PWM交流斩控技术的交流稳压电源设计3

摘要近几年来，随着我国经济建设的发展，通信设备和通信网点在全国各地迅速增长，通信手段越来越先进。在各种程控数字交换设备和数字传输网得到广泛应用的同时，对系统供电设施的要求也越来越高。目前，国内的各类程控电源已相继投入市场，通信电源系统正在逐步向集中监控、少人职守或无人职守的方向发展[1]。早期的供电方式为集中供电，即供电设备集中和供电负载集中。这种方式的优点是：整流器、蓄电池、监控和配电设备都集中放置在配电室，各种电压的电池组都放置在电池室，因而供电容量大，且无须考虑电池兼容问题，供电设备的干扰也不会影响主通信设备。但是此种方式也有很多缺点：设备体积和重量较大，供电线路笨重，系统扩容困难。为改进这些不足，分散供电方式逐渐得到广泛的使用。所谓分散供电，就是指供电设备有独立于其他供电设备的负载，即负载分散或电池与负载都分散。此种方式的优点包括：占地面积小，节省材料，较低的损耗，运行维护费用低，供电可靠性高等等。无论哪种方式供电，程控数字交换设备一般都以直流电源供电为主。直流电源又由基础电源和机架电源构成。基础电源是指包括整流器、蓄电池、监控和配电设备在内的直流供电系统。机架电源则是指交换机上的插件电源。对于基础电源来讲，为产生所需要的各种直流电压（一般为-48V，也有少量采用-24V），都需要将工频电网的单相220V或三相380V交流电压进行AC/DC和DC/DC变换。因此，变换器性能的好坏直接关系到整个通信电源系统的供电质量。本设计利用PWM交流斩控技术,对传统的交流稳压电源进行了改进,性能照以往的稳压电源有了很大的提高。关键词：PWMIGBT交流稳压电源1.电力电子技术概述1.1什么是电力电子技术顾名思义，可以认为，所谓电力电子技术就是应用于电力领域的电子技术。电子技术包括信息电子技术和电力电子技术量大分支。通常所说的模拟电子技术和数字电子技术都是属于信息电子技术。电力电子技术是基于晶闸管、电力晶体管、IGBT等电力电子器件之上的，具体的说，电力电子技术就是使用电力电子器件对电能进行变换和控制的技术。目前现代科技中所用的电力电子器件均由半导体制成，故也称电力半导体器件。电力电子技术所变换的“电力”，功率可以大到数百兆瓦甚至吉瓦，也可以小到数瓦甚至毫瓦级。信息电子技术主要用于信息处理，而电力电子技术则主要用于电力变换，这是两张本质上的不同。1.2电力电子技术的发展史现代电力电子技术的发展方向,是从以低频技术处理问题为主的传统电力电子学,向以高频技术处理问题为主的现代电力电子学方向转变。电力电子技术起始于五十年代末六十年代初的硅整流器件,其发展先后经历了整流器时代、逆变器时代和变频器时代,并促进了电力电子技术在许多新领域的应用。八十年代末期和九十年代初期发展起来的、以功率MOSFET和IGBT为代表的、集高频、高压和大电流于一身的功率半导体复合器件,表明传统电力电子技术已经进入现代电力电子时代。整流器时代:大功率的工业用电由工频(50Hz)交流发电机提供,但是大约20%的电能是以直流形式消费的,其中最典型的是电解(有色金属和化工原料需要直流电解)、牵引(电气机车、电传动的内燃机车、地铁机车、城市无轨电车等)和直流传动(轧钢、造纸等)三大领域。大功率硅整流器能够高效率地把工频交流电转变为直流电,因此在六十年代和七十年代,大功率硅整流管和晶闸管的开发与应用得以很大发展。当时国内曾经掀起了-股各地大办硅整流器厂的热潮,目前全国大大小小的制造硅整流器的半导体厂家就是那时的产物。逆变器时代;七十年代出现了世界范围的能源危机,交流电机变频调速因节能效果显著而迅速发展。变频调速的关键技术是将直流电逆变为0~100Hz的交流电。在七十年代到八十年代,随着变频调速装置的普及,大功率逆变用的晶闸管、巨型功率晶体管(GTR)和门极可关断晶闸管(GT0)成为当时电力电子器件的主角。类似的应用还包括高压直流输出,静止式无功功率动态补偿等。