摘要

随着电子信息技术和现代科技的不断进步，用在发电厂、水电站、500KV、200KV、110KV、35KV等各类变电站的高频开关设备正朝着集成化、智能化和模块化方向发展，因而对高频开关整流器和电源的要求也越来越高.本设计是对高频开关整流器进行设计,通过反馈系统的设计实现开始恒流充电、电压达到一定程度时恒压浮充，以保护蓄电池和充电器。本文在理论研究的基础上，根据实际需要，其硬件电路包括主电路、传感器电路、控制电路和保护电路等。驱动电路的主要芯片用到EXB841，它是IGBT专用的高速型驱动电路模块，延时时间约为1μs。PWM集成电路主要芯片用到TL494，它是专门用于开关电源的一种电压驱动型脉宽调制集成电路。首先本文系统研究了各主要芯片的外围的设计，根据实际设计要求对各参数进行设定。其次利用visio画图工具软件和protel对各模块电路图和总设计图进行画图，进行优化设计。最后本文通过实验测试验证了设计的正确性，实现了预定的研究目标。

【关键词】：高频，整流器，集成电路（IC），优化设计，模块化。

ABSTRACT

With the development of electronic information technology and modern science progress, the high frequency switching equipment is substation towards integration, intelligence and modular direction of development, whitch was used in power plant, and 200KV 500KV hydropower station, 110 kv and 35KV etc, so the high frequency switching power rectifiers and power supplies are required higher and higher. This design is the design of high-frequency switch rectifier, through the feedback system design and implementation of the battery, the constant-current began when voltage to a certain extent,whitch is to protect the battery and charger.In this paper, on the basis of theoretical study and according to actual needs, its hardware circuit including the main circuit ,control circuit , the circuitand the sensor protection circuitand so on. The main driving circuit chip is use EXB841 , it is a special type of high-speed IGBT driving circuit module, and itsdelay time for about 1μs。PWM integrated circuit chips is use TL494 ,it is a kind of switch power supply voltage driving type PWM integrated circuits that is specifically for switching power supply. First, this papce is mainly introduce the outside of the main chip design, and then according to the actual reqiuiement to set each parameter . Second, useing the visio drawing tools to drawing the total of each module circuit and the entire circuit,whitch is to optimize the design. Finally, the paper design is verified by experimental test and achieving the intended goals.

【key words】 high frequency, rectifier, integrated circuit (IC), optimization design, modularity。

1

第一章 绪论

1.1 引言

整流器是一个整流装置，简单的说就是将交流（AC）转化为直流（DC）的装置。它有两个主要功能：第一，将交流电（AC）变成直流电(DC)，经滤波后供给负载，或者供给逆变器；第二，给蓄电池提供充电电压。因此，它同时又起到一个充电器的作用。整流器是功率半导体器件的鼻祖，整流器产品的技术发展与未来市场前景和功率器件的发展前景密不可分，国际整流器公司产品的演变和发展正反映了这一点。这一产品的发展,大致可分为三个阶段。第一阶段是1960-1970年，以各种类型的晶闸管和大功率达林顿晶体管为代表，可以称为双极性的年代，其服务对象主要是电力系统、机车牵引等的工业应用。第二阶段是1980-1990年，功率MOSFET的兴起,为4C产业(指通信、电脑、消费电器和汽车)提供了动力。在2000年前后，功率半导体器件的发展进入了第三阶段，即和集成电路结合愈来愈紧密的阶段.开关整流器就是有用开关元件如MOSFET，IGBT等来实现整流的电子装置，常用电路有全桥整流电路，半桥整流电路，还有PWM整流电路等 。开关整流器是电源系统中最重要的部分，它的技术是否先进，关系着开关电源系统的功能和可靠性。因此，一些自主开发的厂商很注重开关整流器技术性能的改进，其目的是使开关整流器的可靠性和效率得到很大提高，使其成本和高频电磁干扰降低。在现代社会中，高频开关整流器除了应用于通信技术外，它还主要用在发电厂、水电站、500KV、200KV、110KV、35KV等各类变电站，供给断路器的分合闸、后备电池充电、二次回路的仪表、继电保护、应急灯照明。高频开关整流器具有控制特性好，输出纹波小有利于延长蓄电池的使用寿命；体积小、重量轻、效率高等优点，正逐渐成为磁饱和式电源、相控电源的替代品。

