式功率變換器簡(jiǎn)化電路而電容器 c32 則經(jīng) tl 、c31、vf l 放電。使 2 個(gè)電容器中點(diǎn)電位 va 在前半周期結(jié)束時(shí)升高了 avel 。當(dāng) vfl 變?yōu)榻刂埂?2 尚未導(dǎo)通時(shí)，兩管中點(diǎn)電壓 vo 又恢復(fù)到接近 12 的半電源電壓值。當(dāng)橋壁下管 vf2 的柵極驅(qū)動(dòng)脈沖變?yōu)楦唠娖綍r(shí)， vf2 飽和導(dǎo)通，電源電流又由 +300v 經(jīng) c32、 t1、c31 到地，形成 c32 充電回路。此時(shí) vfl 截止， c33 則經(jīng) t1、c31、飽和導(dǎo)通的 vf 2 放電。因此中點(diǎn)電壓 v 在后半周期結(jié)

21、束時(shí)又下降了 ve 20 如果電路參數(shù)對(duì)稱，則 avel =ve 2，中點(diǎn)電位 v 在開關(guān)過程中將以電源電壓一半值e2 為中心，按 v e 幅度作指數(shù)規(guī)律的上升和下降變化。半橋逆變電路的工作波形如圖32 所示。其中 a、b 是兩路驅(qū)動(dòng)脈沖電壓波形，它們的相位差為1800。在驅(qū)動(dòng)電壓的輪流開關(guān)作用下，半橋變換器的 2 只功率 mosfet 交替導(dǎo)通和截止， 在變壓器 t1 的原邊產(chǎn)生高壓開關(guān)脈沖，從而在副邊感應(yīng)出交變的方波脈沖，實(shí)現(xiàn)功率轉(zhuǎn)換。當(dāng)開關(guān)管 vf l(或 2)導(dǎo)通時(shí)，加于變壓器原邊繞組上的電壓是電容器c32(或c33)兩端的電壓。在電路中，由于開關(guān)管特性不一致，引起開關(guān)管vf l 的導(dǎo)

22、通時(shí)間比開關(guān)管 vf 2 的長(zhǎng)，則電容 c32 兩端的平均電壓就會(huì)比電容c33 兩端的低。故vfl 導(dǎo)通時(shí)，加于變壓器原邊繞組兩端電壓的幅值，就會(huì)比2 導(dǎo)通時(shí)的要低，從而就能夠使加到變壓器原邊繞組兩端正負(fù)方波的伏秒積分始終維持相等。 因此，此電路的抗不平衡能力是比較強(qiáng)的。雖然半橋逆變電路自身具有抗不平衡能力，但在實(shí)際應(yīng)用電路中， 通常在高頻變壓器原邊電路中，串入一只容量足夠大的電容 c31。其作用是用來進(jìn)一步增強(qiáng)電路的抗不平衡能力，防止由于開關(guān)管的特性差異而造成變壓器磁芯飽和。圖 3.2 半橋式逆變電路工作原理波形3.2 高頻開關(guān)電源主要功能模塊3.2.1 全隔離單相交流調(diào)壓模塊由于本脈沖電源

23、系統(tǒng)適用于不同負(fù)載，因此要求輸出脈沖電壓的幅值需要在10kv-,50kv 連續(xù)可調(diào)，那么就需要設(shè)計(jì)電壓調(diào)節(jié)電路。 為了簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)，本論文引入全隔離單相交流調(diào)壓模塊。該模塊是集同步變壓器、相位檢測(cè)電路、移相觸發(fā)電路和輸出可控硅于一體，當(dāng)改變控制電壓的大小， 就可改變輸出可控硅的觸發(fā)相角， 即實(shí)現(xiàn)單相交流電的調(diào)壓。 根據(jù)輸出可控硅器件不同分一只雙向可控硅的普通型，兩只單向可控硅反并聯(lián)的增強(qiáng)型和一只單向可控硅的半波型等三類。按單相交流負(fù)載的額定電壓分220v 和 380v 兩類，按控制信號(hào)的不同分e、f、g、h型等四類。根據(jù)要求，本系統(tǒng)采用普通型dty220d40e型交流調(diào)壓模塊。圖33 為此模塊

