1、高壓軟開(kāi)關(guān)充電電源硬件設(shè)計(jì) 高壓軟開(kāi)關(guān)充電電源硬件設(shè)計(jì)摘要電源對(duì)于所有用電設(shè)備是必不可少的開(kāi)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(kāi)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(jiǎn)要介紹了開(kāi)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(kāi)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(kāi)關(guān)電源體積和開(kāi)關(guān)損耗的技術(shù)軟開(kāi)關(guān)技術(shù)在前面知識(shí)的基礎(chǔ)上本論文利用諧振開(kāi)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(kāi)關(guān)電源在諧振開(kāi)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(kāi)關(guān)電路輸出近似為恒流源或稱等臺(tái)

2、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(kāi)關(guān)頻率是20kHz屬于高頻因此使得每次開(kāi)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(kāi)關(guān)電源軟開(kāi)關(guān)充電 High-pressured Soft Switch Charge Power Source Hardware DesignAbstractThe power supply is essential to all equipment which uses electricity The switching power supply h

3、as cancelled the conversion depressor that traditional power sources adopt causing the volume of the power source to reduce greatly In power supply electronic device works in soft switch condition so the entire efficiency to be very high Because the volume is small the weight is light and the effici

4、ency high thus it develops extremely rapidly the application of the soft switching power supply expands day by dayThis article briefly introduced the switching power supply basic structure the principle of work as well as its development condition and the technical development tendency In addition s

5、tarted from opposite directions folio turns off the power source the classification and the virtues and defects has carried in detail This article also introduced a new technical soft switch technology which the switching power supply volume and the switch loss can be avoidedIn front knowledge found

6、ation present paper use resonance-switch technical design one too for high-pressured pulse electric capacity charge high-pressure soft switching power supply The pulse electric capacity charge in the resonant switch technology the electric circuit is the series resonance switch in circuits Outputs i

7、s approximate for the permanent current source or calls " the stair charge The prominent merit is the charge efficiency is high also has inherently short-circuits the protection ability Entire realizes the electric circuit control the PWM signal using DSP forms and the electric circuit protecti

8、onBecause it has used entire digital control the charge stability is very high The installment turn-on frequency is 20 kHz belonging to high frequency therefore each time the switch flushes the electric quantity is small and this increased the charge precision greatlyKeywordsSwitching power supply S

9、oft switch Charge不要?jiǎng)h除行尾的分節(jié)符此行不會(huì)被打印目錄摘要IAbstractII第1章 緒論111 開(kāi)關(guān)電源的發(fā)展?fàn)顩r112開(kāi)關(guān)電源的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)313本論文的研究目的4第2章 開(kāi)關(guān)電源原理521 開(kāi)關(guān)電源基本工作原理522 開(kāi)關(guān)電源的分類623 關(guān)電源優(yōu)缺點(diǎn)7com 開(kāi)關(guān)電源的優(yōu)點(diǎn)7com 開(kāi)關(guān)電源的缺點(diǎn)824 軟開(kāi)關(guān)技術(shù)簡(jiǎn)介9com 硬開(kāi)關(guān)與軟開(kāi)關(guān)9com 軟開(kāi)關(guān)的分類1025 本章小結(jié)12第3章 高壓軟開(kāi)關(guān)充電電源硬件設(shè)計(jì)1331 主電路設(shè)計(jì)13com 主要技術(shù)指標(biāo)13com 主電路選型13com 電路的工作原理及方式13com 主電路的各項(xiàng)參數(shù)1932 控制及觸發(fā)電路

10、的設(shè)計(jì)22com 電壓電流檢測(cè)22com IGBT的驅(qū)動(dòng)22com DSP的選擇24com PWM波的形成2733 電路的理想波形2834 本章小結(jié)29結(jié)論30致謝31參考文獻(xiàn)32附錄 外文翻譯33千萬(wàn)不要?jiǎng)h除行尾的分節(jié)符此行不會(huì)被打印在目錄上點(diǎn)右鍵更新域然后更新整個(gè)目錄打印前不要忘記上面Abstract這一行后加一空行緒論開(kāi)關(guān)電源的發(fā)展?fàn)顩r開(kāi)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(guò)變換電能他可以滿足各種用電要求開(kāi)關(guān)電源是美國(guó)NASA用于宇宙火箭搭載電源目的而開(kāi)發(fā)的與線性電源相比開(kāi)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

11、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(kāi)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(kāi)關(guān)電源迎來(lái)了一個(gè)生機(jī)勃勃的春天 1 發(fā)展史1955年美國(guó)的科學(xué)家羅耶首先研制成功了利用磁芯的飽和來(lái)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(lái) 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(kāi)關(guān)管工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài) 所以由此而制成的開(kāi)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

12、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(kāi)關(guān)電源的應(yīng)用范圍 并在此基礎(chǔ)上誕生了無(wú)工頻降壓變壓器開(kāi)關(guān)電源 省掉了工頻降壓變壓器 使開(kāi)關(guān)電源的體積和重量大為減小開(kāi)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(lái) 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(wú)工頻變壓器開(kāi)關(guān)電

13、源成為各種電源中的佼佼者12 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(kāi)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(kāi)關(guān)變壓器或通過(guò)別的途徑來(lái)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(kāi)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(kāi)關(guān)電源的效率是與開(kāi)關(guān)管的變換速度成正比的 并且由于采用了開(kāi)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

14、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(kāi)關(guān)管開(kāi)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(wèn)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(kāi)關(guān)電源研制的科技人員要解決的第二個(gè)問(wèn)題線性電源中的功率調(diào)整管具有穩(wěn)壓和電子濾波的雙重作用 因而串聯(lián)線性電源不產(chǎn)生開(kāi)關(guān)干擾 且輸出波紋電壓小但是開(kāi)關(guān)電源中的開(kāi)關(guān)管是工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài) 所以就會(huì)產(chǎn)生尖峰干擾和諧振干擾這些干擾就會(huì)污染市電電網(wǎng) 影響鄰近的電子儀器和設(shè)備的正常工作隨著開(kāi)關(guān)電源電路和抑制干擾措施的不斷增加和完善 它的這一缺點(diǎn)得到了進(jìn)一步的克服 可以達(dá)到不妨礙一般電子儀器和設(shè)備正常工作的程度但在一些精密電子儀器中 由于這一缺點(diǎn) 卻使開(kāi)關(guān)電源不能

