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直流開關電源設計思路篇一
在國內，低壓通信電源較成熟，高壓開關電源尚處于研究階段。一般大功率直流開關電源輸入多采用220 v交流電網(wǎng)，為降低對電網(wǎng)的諧波污染，提高輸入端功率因數(shù)，一般要經(jīng)過pfc級整流，然后將pfc級輸出電壓送入dc/dc級進行變換。但高壓直流開關電源輸出電壓較大，會對dc/dc級產(chǎn)生較大影響。
此處研制的高壓直流開關電源采用兩級變換裝置，前級220 v交流經(jīng)過不控整流和apfc得到380 v穩(wěn)定直流;后級選擇在初級加箝位二極管的改進型zvs移相全橋變換器，經(jīng)過變壓器變壓和隔離，采用全橋不控整流和lc濾波，最終得到精密的240 v直流輸出。設計了控制系統(tǒng)，選擇合理的參數(shù)提高開關電源性能，并通過實驗驗證了設計的可行性和有效性。主電路的設計
2.1 有源功率因數(shù)校正電路
apfc采用全控開關器件構成的開關電路對輸入電流波形進行控制，使輸入電流成為與電源電壓同相的正弦波，功率因數(shù)高達0.995,從而徹底解決了整流電路的諧波污染和功率因數(shù)低的問題。此處采用軟開關單相apfc,其主電路如圖1所示。
2.1.1 apfc軟開關電路
圖1中，為了讓主開關管vq實現(xiàn)zvs,引入了輔助開關管vqx,在每一次vq需要進行狀態(tài)轉換前，先導通vqx,使輔助電路諧振，為vq創(chuàng)造軟開關條件。vq完成狀態(tài)轉換后，盡快關斷vqx,使輔助電路停止諧振，電路重新以常規(guī)pwm方式運行。
2.1.2 apfc軟開關諧振參數(shù)的選取
軟開關apfc電路中一個重要參數(shù)就是諧振電感l(wèi)1.l1可由二極管vdr的反向恢復時間tvdr來估算，取諧振電感電流il1上升時間tr=3tvd r,則最大電流上升率可確定為：
di/dt=ilmax/(3tvdr)(1)
式中：ilmax為最大電感電流。
l1的表達式為：
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l1=uo/(di/dt)(2)
式中：uo為apfc輸出電壓。
實際選取l1=5μh.2.2 zvs移相全橋變換器
zvs移相全橋變換器充分利用主電路寄生參數(shù)，如開關器件的寄生電容、變壓器漏感和線路電感等來實現(xiàn)軟開關。dc/dc級選用初級加箝位二極管的改進型zvs全橋變換器，如圖2所示。變換器在一個開關周期有18種開關模態(tài)，其工作波形如圖3所示。
2.2.1 移相全橋zvs的實現(xiàn)
開關管零電壓關斷的原因是由于存在結電容，導致兩端電壓不能突變。零電壓開通則需要足夠的能量給將要開通的開關管結電容放電，給關斷的開關管結電容充電，同時還要抽走變壓器初級繞組中寄生電容ctr中的電荷。對于超前橋臂，該能量由諧振電感l(wèi)r和折算到初級的濾波電感l(wèi)f串聯(lián)共同提供，lf很大，所以容易實現(xiàn)zvs.而對于滯后橋臂，由于此時變壓器次級被短路，能量僅由lr提供，所以滯后橋臂實現(xiàn)zvs較困難。特別是負載很輕時，lr中的能量不夠完成結電容的充放電轉換，滯后橋臂就不能實現(xiàn)zvs.為滿足滯后橋臂的zvs,必須使lr取值較大。
2.2.2 次級占空比丟失問題
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次級占空比ds小于初級占空比dp,其差值即為次級占空比丟失，即dlose=dp-ds.占空比丟失原因是初級電流ip由正向(或負向)變化到負向(或正向)，負載電流需要一段時間，即為圖3中的[t3~t6]和[t12~t15].在這段時間內，雖然初級有電壓，但ip不足以提供負載電流，次級整流管全部導通，變壓器初、次級短路，負載處于續(xù)流階段，整流輸出為零。這樣次級就丟失了[t3~t6]和[t12~t15]這兩段時間的方波電壓，它與開關周期ts的比值即為dloss,dloss=(t3,6+t12,15)/ts=2t3,6/ts,其中t3,6=lr[ilf(t3)-ilf(t6)/k]/uin,則可得：
dloss=2lr[ilf(t3)-ilf(t6)/k]/(uints)(3)
由式(3)可知，dloss與lr和ilf成正比，與uin和變壓器變比k成反比。因此，lr的值需權衡取值，既要在盡可能寬的范圍內保證軟開關，又不能太大，以免造成較大的占空比丟失。
2.2.3 諧振電感的選取
滯后橋臂要實現(xiàn)zvs,lr必須滿足：
式中：i為滯后開關管關斷時ip的大小;coss為開關管在uin時的輸出電容。
選擇在1/3負載以上實現(xiàn)滯后橋臂軟開關，要求輸出濾波電感電流的最大脈動量△ilf為最大輸出電流的20%,則：
i=(io/3+△ilf/2)/k=4.09 a(5)
由式(4)可求出lr>19μh,實際選擇20μh.2.2.4 次級整流橋輸出寄生振蕩的抑制
zvs移相全橋變換器輸出整流二極管都未工作在軟開關狀態(tài)，存在反向恢復的過程。在輸出整流二極管換流時，lr(包括變壓器漏感)和整流橋二極管的結電容及變壓器寄生電容之間會發(fā)生諧振，使整流橋輸出產(chǎn)生寄生振蕩和電壓尖峰。此處通過初級加箝位二極管來解決這一突出問題。為詳細說明箝位二極管的抑制作用，針對圖3中t∈[t7,t8]這一模態(tài)進行分析：在t7時刻，由于lr與cvdr1和cvdr4諧振工作，使得兩者的電壓上升至uin/k,此時ubc上升至uin,c點電位變?yōu)榱?，箝位管vdvq2導通，將ubc箝位在uin,則cvdr1和cvdr4的電壓被箝位在uin /k,防止其電壓繼續(xù)上升，從而消除了整流橋的振蕩尖峰和二極管反向恢復造成的損耗。此時，ilr=-i4,ip=ilr+ivdvq2.到t8時刻，ivd vq2線性下降至零，vdvq2自然關斷，模態(tài)結束。
2.2.5 變壓器初級直流分量的抑制
實際電路中，開關管的開關速度或導通壓降不同或開關管的驅動信號不一致時，功率轉換電路便工作在不平衡狀態(tài)。此時磁通變化幅度不相同，工作區(qū)域將偏向一個象限，引起磁芯單向飽和并產(chǎn)生過大的ip,從而導致開關管的損壞，最終使變換器不能正常工作。為了讓全橋變換電路更可靠的工作，和輸出濾波電感折算到初級的電感值形成串聯(lián)諧振網(wǎng)絡，諧振頻率表達式如下：
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折算到變壓器初級的濾波電感值llf=k2lf.為了盡可能讓cb充放電呈線性化，ft必須遠小于變換器的開關頻率fs,取fr=0.1fs,由式(6)，llf=k2lf及fr=0.1fs可求得cb=1.2μf,實際取兩個1μf/400 v的云母電容并聯(lián)?？刂葡到y(tǒng)的設計
3.1 apfc控制方案
apfc控制采用平均電流法，系統(tǒng)框圖見圖4.采用電流、電壓雙閉環(huán)控制，電流環(huán)使輸入電流更接近正弦波，電壓環(huán)使apfc輸出電壓穩(wěn)定。
此處通過apfc控制器ucc3818實現(xiàn)雙環(huán)控制，其輸出的pwm脈沖可直接驅動開關管。雙環(huán)調節(jié)器如圖5所示。
通過計算電壓、電流環(huán)增益和穿越頻率即可確定相應pi參數(shù)，實際設計參數(shù)為：ru=56 kω，cu1=3.3μf,cu2=0.3μf,ri=16 kω，ci1 =ci2=1.1 nf.3.2 zvs全橋變換器控制方案
dc/dc級采用單電壓環(huán)控制模式，并在電壓環(huán)基礎上加上了限流環(huán)，正常情況下限流環(huán)不工作，只由電壓環(huán)控制輸出電壓，一旦輸出電流超過限流值，就由限流環(huán)工作，通過減小輸出電壓將輸出電流穩(wěn)定在限流值上。該控制通過ucc3895芯片實現(xiàn)，控制系統(tǒng)框圖如圖6所示。
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選擇超前-滯后補償網(wǎng)絡實現(xiàn)控制，與一般滯后補償網(wǎng)絡相比，該網(wǎng)絡增加了微分環(huán)節(jié)，提高了控制系統(tǒng)的動態(tài)性能。具體環(huán)節(jié)如圖7所示。
補償網(wǎng)絡的傳遞函數(shù)gc(s)={(1+sr2c1)[1+s(r1+r3)c3]}/{[sr1(c1+c2)][1+sr2c1c2/(c1+c2)](1+sr3c3)}.對zvs移相全橋變換器進行小信號建模并采用零極點補償法對參數(shù)進行設計，實際所選參數(shù)為：r1=91 kω，r2=4.8 kω，r3=2 kω，c1= 0.1μf,c2=0.02μf,c3=1μf.實驗結果
