高壓大功率脈沖電源的設(shè)計(jì)[共34頁]

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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AC／Dc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、大功率高頻高壓直流

2、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，具體選擇

3、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1．1所示。 圖1．1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、極性相和非極性相的相分離

4、、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)脈沖電鍍的研究也多圍繞方波

5、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)在環(huán)境工程領(lǐng)域的應(yīng)用自然而然

6、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。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

7、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

8、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

9、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

10、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?；『鸽娫词请娀『笝C(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)的焊接工藝更是不可能實(shí)現(xiàn)的?；『鸽娫闯Ｓ妹}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

11、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

12、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)。

13、 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，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

14、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，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

15、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?，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

16、，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

17、晶屏幕上。系統(tǒng)運(yùn)行過程中，可按下“MODIFY”鍵，進(jìn)入修改頁面進(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

18、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

19、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3．1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)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、VFl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?、?尚未導(dǎo)通時(shí)，

20、兩管中點(diǎn)電壓Vo又恢復(fù)到接近1／2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VF2放電。因此中點(diǎn)電壓V▲在后半周期結(jié)束時(shí)又下降了△VE20如果電路參數(shù)對(duì)稱，則AVEl=△VE2，中點(diǎn)電位V▲在開關(guān)過程中將以電源電壓一半值E／2為中心，按△VE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3．2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，

21、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VFl(或Ⅶ2)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VFl的導(dǎo)通時(shí)間比開關(guān)管VF2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Ⅶ2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

22、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

23、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DTY．220D40E型交流調(diào)壓模塊。圖3．3為此模塊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 ①②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①②端無極性，半波型模塊內(nèi)部單向可控硅的陽極接①端，陰極接②端。③④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28

24、5"-420Vac的電網(wǎng)上，③④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。①②③④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3．4為其輸入輸出關(guān)系曲線及波形圖。 有關(guān)技術(shù)指標(biāo)及應(yīng)注意的問題為： (1)通過①②加在負(fù)載上的電壓相位和③④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O～0．8V左右時(shí)為全關(guān)閉區(qū)域，可靠關(guān)斷模塊的輸

25、出；CON在0．8V-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4．6V"5V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

26、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1．5W／A計(jì)算，散熱器可選用的型號(hào)有E．40、F．70、F．100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+

27、12V和+5V穩(wěn)壓電路輸出，如圖3．5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

28、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

29、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5．1V基準(zhǔn)電壓引出端。 SG3525內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖3．6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(U<8V時(shí))有效地使輸出保持在關(guān)斷狀態(tài)，電路中設(shè)置了欠電壓封鎖電路，當(dāng)U>2．5V時(shí)，欠電壓封鎖電路就

30、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0．5V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PWM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C

31、T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

32、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

33、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)，具體電路如圖3．7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P1．0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)P1．0引腳接到SG3525的關(guān)斷控制引腳。當(dāng)P1．0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)P1．0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

34、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1000pF～2000pF。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

35、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。 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3．8所示。

36、 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=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2．5V。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

37、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：首先可以明確，圖3．8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2．5V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)饔肁點(diǎn)電位最終動(dòng)態(tài)平衡于2．5V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

38、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

39、-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)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3．9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：

40、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

41、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

42、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3．10(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

43、電到2√2Uz。到下一個(gè)正半周時(shí)(如圖3．10(b))，通過VD33向C39充電，Uc39=u2+uc38-Ue37=2√2U2。而 在另一個(gè)負(fù)半周時(shí)(如圖3．10(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2√2U2，它們的極性如圖3．10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3．10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)

44、容易在用電器上產(chǎn)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10KV～50KV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3．11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

45、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： vacp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

46、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、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

47、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)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(xiàn)，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

48、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

49、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)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P2．O"P2．5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P2．0"-P2．5引腳的電平狀態(tài)

50、來判斷用戶動(dòng)作。當(dāng)沒有鍵按下時(shí)，P2．0～P2．5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，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)

