南京信息职业技术学院毕业论文作者学号*****D20 系部电子信息工程系专业电子信息工程技术题目大功率直流稳压电源的设计指导教师评阅教师完成时间：2010 年05 月10 日毕业论文中文摘要毕业论文外文摘要目录1引言 (5)2概述 (5)2.1电源稳定问题的提出 (5)2.2电压不稳定的因素 (6)2.3稳压电源的分类 (6)2.4本文主要工作 (7)3电源硬件系统设计 (7)3.1单片机控制的直流稳压电源的总体设计 (7)3.1.1电源的主电路 (8)3.1.2驱动电路 (9)3.1.3输出电路 (9)3.1.4直流电源设计 (10)3.2元件选择 (13)3.2.1逆变电路的拓扑结构选择 (13)3.2.2逆变频率的确定 (13)3.2.3开关元件的选择 (14)3.2.4逆变控制方式的选择 (15)4参数计算 (15)4.1输入电路参数计算 (15)4.2逆变电路参数计算 (16)4.3输出电路计算 (18)4.4纹波的抑制 (18)5辅助电路 (20)5.1电压驱动型脉宽调制器 (20)5.2电流检测电路 (20)5.3电压检测电路 (22)6单片机控制系统的设计 (22)6.1单片机最小系统设计 (22)6.2数模转换电路 (23)结论 (26)致谢 (27)参考文献 (27)附录A 电路图 (28)1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。

2概述2.1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。

2.2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。

2.3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。

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。

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。

2.4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：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；3电源硬件系统设计3.1单片机控制的直流稳压电源的总体设计图1 单片机控制的逆变电源的总体框图单片机控制的逆变电源的总体框图如图1所示，整套装置主要由电源主电路、PWM控制电路、驱动电路和单片机控制电路四部分组成。

下面简要介绍一下这几部分的电路功能：1)主电路及驱动电路的功能主电路用来实现输入功率到输出功率的能量转换，驱动电路用来将脉宽调制电路输出的控制脉冲转换成符合开关功率器件要求的电平和阻抗形式，同时实现主电路和控制电路之间的电气隔离，其对功率开关元件的开关时间、损耗等有着直接的影响。

另外，还需要在开关器件的工作点超出安全工作区时提供保护信号。

2)基本控制电路的功能基本控制电路的任务是根据单片机输出的电流给定值与实际电流反馈值的差值，通过调节输出脉冲的占空比来实现稳定的输出。

3)单片机控制电路的功能为实现直流稳压电源，单片机系统控制电路用来输出其所需的电压、电流。

01.46c Sp I U (3.1) 3.1.2驱动电路驱动电路的作用主要是对驱动信号进行功率放大，并保证一定的脉冲前沿、后沿陡度，使其有足够的能力使IGBT 饱和导通。

同时，驱动电路还起到控制电路与主电路的电气隔离作用和故障信号的采集作用。

根据IGBT 静特性和动特性，对IGBT 的驱动电路提出下列要求和条件：(1)由于是容性输入阻抗，因此IGBT 对门极电荷集聚很敏感，驱动电路必须可靠，要保证有一条低阻值的放电回路。

(2)用低内阻的驱动源对门极电容充放电，以保证门极控制电压U gs 有足够陡降的前后沿，使IGBT 的开关损耗尽量小。

另外，IGBT 开通后，门极驱动源应提供足够的功率使IGBT 不致退出饱和而损坏。

(3)门极电路的正偏电压为+12V ～+15V ，负偏电压应为-2V ～-10V 。

(4)IGBT 多用于高压场合，故驱动电路应与整个控制电路在电位上严格隔离。

(5)门极驱动电路应尽可能简单、实用，具有对IGBT 的自保护功能，并有较强的抗干扰能力。

(6)若为大电感负载，IGBT 的关断时间不宜过短，以限制尖峰电压，保护IGBT 安全。

大多数IGBT 生产厂家为了解决IGBT 的可靠性问题，都生产与其相配套的混合集成电路。

根据IGBT 管的型号，选用HL402（400A/600V 及300A/1200V ）快速型IGBT 专用模块来驱动IGBT 管。

3．IGBT 的保护将IGBT 用于逆变器时，应采取保护措施以防损坏器件。

常用保护措施有：1）通过检出的过电流信号切断门极控制信号，实现过电流保护。

2）利用缓冲电路抑制并限制过量的du/dt 。

3）利用温度传感器检测IGBT 的壳温，当超过允许温度时主电路跳闸，实现过热保护。

3.1.3输出电路本设计的输出电压是直流低电压，具有一定的输出功率。

输出电路上对高频变压器次级的高频方波电压进行整流滤波。

为了获得高质量的直流输出电压，需要一些特殊的元器件，如肖特基势垒整流二极管以及存储能的电感，以产生低噪音的输出电压。

1．输出整流和滤波电路全桥式逆变电器的输出电路如图4所示，由于二极管D7、D8都给输出端提供半周期的电流，所以它们分担着相等的负荷电流，它们不需要续流二极管，因为当一个二极管截止时，另一个二极管就导通起到了续流的作用。

但是，对二极1d 通常选V U U sc d 7050)32(1--=--= (3.2)在此我们取1d U ＝60V 。

3)求限流电阻 1R假定1d U 变化±10%，则max 1d U ＝1.11d U ×60＝66V (3.3)min 1d U ＝0.91d U ＝54V (3.4)minmin 1max max w scd w sc d I U U R I U U -<<- (3.5)取1R ＝1000Ω。