低温等离子杀毒灭菌装置的电源设计.doc

摘 要低温等离子消毒技术因其具有快捷、安全和高效率等优点而受到国内外广泛研究。本设计是一种由整流滤波电路，SPWM脉宽调制技术的逆变电路组成，产生频率、幅度可调的高频电压，通过介质阻挡放电产生等离子体的消毒电源。实现了对负载频率的可靠跟踪和对逆变状态的可靠控制。它应用于低温消毒灭菌。关键词：低温等离子体；SPWM调制技术；电源 AbstractLow-temperature plasma sterilization technology because of its speed, safety and efficiency advantages at home and abroad have been extensively studied. The present design is a rectification by the filter circuit, SPWM PWM inverter circuit technology, have a frequency range of high-frequency adjustable voltage, dielectric barrier discharge plasma disinfection of power. The realization of the load on the frequency of the inverter for reliable tracking and reliable control of the state. It applies to low-temperature sterilization.Key words: low-temperature plasma; SPWM modulation; power目 录摘 要IAbstractII前 言III第1部分 低温等离子体消毒灭菌设备的概述11.1消毒的定义11.2 灭菌的定义11.3 低温等离子体的形成及作用原理21.4 低温等离子体灭菌器的应用31.5 低温等离子体灭菌器的优势31.6 低温等离子体的消毒机理4第2章 低温等离子体发生器电源的方案论证52.1 电源的系统结构52.2工频整流滤波电路52.3不可控整流电路62.3.1单相桥式整流电路62.3.2单相半波整流电路72.3.3单相全波整流电路82.4可控整流92.4.1单相桥式全控整流电路92.4.2单相桥式半控整流电路112.5滤波电路132.5.1电容滤波电路132.5.2电感滤波电路142.6逆变电路152.6.1单相桥式逆变电路152.6.2负载换流162.6.3 电压型逆变电路172.6.4 电流型逆变电路182.6.5电压型PWM控制电路18第3章 低温等离子体控制电路的方案论证与设计213.1文氏电桥振荡器213.2 SPWM控制电路223.2.1SPWM实现方法223.2.2 SPWM控制电路LM4651243.3逆变计算原理303.4 单结晶体管触发电路32第4章 低温等离子体发生器电源的设计354.1整流部分设计354.1.1电路设计计算：354.1.2 晶闸管和二级管的选择374.2 整流后的滤波电路设计384.3 逆变电路设计394.4滤波器输出设计424.5 辅助电源的设计444.6 单结晶体管触发电路454.7 spwm脉宽调制电路设计454.7.1 LM4651引脚功能454.7.2 主要参数与特点474.7.3 spwm脉宽调制设计电路的计算484.8 正弦波振荡器的设计494.8.1 RC串并联式正弦波振荡电路494.8.2 RC串并联式正弦波振荡电路504.9 变压器的设计534.10输出电压显示仪的选择564.11 频率表选择57第5章 系统总设计图58附 录59参考文献61致 谢62毕业设计心得63湖南铁道职业技术学院毕业设计(论文)第1章 低温等离子体消毒灭菌设备的概述1.1消毒的定义所谓消毒，就是用物理、化学等方法杀死病原微生物以防止传染病传播的措施。利用物理、化学等方法杀死病原微生物以防止传染病传播的措施。常用的消毒法有物理的加热消毒法和化学的药剂消毒法。加热能使病原微生物细胞中的蛋白质凝固并使酶失活，因而能杀死微生物。煮沸是最常用的加热消毒法，一般不产芽孢的微生物经5分钟煮沸就可被杀死。用于消毒的化学药剂称消毒剂。常用的消毒剂种类很多，有75%酒精、碘酒、红溴汞（红药水）、龙胆紫（紫药水）、氯等。大多数消毒剂能使蛋白质凝固，碘酒中的碘能与蛋白质中的氨基酸结合，红溴汞中的汞能与蛋白质中的巯基结合，氯在与水作用时放出具有很强氧化能力的新生氧，使蛋白质氧化变性。消毒剂一般只对细菌的营养体有效，而对芽孢很少有杀死作用。消毒在日常生活中应用于传染病的预防，如对饮水、食品、餐具等通过煮沸进行消毒。牛奶、饮料等食品可放在6263下处理30分钟进行消毒。