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1、摘 要做为现代制造技术的一个重要组成部分和发展方向，精密、超精密加工技术已成为衡量一个国家科学技术发展水平的重要标志，而ELID 技术（在线电解修整技术）被世界著名权威机构 CIRP 评价为 21世纪超精密镜面磨削技术的典型代表。ELID 磨削由磨床、砂轮、电源、阴极、电解液组成，经大量试验研究认为，直流脉冲电源最适宜于 ELID 技术，为此我们研制了直流脉冲电源。该电源由可调压、稳压的电压源和脉冲调制电压源组成。在调压稳压电压源设计中采用二阶工程设计法设计了电压和电流调节器，组成电压、电流双闭环稳压电源，采用集成移相晶闸管模块做为电能变换器件，详细计算了整流主电路主要器件的参数；在脉宽调制部
2、分，采用专用集成电路实现了调频调压，以 IGBT 做为功率变换器件，实现了输出电压的调频调压，并计算了有关参数。关键词： 直流脉冲电源；IGBT；变频电源；脉宽。AbstractDoes for a modern manufacture technology important constituent and the development direction, is precise, the ultra precise processing technology has become weighs a country science and technology level of devel
3、opment the important symbol, but the ELID technology (on-line electrolysis repairs and maintains technology) by the world famous authoritative organization CIRP appraisal is the typical representative which the 21st century ultra precision mirror surfaces rubs truncates the technology.ELID rubs trun
4、cates by the grinder, the grinding wheel, the power source, the negative pole, the electrolyte is composed, believed after the massive experimental study, the direct current pulse power source most is suitable to the ELID technology, has developed the direct current pulse power source for this us. t
5、he composition voltage, the electric current double closed loop voltage-stabilized source, used the integrated phase shifting crystal thyratron module to do for the electrical energy transformation component, in detail has calculated the rectification main circuit main component parameter; In the pu