15、得到應(yīng)用所以克服這一缺點(diǎn) 進(jìn)一步提高開(kāi)關(guān)電源的使用范圍是從事開(kāi)關(guān)電源研制人員要解決的第三個(gè)問(wèn)題目前 在開(kāi)關(guān)電源方面急需解決的最后一個(gè)問(wèn)題 是開(kāi)關(guān)管的二次擊穿問(wèn)題要解決這一問(wèn)題 首先要將其產(chǎn)生的原因分析清楚 而目前人們對(duì)此還沒(méi)有完全掌握 還只能從熱點(diǎn)的角度進(jìn)行解釋 所以這方面還需人們?nèi)プ龃罅康难芯亢吞剿鞴ぷ?國(guó)內(nèi)發(fā)展概況 我國(guó)的晶體管直流變換器及開(kāi)關(guān)電源研制工作開(kāi)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(kāi)始研制無(wú)工頻降壓變壓器開(kāi)關(guān)電源1974年研制成功了工作頻率為10 kHz輸出電壓為5V 的無(wú)工頻降壓變壓器開(kāi)關(guān)電源近10多年來(lái) 我國(guó)的許多研究所工廠和高等院校已研制和生產(chǎn)出了多種型

16、號(hào)的工作頻率為20 kHz 左右 輸出功率在1000W以下的無(wú)工頻降壓變壓器開(kāi)關(guān)電源 并應(yīng)用于計(jì)算機(jī)通信電視等方面 取得了較好的效果工作頻率為100 200kHz 的高頻開(kāi)關(guān)電源于80年代初就已開(kāi)始試制 90年代初試制成功目前正在走向?qū)嵱煤驮龠M(jìn)一步提高工作頻率階段許多年來(lái) 雖然我國(guó)在這方面投入了大量的人力和物力 做出了巨大的努力 并取得了可喜的成就 但是 目前我國(guó)的開(kāi)關(guān)電源技術(shù)與世界上先進(jìn)的國(guó)家相比仍有較大的差距此外 近幾年來(lái)我國(guó)雖然把無(wú)工頻變壓器開(kāi)關(guān)電源的工作頻率從數(shù)十kHz 提高到數(shù)百kHz把輸出功率由數(shù)十W 提高到數(shù)百W 甚至數(shù)千W 但是 由于我國(guó)半導(dǎo)體技術(shù)與工藝跟不上時(shí)代的發(fā)展 導(dǎo)致我

17、們自己生產(chǎn)出的無(wú)工頻變壓器開(kāi)關(guān)電源中的開(kāi)關(guān)管大部分采用的仍是進(jìn)口的晶體管所以我國(guó)的開(kāi)關(guān)電源事業(yè)要發(fā)展 要趕超世界先進(jìn)水平 最根本和最關(guān)鍵的問(wèn)題是如何提高和改進(jìn)我國(guó)的半導(dǎo)體器件技術(shù)和制作工藝212開(kāi)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(guó)外目前都在致力于同步開(kāi)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(kāi)關(guān)電源的輕小薄2高效率 開(kāi)關(guān)電源高頻化使傳統(tǒng)的PWM開(kāi)關(guān)硬開(kāi)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(kāi)關(guān)技術(shù)將成為開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)品未來(lái)的主流采用軟開(kāi)關(guān)技術(shù)可使效率達(dá)到8588

18、VICOR開(kāi)關(guān)電源公司設(shè)計(jì)制造了多種ECZ軟開(kāi)關(guān)DCDC變換器其最大輸出功率有800W600W300W621017Wcm8090Nemic-Lambda公司日前推出一種采用軟開(kāi)關(guān)技術(shù)的高頻開(kāi)關(guān)電源模塊RM系列開(kāi)關(guān)頻率為200300kHz27Wcm用同步整流器即用MOSFER代替肖特基二極管是整個(gè)電路效率提高到903高可靠 開(kāi)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(zhǎng)要從設(shè)計(jì)方面著手而不是從使用方面著想美國(guó)一公司通過(guò)降低節(jié)溫減少器件的電應(yīng)力降低運(yùn)行電流等措施使其DCDC開(kāi)關(guān)電源系列產(chǎn)品的可靠性大大提高產(chǎn)品的MTBF高達(dá)100萬(wàn)時(shí)以上4模塊化 可以用模塊電源組成分布式電

19、源系統(tǒng)可以設(shè)計(jì)成N1冗余電源系統(tǒng)從而提高可靠性可以做成插入式實(shí)現(xiàn)熱交換從而在運(yùn)行中出現(xiàn)鼓掌時(shí)能高速更換模塊插件多臺(tái)模塊并聯(lián)可實(shí)現(xiàn)大功率電源系統(tǒng)此外還可以在電源系統(tǒng)建成后根據(jù)發(fā)展需要不斷擴(kuò)充容量5低噪聲 開(kāi)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)換回路技術(shù)在原理上既可以高頻化又可以低噪聲但諧振轉(zhuǎn)換技術(shù)也有其難點(diǎn)如果很難準(zhǔn)確的控制開(kāi)關(guān)頻率諧振時(shí)增大了器件負(fù)荷場(chǎng)效應(yīng)管的寄生電容易引起短路損耗元件熱應(yīng)力轉(zhuǎn)向開(kāi)關(guān)管等問(wèn)題難以解決日本把變壓器設(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(wú)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(kāi)關(guān)電源在高頻下工作時(shí)

20、其噪聲通過(guò)電源線產(chǎn)生對(duì)其他電子設(shè)備的干擾世界各國(guó)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(kāi)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(kāi)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(kāi)關(guān)電源產(chǎn)品要求輸入電壓通用適用世界各國(guó)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33V這一電壓輸入端功率因數(shù)進(jìn)一步提高并具有安全過(guò)壓保護(hù)等方面的功能313本論文的研究目的本論文是結(jié)合當(dāng)前開(kāi)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