这样既可将结核分枝杆菌、伤寒沙门氏菌等病原微生物杀死，又不影响牛奶、饮料等的风味。英国 医生李斯特于1865年首先使用石炭酸对医生的双手、手术器械、包扎绷带、手术部位等进行消毒，其后外科手术的死亡率很快从4580%下降为15%。这充分显示了消毒在临床应用上的重要作用和意义。1.2 灭菌的定义所谓灭菌，就是用理化方法杀死一定物质中的微生物的微生物学基本技术。灭菌的彻底程度受灭菌时间与灭菌剂强度的制约。微生物对灭菌剂的抵抗力取决于原始存在的群体密度、菌种或环境赋予菌种的抵抗力。灭菌是获得纯培养的必要条件，也是食品工业和医药领域中必需的技术。 热灭菌法 利用高温使微生物细胞内的一切蛋白质变性，酶活性消失，致使细胞死亡。通常有干热、湿热和间歇加热灭菌等法。 干热灭菌 直接利用火焰将微生物烧死（如烧接种环、载玻片和试管口等）。不能用火焰灭菌的物品则利用热空气灭菌,将物品放在烘箱中加热到160170,持续90分钟，此法适用于玻璃、金属和木质的器皿。 湿热灭菌 以沸水、蒸气和蒸气加压灭菌。巴氏灭菌法就是湿热灭菌，此法有两种方式，低温长时间处理：在61.762.8下处理30分钟；高温短时间处理：在71.6或略高温度下处理15分钟。在上述诸法中，以蒸气加压灭菌效果最好，可用常压蒸气灭菌，也可在高压蒸气锅中（一般使用1千克/厘米2）灭菌,其蒸气温度可达121,能将耐热的芽孢在30分钟内全部杀死。但对某些易被高压破坏的物质，如某些糖或有机含氮化合物，宜在0.6千克/厘米2压力下(110)灭菌1530分钟。 间歇灭菌 连续3天,每天进行一次蒸气灭菌的方法。此法适用于不能耐 100以上温度的物质和一些糖类或蛋白质类物质。一般是在正常大气压下用蒸气灭菌 1小时。灭菌温度不超过100,不致造成糖类等物质的破坏，而可将间歇培养期间萌发的孢子杀死，从而达到彻底灭菌的目的。 辐射灭菌 在一定条件下利用射线进行灭菌的方法。较常用的有紫外线，其他还有电离辐射（射线加快中子等）。波长在2500080000纳米之间的激光也有强烈的杀菌能力,以波长26500纳米最有效。辐射灭菌法仅限于某一定材料，因所需设备复杂，难于广泛使用。 渗透压灭菌 利用高渗透压溶液进行灭菌的方法。在高浓度的食盐或糖溶液中细胞因脱水而发生质壁分离，不能进行正常的新陈代谢，结果导致微生物的死亡。 化学试剂灭菌 大多数化学药剂在低浓度下起抑菌作用,高浓度下起杀菌作用。常用5石炭酸 70乙醇和乙二醇等。化学灭菌剂必须有挥发性，以便清除灭菌后材料上残余的药物。1.3 低温等离子体的形成及作用原理等离子的形成：等离子体属于物理概念，是自然界中存在的一种物质状态（即固体，液体和气体之外的第四太）。低温等离子体的产生通常是在真空环境下，利用特定的电磁场作用，使某些中性气体的分子产生连续不断的电离，形成带负电荷和等量正电荷的离子相互共存的物质状态，当电离率与复合率达到平衡的时候，这种稳定存在的物质状态就称之为等离子。H202等离子体能够在常温条件下实现快速，干燥灭菌的目的，是多种灭菌条件综合作用的结果。等离子体灭菌器作用原理： （1）活性基团的作用，等离子体中含有大量活性氧离子，高能自由基团等成分，极易与细菌，霉菌，芽孢和病菌中蛋白质和核酸物质发生氧化反应而变性 ，从而使各类微生物死亡。（2）高速粒子击穿作用，在灭菌实验后通过电镜观察，经等离子体作用后的细菌菌体作用后的细菌菌体与病毒颗粒图像 ，均呈现千疮百孔状，这是由具有高动能的电子和离子产生的蚀刻和击穿效应技术。1.4 低温等离子体灭菌器的应用 因为致病微生物在公共场所的集中性和易传播性为人类带来了一定的隐患。在对抗疾病的战斗中，传统的杀毒消毒方法已经不能满足新型材质的各类物品的消毒需要，因高温灼烧而致使器械变钝、变形使人们开始将目光转向新的杀毒技术。低温等离子体杀毒消毒技术是一种比较理想的消毒方法，因其具有灭菌时间短、操作温度低、能够广泛应用于多种材料和物品的灭菌、无需通风、不会对操作人员构成伤害、安全可靠等许多优点，而被国内外广泛应用于包括食品加工和医疗卫生在内的诸多领域。低温等离子体灭菌器适用于大中小型医院的供应室，手术室，牙科，肛肠科，美容科，急救中心，社区医疗，牙科门诊，消毒供应中心等企事业单位。 重点使用的科室：供应室，手术室，急救中心 其所适用的器械也较为广泛：电子器械类，硅橡胶类，金属类，非金属类，聚乙烯类。 如：光纤软硬式内窥镜，电子器械，金属手术器械，非金属手术器械，导联线，电极片，颅脑钻，呼吸面罩，探头，扩张器，电池，导联线，玻璃器皿，硅橡胶，聚乙烯，机电器械，实验室各类非耐热仪器等。1.5 低温等离子体灭菌器的优势全新的低温等离子灭菌器可取代传统的灭菌器，如：消毒液体浸泡、熏蒸，化学气体灭菌等。a)、 其灭菌速度快，可大大提升被灭菌器械的利用率，方便于医院进行连台手术。b)、 大幅度的减少对医疗器械伤害，有效的延长了器械的使用寿命。c)、 同时，灭菌后的器械没有药物残留，对医护人员没有伤害。