毕业设计（论文）单极性脉冲电源的设计.doc

目 录第1章 绪论11.1 脉冲电源发展动态11.2 脉冲电源的特点11.3 脉冲电源的优点21.4 脉冲电源的分类21.5 脉冲电源使用局限性21.6 本论文研究内容和特点21.7 设计技术指标3第2章 脉冲电源总体结构42.1 概述42.2 脉冲电源工作原理和系统框图42.3 主电路设计52.4 控制电路的设计62.5 设计方案的确定7第3章 主电路的设计103.1 概述103.2整流电路的设计103.3 斩波电路的设计133.4 滤波电路的选择203.5 参数计算及选型21第4章 控制电路部分设计274.1 控制部分介绍274.2 单片机介绍274.3 脉冲电流幅值检测电路284.4 过流过压保护电路314.5 过零检测的设计33第5章 软件部分设计365.1数字PID算法365.2 软件流程图41第6章 总结46参考文献47外文资料原文48外文资料翻译59致谢66附录67第1章 绪论1.1 脉冲电源发展动态脉冲电源的形式和用途有多种，其主要的应用领域包括:脉冲电镀、极性相和非极性相的相分离、工业废气处理、脉冲电解污水处理、高频脉冲感应加热、高功率激光泵、产生高功率带电粒子束、电弧焊接、电火花加工、静电除尘、臭氧的制取和表面热处理等。在军事上，脉冲电源还用于电磁轨道炮、电磁脉冲模拟、粒子束武器、液电爆炸等领域。不同的应用场合，对电源的输出电压、输出电流及开关频率的要求不同。按照输出特性的不同，可以将脉冲电源分为能量密度型、时间间隔型和组合型三类。控制凝固过程用脉冲电源属于组合型，它对能量密度和时间都有要求。脉冲电源的发展在促进开关器件发展的同时受制于开关器件的发展，尤其是大功率脉冲电源更是依赖于开关器件的发展。随着GTO等自关断器件的出现，产生了斩波型脉冲电源。斩波型脉冲电源的原理是将前级的直流经过大功率开关器件控制后，输出周期和占空比由开关器件控制脉冲决定的大功率脉冲输出。这类电源的最突出缺点是输出与输入不隔离，对电网的污染太严重。如果增加输入隔离变压器，由于电源功率太大，使得变压器的体积巨大。另外的一个缺点就是由于开关器件工作频率的限制，使得脉冲电源输出的频率很低。随后出现的开关器件IGBT由于它本身的优点，使得研制逆变型脉冲电源成为可能。IGBT的高工作频率可以使隔离变压器体积大大减小，同时可以提高脉冲输出的频率。就目前国内外发展来看，等离子热处理用脉冲电源的主要发展方向是逆变型的大功率脉冲电源，一些新的器件的出现，会提高脉冲电源系统的性能但不会改变电源系统的逆变主电路拓扑。应用于热处理的脉冲电源，国外的成熟产品中有300kW以下的一系列逆变型脉冲电源。但国内相关成熟产品只能达到50kW.因此，研制IOOkW以上的逆变型脉冲电源具有很高的实用价值。1.2 脉冲电源的特点与传统直流电源相比, 脉冲电源就是其输出直流波形、频率、占空比和平均电流密度等参数均可根据电镀需要设定的直流电源, 其特点可概括为:1）频率（f）、占空比（D）连续可调；2) 波形特殊(例如方波等)。脉冲电源的这些特点在生产中的实际意义就是, 在电镀过程中, 脉冲电源可通过改变其输出波形的频率、占空比和平均电流密度, 来改变电镀槽中金属离子电沉积过程, 使电沉积过程在较宽范围内变化, 从而可获得均匀致密较为理想的镀层。例如在印制线路板行业(PCB) 中, 使用脉冲电源电镀, 可提高其深镀能力, 使镀层均匀、致密、不脱落。1.3 脉冲电源的优点 脉冲电源作为电镀电源, 主要有以下优点:1) 镀层孔隙率低, 致密性好, 抗蚀性高。2) 降低原材料损耗, 提高生产效率。3) 镀层应力低, 成分稳定, 深镀能力强。1.4 脉冲电源的分类脉冲电源从波形分析看, 一般有以下几种: 1) 正弦波脉冲电源; 2) 锯齿波脉冲电源; 3) 方波脉冲电源; 4) 多波形脉冲电源; 5) 周期换向型脉冲电源。1) 4) 均为单脉冲电源, 换向型脉冲电源亦称双脉冲电源。在实际使用中, 方波脉冲电源使用较为普遍, 多用于无特殊要求的镀金、银、镍场合, 多波形脉冲电源多应用于合金类表面硬质氧化场合, 例如铝的硬质氧化, 而双脉冲电源为新近发展的新颖脉冲电源,是对于表面要求高的场合较为理想的电源, 如精密仪器、电子元件陶瓷基片表面处理。