為驗證高壓直流開關電源主電路結構和控制方案的可行性，研制了一臺2.4 kw的實驗樣機。主要電路參數(shù)：apfc部分為交流220 v輸入，輸出直流電壓380 v:zvs全橋變換器部分，輸出直流電壓240 v,輸出電流10 a,主功率開關管vq1~vq4為ixfx48n60p(48 a/600 v);輸出整流二極管vdr1~vdr4為dsei30-10a,箝位二極管vds1和vds2為dsei30-06a,變壓器初次級匝比為1.06,輸出濾波電感l(wèi)f=300μh,輸出濾波電容值cf=56μfx8,開關頻率fs=80 khz.圖8a為apfc主開關管在1/3負載時波形，其實現(xiàn)了軟開關。圖8b為apfc輸出電壓突加半載時的波形，由圖可知，其性能較好。由1/3負載下所測波形可知，超前、滯后橋臂實現(xiàn)了zvs.由(半載)變壓器次級及整流橋輸出電壓波形可知，不加箝位二極管電壓尖峰超過正常值兩倍以上，添加箝位二極管后電壓尖峰幾乎被消除，解決了整流橋輸出寄生振蕩問題?？梢?，dc/dc級控制系統(tǒng)設計較合理，超前，滯后補償環(huán)節(jié)提高了系統(tǒng)的動態(tài)性能。
東營變頻器維修 http:///dybpwx 結論
研制了兩級結構高壓直流開關電源，前級采用單相有源軟開關pfc,提高功率因數(shù)，合理設計諧振參數(shù)可實現(xiàn)軟開關，降低開關損耗?？刂撇糠植捎胮i調節(jié)器，具有較好性能。后級選擇在初級加箝位二極管的改進型zvs全橋變換器，實驗結果證明該電路結構能夠有效抑制次級整流橋輸出振蕩和電壓尖峰，減少損耗。該方法簡單，實用性較強?？刂葡到y(tǒng)進行方案選擇，pid參數(shù)合理設計，提高了高壓直流開關電源的動、靜態(tài)性能。
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直流開關電源設計思路篇二
附 件
1、高頻變壓器設計
⑴ 計算磁芯的有效導磁截面積ae：
ap?ae?aw?po?106(cm4)2?fs?bmax?j?km?kc??式中：ae――磁芯截面積(cm2)aw――磁芯窗口面積(cm2)
po――變壓器輸出功率(w)fs――開關頻率(hz)
gs bmax――最大工作磁通密度(gs)，對于鐵氧體磁芯bmax?2000
2j――電流密度（取為4a/mm）km――窗口填充系數(shù)（取為0.4）
kc——磁芯填充系數(shù)（對鐵氧體取為1）?――－效率
vinmax⑵ 初級匝數(shù)：np??108 4fs?ae?bmax
式中：vinmax――輸入電壓最大值(v)fs――開關頻率(hz)⑶ 次級匝數(shù)：ns?np?(vo??v2)(vinmin??v1)?dmax
式中：vo――輸出電壓(v)?v2――副邊附加壓降(取為1v)
vinmin――輸入電壓最小值(v)?v1――原邊附加壓降(取為1v)dmax――最大占空比(取為0.85)注：附加壓降中包括器件管壓降
2、輸入濾波電容：
cin?po
[(2vmin)?(2vmin?vpp)]?f??22
式中：po――輸出功率f――輸入交流電頻率
v vmin――交流輸入電壓最小有效值。取vmin?200
vpp――整流濾波后直流電壓最大脈動值。取vpp?2?vmin?20%
3、輸出濾波電感：
lf?vo 4?fs??im
式中：?im――允許的電感電流最大紋波峰峰值（一般取額定電流的10%）
4、輸出濾波電容：
?vo1?d ?2vo8lf?cf?fs
直流開關電源設計思路篇三
數(shù)控直流開關電源的設計
數(shù)控直流開關電源的設計
摘要
本設計是根據(jù)單片機控制系統(tǒng)應用于開關穩(wěn)壓電源的方法和原理，將單片機數(shù)字控制技術，有機地融入直流穩(wěn)壓電源的設計中，設計出一款可調穩(wěn)壓輸出的直流開關電源。開關電源采用dc—dc全橋式電路，控制電路采用stc12c5a60s2的單片機，由模擬控制芯片ka7500b產(chǎn)生pwm信號經(jīng)驅動電路實現(xiàn)對dc—dc開關管的控制，實現(xiàn)電壓的穩(wěn)定輸出，通過鍵盤來設置電源的輸出電壓，并能夠通過液晶直觀地顯示出電壓。該設計分析了各個模塊電路和整機的工作原理，給出了整機工作的硬件實現(xiàn)和主要的軟件流程設計。具有電壓輸出范圍寬、電流過流設定保護、短路自動恢復、連續(xù)可變的電壓功能，電壓輸出調節(jié)范圍為24.0~40.0v，電流輸出最大為2.0a,步進電壓0.1v。
關鍵詞：直流穩(wěn)壓電源;單片機;pwm
i
the design of numerical control dc regulated
power supply
abstract
this design is based on single-chip microcomputer control system is applied to the method and principle of a switching power supply,digital control technology,will be organically integrated into the design of dc regulated power supply,designed a adjustable output voltage dc switching power ing power supply with dc-dc full bridge circuit,control circuit adopts stc12c5a60s2 mcu,pwm signal generated by the simulation control chip ka7500b by driving circuit control system for the dc-dc switch tube,realize the stable output voltage,through the keyboard to set the output voltage of power supply,and can show visually through the lcd design and analysis the each module circuit and working principle of the machine,the machine work on hardware implementation is given and the main software process a wide range of output voltage and over current protection,short circuit current automatic recovery,continuous variable voltage function,the output voltage range of 24.0~40.0 v,2.0 a maximum output current,the step voltage of 0.1 words:dc regulated power supply;single chip microcomputer;pwm
ii
目錄
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1.1研究背景及意義......................................................錯誤！未指定書簽。錯誤！未指定書簽。
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3.3單片機的設計..........................................................................................10
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3.3.2晶振電路........................................................錯誤！未指定書簽。
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一、緒論
1.1研究背景與意義
