（核技术及应用专业论文）高频正弦波逆变电源的实验研究.pdf

高频正弦波逆变电源的实验研究 摘要 论文详细介绍了采用国际最新型的m o s f e t 电力电子器件、新型i c 控制系统 和国产磁性材料设计的高频币弦波逆变电源，其工作频率达到i o o k h z ，功率容 量达到5 0 0 w ，输出电压的有效值达到7 0 0 v 。 论文主电路采用类似于单管f 激式主变化器的结构，详细研究了如何解决电 力电子器件串联时的动态均压问题，在此基础上分析设计高频正弦波逆变电源。 论文在以下所述技术上有些突破： 1 、成功地将电力电子器件的串联技术应用于单端的主电路拓扑中，在输出 电压为f 弦的情况下，当电力电子器件串联时，经实验证实，能够获得 较好的均压效果。 2 、正弦波输出交流电源的解决方案； 3 、大功率丌关电源的驱动方案：论文中所提出的驱动电路，能够获得较为 理想的脉动电流。 4 、高频高效的正弦电源方案的论证：通过实验，发现用电力电子器件实现 正弦波电源，存在实现软开关较困难的问题。对问题进一步分析后，笔 者认为：难以实现高频高效的正弦波逆变电源。 关键词：高频逆变串联m o s f e t 电源 a ne x p e r i m e n t a lr e s e a r c ho f h i g hf r e q u e n c ys i n u s o i d a li n v e r tp o w e rs u p p l y a b s t r a c t t h is p a p e ri n t r o d u c e sp a r t i c u l a r l yt h ed e s i g no fh i g hf r e q u e n c y s i n u s o i d a li n v e r tp o w e rs u p p i y6 yu s i n go fn e wt y p eo f p o w e rs e m i c o n d u c t o r d e v i c e - - p o w e rm o s f e t ，n e wt y p eo fc o n t r o ls y s t e mu t i l i z i n gi n t e g r a t e d c i r c u i t sa n dh o m e m a d em a g n e t i cm a t e r i a l s t h ep o w e rs u p p l y sf r e q u e n c y i su pt o 1 0 0 k h z ，p o w e ri s5 0 0 w ，a n dt h eo u t p u tv o l t a g e ( r m s ) i s7 0 0 v t h ep a p e ri n t r o d u c e st h em a i nc i r c u jtw h i c hi ss i m i l a rt ot h ef o r w a r d e o n v e r t e rc i r c u i t a n dd i s e u s s e st h ep r o b l e mo ft h ev 0 1 t a g eh a l a n c ea m o n g t h ed e v i c e sa tt h ed y n a m i ct r a n s i e n ts t a t e s ，a n dt h e nh a s i so nt h e m d e s i g n sah i g hf r e q u e n c ys i n u s o i d a li n v e r tp o w e rs u p p l y t h e r ea r es e v e r a lin n o v a t i o n sg i y e na sb e l o wi nt h i s p a p e r ： i t h e p a p e ra p p l i e sat e c h n o l o g yo fs e r i e sf o rp o w e rs e m i c o n d u c t o r d e v i c e st ot h es i n g l ee n dc o n v e r t e rs u c c e s s f u l l y a tt h ec o n d i t i o no f s i n u s o i d a lv o l t a g eo u t p u t ，a n dw h e nt w op o w e rs e m i c o n d u c t o rd e v i c e sa r e i ns e r i e s ，t h ec i r c u i tf o rp o w e rs e m i c o n d u c t o rd e v i c e sp r o v e st ob ea b l e t oo f f e rap r e f e r a b l ep u r p o s ef o rv o l t a g eb a l a n c i n gb ye x d e