d)、 由于其灭菌原理的更新，已经跨入绿色环保的行列。1.6 低温等离子体的消毒机理关于低温等离子的杀菌消毒机理，迄今为止人们还不能够给出比较圆满的答案。根据早期的试验，相继出现了各种有关机理的假说。纵观各种假说，无论是从物理还是化学方面对杀菌消毒机理进行探索，归根到底不外乎又一下三种：等离子体形成过程中产生的大量紫外线直接破坏微生物的基因物质;紫外光子固有的光解作用打破微生物分子的化学键，最后生成挥发性的化合物如CO、CHx；通过等离子的蚀刻作用，即等离子体中活性物质与微生物体内的电白和核酸发生化学反应，能够摧毁微生物和扰乱微生物的生存功能。也有部分学者认为等离子体对细菌具有杀灭作用上述作用合力的结果，这从一些已被证实的细菌存活曲线图中可以观察到。大多数气体都能够放电形成等离子体。20世纪70年代，人们更多采用惰性气体如氩等来进行杀菌实验，随后，抱过氯、碘、溴在内的一些卤素被添加到放气体中用于争强杀菌消毒功效。随着20世纪80年代乙醛蒸气以及90年代初过氧化氢的加入，逐步证实了单一气和混合气体都可以激发等离子体用于杀菌消毒。研究表明，在单一气体中，气体对细菌孢子的杀灭作用不尽相同，按杀菌效果强弱依次为O2、CO2、H2、Ar和N2；而利用混合气体激发等离子体，其杀菌消毒效果往往比单一中性气体好。第2章 低温等离子体发生器电源的方案论证2.1 电源的系统结构低温等离子体发生器电源主要有主电路和控制电路两部分组成。 其中，主电路由工频整流滤波电路、SPWM控制的DC/AC高频逆变电路、LC滤波电路及高频升压电路组成。控制电路由SPWM产生的电路、隔离驱动电路、基准正弦波电路、频率调节电路、过流保护电路、过压保护电路以及相应的显示电路组成。图2-1 电源系统结构图2.2工频整流滤波电路将交流电转换成直流电的变换称为整流，实现整流变换的装置称之为整流器。整流器的主开关元件一般采用整流二极管或晶闸管。由整流二极管构成的整流器，由于其输出电压不可控的，称之为不可控整流；由晶闸管构成的整流器，其输出电压是可控的，故称为可控整流。可控整流的电路一般由整流器的主电路（常简称为整流电路）及其触发控制电路组成。在整流变换过程中，其平均功率（或能量）是从交流侧流向直流负载。图2-2工频整流滤波框图2.3不可控整流电路单相整流电路是将工频交流电转为具有直流电成分的脉动直流电2.3.1单相桥式整流电路1.工作原理单相桥式整流电路是最基本的将交流转换为直流的电路，其电路及波形如下图所示。 图2-3 单相桥式整流电路与波形图2.单相桥式整流电路工作原理分析：整流电路中的二极管是作为开关运用，具有单向导电性。根据图2-3电路图可知：当正半周时二极管D1、D3导通，在负载电阻上得到正弦波的正半周。当负半周时二极管D2、D4导通，在负载电阻上得到正弦波的负半周。在负载电阻上正负半周经过合成，得到的是同一个方向的单向脉动电压。单相桥式整流电路的波形图见图2-3。3.单相桥式整流电路的负载特性曲线单相桥式整流电路的负载特性曲线是指输出电压与负载电流之间的关系曲线该曲线如图2-4所示。曲线的斜率代表了整流电路的内阻。图2-4 负载特性曲线（图2）2.3.2单相半波整流电路 图2-5 单相半波整流电路及波形图单相半波整流电路原理分析: 输出电压在一个工频周期内，只是正半周导电，在负载上得到的是半个正弦波。2.3.3单相全波整流电路 图2-6 单相全波整流电路及波形图单相全波整流电路原理分析：全波整流电路的输出，与桥式整流电路的输出相同。不可控整流小结:单相桥式整流电路的变压器中只有交流电流流过，而半波和全波整流电路中均有直流分量流过。所以单相桥式整流电路的变压器效率较高，在同样的功率容量条件下，体积可以小一些。单相桥式整流电路的总体性能优于单相半波和全波整流电路，故广泛应用于直流电源之中。注意：整流电路中的二极管是作为开关运用的。整流电路既有交流量，又有直流量，通常对:输入（交流）用有效值或最大值；输出（交直流）用平均值；整流管正向电流用平均值；整流管反向电压用最大值2.4可控整流2.4.1单相桥式全控整流电路1.电阻性负载 原理：晶闸管VT1和VT4为一组桥臂，而VT2和VT3组成了另一组桥臂。在交流电源的正半周区间内，即a端为正，b端为负，VT1和VT4会承受正向阳极电压，相当于在控制角a的时刻给VT1和VT4同时加脉冲，晶闸管VT1和VT4会导通。此时，电流从电源a端经VT1、负载及VT4回电源b端，负载上得到的电压为电源电压（忽略了VT1和VT4的导通压降），方向为上正下负，VT2和VT3则因为VT1和VT4的导通而承受反向的电源电压不会导通。因为是电阻性负载，所以电流也跟随电压的变化而变化。当电源电压过零时，电流也降低为零，也即两只晶闸管的阳极电流降低为零，故VT1和VT4会因电流小于维持电流而关断。