直流开关电源设计思路(五篇)
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直流开关电源设计思路篇一
在国内，低压通信电源较成熟，高压开关电源尚处于研究阶段。一般大功率直流开关电源输入多采用220 v交流电网，为降低对电网的谐波污染，提高输入端功率因数，一般要经过pfc级整流，然后将pfc级输出电压送入dc/dc级进行变换。但高压直流开关电源输出电压较大，会对dc/dc级产生较大影响。
此处研制的高压直流开关电源采用两级变换装置，前级220 v交流经过不控整流和apfc得到380 v稳定直流;后级选择在初级加箝位二极管的改进型zvs移相全桥变换器，经过变压器变压和隔离，采用全桥不控整流和lc滤波，最终得到精密的240 v直流输出。设计了控制系统，选择合理的参数提高开关电源性能，并通过实验验证了设计的可行性和有效性。主电路的设计
2.1 有源功率因数校正电路
apfc采用全控开关器件构成的开关电路对输入电流波形进行控制，使输入电流成为与电源电压同相的正弦波，功率因数高达0.995,从而彻底解决了整流电路的谐波污染和功率因数低的问题。此处采用软开关单相apfc,其主电路如图1所示。
2.1.1 apfc软开关电路
图1中，为了让主开关管vq实现zvs,引入了辅助开关管vqx,在每一次vq需要进行状态转换前，先导通vqx,使辅助电路谐振，为vq创造软开关条件。vq完成状态转换后，尽快关断vqx,使辅助电路停止谐振，电路重新以常规pwm方式运行。
2.1.2 apfc软开关谐振参数的选取
软开关apfc电路中一个重要参数就是谐振电感l1.l1可由二极管vdr的反向恢复时间tvdr来估算，取谐振电感电流il1上升时间tr=3tvd r,则最大电流上升率可确定为：
di/dt=ilmax/(3tvdr)(1)
式中：ilmax为最大电感电流。
l1的表达式为：
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l1=uo/(di/dt)(2)
式中：uo为apfc输出电压。
实际选取l1=5μh.2.2 zvs移相全桥变换器
zvs移相全桥变换器充分利用主电路寄生参数，如开关器件的寄生电容、变压器漏感和线路电感等来实现软开关。dc/dc级选用初级加箝位二极管的改进型zvs全桥变换器，如图2所示。变换器在一个开关周期有18种开关模态，其工作波形如图3所示。
2.2.1 移相全桥zvs的实现
开关管零电压关断的原因是由于存在结电容，导致两端电压不能突变。零电压开通则需要足够的能量给将要开通的开关管结电容放电，给关断的开关管结电容充电，同时还要抽走变压器初级绕组中寄生电容ctr中的电荷。对于超前桥臂，该能量由谐振电感lr和折算到初级的滤波电感lf串联共同提供，lf很大，所以容易实现zvs.而对于滞后桥臂，由于此时变压器次级被短路，能量仅由lr提供，所以滞后桥臂实现zvs较困难。特别是负载很轻时，lr中的能量不够完成结电容的充放电转换，滞后桥臂就不能实现zvs.为满足滞后桥臂的zvs,必须使lr取值较大。
2.2.2 次级占空比丢失问题
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次级占空比ds小于初级占空比dp,其差值即为次级占空比丢失，即dlose=dp-ds.占空比丢失原因是初级电流ip由正向(或负向)变化到负向(或正向)，负载电流需要一段时间，即为图3中的[t3~t6]和[t12~t15].在这段时间内，虽然初级有电压，但ip不足以提供负载电流，次级整流管全部导通，变压器初、次级短路，负载处于续流阶段，整流输出为零。这样次级就丢失了[t3~t6]和[t12~t15]这两段时间的方波电压，它与开关周期ts的比值即为dloss,dloss=(t3,6+t12,15)/ts=2t3,6/ts,其中t3,6=lr[ilf(t3)-ilf(t6)/k]/uin,则可得：
dloss=2lr[ilf(t3)-ilf(t6)/k]/(uints)(3)
由式(3)可知，dloss与lr和ilf成正比，与uin和变压器变比k成反比。因此，lr的值需权衡取值，既要在尽可能宽的范围内保证软开关，又不能太大，以免造成较大的占空比丢失。
2.2.3 谐振电感的选取
滞后桥臂要实现zvs,lr必须满足：
式中：i为滞后开关管关断时ip的大小;coss为开关管在uin时的输出电容。
选择在1/3负载以上实现滞后桥臂软开关，要求输出滤波电感电流的最大脉动量△ilf为最大输出电流的20%,则：
i=(io/3+△ilf/2)/k=4.09 a(5)
由式(4)可求出lr>19μh,实际选择20μh.2.2.4 次级整流桥输出寄生振荡的抑制
zvs移相全桥变换器输出整流二极管都未工作在软开关状态，存在反向恢复的过程。在输出整流二极管换流时，lr(包括变压器漏感)和整流桥二极管的结电容及变压器寄生电容之间会发生谐振，使整流桥输出产生寄生振荡和电压尖峰。此处通过初级加箝位二极管来解决这一突出问题。为详细说明箝位二极管的抑制作用，针对图3中t∈[t7,t8]这一模态进行分析：在t7时刻，由于lr与cvdr1和cvdr4谐振工作，使得两者的电压上升至uin/k,此时ubc上升至uin,c点电位变为零，箝位管vdvq2导通，将ubc箝位在uin,则cvdr1和cvdr4的电压被箝位在uin /k,防止其电压继续上升，从而消除了整流桥的振荡尖峰和二极管反向恢复造成的损耗。此时，ilr=-i4,ip=ilr+ivdvq2.到t8时刻，ivd vq2线性下降至零，vdvq2自然关断，模态结束。
2.2.5 变压器初级直流分量的抑制
实际电路中，开关管的开关速度或导通压降不同或开关管的驱动信号不一致时，功率转换电路便工作在不平衡状态。此时磁通变化幅度不相同，工作区域将偏向一个象限，引起磁芯单向饱和并产生过大的ip,从而导致开关管的损坏，最终使变换器不能正常工作。为了让全桥变换电路更可靠的工作，和输出滤波电感折算到初级的电感值形成串联谐振网络，谐振频率表达式如下：
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折算到变压器初级的滤波电感值llf=k2lf.为了尽可能让cb充放电呈线性化，ft必须远小于变换器的开关频率fs,取fr=0.1fs,由式(6)，llf=k2lf及fr=0.1fs可求得cb=1.2μf,实际取两个1μf/400 v的云母电容并联。控制系统的设计
3.1 apfc控制方案
apfc控制采用平均电流法，系统框图见图4.采用电流、电压双闭环控制，电流环使输入电流更接近正弦波，电压环使apfc输出电压稳定。
此处通过apfc控制器ucc3818实现双环控制，其输出的pwm脉冲可直接驱动开关管。双环调节器如图5所示。
通过计算电压、电流环增益和穿越频率即可确定相应pi参数，实际设计参数为：ru=56 kω，cu1=3.3μf,cu2=0.3μf,ri=16 kω，ci1 =ci2=1.1 nf.3.2 zvs全桥变换器控制方案
dc/dc级采用单电压环控制模式，并在电压环基础上加上了限流环，正常情况下限流环不工作，只由电压环控制输出电压，一旦输出电流超过限流值，就由限流环工作，通过减小输出电压将输出电流稳定在限流值上。该控制通过ucc3895芯片实现，控制系统框图如图6所示。
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选择超前-滞后补偿网络实现控制，与一般滞后补偿网络相比，该网络增加了微分环节，提高了控制系统的动态性能。具体环节如图7所示。
补偿网络的传递函数gc(s)={(1+sr2c1)[1+s(r1+r3)c3]}/{[sr1(c1+c2)][1+sr2c1c2/(c1+c2)](1+sr3c3)}.对zvs移相全桥变换器进行小信号建模并采用零极点补偿法对参数进行设计，实际所选参数为：r1=91 kω，r2=4.8 kω，r3=2 kω，c1= 0.1μf,c2=0.02μf,c3=1μf.实验结果