r i i i e n t a t i o d s 2 at e c h n i q u ef o rp o w e r o u t p u to fs i n u s o i d a lv o l t a g e 3 ad r i v ec i r c u i tf o rg r e a tp o w e r ：t h ed r i v i n gs c h e m ei nt h ep a p e r c a no f f e ra ni d e a l p u l s ec u r r e n t 4 a n a r g u m e n t a t io nf o ra p r e c e p t o fhig h f r e q u e n c y a n dh jg h e f f i c i e n c ys i n u s o i d a iv o lr a g e ：u s i n gp o w e rs e m i c o n d u c t o rd e v i c e s ，t h e a u t h o rf o u n dt h a ti t i sd i f f i c u l tt o d e s i g nas i n u s o i d a lv o l t a g ep o w e r b e c a u s ei ti si n c o n v e n i e n tt oh a n d l et h et e c h n o l o g yo fs o f t s w i t c h i n g a f t e rat h o r o u g hc o n f i r m a t i o n ，t h ea u t h o rb e l i e v e st h a ti ti sd i f f i c u l t t od e s i g nah i g h f r e q u e n c ya n dh i g h e f f i c i e n c ys i n u s o i d a lv e t t a g e p o w e r i n d e x t e r m s ：h i g h f r e q u e n c y ，i n v e r t ，s e r i e s c o n n e c t i o n ，m o s f e t p o w e rs u p p l y 前言 电源是在电子、通讯、电气、能源、航空航天、军事以及家电等各个领域应 用都非常广泛的一种电子装置。开关电源由于其具有电能转换效率高、体积小、 重量轻、控制精度高、快速性好等许多优点，迅速从各种各样的电源装置中脱颖 而出，并迅速向中大功率范围推进。 通常意义上的开关电源是专指电力电子器件工作在高频开关状态下的直流 电源。本文将要研究的电源也采用电力电子器件，功率器件同样也工作在高频开 关状态下，但是它不是直流电源，而是正弦高频的逆变电源。 电力电子器件在实际应用中，一般是由控制电路、驱动电路、检测电路、保 护电路和电力电子器件为核心的主电路组成的一个系统。控制电路由信息电子电 路组成，按照系统的工作要求形成控制信号。控制电路通过驱动电路去控制主电 路中电力电子器件的开通与关断。在电力电子系统中，需要检测主电路的信号， 再根据这些信号并按照系统的工作要求来形成控制信号，这就需要检测电路。在 电力电子电路中，除了电力电子器件参数选择合适、驱动电路设计良好外，还需 要采用合适的过电压保护、过电流保护等，也就是还需要各种功能的保护电路。 本文将检测电路、驱动电路、控制电路、保护电路等这些主电路以外的电路归为 辅助电路，从而认为电力电子系统是由主电路和辅助电路组成的，本论文也正是 按照这种逻辑结构来安排文章内容的。 对较大型的电力电子装置，当单个电力电子器件的电压或电流定额不能满足 要求时，需要将电力电子器件串联或者并联起来工作。高频高压型加速器需要一 个电压有效值高于3 0 0 k v ，功率大于3 0 k w ，工作频率在1 0 0 k h z 一1 5 0 k h z 之间 的难弦交流电压源装置。显然这个装置如采用电力电子器件，需要多个电力电子 器件串联起来工作。由于电力电子器件串联时，存在静态不均压问题和动态不均 压问题，该文着眼于解决两个电力电子器件串联时的静态不均压问题和动态不均 压问题。 输出正弦最简单的电路拓扑结构就是负载谐振电路。在各种谐振电路结构 中，负载并联谐振结构以其负载适应能力强、输出波形好、输出电压范围宽和电 路结构简单等而得到广泛应用。本论文通过分析谐振槽路中各参数之间的关系， 得出了一种使电源工作在较好状态下的参数确定方法，并通过仿真验证了结果的 正确性。 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得狃撼型堂婴宜瞳或其 他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的 任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：裸戈希签字同期：御年占月夕日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解扭撼型堂盟究喧有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文 被查阅和借阅。