而在交流电源的负半周区间内，即a端为负，b端为正，晶闸管VT2和VT3是承受正向电压的，仍在相当于控制角a的时刻给VT2和VT3同时加触发脉冲，则VT2和VT3被触发导通。电流从电源b端经VT2、负载及VT3回电源a端，负载上得到的电压仍为电源电压，方向也还为上正下负，与正半周一致，此时，VT1和VT4因为VT2和VT3的导通承受反向的电源电压而处于截止状态。直到电源电压负半周结束，电压过零时，电流也过零，使得VT2和VT3关断。下一周期重复上述过程。 图2-7 单相桥式全控整流电阻性负载的电路及波形图 单相桥式全控整流电路的分析：负载上得到的直流输出电压的波形与半波时相比多了一倍，负载电流的波形与电压波形相似。由晶闸管所承受的电压可以看出，其导通角为=，除在晶闸管导通期间不受电压外，当一组管子导通时，电源电压将全部加在未导通的晶闸管上，而在四只管子都不导通时，设其漏电阻都相同的话，则每只管子将承受电源电压的一半。因此，晶闸管所承受的最大反向电压为，而其承受的最大正向电压为.2.电感性负载原理：在电源正半周时，在相当于a角的时刻给VT1和VT4同时加触发脉冲，则VT1和VT4会导通，输出电压仍为=。至电源过零变负时，由于电感产生的自感电动势会使VT1和VT4继续导通，而输出电压仍为=，所以出现了负电压的输出。此时，晶闸管VT2和VT3虽然已承受正向电压，但还没有触发脉冲，所以不会导通。直到在负半周相当于a角的时刻，给VT2和VT3同时加触发脉冲，则因VT2的阳极电位比VT1高，VT3的阴极电位比VT4的低，故VT2和VT3被触发导通，分别替换了VT1和VT4，而VT1和VT4将由于VT2和VT3的导通承受反压而关断，负载电流也改为经过VT2和VT3了。图2-8单相桥式全控整流电路电感性负载电路及波形图2.4.2单相桥式半控整流电路1.电阻性负载原理：单相桥式半控整流电路带电阻性负载的电路如下图所示。工作情况同桥式全控整流电路相似，两只晶闸管仍是共阳极连接，即使同时触发两只晶闸管，也只能是阳极电位高的晶闸管导通。而两只二极管是共阳极连接，总是阴极电位低的二极管导通，因此，在电源正半周一定是VD4正偏，在正半周一定是VD3正偏。所以在电源正半周时，触发晶闸管VT1导通，二极管VD4正偏导通，电流由电源a端经VT1和负载及VD4，回电源b端，若忽略两管的正向导通压降，则负载上得到的直流输出电压就是电源电压，即=。在电源负半周时，触发VT2导通，电流由电源b端经VT2和负载及VD3，回电源a端，输出仍是=，只不过在负载上的方向没变。图2-9 单相桥式半控整流电路带电阻性负载电路及波形图2.电感负载 原理：单相桥式半控整流电路带电感负载时的电路如下图2-10所示。在交流电源的正半周区间内，二极管VD4处于正偏状态，在相当于控制角a的时刻给晶闸管加脉冲，则电源过零经VT1和VD4向负载供电，负载上得到的电压=，方向为上正下负。至电源过零变负时，由于电感自感电动势的作用，会使晶闸管继续导通，但此时二极管VD3的阴极电位变的比VD4的要低，所以电流由VD4换到VD3。此时负载电流经VT1、和VD3续流，而没有经过交流电源，因此，负载上得到的电压为VT1和VT3的正向压降，接近位零，这就是单相桥式半控整流电路的自然续流现象。在负半周相同a角处，触发晶闸管VT2，由于VT2的阳极电位高于VT1的阳极电位，因此，VT1换流给了VT2，电源经VT2和VD3向负载供电，直流输出电压也为电源电压，方向上正下负。同样，当由负变正时，又改为VT2和VD4续流，输出有为零。图2-10 单相桥式半控整流电路带电感性负载电路及波形图可控整流电路小结1.单相桥式全控整流电路中，由于每次都要同时触发两只晶闸管，因此线路较为复杂。它是用两只晶闸管来控制同一个导电回路，为了简化电路，实际上可以采用一只晶闸管来控制导电回路，另一只晶闸管用二极管来代替。可以把图全桥中的晶闸管VT3和VT4换成二极管VD3和VD4，就形成了单相桥式半控整流电路。2. 单相桥式全控整流电路属全波整流，负载在两个半波都有电流通过、输出电压脉动程度比半波时小、变压器利用率高、且不存在直流磁化问题；但需要同时触发两只晶闸管，线路较复杂。在一般中小容量场合调速系统中应用较多。3.加续流二极管作用：扩大移相范围，去掉输出电压负值，提高的值。而且单相桥式半控整流电路带大电感负载时的工作特点是：晶闸管在触发时刻换流，二极管则在电源过零时刻换流；电路本身就具有自然续流作用，负载电流可以在电路内部换流，所以，即使没有负电压，与全桥电路时不一样。但不能解决突然关断触发电路或突然吧控制角a增大到180时，电路出现的失控现象。2.5滤波电路滤波电路利用电抗性元件对交、直流阻抗的不同，实现滤波。2.5.1电容滤波电路电容器C对直流开路，对交流阻抗小，所以C应该并联在负载两端。经过滤波电路后，既可保留直流分量、又可滤掉一部分交流分量，改变了交直流成分的比例，减小了电路的脉动系数，改善了直流电压的质量。