毕业设计（论文）-低温等离子体消毒灭菌设备的电源设计.doc

2012届毕业设计任务书一、课题名称：低温等离子体消毒灭菌设备的电源设计二、指导老师：林波三、设计内容与要求1、课题概述关于低温等离子体的消毒灭菌机理, 迄今为止人们还不能够给出比较圆满的答案。大多数气体都能够放电形成等离子体。而利用混合气体激发等离子体, 其消毒灭菌效果往往比单一中性气体好。低温等离子体消毒灭菌技术的关键之一是其高压高频电源。对高压高频电源的最重要的要求是体积小，重量轻，易于控制和高可靠性。传统的高压电源因其体积和重量都比较大，且可靠性较低，不能满足各种实际应用场合的要求。随着电力电子技术的发展，采用正弦波脉冲宽度（SPWM）调制的高压逆变电源可以达到上述要求，从而能较好地提高低温等离子体消毒灭菌技术的系统水平。本课题就是设计一个SPWM调制的高压逆变电源，应用于低温等离子体消毒灭菌设备。2、设计内容与要求1）设计内容l 简单说明各种低温灭菌方法的优缺点，阐述等离子体低温灭菌的突出优越性，然后稍加展开说明离子体低温消毒灭菌的原理；l 阐述等离子体的物理效应和应用；l 简单论述系统构成；l 简单论述低温等离子体消毒灭菌系统对高压高频电源的要求；l 分析高压高频电源的系统组成，进行系统论证、主要电路模块的功能论证；l 对高压高频电源的系统进行系统技术指标设计，对各部分电路进行设计计算。l 设计并说明对高压高频电源的系统及各部分电路进行调试的方法和步骤；l 指明高压高频电源可能存在的问题，说明解决的方法与途径。*（要求学生学习过电力电子技术）2）设计要点：a) 本设计是基于SPWM脉宽调制技术的全桥高频逆变电路的一整套高压高频电源。38b) 指标要求顺序：可靠、高精度、体积小、重量轻、简单、经济、低成本、低能c) 耗、低电磁污染。3）系统组态：a) 服务对象等离子体发生器；b) 市电整流和滤波电路，获得需要的直流电源；c) 直流斩波电路，获得可调的从0伏开始的直流电源；d) 基于SPWM脉宽调制技术的全桥高频逆变电路和低通滤波器，获得频率可变的高频电压。其中正弦波发生器的设计可以选用成熟电路（几片集成电路组合设计）或自行设计电路。SPWM控制电路可以自行设计或选用国外的专用芯片（例如LM4651）进行设计；e) 高频升压变压器，获得高频高压的正弦电压。4）系统主要技术指标：输出电压幅度变化范围：；输出电压频率变化范围：；系统正常工作环境温度范围：-1040；市电电源供电。四、设计参考书与期刊杂志：1）等离子体技术及应用 赵青等编著2）电力电子技术 王兆安，黄俊主编3）电子技术 康华光主编4）传感器与自动检测技术 余成波，胡新宇，赵勇主编5）电工手册6）电子元件手册7）物理学报8）自动控制技术 杨公源主编五、设计说明书要求 1、 封面2、 目录3、 内容摘要(200400字左右，中英文)4、 引言5、 正文（设计方案比较与选择，设计方案原理、计算、分析、论证，设计结果的说明及特点）6、 结束语7、 附录(参考文献、图纸、材料清单等)六、毕业设计进程安排第12周：方案设计讨论，教师辅导；第3 周：分系统方案论证、设计初稿；第45周：分系统方案设计初稿；第6周：第一次检查，讨论并改写文稿；第7周：第二次检查，完善文稿辅导答辩；第8周：设计书成绩评定、答辩。七、毕业设计答辩及论文要求1、毕业设计答辩要求答辩前三天，每个学生应按时将毕业设计说明书或毕业论文、专题报告等必要资料交指导教师审阅，由指导教师写出审阅意见。学生答辩时对自述部分应写出书面提纲，内容包括课题的任务、目的和意义，所采用的原始资料或参考文献、设计的基本内容和主要方法、成果结论和评价。答辩小组质询课题的关键问题，质询与课题密切相关的基本理论、知识、设计与计算方法、实验方法、测试方法，鉴别学生独立工作能力、创新能力。2、毕业设计论文要求文字要求:说明书要求打印(除图纸外)，不能手写。文字通顺，语言流畅，排版合理，无错别字，不允许抄袭。