本人授权型i 越型堂盟塞瞳可以将学位论文的全部或部分内容 编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学 位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：才怒妊袭导师签名 r 争艺兰 签字f 1 期：矽哆年f 月| 夕 = | 签字日期：2 泖幻二p 月7 z 门 符号清单 安培 电感系数 磁芯的心柱面积 窗口面积 变压器功率容量乘积 磁感应强度 剩余磁感应强度 饱和磁感应强度 电容 占空比 相电压最大值 频率 电压标么值 瞬态电流值 电流 二极管平均电流 负载平均电流 临界电流 电流密度 电流密度系数 千安 千赫 千伏 千瓦 电感 临界电感 变压器初级匝数 4 4 4 4 4 口缉 垃c d 瓦 ，。：， k ， 巧删础彬腓4 m p | p 尸 只 d r r d 尺。 r s t h d y t u 虬l u 1 矿 v c c k k 。 矿 0 。 矿 矽 a r 变压器次级匝数 电流标么值 功率 变压器总功率 变压器输出功率 品质因数 电阻 整流元件内阻 扼流圈内阻 负载等效电阻 脉动系数 电压波形畸变率 开通时间 线电压最大值 基波电压峰值 电压平均值 伏特 参考电压 直流电压 逆变器输入直流电压 压敏电压 峰值电压 反向重复峰值电压 瞬态操作过电压 瓦 窗口填充系数 相位角 谐振频率 微法 占空比 变压器效率 逆变器工作角频率 欧姆 相对磁导率 真空磁导率 口 占 v 鸭c = 肼 d s p g t o g t r e m c e m i i g b t i g c t m o s f e t p w m p o w e rm o s f e t r m s s c r s i c s p w m u p s z c s z v s 术语清单 数字信号处理 门极可关断晶闸管 电力晶体管 电磁兼容性 电磁干扰 绝缘栅双极晶体管 集成门极换流晶闸管 场效应晶体管 脉冲宽度调制 功率场效应晶体管 电压有效值 可控硅整流器 碳化硅 正弦脉冲宽度调制 不间断电源 零电流开关 零电压开关 机械科学研究院硕士学位论文 1 概述 1 1 课题研究的学术背景及来源 高压型电子辐照加速器包括串级倍加型加速器、绝缘芯变压器型加速器、高 频高压型加速器( 也叫地那米加速器) 、电子帘加速器等几种。其中，高频高压 加速器是辐射加工的关键设备，是目前世界上公认的性能最好的工业辐照加速器 之一。 在国内，目前，高频高压型加速器，其电源效率仅为4 5 一7 0 ，倍加型加速 器电源效率达至1 j 7 0 一8 5 ，绝缘芯变压器型加速器和电子帘加速器效率更是能达 n 8 0 一9 0 。可见，如何提高电源效率是高频高压型加速器发展中需要解决的 主要问题之一。 高频高压型加速器的电源效率低的主要原因在于它采用的是真空电子振荡 管式高频电源装置，由于电子振荡管器件本身的局限性限制了这类电源装置效率 的进一步提高。 另外，由于主功率元件采用真空电子管，带来了高频高压型加速器电源体积 大、寿命短等诸多问题，因而造成了高频高压型加速器的经济效益低，这将制约 高频高压型加速器在大功率场合中的应用。 随着电力电子技术的快速发展，采用新型的功率元器件开发高频高压型加速 器的电源成为可能。作者试着根据现代电力电子技术的发展水平，研究开发地那 米加速器所用的高频高压正弦波交流逆变电源。 需要说明的是，通常意义上的开关电源是专指电力电子器件工作在高频开关 状态下的直流电源，而这里要研究的电源虽然也是电力电子器件工作在开关状态 下，但它不是直流电源，而是正弦的交流电源。为说明问题方便计，作者在这里 称其是逆变电源。 1 2 课题研究的理论与实际意义 提高电源效率，将使地那米加速器具有更大的优势，进一步拓宽其应用领域。 电源有如人体的心脏，是所有用电设备的动力。通常标志电源特性的有：功 率、电压、频率、噪声及其带负载时参数的变化等等。在同一参数要求下，又有 体积、重量、效率、可靠性等指标，人们可按此去设计和完善电源。近二十多年 来，在电力电子技术领域发展和应用了一种称作开关电源的电源设备。这种电源 设备采用m o s f e t 或i g b t 等功率开关元件。随着技术的发展，开关电源的输出功率 和频率将会越来越高。 常规的开关电源和传统的线性电源在性能上相比有明显的优势： 体积小、重量轻。高频变压器取代了大而笨重的工频变压器，使得电源 体积大大缩小，重量大大减轻。 工作频率高，使输出滤波电路得以小型化。 机械科学研究院硕士学位论文 功率因数高。前者采用有源功率因数校正电路，功率因数能达n o 9 8 以 上，而后者波形畸变，对电网干扰严重。 效率高，节省能源。前者的效率一般8 8 - - 9 5 而后者的效率一般在6 0 以下。 动态响应好，易于提高产品质量。前者工作频率高，对负载和电网的动 态响应远远优于后者。 纹波小。前者的输出纹波和杂音一般都比后者小。 噪音低。前者的工作频率在人的听觉范围之外，可闻噪音要比后者低得 多。 