1.5 脉冲电源使用局限性上面简要说明了脉冲电源作为电镀电源使用的特点和使用方法, 但并非脉冲电源在任何场合使用都能获得较为理想的表面, 脉冲电源也存在一定的局限性, 主要表现在以下几个方面:1) 脉冲电源虽然在表面能形成致密均匀的镀层, 但在要求工件表面镀层较厚的场合效果并不理想, 效率低。一般情况下,2030cm以上镀层用其它直流电源电镀比脉冲电源理想。2) 脉冲电源在较为复杂的表面(例如首饰、插件) 能形成较为均匀的镀层, 保持工件原有机械形状, 但在深镀能力上不理想, 电流效率较低, 例如深孔电镀,PCB 行业中孔径比较大的印制板电镀, 虽然表面质量较为理想, 但会出现镀层厚度不一致的现象。3) 脉冲电源工作时, 在电镀槽中产生变流低频振荡会引起部分有机类添加剂分解, 造成镀液污染,故在脉冲电源使用场合, 最好不使用有机添加剂。4) 电流效率低, 在对工件表面要求不高、镀层较厚、单产产量大的贵金属电镀中, 使用脉冲电源效果比用低纹波高频开关电源要逊色。综上所述, 随着科技进步, 电子、通信、信息等尖端高科技工业的发展, 电镀脉冲电源的应用将越来越广泛, 合理使用脉冲电源必将对我国金属表面处理行业的发展起到很大的促进作用。1.6 本论文研究内容和特点本课题主要进行以下几方面的工作：(1)硬件电路制作和实验研究完成主电路、控制电路、驱动电路和保护电路的制作，进行实验装置的实验研究，形验证设计的正确性。(2)软件设计针对所采用的控制算法，设计出控制软件:完成控制电路其他辅助功能的程序。1.7 设计技术指标(1)、输入参数 电压：3AC 380V 50Hz(2)、输出参数 脉冲电流频率：1001000Hz连续可调 脉冲电流幅值：0100A连续可调 脉宽：100200s连续可调 输出电压：015V 频率误差：0.5% 脉宽误差：1% 幅值误差：0.3%(3)、控制系统以凌阳16片机作为控制核心；(4)、采用三相全控整流电路，整流桥选用SCR功率元件；(5)、斩波器主电路功率元件采用IGBT.第2章 脉冲电源总体结构2.1 概述根据系统的运行环境选择合理的方案、研究有效可靠的电路和先进的系统控制算法是脉冲电源总体研究的主要任务，本章分析了脉冲电源的组成和工作原理。三相整流电路将三相交流电经三相全控整流桥后变为电压可控的直流脉动电压，在经直流滤波器之后变为平直的直流电压。斩波电路的关键是功率器件的驱动、和各种快速完善的保护功能。控制电路是整个系统的核心，主要完成对整流桥的晶闸管的触发角的控制，对电流脉冲的幅值根据PID算法进行闭环控制，对电流脉冲的频率和宽度，根据给定信号进行调节。大功率脉冲变压器主要是传递脉冲电压，输出大幅值脉冲电流。该电源中脉冲变压器的特点是功率大，副边为低电压大电流。2.2 脉冲电源工作原理和系统框图 根据脉冲电源系统的组成原理给出脉冲电源的工作原理略图，如下图图 2-1 工作原理图 本设计的最终目标是实现输出脉冲宽度、频率和幅值的连续可调，所以首先应考虑到的是将三相交流电经过处理后转换成直流的，且是以脉冲的形式输出。并且，要求输出的脉冲幅值在一定范围内连续可调，并是通过单片机控制的，这就要从输出端采集信息，通过与给定的信号相比较候，输送给单片机，由单片机控制整流部分的触发角，由此形成一个闭环控制回路，以达到控制输出脉冲幅值的目标。对于输出脉宽的调制，则可通过调节斩波环节的占空比，实现对输出脉宽的调节。所以可以把要设计的脉冲电源分成三个主要的部分：整流部分、滤波部分和斩波部分。2.3 主电路设计2.3.1 整流电路的选择整流电路从不同的角度有多种不同的分类，按组成的器件可分为不可控、半控、全控三种。考虑到本次设计所要实现的目标，即通过控制三相整流桥的移向触发角的要求，所以，选择三相桥式全控整流电路。主电路输入380v 50Hz工频交流电，可通过改变触发控制角输出直流可调电压，以达到脉冲电流幅值可调的目的。图 2-2 整流主电路图 由图2-2可以看出，在任意时刻电路必须有两个晶闸管同时导通，其中一个属于共阴极组，另一个属于共阳极组，每个晶闸管的最大导通角为120'.