毕业设计（论文）-光调制器设计.doc

西安工业大学北方信息工程学院西安工业大学北方信息工程学院 本科毕业设计本科毕业设计(论文论文) 题目：光调制器设计题目：光调制器设计 系 别： 光电信息系 专 业： 光电信息工程 班 级： B090104 学 生： 张鹏飞 学 号： B09010424 指导教师： 尚小燕 2013年5月 毕业设计（论文）任务书毕业设计（论文）任务书 系（部） 光电信息系 专业 光电信息工程 姓名 张鹏飞 学号 B09010424 1.毕业设计（论文）题目： 光调制器设计 2.题目背景和意义：在光电系统中，获取的有效光强信息往往受到背景噪声的影响，如 何从背景噪声中提取有用信号，一直是人们不断研究的课题之一，目前，锁相相关技 术是提取有用信号的有效方法，此技术要求对入射光信号进行调制，本课题基于此提 出，对光波信号进行调制。 3.设计(论文)的主要内容（理工科含技术指标）： 1、了解光调制器的用途；2、提出 机械调制方法，设计光调制器结构及相应电路，对相关器件进行选型；3、给出相关标 定方法；4、查阅一篇与设计相关的外文文献，并进行翻译。 4.设计的基本要求及进度安排（含起始时间、设计地点）： 2012.11.262012.12.17 查阅相关书籍，搜集资料，了解光调制器的用途，和它的基 本原理；完成开题报告。 2012.12.182013.2.10 对光调制器的结构进行设计，并进行器件选型； 2013.2.112013.3.15 对光调制器电路进行设计；完成中期报告。 2013.3.162013.4.12 撰写论文，并准备毕业答辩。 5.毕业设计（论文）的工作量要求 实验（时数）*或实习（天数）： 无 图纸（幅面和张数）*：不少于 8 张； 其他要求：论文（字数）：1.5 万字；外文翻译（字数）：30005000 字； 参考 文献：不少于 15 篇。 指导教师签名： 年 月 日 学生签名： 年 月 日 系主任审批： 年 月 日 说明：1 本表一式二份，一份由各系集中归档保存，一份学生留存。 2 带*项可根据学科特点选填。 光调制器设计光调制器设计 摘要摘要 在光电系统中，获取的有效光强信息往往受到背景噪声的影响，锁相 相关技术是提取有用信号的有效方法，此技术要求对入射光信号进行调制。 斩波器的作用其实是为锁相放大器提供一个参比信号，以便于锁相能够识别 出微弱的光电流。斩波器叶片的转动会周期性的阻断照到研究电极的光路， 因而导致研究电极产生周期性的光电流，此时斩波器的频率输入给锁相，由 锁相计算出光电流的大小。 光学斩波器的设计内容主要包括主电路，控制电路，驱动电路和保护电 路的设计，器件选型和结构设计。深入了解各个模块的工作原理和功能，使 各部分正常运转。 本文对光学斩波器的设计原理，电路设计和结构设计进行了介绍。 关键词关键词：光学斩波器；电路设计；器件选型；结构设计； II The Light Modulator Design Abstract In photovoltaic system,the effective intensity information is often influenced by background noise，Phase locked technology is an effective method to extract the useful signal, the technical requirements of the incident light signal modulation. The role of chopper is actually providing a phase-locked amplifier with a reference signal, so that the phase locking can identify weak photocurrent. Chopper blade rotation periodically block electrode according to the research of optical path, thus leads the electrode photocurrent cyclical, the