【正文】 型高智能化的元器件，特別是改善二次整流器件的損耗，并在功率 鐵 氧體（ Mn Zn)材料上加大科技創(chuàng)新，以提高在高頻率和較大磁通密度（ Bs)上海理工大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 7 下獲得高的磁性 能，而電容器的小型化也是一項關(guān)鍵技術(shù)。 SMT技術(shù)的應(yīng)用使得開關(guān)電源取得了長足的進展，在電路板兩面布置元器件，以確保開關(guān)電源的輕、小、薄。開關(guān)電源的高頻化就必然對傳統(tǒng)的 PWM 開關(guān)技術(shù)進行創(chuàng)新，實現(xiàn) ZVS、ZCS 的軟開關(guān)技術(shù)已成為開關(guān)電源的主流技術(shù)，并大幅提高了開關(guān)電源的工作效率。對于高可靠性指標(biāo)，美國的開關(guān)電源生產(chǎn)商通過降低運行電流，降低結(jié)溫等措施以減少器件的應(yīng)力，使得產(chǎn)品的可靠性大大提高。 模塊化是開關(guān)電源發(fā)展的總體趨勢，可以采用模塊化電源組成分布式電源系統(tǒng)，可以設(shè)計成 N＋ 1 冗余電源系統(tǒng)，并實現(xiàn)并聯(lián)方 式的容量擴展。針對開關(guān)電源運行噪聲大這一缺點，若單獨追求高頻化其噪聲也必將隨著增大，而采用部分諧振轉(zhuǎn)換電路技術(shù)，在理論上即可實現(xiàn)高頻化又可降低噪聲，但部分諧振轉(zhuǎn)換技術(shù)的實際應(yīng)用仍存在著技術(shù)問題，故仍需在這一領(lǐng)域開展大量的工作，以使得該項技術(shù)得以實用化。 電力電子技術(shù)的不斷創(chuàng)新，使開關(guān)電源產(chǎn)業(yè)有著廣闊的發(fā)展前景。 第 二 章 設(shè)計要求與設(shè)計思路 設(shè)計要求 將 現(xiàn)代電力電子技術(shù) 中的整流、濾波、斬波技術(shù)， PWM脈寬調(diào)制技術(shù)，單片機技術(shù)，檢測技術(shù)等有機結(jié)合在一起， 以求達到所需 直流穩(wěn)壓電 源 的要求： 不僅在性能上做到效率高、噪聲低、高次諧波低、既節(jié)能又不干擾環(huán)境，還要在功能上實現(xiàn)數(shù)控化、自動化與智能化。 系統(tǒng)功能 通過對電源的編程 ,可以方便地實現(xiàn) 下圖 所示的電壓輸出波形。其中 ,V V T T d v、 dt 都是可以通過編程來設(shè)定的。電壓值的輸出范圍為 0～ 16 V ,最大輸出電流為 10 A。輸出電壓精度為 0. 1 V ,電流精度為 10 mA。電流的設(shè)定值指的是允許輸出的最大電流 ,也可以被編程為與輸出電壓一樣的波形。 上海理工大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 8 編程輸出電壓波形 通常 用戶可以通過 3種方式對電源進行輸 出設(shè)定 : ①通過電源面板上按鍵編程。通過按鍵對輸出電壓、電流限流值、時間等量進設(shè)定。 ②通過 PC 機串口編程。通過將 PC 機的串口 RS232 與電源串口相連 ,再運行 PC機上一串口通信的軟件對電源進行編程。 ③電源間相互編程。通過將兩臺電源的串口相連 ,操作其中一臺電源面板上的按鍵來對另一臺進行編程。操作的一臺電源叫做“主電源” ,被編程的電源叫做 “從電源”。在這種編程方式中 ,只能將從電源的參數(shù)設(shè)置為與主電源完全一致 ,而不能對各個參數(shù)進行單獨設(shè)定。一臺電源只能提供 100 W 的功率。這種方式可以應(yīng)用在需要較 大功率的場合 ,可將兩臺或多臺具有相同設(shè)置的電源輸出并聯(lián)來方便地實現(xiàn)功率擴展。 