毕业论文-大功率直流稳压电源的设计.doc
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XX信息职业技术学院
毕业论文
作者学号10714D20
系部电子信息工程系
专业电子信息工程技术
题目大功率直流稳压电源的设计
指导教师
评阅教师
完成时间：
2010年05月10日
毕业论文中文摘要
（题目）：
大功率直流稳压电源的设计
摘要：
本文首先介绍了所设计的大功率直流稳压电源的组成结构和控制原理，，并就电源主电路、控制电路、保护电路以及控制系统软件做了详细地分析。
文中详细讨论了上述电路的设计要点及参数确定，以16位单片机80C196KC为控制核心，组成大功率直流稳压电源的控制系统。
单片机通过采样电路中的电压、电流值，与给定值比较后可自动调节，同时还可显示电路中的电压、电流值，具有监控功能。
所以此系统不仅具有较高的可靠性，还具有良好的工艺性能。
由于使用了高频器件，整个系统具有小型化、轻量化、高效率等优点，符合现代大功率直流稳压电源的发展潮流。
关键词：
大功率直流稳压IGBT逆变器微机控制系统
毕业论文外文摘要
Title:
highefficiencycurrentvoltage-stabilizedsource
Abstract:
Thisarticlefirstintroduceddesignsthehighefficiencycocurrentvoltage-stabilizedsource'scompositionstructureandthecontrolprinciple,andonthepowersourcemaincircuit,thecontrolcircuit,theprotectioncircuitaswellasthecontrolsystemsoftware'sdesigndidhaveanalyzedindetail.
Thedesignkeypointsandparametersarediscussedindetail.highperformance16-bitmicro-processor80C196KCisadoptedforcontrolkernel.Thesinglechipcanself-regulateaftercomparingthegivenvaluewiththevoltageandcurrentvalueofsamplingcircuit,andatthesametimeshowthevoltageandcurrentvalueofcircuit.Becausehasusedthehighfrequencycomponent,theoverallsystemhasmeritsandsoonminiaturization,lightweight,highefficiency,isinkeepingwiththemodernhighefficiencycocurrentvoltage-stabilizedsource'sdevelopmenttidalcurrent.
keywords:
HighefficiencyDirectcurrentIGBTinverterMicroprocessorcontrolsystems
目录
1引言 5
2概述 5
2.1电源稳定问题的提出 5
2.2电压不稳定的因素 6
2.3稳压电源的分类 6
2.4本文主要工作 7
3电源硬件系统设计 7
3.1单片机控制的直流稳压电源的总体设计 7
3.1.1电源的主电路 8
3.1.2驱动电路 8
3.1.3输出电路 9
3.1.4直流电源设计 10
3.2元件选择 13
3.2.1逆变电路的拓扑结构选择 13
3.2.2逆变频率的确定 13
3.2.3开关元件的选择 14
3.2.4逆变控制方式的选择 15
4参数计算 15
4.1输入电路参数计算 15
4.2逆变电路参数计算 16
4.3输出电路计算 18
4.4纹波的抑制 18
5辅助电路 20