21、需要而完成的通過(guò)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(kāi)關(guān)電源原理的基礎(chǔ)上自己獨(dú)立設(shè)計(jì)一臺(tái)充電電源了解開(kāi)關(guān)電源的主要設(shè)計(jì)過(guò)程及其相關(guān)方法2在整個(gè)過(guò)程中不斷學(xué)習(xí)消化掌握各種類型開(kāi)關(guān)電源的主要特點(diǎn)和性能重點(diǎn)掌握減小開(kāi)關(guān)損耗的方法軟開(kāi)關(guān)技術(shù)3在設(shè)計(jì)過(guò)程中掌握開(kāi)關(guān)電源的整體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主電路觸發(fā)電路檢測(cè)電路輸入輸出電路保護(hù)電路和整體的控制電路4通過(guò)對(duì)開(kāi)關(guān)電源的理論學(xué)習(xí)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)了解電源的應(yīng)用前景和發(fā)展趨勢(shì)從而明確自己今后努力的方向爭(zhēng)取在電源的設(shè)計(jì)和制造等工作中加以應(yīng)用開(kāi)關(guān)電源原理開(kāi)關(guān)電源基本工作原理開(kāi)關(guān)K 以一定的頻率重復(fù)的接通或斷開(kāi)在開(kāi)關(guān)K 接通時(shí)輸入電源通過(guò)開(kāi)關(guān)K 和濾波電路向負(fù)載提供能量當(dāng)開(kāi)關(guān)K

22、斷開(kāi)時(shí)輸入電源便中斷了能量的供給開(kāi)關(guān)電源的示意圖如圖2-1所示為了使負(fù)載能夠得到連續(xù)的能量開(kāi)關(guān)電源就必須有一套儲(chǔ)能裝置以便在開(kāi)關(guān)K 接通時(shí)將一部分能量?jī)?chǔ)存起來(lái)當(dāng)開(kāi)關(guān)K 斷開(kāi)后再將儲(chǔ)存的能量提供給負(fù)載圖2-1中的電感L電容C和二級(jí)管D 組成的電路就具有這樣的功能當(dāng)開(kāi)關(guān)K 接通時(shí)電感L 用以儲(chǔ)存能量開(kāi)關(guān)K 斷開(kāi)時(shí)儲(chǔ)存在電感L中的能量通過(guò)二級(jí)管D 釋放給負(fù)載從而使負(fù)載得到連續(xù)而又穩(wěn)定的能量當(dāng)電子開(kāi)關(guān)K按一定的頻率開(kāi)關(guān)時(shí)導(dǎo)通時(shí)間越長(zhǎng)輸出電壓越高導(dǎo)通時(shí)間越短輸出電壓越低通常開(kāi)關(guān)電源就是這樣在開(kāi)關(guān)頻率一定的情況下通過(guò)調(diào)整開(kāi)關(guān)時(shí)間的長(zhǎng)短控制輸出電壓的高低目前也有的開(kāi)關(guān)電源采用開(kāi)關(guān)時(shí)間長(zhǎng)短恒定通過(guò)改變開(kāi)關(guān)頻率

23、來(lái)改變輸出電壓的高低圖2-1 開(kāi)關(guān)電源示意圖開(kāi)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(kāi)關(guān)電源介紹以下開(kāi)關(guān)電源的工作原理采用PWM技術(shù)的開(kāi)關(guān)電源原理機(jī)構(gòu)如圖2-2所示從電網(wǎng)將能量傳遞給負(fù)載的回路稱為主回路其余稱為控制回路工頻電網(wǎng)交流電壓經(jīng)過(guò)輸入整流濾波電路得到高波紋未調(diào)直流電壓在經(jīng)功率轉(zhuǎn)換電路變換成符合要求的矩形波脈動(dòng)電壓最后經(jīng)過(guò)整流濾波電路將其平滑成連續(xù)的低波紋直流電壓圖2-2 PWM方式開(kāi)關(guān)電源框圖 控制回路在提供高壓開(kāi)關(guān)T管基極驅(qū)動(dòng)脈沖的同時(shí)需要完成輸出電壓穩(wěn)壓的控制而且還必須能對(duì)電源或負(fù)載提供保護(hù)它通常由檢測(cè)比較放大電路電壓-脈沖寬度轉(zhuǎn)換電路VW電路

24、時(shí)鐘震蕩電路以及自用電壓源等基本電路構(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)電路反映輸出電壓值通過(guò)和給定參考電壓比較并產(chǎn)生誤差信號(hào)在經(jīng)過(guò)VW電路調(diào)制脈沖寬度調(diào)節(jié)輸出電壓例如由于某種原因負(fù)載電流減小或電網(wǎng)電壓上升使高頻變壓器副邊輸出電壓的平均值增大電源輸出電壓也將隨之提高反饋檢測(cè)電路將提高了輸出電壓和基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較并產(chǎn)生負(fù)積極性的誤差電壓VW電路根據(jù)該誤差電壓及時(shí)減小輸出脈寬這樣使輸出電壓平均值減小接近原來(lái)的數(shù)值從而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓的作用開(kāi)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 在性能上更加安全可靠 在功能上不斷增加 在使用上自動(dòng)化程度要越來(lái)

25、越高 在體積上日趨小型化這使采用具有眾多優(yōu)點(diǎn)的開(kāi)關(guān)電源就顯得更加重要所以 開(kāi)關(guān)電源在計(jì)算機(jī)通信航天彩電等方面都得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用 發(fā)揮了巨大的作用 這大大促進(jìn)了開(kāi)關(guān)電源的發(fā)展 從事這方面研究和生產(chǎn)的人員也在不斷地增加 開(kāi)關(guān)電源的品種和類型也越來(lái)越多常見(jiàn)的開(kāi)關(guān)電源的分類方法有下列幾種1按激勵(lì)方式劃分 分為他激式和自激式他激式開(kāi)關(guān)電源電路中專設(shè)激勵(lì)信號(hào)振蕩器自激式開(kāi)關(guān)功率管兼作振蕩管該形式的開(kāi)關(guān)電源電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 元器件少 可以做成低成本的開(kāi)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(guò)調(diào)節(jié)脈沖寬度來(lái)改變輸出電壓的大小頻率調(diào)整型保持占空比保持不變

