毕业设计（论文）-单极性脉冲电源的设计.doc

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1、I 目 录 第第 1 1 章章 绪论绪论.1 1.1 脉冲电源发展动态.1 1.2 脉冲电源的特点.1 1.3 脉冲电源的优点.2 1.4 脉冲电源的分类.2 1.5 脉冲电源使用局限性.2 1.6 本论文研究内容和特点.2 1.7 设计技术指标.3 第第 2 章章 脉冲电源总体结构脉冲电源总体结构.4 2.1 概述.4 2.2 脉冲电源工作原理和系统框图.4 2.3 主电路设计.5 2.4 控制电路的设计.6 2.5 设计方案的确定.7 第第 3 3 章章 主电路的设计主电路的设计.10 3.1 概述.10 3.2 整流电路的设计10 3.3 斩波电路的设计.13 3.4 滤波电路的选择.2

2、0 3.5 参数计算及选型.21 第第 4 章章 控制电路部分设计控制电路部分设计.27 4.1 控制部分介绍.27 4.2 单片机介绍.27 4.3 脉冲电流幅值检测电路.28 4.4 过流过压保护电路.31 4.5 过零检测的设计.33 第第 5 章章 软件部分设计软件部分设计.36 5.1 数字 PID 算法.36 5.2 软件流程图.41 第第 6 6 章章 总结总结.46 参考文献参考文献.47 外文资料原文外文资料原文.48 外文资料翻译外文资料翻译.59 致谢致谢.66 附录附录.67 1 第1章 绪论 1.1 脉冲电源发展动态 脉冲电源的形式和用途有多种，其主要的应用领域包括:

3、脉冲电镀、极性相和非极性 相的相分离、工业废气处理、脉冲电解污水处理、高频脉冲感应加热、高功率激光泵、 产生高功率带电粒子束、电弧焊接、电火花加工、静电除尘、臭氧的制取和表面热处理 等。在军事上，脉冲电源还用于电磁轨道炮、电磁脉冲模拟、粒子束武器、液电爆炸等 领域。不同的应用场合，对电源的输出电压、输出电流及开关频率的要求不同。按照输 出特性的不同，可以将脉冲电源分为能量密度型、时间间隔型和组合型三类。控制凝固 过程用脉冲电源属于组合型，它对能量密度和时间都有要求。 脉冲电源的发展在促进开关器件发展的同时受制于开关器件的发展，尤其是大功率 脉冲电源更是依赖于开关器件的发展。随着GTO等自关断器

4、件的出现，产生了斩波型脉 冲电源。斩波型脉冲电源的原理是将前级的直流经过大功率开关器件控制后，输出周期 和占空比由开关器件控制脉冲决定的大功率脉冲输出。这类电源的最突出缺点是输出与 输入不隔离，对电网的污染太严重。如果增加输入隔离变压器，由于电源功率太大，使 得变压器的体积巨大。另外的一个缺点就是由于开关器件工作频率的限制，使得脉冲电 源输出的频率很低。随后出现的开关器件IGBT由于它本身的优点，使得研制逆变型脉冲 电源成为可能。IGBT的高工作频率可以使隔离变压器体积大大减小，同时可以提高脉冲 输出的频率。 就目前国内外发展来看，等离子热处理用脉冲电源的主要发展方向是逆变型的大功 率脉冲电源

5、，一些新的器件的出现，会提高脉冲电源系统的性能但不会改变电源系统的 逆变主电路拓扑。应用于热处理的脉冲电源，国外的成熟产品中有300kW以下的一系列 逆变型脉冲电源。但国内相关成熟产品只能达到50kW.因此，研制IOOkW以上的逆变型脉 冲电源具有很高的实用价值。 1.2 脉冲电源的特点 与传统直流电源相比, 脉冲电源就是其输出直流波形、频率、占空比和平均电流密 度等参数均可根据电镀需要设定的直流电源, 其特点可概括为: 1）频率（f）、占空比（D）连续可调； 2) 波形特殊(例如方波等)。 脉冲电源的这些特点在生产中的实际意义就是, 在电镀过程中, 脉冲电源可通过改 变其输出波形的频率、占空

6、比和平均电流密度, 来改变电镀槽中金属离子电沉积过程, 使电沉积过程在较宽范围内变化, 从而可获得均匀致密较为理想的镀层。例如在印制线 路板行业(PCB) 中, 使用脉冲电源电镀, 可提高其深镀能力, 使镀层均匀、致密、不脱 落。 2 1.3 脉冲电源的优点 脉冲电源作为电镀电源, 主要有以下优点: 1) 镀层孔隙率低, 致密性好, 抗蚀性高。 2) 降低原材料损耗, 提高生产效率。 3) 镀层应力低, 成分稳定, 深镀能力强。 1.4 脉冲电源的分类 脉冲电源从波形分析看, 一般有以下几种: 1) 正弦波脉冲电源; 2) 锯齿波脉冲电 源; 3) 方波脉冲电源; 4) 多波形脉冲电源; 5)