5.1电压驱动型脉宽调制器 20
5.2电流检测电路 20
5.3电压检测电路 22
6单片机控制系统的设计 22
6.1单片机最小系统设计 22
6.2数模转换电路 23
结论 26
致谢 27
参考文献 27
附录A电路图 28
1引言
自70年代末以来，国外迅速发展功率场效应晶闸管（PowerMOSFET）,绝缘门级双级性晶闸管（IGBT）和MOS栅控晶闸管（MCT）等新型功率开关器件，由于这些新型器件具有开关频率高，器件自身的功率损耗小，因而转换效率高，电路结构简单等优点，在加热电源领域中，正在得到广泛的应用。
其中IGBT器件，其输出管压降低，一般在3V以下，器件本身的功耗小，具有晶闸管的优点，适合于大电流工作，其控制端采用了场效应管的技术，驱动非常小，适应于高速开关，且没有二次击穿的问题，工作比较安全，因此属于目前国际上有限发展的大功率开关器件。
国外器件制造厂商推出了一系列大功率IGBT模块，其最大单管电流已达到1000A以上，耐压可达到1200V（有的可达到1400V），开关时间在600ns以下。
其实际工作频率可达到50KHz，功率较小时可达到100KHz，因此是极有前途的功率开关器件。
但是，上述这些新型功率开关器件也存在一些弱点，如电压与电流的过载能力弱，当工作参数超过其安全范围是，非常容易损坏。
因此给电路结构的设计与制造提出了新的要求，并且需要快速而有效的保护措施。
由于IGBT逆变器的逆变频率高，节能效果好，在各种电源中均有重要的应用。
但到目前为止，我国在应用大功率IGBT模块制造大功率直流稳压电源还是比较少，大功率直流稳压电源主要应用与我国的军事和航天事业当中，如适用于大功率冲击负载和飞机、自行火炮、坦克、导弹等武器装备的起动电源。
应用在我国的重型工业中。
2概述
2.1电源稳定问题的提出
许多电子设备都需要良好稳定的直流供电电源，而外部提供的能源大多为交流电网电源，通常是通过火力发电、水利发电、核子发电及风力发电获得的。
直流电源设备担负着把交流电源转换为电子设备所需的各种类别直流电源的任务。
转换后的直流电源要具有良好的稳定性，当电网或负载变化时，它能保持稳定的输出电压，并具有较低的纹波。
我们通常称这种直流电源为直流稳压电源。
说到稳压问题可以追溯到上一个世纪爱迪生发明电灯时，就曾考虑过稳压电源。
到二十世纪初，就有了铁磁稳压电源。
电子管问世不久，就有人设计了电子管直流稳压电源。
到四十年代后期，电子器件与磁饱和元件相结合，构成了电子控制的磁饱和交流稳压电源，至今还在应用。
五十年代，随着半导体工业的飞跃发展，晶体管的诞生使晶体管串联调整稳压电源，成了稳压电源的核心，这种局面一直维持到六十年代中期。
随着电子设备的进步，电子设备开始从分立元件进入集成电路时代，体积日益减小，装机密度不断提高，规模容量逐渐增大。
这种晶体管串联型常规电源难以满足形势发展的趋势日益显露。
六十年代后期，科技工作者对稳压电源技术做了一次新的总结，使开关电源，可控硅电源得到了快速发展。
与此同时，将稳压电源的大部分元器件都集成在一块硅基片上的集成稳压电源也不断发展。
2.2电压不稳定的因素
电源是电子设备的重要部分，其质量好坏直接影响着电子设备的可靠性，而且电子设备的故障60%来自电源。
因此电源越来越受到人们的重视。
电子电路及电子设备对电源最基本的要求就是电源的输出电压或输出电流要稳定。
稳压电源的输出电压不是绝对不变的，只是变化很小。
从稳压电路的原理分析，最主要的引起输出电压变化的因素有两个：
一是输入电压的变化引起的输出电压的变化；另一个是输出电流的变化（由于负载变化）引起输出电压的变化。
输出电压的变化很微小，但正是这个微小的变化经放大后才能反馈去抵消原有的大部分变化。
一般来说，稳压电路的设计首先要考虑输入电压和负载这两个因素。
或者说，首先要“抵制”的是这两个因素引起的输出电压变化;也就是稳压电源稳定电压的能力首先要看输入电压的变化和负载变化引起的输出电压的变化被限制到多小的程度。
当人为地保持输入电压和负载不变时，输出电压仍有变化。