扩容及维护方便。高频开关电源一般采用模块式结构，维护、扩容比较 方便。 鉴于开关电源这些明显的优势，我们有必要研究适合地那米加速器用的高频 高压交流逆变电源。 1 ，3 国内外文献综述 1 3 1 加速器电源系统的现状。 电源系统作为加速器不可缺少的部件之一，它性能的好坏直接关系到加速器 寿命及束流的质量，影响着加速器整体性能的提高；作为加速器各系统中的耗能 大户，又直接影响到加速器的建造和运行费用。同时，由于电源数量的大增，使 电网侧的功率因数下降，容易产生严重谐波的电磁干扰，危害电网的正常工作， 使电网输送线路上损耗剧增，浪费了大量的电能。加速器电源作为一个强大的污 染源，是各国致力于改进的项目之一。早期的加速器由于受到电力电子技术及器 件的限制，电源系统以可控硅及串联调整电源为主，其效率低、体积庞大，使得 电源系统基建投资很大，而且占用了几倍于有用功率的电网容量。进入八十年代 后，随着现代电力电子技术的迅速发展，特别是大功率器件的不断涌现，各类高 效、低污染的电路拓扑同新月异。高频逆变电源以其体积小、效率高、响应快等 优点受到各国加速器实验室的青睐。时至今日，小功率丌关电源已经在世界几大 加速器实验室大规模地应用，如c e r n 、s l a c 等实验室，中功率的目前只是小规模 应用，而大功率的只有同本的k e k 的b 3 2 厂设计中采用，样机已通过测试，实际的 应用效果如何还有待验证。高频高压大功率电子辐照加速器被广泛地应用于工业 生产之中，其经济效益和社会效益都十分可观。在我国，这种加速器上用的高频 逆变电源的研究目前才刚刚起步，仅仅只是限于中、小功率电源中的小范围应用。 像高频振荡机这种大功率的电源设备，目前依旧是通过大功率电子振荡管：1 4 5 5 0 1 - i z 工频电压转换成i o o k h z 一1 5 0 k h z 高频电压。这样的电源设备，其体积大、重量大、 可靠性低、效率低、性能不稳定、部分参数特别是电源效率，理论上最大只能达 7 0 ，而实际应用中效率不n 5 0 。 现代电力电子技术在加速器电源系统上的推广应用意义重大，但也面临一些 特有的技术难题有待解决：1 、输出变动范围大，难以实现大范围的软开关技术： 2 、功率大，精度高，需要在电路拓扑、控制方案及电磁兼容性( e m c ) 技术上有 机械科学研究院硕十学位论文 所突破；3 、任何单个的功率开关元件不能满足高频机输出高压的要求。若采用 高频变压器，一方面，由于大功率的电源，其变压器体积不可能设计得很小，这 样将使采用功率开关元件制造的电源在体积上没有多大的优势，另一方面，由于 在高频工作下变压器非线性性相当严重，这将给设计高频变压器带来极大的困 难。若采用功率开关元件串联，必须解决器件串联时的动态、静态均压问题。上 述三方面是世界科研工作的前沿课题，也正是这些技术难题限制了加速器使用的 大功率高频高压开关电源的发展。 1 3 2 电力电子技术发展水平现状 近十年来，电力电子学的发展异常迅猛，高性能场控器件不断出现，新的电 路拓扑和新技术层出不穷。国际上产品的研发速度大大加快。具有多方面用途的 开关电源也借助上述发展态势，在提高效率、功率密度、可靠性和降低成本等方 面，都取得了长足的进步。同时其应用面也迅速扩大，开关电源不仅仅只局限在 计算机及其网络系统、通信系统、家用电器和军事部门，还扩大到其它方面，诸 如电力部门用的开关式直流屏和交流屏、控制电路用的板上开关电源、各种仪器 用的小型化高可靠开关电源、铁路信号系统用的开关电源、微机继电保护测试仪 所需的多种高功率密度和高性能的特殊开关电源、绝缘栅双极晶体管( i g b t ) 等 驱动电源以及实验室用的电源等等。这些应用的扩大得益于对开关电源的电磁干 扰( e m i ) 、稳定性和可靠性疑虑的消除以及价格的降低。 现代电源技术是应用电力电子半导体器件，综合自动控制、计算机( 微处理器) 技术和电磁技术的多学科边缘交叉技术。推动开关电源发展的主要技术有很多方 面“： 1 、功率半导体器件 9 0 年代起，功率半导体器件就有了很多新的进展，如： 功率m o s f e t 干n i g b t 已完全可代替功率晶体管( g t r ) 和中小电流晶闸管， 使实现开关电源高频化有了可能。超快恢复二极管和m o s f e t 同步整流技 术的出现，也为研制高效率或低电压输出的开关电源创造了条件。 功率半导体器件的水平超过预测，电压、电流额定值分别达到： i g b t ：2 5 0 0 v 1 8 0 0 a ：p o w e rm o s f e t ：5 0 0 v 2 4 0 a ：g c t ：4 5 k v 4 k a ，可望取 代g t o ：二极管：5 0 0 0 v 4 0 0 0 a 。 功率半导体器件的晶片理想材料是s i c ，已做出2 5 m m 、4 0 m m 晶片，并试制 出一批s i c 样品。 8 0 年代，普遍将功率器件与驱动、智能控制、保护、逻辑电路等集成封 装。9 0 年代，随着大规模分稚电源系统的发展，将一些集成电路推广到 更大容量、更高电压的集成电力电子电路，提高了集成度。这些模块， 既可用于标准设计，也可用于专用、特殊设计。