26、 脈沖寬度保持不變 通過(guò)改變振蕩頻率來(lái)改變輸出電壓大小混合調(diào)整型是脈沖寬度和振蕩頻率均可進(jìn)行調(diào)節(jié)的開(kāi)關(guān)電源3按開(kāi)關(guān)管電流的工作方式劃分 分開(kāi)關(guān)型和諧振型開(kāi)關(guān)型用開(kāi)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(kāi)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(kāi)關(guān)電源4按開(kāi)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(kāi)關(guān)功率管可控硅型采用可控硅作為開(kāi)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

27、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一個(gè)晶體管作為電路中的開(kāi)關(guān)管這種電路的特點(diǎn)是價(jià)格低電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 但輸出功率不能提高推挽式使用兩個(gè)功率開(kāi)關(guān)管 將其連接成推挽功率放大器的形式這種電路的特點(diǎn)是可以工作在電源電壓較低的場(chǎng)合 一般逆變器多采用這種形式的電路 但它的缺點(diǎn)是開(kāi)關(guān)變壓器的初級(jí)必須具有中心抽頭半橋式使用兩個(gè)功率開(kāi)關(guān)管 將其連接成半橋形式它的特點(diǎn)是適應(yīng)于輸入電壓較高的場(chǎng)合全橋式使用四個(gè)功率開(kāi)關(guān)管將其連接成全橋的形式它的特點(diǎn)是輸出功率較大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(kāi)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

28、成電路式整個(gè)開(kāi)關(guān)電源電路或電路的一部分是由集成電路組成的這種集成電路通常被稱為厚膜電路有的厚膜集成電路中包括功率開(kāi)關(guān)管 有的則不包括這種形式的電源的特點(diǎn)是電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單調(diào)試方便可靠性高這種電路被廣泛地應(yīng)用于彩色電視中以上五花八門(mén)的開(kāi)關(guān)電源品種都是站在不同的角度 以開(kāi)關(guān)電源不同的特點(diǎn)命名和劃分的不論是激勵(lì)方法輸出直流電壓的調(diào)節(jié)手段儲(chǔ)能電感的連接方法功率開(kāi)關(guān)管的器件種類以及串并聯(lián)結(jié)構(gòu) 還是其他的電路形式它們最后總可以歸結(jié)為串聯(lián)型和并聯(lián)型開(kāi)關(guān)電源這兩大類4開(kāi)關(guān)電源優(yōu)缺點(diǎn) 開(kāi)關(guān)電源的優(yōu)點(diǎn)1功耗小效率高 開(kāi)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(kāi)關(guān)狀態(tài)轉(zhuǎn)換速度很

29、快 頻率一般為50kHz左右在一些技術(shù)先進(jìn)的國(guó)家 可以做到幾百或者上千kHz晶體管V飽和導(dǎo)通時(shí)雖然電流較大但管壓降很小截止斷開(kāi)時(shí) 雖然管壓降很大但通過(guò)的電流幾乎為零這就使得開(kāi)關(guān)晶體管V 在其整個(gè)工作過(guò)程中的功耗很小電源的效率可以大幅度地提高2體積小重量輕 沒(méi)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(kāi)關(guān)電源的體積小重量輕3穩(wěn)壓范圍寬 開(kāi)關(guān)電源的輸出電壓是通過(guò)激勵(lì)信號(hào)的占空比來(lái)調(diào)節(jié)的 輸入電壓的波動(dòng)變化 可以通過(guò)改變占空比的方式來(lái)進(jìn)行補(bǔ)償 這樣在輸入電壓變化或波動(dòng)較大時(shí) 它仍能保證有較穩(wěn)定的輸出電壓所以 開(kāi)關(guān)電源的穩(wěn)壓范圍

30、很寬 穩(wěn)壓效果較好此外改變占空比的方法有脈寬調(diào)制型頻率調(diào)制型和混合調(diào)制型三種這樣開(kāi)關(guān)電源不僅具有穩(wěn)壓范圍寬的優(yōu)點(diǎn) 而且實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓的方法也較多較靈活設(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(kāi)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了1000倍就是采用半波整流后加電容濾波 效率也提高了500倍在相同波紋輸出電壓的要求下采用開(kāi)關(guān)電源時(shí) 濾波電容的容量只是線性電源中濾波電容容量的150011000濾波電容容量減小以后 整個(gè)電源的體積和重量也相應(yīng)地有所減小5電路形式靈活多樣 例如

31、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(kāi)關(guān)元件為晶體管式和開(kāi)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(zhǎng) 設(shè)計(jì)出能滿足各種不同應(yīng)用場(chǎng)合的開(kāi)關(guān)電源 開(kāi)關(guān)電源的缺點(diǎn)開(kāi)關(guān)電源最為突出的缺點(diǎn)就是開(kāi)關(guān)干擾較為嚴(yán)重開(kāi)關(guān)電源中的開(kāi)關(guān)功率管是工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)下 它產(chǎn)生的交流電壓和電流會(huì)通過(guò)電路中的其他元器件產(chǎn)生尖峰干擾和諧振干擾 這些干擾如果不采取一定的措施進(jìn)行抑制消除屏蔽和隔離就會(huì)嚴(yán)重地影響整機(jī)的正常工作此外 由于開(kāi)關(guān)電源中沒(méi)有了工頻降壓變壓器的隔離 振蕩器所產(chǎn)生的高頻干擾如果不加以消除 就會(huì)串入工頻電網(wǎng) 使附近的其他電子儀器設(shè)備和家用電器受到嚴(yán)重的干擾目前由于國(guó)內(nèi)微電子技術(shù)阻容器件生

