【文章內(nèi)容簡介】 用 。但是，對二極管的反向截止電壓參數(shù)的要求就高了，它的最小值應是： Vimax / Vimin 2．功率整流器的特點 10 全橋式逆變器的輸出電路如圖 3所示： 1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBAT i t l eN um be r R e v i s i o nS i z eBD a t e : 4 J u n 2 00 7 S he e t o f F i l e : C : \ D oc um e n t s a nd S e t t i ng s \ x ux i a n g1 12 8\ 桌面 \弧焊機圖 2 .D D BD r a w n B y :C 1 4R7R1R8T1D7D8C 1 3 LC 1 5C 1 6C 1 7+TT 圖 3 全橋式逆變器的輸出電路 輸出電路中的整流二極管必須具有正向降低、快速恢復的特點，還應有具有足夠的輸出功率。普通的 PN 結(jié)二極管不適于作為開關(guān)使用，因為它們恢復得慢，并且效率低。在電源中，可以使用三種類型的整流二極管： 1) 高效快速恢復二極管 2) 高效超快恢復二極管 3) 肖特基勢壘整流二極管 肖特基勢壘整流二極管即使在大的正向電流作 用下，其正向壓降也很低，僅有 左右。由于它具有這一優(yōu)點，使得肖特基勢壘整流二極管特別適用于 5V左右的低電壓輸出電路中。因為在一般情況下，低電壓輸出所驅(qū)動的負載電流都很大。而且隨著結(jié)溫的增加，其正向壓降更低。 肖特基勢壘整流二極管的反向恢復時間是可以忽略不計的，因為此器件是多數(shù)載流子半導體器件，在器件的開關(guān)過程中，沒有消除少數(shù)載流存儲電荷的問題。 直流電源設計 1． IGBT 驅(qū)動器用電源 每塊 IGBT 驅(qū)動器模塊 (HL402)均需要一個單獨電源的直流穩(wěn)壓電源供電。有驅(qū)動器模塊的內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)得知，需 要穩(wěn)壓電源提供 25V 直流電源，最大輸出電流不大于 50mA 即可。 1)選穩(wěn)壓管 因為要求輸出直流電壓 25V，即 scU ＝ 25V，所以穩(wěn)壓管 VD5 的穩(wěn)壓值 wE ＝25V。設電源輸出電流 zI ＝ 50mA 時，流過穩(wěn)壓管 VD5 的電流 wI ＝ 5mA。當負載開路時，流過 VD5 的電流 wI 增加到 wmI 。 2)選定直流輸入電壓 1dU 通常選 VUU scd 7050)32(1 ?????? () 在此我們?nèi)?1dU ＝ 60V。 3)求限流電阻 1R 11 假定 1dU 變化 177。10% ，則 max1dU ＝ 1dU 60 ＝ 66V () min1dU ＝ 1dU ＝ 54V () m i nm i n1m a xm a xwscdwscd I UURI UU ???? () 取 1R ＝ 1000? 。 ?? 1max1 RIU wR () 取 1RU ＝ 84V。 4)選擇整流二極管 流過二極管的電流： mAId ? 帶負載時，整流電壓 1dU ≈ 21 () 則變壓器副邊的最大反向有效值21U為： VUU d 121 ?? () 二極管承受的最大反向電壓為： VU 21 ??? () 因此，可選用最大整流電流為 50mA，最大反向 工作電壓為 100V 三相 橋式整流塊即可。 5)選擇濾波電容 C 一般要求11 (3 5) 2fzR C T? ? ?。 式中 1fzR 為整流電源的總負載，即 ?fzR T為直流電源周期， T＝ sCRfz ? () ??C μ F () 取 1C ＝ 100μF ，耐壓為 63V 的電解電容器。 2．運算放大器用穩(wěn)壓電源的設計 該電源主要給運算放大器，電流、電壓轉(zhuǎn)換器以及過電流繼電器供電。輸出直流電壓為 177。15V ，正電源輸出電流為 1A，負電源輸出電流為 500mA。 運算放大器穩(wěn)壓電源 電路如圖 4所示。 12 1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBAT i t l eN um be r R e v i s i o nS i z eBD a t e : 5 J u n 2 00 7 S he e t o f F i l e : C : \ D oc um e n t s a nd S e t t i ng s \ x ux i a n g1 12 8\ 桌面 \弧焊機圖 2 .D D BD r a w n B y :D6D8T2D7D9～ 3 8 0 V7 8 1 50V+ 1 5 VC2 C47 9 1 5 1 5 VC3 C4 圖 4 運算放大器穩(wěn)壓電源 電源采用 781 7915 穩(wěn)壓塊穩(wěn)壓，最大輸出電流可達 。 負載電阻 22215 151scfzfzUR I? ? ? ? () 同理30fzR ??實取 3C ＝ 5C ＝ 1667μF ， 2C = 4C =3333μF 耐壓 63V。整流器選用 3A/100V 整流模塊。 3．單片機用 +5V穩(wěn)壓電源的設計 單片機用 +5V穩(wěn)壓電源，要求能夠輸出 200mA 電流。 