毕业设计(论文)基于单片开关电源的智能功率模块驱动电源的设计.doc
《毕业设计(论文)基于单片开关电源的智能功率模块驱动电源的设计.doc》由会员分享,可在线阅读,更多相关《毕业设计(论文)基于单片开关电源的智能功率模块驱动电源的设计.doc(41页珍藏版)》请在三一办公上搜索。
1、第一章 绪论11.1智能功率模块的基本原理11.2开关电源的发展趋势51.2.1 开关电源的发展历史61.2.2 开关电源的发展趋势6第二章 三端单片开关电源的原理与应用82.1 开关电源的基本原理82.2 TOPSwitch系列的产品分类及性能特点102.3 TOPSwitch系列单片开关电源的工作原理112.4 单片开关电源的基本原理及反馈电路类型14第三章 三端单片开关电源的设计183.1 单片开关电源的快速设计法183.2 高频变压器的设计253.3 多路输出式单片开关电源的设计273.4 TOPSwitch的使用注意事项31第四章 实验分析35结论38致谢39参考文献40第一章 绪论
2、单片开关电源自20世纪90年代中期问世以来,便显示出强大的生命力,并以其优良特性倍受人们的青睐。它极大的简化了开关电源的设计和新产品开发工作,也为新型、高效、低成本开关电源的推广与普及,创造了良好条件。在智能功率模块(IPM)的应用中,需要用到四组互相绝缘的控制电源。使用单片开关电源可以方便地设计出高效的控制电源。本章首先阐述IPM的基本原理,然后简要介绍开关电源的发展趋势、基本原理,以及单片开关电源的基本原理及反馈电路类型。1.1智能功率模块的基本原理智能电力模块(IPM)是智能集成电路,因其可靠性高,用户使用方便的特点赢得越来越大的市场。本节以日本富士公司R系列IPM为例,讲述了智能电力模
3、块的结构及其在小型变频器中的应用。 1.1.1 概述智能电力模块(IPM)又称为智能集成电路,是电力集成电路的一种。在电力电子变流电路中,电力电子器件必须有驱动电路(或触发电路)、控制电路和保护电路的配合,才能按人们的要求实现一定的电力控制功能。以往,电力电子器件和配套控制电路是分离器件构成的电路装置,而今半导体技术达到了可以将电力电子器件及其配套控制电路集成在一个芯片上形成所谓的功率集成电路。可以集成多种功率器件及其控制电路所需的有源或无源器件,比如功率二极管、BJT、IGBT、高低压电容、高阻值多晶硅电阻、低阻值扩散电阻以及各元器件之间的连接等。这种功率集成电路特别适应于电力电子技术高频化
4、发展方向的需要。由于高度集成化,结构十分紧凑,避免了由于分布参数、保护延迟等所带来的一系列技术难题。IPM的优点:1不易损坏;2IPM内藏相关的外围电路,缩短了产品设计和评价时间;3不需要对功率开关器件采取防静电措施;4大大减少了元件数目,体积缩小。电力集成模块的智能化主要表现在易控制功能、保护功能和接口功能等三个方面。IPM内藏过电压、过电流和过热等故障监测电路,并可将监测信号送给CPU。即使发生负载事故或使用不当,也可保证IPM自身不受损坏。目前的IPM一般采用IGBT作为功率开关元件,并也内藏电流传感器及驱动电路的集成结构。IPM正以其可靠性高、用户使用方便的特点赢得越来越大的市场,尤其
5、适合制作驱动电动机的变频器,是一种较为理想的电力电子器件。1.1.2 IPM的结构下面介绍小容量变频器中开始采用的IPM。以富士公司R系列IPM为例。其内部结构如图11所示。由图11可见,这是一种包括制动单元在内的完整的逆变器,其中包括7个IGBT和7个快速功率二极管,IGBT1IGBT6组成逆变桥,VDF1VDF6是与六个主IGBT反并联的回馈二极管,IGBT7是动力制动用的开关管,VDW是它的续流二极管。图中有关检测元件、保护电路没有具体画出,含在“驱动”框内。“驱动”部分具有下述功能:1驱动信号放大;2短路保护(SC);3控制电源欠电压保护(UV);4IGBT及VDF、VDW过电流保护(
6、OC);5IGBT芯片过热保护(TjoH)。“驱动”4、6、2、7及“过热保护电路”经由16号端子ALM输出报警信号。当IGBT过电流、IGBT结温过高、外壳温度过高、负载短路和控制电源欠电压信号出现时,ALM报警信号输出,保证整个系统切实停止工作。由于控制电源共地处理的限制,ALM信号由具有共地端的驱动器中取出,即由“驱动”4、6、2及7中取出。当有ALM信号输出时, IGBT4、6、2及7被封锁,由于没有电流通路, IGBT1、3、5也同样受到保护。图11 IPM的内部结构图 1.1.3 R系列的IPM在小容量变频器中的应用举例图12是含制动单元的R系列的IPM在小容量变频器中的应用电路。