24、 220v 交流電網(wǎng)控制電路圖。圖 3.3 220v交流電網(wǎng)自動(dòng)控制電路圖為輸出端，即模塊內(nèi)部可控硅的兩極，增強(qiáng)型和普通型的端無極性，半波型模塊內(nèi)部單向可控硅的陽極接端，陰極接端。 為模塊內(nèi)部同步變壓器初級(jí)，分220vac 和 380vac 兩種規(guī)格： 220vac 規(guī)格的模塊允許使用在165-240vac范圍的電網(wǎng)上， 380vac 規(guī)格的模塊允許使用在285-420vac的電網(wǎng)上，不分極性。com為內(nèi)部地端， con為控制端， +5v 端為內(nèi)部產(chǎn)生，只供電位器手動(dòng)控制用。的強(qiáng)電部分和+5v、con、com端的弱電部分為全隔離，其應(yīng)用電路如下所示。圖34 為其輸入輸出關(guān)系曲線及波形圖。有關(guān)技

25、術(shù)指標(biāo)及應(yīng)注意的問題為：(1) 通過加在負(fù)載上的電壓相位和端的電壓相位必須一致，否則失控。電網(wǎng)頻率須為50hz。(2)con 對(duì) com必須為正，如極性相反則輸出端失控 ( 全開或全閉 ) 。當(dāng)控制端 con從 0-5v 改變時(shí)，交流負(fù)載上的電壓從 0v 到最大值可調(diào) ( 對(duì)阻性負(fù)載而言 ) 。其中 con在 o08v 左右時(shí)為全關(guān)閉區(qū)域，可靠關(guān)斷模塊的輸出；con在08v-一 4 6v左右為可調(diào)區(qū)域，即隨著控制電壓的增大，導(dǎo)通角a 從 180。到0。線性減小，交流負(fù)載上的電壓從0v 增大到最大值； con在 46v5v 左右時(shí)為全開通區(qū)域，交流負(fù)載上的電壓為最大值。圖 3.4 控制電壓與可控

26、硅輸出導(dǎo)通角關(guān)系曲線及波形圖(3)con 對(duì) com的輸入阻抗分 e、f 和 h型均為大于等于30kf2；g型為 250fl 。+5v 電壓信號(hào)只提供給手控電位器用，不作它用，所選用的電位器阻值在2kcj-10kq間，注：4ma-20ma的 g型不能用電位器手動(dòng)調(diào)節(jié)， 此時(shí) +5v端也沒有用處。(4) 單相交流異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速原則上應(yīng)采用變頻器，只有風(fēng)機(jī)類、水泵類單相電機(jī)在要求不高的場(chǎng)合可采用單相調(diào)壓模塊。(5) 三只單相調(diào)壓模塊不能使用在三相電網(wǎng)上對(duì)三相負(fù)載調(diào)壓。(6) 弱電部分、強(qiáng)電部分、模塊底板相互間絕緣電壓均大于2000vac。(7) 整個(gè)模塊的發(fā)熱量按負(fù)載實(shí)際電流安培數(shù)乘 15wa

27、計(jì)算，散熱器可選用的型號(hào)有 e40、 f 70、f100 及 g系列。3.2.2 輔助電源電路輔助電源電路是一個(gè)系統(tǒng)的核心， 是保障系統(tǒng)正常運(yùn)行的必要條件。 開關(guān)電源的穩(wěn)壓精度高， 但是只能穩(wěn)定一路電壓。 本系統(tǒng)的信號(hào)處理電路和各種驅(qū)動(dòng)電路需要多組直流穩(wěn)壓電源為系統(tǒng)供電。 所以單純的選擇開關(guān)電源既不經(jīng)濟(jì)也無法滿足系統(tǒng)的要求。所以本系統(tǒng)采用 2 個(gè)三端穩(wěn)壓塊分別構(gòu)成 +12v和+5v穩(wěn)壓電路輸出，如圖 35 所示。+12v電源為脈寬調(diào)制芯片sg3525及各功能電路的運(yùn)算放大器供電；+5v電源主要為單片機(jī)及其所有外圍設(shè)備供電，包括a d轉(zhuǎn)換芯片 maxl97，多路選擇器 cd4052，以及液晶模塊

