大功率直流稳压电源的设计

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毕业设计(论文)

题目名称：大功率直流稳压电源的设计

学院：九江职业技术学院

专业年级：通信技术06级

学生姓名：张巧云

班级学号：20062443

指导教师：黄印君

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摘要

本文针对目前国内用于电源是晶闸管静态逆变器。其逆变频率限制在8KHz以下，实际产品一般仅为1KHz左右。晶闸管静态逆变器的频率范围窄，如感应器改变时，不能进行频率调节。本文通过应用IGBT逆变器以设计大功率的直流稳压电源。

本文首先介绍了所设计的大功率直流稳压电源的组成结构和控制原理，并就电源主电路、控制电路、保护电路以及控制系统软件的设计做了详细地分析。

主电路系统由输入滤波整流电路、逆变电路、高频变压器、输出整流滤波电路组成。逆变电路采用输出功率较大的IGBT全桥式逆变结构，绝缘栅双极晶体管（IGBT）具有输入阻抗高、工作速度快、通态电压低、阻断电压高、承受电流大等优点。根据大功率直流稳压电源的外特性的要求，设计中使用电压、电流双闭环反馈系统来控制电源外特性，得到的电源特性既有较好的功率特性，又有外拖特性，故系统有很好的外特性。

文中详细讨论了上述电路的设计要点及参数确定，以16位单片机80C196KC为控制核心，组成大功率直流稳压电源的控制系统。单片机通过采样电路中的电压、电流值，与给定值比较后可自动调节，同时还可显示电路中的电压、电流值，具有监控功能。所以此系统不仅具有较高的可靠性，还具有良好的工艺性能。由于使用了高频器件，整个系统具有小型化、轻量化、高效率等优点，符合现代大功率直流稳压电源的发展潮流。故本系统具有较好的发展前景。

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关键词：大功率直流稳压电源；80C196KC；IGBT逆变器；微机控制系统

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1Abstract

This article in view of present domestic uses in the power source is the thyristor static state invertor. Its inversion frequency restriction below 8KHz, the actual product is only about generally 1KHz. The thyristor static state invertor's frequency range is narrow, if time sensor change, cannot carry on the frequency control. Developed adapted using the IGBT invertor in the high efficiency cocurrent voltage-stabilized source's development work.

This article first introduced designs the high efficiency cocurrent voltage-stabilized source's composition structure and the control principle, and on the power source main circuit, the control circuit, the protection circuit as well as the control system software's design did have analyzed in detail.

The contravariant welding machine main circuit system by the input filter leveling circuit, the contravariant electric circuit, the high-frequency transformer, the output rectification filter circuit is composed. The contravariant electric circuit uses the output big IGBT entire bridge-type inversion structure, insulates the grid bipolar transistor (IGBT) to have the input impedance to be high, the working speed quick, passes condition the voltage to be low, the breakdown voltage is high, withstanding electric current big and so on merits. According to the high efficiency cocurrent voltage-stabilized source's external characteristic request, in the design uses the voltage, the electric current double closed loop feedback system control supply external characteristic, obtains the power source characteristic both has the good power characteristic, and outside has tows the characteristic, therefore the system has the very good external characteristic.

The design key points and parameters are discussed in detail. high performance 16-bit micro-processor 80C196KC is adopted for control kernel. The single chip can self-regulate after comparing the given value with the voltage and current value of sampling circuit, and at the same time show the voltage and current value of circuit. Because has used the high frequency component, the overall system has merits and so on miniaturization, lightweight, high efficiency, is in keeping with the modern high efficiency cocurrent voltage-stabilized source's development tidal current. Therefore this system has the good prospects.

