畢業(yè)設計高壓軟開關充電電源硬件設計

高壓軟開關充電電源硬件設計摘要電源對于所有用電設備是必不可少的。開關電源取消了傳統(tǒng)電源采用的笨重的工頻變壓器，使得電源的體積大大縮小。電源中的電力電子器件工作在開關狀態(tài)，使整機效率很高。由于它具有體積小、重量輕和效率高的優(yōu)點，因而發(fā)展非常迅速，應用范圍日益擴大。本文簡要介紹了開關電源的基本結構、工作原理以及其發(fā)展狀況和技術的發(fā)展趨勢，并對開關電源的分類和優(yōu)缺點進行了闡述。本文還介紹了減小開關電源體積和開關損耗的技術——軟開關技術。在前面知識的基礎上，本論文利用諧振開關技術設計了一臺給高壓脈沖電容充電的高壓軟開關電源。在諧振開關技術中最適合給脈沖電容充電的電路是串聯(lián)諧振開關電路,輸出近似為恒流源或稱“等臺階充電”,突出的優(yōu)點是充電效率高且電路本身具有短路保護能力。整個裝置利用DSP實現(xiàn)電路的控制、PWM信號形成及電路的保護。由于采用了全數(shù)字的控制,充電的穩(wěn)定度很高。裝置的開關頻率是20kHz,屬于高頻,因此使得每次開關所充的電量較小,這大大提高了充電的精度。關鍵詞開關電源；軟開關；充電High-pressuredSoftSwitchChargePowerSourceHardwareDesignAbstractThepowersupplyisessentialtoallequipment,whichuseselectricity.Theswitchingpowersupplyhascancelledtheconversiondepressorthattraditionalpowersourcesadopt,causingthevolumeofthepowersourcetoreducegreatly.Inpowersupply,electronicdeviceworksinsoftswitchcondition,sotheentireefficiencytobeveryhigh.Becausethevolumeissmall,theweightislightandtheefficiencyhighthusitdevelopsextremelyrapidly,theapplicationofthesoftswitchingpowersupplyexpandsdaybyday.Thisarticlebrieflyintroducedtheswitchingpowersupplybasicstructure,theprincipleofworkaswellasitsdevelopmentconditionandthetechnicaldevelopmenttendency.Inaddition,startedfromoppositedirectionsfolioturnsoffthepowersourcetheclassification,andthevirtuesanddefectshascarriedindetail.Thisarticlealsointroducedanewtechnical—softswitchtechnologywhichtheswitchingpowersupplyvolumeandtheswitchlosscanbeavoided.Infrontknowledgefoundation,presentpaperuseresonance-switchtechnicaldesignonetooforhigh-pressuredpulseelectriccapacitychargehigh-pressuresoftswitchingpowersupply.Thepulseelectriccapacitychargeintheresonantswitchtechnologytheelectriccircuitistheseriesresonanceswitchincircuits,Outputsisapproximateforthepermanentcurrentsourceorcalls"thestaircharge”.Theprominentmeritisthechargeefficiencyishighalsohasinherentlyshort-circuitstheprotectionability.Entirerealizestheelectriccircuitcontrol,thePWMsignalusingDSPformsandtheelectriccircuitprotection.Becauseithasusedentiredigitalcontrol,thechargestabilityisveryhigh.Theinstallmentturn-onfrequencyis20kHz,belongingtohighfrequency,thereforeeachtimetheswitchflushestheelectricquantityissmall,andthisincreasedthechargeprecisiongreatly.KeywordsSwitchingpowersupply;Softswitch;Charge目錄摘要 =1\*ROMANIAbstract =2\*ROMANII第1章緒論 11.1開關電源的發(fā)展狀況 11.2開關電源的技術發(fā)展趨勢 31.3本論文的研究目的 4第2章開關電源原理 52.1開關電源基本工作原理 52.2開關電源的分類 62.3關電源優(yōu)缺點 72.3.1開關電源的優(yōu)點 72.3.2開關電源的缺點 82.4軟開關技術簡介 92.4.1硬開關與軟開關 92.4.2軟開關的分類 102.5本章小結 12第3章高壓軟開關充電電源硬件設計 133.1主電路設計 133.1.1主要技術指標 133.1.2主電路選型 133.1.3電路的工作原理及方式 133.1.4主電路的各項參數(shù) 193.2控制及觸發(fā)電路的設計 223.2.1電壓電流檢測 223.2.2IGBT的驅(qū)動 223.2.3DSP的選擇 243.2.4PWM波的形成 273.3電路的理想波形 283.4本章小結 29結論 30致謝 31參考文獻 32附錄外文翻譯 33緒論開關電源的發(fā)展狀況開關電源屬于電力電子技術，他運用功率變換器進行電能變換，經(jīng)過變換電能，他可以滿足各種用電要求。開關電源是美國NASA用于宇宙火箭搭載電源目的而開發(fā)的。與線性電源相比開關電源具有體積小、重量輕、效率高的特點，被廣泛用于電視機、計算機、自動控制裝置、產(chǎn)業(yè)機械、通信裝置等各個領域。特別是隨著半導體技術的進步和信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，開關電源的需求量不斷擴大。隨著現(xiàn)代半導體技術的發(fā)展，尤其是高性能的全控器件的產(chǎn)生，開關電源迎來了一個生機勃勃的春天。1．發(fā)展史1955年美國的科學家羅耶首先研制成功了利用磁芯的飽和來進行自激振蕩的晶體管直流變換器。此后,利用這一技術的各種形式的晶體管直流變換器不斷地研制和涌現(xiàn)出來,從而取代了早期采用的旋轉式或機械振子式的壽命短、可靠性差、轉換效率低的換流設備。