28、及其背光電源。圖 3.5 輔助電源電路電網(wǎng)電壓經(jīng)過變壓器與橋式整流電路后變成直流電。在經(jīng)過一個(gè)有極性電容和一個(gè)無極性電容后濾去低頻和高頻諧波分量，在穩(wěn)壓塊的輸入端產(chǎn)生一個(gè)基本穩(wěn)定的電壓，經(jīng)過穩(wěn)壓塊后產(chǎn)生一個(gè)穩(wěn)定的直流電壓。穩(wěn)壓塊的輸入端要滿足在電網(wǎng)電壓下降至最低時(shí)還至少比輸出端的電壓高3v。由于 +5v所提供的負(fù)載電流很低所以可以直接將其連接至+12v 穩(wěn)壓塊的后端，這樣節(jié)省了變壓器副端的輸出。3.2.3 脈沖形成電路本系統(tǒng)選擇 at89c51作為主控芯片，選擇脈寬調(diào)制芯片sg3525提供半橋逆變電路開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)脈沖，通過主控芯片at89c51產(chǎn)生控制脈沖改變sg3525驅(qū)動(dòng)脈沖時(shí)間形成最終系

29、統(tǒng)輸出的高壓脈沖。下面簡(jiǎn)要介紹所用到的芯片和脈沖產(chǎn)生電路 12-13 。(1)sg3525 簡(jiǎn)介sg3525采用雙列直插式封裝， cmos工藝，具有功耗小、驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)、開關(guān)動(dòng)作快、外接元件少等優(yōu)點(diǎn)。各引腳功能如下：1、2 引腳分別為互差放大器的反相輸入端和同相輸入端，3 腳為同步輸出端， 4 腳為振蕩器輸出， 5、6 腳分別外接內(nèi)部振蕩器的時(shí)基電容和電阻，7 腳接放電電阻， 8 腳為軟啟動(dòng)， 9 腳為誤差放大器的頻率補(bǔ)償端，10 腳為關(guān)斷控制端， 11、 14 腳為驅(qū)動(dòng)脈沖輸出端， 12腳為接地端，13 腳接輸出管集電極電源， 15 腳接 sg3525的工作電源，16 腳為 51v基準(zhǔn)電壓引出

30、端。sg3525內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖36 所示，它在第一代脈寬調(diào)制芯片sg3524的基礎(chǔ)上作了較大的改進(jìn)，克服了 sg3524的不足成為第二代集成電路脈沖寬度調(diào)制器，特別適合于半橋逆變電路的驅(qū)動(dòng)信號(hào)控制。主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：第一，電路中設(shè)置了欠壓鎖定和限流關(guān)斷電路。為了在欠壓狀態(tài)下 (u25v 時(shí)，欠電壓封鎖電路就開始工作，其上限值為 8v，但在電路達(dá)到 8v 前，電路各部分已進(jìn)入正常工作狀態(tài)，而當(dāng)從 8v 下降到 7 5v 時(shí)，鎖定電路又開始恢復(fù)工作，其中有 05v 的回差電壓， 用于消除鉗位電路在閾值點(diǎn)處的振蕩。 在鎖定電路工作期間，輸出一高電平，加至組合邏輯門電路的輸入端， 以封鎖 pw

31、m的脈沖信號(hào)。 sg3525 沒有電流限制放大器，它采用了關(guān)斷控制電路來進(jìn)行限流控制，只要將信號(hào)加于 10 腳就能實(shí)現(xiàn)限流控制。另外， 10 腳也可提供各種程序控制的需要。第二，改進(jìn)了振蕩電路。 主要是將時(shí)基電容 ct的放電電路與充電電源分開，單獨(dú)設(shè)立引腳 7，ct放電通過外接電阻 rd來實(shí)現(xiàn)，改變 rd即可改變 ct的放電時(shí)間常數(shù)，從而改變了死區(qū)時(shí)間， 而 ct的充電是由 ib 規(guī)定的內(nèi)部電流源決定的。振蕩器的振蕩頻率為：第三，輸出電路的改進(jìn)。 sg3525 輸出級(jí)采用了圖騰柱輸出電路，它能使輸出管更快地關(guān)斷， vl 由達(dá)林頓管組成， 最大驅(qū)動(dòng)能力為 100ma，vz 作為開關(guān)器件，在其導(dǎo)通

32、時(shí)可以迅速把外接 mos管柵極上的電荷從它的集電極泄放至地， 最大吸收電流為 50ma。sg3525的脈寬調(diào)制過程為： sg3525的 15 腳為電源輸入端，其啟動(dòng)電壓為 8v 以上。當(dāng)電壓從 8v 降低至 7 5v 時(shí)，欠壓鎖定電路開始工作。輸出端 11 和 14 無脈沖輸出。當(dāng) 15 腳建立正常工作電壓后，其內(nèi)部即建立恒壓源和恒流源，為其內(nèi)部電路正常工作提供能源。通過5，6 腳外接定時(shí)元件以及7 腳放電端，使 5 腳產(chǎn)生鋸齒波信號(hào)， 加于內(nèi)部比較器的輸人端。 當(dāng)誤差放大器輸出端 9 腳電壓上升時(shí)，比較器輸出的脈沖寬度變窄， 11 或 14 腳輸出的脈沖寬度反而變寬；當(dāng)誤差放大器輸出端 9