为验证高压直流开关电源主电路结构和控制方案的可行性，研制了一台2.4 kw的实验样机。主要电路参数：apfc部分为交流220 v输入，输出直流电压380 v:zvs全桥变换器部分，输出直流电压240 v,输出电流10 a,主功率开关管vq1~vq4为ixfx48n60p(48 a/600 v);输出整流二极管vdr1~vdr4为dsei30-10a,箝位二极管vds1和vds2为dsei30-06a,变压器初次级匝比为1.06,输出滤波电感lf=300μh,输出滤波电容值cf=56μfx8,开关频率fs=80 khz.图8a为apfc主开关管在1/3负载时波形，其实现了软开关。图8b为apfc输出电压突加半载时的波形，由图可知，其性能较好。由1/3负载下所测波形可知，超前、滞后桥臂实现了zvs.由(半载)变压器次级及整流桥输出电压波形可知，不加箝位二极管电压尖峰超过正常值两倍以上，添加箝位二极管后电压尖峰几乎被消除，解决了整流桥输出寄生振荡问题。可见，dc/dc级控制系统设计较合理，超前，滞后补偿环节提高了系统的动态性能。
东营变频器维修 http:///dybpwx 结论
研制了两级结构高压直流开关电源，前级采用单相有源软开关pfc,提高功率因数，合理设计谐振参数可实现软开关，降低开关损耗。控制部分采用pi调节器，具有较好性能。后级选择在初级加箝位二极管的改进型zvs全桥变换器，实验结果证明该电路结构能够有效抑制次级整流桥输出振荡和电压尖峰，减少损耗。该方法简单，实用性较强。控制系统进行方案选择，pid参数合理设计，提高了高压直流开关电源的动、静态性能。
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直流开关电源设计思路篇二
附 件
1、高频变压器设计
⑴ 计算磁芯的有效导磁截面积ae：
apaeawpo106(cm4)2fsbmaxjkmkc式中：ae――磁芯截面积(cm2)aw――磁芯窗口面积(cm2)
po――变压器输出功率(w)fs――开关频率(hz)
gs bmax――最大工作磁通密度(gs)，对于铁氧体磁芯bmax2000
2j――电流密度（取为4a/mm）km――窗口填充系数（取为0.4）
kc——磁芯填充系数（对铁氧体取为1）――－效率
vinmax⑵ 初级匝数：np108 4fsaebmax
式中：vinmax――输入电压最大值(v)fs――开关频率(hz)⑶ 次级匝数：nsnp(vov2)(vinminv1)dmax
式中：vo――输出电压(v)v2――副边附加压降(取为1v)
vinmin――输入电压最小值(v)v1――原边附加压降(取为1v)dmax――最大占空比(取为0.85)注：附加压降中包括器件管压降
2、输入滤波电容：
cinpo
[(2vmin)(2vminvpp)]f22
式中：po――输出功率f――输入交流电频率
v vmin――交流输入电压最小有效值。取vmin200
vpp――整流滤波后直流电压最大脉动值。取vpp2vmin20%
3、输出滤波电感：
lfvo 4fsim
式中：im――允许的电感电流最大纹波峰峰值（一般取额定电流的10%）
4、输出滤波电容：
vo1d 2vo8lfcffs
直流开关电源设计思路篇三
数控直流开关电源的设计
数控直流开关电源的设计
摘要
本设计是根据单片机控制系统应用于开关稳压电源的方法和原理，将单片机数字控制技术，有机地融入直流稳压电源的设计中，设计出一款可调稳压输出的直流开关电源。开关电源采用dc—dc全桥式电路，控制电路采用stc12c5a60s2的单片机，由模拟控制芯片ka7500b产生pwm信号经驱动电路实现对dc—dc开关管的控制，实现电压的稳定输出，通过键盘来设置电源的输出电压，并能够通过液晶直观地显示出电压。该设计分析了各个模块电路和整机的工作原理，给出了整机工作的硬件实现和主要的软件流程设计。具有电压输出范围宽、电流过流设定保护、短路自动恢复、连续可变的电压功能，电压输出调节范围为24.0~40.0v，电流输出最大为2.0a,步进电压0.1v。
关键词：直流稳压电源;单片机;pwm
i
the design of numerical control dc regulated
power supply
abstract
this design is based on single-chip microcomputer control system is applied to the method and principle of a switching power supply,digital control technology,will be organically integrated into the design of dc regulated power supply,designed a adjustable output voltage dc switching power ing power supply with dc-dc full bridge circuit,control circuit adopts stc12c5a60s2 mcu,pwm signal generated by the simulation control chip ka7500b by driving circuit control system for the dc-dc switch tube,realize the stable output voltage,through the keyboard to set the output voltage of power supply,and can show visually through the lcd design and analysis the each module circuit and working principle of the machine,the machine work on hardware implementation is given and the main software process a wide range of output voltage and over current protection,short circuit current automatic recovery,continuous variable voltage function,the output voltage range of 24.0~40.0 v,2.0 a maximum output current,the step voltage of 0.1 words:dc regulated power supply;single chip microcomputer;pwm
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1.1研究背景及意义......................................................错误！未指定书签。错误！未指定书签。
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3.3单片机的设计..........................................................................................10
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3.3.2晶振电路........................................................错误！未指定书签。
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一、绪论
1.1研究背景与意义
