【正文】 開關(guān)的檔位 來實(shí)現(xiàn) 。 表 32 電壓等級(jí)選擇開關(guān)的含義 開關(guān) 1 狀態(tài) 開關(guān) 2 狀態(tài) 輸出電壓范圍（ KV） 上撥 下?lián)? 100~200 下?lián)? 下?lián)? 150~250 上撥 上撥 170~300 R9 3 . 3 K1243G 0 2R 1 1 3 . 3 K+ 5 VJ P 1 （ 17 ）J P 1 （ 11 ）A DC 0 8 0 9 ( I N 3 )A DC 0 8 0 9 ( I N 4 )J P 1 （ 17 ）J P 1 （ 11 ） 圖 313 電壓等級(jí)選擇功能模塊原理圖 19 揚(yáng)聲器驅(qū)動(dòng)功能模塊 揚(yáng)聲器驅(qū)動(dòng)功能模塊的功能是在系統(tǒng)發(fā)生異常情況時(shí)（如過壓、過流、欠壓、欠流等）驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器發(fā)出報(bào)警聲。 20 電路板設(shè)計(jì)與制作 對(duì)于研發(fā)高電壓精密儀器來說，確定了硬件和軟件的詳細(xì)設(shè)計(jì)后，繪制電路原理圖和制作 PCB 控制電路板就成為必要的步驟了。 的設(shè)計(jì)工具和設(shè)計(jì)步驟簡介 本系統(tǒng)主電路及驅(qū)動(dòng)電路原理圖和 PCB 的設(shè)計(jì)均使用工具軟件 Protel99SE 來完成。 Prote199SE 較以前版本新增加的三項(xiàng)技術(shù) SmarTDoc,SmartTeam 和 Smart Tool。 Prote199SE 的印制電路板編輯器為用戶提供了一條快捷的設(shè)計(jì)印刷電路板的途徑， PCB 編輯器通過它 的交互性編輯環(huán)境達(dá)到了手動(dòng)設(shè)計(jì)和自動(dòng)化設(shè)計(jì)的完美結(jié)合。 概括的說，對(duì)于普通電路板的設(shè)計(jì)主要分為原理圖、網(wǎng)絡(luò)表和印刷板三個(gè)部分， 21 具體流程如 圖 316 所示 : 原 理 圖（ S C H ）網(wǎng) 絡(luò) 表（ N E T ）印 刷 板（ P B C ） 圖 316 普通電路板設(shè)計(jì)三步驟 具體過程如下 : ，要先定義電路板屬性，包括：定義 電路板層數(shù)、電路板的外 形尺寸和形狀等； ，啟動(dòng)電路板編輯進(jìn)入電路板編輯環(huán)境。所以合理的 PCB 布局是一個(gè)關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，應(yīng)當(dāng)從機(jī)械結(jié)構(gòu)、散熱、電磁干擾、將來布 線的方便性、美觀性等方面綜合考慮。 響 元件的布局對(duì)后面的布線有很大的影響，好的布局可以給后面的布線帶來很大的方便，節(jié)約了布線的時(shí)間，提高了系統(tǒng)的可靠性。 元器件布局必須考慮元件的可安裝性和可焊接性，不要因?yàn)橐粋€(gè)小小的元件封裝問題給后來的工作帶來麻煩。對(duì)于支持 PROTEL99SE 格式的加工廠家，將這個(gè)文件導(dǎo)出為一個(gè) PCB 格式的 *. PCB 文件，注意導(dǎo)出時(shí)不要打開該件，而是在文件夾中直接將該文件導(dǎo)出。 最后要焊接元件到 PCB 板。 主電路和驅(qū)動(dòng)電路的 PCB 圖如圖 31 318 所示。另外，控制電路采用模擬電路，可靠性不高，主回路與逆變電路僅采用電感起扼流作用，因而對(duì)元器件質(zhì)量要求相當(dāng)高，一旦負(fù)載發(fā)生短路，受反饋影 25 響，往往使控制部分又產(chǎn)生新的故障點(diǎn)。 的選擇 IGBT 本質(zhì)上是一個(gè)場效應(yīng)晶閘管，只是在漏極和漏區(qū)之間多了一個(gè) P型層。功率 MOSFET 是單機(jī)型電壓驅(qū)動(dòng)器件，它具有工作速度低、輸入阻抗高、熱穩(wěn)定性好以及驅(qū)動(dòng)電路簡單等特點(diǎn)，但它的導(dǎo)通電阻較大，電流容量也較低；而 GTO 是雙極性電流驅(qū)動(dòng)器件，其阻斷電壓高，載流能力強(qiáng)，但工作速度較慢，驅(qū)動(dòng)電流大，控制電路較復(fù)雜。 IGBT 是少子器件，它不但具有非常好的導(dǎo)通特性，而且也具有功率 MOSFET 的許多特性，如容易驅(qū)動(dòng)、安全工作區(qū)寬峰值電流、堅(jiān)固耐用等 。 IGBT 驅(qū)動(dòng)電路的形式和特點(diǎn) IGBT 是電壓驅(qū)動(dòng)型器件，根據(jù)電路隔離方式， IGBT 驅(qū)動(dòng)器可分為兩大類，一類用光電耦合器，另一類用脈沖變壓器，兩者均可實(shí)現(xiàn)信號(hào)傳輸及電路隔離。 