脈沖電鍍電源的設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　摘要</b></p><p>　　本文針對目前電鍍電源在我國的發(fā)展速度很快，以及脈沖電鍍電源與直流電鍍電源有很多優(yōu)點(diǎn)對脈沖電鍍電源進(jìn)行設(shè)計(jì)。</p><p>　　本設(shè)計(jì)首先從脈沖電鍍電源的技術(shù)性能指標(biāo)出發(fā)，設(shè)計(jì)了主電路，其中包括整流電路、濾波電路、斬波電路等。</p><p>　　其次，根據(jù)主電路的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了控制

2、電路的硬件和軟件，控制電路核心采用SPCE061A單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)。控制電路主要完成對晶閘管觸發(fā)角α的控制、功率開關(guān)管IGBT的開關(guān)頻率和占空比的控制，還有電流反饋的閉環(huán)控制。其中，電流反饋的閉環(huán)控制，采用數(shù)字PID控制算法。</p><p>　　關(guān)鍵詞:脈沖電源 三相整流 直流斬波 濾波</p><p><b>　　Abstract</b></p><

3、;p>　　According to the fast development of the electroplating power in our country ,and there being many advantages of the pulse electroplating power and direct current electroplating power, the pulse electroplating po

4、wer is designed in this design.</p><p>　　This design being firstly from the beginning of the technical specifications of the pulse electroplating power, design the main circuit that includes rectifier, filt

5、er,chopper,and so on.</p><p>　　Secondly, according to the characteristics of the main circuit ,the control circuit is designed. The core of the control circuit is based on the single chip computer—SPCE061A.

6、And the tasks of the control circuit are to control the thyristor′s trigger angle ,and the switching frequency of the IGBT ,and the duty ratio,still and the closed loop control of the current feedback.The closed loop con

7、trol of the current feedback adopts the digital PID control.</p><p>　　Keywords: Pulse power,Three—phase rectifier, DC Chopping ,Filtering </p><p><b>　　目 錄</b></p><

8、p>　　第1章 緒論1</p><p>　　1.1 電鍍電源的發(fā)展階段1</p><p>　　1.2 脈沖電鍍電源的優(yōu)點(diǎn)2</p><p>　　1.3 本設(shè)計(jì)的內(nèi)容2</p><p>　　第2章 電源總體方案的確定4</p><p><b>　　2.1 概述4</b>&l

9、t;/p><p>　　2.2 脈沖電源工作原理和系統(tǒng)組成4</p><p>　　第3章 主電路的設(shè)計(jì)6</p><p>　　3.1 系統(tǒng)的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)6</p><p>　　3.2 整流電路的設(shè)計(jì)7</p><p>　　3.2.1 整流電路方案的確定7</p><p>　　3.2.2

10、整流變壓器的設(shè)計(jì)9</p><p>　　3.2.3晶閘管的選擇10</p><p>　　3.2.4晶閘管的保護(hù)11</p><p>　　3.3中間濾波電路的設(shè)計(jì)16</p><p>　　3.4斬波電路的設(shè)計(jì)17</p><p>　　3.4.1斬波電路的選擇17</p><p>　　3

11、.4.2功率開關(guān)器件的選擇18</p><p>　　3.4.3 IGBT的保護(hù)19</p><p>　　3.4.4 吸收電路參數(shù)計(jì)算21</p><p>　　第4章 控制電路的設(shè)計(jì)24</p><p>　　4.1 SPCE061A單片機(jī)概述25</p><p>　　4.2 零電壓檢測電路的設(shè)計(jì)29<

12、;/p><p>　　4.3 過電流檢測及保護(hù)電路31</p><p>　　4.3.1 電流檢測31</p><p>　　4.3.2 電流采樣電路32</p><p>　　4.3.3 過電流保護(hù)電路32</p><p>　　4.4 晶閘管驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)33</p><p>　　4.4.1 晶

13、閘管驅(qū)動(dòng)信號(hào)要求33</p><p>　　4.4.2 晶閘管驅(qū)動(dòng)電路34</p><p>　　4.5 IGBT驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)34</p><p>　　4.5.1 IGBT的驅(qū)動(dòng)電路的要求34</p><p>　　4.5.2 IGBT驅(qū)動(dòng)電路35</p><p>　　4.6 輔助電源的設(shè)計(jì)38</p&g

14、t;<p>　　第5章 軟件設(shè)計(jì)39</p><p>　　5.1 主程序設(shè)計(jì)39</p><p>　　5.2 外部中斷程序的設(shè)計(jì)39</p><p>　　5.3 AD轉(zhuǎn)換程序的設(shè)計(jì)40</p><p>　　5.4 電流采樣程序的設(shè)計(jì)41</p><p>　　5.5 晶閘管觸發(fā)程序的設(shè)計(jì)42

15、</p><p>　　5.6 定時(shí)器中斷程序的設(shè)計(jì)43</p><p>　　5.7 PID控制程序的設(shè)計(jì)43</p><p><b>　　設(shè)計(jì)總結(jié)52</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)53</b></p><p><b>　　英文資料原文54&

16、lt;/b></p><p><b>　　英文資料譯文63</b></p><p><b>　　致謝72</b></p><p><b>　　附錄73</b></p><p><b>　　第1章 緒論</b></p><

17、p>　　1.1 電鍍電源的發(fā)展階段</p><p>　　就電鍍電源技術(shù)來講，電鍍電源的發(fā)展經(jīng)歷了4個(gè)階段：直流發(fā)電機(jī)組、不可控整流器、晶閘管整流、高頻開關(guān)電源。</p><p>　　1．交-直流發(fā)電機(jī)組</p><p>　　50年代的電鍍電源主要是交-直流發(fā)電機(jī)組，即用交流電機(jī)帶動(dòng)直流電機(jī)，產(chǎn)生直流電壓電流。若想調(diào)節(jié)直流發(fā)電機(jī)的輸出，則把直流發(fā)電機(jī)的輸出作為采

18、樣信號(hào)，調(diào)節(jié)交流電機(jī)轉(zhuǎn)速以改變直流輸出。這種系統(tǒng)始于前蘇聯(lián)；由于具有較高的可靠性，曾一度占據(jù)電鍍行業(yè)的統(tǒng)治地位。但是經(jīng)過兩次的能量轉(zhuǎn)換，機(jī)組的效率低，噪音大且直流電機(jī)維修不方便。這類變流設(shè)備在有些行業(yè)已被國家明令為淘汰產(chǎn)品，但電鍍行業(yè)仍有少數(shù)單位在使用這種高能耗的變流設(shè)備。</p><p>　　2．不可控硒或硅整流器（帶飽和電抗器或者磁放大器）</p><p>　　60年代發(fā)展了硒、硅整流

19、器，它采用變壓器原邊抽頭或者用調(diào)壓器、飽和電抗方式調(diào)壓，副邊用硒或硅二極管整流作為電鍍電源。雖然在技術(shù)上比“交-直發(fā)電機(jī)組"有了一定的進(jìn)步，但由于在控制上需要用電機(jī)或人力去拖動(dòng)自耦變壓器的調(diào)壓端，很不方便。這類電源在我國電鍍電源生產(chǎn)中所占比例不輕，據(jù)1988年的不完善統(tǒng)計(jì)就占到76%，如GDA、GDAJ-F、GDS等系列。該列電源結(jié)構(gòu)簡單、造價(jià)低，但重量大、體積大、效率不高、功率因數(shù)也不高，難以實(shí)現(xiàn)高精度的控制。</p&

20、gt;<p>　　3． 晶閘管相控電鍍電源</p><p>　　70年代出現(xiàn)的晶閘管相控電鍍電源具有體積小、重量輕、效率高，控制方便等一系列優(yōu)點(diǎn)。它的出現(xiàn)使得整個(gè)電化學(xué)工業(yè)的面目煥然一新。</p><p>　　晶閘管相控電鍍電源，在電路結(jié)構(gòu)上主要有兩種形式：一是利用晶閘管在供品變壓器的原邊進(jìn)行調(diào)壓，然后在副邊用硅二極管整流；二是直接用晶閘管在供品變壓器副邊進(jìn)行調(diào)壓整流。不論哪

