（电力电子与电力传动专业论文）基于单片机的非互补式交流恒流电源设计.pdf

，10 搦璎 d e s i g no fc o n s t a n tc u r r e n ta c s o u r c eo fn o n c o m p l e m e n t a r y b a s e do ni i c r o c o n t r o l l e r a b s t r a c t a st h eg r e a td e v e l o p m e n to ft h es o c i e t y p r o d u c t i v i t ya n dt h ee n d l e s sa p p e a r a n c eo f t h ea d v a n c e de l e c t r o n i ct e c h n o l o g y , t h ed o m a i no ft h ea p p l i c a t i o no ft h ee l e c t r o n i c d e v i c e si sm o r ea n dm o r ew i d e l y t h u s ，h o wt op r o v i d es a f ea n ds t e a d ye l e c t r i c a ls o u r c e f o rt h e s ea d v a n c e de l e c t r o e q u i p m e n th a sb e c o m eap r o b l e mt ob es o l v e du r g e n t l y a m o n gt h et o t a l ，s t e a d yv o l t a g es o u r c e ，a sw e l la sc o n s t a n tc u r r e n ts o u r c e ，p l a y sak e y r o l ei ni n s t r u m e n t a t i o n ，e l e c t r o n i ce q u i p m e n ta n dn e wt e c h n o l o g y w h e r e a s ，m o r ea n d m o r ep e o p l eh a v et a k e nu pw i t ht h er e s e a r c ho fs t e a d yv o l t a g es o u r c ei nal o n gp e r i o do f t i m e ，m o r e o v e r , i ti sr e l a t i v el i m i t e dt os t u d ya n dd e s i g nc o n s t a n tc u r r e n ts o u r c ea sw e l l a sc o l l e c ti t sc o r r e l a t i v ei n f o r m a t i o n n e v e r t h e l e s s ，c o n s t a n tc u r r e n ts o u r c eh a sb e e n a p p l i e de x t e n s i v e l ya n da b u n d a n t l yi nm a n yd o m a i n s ，s u c ha sp e r f o r m a n c et e s t o f s e m i c o n d u c t o ra s s e m b l e ，p r o d u c t i o no fs t e a d ym a g n e t i cf i e l di nm o d e ml a r g e e q u i p m e n ta n dl i g h t a c c o m m o d a t i o no fl i g h t i n ge l e c t r i c a l a p p l i a n c e i n s u c h b a c k g r o u n d ，t h et e x t h a sd e s i g n e da n dd e v e l o p e dac o n s t a n tc u r r e n ts o u r c eo f c h o p p e d c o n t r o l l e da cv o l t a g er e g u l a t i o nc i r c u i t f i r s t l y , t h et e x th a si n t r o d u c e dt h ea p p l i c a t i o na n ds t a t u so fc o n s t a n tc u r r e n ts o u r c e ， b e s i d e si ta l s op r e s e n t st h ea i ma n ds i g n i f i c a n c e a f t e rt h a t ，d e s i g