汽車尾氣廢熱發(fā)電電力調(diào)節(jié)器的研制——畢業(yè)論文

1、<p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　摘要I</b></p><p>　　AbstractII</p><p><b>　　1緒論1</b></p><p>　　1.1研究背景及意義1</p><p>　　1.2

2、熱電應(yīng)用發(fā)展現(xiàn)狀1</p><p>　　1.3 DC/DC變換器控制方法研究現(xiàn)狀2</p><p>　　1.4本文主要研究?jī)?nèi)容4</p><p>　　2 系統(tǒng)建模與設(shè)計(jì)6</p><p>　　2.1 方案設(shè)計(jì)6</p><p>　　2.2 主電路選型與分析7</p><p>　　2.

3、2.1 主電路選型7</p><p>　　2.2.2 BUCK電路分析8</p><p>　　2.2.3保護(hù)電路設(shè)計(jì)11</p><p>　　3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)13</p><p>　　3.1控制器設(shè)計(jì)13</p><p>　　3.1.1 顯示電路14</p><p>　　3.1.2

4、CAN及通信電路15</p><p>　　3.1.3 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)15</p><p>　　3.1.4 傳感電路設(shè)計(jì)17</p><p>　　3.1.5 輔助電路設(shè)計(jì)20</p><p>　　4 相關(guān)參數(shù)計(jì)算21</p><p>　　4.1 主電路參數(shù)21</p><p>　　4.2

5、 保護(hù)電路參數(shù)24</p><p>　　4.3 PID參數(shù)24</p><p>　　4.3.1電壓模式PID 參數(shù)26</p><p>　　4.3.2電流模式PID 參數(shù)28</p><p><b>　　5 仿真分析29</b></p><p>　　5.1 BUCK電路仿真29<

6、/p><p>　　5.2 PID仿真30</p><p>　　5.2.1 電壓模式30</p><p>　　5.2.2 電流模式32</p><p>　　6 軟件設(shè)計(jì)及測(cè)試34</p><p>　　6.1軟件設(shè)計(jì)34</p><p>　　6.2軟件部分測(cè)試35</p>&l

7、t;p><b>　　7總結(jié)與展望40</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)41</b></p><p><b>　　附錄一42</b></p><p><b>　　附錄二45</b></p><p><b>　　致謝49&

8、lt;/b></p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　熱電發(fā)電技術(shù)（又稱溫差發(fā)電技術(shù)）是利用熱電轉(zhuǎn)換材料直接將熱能轉(zhuǎn)換為電能的新能源技術(shù)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高、可高效利用熱能發(fā)電的特征。具有梯級(jí)能量特征的尾氣廢熱非常適合利用熱電發(fā)電技術(shù)回收利用。 </p><p>　　半導(dǎo)體溫差發(fā)電器是系統(tǒng)電能的源頭，由于汽車發(fā)動(dòng)

9、機(jī)功率的變化，排氣管的溫度會(huì)發(fā)生變化，從而使得發(fā)電器發(fā)出的電壓發(fā)生變化，這種電能在某種意義上都是“粗電”。在大多數(shù)情況下，使用這些“粗電”都不能盡如人意，所以需要穩(wěn)壓穩(wěn)流裝置，使其具有穩(wěn)定的輸出功率，再通過(guò)車載鉛酸蓄電池蓄能，形成一套比較完整的發(fā)電及蓄電系統(tǒng)。</p><p>　　本文提出的是基于DSC的DC-DC變流器，設(shè)計(jì)中采用DSPIC30F6014A芯片作為系統(tǒng)的控制器，采用BUCK降壓斬波電路作為基本的

10、拓?fù)潆娐?，并用霍爾電壓、電流傳感器采集電路相關(guān)參數(shù)，控制器進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換后進(jìn)行相關(guān)的數(shù)據(jù)處理和PID算法，輸出相應(yīng)的PWM波控制BUCK電路，實(shí)現(xiàn)電壓和電流的連續(xù)可調(diào)。系統(tǒng)還可以通過(guò)CAN總線進(jìn)行通信和控制，可以進(jìn)行電流模式和電壓模式的雙模式切換以及系統(tǒng)的軟開(kāi)關(guān)，同時(shí)系統(tǒng)還具有自我檢測(cè)和保護(hù)報(bào)警功能。</p><p>　　關(guān)鍵詞：汽車動(dòng)力 熱能回收 DSC DC-DC 斬波 PID</p><

11、;p><b>　　Abstract</b></p><p>　　Thermoelectric power generation technology (also known as thermoelectric power generation technology) to direct the heat into electricity new energy technologies

12、is the use of a thermoelectric conversion material, has a simple structure, high reliability, efficient use of the characteristics of thermal power generation. The exhaust waste heat cascade energy feature is ideal for t

13、hermoelectric power generation technology recycling.</p><p>　　Thermoelectric Power is the source of the electricity system, due to changes in automotive engine power, the exhaust pipe temperature will change

14、, allowing issued by the electric voltage change, electrical energy in a sense "coarse power". In most cases, the use of these "coarse power" are not satisfactory, so they need a steady flow regulator

15、 device, it has a stable output power, and then through the vehicle lead-acid battery energy storage to form a relatively complete set of power generation </p><p>　　In this paper, the DSC-based DC-DC convert

16、er design DSPIC30F6014A chip as the system controller, Buck buck chopper circuit as the basic circuit topology, and the Hall voltage, current sensors, data acquisition circuit parameters, controller A / D conversion, dat

17、a processing and PID algorithm, the output of the PWM wave control BUCK circuit voltage and current continuously adjustable. The system can also communicate via the CAN bus and control of the dual-mode switching of the c

18、urrent mode and vo</p><p>　　Keywords: vehicle power heat recovery DSC DC-DC chopper</p><p><b>　　1緒論</b></p><p>　　1.1研究背景及意義</p><p>　　截至2011年8月底，我國(guó)汽車保有量

19、已經(jīng)突破1億輛，汽車年消耗燃油超過(guò)2億噸，占全國(guó)燃油消耗總量的50%以上。在汽車消耗燃油所產(chǎn)生的能量中，約40%的能量以廢熱形式由尾氣排出。按2011年汽車保有量和汽車燃油消耗總量計(jì)算，約7000萬(wàn)噸燃油產(chǎn)生的能量以尾氣廢熱形式排出，折合成原油約1.2億噸，相當(dāng)于兩個(gè)半多大慶油田的年產(chǎn)量。汽車尾氣廢熱具有沿排氣管梯級(jí)分布的特征，在發(fā)動(dòng)機(jī)及排氣歧管附近，最高溫度超過(guò)500℃，在一級(jí)消聲器之前的大部分區(qū)域溫度在250℃以上。</p&g

20、t;<p>　　熱電發(fā)電技術(shù)（又稱溫差發(fā)電技術(shù)）是利用熱電轉(zhuǎn)換材料直接將熱能轉(zhuǎn)換為電能的新能源技術(shù)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高、可高效利用熱能發(fā)電的特征。具有梯級(jí)能量特征的尾氣廢熱非常適合利用熱電發(fā)電技術(shù)回收利用。利用賽貝克熱電效應(yīng)讓半導(dǎo)體熱電材料包裹在排氣管周圍，可將熱能轉(zhuǎn)換成電能加以有效地利用。汽車發(fā)動(dòng)機(jī)排出的廢熱通過(guò)肋片形成發(fā)電器的熱端，而冷端則用順排管束式風(fēng)冷散熱器，使冷端保持相對(duì)穩(wěn)定的溫度。以2.0L轎車為例，如果利

21、用轉(zhuǎn)換效率為10%左右的熱電發(fā)電材料，則可將尾氣廢熱能量的8~10%直接轉(zhuǎn)換為電能，可降低燃油消耗10%以上，減少CO2排放約1噸，這對(duì)實(shí)現(xiàn)我國(guó)節(jié)能減排戰(zhàn)略目標(biāo)具有重大意義。</p><p>　　1.2熱電應(yīng)用發(fā)展現(xiàn)狀</p><p>　　自從塞貝克效應(yīng)1821年被發(fā)現(xiàn)以來(lái)，溫差發(fā)電技術(shù)已經(jīng)歷了近兩個(gè)世紀(jì)的發(fā)展。但由于受熱電轉(zhuǎn)換效率低的制約和成本高的限制，溫差發(fā)電技術(shù)長(zhǎng)期以來(lái)主要應(yīng)用在航天