6、lse-duration modulation part, used the special-purpose integrated circuit to realize the frequency modulation to adjust the pressure, did take IGBT as the power transformation component, realized the output voltage frequency modulation to adjust the pressure, and has calculated the related parameter
7、.Key word: Direct current pulse power source; IGBT; Frequency conversion power source; Pulse width目 录第1章 绪论11.1选题背景及依据11.2本设计研究内容2第2章 脉冲电源总体设计32.1 直流脉冲电源整体设计3第3章 主电路的设计431 系统主电路设计43.2 整流电路的设计43.2.1整流电路方案的确定43.2.2整流变压器的设计73.2.3晶闸管的选择83.2.4晶闸管的保护93.3中间滤波器设计133.4 逆变电路的设计143.4 功率开关器件的选择163.5 IGBT的保护173.
8、6吸收电路参数计算183.6.1 缓冲电容Cs18第4章 控制电路的设计214.1单片机概述214.1.1引言214.1.2 PIC系列单片机的优势224.1.4 PIC 8位单片机的分类和特点234.1.5 PIC16F87X的中断源254.1.6 PIC16F87X的中断硬件逻辑254.1.7 中断相关的寄存器264.2同步信号检测电路的设计264.3 过电压过电流保护电路的设计284.4 晶闸管驱动电路的设计294.5 IGBT特性及驱动电路304.5.1 IGBT特性304.5.2 IGBT驱动电路可靠性设计要求304.6辅助电源的设计314.6.1三端集成稳压器的型号及主要参数314
9、.6.2.辅助电源的设计32第5章 软件设计335.1晶闸管触发程序的设计335.2 PID控制程序的设计345.3 流程图设计37总 结42英文原文及翻译43参考文献67致谢68附录69附录1元件清单69附录2程序清单74第1章 绪论1.1选题背景及依据 脉冲电源是一种非常重要的特种电源，在现代科学研究和医疗、工业生产、环境保护中等获得越来越广泛的应用。材料和材料加工技术是支撑科技进步的两个支柱。人类为探索宇宙奥妙，需要精密的大型仪器，例如哈勃空间望远镜（Hubble Space Telescope），其一次镜是 ?2400 、900 的大型镜，可以观测从波长为 0.1m 的紫外线到波长为1
10、0m 的红外线的波长范围，为了在地面上获得 0.1 角秒的高分辨率，要求达到0.01m（10nm）的形状精度；把哈勃空间望远镜送入太空，需要发射运载火箭，火箭升空中要经受复杂的环境条件，包括高温、大气腐蚀、剧烈的温差、巨大的压力差等，为满足这些苛刻的要求，就需要能经受高温、高压、耐腐蚀的材料，而这些材料又是公认的难加工材料。为满足人类认识世界改造世界的目的，必须开发高效、低成本、高精度加工技术加工难加工材料，实现人类的梦想。信息技术是目前世界上发展最迅速的技术，它集当今高端的制造技术、检测技术、加工技术之大成，而集成电路是信息技术的物质载体。 世界上许多著名的高技术公司如 IBM、 Intel
11、、 AMD 等在集成电路的制造中普遍采用 90nm 工艺，正在研究向 35nm 工艺迈进。集成电路在大批量生产中采用纳米工艺， 提高了集成度，更重要的是集成电路性能指标提高了，产品竞争力增强，市场占有率扩大，提升了企业效益和品牌形象。计算机硬盘的存储容量在很大程度上取决于磁头和存储介质之间的距离（即所谓“飞行高度”，Flying Height）, 距离越近，贮存容量越大，为实现 0.15m 距离，要求加工出极其平坦、光滑的磁盘基片及涂层，实现高精度磁盘基片及涂层加工的技术是超精密加工技术。为了本国的利益，工业发达国家投入巨资，开发精密及超精密加工技术，抢占技术制高点，以此为契机，发展国家尖端技