由于變換器中的功率開關管工作在開關狀態(tài),所以由此而制成的開關電源輸出的組數(shù)多、極性可變、效率高、體積小、重量輕,在當時被廣泛地應用于航天及軍事電子設備上。由于那時的微電子技術十分落后,不能制作出耐壓高、速度快、功率大的晶體管,所以這個時期的直流變換器只能采用低電壓輸入,并且轉換的速度也不能太高。60年代末,由于微電子技術的快速發(fā)展,高反壓的晶體管出現(xiàn)了,從此以后直流變換器就可以直接由市電經(jīng)整流濾波后輸入,不再需要有降壓變壓器了,從而極大地擴大了開關電源的應用范圍,并在此基礎上誕生了無工頻降壓變壓器開關電源,省掉了工頻降壓變壓器,使開關電源的體積和重量大為減小。開關穩(wěn)壓電源才真正做到效率高、體積小、重量輕。70年代以后,與該技術有關的高頻高反壓的大功率晶體管、場效應管、高頻電容、肖特基二極管、高頻磁芯材料等元器件也不斷地被研制和生產(chǎn)出來,使這一技術得到了飛速的發(fā)展,并且被廣泛地應用于計算機、通信、航天、彩色電視等領域中,從而使無工頻變壓器開關電源成為各種電源中的佼佼者[1]。2．目前正在克服的困難隨著半導體技術和微電子技術的高速發(fā)展,集成度高、功能強的大規(guī)模集成電路的不斷出現(xiàn),使得電子設備的體積在不斷地縮小,重量在不斷地減輕,所以從事這方面的研究和生產(chǎn)的人們對電源中的開關變壓器還感到不是十分理想,他們正致力于研制出效率更高、體積和重量更小的開關變壓器或通過別的途徑來取代它,使之能滿足電子儀器和設備微小型化的要求。這就是從事開關電源研究的科技人員目前正在克服的第一個困難。開關電源的效率是與開關管的變換速度成正比的,并且由于采用了開關變壓器以后,才能使之由一組輸入得到極性、大小各不相同的多組輸出。要進一步提高其效率,就必須提高其工作頻率。但是當頻率提高以后,對整個電路中的元器件又有了新的要求。例如:高頻電容、開關管、開關變壓器、儲能電感、快速整流二極管等都會出現(xiàn)新的問題。進一步研制出適應高頻工作的有關電路元器件是從事開關電源研制的科技人員要解決的第二個問題。線性電源中的功率調(diào)整管具有穩(wěn)壓和電子濾波的雙重作用,因而串聯(lián)線性電源不產(chǎn)生開關干擾,且輸出波紋電壓小。但是開關電源中的開關管是工作在開關狀態(tài),所以就會產(chǎn)生尖峰干擾和諧振干擾。這些干擾就會污染市電電網(wǎng),影響鄰近的電子儀器和設備的正常工作。隨著開關電源電路和抑制干擾措施的不斷增加和完善,它的這一缺點得到了進一步的克服,可以達到不妨礙一般電子儀器和設備正常工作的程度。但在一些精密電子儀器中,由于這一缺點,卻使開關電源不能得到應用。所以,克服這一缺點,進一步提高開關電源的使用范圍是從事開關電源研制人員要解決的第三個問題。目前,在開關電源方面急需解決的最后一個問題,是開關管的二次擊穿問題。要解決這一問題,首先要將其產(chǎn)生的原因分析清楚,而目前人們對此還沒有完全掌握,還只能從“熱點”的角度進行解釋,所以這方面還需人們?nèi)プ龃罅康难芯亢吞剿鞴ぷ鳌?.國內(nèi)發(fā)展概況我國的晶體管直流變換器及開關電源研制工作開始于60年代初,到60年代中進入了實用階段,70年代初開始研制無工頻降壓變壓器開關電源。1974年研制成功了工作頻率為10kHz、輸出電壓為5V的無工頻降壓變壓器開關電源。近10多年來,我國的許多研究所、工廠和高等院校已研制和生產(chǎn)出了多種型號的工作頻率為20kHz左右,輸出功率在1000W以下的無工頻降壓變壓器開關電源,并應用于計算機、通信、電視等方面,取得了較好的效果。工作頻率為100～200kHz的高頻開關電源于80年代初就已開始試制,90年代初試制成功。目前正在走向?qū)嵱煤驮龠M一步提高工作頻率階段。許多年來,雖然我國在這方面投入了大量的人力和物力,做出了巨大的努力,并取得了可喜的成就,但是,目前我國的開關電源技術與世界上先進的國家相比仍有較大的差距。此外,近幾年來我國雖然把無工頻變壓器開關電源的工作頻率從數(shù)十kHz提高到數(shù)百kHz,把輸出功率由數(shù)十W提高到數(shù)百W甚至數(shù)千W,但是,由于我國半導體技術與工藝跟不上時代的發(fā)展,導致我們自己生產(chǎn)出的無工頻變壓器開關電源中的開關管大部分采用的仍是進口的晶體管。所以我國的開關電源事業(yè)要發(fā)展,要趕超世界先進水平,最根本和最關鍵的問題是如何提高和改進我國的半導體器件技術和制作工藝[2]。1.2開關電源的技術發(fā)展趨勢1.小型化由于電源小型花的關鍵是高頻化，因此國外目前都在致力于同步開發(fā)新型元器件，特別是改善二次整流的損耗，變壓器電容器小型化，同時采用SMT技術在電路板兩面布置元器件以確保開關電源的輕、小、薄。2.高效率開關電源高頻化使傳統(tǒng)的PWM開關（硬開關）功耗加大，效率降低，噪聲也提高了，達不到高頻、高效的預期效益，因此實現(xiàn)零電壓導通、零電壓關斷的軟開關技術將成為開關電源產(chǎn)品未來的主流。采用軟開關技術可使效率達到85%～88%。據(jù)悉，美國VICOR開關電源公司設計制造了多種ECZ軟開關DC/DC變換器，其最大輸出功率有800W、600W、300W等，相應的功率密度為6.2、10、17W/cm，效率為80%～90%；日本Nemic-Lambda公司日前推出一種采用軟開關技術的高頻開關電源模塊RM系列，開關頻率為200～300kHz，功率密度27W/cm，用同步整流器（即用MOS—FER代替肖特基二極管）是整個電路效率提高到90%。3.高可靠開關電源使用的元器件比連續(xù)工作電源多數(shù)十倍，因此降低了可靠性。追求壽命的延長要從設計方面著手，而不是從使用方面著想。美國一公司通過降低節(jié)溫、減少器件的電應力、降低運行電流等措施使其DC/DC開關電源系列產(chǎn)品的可靠性大大提高，產(chǎn)品的MTBF高達100萬時以上。4.模塊化可以用模塊電源組成分布式電源系統(tǒng)；可以設計成N+1冗余電源系統(tǒng)，從而提高可靠性；可以做成插入式，實現(xiàn)熱交換，從而在運行中出現(xiàn)鼓掌時能高速更換模塊插件；多臺模塊并聯(lián)可實現(xiàn)大功率電源系統(tǒng)。此外，還可以在電源系統(tǒng)建成后，根據(jù)發(fā)展需要不斷擴充容量。5.低噪聲開關電源的又一缺點是噪聲大，單純追求高頻化，噪聲也隨之增大，采用部分諧振轉換回路技術，在原理上既可以高頻化，又可以低噪聲。但諧振轉換技術也有其難點如果很難準確的控制開關頻率，諧振時增大了器件負荷、場效應管的寄生電容易引起短路損耗、元件熱應力轉向開關管等問題難以解決。日本把變壓器設計成一二次分離阻燃密封，自身具備對付噪聲功能的共模無噪聲隔離變壓器，既節(jié)省了噪聲濾波器，又減少了噪聲。6.抗電磁干擾（EMI）當開關電源在高頻下工作時，其噪聲通過電源線產(chǎn)生對其他電子設備的干擾，世界各國已經(jīng)有了抗EMI的規(guī)范或標準。7.電源系統(tǒng)的管理和控制應用微處理器或微機集中控制與管理，可以及時反映開關電源環(huán)境的各種變化，中央處理單元實現(xiàn)智能控制，可自動診斷故障，減少維護工作量，確保正常運行。