高压软开关充电电源硬件设计.doc

高压软开关充电电源硬件设计 高压软开关充电电源硬件设计摘要电源对于所有用电设备是必不可少的开关电源取消了传统电源采用的笨重的工频变压器使得电源的体积大大缩小电源中的电力电子器件工作在开关状态使整机效率很高由于它具有体积小重量轻和效率高的优点因而发展非常迅速应用范围日益扩大本文简要介绍了开关电源的基本结构工作原理以及其发展状况和技术的发展趋势并对开关电源的分类和优缺点进行了阐述本文还介绍了减小开关电源体积和开关损耗的技术软开关技术在前面知识的基础上本论文利用谐振开关技术设计了一台给高压脉冲电容充电的高压软开关电源在谐振开关技术中最适合给脉冲电容充电的电路是串联谐振开关电路输出近似为恒流源或称等台阶充电突出的优点是充电效率高且电路本身具有短路保护能力整个装置利用DSP实现电路的控制PWM信号形成及电路的保护由于采用了全数字的控制充电的稳定度很高装置的开关频率是20kHz属于高频因此使得每次开关所充的电量较小这大大提高了充电的精度关键词 开关电源软开关充电 High-pressured Soft Switch Charge Power Source Hardware DesignAbstractThe power supply is essential to all equipment which uses electricity The switching power supply has cancelled the conversion depressor that traditional power sources adopt causing the volume of the power source to reduce greatly In power supply electronic device works in soft switch condition so the entire efficiency to be very high Because the volume is small the weight is light and the efficiency high thus it develops extremely rapidly the application of the soft switching power supply expands day by dayThis article briefly introduced the switching power supply basic structure the principle of work as well as its development condition and the technical development tendency In addition started from opposite directions folio turns off the power source the classification and the virtues and defects has carried in detail This article also introduced a new technical soft switch technology which the switching power supply volume and the switch loss can be avoidedIn front knowledge foundation present paper use resonance-switch technical design one too for high-pressured pulse electric capacity charge high-pressure soft switching power supply The pulse electric capacity charge in the resonant switch technology the electric circuit is the series resonance switch in circuits Outputs is approximate for the permanent current source or calls the stair charge The prominent merit is the charge efficiency is high also has inherently short-circuits the protection ability Entire realizes