np r i n c i p l ea n d p r a c t i c es c h e m eo fh a r d w a r ea n ds o f t w a r ef o rc o n s t a n tc u r r e n ts o u r c eo fi n c o m p a t i b i l i t y a ch a v eb e e nr e c o m m e n d e di nd e t a i l s t h er e s u l to fe x p e r i m e n th a ss h o w nu st h a to u r p r o j e c tw i l l l e a dt oa c h i e v ew h a tw ew a n tb e c a u s eo fo u rt h e o r yr e s e a r c h ，p r i n c i p l e d e s i g na n dc o m p l e t ee n g i n et e s t i na d d i t i o nt ot h i s ，c o n s t a n tc u r r e n ts o u r c eh a sag o o d p r o s p e c tt od e v e l o p s t i l l ，w es h o u l df u r t h e ri m p r o v ea n dp e r f e c ti t sp l a na s w e l l o f t h e s e ，t h eh a r d w a r ep a r to fam o r ed e t a i l e dd i s c u s s i o no ft h ec h o p p e d c o n t r o l l e da c v o l t a g er e g u l a t i o nc i r c u i ts w i t c h i n gd e v i c es e l e c t i o n ，d e s i g np r i n c i p l ea n dc o n t r o lt h e o p t i m a lc h o i c e a tt h es a m et i m e ，w ed e s i g nt h ep r o g r a m so ft h ec o n t r o lc i r c u i t ，t h e c u r r e n td e t e c t i o nc i r c u i t ，m a l l m a c h i n ei n t e r f a c ea n ds oo n i nt h es o f t w a r es e g m e n t ，w e a l s oi n t r o d u c eas p e c i f i cp ic o n t r o l ，p w mw a v e f o r mg e n e r a t i o na n df a u l td i a g n o s i s ，a n d 英文摘要 o t h e rd e s i g nm e t h o d s f i n a l l y , t h es y s t e ml o s s ，a sw e l la sa n t i - j a m m i n ga n dp o w e r i n c r e a s eh a sd o n ef u r t h e ra n a l y s i sa n ds u m m a r y i n t h i sp a p e rt h ed e s i g no fn o n c o m p l e m e n t a r ye x c h a n g ec o n s t a n tc u r r e n ts o u r c e ， i t ss t r u c t u r ei ss i m p l e ，c o s t l o w , e f f i c i e n c yh i g h i na d d i t i o n ，t h es y s t e m sd y n a m i c r e s p o n s es p e e di s f a s t a f t e rt h et h e o r e t i c a lr e s e a r c h ，p r i n c i p l ed e s i g na n do v e r a l l d e b u g g i n g ，t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sh a v es h o w e dt h a tt h ew a yc o u l db ea no p t i o n ，b u t c e r t a i na s p e c t so ft h ed e s i g ns t i l ln e e df u r t h e rr e f i n e m e n ta n di m p r o v e m e n t k e yw o r d s ：c o n s t a n tc u r r e n t ；n o n c o m p l e m e n t a r y ；p ic o n t r o l ；p w m ； 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果， 撰写成硕士学位论文 一= = 基王堕丘扭数韭互奎 式銮逋：叵逋电婆递盐= = 。