图纸要求:按工程制图标准制图，图面整洁，布局合理，线条粗细均匀，圆弧连接光滑，尺寸标注规范，文字注释必须使用工程字书写。曲线图表要求：所有曲线、图表、线路图、程序框图、示意图等不准用徒手画，必须按国家规定的标准或工程要求绘制。湖南铁道职业技术学院毕业设计（论文）摘要针对传统的消毒装置存在的缺陷和目前技术的发展，本文利用介质阻挡放电产生等离子体原理，研制一种等离子体消毒电源，提出了一种基于SPWM脉宽调制技术，利用LM4651驱动器的PWM控制能力的全桥高频逆变电路，获得频率可调的高频电压，从而能较好地提高低温等离子体消毒灭菌技术的系统水平。这种新的消毒电源的研究方法，使电源装置具有体积小、效率高、可靠性好等优点，使得等离子体杀菌灭度具有更为普遍的意义。关键词：介质阻挡放电；等离子体；SPWM脉宽调制；LM4651；高频逆变 AbstractIn traditional sterilization device the weakness and at present the development of technology, this paper using dielectric barrier discharge produce plasma principle, research and develop a plasma disinfection power supply, put forward based on SPWM pulse width modulation technology, using PWM control ability LM4651 drive the whole bridge of high frequency inverter circuits , obtain frequency adjustable high frequency voltage, and a good way to develop the low temperature plasma disinfection technology system level this new disinfection power research method, the power equipment has small volume efficiency many advantages such as high reliability, making the plasma sterilization degree has more of general significanceKeywords: dielectric barrier discharge; Plasma; SPWM pulse width modulation; LM4651; High frequency inverter湖南铁道职业技术学院学生毕业设计（论文）目录摘要IAbstractII第一章 绪论21.1 低温等离子消毒电源的提出21.2 低温等离子体的概念及原理21.3 低温等离子体灭菌器的优势3第二章 电路的整体设计42.1 结构框图42.2 设计思路4第三章 电路模块分析与论证63.1 单相全控整流滤波电路63.1.1 整流模块介绍63.1.2 滤波电路73.2.1 元器件的选择103.3 LC滤波电路133.4 高频升压电路153.4.1 变压器的概述153.4.2 变压器的原理153.4.3 变压器的设计16第四章 控制电路的分析与论证204.1 单结晶体管触发电路204.2 SPWM驱动电路224.2.1 SPWM控制技术224.2.2 SPWM波的生成244.3相应的显示电路及辅助电路274.3.1 频率表的选择27湖南铁道职业技术学院学生毕业设计（论文）4.3.2 输出电压显示仪的选择284.4 辅助电源29第五章 PWM控制芯片315.1 LM4651介绍32参考文献35心得体会36致谢37附录38元器件清单39湖南铁道职业技术学院毕业设计（论文）第一章 绪论1.1 低温等离子消毒电源的提出低温等离子体在工业上的应用具有十分广阔的前景。