33、腳電壓下降時(shí)，情況與上述相反，從而實(shí)現(xiàn)輸出脈寬調(diào)制，并控制脈寬調(diào)制信號(hào)的頻率。 2 腳接基準(zhǔn)電壓， 1 腳為輸出電壓取樣端。當(dāng) 1 腳電壓升高時(shí)，經(jīng)誤差放大 9 腳電壓下降，反之， 9 腳電壓上升。 9 腳上電壓的上升和下降；最終都表現(xiàn)在 11， 14 腳輸出脈沖的寬窄變化上，以實(shí)現(xiàn)電路的自動(dòng)穩(wěn)壓調(diào)節(jié)。 10 腳為檢測(cè)電路輸入端，即可用作過流檢測(cè)或過壓檢測(cè)。當(dāng)10 腳輸人高電位時(shí)，將關(guān)閉11，14 腳的脈沖輸出，以保護(hù)開關(guān)管不受損壞。圖 3.6 sg3525 內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖(2) 控制脈沖產(chǎn)生電路設(shè)計(jì)本系統(tǒng)通過單片機(jī) at89c51控制 sg3525的工作時(shí)間來產(chǎn)生半橋逆變電路的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，具體電

34、路如圖 37 所示。用戶通過鍵盤把要求的系統(tǒng)輸出脈寬和頻率值輸入單片機(jī)， 使其 p10 引腳輸出控制脈沖， 高低電平時(shí)間可以通過程序算法求得。單片機(jī) p10 引腳接到 sg3525的關(guān)斷控制引腳。當(dāng) p10 為高電平時(shí)，觸發(fā) sg3525關(guān)斷引腳使其關(guān)斷，同時(shí)引腳 11、14 停止輸出驅(qū)動(dòng)脈沖。這樣，半橋逆變電路的開關(guān)管無觸發(fā)信號(hào)無法工作， 此時(shí)刻開始為系統(tǒng)輸出脈沖的低電平時(shí)間；反之，當(dāng)單片機(jī) p10 引腳輸出低電平時(shí)，此時(shí)刻開始為系統(tǒng)輸出脈沖的高電平時(shí)間。圖 3.7 脈沖產(chǎn)生電路設(shè)輸出頻率設(shè)定值為fre_set ，脈寬設(shè)定值為pl_wid_set ，則 at89c51的 p1 0 引腳輸出高

35、電平的時(shí)間為：低電平時(shí)間為：當(dāng) p1 0 引腳輸出電平由高電平變到低電平時(shí)，由于sg3525有軟啟動(dòng)功能，系統(tǒng)軟啟動(dòng)。為了提高系統(tǒng)動(dòng)作的及時(shí)性，應(yīng)把軟啟動(dòng)延時(shí)電容值取得小一些。本論文取軟啟動(dòng)電容為1000pf2000pf。否則軟啟動(dòng)時(shí)間過長(zhǎng)，系統(tǒng)輸出電壓上升過慢，致使整個(gè)脈沖波形無法滿足要求。3.2.4 高壓脈沖電源的控制及穩(wěn)定整個(gè)系統(tǒng)的控制由tms320f2812 dsp芯片和 igbt 驅(qū)動(dòng)器來實(shí)現(xiàn)，主要通過恒定導(dǎo)通時(shí)間 - 恒頻控制的方法實(shí)現(xiàn)lcc串并聯(lián)諧振充電電路的軟開關(guān)，減少開關(guān)損耗，調(diào)節(jié)輸出電壓 ; 及利用變頻變寬的控制方法實(shí)現(xiàn)后級(jí)脈沖形成電路的輸出脈沖控制和 igbt 同步觸發(fā)等