12、术及其国防工业，从而带动国内整个工业化水平，保持和发展国家的优势地位，例如日本的高技术探索研究项目（ ERATO）正在探索在硅基片上以黄金作为导体，使用超精密加工技术加工出20nm 的线宽，并已论证 5nm 的线宽在理论上是可行的；美国国防部的甚高速集成电路项目（VHSIC），正在试图将集成电路的线宽比目前减少 10 倍；英国格拉斯哥大学于 1985 年以电子束加工技术，加工出 5nm 的线宽。25综上所述，精密超精密加工技术是衡量国家科技发展水平的重要标志，对于提高产品质量和性能，发展尖端国防技术、航空航天、新能源、电子信息技术有着至关重要意义。1.2本设计研究内容 子体增强电化学表面陶瓷化
13、（PECC）技术是一种“绿色”的轻合金表面处理新技术。大功率专用电源是PECC产品生产的关键设备，目前在PECC技术中应用的电源多为单相脉冲。但是随着对PECC产品质量表面膜层致密性，膜层厚度等要求的提高，需要PECC电源能够提供双向电流脉冲电源，而且要求对脉冲电源的幅值进行闭环控制，以适应其相应的工艺要求。电源设计要求采用单相桥式逆变电路，输出脉冲电流的频率，脉宽在一定范围内连续可调。本设计完成脉冲电源的设计，其性能指标如下：（1）输入参数 电压：3AC 380V 50HZ（2）输出参数脉冲电流频率：10001500HZ连续可调脉冲电流幅值：2000A电压峰值：15V占空比：20%40%连续
14、可调频率误差：0.5%脉宽误差：1%幅值误差：0.3% （3）控制系统以美国Microchip公司的PIC16F877作为控制核心；（4）采用三相全控整流电路，整流桥用SCR作为功率元件；（5）采用单相桥式逆变电路，逆变桥功率元件选用IGBT；第2章 脉冲电源总体设计电流可以用直流电源提供，也可以用交流电源提供，或者各种波形的脉冲电源，或者有直流基量的脉动电源。使用直流脉冲电源所生成的钝化膜其厚度相对稍薄，但钝化膜组织致密，均匀性好，经过比较，直流脉冲电源应用于 ELID 较为合适，理由如下：1）直流脉冲电源在脉冲低电平期间产生小的电流，这样就可以把高电平期间所形成的氧化膜保持住，而普通直流电
15、源由于电流的连续性，使得电解形成的氧化膜连续脱落，达不到设计要求。2）国外科技工作者曾经测量过直流电源、脉冲电源、交流电源。对几种电源对清合金表面进行处理，脉冲电源提供的脉冲电流能够达到PECC的技术要求，3）直流脉冲电源电解生成的钝化膜较直流电解生成的钝化膜质地均匀致密，对磨粒把持力好。4）直流脉冲电源还有一个显著优点就是可供调节的参数较多，且可以实现在不降低钝化膜生成速度的情况下，有目的地调节调整电解修整时表面钝化膜的厚度。综上所述，采用直流双向电流脉冲电源最合适。2.1 直流脉冲电源整体设计由图可知，直流脉冲电源主要由三大部分组成：第一部分：输出电压连续可调并且在使用中电压稳定性好的直流
16、稳压器装置；第二部分：直流脉冲电压产生装置.图 21 直流脉冲电源原理框图直流电压形成部分，我们拟采用典型的电压电流双闭环系统，主电路采用模块装置，减少了设计工作量，提高了系统可靠性，只要设计合适的控制参数，就能提供稳定的直流电压，控制电路采用比例积分（PI）调节器，使得系统技术指标更优。脉冲形成部分，选用先进的脉冲宽度调制技术，频率与输出电压分别可调，主电路选用智能化器件 IGBT，选用多种保护策略，以提高器件的安全程度。为便于用示波器测量参数，直流脉冲电源应提供测量用端口；此外保护环节要完善，应设有复位装置，必要的电压电流指示装置。第3章 主电路的设计31 系统主电路设计 主电路包含整流，
17、滤波，逆变电路主要任务是输出符合要求的脉冲电流波形。其电路图如图3-1所示：图3-1 主电路图3.2 整流电路的设计3.2.1整流电路方案的确定整流电路主要是把三相交流电变为直流电，根据需要可选三相半波可控整流电路和三相桥式全控整流电路。三相半波可控整流电路只用三个晶闸管，接线和控制都很简单，但要输出相同的Ud时，晶闸管承受的正、反向电压都较高，且整流变压器二次侧绕组一周期仅导电120，绕组利用率低，绕组中电流为单方向，存在直流分量，使铁芯直流磁化，产生较大的漏磁通，引起附加损耗。工业中广泛应用的三相桥式全控整流电路，是由两组三相半波整流电路串联而成的，一组三相半波整流电路为共阴极接法，另一阻