51、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，同時(shí)單片機(jī)持續(xù)發(fā)送高電平，系統(tǒng)進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)。 ENTER鍵：此鍵為開始運(yùn)行按鈕。本系統(tǒng)需要用戶設(shè)定的只有脈寬和頻率這兩項(xiàng) 數(shù)值，當(dāng)在液晶初始設(shè)定界面和修改界面完成操作之后，按下此鍵，系統(tǒng)立即進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)，單片機(jī)開始發(fā)送控制脈沖給SG3525。 圖3.14鍵盤接口電路 3.4.2液晶接口電路 由于液晶模塊要兼顧到用

52、戶操作界面和系統(tǒng)正常運(yùn)行過程中輸出信息的顯示，而控制芯片CD4052只有2個(gè)定時(shí)器，已經(jīng)在輸出控制脈沖程序中使用，所以，本系統(tǒng)采用擁有3個(gè)定時(shí)器的單片機(jī)CD4052來執(zhí)行輸出信息采集及其數(shù)據(jù)處理和液晶顯示工作. (1) CD4052是一個(gè)雙4選一的多路模擬選擇開關(guān)，具有低導(dǎo)通阻抗和非常低的關(guān)斷泄漏電流。其使用真值表如表3．3所示。 表3.3 CD4052真值表 應(yīng)用時(shí)可以通過單片機(jī)對(duì)[A，B]的控制來選擇與液晶模塊連接通路。例如：需要從4路輸入中選擇第2路輸入，假設(shè)使用的是[1X，1Y]，那么單片機(jī)只需要分別給A和B送1和O即可選中該路，然后進(jìn)行相應(yīng)的處理。注意，第6

53、腳為使能腳，只有為低電平時(shí)，才會(huì)有通道被選中輸出。 (2)液晶接口電路 本系統(tǒng)中所采用的是深圳市精銳通實(shí)業(yè)有限公司生產(chǎn)的WGM．12864K3型圖形點(diǎn) 陣式液晶顯示模塊。WGM．12863K3是一種圖形點(diǎn)陣液晶顯示模塊，它主要由行驅(qū)動(dòng)器、列驅(qū)動(dòng)器及128x64全點(diǎn)陣液晶顯示器組成。可完成圖形顯示，也可以顯示4x8個(gè)(16x16點(diǎn)陣)漢字。下面介紹一下主要技術(shù)參數(shù)和性能： ①電源(VDD)：+5V。 ②顯示內(nèi)容：128(列)x64(行)點(diǎn)，全屏幕點(diǎn)陣。 七種指令。IC內(nèi)帶8139個(gè)16x16點(diǎn)陣中文字庫(kù)，126個(gè)16x8字母符號(hào)，并提供4個(gè)16x16點(diǎn)陣的自定義字功能。 ③

54、與CPU接口采用串行控制方式。 (D占空比(DuTY)：1／32。 ⑤工作溫度：．20℃～+70℃，存儲(chǔ)溫度：．30℃～+85℃。 ⑥模塊工作電流約為3mA(5V)，背光工作電流約為40mA(5v)。 WGM-12864系列液晶采用臺(tái)灣矽創(chuàng)電子公司生產(chǎn)的ST7920作為液晶驅(qū)動(dòng)控制芯 片。其I／O接口特性如表3.4所示： 表3．4液晶驅(qū)動(dòng)控制芯片I／0接口特性 本系統(tǒng)采用雙單片機(jī)芯片通過CD4052多路選擇開關(guān)與液晶模塊進(jìn)行分時(shí)選通控制，單片機(jī)AT89C51串行控制的時(shí)鐘端和數(shù)據(jù)端分別選擇P2．6、P2．7引腳，AT89C52的則分別為P2．0、P2．1引腳

55、。兩個(gè)單片機(jī)、CD4052和液晶模塊的電源輸入端都接在同一個(gè)+5V輔助電源上。多路開關(guān)CD4052的INH、Vee和Vss引腳均接地，與其共地的還有AT89C51和AT89C52的接地端，液晶模塊電源負(fù)極和背光燈接地端。圖3．15為液晶接口模塊的硬件連接圖。 圖3.15液晶接口電路 如圖3．15所示，主控芯片AT89C51的P1．1和P1．2引腳與CD4052的A、B引腳相連，在單片機(jī)程序的控制下，通過改變AT89C51單片機(jī)上P1．1與P1．2引腳上的高低電平，即可實(shí)現(xiàn)使多路選擇開關(guān)選通不同的數(shù)據(jù)通路。 3.5信號(hào)采集電路 3.5.1輸出信號(hào)采集電路 系統(tǒng)輸出信號(hào)包