这时的电力电子技术已经能够实现整流和逆变,但工作频率较低,仅局限在中低频范围内。变频器时代:进入八十年代,大规模和超大规模集成电路技术的迅猛发展,为现代电力电子技术的发展奠定了基础。将集成电路技术的精细加工技术和高压大电流技术有机结合,出现了一批全新的全控型功率器件、首先是功率M0SFET的问世,导致了中小功率电源向高频化发展,而后绝缘门极双极晶体管(IGBT)的出现,又为大中型功率电源向高频发展带来机遇。MOSFET和IGBT的相继问世,是传统的电力电子向现代电力电子转化的标志。据统计,到1995年底,功率M0SFET和GTR在功率半导体器件市场上已达到平分秋色的地步,而用IGBT代替GTR在电力电子领域巳成定论。新型器件的发展不仅为交流电机变频调速提供了较高的频率,使其性能更加完善可靠,而且使现代电子技术不断向高频化发展,为用电设备的高效节材节能,实现小型轻量化,机电一体化和智能化提供了重要的技术基础1.3电力电子技术作用(1)优化电能使用。通过电力电子技术对电能的处理，使电能的使用达到合理、高效和节约，实现了电能使用最佳化。例如，在节电方面，针对风机水泵、电力牵引、轧机冶炼、轻工造纸、工业窑炉、感应加热、电焊、化工、电解等14个方面的调查，潜在节电总量相当于1990年全国发电量的16%，所以推广应用电力电子技术是节能的一项战略措施，一般节能效果可达10%-40%，我国已将许多装置列入节能的推广应用项目。(2)改造传统产业和发展机电一体化等新兴产业。据发达国家预测，今后将有95%的电能要经电力电子技术处理后再使用，即工业和民用的各种机电设备中，有95%与电力电子产业有关，特别是，电力电子技术是弱电控制强电的媒体，是机电设备与计算机之间的重要接口，它为传统产业和新兴产业采用微电子技术创造了条件，成为发挥计算机作用的保证和基础。(3)电力电子技术高频化和变频技术的发展，将使机电设备突破工频传统，向高频化方向发展。实现最佳工作效率，将使机电设备的体积减小几倍、几十倍，响应速度达到高速化，并能适应任何基准信号，实现无噪音且具有全新的功能和用途。(4)电力电子智能化的进展，在一定程度上将信息处理与功率处理合一，使微电子技术与电力电子技术一体化，其发展有可能引起电子技术的重大改革。有人甚至提出，电子学的下一项革命将发生在以工业设备和电网为对象的电子技术应用领域，电力电子技术将把人们带到第二次电子革命的边缘。2.电力电子器件介绍2.1电力电子器件的概念在电气设备或电力系统中，直接承担电能的变换或控制任务的电路被称为主电路。电力电子器件是指可直接用于处理电能的主电路中，实现电能的变换或控制的电子器件。同时，我们在学习电子技术基础时广泛接触的处理信息的电子器件一样，广义上电力电子器件也可分为电真空器件和半导体器件两类。但是，自20世纪50年代以来除了在频率很高的大功率高频电源中还在使用真空管外，基于半导体材料的电力电子器件已经逐步取代了以前的汞弧整流器、闸流管等电真空器件，成为电能变换和控制领域的绝对主力。因此，电力电子器件也往往专指电力半导体器件。与普通半导体器件一样，目前电力半导体器件所采用的主要材料仍然是硅。2.2电力二极管二极管，（英语：Diode），电子元件当中，一种具有两个电极的装置，只允许电流由单一方向流过，许多的使用是应用其整流的功能。而变容二极管（VaricapDiode）则用来当作电子式的可调电容器。大部分二极管所具备的电流方向性我们通常称之为“整流（Rectifying）”功能。二极管最普遍的功能就是只允许电流由单一方向通过（称为顺向偏压），反向时阻断（称为逆向偏压）。因此，二极管可以想成电子版的逆止阀。早期的真空电子二极管；它是一种能够单向传导电流的电子器件。在半导体二极管内部有一个PN结两个引线端子，这种电子器件按照外加电压的方向，具备单向电流的传导性。一般来讲，晶体二极管是一个由p型半导体和n型半导体烧结形成的p-n结界面。在其界面的两侧形成空间电荷层，构成自建电场。