（微电子学与固体电子学专业论文）高频感应水加热系统的研制.pdf

y3 6 8 5 7 5 摘要 本文介绍了一种新型的水加热方式：高频感应加热。这种方式使用了开关电 - _ _ _ _ - _ 一 源的原理，使用串联谐振变换器作为核心的变化电路，通过变换电路将直流电压 变为高频的交变电压，然后产生高频的电流对钢制的水管进行感应加热，进而加 热流经钢管的水。由于工作电压、电流的频率很高，因此，所使用的电气元件可 以做的比较小，使得整个系统的体积较小。同时，在电路结构上，它使用了多级 变压器进行电的隔离。由于电源不和水直接发生接触，因此，它比传统的电加热 方式电阻加热安全的多。同时。由于它是实时加热，因此并不需要蓄水箱。 - - - _ - _ - - - 一 体积很小。另外，由于使用感应加热，因此效率很高。 a b s t r a c t t h i s p a p e ri n t r o d u c e s an e ww a yt oh e a t w a t e r ：h i g hf r e q u e n c yi n d u c t i o n h e a t i n g i tu s e s as e r i e sr e s o n a n tc o n v e r t e rc i r c u i ta st h ec o r ec i r c u i t i tu s e st h e c o n v e r t e rc i r c u i tt o c h a n g ed cv o l t a g ei n t oh i 曲f r e q u e n c ya cv o l t a g e ，a n dt h e n c r e a t eh i g hf r e q u e n c yc u r r e n tt oh e a tt h ei r o n p i p e ，a n dt h e n h e a tt h ew a t e r p a s s i n gt h e i r o np i p e b e c a u s ei t s h i g hf r e q u e n c yw o r k i n gv o l t a g ea n dc 1 1 玎e n t ，t h ee l e c t r o n i c c o m p o n e n ti t u s e sc a nb ev e r ys m a l l ，a n dt h ew h o l es y s t e mc a nb ev e r ys m a l lt o o b e s i d e s ，a sf a ra st h ec i r c u i ts t r u c t u r ec o n s i d e r , i t su s e sm a n yt r a n s f e rt op e r f o r m e l e c t r o n i ci s o l a t i o n b e c a u s et h ew a t e rd o e s n tc o n t a c tw i t ht h ep o w e rd i r e c t l y , i t s m u c hm o r e s a f e t yt h a nt h et r a d i t i o n a lw a yo f h e a t i n g ：r e s i s t a n c eh e a t i n g a n db e c a u s e i t sar e a l t i m e s y s t e m ，i td o e s n tn e e daw a t e rt a n k i t se f f i c i e n c yi sv e r yh i g h b e c a u s ei t su s ei n d u c t i o n h e a t i n g ，t+tf童ef、 ，；，：， ；，r ：；、k譬举， 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 感应加热的发展状况 感应( 包括工频、中频、高频感应加热) 加热的基本原理电磁感应和电流流 过电阻会发热。在感应加热中，被感应的物体本身就是一个回路，当它的周围有 交变的电磁场时，就会在物体内部产生感应电流。由于一般被加热的物体本身的 电阻很小，因此产生的感应电流很大，这样感应加热具有高的功率密度( 单位加 热表面上的功率一般在0 1 2 k w c m 2 范围内) ，因而加热速度快，能在数秒至数 十秒的时间里将金属表面加热到8 0 01 4 0 0 ，因此，很早以前就在工业中获得 广泛应用。 近年来，随着科技的进步和人们生活水平的提高，感应加热也逐渐在日常生 活中获得应用，比如微波炉，感应电炉等等。与工业用感应加热相比，生活用的 感应加热的设备的功率要小的多，但是使用的电路的频率则更高由于频率高， 可以减小电感元件和电容元件的体积。因此整体的体积也更小，易于安装和使用。 随着人民生活水平的日益提高，热水器已经开始进入越来越多家庭。