除论文中 已经注明引用的内容外，对论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。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开 发表或未公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：髻够 譬年；月秒日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连海事大学研究生学位论文提交、 版权使用管理办法 ，同意大连海事大学保留并向国家有关部门或机构送交学位 论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 榉雠娟最一) 不保密圈( 请在以上方框内打“ ) 论文作者虢，2 穆导师鞔一乒一7 日期知矿年多号归 1 1 恒流源简介 第1 章绪论 1 1 1 恒流源的定义 恒流源原则上是这样一种电源：它输出的电流是恒定不变的，与其负载是否变 化无关。然而，在实际应用设计当中，大多数恒流源都是用电子电路来实现的， 而且仅当外部负载功率在一定范围内变化时，彳信皂保证输出电流基本恒定。 1 1 2 恒流源的分类 按照所采用的调整元件不同，恒流源可分为电真空器件恒流源、晶体管器件恒 流源和集成器件恒流源；按照调整方式不同，恒流源可分为直接调整型恒流源和 间接调整型恒流源；其中，间接调整型恒流源根据调整元件的工作状态不同，又 可分为连续调整型恒流源、开关调整型恒流源和组合调整型恒流源；按照输出电 流的性质不同，可分为直流恒流源和交流恒流源。其中，交流恒流源是本次设计 的对象。 1 1 3 恒流源的应用 1 在计量中的应用 电流表的校验宜用恒流源。校验时，将待校的电流表与标准电流表串接于恒流 源电路中，调节恒流源的输出电流大小至被校表的满度值和零度值，检查各电流 表指示是否j 下确。在某些精密测量领域中，恒流源充当着不可替代的角色，如电 桥供电、电流电压法测电阻值等。 各种辉光放电电光源，如光谱仪中的氢灯、氖灯，旦被点燃，管内稀薄气体 迅速电离。由于离化过程的不稳定性并恒有增加的倾向，放电管中的电流将随时 上升，因此，在灯管上加以恒定电压时，它是不稳定的，其电流值可能增大到使 灯管损坏。为了稳定放电电流，从而稳定灯管的工作状态，最好采用恒流源供电。 各种标准灯( 如光强度标准灯等) 的冷态电阻接近于零，在使用时为防止电流 冲击，般通过调压器或限流电阻逐步加大f 也流至额定值，既不方便，又不安全： 特别是，使用这些标准灯时，必须控：剐通过灯丝的额定i 色流f i 变，否9 小丁丝内阻 第l 售绪沦 的变化将影响灯的发光稳定性。因此，采用恒流源供电更为合理。 2 在半导体器件性能侧试中的应用 半导体器件参数的测量常常用到恒流源。例如，测量晶体管的反向击穿电压时， 若预先将恒流源调至测试条件要求的电流值，则对不同击穿电压的晶体管无须调 整就可由电压表或图示仪表直接读出击穿电压的数值。不仅提高了测试效率，延 长了仪表的使用寿命，而且限制了反向电流，不致于损坏被测晶体管。 半导体器件参数的测量也必须采用恒流源。例如，用光电导衰退法测量材料的 少数载流子寿命，用半导体霍尔效应测量材料的电导率、迁移率和载流子浓度等； 因为半导体材料的电阻率对温度、光照极为敏感，若采用稳压电源，当电阻率改 变时，测试电流也会变化，从而影响被测材料的参数值。为了保持测试电流不变， 只有采用恒流源供电。 3 在传感器中的应用 目前，在科技和生产部门广泛应用的各类物性型敏感器件：如热敏、力敏、光 敏、磁敏、湿敏等传感器，常常采用恒流源供电。这不仅因为许多敏感器件是用 半导体材料制成的，还因为这样可以避免连接传感器的导线电阻和接触电阻的影 响。 4 在现代大型仪器中稳定磁场产生中的应用 在许多医疗诊断仪器中，常常用到恒流源。如c t 断层扫描仪和超导磁源成像 仪中的磁场均要求很稳定，否则会造成严重的测量误差，如果采用稳压电源，由 于电磁铁线圈工作时发热等原因使其阻值改变，因而供电电流变化，导致磁场不 稳定。如用恒流源供电就能克服上述缺点，因此，凡是要求磁场十分稳定的装置， 就必须采用恒流源供电。所以，在核物理实验装置中，如粒子加速器、质谱仪、p 谱仪以及云雾室，就必须采用恒流源供电。 众所周知在电子显微镜中焦距越小，放大倍数越大，为了提高放大倍数，就需 要使焦距缩短，而焦距与磁场强度有关。如果磁场不稳定，则磁场强度也不稳定， 从而使电子在焦点以外的磁场再次聚焦，甚至多次聚焦而多次聚焦会使成像质量 变坏。囚此，必须采用恒流源供咆。 