1、编号基 本 技 能 实 习 (作 品 )脉冲电源设计学 院 名 称专 业 名 称学 生 姓 名学 号指 导 教 师2017 年 1 月 3 日目录辽宁工业大学工程硕士专业学位论文摘要关键词：网络技术；在线考试；浏览器/服务器模式； JSP；SQLserver2000电源设备用以实现电能变换和功率传递，是各种电子设备正常工作的基础。而脉冲电源由于具有断续供电的特性，在电火花加工、脉冲电镀、电弧焊接、高功率激光泵、高频脉冲感应加热、工业废气处理、脉冲电解污水处理、静电除尘、臭氧制取和表面热处理等领域获得了广泛的应用。应用领域不同，对脉冲电源的性能和特征参数的要求就存在差别，因而实现方法也各异。论文
2、在考察了多种脉冲电源的特点和实现方法后，自行研制了一种幅值、频率、占空比可调的新型智能化高频脉冲电源，具有广泛的工程应用前景和理论学术意义论文采用直流斩波原理，利用体积小、重量轻、效率高、可靠性好的开关电源作为直流供电电源。设计了以电流型控制芯片 UC3842 为核心，配合高频变压器、MOSFET 输出储能电感、采样反馈通道等主要元器件，实现输出电压在 048V 连续可调，脉冲电流频率 10HZ1000HZ 连续可调,脉冲电流幅值 05A 连续可调,脉宽1001000us 连续可调。同时，采用小信号分析的方法，建立了开关电源主电路的等效小信号模型，并通过将电流电压双环控制系统转化为单环控制系统
3、获得了开关电源系统的传递函数，在分析系统频率特性的基础上设计了系统的补偿器，仿真结果表明，补偿后的系统具有良好的动态特性结合一定的软件程序，建立了以 W77E58 为核心的智能控制系统，实现脉冲信号的调整和驱动，从而对前述的开关电源进行控制，以获得可调整的脉冲电压。智能控制部分主要包括模拟量输入通道模块、人机接口模块、分频模块、隔离驱动模块等功能模块。论文的最后对所研制的可调脉冲电源进行了相关的实验研究，主要测试了其功能规格和保护特性，并分析讨论了测试结果。实验结果表明，该脉冲电源的输出电压调整特性、负载调整率、输出纹波、动态响应等均满足了一定的要求，并具有良好的过载、短路保护特性和波形特性关
4、键词:脉冲电源;开关电源:小信号分析:微机控制目录辽宁工业大学工程硕士专业学位论文AbstractAsthefundamentofvariableelectricalequipments,powersuppliesrealizepowerchanginganddelivery.Pulsepowersupply,withitsdiscretecharacteristic,hasawideapplicationinthefieldofEDM,pulseelectroplating,electricweld,highpowerlaserpump,highfrequencyinductionheati
5、ng,purificationofexhaustgasandwasterwater,electrostaticdustprecipitation,ozoneproductionandsurfaceheattreatment.Indifferentfields,demandsofperformanceandparametersofpulsepowersupplyarevariable,soasthetechniquesofmanipulation.Aftertheresearchoncharacteristicsandprinciplesofxianypulsepowers,anovel,int
6、elligent,highfrequencypulsepowersupplywithadjustableamplitude,frequencyanddutyisdevelopedwhichhasafavorableforegroundinengineeringapplicationandagreattheoreticalsignificance.Withchoppingprinciple,switchingpowersupplyischosenastheDCpowersupplybecauseofitssmallsize,lowweightandhighefficiency.Withtheap