7、使用IPM时应注意以下各项:图12 应用电路图(含制动单元)1控制电源必须有4组,且互相绝缘,上桥臂3组,下桥臂及制动单元的驱动器公用1组。2四组控制电源与主电源间必须加以绝缘,而且,随着IGBT的开关动作,该绝缘部位将有很大的du/dt作用,因此要确保足够的距离,推荐大于2mm。3下桥臂控制电源的GND和主电源的GND在IPM内部已连接好了,在IPM的外部绝对不要再连接。如果另外连接,则IPM的下桥臂内、外将由于di/dt而产生环流,容易引起IPM的误动作,甚至有可能破坏IPM的输入电路。4图12所示的各控制电源上连接的10F和0 1F的电容并非滤波电容,而是用于从电源到IPM之间布线阻抗的
8、退耦。若需滤波,应另加电容。另外,从10F和0 1F的电容到控制电路间的布线阻抗在过渡过程中是有波动的,应使这段到IPM端子的布线尽量短。上述退耦电容应有较好的频率特性,例如用薄膜电容并联起来。5信号输入端上拉,控制信号输入端用20电阻上拉,而且内含制动单元的IPM,如果不使用该制动单元,也要将信号输入端上拉,否则,会由于du/dt的作用而产生误动作。6主直流电源出口的大电容,可直接接到P、N端子之间。1.2开关电源的发展趋势电源是各种电子设备必不可缺的组成部分,其性能优劣对电子设备的技术指标有重要意义。目前常用的直流稳压电源分为线性电源和开关电源两大类。线性稳压电源又称为串联调整式稳压电源,
9、其稳定性好,输出纹波电压很小,但它必须使用笨重的工频变压器与电网进行隔离,并且调整管的功率损耗较大,致使电源的体积和重量大,效率低。开关电源SPS(Switching Power Supply)被誉为高效节能电源,它代表着稳压电源的发展方向,现已成为稳压电源的主流产品。开关电源内部关键元器件工作在高频开关状态下,本身消耗的能量很低,电源效率可达80%90%,比普通线性稳压电源提高近一倍。开关电源又称为无工频变压器的电源,它是利用体积很小的高频变压器来实现电压变换及电网隔离的,不仅能去掉笨重的工频变压器,还可以采用体积较小的滤波元件和散热器,这就为研究与开发高效率、高密度、高可靠性、体积小、重量
10、轻的开关电源奠定了基础。1.2.1 开关电源的发展历史开关电源已有几十年的发展历史。早期产品的开关频率很低,成本昂贵,仅用于卫星电源等少数领域。20世纪60年代出现过晶闸管(旧称可控硅)相位控制式开关电源,70年代由分立元件制成的各种开关电源,均因效率不够高、开关频率低、电路复杂、调试困难而难以推广。70年代后期以来,随着集成电路设计与制造技术的进步,各种开关电源专用芯片大量问世,这种新型节能电源才重获发展。目前,开关频率已从20kHz左右提高到几百千赫至几兆赫。与此同时,供开关电源使用的元器件也获得长足发展。MOS功率开关管(MOSFET)、肖特基二极管(SBD)、超快恢复二极管(SRD)、
11、瞬态电压抑制器(TVS)、压敏电阻器(VSR)、熔断电阻器(FR)、自恢复保险丝(RF)、线性光耦合器、可调式精密并联稳压器(TL431)、电磁干扰滤波器(EMI Filter)、高导磁率磁性材料、由非晶合金制成的磁珠、三重绝缘线、玻璃珠胶合剂等一大批新器件、新材料正被广泛采用。所有这些,都为开关电源的推广与普及提供了必要条件。1.2.2 开关电源的发展趋势 近20多年来,开关电源沿着下述两个方向发展。第一个方向是对开关电源的核心单位控制电路实现集成化。1977年国外首先研制成功脉冲调制(PWM)控制器集成电路,美国摩托罗拉(Motorola)、硅通用(Silicon General)公司等公
12、司相继推出一批PWM芯片,典型产品有MC3520、SG3524、UC3842。90年代以来,国外又研制出开关频率达1MHz的高速PWM、PFM(脉冲频率调制)芯片,典型产品如UC1825、UC1864。第二个方向则是对中、小功率开关电源实现单片集成化。这大致分两个阶段:80年代初,意法半导体有限公司(SGS-Thomson)率先推出L4960系列单片开关稳压器。该公司于90年代又推出了L4970A系列。其特点是将脉冲调制器、功率输出级、保护电路等集成在一个芯片中,使用时配工频变压器和电网隔离,适于制作低压连续可调式输出(5140V)、大中功率(400W以下)、大电流(1510A)、高效率(可超