8.計算機輔助設計（CAD）利用計算機對開關電源進行CAD設計和模擬試驗十分有效，是最為快速經(jīng)濟的設計方法。9.產(chǎn)品更新加快目前的開關電源產(chǎn)品要求輸入電壓通用（適用世界各國電網(wǎng)電壓規(guī)范），出電壓規(guī)范擴大（如計算機和工作站需要增加3.3V這一電壓）、輸入端功率因數(shù)進一步提高，并具有安全、過壓保護等方面的功能[3]。1.3本論文的研究目的本論文是結合當前開關電源的發(fā)展趨勢，以及今后將從事電源設計與制造工作的需要而完成的。通過完成本論文作者希望完成以下目的：1．在系統(tǒng)學習開關電源原理的基礎上，自己獨立設計一臺充電電源，了解開關電源的主要設計過程及其相關方法；2．在整個過程中不斷學習、消化、掌握各種類型開關電源的主要特點和性能，重點掌握減小開關損耗的方法——軟開關技術；3．在設計過程中掌握開關電源的整體系統(tǒng)結構，主電路、觸發(fā)電路、檢測電路、輸入/輸出電路、保護電路和整體的控制電路；4．通過對開關電源的理論學習和實踐經(jīng)驗，了解電源的應用前景和發(fā)展趨勢，從而明確自己今后努力的方向，爭取在電源的設計和制造等工作中加以應用。開關電源原理開關電源基本工作原理開關K以一定的頻率重復的接通或斷開。在開關K接通時，輸入電源通過開關K和濾波電路向負載提供能量；當開關K斷開時，輸入電源便中斷了能量的供給。開關電源的示意圖如圖2-1所示。為了使負載能夠得到連續(xù)的能量，開關電源就必須有一套儲能裝置，以便在開關K接通時將一部分能量儲存起來，當開關K斷開后再將儲存的能量提供給負載。圖2-1中的電感L、電容C和二級管D組成的電路就具有這樣的功能。當開關K接通時，電感L用以儲存能量，開關K斷開時，儲存在電感L中的能量通過二級管D釋放給負載，從而使負載得到連續(xù)而又穩(wěn)定的能量。當電子開關K按一定的頻率開關時，導通時間越長，輸出電壓越高；導通時間越短，輸出電壓越低。通常，開關電源就是這樣在開關頻率一定的情況下，通過調(diào)整開關時間的長短?？刂戚敵鲭妷旱母叩汀Ｄ壳?，也有的開關電源采用開關時間長短恒定，通過改變開關頻率來改變輸出電壓的高低。圖2-1開關電源示意圖開關電源的形式有很多種，其中尤其以脈沖寬度調(diào)制型（PWM）最為盛行，現(xiàn)在就以此種形式的開關電源介紹以下開關電源的工作原理。采用PWM技術的開關電源原理機構如圖2-2所示，從電網(wǎng)將能量傳遞給負載的回路稱為主回路，其余稱為控制回路。工頻電網(wǎng)交流電壓經(jīng)過輸入整流濾波電路，得到高波紋未調(diào)直流電壓，在經(jīng)功率轉換電路，變換成符合要求的矩形波脈動電壓，最后經(jīng)過整流濾波電路將其平滑成連續(xù)的低波紋直流電壓。圖2-2PWM方式開關電源框圖控制回路在提供高壓開關T管基極驅(qū)動脈沖的同時，需要完成輸出電壓穩(wěn)壓的控制，而且還必須能對電源或負載提供保護。它通常由檢測比較放大電路、電壓-脈沖寬度轉換電路（V/W電路）、時鐘震蕩電路，以及自用電壓源等基本電路構成。對于PWM方式而言，將頻率固定的震蕩源稱為時鐘震蕩器，這種電源利用檢測電路反映輸出電壓值，通過和給定參考電壓比較并產(chǎn)生誤差信號，在經(jīng)過V/W電路調(diào)制脈沖寬度——調(diào)節(jié)輸出電壓。例如，由于某種原因（負載電流減小或電網(wǎng)電壓上升）使高頻變壓器副邊輸出電壓的平均值增大，電源輸出電壓也將隨之提高，反饋檢測電路將提高了輸出電壓和基準電壓進行比較，并產(chǎn)生負積極性的誤差電壓，V/W電路根據(jù)該誤差電壓及時減小輸出脈寬，這樣使輸出電壓平均值減小，接近原來的數(shù)值，從而實現(xiàn)穩(wěn)壓的作用。開關電源的分類在電子技術和應用飛速發(fā)展的今天,對電子儀器和設備的要求是,在性能上更加安全可靠,在功能上不斷增加,在使用上自動化程度要越來越高,在體積上日趨小型化。這使采用具有眾多優(yōu)點的開關電源就顯得更加重要。所以,開關電源在計算機、通信、航天、彩電等方面都得到了越來越廣泛的應用,發(fā)揮了巨大的作用,這大大促進了開關電源的發(fā)展,從事這方面研究和生產(chǎn)的人員也在不斷地增加,開關電源的品種和類型也越來越多。常見的開關電源的分類方法有下列幾種:1.按激勵方式劃分分為他激式和自激式。他激式開關電源電路中專設激勵信號振蕩器；自激式開關功率管兼作振蕩管。該形式的開關電源電路結構簡單,元器件少,可以做成低成本的開關電源。2.按調(diào)制方式劃分分為脈寬調(diào)制型、頻率調(diào)整型和混合調(diào)整型。脈寬調(diào)制型保持振蕩頻率保持不變,通過調(diào)節(jié)脈沖寬度來改變輸出電壓的大?。活l率調(diào)整型保持占空比保持不變(脈沖寬度保持不變),通過改變振蕩頻率來改變輸出電壓大??；混合調(diào)整型是脈沖寬度和振蕩頻率均可進行調(diào)節(jié)的開關電源。3．按開關管電流的工作方式劃分分開關型和諧振型。開關型用開關晶體管把直流變成高頻標準方波,其電路形式類似于他激式；諧振型用開關晶體管與LC諧振回路將直流變成標準正弦波,其電路形式類似于自激式開關電源。4．按開關晶體管的類型劃分分為晶體管型和可控硅型。晶體管型采用晶體管(包括場效應管)作為開關功率管；可控硅型采用可控硅作為開關功率管。這種電路的特點是直接輸入交流電壓,不需要一次整流部分。5．按儲能電感與負載的連接方式劃分分串聯(lián)型和并聯(lián)型。串聯(lián)型儲能電感串聯(lián)在輸入與輸出電壓之間；并聯(lián)型儲能電感并聯(lián)在輸入與輸出電壓之間。6．按晶體管的連接方法劃分分為單端式、推挽式、半橋式和全橋式。單端式僅使用一個晶體管作為電路中的開關管。這種電路的特點是價格低、電路結構簡單,但輸出功率不能提高；推挽式使用兩個功率開關管,將其連接成推挽功率放大器的形式。這種電路的特點是可以工作在電源電壓較低的場合,一般逆變器多采用這種形式的電路,但它的缺點是開關變壓器的初級必須具有中心抽頭；半橋式使用兩個功率開關管,將其連接成半橋形式。它的特點是適應于輸入電壓較高的場合；全橋式使用四個功率開關管,將其連接成全橋的形式。它的特點是輸出功率較大。7．按電路結構劃分分為散件式和集成電路式。散件式整個開關電源電路都是采用分立式元器件組成的。這種電路的缺點是電路結構較為復雜；集成電路式整個開關電源電路或電路的一部分是由集成電路組成的。這種集成電路通常被稱為厚膜電路,有的厚膜集成電路中包括功率開關管,有的則不包括。這種形式的電源的特點是電路結構簡單、調(diào)試方便、可靠性高。這種電路被廣泛地應用于彩色電視中。以上五花八門的開關電源品種都是站在不同的角度,以開關電源不同的特點命名和劃分的。不論是激勵方法、輸出直流電壓的調(diào)節(jié)手段、儲能電感的連接方法、功率開關管的器件種類以及串并聯(lián)結構,還是其他的電路形式,它們最后總可以歸結為串聯(lián)型和并聯(lián)型開關電源這兩大類[4]。開關電源優(yōu)缺點開關電源的優(yōu)點1．功耗小、效率高開關電源結構原理方框圖中的晶體管在激勵信號的驅(qū)動下,其工作狀態(tài)處于導通—截止和截止—導通的開關狀態(tài),轉換速度很快,頻率一般為50kHz左右。