36、。tms320f2812開發(fā)板，內(nèi)部集成了16 路 12 位 a/d 轉(zhuǎn)換器、兩個(gè)事件管理器模塊、一個(gè)高性能 cpld器件 xc95144xl,可實(shí)現(xiàn)過壓、過流保護(hù)在內(nèi)的電源系統(tǒng)運(yùn)行全數(shù)字控制，提高輸出電壓的精度和穩(wěn)定度。 且采用軟件編程實(shí)現(xiàn)控制算法，使得系統(tǒng)升級(jí)、修改更為靈活方便。根據(jù)開關(guān)穩(wěn)壓電源的相關(guān)原理，結(jié)合本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，論文采用脈寬調(diào)制控制芯片 sg3525實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓功能，利用單相交流調(diào)壓模塊實(shí)現(xiàn)電壓調(diào)節(jié)功能，設(shè)計(jì)了一個(gè)穩(wěn)壓調(diào)壓電路，如圖 38 所示。圖 3.8 穩(wěn)壓調(diào)壓電路電路中取 8kq 的同軸電位器，取 4 個(gè) rpl=10mq串聯(lián)分壓， r47=160kf2，r48=r49=

37、2kq。橋式整流濾波電路和系統(tǒng)輸出端分壓電阻的選取，可以保證當(dāng)同軸電位器滑到最上端和最下端時(shí)，分別對(duì)應(yīng)輸出電壓的最大值和最小值，同時(shí)a點(diǎn)和 a7 點(diǎn)的分壓值均為 25v。下面詳細(xì)介紹此電路工作過程。穩(wěn)壓過程：穩(wěn)壓過程其實(shí)即為pwm控制芯片 sg3525常見應(yīng)用。當(dāng)輸出電壓升高時(shí)，電壓反饋信號(hào)經(jīng)過同軸電位器后進(jìn)入sg3525的1 腳，與2 腳的基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，1腳電壓比2 腳高時(shí)，內(nèi)部放大器輸出端為低電平，隨之9 腳電壓降低，11 腳和14 腳的輸出脈沖變窄，然后驅(qū)動(dòng)逆變電路縮短開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)間，所以輸出電壓又下降，最終系統(tǒng)維持動(dòng)態(tài)平衡于輸出電壓值。 輸出電壓降低時(shí)與上述情況相反。調(diào)壓過程：首先

38、可以明確，圖38 中的同軸電位器與交流調(diào)壓模塊和橋式整流濾波電路形成一個(gè)負(fù)反饋回路。當(dāng)需要升高輸出電壓時(shí)， 將同軸電位器向上滑動(dòng)，則 a 點(diǎn)分壓值降低，小于比較器 icl 同相輸入端的 25v 基準(zhǔn)電壓，輸出高電平。由于電容 c49的存在，調(diào)壓模塊輸出電壓緩慢升高，輸出電壓升高。同時(shí) a 點(diǎn)電位隨之升高，由負(fù)反饋?zhàn)饔?a 點(diǎn)電位最終動(dòng)態(tài)平衡于 25v 基準(zhǔn)電壓。這樣，保證了輸入控制電壓穩(wěn)定， 控制更加精確。 調(diào)低輸出電壓過程與上述過程相反。本電路的一大特色的引入了同軸電位器，其用意是為了使輸出電壓紋波減小。當(dāng)用戶調(diào)低輸出電壓時(shí)， 若半橋逆變電路的輸入電壓沒有相應(yīng)的減小， 很容易出現(xiàn)系統(tǒng)輸出電壓

39、紋波過大的現(xiàn)象。若半橋逆變電路的輸入電壓不隨之下降， sg3525 輸出觸發(fā)脈沖寬度將明顯減小，進(jìn)而變壓器副邊繞組輸出電壓脈沖寬度明顯變窄，紋波增大。為此，在調(diào)壓電路中增設(shè)同軸電位器。當(dāng)需要調(diào)低輸出電壓時(shí)，向下滑動(dòng)同軸端， a 點(diǎn)電位升高，經(jīng)比較器 icl 后，單相交流調(diào)壓模塊的控制端電壓隨之降低， 即輸入電壓降低， 保證變壓器副邊繞組輸出脈沖脈寬基本保持不變，有效減小輸出電壓紋波。3.2.5 驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)電路是電力電子主電路與控制電路之間的接口， 是電力電子裝置的重要環(huán)節(jié)，對(duì)整個(gè)裝置的性能有很大的影響 14-15 。采用性能良好的驅(qū)動(dòng)電路，可使電力電子器件工作在較理想的開關(guān)狀態(tài)， 縮短開關(guān)時(shí)

