（控制理论与控制工程专业论文）高压开关电源设计.pdf

晗尔滨工程大学硕士学位论文 摘要 高压直流电源在日常的生产、生活中有着广泛的应用，尤其在军事、医 疗和绝缘测试等领域应用更为频繁。传统的高压直流电源采用线性电源技术 的较多，这种结构形式造成电源整体效率较低，性能一般，体积大，重量沉。 随着开关电源技术的进步和发展，各类用途的直流电源都倾向于采用开关电 源技术。开关电源以其线性电源无法比拟的特点和优点已经成为电源行业的 主流形式。开关电源技术应用于高压直流电源领域，使高压直流电源变得体 积小，重量轻，效率高，性能更好。 本次论文研究工作是针对x 射线发生装置设计所需高压电源。论文首先 介绍了目前高压直流电源领域的发展情况，和x 光管工作的基本原理，论证 了各种开关电源主电路的拓扑结构，由于单一结构形式的变换器难以满足系 统功能和性能指标的要求，提出了一种组合式结构，以半桥式变换器组合降 压斩波电路的主电路结构形式，应用m a t l a b 仿真验证了系统设计的可行 性。然后论文针对主电路中各主要元件参数进行了具体计算，对变换器中较 为关键的高压变压器进行了具体设计，并指出了变压器制造过程中影响性能 指标的关键因素和解狭办法。控制电路设计中选用开关电源专用芯片t l 4 9 4 作为主要控制芯片，应用精密运算放大器和隔离反馈元件构成系统的反馈和 p i 调节控制器，应用控制领域使用晟为广泛的5 l 系列单片机构成控制电路 中的数字控制部分，结合信号检测技术，组成具有完善控制和保护功能的电 源系统。在论文的系统调试部分记录了此次设计的电源的调试步骤和过程， 以及每步调试的波形和数据，尤其重要的是发现并记录了t l 4 9 4 的设计缺陷， 提出了补救方法。经过多次试验和反复补充修改设计，最终制成了一台具有 较高性能指标的高压开关电源样机。 关键词i开关电源；半桥；t l 4 9 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 a b s t r a c t h i g hv o l t a g ed i r e c tc u r r e n tp o w e rs u p p i y ( h v d c p s 、i sa p p l i e db r o a d l yi n d a i l yl i f ea n dp r o d u c t i o n ，e s p e c i a l l yu s e df r e q u e n t l yi nm i l i t a r y ，m e d i c a la n d i n s u l a t i o nt e s t t r a d i t i o n a lh v d c p sm a i n l ya d o p t st e c h n o l o g yo f1 i n e a rp o w e r s u p p l ys u c ht y p eo f s t r u c t u r em a k e st h ew h o l ee f f i c i e n c yo f p o w e rs u p p l yb el o w ， c o l n i n o np e r f o r m a n c e ，l a r g ea n dh e a v y w i mt h ed e v e l o p m e n ta n da d v a n c e m e n t o fs w i t c hp o w e rs u p p l yt e c h n o l o g y ( s p s n ，d i r e c tc u r r e n tp o w e rs u p p l i e si n d i f f e r e n tu s ea r ei n c l i n e dt oa d o p ts p s t ，s w i t c hp o w e rs u p p l y ( s p s ) h a sb e e nt h e m a i n s t r e a mo fp o w e rs u p p l yi n d u s t r yd u et oi t sc h a r a c t e r i s t i c sa n da d v a n t a g ew i t h w h i c hl i n e a rp o w e rs u p p l yc a n n o tb ec o m p a r e d s p sa p p l i e si nt h ef i e l do f h v d c p s ，i tm a k e sh v d c p sb es m a l l ，l i g 蛾，1 1 i g he f f i c i e n c ya n db e t t e r p e r f o r m a n c e t h er e s e a r c hw o r ki nt h i sp a d e ra i m sa th v d c p sn e e d e db yd e s i g no fx r a y g e n e r a t i o n d e v i c e a tf i r s t , t h ec u r r e n t d e v e l o p m