丛f 单”f j 【l ，i 勺l l ! ，f ：补j = 交流一融流l 乜源i 笠i 5 在长延时热脱扣试验中的应明 恒流源在照明电器的调光、电加热设备的调温、热继电器、断路器、熔断器、 蓄电池性能的测定等中有广泛的应用。如断路器、热继电器、熔断器等低压电器 广泛的应用于输、配电网络；断路器一般都有过流、短路、过载保护功能，保护 功能的实现过程为：检测元件实时监测电压、电流，如果超过预设阀值，断路器 的脱扣器动作、触点分开、分断电流。长延时热脱扣试验是每一台低压电器出厂 检验和型式检验的必做项目，检验的目的是考核产品的热效应，电流与热量之问 是平方关系，为保证温升检验的准确性，测试f 弦电流必须稳定、精确。根据图 家标准g b l 4 0 4 8 2 9 4 要求，长延时热脱扣试验的电流误差不大于2 ，如果通过 变压器直接对断路器施加一个测试电压，在测试过程中，由于电网电压的波动、 载流回路中引线电阻变化、负载本身电阻变化，测试电流随之变动，将不能满足 国标要求，所以需要交流恒流源为其提供恒定的交流电流。同时，在现代机场助 航调光系统中也极为需要交流恒流源心。 1 1 4 恒流源的发展历程 恒流源的发展大致经历了三个阶段：电真空器件恒流源、晶体管器件恒流源和 集成电路恒流源。下面分别给予介绍： 1 电真空器件恒流源的诞生 世界上最早的恒流源，大约出现在2 0 世纪5 0 年代早期。当时采用的电真空器 件是镇流管，由于镇流管有稳定电流的功能，所以多用于交流电路，常被用来稳 定电子管的灯丝电流。电子管通常不能单独作为恒流器件，但可用它来构成各种 恒流电路，由于电子管是高压小电流器件，因此用简单的晶体管电路难于获得的 高压小电流恒流源，用电子管电路却容易实现，并且性能相当好。 2 晶体管器件恒流源的产生 进入6 0 年代，随着半导体技术的发展，设计和制造出各种类型性能优越的晶 体管器件恒流源，并在实际中获得了广泛的应用。晶体管器件恒流源电路可封装 在同一外壳内，成为一个具有恒流功能的独立器件，用它可构成直接调整型恒流 源。用品体管作调整元件的各种丌环和1 7 j 局c f l j 恒流源，在沟：多电予r 也路- i 得到了 第l 章纪沦 应用，但晶体管器件恒流源的电流稳定度般不会太高，而且最大输出电流也不 过几安培，它适用于那些对稳定度要求不太高的场合。 3 集成器件恒流源的出现 到了7 0 年代，半导体集成技术的发展，使得恒流源的研制进入了一个新的阶 段。长期以来采用分立元件组装的各种恒流源，现在可以集成在一块很小的硅片 上而仅需外接少量元件。集成器件恒流源不仅减小了体积和重量，简化了设计和 调试步骤，而且提高了稳定性和可靠性。在各种恒流源电路中，集成器件恒流源 的性能堪称最佳1 。 1 2 国内外发展现状与趋势 恒流源作为稳定电源的一个分支，在近五十年问得到巨大发展，构成恒流源的 核心器件己由早期的电真空结构的镇流管跨入到半导体集成电路阶段。恒流源涉 及的范围也由传统的稳定电磁场、校正电流表等，扩展至激光、超导、通信等领 域，展示了广阔的应用前景。 传统的恒流源的设计思路主要分为：用稳压源和电阻构成恒流源；用恒流器件 构成的恒流源；以及用负反馈放大器构成的恒流源。几种恒流源方式各有优势和 缺点，分别适于几种特定的应用坏境，同时，也为很多新颖的恒流电路的设计所 借鉴和依据。 进入2 l 世纪，随着信息技术一只千里的发展，恒流源也必将经历由模拟恒流 源向数字恒流源过渡的这一历程，特别是计算机技术的发展必将出现智能化技术。 目前，制作小电流、小功率、高稳定度的恒流源的技术已经成熟，而大电流、大 功率、高稳定度、多级可调的恒流源的研制尚处于探索阶段。因此，如何把数字 技术和智能化技术用于制作大电流、大功率、高稳定度的恒流源就将成为2 1 世纪 的新课题；同时，具有数字技术和智能化设计的恒流源也必将成为2 1 世纪恒流源 的发展方向与必然趋势。 1 3 课题的意义和目的 随着社会生产力的迅猛发展，先进f l 子技术的不断出现，电子敬备的应用领域 毖j ：啦片。 7 【f f ，jf l ：i f 、一l7 乏涡i b i 溺i l u 沈i 改； 变的越来越广泛，用电设备的种类也越来越多，凶此，如何为这些先进的刚电设 备提供安全可靠、稳定的电源成为急需解决的课题。其中，稳压源、恒流源在仪 器仪表、电子设备及高新技术产业中均占有重要地位，然而在长期以来人们更多 的致力于对稳压源的研究，相比而言，人们对恒流源的研究、设计以及相关资料 的查阅都相对有限。然而，在半导体器件的性能测试、科技和生产部门广泛应用 的各类物性型敏感器件：如热敏、力敏、光敏、磁敏、湿敏等传感器、现代大型 仪器中稳定磁场的产生、机场助航等领域都广泛而大量的使用恒流源。在此背景 下，研究恒流源有着很大的现实意义和理论意义，本课题将通过斩控式交流调压 电路来设计五级( 0 5 a 、1 a 、4 4 a 、5 6 a 、6 8 a ) 可调的非互补式交流恒流电源， 使其达到结构简单、成本低、效率高、数字化控制及显示，输出电流的质量高， 系统的动态响应速度快的最终目标。 1 4 本文所作的主要工作 1 对系统总体框架进行分析，根据系统所要实现的目标，设计非互补式交流 恒流源的硬件系统，以模块设计法为依掘进行系统各个部分的具体设计。 