32、產(chǎn)技術(shù)以及磁性材料技術(shù)與一些技術(shù)先進(jìn)的國(guó)家還有一定的差距 因此開(kāi)關(guān)電源的造價(jià)不能進(jìn)一步降低 也影響到可靠性的進(jìn)一步提高所以 在我國(guó)的電子儀器以及機(jī)電一體化儀器中 開(kāi)關(guān)電源還不能得到普及使用特別是無(wú)工頻變壓器開(kāi)關(guān)電源中的高壓電容高反壓大功率開(kāi)關(guān)管開(kāi)關(guān)變壓器的磁性材料等元件我國(guó)還處于研究和開(kāi)發(fā)階段一些先進(jìn)的國(guó)家雖然有了一定的發(fā)展但是在實(shí)際應(yīng)用中還存在一些問(wèn)題 不能令人十分滿意這就暴露出了開(kāi)關(guān)電源的又一個(gè)缺點(diǎn) 那就是電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜故障率高維修麻煩成本高對(duì)此 如果設(shè)計(jì)者和制造者不予以充分重視則會(huì)直接影響開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源的推廣應(yīng)用軟開(kāi)關(guān)技術(shù)簡(jiǎn)介 硬開(kāi)關(guān)與軟開(kāi)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

33、的效率和電磁兼容性也提出了更高的要求通常濾波電感電容和變壓器在裝置的體積和重量中占很大比例因此必須設(shè)法降低他們的體積和重量才能達(dá)到裝置的小型化輕量化從電路的有關(guān)知識(shí)中可以知道提高工作頻率可以減少變壓器各繞組間的匝數(shù)并減小鐵心的體積從而使變壓器小型化因此裝置小型化輕量化的直接途徑就是電路的高頻化但在提高開(kāi)關(guān)頻率的同時(shí)開(kāi)關(guān)損耗也會(huì)隨之增加電路效率嚴(yán)重下降電磁干擾也增大了所以簡(jiǎn)單的提高開(kāi)關(guān)頻率是不行的a硬開(kāi)關(guān)的開(kāi)通過(guò)程b硬開(kāi)關(guān)的關(guān)斷過(guò)程圖 2-3 硬開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)過(guò)程針對(duì)這些問(wèn)題出現(xiàn)了軟開(kāi)關(guān)技術(shù)他利用以諧振為住的輔助換流手段解決了電路中的開(kāi)關(guān)損耗和開(kāi)關(guān)噪聲問(wèn)題使開(kāi)關(guān)頻率可以大幅度提高在很多電路中開(kāi)關(guān)元件

34、在電壓很高或電流很大的條件下在門(mén)極的控制下開(kāi)通或關(guān)斷起典型的開(kāi)關(guān)過(guò)程如圖2-3所示開(kāi)關(guān)過(guò)程中電壓電流均不為零出現(xiàn)了重疊因此導(dǎo)致了開(kāi)關(guān)損耗而且電壓和電流的變化很快波形出現(xiàn)了明顯的過(guò)沖這導(dǎo)致了開(kāi)關(guān)噪聲的產(chǎn)生具有這樣的開(kāi)關(guān)過(guò)程的開(kāi)關(guān)稱為硬開(kāi)關(guān)在硬開(kāi)關(guān)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生較大的開(kāi)關(guān)損耗和開(kāi)關(guān)噪聲開(kāi)關(guān)損耗隨著頻率的增加使電路效率下降阻礙了開(kāi)關(guān)頻率的提高開(kāi)關(guān)噪聲給電路帶來(lái)嚴(yán)重的電磁干擾問(wèn)題影響周邊電子設(shè)備的工作通過(guò)在原來(lái)的開(kāi)關(guān)電路中增加很小的電感電容等諧振元件構(gòu)成輔助換流網(wǎng)絡(luò)在開(kāi)關(guān)過(guò)程中引入諧振過(guò)程開(kāi)關(guān)開(kāi)通前電壓降為零或關(guān)斷前電流降為零就可以消除開(kāi)關(guān)過(guò)程中電壓電流的重疊降低他們的變化率從而大大減小甚至消除損耗和開(kāi)

35、關(guān)噪聲這樣的電路稱為軟開(kāi)關(guān)電路軟開(kāi)關(guān)電路中典型的開(kāi)關(guān)過(guò)程如圖2-4所示具有這樣開(kāi)關(guān)過(guò)程的開(kāi)關(guān)稱為軟開(kāi)關(guān)開(kāi)關(guān)損耗理論上為零5a軟開(kāi)關(guān)的開(kāi)通過(guò)程 b軟開(kāi)關(guān)的關(guān)斷過(guò)程圖2-4軟開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)過(guò)程 軟開(kāi)關(guān)的分類 根據(jù)電路中主要開(kāi)關(guān)元件是零電壓開(kāi)通還是零電流關(guān)斷可以將軟開(kāi)關(guān)電路零電壓電路和零電流電路兩大類通常一種開(kāi)關(guān)電路要么屬于零電壓電路要么屬于零電流電路但在有些情況下電路中有多個(gè)開(kāi)關(guān)有些開(kāi)關(guān)工作在零電壓的條件下而另一些開(kāi)關(guān)工作在零電流的條件下 根據(jù)軟開(kāi)關(guān)技術(shù)的發(fā)展歷程可以將軟開(kāi)關(guān)電路分成準(zhǔn)諧振電路零開(kāi)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(kāi)關(guān)電路1準(zhǔn)諧振電路這是最早出現(xiàn)的軟開(kāi)關(guān)電路其中有些現(xiàn)

36、在還在大量使用準(zhǔn)諧振電路可分為 1 零電壓開(kāi)關(guān)準(zhǔn)諧振電路 2 零電流開(kāi)關(guān)準(zhǔn)諧振電路 3 零電壓開(kāi)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(kāi)關(guān)PWM電路這類電路中引入了輔助開(kāi)關(guān)來(lái)控制諧振的開(kāi)始時(shí)刻使諧振僅發(fā)生與開(kāi)關(guān)過(guò)程前后零開(kāi)關(guān)PWM電路可以分為1零電壓開(kāi)關(guān)PWM電路2 零電流開(kāi)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較緩開(kāi)關(guān)承受的電壓明顯降低電路可以采用開(kāi)關(guān)頻率固定的PWM控制方式5這兩種電路的基本開(kāi)關(guān)單元如圖2-5 a 零電壓開(kāi)關(guān)PWM基本開(kāi)關(guān)單元 b 零電流開(kāi)關(guān)PWM基本單元圖2-5 零開(kāi)關(guān)PWM電路的基本開(kāi)關(guān)單元 3零轉(zhuǎn)換PWM