目前主 要应用的热水器有三种：电热水器和燃气热水器和太阳能。这三种热水器都有各 自的缺点：电热水器的功率太大，热效率低，加热时间慢，需要提前预热，还需 要一个蓄水箱，且容易发生漏电事故。燃气热水器很容易由于燃烧不完全而导致 一氧化碳中毒事故。太阳能热水器最安全，但是在最需要用热水的冬季则由于自 然条件的影响而达不到所需要的要求( 主要是水温不够) 。随着人们对热水器需 求的不断增大，急需一种高效、安全的热水器。考虑到三种热水器的优缺点，我 们决定研制一种电与太阳能相结合的热水器，这样，既能克服电热水器功率过大， 又能够克服太阳能热水器温度不够的缺点。 1 2 整体系统结构图及电路原理图 我们所研制的高频感应水加热系统属于感应加热的又一种形式，与其他的感 应加热相比，由于用途和被加热对象的不同，它在电路和结构上与一般的感应加 热系统都有很多的不同。一般的感应加热系统的功率是恒定的，同时，被加热的 对象一般都不与人体发生直接的接触，因此，控制电路和保护电路都比较简单。 。如。4 。i二。，挺凌巍撼蕊溢& 浙江大学硕士学位论文 而我们所加热的水主要是用来洗澡或者洗手用的，因此对于安全性要求比较高。 同时，对于水的温度要求能够随意控制，这就要求控制电路能够很方便的自动控 制电路的输出功率。 阀门一 用户 用户 图1 一i高频感应水加热系统整体框图 如图1 1 ，将太阳能热水器和电热水器结合起来，当太阳能热水器不能将 水加热到所需的温度时，温度检测器会将阀门一关闭，阀f q - - 打开，同时将电热 水器开启，将水加热到所需的温度。当太阳能热水器流出的水的温度达到所需的 要求时，阀门一开启，阀门二关闭，同时电热水器停止工作。由于太阳能热水器 出来的水已经有了一定的初始温度，因此电热水器的功率不需要很大，相对而言 有比较高的安全系数。如果电热水器采用比较新型的结构，则可以获得更高的安 全系数。 上面是整个系统的基本结构图，加上一个太阳能热水器主要是考虑到我国目 前的现状。一般的家庭用户的电表都是2 0 a ，所以功率最高只能到4 k w 。而在 冬天水温一般在0 左右，而洗澡用的水的温度一般在4 0 。用水量大约是 5 0 m l s ，也就是5 0 9 s ，水的比热是4 2 j g * c ，这样为了保证正常的使用，热水 器的输出至少要4 0 5 0 4 2 1 0 3 = 8 k w ，这样输电线路可能吃不消。如果事先 用太阳能热水器预热，则功率可以小很多。随着全国电网的改造，现在很多居民 图1 2 电路部分整体框图 浙江大学硕士学位论文 家的电表都已经改装成4 0 a 的了，这样的情况下，也可以把太阳能热水器去掉， 直接用电热水器。 对于上面的设计，主要有以下几个要求：市电、功率部分和输出应该是相互 隔离的，这样便能大大减少漏电事故的发生，有着较高的安全性。其次，控制部 分应该对控制信号很敏感。同时，控制信号可以是多样的，这样便能实现多种控 制如人工、温度、定时等等。 基于以上考虑，我们决定使用以下的电路：功率部分的核心是一个串联谐振 变换器，它需要两路互相倒相的方波作为输入信号，然后把直流电压变成高频的 交流电压，同时作为功率输出电路用，输出的功率则受输入的方波的频率控制。 发波的产生和频率则由控制电路来控制 _ 。一 图1 3 电路部分详细框图 整个系统的工作过程如下：通电后，波形产生电路产生两路同频、倒相并且 有一定的死区时间的方波，方波的频率由频率控制电路来决定。产生的两路方波 经过波形变换电路变化后达到所需的幅度和功率来控制功率电路。如果因为某些 偶然的原因导致功率电路的输出过大，功率电路将会输出一个反馈信号到过流保 护电路，过流保护电路随即产生一个信号将波形产生电路锁死，进而将整个电路 锁死。随后可以通过启动电路将将电路重起，这样可以避免因为突然的输出功率 ；巍瑟巍l 蠡蕊逡。 浙江大学硕士学位论文 增大而导致水温过高造成烫伤。同时由于各电路之间均用变压器隔离，同时功率 电路本身也是经过变压器变换后输出功率，因此整个系统的安全性比较好。 这个系统采用的是高频电流感应加热的方法，由于人耳可以听到的声波的频 率是在2 0 h z 2 0 k h z 之间，为了防止电路出现噪声，工作频率应在在2 0 k h z 以 上。同时为了防止电磁辐射干扰旁边的电器，其频率应该在5 0 k h z 一下。因此， 整个系统的工作频率应该在2 0 k h z 5 0 k h z 之间。具体的频率控制的方法将在控 制电路中描述。 下面是具体的硬件原理图 整个电路可以分为三个部分，控制电路，波形变换的电路和功率电路。其中 控制电路产生功率电路所需的两路倒相的方波以及控制方波的频率，另外还起着 过流保护以及重起的作用。波形变化电路则是把控制电路产生的方波进行变换， 以达到所需的幅度和功率。功率电路则产生高频的电压电流，加热水管，进而加 热水流。 图1 4 控制电路电路原理图 塑翌奎兰堡主兰竺堡壅 e 1 v c c 图1 5i g b t 管栅极驱动电路 图i 一6 功率电路 电路各个部分的详细功能将在后面对应的章节中介绍。 5 1 0 0 0 v i 扎，。