隨著科學的高速發(fā)展，電子產(chǎn)品與我們的生活息息相關。任何跟電子有關的，都會需要電源的支撐，隨著信息化的普及，在90年代，所謂的開關電源逐漸進入我們的視線，比方各類各樣的電子設施。對于開關電源我的理解是一個便于攜帶并且體積小的一個電源。開關電源的出現(xiàn)給線性電源帶來了巨大的沖擊，沒辦法，畢竟時代在進步，我們的科技水平也在進步，所以更加先進、更加可靠、更有效率的開關電源慢慢的出現(xiàn)在世人的眼中。也是逐漸取代線性電源的一個產(chǎn)品，可以說在未來的任何行業(yè)中都會有開關電源的影子，它現(xiàn)在已經(jīng)占據(jù)了很大的一部分市場并且這些市場也都在廣泛的使用開關電源。尤其表現(xiàn)在電子信息產(chǎn)業(yè)，畢竟這個行業(yè)需要這樣的電源，他們制作的東西越來越便于攜帶、效率越來越高。所以線性電源也隨之被取代。當然在今天還是有一部分的電子產(chǎn)品中的電源依舊沒有被取代，但是在不久的將來，我相信開關電源將會在整個市場出現(xiàn)。以及信息類、電子產(chǎn)品的各種電源等都已經(jīng)開始普遍地應用開關電源，這越發(fā)的使開關電源這方面得到了很好的發(fā)展。該電源采用的是由單片機開控制電源內部的開關管的導通以及斷開的時間，從而保證可以輸出一個不變的電壓，它是由pwm和金氧半場效晶體管組成。開關電源越來越普及，也越來越精簡，功能也越來越全面，所以他很快便普及了各個行業(yè)。交換式電源比普通線性電源的體積小，更輕便化，并且便于攜帶。開關電源是應用于各行各業(yè)獨特的一個電子設備。它的優(yōu)勢是變換的效率很高、易攜帶、精準、快速等，很多領域都代替了線性電源。并快速向大功率開發(fā)并推進，在此基礎上代替了晶閘管相控整流電源[1]。所以說該電源當前以中、小電子裝置的普遍技術。在今后的發(fā)展過程中，該電源在環(huán)境已經(jīng)能源問題上的運用都有特別的貢獻。此應用中的電力電子器件主要都有二極管、金氧半場效晶體管以及絕緣柵雙極型晶體管。scr在開關電源輸入整流電路和軟啟動電路中都有少量的應用，由于gtr驅動困難，開關頻率低，所以逐漸被igbt和mosfet取代。如今的社會發(fā)展以及科技的發(fā)展都是進步之快，電源產(chǎn)業(yè)也需要像開關電源這樣的
可靠性好的電源來支撐，所以該電源的問世也是向世界宣稱，世界正在走向一個智能化的時代，以前笨重切效率不高的產(chǎn)品將要淘汰。替代他們的將是不斷創(chuàng)新，不斷完善的科技新產(chǎn)品，正所謂適者生存，這個道理同樣在電子產(chǎn)品中適用。所以電源的不斷創(chuàng)新，也正因為它的特點，也是在當今的電子產(chǎn)品行業(yè)得到很大的立足。單單從分類來說開關電源都已經(jīng)領先線性電源很多了，畢竟種類繁多，然而線性電源呢，單一并不可靠。種類繁多進而能夠促使這個發(fā)展的更快，也正因為這個運用的廣泛所以才會出現(xiàn)多種的開關電源。所以在我們今后的發(fā)展道路上，應該多去研究下這方面。畢竟開關電源是現(xiàn)在世界的主流
1.2國內外發(fā)展現(xiàn)狀
1.2.1國內現(xiàn)狀
我國的開關電源研制工作最初在60年代初期，中期則開始運用，70年代的時候得到了進一步的發(fā)展。74年的時候成功的研制出開關凈化穩(wěn)壓電源。國內的的電源產(chǎn)業(yè)是60年代中期逐步開始，到90年代，隨著電子設備的逐步完善，從而也對系統(tǒng)效率的要求也很高，所以開關電源的發(fā)展方向也逐步開始智能化。我國的科技水平雖然在世界方面處于領先的一個地位，但是與一些發(fā)達的國家相比的話，那我們的水平還是有很大的不足，但是我們也在不斷的進步，并且是以一個飛速發(fā)展來形容都不為過，畢竟沒有那個國家能在這么短的時間發(fā)展的這么迅速，從一個半殖民地的國家，到現(xiàn)在成為一個發(fā)展中的國家。目前世界上中國是唯一的一個特例。所以在任何的領域我們都是以一個高速發(fā)展的角色進入，當然我堅信在開關電源這方面我們一定能夠成為領先的一塊。因為我們國家不缺人才，并且我們國家的人員很多，在電子產(chǎn)品的消耗中我們比任何國家都多的多，所以我們需要不斷的創(chuàng)新，不斷的去制造更加適合人們使用的開關電源。只有這樣我們的生活才能更好，我們的電子產(chǎn)品也能得到很好的推廣。開關電源也算是一個帶動一個行業(yè)發(fā)展的產(chǎn)品，無論從經(jīng)濟還是從學術的方面來說，我們都需要在開關電
一方面，電源產(chǎn)業(yè)進入快速發(fā)展期。電源產(chǎn)業(yè)源方面等到一個更大的突破。規(guī)模在擴大；另一方面，我國的在這方面的也開始有了重點的研發(fā)。重點為一下部分，一方面是從吸收消化上，另一方面是從跟蹤發(fā)展到前沿跟蹤上，還有一方面是在基礎創(chuàng)新上，我國在該產(chǎn)業(yè)方面也研究出一批帶有國際性的成果及其先進的產(chǎn)品。我國開展了許多的課題，也在技術方面跟國際接軌，并且很有創(chuàng)新。我國與其他國家相比較，在該產(chǎn)業(yè)中，還是有很大的缺陷以及達不到人家那邊的標準：比如在產(chǎn)品的性能、制造等明顯有十五年的不足，尤其在某方面尤為突出，例如：直流恒流的網(wǎng)絡化等明顯做的工作還是不夠。到現(xiàn)在我國在這上面表現(xiàn)最多學校是華工大以及成都科大，該兩所大學主要進行ced的使用以及學習等方面，從而達到數(shù)控。國內需要更多的大學去對這方面進行研究，畢竟是一個智能化的時代。1.2.2國外發(fā)展狀況
55年羅那研究出了晶體管直流變換器。當時那個時代是一個再這方面是迅速發(fā)展的美國科學家時期，也是晶體管出現(xiàn)的年月，它的誕生使得直流能整流、濾波后輸入，不用再重復的進行工頻這一步驟，也使得它的領域越來越大，并在此程度上大大的提高了降壓變壓器開關電源的研究以及產(chǎn)生。這樣的一個變壓器你們會選擇使用么，答案顯而易見，所以以往的工頻變壓器都不用了，然后我們得到了方便、快捷以及又使用的電源。我國在該產(chǎn)業(yè)方面的能力還是很欠缺的，尤其像美國這樣的國家，我們是無法比擬的，該產(chǎn)品中，我們所生產(chǎn)的產(chǎn)品無法與那些國家相比，他們可以使那些功能很完善，而我們并不能做到這一點，我們需要進一步的去研究，去創(chuàng)新，從而減少這種差距。所有的產(chǎn)品都在走向一個智能化的方向發(fā)展，包括電源。開關電源的問世就是這個意思，來告訴大家，在當今這個社會，任何國家都在進步，尤其在制造業(yè)，該產(chǎn)業(yè)的智能化我們還是有明顯的不足，在這個快速發(fā)展的世界，我們面臨很多競爭跟問題，我們需要客服這些困難，去挑戰(zhàn)自己，才能有所進步有所創(chuàng)新。隨著國外各項技術的發(fā)展，在70年代以后，與這種技術相關的各種高科技電子電氣產(chǎn)品不斷地研制和生產(chǎn)出來，其中具有代表性元件，使該電源取得了快速的進步。而且在人們的生活中被普遍的應用，在很多領域都有該產(chǎn)品的運用。尤其表現(xiàn)在電子信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，在該產(chǎn)品中使用的有太多太多了。所以該領域的研究及其發(fā)展還是有很大的空間。不得不說國外在任何行業(yè)都是有很大領先，他們在對開關電源不斷的研究改進中。使得人們能夠用到更準確、更有效率的開關電源。所以開關電源在各個行業(yè)的地位顯而易見，國外的開關電源畢竟發(fā)展的時間比國內要早，雖說科學的
領域是無國界的，但是我們都希望自己本國的科學家能夠研制出最新型的開關電源，使其在行業(yè)中得到更多的認可。所以開關電源必將取代古老的線性電源，無論是國內還是國外。這將是必然的事情。
1.3設計的主要任務及要求
在本設計中我們采用單片機控制直流開關電源并非芯片控制，從而能夠更加簡單的達到一些功能，然而現(xiàn)在更多采用的都是單片機的控制，比如：實現(xiàn)電壓的輸出范圍寬、短路自動回復等。輸出電壓可調范圍：24~40v；最大輸出電流：2a；輸出噪聲紋聲電壓峰-峰值小于等于1v；dc-dc變換器的效率大于70%；步進值為0.1v；具有過流保護的功能，動作電流io（th）=2.5±0.2。
1.4設計組織結構
本設計中我們最先介紹了開關電源的背景意義，以及他們的發(fā)展前景和國內外的情況；然后進行總體方案的選擇與論證，接著對硬件電路部分一一進行設計，對軟件結構進行規(guī)劃，給出設計流程圖；最后對本設計的工作做了進一步的總結并給我本次設計我所得出的結論。
二、方案設計及論證
2.1方案設計
圖2.1所示為數(shù)控直流開關電源原理框圖。220v的交流電壓經(jīng)過交流濾波器，濾去諧波，補償消耗的無功功率，然后經(jīng)過整流濾波電路將交流電壓變?yōu)橹绷麟妷?。在本設計中最為關鍵的一步便是將直流電路（dc）轉換成另一固定電壓或電壓可調的直流電能的dc-dc變換電路，該電路的基本原理是控制igbt的導通和截止，將直流變?yōu)楦哳l交流來變壓，從而使得原本的高電壓轉換成我們負載所利用的電壓。電壓、電流取樣模塊將檢測的負載電流電壓送給單片機，單片機控制輸出pwm信號的占空比，以達到穩(wěn)壓輸出的目的；通過驅動電路去控制dc-dc的igbt開關管。鍵盤是用來設置電源輸出電壓的一種按鈕，它便于實現(xiàn)改變輸出電壓的功能。輸出電壓是由顯示器來顯示的。
圖2.1 數(shù)控直流穩(wěn)壓電源原理框圖
2.2 dc-dc變換電路選擇