21、種形式，都把成熟的調(diào)壓控制原理通過電子電路，運(yùn)用到對晶閘管導(dǎo)通角的控制中，使得晶閘管相控電鍍電源的輸出特性大大的優(yōu)于以往的產(chǎn)品。在額定負(fù)載情況下，往往能獲得令人滿意的精度，波紋系數(shù)和效率。特別是在效率上，比過去的產(chǎn)品有了顯著提高。功率容量的范圍也很寬。這些優(yōu)良特性使得它已經(jīng)出現(xiàn)，便成為直流電鍍電源的主流。至今國內(nèi)大量使用的仍是一這種電源為主（如ZDDKF系列、KGD系列等），國外工業(yè)化國家多在中大、大功率范圍使用（如日本Sanrex的M

22、RS-PR系列，瑞典HBQ系列等），我們把它稱為第三代滯留電鍍電源。</p><p><b>　　4．高頻開關(guān)電源 </b></p><p>　　運(yùn)用比較成熟的共模濾波器的設(shè)計(jì)技術(shù)，開關(guān)期間所產(chǎn)生高頻干擾可以被有效的抑制，從而達(dá)到電磁兼容(EMC)要求。軟開關(guān)技術(shù)經(jīng)過多年的發(fā)展，現(xiàn)在已經(jīng)成功的應(yīng)用到高頻開關(guān)電源的設(shè)計(jì)中?；谲涢_關(guān)技術(shù)的開關(guān)電源利用本身寄生參數(shù)或者進(jìn)行

23、適當(dāng)調(diào)整產(chǎn)生諧振，是開關(guān)期間達(dá)到零電壓開通或者零電流關(guān)斷，減小開通或關(guān)斷損耗。從而為開關(guān)電源向更高頻化發(fā)展打下了良好的基礎(chǔ)。這樣一來就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)良性循環(huán)：變壓器、濾波電感體積可以進(jìn)一步減小。特別是現(xiàn)代大容量電力電子器件(IGBT) 的出現(xiàn)，使得開關(guān)電源在中、大頻率領(lǐng)域的發(fā)展前景一片光明。因此，大功率開關(guān)電源必將成為電鍍電源的最佳選擇。</p><p>　　1.2 脈沖電鍍電源的優(yōu)點(diǎn)</p><

24、p>　　在我國，電鍍行業(yè)發(fā)展較快，隨著市場對電鍍產(chǎn)品的提高，電鍍工藝對電源的要求也越來越高。開關(guān)電源產(chǎn)品由于其具有體積小，重量輕，節(jié)能節(jié)材，調(diào)節(jié)精度高，易于控制等諸多優(yōu)點(diǎn)，正逐漸被廣大用戶所采用。脈沖電鍍電源作為開關(guān)電源的衍生產(chǎn)品，其應(yīng)用于電鍍與直流電鍍相比有如下優(yōu)點(diǎn)：</p><p>　　首先，脈沖電源可通過控制輸出電壓的波形、頻率和占空比及平均電流密度等參數(shù)改變金屬離子的電沉積過程，使電沉積過程在很寬的

25、范圍內(nèi)變化，從而在某種鍍液中獲得具有一定特性的鍍層。</p><p>　　其次，脈沖電鍍不僅能提高鍍層的質(zhì)量，縮短電鍍周期，節(jié)約能源，而且能節(jié)約貴金屬。據(jù)估計(jì)脈沖電源用于貴金屬電鍍，可以節(jié)約成本30%左右，它在普通金屬電鍍以及Al、Mg及合金的陽極氧化等方面也起著越來越重要的作用。 </p><p>　　1.3 本設(shè)計(jì)的內(nèi)容</p><p>　　本設(shè)計(jì)完成脈沖電源

26、的設(shè)計(jì)，其性能指標(biāo)如下：</p><p>　?。?）輸入?yún)?shù) 電壓：3AC 380V 50HZ</p><p><b>　　（2）輸出參數(shù)</b></p><p>　　脈沖電流頻率：1000~1500HZ連續(xù)可調(diào)</p><p>　　脈沖電流幅值：1000A</p><p>　　輸出

27、電壓：0~10V</p><p>　　脈寬：10~20µS連續(xù)可調(diào)</p><p><b>　　頻率誤差：0.5%</b></p><p><b>　　脈寬誤差：1%</b></p><p>　　幅值誤差：0.3% </p><p>　　輸出電流波形如圖1-1:&l

28、t;/p><p>　　第2章 電源總體方案的確定</p><p><b>　　2.1 概述</b></p><p>　　設(shè)計(jì)合理的方案、有效可靠的電路和先進(jìn)的系統(tǒng)控制算法是脈沖電源總體設(shè)計(jì)的主要任務(wù)，本章分析了脈沖電鍍電源的組成和工作原理。</p><p>　　該電源將三相380V的交流電經(jīng)過整流、濾波、斬波等主要環(huán)節(jié)

29、得到規(guī)定要求的脈沖電流，且脈沖電流的脈寬和頻率可以在規(guī)定范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)，并通過控制三相整流橋的移相角，對脈沖電流幅值進(jìn)行閉環(huán)調(diào)節(jié)。</p><p>　　2.2 脈沖電源工作原理和系統(tǒng)組成</p><p>　　根據(jù)脈沖電源系統(tǒng)的組成原理給出脈沖電源的工作原理略圖，如圖2-1所示。把脈沖電源分為主電路和控制電路兩部分。其中，主電路包括整流電路、濾波電路和斬波電路。</p><

30、;p>　　在一般全橋或者半橋直流電源中，都是將電網(wǎng)電壓不可控整流后的直流電壓經(jīng)過變壓器升壓或者降壓，然后再整流得到隔離的直流輸出電壓。本設(shè)計(jì)的脈沖電源可以在上述直流電源的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)。設(shè)計(jì)逆變型脈沖電源系統(tǒng)由三大部分組成：（1）采取可控整流，使輸出的脈沖電流峰值可調(diào)。（2）由于電源輸出電流比較大，采用帶脈沖變壓器的斬波電路。（3）控制電路是系統(tǒng)的核心，它包括主電路功率器件需要的驅(qū)動(dòng)脈沖生成、控制算法、信號(hào)采樣及處理等。</p&

31、gt;<p>　　第3章 主電路的設(shè)計(jì)</p><p>　　電源技術(shù)要求來看，要實(shí)現(xiàn)脈沖電源輸出電流的頻率、占空比等參數(shù)調(diào)節(jié)范圍寬，必定使電路復(fù)雜化、造價(jià)高、可靠性降低。因此，設(shè)計(jì)實(shí)用、可靠且便宜的電源是選擇方案的基本出發(fā)點(diǎn)。本章將簡述脈沖電鍍電源電源的主電路結(jié)構(gòu)、參數(shù)選擇計(jì)算。</p><p>　　3.1 系統(tǒng)的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)</p><p>　

32、　主電路包括整流、濾波、斬波電路，主要任務(wù)是輸出符合要求的脈沖電流波形。其電路如圖3-1：</p><p>　　3.2 整流電路的設(shè)計(jì)</p><p>　　3.2.1 整流電路方案的確定</p><p>　　整流電路主要是把三相交流電變?yōu)橹绷麟?，根?jù)需要可選三相半波可控整流電路和三相橋式全控整流電路。三相半波可控整流電路只用三個(gè)晶閘管，接線和控制都很簡單，但要輸出相