7、plicationofcurrentmodecontrolchipUC3842asthecoreofthecircuit,analwiththecooperationofhighfrequencytransformer,MOSPET,outputinductor,samplingandfeedbackcircuit,aforwardconverterisprojectedwhosemaximaloutputvoltagecanberegulatedbetween5Vto30Vcontinuously,Pulsefrequencycanberegulatedbetween10HZ-1000HZc
8、ontinuously,pulsecurrentamplitudecanberegulatedbetween05Acontinuously,pulsewidthcanberegulatedbetween1001000uscontinuously.Moreover,basedonsmallsignalanalysismethod,theequivalentsmall-signalmodelofthemaincircuitisachieved,andthesystemtransferfunctionisestablishedbypredigestingthedoublecontrollooptoa
9、singleone.Qnthebasisoftransferfunction,thefrequencycharacteristicofthesystemisanalyzedandthecompensatorisdesigned.EmulationresultsshowagooddynamiccharacteristicoftheclosedsystemInordertocontroltheforementionedswitchingpowersupplytoaccomplishanadjustablepulsevoltage,themicrocontrollerW77E58iscombined
10、withsomeprogramstoformanintelligentcontrolsystemwhoseprimaryfunctionisregulatinganddrivingpulsesignal.Andthemainmodulesofthesystemcontainanaloginputmodule,userdialogmodule,frequencydividingmoduleandisolate-drivingmodule.Attheendofthispaper,pertinentexperimentswhichmostlyfocusonfunctionandprotectiont
11、esthavebeencarriedoutonthepulsepowersupply.Basedontheresults,theverypulsepowersupplymeetscorrespondingfunctionrequirementsonoutputvoltageregulation,loadregulation,outputrippleanddynamicresponse,andthepoweralsohasatolerablewaveformspecialityandanexcellentabilityofovercurrentprotectionandshortprotecti
12、on.KeyWords:PulsePowerSupply;SwitchingPowverSupply;SmallSignalAnalyze;Micro-control基本技能实习（作品）目录摘要 .IAbstract.II第章 绪论 4课题的研究背景 4脉冲电源的特点及发展动态 51.3 脉冲电源的应用及研究现状 51.4 基于单片机的脉冲电源设计 51.4.1 脉冲幅度 .61.4.2 脉冲前沿上升时间 .61.4.3 脉冲宽度 .61.4.4 脉冲周期 .61.4.5 脉冲重复频率 .6第 2 章 交流电源的零交越脉冲电路设计 7结束语 9基本技能实习（作品）第章 绪论1.课题的研究背景现
13、代电源技术是应用电力电子半导体器件，综合自动控制、计算机（微处理器）技术和电磁技术的多学科边缘交叉技术，属于电力电子技术的范畴，是现代电力电子技术的具体应用。电力电子技术的发展带动了电源技术的发展，而电源技术的发展有效地促进了电源产业的发展。从日常生活到最尖端的科学都离不开电源技术的参与和支持，而电源技术和产业对提高一个国家劳动生产率的水平，即提高一个国家单位能耗的产出水平，具有举足轻重的作用。迄今为止电源已成为非常重要的基础科技和产业，其发展趋势为高频、高效、高密度化、低压、大电流化和多元化。同时，封装结构、外形尺寸日趋国际标准化，以适应全球一体化市场的要求。电源设备用以实现电能变换和功率传