Key Words：High efficiency current voltage-stabilized source，80C196KC，IGBT inverter，Microprocessor control systems

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目录

摘要 (1)

Abstract (4)

引言 (1)

1概述 (2)

1.1电源稳定问题的提出 (2)

1.2输出电压不稳定的因素 (2)

1.3直流稳压电源的技术指标 (3)

1.4稳压电源的分类 (6)

1.5本文主要工作 (6)

2电源硬件系统设计 (7)

2.1单片机控制的直流稳压电源的总体设计 (7)

2.1.1电源的外特性 (7)

2.2元件选择 (8)

2.2.1逆变电路拓扑结构选择 (8)

2.2.2逆变频率的确定 (9)

2.2.3开关元件的选择 (10)

2.2.4逆变控制方式的选择 (11)

2.3单片机控制的直流稳压电源的总体设计 (12)

2.3.1电源的主电路 (13)

2.3.2驱动电路 (14)

2.3.3 HL402模块的分析 (15)

2.3.4输出电路 (16)

2.3.5直流稳压电源设计 (18)

2.4逆变器的控制电路 (22)

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2.5电流闭环仿真 (28)

3 主电路的参数计算 (31)

3.1输入电路参数计算 (31)

3.2逆变电路参数计算 (34)

3.3输出电路计算 (37)

3.4纹波的抑制 (38)

4 辅助电路 (41)

4.1电压驱动型脉宽调制器 (41)

4.2电流检测电路 (42)

4.3电压检测电路 (44)

4.4脉冲调制工作点的选择 (45)

5 单片机控制系统的设计 (46)

5.1单片机最小系统设计 (46)

5.2数模转换电路 (48)

6 软件设计 (48)

结论 (52)

参考文献 (53)

附录A................................................................................................................................... 电路图. (55)

致谢 (61)

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2引言

自70年代末以来，国外迅速发展功率场效应晶闸管（Power MOSFET）,绝缘门级双级性晶闸管（IGBT）和MOS栅控晶闸管（MCT）等新型功率开关器件，由于这些新型器件具有开关频率高，器件自身的功率损耗小，因而转换效率高，电路结构简单等优点，在加热电源领域中，正在得到广泛的应用。其中IGBT器件，其输出管压降低，一般在3V以下，器件本身的功耗小，具有晶闸管的优点，适合于大电流工作，其控制端采用了场效应管的技术，驱动非常小，适应于高速开关，且没有二次击穿的问题，工作比较安全，因此属于目前国际上有限发展的大功率开关器件。国外器件制造厂商推出了一系列大功率IGBT模块，其最大单管电流已达到1000A以上，耐压可达到1200V（有的可达到1400V），开关时间在600ns以下。其实际工作频率可达到50KHz，功率较小时可达到100KHz，因此是极有前途的功率开关器件。

但是，上述这些新型功率开关器件也存在一些弱点，如电压与电流的过载能力弱，当工作参数超过其安全范围是，非常容易损坏。因此给电路结构的设计与制造提出了新的要求，并且需要快速而有效的保护措施

由于IGBT逆变器的逆变频率高，节能效果好，在各种电源中均有重要的应用。但到目前为止，我国在应用大功率IGBT模块制造大功率直流稳压电源还是比较少，大功率直流稳压电源主要应用与我国

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的军事和航天事业当中，如适用于大功率冲击负载和飞机、自行火炮、坦克、导弹等武器装备的起动电源。应用在我国的重型工业中。

3概述

3.1电源稳定问题的提出

许多电子设备都需要良好稳定的直流供电电源，而外部提供的能源大多为交流电网电源，通常是通过火力发电、水利发电、核子发电及风力发电获得的。直流电源设备担负着把交流电源转换为电子设备所需的各种类别直流电源的任务。转换后的直流电源要具有良好的稳定性，当电网或负载变化时，它能保持稳定的输出电压，并具有较低的纹波。我们通常称这种直流电源为直流稳压电源。

说到稳压问题可以追溯到上一个世纪爱迪生发明电灯时，就曾考虑过稳压电源。到二十世纪初，就有了铁磁稳压电源。电子管问世不久，就有人设计了电子管直流稳压电源。到四十年代后期，电子器件与磁饱和元件相结合，构成了电子控制的磁饱和交流稳压电源，至今还在应用。五十年代，随着半导体工业的飞跃发展，晶体管的诞生使晶体管串联调整稳压电源，成了稳压电源的核心，这种局面一直维持到六十年代中期。随着电子设备的进步，电子设备开始从分立元件进入集成电路时代，体积日益减小，装机密度不断提高，规模容量逐渐增大。这种晶体管串联型常规电源难以满足形势发展的趋势日益显露。六十年代后期，科技工作者对稳压电源技术做了一次新的总结，使开关电源，可控硅电源得到了快速发展。与此同时，将稳压电源的大部分元器件都集成在一块硅基片上的集成稳压电源也不断发展。