dc-dc變換器的種類有很多，比如單端式，雙端式等。我們本設計采用的便是雙端式中的全橋式，因為這種電路能夠獲得較高的功率，還便于攜帶。它的原理是四個開關管分為兩組其中兩個為一組，這兩組開關管分別控制電路的導通與斷開，并且在兩組開關管之間還有一個變壓器。這樣大大提高了 5
整個電路的輸出功率，畢竟兩組開關管交替控制，要比一個開關管控制的好很多，效率也很大。不像推挽式的開關電源，只有一個開關管控制，達不到兩個控制同時串通的可能性。并且，對于電路中各個器件都要求很高的耐壓值，為了使我們能在用更少的器件做更多的開關電源所以我們選擇全橋式的方式來做本設計。
驅動使用脈沖寬頻調制（pwm）方式，脈沖周期恒定，通過改變高低脈沖電壓寬度的占空比來調節(jié)輸出電壓[4]。脈寬調制方式可以使開關管導通時間隨著負載電流的下跌而減小，從而降低開關損耗，提高效率。
2.3單片機選擇
主控電路選擇的是單片機控制電路，為了減少外圍電路元件，所以選用含有pwm功能的專用芯片，又因為我們有電壓/電流檢測電路，因為在我們本設計中的電路所得到的信號都為模擬信號，所以我們需要一個數(shù)模轉換部分，為了使電路更加簡單快捷，便于操作，所以我們選擇了宏晶科技生產(chǎn)的stc系列中的stc12c5a60s2單片機，并且內具有數(shù)模轉換部分，而且內部有max810專用復位電路。因此選擇該單片機。
圖2.2 stc12c5a60引腳圖
2.4驅動電路選擇
ka7500b是一個頻繁用于高壓電路中的電壓驅動型脈寬調制器，它在此領域應用廣泛，是直插式的封裝。在該芯片內部總共有兩種方式，這兩種方式對于驅動的選擇尤為重要，也是別人選擇該芯片作為驅動的重要原因。該芯片工作頻率范圍：1khz至300khz。它包含了開關電源控制所需的主要功能塊，輸出脈沖寬度是由死區(qū)時間控制和反饋pwm比較器輸入兩個信號中電平較高的一個控制，為了使我們的設計更加完善，我們在此電路中得到兩種信號，這兩種是不一樣的，所以我們需要拿他們兩個來進行一個比較，最后才能完成脈沖看度度的調節(jié)。因此驅動電路選用ka7500b電路。
2.5顯示器的選擇
對于顯示器的選擇，我們本設計采用的是液晶顯示器來顯示輸出電壓，那么要求必然是方便，從資源的方面來說，消耗越小越好，便于攜帶，因為我們最終需要顯示的是數(shù)字模式，所以我們必須選擇帶有數(shù)字接口的顯示器。7
液晶1062液晶顯示器，正好符合我們要求，它體積小便于攜帶，操作沒有那么繁瑣，重點是它帶有數(shù)字式的接口，所以我們選擇1602液晶顯示器。
三、系統(tǒng)硬件設計
3.1濾波整流的設計
對于整流電路，首先我們需要知道整流電路在本設計中的作用，我們才能夠更加準確的去選擇一個合適的整流電路，從而使我們能夠更加有效的完成本次的設計。該電路在整個設計中能起到交流變?yōu)橹绷鳎驗槲覀兯拥碾娫词?20v交流電壓，而我們需要得到一個直流穩(wěn)壓的電源，所以就需要整流電路來進行一個變換。整流電路的方式有很多種，本設計中采用的是橋式整流電路，因為橋式整流電路的輸出電壓高，諧波電壓較小（自身電路帶來的影響很?。┑葍?yōu)點。充分利用了該電路的特點來使設計更加全面各加可靠。橋式整流電路也是被應用很多，它也能是電源變壓器得到充分的利用即提高了利用的效率。
為了使輸出的電流更加的平滑，更加的準確，本設計采用了電容濾波器來進行濾波，濾除那些對本設計有影響的諧波，如圖3.1所示。
圖3.1 電容濾波器電路圖
從3.1圖中我們可以清晰的看到電容濾波器的電路是怎么樣連接的，電路中的l1、l2他們的線圈匝數(shù)是相等，它們兩個的作用是抑制作用。只要有它們兩個在就會有很好的抑制作用，因為它們兩個能夠產(chǎn)生一個數(shù)值相當大的高阻抗，從而獲得非常好的濾波效果。
在本設計中我們在選擇濾波元件時，經(jīng)過精準的計算我們得，其中l(wèi)1和l2均為20mh,c1、c2選擇：0.1-2μf。至于c3、c4為4700pf。這么做選擇能夠更好的抑制噪聲對本設計的干擾，已經(jīng)諧波對本設計的干擾。所以我們通過本電路可以有效的得到濾波。
3.2 dc-dc電路的設計
3.2.1原理
圖3.2為全橋式原理圖，本部分也是該設計的核心內容，因為開關電源的由來就是由dc-dc變換電路來設計的，那么我們來看下全橋式電路的原理以及組成。首先在該圖中我們看到擁有4個控制開關，并且是并聯(lián)在電路中，也可以說k1和k2為一體k3和k4為一體。這4個開關管的作用，當整個電路都在工作的時候，這四個開關管肯定是兩個接通，兩個關斷的。所以能夠得到一個輪換的工作。這兩組開關管各控制一個電橋，從圖中我們可以看出，變壓器的連接方式有點特別，它接在兩個電橋之間。所以我們成這樣的接線方式為全橋式的開關電源電路。
圖3.2 全橋式原理圖
3.2.2 dc-dc電路
圖3.3 dc-dc電路圖
3.2.3主要參數(shù)計算方法
直流輸出電壓可調式全橋開關電源變壓器初、次級線圈匝數(shù)比的計算：
n?n32u0(1?d)?n1ui式中，n1為變壓器初級線圈n1或n2繞組的匝數(shù)；n3為變壓器次級線圈的匝數(shù)；u0為直流輸出電壓；ui為直流輸入電壓。
將上述公式變形得u0?nu1
2(1?d)可見通過改變占空比，可以改變輸出電壓u0。當占空比越大時，輸出電壓越大，當占空比越小時，輸出電壓越小。
3.3單片機的設計
p1.4-p1.7口用于1602顯示器的驅動;p1.0口用于輸出電壓的數(shù)模轉換p1.1口用于負載電流的數(shù)模轉換。由于輸出電壓為24-40v,在p1.0口用電阻進行了10:1的降壓,確保輸入電壓在5v以下;p3.7口輸出50khz左右脈寬調制信號通過濾波應用于ka7500b以控制開關管的脈沖寬
作。度;p3.2-p3.4口安裝3個輕觸開關用于電源的控制操3.3.1復位電路
本系統(tǒng)復位電路如3.4圖所示，圖3.4 復位電路
3.3.2晶振電路
晶振電路工作原理：晶振電路采用內部時鐘連接方式，連接方式如3.5圖所示。當電路采用內部時鐘連接方式時，單片機片內的高增益反相放大器通過xtal1，xtal2外界作為反饋元件的片外晶體振蕩器（呈感性）與電容組成并聯(lián)諧振回路構成一個自激電路，向內部時鐘電路提供振蕩時鐘[7]。
晶振與單片機的引腳組成振蕩電路中會有諧波產(chǎn)生，電路連接方式如3.5圖所示，但是這個諧波對連接方式振蕩并沒有什么影響，可以說微乎其微，但是它電路的時鐘振蕩器的穩(wěn)定性會有所降低，為了保障電路的穩(wěn)定，atmel公司只是建議加上兩個電容來減少諧波帶來的負面影響。本電路晶振選用12mhz晶振，電容c7，c8的大小對振蕩頻率由微小的影響，可起頻率微調的作用，所以選用30pf。
圖3.5 晶振電路
3.3.3鍵盤電路
鍵盤電路如下圖所示分別為“加”鍵、“減”鍵以及“確認”鍵，k1表示加，k2表示減，k3表示確認。
圖3.6 鍵盤電路
3.4顯示電路
3.4.1電路圖
該設計采用的是1062液晶顯示器。如圖3.8。
圖3.7 顯示電路
3.4.2主要技術參數(shù)和性能
顯示容量:16×2個字符，芯片工作電壓:4.5—5.5v，工作電流:2.0ma(5.0v)，模塊最佳工作電壓:5.0v，字符尺寸:2.95×4.35(w×h)mm[15]。
3.5驅動電路
3.5.1原理
驅動電路原理圖如3.9圖所示：本設計采用ka7500b來進行驅動，該芯片工作頻率范圍：1khz至300khz。它包含了開關電源控制所需的主要功能塊，輸出脈沖寬度是由死區(qū)時間控制和反饋/pwm比較器輸入兩個信號中電平較高的一個控制，為了使我們的設計更加完善，我們在此電路中得到兩種信號，這兩種是不一樣的，所以我們需要拿他們兩個來進行一個比較，最后才能完成脈沖看度度的調節(jié)。
圖3.8 驅動電路
圖3.9 ka7500b引腳排列圖
3.6電壓反饋電路
3.6.1電壓反饋電路
電路圖如3.11圖所示，它在我們開關電源中的作用則是用來調控電壓，最終能使我們得到一個穩(wěn)定的輸出電壓。如3.11圖所示，電壓發(fā)生變化時，通過電路中的各個元件來調節(jié)電壓，電路中的兩個電阻作為分壓電阻，從而使u15的電壓發(fā)生變化，然后與其最開始的電壓做比較，便會產(chǎn)生一個信號，通過放大電路來放大信號，由此傳到控制芯片，進而對輸出電壓進行調整，最終我們便能得到一個穩(wěn)定的電壓。
圖3.10 電壓反饋電路
3.6.2 uc3842簡介
uc3842屬于一個電流控制型脈寬調制芯片，該芯片常用于開關電源的設計中，它的外圍電路簡單，也常應用于電子電路的設計當中，所以本設計采用該芯片。它能夠更加的穩(wěn)定我們的輸出電壓，從而使我們的設計更加的完善以及完美。因為在該芯片當中有雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，所以電壓穩(wěn)定度非常的高。這也是我們選擇該芯片的原因之一。還有就是該芯片能夠起到一個過流的保護作用，可以防止功率管不被破壞。圖3.12是我們uc3842芯片的內部結構圖。從該芯片的結構圖中我們也可以看出，它的所有電路基本都會使 15