7、 周期换向型脉冲电源。1) 4) 均为 单脉冲电源, 换向型脉冲电源亦称双脉冲电源。 在实际使用中, 方波脉冲电源使用较为普遍, 多用于无特殊要求的镀金、银、镍场 合, 多波形脉冲电源多应用于合金类表面硬质氧化场合, 例如铝的硬质氧化, 而双脉冲 电源为新近发展的新颖脉冲电源,是对于表面要求高的场合较为理想的电源, 如精密仪 器、电子元件陶瓷基片表面处理。 1.5 脉冲电源使用局限性 上面简要说明了脉冲电源作为电镀电源使用的特点和使用方法, 但并非脉冲电源在 任何场合使用都能获得较为理想的表面, 脉冲电源也存在一定的局限性, 主要表现在以 下几个方面: 1) 脉冲电源虽然在表面能形成致密均匀的

8、镀层, 但在要求工件表面镀层较厚的场 合效果并不理想, 效率低。一般情况下,2030cm以上镀层用其它直流电源电镀比脉冲 电源理想。 2) 脉冲电源在较为复杂的表面(例如首饰、插件) 能形成较为均匀的镀层, 保持工 件原有机械形状, 但在深镀能力上不理想, 电流效率较低, 例如深孔电镀,PCB 行业中 孔径比较大的印制板电镀, 虽然表面质量较为理想, 但会出现镀层厚度不一致的现象。 3) 脉冲电源工作时, 在电镀槽中产生变流低频振荡会引起部分有机类添加剂分解, 造成镀液污染,故在脉冲电源使用场合, 最好不使用有机添加剂。 4) 电流效率低, 在对工件表面要求不高、镀层较厚、单产产量大的贵金属电

9、镀中, 使用脉冲电源效果比用低纹波高频开关电源要逊色。综上所述, 随着科技进步, 电子、 通信、信息等尖端高科技工业的发展, 电镀脉冲电源的应用将越来越广泛, 合理使用脉 冲电源必将对我国金属表面处理行业的发展起到很大的促进作用。 1.6 本论文研究内容和特点 本课题主要进行以下几方面的工作： (1)硬件电路制作和实验研究完成主电路、控制电路、驱动电路和保护电路的制作， 进行实验装置的实验研究，形验证设计的正确性。 3 (2)软件设计 针对所采用的控制算法，设计出控制软件:完成控制电路其他辅助功能的程 序。 1.7 设计技术指标 (1)、输入参数 电压：3AC 380V 50Hz (2)、输出

10、参数 脉冲电流频率：1001000Hz连续可调 脉冲电流幅值：0100A连续可调 脉宽：100200s连续可调 输出电压：015V 频率误差：0.5% 脉宽误差：1% 幅值误差：0.3% (3)、控制系统以凌阳16片机作为控制核心； (4)、采用三相全控整流电路，整流桥选用SCR功率元件； (5)、斩波器主电路功率元件采用IGBT. 4 第第2 2章章 脉冲电源总体结构脉冲电源总体结构 2.1 概述 根据系统的运行环境选择合理的方案、研究有效可靠的电路和先进的系统控制算法 是脉冲电源总体研究的主要任务，本章分析了脉冲电源的组成和工作原理。 三相整流电路将三相交流电经三相全控整流桥后变为电压可控

11、的直流脉动电压，在 经直流滤波器之后变为平直的直流电压。斩波电路的关键是功率器件的驱动、和各种快 速完善的保护功能。控制电路是整个系统的核心，主要完成对整流桥的晶闸管的触发角 的控制，对电流脉冲的幅值根据PID算法进行闭环控制，对电流脉冲的频率和宽度，根 据给定信号进行调节。大功率脉冲变压器主要是传递脉冲电压，输出大幅值脉冲电流。 该电源中脉冲变压器的特点是功率大，副边为低电压大电流。 2.2 脉冲电源工作原理和系统框图 根据脉冲电源系统的组成原理给出脉冲电源的工作原理略图，如下图 三相全控 整流桥 滤波电路 降压斩波 电路 负载 触发角 控制 f T控制 信号采集 转换 单 片 机 输入给定