0 0 v 浙江大学硕士学位论文 1 3 感应加热物理基础 1 3 i 电磁感应与涡流热 如有一闭合导电回路如图中的a b c d ，当通过这个回路所包围的面积内的磁 通量发生变化时( 如把a b c d 回路放置在恒定磁场中，然后快速滑动导线a b ) ， 回路中就有电流产生( 回路中的电流表有显示) ，这种现象叫电磁感应显现，回 路中的电流叫感应电流。根据闭合回路的欧姆定律，电路中有电流说明有电动势， 这种由电磁感应而产生的电动势叫感应电动势。 物理学家法拉第总结电磁感应实验规律，提出电磁感应定律：不论任何原因， 使通过回路所包围的面积的磁通量发生变化时，回路上产生的感应电动势，与磁 通量对时间的变化率的负值成正比： e ：一丝 比 “一”号表示感应电动势的方向。 物理学家楞次在法拉第之后，继续总结实验规律，提出楞次定律：闭合回路 中产生的感应电流有确定的方向，感应电流自己产生的并通过回路所包围面积的 磁通量，能和补偿引起感应电流的磁通量的增加或者减少。 根据以上电磁感应的基本规律，可先对感应加热原理作初步讨论。感应加热 基本模型示于图3 1 ，当给感应器通以交变电流时，则它产生一交变磁场，金 属棒置身于这个磁场的中心。若把金属棒看成多个同轴薄壁筒组合，每个薄壁筒 都是一个闭合导电回路。根据电磁感应原理，每个闭合导电回路都将产生一个小 的感应电流，多个小电流汇总成大的感应电流。感应电流遇到金属棒自身电阻而 发热，电流很大热效应很强，这个热使金属棒加热升温。这就是一切感应加热的 基本原理。 物理学对电磁感应现象给以如下极简单明了的解释：电场和磁场之间有特殊 的依存关系，即当磁场变化时产生电场，反之当电场变化时亦产生磁场，交变的 磁场必将产生交变的电场。置身于这种交变电磁场中的金属棒，其中的自由电子 受到电场力的作用，产生定向移动，因而形成电流，这就是前面提到的感应电流。 但这种电场与普通电场有一个很重要的区别，这种电场是涡旋电场，受此种电场 力作用产生的电流自己构成闭合回路，形如涡旋状，故称涡流。感应加热又称涡 流加热。 6 浙江大学硕士学位论文 6 图3 一i 真空感应加热基本模型 1 电流；2 电容器；3 真空室 4 坩埚：5 金属材料：卜感应器 为了对感应加热有进一步认识，下面不妨讨论比较一下感应加热与电阻加热 的区别，普通电阻加热是电源通过有形导线，直接和有很大电阻的发热体相连， 电源电流流过发热体时，由于发热体自身电阻作用而发热，发热体以这种热能对 外作功，即再来加热其他物体。而感应加热的被加热物体即其自身，它和电源没 有有形导线直接相连，而是借助电磁交换，在被加热物体体内产生电流，可以说 这是一种“无形”的连接。被加热物体所产生的热，即用来加热自身。当然两者 相同的地方都是电流流动遇电阻而发热。 当一个空气芯线圈两端加上频率为，的( 正弦) 交变电压时，将有交变电流 流过此线圈，于是在线圈的周围将有磁通链绕，且各处存在不同数值的磁场强度 于磁感应强度。线圈内部的磁感应强度b 与磁场强度h 存在如下关系 b = # h 式中_ 是导磁材料的磁导率，其值由下式决定 h2ur “0 式中广导磁材料的相对磁导率。 。真空磁导率，其值为4 1 0 7 h r n 由上式可以看出，当在空气( ，z 1 ) 芯线圈内部放入相对磁导率，1 jg ；。 女j 。蒜 # 毒辐，溺i 矗。 浙江大学硕士学位论文 的钢件时，内部的磁感应强度将大增。由于钢件处于交变磁场中，磁通量毋的变 化将在与毋正交的横截面内产生感应电动势e ，其值由下式决定 。：坐 西 式中庐钢件上感应电流所包围的面积上的总磁通，其数值随感应线圈中的 感应电流强度和钢件材料的磁导率的增大而增大，并于钢件与感应线 圈之间的间隙由很大的关系。 掣磁通变化率。曲越大、频率越高，磁通变化率越大，p 值越大。 “一，表明感应电动势p 的方向在任何时刻都与掣的变化方向相反。或者 说，钢件中的涡流方向在每一瞬间都与感应圈中的电流方向相反。 因为钢件自成回路，故在横截面内产生感应电流，此电流称为涡流( 或者 铲导= 者墨c 4 ， o 2 丁2 丽 傅科电流) ，并用厅表示，其值取决于感应电动势e 及涡流回路的阻抗z ， 式中e 感应电动势e 的有效值( v ) 。 r 涡流回路内的阻抗( q ) 。 凰涡流回路内的感抗( q ) 。 由于z 值很小，涡流，可以达到很高的数值，因而能在极短的时间内加热钢件到 很高的温度。被加热的钢件在时间r 秒内放出的热量q 由下式决定 o = ，；m ( j ) 应当指出，对铁磁材料来讲，除涡流产生热效应外，还有磁滞热效应，但这 部分热量比涡流产生的热量小的多，故在以后的讨论中我们将忽略此部分的热 量。 3 1 2 集肤效应与透入深度 一集肤效应取根圆形断面直导线，当给导体通以直流电流时，电流在 导体截面上是均匀分布的，若用“电流密度”这一概念表征时，电流密度6 等于 通过导体的电流，被导体截面积s 除之商，可以说在导体截面上电流密度处处相 等。在导体的不同截面上电流，不相等，所以在一根长导线的不同截面上电流密 浙江大学硕士学位论文 度并不相等，电流密度方向平行于导体的轴线。在导体通过电流时，在导体内部 及周围空间中将产生磁场，圆柱形导体时产生的磁力线是一系列同心圆，园的中 心位于导体轴线上，圆周上任何一点的磁场强度都与该园相切。 