我們能夠得到一個穩(wěn)定的輸出電壓。并且也可以保護我們電路中的一些元件，避免操作不當或者執(zhí)行的過程中造成損壞而浪費。該芯片的各個引腳基本的作用基本都是維護系統(tǒng)正常工以及使電路的電壓穩(wěn)定輸出，它的脈寬調制器輸出的脈沖周期不變，但是它的寬度會隨反饋電壓的大小來改變。寬度變寬，周期就長，變窄則周期短，這樣便能使我們的電路輸出一個穩(wěn)定的電壓。
圖3.11 uc3842內部結構圖
四、系統(tǒng)軟件設計
4.1主程序
首先我們要從液晶顯示器中獲得本有的數(shù)據(jù)，并且我們也是有最初的輸出電壓，兩者對比，從而才能知道是否得到穩(wěn)壓；其次利用按鍵進行輸出的調整；最后我們需要使最終的輸出電壓需要顯示在液晶顯示器中，查看并記錄，方便后續(xù)的計算以及分析。程序的流程圖如圖4.1所示。
圖4.1 數(shù)控直流開關電源控制主程序流程圖
4.2穩(wěn)壓控制程序
穩(wěn)壓控制程序的主要功能是實時測量輸出的電壓與電流值,并與設定輸出輸出及保護電流比較,控制輸出電壓的穩(wěn)定及進行過流保護[12]。stc12系列的單片機具有8路ad轉換口及其4路的pwm的輸出口，這樣更加方便快捷的實現(xiàn)穩(wěn)壓的控制，以及模擬信號變?yōu)閿?shù)字信號更加迅速，也方便了我們對于數(shù)據(jù)的測量，最后對于測量出的電壓、電流值進行計算與對比，從而能夠達到我們設計中穩(wěn)壓的目的。
4.3鍵功能程序
該程序就是為了來便于電壓的一個改變的操作。我們需要對在本設計中使用到的io口的輸出進行一次對比，并且我們需要這些輸出必須跟按鍵值為同一個輸出才行，則讓掃描計數(shù)器加1當計數(shù)器的值已達到20說明讀取20次鍵值都相等說明的確有鍵按下（正是在鍵值穩(wěn)定區(qū)讀?。┤糇x取小于20次時，前后兩次鍵值出現(xiàn)不相等就說明是鍵盤抖動或是干擾，這時讓掃描計數(shù)器清0，起到消除抖動，及干擾作用。
圖4.2 鍵盤程序流程圖
五、調試性能分析
由于在電源板設計調試中有高壓部分，因此220v的供電要求采用隔離變壓器，以保證調試中的人員安全及測試設備（示波器）安全。開關電源調試時，先用較低的交流電壓（50~100v）進行測試，脈寬控制端可用電位器進行輸入控制電壓的設定[13]。帶波形及相關的電路數(shù)據(jù)正常后再輸入220v的正常交流電壓，最后將單片機控制電路與電源板連接進行調試。經(jīng)過上述的步驟我最后對該設計進行了系統(tǒng)全面的分析，能夠得到的結論如下： 1.輸出電壓可調范圍：24~40v 2.最大輸出電流：2a 3.輸出噪聲紋波電壓峰-峰值小于等于1v -dc變換器的效率大于70% 5.具有過流保護功能，動作電流io（th）=2.5±0.2
結論
本設計主要設計的是一款數(shù)控直流開關的電源設計，是由stc系列的單片機來控制的，整個設計中主要采用了整流濾波，最為重要的為dc-dc轉換、單片機控制、驅動、電壓反饋、顯示這些主要電路以及按鍵電路幾個部分。其中將交流變?yōu)橹绷鞯氖钦麟娐罚灰驗闉V波電路可以過濾掉紋波，所以采用濾波電路則是為了得到更加平穩(wěn)的電壓；為了使電路的簡單，使步驟的簡化，畢竟多一個數(shù)模轉換還是比較麻煩的，所以在本設計中我們采用帶有數(shù)模轉換芯片的單片機stc12c5a60s2，并且它也可以控制pwm的信號，從而使得電壓穩(wěn)定輸出；驅動的部分則是用了ka7500b芯片，從而對變換電路的導通和截止進行控制；鍵盤的部分我們這邊比較簡單，就是單純的來控制一個電源的輸出電壓；顯示部分則是運用了1062液晶顯示器，從而能使電壓更加清晰的展現(xiàn)在我的面前，更加直觀的看出電壓；我們本設計最重要的部分dc-dc電路，則是采用的全橋式的形式，它的優(yōu)點輸出功率大、效率高等，該電路的主要功能則是將固定的直流電壓改變?yōu)榭烧{的直流電壓。最后我們通過軟件的放來來實現(xiàn)各個部分的控制，從而更加簡單的就得出了我們的最后結論，軟件的方式也使我們的系統(tǒng)變得簡單，容易調節(jié)電壓輸出范圍寬以及電路的保護功能的設定。
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直流開關電源設計思路篇四
變電站直流高頻開關電源的檢測與驗收
摘要： 直流系統(tǒng)可靠與否直接關系到電網(wǎng)的安全，隨著高頻開關直流電源系統(tǒng)大量使用，該種電源系統(tǒng)的建成投運驗收交接和運行檢測、檢查，已顯得極為重要，從柜體、元器件外觀的檢查、整套系統(tǒng)電氣技術參數(shù)檢測都必須嚴格進行，并根據(jù)不同的目的進行相應項目的檢查，運行中更應定期檢查，及時發(fā)現(xiàn)存在的隱患，保證其在規(guī)定的參數(shù)下運行，以提高電池的服役年限。
abstract： the reliability of dc system is directly related to the safety of the power the heavy use of dc power system of high-frequency switch，the built，operation，acceptance，handover and running，detection，checking of this kind of power system are extremely appearance checking of cabinets and components，the electrical technology parameters of the whole system must be rigorously conducted，and according to the different goals to check the related periodical inspection in operation is necessary to find the wooden horse in time to ensure the running under specified parameters and improve the service life of the battery.關鍵詞： 變電站；直流高頻開關電源；檢測；驗收
key words： transformer substation；dc high frequency switch power supply；detection；acceptance
中圖分類號：tm64 文獻標識碼：a 文章編號：1006-4311（2015）11-0256-02
0 引言
直流系統(tǒng)是變電站的操作電源，近年來，高頻電源開關逐漸取代相控電源和磁放大充電設備，成為電力系統(tǒng)變電站直流系統(tǒng)的主要充電設備，其運行水平直接關系到變電站的安全運行，因此，高頻開關直流電源系統(tǒng)的交接必須進行嚴格檢測和驗收，運行中也應定期的檢測和試驗，及時發(fā)現(xiàn)存在的隱患，同時，保證其在規(guī)定的參數(shù)下運行，以提高電池的服役年限，下面我們就高頻開關直流充電電源設備的檢測項目和方法進行說明。一般外觀檢查
1.1 柜體檢查
①柜體保護接地可靠，接地處無銹銹蝕有明顯標志。
②門必須能靈活開閉，開啟角超過90°。
③門鎖可靠。用多股軟銅線連接門和柜體。
④緊固連接結實、牢固。
1.2 元器件檢查
①直流回路未使用交流空氣斷路器；其配合應符合規(guī)定，滿足動作選擇性的要求。
②導線、指示燈、按鈕、行線槽、等排列整齊，無損壞、過熱和變形。
③直流電源系統(tǒng)設備使用的測量表計指示準確。
④直流空氣斷路器、熔斷器上下級應大于二級的配合級差，且要達到動作選擇性的指標。
⑤同類元器件應接觸可靠、插拔方便。插接件的接觸可靠。
1.3 電氣間隙、爬電距離
參照表1所示參數(shù)設計柜體兩帶電導體之間、帶電導體與裸露的不帶電導體之間的最小距離。直流充電電源設備的現(xiàn)場檢測項目
①絕緣電阻測量；
②工頻耐壓試驗（有條件進行）；
③電壓調整功能試驗；
④穩(wěn)流精度試驗；
⑤穩(wěn)壓精度試驗、紋波系數(shù)試驗；
⑥并機均流試驗；
⑦限流及限壓特性試驗；
⑧保護及報警功能試驗；
⑨控制程序試驗；
⑩顯示及檢測功能試驗；
{11}三遙功能試驗。高頻電源開關設備的檢測方法和標準
3.1 絕緣電阻測量
①用1000v兆歐表測量被測部位。
②柜內直流匯流排和電壓小母線，當除此以外的連接支路全部斷開時，要求對地絕緣電阻至少達到10mω。
③蓄電池組的絕緣電阻，見表2。
3.2 工頻耐壓試驗
如果時間充裕，現(xiàn)場條件允許，建議進行工頻耐壓試驗。用工頻耐壓試驗裝置對柜內各帶電回路，參照表3所示參數(shù)，對其施加工作電壓，并持壓1分鐘。若不出現(xiàn)絕緣擊穿、閃絡等缺陷，則認定試驗合格。
3.3 電壓調整功能試驗
直流電源柜內一般裝有調壓裝置，必須對該裝置進行手動調壓和自動調壓試驗。
3.4 高頻開關穩(wěn)流精度試驗
①充電（穩(wěn)流）電壓的調節(jié)范圍詳見表4。
②高頻開關穩(wěn)流精度試驗。
