大功率直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計

本文針對目前國內(nèi)用于電源是晶閘管靜態(tài)逆變器。其逆變頻率限制在8KHz以下，實際產(chǎn)品一般僅為1KHz左右。晶閘管靜態(tài)逆變器的頻率范圍窄，如感應(yīng)器改變時，不能進行頻率調(diào)節(jié)。本文通過應(yīng)用IGBT逆變器以設(shè)計大功率的直流穩(wěn)壓電源。

本文首先介紹了所設(shè)計的大功率直流穩(wěn)壓電源的組成結(jié)構(gòu)和控制原理，并就電源主電路、控制電路、保護電路以及控制系統(tǒng)軟件的設(shè)計做了詳細地分析。

主電路系統(tǒng)由輸入濾波整流電路、逆變電路、高頻變壓器、輸出整流濾波電路組成。逆變電路采用輸出功率較大的IGBT全橋式逆變結(jié)構(gòu)，絕緣柵雙極晶體管（IGBT）具有輸入阻抗高、工作速度快、通態(tài)電壓低、阻斷電壓高、承受電流大等優(yōu)點。根據(jù)大功率直流穩(wěn)壓電源的外特性的要求，設(shè)計中使用電壓、電流雙閉環(huán)反饋系統(tǒng)來控制電源外特性，得到的電源特性既有較好的功率特性，又有外拖特性，故系統(tǒng)有很好的外特性。

文中詳細討論了上述電路的設(shè)計要點及參數(shù)確定，以16位單片機80C196KC為控制核心，組成大功率直流穩(wěn)壓電源的控制系統(tǒng)。單片機通過采樣電路中的電壓、電流值，與給定值比較后可自動調(diào)節(jié)，同時還可顯示電路中的電壓、電流值，具有監(jiān)控功能。所以此系統(tǒng)不僅具有較高的可靠性，還具有良好的工藝性能。由于使用了高頻器件，整個系統(tǒng)具有小型化、輕量化、高效率等優(yōu)點，符合現(xiàn)代大功率直流穩(wěn)壓電源的發(fā)展潮流。故本系統(tǒng)具有較好的發(fā)展前景。

This article in view of present domestic uses in the power source is the thyristor static state invertor. Its inversion frequency restriction below 8KHz, the actual product is only about generally 1KHz.?The thyristor static state invertor's frequency range is narrow, if time sensor change, cannot carry on the frequency control. Developed adapted using the IGBT invertor in the high efficiency cocurrent voltage-stabilized source's development work.

This article first introduced designs the high efficiency cocurrent voltage-stabilized source's composition structure and the control principle, and on the power source main circuit, the control circuit, the protection circuit as well as the control system software's design did have analyzed in detail.

The contravariant welding machine main circuit system by the input filter leveling circuit, the contravariant electric circuit, the high-frequency transformer, the output rectification filter circuit is composed.?The contravariant electric circuit uses the output big IGBT entire bridge-type inversion structure, insulates the grid bipolar transistor (IGBT) to have the input impedance to be high, the working speed quick, passes condition the voltage to be low, the breakdown voltage is high, withstanding electric current big and so on merits.?According to the high efficiency cocurrent voltage-stabilized source's external characteristic request, in the design uses the voltage, the electric current double closed loop feedback system control supply external characteristic, obtains the power source characteristic both has the good power characteristic, and outside has tows the characteristic, therefore the system has the very good external characteristic.

The design key points and parameters are discussed in detail. high performance 16-bit micro-processor 80C196KC is adopted for control kernel. The single chip can self-regulate after comparing the given value with the voltage and current value of sampling circuit, and at the same time show the voltage and current value of circuit. Because has used the high frequency component, the overall system has merits and so on miniaturization, lightweight, high efficiency, is in keeping with the modern high efficiency cocurrent voltage-stabilized source's development tidal current. Therefore this system has the good prospects.