33、同的Ud時(shí)，晶閘管承受的正、反向電壓都較高，且整流變壓器二次側(cè)繞組一周期僅導(dǎo)電120º，繞組利用率低，繞組中電流為單方向，存在直流分量，使鐵芯直流磁化，產(chǎn)生較大的漏磁通，引起附加損耗。</p><p>　　工業(yè)中廣泛應(yīng)用的三相橋式全控整流電路，是由兩組三相半波整流電路串聯(lián)而成的，一組三相半波整流電路為共陰極接法，另一阻為共陽極。如果它們的負(fù)載完全相同且控制角一致，則負(fù)載電流I、I應(yīng)完全相同，在零線流過的

34、電流平均值，如果將零線切斷，不影響電路工作，就成為三相橋式全控整流電路由于共陰極組在電源正半周導(dǎo)通，流經(jīng)變壓器二次側(cè)繞組的是正向電流，共陽極組在電源負(fù)半周導(dǎo)通，流經(jīng)變壓器二次繞組的是反向電流。因此，一周期中變壓器繞組中沒有直流磁勢，且每相繞組的正負(fù)半周都有電流流過，變壓器繞組利用率提高了。故本設(shè)計(jì)采用這種整流方式。</p><p>　　由圖 3. 1 電路可以看出，在任意時(shí)刻電路必須有兩個(gè)晶閘管同時(shí)導(dǎo)通，其中一個(gè)

35、屬于共陰極組，另一個(gè)屬于共陽極組，每個(gè)晶閘管的最大導(dǎo)通角為120°。晶閘管之間的換相是在同一結(jié)構(gòu)組中進(jìn)行的，即共陽極與共陽極的晶閘管換相，共陽極與共陰極的晶閘管換相。在這種電路中般采用雙脈沖或?qū)捗}沖的觸發(fā)方式保證每隔60°導(dǎo)通一個(gè)晶閘管，觸發(fā)電路設(shè)計(jì)在后面章節(jié)給出。</p><p>　　三相全控整流電路分析：</p><p>　　下面講述可控整流電路在阻性負(fù)載情況下輸出

36、與輸入的關(guān)系，圖3-2為在觸發(fā)角為α?xí)r的電路波形。Ud1為相電壓波形，Ud2為線電壓波形。由波形對應(yīng)關(guān)系可以看出，各自然換相點(diǎn)既是相電壓的交點(diǎn)，同時(shí)也是線電壓的交點(diǎn)。由于輸出整流電壓為共陰極組中處于通態(tài)的晶閘管對應(yīng)的相電壓與共陽極組中處于通態(tài)的晶閘管對應(yīng)的相電壓的差，因此輸出電壓為線電壓在正半周期的包絡(luò)線(圖中Ud2 。從圖中可以看出，當(dāng)0°<α<60°時(shí)，輸出電流連續(xù):當(dāng)60°<α<

37、;120°時(shí)，輸出電流不連續(xù);當(dāng)a =120°時(shí)輸出平均電壓為零，所以應(yīng)該分別對待.</p><p>　　圖3-2 三相全控橋式整流電路電壓波形圖</p><p>　　當(dāng)0°<α<60°時(shí)，電流連續(xù)時(shí)輸出電壓平均值Ud與輸入電壓有效值U2的關(guān)系為：</p><p>　　通過晶閘管的電流I與負(fù)載平均電流Id的關(guān)系為

38、：</p><p>　　三相全橋整流電路輸入電流有效值I2與負(fù)載平均電流Id的關(guān)系為：</p><p>　　當(dāng)60°<α<120°時(shí)，電流不連續(xù)時(shí)輸出電壓平均值與輸入電壓有效值U2的關(guān)系為：</p><p>　　通過晶閘管的電流I與負(fù)載平均電流Id的關(guān)系為：</p><p>　　三相全橋整流電路輸入電流有效值I

39、2與負(fù)載平均電流Id的關(guān)系為：</p><p>　　下面講述可控整流電路在感性負(fù)載情況下輸出與輸入的關(guān)系，認(rèn)為電感足夠大，使負(fù)載電流連續(xù)， 且其波形基本上為一條水平線 。感性負(fù)載時(shí)導(dǎo)電規(guī)律與阻性負(fù)載相同， 當(dāng)0°<α<60°時(shí)， 電路整流輸出電壓Ud 波形與阻性負(fù)載使一樣。當(dāng)α〉60°時(shí)，有前面分析可知， 阻性負(fù)載的輸出電壓波形斷續(xù)，對于大電感負(fù)載，由于電感L的作用，在電

40、源線過零后，晶閘管仍然導(dǎo)通，直到下一個(gè)晶閘管觸發(fā)導(dǎo)通為止，這樣輸出電壓波形中出現(xiàn)負(fù)的部分。當(dāng)α=90°時(shí)，Ud 波形正負(fù)面積相等，平均值Ud=0，所以感性負(fù)載使電路移相范圍為90°。感性負(fù)載時(shí)電流連續(xù)，晶閘管導(dǎo)通總是2Π/3，Ud波形每隔60°重復(fù)一次，所以整流電壓輸出平均值Ud與輸入電壓有效值U2的關(guān)系為：</p><p>　　通過晶閘管的電流I與負(fù)載平均電流Id的關(guān)系為：<

41、/p><p>　　三相全橋整流電路輸入電流有效值I2與負(fù)載平均電流Id的關(guān)系為：</p><p>　　3.2.2整流變壓器的設(shè)計(jì) </p><p>　　整流變壓器起到隔離和降壓的作用。對變壓器進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，考慮到變壓器磁化曲線的非線性，在鐵心中要得到正弦磁通，激磁電流必定要含有三次諧波。當(dāng)變壓器采用△-Y聯(lián)結(jié)時(shí)，可以供給產(chǎn)生正弦磁通所需要的三次諧波電流，這樣主磁通將保持接

42、近正弦，當(dāng)然電勢也就接近正弦。因此本文設(shè)計(jì)的變壓器是原邊采用△繞法，副邊采用Y繞法。</p><p>　　整流變壓器的計(jì)算和選擇：</p><p>　　1.變壓器副極電壓電流的計(jì)算</p><p>　　整流橋輸出電壓： Ud=100V</p><p>　　由三相橋式全控整流電路可知：</p><p><b>

43、　　所以： </b></p><p>　　當(dāng)0°<α<90°時(shí)，與α成反比關(guān)系，</p><p>　　=0°時(shí)， 取最小值，=42.7V；</p><p>　　=90°時(shí)，取最大值。</p><p>　　本設(shè)計(jì)中取 U2=50V 則，α=35°</p>

44、<p>　　變壓器二次側(cè)繞阻同一周期內(nèi)流過電流波形為方波，其正半周為120，其負(fù)半周也為120，所以二次側(cè)繞阻電流有效值為：</p><p>　　I=100A 則 I=81.6A</p><p>　　2.整流變壓器容量計(jì)算</p><p>　　整流變壓器副級功率為：</p><p>　　三相全控橋式整流電路變壓器原級功率與副級功率

45、相等，故</p><p>　　因此整流變壓器容量為</p><p>　　3.2.3晶閘管的選擇</p><p>　　晶閘管的選擇是保證晶閘管工作在其安全工作區(qū)內(nèi)，主要包括額定電壓、額定電流。在高壓或大電流的晶閘管裝置中，如所要求的電壓、電流值超過了單個(gè)元件所能承受的額定值時(shí)，可以把元件串聯(lián)或并聯(lián)起來使用，所以，還需要判斷是否需要晶閘管并聯(lián)或串聯(lián)。</p>

46、<p>　　1．晶閘管額定電壓V</p><p>　　確定晶閘管額定電壓時(shí)，考慮到晶閘管在恢復(fù)阻斷時(shí)引起的換相過電壓，以及在操作和事故過程中產(chǎn)生的各種過電壓影響，額定電壓必須留有(2~3)倍的余量。即</p><p>　　其中V為晶閘管承受的最大正反向峰值電壓，</p><p><b>　　在本設(shè)計(jì)中</b></p>