14、递，是一种技术含量高、知识面宽、更新换代快的产品。现今已广泛应用到工业、能源、交通、运输、信息、航空、航天、航运、国防、教育、文化等领域。在信息时代，上述各行各业都在迅猛地发展，发展的同时又对电源产业提出了更多更高的要求。如节能、节电、节材、缩体、减重、防止污染，改善环境、可靠、安全等。显然，电源技术的发展将带动相关技术的发展，而相关技术的发展反过来又推动了电源产业的发展。当前在电源产业，占主导地位的产品有各种线性稳压电源、通讯用的开关电源、开关电源、交流变频调速电源、电解电镀电源、高频逆变式整流焊接电源、中频感应加热电源、电力操作电源、正弦波逆变电源、大功率高频高压直流稳压电源、绿色照明电源
15、、化学电源、可靠高效低污染的光伏逆变电源、风光互补型电源等。而与电源相关的技术有高频变换技术、功率转换技术、数字化控制技术、全谐振高频软开关变换技术、同步整流技术、高度智能化技术、电磁兼容技术、功率因数校正技术、保护技术、并联均流控制技术、脉宽调制技术、变频调速技术、智能监测技术、智能化充电技术，微机控制技术，集成化技术、网络技术、各种形式的驱动技术和先进的工艺技术在电力电子技术的应用及各种电源系统中，开关电源技术均处于核心地位。对于大型电解电镀电源，传统的电路非常庞大而笨重，如果采用高顿开关电源技术，其体积和重量都会大幅度下降，而且可极大提高电源利用效率、节省材料、降低成本。在电动汽车和变频
16、传动中，更是离不开开关电源技术，通过开关电源改变用电频率，从而达到近于理想的负载匹配和驱动控制。高频开关电源技术更是各种大功率开关电源（逆变焊机、通讯电源、高频加热电源、激光器电源、电力操作电源等）的核心技术。目前，开关电源正朝着高频化、模块化、数字化、绿色化的方向发展。随着新型电力电子器件和适于更高开关频率的电路拓扑的不断出现，现代电源技术将在实际需要的推动下快速发展。在传统的应用技术下，由于功率器件性能的限制而使开关电源的性基本技能实习（作品）能受到影响。为了极大发挥各种功率器件的特性，使器件性能对开关电源性能的影响减至最小，型的电源电路拓扑和新型的控制技术，可使功率开关工作在零电压或零电
17、流状态，从而可大大的提高工作频率，提高开关电源工作效率，设计出性能优良的开关电源.脉冲电源的特点及发展动态脉冲电源是各种电源设备中比较特殊的一种，顾名思义，它的电压或电流波形为脉冲状。按脉冲电源的输出特性分类，有高频、低频、单向、双向、高压、低压等不同的分类，具体选择怎样的输出电压、输出电流和开关频率，根据具体的应用场合而定。按脉冲波形分，有矩形波、三角波、梯形波、锯齿波等多种形式，如图所示，由于矩形波具有较好的可控性和易操作性，所以以这种波形的应用居多。究其本质，脉冲电源实质上是一种通断的直流电源，它的基本工作原理是：首先经过慢储能，使初级能源具有足够的能量，然后向中间储能和脉冲成形系统放电
18、（或流入能量），能量经过储存、压缩、形成脉冲或转化等复杂过程之后，形成了脉冲电源脉冲电源的发展很大程度上依赖于开关器件的发展，它在促进开关器件发展的同时受制于开关器件的发展，尤其是大功率脉冲电源更是依赖于开关器件的发展。由于开关器件对改善电路的性能，降低电路损耗和提高电流使用效率等方面都具有非常重要的作用，随着 GTO、功率 MOSFET、绝缘栅双极晶体管（ IGBT）等自关断全控型开关器件的复合化、标准模块化、智能化、功率集成化，脉冲电源各方面的性能都得以显著提高。1.3 脉冲电源的应用及研究现状由于脉冲电源断续供电的特性，在很多领域都获得了广泛的应用，其应用领域包括:脉冲电镀、极性相和非极
19、性相的相分离、工业废气处理、脉冲电解污水处理、高频脉冲感应加热、高功率激光泵、产生高功率带电粒子束、电弧焊接、电火花加工、静电除尘、臭氧制取和表面热处理等。在军事上，脉冲电源还用于电磁轨道炮、电磁脉冲模拟、粒子束武器、液电爆炸等领域。下面介绍一下脉冲电源的几种典型应用。脉冲电源在电加工领域的应用及研究现状1.4 基于单片机的脉冲电源设计脉冲电路脉冲电路的基本知识，在数字电路中分别以高电平和低电平表示 1 状态和 0 状态。此时电信号的波形是非正弦波。通常，就把一切既非直流又非正弦交流的基本技能实习（作品）电压或电流统称为脉冲。图 Z1601 表示出几种常见的脉冲波形，它们既可有规律地重复出现，