the electric circuit control the PWM signal using DSP forms and the electric circuit protectionBecause it has used entire digital control the charge stability is very high The installment turn-on frequency is 20 kHz belonging to high frequency therefore each time the switch flushes the electric quantity is small and this increased the charge precision greatlyKeywordsSwitching power supply Soft switch Charge不要删除行尾的分节符此行不会被打印目录摘要IAbstractII第1章 绪论111 开关电源的发展状况112开关电源的技术发展趋势313本论文的研究目的4第2章 开关电源原理521 开关电源基本工作原理522 开关电源的分类623 关电源优缺点7com 开关电源的优点7com 开关电源的缺点824 软开关技术简介9com 硬开关与软开关9com 软开关的分类1025 本章小结12第3章 高压软开关充电电源硬件设计1331 主电路设计13com 主要技术指标13com 主电路选型13com 电路的工作原理及方式13com 主电路的各项参数1932 控制及触发电路的设计22com 电压电流检测22com IGBT的驱动22com DSP的选择24com PWM波的形成2733 电路的理想波形2834 本章小结29结论30致谢31参考文献32附录 外文翻译33千万不要删除行尾的分节符此行不会被打印在目录上点右键更新域然后更新整个目录打印前不要忘记上面Abstract这一行后加一空行绪论开关电源的发展状况开关电源属于电力电子技术他运用功率变换器进行电能变换经过变换电能他可以满足各种用电要求开关电源是美国NASA用于宇宙火箭搭载电源目的而开发的与线性电源相比开关电源具有体积小重量轻效率高的特点被广泛用于电视机计算机自动控制装置产业机械通信装置等各个领域特别是随着半导体技术的进步和信息产业的发展开关电源的需求量不断扩大随着现代半导体技术的发展尤其是高性能的全控器件的产生开关电源迎来了一个生机勃勃的春天 1 发展史1955年美国的科学家罗耶首先研制成功了利用磁芯的饱和来进行自激振荡的晶体管直流变换器此后 利用这一技术的各种形式的晶体管直流变换器不断地研制和涌现出来 从而取代了早期采用的旋转式或机械振子式的寿命短可靠性差转换效率低的换流设备由于变换器中的功率开关管工作在开关状态 所以由此而制成的开关电源输出的组数多极性可变效率高体积小重量轻 在当时被广泛地应用于航天及军事电子设备上由于那时的微电子技术十分落后 不能制作出耐压高速度快功率大的晶体管 所以这个时期的直流变换器只能采用低电压输入 并且转换的速度也不能太高60年代末 由于微电子技术的快速发展 高反压的晶体管出现了 从此以后直流变换器就可以直接由市电经整流滤波后输入 不再需要有降压变压器了 从而极大地扩大了开关电源的应用范围 并在此基础上诞生了无工频降压变压器开关电源 省掉了工频降压变压器 使开关电源的体积和重量大为减小开关稳压电源才真正做到效率高体积小重量轻70年代以后 与该技术有关的高频高反压的大功率晶体管场效应管高频电容肖特基二极管高频磁芯材料等元器件也不断地被研制和生产出来 使这一技术得到了飞速的发展 并且被广泛地应用于计算机通信航天彩色电视等领域中 从而使无工频变压器开关电源成为各种电源中的佼佼者12 目前正在克服的困难 随着半导体技术和微电子技术的高速发展 集成度高功能强的大规模集成电路的不断出现 使得电子设备的体积在不断地缩小 重量在不断地减轻所以从事这方面的研究和生产的人们对电源中的开关变压器还感到不是十分理想 他们正致力于研制出效率更高体积和重量更小的开关变压器或通过别的途径来取代它 使之能满足电子仪器和设备微小型化的要求这就是从事开关电源研究的科技人员目前正在克服的第一个困难开关电源的效率是与开关管的变换速度成正比的 并且由于采用了开关变压器以后才能使之由一组输入得到极性大小各不相同的多组输出要进一步提高其效率 就必须提高其工作频率但是当频率提高以后 对整个电路中的元器件又有了新的要求例如 高频电容开关管开关变压器储能电感快速整流二极管等都会出现新的问题进一步研制出适应高频工作的有关电路元器件是从事开关电源研制的科技人员要解决的第二个问题线性电源中的功率调整管具有稳压和电子滤波的双重作用 