畢業(yè)設計（論文）-光調(diào)制器設計.doc

西安工業(yè)大學北方信息工程學院西安工業(yè)大學北方信息工程學院 本科畢業(yè)設計本科畢業(yè)設計(論文論文) 題目：光調(diào)制器設計題目：光調(diào)制器設計 系 別： 光電信息系 專 業(yè)： 光電信息工程 班 級： B090104 學 生： 張鵬飛 學 號： B09010424 指導教師： 尚小燕 2013年5月 畢業(yè)設計（論文）任務書畢業(yè)設計（論文）任務書 系（部） 光電信息系 專業(yè) 光電信息工程 姓名 張鵬飛 學號 B09010424 1.畢業(yè)設計（論文）題目： 光調(diào)制器設計 2.題目背景和意義：在光電系統(tǒng)中，獲取的有效光強信息往往受到背景噪聲的影響，如 何從背景噪聲中提取有用信號，一直是人們不斷研究的課題之一，目前，鎖相相關(guān)技 術(shù)是提取有用信號的有效方法，此技術(shù)要求對入射光信號進行調(diào)制，本課題基于此提 出，對光波信號進行調(diào)制。 3.設計(論文)的主要內(nèi)容（理工科含技術(shù)指標）： 1、了解光調(diào)制器的用途；2、提出 機械調(diào)制方法，設計光調(diào)制器結(jié)構(gòu)及相應電路，對相關(guān)器件進行選型；3、給出相關(guān)標 定方法；4、查閱一篇與設計相關(guān)的外文文獻，并進行翻譯。 4.設計的基本要求及進度安排（含起始時間、設計地點）： 2012.11.262012.12.17 查閱相關(guān)書籍，搜集資料，了解光調(diào)制器的用途，和它的基 本原理；完成開題報告。 2012.12.182013.2.10 對光調(diào)制器的結(jié)構(gòu)進行設計，并進行器件選型； 2013.2.112013.3.15 對光調(diào)制器電路進行設計；完成中期報告。 2013.3.162013.4.12 撰寫論文，并準備畢業(yè)答辯。 5.畢業(yè)設計（論文）的工作量要求 實驗（時數(shù)）*或?qū)嵙暎ㄌ鞌?shù)）： 無 圖紙（幅面和張數(shù)）*：不少于 8 張； 其他要求：論文（字數(shù)）：1.5 萬字；外文翻譯（字數(shù)）：30005000 字； 參考 文獻：不少于 15 篇。 指導教師簽名： 年 月 日 學生簽名： 年 月 日 系主任審批： 年 月 日 說明：1 本表一式二份，一份由各系集中歸檔保存，一份學生留存。 2 帶*項可根據(jù)學科特點選填。 光調(diào)制器設計光調(diào)制器設計 摘要摘要 在光電系統(tǒng)中，獲取的有效光強信息往往受到背景噪聲的影響，鎖相 相關(guān)技術(shù)是提取有用信號的有效方法，此技術(shù)要求對入射光信號進行調(diào)制。 斬波器的作用其實是為鎖相放大器提供一個參比信號，以便于鎖相能夠識別 出微弱的光電流。斬波器葉片的轉(zhuǎn)動會周期性的阻斷照到研究電極的光路， 因而導致研究電極產(chǎn)生周期性的光電流，此時斬波器的頻率輸入給鎖相，由 鎖相計算出光電流的大小。 光學斬波器的設計內(nèi)容主要包括主電路，控制電路，驅(qū)動電路和保護電 路的設計，器件選型和結(jié)構(gòu)設計。深入了解各個模塊的工作原理和功能，使 各部分正常運轉(zhuǎn)。 本文對光學斬波器的設計原理，電路設計和結(jié)構(gòu)設計進行了介紹。 關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞：光學斬波器；電路設計；器件選型；結(jié)構(gòu)設計； II The Light Modulator Design Abstract In photovoltaic system,the effective intensity information is often influenced by background noise，Phase locked technology is an effective method to extract the useful signal, the technical requirements of the incident light signal modulation. The role of chopper is actually providing a phase-locked amplifier with a reference signal, so that the phase locking can identify weak photocurrent. Chopper blade rotation periodically block electrode according to the research of optical path, thus leads the electrode photocurrent