47、<p><b>　　2．晶閘管額定電流</b></p><p>　　晶閘管額定電流的計(jì)算原則是必須使額定電流I大于實(shí)際流過晶閘管的電流平均值。考慮過載系數(shù)，通常取1~2倍。</p><p><b>　　晶閘管通態(tài)平均電流</b></p><p>　　由三相全控橋式整流電路可知，流過晶閘管的電流有效值為：<

48、/p><p>　　3．晶閘管并聯(lián)支路的確定</p><p>　　所以，不需要晶閘管并聯(lián)。</p><p>　　3.2.4晶閘管的保護(hù)</p><p>　　晶閘管在使用中，因電路中電感的存在而導(dǎo)致?lián)Q相過程產(chǎn)生Ldi/dt，或系統(tǒng)自身出現(xiàn)短路、過載等故障.所以要做好晶閘管的過電壓、過電流保護(hù)。</p><p>　　1．晶閘管的

49、過電壓保護(hù)</p><p>　　晶閘管對過電壓很敏感，當(dāng)正相電壓超過其斷態(tài)重復(fù)峰值電U一定值時(shí)晶閘管就會(huì)誤導(dǎo)通，引發(fā)電路故障；當(dāng)外加反向電壓超過其反向重復(fù)峰值電壓U一定值時(shí)，晶閘管就會(huì)立即損壞。因此，必須研究過電壓的產(chǎn)生原因及抑制過電壓的的方法。</p><p>　　過電壓產(chǎn)生的原因主要供給的電功率和儲(chǔ)能發(fā)生了激烈的變化，使得系統(tǒng)來不及轉(zhuǎn)換，或者系統(tǒng)中原來積聚的電磁能量來不及消散而造成的。

50、主要表現(xiàn)為雷擊等外來沖擊引起的過電壓和開關(guān)的開閉引起的沖擊電壓兩種類型。由雷擊或高壓斷路其動(dòng)作等產(chǎn)生的過電壓是幾微妙或幾毫秒的電壓尖峰，對晶閘管是很危險(xiǎn)的。由開關(guān)的開閉引起的沖擊電壓又分為如下幾類</p><p>　　1）交流電源接通、斷開產(chǎn)生的過電壓 例如，交流開關(guān)的開閉、交流側(cè)熔斷器的熔斷等引起的過電壓，這些過電壓由于變壓器繞阻的分布電容、漏抗造成的諧振回路、電容分壓等使過電壓數(shù)值為正常值的2至10倍。一般

51、低，開閉速度越快過電壓約稿，在空載情況下斷開回路將會(huì)有更高的過電壓。</p><p>　　2）直流側(cè)產(chǎn)生的過電壓 如切斷回路的電感較大或者切斷時(shí)的電流值較大，都會(huì)產(chǎn)生比較大的過電壓。這種情況常出現(xiàn)在切斷負(fù)載、正在導(dǎo)通的晶閘管開路或者快速熔斷器熔體燒斷等原因引起電流突變場合。</p><p>　　3) 換相沖擊電壓 包括換相過電壓和換相振蕩過電壓。換相過電壓是由于晶閘管的電流降為零器件內(nèi)部各

52、結(jié)層殘流載流子復(fù)合所產(chǎn)生，所以有叫載流子積蓄效應(yīng)引起的過電壓。換相過電壓之后，出現(xiàn)換相振蕩過電壓，它是由于電容、電感形成共振產(chǎn)生的振蕩電壓，其值與振蕩結(jié)束后的反向電壓有關(guān)。反向電壓越高，換相振蕩過電壓也越大。</p><p>　　針對形成過電壓的不同原因，可以采取不同的抑制方法，如減少過電壓源，并使過電壓幅值衰減；抑制過電壓能量上升的速率，延緩已產(chǎn)生能量的消散速度，增加其消散途徑；采用電子線路進(jìn)行保護(hù)。目前最常用

53、的是在回路中接入吸收能量的元件，是能量得以消散，常稱之為吸收回路或緩沖電路。</p><p>　　常見的晶閘管過電壓有交流側(cè)過電壓和直流側(cè)過電壓，對這些過電壓的主要處理措施如圖3-3：</p><p>　　圖 3-3 晶閘管保護(hù)措施</p><p><b>　　F—壁雷器 </b></p><p>　　D—變壓器靜

54、電屏蔽層 </p><p>　　C—靜電感應(yīng)過電壓抑制電容</p><p>　　RC1—閥側(cè)浪涌過電壓抑制用RC電路</p><p>　　RC2—閥側(cè)浪涌過電壓抑制用反相阻斷式RC電路</p><p>　　RV—壓敏電阻過電壓抑制器</p><p>　　RC3—閥器件換相過電壓抑制用RC電路</p>&

55、lt;p>　　RC4—直流側(cè)RC抑制電路</p><p>　　RCD—閥期間開關(guān)斷過電壓抑制用RC電路</p><p>　　阻容吸收回路 通常過電壓均具有較高的頻率，因此常用電容作為吸收元件，為防止振蕩，常加阻尼電阻，構(gòu)成阻容吸收回路。阻容吸收回路可接在電路的直流側(cè)、交流側(cè)、后并接在晶閘管的陽極與陰極之間。吸收電路最好選用無感電容，接線應(yīng)盡量短。</p><p&g

56、t;　　阻容保護(hù)三角形連接時(shí)，電容器的電容量小但耐壓要求高聯(lián)接時(shí)，阻容保護(hù)星形連接時(shí)，電容器的電阻值要大但耐壓要求低、電阻值也小，通常增大C能降低作用到晶閘管上的過電壓L di/dt和dv/dt，但過大的C值不僅增大體積，而且使R的功耗增大，并使晶閘管導(dǎo)通時(shí)的di/dt上升。增大電阻R有利于抑制振蕩但過大的R不僅使抑制振蕩的作用不大，反而降低了電容抑制Ldi/dt的效果,并使R的功率增大，所以一般希望R小一些(約5~100)。為降低電阻

57、的溫度電阻功率應(yīng)選電阻上可消耗功率值的2倍左右。</p><p>　　a 交流側(cè)的阻容保護(hù)星型接法 b交流側(cè)的阻容保護(hù)三角形接法</p><p>　　圖3-4 交流側(cè)的阻容保護(hù)接法</p><p>　　由硒堆及壓敏電阻等非線性元件組成的吸收回路 上述阻容吸收回路的時(shí)間常數(shù)RC是固定的，有時(shí)對時(shí)間短、峰值高、能量大的過電壓來不及放電，抑制過電壓的效果較差。因此

58、，一般在交流裝置的進(jìn)出線端還并有硒堆或壓敏電阻等非線性元件。硒堆的特點(diǎn)是其動(dòng)作電壓與溫度有關(guān)，溫度越低耐壓越高；另外是硒堆具有自恢復(fù)特性，能多次使用，當(dāng)過電壓動(dòng)作后硒基片上的灼傷孔被熔化的硒重新覆蓋，又重新恢復(fù)其工作特性。壓敏電阻是以氧化鋅為基體的金屬氧化物非線性電阻，其結(jié)構(gòu)為兩個(gè)電極，電極之間填充的粒徑為10~50的不規(guī)則的ZNO微結(jié)晶，結(jié)晶粒間是厚約1的氧化鉍粒界層。這個(gè)粒界層在正常電壓下呈高阻狀態(tài)，只有很小的漏電流，其值小于100

59、。當(dāng)加電壓時(shí)，引起了電子雪崩，粒界層迅速變成低阻抗，電流迅速增加，泄漏了能量，抑制了過電壓，從而使晶閘管得到保護(hù)。粒浪涌過后粒界層有恢復(fù)為高阻態(tài)。</p><p>　　1）、交流側(cè)過電壓阻容保護(hù)</p><p>　　下圖給出阻容保護(hù)常用的接線圖，其中電阻R、C用下面關(guān)系式近似計(jì)算：</p><p>　　— 整流變壓器的阻抗電壓，以額定電壓的百分?jǐn)?shù)表示，對于本設(shè)計(jì)，=