在一些技術先進的國家,可以做到幾百或者上千kHz。晶體管V飽和導通時,雖然電流較大,但管壓降很小;截止斷開時,雖然管壓降很大,但通過的電流幾乎為零。這就使得開關晶體管V在其整個工作過程中的功耗很小,電源的效率可以大幅度地提高。2．體積小、重量輕沒有了笨重的工頻降壓變壓器。由于調(diào)整管上的耗散功率大幅度地降低,因而省去了體積和重量都較大的散熱片。由于這兩方面的原因,故開關電源的體積小、重量輕。3．穩(wěn)壓范圍寬開關電源的輸出電壓是通過激勵信號的占空比來調(diào)節(jié)的,輸入電壓的波動變化,可以通過改變占空比的方式來進行補償,這樣在輸入電壓變化或波動較大時,它仍能保證有較穩(wěn)定的輸出電壓。所以,開關電源的穩(wěn)壓范圍很寬,穩(wěn)壓效果較好。此外,改變占空比的方法有脈寬調(diào)制型、頻率調(diào)制型和混合調(diào)制型三種。這樣開關電源不僅具有穩(wěn)壓范圍寬的優(yōu)點,而且實現(xiàn)穩(wěn)壓的方法也較多較靈活,設計人員可以根據(jù)實際應用的需要和要求,靈活選用各種形式的穩(wěn)壓方法。4．濾波效率高,不需要較大容量的濾波電容開關電源的工作頻率目前基本上是工作在50kHz左右,是線性電源的1000倍,這使整流后的濾波效率幾乎也提高了1000倍。就是采用半波整流后加電容濾波,效率也提高了500倍。在相同波紋輸出電壓的要求下,采用開關電源時,濾波電容的容量只是線性電源中濾波電容容量的1/500～1/1000。濾波電容容量減小以后,整個電源的體積和重量也相應地有所減小。5．電路形式靈活多樣例如：有自激式和他激式；有調(diào)寬型和調(diào)頻型;有單端式和雙端式;有開關元件為晶體管式和開關元件為可控硅式等等。設計者可以發(fā)揮各種類型電路的特長,設計出能滿足各種不同應用場合的開關電源。開關電源的缺點開關電源最為突出的缺點就是開關干擾較為嚴重。開關電源中的開關功率管是工作在開關狀態(tài)下,它產(chǎn)生的交流電壓和電流會通過電路中的其他元器件產(chǎn)生尖峰干擾和諧振干擾,這些干擾如果不采取一定的措施進行抑制、消除、屏蔽和隔離,就會嚴重地影響整機的正常工作。此外,由于開關電源中沒有了工頻降壓變壓器的隔離,振蕩器所產(chǎn)生的高頻干擾如果不加以消除,就會串入工頻電網(wǎng),使附近的其他電子儀器、設備和家用電器受到嚴重的干擾。目前,由于國內(nèi)微電子技術、阻容器件生產(chǎn)技術以及磁性材料技術與一些技術先進的國家還有一定的差距,因此開關電源的造價不能進一步降低,也影響到可靠性的進一步提高。所以,在我國的電子儀器以及機電一體化儀器中,開關電源還不能得到普及使用。特別是無工頻變壓器開關電源中的高壓電容、高反壓大功率開關管、開關變壓器的磁性材料等元件,我國還處于研究和開發(fā)階段。一些先進的國家,雖然有了一定的發(fā)展,但是在實際應用中還存在一些問題,不能令人十分滿意。這就暴露出了開關電源的又一個缺點,那就是電路結構復雜、故障率高、維修麻煩、成本高。對此,如果設計者和制造者不予以充分重視,則會直接影響開關穩(wěn)壓電源的推廣應用。軟開關技術簡介硬開關與軟開關現(xiàn)代電力電子裝置的發(fā)展趨勢是小型化、輕量化，同時對裝置的效率和電磁兼容性也提出了更高的要求。通常，濾波電感、電容和變壓器在裝置的體積和重量中占很大比例。因此必須設法降低他們的體積和重量，才能達到裝置的小型化、輕量化。從“電路”的有關知識中可以知道，提高工作頻率可以減少變壓器各繞組間的匝數(shù)，并減小鐵心的體積，從而使變壓器小型化。因此裝置小型化、輕量化的直接途徑就是電路的高頻化。但在提高開關頻率的同時，開關損耗也會隨之增加，電路效率嚴重下降，電磁干擾也增大了，所以簡單的提高開關頻率是不行的。（a）硬開關的開通過程（b）硬開關的關斷過程圖2-3硬開關的開關過程針對這些問題出現(xiàn)了軟開關技術，他利用以諧振為住的輔助換流手段，解決了電路中的開關損耗和開關噪聲問題，使開關頻率可以大幅度提高。在很多電路中，開關元件在電壓很高或電流很大的條件下，在門極的控制下開通或關斷，起典型的開關過程如圖2-3所示。開關過程中電壓、電流均不為零，出現(xiàn)了重疊，因此導致了開關損耗。而且電壓和電流的變化很快，波形出現(xiàn)了明顯的過沖，這導致了開關噪聲的產(chǎn)生。具有這樣的開關過程的開關稱為硬開關。在硬開關過程中會產(chǎn)生較大的開關損耗和開關噪聲。開關損耗隨著頻率的增加，使電路效率下降，阻礙了開關頻率的提高；開關噪聲給電路帶來嚴重的電磁干擾問題，影響周邊電子設備的工作。通過在原來的開關電路中增加很小的電感，電容等諧振元件，構成輔助換流網(wǎng)絡，在開關過程中引入諧振過程，開關開通前電壓降為零，或關斷前電流降為零，就可以消除開關過程中電壓、電流的重疊，降低他們的變化率，從而大大減小甚至消除損耗和開關噪聲，這樣的電路稱為軟開關電路。軟開關電路中典型的開關過程如圖2-4所示。具有這樣開關過程的開關稱為軟開關。開關損耗理論上為零[5]。（a）軟開關的開通過程（b）軟開關的關斷過程圖2-4軟開關的開關過程軟開關的分類根據(jù)電路中主要開關元件是零電壓開通還是零電流關斷，可以將軟開關電路零電壓電路和零電流電路兩大類。通常，一種開關電路要么屬于零電壓電路，要么屬于零電流電路。但在有些情況下，電路中有多個開關，有些開關工作在零電壓的條件下，而另一些開關工作在零電流的條件下。根據(jù)軟開關技術的發(fā)展歷程可以將軟開關電路分成準諧振電路、零開關PWM電路和零轉換PWM電路。下面分別介紹上述三類軟開關電路。1.準諧振電路這是最早出現(xiàn)的軟開關電路，其中有些現(xiàn)在還在大量使用。準諧振電路可分為(1)零電壓開關準諧振電路；(2)零電流開關準諧振電路；(3)零電壓開關多諧振電路；(4)用于逆變器的諧振直流環(huán)電路。2.零開關PWM電路這類電路中引入了輔助開關來控制諧振的開始時刻，使諧振僅發(fā)生與開關過程前后。零開關PWM電路可以分為1）零電壓開關PWM電路；2)零電流開關PWM電路和準諧振電路相比，這類電路有很多明顯的優(yōu)勢：電壓和電流基本上是方波，只是上升沿和下降沿較緩，開關承受的電壓明顯降低，電路可以采用開關頻率固定的PWM控制方式。[5]這兩種電路的基本開關單元如圖2-5。(a)零電壓開關PWM基本開關單元(b)零電流開關PWM基本單元圖2-5零開關PWM電路的基本開關單元3.零轉換PWM電路這類軟開關電路還是采用輔助開關控制諧振時刻的開始時刻，所不同的是，諧振電路是與主開關并聯(lián)的，因此輸入電壓和負載電流對電路諧振過程的影響很小，電路在很寬的輸入電壓輸入范圍內(nèi)并從零負載到滿載都能工作在軟開關狀態(tài)。而且電路中無功功率的交換被削減到最小，使這種電路的效率進一步提高。零轉換電路可分為：(1)零電壓轉換PWM電路；(2)零電流轉換PWM電路?；鹃_關單元如圖2-6。(a)ZVTPWM開關單元(b)ZCTPWM開關單元圖2-6零轉換PWM電路的基本開關單元本章小結本章簡要介紹了開關電源的工作原理，并從多方面闡述了開關電源的詳細分類。討論了開關電源在應用中的優(yōu)點和不足。