随着科学的高速发展，电子产品与我们的生活息息相关。任何跟电子有关的，都会需要电源的支撑，随着信息化的普及，在90年代，所谓的开关电源逐渐进入我们的视线，比方各类各样的电子设施。对于开关电源我的理解是一个便于携带并且体积小的一个电源。开关电源的出现给线性电源带来了巨大的冲击，没办法，毕竟时代在进步，我们的科技水平也在进步，所以更加先进、更加可靠、更有效率的开关电源慢慢的出现在世人的眼中。也是逐渐取代线性电源的一个产品，可以说在未来的任何行业中都会有开关电源的影子，它现在已经占据了很大的一部分市场并且这些市场也都在广泛的使用开关电源。尤其表现在电子信息产业，毕竟这个行业需要这样的电源，他们制作的东西越来越便于携带、效率越来越高。所以线性电源也随之被取代。当然在今天还是有一部分的电子产品中的电源依旧没有被取代，但是在不久的将来，我相信开关电源将会在整个市场出现。以及信息类、电子产品的各种电源等都已经开始普遍地应用开关电源，这越发的使开关电源这方面得到了很好的发展。该电源采用的是由单片机开控制电源内部的开关管的导通以及断开的时间，从而保证可以输出一个不变的电压，它是由pwm和金氧半场效晶体管组成。开关电源越来越普及，也越来越精简，功能也越来越全面，所以他很快便普及了各个行业。交换式电源比普通线性电源的体积小，更轻便化，并且便于携带。开关电源是应用于各行各业独特的一个电子设备。它的优势是变换的效率很高、易携带、精准、快速等，很多领域都代替了线性电源。并快速向大功率开发并推进，在此基础上代替了晶闸管相控整流电源[1]。所以说该电源当前以中、小电子装置的普遍技术。在今后的发展过程中，该电源在环境已经能源问题上的运用都有特别的贡献。此应用中的电力电子器件主要都有二极管、金氧半场效晶体管以及绝缘栅双极型晶体管。scr在开关电源输入整流电路和软启动电路中都有少量的应用，由于gtr驱动困难，开关频率低，所以逐渐被igbt和mosfet取代。如今的社会发展以及科技的发展都是进步之快，电源产业也需要像开关电源这样的
可靠性好的电源来支撑，所以该电源的问世也是向世界宣称，世界正在走向一个智能化的时代，以前笨重切效率不高的产品将要淘汰。替代他们的将是不断创新，不断完善的科技新产品，正所谓适者生存，这个道理同样在电子产品中适用。所以电源的不断创新，也正因为它的特点，也是在当今的电子产品行业得到很大的立足。单单从分类来说开关电源都已经领先线性电源很多了，毕竟种类繁多，然而线性电源呢，单一并不可靠。种类繁多进而能够促使这个发展的更快，也正因为这个运用的广泛所以才会出现多种的开关电源。所以在我们今后的发展道路上，应该多去研究下这方面。毕竟开关电源是现在世界的主流
1.2国内外发展现状
1.2.1国内现状
我国的开关电源研制工作最初在60年代初期，中期则开始运用，70年代的时候得到了进一步的发展。74年的时候成功的研制出开关净化稳压电源。国内的的电源产业是60年代中期逐步开始，到90年代，随着电子设备的逐步完善，从而也对系统效率的要求也很高，所以开关电源的发展方向也逐步开始智能化。我国的科技水平虽然在世界方面处于领先的一个地位，但是与一些发达的国家相比的话，那我们的水平还是有很大的不足，但是我们也在不断的进步，并且是以一个飞速发展来形容都不为过，毕竟没有那个国家能在这么短的时间发展的这么迅速，从一个半殖民地的国家，到现在成为一个发展中的国家。目前世界上中国是唯一的一个特例。所以在任何的领域我们都是以一个高速发展的角色进入，当然我坚信在开关电源这方面我们一定能够成为领先的一块。因为我们国家不缺人才，并且我们国家的人员很多，在电子产品的消耗中我们比任何国家都多的多，所以我们需要不断的创新，不断的去制造更加适合人们使用的开关电源。只有这样我们的生活才能更好，我们的电子产品也能得到很好的推广。开关电源也算是一个带动一个行业发展的产品，无论从经济还是从学术的方面来说，我们都需要在开关电
一方面，电源产业进入快速发展期。电源产业源方面等到一个更大的突破。规模在扩大；另一方面，我国的在这方面的也开始有了重点的研发。重点为一下部分，一方面是从吸收消化上，另一方面是从跟踪发展到前沿跟踪上，还有一方面是在基础创新上，我国在该产业方面也研究出一批带有国际性的成果及其先进的产品。我国开展了许多的课题，也在技术方面跟国际接轨，并且很有创新。我国与其他国家相比较，在该产业中，还是有很大的缺陷以及达不到人家那边的标准：比如在产品的性能、制造等明显有十五年的不足，尤其在某方面尤为突出，例如：直流恒流的网络化等明显做的工作还是不够。到现在我国在这上面表现最多学校是华工大以及成都科大，该两所大学主要进行ced的使用以及学习等方面，从而达到数控。国内需要更多的大学去对这方面进行研究，毕竟是一个智能化的时代。1.2.2国外发展状况
55年罗那研究出了晶体管直流变换器。当时那个时代是一个再这方面是迅速发展的美国科学家时期，也是晶体管出现的年月，它的诞生使得直流能整流、滤波后输入，不用再重复的进行工频这一步骤，也使得它的领域越来越大，并在此程度上大大的提高了降压变压器开关电源的研究以及产生。这样的一个变压器你们会选择使用么，答案显而易见，所以以往的工频变压器都不用了，然后我们得到了方便、快捷以及又使用的电源。我国在该产业方面的能力还是很欠缺的，尤其像美国这样的国家，我们是无法比拟的，该产品中，我们所生产的产品无法与那些国家相比，他们可以使那些功能很完善，而我们并不能做到这一点，我们需要进一步的去研究，去创新，从而减少这种差距。所有的产品都在走向一个智能化的方向发展，包括电源。开关电源的问世就是这个意思，来告诉大家，在当今这个社会，任何国家都在进步，尤其在制造业，该产业的智能化我们还是有明显的不足，在这个快速发展的世界，我们面临很多竞争跟问题，我们需要客服这些困难，去挑战自己，才能有所进步有所创新。随着国外各项技术的发展，在70年代以后，与这种技术相关的各种高科技电子电气产品不断地研制和生产出来，其中具有代表性元件，使该电源取得了快速的进步。而且在人们的生活中被普遍的应用，在很多领域都有该产品的运用。尤其表现在电子信息产业的发展，在该产品中使用的有太多太多了。所以该领域的研究及其发展还是有很大的空间。不得不说国外在任何行业都是有很大领先，他们在对开关电源不断的研究改进中。使得人们能够用到更准确、更有效率的开关电源。所以开关电源在各个行业的地位显而易见，国外的开关电源毕竟发展的时间比国内要早，虽说科学的
领域是无国界的，但是我们都希望自己本国的科学家能够研制出最新型的开关电源，使其在行业中得到更多的认可。所以开关电源必将取代古老的线性电源，无论是国内还是国外。这将是必然的事情。
1.3设计的主要任务及要求
在本设计中我们采用单片机控制直流开关电源并非芯片控制，从而能够更加简单的达到一些功能，然而现在更多采用的都是单片机的控制，比如：实现电压的输出范围宽、短路自动回复等。输出电压可调范围：24~40v；最大输出电流：2a；输出噪声纹声电压峰-峰值小于等于1v；dc-dc变换器的效率大于70%；步进值为0.1v；具有过流保护的功能，动作电流io（th）=2.5±0.2。
1.4设计组织结构
本设计中我们最先介绍了开关电源的背景意义，以及他们的发展前景和国内外的情况；然后进行总体方案的选择与论证，接着对硬件电路部分一一进行设计，对软件结构进行规划，给出设计流程图；最后对本设计的工作做了进一步的总结并给我本次设计我所得出的结论。
二、方案设计及论证
2.1方案设计
图2.1所示为数控直流开关电源原理框图。220v的交流电压经过交流滤波器，滤去谐波，补偿消耗的无功功率，然后经过整流滤波电路将交流电压变为直流电压。在本设计中最为关键的一步便是将直流电路（dc）转换成另一固定电压或电压可调的直流电能的dc-dc变换电路，该电路的基本原理是控制igbt的导通和截止，将直流变为高频交流来变压，从而使得原本的高电压转换成我们负载所利用的电压。电压、电流取样模块将检测的负载电流电压送给单片机，单片机控制输出pwm信号的占空比，以达到稳压输出的目的；通过驱动电路去控制dc-dc的igbt开关管。键盘是用来设置电源输出电压的一种按钮，它便于实现改变输出电压的功能。输出电压是由显示器来显示的。
图2.1 数控直流稳压电源原理框图
2.2 dc-dc变换电路选择
dc-dc变换器的种类有很多，比如单端式，双端式等。我们本设计采用的便是双端式中的全桥式，因为这种电路能够获得较高的功率，还便于携带。它的原理是四个开关管分为两组其中两个为一组，这两组开关管分别控制电路的导通与断开，并且在两组开关管之间还有一个变压器。这样大大提高了 5
整个电路的输出功率，毕竟两组开关管交替控制，要比一个开关管控制的好很多，效率也很大。不像推挽式的开关电源，只有一个开关管控制，达不到两个控制同时串通的可能性。并且，对于电路中各个器件都要求很高的耐压值，为了使我们能在用更少的器件做更多的开关电源所以我们选择全桥式的方式来做本设计。