目　　錄

摘　　要

Abstract

引　　言

1?概述

1.1?電源穩(wěn)定問題的提出

1.2?輸出電壓不穩(wěn)定的因素

1.3?直流穩(wěn)壓電源的技術(shù)指標

1.4?穩(wěn)壓電源的分類

1.5?本文主要工作

2?電源硬件系統(tǒng)設(shè)計

2.1?單片機控制的直流穩(wěn)壓電源的總體設(shè)計

2.1.1?電源的外特性

2.2?元件選擇

2.2.1?逆變電路拓撲結(jié)構(gòu)選擇

2.2.2?逆變頻率的確定

2.2.3?開關(guān)元件的選擇

2.2.4?逆變控制方式的選擇

2.3?單片機控制的直流穩(wěn)壓電源的總體設(shè)計

2.3.1?電源的主電路

2.3.2?驅(qū)動電路

2.3.3?HL402模塊的分析

2.3.4?輸出電路

2.3.5?直流穩(wěn)壓電源設(shè)計

2.4?逆變器的控制電路

2.5?電流閉環(huán)仿真

3主電路的參數(shù)計算

3.1輸入電路參數(shù)計算

3.2逆變電路參數(shù)計算

3.3輸出電路計算

3.4紋波的抑制

4輔助電路

4.1電壓驅(qū)動型脈寬調(diào)制器

4.2電流檢測電路

4.3電壓檢測電路

4.4脈沖調(diào)制工作點的選擇

5單片機控制系統(tǒng)的設(shè)計

5.1單片機最小系統(tǒng)設(shè)計

5.2數(shù)模轉(zhuǎn)換電路

6軟件設(shè)計

結(jié)　　論

參?考?文?獻

附錄A 電路圖

致　　謝

自70年代末以來，國外迅速發(fā)展功率場效應(yīng)晶閘管（Power MOSFET）,絕緣門級雙級性晶閘管（IGBT）和MOS柵控晶閘管（MCT）等新型功率開關(guān)器件，由于這些新型器件具有開關(guān)頻率高，器件自身的功率損耗小，因而轉(zhuǎn)換效率高，電路結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點，在加熱電源領(lǐng)域中，正在得到廣泛的應(yīng)用。其中IGBT器件，其輸出管壓降低，一般在3V以下，器件本身的功耗小，具有晶閘管的優(yōu)點，適合于大電流工作，其控制端采用了場效應(yīng)管的技術(shù)，驅(qū)動非常小，適應(yīng)于高速開關(guān)，且沒有二次擊穿的問題，工作比較安全，因此屬于目前國際上有限發(fā)展的大功率開關(guān)器件。國外器件制造廠商推出了一系列大功率IGBT模塊，其最大單管電流已達到1000A以上，耐壓可達到1200V（有的可達到1400V），開關(guān)時間在600ns以下。其實際工作頻率可達到50KHz，功率較小時可達到100KHz，因此是極有前途的功率開關(guān)器件。

但是，上述這些新型功率開關(guān)器件也存在一些弱點，如電壓與電流的過載能力弱，當(dāng)工作參數(shù)超過其安全范圍是，非常容易損壞。因此給電路結(jié)構(gòu)的設(shè)計與制造提出了新的要求，并且需要快速而有效的保護措施

由于IGBT逆變器的逆變頻率高，節(jié)能效果好，在各種電源中均有重要的應(yīng)用。但到目前為止，我國在應(yīng)用大功率IGBT模塊制造大功率直流穩(wěn)壓電源還是比較少，大功率直流穩(wěn)壓電源主要應(yīng)用與我國的軍事和航天事業(yè)當(dāng)中，如適用于大功率沖擊負載和飛機、自行火炮、坦克、導(dǎo)彈等武器裝備的起動電源。應(yīng)用在我國的重型工業(yè)中。