因而串联线性电源不产生开关干扰 且输出波纹电压小但是开关电源中的开关管是工作在开关状态 所以就会产生尖峰干扰和谐振干扰这些干扰就会污染市电电网 影响邻近的电子仪器和设备的正常工作随着开关电源电路和抑制干扰措施的不断增加和完善 它的这一缺点得到了进一步的克服 可以达到不妨碍一般电子仪器和设备正常工作的程度但在一些精密电子仪器中 由于这一缺点 却使开关电源不能得到应用所以克服这一缺点 进一步提高开关电源的使用范围是从事开关电源研制人员要解决的第三个问题目前 在开关电源方面急需解决的最后一个问题 是开关管的二次击穿问题要解决这一问题 首先要将其产生的原因分析清楚 而目前人们对此还没有完全掌握 还只能从热点的角度进行解释 所以这方面还需人们去做大量的研究和探索工作3国内发展概况 我国的晶体管直流变换器及开关电源研制工作开始于60年代初 到60年代中进入了实用阶段 70年代初开始研制无工频降压变压器开关电源1974年研制成功了工作频率为10 kHz输出电压为5V 的无工频降压变压器开关电源近10多年来 我国的许多研究所工厂和高等院校已研制和生产出了多种型号的工作频率为20 kHz 左右 输出功率在1000W以下的无工频降压变压器开关电源 并应用于计算机通信电视等方面 取得了较好的效果工作频率为100 200kHz 的高频开关电源于80年代初就已开始试制 90年代初试制成功目前正在走向实用和再进一步提高工作频率阶段许多年来 虽然我国在这方面投入了大量的人力和物力 做出了巨大的努力 并取得了可喜的成就 但是 目前我国的开关电源技术与世界上先进的国家相比仍有较大的差距此外 近几年来我国虽然把无工频变压器开关电源的工作频率从数十kHz 提高到数百kHz把输出功率由数十W 提高到数百W 甚至数千W 但是 由于我国半导体技术与工艺跟不上时代的发展 导致我们自己生产出的无工频变压器开关电源中的开关管大部分采用的仍是进口的晶体管所以我国的开关电源事业要发展 要赶超世界先进水平 最根本和最关键的问题是如何提高和改进我国的半导体器件技术和制作工艺212开关电源的技术发展趋势1小型化 由于电源小型花的关键是高频化因此国外目前都在致力于同步开发新型元器件特别是改善二次整流的损耗变压器电容器小型化同时采用SMT技术在电路板两面布置元器件以确保开关电源的轻小薄2高效率 开关电源高频化使传统的PWM开关硬开关功耗加大效率降低噪声也提高了达不到高频高效的预期效益因此实现零电压导通零电压关断的软开关技术将成为开关电源产品未来的主流采用软开关技术可使效率达到8588VICOR开关电源公司设计制造了多种ECZ软开关DCDC变换器其最大输出功率有800W600W300W621017Wcm8090Nemic-Lambda公司日前推出一种采用软开关技术的高频开关电源模块RM系列开关频率为200300kHz27Wcm用同步整流器即用MOSFER代替肖特基二极管是整个电路效率提高到903高可靠 开关电源使用的元器件比连续工作电源多数十倍因此降低了可靠性追求寿命的延长要从设计方面着手而不是从使用方面着想美国一公司通过降低节温减少器件的电应力降低运行电流等措施使其DCDC开关电源系列产品的可靠性大大提高产品的MTBF高达100万时以上4模块化 可以用模块电源组成分布式电源系统可以设计成N1冗余电源系统从而提高可靠性可以做成插入式实现热交换从而在运行中出现鼓掌时能高速更换模块插件多台模块并联可实现大功率电源系统此外还可以在电源系统建成后根据发展需要不断扩充容量5低噪声 开关电源的又一缺点是噪声大单纯追求高频化噪声也随之增大采用部分谐振转换回路技术在原理上既可以高频化又可以低噪声但谐振转换技术也有其难点如果很难准确的控制开关频率谐振时增大了器件负荷场效应管的寄生电容易引起短路损耗元件热应力转向开关管等问题难以解决日本把变压器设计成一二次分离阻燃密封自身具备对付噪声功能的共模无噪声隔离变压器既节省了噪声滤波器又减少了噪声6抗电磁干扰EMI 当开关电源在高频下工作时其噪声通过电源线产生对其他电子设备的干扰世界各国已经有了抗EMI的规范或标准7电源系统的管理和控制 应用微处理器或微机集中控制与管理可以及时反映开关电源环境的各种变化中央处理单元实现智能控制可自动诊断故障减少维护工作量确保正常运行8计算机辅助设计CAD 利用计算机对开关电源进行CAD设计和模拟试验十分有效是最为快速经济的设计方法9产品更新加快 