其优点是可快速高效地 为用户提供产品，显著降低成本，提高可靠性。 2 、软开关技术 6 0 年代开始得到发展和应用的脉冲宽度调制( p w m ) 功率变换技术是一种硬开 机械科学研究院硕士学位论文 关技术。所谓“硬开关”是指功率开关管的开通或关断是在器件上的电压或电流 不等于零的状态下进行的，即强迫器件在其电压不为零时开通，或电流不为零时 关断。 8 0 年代应用功率m o s f e t 后，电源工作频率大幅度提高，可达2 5 0 k h z - - 3 5 0 k h z 。为了使开关电源能够在高频下高效率地运行，国内外电力电子界和电源技 术界白7 0 年代以来，不断研究开发高频软开关技术。所谓“软开关”指的是零电 压开关( z e r o v o l t a g e s w i t c h i n g 简称z v s ) 或零电流开关 ( z e r o c u r r e n t s w i t c h i n g 简称z c s ) 。它是应用谐振原理，使开关变换器的丌关 器件中电流( 或电压) 按正弦或准正弦规律变化，当电流自然过零时，使器件关断， 或电压为零时，使器件丌通，从而减少器件的开关损耗。 3 、控制技术 一些新的控制方法，如自适应控制、模糊控制、神经网络控制等在开关电源 中的应用，已引起人们的注意。数字信号处理( d s p ) 等控制技术的开发及相应 专用集成控制芯片的推出，使开关电源动态性能有了较大提高，电路也大幅度简 化。 4 、有源功率因数校正技术 从公共电网经过整流供给直流是电力电子技术中应用极为广泛的一种基本 变流方案。整流器和电容滤波电路是一种非线性元件和储能元件的组合。一般来 说，输入交流电压是正弦的，但输入交流电流波形却严重畸变。由此可见，大量 应用整流电路，要求电网供给严重畸变的非正弦电流，造成的后果是：谐波电流 对电网有危害作用，并且输入端功率因数下降。 提高输入端功率因数和减小输入电流谐波的主要方法，一般是在输入端加装 无源或有源滤波器( 或称有源功率因数校正器) 。采用有源功率因数校正技术可 将功率因数提高到o 9 5 一o 9 9 ，既能治理电网的谐波污染，又能提高电源的整体 效率。 5 、高频磁元件 目前国内外发展的高频磁元件技术及成果主要有平面磁芯及平面变压器技 术、集成磁元件、用微加工技术研制兆赫级高频变换器的磁元件、压电变压器等。 6 、饱和电感的应用 饱和电感有两种：可控饱和电感和自饱和电感。8 0 年代使用的磁调节器，能 使电路简单、e m i 小、可靠、高效，可较精确地调节输出电压。特别适合应用于 输出电流为一安到几十安的开关电源。在开关电源中，应用自饱和电感和变压器 副边输出整流管串联，可消除二次寄生振荡，减少循环能量，吸收浪涌，抑制尖 峰，使整流管损耗减小。此外，自饱和电感在移相全桥开关电源中可作为谐振电 感，扩大轻载下满足零电压丌关条件的范围，使其占空比损失最小。 7 、开关电源的e m i 和电磁兼容性( e m c ) 美国v i r g i n i a l 学院、香港大学、浙江大学和清华大学等均开展了开关电源 4 机械科学研究院硕士学位论文 的e m i 和e m c 问题的研究，并取得了不少可喜成果。 1 4 课题的主要研究内容 采用以上这些快速发展的电力电子技术，使得研究地那米加速器用的高频高 压交流逆变电源有了可能性。 地那米加速器的电源系统，最重要参数指标是： 输出交流，频率在i o o k h z 一1 5 0 k h z 范围内； 电压：波形是正弦，有效值达1 5 0 k v ； 功率：大于3 0 k w 。 若采用功率半导体器件来设计电源，以上这些指标中： 达到所需的频率指标困难不是很大，m o s f e t 开关元件开关频率目前最大能达 至i j 2 m h z ，而1 g b t 最大也能达到1 5 0 k h z ，选用合适的谐振回路，能使电源的输出频 率达到i o o k h z 。 达到功率指标技术上可行，现在管子的并联技术已经很成熟，很容易达到 3 0 k w 。 采用i g b t 或m o s f e t 等开关元件设计电源，如何解决这么高的输出电压将是个 难题。从现在电力电子技术的发展水平来看：单个开关元器件的最高耐压值目前 为1 7 0 0 v ，要达到1 5 0 k v ，一个方案就是采用多个功率半导体器件直接串联。在开 关管留有足够耐压裕量的情况下，要达到输出1 5 0 k v 的电压，至少要串联5 0 0 个开 关管。可是目前的电力电子技术要解决多达5 0 0 个开关管串联，实现起来还有相当 大的难度。难度主要在于：要解决这些串联的管子的动态、静态均压问题；同时， 对这些管子的驱动也提出较高的要求。另一个方案是采用高频变压器，单管输出 电压目前理论上能达至l j 4 0 0 v ，这个电压值加在变压器的初级上，要达到1 5 0 k v 的 电压值，则必须采用高达1 ：3 7 5 这么高变比的变压器。由于在高频下，变压器非 线性性特别严重，要设计这么高的变比的变压器在技术实现上同样是个难题。一 个在技术上可行的办法就是综合以上两个方案：采用少量的功率半导体器件串联 和采用变比适当的高频变压器相结合起来，既使少量管子串联在技术上能够实 现，又使适当变比的高频高压变压器在设计上技术可行，提高高频变压器的初级 输入电压，降低高频变压器的变比，以期达到输出为1 5 0 k v 的高电压值。 