12、 输入给定 输入给定 图 2-1 工作原理图 本设计的最终目标是实现输出脉冲宽度、频率和幅值的连续可调，所以首先应考虑 到的是将三相交流电经过处理后转换成直流的，且是以脉冲的形式输出。并且，要求输 出的脉冲幅值在一定范围内连续可调，并是通过单片机控制的，这就要从输出端采集信 5 息，通过与给定的信号相比较候，输送给单片机，由单片机控制整流部分的触发角，由 此形成一个闭环控制回路，以达到控制输出脉冲幅值的目标。对于输出脉宽的调制，则 可通过调节斩波环节的占空比，实现对输出脉宽的调节。所以可以把要设计的脉冲电源 分成三个主要的部分：整流部分、滤波部分和斩波部分。 2.3 主电路设计 2.3.1 整

13、流电路的选择 整流电路从不同的角度有多种不同的分类，按组成的器件可分为不可控、半控、全 控三种。考虑到本次设计所要实现的目标，即通过控制三相整流桥的移向触发角的要求， 所以，选择三相桥式全控整流电路。主电路输入 380v 50Hz 工频交流电，可通过改变触 发控制角输出直流可调电压，以达到脉冲电流幅值可调的目的。 C2 C6 R6 G1G3G5 G4 G6G2 K1K3 K5 K4 K6 K2 2/D9 2/E9 2/E9 2/F9 2/F9 2/G9 2/G9 2/H9 2/H9 2/I9 2/I9 2/J9 图 2-2 整流主电路图 由图2-2可以看出，在任意时刻电路必须有两个晶闸管同时导

14、通，其中一个属于共 阴极组，另一个属于共阳极组，每个晶闸管的最大导通角为120.晶闸管之间的换相是 在同一结构组中进行的，即共阳极与共阳极的晶闸管换相，共阳极与共阴极的晶闸管换 相。在这种电路中一般采用双脉冲或宽脉冲的触发方式保证每隔600导通一个晶闸管。 2.3.2 滤波电路的选择 在大多数电子设备中，整流电路都要加接滤波电路，以减小整流电压的脉动程度， 适合稳压电路的需要。 (1)电容滤波电路 最简单也是最常用的滤波电路就是在负载上并联一个电容器，利用电容器充放电时 6 端电压不能跃变的特性使直流输出电压稳定。 (2)电感滤波电路 电感滤波电路则是在负载上串联一个电感线圈，由于通过电感线圈

15、的电流发生变化 时，线圈中要产生自感电动势阻碍电流的变化，因而使负载电流和负载电压的脉动大为 减小。频率愈高，电感愈大，滤波效果愈好，所以一般用于高频场合。 (3)复式滤波电路 LC滤波器，适用于电流较大、要求输出电压脉动很小的场合，用于高频时更为合适。 形LC滤波器，滤波效果更好。由于电感线圈体积大而笨重，成本又高。 用电阻替代电感的形RC滤波器，可以达到同样的滤波效果，但由于电阻上有直流 压降，因此主要适用于负载电流较小的场合。 通过对上述几种主要的滤波电路的分析，所以本次设计采用电容滤波电路，滤波电 容容量大，因此一般采用电解电容，在接线时要注意电解电容的正、负极。电容滤波电 路利用电容

16、的充、放电作用，使输出电压趋于平滑。 2.3.3 斩波电路的选择 斩波电路设计的关键是开关元件的选择，在本次设计中，选择的是IGBT。在选定了 IGBT作为开关元件后，还要对其驱动和保护电路作进一步的分析。 IGBT比VDMOSFET多一层P+注入区，因而形成了一个大面积的P+N结。这样使得IGBT 导通时由P+注入区向N基区发射少子，从而对飘移区电导率进行调制，使得IGBT具有很 强的通流能力。IGBT的驱动原理与电力MOSFET基本相同，它是一种场控器件。其开通和 关断是由栅极和发射极间的电压决定的，当电压为正且大于开启电压时，IGBT导通；当 栅极和发射极间施加反向电压或不加信号时，IG

17、BT关断。同时，IGBT的保护也是一个重 要环节。在进行电路设计时，应针对影响IGBT可靠性的因素，有的放矢的采取相应的保 护措施，其中包括：栅极的保护、集电极与发射极间的过压保护、集电极电流过流保护、 过热保护等。 2.4 控制电路的设计 本系统硬件电路主要由以下几个部分组成：微处理器、脉冲输出电路、开关量输入 输出、A/D 转换电路、电压、电流检测电路等几部分组成。本设计计划用凌阳 16 位单 片机作为控制核心，控制整个系统得工作，对系统外面的输入信号进行处理，通过计算 输出脉冲波形控制整流单元的正常工作。通过检测电路检测到的电流幅值反馈信号，送 到整流单元控制电路控制整流桥的触发角，输出