驱动使用脉冲宽频调制（pwm）方式，脉冲周期恒定，通过改变高低脉冲电压宽度的占空比来调节输出电压[4]。脉宽调制方式可以使开关管导通时间随着负载电流的下跌而减小，从而降低开关损耗，提高效率。
2.3单片机选择
主控电路选择的是单片机控制电路，为了减少外围电路元件，所以选用含有pwm功能的专用芯片，又因为我们有电压/电流检测电路，因为在我们本设计中的电路所得到的信号都为模拟信号，所以我们需要一个数模转换部分，为了使电路更加简单快捷，便于操作，所以我们选择了宏晶科技生产的stc系列中的stc12c5a60s2单片机，并且内具有数模转换部分，而且内部有max810专用复位电路。因此选择该单片机。
图2.2 stc12c5a60引脚图
2.4驱动电路选择
ka7500b是一个频繁用于高压电路中的电压驱动型脉宽调制器，它在此领域应用广泛，是直插式的封装。在该芯片内部总共有两种方式，这两种方式对于驱动的选择尤为重要，也是别人选择该芯片作为驱动的重要原因。该芯片工作频率范围：1khz至300khz。它包含了开关电源控制所需的主要功能块，输出脉冲宽度是由死区时间控制和反馈pwm比较器输入两个信号中电平较高的一个控制，为了使我们的设计更加完善，我们在此电路中得到两种信号，这两种是不一样的，所以我们需要拿他们两个来进行一个比较，最后才能完成脉冲看度度的调节。因此驱动电路选用ka7500b电路。
2.5显示器的选择
对于显示器的选择，我们本设计采用的是液晶显示器来显示输出电压，那么要求必然是方便，从资源的方面来说，消耗越小越好，便于携带，因为我们最终需要显示的是数字模式，所以我们必须选择带有数字接口的显示器。7
液晶1062液晶显示器，正好符合我们要求，它体积小便于携带，操作没有那么繁琐，重点是它带有数字式的接口，所以我们选择1602液晶显示器。
三、系统硬件设计
3.1滤波整流的设计
对于整流电路，首先我们需要知道整流电路在本设计中的作用，我们才能够更加准确的去选择一个合适的整流电路，从而使我们能够更加有效的完成本次的设计。该电路在整个设计中能起到交流变为直流，因为我们所接的电源是220v交流电压，而我们需要得到一个直流稳压的电源，所以就需要整流电路来进行一个变换。整流电路的方式有很多种，本设计中采用的是桥式整流电路，因为桥式整流电路的输出电压高，谐波电压较小（自身电路带来的影响很小）等优点。充分利用了该电路的特点来使设计更加全面各加可靠。桥式整流电路也是被应用很多，它也能是电源变压器得到充分的利用即提高了利用的效率。
为了使输出的电流更加的平滑，更加的准确，本设计采用了电容滤波器来进行滤波，滤除那些对本设计有影响的谐波，如图3.1所示。
图3.1 电容滤波器电路图
从3.1图中我们可以清晰的看到电容滤波器的电路是怎么样连接的，电路中的l1、l2他们的线圈匝数是相等，它们两个的作用是抑制作用。只要有它们两个在就会有很好的抑制作用，因为它们两个能够产生一个数值相当大的高阻抗，从而获得非常好的滤波效果。
在本设计中我们在选择滤波元件时，经过精准的计算我们得，其中l1和l2均为20mh,c1、c2选择：0.1-2μf。至于c3、c4为4700pf。这么做选择能够更好的抑制噪声对本设计的干扰，已经谐波对本设计的干扰。所以我们通过本电路可以有效的得到滤波。
3.2 dc-dc电路的设计
3.2.1原理
图3.2为全桥式原理图，本部分也是该设计的核心内容，因为开关电源的由来就是由dc-dc变换电路来设计的，那么我们来看下全桥式电路的原理以及组成。首先在该图中我们看到拥有4个控制开关，并且是并联在电路中，也可以说k1和k2为一体k3和k4为一体。这4个开关管的作用，当整个电路都在工作的时候，这四个开关管肯定是两个接通，两个关断的。所以能够得到一个轮换的工作。这两组开关管各控制一个电桥，从图中我们可以看出，变压器的连接方式有点特别，它接在两个电桥之间。所以我们成这样的接线方式为全桥式的开关电源电路。
图3.2 全桥式原理图
3.2.2 dc-dc电路
图3.3 dc-dc电路图
3.2.3主要参数计算方法
直流输出电压可调式全桥开关电源变压器初、次级线圈匝数比的计算：
nn32u0(1d)n1ui式中，n1为变压器初级线圈n1或n2绕组的匝数；n3为变压器次级线圈的匝数；u0为直流输出电压；ui为直流输入电压。
将上述公式变形得u0nu1
2(1d)可见通过改变占空比，可以改变输出电压u0。当占空比越大时，输出电压越大，当占空比越小时，输出电压越小。
3.3单片机的设计
p1.4-p1.7口用于1602显示器的驱动;p1.0口用于输出电压的数模转换p1.1口用于负载电流的数模转换。由于输出电压为24-40v,在p1.0口用电阻进行了10:1的降压,确保输入电压在5v以下;p3.7口输出50khz左右脉宽调制信号通过滤波应用于ka7500b以控制开关管的脉冲宽
作。度;p3.2-p3.4口安装3个轻触开关用于电源的控制操3.3.1复位电路
本系统复位电路如3.4图所示，图3.4 复位电路
3.3.2晶振电路
晶振电路工作原理：晶振电路采用内部时钟连接方式，连接方式如3.5图所示。当电路采用内部时钟连接方式时，单片机片内的高增益反相放大器通过xtal1，xtal2外界作为反馈元件的片外晶体振荡器（呈感性）与电容组成并联谐振回路构成一个自激电路，向内部时钟电路提供振荡时钟[7]。
晶振与单片机的引脚组成振荡电路中会有谐波产生，电路连接方式如3.5图所示，但是这个谐波对连接方式振荡并没有什么影响，可以说微乎其微，但是它电路的时钟振荡器的稳定性会有所降低，为了保障电路的稳定，atmel公司只是建议加上两个电容来减少谐波带来的负面影响。本电路晶振选用12mhz晶振，电容c7，c8的大小对振荡频率由微小的影响，可起频率微调的作用，所以选用30pf。
图3.5 晶振电路
3.3.3键盘电路
键盘电路如下图所示分别为“加”键、“减”键以及“确认”键，k1表示加，k2表示减，k3表示确认。
图3.6 键盘电路
3.4显示电路
3.4.1电路图
该设计采用的是1062液晶显示器。如图3.8。
图3.7 显示电路
3.4.2主要技术参数和性能
显示容量:16×2个字符，芯片工作电压:4.5—5.5v，工作电流:2.0ma(5.0v)，模块最佳工作电压:5.0v，字符尺寸:2.95×4.35(w×h)mm[15]。
3.5驱动电路
3.5.1原理
驱动电路原理图如3.9图所示：本设计采用ka7500b来进行驱动，该芯片工作频率范围：1khz至300khz。它包含了开关电源控制所需的主要功能块，输出脉冲宽度是由死区时间控制和反馈/pwm比较器输入两个信号中电平较高的一个控制，为了使我们的设计更加完善，我们在此电路中得到两种信号，这两种是不一样的，所以我们需要拿他们两个来进行一个比较，最后才能完成脉冲看度度的调节。
图3.8 驱动电路
图3.9 ka7500b引脚排列图
3.6电压反馈电路
3.6.1电压反馈电路
电路图如3.11图所示，它在我们开关电源中的作用则是用来调控电压，最终能使我们得到一个稳定的输出电压。如3.11图所示，电压发生变化时，通过电路中的各个元件来调节电压，电路中的两个电阻作为分压电阻，从而使u15的电压发生变化，然后与其最开始的电压做比较，便会产生一个信号，通过放大电路来放大信号，由此传到控制芯片，进而对输出电压进行调整，最终我们便能得到一个稳定的电压。
图3.10 电压反馈电路
3.6.2 uc3842简介
uc3842属于一个电流控制型脉宽调制芯片，该芯片常用于开关电源的设计中，它的外围电路简单，也常应用于电子电路的设计当中，所以本设计采用该芯片。它能够更加的稳定我们的输出电压，从而使我们的设计更加的完善以及完美。因为在该芯片当中有双闭环控制系统，所以电压稳定度非常的高。这也是我们选择该芯片的原因之一。还有就是该芯片能够起到一个过流的保护作用，可以防止功率管不被破坏。图3.12是我们uc3842芯片的内部结构图。从该芯片的结构图中我们也可以看出，它的所有电路基本都会使 15
我们能够得到一个稳定的输出电压。并且也可以保护我们电路中的一些元件，避免操作不当或者执行的过程中造成损坏而浪费。该芯片的各个引脚基本的作用基本都是维护系统正常工以及使电路的电压稳定输出，它的脉宽调制器输出的脉冲周期不变，但是它的宽度会随反馈电压的大小来改变。宽度变宽，周期就长，变窄则周期短，这样便能使我们的电路输出一个稳定的电压。