晶闸管之间的换相是在同一结构组中进行的，即共阳极与共阳极的晶闸管换相，共阳极与共阴极的晶闸管换相。在这种电路中一般采用双脉冲或宽脉冲的触发方式保证每隔600导通一个晶闸管。2.3.2 滤波电路的选择在大多数电子设备中，整流电路都要加接滤波电路，以减小整流电压的脉动程度，适合稳压电路的需要。(1)电容滤波电路最简单也是最常用的滤波电路就是在负载上并联一个电容器，利用电容器充放电时端电压不能跃变的特性使直流输出电压稳定。(2)电感滤波电路电感滤波电路则是在负载上串联一个电感线圈，由于通过电感线圈的电流发生变化时，线圈中要产生自感电动势阻碍电流的变化，因而使负载电流和负载电压的脉动大为减小。频率愈高，电感愈大，滤波效果愈好，所以一般用于高频场合。(3)复式滤波电路LC滤波器，适用于电流较大、要求输出电压脉动很小的场合，用于高频时更为合适。形LC滤波器，滤波效果更好。由于电感线圈体积大而笨重，成本又高。用电阻替代电感的形RC滤波器，可以达到同样的滤波效果，但由于电阻上有直流压降，因此主要适用于负载电流较小的场合。通过对上述几种主要的滤波电路的分析，所以本次设计采用电容滤波电路，滤波电容容量大，因此一般采用电解电容，在接线时要注意电解电容的正、负极。电容滤波电路利用电容的充、放电作用，使输出电压趋于平滑。2.3.3斩波电路的选择斩波电路设计的关键是开关元件的选择，在本次设计中，选择的是IGBT。在选定了IGBT作为开关元件后，还要对其驱动和保护电路作进一步的分析。IGBT比VDMOSFET多一层P+注入区，因而形成了一个大面积的P+N结。这样使得IGBT导通时由P+注入区向N基区发射少子，从而对飘移区电导率进行调制，使得IGBT具有很强的通流能力。IGBT的驱动原理与电力MOSFET基本相同，它是一种场控器件。其开通和关断是由栅极和发射极间的电压决定的，当电压为正且大于开启电压时，IGBT导通；当栅极和发射极间施加反向电压或不加信号时，IGBT关断。同时，IGBT的保护也是一个重要环节。在进行电路设计时，应针对影响IGBT可靠性的因素，有的放矢的采取相应的保护措施，其中包括：栅极的保护、集电极与发射极间的过压保护、集电极电流过流保护、过热保护等。2.4 控制电路的设计本系统硬件电路主要由以下几个部分组成：微处理器、脉冲输出电路、开关量输入输出、A/D转换电路、电压、电流检测电路等几部分组成。本设计计划用凌阳16位单片机作为控制核心，控制整个系统得工作，对系统外面的输入信号进行处理，通过计算输出脉冲波形控制整流单元的正常工作。通过检测电路检测到的电流幅值反馈信号，送到整流单元控制电路控制整流桥的触发角，输出不同幅值的脉冲电流，达到输出电流幅值可调。脉宽和频率由电位器输出模拟电压值给定，模拟电压送入微处理器，由微处理器内置A/D转换器将其转换成数字信号，由该数字信号决定输出电流脉冲的脉宽、频率。随着单片机功能集成化的发展，其应用领域也逐渐地由传统的控制，扩展为控制处理、数据处理以及数字信号处理（DSP，Digital Signal Processing）等领域。凌阳的16位单片机就是为适应这种发展而设计的。它的CPU内核采用凌阳最新推出的nSP（Microcontroller and Signal Processor）16位微处理器芯片（以下简称nSP）。围绕nSP所形成的16位nSP系列单片机（以下简称nSP家族）采用的是模块式集成结构，它以nSP内核为中心集成不同规模的ROM、RAM和功能丰富的各种外设接口部件。 对于此次设计的控制环节，主要是就是由凌阳16位单片机控制实现的。通过单片机对整流电路对的移向触发角和对斩波电路开关元件的通断的控制，实现对脉冲电流幅值、频率、脉冲宽度的闭环控制。2.5 设计方案的确定设计方案比较方案一 ：本设计方案拟定主电路的整流环节采用三相半波可控整流电路。整流电路中的三个晶闸管采用的是共阴极的接法，三个阳极分别接到变压器的二次侧，变压器为三角形/星形连接。共阴极接法时，触发电路有公共点，接线比较方便，应用更为广泛。