13、过90)的开关电压。但从本质上讲,它仍属于DC/DC电源变换器。 1994年,美国电源集成公司(Power Intergration Inc)在世界上首先研制成功的三断隔离、脉宽调制型反激式单片开关电源,被人们誉为“顶级开关电源”。其第一代产品为TOPSwitch系列(TOP100/TOP200系列),第二代产品则是1997年问世的TOPSwitch系列(TOP221TOP227)。该公司于1998年又推出了高效率、小功率、低价格的四端单片开关电源TinySwitch系列,并于1999年开关出TNY265系列新产品。2000年初,PI公司又研制出TOPSwitchFX系列五端单片开关电源,充分
14、展示出单片开关电源蓬勃发展的新局面和良好的应用前景。目前,单片开关电源已形成具有六大系列、67种型号的产品。 单片开关电源属于AC/DC电源变换器。以TOPSwitch系列为例,它内部包含控制电压源、带隙基准电压源、振荡器、并联调整器/误差放大器、脉宽调制器、门驱动级、高压功率开关管(MOSFET)、过流保护电路、过热保护及上电复位电路、关断/自动重启动电路和高压电流源。芯片的集成度很高,外围电路简单,通过输入整流滤波器,适配85265V、47440Hz的交流电,可构成世界通用的各种开关电源或电源模块。它在价格上完全可以和同等功率的线性稳压电源相竞争,而电源效率显著提高,体积和重量则大为减小。
15、单片开关电源的迅速发展与应用,使人们多年来所追求的高性价比、无工频变压器式开关电源变成现实。第二章 三端单片开关电源的原理与应用 单片开关电源具有单片集成化、最简外围电路、最佳性能指标、无工频变压器、能实现电气隔离等显著特点。美国PI公司研制的TOPSwitch系列产品一经问世便显示出强大的生命力,它极大地简化了150W以下开关电源的设计和新产品的开发工作,也为新型、高效、低成本开关电源的推广与普及创造了良好条件。 本章深入阐述开关电源基本原理,三端单片开关电源的产品分类、工作原理及反馈电路类型。2.1 开关电源的基本原理目前生产的开关电源大多采用脉宽调制方式,少数采用脉冲频率调制或混合调制方
16、式。下面对开关电源控制方式及脉宽调制的基本原理作简要介绍。2.1.1 开关电源的控制方式无工频变压器开关电源的控制方式大概有以下三种:(1)脉冲宽度调制方式,简称脉宽调制(PWM)。其特点是固定开关频率,通过改变脉冲宽度来调节占空比。其缺点是受功率开关管最小导通时间的限制,对输出电压不能作宽范围调节;另外输出端一般要接假负载(亦称预负载),以防空载时输出电压升高。目前,集成开关电源大多采用PWM方式。 (2)脉冲频率调制方式,简称脉冲调制(PFM)。它是将脉冲宽度固定,通过改变开关频率来调节占空比的。其稳压原理是:当输出电压Vo升高时,控制器输出信号的脉冲宽度不变而周期变长,使占空比减小,Vo
17、降低。PFM式开关电源的输出电压调节范围很宽,输出端可不接假负载。 (3)混合调制方式,是指脉冲宽度与开关频率均不固定,彼此都能改变的方式,它属于PWM和PFM的混合方式。这种调制方式的占空比调节范围最宽,适合制作供实验室使用的输出电压可以宽范围调节的开关电源。2.1.2 脉宽调制式开关电源的基本原理 脉冲调制式开关电源的基本原理图如图21所示。交流220V输入电压经过整流滤波后变成直流电压Vi,再由开关管VT(或MOSFET)斩波、高频变压器T降压,得到高频矩形波电压,最后通过输出整流滤波器VD、C2,获得所需要的直流输出电压VO。脉冲调制器是这类开关电源的核心,它能产生频率固定而脉冲宽度可
18、调的驱动信号,控制功率开关管的通断状态,来调节输出电压的高低,达到稳压目的。锯齿波发生器提供时钟信号。利用误差放大器和PWM比较器构成闭环调节系统。假如由于某种原因致使VO,脉冲调制器就改变驱动信号的脉冲宽度,亦即改变占空比D,使斩波后的平均电压升高,导致VO。反之亦然。图21脉冲调制式开关电源的基本原理图 2.2 TOPSwitch系列的产品分类及性能特点TOPSwitch与第一代产品相比,它不仅在性能上有进一步改进,而且输出功率得到显著提高,现已成为国际上开发中、小功率开关电源模块的优选集成电路。2.2.1 产品分类按封装形式,TOPSwitch可划分为三种类型:采用TO-220封装的TO
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 毕业设计 论文 基于 单片 开关电源 智能 功率 模块 驱动 电源 设计
链接地址:https://www.31ppt.com/p-4149782.html