在本次設(shè)計中我將采用通過 PC機串口編程。 用單片機來控制開關(guān)電源 ,總的來說可以分為兩種 :第一種是單片機通過輸出 PWM 或 DA 給電源電路提供一個基準(zhǔn)電壓 ,單片機本身不介入電源的反饋中 。第二種為通過單片機輸出的 PWM 信號直接控制開關(guān)管工作 ,取代 PWM 芯片 ,但這種方式對單片機的要求較高 ,需要具有相當(dāng)高的時鐘頻率才能滿足對輸出 PWM 頻率和分辨率的要求 。 在我的這次畢業(yè)設(shè)計中采用的是 第 二 種用單片機 控制開關(guān)電源的方法 ,即 通過單片機輸出的 PWM 信號直接控制開關(guān)管工作 ,取代 PWM 芯片。 系統(tǒng)按模塊來分可以分成兩大模塊 :電源模塊和單片機控制模塊。電源模塊是以 整流濾波電路和穩(wěn)壓電路為主的直流穩(wěn)壓電 路 。單片機控制模塊采用單片機PIC16F877 作為微控制器 ,主要實現(xiàn)電流電壓信號的采樣、顯示、按鍵輸入、串口通信以及為電源模塊提供電壓電流參考等功能。兩個模塊的關(guān)系可以用下圖來說明。 工作原理圖 如 圖中 ,電網(wǎng)電壓經(jīng)整流濾波后供給高頻變換電路 ,由高頻 變換電路產(chǎn)生輸出。單片機輸出兩路 PWM 信號 ,給電源模塊提供輸出電壓的參考值和電流的限流值 ,電源模塊按照單片機提供的參考值輸出電壓和限定最大電流。雖然單片機采樣輸出電壓和電流進行顯示 ,但這里單片機并不參與系統(tǒng)的反饋 ,反饋通上海理工大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 9 過電源模塊來實現(xiàn)。 電源模塊 電路設(shè)計 直流穩(wěn)壓電源的組成和功能 在 上面的直流穩(wěn)壓電源框形 圖中，我們可以清楚地看出一個 直流穩(wěn)壓電源 主要由以下四個部分組成 ： 電源變壓器 的功能是功率傳送、電壓變換和絕緣隔離，作為一種主要的軟磁電磁元件，在電源技術(shù)中和電力電子技 術(shù)中得到廣泛的應(yīng)用。根據(jù)傳送功率的大小，電源變壓器可以分為幾檔： 10kVA 以上為大功率， 10kVA～ 為中功率， ～ 25VA 為小功率， 25VA 以下為微功率。 電源變壓器 在上圖中 將交流電網(wǎng)電壓 u1 變?yōu)楹线m的交流電壓 u2。 整流電路 是電力電子電路中最早出現(xiàn)的一種，它將交流電變?yōu)橹绷麟姡?大多數(shù)整流電路由變壓器、整流主電路和濾波器等組成。 20世紀(jì) 70 年代以后，主電路多用硅整流二極管和晶閘管組成。濾波器接在主電路與負(fù)載之間，用于濾除脈動直流電壓中的交流成分。變壓器設(shè)置與否視具體情況而定。變 壓器的作用是實現(xiàn)交流輸入電壓與直流輸出電壓間的匹配以及交流電網(wǎng)與整流電路之間的電隔離（可減小電網(wǎng)與電路間的電干擾和故障影響）。 整流電路 在上圖中將交流電壓 u2 變?yōu)槊}動的直流電壓 u3。 濾波電路 常用于濾去整流輸出電壓中的紋波 。 一般由電抗元件組成，由于電抗元件在電路中有儲能作用，并聯(lián)的電容器 C 在電源供給的電壓升高時，能把部分能量儲存起來，而當(dāng)電源電壓降低時，就把能量釋放出來，使負(fù)載電壓比較平滑，即電容 C 具有平波的作用；與負(fù)載串聯(lián)的電感 L,當(dāng)電源供給的電流增加（由電源電壓增加引起）時，它把能量儲存起來，而當(dāng) 電流減小時，又把能量釋放出來，使負(fù)載電流比較平滑，即電感 L也有平波作用。 濾波電路 在上圖中 將脈動直流電壓 u3轉(zhuǎn)變?yōu)槠交闹绷麟妷?u4。 穩(wěn)壓電路 是在輸入電壓、負(fù)載、環(huán)境溫度、電路參數(shù)等發(fā)生變化時仍能保持輸出電壓恒定的電路。