当此电路后面接的是电阻性负载时，可以分析的除以下的结论：当=0o时，整流输出电压平均值Ud最大。增大,Ud减小，当=150o时，Ud=0。所以带电阻性负载的三相半波可控整流电路的移相范围为0150°。当30o时，负载电流是连续的，各晶闸管每周期轮流导电120o，即导通角T=120o.输出电压的平均值Ud为当>30o时，负载电流断续， 负载电流的平均值流过每个晶闸管的电流平均值通过每个晶闸管的电流的有效值为当 时 当 时 当为大电感负载时，大电感负载的三相半波可控整流电路在30o时，ud的波形和电阻性负载时相同，因为两种负载情况下，负载电流均连续。当>30o时，ud的波形中出现负的部分，若增大，ud的波形中负的部分将增多，至=90o时，ud的波形中正负面积相等，ud的平均值为零。可见阻感负载时的移相范围是90o。三相半波可控整流电路的主要缺点在于其变压器的二次电流中含有支流分量，为此，在此次设计中并没有选择三相半波可控整流电路作为主电路的整流环节。方案二: 在斩波电路的设计过程中，对于控制斩波电路的元器件的选择是个非常重要的环节。首先考虑的是GTO。门极可关断晶闸管(GateTurnoffThyristor)简称GTO。它具有普通晶闸管的全部优点,如耐压高、电流大等。同时它又是全控型器件,即在门极正脉冲电流触发下导通,在负脉冲电流触发下关断。GTO被广泛应用于电力机车的逆变器、电网动态无功补偿和大功率直流斩波调速。GTO的工作原理GTO的内部结构与普通晶闸管相同,都PNP四层三端结构,但在制作时采用特殊的工艺使管子导通后处于临界饱和,而不像普通晶闸管那样处于深度饱和状态,这样可以用门极负脉冲电流破坏临界饱和状态使其关断。GTO的伏安特性与普通晶闸管相同。GTO主要用于直流变换和逆变等需要元件强迫关断的地方。其开关时间在几s至25s之间,工作电压高达6000V,电流达6000A,适用于开关频率为数百Hz至10kHz的大功率场合。GTO的特性GTO的特性与SCR大多相同,但也有其特殊性。(1)用门极正脉冲可使GTO开通,门极负脉冲可以使其关断,这是GTO最大的优点。但要使GTO关断的门极反向电流比较大,约为阳极电流的1/5左右。尽管采用高幅值的窄脉冲可以减小关断所需的能量,但还是要采用专门的触发驱动电路。(2)GTO的通态管压降比较大,一般为23V;(3)GTO有能承受反压和不能承受反压两种类型,在使用时要特别注意。其次考虑的是GTR。电力晶体管(GiantTransistor)简称GTR,是一种双极型大功率高反压晶体管。它具有自关断能力、控制方便、开关时间短、高频特性好、价格低廉等优点。GTR经历了双极单个晶体管、达林顿管和GTR模块等发展阶段。目前GTR的容量已达400A/1200V、1000A/400V,工作频率可达5kHz,因此被广泛用于不停电电源、中频电源和交流电机调速等电力变流装置中。在电力电子技术中,GTR主要工作在开关状态,我们希望它在电路中的表现接近于理想开关,即导通时的管压降趋于零,截止时的电流趋于零,而且两种状态间的转换过程要足够快。给GTR的基极施加幅度足够大的脉冲驱动信号,它将工作于导通与截止的开关工作状态,在两种状态的转换过程中GTR快速地通过有源放大区。为了保证开关速度快、损耗小,要求GTR饱和压降UCES小,电流增益值要大,穿透电流ICEO要小以及开通与关断时间要短。GTR和GTO都是双极型电流驱动的器件，由于具有电导调制效应，所以其通流能力很强，但开关速度较低，所需驱动功率大，驱动电路复杂。而电力MOSFET是单极型电压驱动器件，开关速度快，输入阻抗高，热稳定性好，所需驱动功率小，而且驱动电路简单。将这两种器件相互取长补短适当结合而成的复合器件，通常称为Bi-MOS器件。绝缘栅双极晶体管IGBT综合了GTR和MOSFET的优点，因而具有良好的特性。通过以上的比较分析，可以得出IGBT的性能要更为良好的结论，所以，在设计工作中选择其作为斩波电路的功率开关元件。第3章 主电路的设计3.1 概述主电路的主要功能是把从电网引进来的三相380V交流电，经过一系列的处理后，得到任务所要求达到的目的，即最后输出的应该是脉冲形式的信号（电压信号或电流信号）。