而当给一个圆形断面直导线通以交流电时，这时电流在导体截面上的分布将 不再是均匀的，导体表面上各点的电流密度最大，而在导体中心轴线上电流密度 最小，由外向内从最大连续变化到最小，这种现象叫做集肤效应。在感应加热中， 电源电流是交流电，感应电流也是交流电流，因此同样有集肤效应。 当给一个导体通以交流电时，实际上就意味着电源在导体中建立了电场，这 个电场的强度随导体不同截面而不同，而在同一个截面上却处处相同。当给导体 通以交变电流后，除了产生这个电场外，这个交变的电流还必然在导体内及其周 围空间产生交变磁场。根据电磁感应原理，交变电流所产生的交变磁场还将在导 体中产生交变电场及感应电流，并且这一电场及感应电流都与电源电场及电流方 向相反。若把导体看成由若干个无限小的细“电流线”所组成，全部电流线汇总 成该导体，全部电流线所通过的电流总和等于导体所通过的电流。这时我们发现， 在靠近导体轴线附近的电流线，仅交链着部分磁通( 导体里层部分未交链上) ， 根据电磁感应定律，交链磁通多感应电场强，交链磁通少感应电场弱，因而有感 应而产生的电场强度，必然是靠近导线轴线处大，而在外表面较小，从导体中心 最大向外连续变化到最小。 2 3 乙 ， ， 广。l 一i 。h 图3 2 导体中电场关系 1 一电源电场2 一感应电场3 一总电场 总结以上可以归结出，在这种情况下导体内同时有两种存在：一种是电源电 场，这一电场在导体截面上处处相等；另一种是电磁感应产生的交变电场，可称 为感应电场，感应电场在导体截面上分布是不均匀的，里大外小。这两种电场的 方向相反，它们的综合作用结果，决定导体内最终的场强分布关系，图3 2 给 9 i 。“”，。j d 囊女l 堍i 溢瓿媳蕊i 浙江大学硕士学位论文 出导体中两种电场的关系。两种电场的综合作用结果是：总电场方向是电源电场 的方向，而大小则外表电场强，中心电场弱，变化是连续的，从外表最强连续变 化到中心最弱。导体内的电流密度是受总场强作用决定的，所以电流密度也是外 表大，中心小。通电导体及其电流密度大小变化关系如图3 3 。 集肤效应和导体半径大小有关，和电流频率也有关。当材料相同时，导体越 粗，电流频率越高，则集肤效应越明显。这是因为感应电动势取决于磁通变化率 do d f 当频率越高时，感应电动势越强，所以当导体半径一定时，集肤效应就越 明显。又因为当电流频率一定时， 通过导体的磁通随导体的半径增 大而增强，而通过导体的磁通越 多，则导体内外层的感应电动势差 越大，所以集肤效应也就越明显。 2 透入深度当一个导体通以 交流电后，产生集肤效应，导体截 面上的电流密度从表面最大向中 心最小连续变化，在集肤效应十分 明显( 或因导体半径大，或因电流 频率占；= 8 0 e 一高) ，其变化规 律服从指数规律衰减，并可用下式 表示： t = 8 0 e = o 3 6 7 8 8 0 图3 3 集肤效应 占电流密度分布；h 磁场强度分布 式中 占。导体表面上的电流密度； x 从导体表面到内部某点的距离 e 自然对数之底： 占，导体内x 点的电流密度 a 系数： 1 0 浙江大学硕士学位论文 删加胨f a 当取x = l a 时，则上式化为： 我们称x = 1 a 时的x 叫做电流透入深度，并命名为。所以由上式解得为 - s o j 老 m ” 式中p 导体的电阻率，q c m ： 厂电流频率，h z ； ，导体的相对磁导率。 由式( 3 1 ) 可知，透入深度表示这样一种概念，即在电流分布不均匀的情 况下，则在透入深度的最里层处电流密度仅为表面电流密度的3 6 8 ，显然在透 入深度这一层中集中这电流的绝大部分，再往里层时，电流密度更小了，这种变 化关系表示在图3 4 中。 m # o 1 0 5 0 3 6 8 o 占 占0 0 图3 - 4 电漉透入深度 引入透入深度这一概念的意义在于可以简化计算。既然在交流电路中，电流 在导体中不是均匀分布，而是按指数规律分布，在做有关电工计算时，必将十分 麻烦，引入这一概念后，就可以作一定的假设，这种假设就是：在交流电路中导 体中流过的电流全部都集中在层中，并且层中的电流是均匀分布的，平均电 流密度鑫2 = o 7 1 6 。根据这种假设，计算导体电阻时，导体的截面积就不再 是s = ：r r o ，而是s - - - - 2 f i r 万，即用环形面积代替圆形面积。 i ，。+ ，。j强戴。i 鑫蕊氯；。赫j 蠡 浙江大学硕士学位论文 经过理论分析计算得知，在层最里边，电流密度为表面电流密度的3 6 8 ， 也就是说通过导体的电流，大部分集中在层中，通过层以外的部分是很少的。 又因为电流流经导体所产生的焦耳热与电流的平方成正比，因此功率密度由表面 向中心的衰减速度较电流衰减更为剧烈，在层的里边，功率已经降为表面的 1 3 6 ，即在中放出的能量为总功率的8 6 5 ，即大部分能量分散在层中， 所以若忽略其余部分，作近似计算时完全可以的。在做感应加热设计时，即取用 这一概念，进行相应的近似计算，其计算结果完全满足要求。根据理论计分析， 当导体半径大于7 时，上述这种假设相当符合实际，而实践中，虽然达不到这 一数值范围，但计算仍可满足工程要求。 