chopper to phase locked frequency input, the size of the photocurrent is calculated from phase locked. Optical chopper design content mainly includes the main circuit, control circuit, drive circuit and protection circuit design, device selection and structure design. Insight into the working principle and function of each module, each part of the normal operation. In this paper, the optical chopper design principle, circuit design and structure design are introduced. Key Words：optical chopper; wiring design; device type selection; structure design III 目目 录录 1 绪论绪论.1 1.1 课题研究的背景和意义.1 1.2 国内外研究发展现状.1 1.3 论文的组织结构.2 1.4 本课题研究的主要内容.2 2 光学斩波器简介光学斩波器简介.2 2.1 直流斩波器简介.3 2.2 直流斩波器原理.4 2.2.1 直流斩波电路包括三个部分电路模块。.4 2.2.2 全控器件 IGBT 简介 .4 2.2.3 直流斩波器的基本原理图.5 3 直流降压斩波器设计直流降压斩波器设计.6 3.1 主电路设计方案.6 3.1.1 主电路基本电路图.6 3.1.2 主电路电流电压分析.6 3.2 控制电路模块设计.7 3.2.1 斩波电路控制方式：.7 3.2.2 SG3525 原理及功能.8 3.2.3 SG3535 内部结构简介.9 3.2.4 SG3525 芯片引脚.10 3.2.5 控制电路图.11 3.3 驱动电路模块设计.11 3.3.1 驱动电路模块功能.11 3.3.2 驱动电路的隔离方式.12 IV 3.3.3 EXB841 的驱动原理.13 3.4 保护电路设计.13 3.4.1 主电路器件保护.14 3.4.2 负载过压保护.14 3.4.3 过电流保护.15 3.5 直流降压斩波电路整体电路图.16 4 直流斩波器结构设计直流斩波器结构设计.18 4.1 结构设计要求.18 4.2 斩波调速原理.18 4.3 结构设计总结.19 5 总结总结.20 参考文献参考文献.21 致谢致谢.23 毕业设计（论文）知识产权声明毕业设计（论文）知识产权声明.24 毕业设计（论文）独创性声明毕业设计（论文）独创性声明.25 附录附录.26 1 绪论 1 1 绪论绪论 1.1 课题研究的背景和意义课题研究的背景和意义 在光电系统中，获取的有效光强信息往往受到背景噪声的影响，如何从 背景噪声中提取有用信号，一直是人们不断研究的课题之一，目前，锁相相 关技术是提取有用信号的有效方法，此技术要求对入射光信号进行调制，本 课题基于此提出，对光波信号进行调制。 1.2 国内外研究发展现状国内外研究发展现状 光调制技术虽然早在四十年代就已有不少研究和报导，但具有实用价值 的光调制器却是在七十年代前后才发展成熟的。近一二十年来,光学和光电 子学中的光调制器的研究和应用迅速地发展。随着微电子和光电子集成技术 的进步以及两者的紧密结合,大大地促进了光调制器的发展。而光调制器所 具有的能调制光束的重要功能,使其成为构成实时光学信息处理、光计算等 系统的关键器件。正因为如此,光调制器在现代光学领域中具有越来越重要 的地位和价值,它是光学、光电混合系统进行光互连、光学相关、光计算、 模式识别、光学控制、光学检测、图象处理、显示技术等中的基本构件和关 键器件1。