现以单相桥式电容滤波整流电路为例来说明。电容滤波电路如下图所示，在负载电阻上并联了一个滤波电容C。图2-11 单相桥式电容滤波整流电路及波形图单相桥式电容滤波整流电路原理分析：若电路处于正半周，二极管D1、D3导通，变压器次端电压给电容器C充电。此时C相当于并联在上,所以输出波形同,是正弦形。2.5.2电感滤波电路在大电流的情况下，由于负载电阻RL很小。若采用电容滤波电路，则电容容量势必很大，而且整流二极管的冲击电流也非常大，在此情况下应采用电感滤波。如下图所示，由于电感线圈的电感量要足够大，所以一般需要采用有铁心的线圈。图2-12电感滤波电路及波形图工作原理:当流过电感的电流变化时，电感线圈中产生的感生电动势将阻止电流的变化。当通过电感线圈的电流增大时，电感线圈产生的自感电动势与电流方向相反，阻止电流的增加，同时将一部分电能转化成磁场能存储于电感之中；当通过电感线圈的电流减小时，自感电动势与电流方向相同，阻止电流的减小，同时释放出存储的能量，以补偿电流的减小。因此经电感滤波后，不但负载电流及电压的脉动减小，波形变得平滑，而且整流二极管的导通角增大。 在电感线圈不变的情况下，负载电阻愈小，输出电压的交流分量愈小。只有在RLL时才能获得较好的滤波效果。L愈大，滤波效果愈好。 另外，由于滤波电感电动势的作用，可以使二极管的导通角接近，减小了二极管的冲击电流，平滑了流过二极管的电流，从而延长了整流二极管的寿命。整流滤波方案论证1.可控与不可控的比较：输出电压脉动程度小、变压器利用率高且不存在直流磁化问题输出电流平稳可通过控制晶闸管的控制角来自行调节输出电压大小。2.半控与全控的比较：单相桥式半控整流电路具备全控桥电路的脉动小、变压器利用率高、没有直流磁化现象等优点外，此电路还比全控桥电路少了两只晶闸管，因此电路比较简单、经济单相桥式全控整流电路中，由于每次都要同时触发两只晶闸管，因此线路较为复杂。实际上可以采用一只晶闸管来控制导电回路，这样就简化了电路。3. 滤波电路的比较：电容滤波电路的优点：其适用于大电压小电流负载；电容滤波电路的外特性比较软；且电路简单、体积小、成本低。但其缺点是采用它时，整流二极管中将流过较大的冲击电流。电感滤波的优点有：其适用于大电流低电压负载；整流二极管的导电角大，峰值电流小，输出特性较平坦。但其缺点是：存在铁心，笨重、体积大，易引起电磁干扰，一般只适应于低电压、大电流的场合。综上所述，本设计采用电容滤波因为它能有效的滤除交流电，而且简单，使直流波形更直，还能提高0.2倍电压。4.单相与三相的比较：鉴于消毒灭菌设备应用广泛，既可以用于工业、医疗机构、餐饮业等地的消毒灭菌，也可用与普通家庭。因此选择单相电源会更加合适。方便且实惠，无须为其另外安置设计。故：采用单相桥式半控整流电路2.6逆变电路2.6.1单相桥式逆变电路S1S4是桥式电路的4个臂，由电力电子器件及辅助电路组成。S1、S4闭合，S2、S3断开时，负载电压为正S1；S1、S4断开，S2、S3闭合时，为负，把直流电变成了交流电。改变两组开关切换频率，可改变输出交流电频率。图2-13 逆变电路及其波形举例电阻负载时，负载电流io和的波形相同，相位也相同。阻感负载时，io滞后于，波形也不同（图2-13b）。t1前：S1、S4通，和io均为正。t1时刻断开S1、S4，合上S2、S3，变负，但io不能立刻反向。io从电源负极流出，经S2、负载和S3流回正极，负载电感能量向电源反馈，io逐渐减小，t2时刻降为零，之后io才反向并增大2.6.2负载换流由负载提供换流电压称为负载换流。负载电流相位超前于负载电压的场合，都可实现负载换流。负载为电容性负载时，负载为同步电动机时，可实现负载换流。图2-14 负载换流电路及其工作波形基本的负载换流逆变电路：采用晶闸管，负载：电阻电感串联后再和电容并联，工作在接近并联谐振状态而略呈容性。电容为改善负载功率因数使其略呈容性而接入，直流侧串入大电感Ld， id基本没有脉动。工作过程：4个臂的切换仅使电流路径改变，负载电流基本呈矩形波。负载工作在对基波电流接近并联谐振的状态，对基波阻抗很大，对谐波阻抗很小，波形接近正弦。t1前：VT1、VT4通，VT2、VT3断，uo、io均为正，VT2、VT3电压即为t1时：触发VT2、VT3使其开通，uo加到VT4、VT1上使其承受反压而关断，电流从VT1、VT4换到VT3、VT2。t1必须在过零前并留有足够裕量，才能使换流顺利完成。2.6.3 电压型逆变电路电路基本特点：1.直流侧为电压源，并联有大电容，相当于电压源。直流电压基本无脉动。2交流侧电压波形为矩形波，与负载阻抗角无关，而交流侧输出电流波形和相位因负载阻抗情况的不同而不同，其波形接近于三角波或正弦波。3当交流侧为阻感性负载时，需提供无功功率，直流侧电容起缓冲无功能量的作用，为了给交流侧向直流侧反馈的无功能量提供通道，逆变桥各臂都并联了二极管。