3 1 3 邻近效应与园环效应 一邻近效应 当两根都通以交流电的导体互相靠近时，或将一根通电导线体移向另一个导 体时，在相互作用影响下，两根导体中的电流都要作重新分布，这种现象叫邻近 效应。这是感应加热中继集肤效应之后又一个重要效应。邻近效应指出：在两根 互相靠近的导体中，通以方向相同的交流电流时，则两根导体外侧的电流密度大 于内侧；而当两根导体中通以方向相反的电流时，则两根导体内侧的电流密度大 于外侧的电流密度。很显然，由于出现这一效应，又将引起新的变化，当邻近效 应十分明显时，导体中的电流都只从这一薄层中通过。 图3 - - 2 5 邻近效应 。，、； s ，蕊x 渤滔龋j 溢致 浙江大学硕士学位论文 若两根导体中在任何时刻都通以大小相等，方向相同的电流时，如图3 5 示， 每根导线各自产生自己的磁场。当两根导线互相靠近，两磁场将发生相互作用， 总的作用结果是两根导线之间的磁力线互相抵消，而导体外侧的磁场则得到加 强，总得磁力线将包围两根导体，并有一部分磁力线穿过导体外侧截面。采 用与集肤效应相同的分析方法，两根导体内侧的电流线将交链较多的磁通，外侧 交链较少，因而内侧感应电场强，外侧感应电场弱，电源电场和感应电场合成总 电场则时外侧电场强，内侧电场弱。导体电流最后分布有合成总电场决定；外侧 电流密度大，内侧电流密度小。若两根导体中在任何时刻都通以大小相等，方向 相反的电流时，如图3 - 5 ( a ) 所示，由于两根导线的自身磁场互相作用的结果， 导体之间的磁场加强，而导体外侧的磁场互相抵消而削弱，总的磁通不仅通过导 体之间的气隙，而且也穿过导体的内侧截面。这样导体外侧的电流线交链较多的 磁通，因此感应电场强，由电源电场和感应电场所合成的总电场是导体外侧弱， 内侧强。受合成总电场决定，导体内侧电流密度大，外侧电流密度小。 邻近效应和导体间的距离有关，距离越近邻近效应越明显。邻近效应与集肤 效应不同之处在于，集肤效应时导体中电流分布只受自身磁场的影响；而邻近效 应表明，电流的分布不仅受自身磁场影响，而且还受到邻近磁场的影响，导体中 的最终电流分布关系，是各种磁场的综合作用结果。 二园环效应 ( 6 ) 图3 6 圆环效应 1 3 浙江大学硕士学位论文 当给圆环形导体通以交流电时，则出现圆环内侧的电流密度高于外侧的现 象，这种现象叫圆环效应，又称线圈效应。 我们知道，一根直导线有电流通过时，所产生磁场的磁力线，是以导体为轴 一。 线为中心的同心圆，其分布是均匀的。此时若将直导线弯成圆环形，磁力线亦相 ，一h 一 应随之变化，磁力线在圆环内侧密集，而在外侧则疏散，这时有一部分磁力线强 穿过圆环内侧截面，其形状如图3 6 所示。采用与集肤效应相同的分析问题方 法，可以看到导体截面外侧的电流线交链较多的磁通，因此感应电场强，电源电 场与感应电场合成之总电场，则是内侧电场强，外侧电场弱，在此种总电场作用 下，导体内侧电流密度大，外侧电流密度小。受圆环效应影响，导体中电流密度 分布规律如图3 6 ( b ) 。 1 4 浙江大学硕士论文 第二章控制电路 控制电路主要由以下几个部分组成：方波产生电路、频率控制电路、过热保 护电路、重起电路和过流保护电路组成。下面分部分详细讨论。 2 1 方波产生电路 2 1 1p w m 开关电源集成电路3 5 2 4 简介 一1 5 2 4 2 5 2 4 3 5 2 4 简介 1 这个系列的特点有 完整的p w m 控制电路的功能； 频率的稳定度2 ； 有交变输出开关对，可以推挽输出或单端输出； 频率可调到l o o k h z 至3 5 0 k h z ； 有超温保护和过流保护； 总的静态电流l o m a ； 可为用户提供5 v 、5 0 m a 的直流温压输出； 2 1 5 2 4 3 5 2 4 的极限使用值和主要电性能 输入电压：4 0 v ： 外加基准电压：6 v ： 输出基准电流：5 0 m a ； 输出电流( 每个输出) ：l o o m a ； 振荡器充电电流( 6 脚或7 脚) ：5 m a ； 内部功耗：1 w ； 最高结温：j 封装1 5 0 ；n 封装1 2 5 。 二 外形、内部结构和工作特性 1 5 2 4 、2 5 2 4 、3 5 2 4 的外形、内部结构如图所示。它由基准电压源、振荡器、 误差放大器、输出级等组成，其功能简介如下： 1 i 。j 。；i 。! 遴鬣磊蕊；溢；蠡 浙江大学硕士论文 b 首 v r e fy se 图2 一ls g 3 5 2 4 管脚功能 1 基准电压调整器 基准电压调整器是输出为5 v ，5 0 m a ，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6 v 时可以 把1 5 、1 6 脚短接，这时5 v 电压调整器不起作用。 图2 2s g 3 5 2 4 内部框图 “。瓤“，。