在本次设计中，主电路部分主要是由三相桥式全控整流电路、阻容滤波电路和降压斩波电路组成。3.2整流电路的设计3.2.1晶闸管可控整流电路能够直接将交流电能转换为直流电能的电路称为整流电路。在生产实际中,如直流电动机的调速、同步电机的励磁、电镀、电焊等往往需要电压可调的直流电源。利用晶闸管的可控单向导电性,就可以很方便地组成可控整流装置,把交流电能变成大小可调的直流电能。晶闸管可控整流电路的电路类型很多,按照交流电源的相数,可分为单相、三相和多相整流电路;根据整流电路的结构形式,又可分为半波、全波和桥式(含全控桥式和半控桥式)等类型。另外,整流输出端所接负载的性质也对整流电路的输出电压和电流有很大的影响,常见的负载有电阻性负载、电感性负载和反电势负载几种。晶闸管可控整流装置具有体积小、效率高、容量大、控制方便等优点,是目前主要的可控直流电源,得到了广泛的应用。3.2.2三相可控整流电路当负载容量较大时,若采用单相可控整流电路,将造成电网三相电压的不平衡,影响其他用电设备的正常运行,因此必须采用三相可控整流电路。实际中,由于三相可控整流电路输出电压脉动小、脉动频率高,网侧功率因数高以及动态响应快,在中、大功率领域中获得了广泛的应用。3.2.3三相全控桥式整流电路三相全控桥式整流电路是由一组共阴极接法的三相半波可控整流电路和一组共阳极接法的三相半波可控整流电路串联起来组成的,如图3-1所示。为了便于表达晶闸管的导通顺序,把共阴极组的晶闸管依次编号为T1、T3、T5,而把共阳极组的晶闸管依次编号为T4、T6、T2。整流变压器的原边和二次侧分别接成三角形接法和星形接法，为的目的是得到零线，并且使防止三次谐波流入电网。为节省篇幅,本节只介绍全控桥电路带大电感负载的情况。图3-1三相桥式整流电路1. 工作原理图3-2(b)(e)为带大电感负载的三相全控桥式整流电路在=0°时电流电压波形。由三相半波电路的分析可知,共阴极组的自然换流点(=0°)在t1、t3、t5时刻,分别触发T1、T3、T5晶闸管,同理可知共阳极组的自然换流点(=0°)在t2、t4、t6时 刻,分别触发T2、T4、T6晶闸管。为了分析方便,把交流电源的一个周期由六个自然换流点划分为六段,并假设在t=0时电路已在工作,即T5、T6同时导通,电流波形已经形成。在t1t2期间,A相电压为正最大值,在t1时刻触发T1,则T1导通,T5因承受反压而关断。此时变成 T1和T6同时导通,电流从A相流出,经T1、负载、T6流回B相,负载上得到A、B线电压uAB。在t2t3期间,C相电压变为最负,A相电压仍保持最正,在t2时刻触发T2,则T2导通,T6关断。此时T1和T2同时导通,负载上得到A、C线电压uAC。在t3t4期间,B相电压变为最正,C相保持最负,t3刻触发T3,T3导通,T1关断。此时T2和T3同时导通,负载上得到B、C线电压uBC。依此类推,在t4t5期间T3和T4导通,负载上得到uBA。在t5t6期间,T4和T5导通,负载上得到uCA。在t6t7期间,T5和T6导通, 图3-2工作原理 负载上得到uCB。从t7时刻起又重复上述过程。在 一个周期内负载上得到如图3-2(d)所示的整流输出电压波形,它是线电压波形正半部分的包络线,其基波频率为300Hz,脉动较小。当>00时,输出电压波形发生变化,图3-3(a)、(b)分别是=30°、90°时的波形。由图中可见,当60°时,ud波形均为正值;当60<<90°时,由于电感的作用,ud波形出现负值,但正面积大于负面积,平均电压Ud仍为正值;当=90°时,正负面积基本相等,Ud0。通过上面的分析可知,整流输出电压的平均值为 由上式可知,当=0时,Ud为最大值;当=90°时,Ud为最小值。因此三相全控桥式整流电路带大电感负载时的移相范围为090°。负载电流平均值为三相全控桥式整流电路中,晶闸管换流只在本组内进行,每隔120°换流一次,即在电流连续的情况下,每个晶闸管的导通角T=120°。因此流过晶闸管的电流平均值和有效值分别为 整流变压器次级正负半周内均有电流流过,每半周期内流通角为120°,故流进变压器次级的电流有效值为。