cyclical, the chopper to phase locked frequency input, the size of the photocurrent is calculated from phase locked. Optical chopper design content mainly includes the main circuit, control circuit, drive circuit and protection circuit design, device selection and structure design. Insight into the working principle and function of each module, each part of the normal operation. In this paper, the optical chopper design principle, circuit design and structure design are introduced. Key Words：optical chopper; wiring design; device type selection; structure design III 目目 錄錄 1 緒論緒論.1 1.1 課題研究的背景和意義.1 1.2 國內(nèi)外研究發(fā)展現(xiàn)狀.1 1.3 論文的組織結(jié)構(gòu).2 1.4 本課題研究的主要內(nèi)容.2 2 光學斬波器簡介光學斬波器簡介.2 2.1 直流斬波器簡介.3 2.2 直流斬波器原理.4 2.2.1 直流斬波電路包括三個部分電路模塊。.4 2.2.2 全控器件 IGBT 簡介 .4 2.2.3 直流斬波器的基本原理圖.5 3 直流降壓斬波器設計直流降壓斬波器設計.6 3.1 主電路設計方案.6 3.1.1 主電路基本電路圖.6 3.1.2 主電路電流電壓分析.6 3.2 控制電路模塊設計.7 3.2.1 斬波電路控制方式：.7 3.2.2 SG3525 原理及功能.8 3.2.3 SG3535 內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡介.9 3.2.4 SG3525 芯片引腳.10 3.2.5 控制電路圖.11 3.3 驅(qū)動電路模塊設計.11 3.3.1 驅(qū)動電路模塊功能.11 3.3.2 驅(qū)動電路的隔離方式.12 IV 3.3.3 EXB841 的驅(qū)動原理.13 3.4 保護電路設計.13 3.4.1 主電路器件保護.14 3.4.2 負載過壓保護.14 3.4.3 過電流保護.15 3.5 直流降壓斬波電路整體電路圖.16 4 直流斬波器結(jié)構(gòu)設計直流斬波器結(jié)構(gòu)設計.18 4.1 結(jié)構(gòu)設計要求.18 4.2 斬波調(diào)速原理.18 4.3 結(jié)構(gòu)設計總結(jié).19 5 總結(jié)總結(jié).20 參考文獻參考文獻.21 致謝致謝.23 畢業(yè)設計（論文）知識產(chǎn)權(quán)聲明畢業(yè)設計（論文）知識產(chǎn)權(quán)聲明.24 畢業(yè)設計（論文）獨創(chuàng)性聲明畢業(yè)設計（論文）獨創(chuàng)性聲明.25 附錄附錄.26 1 緒論 1 1 緒論緒論 1.1 課題研究的背景和意義課題研究的背景和意義 在光電系統(tǒng)中，獲取的有效光強信息往往受到背景噪聲的影響，如何從 背景噪聲中提取有用信號，一直是人們不斷研究的課題之一，目前，鎖相相 關(guān)技術(shù)是提取有用信號的有效方法，此技術(shù)要求對入射光信號進行調(diào)制，本 課題基于此提出，對光波信號進行調(diào)制。 1.2 國內(nèi)外研究發(fā)展現(xiàn)狀國內(nèi)外研究發(fā)展現(xiàn)狀 光調(diào)制技術(shù)雖然早在四十年代就已有不少研究和報導，但具有實用價值 的光調(diào)制器卻是在七十年代前后才發(fā)展成熟的。近一二十年來,光學和光電 子學中的光調(diào)制器的研究和應用迅速地發(fā)展。隨著微電子和光電子集成技術(shù) 的進步以及兩者的緊密結(jié)合,大大地促進了光調(diào)制器的發(fā)展。而光調(diào)制器所 具有的能調(diào)制光束的重要功能,使其成為構(gòu)成實時光學信息處理、光計算等 系統(tǒng)的關(guān)鍵器件。正因為如此,光調(diào)制器在現(xiàn)代光學領(lǐng)域中具有越來越重要 的地位和價值,它是光學、光電混合系統(tǒng)進行光互連、光學相關(guān)、光計算、 模式識別、光學控制、光學檢測、圖象處理、顯示技術(shù)等中的基本構(gòu)件和關(guān) 鍵器件1。