目前,研究较多的是在大气压下，以介质阻挡电晕放电产生离子体。本文是利用等离子体能够消毒的原理,并且针对现实中传统的消毒杀菌技术存在的缺陷限制,设计了低温等离子消毒电源,而介质阻挡放电产生等离子体的效果直接与电源的电压、频率和波形相关。所以高电压、高频率的低温等离子消毒电源的设计是本课题的实现目标。1.2 低温等离子体的概念及原理等离子的概念：等离子体属于物理概念,是自然界中存在的继固态、液态、气态之后的物质第四态，它是气体在放电过程中产生大量的正负带电粒子、电子和中性粒子以及自由基组成的表现出集体行为的一种准中性气体。当外加电压达到气体的着火电压时，气体分子被击穿，产生包括电子、各种离子、原子和自由基在内的混合体。放电过程中虽然电子温度很高，但重粒子温度很低，整个体系呈现低温状态，所以称为低温等离子体，也叫非平衡态等离子体。等离子消毒电源的原理关于低温等离子体的消毒灭菌机理, 迄今为止人们还不能够给出比较圆满的答案。大多数气体都能够放电形成等离子体。而利用混合气体激发等离子体, 其消毒灭菌效果往往比单一中性气体好。 根据早期的实验，相继出现了各种有关机理的假说。纵观各种假说，无论是从物理还是化学方面对消毒机理进行探索，归根到底不外乎有以下三种：1) 等离子体形成过程中产生大量紫外线直接破坏微生物的基因物质；2) 紫外光子固有的光解作用打破微生物分子的化学键，最后生成挥发性的物，如CO、CHx；3) 通过等离子体的刻蚀作用，即等离子体中活性物质与微生物体内的蛋白和核酸发生化学反应，能够摧毁微生物和扰乱微生物的生存功能。 也有部分学者认为等离子体对细菌具有杀灭作用是上述作用合力的结果，大多数气体都能放电形成等离子体。1.3 低温等离子体灭菌器的优势等离子体消毒灭菌技术几乎具备了一种理想杀菌消毒法的全部条件：1 其灭菌速度快，可大大提升被灭菌器械的利用率，方便于医院进行连台手术。2 大幅度的减少对医疗器械伤害，有效的延长了器械的使用寿命。3 由于其灭菌原理的更新，已经跨入绿色环保的行列。4 与高压蒸汽灭菌、干热灭菌相比，灭菌时间短；5 与1,2-亚易记氧为主体的化学灭菌相比，操作温度低，能够广泛应用于各种材料和物品的灭菌；6 特别是在切断电源后，产生的各种活性粒子能够在数毫秒内消失，无需通风，同时，灭菌后的器械没有药物残留不会对操作人员构成伤害，安全可靠；目前国内外已将这一技术广泛应用于包括食品加工和医疗卫生在内的诸多领域。常用灭菌设备的使用及优缺点对比：灭菌技术设备名称配套设备适用物品耗能时间效率废气排放物品损耗温度化学残留等离子体灭菌等离子灭菌器220V或380V非液体类少较短无无室温无高温蒸汽灭菌蒸汽灭菌柜蒸汽锅炉畏热畏湿物品无法用高较短有废蒸汽排放高温损耗高(115135)无EO/CFC灭菌环氧乙烷灭菌柜残留分解装置非液体类较少很长有EO/CFC废气较少低（65左右）有消毒液浸泡消毒清洗机220V电源不锈钢、塑料少较长有化学废水化学锈蚀室温有紫外线臭氧消毒紫外/臭氧消毒柜220V电源物品表面消毒少较长有臭氧产生无室温无第二章 电路的整体设计2.1 结构框图低温等离子体消毒灭菌电源主要有主电路和控制电路两部分组成，其中:主电路由单相全控整流滤波电路、SPWM控制的DC/AC高频逆变电路、LC滤波电路及高频升压电路组成。控制电路由单结晶体管触发电路、SPWM驱动电路、基准正弦波发生电路、频率调节电路、过流过压保护电路以及相应的显示电路组成。图2-1 电源系统结构图2.2 设计思路1. 整流滤波部分输入220V单相工频电源，采用由4 个晶闸管组成的全桥可控整流电路，经整流滤波后输出为略带纹波的直流电压；2. 逆变部分采用电压型全桥逆变电路，由四个桥臂,可以看成两个半桥电路组合而成。每个桥臂都由一个IGBT和与它反并联的二极管组成。