18、不同幅值的脉冲电流，达到输出电流幅 值可调。脉宽和频率由电位器输出模拟电压值给定，模拟电压送入微处理器，由微处理 器内置 A/D 转换器将其转换成数字信号，由该数字信号决定输出电流脉冲的脉宽、频率。 随着单片机功能集成化的发展，其应用领域也逐渐地由传统的控制，扩展为控制处 7 理、数据处理以及数字信号处理（DSP，Digital Signal Processing）等领域。凌阳的 16位单片机就是为适应这种发展而设计的。它的CPU内核采用凌阳最新推出的nSP （Microcontroller and Signal Processor）16位微处理器芯片（以下简称nSP） 。 围绕nSP所形成的

19、16位nSP系列单片机（以下简称nSP家族）采用的是模块 式集成结构，它以nSP内核为中心集成不同规模的ROM、RAM和功能丰富的各种外设 接口部件。 对于此次设计的控制环节，主要是就是由凌阳 16 位单片机控制实现的。通过单片 机对整流电路对的移向触发角和对斩波电路开关元件的通断的控制，实现对脉冲电流幅 值、频率、脉冲宽度的闭环控制。 2.5 设计方案的确定 设计方案比较 方案一 ： 本设计方案拟定主电路的整流环节采用三相半波可控整流电路。整流电路中的三个 晶闸管采用的是共阴极的接法，三个阳极分别接到变压器的二次侧，变压器为三角形/星 形连接。共阴极接法时，触发电路有公共点，接线比较方便，应

20、用更为广泛。 当此电路后面接的是电阻性负载时，可以分析的除以下的结论： 当 =0o时，整流输出电压平均值 Ud最大。增大 ,Ud减小，当 =150o时， Ud=0。所以带电阻性负载的三相半波可控整流电路的 移相范围为 0150。当 30o时，负载电流是连续的，各晶闸管每周期轮流导电 120o，即导通角 T=120o.输 出电压的平均值 Ud为 5 6 2 6 1 2sin 2 /3 d tdt UU 2 1.17cos 030 oo U 当 30o时，负载电流断续， 150 o 2 6 1 2sin 2 /3 d tdt UU 2 1 cos 1.17 3 30 30150 o oo U 负载

21、电流的平均值 d d d U I R 流过每个晶闸管的电流平均值 1 3 dTdII 通过每个晶闸管的电流的有效值为 8 当 时 30 o 2 123 cos2 232 T d U I R 当 时 30150 oo 2 1531 cos2sin2 2644 T d U I R 当为大电感负载时，大电感负载的三相半波可控整流电路在 30o时，ud的波形 和电阻性负载时相同，因为两种负载情况下，负载电流均连续。当 30o时，ud的波形 中出现负的部分，若 增大，ud的波形中负的部分将增多，至 =90o时，ud的波形中 正负面积相等，ud的平均值为零。可见阻感负载时 的移相范围是 90o。 三相半波

22、可控整流电路的主要缺点在于其变压器的二次电流中含有支流分量，为此， 在此次设计中并没有选择三相半波可控整流电路作为主电路的整流环节。 方案二: 在斩波电路的设计过程中，对于控制斩波电路的元器件的选择是个非常重要的环节。 首先考虑的是 GTO。门极可关断晶闸管(Gate Turnoff Thyristor)简称 GTO。它具 有普通晶闸管的全部优点,如耐压高、电流大等。同时它又是全控型器件,即在门极正脉 冲电流触发下导通,在负脉冲电流触发下关断。GTO 被广泛应用于电力机车的逆变器、电 网动态无功补偿和大功率直流斩波调速。 GTO 的工作原理 GTO 的内部结构与普通晶闸管相同,都 PNP 四层

23、三端结构,但在制作时采用特殊的工 艺使管子导通后处于临界饱和,而不像普通晶闸管那样处于深度饱和状态,这样可以用门 极负脉冲电流破坏临界饱和状态使其关断。GTO 的伏安特性与普通晶闸管相同。 GTO 主要用于直流变换和逆变等需要元件强迫关断的地方。其开关时间在几 s 至 25s 之间,工作电压高达 6000V,电流达 6000A,适用于开关频率为数百 Hz 至 10kHz 的大 功率场合。 GTO 的特性 GTO 的特性与 SCR 大多相同,但也有其特殊性。 (1)用门极正脉冲可使 GTO 开通,门极负脉冲可以使其关断,这是 GTO 最大的优点。但 要使 GTO 关断的门极反向电流比较大,约为阳