18、为共阳极。如果它们的负载完全相同且控制角一致，则负载电流I、I应完全相同，在零线流过的电流平均值，如果将零线切断，不影响电路工作，就成为三相桥式全控整流电路由于共阴极组在电源正半周导通，流经变压器二次侧绕组的是正向电流，共阳极组在电源负半周导通，流经变压器二次绕组的是反向电流。因此，一周期中变压器绕组中没有直流磁势，且每相绕组的正负半周都有电流流过，变压器绕组利用率提高了。故本设计采用这种整流方式。由图 3. 1 电路可以看出，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
19、极的晶闸管换相，共阳极与共阴极的晶闸管换相。在这种电路中般采用双脉冲或宽脉冲的触发方式保证每隔60导通一个晶闸管，触发电路设计在后面章节给出。三相全控整流电路分析：下面讲述可控整流电路在阻性负载情况下输出与输入的关系，图3.2为在触发角为时的电路波形。Ud1为相电压波形，Ud2为线电压波形。由波形对应关系可以看出，各自然换相点既是相电压的交点，同时也是线电压的交点。由于输出整流电压为共阴极组中处于通态的晶闸管对应的相电压与共阳极组中处于通态的晶闸管对应的相电压的差，因此输出电压为线电压在正半周期的包络线(图中Ud2 。从图中可以看出，当060时，输出电流连续:当60120时，输出电流不连续;当
20、a =120时输出平均电压为零，所以应该分别对待.图3-2 三相全控桥式整流电路电压波形图当060时，电流连续时输出电压平均值Ud与输入电压有效值U2的关系为： U=Ucos=2.34 Ucos通过晶闸管的电流I与负载平均电流Id的关系为：I=I 三相全桥整流电路输入电流有效值I2与负载平均电流Id的关系为：I=+ I=0.816I当60120时，电流不连续输出电压平均值与输入电压有效值U2的关系为：U=2.34 U1+cos(+)通过晶闸管的电流I与负载平均电流Id的关系为:I=I三相全桥整流电路输入电流有效值I2与负载平均电流Id的关系为：I=0.816I下面讲述可控整流电路在感性负载情况
21、下输出与输入的关系，认为电感足够大，使负载电流连续， 且其波形基本上为一条水平线 。感性负载时导电规律与阻性负载相同， 当060时， 电路整流输出电压Ud 波形与阻性负载使一样。当60时，有前面分析可知， 阻性负载的输出电压波形断续，对于大电感负载，由于电感L的作用，在电源线过零后，晶闸管仍然导通，指导下一个晶闸管触发导通为止，这样输出电压波形中出现负的部分。当=90时，Ud 波形正负面积相等，平均值Ud=0，所以感性负载使电路移相范围为90。感性负载时电流连续，晶闸管导通总是2/3，Ud波形每隔60重复一次，所以整流电压输出平均值Ud与输入电压有效值U2的关系为：U=Ucos=2.34 Uc
22、os通过晶闸管的电流I与负载平均电流Id的关系为：I=0.577I三相全桥整流电路输入电流有效值I2与负载平均电流Id的关系为：I=0.816I3.2.2整流变压器的设计 整流变压器起到隔离和降压的作用。对变压器进行设计时，考虑到变压器磁化曲线的非线性，在铁心中要得到正弦磁通，激磁电流必定要含有三次谐波。当变压器采用-Y联结时，可以供给产生正弦磁通所需要的三次谐波电流，这样主磁通将保持接近正弦，当然电势也就接近正弦。因此本文设计的变压器是原边采用绕法，副边采用Y绕法。整流变压器的计算和选择：1.变压器副极电压电流的计算整流桥输出电压： Ud=100V由三相桥式全控整流电路可知：U=Ucos=2
23、.34 Ucos所以，U=当0 (23)V其中V为晶闸管承受的最大正反向峰值电压，在本设计中V=2564.1VV (23)V367V2. 晶闸管额定电流I晶闸管额定电流的计算原则是必须使额定电流I大于实际流过晶闸管的电流平均值I.考虑过载系数，通常取12倍。晶闸管通态平均电流II=由三相全控桥式整流电路可知，流过晶闸管的电流有效值为： I=0.577I I=0.368I=14.723.晶闸管并联支路的确定 n=(23)V/(0.80.9)V=0560.74所以，不需要晶闸管并联。3.2.4晶闸管的保护晶闸管在使用中，因电路中电感的存在而导致换相过程产生Ldi/dt，或系统自身出现短路、过载等故