60、 4%~10%;</p><p>　　—變壓器空載電流，以額定電流的百分?jǐn)?shù)表示，對于本設(shè)計(jì)=4%~10%;</p><p>　　— 變壓器二次相電壓有效值(V);</p><p>　　S — 變壓器每相的平均視在容量(VA)。</p><p>　　電容的耐壓==130V</p><p>　　阻容電流：===0.12A&

61、lt;/p><p>　　電阻的功率==1.5W</p><p>　　選用的電容為：5/200V</p><p>　　選用的電阻為：0.5/2W</p><p>　　2)非線性阻容吸收裝置保護(hù)（壓敏電阻）</p><p><b>　　壓敏電阻RV的選擇</b></p><p>&

62、lt;b>　　U==168V</b></p><p>　　選用壓敏電阻的型號(hào)為：MYD14K271</p><p>　　3)直流側(cè)過電壓阻容保護(hù)</p><p>　　直流側(cè)過電壓保護(hù)一般采用在晶閘管兩端并聯(lián)阻容吸收的方法。吸收電阻與吸收電容的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式為:</p><p>　　=(2~4)=(2~4) =0.115~0.2

63、3F</p><p>　　電容耐壓==130V</p><p><b>　　R=10~30</b></p><p>　　阻容電流：===0.12A</p><p><b>　　電阻的功率取2W</b></p><p>　　選用的電容為：0.5/200V</p>

64、<p>　　選用的電阻為：20/2W</p><p>　　2. 晶閘管的過電流保護(hù)</p><p>　　由于半導(dǎo)體器件體積小、熱量小、特別像晶閘管這類高電壓大電流的功率器件，結(jié)時(shí)，熱量降來不及散發(fā)，使得結(jié)溫迅速升高，最終將導(dǎo)致結(jié)層被燒壞。</p><p>　　產(chǎn)生過電流的原因是多種多樣的，例如，交流裝置本身晶閘管損壞，觸發(fā)電路發(fā)生相鄰設(shè)備故障影響等。<

65、;/p><p>　　晶閘管過電流最常用的是快速熔斷器。由于普通熔斷器的熔斷特性動(dòng)作太慢，在熔斷器尚未熔斷之前晶閘管已被損壞；所以不能用來保護(hù)晶閘管。快速熔斷器由銀制熔絲埋于石英沙內(nèi)，熔斷時(shí)間極短，可以用來保護(hù)晶閘管。</p><p>　　使用中快速熔斷器的接法有快速熔斷器與晶閘管相串聯(lián)的接法如圖（1）,快速熔斷器接在交流側(cè)如圖（2）,快速熔斷器接在直流側(cè)如圖（3），這種接法制能保護(hù)負(fù)載故障情況

66、，當(dāng)晶閘管本身短路是無法起到保護(hù)作用。本設(shè)計(jì)采用與元件串聯(lián)的快速熔斷器作過載與短路保護(hù)。</p><p>　　圖3-5 快速熔斷器連接圖 </p><p><b>　　快速熔斷器的選擇</b></p><p>　　通過晶閘管電流有效值=58A,</p><p>　　故選用RLS-70的熔斷器，熔體電流為70A。</

67、p><p>　　3.3中間濾波電路的設(shè)計(jì)</p><p>　　直流濾波電容器的參數(shù)計(jì)算</p><p>　　在三相全控整流電路中，輸出直流的基波脈動(dòng)頻率為300Hz。為了保證整流輸出電壓為一平直電壓，濾波電路的時(shí)間常數(shù)，即濾波電容器和直流電源的等效負(fù)載電阻的乘積應(yīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于整流輸出電壓的基波脈動(dòng)周期，實(shí)際應(yīng)用中一般取6-8倍即可。既有：</p><p&

68、gt;　　=（6~8）/300=（20~27）</p><p>　　得： =（20~27）</p><p><b>　　取=10~100</b></p><p>　　則 =200~2000</p><p>　　實(shí)際中選用 =2000</p><p>　　濾波電容的耐壓值

69、按整流最大輸出電壓選取，即117V.實(shí)際取用耐壓為450V。</p><p>　　限流電抗器的參數(shù)計(jì)算</p><p>　　作用主要是限流，限制流過晶閘管的電流尖峰，改善網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)。一般可以按照下面的式子進(jìn)行計(jì)算求取：</p><p><b>　　=(20~23)</b></p><p>　　則 =（20

70、~23）=10~11.5</p><p>　　因此可以按照10，100A選擇。</p><p>　　在選用和時(shí),除了考慮限流、濾波功能外，還需要考慮到在電源額定工作狀態(tài)下，斬波器因某種原因突然停止工作時(shí)，儲(chǔ)存在中的能量將轉(zhuǎn)移到中，此過程會(huì)使端電壓升高，此電壓則直接加到IGBT上，因此選擇時(shí)也不能取的太大。值應(yīng)該滿足:</p><p><b>　?。╧-1）

71、</b></p><p>　　其中k為升壓系數(shù)，一般取1.2。如果與的取值不能滿足上面的關(guān)系式則需要適當(dāng)?shù)脑龃蠡蛘邷p小。</p><p><b>　　本設(shè)計(jì)中 </b></p><p><b>　　（k-1）=80</b></p><p>　　因此前面的取值在10合理范圍內(nèi)，無需調(diào)整。&

72、lt;/p><p>　　3.4斬波電路的設(shè)計(jì)</p><p>　　斬波電路是本設(shè)計(jì)關(guān)鍵的部分，整個(gè)脈沖電源的性能都取決于該電路工作狀態(tài)，系統(tǒng)大部分的高頻振蕩干擾也來源于此。因此在設(shè)計(jì)斬波電路時(shí)，除了要實(shí)現(xiàn)DC-DC變換電氣性能以外，還要設(shè)計(jì)功率器件的保護(hù)電路、驅(qū)動(dòng)電路和功率回路布線等各種輔助電路。采用一些特殊工藝來減小干擾，保證整個(gè)系統(tǒng)的工作性能。</p><p>　　

73、3.4.1斬波電路的選擇</p><p>　　直流斬波器是一種把恒定直流電壓變換成為負(fù)載所需的直流電壓的變流裝置。它通過周期性的快速通、斷，把恒定直流電壓斬成一系列的脈沖電壓，而改變這一脈沖列寬度或頻率就可實(shí)現(xiàn)輸出電壓平均值的調(diào)節(jié)。斬波電路按照電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以分為基本的不帶隔離變壓器的斬波器和帶隔離變壓器的斬波器兩類?；镜臄夭ㄆ魇峭ㄟ^控制開關(guān)管，在靜電熔、電感等儲(chǔ)能濾波元件將輸入的直流電壓變換為符合負(fù)載要求的

74、直流電壓或電流。這種變換器適用于輸入輸出電壓等級相差不大，且不要求電氣隔離的應(yīng)用場合。</p><p>　　基本的斬波器有多種電路接線形式，根據(jù)其電路結(jié)構(gòu)及功能分為4種基本類型。</p><p>　　1）降壓斬波（buck）</p><p>　　2）升壓斬波（boost）</p><p>　　3）升降壓斬波（buck-boost）</p

75、><p>　　4）丘克斬波（CUK）</p><p>　　在電力電子的實(shí)際應(yīng)用中，斬波變換器常常要用變壓器進(jìn)行電氣隔離，即帶隔離變壓器的斬波器。變壓器型中按開關(guān)管輸出電路的形式可分為單端變換器和雙端變換器。而雙端變換器又分為推挽型、半橋型、和全橋型。單端變換器可分為單端正激型和單端反激型。本設(shè)計(jì)選用單端正激型變換器。</p><p>　　脈沖電鍍電源要求輸出電壓為10V