世界上有許多國家在從事光調(diào)制器的研究,其中,美國是起步最早、 技術(shù)最先進的國家,其研究機構(gòu)有空軍實驗室、波斯頓大學及其微機械公司、 斯坦福大學、加州大學 Berkeley 分校傳感器與執(zhí)行器中心、加州大學圣克魯 斯分校、勞倫斯國家實驗室、朗訊(Lucent)公司、Iris AO 公司以及德州儀器 (TI)公司等。荷蘭 Delft 大學及其商業(yè)合作伙伴 OKO Technology 公司在薄膜 光調(diào)制器研究方面是最先進的,已經(jīng)有了許多商業(yè)化產(chǎn)品。此外,法國、德國 和日本的科學家也在進行研究2。我國也在這方面取得了一定的成績，其中 北京卓立漢光公司生產(chǎn)的 Model 300CD 型光學斬波器代表了國內(nèi)光調(diào)制器 1 緒論 2 的先進水平。 1.3 論文的組織結(jié)構(gòu)論文的組織結(jié)構(gòu) 本論文的組織結(jié)構(gòu)如下： 第一章：介紹關(guān)于光學斬波器的研究背景、研究意義以及開發(fā)者的主要 工作。 第二章：介紹光學斬波器的功能及工作原理。 第三章：介紹直流降壓斬波器的電路設計，包括主電路、控制電路、驅(qū) 動電路和保護電路。 第四章：介紹直流降壓斬波器的結(jié)構(gòu)設計。 第五章：對直流降壓斬波器的器件進行選型。 1.4 本課題研究的主要內(nèi)容本課題研究的主要內(nèi)容 在直流降壓斬波器的課題研究中主要的研究內(nèi)容如下： 了解直流降壓斬波器的功能及工作原理，畫出其工作原理圖，對電壓和 電流波形進行有深入的認識。 熟悉直流降壓斬波電路的各個電路模塊，了解 SG3525 芯片和 EXB841 芯片的結(jié)構(gòu)和工作原理，畫出主電路、控制電路、驅(qū)動電路、保護電路的電 路圖，并對其工作原理進行了解。 對光調(diào)制器進行結(jié)構(gòu)設計，畫出電機支撐座，外殼和斬波片的機械結(jié)構(gòu) 圖。 對光調(diào)制器進行器件選型。 2 光學斬波器簡介 3 2 光學斬波器簡介光學斬波器簡介 2.1 直流斬波器簡介直流斬波器簡介 電力電子技術(shù)的發(fā)展方向,是從以低頻技術(shù)處理問題為主的傳統(tǒng)電力電 子學,向以高頻技術(shù)處理問題為主的現(xiàn)代電力電子學方向轉(zhuǎn)變。電力電子技 術(shù)起始于五十年代末六十年代初的硅整流器件,其發(fā)展先后經(jīng)歷了整流器時 代、逆變器時代和變頻器時代,并促進了電力電子技術(shù)在許多新領(lǐng)域的應用。 八十年代末期和九十年代初期發(fā)展起來的、以功率 MOSFET 和 IGBT 為代 表的、集高頻、高壓和大電流于一身的功率半導體復合器件,表明傳統(tǒng)電力 電子技術(shù)已經(jīng)進入現(xiàn)代電力電子時代。 直流斬波器(D.C. Chopper)又稱為截波器，它是將電壓值固定的直流電， 轉(zhuǎn)換為電壓值可變的直流電源裝置，是一種直流對直流的轉(zhuǎn)換器(DC to DC Converter)已被被廣泛使用，如直流電機的速度控制和直流電機的驅(qū)動、直 流調(diào)壓、直流電源的驅(qū)動和交換式電源供應器(Switching-Power-Supply)等3。 直流斬波器（DC Chopper）是一種把恒定直流電壓變換成為另一固定電 壓或可調(diào)電壓的直流電壓，從而滿足負載所需的直流電壓的變流裝置。它通 過周期性地快速通、斷，把恒定直流電壓斬成一系列的脈沖電壓，而改變這 一脈沖列的脈沖寬度或頻率就可實現(xiàn)輸出電壓平均值的調(diào)節(jié)。全控型器件選 擇絕緣柵雙極晶體管（IGBT）具有良好的特性，目前已取代了原來 GTR 和 一部分電力 MOSFET 的市場，應用領(lǐng)域迅速擴展，成為中小功率電力電子 設備的主導器件。直流斬波器根據(jù)其輸入和輸出電壓的大小可以分為降壓式 直流斬波器和升壓式直流斬波器的兩類。若直流斬波器的輸出電壓較輸入之 2 光學斬波器簡介 4 電源電壓低，則稱為降壓式(Buck )直流斬波器，若其輸出電壓較輸入之電源 電壓高，則稱為升壓式(Boost) 直流斬波器4。因此本課題選擇的設計方案 是直流降壓斬波電路。 2.2 直流斬波器原理直流斬波器原理 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(diào)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。 2.2.12.2.1 直流斬波電路包括三個部分電路模塊。直流斬波電路包括三個部分電路模塊。 a. 主電路模塊。主電路模塊。主要由全控器件 IGBT 的開通與關(guān)斷的時間占空比來決定 輸出電壓 u。的大小。 。 b. 控制電路模塊?？刂齐娐纺K?？刂齐娐纺K，可用 SG3525 來控制 IGBT 的開通與關(guān) 斷。