24、障.所以要做好晶闸管的过电压、过电流保护。1晶闸管的过电压保护晶闸管对过电压很敏感，当正相电压超过其断态重复峰值电U一定值时晶闸管就会误导通，引发电路故障；当外加反向电压超过其反向重复峰值电压U一定值时，晶闸管就会立即损坏。因此，必须研究过电压的产生原因及抑制过电压的的方法。过电压产生的原因主要供给的电功率和储能发生了激烈的变化，使得系统来不及转换，或者系统中原来积聚的电磁能量来不及消散而造成的。主要表现为雷击等外来冲击引起的过电压和开关的开闭引起的冲击电压两种类型。由雷击或高压断路其动作等产生的过电压是几微妙或几毫秒的电压尖峰，对晶闸管是很危险的。由开关的开闭引起的冲击电压又分为如下几类1）
25、交流电源接通、断开产生的过电压 例如，交流开关的开闭、交流侧熔断器的熔断等引起的过电压，这些过电压由于变压器绕阻的分布电容、漏抗造成的谐振回路、电容分压等使过电压数值为正常值的2至10倍。一般低，开闭速度越快过电压约稿，在空载情况下断开回路将会有更高的过电压。 2）直流侧产生的过电压 如切断回路的电感较大或者切断时的电流值较大，都会产生比较大的过电压。这种情况常出现在切断负载、正在导通的晶闸管开路或者快速熔断器熔体烧断等原因引起电流突变场合。 3) 换相冲击电压 包括换相过电压和换相振荡过电压。换相过电压是由于晶闸管的电流降为0器件内部各结层残流载流子复合所产生，所以有叫载流子积蓄效应引起的过
26、电压。换相过电压之后，出现换相振荡过电压，它是由于电容、电感形成共振产生的振荡电压，其值与振荡结束后的反向电压有关。反向电压越高，换相振荡过电压也越大。 针对形成过电压的不同原因，可以采取不同的抑制方法，如减少过电压源，并使过电压幅值衰减；抑制过电压能量上升的速率，延缓已产生能量的消散速度，增加其消散途径；采用电子线路进行保护。目前最常用的是在回路中接入吸收能量的元件，是能量得以消散，常称之为吸收回路或缓冲电路。 常见的晶闸管过电压有交流侧过电压和直流侧过电压，对这些过电压的主要处理措施如图3-3： 图 3-3 晶闸关保护措施F壁雷器 D变压器静电屏蔽层 C静电感应过电压抑制电容RC1阀侧浪涌
27、过电压抑制用RC电路RC2阀侧浪涌过电压抑制用反相阻断式RC电路RV压敏电阻过电压抑制器RC3阀器件换相过电压抑制用RC电路RC4直流侧RC抑制电路RCD阀期间开关断过电压抑制用RC电路阻容吸收回路 通常过电压均具有较高的频率，因此常用电容作为吸收元件，为防止振荡，常加阻尼电阻，构成阻容吸收回路。阻容吸收回路可接在电路的直流侧、交流侧、后并接在晶闸管的阳极与阴极之间。吸收电路最好选用无感电容，接线应尽量短。由硒堆及压敏电阻等非线性元件组成的吸收回路 上述阻容吸收回路的时间常数RC是固定的，有时对时间短、峰值高、能量大的过电压来不及放电，抑制过电压的效果较差。因此，一般在交流装置的进出线端还并有
28、硒堆或压敏电阻等非线性元件。硒堆的特点是其动作电压与温度有关，温度越低耐压越高；另外是硒堆具有自恢复特性，能多次使用，当过电压动作后硒基片上的灼伤孔被熔化的硒重新覆盖，又重新恢复其工作特性。压敏电阻是以氧化锌为基体的金属氧化物非线性电阻，其结构为两个电极，电极之间填充的粒径为1050的不规则的ZNO微结晶，结晶粒间是厚约1的氧化铋粒界层。这个粒界层在正常电压下呈高阻状态，只有很小的漏电流，其值小于100。当加电压时，引起了电子雪崩，粒界层迅速变成低阻抗，电流迅速增加，泄漏了能量，抑制了过电压，从而使晶闸管得到保护。粒浪涌过后粒界层有恢复为高阻态。1）、交流侧过电压阻容保护下图给出阻容保护常用的