世界上有许多国家在从事光调制器的研究,其中,美国是起步最早、 技术最先进的国家,其研究机构有空军实验室、波斯顿大学及其微机械公司、 斯坦福大学、加州大学 Berkeley 分校传感器与执行器中心、加州大学圣克鲁 斯分校、劳伦斯国家实验室、朗讯(Lucent)公司、Iris AO 公司以及德州仪器 (TI)公司等。荷兰 Delft 大学及其商业合作伙伴 OKO Technology 公司在薄膜 光调制器研究方面是最先进的,已经有了许多商业化产品。此外,法国、德国 和日本的科学家也在进行研究2。我国也在这方面取得了一定的成绩，其中 北京卓立汉光公司生产的 Model 300CD 型光学斩波器代表了国内光调制器 1 绪论 2 的先进水平。 1.3 论文的组织结构论文的组织结构 本论文的组织结构如下： 第一章：介绍关于光学斩波器的研究背景、研究意义以及开发者的主要 工作。 第二章：介绍光学斩波器的功能及工作原理。 第三章：介绍直流降压斩波器的电路设计，包括主电路、控制电路、驱 动电路和保护电路。 第四章：介绍直流降压斩波器的结构设计。 第五章：对直流降压斩波器的器件进行选型。 1.4 本课题研究的主要内容本课题研究的主要内容 在直流降压斩波器的课题研究中主要的研究内容如下： 了解直流降压斩波器的功能及工作原理，画出其工作原理图，对电压和 电流波形进行有深入的认识。 熟悉直流降压斩波电路的各个电路模块，了解 SG3525 芯片和 EXB841 芯片的结构和工作原理，画出主电路、控制电路、驱动电路、保护电路的电 路图，并对其工作原理进行了解。 对光调制器进行结构设计，画出电机支撑座，外壳和斩波片的机械结构 图。 对光调制器进行器件选型。 2 光学斩波器简介 3 2 光学斩波器简介光学斩波器简介 2.1 直流斩波器简介直流斩波器简介 电力电子技术的发展方向,是从以低频技术处理问题为主的传统电力电 子学,向以高频技术处理问题为主的现代电力电子学方向转变。电力电子技 术起始于五十年代末六十年代初的硅整流器件,其发展先后经历了整流器时 代、逆变器时代和变频器时代,并促进了电力电子技术在许多新领域的应用。 八十年代末期和九十年代初期发展起来的、以功率 MOSFET 和 IGBT 为代 表的、集高频、高压和大电流于一身的功率半导体复合器件,表明传统电力 电子技术已经进入现代电力电子时代。 直流斩波器(D.C. Chopper)又称为截波器，它是将电压值固定的直流电， 转换为电压值可变的直流电源装置，是一种直流对直流的转换器(DC to DC Converter)已被被广泛使用，如直流电机的速度控制和直流电机的驱动、直 流调压、直流电源的驱动和交换式电源供应器(Switching-Power-Supply)等3。 直流斩波器（DC Chopper）是一种把恒定直流电压变换成为另一固定电 压或可调电压的直流电压，从而满足负载所需的直流电压的变流装置。它通 过周期性地快速通、断，把恒定直流电压斩成一系列的脉冲电压，而改变这 一脉冲列的脉冲宽度或频率就可实现输出电压平均值的调节。全控型器件选 择绝缘栅双极晶体管（IGBT）具有良好的特性，目前已取代了原来 GTR 和 一部分电力 MOSFET 的市场，应用领域迅速扩展，成为中小功率电力电子 设备的主导器件。直流斩波器根据其输入和输出电压的大小可以分为降压式 直流斩波器和升压式直流斩波器的两类。若直流斩波器的输出电压较输入之 2 光学斩波器简介 4 电源电压低，则称为降压式(Buck )直流斩波器，若其输出电压较输入之电源 电压高，则称为升压式(Boost) 直流斩波器4。因此本课题选择的设计方案 是直流降压斩波电路。 2.2 直流斩波器原理直流斩波器原理 直流斩波电路（DC Chopper）的功能是将直流电变为另一种固定的或可 调的直流电，也称为直流-直流变换器（DC/DC Converter） ，直流斩波电路 （DC Chopper）一般是指直接将直流变成直流的情况，不包括直流-交流-直 流的情况。 2.2.12.2.1 直流斩波电路包括三个部分电路模块。直流斩波电路包括三个部分电路模块。 a. 主电路模块。主电路模块。主要由全控器件 IGBT 的开通与关断的时间占空比来决定 输出电压 u。的大小。 。 b. 控制电路模块。控制电路模块。控制电路模块，可用 SG3525 来控制 IGBT 的开通与关 断。