56、括輸出電流、輸出電壓、輸出電壓的頻率和脈寬這4個(gè)需要被采集的信號(hào)。輸出信號(hào)采集電路如圖3．16所示。 電壓采樣電路在系統(tǒng)輸出端采用若干分壓電阻串聯(lián)方式，經(jīng)過電壓跟隨器后輸出電壓采樣信號(hào)。電路中取RF為200Kf2，Rv為320Kf≥，選用志耕電子有限公司精密金屬膜電阻器MELF系列的0204型號(hào)，分壓電阻RP取值400Mf2，選用北京酒安迅達(dá)公司R18型號(hào)的片狀玻璃釉電阻器，耐壓15KV。因?yàn)檩敵龆藶?0KV--一50KV高壓，為保護(hù)后續(xù)電路安全，需要8個(gè)400M92的分壓電阻使采樣電路電流在安全范圍之內(nèi)。信號(hào)采樣電路的主體形式為電壓跟隨器，其輸入端接有限流電阻，穩(wěn)壓管和濾波電容，穩(wěn)

57、壓管穩(wěn)壓值為后續(xù)電路中運(yùn)放的電源電壓值，這樣保證了即使在過壓情況下后續(xù)電路元器件的安全。 電壓采樣電路分壓電阻的選取可以保證當(dāng)系統(tǒng)輸出電壓在最大到最小值之間變化時(shí)，B點(diǎn)電位在5V到1V之間呈線性變化。由于系統(tǒng)輸出端為脈沖形式，經(jīng)過射隨器IC6后的電壓波形仍為脈沖形式，所以在其輸出端選取參數(shù)值合適的阻容電路將脈沖波形轉(zhuǎn)化為直流波形，之后送入A，D轉(zhuǎn)換芯片MAXl97的1號(hào)通道。由于輸出頻率要求在1Hz--一50Hz內(nèi)變化，再考慮安全佘量，則RC時(shí)間常數(shù)應(yīng)大于或等于1s。電壓采樣電容cv應(yīng)大于或等于10uF；電流采樣與電壓采樣類似，最后電流采樣信號(hào)送入A／D轉(zhuǎn)換芯片MAXl97的2號(hào)通道。對(duì)于輸

58、出脈沖的頻率和脈寬采樣電路，其實(shí)現(xiàn)方法是采用比較器輸出高低電平模擬實(shí)際系統(tǒng)輸出脈沖的方式。圖3．16中A點(diǎn)電位是脈沖形式，其分壓電阻的選取與電壓采樣中分壓電阻的選取相同，但是為了保證兩路采樣信號(hào)的精確性，沒有在同一支路上取樣。A點(diǎn)分壓值對(duì)應(yīng)輸出電壓10KV--一50KV在1V--一5V范圍內(nèi)變化。這樣，當(dāng)輸出電壓處于10KV"50KV的高電平時(shí)，A點(diǎn)電位處于1V"-5V的高電平，大于比較器IC7反相輸入端的0．5V基準(zhǔn)電壓，比較器輸出高電平；反之，比較器輸出低電平，最后形成的脈沖信號(hào)送入AT89C52的相應(yīng)引腳進(jìn)行脈寬與頻率檢測(cè)。 圖3.16輸出信號(hào)采樣電路 3．5．2A／D轉(zhuǎn)換電路

59、 A／D轉(zhuǎn)換電路是系統(tǒng)輸出的模擬信號(hào)與單片機(jī)所能識(shí)別的數(shù)字信號(hào)溝通的橋梁，本系統(tǒng)采用MAXIM公司推出的12位逐次漸進(jìn)式A／D轉(zhuǎn)換器MAXl97。下面首先介紹其主要性能特點(diǎn)[35-36]。MAXl97具有12位分辨率和1／2LSB的線性度；單--+5V電源供電；可選擇的輸入電壓范圍為：0"-5V、0""10V、+5V、10V；8路可獨(dú)立編程的模擬輸入通道；轉(zhuǎn)換時(shí)間：6／,ts；采樣速率：100kbps；內(nèi)部或外部時(shí)鐘；內(nèi)部4．06V基準(zhǔn)電壓源或外接基準(zhǔn)源：內(nèi)部或外部采集控制；兩種掉電工作模式：待掉電模式和全掉電模式：輸入通道耐壓至16．5V。 其次介紹MAXl97引腳及其功