驅(qū)動電路模塊，用來驅(qū)動 IGBT 控制電路是用來產(chǎn)生降壓斬波電路的控 制信號，控制電路產(chǎn)生的控制信號傳到驅(qū)動電路，驅(qū)動電路把控制信號轉(zhuǎn)換 為加在開關(guān)控制端，可以使其開通或關(guān)斷的信號。通過控制開關(guān)的開通和關(guān) 斷來控制降壓斬波電路的主電路工作。 c. 驅(qū)動電路模塊。驅(qū)動電路模塊。EXB841 驅(qū)動芯片來實現(xiàn)也可以直接用光耦電路進行驅(qū) 動。主電路模塊由全控器件 IGBT 的開通與關(guān)斷的時間占空比來決定輸出電 壓 u。的大小?？刂齐娐纺K， ，它簡單可靠及使用方便靈活。 2.2.2 全控器件全控器件 IGBTIGBT 簡介簡介 IGBT 是新一代的電力電子器件，兼有功率 MOS-MET 的高速度和功率 晶體管飽和壓降低、功率大的優(yōu)點。由 IGBT 構(gòu)成的斬波器具有電路簡單、 易于調(diào)試和設計，成本低，可靠性高，容量范圍大，頻率高，無靜態(tài)噪音， 輸出電流(電壓)調(diào)節(jié)精度高等優(yōu)點，在實際應用中有非常廣泛的應用，特別 是在需要用電池等直流電源進行調(diào)節(jié)的時候，有著不可替代的作用5。 2.2.3 直流斬波器的基本直流斬波器的基本原理原理 直流斬波器乃利用功率組件對固定電壓之電源做適當之切割以達成負載 端電壓改變之目的。若其輸出電壓較輸入之電源電壓低，則稱為降壓式 (Buck )直流斬波器，若其輸出電壓較輸入之電源電壓高，則稱為升壓式 (Boost)直流斬波器；本方案選擇的是直流降壓斬波器圖 2.1 所示為直流斬波 器基本電路圖，圖 2.2 所示為負載電壓波形， 西安工業(yè)大學北方信息工程學院畢業(yè)設計（論文） 5 圖 2.1 直流斬波器基本原理圖 圖 2.2 直流斬波器負載電壓波形圖 可看出當直流斬波器導通(Ton )時，負載端之電壓 Vo 等于電源電壓 Vs；當直流斬波器截止(Toff)時，負載端之電壓 Vo 為 0。如此適當?shù)目刂浦?流斬波器可使直流電源斷續(xù)的出現(xiàn)在負載側(cè)，只要控制直流斬波器的導通時 間，即可改變負載的平均電壓6。 西安工業(yè)大學北方信息工程學院畢業(yè)設計（論文） 6 3 直流降壓斬波器設計直流降壓斬波器設計 3.1 主電路設計方案主電路設計方案 根據(jù)所選課題設計要求設計一個降壓斬波電路，可運用電力電子開關(guān)來 控制電路的通斷即改變占空比，從而獲得我們所想要的電壓。這就可以根據(jù) 所學的 buck 降壓電路作為主電路，這個方案是較為簡單的方案，直接進行 直直變換簡化了電路結(jié)構(gòu)。而另一種方案是先把直流變交流降壓，再把交流 變直流，這種方案把本該簡單的電路復雜化，不可取。至于開關(guān)的選擇，選 用比較熟悉的全控型的 IGBT 管，而不選半控型的晶閘管，因為 IGBT 控制較 為簡單，且它既具有輸入阻抗高、開關(guān)速度快、驅(qū)動電路簡單等特點，又用 通態(tài)壓降小、耐壓高、電流大等優(yōu)點。 3.1.1 主電路基本電路圖主電路基本電路圖 主電路基本電路圖如圖 3.1 所示 圖 3.1 主電路基本電路圖 直流降壓斬波主電路使用一個全控器件 IGBT 控制導通。用控制電路和 3 直流降壓斬波器設計 7 驅(qū)動電路來控制 IGBT 的通斷，當 t=0 時，驅(qū)動 IGBT 導通，電源 E 向負載供 電，負載電壓 U0=E，負載電流 io按指數(shù)曲線上升。 3.1.2 主電路電流電壓分析主電路電流電壓分析 直流降壓斬波主電路使用一個全控器件 IGBT 控制導通。用控制電路和 驅(qū)動電路來控制 IGBT 的通斷，當 t=0 時，驅(qū)動 IGBT 導通，電源 E 向負載 供電，負載電壓=E，負載電流按指數(shù)曲線上升。電路工作時波形圖如 0 u 0 i 圖 3.2 所示 圖 3.2 主電路電壓電流波形圖 當 t=t1時刻，控制 IGBT 關(guān)斷，負載電流經(jīng)二極管 Vd續(xù)流，負載電壓 近似為零，負載電流指數(shù)曲線下降。為了使負載電流連續(xù)且脈動小，故 0 u 串聯(lián) L 值較大的電感。 至一個周期 T 結(jié)束，再驅(qū)動 IGBT 導通，重復上一周期的過程。當電力 工作于穩(wěn)態(tài)時負載電流在一個周期的初值和終值相等，負載電壓的平均值為 U0t1E/T=t1E/（t1+t2）E ton為 IGBT 處于通態(tài)的時間；toff為處于斷態(tài)的時間；T 為開關(guān)周期； 為導通占空比。 通過調(diào)節(jié)占空比 使輸出到負載的電壓平均值 U0 最大為 E，若減小占 空比 ，則 U0隨之減小。由此可知，輸出到負載的電壓平均值 Uo 最大為 Ui，若減小占空比 ，則 Uo 隨之減小，由于輸出電壓低于輸入電壓，故 稱該電路為降壓斬波電路7。 