图3.11 uc3842内部结构图
四、系统软件设计
4.1主程序
首先我们要从液晶显示器中获得本有的数据，并且我们也是有最初的输出电压，两者对比，从而才能知道是否得到稳压；其次利用按键进行输出的调整；最后我们需要使最终的输出电压需要显示在液晶显示器中，查看并记录，方便后续的计算以及分析。程序的流程图如图4.1所示。
图4.1 数控直流开关电源控制主程序流程图
4.2稳压控制程序
稳压控制程序的主要功能是实时测量输出的电压与电流值,并与设定输出输出及保护电流比较,控制输出电压的稳定及进行过流保护[12]。stc12系列的单片机具有8路ad转换口及其4路的pwm的输出口，这样更加方便快捷的实现稳压的控制，以及模拟信号变为数字信号更加迅速，也方便了我们对于数据的测量，最后对于测量出的电压、电流值进行计算与对比，从而能够达到我们设计中稳压的目的。
4.3键功能程序
该程序就是为了来便于电压的一个改变的操作。我们需要对在本设计中使用到的io口的输出进行一次对比，并且我们需要这些输出必须跟按键值为同一个输出才行，则让扫描计数器加1当计数器的值已达到20说明读取20次键值都相等说明的确有键按下（正是在键值稳定区读取）若读取小于20次时，前后两次键值出现不相等就说明是键盘抖动或是干扰，这时让扫描计数器清0，起到消除抖动，及干扰作用。
图4.2 键盘程序流程图
五、调试性能分析
由于在电源板设计调试中有高压部分，因此220v的供电要求采用隔离变压器，以保证调试中的人员安全及测试设备（示波器）安全。开关电源调试时，先用较低的交流电压（50~100v）进行测试，脉宽控制端可用电位器进行输入控制电压的设定[13]。带波形及相关的电路数据正常后再输入220v的正常交流电压，最后将单片机控制电路与电源板连接进行调试。经过上述的步骤我最后对该设计进行了系统全面的分析，能够得到的结论如下： 1.输出电压可调范围：24~40v 2.最大输出电流：2a 3.输出噪声纹波电压峰-峰值小于等于1v -dc变换器的效率大于70% 5.具有过流保护功能，动作电流io（th）=2.5±0.2
结论
本设计主要设计的是一款数控直流开关的电源设计，是由stc系列的单片机来控制的，整个设计中主要采用了整流滤波，最为重要的为dc-dc转换、单片机控制、驱动、电压反馈、显示这些主要电路以及按键电路几个部分。其中将交流变为直流的是整流电路；因为滤波电路可以过滤掉纹波，所以采用滤波电路则是为了得到更加平稳的电压；为了使电路的简单，使步骤的简化，毕竟多一个数模转换还是比较麻烦的，所以在本设计中我们采用带有数模转换芯片的单片机stc12c5a60s2，并且它也可以控制pwm的信号，从而使得电压稳定输出；驱动的部分则是用了ka7500b芯片，从而对变换电路的导通和截止进行控制；键盘的部分我们这边比较简单，就是单纯的来控制一个电源的输出电压；显示部分则是运用了1062液晶显示器，从而能使电压更加清晰的展现在我的面前，更加直观的看出电压；我们本设计最重要的部分dc-dc电路，则是采用的全桥式的形式，它的优点输出功率大、效率高等，该电路的主要功能则是将固定的直流电压改变为可调的直流电压。最后我们通过软件的放来来实现各个部分的控制，从而更加简单的就得出了我们的最后结论，软件的方式也使我们的系统变得简单，容易调节电压输出范围宽以及电路的保护功能的设定。
参考文献
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[15] 基于单片机的程控电源硬件设计 李丹2013-03-01.22
直流开关电源设计思路篇四
变电站直流高频开关电源的检测与验收
摘要： 直流系统可靠与否直接关系到电网的安全，随着高频开关直流电源系统大量使用，该种电源系统的建成投运验收交接和运行检测、检查，已显得极为重要，从柜体、元器件外观的检查、整套系统电气技术参数检测都必须严格进行，并根据不同的目的进行相应项目的检查，运行中更应定期检查，及时发现存在的隐患，保证其在规定的参数下运行，以提高电池的服役年限。
abstract： the reliability of dc system is directly related to the safety of the power the heavy use of dc power system of high-frequency switch，the built，operation，acceptance，handover and running，detection，checking of this kind of power system are extremely appearance checking of cabinets and components，the electrical technology parameters of the whole system must be rigorously conducted，and according to the different goals to check the related periodical inspection in operation is necessary to find the wooden horse in time to ensure the running under specified parameters and improve the service life of the battery.关键词： 变电站；直流高频开关电源；检测；验收
key words： transformer substation；dc high frequency switch power supply；detection；acceptance
中图分类号：tm64 文献标识码：a 文章编号：1006-4311（2015）11-0256-02
0 引言
直流系统是变电站的操作电源，近年来，高频电源开关逐渐取代相控电源和磁放大充电设备，成为电力系统变电站直流系统的主要充电设备，其运行水平直接关系到变电站的安全运行，因此，高频开关直流电源系统的交接必须进行严格检测和验收，运行中也应定期的检测和试验，及时发现存在的隐患，同时，保证其在规定的参数下运行，以提高电池的服役年限，下面我们就高频开关直流充电电源设备的检测项目和方法进行说明。一般外观检查
1.1 柜体检查
①柜体保护接地可靠，接地处无锈锈蚀有明显标志。
②门必须能灵活开闭，开启角超过90°。
③门锁可靠。用多股软铜线连接门和柜体。
④紧固连接结实、牢固。
1.2 元器件检查
①直流回路未使用交流空气断路器；其配合应符合规定，满足动作选择性的要求。
②导线、指示灯、按钮、行线槽、等排列整齐，无损坏、过热和变形。
③直流电源系统设备使用的测量表计指示准确。
④直流空气断路器、熔断器上下级应大于二级的配合级差，且要达到动作选择性的指标。
⑤同类元器件应接触可靠、插拔方便。插接件的接触可靠。
1.3 电气间隙、爬电距离
参照表1所示参数设计柜体两带电导体之间、带电导体与裸露的不带电导体之间的最小距离。直流充电电源设备的现场检测项目
①绝缘电阻测量；
②工频耐压试验（有条件进行）；
③电压调整功能试验；
④稳流精度试验；
⑤稳压精度试验、纹波系数试验；
⑥并机均流试验；
⑦限流及限压特性试验；
⑧保护及报警功能试验；
⑨控制程序试验；
⑩显示及检测功能试验；
{11}三遥功能试验。高频电源开关设备的检测方法和标准
3.1 绝缘电阻测量
①用1000v兆欧表测量被测部位。
②柜内直流汇流排和电压小母线，当除此以外的连接支路全部断开时，要求对地绝缘电阻至少达到10mω。
③蓄电池组的绝缘电阻，见表2。
3.2 工频耐压试验
如果时间充裕，现场条件允许，建议进行工频耐压试验。用工频耐压试验装置对柜内各带电回路，参照表3所示参数，对其施加工作电压，并持压1分钟。若不出现绝缘击穿、闪络等缺陷，则认定试验合格。
3.3 电压调整功能试验
直流电源柜内一般装有调压装置，必须对该装置进行手动调压和自动调压试验。
3.4 高频开关稳流精度试验
①充电（稳流）电压的调节范围详见表4。
②高频开关稳流精度试验。