60、能。MAXl97有28腳DIP(窄型)、寬型SO、SSOP 等封裝形式。本系統(tǒng)采用DIP封裝。D0"--D11為輸出數(shù)據(jù)線；CH0"---CH7為模擬量輸入通道；CS為片選端；RD，WR為讀寫控制端；CLK為時(shí)鐘輸入；INT為轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)。HBEN為12位轉(zhuǎn)換結(jié)果輸出端，HBEN=I．-高4位輸出；HBEN=0：低8位輸出。SHDN為省電控制端，SHDN=0時(shí)，MAXl97進(jìn)入省電模式。REFADJ為帶隙電壓基準(zhǔn)輸出/外部調(diào)整端；REF為基準(zhǔn)緩沖輸出艙DC基準(zhǔn)輸入；VDD接+5V，DGND為數(shù)字地，AGND為模擬地。 最后說明MAXl97控制字格式。MAXl97的工作模式由其控制字決定

61、，控制字格式由高位到低位依次為PDl、PD0、ACQMOD、RNG、BIP、A2、A1、A0。 (2)MAXl97轉(zhuǎn)換模式及時(shí)序 MAXl97的轉(zhuǎn)換模式由ACQMOD決定，ACQMOD=0：內(nèi)部控制的轉(zhuǎn)換模式。 ACQMOD=I：外部控制的轉(zhuǎn)換模式。外部轉(zhuǎn)換模式時(shí)序如圖3．17所示。 圖3.17 MAXl97外部轉(zhuǎn)換模式及時(shí)序 (3)A／D轉(zhuǎn)換電路 從輸出端采樣經(jīng)電阻分壓得到1V--5V的輸出電壓信號(hào)，電流采樣經(jīng)保護(hù)電路得到等值輸出電流對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)。這兩個(gè)信號(hào)進(jìn)入MAXl97進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，最終送入單片機(jī)通過程序控制使其在液晶模塊中顯示出來。本系統(tǒng)采用

62、MAXl97內(nèi)部時(shí)鐘模式，內(nèi)部控制的轉(zhuǎn)換模式和內(nèi)部的參考電壓值4．096V，量程為0--一10V。圖3．18為A／D轉(zhuǎn)換電路圖。 圖3.18 A／D轉(zhuǎn)換電路圖 本論文選擇CH0與CHl通道分別作為電壓和電流的采樣輸入通道。對(duì)A／D轉(zhuǎn)換芯片來說，高精度的參考電壓是十分重要的，因?yàn)樗梢灾苯佑绊憯?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的精度，一般的A／D轉(zhuǎn)換芯片都要外接參考電壓，而MAXl97內(nèi)部自帶參考電壓，本電路即采用其內(nèi)部4．096V的參考電壓。 圖3．18中REF腳接4．7,uF電容到地，同時(shí)REFADJ腳接0．01／zF至U地是采用內(nèi)部參考電壓的典型接法。兩芯片的讀寫控制端相連，單片機(jī)的P0口線用來接收

63、MAXl97的12位轉(zhuǎn)換結(jié)果。AT89C52通過檢測(cè)P1．6腳電平來查詢轉(zhuǎn)換是否結(jié)束，通過對(duì)P1．7腳的置位來分時(shí)傳送12位檢測(cè)結(jié)果的高位與低位，最后由單片機(jī)的程序控制將輸出電壓和電流顯示在液晶模塊上。 4．系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 有了硬件電路這個(gè)平臺(tái)，還需要結(jié)合一定的軟件才能使系統(tǒng)有效的執(zhí)行預(yù)期功能。軟件的研發(fā)主要是針對(duì)本單元核心處理器AT89C51和AT89C52的編程，使其在各條指令的控制下，有序高效的完成各項(xiàng)任務(wù)。在研制單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，匯編語言是一種常用的軟件工具，它能直接操作硬件，指令的執(zhí)行速度快，但其指令的固有格式受硬件結(jié)構(gòu)的限制很大，難以編寫與調(diào)試，可移植性也差。與匯編語言相