西安工業(yè)大學北方信息工程學院畢業(yè)設計（論文） 8 3.2 控制電路模塊設計控制電路模塊設計 控制電路需要實現(xiàn)的功能是產(chǎn)生控制信號，用于控制斬波電路中主功率 器件的通斷，通過對占空比的調(diào)節(jié)達到控制輸出電壓大小的目的。 3.2.1 斬波電路控制方式：斬波電路控制方式： 斬波電路有三種控制方式: a. 保持開關(guān)周期 T 不變，調(diào)節(jié)開關(guān)導通時間 ton，稱為脈沖寬度調(diào)制或 脈沖調(diào)寬型； b. 保持導通時間不變，改變開關(guān)周期 T，成為頻率調(diào)制或調(diào)頻型； c.導通時間和周期 T 都可調(diào)，是占空比改變，稱為混合型8。 因為斬波電路有這三種控制方式，又因為 PWM 控制技術(shù)應用最為廣泛， 所以采用 PWM 控制方式來控制 IGBT 的通斷。PWM 控制就是對脈沖寬度 進行調(diào)制的技術(shù)。這種電路把直流電壓“斬”成一系列脈沖，改變脈沖的占 空比來獲得所需的輸出電壓。改變脈沖的占空比就是對脈沖寬度進行調(diào)制， 只是因為輸入電壓和所需要的輸出電壓都是直流電壓，因此脈沖既是等幅的， 也是等寬的，僅僅是對脈沖的占空比進行控制。 對于控制電路的設計其實可以有很多種方法，可以通過一些數(shù)字運算芯 片如單片機、CPLD 等等來輸出 PWM 波，也可以通過特定的 PWM 發(fā)生芯 片來控制9。因為題目要求輸出電壓連續(xù)可調(diào)，所以我選用一般的 PWM 發(fā) 生芯片來進行連續(xù)控制。 3.2.2 SG3525 原理及功能原理及功能 控制電路是以 SG3525 為核心構(gòu)成,SG3525 為美國 Silicon General 公司 生產(chǎn)的，它集成了 PWM 控制電路,采用恒頻脈寬調(diào)制控制方案,內(nèi)部包含有 精密基準源,鋸齒波振蕩器,誤差放大器,比較器,分頻器和保護電路等.調(diào)節(jié) Ur 的大小,在 11,14 兩端可輸出兩個幅度相等,頻率相等,相位相差, 占空比可調(diào) 的矩形波(即 PWM 信號).然后，將脈沖信號送往芯片 HL402，對微信號進行 升壓處理，再把經(jīng)過處理的電平信號送往 IGBT，對其觸發(fā)，以滿足主電路 的要求10。其內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)如圖 3.3 所示 西安工業(yè)大學北方信息工程學院畢業(yè)設計（論文） 9 圖 3.3 SG3525 內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 3.2.3SG3525 內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡介 a. 基準電壓調(diào)整器 基準電壓調(diào)整器是輸出為 5.1V，50mA，有短路電流保護的電壓調(diào)整器。 它供電給所有內(nèi)部電路，同時又可作為外部基準參考電壓。若輸入電壓低于 6V 時，可把 15、16 腳短接，這時 5V 電壓調(diào)整器不起作用。 b. 振蕩器 3525A 的振蕩器，除 CT、RT 端外，增加了放電 7、同步端 3。RT 阻值 決定了內(nèi)部恒流值對 CT 充電，CT 的放電則由 5、7 端之間外接的電阻值 RD 決定。把充電和放電回路分開，有利于通過 RD 來調(diào)節(jié)死區(qū)的時間，因 此是重大改進。在 3525A 中增加了同步端 3 專為外同步用，為多個 3525A 的聯(lián)用提供了方便。同步脈沖的頻率應比振蕩頻率 fs 要低一些。 c. 誤差放大器 誤差放大器是差動輸入的放大器。它的增益標稱值為 80dB，其大小由 反饋或輸出負載決定，輸出負載可以是純電阻，也可以是電阻性元件和電容 的元件組合。該放大器共模輸入電壓范圍在 1.83.4V，需要將基準電壓分壓 送至誤差放大器 1 腳（正電壓輸出）或 2 腳（負電阻輸出） 。 3524 的誤差放大器、電流控制器和關(guān)閉控制三個信號共用一個反相輸 入端，3525A 改為增加一個反相輸入端，誤差放大器與關(guān)閉電路各自送至比 較器的反相端。這樣避免了彼此相互影響。有利于誤差放大器和補償網(wǎng)絡工 作精度的提高。 西安工業(yè)大學北方信息工程學院畢業(yè)設計（論文） 10 d. 閉鎖控制端 10 利用外部電路控制 10 腳電位，當 10 腳有高電平時，可關(guān)閉誤差放大器 的輸出，因此，可作為軟起動和過電壓保護等。 e. PWM 鎖存器 比較器（脈沖寬度調(diào)制）輸出送到 PWM 鎖存器。鎖存器由關(guān)閉電路置 位，由振蕩器輸出時間脈沖復位。這樣，當關(guān)閉電路動作，即使過流信號立 即消失，鎖存器也可維持一個周期的關(guān)閉控制，直到下一周期時鐘信號使倘 存器復位為止。 