37、電路這類軟開(kāi)關(guān)電路還是采用輔助開(kāi)關(guān)控制諧振時(shí)刻的開(kāi)始時(shí)刻所不同的是諧振電路是與主開(kāi)關(guān)并聯(lián)的因此輸入電壓和負(fù)載電流對(duì)電路諧振過(guò)程的影響很小電路在很寬的輸入電壓輸入范圍內(nèi)并從零負(fù)載到滿載都能工作在軟開(kāi)關(guān)狀態(tài)而且電路中無(wú)功功率的交換被削減到最小使這種電路的效率進(jìn)一步提高零轉(zhuǎn)換電路可分為 1 零電壓轉(zhuǎn)換PWM電路 2 零電流轉(zhuǎn)換PWM電路基本開(kāi)關(guān)單元如圖2-6 a ZVT PWM開(kāi)關(guān)單元 b ZCT PWM 開(kāi)關(guān)單元圖2-6 零轉(zhuǎn)換PWM電路的基本開(kāi)關(guān)單元本章小結(jié)本章簡(jiǎn)要介紹了開(kāi)關(guān)電源的工作原理并從多方面闡述了開(kāi)關(guān)電源的詳細(xì)分類討論了開(kāi)關(guān)電源在應(yīng)用中的優(yōu)點(diǎn)和不足本章還簡(jiǎn)要介紹了軟開(kāi)關(guān)技術(shù)以及軟開(kāi)關(guān)和傳

38、統(tǒng)的硬開(kāi)關(guān)之間的不同指出軟開(kāi)關(guān)是實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)電源高頻化小型化和輕量化的理想途徑高壓軟開(kāi)關(guān)充電電源硬件設(shè)計(jì)主電路設(shè)計(jì) 主要技術(shù)指標(biāo)1輸入電壓220V交流輸出充電電壓024002負(fù)載電容容量3133uF3輸出電流2安培直流電源容量5kW4開(kāi)關(guān)頻率20kHz諧振頻率40kHz5電流檢測(cè)與電壓檢測(cè)6用DSP實(shí)現(xiàn)PWM控制 主電路選型在諧振開(kāi)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(kāi)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

39、 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)將在下面給出電路的工作原理及方式直流電壓由市電經(jīng)過(guò)整流得到經(jīng)過(guò)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出穩(wěn)定的直流電流向電容C進(jìn)行充電設(shè)為IGBT的開(kāi)關(guān)頻率為諧振頻率串聯(lián)諧振變換器按大小有3種工作方式1方式一 2 電流斷續(xù)工作此方式下開(kāi)關(guān)損耗低且干擾小可實(shí)現(xiàn)開(kāi)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(kāi)通時(shí)同一橋臂上的兩個(gè)開(kāi)關(guān)管存在強(qiáng)迫換流故開(kāi)關(guān)損耗較大干擾大3方式三 電流連續(xù)工作零電壓開(kāi)通和硬關(guān)斷開(kāi)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

40、峰較高極易損壞開(kāi)關(guān)器件7現(xiàn)在以圖3-2的電路來(lái)分析一下串聯(lián)負(fù)載DCDC變換器的這三種運(yùn)行方式a串聯(lián)負(fù)載DCDC變換電路b等效電路圖3-2 串聯(lián)負(fù)載DCDC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(guò)諧振的電流在負(fù)載端被全波整流輸出端的濾波電容C足夠大可以認(rèn)為電容C兩端電壓是沒(méi)有波紋的直流電壓為了簡(jiǎn)化分析假定諧振電路中的電阻損耗可以忽略不計(jì)輸出電壓可以反射到整流橋的輸入端以表示如果為正為負(fù)若開(kāi)關(guān)T導(dǎo)通電流為正時(shí)流經(jīng)T反之流經(jīng)二極管D-與此類似為負(fù)時(shí)若開(kāi)關(guān)T-導(dǎo)通電流流經(jīng)T反之流經(jīng)二極管D因此對(duì)圖3-2a來(lái)說(shuō)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

41、 諧振槽上的電壓取決于電流的方向以及哪個(gè)開(kāi)關(guān)器件導(dǎo)通上述方程所描述的狀態(tài)可以用圖3-2b所示等效電路來(lái)表示應(yīng)該注意使用這個(gè)等效電路時(shí)應(yīng)按不同的時(shí)間間隔來(lái)計(jì)算在每種時(shí)間間隔內(nèi)要確定其出使條件并把和看作一個(gè)直流電壓在穩(wěn)態(tài)對(duì)稱運(yùn)行時(shí)兩個(gè)開(kāi)關(guān)器件的工作狀態(tài)是相同的與此相似兩個(gè)二極管的工作狀態(tài)也是相同的因此只要對(duì)半個(gè)運(yùn)行周期進(jìn)行分析即可知道整個(gè)周期的狀態(tài)因?yàn)榱硗獍雮€(gè)周期的運(yùn)行狀態(tài)與此對(duì)稱此串聯(lián)諧振電路的開(kāi)關(guān)頻率由電路中的開(kāi)關(guān)器件來(lái)控制它可以比諧振頻率低也可以比諧振頻率高根據(jù)和的不同比值電流有連續(xù)和不連續(xù)之分起運(yùn)行狀態(tài)可分為下面的三種情況com1 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

42、3-3所示在時(shí)刻開(kāi)關(guān)T開(kāi)通電感電流從零開(kāi)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中在時(shí)刻滯后180°電感電流開(kāi)始反向因?yàn)殚_(kāi)關(guān)T-尚未開(kāi)通電流只能流經(jīng)二極管D向電源回饋能量在之后的180度內(nèi)峰值電流較小當(dāng)達(dá)到零之后如果電路中開(kāi)關(guān)器件未開(kāi)通電流一直為零由于電路中電流電壓是對(duì)稱運(yùn)行的在斷續(xù)期間電容電壓等于2相對(duì)于為負(fù)值因?yàn)橐噪娏鞒蔀閿嗬m(xù)狀態(tài)在時(shí)刻開(kāi)關(guān)T-開(kāi)通下半周開(kāi)始工作其電流電壓波形前相同但極性相反電路的開(kāi)關(guān)頻率可從T兩次開(kāi)通為一個(gè)周期來(lái)計(jì)算由圖可知開(kāi)關(guān)頻率小于諧振頻率的一半也就是說(shuō)一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)諧振電流已震蕩兩次另外還有兩段停止工作時(shí)間開(kāi)關(guān)頻率的半個(gè)周期超過(guò)了諧