露斑虢女魏遴谶羹麓 补偿 闭锁控制 管e 管cb 管c 地 cn 电流限制检测一 电流限制检测+ 振荡器输出 同相输入反相输入 n l 2 9 4 5 加 浙江大学硕士论文 ( a )用其他+ 5 v 稳压器供电； ( b ) 用+ 5 v 电源供电 图2 - - 3 用+ 5 v 电源供电 2 振荡器 振荡器的振荡频率由外接阻容r r 和c r 决定，周期( 近似) 值t s = r ，c ， 一般r t 是1 8 k q 到l o o k q ；c ，是0 0 0 1uf 到0 1u ；在c ，两端可以得到一个从 0 6 v 到3 5 v 变化的锯齿波，振荡频率可达3 5 0 k h z ，可直接带外负载。振荡器在 输出锯齿波的同时还输出一组触发脉冲，其宽度取决于c ，的大小，实际宽度在 0 5 5us 。此脉冲在电路中有两个作用；一是控制死区时间。振荡器输出的触 发脉冲直接送到两输出级的或非门作为封闭脉冲，以保证两组三极管不可能同时 导通；输出死区时间t d 与c ，关系如下图所示。二是作为触发器的触发脉冲控制两 输出通道的开与关。触发器要求此触发脉冲的宽度不小于o 5 s 。因此当开关电 源工作频率高( c ，为小值) 时在3 脚接l o o p f 电容到地，以扩展输出脉冲的宽度。 由于输出脉冲的最大宽度受工作周期和死区时间的限制，3 脚到地的电容不能大 于i 0 0 0 p f 。 1 0 0 5 。 c 射： 1251 0 2 05 0 1 0 02 0 05 0 0 振荡周期( us ) 图2 4 振荡周期与r ，、c f 的关系 3 误差放大器 死 区 时 间 ( 婶) 0 c r ( uf ) 图2 - 5 死区时间与c 的关系 误差放大器是差动输入的放大器。它的增益标称值为8 0 d b ，其大小由反馈或 坤气一丁量1甲气 。rp气 浙江大学硕士论文 输出负载来决定，输出负载可以是纯电阻，也可以是电阻性元件和电容元件的组 合。该放大器共模输入电压范围在1 8 3 4 v 之间，需要将基准电压分压送至误 差放大器l 脚( 正电压输入) 或2 脚( 负电压输入) 。为使电源系统稳定，在9 脚对地之间接r c 网络，补偿系统的幅频，相频响应特性。本控制器无专门的 死区时间控制端，而是靠基准电压源分压至误差放大器的输出脚9 ，限制9 脚的 高电平数则控制了死区。为了不影响控制器的内部性能，可在9 脚与分压端之间 串联二极管，使9 脚电位低于分端电压时分压回路不起作用。 如果作为开环系统工作，在9 脚加控制电压即能工作。 目 一 j 捌 粤 1 0 11 0 21 0 3 1 0 4 1 0 51 0 61 0 7 r l 【q ) 5 0 豪4 0 二3 0 硝2 0 衄1 0 图2 - 6 放大器的增益与频率的关系图2 - - 7 第9 端电压与占空比的关系 4 电流限制器a 。 电流限制放大器a 输出与误差放大器的输出并联，控制脉冲的宽度。当+ 端与一端之间加2 0 0 m v 的限流检测电压时，输出占空比下降到2 5 左右：检测 电压再增加约5 ，输出占空比为0 ，所以必须小心地调定输入信号电压。一般 不要超过一0 7 v 到1 o v 的输入共模范围。 因该电路增益较低，控制脉宽时存在较大的延迟，电流开始限制值与实际工 作会有一定的差值。 5 闭锁控制端l o 利用外部电路控制1 0 脚电位，当1 0 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。 6 比较器 c ，的锯齿波电压与误差放大器的输出电压经过比较器比较，c r 电压高于误差 放大器的输出电压时，比较器输出高电平，或j b f - 输出低电平，输出的三极管截 1f - 。 浙江大学硕士论文 7 触发器和或非门 经过触发器触发，双稳态触发器两端分别交替输出高、低电平，以控制输出 级或非门输入端。 8 输出级 由两个中功率n p n 管构成，每管有抗饱和和过流电路，每组可输出l o o m a 。 组间是相互隔离的。 三i c 片的工作 直流电源v 。从1 5 脚引入分为两路：一路加到或非门；另一路送到基准电压 稳压器的输入端，产生稳定的+ 5 v 基准电压，+ 5 v 再送到内部( 和外部) 电路 的其他元件作为电源。振荡器7 号脚需外接电容c 。6 号脚需接外接电阻r r 。选 用不同的c r 即可调节振荡器的频率。振荡器的输出分为两路：一路以时钟脉 冲的形式送至双稳态触发器及两个或非门：另一路以锯齿波的形式送至比较器的 同相端。比较器的反相端连向误差放大器。误差放大器实际上是个差分放大器， 它有两个输入端：l 号脚为同相输入端；2 号脚为反相输入端，这两个输入端可 根据实际需要连接。例如，一端可连到开关电源输出电压v 。的取样电路上( 取 样信号电压约2 5 v ，另一端接到1 6 号脚的分压电路上( 应取得2 5 v 的电压) ， 误差放大器的输出与锯齿波电压在比较器中进行比较，从而在比较器的输出端出 现一个随误差放大器输出电压的高低而改变宽度的方波锯齿，再将此方波脉冲送 到或非门的一个输入端。或非门另两个输入端分别为触发器、振荡器锯齿波。最 后，在晶体管a 和b 上分别出现脉冲宽度随v 。变化而变化的脉冲波，但二者相 位相差1 8 0 0 。 鉴于上述工作特点，1 5 2 4 系列既可用于正激式，反激式，也可用于半桥式、 桥式、推挽式开关稳压电源中。 2 i 2 方波产生电路工作基本原理 浙江大学硕士论文 整体的电路原理图如图2 8 所示。 