目前的开关电源产品要求输入电压通用适用世界各国电网电压规范出电压规范扩大如计算机和工作站需要增加33V这一电压输入端功率因数进一步提高并具有安全过压保护等方面的功能313本论文的研究目的本论文是结合当前开关电源的发展趋势以及今后将从事电源设计与制造工作的需要而完成的通过完成本论文作者希望完成以下目的1在系统学习开关电源原理的基础上自己独立设计一台充电电源了解开关电源的主要设计过程及其相关方法2在整个过程中不断学习消化掌握各种类型开关电源的主要特点和性能重点掌握减小开关损耗的方法软开关技术3在设计过程中掌握开关电源的整体系统结构主电路触发电路检测电路输入输出电路保护电路和整体的控制电路4通过对开关电源的理论学习和实践经验了解电源的应用前景和发展趋势从而明确自己今后努力的方向争取在电源的设计和制造等工作中加以应用开关电源原理开关电源基本工作原理开关K 以一定的频率重复的接通或断开在开关K 接通时输入电源通过开关K 和滤波电路向负载提供能量当开关K断开时输入电源便中断了能量的供给开关电源的示意图如图2-1所示为了使负载能够得到连续的能量开关电源就必须有一套储能装置以便在开关K 接通时将一部分能量储存起来当开关K 断开后再将储存的能量提供给负载图2-1中的电感L电容C和二级管D 组成的电路就具有这样的功能当开关K 接通时电感L 用以储存能量开关K 断开时储存在电感L中的能量通过二级管D 释放给负载从而使负载得到连续而又稳定的能量当电子开关K按一定的频率开关时导通时间越长输出电压越高导通时间越短输出电压越低通常开关电源就是这样在开关频率一定的情况下通过调整开关时间的长短控制输出电压的高低目前也有的开关电源采用开关时间长短恒定通过改变开关频率来改变输出电压的高低图2-1 开关电源示意图开关电源的形式有很多种其中尤其以脉冲宽度调制型PWM最为盛行现在就以此种形式的开关电源介绍以下开关电源的工作原理采用PWM技术的开关电源原理机构如图2-2所示从电网将能量传递给负载的回路称为主回路其余称为控制回路工频电网交流电压经过输入整流滤波电路得到高波纹未调直流电压在经功率转换电路变换成符合要求的矩形波脉动电压最后经过整流滤波电路将其平滑成连续的低波纹直流电压图2-2 PWM方式开关电源框图 控制回路在提供高压开关T管基极驱动脉冲的同时需要完成输出电压稳压的控制而且还必须能对电源或负载提供保护它通常由检测比较放大电路电压-脉冲宽度转换电路VW电路时钟震荡电路以及自用电压源等基本电路构成对于PWM方式而言将频率固定的震荡源称为时钟震荡器这种电源利用检测电路反映输出电压值通过和给定参考电压比较并产生误差信号在经过VW电路调制脉冲宽度调节输出电压例如由于某种原因负载电流减小或电网电压上升使高频变压器副边输出电压的平均值增大电源输出电压也将随之提高反馈检测电路将提高了输出电压和基准电压进行比较并产生负积极性的误差电压VW电路根据该误差电压及时减小输出脉宽这样使输出电压平均值减小接近原来的数值从而实现稳压的作用开关电源的分类在电子技术和应用飞速发展的今天 对电子仪器和设备的要求是 在性能上更加安全可靠 在功能上不断增加 在使用上自动化程度要越来越高 在体积上日趋小型化这使采用具有众多优点的开关电源就显得更加重要所以 开关电源在计算机通信航天彩电等方面都得到了越来越广泛的应用 发挥了巨大的作用 这大大促进了开关电源的发展 从事这方面研究和生产的人员也在不断地增加 开关电源的品种和类型也越来越多常见的开关电源的分类方法有下列几种1按激励方式划分 分为他激式和自激式他激式开关电源电路中专设激励信号振荡器自激式开关功率管兼作振荡管该形式的开关电源电路结构简单 元器件少 可以做成低成本的开关电源2按调制方式划分 分为脉宽调制型频率调整型和混合调整型脉宽调制型保持振荡频率保持不变 通过调节脉冲宽度来改变输出电压的大小频率调整型保持占空比保持不变 脉冲宽度保持不变 通过改变振荡频率来改变输出电压大小混合调整型是脉冲宽度和振荡频率均可进行调节的开关电源3按开关管电流的工作方式划分 分开关型和谐振型开关型用开关晶体管把直流变成高频标准方波 其电路形式类似于他激式谐振型用开关晶体管与LC谐振回路将直流变成标准正弦波 其电路形式类似于自激式开关电源4按开关晶体管的类型划分 分为晶体管型和可控硅型晶体管型采用晶体管 包括场效应管 作为开关功率管可控硅型采用可控硅作为开关功率管这种电路的特点是直接输入交流电压 不需要一次整流部分5按储能电感与负载的连接方式划分 分串联型和并联型串联型储能电感串联在输入与输出电压之间并联型储能电感并联在输入与输出电压之间6按晶体管的连接方法划分 分为单端式推挽式半桥式和全桥式单端式仅使用一个晶体管作为电路中的开关管这种电路的特点是价格低电路结构简单 但输出功率不能提高推挽式使用两个功率开关管 将其连接成推挽功率放大器的形式这种电路的特点是可以工作在电源电压较低的场合 一般逆变器多采用这种形式的电路 但它的缺点是开关变压器的初级必须具有中心抽头半桥式使用两个功率开关管 将其连接成半桥形式它的特点是适应于输入电压较高的场合全桥式使用四个功率开关管将其连接成全桥的形式它的特点是输出功率较大7按电路结构划分 