22、和軍事等尖端領(lǐng)域。近年來(lái)，隨著高性能熱電材料的出現(xiàn)，溫差發(fā)電技術(shù)在工業(yè)和民用產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用成為可能。世界上一些發(fā)達(dá)國(guó)家先后開(kāi)展了相關(guān)研究，溫差發(fā)電技術(shù)在日本已被作為一種能源和環(huán)境的戰(zhàn)略技術(shù)而得到了大力支持和發(fā)展，其在熱電陶瓷材料方面處于世界領(lǐng)先地位。美國(guó)能源部(DOE)于2003年11月12日公布“工業(yè)廢熱溫差發(fā)電用先進(jìn)熱電材料"資助項(xiàng)目(主要應(yīng)用對(duì)象是利用冶金爐等工業(yè)高溫爐廢熱發(fā)電以降低能耗)后，于2004年3月又發(fā)布了一個(gè)

23、項(xiàng)目指南——開(kāi)展汽車發(fā)動(dòng)機(jī)余熱溫差發(fā)電研究。同年，美國(guó)的能源部和NAVY還組織了本國(guó)的十多個(gè)項(xiàng)級(jí)研究單位啟動(dòng)一個(gè)大型高效納米熱電半導(dǎo)體材料的研究項(xiàng)目，投資達(dá)近千萬(wàn)美元。同時(shí)還在Clemsom大學(xué)投資250萬(wàn)美元成立了美國(guó)溫差電即熱電半導(dǎo)體材料與器件研究中心。日本也在2003年投資了數(shù)千萬(wàn)日元組織十多家單位啟動(dòng)了“廢熱溫差發(fā)電"大型項(xiàng)目。歐洲有20余個(gè)研究機(jī)構(gòu)也聯(lián)合進(jìn)行了汽車發(fā)動(dòng)機(jī)余熱發(fā)電方面的相關(guān)研究，并在組織“納</p

24、><p>　　由于溫差發(fā)電是將余熱廢熱等低品位能源轉(zhuǎn)換為電能的有效方式，近年來(lái)得到世界許多國(guó)家的高度重視和大量投入，如日本利用這項(xiàng)技術(shù)建立了500W級(jí)的垃圾燃燒余熱發(fā)電示范系統(tǒng)，已取得了良好的實(shí)際效果。美國(guó)公司也已開(kāi)發(fā)了多種熱電發(fā)電系統(tǒng)，且均已投入使用，如在大型貨運(yùn)卡車上安裝1000W級(jí)的廢熱發(fā)電系統(tǒng)為汽車提供輔助電源等。車用發(fā)動(dòng)機(jī)余熱溫差發(fā)電技術(shù)近幾年來(lái)發(fā)展很快，轉(zhuǎn)換規(guī)模可在數(shù)百瓦至幾千瓦之間。其中，日本Nissa

25、n汽車公司研究中心研制的一種排氣溫差發(fā)電器可以回收l(shuí)l％的熱量，西班牙研制的排氣溫差發(fā)電器可以回收37％的熱量。美國(guó)Hi．Z公司在能源部資助下進(jìn)行的柴油機(jī)載重車排氣余熱溫差發(fā)電研究在臺(tái)架和道路實(shí)驗(yàn)中得到T2000．4000W的功率。俄羅斯聯(lián)邦科學(xué)中心物理與能源工程研究所進(jìn)行的高寒區(qū)載重發(fā)動(dòng)機(jī)直接發(fā)電的研究產(chǎn)生了600W的電能。</p><p>　　由于我國(guó)的能源十分短缺，能源的利用率也較低，因此，節(jié)能降耗是進(jìn)行可

26、持續(xù)發(fā)展的必由之路。目前，各種工業(yè)余熱、汽車廢熱等都沒(méi)有得到有效利用，迫切需要發(fā)展新型能源利用技術(shù)以節(jié)約能源和提高效率。溫差發(fā)電技術(shù)具有許多優(yōu)點(diǎn)，尤其在低品位熱能利用方面具有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)和良好的應(yīng)用前景。溫差發(fā)電技術(shù)是一種利用半導(dǎo)體材料實(shí)現(xiàn)熱能和電能直接轉(zhuǎn)換的綠色能源，使用這項(xiàng)技術(shù)就可利用農(nóng)作物、垃圾、汽車余熱以至人體熱能在住宅、農(nóng)莊、汽車上建立一個(gè)小型發(fā)電系統(tǒng)，從而滿足人們對(duì)小功率電能的需求。美國(guó)、日本利用這項(xiàng)技術(shù)開(kāi)辟綠色新能源已取得

27、了良好效果，這為我國(guó)開(kāi)發(fā)利用熱電技術(shù)提供了有益借鑒，對(duì)我們發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)、建設(shè)節(jié)約型社會(huì)具有重大意義。另外，由于中國(guó)的溫差電元件性價(jià)比高(我國(guó)的產(chǎn)品價(jià)格比歐美的同類型產(chǎn)品便宜一半以上，而性能卻基本相當(dāng))，中國(guó)目前已成為世界上最大的溫差電元件生產(chǎn)出口國(guó)。這一優(yōu)越條件為我國(guó)未來(lái)溫差電的廣泛應(yīng)用打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。因此，在我國(guó)政府當(dāng)前大力倡導(dǎo)可持續(xù)發(fā)展策略，號(hào)召建立節(jié)約型社會(huì)這一宏觀背景下，我國(guó)應(yīng)大力發(fā)展該技術(shù)，使溫差發(fā)電技術(shù)的應(yīng)用逐步深化發(fā)展，

28、并盡快產(chǎn)業(yè)化。可見(jiàn)，利用車用發(fā)動(dòng)機(jī)余熱進(jìn)行溫差發(fā)電具有</p><p>　　1.3 DC/DC變換器控制方法研究現(xiàn)狀</p><p>　　DC/DC變換器按照檢測(cè)信號(hào)的不同可以分為單環(huán)控制和雙環(huán)控制。恒壓源單環(huán)控制主要是電壓型控制；雙環(huán)控制則有電流型、V2型等幾種控制方式。雖然V2型控制方法（V Squared Control或V2 Control）具有良好的動(dòng)態(tài)性能，適用于電壓調(diào)整模塊

29、等對(duì)動(dòng)態(tài)特性要求比較高的場(chǎng)合，但其對(duì)輸入和輸出電流都沒(méi)有直接控制，所以不便于電源的并聯(lián)使用，需要額外的電路來(lái)進(jìn)行過(guò)流保護(hù)[1]。所以常用的是電壓型控制和電流型控制。</p><p><b>　?。?）電壓型控制</b></p><p>　　圖1-2所示為電壓型控制buck變換器。從圖1-2可以看出，電壓型控制方法是利用輸出電壓采樣作為控制環(huán)的輸入信號(hào)，將該信號(hào)與基準(zhǔn)電

30、壓Vref進(jìn)行比較，并將比較的結(jié)果放大生成誤差電壓Ve。誤差電壓Ve與振蕩器生成的鋸齒波Vsaw進(jìn)行比較生成一脈寬與Ve大小成正比的方波，該方波經(jīng)過(guò)鎖存器和驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通和關(guān)斷，以實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)變換器輸出電壓的調(diào)節(jié)。</p><p>　　早期文獻(xiàn)中Duty Cycle Control都是特指的電壓型控制。在電流型控制方法出現(xiàn)之后，才明確提出了Voltage Mode Control的說(shuō)法。電壓型控制方法只檢測(cè)輸

31、出電壓一個(gè)變量，因而只有一個(gè)控制環(huán)，所以設(shè)計(jì)和分析相對(duì)比較簡(jiǎn)單。其主要缺點(diǎn)是只能在輸出改變時(shí)才能檢測(cè)到并反饋回來(lái)進(jìn)行糾正，因此響應(yīng)速度比較慢。由于電壓型控制對(duì)負(fù)載電流沒(méi)有限制，因而需要額外的電路來(lái)限制輸出電流。</p><p><b>　?。?）電流型控制</b></p><p>　　電流型控制（Current Mode Control）又稱為Current Inje