許多電子設(shè)備都需要良好穩(wěn)定的直流供電電源，而外部提供的能源大多為交流電網(wǎng)電源，通常是通過火力發(fā)電、水利發(fā)電、核子發(fā)電及風(fēng)力發(fā)電獲得的。直流電源設(shè)備擔(dān)負著把交流電源轉(zhuǎn)換為電子設(shè)備所需的各種類別直流電源的任務(wù)。轉(zhuǎn)換后的直流電源要具有良好的穩(wěn)定性，當(dāng)電網(wǎng)或負載變化時，它能保持穩(wěn)定的輸出電壓，并具有較低的紋波。我們通常稱這種直流電源為直流穩(wěn)壓電源。

說到穩(wěn)壓問題可以追溯到上一個世紀愛迪生發(fā)明電燈時，就曾考慮過穩(wěn)壓電源。到二十世紀初，就有了鐵磁穩(wěn)壓電源。電子管問世不久，就有人設(shè)計了電子管直流穩(wěn)壓電源。到四十年代后期，電子器件與磁飽和元件相結(jié)合，構(gòu)成了電子控制的磁飽和交流穩(wěn)壓電源，至今還在應(yīng)用。五十年代，隨著半導(dǎo)體工業(yè)的飛躍發(fā)展，晶體管的誕生使晶體管串聯(lián)調(diào)整穩(wěn)壓電源，成了穩(wěn)壓電源的核心，這種局面一直維持到六十年代中期。隨著電子設(shè)備的進步，電子設(shè)備開始從分立元件進入集成電路時代，體積日益減小，裝機密度不斷提高，規(guī)模容量逐漸增大。這種晶體管串聯(lián)型常規(guī)電源難以滿足形勢發(fā)展的趨勢日益顯露。六十年代后期，科技工作者對穩(wěn)壓電源技術(shù)做了一次新的總結(jié)，使開關(guān)電源，可控硅電源得到了快速發(fā)展。與此同時，將穩(wěn)壓電源的大部分元器件都集成在一塊硅基片上的集成穩(wěn)壓電源也不斷發(fā)展。

電源是電子設(shè)備的重要部分，其質(zhì)量好壞直接影響著電子設(shè)備的可靠性，而且電子設(shè)備的故障60%來自電源。因此電源越來越受到人們的重視。電子電路及電子設(shè)備對電源最基本的要求就是電源的輸出電壓或輸出電流要穩(wěn)定。穩(wěn)壓電源的輸出電壓不是絕對不變的，只是變化很小。從穩(wěn)壓電路的原理分析，最主要的引起輸出電壓變化的因素有兩個：一是輸入電壓的變化引起的輸出電壓的變化；另一個是輸出電流的變化(由于負載變化)引起輸出電壓的變化。輸出電壓的變化很微小，但正是這個微小的變化經(jīng)放大后才能反饋去抵消原有的大部分變化。

一般來說，穩(wěn)壓電路的設(shè)計首先要考慮輸入電壓和負載這兩個因素。或者說，首先要“抵制”的是這兩個因素引起的輸出電壓變化;也就是穩(wěn)壓電源穩(wěn)定電壓的能力首先要看輸入電壓的變化和負載變化引起的輸出電壓的變化被限制到多小的程度。當(dāng)人為地保持輸入電壓和負載不變時，輸出電壓仍有變化。引起這種變化的因素很多，其中最主要的是溫度的變化，電路要工作起來，元器件上就有電流通過，就要消耗功率，引起溫升。取樣電阻和基準源溫度的變化對輸出電壓的影響更大。

衡量一臺穩(wěn)壓電源的好壞，一方面要從功能角度來看，即容量大小(輸出電壓和輸出電流)、調(diào)節(jié)范圍大小、效率高低等，人們稱其為使用指標或性能指標;另一方面要從外觀、形狀、體積、重量等直觀形象來看，這些稱為電氣指標;更重要的是要看它的質(zhì)量高低，即輸出電壓的穩(wěn)定度等，一般稱為質(zhì)量指標。下面重點介紹質(zhì)量指標。