維持充電（穩(wěn)流）狀態(tài)下的充電裝置，交流輸入電壓的變動范圍基本維持在額定值的+15%，-10%之間；輸出電流也基本恒定在額定值20%～100%范圍內的某一數(shù)值上，穩(wěn)流精度？燮±1%；輸出電壓的變動范圍也始終不超過充電電壓的調節(jié)范圍內，并且用δi=（im-iz）/iz×100%計算穩(wěn)流精度。
式中： iz表示輸出電流整定值，im表示輸出電流波動極限值，δi表示穩(wěn)流精度。
3.5 穩(wěn)壓精度試驗與紋波系數(shù)試驗
①浮充電電壓調節(jié)范圍：充電裝置的浮充電電壓調節(jié)范圍詳見表4。
②試驗要求。
處于浮充電（穩(wěn)壓）狀態(tài)的充電裝置，交流輸入電壓的變動范圍基本維持在額定值的+15%，-10%之間，輸出電流的浮動范圍也不超出其額定值的0%～100%的范圍，輸出電壓在基本恒定在其浮充電電壓調節(jié)范圍內的任一數(shù)值上，穩(wěn)壓精度？燮±0.5%，測得電阻性負載兩端的紋波系數(shù)？燮0.5%。
穩(wěn)壓精度計算公式：
δu=（um-uz）/uz×100%
紋波系數(shù)計算公式：
δ=（uf-uq）/2up×100%
各字母所對應的參數(shù)如表5所示。
3.6 高頻開關電源模塊并機均流試驗
將設備所有模塊的輸出電壓均整定在浮充電電壓調節(jié)范圍內同一數(shù)值上，所有模塊全部投入，在浮充電（穩(wěn)壓）狀態(tài)下運行。設模塊總數(shù)為n+1，模塊輸出額定電流ie。
在設備輸出電流為50%額定值[50%×ie（n+1）]和額定值ie（n+1）的負載條件下，分別測量各模塊輸出電流，并通過下式計算相應的均流不平衡度。
均流不平衡度=（模塊輸出電流極限值-模塊輸出電流平均值）/模塊的額定電流值×100%
3.7 限流及限壓特性試驗
使充電裝置分別在浮充電（穩(wěn)壓）狀態(tài)與（恒流）充電狀態(tài)下運行，通過調整負載，測試裝置的限流及限壓特性。試驗參數(shù)詳見表4。
3.8 保護及報警功能試驗
按產(chǎn)品技術條件設定設備的保護及報警動作值。調整所需參數(shù)值，人為模擬各種故障，設備的保護和報警動作值及保護和報警動作方式，應符合以下標準。
①絕緣監(jiān)察裝置（詳見表6）。
②電壓監(jiān)察要求。
基本要求：1）過壓繼電器電壓返回系數(shù)？叟0.95；2）欠壓繼電器電壓返回系數(shù)？燮1.05。從設備的電壓監(jiān)察裝置配的儀表直讀數(shù)值。
③閃光報警要求。
當設備可設有閃光信號裝置的，可以使用試驗按鈕檢查動作正確與否。
④故障報警要求。
當交流電源失壓（包括斷相）、充電裝置故障、絕緣監(jiān)察裝置故障或蓄電池組等熔斷器熔斷時，設備應能可靠發(fā)出報警信號。
3.9 監(jiān)控裝置控制程序試驗、監(jiān)控裝置顯示及檢測功能試驗、三遙功能試驗監(jiān)控裝置控制程序試驗包括充電程序、長期運行程序和交流中斷程序的試驗。監(jiān)控裝置顯示及檢測功能試驗需要人為模擬故障，使設備自動預警，檢查其動作值、設定值是否達到相關技術標準。三遙功能試驗涉及遙信試驗、遙測試驗和遙控試驗三項內容。應該嚴格按技術規(guī)程操作，確保試驗數(shù)據(jù)可靠。
參考文獻：
[1]直流電源系統(tǒng)技術標準[s].國家電網(wǎng)公司.[2]直流電源系統(tǒng)檢修規(guī)范[s].國家電網(wǎng)公司.[3]直流電源系統(tǒng)運行規(guī)范[s].國家電網(wǎng)公司.
直流開關電源設計思路篇五
武漢理工大學《能力拓展訓練》說明書
3kva三相逆變器設計 概述
現(xiàn)代工業(yè)、交通運輸、軍事裝備、尖端科學的進步以及人類生活質量和生存環(huán)境的改善，都依賴于高品質的電能，據(jù)統(tǒng)計70%的電能都是經(jīng)過變換后才使用，而隨著科技的發(fā)展，需要變換的比例將會進一步提高。電力電子技術為電力工業(yè)的發(fā)展和電力應用的改善提供了先進技術，它的核心是電能形式的變換和控制，并通過電力電子裝置實現(xiàn)其應用。電力電子裝置是以滿足用電要求為目標，以電力半導體器件為核心，通過合理的電路拓撲和控制方式，采用相關的應用技術對電能實現(xiàn)變換和控制的裝置。逆變器和直流斬波電路是應用很廣的一種電力電子裝置或技術。
直流斬波電路（dc chopper）的功能是將直流電變?yōu)榱硪环N固定的或可調的直流電，也稱為直流-直流變換器（dc/dc converter）直流斬波電路（dc chopper）一般是指直接將直流變成直流的情況，不包括直流-交流-直流的情況；直流斬波電路的種類很多，包括6種基本斬波電路：降壓斬波電路，升壓斬波電路，升降壓斬波電路，cuk斬波電路，sepic斬波電路，zeta斬波電路，前兩種是最基本電路。
逆變器也稱逆變電源，是將直流電能轉變成交流電能的變流裝置，是太陽能、風力發(fā)電中的一個重要部件。隨著微電子技術與電力電子技術的迅速發(fā)展，逆變技術也從通過直流電動機—交流發(fā)電機的旋轉方式，發(fā)展到晶閘管逆變技術，而今的逆變技術多采用了mosfet、igbt、gto、igct、mct 等多種先進且易于控制的功率器件，控制電路也從模 擬集成電路發(fā)展到單片機控制甚至采用數(shù)字信號處理器（dsp）控制。各種現(xiàn)代控制理論如自適應控制、自學習控制、模糊邏輯控制、神經(jīng)網(wǎng)絡控制等先進控制理論和算法也大量應用于逆變領域。其應用領域也達到了前所未有的廣闊，從毫瓦級的液晶背光板逆變電路到百兆瓦級的高壓直流輸電換流站；從日常生活的變頻空調、變頻冰箱到航空領域的機載設備；從使用常規(guī)化石能源的火力發(fā)電設備到使用可再生能源發(fā)電的太陽能風力發(fā)電設備，都少不了逆變電源。毋庸置疑，隨著計算機技術和各種新型功率器件的發(fā)展，逆變裝置也將向著體積更小、效率更高、性能指標更優(yōu)越的方向發(fā)展。
pwm控制技術就是對脈沖的寬度進行調制的技術，即通過對一系列脈沖的寬度進行調制，來等效的獲得所需要的波形（含形狀和幅值）；面積等效原理是 pwm技術的重要基礎理論。一種典型的pwm控制波形spwm脈沖的寬度按正弦規(guī)律變化而和正弦波等效
武漢理工大學《能力拓展訓練》說明書 的pwm波形稱為spwm波。spwm法是一種比較成熟的也是目前使用較廣泛的pwm法。在采樣控制理論中有一個重要結論：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時，其效果基本相同。spwm 法就是以該結論為理論基礎，用脈沖寬度按正弦規(guī)律變化而和正弦波等效的 pwm 波形即spwm波形控制逆變電路中開關器件的通斷，使其輸出的脈沖電壓的面積與所希望輸出的正弦波在相應區(qū)間內的面積相等，通過改變調制波的頻率和幅值則可調節(jié)逆變電 路輸出電壓的頻率和幅值。
本文通過詳細講述每個部分的工作原理、元件選擇、電路構造和參數(shù)選擇，設計出三相逆變器所需的升壓電路、主電路、反饋與控制電路、pwm生成電路、觸發(fā)電路和濾波電路，完整的闡述了一個三相逆變器的設計方法和過程。
武漢理工大學《能力拓展訓練》說明書 方案論證
2.1 設計任務與要求
條件：輸入直流電壓：110v。要求完成的主要任務:
設計容量為3kva的三相逆變器，要求達到： 1）輸出380v，頻率50hz三相交流電 2）完成總電路設計
3）完成電路中各元件的參數(shù)計算
2.2 設計任務分析
由于輸入直流電壓只有110v，而輸出交流電壓要求有效值為380v，所以必須通過升壓電路將直流電壓升到到一定值才能作為逆變器的輸入電壓。逆變器的核心是半導體開關器件，不同拓撲的逆變電路有不同的優(yōu)缺點和應用領域。半導體開關器件需要觸發(fā)信號才能導通，要使逆變器輸出正弦波形，則需要特殊的觸發(fā)電路對開關器件進行調制。逆變器輸出帶有高次諧波，需要濾波電路對諧波進行。在進行仿真前，需對上述電路模塊進行比較論證和選擇。
2.3各模塊方案選擇
2.3.1 升壓電路選擇
1）方案1：采用變壓器直接對直流電壓進行升壓。
2）方案2：采用boost直流斬波升壓電路通過改變占空比對直流電壓進行調節(jié)升壓。
考慮到實際變壓器變比不可調或者調節(jié)范圍很小，不利于逆變器輸出的調節(jié)，而boost電路通過調節(jié)開關器件的導通占空比可以靈活方便的調節(jié)輸出電壓的大小，從實際出發(fā)和從方便性出發(fā)，最終選擇了boost電路作為升壓電路。
2.3.2 逆變電路選擇
逆變器按照輸出的相數(shù)分，有單相、三相兩種；按電路拓撲分，有半橋式、全橋式和推挽式。鑒于全橋結構的控制方式比較靈活，所以選擇三相全橋電路作為逆變器主電路。
2.3.3逆變器觸發(fā)電路選擇
目前，逆變器廣泛采用pwm脈寬調制技術實現(xiàn)對輸出電壓的控制。pwm技術主要體現(xiàn)在兩個方面，一是控制策略，二是實現(xiàn)的手段。調制方式主要有直流脈寬調制和正弦波脈寬調制兩種方式。直流脈寬輸出的是方波，波形畸變嚴重，所以不適合；正弦波脈寬