IGBT 逆變電路的特點(diǎn) 采用 IGBT組成的逆變電路只需一只 IGBT和一路控制信號(hào)，就能完成逆變工作，因 IGBT 是由大功率晶體管 GTR 和場效應(yīng) MOS 管復(fù)合而成，且有電壓控制、輸入阻抗大、驅(qū)動(dòng)功率小等特點(diǎn) (MOS管的特性 )，加之其本身是晶體管器件，開關(guān)損耗小、通斷快 (IGBT 的特性 )，因而能使整機(jī)工作效率提高，且噪聲極小。 IGBT 的保護(hù)電路主要是針對(duì)結(jié)構(gòu)性故障而言。這些因素都會(huì)造成芯片過熱，最終導(dǎo)致 IGBT 損壞。 RC 吸收電路接法是吸收電容 Cs 于電阻 RS串聯(lián)后跨接在 IGBT 的 C、 E 兩端就構(gòu)成了 RC 吸收電路。它能夠耐受最大 450mJ 的雪崩能量，確保在異常的雪崩模式情況下仍能進(jìn)行無故障運(yùn)作。 主電路設(shè)計(jì) 整流功能模塊 整流功能模塊是把 220V 交流電整流，再進(jìn)行 LC 濾波，輸出一個(gè)較平滑的直流電作為逆變電路的輸入電壓。 R8 是取樣電阻，用于把輸出電壓的取樣值反饋到控制電路進(jìn)行輸出電壓的調(diào)整。 在本設(shè)計(jì)中， IGBT 工作時(shí)的最大電流在 10A 以下，工作頻率在 500Hz 以下，屬于低頻小功率驅(qū)動(dòng)。 VT1 截止使 D 點(diǎn)電位上升至 20V， VT2 導(dǎo)通VT3 截止，通過 VT3 及柵極電阻 R7 向 IGBT 提供電流，使之迅速導(dǎo)通。它為驅(qū)動(dòng) IGBT 提供 5V反偏壓，使 IGBT 更加可靠關(guān)斷。 200 檔、 250 檔各典型電壓及其觸發(fā)相位如表 41和表 42所示： 表 41 200檔型電壓及其觸發(fā)相位 觸發(fā)時(shí)間（單位 :ms） 輸出電壓（單位 :V） 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 表 42 250檔型電壓及其觸發(fā)相位 觸發(fā) 時(shí)間（單位 :ms） 輸出電壓（單位 :V） 150 160 170 180 190 200 210 220 230 240 250 31 為了方便觀察和分析，采用了 MATLAB 對(duì)整流功能模塊電壓及其觸發(fā)相位進(jìn)行曲線擬合， 200 檔電壓及其觸發(fā)相位曲線如圖 41所示， 250 檔電壓及其觸發(fā)相位曲線如圖 42 所示： 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 2006 . 46 . 66 . 877 . 27 . 47 . 67 . 88電壓 ( V )時(shí)間(ms) 圖 41 200檔電壓及其觸發(fā)相位曲線圖 150 160 170 180 190 200 210 220 230 240 2506 . 46 . 66 . 877 . 27 . 47 . 67 . 88電壓 ( V )時(shí)間(ms) 圖 42 250檔電壓及其觸發(fā)相位曲線圖 32 典型問題的解決 在 X 射線探傷機(jī)調(diào)試和調(diào)試的過程中，曾經(jīng)遇到一些故障和問題，而且有些問題曾經(jīng)多次出現(xiàn)。 30 4 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析 整流輸出曲線分析 在測試過程中，為了分析系統(tǒng)輸出電壓的線性度，分別對(duì)整流功能模塊各典型輸出電壓及其對(duì)用的觸發(fā)相位 作了記錄。 VT1 導(dǎo)通 使 VT2 截止 VT3 導(dǎo)通， IGBT 柵極電荷通過 VT3迅速放電，使 C點(diǎn)電位迅速下降至 0V，使 IGBT 可靠關(guān)斷， UCE迅速上升， IGBT 正常關(guān)斷。 驅(qū)動(dòng)電路中， TS01 起隔離作用， VT1 為中間級(jí)， VT2 和 VT3 組成推挽輸出級(jí)。 驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì) IGBT 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)中，最常用的是分立元件構(gòu)成的驅(qū)動(dòng)電路和專用的混合集成 29 驅(qū)動(dòng)電路。整流功能模塊原理圖如圖 322 所示： 28 C 3 8 C 3 9C 3 7C 3 51 0 0 0 u / 4 5 0 V 5C 3 6D5D4L1R35 .1 KF U 1V1 V2VDR1 0 0 3 9 1 KC2224KV C CNSA2 （ 1 ）A2 （ 3 ）A2 （ 2 ）J P 5J P 4D3 圖 322 半控整流功 能模塊原理圖 逆變功能模塊 逆變功能模塊主要由 IGBT 及其外圍元件組成，電路如圖 323 所示： V T 4CGER6R7D2 C2L1J P 4＋ 12VR8D3R9C3D4D5R 1 0V C CA R 3 圖 323 逆變功能模塊原理圖 逆變功能模塊中， R9 和 C3組成 RC緩沖電路，對(duì) IGBT 有過壓保護(hù)的作用，與R3 并聯(lián)的二極管 D2 為緩沖二極管，其使緩沖電阻的阻值增大，避開了開通時(shí)， IGBT功能受阻的問題。