32、ction是1978年首次提出[2]。電流型控制同時(shí)引入電容電壓和電感電流2個(gè)狀態(tài)變量作為控制變量，提高了系統(tǒng)的性能。由圖1-3可以看出，電流型控制方法和電壓型控制方法的主要區(qū)別在于：電流型控制方法用開(kāi)關(guān)電流波形代替電壓型控制方法的鋸齒波作為PWM比較器的一個(gè)輸入信號(hào)。電流型控制方法的工作原理為：在每個(gè)周期開(kāi)始時(shí)，時(shí)鐘信號(hào)使鎖存器復(fù)位開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通，開(kāi)關(guān)電流由初始值線性增大，檢測(cè)電阻RS上的電壓VS也線性增大，當(dāng)VS增大到誤差電壓Ve時(shí)，比

33、較器翻轉(zhuǎn)，使鎖存器輸出低電平，開(kāi)關(guān)管關(guān)斷。直到下一個(gè)時(shí)鐘脈沖到來(lái)開(kāi)始一個(gè)新的周期。</p><p>　　由于電流型控制方法采用輸出電流前饋控制，相對(duì)于電壓型控制方法有更快的負(fù)載和輸入瞬態(tài)響應(yīng)速度，減小了輸出電壓的紋波；且由于其自身具有限流的功能，易于實(shí)現(xiàn)變換器的過(guò)流保護(hù)，因而在多個(gè)電源并聯(lián)時(shí)，更便于實(shí)現(xiàn)均流。但電流型控制方法在占空比大于50%時(shí)要產(chǎn)生次諧波振蕩，從而產(chǎn)生穩(wěn)定性問(wèn)題[3]。這通常可在比較器輸入端使用

34、一個(gè)補(bǔ)償斜坡來(lái)消除。</p><p>　　圖1-2 電壓型控制電路</p><p>　　以上的電流型控制由于不能精確控制電流以及抗干擾性差等缺點(diǎn)，提出了平均電流型控制（Average Current Mode Control）[4]。為了與平均電流型控制方法區(qū)別，上文所述的控制方法又稱為峰值電流型控制（Peak Current Mode Control）。平均電流型控制方法的控制電路見(jiàn)圖1

35、-4，檢測(cè)電流經(jīng)電流積分器積分后與誤差電壓Ve相減，其差值與鋸齒波比較后驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)。平均電流型控制方法不但提高了電流的控制精度，而且抗干擾性強(qiáng)，但是響應(yīng)速度比峰值電流控制方法慢。</p><p>　　圖1-3 電流型控制電路</p><p>　　圖1-4 平均電流型控制電路</p><p><b>　?。?）其他控制方法</b></p>

36、;<p>　　隨著控制理論的發(fā)展，一些現(xiàn)代的控制方法，如模糊控制、滑模變結(jié)構(gòu)控制等非線性控制方法也被嘗試應(yīng)用于開(kāi)關(guān)電源的控制電路中。雖然這些控制方法到目前沒(méi)有得到廣泛應(yīng)用，但是由于其獨(dú)特的控制性能，應(yīng)用前景可觀。</p><p>　　模糊控制（Fuzzy Logic Control）是以模糊數(shù)學(xué)、模糊語(yǔ)言形式的知識(shí)表示和模糊邏輯的規(guī)則推理為理論基礎(chǔ)的一種計(jì)算機(jī)控制方法。應(yīng)用于開(kāi)關(guān)電源的模糊控制的硬件

37、電路即為普通的數(shù)字控制電路[5]。</p><p>　　滑模變結(jié)構(gòu)控制（Sliding Mode Control）的基本思想是系統(tǒng)從任何一點(diǎn)出發(fā)的狀態(tài)軌線通過(guò)控制作用拉到某一指定的切換面，然后沿著此切換面滑動(dòng)到平衡點(diǎn)?？梢钥闯?，滑模變結(jié)構(gòu)控制是一種開(kāi)關(guān)反饋控制系統(tǒng)。</p><p>　　1.4本文主要研究?jī)?nèi)容</p><p>　　本文主要設(shè)計(jì)一款汽車尾氣廢熱發(fā)電電力

38、調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)器輸入源為熱電電池，電壓范圍為0-600V，調(diào)節(jié)器輸出電壓由用戶通過(guò)CAN總線控制，電壓變化范圍為48-58V，電壓紋波<1%，輸出功率1000w，也可通過(guò)CAN總線將調(diào)節(jié)器控制在電流模式下，輸出電流由用戶通過(guò)CAN總線控制，變化范圍0-25A，紋波電流<1%。調(diào)節(jié)器采用buck降壓架構(gòu)，設(shè)計(jì)電路參數(shù)，建立電路模型并仿真；設(shè)計(jì)PID控制器，通過(guò)仿真確定PID參數(shù)。本文將詳細(xì)的介紹設(shè)計(jì)的相關(guān)具體內(nèi)容和設(shè)計(jì)的步驟以及

39、仿真，包括BUCK電路的建模分析，保護(hù)電路設(shè)計(jì)，控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，參數(shù)計(jì)算以及相關(guān)的仿真。完成任務(wù)書(shū)所要求達(dá)到的功能和相關(guān)指標(biāo)，本文主要研究?jī)?nèi)容如下：</p><p>　?。?）系統(tǒng)的建模與設(shè)計(jì)，主要內(nèi)容為整體方案的設(shè)計(jì)，即要達(dá)到任務(wù)書(shū)的要求所需要的基本硬件電路和軟件設(shè)計(jì)，所需要的基本系統(tǒng)電路主要分為電源電路、功率電路、驅(qū)動(dòng)電路、保護(hù)電路、傳感電路、控制電路、顯示電路、通信電路等，后續(xù)章節(jié)將詳細(xì)介紹相關(guān)具體內(nèi)容。&l

40、t;/p><p>　?。?）BUCK電路的建模與分析，主要分析BUCK電路在電流連續(xù)模式下，開(kāi)關(guān)器件在開(kāi)通和關(guān)斷時(shí)的系統(tǒng)建模以及電壓和電流模式控制策略，還對(duì)BUCK電路的主要器件的保護(hù)電路進(jìn)行相關(guān)的設(shè)計(jì)。</p><p>　?。?）控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，控制系統(tǒng)選用DSC作為控制系統(tǒng)的處理器，DSC擁有較高的性能完全可以滿足本設(shè)計(jì)所需要的相關(guān)功能，以控制器為核心器件設(shè)計(jì)了顯示電路、CAN通信電路、I

41、GBT驅(qū)動(dòng)電路、溫度傳感器以及電流電壓傳感電路的設(shè)計(jì)。</p><p>　?。?）相關(guān)參數(shù)的計(jì)算，參數(shù)的計(jì)算包括BUCK電路的相關(guān)參數(shù)的計(jì)算和控制器軟件設(shè)計(jì)時(shí)需要的PID參數(shù)計(jì)算，參數(shù)的計(jì)算需要進(jìn)行先關(guān)的分析和仿真并參考相關(guān)的資料，參數(shù)的計(jì)算為系統(tǒng)的仿真進(jìn)行提供了正確的參數(shù)。</p><p>　?。?）系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)及調(diào)試，軟件設(shè)計(jì)過(guò)程中先要畫(huà)出軟件流程圖，然后根據(jù)流程圖進(jìn)行相關(guān)的軟件的編

42、寫(xiě)，系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)的功能需要對(duì)控制器進(jìn)行編程才能實(shí)現(xiàn)，包括CAN通信、A/D轉(zhuǎn)換、PWM、數(shù)字PID、溫度傳感器讀寫(xiě)、液晶顯示，軟件的編寫(xiě)在,MPLAB集成環(huán)境下進(jìn)行，軟件的調(diào)試在設(shè)計(jì)的電路板上進(jìn)行。</p><p><b>　　2 系統(tǒng)建模與設(shè)計(jì)</b></p><p><b>　　2.1 方案設(shè)計(jì)</b></p><p>