29、接线图，其中电阻R、C用下面关系式近似计算： R= =式中:U 整流变压器的阻抗电压，以额定电压的百分数表示，对于本设计，U = 4%10%;Io变压器空载电流，以额定电流的百分数表示;U 变压器二次相电压有效值(V);S 变压器每相的平均视在容量(VA)。阻容保护三角形连接时，电容器的电容量小但耐压要求高联接时，阻容保护星形连接时，电容器的电阻值要大但耐压要求低、电阻值也小，通常增大C能降低作用到晶闸管上的过电压L di/dt和dv/dt，但过大的C值不仅增大体积，而且使R的功耗增大，并使晶闸管导通时的di/dt上升。增大电阻R有利于抑制振荡但过大的R不仅使抑制振荡的作用不大，反而降低了电容
30、抑制Ldi/dt的效果,并使R的功率增大，所以一般希望R小一些(约5100)。为降低电阻的温度电阻功率应选电阻上可消耗功率值的2倍左右。电容的耐压=1110.25V阻容电流：=0.68A电阻的功率=18.78W选用的电容为：150/200V选用的电阻为：10/0.25W a 交流侧得阻容保护星型接法 b交流侧的阻容保护三角形接法 图3_4 交流测的阻容保护接法2）、非线性阻容吸收装置保护（压敏电阻）压敏电阻RV的选择 U=1177.42V选用压敏电阻的型号为：MYD14K271?3）、直流侧过电压阻容保护直流侧过电压保护一般采用在晶闸管两端并联阻容吸收的方法。吸收电阻与吸收电容的经验计算公式为
31、:=(24)=(24) =0.08016F电容耐压=129.9VR=1030阻容电流：=3.92A电阻的功率取20W选用的电容为：150/200V选用的电阻为：10/0.25W2晶闸管的过电流保护由于半导体器件体积小、热量小、特别像晶闸管这类高电压大电流的功率器件，结时，热量降来不及散发，使得结温迅速升高，最终将导致结层被烧坏。产生过电流的原因是多种多样的，例如，交流装置本身晶闸管损坏，触发电路发生相邻设备故障影响等。晶闸管过电流最常用的是快速熔断器。由于普通熔断器的熔断特性动作太慢，在熔断器尚未熔断之前晶闸管已被损坏；所以不能用来保护晶闸管。快速熔断器由银制熔丝埋于石英沙内，熔断时间极短，可
32、以用来保护晶闸管。使用中快速熔断器的接法有快速熔断器与晶闸管相串联的接法如图（1）,快速熔断器接在交流侧如图（2），快速熔断器接在直流侧，这种接法制能保护负载故障情况，当晶闸管本身短路是无法起到保护作用，如图（3）。本设计采用与元件串联的快速熔断器作过载与短路保护。快速熔断器的选择通过晶闸管电流有效值IT=58A,故选用RLS-70的熔断器，熔体电流为70A。3.3中间滤波器设计直流滤波电容器的参数计算。在三相全控整流电路中，输出直流的基波脉动频率为300Hz。为了保证整流输出电压为一平直电压，滤波电路的时间常数，即滤波电容器和直流电源的等效负载电阻的乘积应远远大于整流输出电压的基波脉动周期，
33、实际应用中一般取6-8倍即可。既有： =（68）/300=（2027）得： =（2027）取=10100则 =2002000实际中选用 =2000 滤波电容的耐压值按整流最大输出电压选取，即117V.实际取用耐压为450V.限流电抗器的参数计算的作用主要是限流，限制流过晶闸管的电流尖峰，改善网侧功率因数。一般可以按照下面的式子进行计算求取： =(2023)则 =（2023）=1011.5因此可以按照10，100A选择。在选用和时,除了考虑限流、滤波功能外，还需要考虑到在电源额定工作状态下，斩波器因某种原因突然停止工作时，储存在中的能量将转移到中，此过程会使端电压升高，此电压则直接加到IGBT上
34、，因此选择时也不能取的太大。值应该满足:（k-1）其中k为升压系数，一般取1.2。如果与的取值不能满足上面的关系式则需要适当的增大或者减小.本设计中 :（k-1）=80因此前面的取值在10合理范围内，无需调整。3.4 逆变电路的设计逆变电路主要包括:逆变模块和驱动电路。由于受到加工工艺，封装技术，大功率晶体管元器件等因数的影响，目前逆变模块主要由日本(东芝,三菱,三社,富士,三肯。)及欧美(西门子,西门康,摩托罗拉,IR)等少数厂家能够生产。驱动电路作为逆变电路的一部分，对变频器的三相输出有着巨大的影响。驱动电路的设计一般有这样几种方式(1)分立插脚式元件组成的驱动电路;(2)光耦驱动电路;(