引起这种变化的因素很多，其中最主要的是温度的变化，电路要工作起来，元器件上就有电流通过，就要消耗功率，引起温升。
取样电阻和基准源温度的变化对输出电压的影响更大。
2.3稳压电源的分类
现代应用的稳压电源的种类比较多，分类方式也很多。
按稳定对象分有交流稳压电源和直流稳压电源。
是交流还是直流要看稳压电源的输出电压是交流还是直流。
按稳定方式分，有参数稳压电源和反馈调整稳压电源。
参数稳压电源电路简单，利用元件的非线性实现稳压，结构也简单。
比如，用一只电阻和一只可控硅稳压管就能构成参数稳压电源。
反馈调整型稳压电源是一个负反馈闭环自动调整系统，它根据稳压电源的输出电压的变化量，经过取样、比较放大、再反馈给控制调整元件，使输出电压得到补偿而趋于原值，从而达到稳定。
此电路较复杂，但稳定度高。
按稳压电源的调整元件与负载的联接方式来分类，可以分为并联稳压电源和串联稳压电源两种。
调整元件与负载并联的叫并联稳压电源或分流稳压电源，它通过改变调整管元件流过的电流的多少来适应输入电网电压的变化及负载电流的变化，以保持输出电压的稳定。
调整元件与负载串联的稳压电源叫做串联稳压电源。
在这种稳压电源中，调整元件串联在输入端和输出端之间，输出电压就依靠调整元件改变自身的等效电阻来维持恒定。
按调整元件分，有辉光放电管稳压电源，稳压管稳压电源，电子管稳压电源，晶体管稳压电源，可控硅稳压电源等。
按调整元件的工作状态分，有线性稳压电源和开关稳压电源。
根据需要，还可以有其他分类方法，例如集成电极输出型、发射极输出型;高压、低压;通用、专用等。
2.4本文主要工作
本课题主要是进行用单片机来控制直流稳压电源的研制工作。
要求电源具有高可靠性。
所以本文的主要工作有：
在逆变电源的基础上建立以80C196KC单片机为控制核心的微机控制系统，设计单片机控制系统硬件，在满足控制系统要求的条件下，力求软硬件的最佳组合。
所研制的单片机控制稳压电源的技术指标如下：
输入电压：
380V三相交流50HZ；
输出电压：
24V
输出电流：
800A；
3电源硬件系统设计
3.1单片机控制的直流稳压电源的总体设计
图1单片机控制的逆变电源的总体框图
单片机控制的逆变电源的总体框图如图1所示，整套装置主要由电源主电路、PWM控制电路、驱动电路和单片机控制电路四部分组成。
下面简要介绍一下这几部分的电路功能：
1）主电路及驱动电路的功能
主电路用来实现输入功率到输出功率的能量转换，驱动电路用来将脉宽调制电路输出的控制脉冲转换成符合开关功率器件要求的电平和阻抗形式，同时实现主电路和控制电路之间的电气隔离，其对功率开关元件的开关时间、损耗等有着直接的影响。
另外，还需要在开关器件的工作点超出安全工作区时提供保护信号。
2）基本控制电路的功能
基本控制电路的任务是根据单片机输出的电流给定值与实际电流反馈值的差值，通过调节输出脉冲的占空比来实现稳定的输出。
3）单片机控制电路的功能
为实现直流稳压电源，单片机系统控制电路用来输出其所需的电压、电流。
以实现设计所要求的电源的电流和电压的稳定性
3.1.1电源的主电路
图2电源主电路
由图可见，电源主电路遵循一般逆变的AC-DC-AC-DC形式，三相工频交流网路电压经过整流模块整流和滤波，得到大约540V的直流电压。
该直流电压施加到由功率开关管和中频变压器组成的逆变器上。
功率开关管VT1、VT2、VT3、VT4组成桥的四臂，中频变压器TI连接在它们中间，相对桥臂上的一对功率开关管VTI、VT3和VT2、VT4由栅极驱动电路以脉冲方式激励而交替地通断，将直流电压变换成20kHz的中频交变电压，中频变压器同时将大约540V电压降为24V左右的电压，然后经输出整流器整流滤波，输出直流电压。
在全桥电路中，变压器的电压为，如果我们假定逆变器的效率为85%，占空比为0.8，则IGBT管的工作电流为：
（3.1）
3.1.2驱动电路
驱动电路的作用主要是对驱动信号进行功率放大，并保证一定的脉冲前沿、后沿陡度，使其有足够的能力使IGBT饱和导通。