图3-3带大电感的三相桥式整流电路晶闸管承受的最大电压为2. 对触发脉冲的要求从上述工作原理的分析可见,在如图3-1中给各晶闸管编号之后,则触发脉冲只需按编号的数字顺序每间隔60°触发对应的一个晶闸管,全控桥电路即可正常运行,ug波形如图3-2(c)中实线所示。但我们前面的分析是在整流桥已经启动,且电流连续的基础上来进行的。在全控桥启动或电流断续之后需要再触发导通的时候,由于全控桥的六个晶闸管全部处于关断,要使负载中有电流流过,共阴极和共阳极组中须各有一个晶闸管同时导通,即必须对两组中应导通的一对晶闸管同时加触发脉冲,才能实现全控桥的启动。为此我们可以采取以下两种方法。一种是宽脉冲触发,使每一个触发脉冲的宽度大于60°(但应小120°,一般取90°左右)。这样,在相隔60°的后一个脉冲出现时,前一个脉冲尚未消失,使电路在任何一个换流点均有两个晶闸管被触发。另一种方法是在触发某一编号晶闸管时,触发电路设法同时给前一编号晶闸管补发一个脉冲(称辅助脉冲)。例如触发T2时给T1发一个辅助脉冲,触发T3时又给T2补发一个辅助脉冲,如图3-2(c)所示。这样,就能保证每个换流点同时有两个脉冲触发相邻的晶闸管,其作用与宽脉冲一样,这种方式称为双窄脉冲触发。双窄脉冲虽然触发电路复杂,但可减小触发电路功率,故采用较多。3.3 斩波电路的设计3.3.1直流变换电路能将直流电变成另一固定电压或大小可调的直流电压的变换电路称为直流变换电路。它的基本原理是利用电力电子开关器件周期性地开通与关断来改变输出电压的大小,因此也称为开关型DC/DC变换电路或称斩波电路。直流变换技术被广泛应用于可控直流开关稳压电源、焊接电源和直流电机的调速控制,它以体积小、重量轻、效率高等优点在工业、通信军事等领域得到了广泛的应用。直流变换电路多以全控型电力电子器件(如GTO、GTR、VDMOS和IGBT等)作为开关器件,控制输出电压的大小。其开关频率高,变换效率也高。近年来,功率器件以及各种控制技术的发展极大地促进了直流变换技术的发展。各类新型变换电路不断出现,为进一步提高直流变换电路的动态性能,降低开关损耗,减小电磁干扰开辟了有效的新途径。直流变换电路按照稳压控制方式可分为脉冲宽度调制(PWM)和脉冲频率调制(PFM)直流变换电路。按变换器的功能分类有降压变换电路(Buck)、升压变换电路(Boost)、升降压变换电路(Buck-Boost)、库克变换电路(Cuk)和全桥直流变换电路。必须注意的是,在直流开关稳压电源中直流变换电路常常采用变压器实现电隔离,而在直流电机的调速装置中可不用变压器隔离,本章只讨论无隔离的DC/DC变换电路。3.3.2绝缘栅双极型晶体管(IGBT)绝缘栅双极型晶体管(InsulatedGateBipolarTransistor)简称IGBT,因为它的等效结构具有晶体管模式,所以称为绝缘栅双极型晶体管。IGBT于1982年开始研制,1986年投产,是发展最快而且很有前途的一种混合型器件。目前IGBT产品已系列化,最大电流容量达1800A,最高电压等级达4500V,工作频率达50kHz。IGBT综合了MOS和GTR的优点,其导通电阻是同一耐压规格的功率MOS的1/10,开关时间是同容量GTR的1/10。在电机控制、中频电源、各种开关电源以及其他高速低损耗的中小功率领域,IGBT有取代GTR和VDMOS的趋势。1、IGBT的工作原理IGBT的结构如图3-4(a)所示。在VDMOS管结构的基础上再增加一个P+层就形成IGBT结构。它相当于一个由VDMOS驱动的厚基区PNP型GTR,图3-4(b)是它的简化等效电路。IGBT的电气符号如图3-5所示,它有三个电极,分别是集电极C、发射极E和栅极G。在应用电路中IGBT的C接电源正极,E接电源负极,它的导通和关断由栅极电压来控制。 图3-4 IGBT的工作原理IGBT的栅极加上正电压时,VDMOS内形成导电沟道,为PNP型GTR提供基极电流,则IGBT导通。 此时,从P+区注入到N-区的空穴(少子)对N-区进行导电调制,减小了N-区的电阻,因此IGBT的通态压降低;在栅极上加反向电压时VDMOS的导电沟道消失,GTR的基流被切断,则IGBT被关断。 