分为散件式和集成电路式散件式整个开关电源电路都是采用分立式元器件组成的这种电路的缺点是电路结构较为复杂集成电路式整个开关电源电路或电路的一部分是由集成电路组成的这种集成电路通常被称为厚膜电路有的厚膜集成电路中包括功率开关管 有的则不包括这种形式的电源的特点是电路结构简单调试方便可靠性高这种电路被广泛地应用于彩色电视中以上五花八门的开关电源品种都是站在不同的角度 以开关电源不同的特点命名和划分的不论是激励方法输出直流电压的调节手段储能电感的连接方法功率开关管的器件种类以及串并联结构 还是其他的电路形式它们最后总可以归结为串联型和并联型开关电源这两大类4开关电源优缺点 开关电源的优点1功耗小效率高 开关电源结构原理方框图中的晶体管在激励信号的驱动下其工作状态处于导通截止和截止导通的开关状态转换速度很快 频率一般为50kHz左右在一些技术先进的国家 可以做到几百或者上千kHz晶体管V饱和导通时虽然电流较大但管压降很小截止断开时 虽然管压降很大但通过的电流几乎为零这就使得开关晶体管V 在其整个工作过程中的功耗很小电源的效率可以大幅度地提高2体积小重量轻 没有了笨重的工频降压变压器由于调整管上的耗散功率大幅度地降低 因而省去了体积和重量都较大的散热片由于这两方面的原因 故开关电源的体积小重量轻3稳压范围宽 开关电源的输出电压是通过激励信号的占空比来调节的 输入电压的波动变化 可以通过改变占空比的方式来进行补偿 这样在输入电压变化或波动较大时 它仍能保证有较稳定的输出电压所以 开关电源的稳压范围很宽 稳压效果较好此外改变占空比的方法有脉宽调制型频率调制型和混合调制型三种这样开关电源不仅具有稳压范围宽的优点 而且实现稳压的方法也较多较灵活设计人员可以根据实际应用的需要和要求 灵活选用各种形式的稳压方法4滤波效率高不需要较大容量的滤波电容 开关电源的工作频率目前基本上是工作在50kHz 左右 是线性电源的1000倍 这使整流后的滤波效率几乎也提高了1000倍就是采用半波整流后加电容滤波 效率也提高了500倍在相同波纹输出电压的要求下采用开关电源时 滤波电容的容量只是线性电源中滤波电容容量的150011000滤波电容容量减小以后 整个电源的体积和重量也相应地有所减小5电路形式灵活多样 例如有自激式和他激式有调宽型和调频型 有单端式和双端式 有开关元件为晶体管式和开关元件为可控硅式等等设计者可以发挥各种类型电路的特长 设计出能满足各种不同应用场合的开关电源 开关电源的缺点开关电源最为突出的缺点就是开关干扰较为严重开关电源中的开关功率管是工作在开关状态下 它产生的交流电压和电流会通过电路中的其他元器件产生尖峰干扰和谐振干扰 这些干扰如果不采取一定的措施进行抑制消除屏蔽和隔离就会严重地影响整机的正常工作此外 由于开关电源中没有了工频降压变压器的隔离 振荡器所产生的高频干扰如果不加以消除 就会串入工频电网 使附近的其他电子仪器设备和家用电器受到严重的干扰目前由于国内微电子技术阻容器件生产技术以及磁性材料技术与一些技术先进的国家还有一定的差距 因此开关电源的造价不能进一步降低 也影响到可靠性的进一步提高所以 在我国的电子仪器以及机电一体化仪器中 开关电源还不能得到普及使用特别是无工频变压器开关电源中的高压电容高反压大功率开关管开关变压器的磁性材料等元件我国还处于研究和开发阶段一些先进的国家虽然有了一定的发展但是在实际应用中还存在一些问题 不能令人十分满意这就暴露出了开关电源的又一个缺点 那就是电路结构复杂故障率高维修麻烦成本高对此 如果设计者和制造者不予以充分重视则会直接影响开关稳压电源的推广应用软开关技术简介 硬开关与软开关现代电力电子装置的发展趋势是小型化轻量化同时对装置的效率和电磁兼容性也提出了更高的要求通常滤波电感电容和变压器在装置的体积和重量中占很大比例因此必须设法降低他们的体积和重量才能达到装置的小型化轻量化从电路的有关知识中可以知道提高工作频率可以减少变压器各绕组间的匝数并减小铁心的体积从而使变压器小型化因此装置小型化轻量化的直接途径就是电路的高频化但在提高开关频率的同时开关损耗也会随之增加电路效率严重下降电磁干扰也增大了所以简单的提高开关频率是不行的a硬开关的开通过程b硬开关的关断过程图 2-3 硬开关的开关过程针对这些问题出现了软开关技术他利用以谐振为住的辅助换流手段解决了电路中的开关损耗和开关噪声问题使开关频率可以大幅度提高在很多电路中开关元件在电压很高或电流很大的条件下在门极的控制下开通或关断起典型的开关过程如图2-3所示开关过程中电压电流均不为零出现了重叠因此导致了开关损耗而且电压和电流的变化很快波形出现了明显的过冲这导致了开关噪声的产生具有这样的开关过程的开关称为硬开关在硬开关过程中会产生较大的开关损耗和开关噪声开关损耗随着频率的增加使电路效率下降阻碍了开关频率的提高开关噪声给电路带来严重的电磁干扰问题影响周边电子设备的工作通过在原来的开关电路中增加很小的电感电容等谐振元件构成辅助换流网络在开关过程中引入谐振过程开关开通前电压降为零或关断前电流降为零就可以消除开关过程中电压电流的重叠降低他们的变化率从而大大减小甚至消除损耗和开关噪声这样的电路称为软开关电路软开关电路中典型的开关过程如图2-4所示具有这样开关过程的开关称为软开关开关损耗理论上为零5a软开关的开通过程 