同时，驱动电路还起到控制电路与主电路的电气隔离作用和故障信号的采集作用。
根据IGBT静特性和动特性，对IGBT的驱动电路提出下列要求和条件：
（1）由于是容性输入阻抗，因此IGBT对门极电荷集聚很敏感，驱动电路必须可靠，要保证有一条低阻值的放电回路。
（2）用低内阻的驱动源对门极电容充放电，以保证门极控制电压U有足够陡降的前后沿，使IGBT的开关损耗尽量小。
另外，IGBT开通后，门极驱动源应提供足够的功率使IGBT不致退出饱和而损坏。
（3）门极电路的正偏电压为+12V～+15V，负偏电压应为-2V～-10V。
（4）IGBT多用于高压场合，故驱动电路应与整个控制电路在电位上严格隔离。
（5）门极驱动电路应尽可能简单、实用，具有对IGBT的自保护功能，并有较强的抗干扰能力。
（6）若为大电感负载，IGBT的关断时间不宜过短，以限制尖峰电压，保护IGBT安全。
大多数IGBT生产厂家为了解决IGBT的可靠性问题，都生产与其相配套的混合集成电路。
根据IGBT管的型号，选用HL402（400A/600V及300A/1200V）快速型IGBT专用模块来驱动IGBT管。
3．IGBT的保护
将IGBT用于逆变器时，应采取保护措施以防损坏器件。
常用保护措施有：
1）通过检出的过电流信号切断门极控制信号，实现过电流保护。
2）利用缓冲电路抑制并限制过量的du/dt。
3）利用温度传感器检测IGBT的壳温，当超过允许温度时主电路跳闸，实现过热保护。
3.1.3输出电路
本设计的输出电压是直流低电压，具有一定的输出功率。
输出电路上对高频变压器次级的高频方波电压进行整流滤波。
为了获得高质量的直流输出电压，需要一些特殊的元器件，如肖特基势垒整流二极管以及存储能的电感，以产生低噪音的输出电压。
1．输出整流和滤波电路
全桥式逆变电器的输出电路如图4所示，由于二极管D7、D8都给输出端提供半周期的电流，所以它们分担着相等的负荷电流，它们不需要续流二极管，因为当一个二极管截止时，另一个二极管就导通起到了续流的作用。
但是，对二极管的反向截止电压参数的要求就高了，它的最小值应是：
2.4Vo·Vimax/Vimin
2．功率整流器的特点
全桥式逆变器的输出电路如图3所示：
图3全桥式逆变器的输出电路
输出电路中的整流二极管必须具有正向降低、快速恢复的特点，还应有具有足够的输出功率。
普通的PN结二极管不适于作为开关使用，因为它们恢复得慢，并且效率低。
在电源中，可以使用三种类型的整流二极管：
1）高效快速恢复二极管
2）高效超快恢复二极管
3）肖特基势垒整流二极管
肖特基势垒整流二极管即使在大的正向电流作用下，其正向压降也很低，仅有0.4V左右。
由于它具有这一优点，使得肖特基势垒整流二极管特别适用于5V左右的低电压输出电路中。
因为在一般情况下，低电压输出所驱动的负载电流都很大。
而且随着结温的增加，其正向压降更低。
肖特基势垒整流二极管的反向恢复时间是可以忽略不计的，因为此器件是多数载流子半导体器件，在器件的开关过程中，没有消除少数载流存储电荷的问题。
3.1.4直流电源设计
1．IGBT驱动器用电源
每块IGBT驱动器模块（HL402）均需要一个单独电源的直流稳压电源供电。
有驱动器模块的内部电路结构得知，需要稳压电源提供25V直流电源，最大输出电流不大于50mA即可。
1）选稳压管
因为要求输出直流电压25V，即＝25V，所以稳压管VD5的稳压值＝25V。
设电源输出电流＝50mA时，流过稳压管VD5的电流＝5mA。
当负载开路时，流过VD5的电流增加到。
2）选定直流输入电压
通常选（3.2）
在此我们取＝60V。
3）求限流电阻
假定变化±10%，则
＝1.1×60＝66V（3.3）
＝0.9＝54V（3.4）
（3.5）
取＝1000。
82.5V（3.6）
取＝84V。
4）选择整流二极管
流过二极管的电流：
带负载时，整流电压
≈1.2（3.7）
则变压器副边的最大反向有效值为：
（3.8）
二极管承受的最大反向电压为：
（3.9）
因此，可选用最大整流电流为50mA，最大反向工作电压为100V三相桥式整流块即可。