2 设计基于a v r 单片机的数字控制系统，发挥a v r 单片机处理功能强大、 运算速度快的特点，对系统电流进行实时检测和控制，实现系统的电流检测、故 障诊断、键盘输入、电流控制、状态显示等功能。 3 制作印刷电路板，使得硬件电路的设计更加清晰，同时使系统的抗干扰能 力进一步加强。 4 针对系统的总体框架和系统硬件设计的特点，设计相应的软件系统，更合 理地去完成系统电流稳定输出的目的。 5 对系统进行整机调试，反复实验，最终确定系统的各个参数，使得非互补 式交流恒流电源的实验结果尽可能的满足设计指标。 第2 章i 殳汁指枷：! j 总体力窠 第2 章设计指标与总体方案 2 1 设计指标 本次设计的非互补式交流恒流电源，主要技术指标如下： 1 输入交流电压：单相2 2 0 v a c 2 输入频率：5 0 h z 3 输出频率：5 0 h z 4 输出电流：0 5 a 、1 a 、4 4 a 、5 6 a 、6 8 a ( 五级可调) 5 ，负载最大电流：6 8 a 6 斩波频率：2 0 k h z 7 整机效率：r i 8 5 8 电流误差：2 9 2 1 2 作温度：一4 0 摄氏度+ 7 0 摄氏度 2 2 设计原理 非互补式交流恒流电源：设定电源的电流给定值后，电源启动，输入2 2 0 v ， 5 0 h z 的单相市电，当用电负载功率在低于i o k w 范围内变化，保证电源输出的电 流有效值大小基本恒定，且电源的电流给定值有五种档位：0 5 a 、1 a 、4 4 a 、5 6 a 、 6 8 a 可供选择。 非互补式交流恒流电源的硬件电路设计包括以下几部分：主电路、控制电路、 电流检测电路、驱动电路、人机接口( 显示电路、键盘输入) 、稳压电源。主电路 是由四个i g b t 和二极管构成，其中一对i g b t 为斩波开关，另一对是为考虑负载 电流而设计的续流开关，通过斩控式交流调压电路来实现对负载的供电。斩控式 交流调压电路：足以比电源频率高得多p w m 波厨期性地开通和关断主电路斩波器 件和续流器件i g b t ，把连续的正弦输入r 包厄“斩”成离散f l ；j , q 。段，通过变门：器变 压之后加于负载；其中，p w m 波足l = = i 单片机a t m a g e 8 l 的o c r i a 、o c r l b 口触 发的，p w m 波触发原理：当用电负载功率发生变化时，输出的电流也将随之发生 ， 些变化，此时，通过电流互感器t a l 4 2 0 0 4 和真有效值变换器a d 7 3 6 组成的电流 检测电路对输出电流进行有效值检测，把检测到的电流有效值输送到处理器a v r 单片机a t m a g e 8 l 的模数转换端1 ：3 ，此时根据反馈电流有效值与档位电流：o 5 a 、 1 a 、4 4 a 、5 6 a 、6 8 a 中预先设定的电流给定值进行差值比较，得出其差值大小， 再根据p l 控制，由a t m a g e 8 l 的o c r l a 、o c r l bv i 触发出不同占空比的p w m 波，从而使斩波开关和续流开关的丌通时f b j 署t j 关断时问发生变化，这样，输出电 压亦随之改变，最终来保证电源输出电流有效值基本恒定。 图2 。1 系统框图 f i g 2 1b l o c kd i a g r a mo fs y s t e m 从图2 1 中可以看出，非互补式交流恒流电源由九个功能模块组成，这些功能 模块随着外界键盘电流值的给定，构成一个闭环控制系统，去保证电源输出电流 有效值的恒定。 2 3 总体方案 在非互补式交流恒流电源的系统丌发中，所要进行的工作主要有下面五个步 骤： 1 可行性调研 可行性调研的列的，是分析完成这个项目的町能性。首先从理论上进行分析， 第2 苹改汁指标与总纠i 力。窠 探讨实现的可能性，所要求的客观条件是否具备，然后结合实际情况，确定是否 可行的问题。 2 系统原理的设计 在进行可行性调研后，下一步工作就是系统原理的设计，根据非互补式交流恒 流电源要实现的功能，参考国内外同类产品的性能，再依据电源设计指标，完成 系统的原理设计。 3 设计方案细化，确定软硬功能 将设计方案进行细化，明确那些部分用硬件来完成，那些功能由软件来实现。 由于硬件结构与软件结构会相互影响，因此，从简化电路结构、降低成本、减少 故障率等方面考虑，提倡软件能实现的功能尽可能由软件来实现；但也要考虑以 软件取代硬件的实质是以增加处理时间为代价的，因此系统的软硬件功能分配应 根据实际情况合理安排，统一考虑。 4 系统硬件设计 为使非互补式交流恒流电源的硬件设计尽可能合理，在电路设计中应注意以下 3 个问题： a 1 尽可能选择标准化、模块化的典型电路，提高设计的成功率和结构灵活性。 b ) 尽可能选用功能强、集成度高的电路或芯片。 c ) 在电路设计中，要充分考虑应用系统各部分的驱动能力，如果系统的驱动 能力不够，将导致系统工作不可靠甚至无法工作。 5 系统软件设计 在软件设计中，要注意以下几个4 个问题： a ) ，在根据软件功能要求，将系统软件分成若干各相对独立的部分。根据它们 在时间上的联系，设计出合理的软件总体结构，使流程更合理。 