e n to fh v d c p sf i e l di s i n t r o d u c e d ，a n da l s ot h eb a s i cp r i n c i p l eo fx - m yt u b e i td e m o n s t r a t e s v a r i o u s t o p o l o g ys t r u c t u r e so fm a i nc i r c u i t so fs p s b e c a u s et h ec o n v e r t o rw i t hs i n g l e t y p eo f s t r u c t u r ec a n n o tm e e tt h en e e do f s y s t e mf u n c t i o na n dp e r f o r m a n c ei n d e x ， i tp r e s e n t sac o m b i n e ds t r u c t u r e ，t h a ti s ，t h em a i nt i r e u i tt y p eo fs t r u c t u r eo f h a l f - b r i d g ec o n v e r t o rc o m b i n e db o o s tc h o p p e r t h ef e a s i b i l i t yo fs y s t e md e s i g ni s t e s t i f i e db ym a t l a bs i m u l a t i o n t h e n ，t h ep a r a m e t e r so f m a i nc o m p o n e n t so f m a i n c i r c u i ta r ec o m p u t e d t h ek e yh i g hv o l t a g et r a n s f o r l n e ri , t lc o n v e r t o ri sd e s i g n e d a tt h es a m et i m e ，i tp o i n t so u tt h ek e yf a c t o r s ，w h i c hh a v ee f f e c to np e r f o r m a n c e i n d e xi n 也ep r o c e s so fd e s i g n i n ga n dp r o d u c t i o no ft r a n s f o r m e r ，a n dg i v e st h e s o l u t i o n a tl a s t ，t l 4 9 4c h i pi ss e l c o t e da st h em a i nc o n t r o lc h i pi nd e s i g n i n go f c o n t r o lc i r c u i t t h e s y s t e mf e e d b a c ka n d p ic o n t r o l l e rc o n s i s to fp r e c i s i o n o p e r a t i o na m p l i f i e ra n ds e p a r a t e df e e d b a c kc o m p o n e n t a n dd i g i t a lc o n t r o li s m a d eo f51s e r i e ss c mw h i c hi st h em o s tw i d e l yu s e di nt h ef i e l do fc o n t r 0 1 t h e t e c h n o l o g yo f d e t e c t i o ni sc o m b i n e dt oc o m p o s et h ep o w e rs u p p l ys y s t e m ，w h i c h h a st h ep e r f e c tc o n t r 0 1a n dp r o t e c t i o nf u n c t i o n t h ed e b u g g i n gp r o c e d u r ea n dp r o c e s so f t h ed e s i g na r er e c o r d e di nt h ep a r to f s y s t e md e b u g g i n g ，a n da l s ot h ew a v e sa n dd a t ai ne a c hs t e po f d e b u g g i n g w h a t i s i m p o r t a n ti st h a ti tf i n d sa n dr e c o r d st h ed e s i g nd e f e c to ft l 4 9 4 a n dt h er e m e d y w a yi sp r e s e n t e d a f t e rm a n yt i m e st e s t sa n dm o d i l y i n gd e s i g