可调直流电压经DC/AC全桥逆变电路得到方波输出；3. LC滤波部分逆变得到的方波经LC（电感、电容）电路滤波后得到正弦波输出，送到高频升压电路。滤波电感由外加电感和变压器自身漏感组成，滤波电容由变压器自身杂散电容和负载本身的电容组成。4.高频升压电路LC滤波后得到的正弦波经高频升压变压器升压得到所需要的高压正弦波。 第三章 电路模块分析与论证3.1 单相全控整流滤波电路鉴于消毒灭菌设备应用广泛，既可以用于工业、医疗机构、餐饮业等地的消毒灭菌，也可用与普通家庭。因此本论文的设计选择单相电源。3.1.1 整流模块介绍1. 元器件的选择由整流二极管构成的整流器，由于其输出电压不可控的，称之为不可控整流；由晶闸管构成的整流器，其输出电压是可控的，故称为可控整流。为了更好的实现电源功能，本论文的设计采用后者。2. 电路分析图3-1单相桥式可控整流电路工作原理分析：在电源电压的正半周，V1、V4承受正向电压，若晶闸管的控制极不加脉冲，V1不导通，此时负载中没有电流流过。当t=时，控制极加上触发脉冲，V1导通，电流流经V1、V4。由于晶闸管导通时管压降很小，所以负载上的电压。这时V2和V3因承受反向电压而处于阻断状态。当t=时，降为零，V1又变为阻断。在的负半周，V2、V3承受正向电压，当t=+时，触发V2而导通，电流流经V2、V3，负载上的电压仍然为。这时V1和V4因承受反向电压而处于阻断状态。当t=2时，V2恢复阻断状态。由以上分析可见，在的一个完整周期内，流过负载的电流方向是相同的，负载上的电压和电流波形如图3-1（b）所示。可控整流电路的主元件采用晶闸管时，其控制方式都采用相位控制。下面分析为什么使用单相桥式可控整流电路： 单相桥式半控整流电路的优点是：线路简单、调整方便。弱点是：输出电压脉动冲大，负载电流脉冲大（电阻性负载时），且整流变压器二次绕组中存在直流分量,使铁心磁化，变压器不能充分利用。单相桥式全控整流电路具有输出电流脉动小，变压器二次电流为两个等大反向的半波，没有直流磁化问题，变压器利用率高的优点。且单相全控式整流电路其输出平均电压是半波整流电路1.2倍，在相同的负载下流过晶闸管的平均电流减小三分之一；功率因数提高了一半。 因此选择的方案为单相全控桥式整流电路（负载为阻感性负载）。3.1.2 滤波电路 1、滤波电路的选择电容滤波电路的优点：其适用于小电流负载；电容滤波电路的外特性比较软；且电路简单、体积小、成本低。但其缺点是采用它时，整流二极管中将流过较大的冲击电流。电感滤波的优点有：整流二极管的导电角大，峰值电流小，输出特性较平坦。但其缺点是：存在铁心，笨重、体积大，易引起电磁干扰，一般只适应于低电压、大电流的场合。综上所述，可知电容滤波器适用于大电压小电流负载，而电感滤波器适用于大电流低电压负载。本设计中电源是要产生高频高压电源，因而使用电容滤波。 2、电路分析电容滤波电路如图3-2所示，在负载电阻上并联了一个滤波电容C。图3-2 电容滤波电路 1）、滤波原理 若v2处于正半周，二极管D1、D3导通，变压器次端电压v2给电容器C充电。此时C相当于并联在v2上，所以输出波形同v2 ，是正弦波。当v2到达wt=p/2时，开始下降。先假设二极管关断，电容C就要以指数规律向负载L放电。指数放电起始点的放电速率很大。在刚过wt=p/2时，正弦曲线下降的速率很慢。所以刚过wt=p/2时二极管仍然导通。在超过wt=p/2后的某个点，正弦曲线下降的速率越来越快，当刚超过指数曲线起始放电速率时，二极管关断。所以在t2到t3时刻，二极管导电，充电，Vi=Vo按正弦规律变化；t1到t2时刻二极管关断，Vi=Vo按指数曲线下降，放电时间常数为RLC。电容滤波过程见图3-3。 图3-3 电容滤波电路波形需要指出的是，当放电时间常数RLC增加时，t1点要右移，t2点要左移，二极管关断时间加长，导通角减小；反之，RLC减少时，导通角增加。显然。当L很小，即IL很大时，电容滤波的效果不好，见图3-4滤波曲线中的2。