本章還簡要介紹了軟開關技術以及軟開關和傳統(tǒng)的硬開關之間的不同，指出軟開關是實現(xiàn)開關電源高頻化、小型化和輕量化的理想途徑。高壓軟開關充電電源硬件設計主電路設計主要技術指標1．輸入電壓220V交流，輸出充電電壓0～2400V，直流；2．負載電容容量3133uF；3．輸出電流2安培直流；電源容量5kW；4．開關頻率20kHz，諧振頻率40kHz；5．電流檢測與電壓檢測；6．用DSP實現(xiàn)PWM控制。主電路選型在諧振開關技術中最適合脈沖電容充電的電路是串聯(lián)諧振開關電路,輸出近似為恒流源或稱“等臺階充電”,突出的優(yōu)點是充電效率高且具有固有短路保護能力[6]。其主電路如圖3-1所示。由于電源功率大，采用全橋型電路，高頻變壓器的副邊也采用二極管整流橋進行整流。圖3-1電容充電電源主電路示意圖圖中為串聯(lián)諧振電感(含變壓器漏感和線路分布電感);為串聯(lián)諧振電容。其工作原理和具體參數(shù)將在下面給出。電路的工作原理及方式直流電壓（由市電經(jīng)過整流得到）經(jīng)過逆變電路逆變?yōu)轭l率很高的方波交流電，此高頻方波交流電在經(jīng)高頻變壓器生壓后，由二極管整流橋整流輸出穩(wěn)定的直流電流，向電容C進行充電。設為IGBT的開關頻率，為諧振頻率。串聯(lián)諧振變換器按大小有3種工作方式：1．方式一(</2)電流斷續(xù)工作,此方式下開關損耗低且干擾小,可實現(xiàn)開通時電流緩慢增加,關斷時為零電流關斷；2．方式二(/2<<)電流連續(xù)工作,可實現(xiàn)零電流關斷。但開通時,同一橋臂上的兩個開關管存在強迫換流,故開關損耗較大,干擾大；3．方式三(>)電流連續(xù)工作,零電壓開通和硬關斷,開關損耗和干擾較大。因線路存在電感,斷時產(chǎn)生的電壓尖峰較高,極易損壞開關器件[7]。現(xiàn)在以圖3-2的電路來分析一下串聯(lián)負載DC—DC變換器的這三種運行方式。（a）串聯(lián)負載DC/DC變換電路（b）等效電路圖3-2串聯(lián)負載DC/DC變換電路及等效電路由圖可知，電感和電容形成串聯(lián)諧振，并與負載串聯(lián)，經(jīng)過諧振的電流在負載端被全波整流。輸出端的濾波電容C足夠大，可以認為電容C兩端電壓是沒有波紋的直流電壓。為了簡化分析，假定諧振電路中的電阻損耗可以忽略不計，輸出電壓可以反射到整流橋的輸入端，以表示，如果為正，，為負，。若開關T+導通，電流為正時流經(jīng)T+，反之，流經(jīng)二極管D-。與此類似，為負時，若開關T-導通，電流流經(jīng)T+；反之流經(jīng)二極管D+。因此，對圖3-2（a）來說，可有如下四種狀態(tài)：1.當>0時T+導通:=+，；D-導通:=，。2.當<0時T-導通:=，；D+導通:=+，。諧振槽上的電壓取決于電流的方向以及哪個開關器件導通。上述方程所描述的狀態(tài)可以用圖3-2（b）所示等效電路來表示。應該注意，使用這個等效電路時應按不同的時間間隔來計算。在每種時間間隔內(nèi)，要確定其出使條件，并把和看作一個直流電壓。在穩(wěn)態(tài)對稱運行時，兩個開關器件的工作狀態(tài)是相同的，與此相似，兩個二極管的工作狀態(tài)也是相同的，因此只要對半個運行周期進行分析即可知道整個周期的狀態(tài)，因為另外半個周期的運行狀態(tài)與此對稱。此串聯(lián)諧振電路的開關頻率由電路中的開關器件來控制，它可以比諧振頻率低，也可以比諧振頻率高。根據(jù)和的不同比值，電流有連續(xù)和不連續(xù)之分，起運行狀態(tài)可分為下面的三種情況。3.1.3.1斷續(xù)導通(</2)應用諧振方程可計算出電流和電壓的穩(wěn)態(tài)波形，如圖3-3所示。在時刻，開關T+開通，電感電流從零開始建立，電容電壓的初始值為，電流和電壓在各區(qū)間的等效電路示于圖3-3中。在時刻，滯后180°，電感電流開始反向。因為開關T-尚未開通，電流只能流經(jīng)二極管D+，向電源回饋能量。在之后的180度內(nèi)，峰值電流較小。當達到零之后，如果電路中開關器件未開通，電流一直為零。由于電路中電流、電壓是對稱運行的，在斷續(xù)期間，電容電壓等于2，相對于為負值。因為，以電流成為斷續(xù)狀態(tài)在時刻，開關T-開通，下半周開始工作，其電流電壓波形前相同，但極性相反。電路的開關頻率可從T+兩次開通為一個周期來計算。由圖可知，開關頻率小于諧振頻率的一半，也就是說一個開關周期內(nèi)，諧振電流已震蕩兩次，另外還有兩段停止工作時間。開關頻率的半個周期超過了諧振電流的360°，所以</2，被整流的電感電流等于輸出直流電流，負載電壓為。圖3-3電流斷續(xù)運行3.1.3.2.連續(xù)導通(/2<<)圖3-4為/2<<時，諧振電流連續(xù)運行狀態(tài)的波形圖。圖3-4電流連續(xù)運行由圖可知，開關T+在處開通。開通條件不是零電流和零電壓條件，開關T+導通時間小于180°。在處反向，電流流經(jīng)二極管D+，于是開關T+自然關斷，在處，T—開通，電流從二極管D+轉向開關T-。與斷續(xù)運行相比，因為開關T-提前開通，所以D+導通時間也小于180度。這種狀態(tài)運行，開關不是在零電壓和零電流條件下開通，所以產(chǎn)生了開通損耗。此外，為了避免對開關有過大的反向峰值電流和過大的二極管損耗，二極管必須有良好的反向恢復特性。例如，在處，開關T-開通時，原來導通的二極管D+不能立即關斷，于是通過D+的反向電流會給正在開通的T-開關增加了電流負擔。因為電感電流經(jīng)過開關過零，而且經(jīng)續(xù)流二極管反向，所以開關是在零電流、零電壓條件下自然關斷的。3.1.3.3.連續(xù)導通(>)這種運行狀態(tài)與以前討論的連續(xù)導通狀態(tài)有所不同，當/2<<時，電流是連續(xù)的，其開關自然關斷，但開通并非零電流條件。當>時，電流也是連續(xù)的，開關的關斷是強迫關斷，開通具有零電流和零電壓條件。圖3-5電流連續(xù)>圖3-5示出了>時的電路波形。由圖可知，T+開關在零電流條件下與處開通，且開始反向。在處，震蕩電流未達到零之前，開關T+被強迫關斷，正向電流被迫經(jīng)二極管D-流通。此時加在諧振槽的電壓為較大的負電壓，所以流經(jīng)二極管D-的電流很快在處減小為零。此后，電流反向，當二極管D-開始反向?qū)〞r，開關T-立即開通。開關T-關斷之后，二極管D+導通。開關T+和二極管D-的導通時間為開關頻率的半個周期，此半個周期小于諧振頻率的半個周期。三種方式中,方式一在絕緣柵雙極晶體管(IGBT)開通和關斷時損耗都最小,被選作恒流充電電源的工作方式，其工作時諧振電流波形見圖3-6。忽略圖放電保護電路的影響,設為電容電壓折算至變壓器原邊的電壓,則理想情況(輸入電壓恒定,變壓器及半導體器件為理想器件)下:在期間在期間充電電流平均值==（3-1）由上式可見,在諧振參數(shù)和輸入電壓一定時,充電電流與開關頻率成正比。開關頻率恒定,則充電電流恒定。充電電流與負載電壓無關,因而具有較強的抗負載短路能力[8]。圖3-6諧振電感電流波形主電路的各項參數(shù)3.1.4.1諧振參數(shù)充電電路的系統(tǒng)結構見圖3-7。