n ，as a m p l em a c h i n e o f s w i t c hh i g hv o l t a g ep o w e rs u p p l yw i t hh i g hp e r f o r m a n c ei n d e xi sf i n i s h e d k e y w o r d s ：s w i t c hp o w e rs u p p l y ；h a l f - b r i d g e ；t l 4 9 4 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下， 由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献等的 引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已经注明 引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已公开发 表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律 结果由本人承担。 作者( 签字) ：至丝 臼期：。) 年月( 口曰 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 高压直流电源简介咖帅1 在当今的军事、工业、日常生活等领域，高压直流电源有着广泛的应用， 尤其在绝缘测试和医学方面。在电工材料和绝缘测试领域经常用高压直流电 源去检测绝缘材料和高压电气设备的介电强度，有时还用高压直流电源代替 高压交流电源进行电力电容器、电力电缆等的耐压试验；在医学方面高压直 流电源是经常用于x 光机、c t 等大型设备。 传统的高压直流电源通常用工频交流电源经升压变压器升压、整流滤波 而得。如图1 1 所示，其中t 为升压 变压器，c 为滤波电容，r 1 、r 2 为电 阻主要起限流保护的作用。对于电压 不是很高的场合，可用半波整流电、j 路，全波或桥式整流电路得到直流电 t 一 压。 在实际应用中升压变压器之前 要加自藕调压器，通过调整自藕调压 器实现调整高压直流输出的目的。 tr 1i 毪 一一口一厂 、 士 c = 二 图1 1 整流电路 这类整流电路优点是接线简单，缺点是所用设备、组件的电压较高，体 积、重量和占地面积大，一般只能作为试验室内使用。 上述高压整流线路所能获得的最 高直流电压，只能是接近变压器输出7 电压的峰值。对于要获得比峰值更高 的直流电压，而且电流比较小的情况， 就要采用倍压整流电路，如图l _ 2 所 示。 电路工作过程是这样的，在正弦 波负半周电源通过v 2 对c 1 充电，在正弦 c 1v 1 1 l 丕c 2 ， v ： p 图1 2 倍压整流电路 。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 波的正半周，电源和c 2 同时对c 1 充电，c 2 上获得的电压约为电源电压的峰 值和c 1 上电压的和，因此，经过几个周期后，c 2 上的电压约为变压器输出 电压峰值的2 倍。若要更高的直流电压，可以把几级倍压电路串接在一起， 每一级都能获得约2 倍峰值电压的直流电压。着有：n 级串联，则可得到2 n 倍的直流电压，但级数越多，内阻抗越大，实际输出电压比预期值小得越多， 同时脉动系数也越大。因此，级数不宜太多，一般不超过5 级。 1 2 高压开关电源简介h 1 随着电力电子器件和相关应用技术的发展，作为用电设备心脏的电源系 统发生了很大的变化。以开关方式工作的直流稳压电源以其体积小、重量轻、 效率高、稳压效果好的特点，正逐步取代传统电源的位置，成为电源行业的 主流形式。高压直流电源领域也同样深受开关电源技术影响，并己广泛地应 用于系统之中。 应用电力电子器件产生高压直流的结构框图见图1 3 ，交流电源经整流 单元整流、滤波后，变成低压直流，逆变单元由控制单元控制，使低压直流 电压逆变成高频方波电压，经高频变压器形成高频高压的方波电压，然后经 高压整流输出变成直流高压，电压反馈单元将输出的高压信号反馈到控制单 控制单元卡 电压反馈单元 图1 3 应用电力电子器件的高压直流电源的结构图 元，只要调整控制单元的设定电压，就可调节直流高压的输出电压。其中整 流单元通常采用不可控桥式整流，结合电感和电容加以滤波；逆变单元根据 所含开关管数量，可以分为单管、双管( 半桥式和推挽式) 和四管( h 桥式) ， 根据开关频率和电流电压参数不同，开关组件多用i g b t 和m o s f e t ；高频变 压器最重要的参数是频率，通常频率在几k h z 至几十k h z 之间。 采用开关电源技术的高压直流电源具有体积小，重量轻，控制精度高， 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 稳定度高，纹波系数低，保护速度快等优点，因此它必然在高压直流电源中 有更广泛的应用。 1 3 高压开关电源发展趋势口1 在国外，从7 0 年代开始，日本的一些公司开始采用开关电源技术，将市 电整流后逆变为3 k h z 左右的中频，然后升压，美国g e 公司生产的a m x 一2 移 动式x 线机把蓄电池供给的直流电逆变成5 0 0 h z 的中频方波送入高压发生器， 从而减小体积和重量。