另外，由于 PWM 鎖存器對比較器來的置位信號鎖存，將誤差放大器上 的噪音、振鈴及系統(tǒng)所有的跳動和振蕩信號消除了。只有在下一個時鐘周期 才能重新置位，有利于可靠性提高。 f. 增設欠壓鎖定電路 電路主要作用是當 IC 塊輸入電壓小于 8V 時，集成塊內(nèi)部電路鎖定， 停止工作（其準源及必要電路除外） ，使之消耗電流降到很?。s 2mA） 。 g. 輸出級 由兩個中功率 NPN 管構(gòu)成，每管有抗飽和電路和過流保護電路，每組 可輸出 100mA。組間是相互隔離的。電路結(jié)構(gòu)改為確保其輸出電平或者是 高電平或者是低電平的一個電平狀態(tài)中。為了能適應驅(qū)動快速的場效應功率 管的需要，末級采用推拉式電路，使關(guān)斷速度更快。 11 端（或 14 端）的拉電流和灌電流，達 100mA。在狀態(tài)轉(zhuǎn)換中，由于 存在開閉滯后，使流出和吸收間出現(xiàn)重迭導通。在重迭處有一個電流尖脈沖， 其持續(xù)時間約 100ns。使用時 VC 接一個 0.1f 電容可以濾去尖峰。 另一個不足處是吸電流時，如負載電流達到 50mA 以上時，管飽和壓降 較高（約 1V）11。 3.2.4 SG3525 芯片引腳 SG3525是一款專用的 PWM 控制集成電路芯片，它采用恒頻調(diào)寬控制方 案，內(nèi)部包括精密基準源、鋸齒波振蕩器、誤差放大器、比較器、分頻器和 保護電路等，其引腳圖如圖 3.4 所示 西安工業(yè)大學北方信息工程學院畢業(yè)設計（論文） 11 圖 3.4 SG3525 芯片引腳圖 SG3525A 系列脈寬調(diào)制器控制電路可以改進為各種類型的開關(guān)電源的 控制性能和使用較少的外部零件。在芯片上的 5.1V 基準電壓調(diào)定在1， 誤差放大器有一個輸入共模電壓范圍。它包括基準電壓，這樣就不需要外接 的分壓電阻器了。一個到振蕩器的同步輸入可以使多個單元成為從電路或一 個單元和外部系統(tǒng)時鐘同步。在 CT 和放電腳之間用單個電阻器連接即可對 死區(qū)時間進行大范圍的編程。在這些器件內(nèi)部還有軟起動電路，它只需要一 個外部的定時電容器，一只斷路腳同時控制軟起動電路和輸出級12。只要用 脈沖關(guān)斷，通過 PWM（脈寬調(diào)制）鎖存器瞬時切斷和具有較長關(guān)斷命令的 軟起動再循環(huán)。當 VCC 低于標稱值時欠電壓鎖定禁止輸出和改變軟起動電 容器。輸出級是推挽式的可以提供超過 200mA 的源和漏電流。SG3525A 系 列的 NOR（或非）邏輯在斷開狀態(tài)時輸出為低。 3.2.5 控制電路圖 直流斬波電路的控制電路用 SG3525 來實現(xiàn)，其電路圖如圖 3.5 所示 西安工業(yè)大學北方信息工程學院畢業(yè)設計（論文） 12 圖 3.5 控制電路電路圖 SG3525 有過流保護的功能，可以通過改變 10 腳電壓的高低來控制脈沖 波的輸出。因此可以將驅(qū)動電路輸出的過流保護電流信號經(jīng)一電阻作用，轉(zhuǎn) 換成電壓信號來進行過流保護，同理也可以用 10 端進行過壓保護。 當驅(qū)動電路檢測到過流時發(fā)出電流信號，由于電阻的作用將 10 腳的電 位抬高，從而 11、14 腳輸出低電平，而當其沒有過流時，10 腳一直處于低 電平，從而正常的輸出 PWM 波13。 3.33.3 驅(qū)動電路模塊設計驅(qū)動電路模塊設計 IGBT 是電力電子器件，控制電路產(chǎn)生的控制信號一般難以以直接驅(qū)動 IGBT。因此需要信號放大的電路。另外直流斬波電路會產(chǎn)生很大的電磁干 擾，會影響控制電路的正常工作，甚至導致電力電子器件的損壞。因而還設 計中還學要有帶電氣隔離的部分。 3.3.13.3.1 驅(qū)動電路模塊功能驅(qū)動電路模塊功能 驅(qū)動部分是連接控制部分和主電路的橋梁，該部分主要完成以下幾個功 能： a. 提供適當?shù)恼蚝头聪蜉敵鲭妷海?IGBT 可靠的開通和關(guān)斷； b. 提供足夠大的瞬態(tài)功率或瞬時電流，使 IGBT 能迅速建立柵控電場而 導通； c. 盡可能小的輸入輸出延遲時間，以提高工作效率； d. 足夠高的輸入輸出電氣隔離性能，使信號電路與柵極驅(qū)動電路絕緣； 西安工業(yè)大學北方信息工程學院畢業(yè)設計（論文） 13 e. 具有靈敏的過流保護能力14。 針對以上幾個要求，對驅(qū)動電路進行以下設計。針對驅(qū)動電路的隔離方 式，有以下 2 種驅(qū)動電路，下面對其進行比較選擇。 方案 1：采用驅(qū)動芯片式驅(qū)動電路，該電路雙側(cè)都有源。其提供的脈沖 寬度不受限制，較易檢測 IGBT 的電壓和電流的狀態(tài)，對外送出過流信號。 另外它使用比較方便，穩(wěn)定性比較好。但是它需要較多的工作電源，其對脈 沖信號有時間滯后，不適應于某些要求比較高的場合。 方案 2：采用變壓器耦合驅(qū)動器，其輸入輸出耐壓高，電路結(jié)構(gòu)簡單， 延遲小。