频率控制信号r 3 r 1 p 7 r 1 0 0 肿 2 0 k c 1 r 1 0 1 o 帅 2 0 k u 3 麟c tc l o s e 露 q g n dc o m p 巨 图2 8 方波产生电路 0 v 眵 , e 2 e 1 c 6 善r 6 r 1 3 过流保护 i 锁死信号 r l o o 和r 1 0 1 是分压电阻，作用是从s g 3 5 2 4 的1 6 脚的5 v 基准电压中取 出2 5 v 的电压输入到3 5 2 4 的第二脚来满足工作需要。c 6 和r 1 3 则起的是频率 补偿作用，1 0 脚连接的是从过流保护电路过来的信号，如果1 0 脚为高电平，则 会锁死3 5 2 4 ，使得3 5 2 4 停止工作，进而使整个电路停止工作。7 脚接的是振荡 电容，而6 脚输入的则是频率控制信号。整个电路正常工作的话，则会从e l 、 e 2 输出两路倒相的、互有死区的方波，方波的幅度为1 1 v ，频率则是厂4 瓦1 ， 其中r t 为6 脚的等效输出电阻，c t 为9 脚电容。同时会在7 脚输出一个与方波 频率相同的三角波。输出的方波和三角波的波形如下所示。 频率控制信号来自于频率控制电路，是一个电压信号。具体的控制方法在后 面讨论。 2 2 频率控制电路 2 2 1 基本工作原理 一 塑垩查兰堡主丝兰 频率控制电路主要由温度敏感电阻、运放l m 3 5 8 ，和s g 3 5 2 4 组成。具体 电路如下： t = o 图2 - 9 频率控制部分电路图 其中温度敏感电阻采集从功率电路那里采集温度信号，然后转换成电信号， 输入到运放。温度敏感电阻是负特性的，温度越高，阻值越低。当水温比较低时， r 3 3 的阻值比较高，这样t s 端的电压就会比较低，造成l m 3 5 86 脚输入比5 脚 低，使得l m 3 5 8 输出高电平。如果水温比较高，r 3 3 的阻值比较的，则t s 端的 电压也比较高，使的l m 2 5 86 脚的输入比5 脚高，l m 3 5 8 输出低电平。r 3 6 起着 控制的作用。它的阻值越大，5 脚的输入电压就越高，那么，使的运放输出反转 所需的6 脚的输入电压就比较高，相应的就是所需的r 3 3 的阻值比较低，对应的 水温就比较高。 浙江大学硕士论文 图2 1 0l m 3 5 8 输出曲线图 以上是对这个电路仿真的结果，兰线表示的是6 脚的输入电压，红线为 l m 3 5 8 的输出电压。由于6 脚的输入的电压决定了运放的输出，进而决定了整个 电路的输出和水的温度。由于运放的输出是一个突变信号而不是渐变的，这样会 导致水温的剧烈变化，因此在输出端加了一个电容e 1 ，这样处理后，运放的输 出会是一个渐变的过程，如图所示，这样可以保证水温的变化不会太剧烈。 2 2 2 输出方波频率的计算 3 5 2 4 输出的方波的频率由6 脚的等效输出电阻和7 脚的电容决定。频率控 制电路的等效电路图如2 一l l 所示。 一基本工作原理 恒流源式不对称斜波发生器电路原理图如图2 一1 1 所示。从图中可以看出， 该斜波发生器正常工作时应该外接电阻r t 和c t 。当该电路正常工作时，外接电 阻r t 上的压降为u r = v c c u b 。l u b c 2 = 3 6 v ，流经r t 的电路为i r 。由于晶体 管q 1 、q 2 、q 3 为恒流源，故i r 近似等于i c 。现将电容c t 充放电过程叙述如下： 1 充电过程 当接上电源时，恒流源以恒定电流i c 向c t 充电，u c ( 也是限幅比较器的输 入电压) 随时间增长而升高，构成斜波电压的上升沿。当u c 增至3 o v 时， 浙江大学硕士论文 d 5 e 1 斜波限幅比较器翻转，c a - 转为放电过程，斜波电压上升沿结束。3 o v 即为 斜波电压的峰值。 2 放电过程 当u c = 3 o v 时限幅比较器翻转，放电电路导通，电容c t 通过放电电路对地 放电。随着放电时间增长，u c 下降，构成斜波电压的下降沿，当u c 下降到 o v 时，限幅比较器又翻转，o v 则为斜波电压的谷值。 l m 3 58 输出 1 5 v o u r q i q 2 i v c c = r 3 1 ： ； 荆 章 方波 r 3 6 q 3 1 4 p 卜、 z 产生 7 电路 l l p 肇r 1 + p 7 ；占0 c 1 恒流源式斜波发生器 _ 0 图2 一l l 频率控制电路示意图 二斜波频率，的计算 由上面的分析可知，电容c t 的充电电流i c 与流过3 5 2 46 脚的电流i r 互为 电流镜。计算i r 的等效电路图如图2 1 2 所示。 i rr 3a r 3 1 - 0 图2 1 2 计算i 。的等效电路图 秘酗。；纛瓿j 曩热囊逡螽幽蕊 o u t 浙江大学硕士论文 由电路图列出电路方程，则有 r u 6 u 6 一u h 一而+ t 竺! 二望一旦生竺：! 二匕! r 3只r 3 l 解上面的两个方程，得到： 小即u 6 b + 半 将具体的数值代入，其中r 3 1 = 1 0 k ，r 3 = 3 0 k ，r ，= 1 0 k ，并取p 5 2 2 0 k p 。