43、振電流的360°所以 2被整流的電感電流等于輸出直流電流負(fù)載電壓為圖3-3 電流斷續(xù)運(yùn)行com2 連續(xù)導(dǎo)通 2 圖3-4為2 時(shí)諧振電流連續(xù)運(yùn)行狀態(tài)的波形圖圖3-4 電流連續(xù)運(yùn)行由圖可知開(kāi)關(guān)T在處開(kāi)通開(kāi)通條件不是零電流和零電壓條件開(kāi)關(guān)T導(dǎo)通時(shí)間小于180°在處反向電流流經(jīng)二極管D于是開(kāi)關(guān)T自然關(guān)斷在處T開(kāi)通電流從二極管D轉(zhuǎn)向開(kāi)關(guān)T-與斷續(xù)運(yùn)行相比因?yàn)殚_(kāi)關(guān)T-提前開(kāi)通所以D導(dǎo)通時(shí)間也小于180度這種狀態(tài)運(yùn)行開(kāi)關(guān)不是在零電壓和零電流條件下開(kāi)通所以產(chǎn)生了開(kāi)通損耗此外為了避免對(duì)開(kāi)關(guān)有過(guò)大的反向峰值電流和過(guò)大的二極管損耗二極管必須有良好的反向恢復(fù)特性例如在處開(kāi)關(guān)T-開(kāi)通時(shí)原來(lái)導(dǎo)通的二

44、極管D不能立即關(guān)斷于是通過(guò)D的反向電流會(huì)給正在開(kāi)通的T-開(kāi)關(guān)增加了電流負(fù)擔(dān)因?yàn)殡姼须娏鹘?jīng)過(guò)開(kāi)關(guān)過(guò)零而且經(jīng)續(xù)流二極管反向所以開(kāi)關(guān)是在零電流零電壓條件下自然關(guān)斷的com3 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)電流是連續(xù)的其開(kāi)關(guān)自然關(guān)斷但開(kāi)通并非零電流條件當(dāng) 時(shí)電流也是連續(xù)的開(kāi)關(guān)的關(guān)斷是強(qiáng)迫關(guān)斷開(kāi)通具有零電流和零電壓條件圖 3-5 電流連續(xù) 圖3-5示出了 時(shí)的電路波形由圖可知T開(kāi)關(guān)在零電流條件下與處開(kāi)通且開(kāi)始反向在處震蕩電流未達(dá)到零之前開(kāi)關(guān)T被強(qiáng)迫關(guān)斷正向電流被迫經(jīng)二極管D-流通此時(shí)加在諧振槽的電壓為較大的負(fù)電壓所以流經(jīng)二極管D-的電流很快在處減小為零此后電流反向當(dāng)二極管

45、D-開(kāi)始反向?qū)〞r(shí)開(kāi)關(guān)T-立即開(kāi)通開(kāi)關(guān)T-關(guān)斷之后二極管D導(dǎo)通開(kāi)關(guān)T和二極管D-的導(dǎo)通時(shí)間為開(kāi)關(guān)頻率的半個(gè)周期此半個(gè)周期小于諧振頻率的半個(gè)周期三種方式中方式一在絕緣柵雙極晶體管 IGBT 開(kāi)通和關(guān)斷時(shí)損耗都最小被選作恒流充電電源的工作方式其工作時(shí)諧振電流波形見(jiàn)圖3-6 忽略圖放電保護(hù)電路的影響設(shè)為電容電壓折算至變壓器原邊的電壓則理想情況 輸入電壓恒定變壓器及半導(dǎo)體器件為理想器件 下在期間在期間充電電流平均值 3-1由上式可見(jiàn)在諧振參數(shù)和輸入電壓一定時(shí)充電電流與開(kāi)關(guān)頻率成正比開(kāi)關(guān)頻率恒定則充電電流恒定充電電流與負(fù)載電壓無(wú)關(guān)因而具有較強(qiáng)的抗負(fù)載短路能力8圖3-6 諧振電感電流波形主電路的各項(xiàng)參數(shù)c

46、om1諧振參數(shù)充電電路的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3-7圖3-7 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖圖中R1R2D1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)故有式中n為變壓器變比為諧振頻率為諧振周期為開(kāi)關(guān)頻率為開(kāi)關(guān)周期9現(xiàn)已確定開(kāi)關(guān)頻率 20kHz由220V交流電通過(guò)二極管直接得到其值為311V由于電路將工作在方式一下即 2所以諧振頻率要要略大于40kHz即 40Hz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264HC取06F這樣有 411Hz 663輸出電流按式3-1計(jì)算 199 A充電電流基本符合要求com2 輸入整流如圖3-

47、8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(guò)大而損害設(shè)備圖3-8 輸入整流電路com3 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(guò)單個(gè)二極管所承受的最高反向電壓為安全起見(jiàn)下圖3-9中的每個(gè)二極管將由三個(gè)二極管串聯(lián)起來(lái)一起使用并選用快恢復(fù)二極管圖3-9 輸出整流電路com4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3-10其具體參數(shù)和電路見(jiàn)表3-1圖3-10 IGBT電流控制電路表3-1 IGBT具體參數(shù)項(xiàng)目符號(hào)額定值單位集電極電壓1200V門(mén)極電壓V集

48、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25001分鐘V調(diào)節(jié)扭矩裝備135接線端135控制及觸發(fā)電路的設(shè)計(jì) 電壓電流檢測(cè)如圖3-7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(jiǎn)單在DSP檢測(cè)到充電電容的電壓達(dá)到要求值后關(guān)斷IGBT的驅(qū)動(dòng)信號(hào)即可其檢測(cè)信號(hào)由霍爾電壓傳感器來(lái)完成霍爾電壓傳感器把檢測(cè)到的電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)AD轉(zhuǎn)換器輸入到DSP內(nèi)DSP把進(jìn)來(lái)的電壓信號(hào)與設(shè)定的信號(hào)進(jìn)行比較當(dāng)電壓信號(hào)大于設(shè)定值時(shí)發(fā)出控制信號(hào)關(guān)斷PWM波輸出圖3-11 霍爾傳感器端子說(shuō)明IN輸入電壓正IN 輸入電壓