4逆变电路从直流侧向交流侧传送的功率是脉动的，因直流电压无脉动，故功率的脉动是由直流电流脉动来体现的。 图2-15电压型逆变电路2.6.4 电流型逆变电路电路的基本特点：1、直流侧串联有大电感，相当于电流源，直流电流基本无脉动。2、因为各开关器件主要起改变直流电流流通路径的作用，故交流侧电流为矩形波，与负载性质无关，而交流侧电压波形和相位因负载阻抗角的不同而不同。3、当交流侧为阻感负载时需要提供无功功率，直流测电惑起缓冲无功能量的作用。因为反馈无功能量时直流电流并不反向，因此不必像电压型逆变电路那样要给开关器件反并联二极管。 图2-16电流型逆变电路及波形2.6.5电压型PWM控制电路电路如图2-17所示，逆变电路的自关断开关器件。设负载为电感性，控制方法可以有单极性与双极性两种 图2-17单相桥式PWM变频电路单极性PWM控制方式工作原理按照PWM控制的基本原理，如果给定了正弦波频率、幅值和半个周期内的脉冲个数，PWM波形各脉冲的宽度和间隔就可以准确地计算出来。依据计算结果来控制逆变电路中各个开关器件的通断，就可以得到所需要的PWM波形，但是这种计算很繁琐，较为实用的方法是采用调制控制，如图2-18所示，把所希望输出的正弦波作为调制信号ur，把接受调制的等腰三角波作为载波信号uc。对逆变桥V1V4的控制方法如下：当ur正半周时，让V1一直保持通态，V2保持断态。在ur与uc正极性三角波交点处控制V4的通断，在uruc各区间，控制V4为通态，输出负载电压u0=Ud。在uruc区间，控制V4为断态，输出负载电压u0=0，此时负载电流可以经过VD3与V1续流。当ur负半周时，让V2一直保持通态，V1保持断态。在ur与uc负极性三角波交点处控制V3的通断。在uruc各区间，控制V3为断态，输出负载电压u0=0，此时负载电流可以经过VD4与V2续流。逆变电路输出的u0为PWM波形，如下图所示，u0f为u0的基波分量。由于在这种控制方式中的PWM波形只能在一个方向变化，故称为单极性PWM控制方式。图2-18单极性PWM控制方式原理波形逆变方案论证 1. 电路上储存的能量，通过有源器件返回到电网或系统中，而且反馈回去的交流电必须与电网中的电同频同压同相。2.电流型逆变电路的缺点：频率不高。要辅助启动电路才能启动。远程控制不好引线（要用空心铜管，还要通水冷却）。3.电流型逆变电路，电感L上电流很大，但电压很小，可以使用晶闸管，而且电压型逆变电路使用器件较少。4.采用调制控制，来控制逆变电路中各个开关器件的通断，就可以更方便得到所需要的PWM波形。 故：选用无源逆变中的电压型逆变电路第3章 低温等离子体控制电路的方案论证与设计3.1文氏电桥振荡器图中使用二极管限幅代替非线性反馈元件，二极管通过对输出电压形成一个软限幅来降低失真。文氏电桥或低失真的特性要求有个辅助电路来调节增益，辅助电路包括从在反馈环路内插入的一个非线性元件，到由外部元件构成的自动增益控制（AGC）回路。通过 D1对正弦波的负半周取样，且所取样存于 C1中，选择 R1和 R2，必须使 Q1的偏置定在中心处，使得输出电压为期望值时，（RG+RQ1）=RF/2。当输出电压升高时， Q1增大电阻，从而使增益降低。为克服 RC移相振荡器的缺点，常采用RC串并联电路作为选频反馈网络的正弦振荡电路，也称为文氏电桥振荡电路，如图 3-1所示。它由两级共射电路构成的同相放大器和 RC串并联反馈网络组成。由于A= 0，这就要求 RC串并联反馈网络对某一频率的相移F2n，才能满足振荡的相位平衡条件。 图3-1文氏电桥振荡器RC串并联网络在低、高频时的等效电路如图3-1所示。这是因为在频率比较低的情况下，（1/C）R，而频率较高的情况下，则（1/C）为调节频率方便，通常取 R1 = R2 = R，C1 = C2 = C，如果令 01/ RC。RC串并联反馈网络的反馈系数是频率的函数。幅频和相频特性，由图3-1可以看出： 当F=Fo=时，F的模最大，且F=1/3，F=0；当f大于fo时，F都减小，且F不等于0.就表明 RC串并联网络具有选频特性。 图3-2 波形图因此图3-1电路满足振荡的相位平衡条件。如果同时满足振荡的幅度平衡条件，就可产生自激振荡。振荡频率为： 由1知起振条件为：3 一般两级阻容耦合放大器的电压增益 Au远大于3，如果利用晶体管的非线性兼作稳幅环节，放大器件的工作范围将超出线性区，使振荡波形产生严重失真。为了改善振荡波形，实用电路中常引进负反馈作稳幅环节图3-1中电阻 Rf和 Re引入电压串联深度负反馈。这不仅使波形改善、稳定性提高，还使电路的输入电阻增加和输出电阻减小，同时减小了放大电路对选频网络的影响，增强了振荡电路的负载能力。通常 Rf用负温度系数的热敏电阻（Rt）代替，能自动稳定增益。