76、，電流為1000A，所以需要采用隔離式的斬波電路?？捎糜诒倦娫丛O(shè)計(jì)的斬波器有正激式和橋式的，本設(shè)計(jì)基于正激電路結(jié)構(gòu)簡單和成本低的優(yōu)點(diǎn)選用這種斬波電路。</p><p>　　正激變換器磁復(fù)位電路的設(shè)計(jì)</p><p>　　正激變換器具有電路結(jié)構(gòu)簡單、輸入與輸出電壓隔離、可以多路輸出等優(yōu)點(diǎn)，適用于低壓大電流的場合。該變換器有一個(gè)固有的缺陷，就是它的變壓器必須要磁復(fù)位，因此必須采取復(fù)位電路。磁復(fù)

77、位的基本思路是:變壓器原邊繞組(或副邊繞組)上的正向電壓伏秒面積應(yīng)該等于負(fù)向電壓伏秒面積。常用的磁復(fù)位技術(shù)包括RCD箝位技術(shù)，LCD箝位技術(shù)，有源箝位技術(shù)和ZVT箝位技術(shù)。這里選用RCD箝位技術(shù)。</p><p>　　單端正激型變換器的主電路如圖3-6：</p><p>　　圖3-6 斬波電路原理圖</p><p>　　當(dāng)功率開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，整流二極管VD3同時(shí)導(dǎo)通，

78、輸入電能通過 VD3傳遞給負(fù)載R.V關(guān)斷時(shí)，VD3停止導(dǎo)通，電感性負(fù)載通過VD4繼續(xù)向負(fù)載供電。同時(shí)變壓器中的存儲(chǔ)能量通過RCD鉗位電路消耗，防止磁通飽和。</p><p>　　3.4.2功率開關(guān)器件的選擇</p><p>　　工作于開關(guān)狀態(tài)的功率半導(dǎo)體器件是現(xiàn)代電力電子技術(shù)的核心，晶閘管這種半控型功率開關(guān)元件的問世標(biāo)志著現(xiàn)代電力電子技術(shù)時(shí)代的開始?，F(xiàn)代電力電子器件是指全控型的電力半導(dǎo)體器

79、件，可分為雙極型、單極型和全控型三大類?，F(xiàn)代電力電子器件向著全控化、集成化、高頻化、多功能化和智能化方向發(fā)展。</p><p>　　雙極型功率開關(guān)器件的主要特點(diǎn)是通態(tài)壓降低、阻斷電阻高和電流容量大，適用于較大容量的變流系統(tǒng)。其主要有電力晶體管(GTR)、門極可關(guān)斷晶閘管(GTO)和靜電感應(yīng)晶閘管(SITH)等。其中GTR具有控制方便和通態(tài)壓降低的優(yōu)點(diǎn)，但存在二次擊穿問題和耐壓難以提高的缺點(diǎn)。一般應(yīng)用于幾十千伏安以

80、下、開關(guān)頻率低于10k Hz的場合。GTO是目前能做到耐壓最高、電流容量最大的功率開關(guān)器件之一，現(xiàn)在最大容量可達(dá)5000V, 4500A。但其關(guān)斷增益小，門極反向關(guān)斷電流較大，需設(shè)置專門的驅(qū)動(dòng)電路，開關(guān)頻率一般為1~2kHz,多應(yīng)用在200KVA以上的大容量變流設(shè)備中。SITH是大功率場控開一準(zhǔn)器件。它的通態(tài)電阻小、開關(guān)速度快，可用于高頻感應(yīng)加熱電源。但其制造工藝復(fù)雜，成本較高。單極型功率開關(guān)器件的典型產(chǎn)品主要有功率場效應(yīng)晶體管(MOS

81、FET)和靜電感應(yīng)晶體管(SIT)。它們屬于電壓控制器件，驅(qū)動(dòng)功率小。MOSFET的電流容量和耐壓難以提高，多用于中小容量、開關(guān)頻率較高的場合。SIT的輸出功率大，多用于高音質(zhì)音頻放大器、通訊設(shè)施和空間技術(shù)等領(lǐng)域。</p><p>　　混合型功率開關(guān)器件是由單極型和雙極型功率開關(guān)器件集成混合制造，利用耐壓高、電流密度大、導(dǎo)通壓降低的雙極型器件作為輸出級，同時(shí)利用輸入阻抗高、響應(yīng)速度快的單極型MOS器件作為輸入級，

82、兼有兩者的優(yōu)點(diǎn)。這類器件的典型產(chǎn)品有絕緣柵雙極晶體管(IGBT )、MOS晶閘管(MCT)和功率集成電路(PIC)等。MCT是晶閘管和MOSFET的混合集成，它阻斷電壓高，電流容量大，通態(tài)壓降和損耗小，開關(guān)速度高，開關(guān)損耗小，是最有發(fā)展前景的全控型功率半導(dǎo)體器件。但現(xiàn)在實(shí)際應(yīng)用很少。PIC是指功率開關(guān)器件與驅(qū)動(dòng)電路、控制電路、保護(hù)電路等的總體集成，使強(qiáng)電和弱電達(dá)到完美的結(jié)合，完成了信息與動(dòng)力的統(tǒng)一，推動(dòng)電力電子技術(shù)進(jìn)入智能化時(shí)代。但其耐

83、壓和電流容量很小。IGBT是MOSFET與GTR復(fù)合形成的一種新型器件，自八十年代中期以來發(fā)展十分迅速，開關(guān)頻率已超過20kHz。它既具有功率MOSFET的電壓驅(qū)動(dòng)、開關(guān)頻率高、無二次擊穿問題等優(yōu)點(diǎn)，又具有GTR通態(tài)電流大、反向阻斷電壓高等優(yōu)點(diǎn)。近年來，在開關(guān)電源、電機(jī)控制以及其它要求開關(guān)頻率高、損耗低的中小容量變流設(shè)備中，IGBT有取代功率MOSFET和GTR的趨勢，成為應(yīng)用</p><p>　　基于以上對各種

84、常用全控型功率開關(guān)器件的對比分析，本文設(shè)計(jì)采用IGBT作為功率開關(guān)器件。</p><p><b>　　IGBT參數(shù)計(jì)算：</b></p><p><b>　　額定電流的選擇:</b></p><p>　　IGBT額定電流的選擇要考慮實(shí)際電路中的最大額定電流，負(fù)載類型，允許過載的程度等因素。一般取電流最大值兩倍的裕量。<

85、;/p><p><b>　　即 </b></p><p>　　Ice=2×Ie=2×100=200A</p><p><b>　　額定電壓的選擇:</b></p><p>　　考慮電網(wǎng)瞬間尖峰、電壓波動(dòng)、開關(guān)電流引起的電壓尖峰等，選擇耐壓值為兩倍加在其上的電壓。根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參數(shù)

86、選用IR的IGBT，型號(hào)為:GA200SA60S,其耐壓值600V,額定電流200A。</p><p>　　3.4.3 IGBT的保護(hù)</p><p><b>　　1．過電壓保護(hù)</b></p><p>　　IGBT關(guān)斷時(shí)，它的集電極電流下降率較高，集電極高的電流下降率將引起集電極過電壓。為了保護(hù)IGBT，必須對其兩端的過電壓進(jìn)行控制，以免過電

87、壓超過其額定值而導(dǎo)致IGBT的損壞。抑制IGBT集.發(fā)射極電壓的電壓尖峰的方法有兩種:一種是增大柵極電阻RG，另一種是采用緩沖電路。然而，RG的增大將減緩IGBT的開關(guān)速度，從而增加了開關(guān)損耗，因此這種方法不可取。緩沖電路又稱吸收電路，主要用于抑制電力電子器件的內(nèi)因過電壓、dv/di和di/dt，減小器件的開關(guān)損耗。緩沖電路可分為關(guān)斷緩沖電路和開通緩沖電路。關(guān)斷緩沖電路的基本思路是將電容并聯(lián)于器件兩端，利用電容器上的電壓不能突變的原理來

