1、本科毕业论文（20 届）一种高压高频脉冲发生器的研制所在学院 专业班级 电气工程及其自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 哈尔滨理工大学学士学位论文- I -一种高压高频脉冲发生器的研制摘要高压高频脉冲电源有着广泛的应用领域，尤其在工业、医疗和绝缘测试等领域应用更为频繁。随着开关电源的高频化技术的进步和发展，电源装置具有体积小型化、快速的系统动态反应和高效率等优点，进一步扩展了它的应用范围。本设计结合了电力电子技术和脉冲功率技术，提出了一种研制高压高频脉冲发生器的研制方法，并对这种发生器的工作原理，设计方法做了详细的介绍。本文首先通过对大量中外文献的查阅，明确了高频高压脉冲
2、发生器的发展现状、研究难点以及发展方向。其次，确定了以三相可控整流及IGBT 全桥逆变为核心的高频脉冲发生器的实现方案，详细介绍了主电路各部分功能并给出了高频脉冲变压器的设计步骤及参数计算过程。利用OrCAD/PSpice 仿真软件对主电路进行了仿真分析及参数优化，对方案的可行性进行验证。最后，对高频脉冲发生器的控制电路进行了设计，分为三相整流调压控制系统及逆变与保护控制系统。详细介绍了各控制单元的实现方法及工作原理，实现了控制系统的调压、调频、恒流恒压与过流过压保护等功能。关键词 高频脉冲；全桥逆变；IGBT；哈尔滨理工大学学士学位论文- II -A high-voltage high-fr
3、equency pulse generator developedAbstractHigh-voltage high-frequency pulse power supply has a wide range of applications, especially in the field of industrial, medical and insulation test more frequently. With technological advances and the development of high-frequency switching power supply, powe
4、r supply units have the advantages of size miniaturization, fast dynamic response and high efficiency, and further expanded its range of applications. This design combines the power electronics and pulsed power technology, the development of methods for the development of high-voltage high-frequency
5、 pulse generator and the generator works, the design method described in detail.Firstly, through access to a large number of foreign literature, clear status of the development of high-frequency high-voltage pulse generator, the difficulties and the development of direction. Secondly, determine the
6、high-frequency pulse generator use the core of the three-phase controlled rectifier and IGBT full-bridge inverter, described in detail the function of each of the main circuit and gives a high frequency pulse transformer design steps and parameter calculation process. Use the OrCAD / PSpice simulati
7、on software on the primary circuit simulation analysis and parametric optimization, and to verify the feasibility of the program. Finally, the high-frequency pulse generator control circuit is designed, voltage control system is divided into three-phase rectifier and inverter, protection and control
8、 systems. Details the methods and working principle of the control unit, control system regulator, frequency modulation, constant current and voltage and over-current protection function.Keywords High-frequency pulse; full-bridge inverter; IGBT;哈尔滨理工大学学士学位论文- III -目录摘要 .IAbstract.II第 1 章 绪论 .11.1 课题
9、背景 .11.2 高频高压脉冲电源国内外发展现状 .21.3 课题研究的应用与研究难点 .31.4 本文主要研究内容 .5第 2 章 主电路的设计与分析 .62.1 高频高压脉冲发生器的总体电路及其性能指标 .62.2 主电路的设计 .72.2.1 主电路的组成 .72.2.2 主电路参数的计算 .72.3 脉冲变压器的设计 .82.3.1 脉冲变压器的特点 .82.3.2 铁心材料 .92.3.3 脉冲变压器的绝缘 .102.4 脉冲变压器的电路设计及相关参数 .112.4.1 铁心选择标准及相关设计参数计算公式 .112.4.2 变压器主要参数的确定 .132.5 主电路的仿真 .152.