驱动电路模块，用来驱动 IGBT 控制电路是用来产生降压斩波电路的控 制信号，控制电路产生的控制信号传到驱动电路，驱动电路把控制信号转换 为加在开关控制端，可以使其开通或关断的信号。通过控制开关的开通和关 断来控制降压斩波电路的主电路工作。 c. 驱动电路模块。驱动电路模块。EXB841 驱动芯片来实现也可以直接用光耦电路进行驱 动。主电路模块由全控器件 IGBT 的开通与关断的时间占空比来决定输出电 压 u。的大小。控制电路模块， ，它简单可靠及使用方便灵活。 2.2.2 全控器件全控器件 IGBTIGBT 简介简介 IGBT 是新一代的电力电子器件，兼有功率 MOS-MET 的高速度和功率 晶体管饱和压降低、功率大的优点。由 IGBT 构成的斩波器具有电路简单、 易于调试和设计，成本低，可靠性高，容量范围大，频率高，无静态噪音， 输出电流(电压)调节精度高等优点，在实际应用中有非常广泛的应用，特别 是在需要用电池等直流电源进行调节的时候，有着不可替代的作用5。 2.2.3 直流斩波器的基本直流斩波器的基本原理原理 直流斩波器乃利用功率组件对固定电压之电源做适当之切割以达成负载 端电压改变之目的。若其输出电压较输入之电源电压低，则称为降压式 (Buck )直流斩波器，若其输出电压较输入之电源电压高，则称为升压式 (Boost)直流斩波器；本方案选择的是直流降压斩波器图 2.1 所示为直流斩波 器基本电路图，图 2.2 所示为负载电压波形， 西安工业大学北方信息工程学院毕业设计（论文） 5 图 2.1 直流斩波器基本原理图 图 2.2 直流斩波器负载电压波形图 可看出当直流斩波器导通(Ton )时，负载端之电压 Vo 等于电源电压 Vs；当直流斩波器截止(Toff)时，负载端之电压 Vo 为 0。如此适当的控制直 流斩波器可使直流电源断续的出现在负载侧，只要控制直流斩波器的导通时 间，即可改变负载的平均电压6。 西安工业大学北方信息工程学院毕业设计（论文） 6 3 直流降压斩波器设计直流降压斩波器设计 3.1 主电路设计方案主电路设计方案 根据所选课题设计要求设计一个降压斩波电路，可运用电力电子开关来 控制电路的通断即改变占空比，从而获得我们所想要的电压。这就可以根据 所学的 buck 降压电路作为主电路，这个方案是较为简单的方案，直接进行 直直变换简化了电路结构。而另一种方案是先把直流变交流降压，再把交流 变直流，这种方案把本该简单的电路复杂化，不可取。至于开关的选择，选 用比较熟悉的全控型的 IGBT 管，而不选半控型的晶闸管，因为 IGBT 控制较 为简单，且它既具有输入阻抗高、开关速度快、驱动电路简单等特点，又用 通态压降小、耐压高、电流大等优点。 3.1.1 主电路基本电路图主电路基本电路图 主电路基本电路图如图 3.1 所示 图 3.1 主电路基本电路图 直流降压斩波主电路使用一个全控器件 IGBT 控制导通。用控制电路和 3 直流降压斩波器设计 7 驱动电路来控制 IGBT 的通断，当 t=0 时，驱动 IGBT 导通，电源 E 向负载供 电，负载电压 U0=E，负载电流 io按指数曲线上升。 3.1.2 主电路电流电压分析主电路电流电压分析 直流降压斩波主电路使用一个全控器件 IGBT 控制导通。用控制电路和 驱动电路来控制 IGBT 的通断，当 t=0 时，驱动 IGBT 导通，电源 E 向负载 供电，负载电压=E，负载电流按指数曲线上升。电路工作时波形图如 0 u 0 i 图 3.2 所示 图 3.2 主电路电压电流波形图 当 t=t1时刻，控制 IGBT 关断，负载电流经二极管 Vd续流，负载电压 近似为零，负载电流指数曲线下降。为了使负载电流连续且脉动小，故 0 u 串联 L 值较大的电感。 至一个周期 T 结束，再驱动 IGBT 导通，重复上一周期的过程。当电力 工作于稳态时负载电流在一个周期的初值和终值相等，负载电压的平均值为 U0t1E/T=t1E/（t1+t2）E ton为 IGBT 处于通态的时间；toff为处于断态的时间；T 为开关周期； 为导通占空比。 通过调节占空比 使输出到负载的电压平均值 U0 最大为 E，若减小占 空比 ，则 U0随之减小。由此可知，输出到负载的电压平均值 Uo 最大为 Ui，若减小占空比 ，则 Uo 随之减小，由于输出电压低于输入电压，故 称该电路为降压斩波电路7。 