這種電路能提供穩(wěn)定的直流電源，廣為各種電子設(shè)備所采用。 穩(wěn)壓電路在上圖中清除電網(wǎng)波動及負(fù)載變化的影響 ,保持輸出電壓 uo 的穩(wěn)定。 濾波 電路設(shè)計 電容濾波的三相橋式不可控整流電路的工作原理 為了適應(yīng)不同的工業(yè)要求， 整流濾波 電路形式各種各樣 ， 應(yīng)用十分廣泛 。整流電 路 按組成的器件可分為不可控、半控和全控三種，按電路結(jié)構(gòu)可分為橋式電路和零式電路，按交流輸入相數(shù)分為單相電路和多相電路，按變壓器二次側(cè)電流的方向是單相或雙相，又分為單拍電路和雙拍電路；實用電路是上述的組合結(jié)構(gòu) 。 整流電路按其組成器件可分為不控整流電路、半控整上海理工大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 10 流電路和全控整流電路。后兩種電路按其控制方式又可分為相控整流電路和斬波整流電路。相控整流電路由于采用電網(wǎng)換相方式，不需要專門的換相電路，因而電路簡單、工作可靠，得到廣泛應(yīng)用。但相控整流電路在控制用 α 較大時，功率因數(shù)較低，網(wǎng)側(cè)電流諧波含量較大。因而在大功率調(diào)速 傳動中，低速運行時，采用斬控整流電路可解決功率因數(shù)變壞的問題。濾波電路形式很多，為了掌握它的分析規(guī)律，把它分為電容輸入式（電容器 C 接在最前面）和電感輸入式（電感器 L 接在最前面）。前一種濾波電路多用于小功率電源中，而后一種濾波電路多用于較大功率電源中（而且當(dāng)電流很大時，僅用一電感器與負(fù)載串聯(lián)） 。 濾波電路一般由電抗元件組成，如在負(fù)載電阻兩端并聯(lián)電容器 C，或與負(fù)載串聯(lián)電感器 L，以及由電容，電感組成而成的各種復(fù)式濾波電路。 電容濾波電路利用電容的充、放電作用，不僅使輸出電壓趨于平滑，而且平均值也得到提高 。 。 根據(jù)上述 概念 在本次畢業(yè)設(shè)計中將采用電容濾波的三項橋式不可控整流電路。 電容濾波的 三相橋式不可控整流電路 在 電容濾波的 三相橋式不可控整流電路中 ， 當(dāng)某一對二極管導(dǎo)通時，輸出直流電壓等于交流側(cè)線電壓中最大的一個，該線電壓既向電容供電，也向負(fù)載供電。當(dāng)沒有二極管導(dǎo)通時，由電容向負(fù)載放電， ud 按指數(shù)規(guī)律下降。 設(shè)二極管在距線電壓過零點 δ 角處開始導(dǎo)通，并以二極管 VD6 和 VD1 開始導(dǎo)通的時刻為時間零點，則線電壓為 ： uab= U2sin(ωτ ＋ δ) 而相電壓為 ： ua= U2sin(ωτ ＋ δ － π/6) 在 ωt = 0 時，二極管 VD6 和 VD1 開始同時導(dǎo)通，直流側(cè)電壓等于 uab；下一次同時導(dǎo)通的一對管子是 VD1 和 VD2，直流側(cè)電壓等于 uac。這兩段導(dǎo)通過程之間的交替有兩種情況，一種是在 VD1和 VD2同時導(dǎo)通之前 VD6和 VD1是關(guān)斷的，交流側(cè)向直流側(cè)的充電電流 id是斷續(xù)的，如圖 1所示，另一種是 VD1 一直導(dǎo)通，交替時由 VD6 導(dǎo)通換相至 VD2 導(dǎo)通， id是連續(xù)的。介于二者之間的臨界情況是 ，上海理工大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 11 VD6 和 VD1 同時導(dǎo)通的階段與 VD1 和 VD2在 ωt ＋ δ ＝ 2π/3 處恰好銜接了起來，id恰好連續(xù)。由前面所述 “ 電壓下降速度相等 ” 的原則，可以確定臨界條件。 