进入8 0 年代，高压开关电源技术迅速发展。德国西门 子公司采用功率晶体管做主开关组件，将电源的开关频率提高到2 0 k h 以上。 并将干式变压器技术成功的应用于高频高压电源，取消了高压变压器油箱， 使变压器系统的体积进一步减小。近十年来，随着电力电予技术的进步和开 关器件的发展，高压开关电源技术不断发展。突出的表现是频率在不断提高： 如p h i l i p s 公司3 0 k w 以下移动式x 光机的x 线发生装置频率达3 0 k h z 以上， 德国的霍夫曼公司高压发生器频率高达4 0 k h z 。9 8 年以后通用电气公司和瓦 瑞安公司都研制成功l o o k h z x 线机发生器。另外，高压开关电源的功率也在 不断地提高，l o 一3 0 k w 的大功率高压开关电源在产品上己很成熟，更高功率 的高压开关电源也有很快的发展，如：用于雷达发射机的1 4 0 k w 高压开关电 源( 俄罗斯) ；用于脉冲功率技术中的3 0 0 k w 大功率恒流充电电源( 美国e e v 公司) 等等。 可以看出，高压开关电源的发展的主要趋势是： ( 1 ) 频率不断提高 ( 2 ) 功率不断增加 我国自8 0 年代初开始对高频化的高压大功率开关电源技术进行研究，分 别列入了“七五”、“八五”、“九五”国家重点攻关项目。国家“八五” 攻关项目( 8 5 8 0 5 一0 1 ) ，2 0 0 k y 高压直流开关电源的研制，输出功率达2 0 k w ： 国家自然基金资助项目( 6 9 8 7 1 0 0 2 ) 产生高浓度臭氧用2 0 k h z 高压逆变电源的 研制，电源的转换效率 8 0 ，输出功率最高达2 0 k w ，电源体积降至原体积1 5 ， 臭氧发生器体积降为原来1 6 ，还减少了原材料消耗；静电除尘高压直流电 源也实现了高频化，采用全桥零电流开关串联谐振逆变电路将直流电压逆变 为高频电压，然后由高频变压器升压，最后整流为直流高压，在电阻负载条 1 哈尔滨工程大学硕士学位论文 件下，输出直流电压达到5 5 k v ，电流达到1 5 m a ，工作频率为2 5 6 k h z 总之，我国高压开关电源技术己取得了很大的进步，但同国外相比还有 很大的差距，特别是大功率高压开关电源技术仍处在研发之中。 1 4x 光管介绍 x 射线的发生主要是应用x 光管。中小型x 光管，功耗较低，采用自然 冷却的方式，管体的尺寸小，使用寿命长。工作时在钨丝两端加上灯丝电压 加热使其发射热电子，再通过x 光管阴极、阳极间的高压使其加速成为高速 电子。当它轰击阳极时，会激发出x 射线。 要使钨丝中的电子能够克服金属表面势垒的吸引而逸出，必须获得一定 的能量用来做逸出功。 若不考虑外加电场，发射的电子流密度与金属温度的关系如下： 一“ j o = a t 2 8 百 ( 1 1 ) 其中：a = d a o e 。“6 0 ( a 啪一k 。) ，d 为平均透射系数，a o 为常数 1 2 0 4 ( a c i t k 2 ) ，e o 为t = 0 时的逸出功，k 为常数、t 为绝对温度。 可见金属的热电子发射电流密度与温度丁和逸出功e 。是指数关系。 考虑到外加电场，则： l n 以：l n 挈睦罐 ( 1 _ 2 ) 。 d i 其中：圪为阳极电压，d 为阴、阳极间距离( c m ) 。 由于阴阳极材料不同，、k 分别为阴极、阳极的逸出功， 一= 兰生翌表示接触电位差。 平均发射一个热电子所需要的能量为： e 。：e m + 2 k t ( 卜3 ) 若热阴极发射电流为j 。，则维持其稳定发射的功率为： p ：! ! ：皇!( 1 4 ) 由于在钨丝两端加上灯丝电压，钨丝流过电流产生发热，导致温度上升， 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 根据能量守恒定律有q = w ，即： 一u 2 a t ：生：坐：垦 ( 1 5 ) rb 其中：【，钨丝两端的电压，i 。= j 。x s + 图1 4 x 射线管供电示意图 综合以上各式可以求出电子流与阴极高压及灯丝电压的关系式。 然而，实际上我们无法确切知道x 光管的某些参数，还有存在其它的物 理变化，因此，很难在定量上确定它们之间的关系式。从定性上分析它们之 间近似为指数关系。 由于x 射线管的特性，要求高压电源的输出稳定性好，大范围连续可调， 转换效率高。 1 5 论文的主要工作 本论文研究工作主要是结合与地方企业合作的科研项目高压直流电源 进行的。主要内容是研制用于x 射线发生的高压开关电源，电源性能指标如 下： ( 1 ) 输入a c 2 2 0 v ，输出：高压回路d c 5 3 0 k v ，3 3 0 m a ， 灯丝回路：a c l o v ，o 4 a ； ( 2 ) 室温环境下能够2 4 小时连续工作； ( 3 ) 具有输出过压、过流保护； ( 4 ) 在输入电压波动1 0 的情况下，输出电压稳定度不劣于0 1 ； ( 5 ) 输出电压纹波不大于0 1 。 针对技术指标要求，论文将主要针对以下几个方面的工作进行深入研究 5 哈尔滨工程大学硕士学位论文 和设计： ( 1 ) 选择并设计系统主电路：设计主电路的结构形式，并对主要参数进 行计算； ( 2 ) 设计高压变压器； ( 3 ) 设计控制电路： ( 4 ) 系统调试。 