西安工业大学北方信息工程学院毕业设计（论文） 8 3.2 控制电路模块设计控制电路模块设计 控制电路需要实现的功能是产生控制信号，用于控制斩波电路中主功率 器件的通断，通过对占空比的调节达到控制输出电压大小的目的。 3.2.1 斩波电路控制方式：斩波电路控制方式： 斩波电路有三种控制方式: a. 保持开关周期 T 不变，调节开关导通时间 ton，称为脉冲宽度调制或 脉冲调宽型； b. 保持导通时间不变，改变开关周期 T，成为频率调制或调频型； c.导通时间和周期 T 都可调，是占空比改变，称为混合型8。 因为斩波电路有这三种控制方式，又因为 PWM 控制技术应用最为广泛， 所以采用 PWM 控制方式来控制 IGBT 的通断。PWM 控制就是对脉冲宽度 进行调制的技术。这种电路把直流电压“斩”成一系列脉冲，改变脉冲的占 空比来获得所需的输出电压。改变脉冲的占空比就是对脉冲宽度进行调制， 只是因为输入电压和所需要的输出电压都是直流电压，因此脉冲既是等幅的， 也是等宽的，仅仅是对脉冲的占空比进行控制。 对于控制电路的设计其实可以有很多种方法，可以通过一些数字运算芯 片如单片机、CPLD 等等来输出 PWM 波，也可以通过特定的 PWM 发生芯 片来控制9。因为题目要求输出电压连续可调，所以我选用一般的 PWM 发 生芯片来进行连续控制。 3.2.2 SG3525 原理及功能原理及功能 控制电路是以 SG3525 为核心构成,SG3525 为美国 Silicon General 公司 生产的，它集成了 PWM 控制电路,采用恒频脉宽调制控制方案,内部包含有 精密基准源,锯齿波振荡器,误差放大器,比较器,分频器和保护电路等.调节 Ur 的大小,在 11,14 两端可输出两个幅度相等,频率相等,相位相差, 占空比可调 的矩形波(即 PWM 信号).然后，将脉冲信号送往芯片 HL402，对微信号进行 升压处理，再把经过处理的电平信号送往 IGBT，对其触发，以满足主电路 的要求10。其内部电路结构如图 3.3 所示 西安工业大学北方信息工程学院毕业设计（论文） 9 图 3.3 SG3525 内部结构图 3.2.3SG3525 内部结构简介 a. 基准电压调整器 基准电压调整器是输出为 5.1V，50mA，有短路电流保护的电压调整器。 它供电给所有内部电路，同时又可作为外部基准参考电压。若输入电压低于 6V 时，可把 15、16 脚短接，这时 5V 电压调整器不起作用。 b. 振荡器 3525A 的振荡器，除 CT、RT 端外，增加了放电 7、同步端 3。RT 阻值 决定了内部恒流值对 CT 充电，CT 的放电则由 5、7 端之间外接的电阻值 RD 决定。把充电和放电回路分开，有利于通过 RD 来调节死区的时间，因 此是重大改进。在 3525A 中增加了同步端 3 专为外同步用，为多个 3525A 的联用提供了方便。同步脉冲的频率应比振荡频率 fs 要低一些。 c. 误差放大器 误差放大器是差动输入的放大器。它的增益标称值为 80dB，其大小由 反馈或输出负载决定，输出负载可以是纯电阻，也可以是电阻性元件和电容 的元件组合。该放大器共模输入电压范围在 1.83.4V，需要将基准电压分压 送至误差放大器 1 脚（正电压输出）或 2 脚（负电阻输出） 。 3524 的误差放大器、电流控制器和关闭控制三个信号共用一个反相输 入端，3525A 改为增加一个反相输入端，误差放大器与关闭电路各自送至比 较器的反相端。这样避免了彼此相互影响。有利于误差放大器和补偿网络工 作精度的提高。 西安工业大学北方信息工程学院毕业设计（论文） 10 d. 闭锁控制端 10 利用外部电路控制 10 脚电位，当 10 脚有高电平时，可关闭误差放大器 的输出，因此，可作为软起动和过电压保护等。 e. PWM 锁存器 比较器（脉冲宽度调制）输出送到 PWM 锁存器。锁存器由关闭电路置 位，由振荡器输出时间脉冲复位。这样，当关闭电路动作，即使过流信号立 即消失，锁存器也可维持一个周期的关闭控制，直到下一周期时钟信号使倘 存器复位为止。 另外，由于 PWM 锁存器对比较器来的置位信号锁存，将误差放大器上 的噪音、振铃及系统所有的跳动和振荡信号消除了。