课题研究的主要目的正是在于使用功率半导体器件时，获得如何提高高频变 压器初级输入电压的结论。其研究的主要内容如下： 在吸收利用现代电力电子发展的新技术的基础上，建立一个基于功率开关元 件串联的实验电源，该实验电源达到以下指标： 1 、输出交流，频率在1 0 0 k h z 一1 5 0 k h z 范围内。 2 、输出电压的波形是正弦。 3 、输出电压幅值：在不经高频变压器升压的情况下，如何选用耐压尽可能 高的单个功率器件和合适的电路，使其输出在留有足够裕量的情况下，能够达到 尽可能高的电压值。目前，开关频率达到1 0 0 k h z ，最高耐压能够达到几个k v 、甚 至1o 个k v 的数量级。但是这种功率管不仅在价格上比较昂贵( 价格达数万元) ，而 且一般来说没有现货，需要向生产厂家订购。我们没有必要盲目追求管子的最高 耐压而忽视设计电源时的成本。可以选用较为常见的功率管，重点去实现开关元 件的串联技术。本课题将选用最高耐压为9 0 0 v 的功率管，在主功率元件留有足够 裕量、主变压器原副边匝数比为i ：2 时，长期稳定输出电压幅值应能达i j j 7 0 0 v 。 4 、电源功率：5 0 0 w 。 机械科学研究院硕士学位论文 5 、电源效率：获得尽可能高的电源效率。前文曾提到过，当前高频机正常 使用时的电源效率能达到5 0 ，很显然，为使本文的研究有意义，用现代电力电 子器件构成的电源其效率至少应超过5 0 。 论文的内容安排如下： 第二章、第三章主要介绍电源装置的分析和设计，其中第二章详细介绍了实 验电源主电路的分析和设计，第三章着重说明实验电源的辅助电路的分析和设 计。 第四章介绍实验结果。 最后介绍结论。 竺堡型兰竺墼堕堡圭兰堡篁兰 2 逆变电源主电路分析与设计 从工频交流电网输入到高频正弦输出的全过程，包括： l 、输入保护电路：其作用是限制电源接通时的冲击电流，以及吸收电路中 出现的瞬态操作过电压。 2 、输入滤波器：其作用是过滤电网存在的杂波，同时也阻碍逆变电源产生 的干扰反馈到公共电网。 3 、整流与滤波：将工频电网交流电源直接整流为较平滑的直流电，供下一 级变换。 4 、逆变：将整流后的直流电变为高频矩形波的交流电，这是高频逆变电源 的核心部分。频率越高，体积、重量与输出功率之比越小。当然并不是频率越高 越好，这里还涉及到元器件、成本、干扰、功耗等多种因素。 5 、谐振槽路：其功能是将电压波形为矩形波的高频交流电源转换成电压波 形为正弦波的交流电源。 2 1 输入保护电路 输入保护电路的电路结构图如图2 1 所示： 图2 1 输入保护电路的电路结构 关于图2 1 的电路图简要说明如下： a 、b 、c 、n 接公共电网的三相电源，其中a 、b 、c 接三相电源的线电压，n 接三相电源的中线。 q ：断路器，用于电源设备的过载、短路、漏电、过压等的保护。根据论文 的设计目标，断路器的额定电流选3 a 。 尺，、只，、足是具有负温度系数的大功率热敏电阻。其主要作用是抑制断路 器接通时所产生的冲击电流，进而保护电源电路及负载。图2 1 中选用阻值为 4 7 q 的热敏电阻。 为说明使用大功率热敏电阻后将会使冲击电流抑制到怎样的程度，设计了一 机械科学研究院顶士学位论文 个小实验。图2 2 给出了电路的接线图，其中电感和电容的取值将在后文详细说 明，下面将比较使用效果。 r 1 l 2 0 m h d ld 3 d 5 一一r _ = jl：j 一呈i - 7 5 1e 一 i l 一 2 d o u f d 2d 4d 6 丁0 忡 】【j c】 - 图2 2 大功率热敏电阻应用电路 v 实验结论是，不接大功率热敏电阻或所接的热敏电阻的阻值太小，例如只有 4 7 f 2 ，开机冲击电流最大值将达到5 0 , 4 。这样的后果是，一旦断路器闭合，它 将自动跳闸。直到接入了大功率大阻值的热敏电阻后，冲击电流才被抑制到允许 的范围内。 以下通过计算得到该电路的零状态响应，即断路器闭合时的冲击电流的大 小。图2 3 是简化的运算电路。图中各器件的取值在后文将有详细说明。 l 500 ，s 图2 3 二阶电路零状态响应 假设开关在f = 0 。时刻接通后，流经开关q 的电流为i 。则有 (1r+ls)叫沪5。00cs l s r 2 0 0 机械科学研究院硕j 学位论文 小) 2 币再5 0 瓦0 司 代入数据，i ( s 1 = ( 2 1 ) 这样，得到瞬时值i f t l = 5 0 e 。1 2 “c o s ( 0 9 t + p ) ( 2 2 ) 式中，脚由参数l 、c 决定的谐振频率； 0 相位角 由式2 2 可知，冲击电流达至1 5 0 a 。 这个冲击电流几乎是额定电流的1 6 倍，可见，它足以使断路器保护动作。当 加入如图2 2 所示的负温度系数的热敏电阻后，冲击电流的幅值将大大减小。 毫无疑问，在电力电子设备中，也可接入普通电阻来抑制冲击电流，但使用 大功率热敏电阻后，由于在热敏电阻上流过电流而使自身发热并导致电阻的阻值 下降，这样就可以减小在常念下的电压损失和功率消耗。