24、极电流的 1/5 左右。尽管采用高幅值的窄 脉冲可以减小关断所需的能量,但还是要采用专门的触发驱动电路。 (2)GTO 的通态管压降比较大,一般为 23V; (3)GTO 有能承受反压和不能承受反压两种类型,在使用时要特别注意。 其次考虑的是 GTR。 电力晶体管(Giant Transistor)简称 GTR,是一种双极型大功 率高反压晶体管。它具有自关断能力、控制方便、开关时间短、高频特性好、价格低廉 等优点。GTR 经历了双极单个晶体管、达林顿管和 GTR 模块等发展阶段。目前 GTR 的容 量已达 400A/1200V、1000A/400V,工作频率可达 5kHz,因此被广泛用于不停电

25、电源、中 频电源和交流电机调速等电力变流装置中。 在电力电子技术中,GTR 主要工作在开关状态,我们希望它在电路中的表现接近于理 9 想开关,即导通时的管压降趋于零,截止时的电流趋于零,而且两种状态间的转换过程要 足够快。给 GTR 的基极施加幅度足够大的脉冲驱动信号,它将工作于导通与截止的开关 工作状态,在两种状态的转换过程中 GTR 快速地通过有源放大区。为了保证开关速度快、 损耗小,要求 GTR 饱和压降 UCES小,电流增益 值要大,穿透电流 ICEO要小以及开通与关 断时间要短。 GTR 和 GTO 都是双极型电流驱动的器件，由于具有电导调制效应，所以其通流能力 很强，但开关速度较低

26、，所需驱动功率大，驱动电路复杂。而电力 MOSFET 是单极型电 压驱动器件，开关速度快，输入阻抗高，热稳定性好，所需驱动功率小，而且驱动电路 简单。将这两种器件相互取长补短适当结合而成的复合器件，通常称为 Bi-MOS 器件。 绝缘栅双极晶体管 IGBT 综合了 GTR 和 MOSFET 的优点，因而具有良好的特性。 通过以上的比较分析，可以得出 IGBT 的性能要更为良好的结论，所以，在设计工作 中选择其作为斩波电路的功率开关元件。 10 第3章 主电路的设计 3.1 概述 主电路的主要功能是把从电网引进来的三相 380V 交流电，经过一系列的处理后， 得到任务所要求达到的目的，即最后输出

27、的应该是脉冲形式的信号（电压信号或电流信 号） 。在本次设计中，主电路部分主要是由三相桥式全控整流电路、阻容滤波电路和降 压斩波电路组成。 3.2整流电路的设计 3.2.1 晶闸管可控整流电路 能够直接将交流电能转换为直流电能的电路称为整流电路。在生产实际中,如直流 电动机的调速、同步电机的励磁、电镀、电焊等往往需要电压可调的直流电源。利用晶 闸管的可控单向导电性,就可以很方便地组成可控整流装置,把交流电能变成大小可调的 直流电能。 晶闸管可控整流电路的电路类型很多,按照交流电源的相数,可分为单相、三相和多 相整流电路;根据整流电路的结构形式,又可分为半波、全波和桥式(含全控桥式和半控桥 式)

28、等类型。另外,整流输出端所接负载的性质也对整流电路的输出电压和电流有很大的 影响,常见的负载有电阻性负载、电感性负载和反电势负载几种。 晶闸管可控整流装置具有体积小、效率高、容量大、控制方便等优点,是目前主要 的可控直流电源,得到了广泛的应用。 3.2.2 三相可控整流电路 当负载容量较大时,若采用单相可控整流电路,将造成电网三相电压的不平衡,影响其 他用电设备的正常运行,因此必须采用三相可控整流电路。实际中,由于三相可控整流电 路输出电压脉动小、脉动频率高,网侧功率因数高以及动态响应快,在中、大功率领域中 获得了广泛的应用。 3.2.3 三相全控桥式整流电路 三相全控桥式整流电路是由一组共阴

29、极接法的三相半波可控整流电路和一组共阳极 接法的三相半波可控整流电路串联起来组成的,如图 3-1 所示。为了便于表达晶闸管的导 通顺序,把共阴极组的晶闸管依次编号为 T1、T3、T5,而把共阳极组的晶闸管依次编号为 T4、T6、T2。整流变压器的原边和二次侧分别接成三角形接法和星形接法，为的目的 11 是得到零线，并且使防止三次谐波流入电网。为节省篇幅,本节只介绍全控桥电路带大电 感负载的情况。 C2 C6 R6 G1G3G5 G4 G6G2 K1K3 K5 K4 K6 K2 2/D9 2/E9 2/E9 2/F9 2/F9 2/G9 2/G9 2/H9 2/H9 2/I9 2/I9 2/J9