b软开关的关断过程图2-4软开关的开关过程 软开关的分类 根据电路中主要开关元件是零电压开通还是零电流关断可以将软开关电路零电压电路和零电流电路两大类通常一种开关电路要么属于零电压电路要么属于零电流电路但在有些情况下电路中有多个开关有些开关工作在零电压的条件下而另一些开关工作在零电流的条件下 根据软开关技术的发展历程可以将软开关电路分成准谐振电路零开关PWM电路和零转换PWM电路下面分别介绍上述三类软开关电路1准谐振电路这是最早出现的软开关电路其中有些现在还在大量使用准谐振电路可分为 1 零电压开关准谐振电路 2 零电流开关准谐振电路 3 零电压开关多谐振电路 4 用于逆变器的谐振直流环电路2零开关PWM电路这类电路中引入了辅助开关来控制谐振的开始时刻使谐振仅发生与开关过程前后零开关PWM电路可以分为1零电压开关PWM电路2 零电流开关PWM电路和准谐振电路相比这类电路有很多明显的优势电压和电流基本上是方波只是上升沿和下降沿较缓开关承受的电压明显降低电路可以采用开关频率固定的PWM控制方式5这两种电路的基本开关单元如图2-5 a 零电压开关PWM基本开关单元 b 零电流开关PWM基本单元图2-5 零开关PWM电路的基本开关单元 3零转换PWM电路这类软开关电路还是采用辅助开关控制谐振时刻的开始时刻所不同的是谐振电路是与主开关并联的因此输入电压和负载电流对电路谐振过程的影响很小电路在很宽的输入电压输入范围内并从零负载到满载都能工作在软开关状态而且电路中无功功率的交换被削减到最小使这种电路的效率进一步提高零转换电路可分为 1 零电压转换PWM电路 2 零电流转换PWM电路基本开关单元如图2-6 a ZVT PWM开关单元 b ZCT PWM 开关单元图2-6 零转换PWM电路的基本开关单元本章小结本章简要介绍了开关电源的工作原理并从多方面阐述了开关电源的详细分类讨论了开关电源在应用中的优点和不足本章还简要介绍了软开关技术以及软开关和传统的硬开关之间的不同指出软开关是实现开关电源高频化小型化和轻量化的理想途径高压软开关充电电源硬件设计主电路设计 主要技术指标1输入电压220V交流输出充电电压024002负载电容容量3133uF3输出电流2安培直流电源容量5kW4开关频率20kHz谐振频率40kHz5电流检测与电压检测6用DSP实现PWM控制 主电路选型在谐振开关技术中最适合脉冲电容充电的电路是串联谐振开关电路输出近似为恒流源或称等台阶充电突出的优点是充电效率高且具有固有短路保护能力6其主电路如图3-1所示由于电源功率大采用全桥型电路高频变压器的副边也采用二极管整流桥进行整流图3-1 电容充电电源主电路示意图图中为串联谐振电感 含变压器漏感和线路分布电感 为串联谐振电容其工作原理和具体参数将在下面给出电路的工作原理及方式直流电压由市电经过整流得到经过逆变电路逆变为频率很高的方波交流电此高频方波交流电在经高频变压器生压后由二极管整流桥整流输出稳定的直流电流向电容C进行充电设为IGBT的开关频率为谐振频率串联谐振变换器按大小有3种工作方式1方式一 2 电流断续工作此方式下开关损耗低且干扰小可实现开通时电流缓慢增加关断时为零电流关断2方式二 2 电流连续工作可实现零电流关断但开通时同一桥臂上的两个开关管存在强迫换流故开关损耗较大干扰大3方式三 电流连续工作零电压开通和硬关断开关损耗和干扰较大因线路存在电感断时产生的电压尖峰较高极易损坏开关器件7现在以图3-2的电路来分析一下串联负载DCDC变换器的这三种运行方式a串联负载DCDC变换电路b等效电路图3-2 串联负载DCDC变换电路及等效电路由图可知电感和电容形成串联谐振并与负载串联经过谐振的电流在负载端被全波整流输出端的滤波电容C足够大可以认为电容C两端电压是没有波纹的直流电压为了简化分析假定谐振电路中的电阻损耗可以忽略不计输出电压可以反射到整流桥的输入端以表示如果为正为负若开关T导通电流为正时流经T反之流经二极管D-与此类似为负时若开关T-导通电流流经T反之流经二极管D因此对图3-2a来说可有如下四种状态1当 0时T导通 D-导通 2当 0时T-导通 D导通 