88、抑制尖峰電壓，即吸收器件的關(guān)斷過電壓和換相過電壓，減小dv/dt，同時(shí)減小器件的關(guān)斷損耗。開通緩沖電路是利用電感與器件串聯(lián)來抑制器件開通時(shí)的過電流沖擊和di/di并減小器件的開通損耗的。由于開通緩沖電路很容易實(shí)現(xiàn)，下面將著重介紹關(guān)斷緩沖電路。在實(shí)際應(yīng)用中，IGBT的關(guān)斷緩沖電路有RC吸收和RCD吸收兩種。</p><p>　　(1) RC吸收電路</p><p>　　IGBT的RC緩沖電路

89、如圖3_7中吸收電容CS與電阻Rs串聯(lián)后并聯(lián)于IGBT的集電極和發(fā)射極兩端構(gòu)成了RC吸收電路。為了限制吸收電容Cs的放電電流，將其串聯(lián)了一個(gè)電阻R，但是由于電阻R的串入，使得IGBT關(guān)斷時(shí)的過電壓吸收效果較單電容緩沖電路要差，而且Rs阻值越大，吸收效果越差。所以在實(shí)際應(yīng)用中，Rs阻值取得較小，這樣既可有較好的吸收效果，同時(shí)對開通時(shí)的電流尖峰又有抑制作用。</p><p><b>　　(2) RCD吸收&

90、lt;/b></p><p>　　在RC吸收電路的吸收電阻上并聯(lián)一只二極管就構(gòu)成了RCD吸收電路，如圖3_7所示。當(dāng)IGBT關(guān)斷時(shí)，電源經(jīng)二極管向電容充電，由于二極管的正向?qū)▔航递^小，所以關(guān)斷時(shí)的過壓吸收效果與電容吸收效果相同。當(dāng)IGBT開通時(shí)，電容通過電阻放電，限制了IGBT中的開通尖峰電流。器件每開通一次，電容就充放電一次，所以將其稱為充放電緩充電路。通常，在IGBT關(guān)斷時(shí)，電容被充到電源電壓值。在I

91、GBT導(dǎo)通時(shí)，電容通過放電使充入電容的能量全部消耗在放電回路中，主要消耗在電阻上，而且這種功損耗正比于IGBT的開關(guān)頻率。</p><p>　　圖 3-7 IGBT吸收電路</p><p>　　這兩種吸收電路因直接并接在IGBT的集電極和發(fā)射極的兩端，IGBT關(guān)斷時(shí)收電容的電壓從零開始上升，因而具有較好的過電壓吸收效果。使得IGBT關(guān)斷時(shí)的電流、電壓的運(yùn)行軌跡靠近電流、電壓坐標(biāo)軸，提高了I

92、GBT關(guān)斷時(shí)的安全性。但是，對于大功率IGBT來說，其使用頻率通常在lOkHz左右，在這樣高的頻率下，這兩種緩沖電路由于自身損耗過大而無法使用。目前鉗位式RCD吸收電路被認(rèn)為是最適合于大功率IGBT的吸收電路，并且被廣泛采用。</p><p><b>　　2．過電流保護(hù)</b></p><p>　　當(dāng)IGBT發(fā)生過流或短路故障時(shí)，若不加以保護(hù)或保護(hù)不當(dāng)，就可能因發(fā)生擎

93、住效應(yīng)，使IGBT超過其熱極限而毀壞。為了避免這些情況的發(fā)生，必須對IGBT采取有效的保護(hù)措施.</p><p>　　IGBT的過電流保護(hù)電路可分為兩種類型:一種是過載電流保護(hù)，另一種是短路電流保護(hù)。對于過載保護(hù)，由于不必快速響應(yīng)，可采用集中式的保護(hù)，即檢測輸入端或直流環(huán)節(jié)的總電流。當(dāng)此電流超過設(shè)定值之后，比較器翻轉(zhuǎn)，封鎖裝置中所有IGBT驅(qū)動(dòng)器的輸入脈沖，使裝置的輸出電流降為零。這種集中式的保護(hù)具有保護(hù)的徹底性

94、，一旦保護(hù)動(dòng)作后需要通過復(fù)位才能恢復(fù)正常工作。然而，對于短路保護(hù)，由于IGBT只能承受很短時(shí)間的短路電流，所以其保護(hù)電路必須快速動(dòng)作。下面將著重討論短路保護(hù)。</p><p>　　從識(shí)別出過電流信號(hào)至切斷栩極信號(hào)的這段時(shí)間必須小于IGBT允許短路過電流的時(shí)間。而IGBT承受短路電流的時(shí)間長短與該IGBT的導(dǎo)通壓降有關(guān)，并隨著飽和導(dǎo)通壓降的增加而延長，這是因?yàn)殡S著飽和導(dǎo)通壓降的增加，IGBT的阻抗也在增加，導(dǎo)致短路

95、電流的幅值減小，而且短路時(shí)的功耗也隨著短路電流的平方在減小。如飽和導(dǎo)通壓降小于2V的IGBT允許承受的短路時(shí)間小于5μs,飽和壓降為3V的IGBT承受的短路時(shí)間可達(dá)15μs ，當(dāng)飽和壓降增加到4V～5V時(shí)，其允許短路時(shí)間可達(dá)30μs 。</p><p>　　IGBT的過電流損壞問題可以依靠IGBT驅(qū)動(dòng)電路中過流保護(hù)電路來解決，IGBT的驅(qū)動(dòng)電路將在下一章講解。</p><p>　　3.4.

96、4 吸收電路參數(shù)計(jì)算</p><p><b>　　1 )緩沖電容</b></p><p>　　緩沖電容Cs可將輸入電壓置于低電壓，由實(shí)驗(yàn)方法確定，也可以由母線電感計(jì)算.初始浪涌電壓之后，隨著緩沖電容的充電，瞬態(tài)電壓再次上升。第二次上升峰值UCEP取決于緩沖電容與母線電感，設(shè)引起浪涌電壓的能量可被緩沖電容完全吸收，則有:</p><p><

97、b>　　=</b></p><p><b>　　=-</b></p><p>　　式中：為最大工作電流;</p><p>　　為第二次上升電壓峰值。</p><p>　　在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)采用整體緩沖電路，通常以每100A輸出級電流大約取1μF的方法確定電路的電容量。 所以本設(shè)計(jì)中選用1μF的電容。<

98、/p><p>　　2 )緩沖電阻 Rs</p><p>　　要求IGBT關(guān)斷信號(hào)到來之前，將緩沖電容所積蓄的電荷放完。以關(guān)斷信號(hào)之前放掉90%為條件，Rs緩沖電阻Rs的選擇應(yīng)遵循以下原則:</p><p>　　緩沖電阻不能太小，過小會(huì)使IGBT開通時(shí)的集電極初始電流增大.因此，在滿足上式條件下，希望盡可能選取大的電阻值。為IGBT的開關(guān)頻率，IGBT的最大開關(guān)頻率為15

99、00Hz，實(shí)際使用時(shí)取f=1500Hz.</p><p>　　則有 ==0.11</p><p>　　緩沖電阻的電阻功耗=</p><p>　　故選用50W、0.2的電阻。</p><p><b>　　3 )緩沖二極 </b></p><p>　　緩沖二極管選用過渡正向電壓

100、低、反向恢復(fù)時(shí)間短、發(fā)向恢復(fù)特征較軟的規(guī)格，其額定電流應(yīng)不小于主電路開關(guān)器件額定電流的1/10。故選用快速恢復(fù)二極管，以保證IGBT導(dǎo)通時(shí)很快關(guān)斷。選用MUR3010CE型超快速恢復(fù)二極管。其額定正向平均電流為30A，反向重復(fù)峰值電壓為1000V，反向恢復(fù)時(shí)間<100μs。</p><p>　　4）脈沖變壓器的選擇</p><p>　　脈沖變壓器的作用是傳輸脈沖信號(hào)。它是可控硅觸發(fā)電