30、 图 3-1 三相桥式整流电路 1. 工作原理 图 3-2(b)(e)为带大电感负载的三相全控桥式整流电路在 =0时 电流电压波形。由三相半波电路的分析可知,共阴极组的自然换流点(=0)在 t1、t3、t5 时刻,分别触发 T1、T3、T5 晶闸管,同理可知 共阳极组的自然换流点(=0)在 t2、t4、t6 时 刻,分别触发 T2、T4、T6 晶闸管。为了分析方便,把交 流电源的一个周期由六个自然换流点划分为六段,并假 设在 t=0 时电路已在工作,即 T5、T6 同时导通,电流波 形已经形成。 在 t1t2 期间,A 相电压为正最大值,在 t1 时 刻触发 T1,则 T1 导通,T5 因承受

31、反压而关断。此时变成 T1 和 T6 同时导通,电流从 A 相流出,经 T1、负载、T6 流回 B 相,负载上得到 A、B 线电压 uAB。在 t2 t3 期间,C 相电压变为最负,A 相电压仍保持最正,在 t2 时刻触发 T2,则 T2 导通,T6 关断。此时 T1 和 T2 同时 导通,负载上得到 A、C 线电压 uAC。在 t3t4 期 间,B 相电压变为最正,C 相保持最负,t3 刻触发 T3,T3 导通,T1 关断。此时 T2 和 T3 同时导通,负载上得到 B、 C 线电压 uBC。依此类推,在 t4t5 期间 T3 和 T4 12 导通,负载上得到 uBA。在 t5t6 期间,T

32、4 和 T5 导 通,负载上得到 uCA。在 t6t7 期间,T5 和 T6 导通, 图 3-2 工作原理 负载上得到 uCB。从 t7 时刻起又重复上述过程。在 一个周期内负载上得到如图 3-2(d)所示的整流输出电压波形,它是线电压波形正半部分的 包络线,其基波频率为 300Hz,脉动较小。 当 00时,输出电压波形发生变化,图 3-3(a)、(b)分别是 =30、90时的波形。 由图中可见,当 60时,ud 波形均为正值;当 60UGE(TH)(开启电压,一般为 36V)时, IGBT 开通,其输出电流 IC 与驱动电压 UGE 基本呈线性关系。当 UGEIL 时,C 被充电。因为流过电

33、容的电流在一周期内的平均值为零,那么在 T/2 时间内 电容充电或放电的电荷量可用波形图中阴影面积来表示,即 1 22228 L L DTTDTT Q I I 纹波电压的峰-峰值 Uo 为 o Q C U D D= 并将式(4.1.11)代入得 88 LL o T CfC II U DD D= ()()() 222 11 888 odo do o d DDD LCLCLC U UUUU U fff U - D= 所以,电流连续时的输出电压纹波为 2 2 2 1 1 2 8 o o D C D LC f U Uf f 上式中 f=1/T 是 Buck 电路的开关频率,是电路的截止频率。它表明通过

34、 1 2 C LC f p = 选择合适的 L、C 值,在满足 fc (23)V kedm 其中 V 为晶闸管承受的最大正反向峰值电压， m 在本设计中 V =53V m2 6U621.37 V (23)V 159V kedm 2. 晶闸管额定电流 IT 晶闸管额定电流的计算原则是必须使额定电流 I 大于实际流过晶闸管的电流平均值 T I.考虑过载系数，通常取 12 倍。 avT K=0.599 () 220.5992023.96 T AVId A IK = () 1.5737.62 TNT AV A II = 取 40 TNI = 所以 晶闸管选取 KP40 型号 3.5.4 晶闸管的保护

35、晶闸管在使用中，因电路中电感的存在而导致换相过程产生 Ldi/dt，或系统自身出 现短路、过载等故障.所以要做好晶闸管的过电压、过电流保护。 1 晶闸管的过电压保护 24 常见的晶闸管过电压有交流侧过电压和直流侧过电压. (1) 交流侧过电压阻容保护 下图给出阻容保护常用的接线图，其中电阻R、C用下面关系式近似计算： a 交流侧得阻容保护星型接法 b 交流侧的阻容保护三角形接法 图3-15 交流测的阻容保护接法 R= 0 2 2 3 . 2 I U S U Z 10 5 12240 50 3 . 2 2 49 . 2 = 2 2 0 6 U S IC 2 50 12240 1 . 0694 .