圖3-7系統(tǒng)結構圖圖中R1、R2、D1為放電保護電路;為串聯(lián)諧振電感(含變壓器漏感和線路分布電感);Cr為串聯(lián)諧振電容。因，負載電容的影響可忽略不計。故有式中n為變壓器變比，為諧振頻率，為諧振周期，為開關頻率，為開關周期[9]?，F(xiàn)已確定開關頻率=20kHz。由220V交流電通過二極管直接得到，其值為311V。由于電路將工作在方式一下，即</2，所以諧振頻率要要略大于40kHz。即>40Hz取高頻變壓器變比n=15；變壓器原邊電壓為311V方波電壓供電，其基波有效值198V；取26.4H，C取0.6F。這樣有=41.1Hz=6.63輸出電流按式（3-1）計算：==1.99A充電電流基本符合要求。3.1.4.2輸入整流如圖3-8，為了使電路給逆變器提供一個穩(wěn)定的電壓，輸入整流段需進行變壓器隔離和濾波，且在電流輸入端設置一熔斷器，為電源提供保護，防止電流過大而損害設備。圖3-8輸入整流電路3.1.4.3輸出整流由于功率大，輸出整流采用橋式整流電路。但由于輸出電壓較高，將超過單個二極管所承受的最高反向電壓，為安全起見，下圖3-9中的每個二極管將由三個二極管串聯(lián)起來一起使用，并選用快恢復二極管。圖3-9輸出整流電路3.1.4.4逆變參數(shù)在主電路中，IGBT選擇富士電機公司的2MBI175N-120，電流控制電路如圖3-10，其具體參數(shù)和電路見表3-1。圖3-10IGBT電流控制電路表3-1IGBT具體參數(shù)項目符號額定值單位集電極電壓1200V門極電壓V集電極電流連續(xù)75A1ms脈沖150A連續(xù)-75A1ms-脈沖150A最大能量消耗600W工作溫度+150℃存儲溫度-40到+125℃絕緣電壓交流2500（1分鐘）V調(diào)節(jié)扭矩裝備13.5接線端13.5控制及觸發(fā)電路的設計電壓電流檢測如圖3-7所示，電路的控制及觸發(fā)信號的產(chǎn)生均由DSP芯片產(chǎn)生。電路的控制很簡單，在DSP檢測到充電電容的電壓達到要求值后，關斷IGBT的驅(qū)動信號即可。其檢測信號由霍爾電壓傳感器來完成。霍爾電壓傳感器把檢測到的電壓信號經(jīng)過A/D轉換器輸入到DSP內(nèi)，DSP把進來的電壓信號與設定的信號進行比較，當電壓信號大于設定值時發(fā)出控制信號，關斷PWM波輸出。圖3-11霍爾傳感器端子說明：IN+：輸入電壓正；IN–：輸入電壓負；+：正電源；-：負電源；M：輸出端；⊥：公共地。霍爾傳感器的輸出端M接A/D轉換器，把數(shù)字信號轉換為電壓信號輸入給DSP[10]。輸出電流也采用霍爾電流傳感器采集信號，為DSP提供控制信號和保護信號.IGBT的驅(qū)動IGBT的驅(qū)動信號充分利用了DSP的功能，DSP產(chǎn)生PWM驅(qū)動信號，但此PWM信號的驅(qū)動能力較差，不能直接驅(qū)動IGBT。DSP的驅(qū)動信號需經(jīng)放大信號放大在進行驅(qū)動。在此選富士電機公司的EXB841做為IGBT的驅(qū)動器。EXB840（841）是高速型（最大40kHz運行），其內(nèi)部電路框圖如圖3-12所示。它為直插式結構，額定參數(shù)和運行條件可參考其使用手冊。圖3-12EXB系列集成驅(qū)動器的內(nèi)部結構框圖EXB系列驅(qū)動器的各引腳功能如下：腳1：連接用于反向偏置電源的濾波電容器；腳2：電源（＋20V）；腳3：驅(qū)動輸出；腳４：用于連接外部電容器，以防止過流保護電路誤動作（大多數(shù)場合不需要該電容器）；腳5：過流保護輸出；腳6：集電極電壓監(jiān)視；腳7、8：不接；腳9：電源；腳10、11：不接；腳14、15：驅(qū)動信號輸入（—，＋）[11]。由于本系列驅(qū)動器采用具有高隔離電壓的光耦合器作為信號隔離，因此能用于交流380V的動力設備上。IGBT通常只能承受10s的短路電流，所以必須有快速保護電路。EXB系列驅(qū)動器內(nèi)設有電流保護電路，根據(jù)驅(qū)動信號與集電極之間的關系檢測過電流，其檢測電路如圖3-13（a）。所示。當集電極電壓高時，雖然加入信號也認為存在過電流，但是如果發(fā)生過電流，驅(qū)動器的低速切斷電路就慢速關斷IGBT，從而保證1GBT不被損壞。如果以正常速度切斷過電流，集電極產(chǎn)生的電壓尖脈沖足以破壞IGBT，關斷時的集電極波形如圖3-13(b)所示。IGBT在開關過程中需要一個+15V電壓以獲得低開啟電壓，還需要一個-5V關柵電壓以防止關斷時的誤動作。這兩種電壓（＋15V和-5V）均可由20V供電的驅(qū)動器內(nèi)部電路產(chǎn)生，如圖3-13(C)所示。a)過電流檢測器b）關斷時集電極電流波形c）柵極電壓產(chǎn)生圖3-13過電流檢測及相關電流波形DSP的選擇目前市場上DSP品種繁多，數(shù)不勝數(shù)，僅是大的DSP生產(chǎn)廠家就有TI公司、Lucent.、T&T、AD、Motorola等公司，其中TI公司被公認為DSP領域的技術領導者和開拓者。本課題決定采用TI公司專為數(shù)字電機控制而設計的TMS320F240芯片。它采用CMOS集成電路技術。與所有的TMS320F2xx系列一樣，F(xiàn)240芯片具有高性能運算能力的16位定點DSP內(nèi)核和高效的指令集。通過把一個高性能的DSP內(nèi)核和微處理器的片內(nèi)外圍設備集成為一個芯片的方案，F(xiàn)240成為傳統(tǒng)的徽處理器和昂貴的多片設計的一種廉價的替代品。每秒2k萬條指令的處理速度，使F240DSP控制器可以遠遠超過傳統(tǒng)的16位微控制器和微處理器的性能。F240器件的16位定點DSP內(nèi)核為模擬系統(tǒng)的設計者提供了一個不犧牲系統(tǒng)精度和性能的數(shù)字解決方案。TMS320F240外型見圖3-14。TMS320F24具有一個32位的中央算術邏輯單元和累加器。CALU具有獨立的算術單元和輔助寄存器算術單元，執(zhí)行一系列的算術和邏輯運算。乘法部分由乘法器、乘積寄存器(PREG)。暫存寄存器(TREG)和乘積移位器四部分組成。高速乘法器使F240可以高效地完成卷積、相關和濾波等數(shù)字信號處理中的基本運算。在將乘積寄存器的值送入CALU之前，乘積移位器將對乘積寄存器值進行定標操作。TMS320F240還包含輔助寄存器算術單元。這類算術單元獨立于CALU。ARAU的主要功能是對8個輔助寄存器(從AR0到AR7)執(zhí)行算術操作，該操作可與CALU中的操作并行進行。為加強信號處理能力，TMS320F240采用改進的哈佛結構，即獨立的程序和數(shù)據(jù)存儲空間和總線結構。程序總線傳輸程序存儲空間內(nèi)的指令代碼和立即操作數(shù)，數(shù)據(jù)總線將數(shù)據(jù)存儲空間與CALU。輔助寄存器等部分連接到一起。而且程序和數(shù)據(jù)總線都可以在一個指令周期內(nèi)將片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器、片內(nèi)或片外程序存儲器中的數(shù)據(jù)送入乘法器以完成一次乘加運算。