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調制輸出波形只含高次諧波，可以大大減小濾波器的體積。所以最終選擇正弦波脈寬調制，即spwm技術。
2.3.4濾波電路選擇
由于設計任務對波形畸變率沒有特殊的要求，可以采用最普通的lc濾波電路作為逆變輸出的濾波電路。
2.3.5總電路的控制方式
為了使輸出電壓波形穩(wěn)定且可調，采用閉環(huán)控制方式，檢查輸出電壓反饋到輸入作為比較控制。
武漢理工大學《能力拓展訓練》說明書 電路原理及設計
3.1 升壓斬波電路
升壓斬波電路如下圖3.1所示。假設l值、c值很大，v通時，e向l充電，充電電流恒為i1，同時c的電壓向負載供電，因c值很大，輸出電壓uo為恒值，記為uo。設v通的時間為ton，此階段l上積蓄的能量為ei1ton。v斷時，e和l共同向c充電并向負載r供電。設v斷的時間為toff，則此期間電感l(wèi)釋放能量為(u0?e)i1toff，穩(wěn)態(tài)時，一個周期t中l(wèi)積蓄能量與釋放能量相等，即
ei1ton?(u0?e)i1tof f
化簡得
u0?ttoffe
輸出電壓高于電源電壓，故稱升壓斬波電路，也稱之為boost變換器。
t與toff的比值為升壓比，將升壓比的倒數(shù)記作β，則
????1
故
u0?11?ae
升壓斬波電路能使輸出電壓高于電源電壓的原因 ：l儲能之后具有使電壓泵升的作用，并且電容c可將輸出電壓保持住。
圖3.1 升壓斬波電路原理圖
3.2 主電路原理圖
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逆變電源采用圖3.2所示主電路。首先采用升壓斬波電路將110kv直流電壓升高到400kv，因為對輸出波形的要求不是很高，與負載并聯(lián)的電容c取很大就可以達到濾波的目的。開關管t1~t6是igbt，構成三相逆變橋。關斷緩沖由電阻r、電容c和二極管d并聯(lián)網(wǎng)絡組成；c0折算到變壓器tm的原邊后與l2一起構成交流輸出濾波電路；變壓器用作電路隔離和升壓。
圖3.2三相逆變器主電路原理圖
3.3 spwm控制系統(tǒng)
圖3.3 三相spwm控制系統(tǒng)框圖
三相脈沖形成可采用上述介紹的spwm控制方法，控制系統(tǒng)框圖如3.2所示。下面介紹spwm生成的各電路部分。
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3.3.1數(shù)字分頻電路
圖2-3是數(shù)字分頻電路，y是石英晶體振蕩器，它有穩(wěn)定的震蕩頻率，頻率穩(wěn)定度可以達到萬分之一。該電路選用震蕩頻率1.8432mhz的晶振，它和r1、c1、c2組成頻率信號產(chǎn)生的電路，得到1.8432mhz頻率信號，再經(jīng)過數(shù)字電路cd4017、cd4040處理，輸出兩路頻率信號。cd4017是十進制計數(shù)器，第7腳的q3計數(shù)端引至第15腳的復位端可以實現(xiàn)3分頻。cd4040是串行二進制計數(shù)器，9腳q1可以得到2分頻，2腳的q6可以得到2的6次方既64分頻。1.8432mhz的頻率，分頻后三角波頻率為9.6khz，標準正弦的掃描頻率為102.3khz。
圖3.4 數(shù)字分頻電路
3.3.2 標準正弦波形成電路
標準正弦波的長生是利用數(shù)字電路實現(xiàn)的，電路原理如圖3.5所示。
在eprom中存放的數(shù)據(jù)（十六進制）是這樣得到的；將一個周期的單位正弦波分成n等份，每一點的數(shù)據(jù)在計算機上事先離散計算好在存放進去。由于寫入的數(shù)據(jù)只能是正值，單位正弦波是和圖中uref的波形一致，幅值為1的正弦波。本例中將一個周期的正弦波分成n=2048份。
正弦掃描頻率引入數(shù)字電路cd4040，cd4040的輸出是一組地址掃描信號送到eprom的地址線上，eprom2732中存放的數(shù)據(jù)便依次送到d/a轉換器dac0832，dac0832將
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這些數(shù)據(jù)轉換成斷續(xù)的模擬信號，經(jīng)過一個小電容c1（0.1uf以內）濾波，得到連續(xù)模擬信號uref，峰峰值由io1端引入的給定電壓uc決定，電路中uc來自調節(jié)器的輸出。經(jīng)運放lf365處理，可以獲得正負對稱、幅值為uc的標準正弦波sine。
圖3.5 標準正弦波形成電路
要產(chǎn)生的標準正弦波的頻率f1=50hz，那么掃描頻率應該為：fh?f1?n?50?2048hz?102.4kh，和前面分頻電路得到的頻率一致。正弦波的頻率由z
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穩(wěn)定度相當高的晶振分頻得到，故正弦波的波形畸變率很低；正弦波的幅值受控于給定電壓。因此，該電路是一個高精度的正弦發(fā)生器。
上述電路具有通用性，對一個已經(jīng)寫好數(shù)據(jù)的eprom，若改變正弦掃描頻率，可以改變標準正弦波頻率；若改變eprom中的數(shù)據(jù)，可實現(xiàn)不同的pwm調制策略，如梯形波調制，注入特定次諧波；若再增加兩套電路，在3個eprom中存放相位互差120°的數(shù)據(jù)，就可實現(xiàn)三相spwm控制。
3.3.3三角波形成電路
分頻電路提供了三角波頻率信號，即為9.6khz的脈沖信號，應用隔直、比例和積分電路即可得到幅值適當，正負對稱的三角波，其頻率為9.6khz。
3.3.4 spwm形成電路
本裝置spwm形成電路如圖3.6所示，正弦波信號sine和三角載波信號tr來自前級電路；tl084是運算放大器，一tr由它接成的反向器得到。電路中大量使用了芯片lm311，它是dip8封裝的快速電壓比較器，不僅可以作為比較器，還可以利用他的特點做脈沖封鎖。下面介紹它的應用：8腳、4腳分別接芯片電源的正、負端；2腳、3腳分別是同向、反向輸入；1腳是低電平設定（可接電源負或地），它的電壓值決定了lm311輸出的低電平值；7腳為輸出端，邏輯判斷為“高電平”時，集電極開路（oc門特性），因此，7腳必須有上拉電阻同正電源連接，否則，沒有高電平輸出，圖中的r1、r2、r3、r4等都是上拉電阻；
5、6腳用來調節(jié)輸入平衡（可不用），6腳還可以用作選通，如果lm311的6腳接低電平。其輸出恒為高電平，這個特點往往用來設置脈沖封鎖。
該系統(tǒng)設置pwm信號低電平有效，即pwm信號為低電平時，驅動電路產(chǎn)生驅動脈沖，igbt導通。lock為保護電路輸出的脈沖封鎖信號；在電路出現(xiàn)故障時，lock的低電平送到后級各個lm311的6腳，使所有pwm為高電平封鎖驅動脈沖。如果不利用lm311封鎖驅動，也可以設置pwm高電平有效，取消后級的lm311。
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圖3.6 spwm波形成電路
圖3.6中r1~r4，c1~c4和rp還組成了死區(qū)形成電路，參數(shù)大小決定死區(qū)時間，rp可以調節(jié)死區(qū)大??；igbt的開關時間為2us左右，死區(qū)時間設為4us。
該裝置采用了一種數(shù)模結合的spwm控制電路，其框圖如圖2所示，它由數(shù)字分頻電路、三角波形成電路、調節(jié)器、標準正弦波控制電路及pwm形成電路等組成。系統(tǒng)的電壓調節(jié)是為了穩(wěn)定電壓，電流調節(jié)是為了限制輸出電流。電源的正弦輸出畸變率小于5%，要求不是太高，逆變器的輸出功率1kw也不大。因此，系統(tǒng)僅采用電壓平均值閉環(huán)控制，穩(wěn)定輸出電壓，對輸出波形采用開環(huán)控制，即直接將幅值受控的標準正弦波和三角波比較。
在3片eprom內寫入3個相差120°的正弦波數(shù)據(jù)，經(jīng)過數(shù)模轉換后，形成3個互差120°的正弦波。它們同一三角載波比較，便可得到三相spwm控制脈沖分別驅動3個橋臂。
3.4 驅動電路
igbt的驅動電路型號很多，ir21系列是國際整流器公司退出的高壓驅動器，一片
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ir2013課直接驅動中小容量的6支場控開關管，并且只需要一路控制電源。ir2013是28引腳雙列直插式集成電路，1、hin2、hin3為3個高側輸入端，lin1、lin2、lin3為3路低側輸入端，ho1、vs1、ho2、vs2、ho3、vs3為3路高側輸出端，lo1、lo2、lo3為3路低側輸出端，vss為電源地，vsd為驅動地，vb1、vb2、vb3為3路高側電源端，falut為故障輸出端，itrip為電流比較器輸入端，cao為電流放大器輸出端，ca為電流放大器反向輸入端。
圖3.7