维持充电（稳流）状态下的充电装置，交流输入电压的变动范围基本维持在额定值的+15%，-10%之间；输出电流也基本恒定在额定值20%～100%范围内的某一数值上，稳流精度？燮±1%；输出电压的变动范围也始终不超过充电电压的调节范围内，并且用δi=（im-iz）/iz×100%计算稳流精度。
式中： iz表示输出电流整定值，im表示输出电流波动极限值，δi表示稳流精度。
3.5 稳压精度试验与纹波系数试验
①浮充电电压调节范围：充电装置的浮充电电压调节范围详见表4。
②试验要求。
处于浮充电（稳压）状态的充电装置，交流输入电压的变动范围基本维持在额定值的+15%，-10%之间，输出电流的浮动范围也不超出其额定值的0%～100%的范围，输出电压在基本恒定在其浮充电电压调节范围内的任一数值上，稳压精度？燮±0.5%，测得电阻性负载两端的纹波系数？燮0.5%。
稳压精度计算公式：
δu=（um-uz）/uz×100%
纹波系数计算公式：
δ=（uf-uq）/2up×100%
各字母所对应的参数如表5所示。
3.6 高频开关电源模块并机均流试验
将设备所有模块的输出电压均整定在浮充电电压调节范围内同一数值上，所有模块全部投入，在浮充电（稳压）状态下运行。设模块总数为n+1，模块输出额定电流ie。
在设备输出电流为50%额定值[50%×ie（n+1）]和额定值ie（n+1）的负载条件下，分别测量各模块输出电流，并通过下式计算相应的均流不平衡度。
均流不平衡度=（模块输出电流极限值-模块输出电流平均值）/模块的额定电流值×100%
3.7 限流及限压特性试验
使充电装置分别在浮充电（稳压）状态与（恒流）充电状态下运行，通过调整负载，测试装置的限流及限压特性。试验参数详见表4。
3.8 保护及报警功能试验
按产品技术条件设定设备的保护及报警动作值。调整所需参数值，人为模拟各种故障，设备的保护和报警动作值及保护和报警动作方式，应符合以下标准。
①绝缘监察装置（详见表6）。
②电压监察要求。
基本要求：1）过压继电器电压返回系数？叟0.95；2）欠压继电器电压返回系数？燮1.05。从设备的电压监察装置配的仪表直读数值。
③闪光报警要求。
当设备可设有闪光信号装置的，可以使用试验按钮检查动作正确与否。
④故障报警要求。
当交流电源失压（包括断相）、充电装置故障、绝缘监察装置故障或蓄电池组等熔断器熔断时，设备应能可靠发出报警信号。
3.9 监控装置控制程序试验、监控装置显示及检测功能试验、三遥功能试验监控装置控制程序试验包括充电程序、长期运行程序和交流中断程序的试验。监控装置显示及检测功能试验需要人为模拟故障，使设备自动预警，检查其动作值、设定值是否达到相关技术标准。三遥功能试验涉及遥信试验、遥测试验和遥控试验三项内容。应该严格按技术规程操作，确保试验数据可靠。
参考文献：
[1]直流电源系统技术标准[s].国家电网公司.[2]直流电源系统检修规范[s].国家电网公司.[3]直流电源系统运行规范[s].国家电网公司.
直流开关电源设计思路篇五
武汉理工大学《能力拓展训练》说明书
3kva三相逆变器设计 概述
现代工业、交通运输、军事装备、尖端科学的进步以及人类生活质量和生存环境的改善，都依赖于高品质的电能，据统计70%的电能都是经过变换后才使用，而随着科技的发展，需要变换的比例将会进一步提高。电力电子技术为电力工业的发展和电力应用的改善提供了先进技术，它的核心是电能形式的变换和控制，并通过电力电子装置实现其应用。电力电子装置是以满足用电要求为目标，以电力半导体器件为核心，通过合理的电路拓扑和控制方式，采用相关的应用技术对电能实现变换和控制的装置。逆变器和直流斩波电路是应用很广的一种电力电子装置或技术。
直流斩波电路（dc chopper）的功能是将直流电变为另一种固定的或可调的直流电，也称为直流-直流变换器（dc/dc converter）直流斩波电路（dc chopper）一般是指直接将直流变成直流的情况，不包括直流-交流-直流的情况；直流斩波电路的种类很多，包括6种基本斩波电路：降压斩波电路，升压斩波电路，升降压斩波电路，cuk斩波电路，sepic斩波电路，zeta斩波电路，前两种是最基本电路。
逆变器也称逆变电源，是将直流电能转变成交流电能的变流装置，是太阳能、风力发电中的一个重要部件。随着微电子技术与电力电子技术的迅速发展，逆变技术也从通过直流电动机—交流发电机的旋转方式，发展到晶闸管逆变技术，而今的逆变技术多采用了mosfet、igbt、gto、igct、mct 等多种先进且易于控制的功率器件，控制电路也从模 拟集成电路发展到单片机控制甚至采用数字信号处理器（dsp）控制。各种现代控制理论如自适应控制、自学习控制、模糊逻辑控制、神经网络控制等先进控制理论和算法也大量应用于逆变领域。其应用领域也达到了前所未有的广阔，从毫瓦级的液晶背光板逆变电路到百兆瓦级的高压直流输电换流站；从日常生活的变频空调、变频冰箱到航空领域的机载设备；从使用常规化石能源的火力发电设备到使用可再生能源发电的太阳能风力发电设备，都少不了逆变电源。毋庸置疑，随着计算机技术和各种新型功率器件的发展，逆变装置也将向着体积更小、效率更高、性能指标更优越的方向发展。
pwm控制技术就是对脉冲的宽度进行调制的技术，即通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效的获得所需要的波形（含形状和幅值）；面积等效原理是 pwm技术的重要基础理论。一种典型的pwm控制波形spwm脉冲的宽度按正弦规律变化而和正弦波等效
武汉理工大学《能力拓展训练》说明书 的pwm波形称为spwm波。spwm法是一种比较成熟的也是目前使用较广泛的pwm法。在采样控制理论中有一个重要结论：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。spwm 法就是以该结论为理论基础，用脉冲宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的 pwm 波形即spwm波形控制逆变电路中开关器件的通断，使其输出的脉冲电压的面积与所希望输出的正弦波在相应区间内的面积相等，通过改变调制波的频率和幅值则可调节逆变电 路输出电压的频率和幅值。
本文通过详细讲述每个部分的工作原理、元件选择、电路构造和参数选择，设计出三相逆变器所需的升压电路、主电路、反馈与控制电路、pwm生成电路、触发电路和滤波电路，完整的阐述了一个三相逆变器的设计方法和过程。
武汉理工大学《能力拓展训练》说明书 方案论证
2.1 设计任务与要求
条件：输入直流电压：110v。要求完成的主要任务:
设计容量为3kva的三相逆变器，要求达到： 1）输出380v，频率50hz三相交流电 2）完成总电路设计
3）完成电路中各元件的参数计算
2.2 设计任务分析
由于输入直流电压只有110v，而输出交流电压要求有效值为380v，所以必须通过升压电路将直流电压升到到一定值才能作为逆变器的输入电压。逆变器的核心是半导体开关器件，不同拓扑的逆变电路有不同的优缺点和应用领域。半导体开关器件需要触发信号才能导通，要使逆变器输出正弦波形，则需要特殊的触发电路对开关器件进行调制。逆变器输出带有高次谐波，需要滤波电路对谐波进行。在进行仿真前，需对上述电路模块进行比较论证和选择。
2.3各模块方案选择
2.3.1 升压电路选择
1）方案1：采用变压器直接对直流电压进行升压。
2）方案2：采用boost直流斩波升压电路通过改变占空比对直流电压进行调节升压。
考虑到实际变压器变比不可调或者调节范围很小，不利于逆变器输出的调节，而boost电路通过调节开关器件的导通占空比可以灵活方便的调节输出电压的大小，从实际出发和从方便性出发，最终选择了boost电路作为升压电路。
2.3.2 逆变电路选择
逆变器按照输出的相数分，有单相、三相两种；按电路拓扑分，有半桥式、全桥式和推挽式。鉴于全桥结构的控制方式比较灵活，所以选择三相全桥电路作为逆变器主电路。
2.3.3逆变器触发电路选择
目前，逆变器广泛采用pwm脉宽调制技术实现对输出电压的控制。pwm技术主要体现在两个方面，一是控制策略，二是实现的手段。调制方式主要有直流脉宽调制和正弦波脉宽调制两种方式。直流脉宽输出的是方波，波形畸变严重，所以不适合；正弦波脉宽