TMS320F240具有很高的并行機制，數(shù)據(jù)在CALU中被處理的同時，在ARAU中還可以進行算術操作。這種并行機制的結果是在一個指令周期內(nèi)可以完成一系列算術、邏輯和位操作。圖3-14DSP引腳圖TMS320F240是該系列DSP控制器推出的第一個標準器件，它確定了單片數(shù)字電機控制器的標準。其指令執(zhí)行速度是20MIP/S，幾乎所有的指令都可以在一個50ns的單周期內(nèi)執(zhí)行完畢。這種高性能使復雜控制算法的實時執(zhí)行成為可能，例如自適應控制和卡爾曼濾波。非常高的采樣速率也可以用來使環(huán)路延遲達到最小。TMS320F240不僅有高速信號處理和數(shù)字控制功能所必需的體系結構特點，而且它有為電機控制應用提供單片解決方案所必需的外圍設備。F240是利用亞微米CMOS技術制造的，達到了較低的功耗。作為一個系統(tǒng)管理者，DSP必須有強大的片內(nèi)I/O端口和其他外圍設備。TMS320F240的時間管理器與其它任何DSP均不同，這個應用優(yōu)化的外圍設備單元與高性能的DSP內(nèi)核一起，使在所有類型電機的高精度、高效、全變速控制中使用先進的控制技術成為可能。事件管理器中包括一些專用的脈寬調(diào)制PWM發(fā)生函數(shù)。三個獨立的雙向定時器，每一個都有單獨的比較寄存器，可以用來支持產(chǎn)生不對稱的或?qū)ΨQ的PWM波形。以下是F240的特點：1．TMS320F2XX核心CPU（1）32位的中央算術邏輯單元(CALU);（2）32位加法器;（3）16位X16位并行乘法器，32位乘積;（4）三個定標移位寄存器;（5）8個16位輔助寄存器，帶有一個專用的算術單元，用來做數(shù)據(jù)存儲器的間接尋址。2．存儲器（1）片內(nèi)544X16位的雙端口數(shù)據(jù)/程序RAM;（2）16K字X16位的片內(nèi)PROM或閃存EPROM;（3）224K字X16位的最大可尋址存儲器空間(64K字的程序空間，64K字的數(shù)據(jù)空間，64K字的I/O空間和32K字的全局空間)；（4）有軟件等待狀態(tài)發(fā)生器的外部存儲器接口模塊，具有16位地址總線和16位數(shù)據(jù)總線；（5）支持硬件等待狀態(tài)。 3．程序控制（1）4級管道操作;（2）8級硬件堆棧;（3）六個外部中斷:電源驅(qū)動保護中斷、復位、非屏蔽中斷NMI和三個可屏蔽中斷。4．指令系統(tǒng)（1）與TMS320家族的C2X,C2XX,CSX定點產(chǎn)品在源代碼級兼容；（2）單指令重復操作；（3）單周期的乘法/加法指令；（4）程序/數(shù)據(jù)管理的存儲器塊移動指令；（5）牽引尋址功能；（6）基于2快速傅立葉變換的位反轉索引尋址功能。5．電源（1）靜態(tài)CMOS技術；（2）4種低電源模式以降低電源損耗；（3）仿真:與片內(nèi)掃描仿真邏輯相連的正EE標準11491測試訪問端口；（4）速度:50ns(20MIPS)的指令周期，多數(shù)指令為單周期。6．事件管理器（1）12個比較/脈寬調(diào)制(PWM)通道(其中9個相互獨立)；（2）三個16位通用定時器，有6種工作棋式，包括連續(xù)遞增和連續(xù)加/減計數(shù)；（3）三個16位全比較單元，有死區(qū)功能；（4）三個16位簡單比較單元；（5）四個捕獲單元，其中兩個有正交編碼器脈沖接口功能。7．雙10位模數(shù)轉換器(ADC)。8．28個獨立可編程的多路復用110引腳。9．基于鎖相環(huán)的時鐘模塊。10．帶實時中斷(RTI)的看門狗（WD）定時器模塊。11．串行通訊接口(SCI)[12]。PWM波的形成PWM波形的產(chǎn)生主要利用了TMS32OF240的事件管理器模塊［１３］?，F(xiàn)在重點介紹其中的通用定時器，與全比較和簡單比較單元相關的PWM單元。事件管理器中有三個通用定時器。在實際應用中，這些定時器可以用作獨立的時間基準，如:控制系統(tǒng)中采樣周期的產(chǎn)生和為全比較單元以及相應的PWM電路產(chǎn)生比較/PWM輸出的操作提供時間基準。其相關寄存器為16位的雙向計數(shù)器TXCNT.16位的周期寄存器TXPR和16位的比較控制器TXCMPR.(X=I,2,3)。通用定時器的輸入包括：內(nèi)部CPU時鐘、外部時鐘以及復位信號等。其輸出包括:通用定時器比較/PWM輸出以及和比較單元的匹配信號等。通用定時器的計數(shù)方式有六種，分別為：停止/保持、單個遞增計數(shù)、連續(xù)遞增計數(shù)、雙向遞增/遞減計數(shù)、單個遞增/遞減計數(shù)以及連續(xù)遞增/遞減計數(shù)。要產(chǎn)生一個PWM信號，需要有一個合適的定時器來重復產(chǎn)生一個與PWM周期相同的計數(shù)周期，一個比較寄存器來保持調(diào)制值。比較寄存器的值不斷與定時器計數(shù)器的值相比較，當兩個值匹配時，在響應的輸出上就會產(chǎn)生一個轉換。當兩個值之間的第二個匹配產(chǎn)生或一個定時器周期結束時，響應的輸出上會產(chǎn)生又一個轉換。通過這種方法，所產(chǎn)生的輸出脈沖的開關時間就會與比較寄存器的值成比例。圖3-15DSP內(nèi)部PWM發(fā)生電路框圖圖3-15所示為F240內(nèi)部PWM控制信號發(fā)生電路框圖。為了獲得對稱PWM輸出，我們在軟件上只須做以下工作：（1）配置ACTR來定義全比較輸出引腳的極性；（2）配置COMCON來使能比較操作和禁止空間向量模式，并設置ACTR和CMPRX的重載條件為下溢；（3）GP定時器1置為連續(xù)加/減計數(shù)模式并啟動操作。另外，為了避免同一橋臂上串聯(lián)的兩個功率開關器件的開啟時間不會互相重疊以至擊穿，6路PWM脈沖還帶有可編程死區(qū)。設置死區(qū)定時器的控制寄存器(DBTCON)的相應位來確定死區(qū)時間[13]。電路的理想波形如下圖3-16所示，分別是諧振電流波形Z，及Z和Z的理想驅(qū)動波形。圖3-16諧振電流波形及Z、和Z、Z的驅(qū)動波形電源輸出波形如圖3-17。圖3-17電源輸出電流波形脈沖電容的理想波形如下圖3-18。圖3-18脈沖電容C上的電壓本章小結本章主要介紹了高壓軟開關充電電源的設計過程。詳細討論了串聯(lián)負載型DC—DC變換電路的工作原理和三種工作方式，并指出串聯(lián)負載型DC—DC變換電路是最適合與給高壓脈沖電容充電的電路形式。本章還介紹了用霍爾傳感器進行電壓和電流的檢測方法，以及用EXB841對IGBT進行驅(qū)動的方法，以及用DSP產(chǎn)生PWM驅(qū)動信號所要做的工作。給出了充電電源的理想驅(qū)動波形和電容電壓波形。結論經(jīng)過一個學期的學習和研究，我對開關電源的理論和設計方法有了更深刻的認識，結合作者在完成論文過程中所學到的知識及獲得的經(jīng)驗，可得到以下結論：1．串聯(lián)諧振開關電路工作于恒流源狀態(tài)。綜合考慮充電效率、電路實現(xiàn)難易程度、體積等該電路是最適合電容器充電的。在基本電路的基礎上進行技術革新,提高充電穩(wěn)定度,能使其適應大范圍的重復頻率及儲能電容的容量變化。應用前景將十分廣泛是傳統(tǒng)充電電源的升級換代品。