(1)、描述輸入交流電壓變化對輸出電壓影響的技術(shù)指標

1.穩(wěn)壓系數(shù)

穩(wěn)壓系數(shù)有絕對穩(wěn)壓系數(shù)和相對穩(wěn)壓系數(shù)兩種。絕對穩(wěn)壓系數(shù)表示負載不變而輸入交流電壓變化時，穩(wěn)壓電源輸出直流電壓變化量△U0與輸入交流電壓變化量△Ui之比，即

??????????????????????????????????????????????????????????(1.1) ?

它表示輸入交流電壓變化△U，引起輸出電壓變化△U0越小輸出電壓就越穩(wěn)定。這種表示方法在工程中常常用到。相對穩(wěn)壓系數(shù)表示負載不變時，穩(wěn)壓電源輸出直流電壓U0的相對變化量△U0/ U0與輸入交流電壓U，的相對變化量△Ui/ U0之比，即

????????????????????????????????????????????????????????(1.2)

2.電壓調(diào)整率

電壓調(diào)整率表示負載電流為額定值時輸入交流電壓在額定值上下變化

10%時，穩(wěn)壓電源輸出電壓的相對變化量(百分數(shù))，即?

?????????????????????????????????????????????????????????????????

(1.3)

一般直流穩(wěn)壓電源的電壓調(diào)整率為1%，0.1%，0.01%等。有的也可以用絕對值表示。

(2)、描述負載變化對輸出電壓影響的技術(shù)指標

1.負載調(diào)整率(也稱電流調(diào)整率)

在交流電源額定電壓的條件下，負載電流從零變化到最大時，輸出電壓的最大相對變化量，用百分數(shù)表示。

?????????????????????????????????????????????????????(1.4)

輸出電阻(也稱內(nèi)阻)

在額定輸出電壓的條件下，負載電流變化

引起輸出電壓變化△U0，則輸出電阻為

????????????????????????????????????????????????????????????(1.5)

(3)、紋波電壓(現(xiàn)稱周期和隨機漂移，用PARD表示)

1.最大紋波電壓

在額定輸出電壓和額定輸出電流條件下，輸出紋波(包括噪聲)電壓的絕對值大小，通常以峰值或有效值表示。

2.紋波系數(shù)

在額定輸出電壓和額定電流條件下，輸出紋波電壓的有效值Urms與輸出直流電壓U0之比，即

?????????????????????????????????????????????????????(1.6)

(4)、溫度漂移和溫度系數(shù)

環(huán)境溫度的變化會影響元器件參數(shù)的變化，從而引起穩(wěn)壓電源輸出電壓的變化，稱為溫度漂移。常用溫度系數(shù)表示溫度漂移的大小，溫度每變化1

C所引起輸出電壓值的變化

稱為絕對溫度系數(shù)，單位是V/

C或mV/

C。溫度每變化1

C所引起的輸出電壓相對變化△U0r/ U0T稱為相對溫度系數(shù)，單位是%/

C。

(5)、漂移

穩(wěn)壓電源在輸入電壓、負載電流和環(huán)境溫度保持一定的情況下，經(jīng)過一定的工作時間后元器件參數(shù)的不穩(wěn)定也會造成輸出電壓的變化，慢變化叫做漂移，快變化叫噪聲。在一般使用中只考慮漂移就可以了。

表示漂移的方法有兩種，一種是用指定時間內(nèi)輸出電壓值的變化△U0來表示;另一種是用指定時間內(nèi)輸出電壓的相對變化△Uot/Uo、來表示。考察漂移時間可以定為1分鐘、10分鐘、1小時、8小時或更長。