43、　　根據(jù)任務(wù)書(shū)要求可知，系統(tǒng)主電路是降壓斬波電路，控制系統(tǒng)要求具有相關(guān)的控制精度以及相關(guān)的通信等基本功能。故系統(tǒng)主要分為電源電路、功率電路、驅(qū)動(dòng)電路、保護(hù)電路、傳感電路、控制電路、顯示電路、通信電路等模塊組成，系統(tǒng)框圖如下圖所示：</p><p><b>　　圖2-1系統(tǒng)框圖</b></p><p>　　控制器是整個(gè)系統(tǒng)的核心，一般設(shè)計(jì)中采用單片機(jī)處理器，在數(shù)字電源設(shè)

44、計(jì)中常用的芯片是DSP，因?yàn)镈SP有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能和運(yùn)算能力。DSPIC是是PIC單片機(jī)與DSP的結(jié)合體，它具有16位單片機(jī)的高性能控制功能，又具有DSP的計(jì)算能力和數(shù)據(jù)吞吐能力，用其設(shè)計(jì)數(shù)字控制系統(tǒng)可以縮短開(kāi)發(fā)周期降低開(kāi)發(fā)成本，節(jié)省電路板空間[6]。</p><p>　　通信電路是為了方便系統(tǒng)集成而設(shè)計(jì)的，本設(shè)計(jì)要求采用CAN總線通信模式，而所選控制器自帶CAN通信模塊，只需添加CAN收發(fā)器即可，本設(shè)計(jì)中采

45、用MCP2551作為CAN收發(fā)器。</p><p>　　顯示電路模塊為人機(jī)交互界面，可以實(shí)時(shí)的顯示系統(tǒng)運(yùn)行的相關(guān)參數(shù)和信息，本設(shè)計(jì)中將采用LCD液晶模塊作為顯示電路，方便在系統(tǒng)運(yùn)行和調(diào)試過(guò)程中方便查看系統(tǒng)數(shù)據(jù)。</p><p>　　驅(qū)動(dòng)電路主要是驅(qū)動(dòng)功率電路中的開(kāi)關(guān)器件，由于本設(shè)計(jì)采用的是數(shù)字控制器，所以驅(qū)動(dòng)電路執(zhí)行的只有驅(qū)動(dòng)任務(wù)，由于功率開(kāi)關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)電壓和電流由嚴(yán)格的要求，所以驅(qū)動(dòng)電路

46、需要符合相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)。目前在數(shù)字開(kāi)關(guān)電源中采用的較多的是集成的電路驅(qū)動(dòng)模塊，這種模塊一般帶有光耦隔離以及電流電壓保護(hù)模塊，簡(jiǎn)化了開(kāi)發(fā)過(guò)程中的步驟，使用更加方便。</p><p>　　降壓電路是系統(tǒng)的功率電路，常用的降壓電路有BUCK、CUK降壓斬波電路，兩種斬波電路有各自的適用場(chǎng)合，同時(shí)可以選擇不同的功率開(kāi)關(guān)器件，對(duì)于各自的優(yōu)缺點(diǎn)將在下文中介紹和討論</p><p>　　傳感電路主要的功能是

47、采集電路中的相關(guān)信息，供給控制器處理，同時(shí)構(gòu)成一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)，根據(jù)設(shè)計(jì)要求需要用到的傳感器主要有電壓傳感器、電流傳感器以及溫度傳感器。 </p><p>　　2.2 主電路選型與分析</p><p>　　2.2.1 主電路選型</p><p>　　根據(jù)任務(wù)書(shū)要求，本設(shè)計(jì)是屬于DC-DC變流器系統(tǒng)設(shè)計(jì)，由于半導(dǎo)體溫差發(fā)電器在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)動(dòng)后能在短時(shí)間之內(nèi)輸出電壓就可以達(dá)

48、到48V以上，所以變流器可直接采用降壓電路設(shè)計(jì)以減少設(shè)計(jì)的成本和復(fù)雜程度常見(jiàn)的降壓斬波電路主要有BUCK和CUK斬波電路，其中CUK為升降壓斬波電路。</p><p>　　Cuk斬波電路也稱Cuk變換器。美國(guó)加州理工學(xué)院Slobodan Cuk提出的對(duì)Buck/Boost改進(jìn)的單管不隔離直流變換器，在輸入輸出段均有電感，可以顯著減小輸入和輸出電流的脈動(dòng)，輸出電壓的極性和輸入電壓相反，輸出電壓既可以低于也可以高于輸

49、入電壓。Cuk變換器可看做是Boost變換器和Buck變換器串聯(lián)而成，合并了開(kāi)關(guān)管[7]。</p><p>　　圖2-2 Cuk電路</p><p>　　雖然CUK電路的輸出電壓和電流波形是連續(xù)的，但是從上圖可以看出，CUK電路需要用到兩個(gè)電感和電容，設(shè)計(jì)成本相對(duì)較高，而且CUK電路中的開(kāi)關(guān)器件和二極管的開(kāi)關(guān)容量很大，器件必須承受的電壓很高，流過(guò)的電流峰值也很高，特別是在二極管的值較大時(shí)，

50、這是CUK電路的弱點(diǎn)。</p><p>　　BUCK電路是一種降壓斬波器，降壓變換器輸出電壓平均值Uo總是小于輸出電壓UD通常電感中的電流是否連續(xù)，取決于開(kāi)關(guān)頻率、濾波電感L和電容C的數(shù)值。</p><p>　　簡(jiǎn)單的BUCK電路輸出的電壓不穩(wěn)定，會(huì)受到負(fù)載和外部的干擾，當(dāng)加入PID控制器，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制?？赏ㄟ^(guò)采樣環(huán)節(jié)得到PWM調(diào)制波，再與基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，通過(guò)PID控制器得到反饋信號(hào)，與

51、三角波進(jìn)行比較，得到調(diào)制后的開(kāi)關(guān)波形，將其作為開(kāi)關(guān)信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)BUCK電路閉環(huán)PID控制系統(tǒng)[8]。</p><p>　　圖2-3 buck電路</p><p>　　BUCK電路的結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，運(yùn)用廣泛，是設(shè)計(jì)中常采用的電路結(jié)構(gòu)，本設(shè)計(jì)將采用這種降壓斬波電路。</p><p>　　2.2.2 BUCK電路分析</p><p>　　下面將分別

52、討論Buck變換器的非線性化的模型，及相關(guān)的三個(gè)輸出電壓控制策略。</p><p>　　Buck變換器主電路拓?fù)溲芯浚?lt;/p><p>　　Buck變換器主拓?fù)淙鐖D2-4所示：</p><p>　　圖2-4 Buck變換器</p><p>　　在電流連續(xù)的模式下（CCM）——即開(kāi)關(guān)開(kāi)通的時(shí)候，電感電流連續(xù)——變換器表現(xiàn)為兩個(gè)電路狀態(tài)。第一個(gè)狀

53、態(tài)是當(dāng)MOSFET開(kāi)通的情況（圖2-5(a)）。第二個(gè)狀態(tài)是當(dāng)MOSFET關(guān)斷的情況（圖2-5（b））。</p><p><b>　?。╝）</b></p><p><b>　?。╞）</b></p><p>　　圖2-5 Buck變換器狀態(tài)：(a)MOSFET導(dǎo)通時(shí) （b）MOSFET關(guān)斷時(shí)</p><

54、;p>　　兩種狀態(tài)的狀態(tài)空間表達(dá)式分別為：</p><p><b>　?。?-1）</b></p><p><b>　?。?-2）</b></p><p>　　式中i和Vc分別代表電感電流和電容電壓，電流源Iz代表負(fù)載電流擾動(dòng)，rc是輸出電容的等效串聯(lián)電阻（ESR）。對(duì)（1）式和（2）式進(jìn)行加權(quán)平均，則得出Buck變

55、換器的平均狀態(tài)空間方程為[9]：</p><p><b>　?。?-3）</b></p><p>　　注意式（1-/03）是一個(gè)非線性方程，因其包含了d和Vin，而d與Vin是不相關(guān)的變量。</p><p><b>　　電路的傳遞函數(shù)為：</b></p><p><b>　?。?-4）&l

56、t;/b></p><p>　　電壓模式控制策略（VMC）：</p><p>　　VMC控制策略如圖2-6所示。</p><p>　　圖2-6 使用VMC控制的Buck變換器</p><p>　　具體做法如下：首先將變換器的輸出電壓V反饋回來(lái)，并與參考電壓Vref做差，這兩個(gè)電壓的差值稱為誤差電壓；然后控制環(huán)節(jié)H（s）根據(jù)誤差電壓得出控