谐振槽上的电压取决于电流的方向以及哪个开关器件导通上述方程所描述的状态可以用图3-2b所示等效电路来表示应该注意使用这个等效电路时应按不同的时间间隔来计算在每种时间间隔内要确定其出使条件并把和看作一个直流电压在稳态对称运行时两个开关器件的工作状态是相同的与此相似两个二极管的工作状态也是相同的因此只要对半个运行周期进行分析即可知道整个周期的状态因为另外半个周期的运行状态与此对称此串联谐振电路的开关频率由电路中的开关器件来控制它可以比谐振频率低也可以比谐振频率高根据和的不同比值电流有连续和不连续之分起运行状态可分为下面的三种情况com1 断续导通 2 应用谐振方程可计算出电流和电压的稳态波形如图3-3所示在时刻开关T开通电感电流从零开始建立电容电压的初始值为电流和电压在各区间的等效电路示于图3-3中在时刻滞后180电感电流开始反向因为开关T-尚未开通电流只能流经二极管D向电源回馈能量在之后的180度内峰值电流较小当达到零之后如果电路中开关器件未开通电流一直为零由于电路中电流电压是对称运行的在断续期间电容电压等于2相对于为负值因为以电流成为断续状态在时刻开关T-开通下半周开始工作其电流电压波形前相同但极性相反电路的开关频率可从T两次开通为一个周期来计算由图可知开关频率小于谐振频率的一半也就是说一个开关周期内谐振电流已震荡两次另外还有两段停止工作时间开关频率的半个周期超过了谐振电流的360所以 2被整流的电感电流等于输出直流电流负载电压为图3-3 电流断续运行com2 连续导通 2 图3-4为2 时谐振电流连续运行状态的波形图图3-4 电流连续运行由图可知开关T在处开通开通条件不是零电流和零电压条件开关T导通时间小于180在处反向电流流经二极管D于是开关T自然关断在处T开通电流从二极管D转向开关T-与断续运行相比因为开关T-提前开通所以D导通时间也小于180度这种状态运行开关不是在零电压和零电流条件下开通所以产生了开通损耗此外为了避免对开关有过大的反向峰值电流和过大的二极管损耗二极管必须有良好的反向恢复特性例如在处开关T-开通时原来导通的二极管D不能立即关断于是通过D的反向电流会给正在开通的T-开关增加了电流负担因为电感电流经过开关过零而且经续流二极管反向所以开关是在零电流零电压条件下自然关断的com3 连续导通 这种运行状态与以前讨论的连续导通状态有所不同当2 时电流是连续的其开关自然关断但开通并非零电流条件当 时电流也是连续的开关的关断是强迫关断开通具有零电流和零电压条件图 3-5 电流连续 图3-5示出了 时的电路波形由图可知T开关在零电流条件下与处开通且开始反向在处震荡电流未达到零之前开关T被强迫关断正向电流被迫经二极管D-流通此时加在谐振槽的电压为较大的负电压所以流经二极管D-的电流很快在处减小为零此后电流反向当二极管D-开始反向导通时开关T-立即开通开关T-关断之后二极管D导通开关T和二极管D-的导通时间为开关频率的半个周期此半个周期小于谐振频率的半个周期三种方式中方式一在绝缘栅双极晶体管 IGBT 开通和关断时损耗都最小被选作恒流充电电源的工作方式其工作时谐振电流波形见图3-6 忽略图放电保护电路的影响设为电容电压折算至变压器原边的电压则理想情况 输入电压恒定变压器及半导体器件为理想器件 下在期间在期间充电电流平均值 3-1由上式可见在谐振参数和输入电压一定时充电电流与开关频率成正比开关频率恒定则充电电流恒定充电电流与负载电压无关因而具有较强的抗负载短路能力8图3-6 谐振电感电流波形主电路的各项参数com1谐振参数充电电路的系统结构见图3-7图3-7 系统结构图图中R1R2D1为放电保护电路为串联谐振电感 含变压器漏感和线路分布电感 Cr为串联谐振电容因负载电容的影响可忽略不计故有式中n为变压器变比为谐振频率为谐振周期为开关频率为开关周期9现已确定开关频率 20kHz由220V交流电通过二极管直接得到其值为311V由于电路将工作在方式一下即 2所以谐振频率要要略大于40kHz即 40Hz取高频变压器变比n 15变压器原边电压为311V方波电压供电其基波有效值198V取264HC取06F这样有 411Hz 663输出电流按式3-1计算 199 A充电电流基本符合要求com2 输入整流如图3-8为了使电路给逆变器提供一个稳定的电压输入整流段需进行变压器隔离和滤波且在电流输入端设置一熔断器为电源提供保护防止电流过大而损害设备图3-8 输入整流电路com3 输出整流 由于功率大输出整流采用桥式整流电路但由于输出电压较高将超过单个二极管所承受的最高反向电压为安全起见下图3-9中的每个二极管将由三个二极管串联起来一起使用并选用快恢复二极管图3-9 输出整流电路com4逆变参数在主电路中IGBT选择富士电机公司的2MBI175N-120电流控制电路如图3-10其具体参数和电路见表3-1图3-10 IGBT电流控制电路表3-1 IGBT具体参数项目符号额定值单位集电极电压1200V门极电压V集电极电流连续75A1ms脉冲150A连续-75A1ms-脉冲150A最大能量消耗600W工作温度150存储温度- 