10、5.1 仿真软件简介 .152.5.2 仿真结果分析 .162.6 本章小结 .18第 3 章 控制电路的设计 .193.1 三相整流调压控制电路设计 .193.1.1 调压控制电路总体设计方案 .193.1.2 同步正弦信号的产生 .193.1.3 移相电压的产生 .203.1.4 晶闸管可控信号的产生 .213.1.5 触发脉冲的隔离驱动 .233.1.6 调压辅助电源 .243.2 逆变控制电路设计 .253.2.1 逆变控制电路设计总方案 .253.2.2 脉宽调制信号的产生 .25哈尔滨理工大学学士学位论文- IV -3.2.3 IGBT 的驱动电路 .273.2.4 逆变辅助电源
11、.293.3 保护电路设计 .303.3.1 恒流保护电路 .303.3.2 双重过压和过流保护电路 .313.4 信号处理及显示部分 .323.4.1 传感器的选择 .323.4.2 峰值检波电路 .333.4.3 显示模块 .343.5 本章小结 .34结论 .35致谢 .36参考文献 .37附录 .40哈尔滨理工大学学士学位论文- 1 -第 1 章 绪论1.1 课题背景人类的经济活动已经到了工业经济时代，并正在转入高新技术产业迅速发展的时期。电源是位于市电(单相或三相)与负载之间，向负载提供优质电能的供电设备，是工业的基础。电源技术是一种应用功率半导体器件，综合电力变换技术、现代电子技术
12、、自动控制技术的多学科的边缘交叉技术 4。随着科学技术的发展，电源技术又与现代控制理论，材料科学，电机工程，微电子技术等许多领域密切相关。目前电源技术已逐步发展成为一门多学科相互渗透的综合性技术学科。电源是设备正常工作的动力和心脏，也是设备的基础部件。因此对电源有很高的要求，其中包括使用要求和电气性能要求。使用要求是：可靠性高、可维修性好、体积小、重量轻、价格便宜、使用费用低和优良的电气性能。平均故障间隔时间MTBE 是衡量开关电源可靠性的重要标志，一些电源模块的MTBF已经达到50万小时以上。减小开关电源的损耗，提高电源的效率和改善散热条件，从而减小开关电源的温升，是提高可靠性的基本方法。加
13、强生产过程中的质量控制，保证开关电源具有好的电气绝缘和机械强度等也十分重要。提高开关频率需要发展高速电力电子开关器件和高频低损耗的磁心电容器，发展高强度、高绝缘性能和高导热性的绝缘材料，发展新型的零开关损耗的电路，设计合理的电源结构和加工工艺 1-3。高频变换是电源技术发展的主流，电源技术的精髓是电能变换，即利用电能变换技术，将一次电源变换成可用于各种用电对象的二次电源。开关电源在电源技术中占有重要地位，从 10kHz 发展到高稳定度，大容量，小体积，开关频率达到兆赫级的高频开关电源，为高频变换提供了技术基础，促进了现代电源技术的繁荣和发展。高频化带来了最直接的好处是减低原材料的消耗，电源装置
14、小型化，加快系统的动态反应，提高电源进入更广阔的领域特别是高新技术领域，进一步扩展了它的应用范围 3。控制电路、驱动电路、保护电路采用集成组件。控制电路采用全数字化。控制手段采用微处理器和单片机组成的软件控制方式，达到了较高的智能化程度，并且进一步提高了电源设备的可靠性。电源技术发展的特点是电源电路的模块化、集成化。单片电源和模块电源取代整机电源，功率集成技术简化了电源的结构。已经在电力、通讯、军事、工业等领域获得广泛的应用，并且派生出新的供电体制 F 分布式供电，使集中供电单一体制走向多元化 2-4。哈尔滨理工大学学士学位论文- 2 -功率变换在电力电子技术中是最重要的，也是最基本的共性技术
15、。功率变换技术研究的目标主要是：节约能源、提高效率，同时减小变换器的大小和减轻变换器的重量、降低谐波失真和成本，而在电动机传动应用中，还要求系统高的精度、快速响应、宽的输出电压、电流或频率的调节范围等。随着许多用电的电子器件其外形尺寸的不断减小，供电电源所占的尺寸显得大得多，人们在降低开关电源的体积，重量方面做了不少工作，如采用高频化技术、PWM 调制技术、软开关技术和模块化技术等。目前开关频率为数百千赫兹至数兆赫兹的开关电源已经使用，200-500kHz 已经成为 100W 输出 DC/DC 转换器开关电源的标准开关频率 3-5。1.2 高频高压脉冲电源国内外发展现状我国的晶体管直流变换器及