反之，当L很大，即IL很小时，尽管C较小, RLC仍很大,电容滤波的效果也很好，见滤波曲线中的3。所以电容滤波适合输出电流较小的场合。 图3-4 电容滤波的效果2）、外特性 整流滤波电路中，输出直流电压VO随负载电流IO的变化关系曲线如图3-5所示。 图3-5 电容滤波外特性曲线名 称VO(空载)VO(带载)二极管反向最大电压每管平均电流半波整流IO全波整流、电容滤波1.2V2*0.5IO桥式整流、电容滤波1.2V2*0.5IO桥式整流、电感滤波0.9V20.5IO*使用条件：   3.2 DC/AC逆变开关电源中的一个重要的能量转换环节是把工频整流后得到的直流电由电子开关变换成负载需要的交流电。逆变器是将直流电变换成交流电的变换器。本设计是将整流滤波后的直流电直接接到交流负载。所以本设计采用的是无源逆变，且直流边电压无脉动能输出稳定矩形波的电压型逆变电路更适合本设计的需求。3.2.1 元器件的选择1、绝缘门极晶体管IGBT的介绍IGBT也是三端器件，它的三个极为漏极、栅极和源极。有时也将IGBT的漏极称为集电极，源极称为发射极。可见，IGBT是以GTR为主导器件，MOSFET为驱动器件的复合管，图3-6所示为IGBT的外形图。图3-6 IGBT外形图绝缘栅双极晶体管(IGBT)的图形符号N沟道 P沟道它的三个电极分别为门极G、集电极C、发射极E。绝缘栅双极晶体管(IGBT)的特点：这种器件的特点是集MOSFET与GTR的优点于一身。1.输入阻抗高，速度快，热稳定性好。2.通态电压低，耐压高，电流大。3.它的电流密度比MOSFET大，芯片面积只有MOSFET的40%。但速度比MOSFET略低4.大功率IGBT模块达到1200-1800A/1800-3300V的水平（参考）。5.速度在中等电压区域（370-600V），可达到150-180KHz。绝缘栅双极晶体管的主要参数与特性：（1）转移特性（2）输出特性它的三个区分别为：靠近横轴：正向阻断区，管子处于截止状态。爬坡区：饱和区，随着负载电流Ic变化，UCE基本不变，即所谓饱和状态。水平段：有源区。（3）开关损耗：常温下，IGBT和MOSFET的关断损耗差不多。MOSFET开关损耗与温度关系不大，但IGBT每增加100度，损耗增加2倍。开通损耗IGBT平均比MOSFET略小，而且二者都对温度比较敏感，且呈正温度系数。两种器件的开关损耗和电流相关，电流越大，损耗越高。3.2.2电路分析本论文采用的电路设计及逆变得到的波形图如图所示：1.电压型逆变电路的基本特点:1）直流侧并联大电容，直流电压基本无脉动。2) 输出电压为矩形波，电流波形与负载有关。3） 电感性负载时，需要提供无功功率。为了有无功功率通道，逆变桥臂需要并联二极管。2原理分析与特性：1）同单相半桥逆变电路相比，在相同负载的情况下，其输出电压和输出电流的幅值为单相半桥逆变电路的两倍。2）电感负载时0t4， /2t3 4期间，、导通起负载电流续流作用，在此期间、均不导通。3）阻感负载时0t期间，和有驱动信号，电流为负值，和不导通，、导通起负载电流续流作用， =+。t期间，为正值，和才导通。t+期间，和有驱动信号，由于电流为负值，、不导通，、导通起负载电流续流作用，= 。+t2期间，和才导通。3.3 LC滤波电路图3-7 滤波器电路图滤波器输出设计,如图3-7所示设：F为逆变器输出频率(10KHz).Fk最低次谐波电压频率（30 KHz）。Fc滤波器的截至频率。