57、制電壓Vc；緊接著控制電壓Vc與鋸齒波相比較以產(chǎn)生PWM信號(hào)——d；最后由d來(lái)控制MOSFET的開(kāi)關(guān)動(dòng)作。我們定義d與Vc的商為PWM調(diào)制增益，表達(dá)式為：</p><p><b>　　（2-5）</b></p><p>　　其中Vp是鋸齒波電壓的幅值。</p><p>　　圖2-7所示的控制器可以用來(lái)補(bǔ)償Buck變換器的主要的二階特性。<

58、/p><p>　　圖2-7 包含雙極點(diǎn)和雙零點(diǎn)的控制器</p><p>　　控制環(huán)節(jié)有2個(gè)極點(diǎn)（）和2個(gè)零點(diǎn)（），傳遞函數(shù)如下：</p><p><b>　?。?-6）</b></p><p>　　其中K=R3/(R1+R2)，=1/R4C2，=1/R2C1，=1/(R3+R4)C2和=(R1+R2)/R1R2C2。在設(shè)計(jì)控

59、制器的時(shí)候，第一個(gè)極點(diǎn)通常被放置在低頻區(qū)用來(lái)增強(qiáng)系統(tǒng)的DC增益，第二個(gè)極點(diǎn)用來(lái)抵消由輸出電容的ESR引入的零點(diǎn)的作用。兩個(gè)零點(diǎn)用來(lái)抵消由LC濾波器引入的兩個(gè)極點(diǎn)[10]。</p><p>　　電流模式控制策略（CMC）：</p><p>　　CM控制策略如圖2-8所示:</p><p>　　圖2-8 （a）使用CMC的Buck變換器；（b）電感電流波形；（c）開(kāi)關(guān)電

60、流波形</p><p>　　在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期開(kāi)始的時(shí)候，時(shí)鐘信號(hào)將觸發(fā)器置位（Q=1）使MOSFET開(kāi)通。在開(kāi)關(guān)開(kāi)通的這段時(shí)間內(nèi)，流過(guò)開(kāi)關(guān)的電流等于電感電流，并呈線性增長(zhǎng)；與此同時(shí)我們將開(kāi)關(guān)電流Ifb與來(lái)自控制器控制信號(hào)Iref作比較。當(dāng)Ifb稍大于Iref的時(shí)候，比較器輸出高電平，觸發(fā)器被復(fù)位（Q=0），MOSFET被關(guān)斷，這標(biāo)志了一個(gè)開(kāi)關(guān)周期的結(jié)束。以后的開(kāi)關(guān)周期都遵循這個(gè)過(guò)程周而復(fù)始。由穩(wěn)態(tài)時(shí)電感電流的波形（

61、如圖2-8（b）所示）可得出平均電感電流[11]：</p><p><b>　?。?-7）</b></p><p>　　其中Ip是電感電流的峰值，T是開(kāi)關(guān)周期。</p><p>　　由開(kāi)關(guān)電流的波形（如圖5（c）所示）可得出Ip與Iref的關(guān)系：</p><p><b>　?。?-8）</b>&l

62、t;/p><p>　　其中Rs是電流傳感增益。將（7）代入（6）可得</p><p><b>　?。?-9）</b></p><p>　　在CMC中，因?yàn)殡姼须娏魇潜豢亓?，所以它不再是?dú)立的變量。因此，使用CMC的Buck變換器是一個(gè)一階系統(tǒng)，即是說(shuō)，它的動(dòng)態(tài)特性主要受變換器的輸出電容的影響。</p><p>　　2.2.3

63、保護(hù)電路設(shè)計(jì)</p><p>　　IGBT（絕緣柵雙極性晶體管）是一種用MOS來(lái)控制晶體管的新型電力電子器件，具有電壓高、電流大、頻率高、導(dǎo)通電阻小等特點(diǎn)，因而廣泛應(yīng)用在變頻器的逆變電路中。但由于IGBT的耐過(guò)流能力與耐過(guò)壓能力較差，一旦出現(xiàn)意外就會(huì)使它損壞。為此，必須但對(duì)IGBT進(jìn)行相關(guān)保護(hù)。</p><p>　　IGBT過(guò)流保護(hù)一般其驅(qū)動(dòng)電路中有，本設(shè)計(jì)中IGBT驅(qū)動(dòng)電路帶有過(guò)流保護(hù)，

64、故此處只討論過(guò)壓保護(hù)裝置。IGBT在由導(dǎo)通狀態(tài)關(guān)斷時(shí)，電流Ic突然變小，由于電路中的雜散電感與負(fù)載電感的作用，將在IGBT的c、e兩端產(chǎn)生很高的浪涌尖峰電壓Uce=L dic/dt，加之IGBT的耐過(guò)壓能力較差，這樣就會(huì)使IGBT擊穿，因此，其過(guò)壓保護(hù)也是十分重要的。過(guò)壓保護(hù)可以從以下幾個(gè)方面進(jìn)行：</p><p>　?。?）盡可能減少電路中的雜散電感。作為模塊設(shè)計(jì)制造者來(lái)說(shuō)，要優(yōu)化模塊內(nèi)部結(jié)（如采用分層電路、縮

65、小有效回路面積等），減少寄生電感；作為使用者來(lái)說(shuō)，要優(yōu)化主電路結(jié)構(gòu)（采用分層布線、盡量縮短聯(lián)接線等），減少雜散電感。另外，在整個(gè)線路上多加一些低阻低感的退耦電容，進(jìn)一步減少線路電感。所有這些，對(duì)于直接減少I(mǎi)GBT的關(guān)斷過(guò)電壓均有較好的效果[12]。</p><p>　?。?）采用吸收回路。吸收回路的作用是；當(dāng)IGBT關(guān)斷時(shí)，吸收電感中釋放的能量，以降低關(guān)斷過(guò)電壓。常用的吸收回路有兩種，如圖2-10所示為充放電吸收

66、回路。對(duì)于電路中元件的選用，在實(shí)際工作中，電容c選用高頻低感圈繞聚乙烯或聚丙烯電容，也可選用陶瓷電容，容量為2uF左右。電容量選得大一些，對(duì)浪涌尖峰電壓的抑制好一些，但過(guò)大會(huì)受到放電時(shí)間的限制。電阻R選用氧化膜無(wú)感電阻，其阻值的確定要滿足放電時(shí)間明顯小于主電路開(kāi)關(guān)周期的要求，可按R≤T/6C計(jì)算，T為主電路的開(kāi)關(guān)周期。二極管V應(yīng)選用正向過(guò)渡電壓低、逆向恢復(fù)時(shí)間短的軟特性緩沖二極管[13]。</p><p>　　（

67、3）適當(dāng)增大柵極電阻Rg。實(shí)踐證明，Rg增大，使IGBT的開(kāi)關(guān)速度減慢，能明顯減少開(kāi)關(guān)過(guò)電壓尖峰，但相應(yīng)的增加了開(kāi)關(guān)損耗，使IGBT發(fā)熱增多，要配合進(jìn)行過(guò)熱保護(hù)。Rg阻值的選擇原則是：在開(kāi)關(guān)損耗不太大的情況下，盡可能選用較大的電阻，實(shí)際工作中按Rg=3000/Ic 選取。              

68、;            .                        &

69、#160;                    圖2-10 吸收回路</p><p>　　除了上述減少c、e之間的過(guò)電壓之外，為防止柵極電荷積累、柵源電壓出現(xiàn)尖峰損壞IGBT，可在g、e之間設(shè)置一些保護(hù)元件，電

70、路如圖2-11所示。電阻R的作用是使柵極積累電荷泄放，其阻值可取4.7kΩ；兩個(gè)反向串聯(lián)的穩(wěn)壓二極管V1、 V2。是為了防止柵源電壓尖峰損壞IGBT。                        