49、負(fù)正電源-負(fù)電源M輸出端公共地霍爾傳感器的輸出端M接AD轉(zhuǎn)換器把數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)輸入給DSP10輸出電流也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) IGBT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)的驅(qū)動(dòng)能力較差不能直接驅(qū)動(dòng)IGBTDSP的驅(qū)動(dòng)信號(hào)需經(jīng)放大信號(hào)放大在進(jìn)行驅(qū)動(dòng)在此選富士電機(jī)公司EXB840841是高速型最大40kHz 運(yùn)行其內(nèi)部電路框圖如圖所示它為直插式結(jié)構(gòu)額定參數(shù)和運(yùn)行條件可參考其使用手冊(cè)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 0V 腳3驅(qū)動(dòng)輸出 腳用于連接外部電容器以防止過(guò)流

50、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(guò)流保護(hù)輸出 腳6集電極電壓監(jiān)視 腳78 不接 腳9電源 腳1011不接 腳415驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸入由于本系列驅(qū)動(dòng)器采用具有高隔離電壓的光耦合器作為信號(hào)隔離因此能用于交流380V的動(dòng)力設(shè)備上IGBT 通常只能承受10s的短路電流所以必須有快速保護(hù)電路EXB系列驅(qū)動(dòng)器內(nèi)設(shè)有電流保護(hù)電路根據(jù)驅(qū)動(dòng)信號(hào)與集電極之間的關(guān)系檢測(cè)過(guò)電流其檢測(cè)電路如圖a所示當(dāng)集電極電壓 高時(shí)雖然加入信號(hào)也認(rèn)為存在過(guò)電流但是如果發(fā)生過(guò)電流驅(qū)動(dòng)器的低速切斷電路就慢速關(guān)斷IGBT從而保證1GBT不被損壞如果以正常速度切斷過(guò)電流集電極產(chǎn)生的電壓尖脈沖足以破壞IGBT關(guān)斷時(shí)的集電極波形如圖 b 所

51、示IGBT在開(kāi)關(guān)過(guò)程中需要一個(gè)15V電壓以獲得低開(kāi)啟電壓還需要一個(gè)5V關(guān)柵電壓以防止關(guān)斷時(shí)的誤動(dòng)作這兩種電壓15V和5V均可由20供電的驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部電路產(chǎn)生如圖C 所示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LucentTTADMotorola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(kāi)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芯片它采用CMOS集成電路技術(shù)與所有的TMS320F2xx系列一樣F240芯片具有高性能運(yùn)算能力的16位定點(diǎn)DSP內(nèi)核和高效的指令集通過(guò)把一個(gè)高性能的DSP內(nèi)核和微處理器的片內(nèi)外圍設(shè)備集成為一個(gè)芯片的方案F240成為傳統(tǒng)

52、的徽處理器和昂貴的多片設(shè)計(jì)的一種廉價(jià)的替代品每秒2k萬(wàn)條指令的處理速度使F240 DSP控制器可以遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)傳統(tǒng)的16位微控制器和微處理器的性能F240器件的16位定點(diǎn)DSP內(nèi)核為模擬系統(tǒng)的設(shè)計(jì)者提供了一個(gè)不犧牲系統(tǒng)精度和性能的數(shù)字解決方案TMS320F240外型見(jiàn)圖3-14TMS320F24具有一個(gè)32位的中央算術(shù)邏輯單元和累加器CALU具有獨(dú)立的算術(shù)單元和輔助寄存器算術(shù)單元執(zhí)行一系列的算術(shù)和邏輯運(yùn)算乘法部分由乘法器乘積寄存器 PREG 暫存寄存器 TREG 和乘積移位器四部分組成高速乘法器使F240可以高效地完成卷積相關(guān)和濾波等數(shù)字信號(hào)處理中的基本運(yùn)算在將乘積寄存器的值送入CALU之前乘積移

53、位器將對(duì)乘積寄存器值進(jìn)行定標(biāo)操作TMS320F240還包含輔助寄存器算術(shù)單元這類算術(shù)單元獨(dú)立于CALUARAU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)行為加強(qiáng)信號(hào)處理能力TMS320F240采用改進(jìn)的哈佛結(jié)構(gòu)即獨(dú)立的程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間和總線結(jié)構(gòu)程序總線傳輸程序存儲(chǔ)空間內(nèi)的指令代碼和立即操作數(shù)數(shù)據(jù)總線將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間與CALU輔助寄存器等部分連接到一起而且程序和數(shù)據(jù)總線都可以在一個(gè)指令周期內(nèi)將片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器片內(nèi)或片外程序存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)送入乘法器以完成一次乘加運(yùn)算TMS320F240具有很高的并行機(jī)制數(shù)據(jù)在CALU中被處理的同時(shí)在ARAU中還可以進(jìn)行算術(shù)操作這種并行機(jī)制的結(jié)果是在一個(gè)指令周期內(nèi)可以完成一系列算術(shù)邏輯和位操作圖3-14 DSP引腳圖TMS320F240是該系列DSP控制器推出的第一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)器件它確定了單片數(shù)字電機(jī)控制器的標(biāo)準(zhǔn)其指令執(zhí)行速度是20MIPS幾乎所有的指令都可以在一個(gè)50ns的單周期內(nèi)執(zhí)行完畢這種高性能使復(fù)雜控制算法的實(shí)時(shí)執(zhí)行成為可能例如自適應(yīng)控制和卡爾曼濾波非常高的采樣速率也可以用來(lái)使環(huán)路延遲達(dá)到最小TMS320F240不僅有高速信號(hào)處理和數(shù)字控制功能所必需的體系結(jié)構(gòu)特點(diǎn)而且它有為電機(jī)控制應(yīng)用提供單片解決方案所必需的外圍設(shè)備F24