35、3)厚膜驱动电路;(4)专用集成块驱动电路等几种。(1) 分立插脚式元件的驱动电路 分立插脚式元件组成的驱动电路在80年代的日本和台湾变频器上被广泛使用,主要包括日本(富士:G2,G5.三肯:SVS,SVF,MF., 春日,三菱Z系列K系列等)台湾(欧林,普传,台安.)等一系列变频器。随着大规模集成电路的发展及贴片工艺的出现,这类设计电路复杂，集成化程度低的驱动电路已逐渐被淘汰。(2) 光耦驱动电路 光耦驱动电路是现代变频器设计时被广泛采用的一种驱动电路，由于线路简单，可靠性高，开关性能好，被欧美及日本的多家变频器厂商采用。由于驱动光耦的型号很多，所以选用的余地也很大。驱动光耦选用较多的主要由
36、东芝的TLP系列，夏普的PC系列,惠普的HCPL系列等。以东芝TLP系列光耦为例。驱动IGBT模块主要采用的是TLP250，TLP251两个型号的驱动光耦。对于小电流(15A)左右的模块一般采用TLP251。外围再辅佐以驱动电源和限流电阻等就构成了最简单的驱动电路。而对于中等电流(50A)左右的模块一般采用TLP250型号的光耦。而对于更大电流的模块，在设计驱动电路时一般采取在光耦驱动后面再增加一级放大电路，达到安全驱动IGBT模块的目的。(3) 厚膜驱动电路 厚膜驱动电路是在阻容元件和半导体技术的基础上发展起来的一种混合集成电路。它是利用厚膜技术在陶瓷基片上制作模式元件和连接导线，将驱动电路
37、的各元件集成在一块陶瓷基片上，使之成为一个整体部件。使用驱动厚膜对于设计布线带来了很大的方便,提高了整机的可靠性和批量生产的一致性，同时也加强了技术的保密性。现在的驱动厚膜往往也集成了很多保护电路，检测电路。应该说驱动厚膜的技术含量也越来越高。(4) 专用集成块驱动电路 现在还出现了专用的集成块驱动电路，主要由IR的IR2111，IR2112，IR2113等，其它还有三菱的EXB系列驱动厚膜。三菱的M57956，M57959等驱动厚膜。此外，现在的一些欧美变频器在设计上采用了高频隔离变压器加入了驱动电路中(如丹佛斯VLT系列变频器)。应该说通过一些高频的变压器对驱动电路的电源及信号的隔离，增强
38、了驱动电路的可靠性，同时也有效地防止了强电部分的电路出现故障时对弱电电路的损坏。在实际的维修中我们也感觉到这种驱动电路故障率很低，大功率模块也极少出现问题。在我们平时的日常生产使用中，大功率模块损坏是一种常见的故障现象。与整流相对应，把直流电变成交流电成为逆变。逆变电路应用非常广泛。在个中电源中，如蓄电池，干电池，太阳能电池等都是直流电源，这需要这些电源向交流负载供电时，就需要逆变电路。变流电路在工作过程中不断发生电流从一个支路向另一个支路的转移，这就是换流。换流方式有3种：1器件换流；2电网换流；3负载换流。本设计中使用的是第三种负载换流。负载换流就是由负载提供换流电压。凡是负载电流的相位超
39、前于负载电压的场合都可以实现负载换流。图 3-5 逆变电路设计3.4 功率开关器件的选择工作于开关状态的功率半导体器件是现代电力电子技术的核心，晶闸管这种半控型功率开关元件的问世标志着现代电力电子技术时代的开始。现代电力电子器件是指全控型的电力半导体器件，可分为双极型、单极型和全控型三大类。现代电力电子器件向着全控化、集成化、高频化、多功能化和智能化方向发展。双极型功率开关器件的主要特点是通态压降低、阻断电阻高和电流容量大，适用于较大容量的变流系统。其主要有电力晶体管(GTR)、门极可关断晶闸管(GTO)和静电感应晶闸管(SITH)等。其中GTR具有控制方便和通态压降低的优点，但存在二次击穿问
40、题和耐压难以提高的缺点。一般应用于几十千伏安以下、开关频率低于10k Hz的场合。GTO是目前能做到耐压最高、电流容量最大的功率开关器件之一，现在最大容量可达5000V, 4500A。但其关断增益小，门极反向关断电流较大，需设置专门的驱动电路，开关频率一般为12k Hz,多应用在200KVA以上的大容量变流设备中。SITH是大功率场控开一准器件。它的通态电阻小、开关速度快，可用于高频感应加热电源。但其制造工艺复杂，成本较高。单极型功率开关器件的典型产品主要有功率场效应晶体管(MOSFET)和静电感应晶体管(SIT)。它们属于电压控制器件，驱动功率小。MOSFET的电流容量和耐压难以提高，多用于