36、 2 F 式中:U 整流变压器的阻抗电压，以额定电压的百分数表示，对于本设计，U ZZ = 4%10%; Io变压器空载电流，以额定电流的百分数表示，对于本设计，Io=4%10% U 变压器二次相电压有效值(V); 2 S 变压器每相的平均视在容量(VA)。 阻容保护三角形连接时，电容器的电容量小但耐压要求高联接时，阻容保护星形连 接时，电容器的电阻值要大但耐压要求低、电阻值也小，通常增大 C 能降低作用到晶闸 管上的过电压 L di/dt 和 dv/dt，但过大的 C 值不仅增大体积，而且使 R 的功耗增大，并 使晶闸管导通时的 di/dt 上升。增大电阻 R 有利于抑制振荡但过大的 R 不

37、仅使抑制振荡 的作用不大，反而降低了电容抑制 Ldi/dt 的效果,并使 R 的功率增大，所以一般希望 R 小一些(约 5100)。为降低电阻的温度电阻功率应选电阻上可消耗功率值的 2 倍左右。 电容的耐压=130V C U5 . 15035 . 1 阻容电流：=0.12A C I C fCU2130 10 1 94 . 2 5014 . 3 2 6 电阻的功率=0.22W 2 2 6RIC94 . 2 12 . 0 6 2 选用的电容为：5/200VF 25 选用的电阻为：0.5/0.25W (2) 非线性阻容吸收装置保护（压敏电阻） 压敏电阻 RV 的选择 U=168V mA12 2 8

38、. 0 U 5032 8 . 0 1 . 1 选用压敏电阻的型号为：MYD14K271 (3)、直流侧过电压阻容保护 直流侧过电压保护一般采用在晶闸管两端并联阻容吸收的方法。吸收电阻与吸收电 容的经验计算公式为: =(24)=(24) =0.1150.23F K C 3 10 1 T I 3 10 1 7 . 57 电容耐压=130V C U5 . 15035 . 1 R=1030 K 阻容电流：=0.12A C I CKU fC2130 10 1 94 . 2 5014 . 3 2 6 电阻的功率取 0.25W 选用的电容为：0.5/200VF 选用的电阻为：20/0.25W 2 晶闸管的过

39、电流保护 本设计采用与元件串联的快速熔断器作过载与短路保护。 快速熔断器的选择 通过晶闸管电流有效值 IT=58A, 故选用 RLS-70 的熔断器，熔体电流为 70A。 3.5.5 阻容滤波电路的参数计算 在三相桥式全控整流电路中，输出直流的基波脉动频率为 300Hz。为了保证整流输 出电压为一平直电压，滤波电路的时间常数，即滤波电容器和直流电源的等效负载电 d C 阻的乘积应远远大于整流输出电压的基波脉动周期，实际应用中一般取 6-8 倍即可。R d 即： =（68）/300=（2027） ddR CS 3 10 26 得： =（2027） d CF Rd 1 103 取=10100 d

40、R 则 =2002000 d CF 实际中选用 =2000 d CF 滤波电容的耐压值按整流最大输出电压选取，即 117V.实际取用耐压为 450V.限流 电抗器的参数计算的作用主要是限流，限制流过晶闸管的电流尖峰，改善网侧功 d L d L 率因数。一般可以按照下面的式子进行计算求取： d L =(2023) ddC LFmH 3 10 则 =（2023）=1011.5 d L d C 3 10 mH 因此可以按照 10，100A 选择。 d LmH 在选用和时,除了考虑限流、滤波功能外，还需要考虑到在电源额定工作状态 d L d C 下，斩波器因某种原因突然停止工作时，储存在中的能量将转移

41、到中，此过程会 d L d C 使端电压升高，此电压则直接加到 IGBT 上，因此选择时也不能取的太大。值应 d C d L 该满足: d L （k-1） 2 2 d dd d I UC L 2 其中 k 为升压系数，一般取 1.2。如果与的取值不能满足上面的关系式则需要适当 的增大或者减小. d C d L 本设计中 : （k-1） =80 2 2 d dd I UC 2 mH 因此前面的取值在 10合理范围内，无需调整。mH 27 第第4 4章章 控制电路部分设计控制电路部分设计 4.1 控制部分介绍 本设计的控制部分，主要是通过单片机，实现对整流电路的控制，具体的是对整流 电路中晶闸管的

42、触发角 的大小的控制，以此以达到设计的要求，即对输出脉冲的幅 值的控制。首先是从负载检测输出的脉冲电流的幅值，然后将其转换成电压信号送入单 片机，同时将其与给定输入的电压信号进行比较，通过 PID 运算，以确定最后输出的脉 冲满足任务的要求。 4.2 单片机介绍 本次设计要用到的单片机是凌阳16位单片机。凌阳16 位单片机的CPU 内核即为凌 阳最新推出的nSP (TM )16位微处理器(以下简称nSP(TM ) 芯片,它构成了SPCE 系 列单片机(以下简称SPCE) 。SPCE 除了数据总线被增至16位而大大提高了操作速度以外, 还特别地被赋予了数字信号处理DSP (Digital Sig