Fc=2Fk/(EBOE-BO)Bo=lnUkim/UkomUkim:滤波器输入端最低次谐波的电压幅值Ukom：滤波器输出端最低次谐波的电压幅值F=10KHz Fk=30KHz （FcFK）设Ukim=10V Ukom=3VBo=lnUkim/Ukom=1.204EBO=E-BO=3.333+0.2999=3.6329Fc=2×30/3.6329=16.5KHz元件的计算LoCo=1/(2f)2Lo/Co=（0.50.8R）2选择Lo/Co（0.6R）2Lo=0.6R/22fUo1=168V 令150VK=150/1000=0.15R=K2RL=0.152×100M=2.25MLo=0.6×2.25K/2×16.5×103=13mHCo/Lo=1/（0.6R）2Co=0.07uf滤波器输出电压设CoR并联谐振为Z2Z=Z1+Z2=JWLo+Z2Z2=RL*1/JWCo/RL+1/JWCo将RL=37 Co=0.43uf解：ZL=33.5(1-J0.999148)Z1=J2*104*0.214*10-3=J13.446U2=Z2/（Z1+Z2）*U1Z2/（Z1+Z2）=33.5（1-50.999148）/J13.446+33.5(1-J0.999148)=33.5(1-J0.999148)/33.5+J(1-33.5*0.999148)=33.5(1-J0.999148)/33.5-J20.025=1-J0.999148/1-J0.5977612=1-J0.999148/1-J0.59777=(1-J0.999148)(1+J0.5977)/(1-J0.59777)(1+J0.5977)=1+0.597190-J0.401448/1.35733=1.59719-J0.401448/1.35733Z2/（Z1+Z2）=1.21331U2=1.21331*168=201V结论电容选择CY22/23-4，电感选择SDCL2012-D TYPE。3.4 高频升压电路3.4.1 变压器的概述变压器的最基本型式，包括两组绕有导线之线圈，并且彼此以电感方式称合一起。当一交流电流(具有某一已知频率)流于其中之一组线圈时，于另一组线圈中将应出具有相同频率之交流电压，而感应的电压大小取决于两线圈耦合及磁交链之程度。一般指连接交流电源的线圈称之为一次线圈；而跨于此线圈的电压称之为一次电压。在二次线圈的感应电压可能大于或小于一次电压，是由一次线圈与二次线圈问的匝数比所决定的。因此，变压器区分为升压与降压变压器两种。大部份的变压器均有固定的铁心，其上绕有一次与二次的线圈。基于铁材的高导磁性，大部份磁通量局限在铁心里，因此，两组线圈藉此可以获得相当高程度之磁耦合。在一些变压器中，线圈与铁心二者间紧密地结合，其一次与二次电压的比值几乎与二者之线圈匝数比相同。因此，变压器之匝数比，一般可作为变压器升压或降压的参考指标。由于此项升压与降压的功能，使得变压器已成为现代化电力系统之一重要附屑物，提升输电电压使得长途输送电力更为经济，至于降压变压器，它使得电力运用方面更加多元化，可以如是说，倘无变压器，则现代工业实无法达到目前发展的现况。3.4.2 变压器的原理图3-8是电源变压器的原理图，当一个交流电压U1 加在初级线圈两端时，导线中就有交变电流I1并产生交变磁通1，它沿着铁心穿过初级线圈和次级线圈形成闭合的磁路，在次级线圈中感应出互感电势U2，同时1 也会在初级线圈上感应出一个自感电势E1，E1 的方向与所加电压U1 方向相反而幅度相近，从而限制了I1的大小。为了保持磁通1 的存在就需要有一定的电能消耗，并且电源变压器本身也有一定的损耗，尽管此时次级没接负载，初级线圈中仍有一定的电流，这个电流我们称为“空载电流”。如果次级接上负载，次级线圈就产生电流I2，并因此而产生磁通2，2 的方向与1相反，起了互相抵消的作用，使铁心中总的磁通量有所减少，从而使初级自感电压E1 减少，其结果使I1增大，可见初级电流与次级负载有密切关系。当次级负载电流加大时I1增加，1 也增加，并且1 增加部分正好补充了被2 所抵消的那部分磁通，以保持铁心里总磁通量不变。图3-8 变压器原理图3.4.3 变压器的设计根据“电力电子设备设计和应用手册”，王兆安、张明勋主编，进行高频升压变压器的设计。1. 变压器设计的前提根据图2.53可得以下公式：2. 