b ) 提高软件设计的总体效率，以简明、直观的方法对任务进行描述，在编写 软件之前，应绘制程序流程图。 c ) 要合理分配系统资源，包括r o m 、r a m 、中断源等。 d ) j j i i 强软件抗干扰设计，提高系统的可靠性。 土叫i 一1 1 片 【的舱址补式交流。b 嘣i l i 溉i 设计 3 1 系统硬件结构 第3 章硬件系统的设计 图3 1 系统结构 f i g 3 1s y s t e mc o n s t r u c t i o n 在整个硬件设计的过程中，始终坚持了以集成化代替分立、以数字代替模拟、 以电子器件代替机械器件的设计模式。 3 2 主电路 3 2 1 开关器件选择 目前，常用于开关电源当中的丌关管主要有m o s f e t ( m e t a lo x i d e s e m i c o n d u c t o rf i e l de f f e c tt r a n s i s t o r ) 和i g b t ( i n s u l a t e dg a t eb i p o l a rt r a n s i s t o r ) 两种5 。 3 2 1 1 功率m o s f e t 功率m o s f e t 与小功率m o s f e t 重要的区别在于其内部载流子的流动方向是 不一样的。其中，功率m o s f e t ( 通常为n 沟道) 的载流予( 自由电子) 沿导电 沟道由源极到漏极的运动是纵向的，而小功率m o s f e t 的载流子是横向从源极流 道漏极的。因此，功率m o s f e t 通常被命名为v m o s ( v e r t i c a lm o s ) 。其主要的 缔3j “lj _ f 睫什系统的设计 优点在于其属于压控型器件，并且只靠多子导电，不存在少子存储效应，因此丌 关频率很高，可以达到1 0 0 k h z 以上。但是它的电流容量较小，耐压较低，一般只 适用于功率不超过1 0 k w 的电力电子装置m 。 3 2 1 2i g b t 绝缘栅双极型晶体管i g b t 是一种新发展起来的复合型电力电子器件。它既有 单极型电压驱动器件功率m o s f e t 的优点，又结合了双极型器件电力晶体管( b j t ) 耐高压、电流大的特点。其丌关速度虽较功率m o s f e t 低，但远高于b j t 。另外 它还保持了低开关损耗、对温度不敏感等优点。i g b t 是电压控制器件，故控制电 路简单，稳定性好。因此，在中频中等容量的交流装置中得到广泛应用。i g b t 的 应用范围一般都在6 0 0 v 以上、电流为1 0 a 以上、频率为1 k h z 以上的区域，多用 在工业用电机、民用小容量电机、逆变器、大功率照明等产品上。根据封装的不 同，i g b t 大致分为两种类型：一种是模压树脂密封的三端单体封装型，从t o 3 p 到小型表面贴装都已形成系列；另一种是把i g b t 和f w d ( f l e ew h e e ld i o d e ) 成 对地( 2 或6 组) 封装起来的模块型，主要应用在工业上。 i g b t 中双极型p n p 晶体管的存在，虽然带来了电导调制效应的好处，但也引 入了少子存储效应，因而i g b t 的- 丌关速度低于功率m o s f e t ，一般在2 0 k h z 左 右| 7 1 。 3 2 1 3 电源开关管的选取 从上面介绍，再结合本电源的设计指标，丌关管所承受的电压为市电电压， a c 2 2 0 v 市电的峰值是3 l1 v ，允许市电电压升高1 0 ，这时峰值达3 4 2 v ，根据实 验经验，需要留有一定的余量，我们按2 v d 来选择丌关管，2 v d = 6 8 4 v ；同时，额 定电流为i m a x = 6 8 a ，为保证开关管的安全，也按照2 i m 。来选取，2 i m 。= 1 3 6 a 。因 此，综合以上因素与实际情况，本电源选择t o 3 p 封装的i g b t 作为主电路的功 率器件。型号为f g a 2 5 n 1 2 0 a n t d ，其最大工作电压为v = 1 2 0 0 v ，额定工作电流 为l = 5 0 a ，- 丌启电压v g e = 1 5 v ，最大耗散功率为3 1 2 w ，丌关频率为8 - 4 0 k h z m 。 本次设计所采用的主电路斩控式交流渊压f ! l 路，是以比电源频率高得多的 p w m 波剧期性地丁l ：通和关断主电路) 1 ：关和续流器件i g b t ，把连续的j f 弦输入i 巳 压“斩”成离散的片段加- j 二负载，使负找电流的保持基本恒定状态。 3 2 2 单相斩控式交流调压电路工作原理 主电路原理如图3 2 所示。电路中四个丌关s w ：。、s w c 2 、s 炸。、s r c 2 分别 为四个i g b t 。 图3 2 主电路图 f i g 3 2m a i nc i r c u i td i a g r a m 假设电路中各部分都是理想状态，刀：关s k 、s 眸：为斩波丌关，s 。、s 睇： 为考虑负载电流而设的续流丌关，斩波丌关和续流刀：关不允许同时丌通，通常二 者在开关时序上互补。