但是它不能實現(xiàn)自動過流保護，不能實現(xiàn)任意脈寬輸出，而且其對 變壓器的繞制要求嚴格。 通過以上比較，結(jié)合本系統(tǒng)中，對電壓要求不高，而且只有一個全控器 件需要控制，使用驅(qū)動芯片，使用方便，所以選擇方案 1。 對于方案 1 可以用 EXB841 驅(qū)動芯片來實現(xiàn)也可以直接用光耦電路進行 主電路與控制電路隔離，再把驅(qū)動信號加一級推挽電路進行放大使得驅(qū)動信 號足以驅(qū)動 IGBT 管。由于我所設計的過流保護電路是利用控制芯片 10 端 來設計的，且直接用光耦電路比較復雜，所以我采用驅(qū)動芯片進行方案設計 15。 3.3.2 驅(qū)動電路的隔離方式：驅(qū)動電路的隔離方式： 針對以上分析，我選取了 EXB841 驅(qū)動芯片。它具有單電源、正負偏壓、 過流檢測、保護、軟關(guān)斷等主要特性，其功能完善，控制簡便可靠 16。 EXB841 驅(qū)動電路圖如圖 3.6 所示。 圖 3.6 EXB841 驅(qū)動電路圖 直流降壓斬波電路主要是通過調(diào)節(jié)控制電路中 SG3525 芯片 2 號腳外接 的滑動變阻器的阻值，使電壓發(fā)生變化，從而改變 PWM 的占空比，在將輸 西安工業(yè)大學北方信息工程學院畢業(yè)設計（論文） 14 出波形輸入由 EXB841 組成的驅(qū)動電路傳遞給 IGBT，控制 IGBT 的關(guān)斷來 實現(xiàn)輸出電壓 u。的調(diào)節(jié)。所以在使用時只需調(diào)節(jié)滑動變阻器阻值大小就可 以了。 3.3.3EXB8413.3.3EXB841 的驅(qū)動原理的驅(qū)動原理 EXB841 主要有三個工作過程：正常開通過程、正常關(guān)斷過程和過流保 護動作過程。14 和 15 兩腳間外加 PWM 控制信號，當觸發(fā)脈沖信號施加于 14 和 15 引腳時，在 GE 兩端產(chǎn)生約 16V 的 IGBT 開通電壓；當觸發(fā)控制脈 沖撤銷時，在 GE 兩端產(chǎn)生-5.1V 的 IGBT 關(guān)斷電壓。過流保護動作過程是 根據(jù) IGBT 的 CE 極間電壓 Uce 的大小判定是否過流而進行保護的，Uce 由 二極管 Vd7 檢測。當 IGBT 開通時，若發(fā)生負載短路等發(fā)生大電流的故障， Uce 會上升很多，使得 Vd7 截止，EXB841 的 6 腳“懸空”，B 點和 C 點電位 開始由約 6V 上升，當上升至 13V 時，Vz1 被擊穿，V3 導通，C4 通過 R7 和 V3 放電，E 點的電壓逐漸下降，V6 導通，從而使 IGBT 的 GE 間電壓 Uce 下降，實現(xiàn)軟關(guān)斷，完成 EXB841 對 IGBT 的保護。射極電位為-5.1V， 由 EXB841 內(nèi)部的穩(wěn)壓二極管 Vz2 決定17。 3.4 保護電路設計保護電路設計 過壓保護要根據(jù)電路中過壓產(chǎn)生的不同部位，加入不同的保護電路，當 達到定電壓值時，自動開通保護電路，所以可分為主電路器件保護和負載 保護。 3.4.13.4.1 主電路器件保護主電路器件保護 當達到定電壓值時，自動開通保護電路，使過壓通過保護電路形成通 路，消耗過壓儲存的電磁能量，從而使過壓的能量不會加到主開關(guān)器件上， 保護了電力電子器件。 為了達到保護效果，可以使用阻容保護電路來實現(xiàn)。將電容并聯(lián)在回路 中，當電路中出現(xiàn)電壓尖峰電壓時，電容兩端電壓不能突變的特性，可以有 效地抑制電路中的過壓。與電容串聯(lián)的電阻能消耗掉部分過壓能量，同時抑 制電路中的電感與電容產(chǎn)生振蕩，過電壓保護電路如圖 3.7 所示。 西安工業(yè)大學北方信息工程學院畢業(yè)設計（論文） 15 圖 3.7 過電壓保護電路 3.4.2 負載過壓保護負載過壓保護 如圖 3.8 所示比較器同相端接到負載端，反相端接到一個基準電壓上， 輸出端接控制芯片 10 端，當負載端電壓達到一定的值，比較器輸出 Uom 抬 高 10 端電位，從而使 10 端上的信號為高電平時，PWM 瑣存器將立即動作， 禁止 SG3525 的輸出，同時，軟啟動電容將開始放電。如果該高電平持續(xù)， 軟啟動電容將充分放電，直到關(guān)斷信號結(jié)束，才重新進入軟啟動過程，從而 實現(xiàn)過壓保護18。 電阻的取值，比較器反相端接 5.1V 電源經(jīng)變位器后為可調(diào)基準電壓， 比較器同相端電壓應在 5V 以內(nèi)，取負載輸出電壓最大值 80V 來算 R20/R18=80/3 左右，所以 R20=100K,R18=4K,R17=10k,R19=2k. 圖 3.8 負載過壓保護電路 西安工業(yè)大學北方信息工程學院畢業(yè)設計（論文） 16 3.4.3 過電流保護過電流保護 當電力電子電路運行不正?；蛘甙l(fā)生故障時，可能會發(fā)生過電流。