变压器的设计1）、输入给定 2）、计算变压器总功率其中：变压器效率=0.8 输出功率 3）、确定工作磁感应强度选择E、E型磁芯材料（R2KB）；选双极性变压器=0.4T4）、确定电流密度系数Kj查表18-18，得允许温升25，Kj=3665）、确定窗口填充系数T一般在0.20.4之间，选=0.36）、计算乘积按式18-128计算：由磁芯决定的常数，见表18-18，=-0.12查表18-15得到磁芯尺寸，如图2-27所示 图3-9 双E型磁芯图7）.计算原、副线圈的匝数8）、计算电流有效值9)、电流密度计算J依照18-12710）、导线面积计算11）、取导线直径12）、计算导线根数13）、平均匝数14）、导线长度第四章 控制电路的分析与论证4.1 单结晶体管触发电路可控整流的电路一般由整流器的整流电路及其触发控制电路组成。在整流变换过程中，其平均功率（或能量）是从交流侧流向直流负载。本论文的设计采用单结晶体管触发电路。图4-1所示为全控整流中的单结晶体管触发电路，其方式采用了单结晶体管同步触发电路，其中单结晶体管的型号为BT33。图4-1 全控整流中的单结晶体管触发电路当把单结晶体管触发电路用于可控整流电路时，主电路中的晶闸管在每次承受正向电压的半周内，接受第一个触发脉冲的时刻应该相同。如果在电源电压每个正半周的控制角不同，输出电压平均值就会不稳定，使发出触发脉冲的时间与电源电压互相配合，称为触发电路与主电路同步。在图4-1中，主电路和触发电路通过变压器都取自同一个交流电源，这样就保证了两者电压的频率相同，而且同相。在触发电路中，变压器副边电压经单相桥式整流后得到电压u，再经电阻R1和稳压管D2组成的稳压电路，在稳压管D2两端得到一个近似的梯形波U z。梯形电压供给RC电路充电。当u c上升到单结晶体管的峰点电压Up时，单结晶体管导通，使电容器上的电荷经R1迅速放电，而在R1两端产生第一个尖脉冲电压。当u c低于谷点电压U v时，单结晶体管回复截止。电容器再次充、放电，产生第二个尖脉冲电压，当因此在一个梯形波内产生一组脉冲，并在梯形波电压降到零时，电容器上的电荷也放完。这一组脉冲中的第一个用于触发晶闸管。当第二个梯形波开始后，又从头开始产生第二组脉冲。显然每组脉冲的第一个脉冲发出的时间都相同，即1=2=3=。因此负载RL上得到可控全波电压u o。电路中各处的电压波形如图4-2所示。下面说明图4-1电路中的几个元件的作用。（1） 稳压管的削波作用：稳压管将整流所得的全波电压u削去顶上一块，得到近似的梯形波u z。顶部稳定的电压u z使单结晶体管输出的脉冲幅度和每半周产生第一个脉冲的时间不受电网电压波动的影响。图4-2 电路中各处的电压波形（2） 变压器的同步作用：通过变压器将触发电路与主电路接在同一电源上，每当主电路的交流电源电压过零值时，稳压管上的电压u z也过零值，两者同步。因此变压器又称为同步变压器。在u z过零值时，单结晶体管两基极间的电压UBB也为零。这时电容C上如果还有电荷，它将向R1很快放掉，保证电容C在每一个半波开始时从零开始充电，使每个半周产生第一个脉冲的时间保持不变，从而使晶闸管的导通角和输出电压平均值保持不变。（3） 改变R p的移相作用：如欲调节输出电压的大小，可以通过改变R p的大小，即改变电容器充电时间常数来实现。若使电位器R p阻值减小，C的充电变快，因而每半周出现一个脉冲的时间前移，即角减小，角增大，输出电压的平均值随之变大。所以，改变R p可以移相，调整输出电压。4.2 SPWM驱动电路对于本论文控制电路的设计，由系统的结构图可以看出，DC/AC逆变中主元器件IGBT需驱动信号才能产生我们所需要输送到高频升压变压器的电压。本电路设计的关键是在输出端得到一个高频高压电源，这个电源的要求必须为正弦交流电。如果采用推挽电路实现逆变，则输出端的电压与正弦波的波形很不相似。将这个电源供给负载使用便会使负载稳定性降低，对负载造成损害。通过比较论证，当对正弦电压进行正弦脉宽调制时，输出端波形得到与正弦波非常相似的交流电压，有利于负载的稳定运行。