当外加电压等于零时，由于p-n结两边载流子的浓度差引起扩散电流和由自建电场引起的漂移电流相等而处于电平衡状态，这也是常态下的二极管特性。早期的二极管包含“猫须晶体（Cat'sWhiskerCrystals）”以及真空管(英国称为“热游离阀（ThermionicValves）”)。现今最普遍的二极管大多是使用半导体材料如硅或锗图a）电力二极管外形b)基本结构c)电气图形符号图电力二极管内部结构断面示意图2.3晶闸管的简介晶闸管(Thyristor)就是硅晶体闸流管，普通晶闸管也称为可控硅SCR,普通晶闸管是一种具有开关作用的大功率半导体器件。目前，晶闸管的容量水平已达8kV／6kA。晶闸管是具有四层PNPN结构、三端引出线(A、K、G)的器件。常见晶闸管的外形有两种：螺栓型和平板型。图1.2a）晶闸管外形b)内部结构c)电气图形符号d)模块外形图1.3晶闸管的内部结构和等效电路1.晶闸管的基本特点有三个：（1）欲使晶闸管导通需具备两个条件有：应在晶闸管的阳极与阴极之间加上正向电压；应在晶闸管的门极与阴极之间也加上正向电压和电流。(2)晶闸管一旦导通，门极即失去控制作用，故晶闸管为半控型器件。(3)为使晶闸管关断，必须使其阳极电流减小到一定数值以下，这只有用使阳极电压减小到零或反向的方法来实现。2.晶闸管的工作特性单向晶闸管的伏安特性曲线如图所示。从特性曲线上可以看出它分五个区，即反向击穿区、反向阻断区、正向阻断区、负阻区和正向导通区。大多数情况下，晶闸管的应用电路均工作在正向阻断和正向导通两个区域。晶闸管A、K极间所加的反向电压不能大于反向峰值电压，否则有可能便其烧毁。单向晶闸管的上述特性，可以用以下几个主要参数来表征：3.额定平均电流IT:在规定的条件下，晶闸管允许通过的50Hz正弦波电流的平均值。4.正向转折电压VB0:是指在额定结温及控制极开路的条件下，在阳极和阴极间加以正弦波半波正向电压，使其由关断状态发生正向转折变为导通状态时所对应的电压峰值。单向晶闸管伏安特性曲线：图1-1单向晶闸管伏安特性曲线5.正向阻断峰值电压VDRM:定义为正向转折电压减去100V后的电压值。6.反向击穿电压VBR:是指在额定结温下，阳极和阴极间加以正弦波反向电压，当其反向漏电流急剧上升时所对应的电压峰值。7.反向峰值电压VRRM:定义为反向击穿电压减去1OOV后的电压值。8.正向平均压降VT:是指在规定的条件下，当通过的电流为其额定电流时，晶闸管阳极、阴极间电压降的平均值。9.维持电流IH:是指维持晶闸管导通的最小电流。10.控制极触发电压VCT和触发电流IGT:在规定的条件下，加在控制极上的可以使晶闸管导通的所必需的最小电压和电流。11.导通时间tg((ton):从在晶闸管的控制极加上触发电压VGT开始到晶闸管导通，其导通电流达到90%时的这一段时间称为导通时间。12.关断时间tg(toff):从切断晶闸管的工向电流开始到控制极恢复控制能力的这一段时间称为关断时间。此外，晶闸管还有一些其他参数，例如，为了使晶闸管能可靠地触发导通，对加在控制极上的触发脉冲宽度是有一定要求的;为使晶闸管能可靠地关断，对晶闸管的工作频率也有一定的规定;为避免晶闸管损坏，对控制极的反向电压也有一定的要求。2.4绝缘栅双极型晶体管（IGBT）2.4.1IGBT基本介绍绝缘栅双极型晶体管集MOSFET和GTR的优点于一身，具有输入阻抗高、开关速度快、驱动电路简单、通态电压低、能承受高电压大电流等优点，已广泛应用于变频器和其他调速电路中。图IGBT的构造和等值电路2.4.2IGBT的工作原理图IGBT的工作原理图IGBT的等效电路如图2.2所示。由图2.2可知,若在IGBT的栅极和发射极之间加上驱动正电压，则MOSFET导通,这样PNP晶体管的集电极与基极之间成低阻状态而使得晶体管导通；若IGBT的栅极和发射极之间电压为0V，则MOSFE截止，切断PNP晶体管基极电流的供给，使得晶体管截止。(1)导通IGBT硅片的结构与功率MOSFET的结构十分相似，主要差异是IGBT增