3.2输出电压不稳定的因素

电源是电子设备的重要部分，其质量好坏直接影响着电子设备的可靠性，而且电子设备的故障60%来自电源。因此电源越来越受到人们的重视。电子电路及电子设备对电

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源最基本的要求就是电源的输出电压或输出电流要稳定。稳压电源的输出电压不是绝对不变的，只是变化很小。从稳压电路的原理分析，最主要的引起输出电压变化的因素有两个：一是输入电压的变化引起的输出电压的变化；另一个是输出电流的变化(由于负载变化)引起输出电压的变化。输出电压的变化很微小，但正是这个微小的变化经放大后才能反馈去抵消原有的大部分变化。

一般来说，稳压电路的设计首先要考虑输入电压和负载这两个因素。或者说，首先要“抵制”的是这两个因素引起的输出电压变化;也就是稳压电源稳定电压的能力首先要看输入电压的变化和负载变化引起的输出电压的变化被限制到多小的程度。当人为地保持输入电压和负载不变时，输出电压仍有变化。引起这种变化的因素很多，其中最主要的是温度的变化，电路要工作起来，元器件上就有电流通过，就要消耗功率，引起温升。取样电阻和基准源温度的变化对输出电压的影响更大。

3.3 直流稳压电源的技术指标

衡量一台稳压电源的好坏，一方面要从功能角度来看，即容量大小(输出电压和输出电流)、调节范围大小、效率高低等，人们称其为使用指标或性能指标;另一方面要从外观、形状、体积、重量等直观形象来看，这些称为电气指标;更重要的是要看它的质量高低，即输出电压的稳定度等，一般称为质量指标。下面重点介绍质量指标。

(1)、描述输入交流电压变化对输出电压影响的技术指标

1.稳压系数

稳压系数有绝对稳压系数和相对稳压系数两种。绝对稳压系数表示负载不变而输入交流电压变化时，稳压电源输出直流电压变化量△U 0与输入交流电压变化量△Ui 之比，即

i

U U K ??=

0 (1.1)

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它表示输入交流电压变化△U ，引起输出电压变化△U 0越小输出电压就越稳定。这种表示方法在工程中常常用到。相对稳压系数表示负载不变时，稳压电源输出直流电压U 0的相对变化量△U 0/ U 0与输入交流电压U ，的相对变化量△Ui/ U 0之比，即

i i U U U U S ??=00

(1.2)

2.电压调整率

电压调整率表示负载电流为额定值时输入交流电压在额定值上下变化±10%时，稳压电源输出电压的相对变化量(百分数)，即

(1.3)

一般直流稳压电源的电压调整率为1%，0.1%，0.01%等。有的也可以用绝对值表示。

(2)、描述负载变化对输出电压影响的技术指标

1.负载调整率(也称电流调整率)

在交流电源额定电压的条件下，负载电流从零变化到最大时，输出电压的最大相对变化量，用百分数表示。

%1000

/??=U U S i i (1.4)

输出电阻(也称内阻)

在额定输出电压的条件下，负载电流变化L I ?引起输出电压变化△U 0，则输出电阻为

%10000??=U U S u

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L

I U R ??=00 (1.5)

(3)、纹波电压(现称周期和随机漂移，用PARD 表示)

1.最大纹波电压

在额定输出电压和额定输出电流条件下，输出纹波(包括噪声)电压的绝对值大小，通常以峰值或有效值表示。

2.纹波系数γ

在额定输出电压和额定电流条件下，输出纹波电压的有效值Urms 与输出直流电压U 0之比，即

%1000

?=

U U rms γ (1.6) (4)、温度漂移和温度系数

环境温度的变化会影响元器件参数的变化，从而引起稳压电源输出电压的变化，称为温度漂移。常用温度系数表示温度漂移的大小，温度每变化10C 所引起输出电压值的变化uT U ?称为绝对温度系数，单位是V/0C 或mV/0C 。温度每变化10C 所引起的输出电压相对变化△U 0r/ U 0T 称为相对温度系数，单位是%/0C 。