43、nal Processing) 功能。SPCE 可以在较宽 的电源电压范围内工作, 并且工作频率范围 可从0. 375MHz 到24. 576MHz 。另外,SPCE 把巨大的硬件资源封装在一个芯片里。其中有32k字的 快速ROM和256k字的常速ROM以及2k字的静态RAM , 另外还有充足的I/ O口和红外通讯接口、RS - 232通用异步串行接口、双16位的定时器/计数器、32768Hz实时时钟、低电压复位/监测系统、10位模 数/数模转换以及内置式带自动增益控制的扩音器等等。 SPCE的主要特点如下: 集成度高、体积小且有很高的可靠性。SPCE把各功能部件全部集成在一个芯片里。 其内部

44、采用总线结构, 因而减少了各功能部件之间的连线, 大大提高了可靠性和抗干扰 能力。另外, 小体积在强磁场环境下易于实现屏蔽,适合于在恶劣环境下工作。 低功耗、低电压。SPCE采用CHMOS制造工艺, 同时增加了软件激发的空闲方式, 极 大地降低了功耗。另外,SPCE的工作电压范围很宽,能在低电压供电时正常工作,且能用电 池供电。这对于在野外作业的应用具有特殊意义。 性能价格比高。基于CPU内核 nSP (TM )的指令系统可提供较高运算速度的16位 乘法运算指令和16位内积运算指令, 这些指令运用在复杂的数字信号处理(DSP)方面, 既 便利又比专用的DSP芯片廉价, 故SPCE在数字信号处理

45、及语音识别系统的应用领域显得 很有特点。 28 适合各种控制应用, 尤其应用在小型实时控制领域。SPCE具有很强的中断处理能力, 在实时控制中力显神通。 高效率的指令系统使得SPCE 在逻辑控制、开关量控制以及顺序控制中得以广泛应 用。SPCE的指令可以直接设置I/ O口的工作模式和I/ O口的操作。另外,SPCE的指令格式 紧凑、执行迅速。 片内带有多功能的I/ O口。SPCE内部有1个用作异步通信接口的全双工串行接口, 可实现多机通信或组成分布式控制系统。另外,SPCE内部还配有红外收发通信接口, 可用 于近距离的双机通信或制作遥控装置。SPCE内的A/ D 、D/ A 转换接口使其更方便

46、地运 用于实时测量和控制系统中, 并可与用户系统友好地交互。 4.3 脉冲电流幅值检测电路 29 由设计任务的要求可以知道，本设计的一个重要环节就是要实现输出脉冲电流幅值 的连续可调。所以，在这次设计中，我就对脉冲电流的幅值运用了闭环的控制方式，即 通过将输出信号引入单片机，与给定的信号进行比较，从而控制输出的信号达到设计任 务的要求。 4.3.1 霍尔传感器 由于设计输出的是电流信号，并且是对电流信号进行闭环控制，因此输入单片机的 理论上应该是电流信号，但是，由于单片机只能接收电压信号，所以应该考虑把电流信 号转换成电压信号。而且，电流信号转换成电压信号的方法很多，在这里，我选择了用 30

47、霍尔传感器实现对电流信号向电压信号的转换。 霍尔传感器的原理 霍尔传感器是一种有源的电子互感器，它的突出优点在于把普通互感器与霍尔元件、 电子电路有机的结合起来，既发挥了普通互感器的测量范围宽的优点，又利用了电子电 路反应快的长处，可进行直流、交流、脉动电流的测量。图为补偿式霍尔电流传感器的 原理图。用图示结构的磁路，让载流体周围的磁通集中穿过霍尔元件，同时在霍尔元件 电流端子通以规定的电流，则霍尔元件就产生霍尔电势。将此电势放大后输入铁心补偿 线圈。当补偿线圈产生的磁通完全补偿被测电流产生的磁通时，补偿线圈中的电流将按 比例反映被测电流的数值。图中被测电流为I，原边的安匝数为I1安匝，设补偿

48、线圈为N 匝，补偿电流为Io,则在安匝数平衡时有：I1=Io1, Io可通过取样电阻R转换成电压输 出，则R两端电压为Uo=IoR=IR/N.显然，Uo与被测电流I成正比，只要测得Uo就可换算成 I。 4.3.2 LM324 芯片的应用 LM324 是四运放集成电路，它采用 14 脚双列直插塑料封装，外形如图所示。它的内部包含四组 形式完全相同的运算放大器， 除电源共用外，四组运放相互独立。每一组运算放大器可用图 1 所示 的符号来表示，它有 5 个引出脚，其中“+”、 “-”为两 个信号输入端， “V+”、 “V-”为正、负电源端， “Vo”为输出端。两个信号输入端中，Vi-（-）为反相输入端，表示运放 输出端 Vo 的信号与该输入 端的位相反；Vi+（+）为同相输入端，表示运放输出端 Vo 的信号与该输入端的相位相同。LM324