16、开关稳压电源研制工作开始于 60 年代初期，到 60 年代中期进入了实用阶段，70 年代初期开始研制无工频降压变压器开关稳压电源。1974 年研制成功了工作频率为 10kHz、输出电压为5V 的无工频降压变压器开关稳定电源。近 10 多年来，我国的许多研究院、工厂及高等院校已研制出多种型号的工作频率在 20kHz 左右，输出功率在1000W 以下的无工频降压变压器开关稳定电源，并应用于电子计算机、通信、电视等方面，取得了较好的效果。工作频率为 100kHz-200kHz 的高频开关稳压电源于 80 年代初期就已经开始试制，90 年代初就已完成试制成功。这些年来，我国虽然把无工频变压器开关稳压电
17、源的工作频率从数十kHz 提高到数百 kHz，把输出功率由数十瓦提高到数百瓦甚至数千瓦，但是，由于我国半导体技术与工艺跟不上时代的发展，导致我们自己研制和生产出的无工频变压器开关电源中的开关管大部分采用的仍是进口的晶体管。所以我国的开关稳压电源事业要发展，要赶超世界先进水平，最根本的是要提高我国的半导体技术和工艺 5。进入 21 世纪，开关电源技术将会有更大发的发展，这需要我国电力电子、电源、通讯、器件、材料等工业和学术各界努力协作，开发与电源相关的产品与技术，主要沿着下述方向：高性能碳化硅(SIC) 功率半导体器件、高频磁技术、新型电容器的开发、s 4 功率因数校正 AC/DC 开关转换技术
18、、抵押大电流开关电源的研发、抵押大电流 DC/DC 转换器模块、大功率或大电流转换器电路、高频开关电源的电磁兼容研究、开关电源的设计测试技术、电力电子集成技术、便携式电子设备用燃料电池电源 DC/DC转换器、寻求省略滤波电容的研究 4。国外脉冲源技术的研究也早就己经开始，其中高压快脉冲技术其起源于核物理实验、雷达、无线通信技术及计算机技术发展的需要。在国外，从 20 世纪 70 年代开始，日本的一些公司开始采用开关逆变技术，将市电整流以后逆变为 3kHz 左右的中频，然后升压；美国的 GE 公司生产的哈尔滨理工大学学士学位论文- 3 -AMX.2 移动式 X 射线机，把由蓄电池供给的直流电逆变
19、成 500Hz 的中频方波，再送入高压发生器，从而减轻电源的体积和重量。进入 80 年代，高压开关电源技术得到迅速发展。德国西门子公司采用功率晶体管做主开关元件，将电源的开关频率提高到 20kHz 以上，并将干式变压器技术成功地应用于高频高压电源，取消了高压变压器油箱，使变压器系统的体积进一步减小。进入 90 年代，随着电力电子技术的发展，以及功率半导体器件电压、电流等级的飞速提高，高压开关电源技术也取得了快速的发展。突出的表现是开关频率在不断提高，PHILIPS 公司生产的 30kW 以下移动式 X 光机的 X 射线发生装置频率达 30kHz 以上，德国的霍夫曼公司高压发生器频率高达 40k
20、Hz 以上，98 年以后通用电气公司和瓦里安公司先后都研究成功 100kHz 的 X 射线发生器 6。另外，高压电源的输出功率也在不断提高，1030kW 的大功率高压开关电源在产品上已经比较成熟，更高输出功率的高压开关电源也得到了一定程度的发展，如俄罗斯原子能电站中某空间目标测量雷达发射机的140kW 高压开关电源 (40kV，3.5A) ，美国 EEV 公司研制的用于脉冲功率技术中的 300kW 大功率恒流充电电源，等等。从以上高压开关电源的发展历程看，其主要的发展概况是：1)电源的电压等级不断提高。电压等级从最初的几千伏到几十千伏，再发展到当前几百千伏，基本满足了科研、武器装备和经济发展的
21、需要；2)电源主开关管的工作频率不断提高。主开关管的频率由几 kHz 达到了数十、上百 kHz，使得高频高压变压器、输出滤波电感电容等关键元器件的体积和重量减小，大大降低了电源的体积和重量；3)电源的效率及可靠性不断提高。运用新型电路拓扑和软开关技术，高压开关电源的效率超过 90，降低了电源本身的热耗，可靠性得到提升。4)电源的功率容量不断增加。几十 kW 的高压电源技术在实验室及工程上有较多的使用 1-4。1.3 课题研究的应用与研究难点目前高压脉冲源广泛应用于各种领域。在现代工业领域中，对提高供电的可靠性、改善电能质量提出了越来越高的要求。在现代企业中，由于变频调速驱动器、机器人、自动生产