71、;                          圖2-11 防柵極電荷積累與柵源電壓尖峰的保護(hù)</p><p>　　IGBT

72、的損耗功率主要包括開(kāi)關(guān)損耗和導(dǎo)通損耗，前者隨開(kāi)關(guān)頻率的增高而增大，占整個(gè)損耗的主要部分；后者是IGBT控制的平均電流與電源電壓的乘積。由于IGBT是大功率半導(dǎo)體器件，損耗功率使其發(fā)熱較多（尤其是Rg選擇偏大時(shí)），加之IGBT的結(jié)溫不能超過(guò)125℃，不宜長(zhǎng)期工作在較高溫度下，因此要采取恰當(dāng)?shù)纳岽胧┻M(jìn)行過(guò)熱保護(hù)。</p><p>　　在實(shí)際工作中，我們采用普通散熱器與強(qiáng)迫風(fēng)冷相結(jié)合的措施，并在散熱器上安裝溫度開(kāi)關(guān)。

73、當(dāng)溫度達(dá)到75℃～80℃時(shí)，通過(guò) 驅(qū)動(dòng)電路的關(guān)閉信號(hào)停止PMW 發(fā)送控制信號(hào)，從而使驅(qū)動(dòng)器封鎖IGBT的開(kāi)關(guān)輸出，并予以關(guān)斷保護(hù)，故設(shè)計(jì)中還需要有IGBT的穩(wěn)定傳感器[14]，本文將在傳感器電路設(shè)計(jì)章節(jié)講解。</p><p><b>　　3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)</b></p><p><b>　　3.1控制器設(shè)計(jì)</b></p><

74、p>　　Microchip公司推出的dsPIC數(shù)字信號(hào)控制器(DSC)即擁有16位閃存單片機(jī)功能強(qiáng)大的外圍設(shè)備和快速中斷處理能力的高性能，又兼具數(shù)字信號(hào)處理器DSP的計(jì)算能力和數(shù)據(jù)吞吐能力，融合了可管理高速計(jì)算活動(dòng)的數(shù)字信號(hào)處理器功能，指令執(zhí)行速度可達(dá)30MIPS，配備自編程閃存，并能在工業(yè)級(jí)溫度和擴(kuò)展級(jí)溫度范圍內(nèi)工作。DSPIC目前被廣泛運(yùn)用于電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)和電源變換領(lǐng)域。</p><p>　　本設(shè)計(jì)采用d

75、sPIC30F6014A數(shù)字信號(hào)控制器（DSC）器件作為核心處理器。dsPIC30F 器件在其高性能16 位單片機(jī)（MCU）架構(gòu)中，融合了豐富的數(shù)字信號(hào)處理器DSP功能，dspic30f6014芯片具有多達(dá)62個(gè)向量的中斷向量表，包括8個(gè)處理器異常和軟件陷阱、用戶可懸著優(yōu)先級(jí)的定時(shí)器、輸入捕捉、A/D轉(zhuǎn)換、通信操作、輸出比較、PWM故障以及外部中斷等。DSC自帶的10位A/D轉(zhuǎn)換器、CAN模塊、DSP引擎以及PWM模塊可完全實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)所需

76、功能[15]。其管腳如下圖所示：</p><p>　　圖3-1 DSPIC30F6014A管腳圖</p><p>　　實(shí)際運(yùn)用電路中，還應(yīng)增加一些相應(yīng)的時(shí)鐘電路、復(fù)位電路以及抗干擾電路：</p><p><b>　　圖3-2工作電路</b></p><p>　　3.1.1 顯示電路</p><p>

77、;　　為了方便讀取參數(shù)和監(jiān)視系統(tǒng)，本設(shè)計(jì)采用LCD液晶顯示器128X64來(lái)實(shí)時(shí)顯示相關(guān)參數(shù)。帶中文字庫(kù)的128X64是一種具有4位/8位并行、2線或3線串行多種接口方式，內(nèi)部含有國(guó)標(biāo)一級(jí)、二級(jí)簡(jiǎn)體中文字庫(kù)的點(diǎn)陣圖形液晶顯示模塊。 </p><p>　　內(nèi)置8192個(gè)16*16點(diǎn)漢字，和128個(gè)16*8點(diǎn)ASCII字符集.利用該模塊靈活的接口方式和簡(jiǎn)單、方便的操作指令，可構(gòu)成全中文人機(jī)交互圖形界面?？梢燥@示8

78、15;4行16×16點(diǎn)陣的漢字. 也可完成圖形顯示.低電壓低功耗是其又一顯著特點(diǎn)。由該模塊構(gòu)成的液晶顯示方案與同類型的圖形點(diǎn)陣液晶顯示模塊相比，不論硬件電路結(jié)構(gòu)或顯示程序都要簡(jiǎn)潔得多，且該模塊的價(jià)格也略低于相同點(diǎn)陣的圖形液晶模塊。</p><p>　　圖3-3 LCD液晶模塊管腳</p><p>　　3.1.2 CAN及通信電路</p><p>　　控制器

79、局域網(wǎng)CAN（Controller Area Network）作為一種多線路網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)，以其時(shí)分多主、非破壞性總線仲裁和自動(dòng)檢錯(cuò)重發(fā)等靈活、可靠的通信技術(shù)，及低廉的價(jià)格，被廣泛地應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)線、汽車、傳感器、醫(yī)療設(shè)備、智能化大廈、電梯控制、環(huán)境控制等分布式實(shí)時(shí)系統(tǒng)。汽車電子設(shè)備（即引擎控制單元、傳感器和防滑系統(tǒng)等）均是使用CAN以最大比特率（1Mb/s）連接的。CAN網(wǎng)絡(luò)可以用來(lái)取代汽車中的線路連接以有效節(jié)約成本。</p

80、><p>　　DSPIC30F6014A自帶CAN模塊,CAN模塊式實(shí)現(xiàn)BOSCH規(guī)范定義的CAN2.0A/B協(xié)議的通信控制器。模塊支持CAN協(xié)議CAN1.2、CAN2.0A、CAN2.0B Passive和CAN2.0B Active版本。該模塊實(shí)現(xiàn)的是1個(gè)完全CAN系統(tǒng)。</p><p>　　設(shè)計(jì)中采用MCP2551作為CAN收發(fā)器與DSPIC芯片配合使用，MCP2551是一個(gè)可容錯(cuò)的高速

81、CAN器件，可作為CAN協(xié)議控制器和物理總線接口。MCP2551 可為CAN 協(xié)議控制器提供差分收發(fā)能力，它完全符合ISO-11898標(biāo)準(zhǔn)，包括能滿足24V 電壓要求。它的工作速率高達(dá)1 Mb/s。典型情況下， CAN 系統(tǒng)上的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都必須有一個(gè)器件，把CAN 控制器生成的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)化成為適合總線傳輸（差分輸出）的信號(hào)。它也為CAN 控制器和CAN總線上的高壓尖峰信號(hào)之間加入了緩沖器，這些高壓尖峰信號(hào)可能是由外部器件產(chǎn)生（EMI、ES

82、D 和電氣瞬態(tài)等）[16]。其電路圖如下所示：</p><p>　　圖3-4 CAN通信</p><p>　　3.1.3 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)</p><p>　　M57962AL是日本ISAHAYA株式會(huì)社生產(chǎn)的一種IGBT驅(qū)動(dòng)集成電路(HybridIntegrated Circuit For Driving IGBTModules簡(jiǎn)稱HIC),應(yīng)用在N溝道IGBT模塊的

83、驅(qū)動(dòng)電路中。M57962AL的輸入與輸出實(shí)現(xiàn)了光電隔離,耐壓Viso達(dá)到2500Vrms(60s)。M57962AL 具有IGBT短路保護(hù)功能, 在發(fā)生短路故障時(shí)從M57962AL第8 管腳輸出一個(gè)低電平故障信號(hào), 同時(shí)降低第5 管腳輸出的驅(qū)動(dòng)電壓。M57962AL開(kāi)關(guān)頻率最高可以達(dá)到20kHz,tPLH不超過(guò)1ms,tPHL不超過(guò)1.3ms,tr和tf都不超過(guò)1ms,是一個(gè)比較理想的高速驅(qū)動(dòng)電路。M57962 A L可驅(qū)動(dòng)600V/1