当我们用SPWM波对全桥中的四个功率开关器件进行驱动时，输出端便能得到SPWM调制后电压。所以，SPWM触发信号的产生至关重要。4.2.1 SPWM控制技术SPWM（Sinusoidal PWM）法是种比较成熟的目前使用较广泛的PWM法，SPWM法就是用脉冲宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形,即用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。单极性SPWM的产生原理如下图所示：双极性SPWM波形的产生原理如下图所示：波形的变换效果如下图所示：将上图所示的正弦波分成N等份，即把正弦半波看成由N个彼此相连的脉冲所组成。这些脉冲宽度相等（均为/N），但幅值不等，其幅值是按正弦规律变化的曲线，把每一等份的正弦曲线与横轴所包围的面积都用一个与此面积相等的等高矩形脉冲来代替，矩形脉冲的中点重合，且使各矩形脉冲面积与相应各正弦部分面积相等就得到上述波形。4.2.2 SPWM波的生成对于SPWM波的产生，我们知道，用正弦波作为调制波，LM4651产生的三角波作为载波，再由LM4651的内部构造进行比较得到交点，即可得到SPWM波。对于正弦波的产生，我们采用了如下设计:基准正弦波发生电路1） 电路组成 图3-8为集成运放构成的RC桥式正弦波振荡电路， 其中的放大电路是由集成运放构成的同相比例电路。 RC串并联网络的输出端接在集成运放的同相输入端， 将反馈信号送给放大电路。 图3-8 集成运放构成的RC桥式正弦波振荡电路2）振荡频率3）起振条件当R2 = 2R1 时， A = 3，则AF=3 ×1/3 =1 ，满足自激振荡的幅值条件。若R2 > 2R1 ，则AF >1，可以满足自激振荡的起振条件。4）常用的稳幅措施（1）采用热敏电阻（2）利用二极管的非线性实现自动稳幅，如图3-9所示图3-9 采用二极管的非线性实现自动稳幅（3）采用场效应管进行自动稳幅图3-10 采用场效应管进行自动稳幅的RC串并联式正弦波振荡电路设C=1000P F ，f=10kHz，R=1/(2*1000*10-12*10*103 )=16kK=RF/R f=3，RF =10 k ，R f=R3+RG， R3=2.2 k 令RG=0.51 k ，W4=500 k ，R5=470 k ，R=1 k 。放大器选用结型场效应管为输入端的运算放大器CA3140。整流二极管用1N34A，稳压管用2CW21C。电容器为0.01F。作交流动态电阻用的结型场效应管为3DJ2E。这是一个N沟道耗尽型器件。其特性如图3-11所示：图3-11 结型场效应管的动态电阻特性4.3相应的显示电路及辅助电路4.3.1 频率表的选择CSF-400 4位数字式频率表l 测量频率l 精度: ±0.05%l 位 数字显示: 9999l 容易接线, 螺丝固定端子l 稳定性高 & 可靠度佳l 外型尺寸欧规标准 1/8 DIN (96x48mm)测量数据:测量范围分辨率输入阻抗频率9999Hz1Hz1 M技术规格测量精度 ±0.05% F.S.±1 digit测量范围 通过选择PCBA板后面的焊点短接设定最高点校正 不可调校零点校正 不可调校取样时间 大约1次/秒反向显示 “ 0 ”指示过载输入能力 电压：1.2倍额定输入(连续)讯号 1.5倍额定输入(连续)讯号  10秒小数点 订购时请指定操作温度 0  60 操作相对湿度 20 95 % RH温度系数 100 PPM/ (050) 50 PPM/ (23±3)库存温度 -10 70 工作电源 AC:115/230V±10%, 50/60Hz 特殊规格: DC 12V,24V,48V ±10%(隔离)消耗功率 DC: 3W , AC: 4.5VA隔离强度 AC 2.0KV for 1 分钟（介于电源/输入) AC 3.0KV for 1 分钟 (介于螺丝端子/机壳)重量