同使用普通电阻相比， 由于负温热敏电阻发热量较小，使电子设备内部的温升也相应地减小，从而对其 他元件的热影响也变小了。这些就是为何不选用普通电阻的主要原因。 我们知道，在电路中经常会出现各种浪涌。造成浪涌的主要原因是原先储存 的能量突然释放。这种能量可能是电路本身储存的：也可能是存于电路之外，通 过耦合或其他途径窜入电路中的。在开关电源中，晟常见的是电感电路中电流的 突变引起的尖峰电压。这些电压的幅值可以高出电路正常工作电压几倍乃至数十 倍，极易造成开关元器件击穿。为了减小各种浪涌对图2 1 的电气设备的破坏， 需要使用和用电设备相并联的压敏电阻。 压敏电阻器的伏安特性为非线性。在工作状态下，随着电压的微小变化，阻 值急剧地变化。其伏安特性如图2 4 所示。 善 u j 篓 舞 幽 删 1 0 。 0 寸 o - l o 1 0 4 1 0 d l 矿1 0 - ii ol 酽l 妒lo 1 0 泡滴0 u fr n t 村 图2 4 压敏电阻器伏安特性曲线 嘉兰也印面竖“ ! 小 机槭科学研究院硕士学位论文 从压敏电阻器伏安特性曲线上可知，当电压超过工作电压时，压敏电阻器上 将分担比正常工作时大得多的电流。也就是说，尖峰电压被压敏电阻器吸收了， 从而保护了和压敏电阻器相并联的电气设备。 图2 一l 中，兄、r ，、乜就是压敏电阻。压敏电阻和被保护的电器设备或元 器件并联。当电路中出现瞬态操作过电压( 假设电压的大小为v ) 时，压敏电 阻器和被保护的设备、元器件将同时承受v ，由于压敏电阻器响应速度很快， 它以纳秒级时间迅速呈现优良非线性导电特性，此时压敏电阻器两端电压迅速下 降，远远小于v ，从而使该设备、元器件免遭过电压的冲击。 选取压敏电阻器时，需考虑的因素。”如下： ( 1 ) 对于过压保护方面的应用，压敏电压值应大于实际电路的电压值，一般 用： 标称压敏电压k 。= ( d v ) ( b xc ) ( 2 3 ) 式中：i m a 压敏电压，它是压敏电阻器的主要参数之一 n 电源电压波动系数，一般取1 2 v电路直流工作电压 b压敏电压误差，一般取0 8 5 c元件的老化系数，一般取0 9 这样计算得到的k 。实际数值是直流工作电压的1 5 倍，在交流状态下要考 虑电压峰值，因此计算结果应再扩大2 倍。 ( 2 ) 脉冲电流：从压敏电阻的伏安特性曲线和寿命特性曲线( n 一s a ) 查出电压v 、电流i 、冲击次数n 和脉冲波形的宽度等几个因素来折衷选取脉冲电 流值。 ( 3 ) 限制电压：限制电压的选择首先要确定保护的主要对象，再确定主要对 象的耐压，以耐压最低的器件为标准，选择压敏电阻器的限制电压。这里是对三 相整流电路中的整流二极管进行保护，由于进线电压一般为3 8 0 v ，峰值电压一为 5 3 7 4 v ，考虑负载电路中分布电感l 引起的上造成尖峰电压为( 2 3 ) o ，选 择重复反峰电压。= 1 2 0 0 v 的三相整流桥，则压敏电阻的限制电压可按 10 0 0 v 来选取，并尽可能选择靠近标准规格。 ( 4 ) 能量耐量的选择：由于电源中存在有电感l 和电容c ，系统的储能为 矿= ( ) “2 + ( ) c 曙，启动过程中，启动电流越大，产生的浪涌能量也就越 机械科学研究院硕士学位论文 大，因此要着重合理选择压敏电阻器的能量耐量。压敏电阻器的能量耐量与其直 径有关，直径越大，能量耐量越高，功率越大的电力电子设备，要求的压敏电阻 器能量亦越大。 综合以上各因素，这早选取台湾舜全公司的型号为0 7 d 6 8 1 k 的热敏电阻。 2 2 输入滤波器 开关电源中，整流器、j - l ：关二极管的二极管电流、电压值快速上升或下降， 电感电压、电容的电流也迅速变化。这些都构成了电磁干扰源。干扰的表现是输 出电压波形畸变，输入电流有高次谐波甚至空间有电磁波辐射。为了减少干扰， 降低输出电源电压波形的畸变率，同时，也不破坏或干扰使用同一电源工作的其 它电子设备，而且，也能防止外部用电设备对开关电源的干扰，在交流电源输入 端加装进线滤波器。 输入滤波器的电路常见结构如下： 图2 5 输入滤波电路 图2 5 的输入滤波器共分三级：l l 、l 2 、l 3 为常模滤波电感，l 4 、l 5 为纵向 共模扼流线圈。在体积允许的情况下，其电感量应尽可能地取大些，一般在几十 微亨到几毫亨。电容c l 、c 2 、c 3 为滤除共模干扰电容。从c 4 至c 9 都是常模滤波电 容，容量一般在几千微微法至零点几微法。 为简化设计，本论文将直接采用北京中石电子有限公司生产的三相四线h 系 列通用型滤波器。 堡堡坠兰些塞墼堡圭兰堡篁三 2 3 输入整流电路 2 3 1 整流电路结构的选择 为了从交流电源获得直流，需利用由整流元件组成的整流电路。在这罩，整 流电路的方式选三相全波整流电路。 其电路结构如图2 6 所示： d ld 3d 5 1 l 一cjl - j j d 2d 4d 6 lj l 一l 图2 6 整流电路 图中a 、b 、c 为输入滤波器的三个输出端点。 三相桥式整流电路主要由六个整流桥臂组成，分为两组。上面的一组为奇数 组，它们的阴极连接在一起，为整流器输出的正极，而阳极分别接在a 、b 、c 三 个端点上。