5）选择滤波电容C
一般要求。
式中为整流电源的总负载，即
T为直流电源周期，T＝0.02s
（3.10）
μF（3.11）
取＝100μF，耐压为63V的电解电容器。
2．运算放大器用稳压电源的设计
该电源主要给运算放大器，电流、电压转换器以及过电流继电器供电。
输出直流电压为±15V，正电源输出电流为1A，负电源输出电流为500mA。
运算放大器稳压电源电路如图4所示。
图4运算放大器稳压电源
电源采用7815、7915稳压块稳压，最大输出电流可达1.5A。
负载电阻
（3.12）
同理实取＝＝1667μF，==3333μF耐压63V。
整流器选用3A/100V整流模块。
3．单片机用+5V稳压电源的设计
单片机用+5V稳压电源，要求能够输出200mA电流。
单片机稳压电源电路如图5所示：
图5单片机稳压电源电路
负载电阻为：
（3.13）
＋＝0.05/25＝2000μF（3.14）
实取＝＝3300μF，耐压25V。
通常＝5+（3～4）＝8～9V
取＝9V。
变压器二次侧电压有效值为：
（3.15）
3.2元件选择
3.2.1逆变电路的拓扑结构选择
表1逆变电路的比较
电路
参数
推挽式
全桥式
半桥式
功率开关管集射极间施加电压
稳态为2E,漏感引起的尖峰V>2E
稳态为E,二级管相位V同全桥
输出相同功率时集电极电流
Ic
Ic
2Ic
功率开关管数量
2
4
2
输出滤波电容数量
1
1
2
宜获得的输出数量
大
大
中等
由上表可以看出，要获得大容量的输出，宜选用推挽式或全桥式拓扑结构，但是推挽式电路中由于漏感引起的尖峰电压是全桥式的2倍，这给电路设计与调试带来了困难，并对开关管的耐压提出了更高的要求，因而本系统采用已被广泛应用的全桥式电路拓扑结构。
3.2.2逆变频率的确定
选择逆变频率时应考虑：
1、能有效地减少变压器的体积和重量；
2、所采用的开关元器件的频率特性；
3、经济性。
按照正弦波分析，变压器有以下的基本公式：
（3.48）
（3.49）
式中，S为铁心截面积；B为磁感应强度的最大值。
显然，当B一定时，提高逆变频率不仅可降低变压器的体积和重量，而且使控制精度提高。
因此，通常认为最佳逆变频率是在考虑到电路固有频率（电路的L、R、C决定电流衰减速度）的基础上，选用功率开关器件所能接受的最高频率（常以次级整流管的开关特性为参考基准）。
但是经过实际调试发现，随着逆变工作频率提高，管子的功耗也增大，相应的散热器体积总量增大，不利于电源整机体积的缩小，而且还会导致变压器漏抗恶化，从而影响电源的正常工作。
综合以上因数，结合参考国内外的研究水平和使用情况，本研究中的电源逆变工作频率选为20kHz。
3.2.3开关元件的选择
逆变器中最重要的一个器件就是功率开关元件，而功率开关元件正朝着高压大容量、集成化、全控化、高频化及多功能化方向发展。
从可控性来分，可以大致分为半控型和全控型器件。
在逆变电源中，对功率半导体器件（尤其是开关管）有如下基本要求：
1、耐电压值高；
2、开关速度快，开关损耗低；
3、动态特性di/dt及dv/dt耐量要高；
4、耐冲击电流大，可靠工作范围大；
5、热稳定性好。
基于以上考虑，全控型器件是应优先考虑选用的器件。
表2给出了达林顿GTR、功率MOSFET和IGBT三种全控型器件的特性比较。
GTR开关速度较低，对di/dt有影响，而且是电流驱动方式，驱动功率较大，还存在二次击穿问题；功率MOSFET有较好的高速控制性能，然而容量小，难以实现大电流，主要应用于小型和轻型设备中；IGBT是MOSFET与双极晶体管的复合器件，它兼有MOSFET易驱动和功率晶体管电压、电流容量大的优点，其频率特性介于MOSFET与功率晶体管之间，可正常工作于几十千赫兹频率范围内，在较高频率的大中功率应用中占据主导地位。
本文选用IGBT作为电路主控开关功率器件。
表2GTR、MOSFET和IGBT
器件名称
达林顿GTR
功率MOSFET
IGBT
开关速度
10
0.3
1~2
升级会员 