當器 件擊穿或短路、觸發(fā)電路或控制電路發(fā)生故障、出現(xiàn)過載、直流側(cè)短路、可 逆?zhèn)鲃酉到y(tǒng)產(chǎn)生環(huán)流或逆變失敗，以及交流電源電壓過高或過低、缺相等， 均可引起過流。器件允許的過載時間較長，而允許的短路時間極短，一般在 若干微秒之內(nèi)。對于負載過大產(chǎn)生的過載電流一般可用反饋控制的方法進行 調(diào)整和保護。在這里采用了兩中過電流保護措施，一是加限流電阻，主要對 電流過載起保護作用，其二是在電路中串熔斷器，對短路起保護作用。在斬 波電路中對斬波器的保護，實際上就是對 IGBT 的保護。所以重要的是怎么 設計好對開關(guān)管 IGBT 的保護方案19。 過電流保護電路如圖所示，其中交流側(cè)接快速熔斷器能對晶閘管元件短 路及直流側(cè)短路起保護作用。器件直接串接快速熔斷器才對元件的保護作用 最好，因為它們流過同個電流因而被廣泛使用。電子電路作為第一保護 措施，快熔僅作為短路時的部分區(qū)段的保護，直流快速斷路器整定在電子電 路動作之后實現(xiàn)保護，過電流繼電器整定在過載時動作。 由于電力電子器件的電流過載能力相對較差，必須對變換器進行適當?shù)?過流保護。采用快速熔斷器是電力電子裝置中最有效、應用最廣的一種的過 流保護措施。負載過流保護電路圖如圖 3.9 所示 圖 3.9 負載過流保護電路 3.5 直流降壓斬波電路整體電路圖直流降壓斬波電路整體電路圖 西安工業(yè)大學北方信息工程學院畢業(yè)設計（論文） 17 綜上所述，直流降壓斬波電路包含主電路，控制電路，驅(qū)動電路和保護 電路四個模塊，直流降壓斬波主電路使用一個全控器件 IGBT 控制導通，用 控制電路和驅(qū)動電路來控制 IGBT 的通斷。 電力電子器件在實際應用中，一般是由控制電路，驅(qū)動電路，保護電路 和以電力電子器件為核心的主電路組成一個系統(tǒng)。由信息電子電路組成的控 制電路按照系統(tǒng)的工作要求形成控制信號，通過驅(qū)動電路去控制主電路中電 力電子器件的導通或者關(guān)斷來完成整個系統(tǒng)的功能， 控制電路是用來產(chǎn)生降壓斬波電路的控制信號，控制電路產(chǎn)生的控制信 號傳到驅(qū)動電路，驅(qū)動電路把控制信號轉(zhuǎn)換為加在開關(guān)控制端，可以使其開 通或關(guān)斷的信號。通過控制開關(guān)的開通和關(guān)斷來控制降壓斬波電路的主電路 工作。控制電路中的保護電路是用來保護電路的，防止電路產(chǎn)生過電流現(xiàn)象 損害電路設備。 直流降壓斬波電路整體電路圖如圖 3.10 所示 圖 3.10 直流降壓斬波電路整體電路圖 西安工業(yè)大學北方信息工程學院畢業(yè)設計（論文） 18 控制電路是用來產(chǎn)生降壓斬波電路的控制信號，控制電路產(chǎn)生的控制信 號傳到驅(qū)動電路，驅(qū)動電路把控制信號轉(zhuǎn)換為加在開關(guān)控制端，可以使其開 通或關(guān)斷的信號。通過控制開關(guān)的開通和關(guān)斷來控制降壓斬波電路的主電路 工作?？刂齐娐分械谋Ｗo電路是用來保護電路的，防止電路產(chǎn)生過電流現(xiàn)象 損害電路設備。 4 直流斬波器結(jié)構(gòu)設計 19 4 直流斬波器結(jié)構(gòu)設計直流斬波器結(jié)構(gòu)設計 直流斬波器是利用功率組件對固定電源產(chǎn)生的光束進行適當切割以產(chǎn)生 有規(guī)律交替變化的光束的目的。當工作的時候，電機帶動斬波片轉(zhuǎn)動，斬波 片前端放著光源對著葉片部分，就會產(chǎn)生交替變化的光束。光學斬波器主要 是由控制單元、斬波裝置、斬波片組成。將斬波片固定在輪盤上，由直流電 機帶動袖珍軸承轉(zhuǎn)動，進而帶動斬波片轉(zhuǎn)動，對光束進行切割。 4.1 結(jié)構(gòu)設計要求結(jié)構(gòu)設計要求 斬波片由電動機帶動旋轉(zhuǎn)，接收光源產(chǎn)生的光束，因此，斬波輪的設計 要確保穩(wěn)定和精確地性能，應做到以下幾點： 1、為使系統(tǒng)穩(wěn)速運轉(zhuǎn)，結(jié)構(gòu)設計時應確保部件重心與旋轉(zhuǎn)軸重合，避 免由于偏心產(chǎn)生的脈動負荷。 2、為降低斬波輪運轉(zhuǎn)時外載荷對運轉(zhuǎn)穩(wěn)定性的影響，結(jié)構(gòu)設計時應做 到在盡量降低部件重量的前提下，使部件具有較大的轉(zhuǎn)動慣量。 3、為減低軸承負荷，結(jié)構(gòu)設計時應盡可能使部件重位于兩軸承支承點 的中部。 4、合理設計加工精度的裝配精度要求，保證良好的工藝性和較低的生 產(chǎn)成本。 為了確保精確性，應對斬波片進行化學和消磁處理。本方案中斬波片采 用的材質(zhì)是半硬度的黃銅，并進行化學發(fā)黑處理20。 斬波輪主要組成零部件：輪盤，斬波