40、間， 減小開關(guān)損耗， 對(duì)裝置的運(yùn)行效率、可靠性和安全性都有很重要的意義。 本系統(tǒng)采用雙端全隔離型驅(qū)動(dòng)電路，如圖 39 所示。從 sg3525驅(qū)動(dòng)輸出端輸出幅值約為 15v 的方波電壓，經(jīng)過耦合電容 c34 后，直接加在驅(qū)動(dòng)變壓器兩端，電阻 r31及 r32是用來抑制寄生振蕩的，而電阻 r33與 r34是用來加速場(chǎng)效應(yīng)管關(guān)斷的。綜上所述，本系統(tǒng)所采取的驅(qū)動(dòng)電路開關(guān)頻率高、 驅(qū)動(dòng)功率大、 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且工作穩(wěn)定可靠，保證功率級(jí)與控制級(jí)安全隔離。一般的驅(qū)動(dòng)電路還可以采用光耦隔離， 使橋臂分別導(dǎo)通。 但是光耦隔離最大的問題在于：如果某一個(gè)光耦驅(qū)動(dòng)出現(xiàn)故障壞掉， 那么此通路可能將一直保持高電平的通路狀態(tài)，不

41、會(huì)使場(chǎng)效應(yīng)管關(guān)斷，那么這將導(dǎo)致同一橋臂的兩個(gè)管子同時(shí)導(dǎo)通，這是十分危險(xiǎn)， 也是萬萬不能的。 如果采用變壓器隔離驅(qū)動(dòng)的形式控制場(chǎng)效應(yīng)管的導(dǎo)通和關(guān)斷，絕對(duì)不會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)開關(guān)管同時(shí)導(dǎo)通的現(xiàn)象。如果驅(qū)動(dòng)出現(xiàn)故障，最壞的情況就是兩個(gè)管子都保持關(guān)斷的狀態(tài)， 通過以上的考慮， 所以沒有采用光耦驅(qū)動(dòng)。圖 3.9 驅(qū)動(dòng)電路圖 3 9 中也包括變壓器初級(jí)繞組的吸收電路 16-18 。開關(guān)穩(wěn)壓電源中的最高的反沖電壓，是在開關(guān)管截止時(shí)產(chǎn)生的， 這個(gè)很高的反沖電壓就產(chǎn)生在開關(guān)變壓器初級(jí)繞組的兩端， 同時(shí)也加在功率場(chǎng)效應(yīng)管漏極和源極之間， 這樣就對(duì)開關(guān)管是一個(gè)很大的威脅， 為了消除或減少這種威脅， 將吸收電路加在開關(guān)變壓器

42、初級(jí)繞組的兩端，這樣就保證了開關(guān)管的安全，也保證了電路的安全。圖 3 9 中采用的是電容器 c36 和電阻 r35串聯(lián)后，與初級(jí)繞組兩端并聯(lián)，其目的是為了使高頻自由振蕩變成低頻自由振蕩， 自由振蕩頻率低了， 那么向外輻射的干擾就會(huì)降低很多。 當(dāng)開關(guān)管截止時(shí)， 由于在初級(jí)繞組兩端并聯(lián)了比分布電容大得多的電容 c36(一般在幾百幾千 pf) ，結(jié)果使其自由振蕩頻率降低了，又由于在電路中串聯(lián)了消耗能量的電阻 r35(一般在幾百幾千 q)，所以使振蕩很快衰減下去。3.2.6 倍壓整流電路一般的高壓電源均采用變壓器進(jìn)行升壓， 但容易增大電源設(shè)備體積。 為了使設(shè)備小型化， 本系統(tǒng)采用了倍壓電路升壓。 倍壓

43、電路具有升壓變壓器的作用， 并且不使用濾波電容。倍壓整流電路的作用是，不僅可以將交流電換成直流電( 整流 ) ，而且能夠在一定的變壓器副邊電壓之下，得到高出若干倍的直流電壓( 倍壓 ) 。只要倍壓電路中使用電容的總體積不是很大，就可以減小整個(gè)電源設(shè)備的體積 19-24 。圖 3.10 普通倍壓電路圖 3 10 所示為普通的多倍壓電路，以正弦波輸入為例。 u2 為正半周，電源電壓通過 vd3l 將電容 c37充電到 2u2，然后在負(fù)半周時(shí) ( 如圖 310(c) ，vd32導(dǎo)通，此時(shí)電容c37 上的電壓 uc37 與 u，的極性一致，它們共同將電容c38 充電到2 2uz。 到 下一個(gè)正 半周