武汉理工大学《能力拓展训练》说明书
调制输出波形只含高次谐波，可以大大减小滤波器的体积。所以最终选择正弦波脉宽调制，即spwm技术。
2.3.4滤波电路选择
由于设计任务对波形畸变率没有特殊的要求，可以采用最普通的lc滤波电路作为逆变输出的滤波电路。
2.3.5总电路的控制方式
为了使输出电压波形稳定且可调，采用闭环控制方式，检查输出电压反馈到输入作为比较控制。
武汉理工大学《能力拓展训练》说明书 电路原理及设计
3.1 升压斩波电路
升压斩波电路如下图3.1所示。假设l值、c值很大，v通时，e向l充电，充电电流恒为i1，同时c的电压向负载供电，因c值很大，输出电压uo为恒值，记为uo。设v通的时间为ton，此阶段l上积蓄的能量为ei1ton。v断时，e和l共同向c充电并向负载r供电。设v断的时间为toff，则此期间电感l释放能量为(u0e)i1toff，稳态时，一个周期t中l积蓄能量与释放能量相等，即
ei1ton(u0e)i1tof f
化简得
u0ttoffe
输出电压高于电源电压，故称升压斩波电路，也称之为boost变换器。
t与toff的比值为升压比，将升压比的倒数记作β，则
1
故
u011ae
升压斩波电路能使输出电压高于电源电压的原因 ：l储能之后具有使电压泵升的作用，并且电容c可将输出电压保持住。
图3.1 升压斩波电路原理图
3.2 主电路原理图
武汉理工大学《能力拓展训练》说明书
逆变电源采用图3.2所示主电路。首先采用升压斩波电路将110kv直流电压升高到400kv，因为对输出波形的要求不是很高，与负载并联的电容c取很大就可以达到滤波的目的。开关管t1~t6是igbt，构成三相逆变桥。关断缓冲由电阻r、电容c和二极管d并联网络组成；c0折算到变压器tm的原边后与l2一起构成交流输出滤波电路；变压器用作电路隔离和升压。
图3.2三相逆变器主电路原理图
3.3 spwm控制系统
图3.3 三相spwm控制系统框图
三相脉冲形成可采用上述介绍的spwm控制方法，控制系统框图如3.2所示。下面介绍spwm生成的各电路部分。
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3.3.1数字分频电路
图2-3是数字分频电路，y是石英晶体振荡器，它有稳定的震荡频率，频率稳定度可以达到万分之一。该电路选用震荡频率1.8432mhz的晶振，它和r1、c1、c2组成频率信号产生的电路，得到1.8432mhz频率信号，再经过数字电路cd4017、cd4040处理，输出两路频率信号。cd4017是十进制计数器，第7脚的q3计数端引至第15脚的复位端可以实现3分频。cd4040是串行二进制计数器，9脚q1可以得到2分频，2脚的q6可以得到2的6次方既64分频。1.8432mhz的频率，分频后三角波频率为9.6khz，标准正弦的扫描频率为102.3khz。
图3.4 数字分频电路
3.3.2 标准正弦波形成电路
标准正弦波的长生是利用数字电路实现的，电路原理如图3.5所示。
在eprom中存放的数据（十六进制）是这样得到的；将一个周期的单位正弦波分成n等份，每一点的数据在计算机上事先离散计算好在存放进去。由于写入的数据只能是正值，单位正弦波是和图中uref的波形一致，幅值为1的正弦波。本例中将一个周期的正弦波分成n=2048份。
正弦扫描频率引入数字电路cd4040，cd4040的输出是一组地址扫描信号送到eprom的地址线上，eprom2732中存放的数据便依次送到d/a转换器dac0832，dac0832将
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这些数据转换成断续的模拟信号，经过一个小电容c1（0.1uf以内）滤波，得到连续模拟信号uref，峰峰值由io1端引入的给定电压uc决定，电路中uc来自调节器的输出。经运放lf365处理，可以获得正负对称、幅值为uc的标准正弦波sine。
图3.5 标准正弦波形成电路
要产生的标准正弦波的频率f1=50hz，那么扫描频率应该为：fhf1n502048hz102.4kh，和前面分频电路得到的频率一致。正弦波的频率由z
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稳定度相当高的晶振分频得到，故正弦波的波形畸变率很低；正弦波的幅值受控于给定电压。因此，该电路是一个高精度的正弦发生器。
上述电路具有通用性，对一个已经写好数据的eprom，若改变正弦扫描频率，可以改变标准正弦波频率；若改变eprom中的数据，可实现不同的pwm调制策略，如梯形波调制，注入特定次谐波；若再增加两套电路，在3个eprom中存放相位互差120°的数据，就可实现三相spwm控制。
3.3.3三角波形成电路
分频电路提供了三角波频率信号，即为9.6khz的脉冲信号，应用隔直、比例和积分电路即可得到幅值适当，正负对称的三角波，其频率为9.6khz。
3.3.4 spwm形成电路
本装置spwm形成电路如图3.6所示，正弦波信号sine和三角载波信号tr来自前级电路；tl084是运算放大器，一tr由它接成的反向器得到。电路中大量使用了芯片lm311，它是dip8封装的快速电压比较器，不仅可以作为比较器，还可以利用他的特点做脉冲封锁。下面介绍它的应用：8脚、4脚分别接芯片电源的正、负端；2脚、3脚分别是同向、反向输入；1脚是低电平设定（可接电源负或地），它的电压值决定了lm311输出的低电平值；7脚为输出端，逻辑判断为“高电平”时，集电极开路（oc门特性），因此，7脚必须有上拉电阻同正电源连接，否则，没有高电平输出，图中的r1、r2、r3、r4等都是上拉电阻；
5、6脚用来调节输入平衡（可不用），6脚还可以用作选通，如果lm311的6脚接低电平。其输出恒为高电平，这个特点往往用来设置脉冲封锁。
该系统设置pwm信号低电平有效，即pwm信号为低电平时，驱动电路产生驱动脉冲，igbt导通。lock为保护电路输出的脉冲封锁信号；在电路出现故障时，lock的低电平送到后级各个lm311的6脚，使所有pwm为高电平封锁驱动脉冲。如果不利用lm311封锁驱动，也可以设置pwm高电平有效，取消后级的lm311。
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图3.6 spwm波形成电路
图3.6中r1~r4，c1~c4和rp还组成了死区形成电路，参数大小决定死区时间，rp可以调节死区大小；igbt的开关时间为2us左右，死区时间设为4us。
该装置采用了一种数模结合的spwm控制电路，其框图如图2所示，它由数字分频电路、三角波形成电路、调节器、标准正弦波控制电路及pwm形成电路等组成。系统的电压调节是为了稳定电压，电流调节是为了限制输出电流。电源的正弦输出畸变率小于5%，要求不是太高，逆变器的输出功率1kw也不大。因此，系统仅采用电压平均值闭环控制，稳定输出电压，对输出波形采用开环控制，即直接将幅值受控的标准正弦波和三角波比较。
在3片eprom内写入3个相差120°的正弦波数据，经过数模转换后，形成3个互差120°的正弦波。它们同一三角载波比较，便可得到三相spwm控制脉冲分别驱动3个桥臂。
3.4 驱动电路
igbt的驱动电路型号很多，ir21系列是国际整流器公司退出的高压驱动器，一片
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ir2013课直接驱动中小容量的6支场控开关管，并且只需要一路控制电源。ir2013是28引脚双列直插式集成电路，1、hin2、hin3为3个高侧输入端，lin1、lin2、lin3为3路低侧输入端，ho1、vs1、ho2、vs2、ho3、vs3为3路高侧输出端，lo1、lo2、lo3为3路低侧输出端，vss为电源地，vsd为驱动地，vb1、vb2、vb3为3路高侧电源端，falut为故障输出端，itrip为电流比较器输入端，cao为电流放大器输出端，ca为电流放大器反向输入端。
图3.7
ir2130结构及应用电路
采用ir2130作为驱动电路时，外围元件少，性价比明显提高。它的高压侧的3路驱动电源有ucc采用自举电路得到。3支快速二极管的阴极电位是浮动的，因此，它的反向耐压值必须大于主电路的母线电压 峰值。ir2130最大正向驱动电流 250ma，反向峰值驱动电流 500ma；内部设有过流、过呀、欠压、逻辑识别保护；它的浮动电压做大不超过400v。