假如某原因使振荡输出 Uo增大， Rf上的电流增大而温度升高，阻值 Rf减小，使负反馈增强，放大器的增益下降，从而起到稳幅的作用从图 3-1可以看出， RC串并联网络和 Rf、Re，正好组成四臂电桥，放大电路输入端和输出端分别接到电桥的两对角线上，因此称为文氏电桥振荡器。目前广泛采用集成运算放大器代替图 3-1中的两级放大电路来构成 RC桥式振荡器。图3-1是它的基本电路。方案论证 文氏电桥振荡器的优点是：不仅振荡较稳定，波形良好，而且振荡频率在较宽的范围内能方便地连续调节。 3.2 SPWM控制电路3.2.1SPWM实现方法要使变频器在频率变化的同时，电压也同步变化，并且维持=常数，技术上有两种实现方法即：（PAM）脉幅调制和（PWM）脉宽调制。脉幅调制PAM：其指导思想是在调节频率的同时也调节整流后直流电压的幅值，以此来调节变频器输出交流电压的幅值。由于PAM既要控制逆变回路，又要控制整流回路，且要维持=常数，所以这种方法控制电路很复杂，现在已很少使用。脉宽调制PWM：它的指导思想是将输出电压分解成很多的脉冲，调频时控制脉冲的宽度和脉冲间的间隔时间就可控制输出电压的幅值，如图3-3所示 图3-3脉宽调制的输出电压从图中可以看到，脉冲的宽度越大，脉冲的间隔越小，输出电压的平均值就越大。为了说明、和电压平均值之间的关系，我们引入了占空比的概念。所谓占空比是指脉冲宽度与一个脉冲周期的比值，用表示:即：因此，可以说输出电压的平均值与占空比成正比，调节电压输出就可以演化为调节脉冲的宽度，所以叫脉宽调制。在图3-3a中为调制前的波形，电压周期为，图3-3b为调制后的波形，电压周期为。与图3-3a相比图3-3b的电压周期增大（也就是说频率降低），电压脉冲的幅值不变，而占空比则减小，故平均电压降低。由于变频器的输出是正弦交流电，即输出电压的幅值是按正弦波规律变化，因此在一个周期内的占空比也必须是变化的，也就是说在正弦波的幅值部分，取大一些，在正弦波到达零处，取小一些，如图3-4所示 图3-4 SPWM的输出电压可以看到这种脉宽调制，其占空比是按正弦规律变化的，因此这种调制方法被称作正弦波脉宽调制，即SPWM。 SPWM的脉冲系列中，各脉冲的宽度和脉冲间隔都是变化的。为了说明它们调制原理，先看下图3-5。它是PWM逆变的简单原理图，图中逆变器输出的交流信号是的交替切换产生的。其中导通时，在A相负载上得到的电压与导通时在A相负载上得到的电压方向相反，因此，、的轮流导通就可以得到A相交流电压的正、负半周。同样，其他管子的导通亦可得到三相交流电的B相和C相。在变频器中，、的导通、截止是由调制波和载波的交点来决定的。 图3-5PWM逆变器简单原理图3.2.2 SPWM控制电路LM4651LM4651是美国国家半导体公司推出的新型集成电路芯片。文中介绍了LM4651的特点、功能的原理,并重点介绍LM465电路。1、电路的构成：SPWM产生电路采用美国新推出的脉冲宽度调制器/驱动器芯片LM4651 产生脉冲宽度调制波形。LM4651 是PWM控制/驱动IC，它内置完善的误差反馈放大电路、三角波发生器、PWM比较器以及欠压、过热、短路和过调制保护电路等；它还具有软启动和自检查保护诊断功能4。图3 示出LM4651的典型应用原理框图。图3-6 LM4651 的典型应用原理框图工作原理：LM4651 中的振荡器频率fsw=1 109/（4000 +Rosc），由图3 中Rosc 来决定三角载波的频率。由Rdly来设定系统的死区时间Tdly=1.710- 12 （500+Rdly）。LM4651 具有软启动功能，启动时间的调节是通过连到脚24 的电容Cstrt 来控制的。连接在脚18 与地之间的电阻Rsckt 来决定最大的输出电流Io，一旦Io高于设定值Isckt=（1105）/RRsckt（R=10k），短路保护将关断所有开关管。LM4651 中，脚13 的逻辑状态决定了系统是否处于待机状态，当脚13 为逻辑“1”或5V 时，待机功能有效，关闭系统输出；当脚13 为逻辑“0”或0V 时，待机功比较波形。比较器产生一个占空比与正弦波信号幅值成正比的矩形波（SPWM波）电压，以驱动全桥逆变电路中的功率MOSFET。当改变基准正弦波的幅值Us 时，脉冲宽度也随之变化，即Uo 也随之变化；定义M=Us /Uc 为调制度，通过改变M，可改变Uo 的幅值。当M1 时，Us 随M的增大而线性增加，从而实现了Uo 的可调；当M1时，Us 和M呈非线性增加，谐波总含量较大，这是逆变器应避免进入的过调制区域。LM4651的引脚功能图3-7 LM4651引脚图LM4651是美国国家半导体公司推出的新型集成电路芯片,是一种PWM控制/驱动器IC,内置振荡器、PWM比较器、误差放大器、反馈测量放大器、数字逻辑与保护电路及驱动器等,如下表列出了LM4651的引脚功能。