64、比，C51在功能、結(jié)構(gòu)、可讀性、可維護(hù)性上有明顯的優(yōu)勢(shì)，另外，C51的語言簡(jiǎn)潔，可移植性好，生成的代碼質(zhì)量高，在代碼效率方面可以與匯編語言相媲美。因此，(251己成為開發(fā)51系列單片機(jī)的流行軟件工具。本系統(tǒng)的軟件開發(fā)同樣也是基于C51編型了71。 本系統(tǒng)的軟件部分主要包括兩大部分功能模塊，其中單片機(jī)AT89C51主要負(fù)責(zé)控制功能的實(shí)現(xiàn)，例如鍵盤輸入模塊和控制脈沖產(chǎn)生程序。而AT89C52則主要作為檢測(cè)芯片完成系統(tǒng)輸出電壓與電流的模數(shù)轉(zhuǎn)換以及脈寬和頻率的測(cè)定功能。與此同時(shí)，不管在控制芯片或者檢測(cè)芯片工作過程中，兩者都涉及到液晶顯示功能的實(shí)現(xiàn)。 本系統(tǒng)主要采用模塊化的思想對(duì)系統(tǒng)

65、的軟件模塊進(jìn)行劃分。主程序主要完成對(duì)各個(gè)功能塊的依次調(diào)用即可。下面將予以詳細(xì)介紹。 4.1整體程序流程 本系統(tǒng)的整體程序主要完成脈寬頻率值的設(shè)定，控制脈沖的產(chǎn)生，輸出參數(shù)的檢測(cè)和顯示等功能。此程序是系統(tǒng)軟件部分的主干，其他各個(gè)模塊的子程序都在主程序的基礎(chǔ)上發(fā)展起來，受主程序調(diào)用。系統(tǒng)整體程序流程見圖4．1。 系統(tǒng)上電后，首先進(jìn)行各個(gè)參數(shù)變量的初始化工作，然后在液晶上顯示系統(tǒng)歡迎界面“歡迎使用本系統(tǒng)"，持續(xù)數(shù)秒延時(shí)后進(jìn)入初始設(shè)定界面，在此界面用戶需設(shè)定要求的輸出脈寬和頻率值。在等待鍵盤操作的同時(shí)，液晶上一直顯示初始設(shè)定界面內(nèi)容直到有按鍵被檢測(cè)到為止。當(dāng)“ENTER”鍵被按下時(shí)

66、，說明默認(rèn)參數(shù)無須修改，直接開始輸出控制脈沖；當(dāng)“SURE"鍵被按下時(shí)，說明需要對(duì)默認(rèn)參數(shù)進(jìn)行修改，則進(jìn)入?yún)?shù)設(shè)定子程序，其中包括keyboard()和key_scan()兩個(gè)函數(shù)調(diào)用，前者完成修改項(xiàng)選擇功能，后者實(shí)現(xiàn)鍵盤掃描以及數(shù)值修改的操作。當(dāng)設(shè)定完畢之后，同樣按下“ENTER’’鍵開始輸出控制脈沖。由于設(shè)計(jì)要求在運(yùn)行過程中需要對(duì)輸出參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，所以設(shè)置了修改功能。當(dāng)“MODIFY"鍵被按下后，單片機(jī)持續(xù)輸出高電平信號(hào)，同時(shí)進(jìn)入設(shè)定界面配合鍵盤操作修改輸出參數(shù)使之滿足要求；而“MODIFY"鍵不動(dòng)作時(shí)，AT89C51始終保持輸出控制脈沖并進(jìn)行鍵盤掃描循環(huán)動(dòng)作，AT89C52開始檢測(cè)輸出參數(shù)并且顯示在液晶屏幕上。 圖4.1整體程序流程 4.2控制芯片程序模塊 4.2.1鍵盤處理程序 圖4.2keyboard0函數(shù)流程圖 在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，通常具有人機(jī)對(duì)話功能，能隨時(shí)發(fā)出各種控制命令和數(shù)據(jù)輸入以及報(bào)告應(yīng)用系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)與運(yùn)行結(jié)果，因此鍵盤電路被廣泛應(yīng)用于各種人機(jī)界面的環(huán)節(jié)中。鍵盤電路可分為獨(dú)立連接式和矩陣式兩類，每一類