40到125绝缘电压交流25001分钟V调节扭矩装备135接线端135控制及触发电路的设计 电压电流检测如图3-7所示电路的控制及触发信号的产生均由DSP芯片产生电路的控制很简单在DSP检测到充电电容的电压达到要求值后关断IGBT的驱动信号即可其检测信号由霍尔电压传感器来完成霍尔电压传感器把检测到的电压信号经过AD转换器输入到DSP内DSP把进来的电压信号与设定的信号进行比较当电压信号大于设定值时发出控制信号关断PWM波输出图3-11 霍尔传感器端子说明IN输入电压正IN 输入电压负正电源-负电源M输出端公共地霍尔传感器的输出端M接AD转换器把数字信号转换为电压信号输入给DSP10输出电流也采用霍尔电流传感器采集信号为DSP提供控制信号和保护信号 IGBT的驱动IGBT的驱动信号充分利用了DSP的功能DSP产生PWM驱动信号但此PWM信号的驱动能力较差不能直接驱动IGBTDSP的驱动信号需经放大信号放大在进行驱动在此选富士电机公司EXB840841是高速型最大40kHz 运行其内部电路框图如图所示它为直插式结构额定参数和运行条件可参考其使用手册EXB系列驱动器的各引脚功能如下脚1连接用于反向偏置电源的滤波电容器脚2电源 0V 脚3驱动输出 脚用于连接外部电容器以防止过流保护电路误动作大多数场合不需要该电容器 脚5过流保护输出 脚6集电极电压监视 脚78 不接 脚9电源 脚1011不接 脚415驱动信号输入由于本系列驱动器采用具有高隔离电压的光耦合器作为信号隔离因此能用于交流380V的动力设备上IGBT 通常只能承受10s的短路电流所以必须有快速保护电路EXB系列驱动器内设有电流保护电路根据驱动信号与集电极之间的关系检测过电流其检测电路如图a所示当集电极电压 高时虽然加入信号也认为存在过电流但是如果发生过电流驱动器的低速切断电路就慢速关断IGBT从而保证1GBT不被损坏如果以正常速度切断过电流集电极产生的电压尖脉冲足以破坏IGBT关断时的集电极波形如图 b 所示IGBT在开关过程中需要一个15V电压以获得低开启电压还需要一个5V关栅电压以防止关断时的误动作这两种电压15V和5V均可由20供电的驱动器内部电路产生如图C 所示DSP品种繁多数不胜数仅是大的DSP生产厂家就有TI公司LucentTTADMotorola等公司其中TI公司被公认为DSP领域的技术领导者和开拓者本课题决定采用TI公司专为数字电机控制而设计的TMS320F240芯片它采用CMOS集成电路技术与所有的TMS320F2xx系列一样F240芯片具有高性能运算能力的16位定点DSP内核和高效的指令集通过把一个高性能的DSP内核和微处理器的片内外围设备集成为一个芯片的方案F240成为传统的徽处理器和昂贵的多片设计的一种廉价的替代品每秒2k万条指令的处理速度使F240 DSP控制器可以远远超过传统的16位微控制器和微处理器的性能F240器件的16位定点DSP内核为模拟系统的设计者提供了一个不牺牲系统精度和性能的数字解决方案TMS320F240外型见图3-14TMS320F24具有一个32位的中央算术逻辑单元和累加器CALU具有独立的算术单元和辅助寄存器算术单元执行一系列的算术和逻辑运算乘法部分由乘法器乘积寄存器 PREG 暂存寄存器 TREG 和乘积移位器四部分组成高速乘法器使F240可以高效地完成卷积相关和滤波等数字信号处理中的基本运算在将乘积寄存器的值送入CALU之前乘积移位器将对乘积寄存器值进行定标操作TMS320F240还包含辅助寄存器算术单元这类算术单元独立于CALUARAU的主要功能是对8个辅助寄存器 从AR0到AR7 执行算术操作该操作可与CALU中的操作并行进行为加强信号处理能力TMS320F240采用改进的哈佛结构即独立的程序和数据存储空间和总线结构程序总线传输程序存储空间内的指令代码和立即操作数数据总线将数据存储空间与CALU辅助寄存器等部分连接到一起而且程序和数据总线都可以在一个指令周期内将片内数据存储器片内或片外程序存储器中的数据送入乘法器以完成一次乘加运算TMS320F240具有很高的并行机制数据在CALU中被处理的同时在ARAU中还可以进行算术操作这种并行机制的结果是在一个指令周期内可以完成一系列算术逻辑和位操作图3-14 DSP引脚图TMS320F240是该系列DSP控制器推出的第一个标准器件它确定了单片数字电机控制器的标准其指令执行速度是20MIPS几乎所有的指令都可以在一个50ns的单周期内执行完毕这种高性能使复杂控制算法的实时执行成为可能例如自适应控制和卡尔曼滤波非常高的采样速率也可以用来使环路延迟达到最小TMS320F240不仅有高速信号处理和数字控制功能所必需的体系结构特点而且它有为电机控制应用提供单片解决方案所必需的外围设备F240是利