3.5 控制器设计
当采用瞬时值内环反馈双环控制时，内环为瞬时值环，用来控制输出电压波形的正弦波，外环采用平均值控制，以保证电压的平均值与参考值一致。如果波形正弦度好，平均值和有效值一一对应关系。
平均值外环的pi调节器输出控制正弦波幅值，幅值乘以单位正弦波后的信号为内环给定，与输出电压瞬时值比较经内环pi调节器输出正弦波调制信号，与三角载波比较后产生的
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pwm信号经过驱动电路控制逆变器的开关器件。
图3.8瞬时值内环反馈双环控制
3.6辅助电源
在桥式逆变电路中，一个桥臂上下两管驱动电路的电源应各自独立，两个桥臂上的管无共地点下管可以共地。因此，驱动6管时，至少要有3路独立电源。采用单端反激式开关电源作为辅助电源提供3组20v电源和±12v电源。3组20v电源分别作为6个igbt的驱动模块电源，±12v电源给控制系统的芯片供电。只要有直流输入，辅助电源就供电，控制系统就具备控制和保护能力。
3.7总电路
由此得到电路图如3.9。
图3.9 总电路图
武汉理工大学《能力拓展训练》说明书 系统元件有关参数的计算
在电路中输入为110kv dc，输出为380v ac 50 hz，输出功率为p3000w，功率因数设为cos1。调节升压电路的占空比1eu011103800.71使输出为400v，调制比为1，求得逆变器输出的基波电压有效值为ub400/2282.84v。初步计算变压器的变压比为k380/4000.95。则电路各元件选取如下：
4.1 开关管和二极管的选择
(1)开关管的选择
最大输出情况下，电流有效值为
imaxpvcos300038017.895a
开关管额定电流ice
ice2imax27.89515.79a
开关管额定电压vcer
vcer2vm2380760v
(2)二极管的选择
额定电压vrr
vrrm380v
最大允许的均方根正向电流
ifrms2ifr1.57ifr
二极管的额定电流为
ifrimax1.577.8951.575.03a
4.2 l、c 滤波器的设计
输出滤波器的作用是减小输出电压中的谐波，并保证基波电压输出。因滤波电容和负
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载并联，它可以补偿感性电流，但是，滤波电容过大，反而会增加变压器的负担。因此，在设计滤波电路的时候，首先确定滤波电容的值。设计基本原则就是在额定负载时，使容性电流补偿一半的感性电流。
icpsin2u0cosicu030000.623800.82.96380250a2.96a
cf24.79f
取c=25f，选择500hz、500v的交流电容。开关管的工作频率取7.2khz 逆变桥输出电压除基波外，还含有高次谐波，最低次谐波为2p1次，而pfsf720050144，得到
f(22001)5019950hz
考虑到死区的影响，一般选取输出滤波器的谐振频率为最低谐振频率的1/5～1/10。取谐振频率为2khz,算出
l1c(1220001k)10.952124.7910261184.961060.256mh
折算到原边，l1()2l()0.2560.284mh
4.3 输出变压器选择
电源的输出功率为3kva，cos1，频率f50hz。根据变压器选择手册可选择sd40*80*220mm的50hz铁芯，查得变压器视在功率为3529va。本设计采用sd型铁芯，用冷轧取向硅钢薄板 dq151-35材料，占空系数kc0.92。求得磁芯截面积sckp/kc1.23529/0.9277.49cm，若选取最大磁密bm12000gs.1)副边绕组
逆变桥输出的spwm波经过电感滤波后还是有一定的高频分量，一般取br80%bm0.812000gs9600gs。根据
-8变
380v压器电压关系式u04.44fn2brsc4.4450n2960077.4910可求得n2230。取230匝。
2）原边绕组
逆变器输出的基波电压理想值为282.84v。两只开关管的压降为4v左右，开关频率
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fs7.2khz，死区设为td4s，则死区引起的最大电压损失为
ufstdub7.21041036282.848.12v
基波电流在滤波电感上的压降为
ul2fli12500.2841038.120.724v
漏感的阻抗压降一般为3%～5%的基波电压，按12v估算，则变压器的原边电压
u1(4008.120.72412)379.2v
变压器变比为ku2/u1380/379.21.00
n1n2/k229.5，取300匝。
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小结
很难想象最终还是把这个拓展训练做下来了，因为中间过程是多么曲折。当我刚拿到设计任务的时候，乍一眼看我还觉得题目比较简单，就是一个dc-ac转换电路，然后我脑海中立马浮现出课本上学的逆变电路图，简单的六只开关管接成桥式电路然后接负载。后来当我真正开始付之行动时才发现实际做起来要比理论分析难很多。
做任何事都要先有计划。首先，我解决的第一个问题是方案问题，根据输入输出电压的差别，我决定先用一个升压电路将直流电压进行升压处理后才输入到逆变器，而逆变器主电路则采用我们学的最多的三相桥式电路。
然后，我对各种模块电路进行了理论复习，记下每个电路需要哪些器件，以及各自的作用，在纸上画出了大概的模型图，以便设计时参考。
感觉这次拓展训练最难的地方是选择元件和计算参数，每个元件都有它的额定工作条件或范围，适当选择和使用才可以发挥出该原件最大的效益和作用，否则可能是电路工作不可靠或损坏元件。在计算变压器的型号、尺寸、铁芯材料、变比匝数时，花了很大气力。因为之前从来没学过这么细，很多内容相对比较陌生，只能对着书上的例子，再仔细浏览设计手册，一步一步的计算与选择。
此次三相pwm逆变器的设计中也存在一定的问题，发现了自己的很多不足之处，自己知识的很多漏洞，看到了自己的实践经验还是比较缺乏，理论联系实际的能力还需要提高。专业设计是培养学生综合应用所学知识、发现、提出、分析和解决实际问题锻炼实际能力的主要环节，是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程，随着科学技术发展的日新日异，电子技术已经成为当今世界空前活跃的领域，在生活中可以说得是无处不在。因此作为大学生来说，掌握电子的开发技术是十分重要的。
回顾此次拓展训练，至今我仍感慨颇多，在过去的一个星期里，可以说是苦多于甜，但是可以学到很多的东西，同时不仅可以巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上没有学到过的知识。在设计的过程中遇到问题，可以说是困难重重，难免会遇到各种各样的问题，比如有时候被一些小的、细的问题挡住看前进的步伐，让我总是为解决它而花费很长的时间，最后还要查阅其他的书籍才能找到解决的办法。
当然最关键的还是要靠自己亲自去领会思考如何解决问题，掌握独自面对问题分析问题的方法。不少人抱怨在大学学不到东西，我并不这样认为。我想无论是在学习还是在生
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活上只有自己真正用心去学习和参与才可能有收获，这也算是本次三相pwm逆变器拓展训练给我知识之外的一点小小的感悟。总之本次拓展训练的收获确实很多，很珍惜这样的机会，因为可以锻炼自己提升自己。
这次的拓展训练终于顺利完成了，在设计中遇到了很多问题，最后在努力下终于迎刃而解。同时发现了还有很多工具及理论以后待学习。此次拓展训练培养了我严谨科学的思维，通过它架起理论与实际的桥梁。
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参考文献
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