只有在下一个时钟周期 才能重新置位，有利于可靠性提高。 f. 增设欠压锁定电路 电路主要作用是当 IC 块输入电压小于 8V 时，集成块内部电路锁定， 停止工作（其准源及必要电路除外） ，使之消耗电流降到很小（约 2mA） 。 g. 输出级 由两个中功率 NPN 管构成，每管有抗饱和电路和过流保护电路，每组 可输出 100mA。组间是相互隔离的。电路结构改为确保其输出电平或者是 高电平或者是低电平的一个电平状态中。为了能适应驱动快速的场效应功率 管的需要，末级采用推拉式电路，使关断速度更快。 11 端（或 14 端）的拉电流和灌电流，达 100mA。在状态转换中，由于 存在开闭滞后，使流出和吸收间出现重迭导通。在重迭处有一个电流尖脉冲， 其持续时间约 100ns。使用时 VC 接一个 0.1f 电容可以滤去尖峰。 另一个不足处是吸电流时，如负载电流达到 50mA 以上时，管饱和压降 较高（约 1V）11。 3.2.4 SG3525 芯片引脚 SG3525是一款专用的 PWM 控制集成电路芯片，它采用恒频调宽控制方 案，内部包括精密基准源、锯齿波振荡器、误差放大器、比较器、分频器和 保护电路等，其引脚图如图 3.4 所示 西安工业大学北方信息工程学院毕业设计（论文） 11 图 3.4 SG3525 芯片引脚图 SG3525A 系列脉宽调制器控制电路可以改进为各种类型的开关电源的 控制性能和使用较少的外部零件。在芯片上的 5.1V 基准电压调定在1， 误差放大器有一个输入共模电压范围。它包括基准电压，这样就不需要外接 的分压电阻器了。一个到振荡器的同步输入可以使多个单元成为从电路或一 个单元和外部系统时钟同步。在 CT 和放电脚之间用单个电阻器连接即可对 死区时间进行大范围的编程。在这些器件内部还有软起动电路，它只需要一 个外部的定时电容器，一只断路脚同时控制软起动电路和输出级12。只要用 脉冲关断，通过 PWM（脉宽调制）锁存器瞬时切断和具有较长关断命令的 软起动再循环。当 VCC 低于标称值时欠电压锁定禁止输出和改变软起动电 容器。输出级是推挽式的可以提供超过 200mA 的源和漏电流。SG3525A 系 列的 NOR（或非）逻辑在断开状态时输出为低。 3.2.5 控制电路图 直流斩波电路的控制电路用 SG3525 来实现，其电路图如图 3.5 所示 西安工业大学北方信息工程学院毕业设计（论文） 12 图 3.5 控制电路电路图 SG3525 有过流保护的功能，可以通过改变 10 脚电压的高低来控制脉冲 波的输出。因此可以将驱动电路输出的过流保护电流信号经一电阻作用，转 换成电压信号来进行过流保护，同理也可以用 10 端进行过压保护。 当驱动电路检测到过流时发出电流信号，由于电阻的作用将 10 脚的电 位抬高，从而 11、14 脚输出低电平，而当其没有过流时，10 脚一直处于低 电平，从而正常的输出 PWM 波13。 3.33.3 驱动电路模块设计驱动电路模块设计 IGBT 是电力电子器件，控制电路产生的控制信号一般难以以直接驱动 IGBT。因此需要信号放大的电路。另外直流斩波电路会产生很大的电磁干 扰，会影响控制电路的正常工作，甚至导致电力电子器件的损坏。因而还设 计中还学要有带电气隔离的部分。 3.3.13.3.1 驱动电路模块功能驱动电路模块功能 驱动部分是连接控制部分和主电路的桥梁，该部分主要完成以下几个功 能： a. 提供适当的正向和反向输出电压，使 IGBT 可靠的开通和关断； b. 提供足够大的瞬态功率或瞬时电流，使 IGBT 能迅速建立栅控电场而 导通； c. 尽可能小的输入输出延迟时间，以提高工作效率； d. 足够高的输入输出电气隔离性能，使信号电路与栅极驱动电路绝缘； 西安工业大学北方信息工程学院毕业设计（论文） 13 e. 具有灵敏的过流保护能力14。 针对以上几个要求，对驱动电路进行以下设计。针对驱动电路的隔离方 式，有以下 2 种驱动电路，下面对其进行比较选择。 方案 1：采用驱动芯片式驱动电路，该电路双侧都有源。其提供的脉冲 宽度不受限制，较易检测 IGBT 的电压和电流的状态，对外送出过流信号。 另外它使用比较方便，稳定性比较好。