84、200V的IGBT模塊,電流分別可以達(dá)到600A/400A。</p><p>　　M57962AL可采用單電源供電或雙電源供電,圖1為使用M57962AL驅(qū)動(dòng)GA150LD120ST模塊的電路圖,采用雙電源+15V,-9V供電方式。使用-9V作為關(guān)斷電壓,提高了抗干擾能力,確?？煽筷P(guān)斷,保證了電路可靠工作。在圖1電路中,R3=2Ω,C1=1nF,C2=C3=100nF,E1=E2=100mF,Z1=Z2=Z3=3

85、0V。R3起到柵極電阻Rg的作用。R3較小時(shí),可減少I(mǎi)GBT開(kāi)關(guān)時(shí)間,降低開(kāi)關(guān)損耗,但R3過(guò)小將導(dǎo)致IGBT集電極di/dt增大,由此產(chǎn)生的較高尖峰電壓可能損壞IGBT;R3較大時(shí), 則正好相反, 降低了尖峰電壓值, 但也造成IGBT開(kāi)關(guān)損耗增加。在本電路中R3取2Ω。在正常工作情況下,M57962AL 管腳5根據(jù)管腳13、14的輸入電平而改變輸出電平。在輸出高電平情況下, Q 1導(dǎo)通, Q 2關(guān)斷,IGBT門(mén)極處的電壓為+15V,進(jìn)入

86、開(kāi)狀態(tài);輸出低電平情況下,Q2導(dǎo)通,Q1關(guān)斷,IGBT門(mén)極處的電壓為-9V,進(jìn)入關(guān)狀態(tài)。在實(shí)際電路中試驗(yàn), 控制信號(hào)開(kāi)關(guān)頻率達(dá)到20KHZ情況下使用示波器捕捉IGBT門(mén)極的電壓波形進(jìn)行觀察,確認(rèn)驅(qū)動(dòng)電路滿足了IGBT驅(qū)動(dòng)要求,</p><p>　　圖3-5 M57962L的結(jié)構(gòu)框圖</p><p>　　M57962AL的引腳圖如圖3-6所示：</p><p>　　圖

87、3-6 M57962AL 引腳圖</p><p>　　M57962AL是厚模單列直插式封裝，從左至右依次編號(hào)，其中9～12為空端。1端和2端：故障檢測(cè)輸入端；4端：接正電源VCC；5端：驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出端；6端：接負(fù)電源VEE；8端：故障信號(hào)輸出；13端和14端：驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸入端。</p><p>　　圖3-7 IGBT驅(qū)動(dòng)電路</p><p>　　電源去耦電容C4 ～

88、C7采用鋁電解電容器，容量為100 uF/50 V，R14阻值取1 kΩ，R13阻值取1.5kΩ，R9取5.1 kΩ，電源采用正負(fù)l5 V電源模塊分別接到M57962L的4腳與6腳，邏輯控制信號(hào)IN經(jīng)l3腳輸入驅(qū)動(dòng)器M57962AL。雙向穩(wěn)壓管Z1選擇為9.1 V，Z2為18V，Z3為30 V，防止IGBT的柵極、發(fā)射極擊穿而損壞驅(qū)動(dòng)電路，二極管采用快恢復(fù)的FR107管。</p><p>　　3.1.4 傳感電路

89、設(shè)計(jì)</p><p>　　本設(shè)計(jì)中采用的是非接觸式的霍爾電流和電壓傳感器，避免控制器被外界信號(hào)干擾。近年來(lái)，新一代功率半導(dǎo)體器件進(jìn)入電力電子領(lǐng)域后，交流變頻調(diào)速、逆變裝置、開(kāi)關(guān)電源等日漸普及，原有的電流、電壓檢出元件，已不適應(yīng)中高頻、高出di/dt 電流波形的傳遞和檢測(cè)。霍爾電流電壓傳感器模塊，是近十幾年發(fā)展起來(lái)的測(cè)量控制電流、電壓的新一代工業(yè)用電量傳感器，是彌補(bǔ)這一空缺的高性能電檢測(cè)元件[18]。</p&

90、gt;<p>　　霍爾電流、電壓傳感器變送器模塊的使用方法：</p><p>　　電流、電壓傳感器只需外接正負(fù)直流電源，被測(cè)電流母線從傳感器中穿過(guò)或接于原邊端子，副邊端子再做簡(jiǎn)單連接，即可完成立電路與控制電路的隔離檢測(cè)，簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì)。若與變送器配合使用，經(jīng)A/D 變換，可方便地與計(jì)算機(jī)和各種儀表接口，并可以長(zhǎng)線傳輸。</p><p>　?。?）磁補(bǔ)償式電流傳感器</p

91、><p>　　傳感器有三個(gè)接線端子：“十” 端：正電源輸入端；“一” 端：負(fù)電源輸入端；M端：信號(hào)輸出瑞。接線方法如圖3-8所示：</p><p>　　圖3-8磁補(bǔ)償型電流傳感器接線方法</p><p>　?。?）電壓傳感器（CHV－25P、CHV－100）</p><p>　　電壓傳感器有五只接線端子。其中兩只為原邊端子：被測(cè)電壓輸入端“十”；

92、被測(cè)電壓輸入端“一”。另外三只為副邊端子：“十”端：電源+15V；“一”端：電源-15V；M 端：信號(hào)輸出端。</p><p>　　根據(jù)用戶所測(cè)電壓的大小，須將被測(cè)電壓串接一只電阻R 后再接到傳感器原邊端子，電壓傳感器的輸出端應(yīng)用與磁補(bǔ)償型電流傳感器相同，電壓傳感器接線方法如下圖所示：</p><p>　　圖3-9 電壓傳感器</p><p>　　（3）溫度傳感器1

93、8B20</p><p>　　為了防止IGBT過(guò)熱，電路中需要監(jiān)測(cè)IGBT的穩(wěn)定，在本設(shè)計(jì)中采用數(shù)字穩(wěn)定傳感器18B20，獨(dú)特的單線接口方式，DS18B20在與微處理器連接時(shí)僅需要一條口線即可實(shí)現(xiàn)微處理器與DS18B20的雙向通訊。</p><p>　　DS18B20的主要特性：①適應(yīng)電壓范圍更寬，電壓范圍：3.0～5.5V，在寄生電源方式下可由數(shù)據(jù)線供電。②獨(dú)特的單線接口方式，DS18B

94、20 在與微處理器連接時(shí)僅需要一條口線即可實(shí)現(xiàn)微處理器與DS18B20 的雙向通訊。③DS18B20 支持多點(diǎn)組網(wǎng)功能，多個(gè)DS18B20 可以并聯(lián)在唯一的三線上，實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)多點(diǎn)測(cè)溫。④DS18B20 在使用中不需要任何外圍元件，全部傳感元件及轉(zhuǎn)換電路集成在形如一只三極管的集成電路內(nèi)。⑤溫范圍－55℃～＋125℃，在-10～+85℃時(shí)精度為±0.5℃。⑥可編程的分辨率為9～12 位，對(duì)應(yīng)的可分辨溫度分別為0.5℃、0.25℃、0

95、.125℃和0.0625℃，⑦在9位分辨率時(shí)最多在93.75ms內(nèi)把溫度轉(zhuǎn)換為數(shù)字，12位分辨率時(shí)最多750ms內(nèi)轉(zhuǎn)換為數(shù)字。⑧測(cè)量結(jié)果直接輸出數(shù)字溫度信號(hào)，以“一線總線”串行送給CPU，同時(shí)可傳送CRC效驗(yàn)碼具有極強(qiáng)的看干擾糾錯(cuò)能力。⑨負(fù)壓特性：電源極性接反時(shí)，芯片不會(huì)因發(fā)熱而燒毀，但不能正常工作。</p><p>　　DS18B20 有4 個(gè)主要的數(shù)據(jù)部件：</p><p>　?。?）

96、光刻ROM 中的64 位序列號(hào)是出廠前被光刻好的，它可以看作是該DS18B20 的地址序列碼。64位光刻ROM 的排列是：開(kāi)始8 位（28H）是產(chǎn)品類型標(biāo)號(hào)，接著的48 位是該DS18B20 自身的序列號(hào)，最后8 位是前面56 位的循環(huán)冗余校驗(yàn)碼（CRC=X8+X5+X4+1）。光刻ROM 的作用是使每一個(gè)DS18B20都各不相同，這樣就可以實(shí)現(xiàn)一根總線上掛接多個(gè)DS18B20 的目的。</p><p>　?。?