101、路常用的元件之一。脈沖變壓器的功能有：</p><p>　　1．通過改變線圈的匝數(shù)比借以升高或降低脈沖電壓（或電流）的幅值。</p><p>　　2．改變脈沖的極性。即把正脈沖變?yōu)樨?fù)脈沖或相反。</p><p>　　3．分隔變壓器各線圈之間的電位。改變線圈之間的匝數(shù)，實(shí)現(xiàn)輸入和輸出之間的阻抗匹配。</p><p>　　本設(shè)計(jì)種脈沖變壓器的特點(diǎn)

102、是功率大，副邊為低電壓大電流。</p><p><b>　　脈沖變壓器的參數(shù)：</b></p><p>　　脈沖變壓器的初級供電壓：=100V;</p><p>　　脈沖變壓器的頻率：=1500Hz</p><p>　　脈沖變壓器的匝數(shù)比：=10</p><p>　　5）整形二極管的設(shè)計(jì)</

103、p><p>　　整形電路是脈沖電源的最后一級，由于脈沖電源的工作頻率的關(guān)系，整形電路采用快恢復(fù)或者超快恢復(fù)二極管，以確保輸出理想的脈沖方波。每個(gè)二極管承受正反向電壓都為輸入電壓1OOV，流過的電流最大為負(fù)載電流1000A.設(shè)計(jì)選用200V,300OA的超快恢復(fù)二極管。</p><p>　　第4章 控制電路的設(shè)計(jì)</p><p>　　主電路的設(shè)計(jì)是否合理，元器件選型是

104、否合適是電源性能的基本保證，也是控制電源成本的主要方面。但是，若控制電路設(shè)計(jì)的不好，將不能充分發(fā)揮功率主電路的潛能，甚至?xí)绊戨娫吹姆€(wěn)態(tài)和瞬態(tài)性能。因此，控制電路的合理設(shè)計(jì)，不僅能達(dá)到盡量簡單實(shí)現(xiàn)電源基本功能的目的，還將對電源整體性能和可靠性提供強(qiáng)有力的保障。</p><p>　　1.檢測三相交流輸入過電流、將信號(hào)隔離后送給單片機(jī)參與故障保護(hù)控制;</p><p>　　2.檢測整流模塊輸出

105、直流電流，將線性隔離后得電流反饋信號(hào)送給單片機(jī)參 控制模塊的硬件設(shè)計(jì)指標(biāo)為:</p><p>　　3.檢測三相同步過零信號(hào)，將信號(hào)隔離后送給單片機(jī)參與整流模塊可控硅驅(qū)動(dòng)信號(hào)控制與電流閉環(huán)控制 ;</p><p>　　4.檢測頻率給定和占空比給定，將模擬信號(hào)送給單片機(jī)參與IGBT的驅(qū)動(dòng)控制</p><p>　　5.檢測IGBT故障信號(hào)，隔離后送給單片機(jī)參與故保護(hù)控制

106、 :</p><p>　　根據(jù)上述指標(biāo)控制電路的結(jié)構(gòu)框圖如圖4-1：</p><p>　　圖4-1 控制電路結(jié)構(gòu)框圖</p><p>　　4.1 SPCE061A單片機(jī)概述</p><p>　　單片機(jī)的方案選擇已經(jīng)在開題報(bào)告中加以論述。故在此不再贅述。下面著重介紹一下凌陽單片機(jī)的性能特點(diǎn)：</p><p>　　凌陽單

107、片機(jī)是由臺(tái)灣凌陽科技股份有限公司生產(chǎn)的系列產(chǎn)品。目前主要有8位機(jī)和16位機(jī)兩個(gè)系列。其中，8位機(jī)根據(jù)不同用途分別帶有LCD(Liquid Crystal Demonstrator)驅(qū)動(dòng)或帶有單通道、雙通道或多通道發(fā)聲功能，因而可適合制作各種款式的計(jì)算器、數(shù)據(jù)庫、游戲機(jī)及各種檔次的電子琴以及高級電子玩具或電子寵物等，也可用于嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。而16位單片機(jī)，集成不同規(guī)模的ROM,RAM,ADC和PWM(DAC)、并行/串行接口等片內(nèi)資源。

108、該單片機(jī)具有集成程度高、功能全、低功耗、低電壓、可靠性高且易于開發(fā)等特點(diǎn)。而且該單片機(jī)還提供了了某些特殊指令，為其應(yīng)用添加了DSP(Digital Signal Processing)功能，且其指令結(jié)構(gòu)提供了對高級語言的支持，這就使凌陽16位單片機(jī)在目前眾多的16位單片機(jī)中獨(dú)具特色，而且其是基于片上系統(tǒng)(SOC)的單片機(jī)，體現(xiàn)了當(dāng)前單片機(jī)向片上系統(tǒng)發(fā)展的方向。</p><p>　　下面介紹一下凌陽16位單片機(jī)：&

109、lt;/p><p>　　SPCE061A是凌陽科技推出的又一款16位結(jié)構(gòu)的微處理器。SPCE061A只內(nèi)嵌32K的FLASH。較高的處理速度能夠非常容易快速地處理復(fù)雜的數(shù)字信號(hào)。SPCE061A共有84個(gè)引腳，封裝形式為PLCC84，在84個(gè)引腳中有空腳15個(gè)。其引腳功能見下表：</p><p>　　凌陽16位單片機(jī)SPCE061A引腳功能表</p><p>　　SPC

110、E061A系統(tǒng)的特性參數(shù)如表1.2所示 </p><p>　　表1-2 系統(tǒng)特性參數(shù)</p><p>　　SPCE061A單片機(jī)是由以下主要部件組成的：</p><p>　　(1) 內(nèi) 置2K字的靜態(tài)RAM:</p><p>　　(2) 內(nèi) 置ROM或閃存ROM;零頁中32KB的快速ROM和非零頁中256

111、KB的常速R OM (對 于 刀.nS 尸單片機(jī)而言，最大ROM空間為4MB，這是由其16位地址線和6位代碼數(shù)據(jù)段的總線結(jié)構(gòu)所決定的；</p><p>　　(3) 32 位可編程并行I/O接口；</p><p>　　(4) 通用異步全雙工串行接口UART，具有RS- 2 32標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)送/接受波形;</p><p>　　(5) 串行設(shè)備接口;可與串行設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸;

112、</p><p>　　(6) 8通道10位模/數(shù)轉(zhuǎn)換ADC，并在一個(gè)通道內(nèi)置有自動(dòng)增益控制的擴(kuò)音器;</p><p>　　(7) 雙通道10位數(shù)/模轉(zhuǎn)換DAC方式的音頻輸出，每個(gè)通道的輸出能力為3mA;</p><p>　　(8) 兩個(gè)16位可編程定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，可自動(dòng)預(yù)置計(jì)數(shù)初值;</p><p>　　(9) 兩個(gè)數(shù)字式采樣/比較端口;&l

113、t;/p><p>　　(10 ) 內(nèi) 置32'768Hz實(shí)時(shí)時(shí)鐘;</p><p>　　(11 ) 鎖相環(huán)晶體振蕩器或RC振蕩器，為系統(tǒng)提供20.480MHz/2 4 .576MHz的時(shí)鐘信號(hào) 。</p><p>　　2. SPCE061A單片機(jī)具有以下技術(shù)特性:</p><p>　　(1) 工作電壓范圍:2.6~5.5V;</p&

114、gt;<p>　　(2) 系統(tǒng)工作頻率范圍:0.375~49.152MHz;</p><p>　　(3) 具有紅外通信功能:可對紅外信號(hào)進(jìn)行接受或發(fā)送;</p><p>　　(4) 14個(gè)中斷源來自系統(tǒng)時(shí)鐘、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、時(shí)間基準(zhǔn)發(fā)生器、外部時(shí)鐘源輸入、觸鍵喚醒以及通用異步串行接口等;</p><p>　　(5) 掉電方式下的系統(tǒng)運(yùn)行可將功耗降至5V