脚号引脚符号功 能 描 述1OUT1输出到功率MOSFET栅极驱动电路的基准脚1,27BS1,BS2为驱动上面的栅极HG1、HG2提供额外偏置的自举脚3HG1半桥中#1高端栅极驱动输出4HG2半桥中#2高端栅极驱动输出5,15GND模拟地6+6VBYP模拟电路内部调节正电压输出,该脚仅用作内部调整器旁路7+VccIC正电源电压输入8-6VBYP模拟电路内部调节负电压输出,该脚仅用作内部调整器旁路9FBKVo反馈测量放大器输出脚10ERRIN误差放大器反相输入脚。该脚上的输入音频信号与反馈信号相加11ERRVo误差放大器输出脚12TSD热关闭输入脚,连接LM4652的热关闭输出13STBY待机功能输入脚14FBK1反馈测量放大器,该脚必须连接到来自VO1（LM4652脚15）的反馈滤波器16OSC开关频率振荡脚,调节电阻从15.5k到0变化,开关频率从75kHz到225kHz变化17Delay延迟时间调整脚18SCKT短路设定脚,最小设定值是10A19FBK2反馈测量放大器脚,该脚必须连接到来知VO2（LM4652的脚7）的反馈滤波器20,21-VDDBYP供数字单元电路使用的调整器输出,该脚仅作旁路用22,23-VEEIC负电源电压24START启动电容输入脚。可调节调制器的诊断时序启动时间25LG1半桥中#1低端栅极驱动器输出26LG2半桥中#2低端栅极驱动器输出28OUT2输出到功率MOSFET栅极驱动器电路的基准脚4、主要参数及特点a.极限参数LM4651的最高电源电压为22V,其功耗分别为1.5W和32W,最高结温为150,工作温度范围为-40+85。b.电气特性LM4651的总静态电流（在LM4652不连接时的典型值）为36mA,待机状态时的输入电压（典型值）为2V,开关频率范围（在Rosc从15k变为0时）为65200kHz,死区时间为27ns,调制保护时间（典型值）为310ns。LM4651的主要技术参数为：总揩波失真（THD）（在10W、4和10500Hz下）0.3%;图3-8 脉冲宽度调制波形输出功率（4、75kHz、10%THD时）为170W; 最大效率（在125W和1%THD下）为85%;待机状态衰减100dB。5、主要特点LM4651的主要特点如下：具有常规的脉冲宽度调制（LM46451）;开关频率外部可控,范围为75200kHz;内含集成误差放大器和反馈放大器;可导通软启动和欠电压闭锁;具有过调制保护（软削波）功能;图3-9 过调制保护脉冲图可进行短路电流限制和热关闭保护; 具有自检查保护诊断功能。1 原理和应用电路图3-6为LM4651电路。该电路有助于人们了解两芯片尤其是LM2651的功能和原理。2 系统功能简述LM4651是常规脉冲宽度调制器/驱动器IC。图3-10所示为输入音频信号与频率远高于音频信号的三角波信号的比较波形。LM4651的CMOS兼容性允许通过关闭脉冲宽度波形去关断所有功率MOSFET。由于待机状态关闭了脉冲宽度波形,其音东衰减大于120dB,因 而EMI被限制到最小限度,当脚13不逻辑“1”功5V时,待机功能有效;脚13为逻辑“0”或0V时,待机无效,允许利用输入信号调制。3 启动程序和定时LM4651具有内部软启动功能,该软启动功能可保证系统的可靠和协调启动,从而使导通喇叭声（thump）或彭彭声（pop）减到最小。在启动周期内,系统保持待机模式。启动时间的调节可通过连接到START脚的电容（CSTSRT）来控制。图3-10 2阶低通滤波器输入电路4 电流限制和短路保护连接在SCKT脚与GND之间电阻RSCKT用来决定最大输出电流。一旦输出电流高于设定限制,短路保护将关断所有功率MOSFET电流限制最小设备在10A,但调节RSCKT数值可以适当使电流增大,在输出端短路或场声器失效（出现短路）的情况下,IC将执行安全保护功能。5 死区时间设定LM4651上的DELAY脚可用来设定系统死区时间。通常RDLY的推荐值为5k。TDLY的单位为秒。6 过调制保护图3-9为过调制保护工作波形。当输入信号幅值高于内部三角波时,过调制条件发生,如果缺少过调制,将导致功率MOSFET永久性毁坏。在正统波顶部,过调制保护还提供一个软削波（soft clip）型响应。对于给定的相同的电压和负载,这种限幅将使输出功率降低。7 反馈放大器和滤波器反馈放大器用来进行差动取样输出信号并为误差放大器提供一个单端反馈信号,反馈信号直接取自LC滤波器之前的开关输出,从而避免了输出滤波器引起的相移。来源于桥式输出的差动信号经单极点或双极点的RC滤波器进入到作为反馈放大器使用的高输入阻抗测量放大。反馈测量放大器的内部固定增益为1。8 误差放大器音频输入信号与来自输出的反馈信号在误差放大器上相加。放大器增益由外部电阻RF和R1决定。并联反馈电容CF和电阻RF组成低通滤器,可用于限制输入音频信号和反馈信号的频率含量。3.3逆变计算原理调制比M：M=Urm/UcmUrm:调制正弦波的幅值Ucm：调制三角波（载波）幅值输出原理输出电压Uo的基波频率F1等于正弦波（调制）的频率Fr，输出电压的大小，由调制比M决定，