【正文】 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)。 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天津工程師范學(xué)院 2021 屆 本科生 畢業(yè)設(shè)計(jì) 29 驅(qū)動(dòng)電路。 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。 整流 功能模塊 原理圖如圖 322 所示： 天津工程師范學(xué)院 2021 屆 本科生 畢業(yè)設(shè)計(jì) 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 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。 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。C) 以限制導(dǎo)通損耗； 低開關(guān)損耗 (Eoff,typ= IC = 25A 和 TC=25176。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。 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。 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。 因此，對于 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。這些因素都會(huì)造成芯片過熱，最終導(dǎo)致 IGBT 損壞。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)電路主要是針對結(jié)構(gòu)性故障而言。 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。 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。通常，對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。 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。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。 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。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。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 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。 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。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。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，受反饋影天津工程師范學(xué)院 2021 屆 本科生 畢業(yè)設(shè)計(jì) 25 響，往往使控制部分又產(chǎn)生新的故障點(diǎn)。 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 。 主電路和驅(qū)動(dòng)電路的 PCB 圖如圖 31 318 所示。注意要先焊接“矮”器件，再焊接“高”器件。 最后要焊接元件到 PCB 板。 接著發(fā) Email 或拷盤給加工廠家。對于支持 PROTEL99SE 格式的加工廠家，將這個(gè)文件導(dǎo)出為一個(gè) PCB *. 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。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。 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。 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)。 元件的布局對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。 天津工程師范學(xué)院 2021 屆 本科生 畢業(yè)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。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。 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 ； 。 概括的說，對于普通電路板的設(shè)計(jì)主要分為 原理圖、網(wǎng)絡(luò)表和印刷板 三個(gè)部分 ，天津工程師范學(xué)院 2021 屆 本科生 畢業(yè)設(shè)計(jì) 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。對于特別復(fù)雜的、電腦難以自動(dòng)完成的布線工作，可以手動(dòng)完成。 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。 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。 Prote199SE 較以前版本新增加的三項(xiàng)技術(shù) SmarTDoc,SmartTeam 和 Smart Tool。 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。 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。 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。 天津工程師范學(xué)院 2021 屆 本科生 畢業(yè)設(shè)計(jì) 20 電路板設(shè)計(jì)與制作 對于研發(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。 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， 其電路圖如圖 315所示 ： D1D4D3D2C73 3 0 0 u / 1 6 VC23 3 0 0 u / 1 6 VC 1 24 7 0 u / 1 6 VC51 0 0 0 u / 1 6 VC10 .1 uC60 .1 uC40 .1 uC30 .1 uC80 .1 uC 1 10 .1 uAC2V+1AC4V3BR1AC2V+1AC4V3BR2+ 1 2 V+ 5 VJ P 1 （ 10 ）變壓器IN1GND2OUT3W Y 2 7812IN1GND2OUT3W Y 1 7805IN1GND2OUT3W Y 3 7805 V R E F ++ 5 VJ P 2 （ 13 ）J P 2 （ 15 ）J P 2 （ 17 ）J P 2 （ 19 ） 圖 315 電源功能模塊 原理圖 電源 功能模塊 中 ，通道一是對變壓器二次測的交流電壓進(jìn)行整流濾波，再由L7812和 L7805穩(wěn)壓出 5V電壓傳送至控制電路的 AD轉(zhuǎn)換芯片 ADC0809電壓基準(zhǔn)端，作為 AD 轉(zhuǎn)換得參考電壓。 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 天津工程師范學(xué)院 2021 屆 本科生 畢業(yè)設(shè)計(jì) 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。數(shù)碼開關(guān) 各種狀態(tài)的含義如表 32所示。輸出電壓范圍的選擇 通過改變 一個(gè)雙位 數(shù)碼開關(guān)的檔位 來實(shí)現(xiàn) 。若超過設(shè)定 的溫度控制電路將發(fā)出 控制 信號(hào) 切斷高壓，使脈沖變壓 B3 停止工作達(dá)到保護(hù)Ｘ光管的目的。 防止X 射線 管 因過熱而損壞。其中，電位器 W2 的作用是調(diào)節(jié)反饋電壓的取樣值。 電路如圖 311所示： + 1 2 V+ 1 2 V814321I C 3AL M 3 5 8 NR 1 4510ΩR 1 5510ΩC 2 83300PW21KR 1 9100ΩC 2 11 0 u / 2 3 VC 2 02 2 0 u / 2 5 VC 1