但是它需要较多的工作电源，其对脉 冲信号有时间滞后，不适应于某些要求比较高的场合。 方案 2：采用变压器耦合驱动器，其输入输出耐压高，电路结构简单， 延迟小。但是它不能实现自动过流保护，不能实现任意脉宽输出，而且其对 变压器的绕制要求严格。 通过以上比较，结合本系统中，对电压要求不高，而且只有一个全控器 件需要控制，使用驱动芯片，使用方便，所以选择方案 1。 对于方案 1 可以用 EXB841 驱动芯片来实现也可以直接用光耦电路进行 主电路与控制电路隔离，再把驱动信号加一级推挽电路进行放大使得驱动信 号足以驱动 IGBT 管。由于我所设计的过流保护电路是利用控制芯片 10 端 来设计的，且直接用光耦电路比较复杂，所以我采用驱动芯片进行方案设计 15。 3.3.2 驱动电路的隔离方式：驱动电路的隔离方式： 针对以上分析，我选取了 EXB841 驱动芯片。它具有单电源、正负偏压、 过流检测、保护、软关断等主要特性，其功能完善，控制简便可靠 16。 EXB841 驱动电路图如图 3.6 所示。 图 3.6 EXB841 驱动电路图 直流降压斩波电路主要是通过调节控制电路中 SG3525 芯片 2 号脚外接 的滑动变阻器的阻值，使电压发生变化，从而改变 PWM 的占空比，在将输 西安工业大学北方信息工程学院毕业设计（论文） 14 出波形输入由 EXB841 组成的驱动电路传递给 IGBT，控制 IGBT 的关断来 实现输出电压 u。的调节。所以在使用时只需调节滑动变阻器阻值大小就可 以了。 3.3.3EXB8413.3.3EXB841 的驱动原理的驱动原理 EXB841 主要有三个工作过程：正常开通过程、正常关断过程和过流保 护动作过程。14 和 15 两脚间外加 PWM 控制信号，当触发脉冲信号施加于 14 和 15 引脚时，在 GE 两端产生约 16V 的 IGBT 开通电压；当触发控制脉 冲撤销时，在 GE 两端产生-5.1V 的 IGBT 关断电压。过流保护动作过程是 根据 IGBT 的 CE 极间电压 Uce 的大小判定是否过流而进行保护的，Uce 由 二极管 Vd7 检测。当 IGBT 开通时，若发生负载短路等发生大电流的故障， Uce 会上升很多，使得 Vd7 截止，EXB841 的 6 脚“悬空”，B 点和 C 点电位 开始由约 6V 上升，当上升至 13V 时，Vz1 被击穿，V3 导通，C4 通过 R7 和 V3 放电，E 点的电压逐渐下降，V6 导通，从而使 IGBT 的 GE 间电压 Uce 下降，实现软关断，完成 EXB841 对 IGBT 的保护。射极电位为-5.1V， 由 EXB841 内部的稳压二极管 Vz2 决定17。 3.4 保护电路设计保护电路设计 过压保护要根据电路中过压产生的不同部位，加入不同的保护电路，当 达到定电压值时，自动开通保护电路，所以可分为主电路器件保护和负载 保护。 3.4.13.4.1 主电路器件保护主电路器件保护 当达到定电压值时，自动开通保护电路，使过压通过保护电路形成通 路，消耗过压储存的电磁能量，从而使过压的能量不会加到主开关器件上， 保护了电力电子器件。 为了达到保护效果，可以使用阻容保护电路来实现。将电容并联在回路 中，当电路中出现电压尖峰电压时，电容两端电压不能突变的特性，可以有 效地抑制电路中的过压。与电容串联的电阻能消耗掉部分过压能量，同时抑 制电路中的电感与电容产生振荡，过电压保护电路如图 3.7 所示。 西安工业大学北方信息工程学院毕业设计（论文） 15 图 3.7 过电压保护电路 3.4.2 负载过压保护负载过压保护 如图 3.8 所示比较器同相端接到负载端，反相端接到一个基准电压上， 输出端接控制芯片 10 端，当负载端电压达到一定的值，比较器输出 Uom 抬 高 10 端电位，从而使 10 端上的信号为高电平时，PWM 琐存器将立即动作， 禁止 SG3525 的输出，同时，软启动电容将开始放电。如果该高电平持续， 软启动电容将充分放电，直到关断信号结束，才重新进入软启动过程，从而 实现过压保护18。 电阻的取值，比较器反相端接 5.1V 电源经变位器后为可调基准电压， 比较器同相端电压应在 5V 以内，取负载输出电压最大值 80V 来算 R20/R18=80/3 左右，所以 R20=100K,R18=4K,R17=10k,R19=2k. 