現(xiàn)代應(yīng)用的穩(wěn)壓電源的種類比較多，分類方式也很多。

按穩(wěn)定對象分有交流穩(wěn)壓電源和直流穩(wěn)壓電源。是交流還是直流要看穩(wěn)壓電源的輸出電壓是交流還是直流。

按穩(wěn)定方式分，有參數(shù)穩(wěn)壓電源和反饋調(diào)整穩(wěn)壓電源。參數(shù)穩(wěn)壓電源電路簡單，利用元件的非線性實現(xiàn)穩(wěn)壓，結(jié)構(gòu)也簡單。比如，用一只電阻和一只可控硅穩(wěn)壓管就能構(gòu)成參數(shù)穩(wěn)壓電源。反饋調(diào)整型穩(wěn)壓電源是一個負反饋閉環(huán)自動調(diào)整系統(tǒng)，它根據(jù)穩(wěn)壓電源的輸出電壓的變化量，經(jīng)過取樣、比較放大、再反饋給控制調(diào)整元件，使輸出電壓得到補償而趨于原值，從而達到穩(wěn)定。此電路較復(fù)雜，但穩(wěn)定度高。

按穩(wěn)壓電源的調(diào)整元件與負載的聯(lián)接方式來分類，可以分為并聯(lián)穩(wěn)壓電源和串聯(lián)穩(wěn)壓電源兩種。調(diào)整元件與負載并聯(lián)的叫并聯(lián)穩(wěn)壓電源或分流穩(wěn)壓電源，它通過改變調(diào)整管元件流過的電流的多少來適應(yīng)輸入電網(wǎng)電壓的變化及負載電流的變化，以保持輸出電壓的穩(wěn)定。這種穩(wěn)壓電源效率較低，只有某些專用場合才適用。調(diào)整元件與負載串聯(lián)的穩(wěn)壓電源叫做串聯(lián)穩(wěn)壓電源。在這種穩(wěn)壓電源中，調(diào)整元件串聯(lián)在輸入端和輸出端之間，輸出電壓就依靠調(diào)整元件改變自身的等效電阻來維持恒定。

按調(diào)整元件分，有輝光放電管穩(wěn)壓電源，穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電源，電子管穩(wěn)壓電源，晶體管穩(wěn)壓電源，可控硅穩(wěn)壓電源等。按調(diào)整元件的工作狀態(tài)分，有線性穩(wěn)壓電源和開關(guān)穩(wěn)壓電源。所謂線性穩(wěn)壓，就是其調(diào)整管工作在線性放大區(qū)。這種穩(wěn)壓電源的主要優(yōu)點是調(diào)壓范圍寬、穩(wěn)定度高，但變換效率低;開關(guān)穩(wěn)壓電源的調(diào)整管工作在開關(guān)狀態(tài)，主要的優(yōu)越性就是變換效率高，可達70%一95%。

根據(jù)需要，還可以有其他分類方法，例如集成電極輸出型、發(fā)射極輸出型;高壓、低壓;通用、專用等。

本課題主要是進行用單片機來控制直流穩(wěn)壓電源的研制工作。要求電源具有高可靠性。所以本文的主要工作有：

在逆變電源的基礎(chǔ)上建立以80C196KC單片機為控制核心的微機控制系統(tǒng)，設(shè)計單片機控制系統(tǒng)硬件，在滿足控制系統(tǒng)要求的條件下，力求軟硬件的最佳組合。

所研制的單片機控制穩(wěn)壓電源的技術(shù)指標如下：

?輸入電壓：??????????????????????????????380V三相交流50HZ；

輸出電壓???????????????????????????????????24V

輸出電流???????????????????????????????????800A；

圖2.1 ?電壓電流外特性

逆變電路拓撲有推挽型、全橋、半橋等，如表2.1所示。

表2.1逆變電路的比較

電路

參數(shù)

推挽式

全橋式

半橋式

功率開關(guān)管集射極間施加電壓

穩(wěn)態(tài)為2E,漏感引起的尖峰V

?>2E

穩(wěn)態(tài)為E,二級管相位?V

2E

穩(wěn)態(tài)為E,二級管相位?V