定义输入交流市电的电压u ，的周期b 与开关周期砭之比为 电路工作载波比k c 。图3 3 所示为电路在稳态运行时的输出电压波形。 为分析方便，以下表述中用s w , - 代表斩波开关s w ：。、s ：中的其中一个， 用s 代表续流开关s 。、s ：中的一个，显然输出电压“d 为： 吣即比= 管嚣嚣 ， 式子中的e ( t ) 为丌关函数，函数由下式定义： f1 s w , 导通，s w f 关断 以f ) 5 jos k 灭断，s j 喜矗 ( 3 2 ) 第3 章蚀什系统的设计 负载上的电压： “， 口 蓐啦) d 薯。 口 z f 0 = e ( t ) - f 2 u ss i n a | ，s f ( v ) j z 图3 3l 乜乐输出波形 f i g3 3o u t p u tw a v e f o r mo fv o l t a g e e ( t ) 函数经傅罩叶级数展开，可得： 耻p + 吾喜半c o s c n o k t - - 或， ( 3 3 ) ( 3 4 ) p 2 等，2 等，幺2i r l t g 一= 刀矽 式中：p 为丌关器件在开关周期中的导通占空比，t 训为一个丌关周期中s 导通 时问。将式( 3 4 ) 带入式( 3 3 ) 可得： u o = p 厄s s i n e n s t + 昙笋警洲n u 坩刮“帕眦砧训 。5 式( 3 5 ) 表明，“。含有除基波以外的其他谐波，谐波频率在丌关频率及其整数倍 两侧处分布，丌关频率越高，谐波与基波距离越远，越容易滤波。 把输电压幅值与输入电压幅篮之比定义为渊j k 器l uj 暖增溘，即： 4 = 舞= p ( 3 6 ) 由此可见，调压器电压增益等于占空比p ，因此改变占空比就可以改变基波幅 值，达到调压的目的。根据式( 3 5 ) 可得负载电流： 式中： pr2vssin(w,t-#,)1 z l 昙喜割虫掣一虫删 i ， 7 r 鲁 n 【z ：z ：j l j j 州2 u ss i n ( w , t 一破) = = = = = = = = = = = = = = = 一十 , r2 + ( r o l ) ： ! 鍪尘争些堕j ! 虫鲢! ! ! 生羔二堡二丝j 一! 虫8 竺兰! ：兰! 二鱼二丝! l 鲁n l异2 + ( n 魄+ 鸭) ：l尺! + ( n q 一略) ：j 仍一一百r o s l + = t a n - i 学，簖 ：t a n t ! 里! 堡生 z ：扛赢丽，z ：= 扛面丽 可以看出，输出电流具有与输入电压相同的谐波含量。但由于负载电感在各次谐 波频率处呈现比基波大得多的阻抗，因此电流中的谐波幅值与电压谐波相比，衰 减快得多，开关频率越高，谐波幅值越低，电流越接近正弦波。 在理想工作状态下，调压器内无损耗。因此 可求得输入电流为： 甜，= u o + ( 3 8 ) t ：丝乞：e ( f ) u j ( 3 9 ) 将式( 3 4 ) 和( 3 7 ) 代入式( 3 9 ) ，并设载波比c ：丝，可得输入电流： 缈s 第3 章硬什系统i | ，j 改汁 o ：华s 峨) + 一p f - 2 u s 么万 委r s i n r d nh s i 壕c n + 1 ) 1 i ；，一屏】一皇s i r l i c n l h i ；r 一历8 + 3 1 。 丝矬皇堕，! ! 盘鱼生二! 垃二鱼二堡二篮】一s i r ( ( n + k ) c - 1 ) t o s t - 8 , , - 幺- 识, ： l 矿鲁急n k i 2 ：石 j 上式中： 小融南+ 麓叫 耻b 南+ 掣 必 夕+ = t a n 一 专s i n ( 讲+ 见) + 去( 旷) 专c 。s ( 小以) + 百1 ( 旷 肛t a n 。嚣 一吼) + 去( 旷纯 民= 争= 孚 一以) + i 1 ( 仍一织) ( 3 11 ) 其余参数定义见式( 3 7 ) 。 由式( 3 7 ) 和( 3 1 0 ) 可以看出载波比越高，谐波族距基波越远，滤波越容易， 滤波器体积越小。 调压电路输入功率因数为： p f ：土( 3 1 2 ) u s is 在载波比足够时，i s 中的谐波只需要很小的输入滤波即可滤除，即式( 3 1 0 ) 中奇v - - 右边第二项可以忽略，可以看出，在这种情况下，输入功率总足等于输i “ 丛j ：单j f 十j m 0 ”“ ：| 、- 弋交流恒i 流ll ! 溺i 改汁 功率因数，而与电压增益无关“。 3 2 3 非互补式交流调压电路 在交流调压电路的调试过程中，我们尝试使用了两种不同的控制：互补式控制 和非互补式控制。所谓的互补式控制就是在一个丌关周期中，斩波丌关和续流丌 关必须有一个而且只能有一个导通，其删想的控制时序如图3 4 ( a ) 所示。也就是说， 在运行中，既不允许二者同时导通造成电源短路，也不允许二者同时关断造成负 载电流开路，即所谓共态运行。这就要求斩波开关和续流丌关特性必须一致，开 关过程瞬时，且驱动信号动作准确”i 。 实际的全控型丌关器件的丌通和关断总需要一段时间，这必然造成换流过程中两 个开关同时导通，如图3 4 ( b ) 中所示的t 。，。为了避免这种现象，必须如图3 4 ( c ) 。 