假設(shè)在 ωt ＋ δ ＝ 2π/3 的時刻 “ 速度相等 ” 恰好發(fā)生，則有 可得 這就是臨界條件。 ωRC 和 ωRC≤ 分別是電流 id 斷續(xù)和連續(xù)的條件。 圖2 給出了 ωRC 等于和小于 時的電流波形。對一個確定的裝置來講，通常只有 R是可變的，它的大小反映了負(fù)載的輕重。因此可以說，在輕載時直流側(cè)獲得的充電電流是斷續(xù)的，重載時是連續(xù)的，分界點就是 R= ／（ ωC ）。 上海理工大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 12 當(dāng) ωRC 時，交流側(cè)電流和電壓波形如圖 1所示，其中 δ 和 θ 的求取可仿照單相電路的方法。 δ 和 θ 確定之后，即可推導(dǎo)出交流側(cè)線電流 ia 的表達式，在此基礎(chǔ)上可對交流側(cè)電流進行諧波分析。由于推導(dǎo)過程十分繁瑣，這里不再詳述。 電容濾波的三相橋式不可控整流電路的基本數(shù)量關(guān)系 (1)輸出電壓平均值 空載時，輸出電壓平均值最大，為 。隨著負(fù)載加重，輸出電壓平均值減小，至 ωRC = 進入 id 連續(xù)情況后，輸出電壓波形成為線電壓的包絡(luò)線，其平均值為 Ud=?？梢?， Ud 在 ~ 之間變化。與電容濾波的單相橋式不可控整流電路相比， Ud 的變化范圍小得多，當(dāng)負(fù)載加重到一定程度后， Ud 就穩(wěn)定在 不變了。 (2)輸出 電流平均值 輸出電流平均值 IR 為： IR=Ud/R 與單相電路情況一樣， 經(jīng)過 電容 的 電流 iC在一個周期內(nèi) 平均值為零，因此： Id=IR。 在一個電源周期中， id 有 6個波頭，流過每一個二極管的是其中的兩個波頭，因此二極管 電流平均值為 Id 的 1/3，即： IVD=Id/3=IR/3 (3) 二極管承受的電壓 二極管承受的最大反向電壓為線電壓的峰值，為 。 IGBT 驅(qū)動電路介紹 整流濾波后的電壓是不穩(wěn)定的電壓，在電網(wǎng)電壓或負(fù)載變化時，該電壓都會產(chǎn)生變化，而且紋波電壓又大。所以，整流濾波后，還須經(jīng)過穩(wěn)壓電路，才能使輸出電壓在一定的范圍內(nèi)穩(wěn)定不變。 為了設(shè)計性能優(yōu)良的穩(wěn)壓電路，需對各種穩(wěn)壓電 路進行分析比較，然后選取合適的穩(wěn)壓電路。通過對穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路、串聯(lián)型反饋穩(wěn)壓電路、串聯(lián)開關(guān)型穩(wěn)壓電路的 特點 比較， 我 選用了串聯(lián)型開關(guān)穩(wěn)壓電路作為本課題的穩(wěn)壓電路。因為 串聯(lián)型 開關(guān)型穩(wěn)壓電路具有 結(jié)構(gòu) 簡單、 體積小、效率高 、 穩(wěn)壓性能好 、 技術(shù)成熟 的特點。 上海理工大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 13 開關(guān)型穩(wěn)壓電路的 換能電路的基本原理 開關(guān)型穩(wěn)壓電路的換能電路將輸入的直流電壓轉(zhuǎn)換成脈沖電壓，再將脈沖電壓經(jīng) LC 濾波轉(zhuǎn)換成直流電壓，下圖所示為基本原理圖。輸入電壓是未經(jīng)穩(wěn)壓的直流電壓；晶體管 V為調(diào)整管，即開關(guān)管；控制開關(guān)管的工作狀態(tài)；電感 L和電容 C 組成濾波電路， VD 為續(xù)流二極管。 換能電路的基本原理圖 串聯(lián)開關(guān)型穩(wěn)壓電路的組成及工作原理 在上圖所示的換能電路中，當(dāng)輸入電壓波動或負(fù)載變化時，輸出電壓將隨之