C) 以限制導(dǎo)通損耗； 低開關(guān)損耗 (Eoff,typ= IC = 25A 和 TC=25176。 IGBT 的選擇 FGA25N120ANTD 1200V 是一種高性能的 IGBT，其為 NPT 溝道 ， 具有極佳的抗雪崩能力和經(jīng)優(yōu)化的開關(guān)和導(dǎo)通損耗性能權(quán)衡，能為 逆變 應(yīng)用提高系統(tǒng)可靠性和效率。 因 此，對(duì)于 IGBT 的保護(hù)，主要包括 IGBT 過電流保護(hù)、 IGBT 過電壓保護(hù)和 IGBT過熱保護(hù)等。因此，在電力電子電路中，除了電力電子器件參數(shù)選擇合適，驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)良好外，采用合理的過電壓保護(hù)、過電流保護(hù)、 du/dt 保護(hù)和 di/dr 保護(hù)也是必要的。 IGBT 的保護(hù)電路簡介 電力電子裝置故障可分為結(jié)構(gòu)性故障和參數(shù)性故障。通常，對(duì)于變頻器等輸出和輸入有直接聯(lián)系的設(shè)備，由于逆變器對(duì)地直接短路的危險(xiǎn)性比較大，而且 IGBT關(guān)斷的等待時(shí)間比較長，故采用光耦隔離式驅(qū)動(dòng)器比較合適。由于 IGBT 內(nèi)部不存在反向二極管，應(yīng)用中可以靈活選用外接恢復(fù)二極管。目前出現(xiàn)了許多新型復(fù)合器件，如 MOS 雙極復(fù)合晶體管等。 IGBT 既具有功率 MOSFET 的高速開關(guān)及電壓驅(qū)動(dòng)特性，又具有雙極型晶體管的低飽和電壓特性極易實(shí)現(xiàn)較大電流的能力，是近年來電力電子領(lǐng)域中最令人注目及發(fā)展最快的一種器件。在電路設(shè)計(jì)上，又不易高度集成化、模塊化，且很難實(shí)現(xiàn)微機(jī)智能化、控制模糊化，難以簡化電路設(shè)計(jì)、減少使用器件，達(dá)到減輕重量、縮小體積、易于攜帶的目的。主電路、驅(qū)動(dòng)電路的整機(jī)原理圖和實(shí)物圖見附錄 附錄 附錄 4 和附錄 5所示。注意要先焊接“矮”器件，再焊接“高”器件。 接著發(fā) Email 或拷盤給加工廠家。本系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)，將功率元件放在了電路板的邊上，有利于散熱片的安裝。 PCB 設(shè)計(jì)是一項(xiàng)科學(xué)性和實(shí)踐性很強(qiáng)的工作，也是一門帶有藝術(shù)性的設(shè)計(jì)。 22 電路中的期間有很大的相關(guān)性和獨(dú)立性，在設(shè)計(jì)過程中，特別要考慮這些因素。 Protle 自動(dòng)布線功能很強(qiáng)，一般都可以 100%的布通，不滿意的方面再進(jìn)行人工修改； 。對(duì)于特別復(fù)雜的、電腦難以自動(dòng)完成的布線工作，可以手動(dòng)完成。 Prote1 99SE 軟件包主要包含了以下幾個(gè)模塊 :原理圖設(shè)計(jì)軟件 Protel Advanced Schematic 99SE、電路板設(shè)計(jì)軟件 Protel Advanced PCB 99SE、用于 PCB 自動(dòng)布線的 Protel Advanced Route 99SE、用于可編程邏輯器件 Protel Advanced PLD 99SE、用于電路仿真的 Advanced SM199 和信號(hào)完整性分析的 Advanced Integrity99，可謂功能齊全。 Protel99SE 是 Protel 公司 2021 年推出的基于 Windows 平臺(tái)的第 六代產(chǎn)品，集強(qiáng)大的設(shè)計(jì)能力、復(fù)雜工藝的可生產(chǎn)性分析及設(shè)計(jì)過程管理 (PDM)于一體。 本系統(tǒng)的電路原理圖的繪制和 PCB 圖的設(shè)計(jì)，是通過強(qiáng)大的電路板設(shè)計(jì)軟件Protel99SE 來完成的。電路如圖 314 所示： R1 1KT48550+ 5 VJ P 1 （ 4 ）單片機(jī) ( P 1 .6 )J P 1( 4 )揚(yáng)聲器 圖 314 揚(yáng)聲器驅(qū)動(dòng)功能模塊原理圖 電源功能模塊 電源穩(wěn)壓 功能模塊 主要由 兩個(gè)通道組成