论文的结构如下：第一章为综述，简单说明高压直流电源基本情况，介 绍国内外研究现状，阐述本论文工作的重点：第二章主要将介绍系统主电路 的设计；第三章介绍高压变压器的设计；第四章介绍系统控制电路的设计； 第五章为系统调试。最后，论文进行总结，并对将来的研究工作进行展望。 堕堡堡三堡奎兰堡主堂篁丝壅 第2 章主电路结构设计 本章的主要目的是研究常用开关电源主回路结构，提出自己的结构形式， 并对其中关键参数进行计算。 2 1 主电路结构介绍 由于主电路形式直接关系到电源的重要性能指标，论文设计要求的性能 指标又较高，因此，要对各种结构加以比较分析。 2 1 1 正激电路3 1 图2 1 正激电路的原理图 正激电路原理圈如图2 1 所示。 电路的工作过程：开关s 开通后，变压器绕组n 1 两端的电压为上正下负， 与其耦合的n 2 绕组两端的电压也是上正下负。因此v d i 处于通态，v d 2 为断 态，电感l 的电流逐渐增长；s 关断后，电感l 通过v d 2 续流，v d i 关断。s 关断后变压器的激磁电流经n 3 绕组和v d 3 流回电源，所以s 关断后承受的电 压为： r u s = ( 1 + 导) u ， ( 2 1 ) 1 12 变压器的磁心复位：开关s 开通后，变压器的激磁电流由零开始，随着 时间的增加而线性的增长，直到s 关断。为防止变压器的激磁电感饱和，必 须设法使激磁电流在s 关断后到下一次再开通的一段时间内降回零，这一过 程称为变压器的磁心复位。 变压器的磁心复位时间为： 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 ，一3 ， 一一百m 输出电压在电感电流连续的情况下： 吣等u ( 2 - 2 ) ( 2 3 ) 输出电感电流不连续时，输出电压将高于上式的计算值，并随负载减 小而升高，在负载为零的极限情况下，输出电压为： 吣铷 ( 2 - 4 ) 三口口叫 图2 2 正激电路的理想化波形 j o 一0 1 r f杉黝1 蕊汰沁 t f b & b r d t ot it 2 图2 3 磁心复位过程原理图 2 1 2 反激电路嘲 哈尔滨工程大学硕士学位论文 反激电路如图2 4 所示。 反激电路中的变压器起着储能组件的作用，可以看作是一对相互耦合的 电感。 电路的工作过程：s 开通后，v d 处于断态，n l 绕组的电流线性增长，电 感储能增加；s 关断后，n l 绕组的电流被切断，变压器中的磁场能量通过n 2 绕组和v d 向输出端释放。s 关断后的电压为： ， = u + 导 ( 2 5 ) 图2 4 反激电路原理图 反激电路的工作模式： 电流连续模式：当s 开通时，n 2 绕组中的电流尚未下降到零。 输出屯压关系： u _ a 0 ：丝t o n u jn 。t ( 2 - 6 ) 图2 5 反激电路的理想化波形 电流断续模式：s 开通前，n 2 绕组中的电流已经下降到零。输出电压高 9 窿 哈尔滨工程大学硕士学位论文 于式的计算值，并随负载减小而升高，在负载为零的极限情况下，砜呻0 0 因 此，反激电路不应工作于负载开路状态。 2 1 3 半桥电路羽 半桥变换器电路如图2 6 所示 s l s 2 图2 6 半桥电路原理图 l o i ill 个 图2 7 半桥电路的理想化波形 f f u r u ， f f r f 哈尔滨工程大学硕士学位论文 电路的工作过程：s 1 与s 2 交替导通，使变压器一次侧形成幅值为u ，2 的交流电压。改变开关的占空比，就可咀改变二次侧整流电压的平均值， 也就改变了输出电压玑。 s l 导通时，二极管v d i 处于通态，s 2 导通时，二极管v d 2 处于通态，当 两个开关都关断时，变压器绕组n 1 中的电流为零，v d i 和v d 2 都处于通态， 各分担一半的电流。s l 或s 2 导通时电感l 的电流逐渐上升，两个开关都关 断时，电感l 的电流逐渐下降。s 1 和s 2 断态时承受的最高电压为u 。 由于电容的隔离作用，半桥电路对由于两个开关导通时间不对称而造成 的变压器一次侧电压的直流分量有自动平衡作用，因此不容易发生变压器的 偏磁和直流磁饱和。 当滤波电感l 的电流连续时输出电压的计算： 堡：丝垒 ( 2 7 ) u 。l 丁 如果输出电感电流不连续，输出电压砜将高于上式的计算值，并随负载 减小而升高，在负载为零的极限情况下，输出电压为： u ：丝丝( 2 8 ) 2 1 4 全桥电路 全桥电路如图2 8 所示。 i s ls 3 v d l _ _ - 二： s 3 z z l + - i - c 一 + 受_ l _ 蜥 w lk 2 z、v d , i s ：s 4 场 图2 8 全桥电路原理图 电路的工作过程：全桥逆变电路中，互为对角的两个开关同时导通，同 1 1 哈尔滨工程大学硕士学位论文 一侧半桥上下两开关交替导通，使变压器一次侧形成幅值为u 。的交流电压， 改变占空比就可以改变输出电压。 当s 1 与s 4 开通后，二极管v d i 和v d 4 处于通态，电感l 的电流逐渐上 升；s 2 与s 3 开通后，二极管v d 2 和v d 3 处于通态，电感l 的电流也上升。当 4 个开关都关断时，4 个二极管都处于通态，各分担一半的电感电流，电感l 的电流逐渐下降。