图 3.8 负载过压保护电路 西安工业大学北方信息工程学院毕业设计（论文） 16 3.4.3 过电流保护过电流保护 当电力电子电路运行不正常或者发生故障时，可能会发生过电流。当器 件击穿或短路、触发电路或控制电路发生故障、出现过载、直流侧短路、可 逆传动系统产生环流或逆变失败，以及交流电源电压过高或过低、缺相等， 均可引起过流。器件允许的过载时间较长，而允许的短路时间极短，一般在 若干微秒之内。对于负载过大产生的过载电流一般可用反馈控制的方法进行 调整和保护。在这里采用了两中过电流保护措施，一是加限流电阻，主要对 电流过载起保护作用，其二是在电路中串熔断器，对短路起保护作用。在斩 波电路中对斩波器的保护，实际上就是对 IGBT 的保护。所以重要的是怎么 设计好对开关管 IGBT 的保护方案19。 过电流保护电路如图所示，其中交流侧接快速熔断器能对晶闸管元件短 路及直流侧短路起保护作用。器件直接串接快速熔断器才对元件的保护作用 最好，因为它们流过同个电流因而被广泛使用。电子电路作为第一保护 措施，快熔仅作为短路时的部分区段的保护，直流快速断路器整定在电子电 路动作之后实现保护，过电流继电器整定在过载时动作。 由于电力电子器件的电流过载能力相对较差，必须对变换器进行适当的 过流保护。采用快速熔断器是电力电子装置中最有效、应用最广的一种的过 流保护措施。负载过流保护电路图如图 3.9 所示 图 3.9 负载过流保护电路 3.5 直流降压斩波电路整体电路图直流降压斩波电路整体电路图 西安工业大学北方信息工程学院毕业设计（论文） 17 综上所述，直流降压斩波电路包含主电路，控制电路，驱动电路和保护 电路四个模块，直流降压斩波主电路使用一个全控器件 IGBT 控制导通，用 控制电路和驱动电路来控制 IGBT 的通断。 电力电子器件在实际应用中，一般是由控制电路，驱动电路，保护电路 和以电力电子器件为核心的主电路组成一个系统。由信息电子电路组成的控 制电路按照系统的工作要求形成控制信号，通过驱动电路去控制主电路中电 力电子器件的导通或者关断来完成整个系统的功能， 控制电路是用来产生降压斩波电路的控制信号，控制电路产生的控制信 号传到驱动电路，驱动电路把控制信号转换为加在开关控制端，可以使其开 通或关断的信号。通过控制开关的开通和关断来控制降压斩波电路的主电路 工作。控制电路中的保护电路是用来保护电路的，防止电路产生过电流现象 损害电路设备。 直流降压斩波电路整体电路图如图 3.10 所示 图 3.10 直流降压斩波电路整体电路图 西安工业大学北方信息工程学院毕业设计（论文） 18 控制电路是用来产生降压斩波电路的控制信号，控制电路产生的控制信 号传到驱动电路，驱动电路把控制信号转换为加在开关控制端，可以使其开 通或关断的信号。通过控制开关的开通和关断来控制降压斩波电路的主电路 工作。控制电路中的保护电路是用来保护电路的，防止电路产生过电流现象 损害电路设备。 4 直流斩波器结构设计 19 4 直流斩波器结构设计直流斩波器结构设计 直流斩波器是利用功率组件对固定电源产生的光束进行适当切割以产生 有规律交替变化的光束的目的。当工作的时候，电机带动斩波片转动，斩波 片前端放着光源对着叶片部分，就会产生交替变化的光束。光学斩波器主要 是由控制单元、斩波装置、斩波片组成。将斩波片固定在轮盘上，由直流电 机带动袖珍轴承转动，进而带动斩波片转动，对光束进行切割。 4.1 结构设计要求结构设计要求 斩波片由电动机带动旋转，接收光源产生的光束，因此，斩波轮的设计 要确保稳定和精确地性能，应做到以下几点： 1、为使系统稳速运转，结构设计时应确保部件重心与旋转轴重合，避 免由于偏心产生的脉动负荷。 2、为降低斩波轮运转时外载荷对运转稳定性的影响，结构设计时应做 到在尽量降低部件重量的前提下，使部件具有较大的转动惯量。 3、为减低轴承负荷，结构设计时应尽可能使部件重位于两轴承支承点 的中部。 4、合理设计加工精度的装配精度要求，保证良好的工艺性和较低的生 产成本。 为了确保精确性，应对斩波片进行化学和消磁处理。本方案中斩波片采 用的材质是半硬度的黄铜，并进行化学发黑处理20。 斩波轮主要组成零部件：轮盘，斩波