单片机原理下100kV直流电源研发探讨

第一章绪论

1.1研究背景和意义
几十年以前，最初的高压直流电源只能应用于实验研究，但是历经了半个多世纪的发展，高压直流电源技术已经达到了一个比较先进的水平，发展至能应用于工业、农业、环保科技等各个领域。但是传统的高压电源几乎都不采用高频，在进行升压的时候，还都处于工频状态，虽然传统技术经久不衰，被应用很多年，但是对于升压变压器来说，频率的提高意味着体积的减少，因此提高了频率也就减少了误差与干扰，提高了可靠性。除此之外，它们的输出电压调整时间也偏长，而且紋波、电源精度以及稳定性也很难达到非常理想的状态。
近年来，随着电力电子与数字技术的发展，以开关方式工作的幵关电源，正逐步取代传统电源，成为电源行业的主流形式。采用开关电源技术提高电源转换效率越来越被社会各方面重视，当前的高压直流电源发展趋势是小型化、模块化和数字化。目前，以功率MOSFET和IGBT为代表的、集高频、高压和大电流于一体的功率半导体复合器件为高压电源的高效率、高可靠性及小型化奠定了基础。高频化可以提高电源的性能，减小变压器的体积和紋波系数，但同时高频化导致开关器件开通与关断频繁，能耗增大。随着半导体技术与数字电路的发展，数字器件控制的电源内部参数可以调整，这就意味着电源的动态特性是可变的。另外数字技术发展十分迅速，让数字控制芯片性能不断飞跃，但价格不停地下跌，数字电源开始慢慢渗透占领传统模拟电源的应用领域，而且发展越来越快。我国从80年代开始对高频高压电源进行研究，相对于国外，虽然起步较晚，但是经过近30年的研究发展，也取得了一定的成绩。
目前，也有很多厂家生产高压直流电源，但是大部分还都属于线性电源，体积大，精度低。就目前的形势而言，相对来说，发达国家的电源产业比较发达，技术已超前我们许多年，就电源行业来说我们暂时还不具备与发达国家竞争的能力，在电源产品的工艺水平、质量、持续创新能力、可靠性、先进检测设备、智能化、生产规模、网络化等方面的差距为10年以上，特别是在实现网络化方面及稳压电源的智能化的研究方面的投入，与发达国家相比还显得差距比较大。数字高压电源系统具有十分优异的性能、很高的智能化水平和可靠的灵活性。伴随着数字电路技术以及信号技术等不断的发展，可以预见在不久以后，数字化电源肯定会逐步淘汰传统古板的模拟电源，所以应用所学知识研究开发高频、数字化的电源是符合时代要求的，是非常有必要和具有时代价值的，也必将是电源行业发展的必然趋势，对于推动我国电源产品走向世界也有极其重要意义。

1. 2高压直流电源概述
高压直流电源趋向于数字化实现电源的控制、保护与通信，是为了满足现代电源曰益增强的复杂控制要求而提出来的。模拟技术和数字技术的融合，为新技术电源组及发电机的现场提供了很强的适应性和灵活性，具备直接监视、处理并适应各种条件系统的能力，几乎能满足任何电源要求。
高压直流电源的应用领域非常广泛，在农业方面，例如农业生物静电效应研究、静电喷雾杀虫,农业物料静电喷涂包裹,农产品加工中的静电植绒、静电杀菌、农业环境静电除尘、农业种子静电处理等等。在电力系统中广泛用于高压电气设备的直流耐压和泄漏试验，如电力系统避雷器、变压器绕试验；在特殊行业其也有广泛的应用，例如高压电源是核辐射探测仪器中不可缺少的一部分,供给核辐射探测器件(如：正比计数管、GM计数管、光电倍增管以及半导体探测器等)高压,配合其它仪器做能谱分析或放射性强度测量之用。传统的高压电源根据功率大小常采用变压器直接升压整流方式或倍压整流的方式来实现。随着电力电子技术的发展，高压电源趋向于高频化、小型化。由于电源本身及控制原理的局限性，使得传统的高压直流电源有很多自身的缺陷，例如变压器的体积比较大、重量大。

    1.3 数字高压电源的发展及现状..........................10-13
        1.3.1 数字化.........................  12
        1.3.2 模块化 ......................................... 12
        1.3.3 绿色化 ......................................... 12-13
    1.4 论文主要研究内容与研究方法 .......................13-14
第二章 低压电路和控制回路的设计....................14-28
    2.1 电源系统组成框图 ..................................14
    2.2 稳压电源的基本原理 ..................................14-15
    2.3 直流稳压电路的设计................................ 15-17
    2.4 控制回路的设计....................................17-22
        2.4.1 PWM原理 ....................................17-18
        2.4.2 PWM优点 ......................................... 18-19
        2.4.3 PWM控制方法简介 ...................19-20
        2.4.4 单片机调压设计.............................. 20-22
    2.5 器件选择 ......................................... 22-28
        2.5.1 STC89C52单片机简介 ...................... 22-24
        2.5.2 直流斩波电路 ......................................... 24-25
        2.5.3 BTS驱动板.........................................  25-28
第三章 逆变器的设计.........................................  28-44
    3.1 逆变器的工作原理 ......................................... 28-29
    3.2 逆变器的主要技术指标 ......................................... 29
    3.3 ZVS全桥逆变电路.........................................  29-38
    3.4 主要器件选择 ......................................... 38-43
        3.4.1 脉冲发生器的选择 ...............................38-42
        3.4.2 开关管与隔离芯片的选择 ............................. 42-43
    3.5 逆变电路的PCB设计.........................................  43-44
第四章 高频变压器和倍压整流电路的设计...................... 44-52
    4.1 高频变压器 ......................................... 44-48
        4.1.1 磁芯材料的选择 ..............................45-46
        4.1.2 主要参数设计 ............................. 46-48
    4.2 倍压整流电路的设计.............................. 48-52
        4.2.1 倍压整流电路的原理..............................48-49
        4.2.2 倍压整流电路的具体设计 .......................49-52
第五章 系统的仿真与试验 .................................. 52-57
    5.1 参数的确定.........................................  52
    5.2 系统仿真与试验波形...............................  52-57
        5.2.1 仿真软件简介.................................... 52-53
        5.2.2 仿真与试验波形 ....................................53-57

全文总结

本文对电源工作原理与状态进行了详细的分析，研制了一台基于单片机的高压直流电源。论文的主要工作内容体现在以下几个方面：
(1)本文以全桥逆变为核心，详细分析了逆变器的工作过程与状态，选择了高频全桥逆变器作为电路的拓扑结构。
(2)根据频率的设计范围以及电压电流的大小，选择了合适的开关管及隔离芯片，并给出了选择器件的依据和器件的主要参数。
(3)高频高压变压器是高压直流电源的关键。本文详细分析了变压器的设计参数，给出了选择变压器的计算公式。在首次试验中，选取EI40为主体设计的变压器，结果导致温度上升很严重，这就是选择不合理造成的，没有足够考虑爬电距离和温升等问题，在以后的研制中，这一点值得注意。
(4)对电路的调压部分实现了按键可调，并详细介绍了所选单片机的原理与参数，避免了传统的电位器调节所带来的困扰，通过调节占空比来调节电压，附上了调节的程序。
(5)完成了对倍压整流电路部分的详细分析与设计，并介绍了所选择的器件，另外还给出了仿真波形和示波器检测图形。