s 1 和s 2 断态时承受的最高电压为u 。如果s l 、s 4 与s 2 、 s 3 的导通时间不对称，则交流电压巩中将含有赢流分量，会在变压器一次 侧产生很大的直流电流，造成磁路饱和，因此全桥电路应注意避免电压直流 分量的产生，也可以在一次侧回路串联一个电容，以阻断直流电流。 一f o n li 一 丁 一 二一 毛 毛归臼 毛弋土 l 七文匕3 乏笠 0 i b 2 “3 3 泣二! 竖l l 一 1l ， ， q ，q， 哈尔滨工程大学硕士学位论文 一u o ：丝堡 ( 2 9 ) u ，1 2 输出电感电流断续时，输出电压“将高于上式计算值，并随负载减小而 升高，在负载为零的极限情况下，输出电压： u o _ 等u ( 2 - 1 0 ) 2 1 5 推挽电路 推挽电路如图2 1 0 所示。 s 2 图2 1 0 推挽电路原理图 电路的工作过程：推挽电路中两个开关s 1 和s 2 交替导通，在绕组n 1 和n 1 两端分别形成相位相反的交流电压，改变占空比就可以改变输出电压。 s 1 导通时，二极管v d i 处于通态，电感l 的电流逐渐上升。s 2 导通时， 二极管v d 2 处于通态，电感l 的电流也逐渐上升。当两个开关都关断时，v d i 和v d 2 都处于通态，各分担一半的电流。s 1 和s 2 断态时承受的峰值电压均 为2 倍u 。s 1 和s 2 同时导通，相当于变压器一次侧绕组短路，因此应避免 两个开关同时导通。 当滤波电感l 电流连续时，输出电压： 一u o ：堕坠 ( 2 1 1 ) u 1 丁 当输出电感电流不连续时，输出电压u 0 将高于上式的计算值，并随负载 减小而升高，在负载为零的极限情况下，输出电压： s 】 s 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 u o = 等u ( 2 - 1 2 ) 一。l 1 1i 印 图2 1l 推挽电路的理想化波形 下面对各种不同电路进行比较如下表： 表2 1 各种电路比较 f t 2 u t 2 u t 电路优点缺点功率范围应用领域 电路较简单，成 变压器单向激几百瓦各种中、小功率电 正激 本低，可靠性高， 驱动电路简单 磁，利用率低几千瓦源 电路简单，成本适合小功率，变小功率电子设备、 反激 很低，可靠性高， 压器单向激磁， 几瓦几 计算机设各、消费 十瓦 驱动电路简单利用率低 电子设备电源。 1 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 结构复杂，成本 变压器双向激 高，有直通问 大功率工业用电 全桥磁，容易达到大 题，可靠性低，几百瓦 需要复杂的多几百千瓦 源、焊接电源、电 功率解电源等 组隔离驱动电 路 变压器双向激 有直通问题，可 磁，没有变压器几百瓦各种工业用电源， 半桥靠性低，需要隔 偏磁问题，开关十几千瓦 计算机电源等 较少，成本低 离驱动电路 变压器双向 激磁，变压器一 次侧电流回路中几百瓦 推挽有偏磁问题低输入电压的电源 只有一个开关，十几千瓦 通态损耗较小， 驱动简单 综合以上各电路特点，结合此次设计的要求，决定选用半桥式变换器作 为高压回路和灯丝回路的主变换器。半桥式变换器是目前应用较多的变换器 形式，它所适用的功率范围满足设计要求，电路结构较为简单。功率开关组 件较少。至于存在的上下开关直通问题，通常可以选择合适的p w m 控制芯片 和通过设置死区时间来解决。在功率器件的隔离驱动问题上，由于电力电子 技术的完善和成熟，隔离驱动已经成为大功率器件必不可少的控制方式，因 此不构成不利因素。 由于技术指标中要求输出电压大范围可调并且对纹波和稳压精度的要求 较高，为了达到要求并获得好的效果，在半桥电路之前加入直流降压斩波电 路。电路如图2 1 2 所示。 灯丝加热回路采用与高压回路相同的结构，这样可以简化控制电路，缩 短设计周期，节省调试时间，并方便日后维护。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 a c i 辽 。：斗0 麓融厂 牛 c 1 自t 1 。 时雕1 辛 b 1 图2 1 2 主电路结构图 高压整流电路大多采用倍压整流电路，论文设计采用的高压倍压整流电 路如图2 1 3 所示。其中d g l 、d 9 2 为高压硅堆，选用耐压5 k v ，最大电流 1 0 0 m a ，导通压降约为2 v ；c g l 、c 9 2 为2 u f 高压电容 r g l 、r 9 2 为用于 电压反馈的分压电阻，阻值分别为1 0 0 m 和3 3 k ；r 1 1 为电流采样电阻，主 要用于仪表显示；r b 为保护电阻，防止输出短路，参数为2 7 k ，1 5 0 w 。 图2 1 3 高压倍压整流电路 主电路结构确定以后，根据技术要求要分别对功率元件、电感、电容等 重要器件进行选型和参数计算。 2 2 功率开关元件设计 2 2 1 功率开关元件选择 丌关电源中的功率开关元件主要是功率晶体管、功率m o s f e t 、功率 i g b t 。由于功率晶体管在开关过程中损耗高，而功率m o s f e t 、功率i g b t 随着制造工艺的不断改进，性能越来越好，因此，在应用领域功率m o s f e t 、 哈尔滨工程大学硕士学位论文 功率i g b t 占据着主流地位。 