單片機穩(wěn)壓電源 電路如圖 5所示： 圖 5 單片機穩(wěn)壓電源電路 負載電阻為： 4445 fzUR I? ? ? ? () 6C ＋ 7C ＝ ＝ 2021μ F () 實取 6C ＝ 7C ＝ 3300μF ，耐壓 25V。 通常 3dU ＝ 5+(3～ 4) ＝ 8～ 9V 取 3dU ＝ 9V。 變壓器二次側(cè)電壓有效值為： 13 VUU d 323 ?? () 表 1 逆變電路的比較 由上表可以看出，要獲得大容量的輸出，宜選用推挽式或全橋式拓撲結(jié)構(gòu)，但是推挽式電路中由于漏感引起的尖峰電壓 maxceV 是全橋式的 2 倍，這給電路設計與調(diào)試帶來了困難，并對開 關(guān)管的耐壓提出了更高的要求，因而本系統(tǒng)采用已被廣泛應用的全橋式電路拓撲結(jié)構(gòu)。 選擇逆變頻率時應考慮： 能有效地減少變壓器的體積和重量； 所采用的開關(guān)元器件的頻率特性； 經(jīng)濟性。 按照正弦波分析，變壓器有以下的基本公式： fB NS?? () VNS? () 式中， S 為鐵心截面積； B 為磁感應強度的最大值。顯然，當 B 一定時，提高逆變頻率不僅可降低變壓器的體積和重量，而且使控制精度提高。因此，通常認為最佳逆變頻率是在考慮到電路固有頻率 (電路的 L、 R、 C決定電流衰減速度 )的基礎上，選用功率開關(guān)器件所能接受的最高頻率 (常以次級整流管的開關(guān)特性為參考基準 )。但是經(jīng)過實際調(diào)試發(fā)現(xiàn)，隨著逆變工作頻率提高，管子的功耗也增大，相應的散熱器體積總量增大，不利于電源整機體積的縮小，而且還會導致電路 參數(shù) 推挽式 全橋式 半橋式 功率開關(guān)管集射極間施加電壓 穩(wěn)態(tài) 為 2E,漏感引起的尖峰V maxce 2E 穩(wěn)態(tài)為 E,二級管相位 V maxce E 同全橋 輸出相同功率時集電極電流 Ic Ic 2Ic 功率開關(guān)管數(shù)量 2 4 2 輸出濾波電容數(shù)量 1 1 2 宜獲得的輸出數(shù)量 大 大 中等 14 變壓器漏抗惡化，從而影響電源的正常工作。 綜合以上因數(shù)，結(jié)合參考國內(nèi)外的研究水平和使用情況，本研究中的電源逆變工作頻率選為 20kHz。 逆變器中最重要的一個器件就是功率開關(guān)元件，而功率開關(guān)元件正朝著高壓大容量、集成化、全控化、高頻化及多功能化方向發(fā)展。從可控性來分，可以大致分為半控型和全控型器件。 在逆變電源中，對功率半導體器件 (尤其是開關(guān)管 )有如下基本要求： 耐電壓值高； 開關(guān)速度快，開關(guān)損耗低； 動態(tài)特性 di/dt 及 dv/dt 耐量要高； 耐沖擊電流大，可靠工作范圍大； 熱穩(wěn)定性好。 基于以上考慮，全 控型器件是應優(yōu)先考慮選用的器件。表 2 給出了達林頓GTR、功率 MOSFET 和 IGBT 三種全控型器件的特性比較。 GTR 開關(guān)速度較低，對 di/dt 有影響，而且是電流驅(qū)動方式，驅(qū)動功率較大，還存在二次擊穿問題；功率 MOSFET 有較好的高速控制性能，然而容量小，難以實現(xiàn)大電流，主要應用于小型和輕型設備中； IGBT 是 MOSFET 與雙極晶體管的復合器件，它兼有MOSFET 易驅(qū)動和功率晶體管電壓、電流容量大的優(yōu)點，其頻率特性介于MOSFET 與功率晶體管之間，可 正常工作于幾十千赫茲頻率范圍內(nèi)，在較高頻率的大中功率應用中占據(jù) 主 導地位。本文選用 IGBT作為電路主控開關(guān)功率器件。 表 2 GTR 、 MOSFET 和 IGBT 器件名稱 達林頓 GTR 功率 MOSFET IGBT 開關(guān)速度 10 1~2 安全工作區(qū) 小 大 大 額定電流密 （ A/ 2cm) 20~30 5~10 50~100 驅(qū)動功率 大 小 小 驅(qū)動方式 電流 電壓 電壓 高壓化 易 難 易 大電流化 易 難 易 高速化 難 極易 易 飽和壓降 極低 高 低 并聯(lián)使用 較易 易 易 對于次級整流元件， 肖特基勢壘二極管其正向壓降很小，反向恢復時間也極短，應是首選元件，這樣可以降低功耗提高電源效率。 15 逆變技術(shù)的輸出控制方式常用 “ 時間比率控制 ” 方式，通過改變導通時間ton 和工作周期比例亦即脈沖的占空比來實現(xiàn)?？刂品绞接腥N： (1)脈沖寬度調(diào)制型 (PWM )：開關(guān)周期恒定，調(diào)節(jié)導通脈沖的寬度； (2)脈沖頻率調(diào)制型 (PFM)：導通脈沖寬度恒定，調(diào)節(jié)開關(guān)工作頻率； (3)混合調(diào)制型：把 PWM 和 PFM 結(jié)合在一起。 控制系統(tǒng)采用單片機為核心的控制系統(tǒng)，最方便的是 PWM 控制方式 。 4 參數(shù) 計算 1．整流器的選擇： 輸入整流采用三相橋式整流器，其整流電壓 sU 為： 2 U V?? () 整流二極管的額定電流 deI 為： deI =(～ 2) sI 1=～ 13A () 實取 10A，選取額定電流為 10A，耐壓 1200V 的整流模塊。 2．濾波電容的計算 三相交流電經(jīng)過整流器后輸出波形如圖 6所示： 圖 6 電源經(jīng)整流濾波后的波形 電源輸入功率近似為： 227 2 7 31 U C UP t??