22、线、精密的加工工具、可编程控制器、计算机信息系统的日益广泛使用，对电能质量的控制提出了日益严格的要求。这些设备对电源的波动和各种干扰十分敏感，任何供电质量的恶化可能会造成产品质量的下降，产生重大损失。重要用户为保证优质的不间断供电，往往自己采取措施，如安装不间断电源，但是这并不是经济合理的解决办法。根本的出路在于供电部门能根据用户的需要，提供可靠和优质的电能供应。电源的频率已经达到数百 Hz，应用先进的准谐振技术甚至哈尔滨理工大学学士学位论文- 4 -可以达到兆 Hz。提高振荡器输出频率可降低高压变压器、电抗器、平滑电容器、高压电容器等电子器件基本性能要求和结构体积，进而缩小高压电源体积。高频
23、化使高压电源体积大幅度的减小，轻便便携，实用性和使用方便性明显得到改善 1。在国民生产的各个行业中，高压脉冲源也得到了广泛的应用，例如，在石油行业中高频高压脉冲电源应用于原油乳化液的电脱水，由电源产生的高压脉冲使原油乳化液处于高强度电场中，在电场力的作用下水颗粒被极化并发生碰撞、聚结，然后再重力及电场力的联合作用下从原油中沉降下来，实现了油水分离。在食品行业中，高频高压脉冲电源应用于液体食品的高压脉冲灭菌，该技术将待处理的液体食品置于两个电极之间，施以高压脉冲，通过击穿细菌细胞膜，使之产生不可逆损坏以达到灭菌的目的。高频高压电源的研究涉及电力电子、新型功率开关器件的应用、自动控制技术、电磁理论
24、、材料科学和电路系统建模、优化等多方面内容，因此具有广泛的理论和学术意义。在目前的工业生产和设备制造中，在既要求环境保护、又要求高效率和高精度的今天，其应用受到很大的挑战。随着电力电子技术和微电子技术的高速发展，集成度高、功能强大的大规模集成电路的不断出现，电子设备的体积不断缩小，重量不断减轻，内功耗逐渐减少。因此电源的小型化、微型化、模块化就成为技术人员研究和探索的核心和热点。从事电源研究的人员，他们正致力于研究出转换效率更高、体积更小、重量更轻的开关变压器或者通过其他途径和方法来取代电路中的变压器，这是从事电源研究工作的科技人员目前正在解决的第一个难题。开关电源的效率是与功率开关管的变换速
25、度成正比的，但是当工作频率提高以后，又带来了新的问题，例如，高频电容、功率开关管、高频开关变压器、快恢复二极管、PCB 电路设计等都会出现问题，进一步研究适应高频率工作的有关器件和 PCB 电路，然而随着功率开关管频率的升高，其高频电压和电流会通过电路中的元器件和 PCB 引线辐射传播较强的尖峰干扰和谐振噪声，这些干扰和噪声会污染工频电网和周围环境，影响邻近的电子仪器和设备的正常工作。对于输出稳定度和输出纹波要求较高的精密仪器和仪表，就会限制开关电源的使用，因此克服因频率升高而带来的一系列问题，就成为从事电源研究工作的科技人员目前正在解决的第二个难题。工作在线性状态的线性稳压电源，具有稳压和滤
26、波的双重作用，因而串联线性稳压电源不产生开关干扰，且波纹电压输出较小。但是，在开关稳压电源中的开关管工作在开关状态，其交变电压和电流会通过电路中的元器件产生较强的尖峰干扰和谐振干扰。这些干扰就会污染市电电网，影响邻近的电子仪器及设备的正常工作。随着开关稳压电源电路和抑制干扰哈尔滨理工大学学士学位论文- 5 -措施的不断改进，开关稳压电源的这一缺点得到了进一步的克服，可以达到不妨碍一般的电子仪器、设备和家用电器正常工作的程度。但是，在一些精密电子仪器中，由于开关稳压电源的这一缺点，却使它不能得到试用。因此克服开关稳压电源的这一缺点，进一步提高它的试用范围，就成为从事电源研究工作的科技人员目前正在
27、解决的第三个难题 6。1.4 本文主要研究内容本文通过对高频高压脉冲发生器的工作原理及性能研究，针对目前高频高压脉冲电源在广泛的应用领域中出现的稳定性差、容量小和开关频率有限的现状，利用电力电子技术、模拟电子、自动控制技术等，设计出了一种高效、节能、稳定的高频高压脉冲供电装置。本文主要包括以下三个部分：1、通过阅读大量中外文献，了解高频高压脉冲发生器的发展背景及研究难点以及高频高压脉冲发生器的发展方向。2、以三相可控整流及 IGBT 全桥逆变为核心对本高频脉冲发生器主电路进行了设计，详细介绍了主电路各部分功能并给出了高频脉冲变压器的设计步骤及参数计算过程。本文利用 OrCAD/PSpice 仿真软件对主电路进行了仿真分析及参数优化，对方案的可行性进行验证。3、对高频脉冲发生器的控制电路进行了设计，给出了控制部分设计方案，控制部分分为三相整流调压控制系统及逆变与保护控制系统。介绍了控制芯片的选取及相应芯片的工作原理，并对调压、变频、恒流、过压及过流保护等功能的实现做了详细介绍。