下面的一组为偶数组，它们的阳极接在一起，作为整流器输出的负极， 而阴极分别接在a 、b 、c 三个端点上。 其电阻负载的输出电压波形的傅立叶展开式如下所示： 挚1+毛s6咖三刚2卅三洲8咖删“2351 4 33 2 33 6 n j o o s 6 删疗 i 、7 一1 j ( 2 4 ) 式2 4 中，e 。为交流电压相电压的最大值，常数项为整流电压的平均值。 因而可以计算出三相全波整流电路整流后的电压平均值为： ! 型! 墨m ：! ：型! ：! ! ! ! 型! ：5 14 9 矿( 2 5 ) 石3 14 除了直流成分外，还包含有余弦项的各次谐波。 脉动系数定义为整流输出电压的基波峰值u o ，。与平均值u o 。、之比。按照这 个定义可以计算出三相全桥整流电路的脉动系数： 三相全波整流电路：5 2 【， j 。o 1 m 、= 二3 5 2 5 7 。 (26)au o ( r ) 从式2 6 可以看出，三相全波整流电路的脉动成分比较小。 机械科学研究院硕士学位论文 2 3 2 整流元件参数计算 从图2 6 分析可知：不导通整流元件所承受的反向电压为整流电路输入级的 线电压。加在整流元件上的反向峰值电压为： u p 。= u i 。= 4 3 4 2 u = 2 4 4 9 x 2 2 0 = 5 3 8 9 v ( 2 - - 7 ) 式2 7 中，u 为输入的市电电源相电压的有效值。 从图2 6 还可以看出，任何时间里均由两个整流元件串联导通，在一个周期 罩，每个整流元件只导通一次，连续导通时间为詈石即1 2 0 0 。所以通过每个整流 元件的平均电流为负载电流的圭即 id =it(2-8) 根据实验样机的设计目标，经估算，负载电流最大约为3 a ，则每个整流元件 承受的电流为l a 。 通过对整流元件参数的分析计算，整流元件选富士公司型号为6 r 3 0 e 一 0 6 0 0 8 0 的功率二极管模块。 2 4 整流后的滤波电路 整流器的输出为脉动电压，借助滤波电路使其平滑。由三相全波整流电路 输出电压波形的傅立叶展开式( 见式2 4 ) 挚 - + 三3 5 础1 4 3 c o s - ：w 0 3 2 3 c o s 8 一删“嘉j c o s 锄w 石 i、3 劬2 1j 可知： 设计恰当的l c 滤波电路网络，限制频率大于或等于6 w 的交流电流通过，又 因为滤波电路网络对直流成分没有影响，则可以获得较为理想的直流高压电源。 采用的倒l 型滤波网络，其结构图如图2 7 所示。 l 。2 0 “m h “。 i 羹鎏幕失。品毒：二输出 滤波输入2 0 0 u 开滤波输出 j 图2 7 整流后的滤波电路 以下将说明电感和电容参数的选取。 为使图2 7 所示的电感输入整流电路正常工作，流经扼流圈的电流必须是连 续的。对于电阻负载，当其阻值由大, e j 4 , 变化时，流经扼流圈的电流将由不连续 电流向连续电流变化，这其间有个临界电流值。这个称为临界负载电流， 13 机械科学研究院硕士学位论文 此时扼流圈的电感t 就称作临界电感。当扼流圈连续有电流流过时，流经扼流 圈的峰值电流应小于整流器直流输出电流。若感抗不为无限大，则流经整流元件 的峰值电流近似等于由纹波电压最低频率成分决定的流经扼流圈的峰值交流和 直流之和。设纹波电压峰值为，扼流圈感抗为础，输出直流电压为艺，负 载电阻( 包括扼流圈的电阻和整流元件的电阻) 为r e # 。则上述关系可用下式表 示： 旦旦( 2 9 ) l k r 耐 f 厶盖 设乜= 形，则 临界电感应满足以下表达式： 。墅：生墨兰鱼( 2 - - 1 0 ) aa 式中：l k 临界电感值： r 扼流圈的电阻； 尺。 整流元件的内阻： a意义见图2 8 。 屯鞭籍簟( t i z ) 图2 8 各种整流电路方式中电源频率和电流的关系 其中，足、屹相对负载电阻都比较小，可忽略不计。 i4 机械科学研究院硕士学位论文 r 是负载等效电阻，这里r e = 2 5 0 q 。 依据各种整流电路方式中电源频率和电流的关系选择a 值。 2 0 0 0 0 。 所以： l 生。生：二旦：o 0 1 2 5 h 由图28 ，选a = ( 2 1 1 ) 一般采用的扼流圈的电感值大约为。的两倍以上。假如负载电流变化大时， 还需采用泄放电阻，以便在轻载时保持适当的负载电流。所以l 取2 5 m h 。 采用的倒l 型电感输入滤波电路为l c 单级低通滤波电路，电容c 与负载并联。 滤波器输出的纹波电压( 以百分比表示) 可由以整流电路类型为参数的曲线求得。 图2 9 所示为整流器输出中所含最低频率的纹波电压衰减曲线，因高次谐波 成分极小，故用此曲线表示纹波时误差也极小。 确定电容器的最低容量时需要考虑两个因素。其一，电容器对于整流器输出 中所含纹波的基波频率( h z ) 的容抗须小于负载电阻的k 。因此，电容器容 ，j 量可由下式确定： c 旦堕 2 z f l r ( 2 1 2 ) 式2 1 2 中，c 的单位为微法，r g j 单位为欧。 其二，如果整流元件的内阻非常小，则扼流圈和电容器易形成l c 并联谐振回 路。因此，当负载电流的变化周期与l c 的谐振频率相同时，电源侧的阻抗就变得 非常高。为避免这种情况，须使l c 的谐振频率远低于负载电流的变化周期。 以脉动系