ir2130結構及應用電路
采用ir2130作為驅動電路時，外圍元件少，性價比明顯提高。它的高壓側的3路驅動電源有ucc采用自舉電路得到。3支快速二極管的陰極電位是浮動的，因此，它的反向耐壓值必須大于主電路的母線電壓 峰值。ir2130最大正向驅動電流 250ma，反向峰值驅動電流 500ma；內部設有過流、過呀、欠壓、邏輯識別保護；它的浮動電壓做大不超過400v。
3.5 控制器設計
當采用瞬時值內環(huán)反饋雙環(huán)控制時，內環(huán)為瞬時值環(huán)，用來控制輸出電壓波形的正弦波，外環(huán)采用平均值控制，以保證電壓的平均值與參考值一致。如果波形正弦度好，平均值和有效值一一對應關系。
平均值外環(huán)的pi調節(jié)器輸出控制正弦波幅值，幅值乘以單位正弦波后的信號為內環(huán)給定，與輸出電壓瞬時值比較經(jīng)內環(huán)pi調節(jié)器輸出正弦波調制信號，與三角載波比較后產(chǎn)生的
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pwm信號經(jīng)過驅動電路控制逆變器的開關器件。
圖3.8瞬時值內環(huán)反饋雙環(huán)控制
3.6輔助電源
在橋式逆變電路中，一個橋臂上下兩管驅動電路的電源應各自獨立，兩個橋臂上的管無共地點下管可以共地。因此，驅動6管時，至少要有3路獨立電源。采用單端反激式開關電源作為輔助電源提供3組20v電源和±12v電源。3組20v電源分別作為6個igbt的驅動模塊電源，±12v電源給控制系統(tǒng)的芯片供電。只要有直流輸入，輔助電源就供電，控制系統(tǒng)就具備控制和保護能力。
3.7總電路
由此得到電路圖如3.9。
圖3.9 總電路圖
武漢理工大學《能力拓展訓練》說明書 系統(tǒng)元件有關參數(shù)的計算
在電路中輸入為110kv dc，輸出為380v ac 50 hz，輸出功率為p?3000w，功率因數(shù)設為cos??1。調節(jié)升壓電路的占空比??1?eu0?1?110380?0.71使輸出為400v，調制比為1，求得逆變器輸出的基波電壓有效值為ub?400/2?282.84v。初步計算變壓器的變壓比為k?380/400?0.95。則電路各元件選取如下：
4.1 開關管和二極管的選擇
(1)開關管的選擇
最大輸出情況下，電流有效值為
imax?pv?cos??3000380?1?7.895a
開關管額定電流ice
ice?2?imax?2?7.895?15.79a
開關管額定電壓vcer
vcer?2?vm?2?380?760v
(2)二極管的選擇
額定電壓vrr
vrrm?380v
最大允許的均方根正向電流
ifrms??2ifr?1.57ifr
二極管的額定電流為
ifr?imax1.57?7.8951.57?5.03a
4.2 l、c 濾波器的設計
輸出濾波器的作用是減小輸出電壓中的諧波，并保證基波電壓輸出。因濾波電容和負
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載并聯(lián)，它可以補償感性電流，但是，濾波電容過大，反而會增加變壓器的負擔。因此，在設計濾波電路的時候，首先確定濾波電容的值。設計基本原則就是在額定負載時，使容性電流補償一半的感性電流。
ic?psin?2u0cos?icu0??3000?0.62?380?0.82.96380?2??50a?2.96a
c??f?24.79?f
取c=25?f，選擇500hz、500v的交流電容。開關管的工作頻率取7.2khz 逆變橋輸出電壓除基波外，還含有高次諧波，最低次諧波為2p?1次，而p?fsf?720050?144，得到
f?(2?200?1)?50?19950hz
考慮到死區(qū)的影響，一般選取輸出濾波器的諧振頻率為最低諧振頻率的1/5～1/10。取諧振頻率為2khz,算出
l?1c?(12??20001k)?10.952124.79?102?6?1184.96?106?0.256mh
折算到原邊，l1?()2l?()?0.256?0.284mh
4.3 輸出變壓器選擇
電源的輸出功率為3kva，cos??1，頻率f?50hz。根據(jù)變壓器選擇手冊可選擇sd40*80*220mm的50hz鐵芯，查得變壓器視在功率為3529va。本設計采用sd型鐵芯，用冷軋取向硅鋼薄板 dq151-35材料，占空系數(shù)kc?0.92。求得磁芯截面積sc?kp/kc?1.2?3529/0.92?77.49cm，若選取最大磁密bm?12000gs.1)副邊繞組
逆變橋輸出的spwm波經(jīng)過電感濾波后還是有一定的高頻分量，一般取br?80%bm?0.8?12000gs?9600gs。根據(jù)
-8變
?380v壓器電壓關系式u0?4.44fn2brsc?4.44?50?n2?9600?77.49?10可求得n2?230。取230匝。
2）原邊繞組
逆變器輸出的基波電壓理想值為282.84v。兩只開關管的壓降為4v左右，開關頻率
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fs?7.2khz，死區(qū)設為td?4?s，則死區(qū)引起的最大電壓損失為
?u?fstdub?7.2?10?4?103?6?282.84?8.12v
基波電流在濾波電感上的壓降為
ul?2?fli1?2??50?0.284?10?3?8.12?0.724v
漏感的阻抗壓降一般為3%～5%的基波電壓，按12v估算，則變壓器的原邊電壓
u1?(400?8.12?0.724?12)?379.2v
變壓器變比為k?u2/u1?380/379.2?1.00
n1?n2/k?229.5，取300匝。
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小結
很難想象最終還是把這個拓展訓練做下來了，因為中間過程是多么曲折。當我剛拿到設計任務的時候，乍一眼看我還覺得題目比較簡單，就是一個dc-ac轉換電路，然后我腦海中立馬浮現(xiàn)出課本上學的逆變電路圖，簡單的六只開關管接成橋式電路然后接負載。后來當我真正開始付之行動時才發(fā)現(xiàn)實際做起來要比理論分析難很多。
做任何事都要先有計劃。首先，我解決的第一個問題是方案問題，根據(jù)輸入輸出電壓的差別，我決定先用一個升壓電路將直流電壓進行升壓處理后才輸入到逆變器，而逆變器主電路則采用我們學的最多的三相橋式電路。
然后，我對各種模塊電路進行了理論復習，記下每個電路需要哪些器件，以及各自的作用，在紙上畫出了大概的模型圖，以便設計時參考。
感覺這次拓展訓練最難的地方是選擇元件和計算參數(shù)，每個元件都有它的額定工作條件或范圍，適當選擇和使用才可以發(fā)揮出該原件最大的效益和作用，否則可能是電路工作不可靠或損壞元件。在計算變壓器的型號、尺寸、鐵芯材料、變比匝數(shù)時，花了很大氣力。因為之前從來沒學過這么細，很多內容相對比較陌生，只能對著書上的例子，再仔細瀏覽設計手冊，一步一步的計算與選擇。
此次三相pwm逆變器的設計中也存在一定的問題，發(fā)現(xiàn)了自己的很多不足之處，自己知識的很多漏洞，看到了自己的實踐經(jīng)驗還是比較缺乏，理論聯(lián)系實際的能力還需要提高。專業(yè)設計是培養(yǎng)學生綜合應用所學知識、發(fā)現(xiàn)、提出、分析和解決實際問題鍛煉實際能力的主要環(huán)節(jié)，是對學生實際工作能力的具體訓練和考察過程，隨著科學技術發(fā)展的日新日異，電子技術已經(jīng)成為當今世界空前活躍的領域，在生活中可以說得是無處不在。因此作為大學生來說，掌握電子的開發(fā)技術是十分重要的。
回顧此次拓展訓練，至今我仍感慨頗多，在過去的一個星期里，可以說是苦多于甜，但是可以學到很多的東西，同時不僅可以鞏固了以前所學過的知識，而且學到了很多在書本上沒有學到過的知識。在設計的過程中遇到問題，可以說是困難重重，難免會遇到各種各樣的問題，比如有時候被一些小的、細的問題擋住看前進的步伐，讓我總是為解決它而花費很長的時間，最后還要查閱其他的書籍才能找到解決的辦法。
當然最關鍵的還是要靠自己親自去領會思考如何解決問題，掌握獨自面對問題分析問題的方法。不少人抱怨在大學學不到東西，我并不這樣認為。我想無論是在學習還是在生
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活上只有自己真正用心去學習和參與才可能有收獲，這也算是本次三相pwm逆變器拓展訓練給我知識之外的一點小小的感悟?？傊敬瓮卣褂柧毜氖斋@確實很多，很珍惜這樣的機會，因為可以鍛煉自己提升自己。
這次的拓展訓練終于順利完成了，在設計中遇到了很多問題，最后在努力下終于迎刃而解。同時發(fā)現(xiàn)了還有很多工具及理論以后待學習。此次拓展訓練培養(yǎng)了我嚴謹科學的思維，通過它架起理論與實際的橋梁。
武漢理工大學《能力拓展訓練》說明書
參考文獻
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