20、也可以偶尔出现一次。脉冲波形多种多样，表征它们特性的参数也不尽相同，这里，仅以图 Z1602 所示的矩形脉冲为例，介绍脉冲波形的主要参数。1.4.1 脉冲幅度脉冲幅度 Vm-脉冲电压或电流的最大值。脉冲电压幅度的单位为 V、mV，脉冲电流幅度的单位为 A、mA。1.4.2 脉冲前沿上升时间脉冲前沿上升时间 tr-脉冲前沿从 0.1Vm 上升到 09Vm 所需要的时间。单位为ms、 s、ns。1.4.3 脉冲后沿下降时间脉冲后沿下降时间 t-脉冲后沿从 0.9Vm 下降到 0.1Vm 所需要的时间。单位为：ms、 s、ns。1.4.3 脉冲宽度脉冲宽度 tk-从脉冲前沿上升到 0.5Vm 处开始
21、，到脉冲下降到 0.5Vm 处为止的一段时间。单位为：s、ms 、 s 或 ns。1.4.4 脉冲周期脉冲周期-周期性重复的脉冲序列中，两相邻脉冲重复出现的间隔时间。单位为：s、ms、s。1.4.5 脉冲重复频率脉冲重复频率-脉冲周期的倒数，即 f=1T，表示单位时间内脉冲重复出现的次数，单位为 Hz、kHz 、MHz 。占空比 tkT-脉冲宽度与脉冲周期的比值，亦称占空系数。对电路来说，有个阻抗匹配问题，只有当阻抗匹配时，输出效果才最好，否则，有可能导致负载力不足，导致一旦外加电路，就会把电压拉下了，建议后面加一级运放增大负载能力基本技能实习（作品）第 2 章 交流电源的零交越脉冲电路设计本
22、设计中的电路可生成一个交流电源的零交越脉冲，并提供电气绝缘。输出脉冲的下降沿出现在零交越点前约 200s。使用这个电路可以安全地停止一个可控硅栅极的触发，使之有时间正常地关断。只有当主电压约为 0V 时，电路才产生短脉冲，因此在230V、50Hz 输入下只耗电 200mW。电路为电容 C1 充电，直至达到 22V 齐纳二极管 D3 的上限(图 1 与参考文献 1)。电阻R1 和 R5 用于限制输入电流。当输入整流电压降至 C1 电压以下时，Q1 开始导通，产生一个几百微秒长的脉冲。IC1 的耦合使得 Q1 方波发生器作出响应。 rms 工作电压只需要 R1 和 R5。SMD 的 1206 型电
23、阻一般能承受 rms 为 200V 的电压。本设计将 R1 和R5 之间的输入电压一分为二，总额定电压为 rms 值 400V。D3 用于将桥的电压限制在22V，因此后面所有元件都有较低的额定电压。22V 齐纳管可以箝位在 30V，因此本设计使用了一只 50V、470nF 的陶瓷电容。陶瓷电容较电解电容或钽电容有更好的可靠性，尤其是在高温下。如果愿意使用更便宜更小的 25V 元件，可以将齐纳管的电压改为18V，仍保有不错的安全边际。R4 用于限制 LED 上的峰值电流。对 LED 电流的主要限制是整流 AC 输入的斜率。缓慢的斜率使得 C1 释放储存的能量时，Q1 不会产生电流尖峰。图 1，这
24、个零交越检测器使用了低压元件，功耗很低可以在 LTspiceVersionIV 中仿真此电路的运行(图 2 与参考文献 2)。在230V、50Hz 下，仿真显示在光耦 LED 上有一个 17mA 的峰值。仿真在基本技能实习（作品）90V250V(50Hz 和 60Hz)输入时都有好的结果。在 110V、60Hz 输入时，LED 电流峰值为 8.5mA，因此 IC1 仍能工作。如果需要更高的 L图 2 LTspice 仿真ED 驱动电流，可以减小 R3 的值，或增加 C1 的值。图 2，这是个 LTspice 仿真，当输入电压跌穿 0V 时，LED 电流产生一个脉冲，其边沿领先和滞图 3，原型电
25、路的结果与仿真有很好的相关性对一个实际电路的测试表明与仿真有很好的相关性(图 3)。用一个 5V 逻辑电源驱动绝缘输出，可获得好的脉冲波形(轨迹 1)。为保证安全，主输入端通过一个 15V 隔离变压器送至示波器(轨迹 2)。用示波器的余辉特性可以显示出过渡的零交越点(图 4)。这种方案能够精确地测量出与输入零交相关的脉冲时序。基本技能实习（作品）图 4，使用示波器的余辉功能，显示出精准的零交越结束语写论文是一个不断学习的过程，从最初刚写论文时对企业职位面临的问题的模糊认识到最后能够对该问题有深刻的认识，我体会到实践对于学习的重要性，以前只是明白理论，没有经过实践考察，对知识的理解不够明确，通过这次的做，真正做到林论时间相结合。 总之，通过毕业设计,我深刻体会到要做好一个完整的事情，需要有系统的思维方式和方法，对待要解决的问题，要耐心、要善于运用已有的资源来充实自己。同时我也深刻的认识到，在对待一个新事物时，一定要从整体考虑，完成一步之后再作下一步，这样才能更加有效