2、IGBT的特性与参数特点IGBT伏安特性和转移特性IGBT的伏安特性(又称静态输出特性),它反映在一定的栅极-发射极电压UGE下器件的输出端电压UCE与电流IC的关系。UGE越高,IC越大。与GTR一样,IGBT的伏安特性分为截止区、有源放大区、饱和区和击穿区。值得注意的是,IGBT的反向电压承受能力很差,从曲线中可知,其反向阻断电压UBM只有几十伏,因此限制了它在需要承受高反压场合的应用。图3-5(b)是IGBT的转移特性曲线。当UGE>UGE(TH)(开启电压,一般为36V)时,IGBT开通,其输出电流IC与驱动电压UGE基本呈线性关系。当UGE<UGE(TH)时,IGBT关断。IGBT的参数特点IGBT是由GTR与VDMOS组成的一种新型复合器件,相比之下,IGBT的性能与参数有如下特点:(1)IGBT的开关特性好,开关速度快,其开关时间是同容量GTR的1/10。IGBT的开通过程是从正向阻断状态转换到正向导通的过程。开通时间ton定义为从驱动电压UGE的脉冲前沿上升到最大值UGEM的10%所对应的时间起至集电极电流IC上升到最大值ICM的90%止所需要有时间。ton又可分为开通延迟时间td(on)和电流上升时间tr两部分。td(on)定义为从10%UCEM到10%ICM所需的时间,tr定义为IC从10%ICM上升至90%ICM所需要的时间,如图3-6所示。IGBT的关断过程是从正向导通状态转换到正向阻断状态的过程。关断时间toff定义为从驱动电压UGE的脉冲后沿下降到90%UCEM处起至集电极电流下降到10%ICM处所经过的时间。toff又可分为关断延迟时间td(off)和电流下降时间tf两部分。td(off)是从90%UCEM至90%ICM所需的时间;tf是指90%ICM下 图3-5 IGBT的开关特性降至10%ICM所需的时间,tf由tfi1(由IGBT中的MOS管决定)和Tfi2(由IGBT中PNP晶体管决定)两部分组成。IGBT的开关时间与集电极电流、栅极电阻以及结温等参数有关。随着IC和RG的增加,开通时是ton、上升时间tr,关断时间toff和下降时间tf都趋向增加,其中RG对开关时间影响较大。(2)IGBT的通态压降低。在大电流段是同一耐压规格的VDMOS的1/10左右。在小电流段的1/2额定电流以下通态压降有负温度系数,在1/2额定电流以上通态压降具有正温度系数,因此IGBT在并联使用时具有电流自动调节能力。(3)IGBT的集电极电流最大值ICM。在IGBT管中由UGE来控制IC的大小,当IC大到一定的程度时,IGBT中寄生的NPN和PNP晶体管处于饱和状态,栅极G失去对集电极电流IC的控制作用,这叫擎住效应。IGBT发生擎住效应后,IC大、功耗大,最后使器件损坏。为此,器件出厂时必须规定集电极电流的最大值ICM,以及与此相应的栅极-发射极最大电压UGEM。集电极电流值超过ICM时,IGBT产生擎住效应。另外器件在关断时电压上升率dUCE/dt太大也会产生擎住效应。(4)IGBT的安全工作区比GTR宽,而且还具有耐脉冲电流冲击的能力。IGBT在开通时为正向偏置,其安全工作区称为正偏安全工作区FBSOA,IGBT的导通时间越长,发热越严重,安全工作区越小。IGBT在关断时为反向偏置,此时的安全工作区称为反偏安全工作区RBSOA,RBSOA与电压上升率dUCE/dt有关,dUCE/dt越大,RBSOA越小。在使用中一般通过选择适当的UCE和栅极驱动电阻控制dUCE/dt,避免IGBT因dUCE/dt过高而产生擎住效应。(5)IGBT的输入阻抗高,可达1091011数量级,呈纯电容性,驱动功率小,这些与VDMOS相似。(6)与VDMOS和GTR相比,IGBT的耐压可以做得更高,最大允许电压UCEM可达到4500V以上。(7)IGBT的最高允许结温TjM为150。VDMOS的通态压降随结温升高而显著增加,而IGBT的通态压降在室温和最高结温之间变化很小,具有良好的温度特性。