1.2 国内外研究动态

大规模集成电路技术的迅速进展．使通信设备制造厂家对整个电源系统装置提出了更加小型化、装配紧凑的要求。因而程控电源系统目前正由传统的集中供电系统逐步转为分散式供电系统。这种新的供电系统是一种无电力室的、电源设备分散在各个电信机房的供电方式。它具有缘合投资少、扩容方便、容易维护、耗能小等优点。而分散供电系统是在高频开关整流技术、免维护铅蓄电池使用技术及微机数字控制技术发展的基础上发展起来的 。

高频开关整流模块是分散供电系统中的重要装置。它可随频率的提高而减少体积和重量，抑制可闻噪声，且可由模块组台为大容量整流器。开发高频开关整流器不仅可推动通信电源系统的革新，还可促进功率开关器件、磁性材料 、电容材料及电路新拓扑和系统控制等电力电子技术的发展。

本文依据几个国家的脉冲宽度调制(PWM)开关整流器的功能，剖析其电路原理，评述使用技术采用PWM开关整流器组台的分散供电系统由交流配电屏、

2

整流模块、蓄电池、直流屏及微机监控装置组成。供电系统与电信设备并列安装，成为电信机房设备的一部分。一个标准机架构成一个供电系统，通常从上至下分别是交流配电、直流配电、监控显示、整流、蓄电池等设备。

开关整流器的产生和推广是和电力电子技术的发展分不开的。在电力半导体器件方面，70年发明的v形槽金属氧化物半导体场效应晶体管(VMOSFET)现已广泛用于直流变换器中，作为开关器件，由于它的高额性能好、电压型控制、负电流温度系数等优点，得到各国的推广使用。为了弥补MOSFET导通电阻大的不足,80年代又发明了绝缘栅双极晶体管(IGBT——Insolated Gate Bipolar Transistors)，它是在VMOS器件的漏极面加一P层形成，具有VMOS管和双极型晶体管两者的优点，导通压降小、损耗低，故国内外生产的高频整流器也有采用IGBT作为变换级器件，提高了效率，但因它存在关断时产生尾随脉冲，影响开关频率的提高，最高达到60kHz左右。1993年国际通信能源会议(INTELEC)上澳大利亚Nigel Machin和TinoVescovi整流器制造单位发表论文，介绍 IGBT和金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)并联连接电路，使总的开关损耗降低，效率提高，其开关工作频率在25~50 kHz之间。

此外，国外尚有MOS控制晶闸管(MCT)和功率集成电路(PIC)两种器件具有发展前途。MCT是表面场效应器件的一个分支，它将MOSFET的高阻抗、低驱动功率、快开关速度的特点与晶闸管的高压、大电流特性相结合，具有大功率、高压、快速全控型的特点，据报道采用MCT的逆变器，其功率损失仅为 IGBT的56%。PIC是由功率器件和具有一个单独功能的电路组合在一起，可作为智能功率集成电路用，目前已用于小功率电力变换器内，使装置的体积缩小，重量减轻，可靠性提高，从而使装置的成本下降。在电力半导体器件发展的同时，电力变换和控制技术也在不断加以改进，变换电路日趋完善。在控制技术方面，大部分均采用脉宽调制(PWM)方法．但由于PWM调制时，开关元件是在全功率过程中进行导通和关断。不可避免地会产生谐波和开关损耗，故这种所谓硬转换或称硬开关的工作，降低了整机的效率。在 PWM基础上又采用准谐振变换器(Quasi—Resonant Converter)电路，产生准谐振零电流或零电压开关电路，以降低开关的工作损耗。

除以上PWM 调制技术外，脉频调制(PFM)也在高额整流器变换电路中应用，新西兰研制生产的Swichtec高频开关整流器即采用串联谐振调频率控制方法，效果良好。

总而言之，高频开关频率结合脉宽调制(PWM)技术的研究和应用，使开关电源迅速发展。目前在国内外，开关频率提高到100—500kHZ左右，功率开关管器件已有纵向金属氧化物半导体场效应管 (VMOSFET)、绝缘双极晶体管(IGBT)和其他新型器件等用于高频开关电源回路，进一步提高了开关频率及技术性能，使电源设备更小型化、轻量化。高频开关整流装置种类较多，其性能指标比以往的可控硅整流器和硅整流器等优越的多。

1.3 本课题研究的目的与意义

高频开关整流器主要为电力直流设备配套，用在发电厂、水电站、500KV、

3