u s 0 了：亡蛊 u c c lt 。写2 丌 t o 口臼衄 乳：p 一。 寥0l 一血臼矗l l 。j 上_ l l 王l u l 曲 u ：l 1 2 1 2 i ? i1 _ 一， l c l o l n 0 u e c l o u 邙l o 1 ) ) 图3 4 互补控制时序 f i g 3 4s e q u e n c eo fc o mp i e m e n l a r yc o n t r o l c 所示的那样在控制信号中间设置死区间隔7 j f ，应等于器件关断过程中下降时j 列 t f 和存储时问，之和。 j 于存储时蚓；鱼 ! 路运行的结温变化有较大变化，凶此这种i 第3 章f 睫什系统的改i 控制方式即使设置死区时间也可能会产生斩波丌关和续流丌关同时导通或同时不 导通的情况，为此，还必须在主电路中设置相应缓冲电路来抑制同时导通的过电 流和同时关断期间因负载丌路造成的过电压 在交流调压电路的初期阶段，我们使用了互补控制方式，为了防止斩波丌关 和续流丌关的共态运行，我们设置了一定的死区时f n j ，并加上了缓冲电路，在负 载功率低于3 5 k w 以下时，系统运行情况还比较理想。但当系统的功率增大到 3 5 k w 以上时，负载电流丌路，即负载电流不能续流成为突出问题。出于负载电 流在斩波丌关和续流开关同时关断而无法续流，造成了过高的d i d t 电压，对i g b t 形成了极大的危害。因此我们考虑采用非互补控制方式。 对非互补控制而言，在电源电压材s 正半周，使s ：维持关断，而s 。和s 2 则维持导通控制信号，s ，被控制为斩波工作，输出电压波形受s 。控制，成为 图3 5 中u 。所示的离散波。 鼙， 瓜步 - v a 一“ - lf lf 1nn f lll n nr - f 1nn nn 几广_ = 1l! ii “ 二nr lni 1h扩 n u ui ju p。 图3 5 非且补控制时序 f i g 3 5s e q u e n c eo f n o n c o m p l e m e n t a r y c o n t r o l 在电源电压负半周，关断s 。，维持s 敝，和s 睇：导通控制信号，而百s w c ：被 控制为斩波工作，负载f 乜压则为离散化了的f 乜源 五负半周。在这币1 t 控制方式下， ； b 。 。徽。饿麝的。 o 摹 鼬 j 占j ：- 劓j l f l j ：补交渝h j 流l u 源i 殳i 一方面由于s 。斩波工作时，s ：功率电路反向偏置不会和s 。刷时导通，因 此不会出现电源短路。另一方面，在s 眸斩波工作时，s ：和s 始终保持导 通控制，而s ：斩波工作时，s 暇，和s ：也始终有导通控制信号，从而无论负 载电流是否改变方向，当斩波丌关关断时，负载电流都能维持导通，防止了因斩 波丌关和续流丌关同时关断造成的电流丌路，这就是非互补控制方式的控制思想。 在实际应用中，为了避免失真现象，时序控制加入了信号同步捕捉单元以保证控 制可靠、精确，控制电路结构图如图3 6 所示。 电流给定 电流反馈 负载 零比较 一 皇 信号同步 单 片 机 非 门 与 非 与 非 e x b 8 4 l e x b 8 4 1 e x b 8 4 1 e x b 8 4 1 图3 6 控制电路结构 f i g 3 6c o n s t r u c t i o no fc o n t r o lc i r c u i t 非互补控制的最大优点就是避免了斩波丌关和续流丌关的共态运行，从而避免 了因电源短路造成器件中过大的瞬态电流冲击，以及因负载电流丌路造成的器件 承受过电压。 在本电源中相应设置了五个不同电流给定值，这样就可以根据负载的工况的不 同来调整不同的电流给定值，从而实现电流得到五级可调。同时，斩波丌关频率 为2 0 k h z 。 黻黻眺一黻一黻 笫3 if 叫什系统的改i 3 3 控制电路 本系统控制电路部分主要包括单片机控制单元和系统信号同步控制单元两部 分。 3 。3 。1 单片机控制单元 单片机微型计算机( s i n g l e c h i pm i c r o c o m p u t e r ) ，简称单片机，因其主要用于控 制，所以又称微控制器( m c u ) 。它在一块芯片上集成了一台微型计算机必需的基 本功能部件，包括中央处理器( c p u ) 、只读寄存器( r o m ) 、输入输出u l ( i o 口) ，可 编程定时器计数器等。 单片机具有集成度高、功能强、结构合理、抗干扰性强和指令丰富的特点，它 的应用打破了传统的设计思想，原来很多用模拟电路、脉冲数字电路、逻辑部件 来实现的功能，现在都可通过软件来完成。从1 9 7 4 年美国仙章公司生产出第一块 单片机丌始，在短短几十年中，单片机发展迅速，由4 位、8 位二直到1 6 位单片 机，目前3 2 位的超大规模集成电路单片机( t 4 1 4 ) 也己面世，同时性能也不断提高。 目前单片杌已经成为工控领域、军事领域及r 常生活中最广泛使用的控制系统之 【1 2 1 0 高可靠性、功能强、高速度、低功耗和低价位，一直是衡量单片机性能的重要 指标，也是单片机占领市场、赖以生存的必要条件。