2．采用了當前比較流行的PWM與諧振變換相結合的主電路拓撲結構實現(xiàn)軟開關，這大大減小了開關損耗。采用高頻開關功率DC/DC變換技術，從而大大減小了電源的體積和電源的噪聲，基本消除了噪聲對環(huán)境的污染。3．采用DSP技術應用于開關電源的控制系統(tǒng)，有效地簡化了線路設計、增加了輸出電流和電壓的穩(wěn)定性、減少了輸出電流波形失真度，從而提供更加穩(wěn)定、精確、高質(zhì)量的電壓波形。同時，數(shù)字化的控制較模擬化控制更加智能化、網(wǎng)絡化，調(diào)節(jié)設計更加方便，滿足對高質(zhì)量開關電源的可靠性和實時控制的要求。本論文的完成過程只有一個學期，時間很短，加之本人知識水平有限，對各種開關電源的理解還不夠深入，所以論文只能在一個教淺的層面進行討論。特別是缺乏實踐經(jīng)驗，使得所有的研究只限于理論，不足之處我深感遺憾，并爭取在今后的學習、工作中進一步提高認識，彌補欠缺。致謝在本論文的完成過程中，我得到了導師哈爾濱理工大學電氣與電子工程學院張春喜教授的熱心幫助和悉心知道，張老師為作者提供了大量珍貴的資料，并提供了實驗平臺，使作者對課題中開關電源的認識更直觀、深刻，作者對此深表感激。張老師嚴謹?shù)闹螌W態(tài)度、嚴于律己、寬以待人的處世風格是作者在專業(yè)知識之外獲得的另一筆巨大財富，令作者終身受用！同時在設計過程中，作者得到了張老師的研究生劉勝魁師哥的熱心幫助，且給了作者大量的資料和書籍，為本人講解不明之處，在此向劉師哥表示感謝。最后，本論文是在參考文獻作者前輩們多年科研成果的基礎上完成的，本人對這些不斷攀登高峰的前輩們表示誠摯的敬意！參考文獻1黃剛.開關電源及其功率材料的技術新動向.電氣時代，2002，(10)：30～312王鴻鈺.實用電源技術手冊.上?？茖W技術出版社，2002：70～723李寧.開關電源原理和發(fā)展方向.今日電子，2002，(6)：384王水平，武芒，彭學愚.開關電源及其發(fā)展動態(tài).電子科技，1996,36：5～65王兆安，黃俊.電力電子技術.第四版.機械工業(yè)出版社，2003：170～1736尚雷，王相慕.新型軟開關高壓脈沖電容恒流充電技術分析.強激光與粒子束，2001，13(2)：241～2417鐘和清、徐志新等.軟開關高壓開關電源研究.高電壓技術.2003，29(8)：7～98夏勇.電爆除垢系統(tǒng)智能高壓充電電源的研制.大連理工大學碩士學位論文，2000：27～299H.L.Chan.ZCS-ZVSbi-directionalphase-shiftedDC-DCconverterwithextendedloadrange.IEE,2003,150(3):269～27110北京森社電子.霍爾chv-100-2500～4000.宇波模塊：://bj70111丁鎮(zhèn)生.傳感器及傳感技術應用.電子工業(yè)出版社，1998：240～24212張衛(wèi)寧.DSP原理及應用.西安電子科技大學出版社，2003：17～2013S.Moisseev.ZerovoltagesoftswitchingPWMhigh-frequencyinverterusingIGBTsforinductionheatedfixingroller.IEE,2003,150(2):175～176附錄外文翻譯零電壓—零電流雙向移向直流—直流變換器帶擴展負載范圍摘要：本文描述了基于受負載范圍和輸出電壓的非線性控制限制的傳統(tǒng)的雙向移相直流—直流變換器。本概念的發(fā)展通過提供零電流開關（ZCS）和零電壓開關（ZVS）用于擴大變換器的負載范圍。另外，在大負載范圍下對變換器輸出電壓特性的控制被改善的更為線性。說明既然ZVS技術能夠使開關模式的電能供應的開關損耗減少的最小，很多變頻器，例如移相控制的DC—DC變換器[1-4]，提供ZVS在他們的活動開關為了提高變換器的全面表現(xiàn)。然而，有一個應用ZVS技術的約束，那就是最小負載電流仍能夠維持ZVS變換，這個最小電流就是變頻器最窄負載時的電流。然而雙向移相變換器[3，4]有他固有的弱點，那就是移相特性受最小負載電流和非線性輸出電壓的限制。這里通過圖1所示的方法重新設計，那就是在逆變橋左橋臂用ZCS，在逆變橋右橋臂有ZVS，這樣就使變換器的負載范圍擴大到輕載。這個電路和原先的變換電路是一樣的，但控制方法不同。改進的變換器不僅通過同步整流保持雙向的能量流通能力，而且對輸出電壓的控制提供了一個線性的相移。移相變換器的改進最近在很多出版物上提議，這包括在原邊增加串聯(lián)二極管和串聯(lián)電容[7]和增加附加晶體管來完成零電壓開關甚至在大的負載變化[8]。并聯(lián)諧振移相變頻器也被提議用零電流開關工作[9]。在圖1所示的被改進的變頻器的拓撲是由一個逆變橋（-）和一個整流橋（-），他們之間連有一個高頻變壓器。電容，-，代表功率器件的寄生電容和附加諧S振電容。是變壓器的漏電感。和是輸入和輸出電容，是負載電阻。電路運行分析這個改進的變頻器有不同的控制階段，如圖2所示，是理想的電壓，電流和門極信號波形。1-4和1-4分別是提供給和的驅(qū)動信號，而且—的開關方式也在圖中標記出。變頻器在輕載情況下的電路分析。既然在正半周期和負半周期除了電壓和電流信號反向之外都很相似，這里我們只分析電路的正半周期。電路的運行被劃分成六個模型正如圖3a-f所示。模式1：（>>）逆變橋所有的開關都關斷，除了是開著的，并且變壓器的原邊電流i（t）是零。那么是在零電流下關斷的。這個模式的運行時間僅僅是阻止和的直通問題。模式2：左臂零電流變換（>t>）原邊電流仍然保持為零，能夠在零電流下開通。同時，和在零電流下開通。輸入電壓被加到變壓器原邊，副邊由電容維持在輸出電壓。這個模式叫做左臂零電流變換。2.3模式3：能量轉換階段（>>），，和保持開通，原邊電流由（t）描述。詳細的計算將在下一階段給出。模式4：右橋臂零電壓變換（>>）保持開通，但被關斷。存儲在電感中的能量對充電，放電。一旦的電壓降到零，將導同。隨后，將在零電壓下開通。和在這個模式下是關斷的。這個模式叫做右橋臂零電壓變換。模式5：自由變換階段（>>）和仍然開通，并且變壓器的原邊電壓是零。然而，存儲在電感中的能量通過和的二極管轉移到整流橋，然后釋放（下階段），副邊保持在輸出電壓。這個模式叫做自由變換階段。模式6：（>）和保持開通，但變壓器原邊電流是零，并且和身上的二極管反向偏置。因此和的網(wǎng)絡和整流橋是隔離的。要是充分的大，輸出電壓能夠接近一個定值。這個被改進的電路的控制方法和以前的相比僅僅是對－的門驅(qū)動信號不同。在現(xiàn)在的設計中，隨著Q接通，M和M立即開通，但當Q關斷時M和M被立即開路。Q接通時M和M被立即觸發(fā)，Q開路時M和M被立即開路。在以前的電路中，M和M的觸發(fā)方式同Q的是相同的，M和M的觸發(fā)方式和Q的是相同的。M－M在驅(qū)動上的改變迫使副邊不導通當變壓器原邊電流反向為負時并且停在零值，例如在t時刻，如圖2所示。因此，Q和Q在如圖2t時刻的觸發(fā)信號下將是零電流開通。然而，在以前的電路中，M－M在變壓器原邊電流為負時導通，Q和Q并不是在零電壓下開通。3電路的數(shù)學分析這部分將處理直流特性的計算，變換器的零電流零電壓的負載范圍。利用計算結果，我們能