44、時(shí) ( 如 圖 3 10(b)，通過vd33 向 c39 充 電，uc39=u2+uc38-ue37=2 2u。而在另一個(gè)負(fù)半周時(shí) ( 如圖 310(c) ，通過 vd3 向 c40 充電，uc40=u2 +uc37+ue39-u 。3s=2 2u2。依此類推，可以分析出電容 c41、c42 等也都充電到 22u2，它們的極性如圖 310 所示。最后，只要把負(fù)載接到有關(guān)電容組的兩端，就可以得到相應(yīng)的多倍壓直流輸出。圖 310 所示電路的優(yōu)點(diǎn)是每個(gè)電容上的電壓不會(huì)超過變壓器次級(jí)峰值電壓的 2 倍，所以可以選用耐壓較低的電容。缺點(diǎn)是電容串聯(lián)放電，紋波大。這樣會(huì)帶來很多危害：(1) 容易在用電器上產(chǎn)

45、生諧波，而諧波會(huì)產(chǎn)生較多的危害；(2) 降低了電源的效率；(3) 較強(qiáng)的紋波會(huì)造成浪涌電壓或電流的產(chǎn)生，導(dǎo)致燒毀用電器；(4) 會(huì)干擾數(shù)字電路的邏輯關(guān)系，影響其正常工作；(5) 會(huì)帶來噪音干擾，使圖像設(shè)備、音響設(shè)備不能正常工作。圖 3.11 雙向 4 倍壓整流電路由于本電源輸出 10kv50kv 高壓，對(duì)于紋波大小的控制更是至關(guān)重要。 所以本論文采用了一種雙向倍壓整流的方案， 即把高壓變壓器安裝在倍壓電路的中間，如圖 311 所示，這樣整個(gè)電路相當(dāng)于兩個(gè) 4 倍壓電路串聯(lián)。這樣做的目的主要是為了減小倍壓電路內(nèi)部壓降， 提高直流電源的穩(wěn)定度和效率， 增強(qiáng)負(fù)載能力，可以大幅度地減小電源輸出的紋波系

46、數(shù)。倍壓整流電路內(nèi)部壓降計(jì)算公式為：整個(gè)倍壓整流電路直流輸出電壓為：v acp 為倍壓整流電路的輸入電壓，也即高壓變壓器的輸出電壓，由分析知，變壓器的輸入電壓為 100v，變比 60，考慮變壓器內(nèi)部的損耗，取變壓器效率為80，則 vacl,=6250v ，通過計(jì)算取 n=4，f=20khz，輸出電流 io 為 10ma，選用的電容參數(shù)為耐壓 15kv，容量為 5000pf，硅堆的耐壓參數(shù)為 30kv。3.3 磁性元件設(shè)計(jì)3.3.1 磁性材料和結(jié)構(gòu)開關(guān)電源中的磁性元件常用的材料是軟磁材料。軟磁材料指的是剩磁和矯頑力均很小的鐵磁材料， 特點(diǎn)是易磁化、 易去磁且磁滯回線較窄。 軟磁材料按照主要成分、

47、磁性特點(diǎn)、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，大致可分為三類25 ：(1) 金屬磁芯：硅鋼片、坡莫合金、非晶及納米晶合金。除非晶及納米晶合金外，這類材料常用在頻率低于 30khz的場(chǎng)合，因而在開關(guān)電源中用得較少。(2) 磁粉芯：磁粉芯是由鐵磁性粉粒與絕緣介質(zhì)混合壓制而成的一種軟磁材料，一方面可以隔絕渦流，故適用于較高頻率：另一方面，材料具有低導(dǎo)磁率及恒導(dǎo)磁特性，直流電流疊加性能好， 主要用于高頻電感。 常用的磁粉芯有鐵粉芯、坡莫合金粉芯及鐵硅鋁粉芯三種。(3) 鐵氧體磁芯 t 鐵氧體是復(fù)合氧化物燒結(jié)體， 有錳鋅鐵氧體、 鎳鋅鐵氧體、銅鎂鋅鐵氧體等幾類， 其中錳鋅鐵氧體的產(chǎn)量和用量最大。鐵氧體在應(yīng)用上很方便，而且電阻率遠(yuǎn)

48、大于金屬磁性材料，可抑制渦流的產(chǎn)生， 磁導(dǎo)率隨頻率的變化特性穩(wěn)定，在150khz以下基本保持不變。此外，鐵氧體具有高的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度。隨頻率增大，損耗上升不大，隨溫度提高，損耗變化不大。廣泛應(yīng)用于功率扼流圈、并列式濾波器、開關(guān)電源變壓器、開關(guān)電源電感、功率因數(shù)校正電路。磁芯的基本結(jié)構(gòu)有 26 ：(1) 疊片型：通常由硅鋼或鎳鋼薄片沖剪成 e，i ，f，o等形狀，疊成一個(gè)鐵芯。(2) 環(huán)形鐵芯：由 o型薄片疊成，也可由窄長(zhǎng)的硅鋼、合金鋼帶卷繞而成，此形鐵芯繞線困難。(3)c形鐵芯：此種鐵芯可免去環(huán)形鐵芯繞線困難的缺點(diǎn)，由兩個(gè)c 形鐵芯對(duì)接而成，因此可用機(jī)械繞線，線圈可填滿整個(gè)窗口。(4) 罐形鐵