= 0 ，整理得： ”畿裂躺焉等=065+201 03 01 02 0 3 0 吣s “ + “ ， 3 6 o 一。百+ 3 6 一o 6 5 一o 5 5 圪。 3 0 = o 4 6 0 0 1 8 v o 。 同时，我们有i c = i r = c r d u d t 。设电容c r 由0 v 到3 o v 所需的充电时间 为，则有如下关系： 胁= 知m = 业半型肛 由上式可以求得 r 。= 面面3 丽历c r 此即为斜波的上升沿时间。 由于电容c t 、。、1 3z 一- ，所以其下降沿时间可以忽略 则斜波频率厂为( 电阻单位为k q ，c t 单位为uf ，则厂为k h z ) 厂= = 半 我们选用的外接电容c t 的值为4 7 0 0 p f 。 当l m 3 5 8 输出低电平时的圪。= o 9 v ，此时 f 。= ( o 4 6 一o 0 1 8 0 9 ) 1 0 4 7 0 0 1 0 一”= 3 1 8 ( g s l 瓮监 盟枷 等 浙江大学硕士论文 厂：土：3 1 4 k h z l c 当l m 3 5 8 输出低电平时的v o 。= 1 1 2 v ，此时 t c 2 而z 而蠢丽x 4 7 0 0 x 1 0 ”= 5 4 5 - ( j i t s 4 60 1 811 2l o ) ，= i“= ( ) ( o 一o ) 。 厂2 叫s 3 她 我们测得的实际结果约为低电平时3 2 i t s ，高电平时5 4 p s 与理论计算的结果 基本一致。 2 3 过流保护及过热保护、重起电路 2 3 1 过流保护电路 过流保护电路的电路原理图如下，这部分电路的核心器件是一片时基集成电 路5 5 6 。5 5 6 是由两块5 5 5 集成电路组成的。 至3 5 2 4 1 0 脚 r 6 图2 - - 1 3 过流保护电路电路原理图 2 3 2 过热保护及重新启动电路 过热保护及重新启动电路主要是防止用户将水温调地过高以及在过流保护 电路锁死电路后对电路进行重起，它的主要核心器件是l m 3 5 8 电路，并与过流保 浙江大学硕士论文 护电路配合构成整个保护及重新启动电路。 o 图2 1 4 过热保护及重起电路 2 3 3 时基集成电路5 5 5 的结构和工作原理 5 5 5 的原始产品是n e 5 5 5 ，后来竞相仿制的有l m 5 5 5 ，x r 一5 5 5 ，c a 5 5 5 ，5 0 5 5 5 等等，它们的等效电路、形式和内电阻值虽略有区别，但是基本结构并无根本差 别，并且按内部电路功能结构都可简化成下图所示的形式，下面是它的外部封装 图 d i st h v cift 放阀控复输触 v d d 电值制位出发 欺魍控复输桃v s s 电值制征茁发 d i st h v c 裒ft 图2 1 45 5 6 双时基电路的封装 5 5 5 的内部电路功能结构如图2 1 5 所示。从图中可以看出，三个5 k q 电 阻组成的分压器，使内部的两个比较器构成一个电平触发器，上触发电平为 2 3v ，下触发电平为j 1 v d d 。在5 脚控制端外接个参考电源v c ，可以改变上、 。级。西文，办。i 激篷鎏i 蘸亳建，蠡。 浙江大学硕士论文 t h6 v c5 t2 r 4 v c c f 图2 一1 55 5 5 时基集成电路内部结构框图 下触发电平值。比较器的输出分别接到与非门的输入端。由于两个与非门组成的 r s 触发器必须采用负极性信号触发，因此加到上一个比较器反相端6 脚的触发 信号，只有电压高于5 脚的电位时，r s 触发器才翻转：而加到下面一个比较器 1 同相端2 脚的触发信号，只有当电位低于其反向端的电位 时，r s 触发器才 j 发生翻转。通过对图2 一1 5 的分析，可得出5 5 5 各功能端的真值表，如表2 1 所示。 表2 15 5 5 集成电路引出端真值表 一tt hrf q 出 oo导通 ；吾 ll截止 知s 知 1保持保持 士 氟 1o导通 由表中可见，它具有控制、触发、电平检测比较以及放电和输出放大等功能。 浙江大学硕士论文 2 3 4 过流保护及过热保护、重起电路工作原理分析 过流保护电路的基本电路图如图2 一1 3 所示。5 5 6 包含两个独立的5 5 5 集 成电路，后面一个5 5 5 集成电路的t h 端和t 端接在一起，构成一个倒相器。而 它的输出9 脚则接到3 5 2 4 第l o 脚。如果它的输出为高电平，由则会将3 5 2 4 锁 死，使得3 5 2 4 的输出为零，进而锁死整个电路。第一个5 5 5 电路则接成一个r s 触发器的形式，它有两个输出端，d i s 为集电极或漏极开路形式输出，f 为图腾 柱或推挽输出，复位断一r 可用作高电平选通控制端。 过流保护的信号有两个来源，一个来自于功率电路部分的电流互感器。来 自互感器的c s l 、c s 2 经过桥堆整流后输入到5 5 5 的2 脚。6 脚输入的则是从重 起电路过来的信号。当电路开始工作后，正常工作状态下，6 脚的输入为高电平， 2 脚的输入为低电平。但由于6 脚的输入信号是运放l m 3 5 8 的输出，和2 脚的 输入相比有个延迟，这样在最开始的阶段6 脚的输入为低电平。对照5