(5)、漂移

稳压电源在输入电压、负载电流和环境温度保持一定的情况下，经过一定的工作时间后元器件参数的不稳定也会造成输出电压的变化，慢变化叫做漂移，快变化叫噪声。在一般使用中只考虑漂移就可以了。

表示漂移的方法有两种，一种是用指定时间内输出电压值的变化△U 0来表示;另一种是用指定时间内输出电压的相对变化△Uot/Uo 、来表示。考察漂移时间可以定为1分钟、10分钟、1小时、8小时或更长。

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3.4稳压电源的分类

现代应用的稳压电源的种类比较多，分类方式也很多。

按稳定对象分有交流稳压电源和直流稳压电源。是交流还是直流要看稳压电源的输出电压是交流还是直流。

按稳定方式分，有参数稳压电源和反馈调整稳压电源。参数稳压电源电路简单，利用元件的非线性实现稳压，结构也简单。比如，用一只电阻和一只可控硅稳压管就能构成参数稳压电源。反馈调整型稳压电源是一个负反馈闭环自动调整系统，它根据稳压电源的输出电压的变化量，经过取样、比较放大、再反馈给控制调整元件，使输出电压得到补偿而趋于原值，从而达到稳定。此电路较复杂，但稳定度高。

按稳压电源的调整元件与负载的联接方式来分类，可以分为并联稳压电源和串联稳压电源两种。调整元件与负载并联的叫并联稳压电源或分流稳压电源，它通过改变调整管元件流过的电流的多少来适应输入电网电压的变化及负载电流的变化，以保持输出电压的稳定。这种稳压电源效率较低，只有某些专用场合才适用。调整元件与负载串联的稳压电源叫做串联稳压电源。在这种稳压电源中，调整元件串联在输入端和输出端之间，输出电压就依靠调整元件改变自身的等效电阻来维持恒定。

按调整元件分，有辉光放电管稳压电源，稳压管稳压电源，电子管稳压电源，晶体管稳压电源，可控硅稳压电源等。按调整元件的工作状态分，有线性稳压电源和开关稳压电源。所谓线性稳压，就是其调整管工作在线性放大区。这种稳压电源的主要优点是调压范围宽、稳定度高，但变换效率低;开关稳压电源的调整管工作在开关状态，主要的优越性就是变换效率高，可达70%一95%。

根据需要，还可以有其他分类方法，例如集成电极输出型、发射极输出型;高压、低压;通用、专用等。

3.5本文主要工作

本课题主要是进行用单片机来控制直流稳压电源的研制工作。要求电源具有高可靠性。所以本文的主要工作有：

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在逆变电源的基础上建立以80C196KC单片机为控制核心的微机控制系统，设计单片机控制系统硬件，在满足控制系统要求的条件下，力求软硬件的最佳组合。

所研制的单片机控制稳压电源的技术指标如下：

输入电压：380V三相交流50HZ；

输出电压24V

输出电流800A；

4电源硬件系统设计

4.1单片机控制的直流稳压电源的总体设计

4.1.1电源的外特性

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图2.1 电压电流外特性

4.2元件选择

4.2.1逆变电路拓扑结构选择

逆变电路拓扑有推挽型、全桥、半桥等，如表2.1所示。表2.1逆变电路的比较

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由上表可以看出，要获得大容量的输出，宜选用推挽式或全桥式拓扑结构，但是推挽式电路中由于漏感引起的尖峰电压max ce V 是全桥式的2倍，这给电路设计与调试带来

了困难，并对开关管的耐压提出了更高的要求，因而本系统采用已被广泛应用的全桥式电路拓扑结构。

4.2.2 逆变频率的确定

选择逆变频率时应考虑：

1、能有效地减少变压器的体积和重量；

2、所采用的开关元器件的频率特性；

3、经济性。

按照正弦波分析，变压器有以下的基本公式：

4.44V fB NS =? (2.1)

4.44V NS fB

= (2.2)