3、IGBT功率模块一个IGBT基本单元是由IGBT芯片和快速二极管芯片集成而成,封装于同一管壳内,组成单管模块。4、IGBT的栅极驱动电路及保护1.栅极驱动电路由于IGBT的输入特性几乎和VDMOS相同(阻抗高、呈容性),所以,要求的驱动功率小,电路简单,用于IGBT的驱动电路同样可以用于VDMOS。(1)采用脉冲变压器隔离的栅极驱动电路图3-6是采用脉冲变压器隔离的栅极驱动电路。其工作原理是:控制脉冲ui经晶体管T图3-6 脉冲变压器隔离的栅极驱动电路放大后送到脉冲变压器,由脉冲变压器耦合,并经DW1、DW2稳压限幅后驱动IGBT。脉冲变压器的初级并接了续流二极管D1,以防止T中可能出现的过电压。R1限制栅极驱动电流的大小,R1两端并接了加速二极管,以提高开通速度。(2)推挽输出栅极驱动电路图3-12是一种采用光耦合隔离的由T1、T2组成的推挽输出栅极驱动电路。当控制脉冲使光耦关断时,光耦输出低电平,使T1截止,T2导通,IGBT在DW1的反偏作用下而关断。当控制脉冲使光耦导通时,光耦输出高电平,T1导通,2截止,经UCC、T1、RG产生的正向驱动电压使IGBT开通。(3)专用集成驱动电路M57959L对IGBT的驱动与保护M57959L是日本三菱电气公司为驱动IGBT而设计的厚膜集成电路，配有短路/ 过载保护，具有封闭性短路保护功能，其内部原理图如图。(1)正常导通状态VLC1导通，比较器VLC2：B的6脚为低电平，则c点为高电平，d点输出+15V使IGBT导通（所有电压均以电源的地作为参考），此时因IGBT正常导通，故a、b为低电平、V7导通，又因R21和R20大于R19和R18，e点为低电平而使V6截止，同时VLC2: A输出高电平，V5截止，f、g点为高电平，VLC3不输出故障信号，c点通过R14对C12充电。(2)正常关断状态VLC1关断，VLC2：B输出低电平，又因VD10的单向导通作用，使得此时C2上的高电平无法影响c点电平而使c点保持低电平，d点为-10V的低电平而使IGBT关断，此时VLC2：A输出低电平，V5导通，g点为高电平，a点因IGBT关断而悬空，因VLC2：A输出低电平，故b点为低电平，V7导通，e点为低电平，V6截止，f点为高电平而无故障信号输出。(3)短路故障状态若IGBT在导通时发生短路，则a、b电压迅速上升，经过保护盲区延时（约2. 5s）而使得V7截止，VLC2：D的10脚为低电平，e点为高电平，V6导通，有故障信号输出，f点为低电平，从而h点为低电平，a点为高电平，进入封闭性软关断过程，此时无论输入信号如何变化，VLC2：B的6脚，VLC2：A的4脚均为低电平，V6导通使f点为低电平（Uee），从而输出故障信号，C2通过R14、R13放电使得g点电压缓降，d点电压也缓降，从而实现软关断，这种软关断过程不会被输入信号打断，直至C3放电结束（约1.3 ms），d点输出高电平，若此时短路故障已排除，则电路就可以恢复正常工作，若电路故障仍未排除，则d点（集成块的1脚）不断输出周期约为1.3s的低频窄脉冲，其前沿陡、后沿缓.图3-7 M57959L驱动电路3、 IGBT的保护IGBT与电力MOSFET管一样具有极高的输入阻抗,容易造成静电击穿,故在存放和测试时应采取防静电措施。IGBT作为一种大功率电力电子器件常用于大电流、高电压的场合,对其采取保护措施,以防器件损坏显得非常重要。(1)过电流保护IGBT应用于电力系统中,对于正常过载(如电机起动、滤波电容的合闸冲击以及负载的突变等)系统能自动调节和控制,不至损坏IGBT。对于非正常的短路故障要实行过流保护。通常的做法是:切断栅极驱动信号。只要检测出过流信号,就在2s内迅速撤除栅极信号。当检测到过流故障信号时,立即将栅压降到某一电平,同时启动定时器,在定时器到达设定值之前,若故障消失,则栅压又恢复到正常工作值;若定时器到达设定值时故障仍未消除,则把栅压降低到零。这种保护方案要求保护电路在12s内响应。(2)过电压保护利用缓冲电路能对IGBT实行过电压抑制并限制过量的电压变化率dU/dt。但由于IGBT的安全工作区宽,因此,改变栅极串联电阻的大小,可减弱IGBT对缓冲电路的要求。然而,由于IG