41、中小容量、开关频率较高的场合。SIT的输出功率大，多用于高音质音频放大器、通讯设施和空间技术等领域。混合型功率开关器件是由单极型和双极型功率开关器件集成混合制造，利用耐压高、电流密度大、导通压降低的双极型器件作为输出级，同时利用输入阻抗高、响应速度快的单极型MOs器件作为输入级，兼有两者的优点。这类器件的典型产品有绝缘栅双极晶体管(IGBT )、MOs晶闸管(MCT)和功率集成电路(PIC)等。MCT是晶闸管和MOSFET的混合集成，它阻断电压高，电流容量大，通态压降和损耗小，开关速度高，开关损耗小，是最有发展前景的全控型功率半导体器件。但现在实际应用很少。PIC是指功率开关器件与驱动电路、控
42、制电路、保护电路等的总体集成，使强电和弱电达到完美的结合，完成了信息与动力的统一，推动电力电子技术进入智能化时代。但其耐压和电流容量很小。IGBT是MOSFET与GTR复合形成的一种新型器件，自八十年代中期以来发展十分迅速，开关频率已超过20kHz。它既具有功率MOSFET的电压驱动、开关频率高、无二次击穿问题等优点，又具有GTR通态电流大、反向阻断电压高等优点。近年来，在开关电源、电机控制以及其它要求开关频率高、损耗低的中小容量变流设备中，IGBT有取代功率MOSFET和GTR的趋势，成为应用最广泛的功率开关器件之一。基于以上对各种常用全控型功率开关器件的对比分析，本文设计采用IGBT。IG
43、BT参数计算：额定电流的选择:IGBT额定电流的选择要考虑实际电路中的最大额定电流，负载类型，允许过载的程度等因素。一般取电流最大值两倍的裕量。 即 Ice=2Ie=2100=200A额定电压的选择:考虑电网瞬间尖峰、电压波动、开关电流引起的电压尖峰等，选择耐压值为两倍加在其上的电压。根据系统的设计参数选用富士公司的P系列IGBT，型号为:GA200SA60S,其耐压值600V,额定电流200A。3.5 IGBT的保护过电压保护IGBT关断时，它的集电极电流下降率较高，极高的电流下降率将引起集电极过电压。为了保护IGBT，必须对其两端的过电压进行控制，以免过电压超过其额定值而导致IGBT的损坏
44、。抑制IGBT集.发射极电压的电压尖峰的方法有两种:一种是增大栅极电阻RG，另一种是采用缓冲电路。然而，凡的增大将减缓IGBT的开关速度，从而增加了开关损耗，因此这种方法不可取。缓冲电路又称吸收电路，主要用于抑制电力电子器件的内因过电压、dv/di和dildt，减小器件的开关损耗。缓冲电路可分为关断缓冲电路和开通缓冲电路。关断缓冲电路的基本思路是将电容并联于器件两端，利用电容器上的电压不能的原理来抑制尖峰电压，即吸收器件的关断过电压和换相过电压，减小dv/dt，同时减小器件的关断损耗。开通缓冲电路是利用电感与器件串联来抑制器件开通时的电流过冲和di/di并减小器件的开通损耗的。由于开通缓冲电路
45、很容易实现，下面将着重介绍关断缓冲电路。在实际应用中，IGBT的关断缓冲电路有RC吸收和RCD吸收两种。(1) RC吸收电路IGBT的RC缓冲电路如图3_5a中吸收电容CS与电阻Rs串联后并联于IGBT的集电极和发射极两端构成了RC吸收电路。为了限制吸收电容Cs的放电电流，将其串联了一个电阻R，但是由于电阻R的串入，使得IGBT关断时的过电压吸收效果较单电容缓冲电路要差，而且Rs阻值越大，吸收效果越差。所以在实际应用中，Rs阻值取得较小，这样既可有较好的吸收效果，同时对开通时的电流尖峰又有抑制作用。(2) RCD吸收在RC吸 收电路的吸收电阻上并联一只二极管就构成了RCD吸收电路，如图3_5b所示。当IGBT关断时，电源经二极管向电容充电，由于二极管的正向导通压阳浸小，所以关断时的过压吸收效果与