功率i o b t 是在功率m o s f e t 的漏极侧追加一层p + 得到的。众所周知， 功率m o s f e t 在o n 状态时成为单一的n 型半导体，漏极与源极间的电阻 与n 基极的厚度有关。随着该厚度的增加，m o s f e t 难以大容量化。i g b t 在加上p + 层的同时，n 基极厚度也减小了，从而减小了通态电阻。另外，通 过在栅极上施加大于阈值电压的正偏压，使p 型硅表面形成强反应层，相应 地也降低了沟道内阻。因此，i g b t 的饱和压降比m o s f e t 低。 i g b t 的n + 缓冲层比m o s f e t 加厚，并采用了杂质浓度最优化，有效地 抑制了注入到p 基极的过剩空穴，是积聚的载流子空穴寿命受限，以加快其 消失过程，从而提高了i o b t 的开关速度。i g b t 相当于一个m o s f e t 与一 个p n p n 四层的晶闸管相并联。 为了避免发生晶闸管的栓锁( l a t c h u p ) 现象，工艺上应尽量减小i o b t 的等效电阻值，并通过上述加厚+ 缓冲层和杂质浓度的最优化及载流子寿命 受限等措施使得p n p 晶体管的 。得到控制。可以把i g b t 看成是以双极晶 体管为主导组件，以m o s f e t 为驱动组件的达林顿结构器件。 在功率转换应用中，m o s f e t 的导通损耗与开关损耗之比约为3 ：1 ，相 比之下i g b t 的导通损耗与开关损耗之比约为1 ：4 0 。m o s f e t 较高的导通 损耗是由较高的通态电阻引起的，而i g b t 较高的开关损耗是由关断时的电 流拖尾产生的。有趣的是i o b t 的总损耗，接近或者小于它要取代的功率 m o s f e t 的总损耗。目前在国内，在开关频率满足要求的前提下，耐压高的 i o b t 比m o s f e t 更容易找到，因此，论文设计选用i o b t 作为功率开关元 件，开关频率定为1 0 k h z 。 2 2 2l g b t 特性m i g b t 的各项特性如下： ( 1 ) 静态特性 i g b t 的静态特性包括伏安特性、转移特性、通态特性及断态特性。如图 2 1 4 、图2 1 5 所示。 i g b t 的伏安特性是指以栅射电压k 。为参变量时，集电极电流和集射极 电压间的关系曲线。输出集电极电流t 受栅射电压圪。的控制，越高，厶 1 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 越大。 图2 1 4i g b t 的伏安特性 i g b t 的转移特性是指输出集电极电流t 与栅极控制之间的关系曲 线。当栅射极电压p 岛小于开启电压( 。) 时，i g b t 处于关断状态。在i g b t 导通后的大部分漏极电流范围内，与呈线性关系。最高栅射电压受最 大集电极电流限制，其最佳值一般取为1 5 v 左右。 ” ，e m 5 图2 1 5 转移特性与开关特性 i g b t 处于通态时，由于它的p n p 晶体管为宽基区晶体管，所以其卢值 极低。尽管等效电路为达林顿结构，但流过m o s f e t 的电流成为i g b t 总电 流的主要部分。 ( 2 ) 动态特性 i g b t 在开通过程中，大部分时间是作为m o s f e t 来运行的，只是在集 哈尔滨工程大学硕士学位论文 射电压琢，下降过程后期，p n p 晶体管由放大区至饱和区，又增加了一段延 缓时间，使集射极电压波形变为两段。因为m o s f e t 关断后，p n p 晶体管中 的存储电荷难以迅速消除，造成集电极电流较长的尾部时间。i g b t 的击穿电 压于通态压降和关断时间也是十分矛盾的参数。高压器件的n 基区必须有足 够的宽度和较高的电阻率，这会引起通态压降怎大和关断时间的延长。1 2 0 0 v 的器件不容易做到关断时间瓦， 1 s ( 3 ) 擎住效应 i o b t 为四层机构，使体内存在一个寄生晶闸管，在n p n 晶体管的基极 与发射极之间存在一个体区短路电阻r ，在此电阻上，p 型体区的横向空穴 流会产生一定压降，在规定的集电极电流范围内，这个正偏置电压不大，n p n 晶体管不会导通。当l 大到一定程度时，该正偏置电压足以使n p n 晶体管 开通，进而使n p n 和p n p 晶体管处于饱和状态。于是寄生晶闸管开通，栅 极失去控制作用，这就是所谓的擎住效应。i g b t 发生擎住效应后，集电极电 流增大，造成过高的功耗，导致器件损坏。 温度升高也会加重i g b t 发生擎住现象的危险。使i g b t 发生自锁的集 电极电流在常温( 2 5 ) 下一般是额定电流的6 倍以上，但温度升高后， 会严重下降。当温度由常温( 2 5 ) 上升到1 5 0 时，擎住电流下降了一半。主 要原因是i g b t 体内的n p n 和p n p 晶体管的放大系数都会随温度的上升而 增大，而体区电阻r 随温度升高而增大，也是自锁条件形成的一个因素。 ( 4 ) 安全工作区 i g b t 开通时的正偏置安全工作区( f b s o a ) ，由电流、电压和功耗三条编 辑极限包围而成。 最大集电极电流b 是根据避免动态擎住而确定的；最大集射极电压k 。 是由t g b t 中p n p 晶体管的击穿电压所确定；最大功耗择优最高允许结温所 决定。