97、）DS18B20 中的溫度傳感器可完成對(duì)溫度的測(cè)量，以12 位轉(zhuǎn)化為例：用16 位符號(hào)擴(kuò)展的二進(jìn)制補(bǔ)碼讀數(shù)形式提供，以0.0625℃/LSB 形式表達(dá)，其中S 為符號(hào)位。</p><p>　　表1: DS18B20 溫度值格式表</p><p>　　這是12 位轉(zhuǎn)化后得到的12 位數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)在18B20 的兩個(gè)8 比特的RAM 中，二進(jìn)制中的前面5 位是符號(hào)位，如果測(cè)得的溫度大于0，這5

98、位為0，只要將測(cè)到的數(shù)值乘于0.0625 即可得到實(shí)際溫度；如果溫度小于0，這5 位為1，測(cè)到的數(shù)值需要取反加1 再乘于0.0625 即可得到實(shí)際溫度。例如+125℃的數(shù)字輸出為07D0H，+25.0625℃的數(shù)字輸出為0191H，-25.0625℃的數(shù)字輸出為FF6FH，-55℃的數(shù)字輸出為FC90H。其管腳及封裝如下圖所示：</p><p>　　圖3-10 18B20封裝及管腳</p><

99、;p>　　GND為接地端，I/O為串行數(shù)據(jù)接口，VDD為外接電源輸入供電端（在寄生電源模式時(shí)共地。</p><p>　　3.1.5 輔助電路設(shè)計(jì)</p><p>　　本設(shè)計(jì)中還需要電源電路對(duì)控制系統(tǒng)供電，由于本設(shè)計(jì)所設(shè)計(jì)的變流器輸出最低電壓為48V，可以給汽車蓄電池充電，所以控制系統(tǒng)的電源應(yīng)是由汽車蓄電池供給的48V電壓，在本設(shè)計(jì)中需要用的電源電壓為直流+5V、±15V，所

100、以需要相應(yīng)的電路來(lái)轉(zhuǎn)換，本設(shè)計(jì)中采用兩個(gè)DC-DC電源模塊，一個(gè)為48V直流輸入+5V輸出：主要給控制器以及通信電路供電；另一個(gè)為48V輸入±15V輸出：主要給控制電路和傳感器供電。</p><p>　　根據(jù)設(shè)計(jì)需求選用48Vac或dc輸入10W系列單電壓輸出DC/DC 電源模塊如下為模塊參數(shù)：輸出功率為10W；輸入規(guī)格：48V(36~72V)ac或(36~72)Vdc寬電壓；具有輸入過(guò)壓、輸出過(guò)流短路

101、，初始電壓精度達(dá)±1.0%，各項(xiàng)參數(shù)均滿足設(shè)計(jì)的需求。</p><p><b>　　4 相關(guān)參數(shù)計(jì)算</b></p><p><b>　　4.1 主電路參數(shù)</b></p><p>　　主電路為BUCK電路，輸入電壓范圍為0-600V，調(diào)節(jié)器輸出變化范圍為48-58V，電壓紋波<1%，輸出功率1000w，本

102、設(shè)計(jì)工作頻率設(shè)定為10kHz，以下計(jì)算所應(yīng)使用的電感和電容的值。 </p><p>　　在Buck電路中的電感L和電容C組成低通濾波器，此濾波器的設(shè)計(jì)原則是，使輸出電壓的直流分量可以通過(guò)，抑制輸出電壓的開(kāi)關(guān)頻率及其諧波分量通過(guò)。但是，構(gòu)建一個(gè)能夠讓直流分量通過(guò)而且完全濾除開(kāi)關(guān)頻率及其諧波分量的完美的濾波器是不可能的，所以，在輸出中至少有一小部分是由于開(kāi)關(guān)產(chǎn)生的高頻諧波[19]。因此，輸出電壓波形事實(shí)上如圖4-1所

103、示，可以表達(dá)為</p><p><b>　?。?-1）</b></p><p>　　圖4-1輸出電壓波形</p><p>　　所以實(shí)際的輸出電壓由所需要的直流分量加少量的交流分量所組成，交流分量由低通濾波器未能完全衰減的開(kāi)關(guān)諧波所產(chǎn)生。</p><p>　　由于直流變換器的作用使產(chǎn)生所需的直流的輸出，因此希望輸出電壓開(kāi)

104、關(guān)紋波應(yīng)很小。所以，通?？梢约僭O(shè)開(kāi)關(guān)紋波的幅值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于直流分量，即</p><p><b>　?。?-2）</b></p><p>　　因此，輸出電壓近似為直流分量，而忽略其小紋波成分，即</p><p><b>　?。?-3）</b></p><p>　　上述近似稱為小紋波近似，或稱線性紋波近似，

105、可大大簡(jiǎn)化變換器波形的分析。</p><p>　　下面分析電感電流波形，進(jìn)而得出電感的計(jì)算公式。通過(guò)電感電壓波形的積分可以得到電感電流。開(kāi)關(guān)在位置1時(shí)，電感在左側(cè)與輸入電壓相連，電路簡(jiǎn)化為下圖4-2（a）。電感電壓為：</p><p><b>　?。?-4）</b></p><p><b>　　（a）</b></p&

106、gt;<p><b>　?。╞）</b></p><p>　　圖4-2 BUCK電流通路</p><p>　　如上所述，輸出電壓為其直流分量加小的交流紋波成分。采用小紋波近似，式（4-4）中的用其直流分量代替，得到</p><p><b>　?。?-5）</b></p><p>　　開(kāi)

107、關(guān)在位置1時(shí)，電感電壓等于，如圖4-2（b）所示。電感電壓方程為</p><p><b>　?。?-6）</b></p><p>　　在第一個(gè)子區(qū)間，由上式可以解得電感電流波形的斜率為</p><p><b>　　（4-7）</b></p><p>　　由于開(kāi)關(guān)在位置1時(shí)，電感電壓近似為常量，因此電

108、感電流的變化率也近似為常數(shù)，電感電流線性上升。當(dāng)在第二個(gè)子區(qū)間，開(kāi)關(guān)處于位置2時(shí)，電感的左端與參考地相連，簡(jiǎn)化電路如圖4-2（b）所示。所以，在第二個(gè)子區(qū)間，電感電壓為</p><p><b>　?。?-8）</b></p><p>　　采用小紋波近似式（4-4）得到</p><p><b>　?。?-9）</b><

109、/p><p>　　所以，當(dāng)開(kāi)關(guān)處于位置2時(shí)的電感電壓為常量，如圖4-2（b）所示。將式（4-9）代入式（4-8）中，得到電感電流的斜率為</p><p><b>　?。?-10）</b></p><p>　　因此，在第二個(gè)子區(qū)間，電感電流的變化率為一負(fù)的常量。</p><p>　　現(xiàn)在，電感電流的波形如下圖所示，電感電流從初

110、始值開(kāi)始。在第一個(gè)子區(qū)間開(kāi)關(guān)處于位置1時(shí)，電感電流以式（28）所給出的斜率上升。在時(shí)刻，開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)至位置2，然后電感電流以式（4-11）所給出的斜率下降。在時(shí)刻，開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)回位置1，以下過(guò)程重復(fù)。</p><p>　　下面計(jì)算電感電流紋波。下圖4-3所示，電感電流峰值等于其直流分量I加上峰值至平均值的紋波。此峰值電流不僅流過(guò)電感，而且流過(guò)半導(dǎo)體器件。當(dāng)確定這些器件的參數(shù)時(shí)，需要知道峰值電流。</p><

111、;p><b>　　圖4-3電感電流</b></p><p>　　已知在第一個(gè)子區(qū)間中的電感電流流的斜率和第一個(gè)子區(qū)間的長(zhǎng)度，可以計(jì)算其紋波幅值，的波形關(guān)于I對(duì)稱，因此在第一個(gè)子區(qū)間中的電流上升（是紋波峰值，因此紋波峰值為）。所以的變化量=斜率子區(qū)間長(zhǎng)度。</p><p><b>　　電感電流的紋波為</b></p><