49、芯 (pot)：它是磁芯在外， 銅線圈在里， 免去了環(huán)形線圈繞線不便的一種結(jié)構(gòu)形式，可以減少 emi。3.3.2 絕緣問題高壓變壓器的絕緣包括高壓邊對(duì)原邊的絕緣、 高壓邊對(duì)鐵芯的絕緣、 高壓邊端部的絕緣。提高絕緣一個(gè)困難在于高頻變壓器的體積較小， 絕緣距離受到限制；另一個(gè)困難在于提高絕緣強(qiáng)度和降低漏感是一對(duì)矛盾， 提高絕緣強(qiáng)度要求高壓邊對(duì)原邊及對(duì)鐵芯的距離越遠(yuǎn)越好； 而降低漏感則要求高壓邊對(duì)原邊及對(duì)鐵芯的距離越近越好。同時(shí)，為了降低變壓器的分布電容， 絕緣材料的介電常數(shù)一定要小。3.4 人機(jī)接口電路本系統(tǒng)需要用戶使用鍵盤進(jìn)行必要的操作， 同時(shí)把操作進(jìn)程顯示在液晶屏幕上供用戶實(shí)時(shí)查看，因此需要設(shè)

50、計(jì)一個(gè)良好、簡(jiǎn)潔、清晰的人機(jī)接口電路。3.4.1 鍵盤輸入模塊的設(shè)計(jì)當(dāng)系統(tǒng)首次啟動(dòng)后，用戶需要通過鍵盤輸入頻率和脈寬的初始設(shè)定值；當(dāng)系統(tǒng)正常運(yùn)行過程中， 根據(jù)負(fù)載的變化， 用戶需要改變輸出的頻率和脈寬值，同樣需要使用鍵盤進(jìn)行修改。下圖即為鍵盤輸入的硬件結(jié)構(gòu)圖。本系統(tǒng)設(shè)置了 6 個(gè)鍵盤按鈕，一端分別與 at89c51的 p2op25 引腳相連，另一端均接地。程 序設(shè)計(jì)采 用查詢方 式檢測(cè)鍵盤 接口， 單片機(jī)通過 讀取p20-p2 5 引腳的電平狀態(tài)來判斷用戶動(dòng)作。當(dāng)沒有鍵按下時(shí)， p20 p25引腳呈現(xiàn)高電平， 單片機(jī)不動(dòng)作， 當(dāng)有鍵按下時(shí)， 其對(duì)應(yīng)的單片機(jī)引腳電平被拉低，芯片內(nèi)檢測(cè)到低電平后，

51、 進(jìn)入相應(yīng)程序語句執(zhí)行對(duì)應(yīng)的操作。各按鈕定義如下：sure鍵：此鍵為多功能復(fù)用按鈕。其一為在設(shè)定脈寬和頻率數(shù)值時(shí)，選項(xiàng)確定之后按下此鍵即可開始進(jìn)行數(shù)值修改；其二為當(dāng)數(shù)值修改完成后按下此鍵即表示確定同時(shí)將修改值送入單片機(jī)程序進(jìn)行運(yùn)算。cancel鍵：此鍵為取消功能按鈕，或者也可理解為返回按鈕。按下此鍵表示取消上一操作。up鍵：此鍵為多功能復(fù)用按鈕。其一為進(jìn)行脈寬和頻率的數(shù)值修改選擇；其二為數(shù)值加 1 功能按鈕，按下一次即實(shí)現(xiàn)數(shù)值加1。down 鍵：此鍵為多功能復(fù)用按鈕。其一為進(jìn)行脈寬和頻率的數(shù)值修改選擇；其二為數(shù)值減 1 功能按鈕，按下一次即實(shí)現(xiàn)數(shù)值減1。modify鍵：此鍵為修改按鈕。當(dāng)系統(tǒng)正常運(yùn)行過程中，按下此鍵，即可進(jìn)入脈寬和頻率修改界面進(jìn)行修改數(shù)值操作， 同