导通时间长、因而安全工作区变窄如下图所示。正像偏置安全工作区 ( f b s o a ) 是i g b t 在开通工作状态下的参数极限范围。f b s o a 有导通脉宽 p w = = l m s 时的最大集电极电流( 一般为额定直流的2 倍) 最大集射极间电 压k 。和最大功耗三条边界线包围而成。i g b t 的反向偏置安全工作区 ( r b s o a ) 如上图。它随i g b t 关断时的再加d 诈。d f 而改变，d k ，。d f 越高， r b s o a 越窄。反向偏置安全工作区是i g b t 在关断工作状态下的参数极限范 1 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 围。r b s o a 是由最大集电极电流k 、最大集射极间电压和电压上升率 dp 矗d f 三条极限边界线围成的。如前所述过高的d 吆。dr 会使i g b t 产生 动态擎住效应。dp & dr 越大，r b s o a 越小。 0 5 0 图2 1 6 正偏置安全工作区f b s o a 1 0 0 0 图2 1 7 反向偏置安全工作区r b s o a ( 5 ) 栅极特性 i g b t 的栅极通过一层氧化膜与射极实现电隔离。由于此氧化层很薄，其 击穿电压一般只能达2 0 v 到3 0 v ，因此栅极击穿是i g b t 失效的常见原因。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 在应用中，有时虽然保证了栅极驱动电压没有超过栅极最大额定电压，但栅 极连线的寄生电感和栅- 集极问的电容耦合，也会产生使氧化层损坏的振荡电 压。为此，通常采用绞线来传送驱动信号，以减小电感。在栅极连线中，串 联小阻值电阻或小磁环也可以抑制不希望的振荡电压。在栅射和栅集极间 存在着电容c g 。和c & ，在它的射极回路中存在着漏电感k ，由于这些分布 参数的影响，使得i g b t 的驱动波形与理想驱动波形产生了较大的变化，并 产生不利于i g b t 开通和关断的因素。栅极串联电阻以的大小必须根据实际 电路折衷考虑，选择合适的阻值。i g b t 的栅极串联电阻通常采用表2 1 所推 荐的值，如工作频率较低，可采用前一档电阻值较大的值。 图2 1 8 具有寄生晶闸管的i g b t 等效图 表2 1i g b t 推荐的栅极串联电阻值 额定电 6 0 0 v5 01 0 01 5 02 0 03 0 04 0 06 0 08 0 0 流a1 2 0 0 v2 55 07 5l o o1 5 02 0 03 0 04 0 0 忆q 5 12 51 51 2 8 2 5 13 32 2 2 2 3 高压回路l g b i 参数选择 从应用角度来说，对i g b t 最关心的参数是集电极- 发射极额定电压u 。、 集电极额定电流，。、栅极一发射极额定电压u 。、集电极一发射极饱和电压 哈尔滨工程大学硕士学位论文 u c e 、开通时间和关断时间。其中最主要的是集电极一发射极额定电压u 。和 集电极额定电流l ，这两个参数确定以后可以通过查找相关厂家技术资料， 选择其它参数合适的组件。 ( 1 ) 确定电压额定值u 。 由主回路电路图可知，各i g b t 承受的最大电压为整流桥的输出电压， i g b t 的输入端与电力电容相联，大的滤波电容起到了缓冲波动和减少干扰的 作用，因此，安全系数不必取得很大。本设计电网电压为2 2 0 v ，平波后的直 流电压由( 2 1 3 ) 确定，式中1 1 为波动系数，一般取安全系数a = 1 1 。 e a = 2 2 0 压1 1 c t = 3 7 7 v ( 2 1 3 ) 关断时的峰值电压按( 2 1 4 ) 计算。 u = ( 3 7 7 x 1 1 + 1 5 0 ) 值= 6 2 1 v ( 2 1 4 ) 式中，1 1 为过电压保护系数：旺为安全系数，般取l - 1 ；1 5 0 为由l d i d t 引起的尖峰电压。 对于普通的开关电源可以选择u 。= 6 0 0 v 的i g b t ，对于高压电源，为 了提高整体的可靠性，采取并向上靠拢i g b t 电压等级，取c ，c 。= 1 2 0 0 v 。 ( 2 ) 确定电流额定值l 此次设计的高压电源负载的最大功率为：只= 3 0 0 0 0 x 0 0 3 = 9 0 0 w 设电源的最低转换效率为o 7 ，交流输入电压为2 2 0 v ，电源的整流系数 为1 2 ，流过低压侧i g b t 的电流约为： i = 9 0 0 ( 0 7 x 2 2 0 1 2 1 = 4 9 a ( 2 - 1 5 ) i c = i x 压x 1 5 x 1 4 = 1 4 6 a ( 2 1 6 ) 式中，2 为，波动的最大值：1 5 为允许1 分钟过载容量：1 4 为t 减小 系数。因为i g b t 器件手册上给出的l 是在结温t = 2 5 c 条件下，在实际工作 时，由于热损耗，r 总要升高，实际允许值将下降( 1 1 4 7 0 ) 。 综合考虑各方面因素，根据i g b t 的等级，实取5 0 a ，即5 0 a 1 2 0 0 v 。 横向比较各厂家产品资料，综合各方砸信息，最后选定使用德国西门康 的i